CN1093695C - 固体氧化物燃料电池的结构及其联接方法 - Google Patents

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Abstract

一种具有矩形或梯形横断面和纵断面的中空六面体结构的固体氧化物燃料电池及其联接方法(如图)。属于固体氧化物燃料电池技术领域。空气在六面体内部6中流动，燃料气(H2，CO，CH4等)由贯穿于六面体两宽面间的矩形小管7中流过，利用多孔空气极(阴极)11-致密高温氧化物电解质10-多孔燃料极(阳极)9将二者隔开，并构成基本的燃料电池结构。各六面体单体电池间用柔性金属毡13联接，形成电池组或电池模块。

Description

固体氧化物燃料电池的结构及其联接方法
本发明是一种具有六面体形状的固体氧化物燃料电池结构和此结构的单体电池构成电池组的联接方法，属于固体氧化物燃料电池技术领域。
固体氧化物燃料电池是在高温(800-1000℃)下将气体燃料(CO，H2，CH4等)的化学能转化为电能的电化学发电装置。它的基本结构是由致密的、可传导氧离子的固体氧化物电解质薄膜和分别粘附在其两个侧面上的多孔的燃料极(阳极)和空气极(阴极)所构成。当两极上分别施加燃料气(CO，H2，CH4等)和空气时发生电化学燃烧反应，产生CO2和H2O，同时在两个电极的外电路有直流电产生。这种发电过程不受卡诺循环效率限制，因而能量转化效率高。而且无噪音和有害气体释放。
本发明的目的是设计新型的固体氧化物燃料电池结构和单体电池组合成电池组或电池模块的联接方法。
目前有各种结构的固体氧化物燃料电池，其中美国西屋电气公司(Westinghouse)的管式结构比较成熟(BP 0055011和BP 0055016)，鉴于其空气腔和燃料腔之间采取不密封结构，使其整体构造简单可靠。1995年单电池寿命已超过5万小时，电池模块已达20～30kW。其特点是单电池内部电流的流向是在其径向环形截面上由一端流向另一端。使其在轴向上放大，原则上不受限制，目前实用化的单电池长度达500～2000mm。与此同时，径向尺寸受电流行程的限制，而不能任意放大。
另一种流行的结构是板式结构(US 4476197)。在电解质板式薄膜的两侧面上涂有空气电极膜和燃料电极膜，形成单电池。在两个单电池之间，用双极性板联接。这种双极性板除了充当联接极板的同时，在两个侧面上刻有平行的沟槽，供输送燃料气和空气，这两种气体的流动方向是相互垂直的。鉴于单电池的制作可以直接借鉴电子工业成熟的技术一流涎法和筛印法，易于批量制做。单电池的成本较低，但是双极性板的制作成本高，又需要采用密封技术，影响其发展。
本发明采取这两种结构的优点，即不密封和平板结构。其结构如下：图1a是这种氧化物燃料电池的几何结构。8是一个具有矩型或梯形横断面和纵断面的中空六面体(以下简称六面体)。7是一组贯穿其前后端面的矩形小管。在六面体8的顶端面的两端有两个通气管1和4。空气导入管3穿过安装在通气管1上的耐火填料塞2的中心孔，进入六面体8。在六面体8内矩形小管7的个数是奇数，各管的顶端和底端依次和六面体8的顶端面和底端面联接，这种在六面体8的内部形成多个首尾相接的S形空气通道6，形成空气腔。这样从空气导入管3通过来的空气，经过这空气通道，最后乏空气从通气管4排出。矩形小管组7的内孔5是燃料气通道，形成燃料腔。六面体8和矩形管组7的各个面是具有多孔的空气极一致密的固体电解质—多孔的燃料极的三层薄膜结构(以下简称PEN结构)，且空气极在电池的内壁上，燃料极在其外壁上，固体电解质居中。各个面对应的薄膜层是联接在一起的。六面体8的两个宽侧面是电池的两个联接极。其中一个面的固体电解质层被致密的集电极膜所代替，成为阳极。另一个宽面的外层燃料极是阴极。
图1b是两组这种单电池做串联连接时的横截面，固体电解质层10的外侧是燃料极9，而其内侧是空气极11。空气极的一端和集电极12联接。单电池I和II是通过金属毡13做柔性联接的。
图2是这两个单电池组装成工作模块的联接示意图。燃料气由气体分布器14的顶端进入，此分布器的一个宽侧面开有和电池的矩形小管组相对应的矩形开口，将燃料气导入各矩形小管内。尾端15是气体分布器，其一个宽侧面具有和气体分布器14同样的矩形开口，由电池的各矩形小管流出来的乏燃料气通过这些开口进入分布器15腔内，由设在15的底端的出口流出。在电池之间和气体分布器与电池之间是金属毡片13，这个毡片上同样开有和气体分布器14，15同样的矩形开口。当这些组件彼此压紧时，气体分布器14，15上的矩形孔，各金属毡片13上的矩形孔和电池上的矩形小管组形成一组并接的矩形管道，构成了燃料气的通道。气体分布器14和15是由耐热合金制成，还作为工作电池的集电极，与汇流排25，26联接，将电流导出。
图3是电池组装示意图。组装的工作电池是安装在一个由绝热材料21和耐火材料20做衬的密闭的容器中。此容器用多孔耐火板19分隔成燃料腔F和燃烧室C。电池安装在燃料腔内。进气管1和4穿过多孔耐火板19进入燃烧室C。在燃烧室C内安装有空气预热器16和燃料气预热(重整)器17。它们的出气口分别和空气导入管3和气体分布器14连接。空气经通气管23由外部导入，经空气分配管22分配后由空气导入管3进入电池内，穿过S通道6后，形成的乏空气由通气管4排出电池进入燃烧室C，燃料气经通气管24由外部导入，经预热(重整)器17进入矩形管通道。乏燃料气从气体分布器15的下端流出进入燃料腔的下部F1，然后顺着四壁上升进入燃料腔的上部F，通过多孔板19进入燃烧室C。在那里和从通气管4出来的乏空气混合燃烧，发出的热量的一部分经预热器16和17把空气和燃料气预热到电池的工作温度。其余热量由尾气经排气口18带出。

Claims (6)

1，一种固体氧化物燃料电池，其特征在于，所述的固体氧化物燃料电池的结构是由一个具有矩形或梯形横断面和纵断面的中空六面体(以下简称六面体)和一组两端开口的矩形小管所构成，
矩形小管的个数为奇数，被均匀间隔开并贯穿于六面体的两个宽面之间的空间之中，其窄面与六面体的顶面平行，而且依次交替地与六面体的顶面和底面的内表面相联接，
六面体的两个宽面上具有与矩形小管数目相等、尺寸相同的矩形孔，后者的短边和中空六面体的两个宽面的长边平行。此外，中空六面体的顶面的两端各有一个通气管，
矩形小管组在中空六面体内部形成多个首尾相联接的S形气体通道，这个通道的首、尾分别与中空六面体顶面上的通气管联接，形成氧化性气体或空气的通道，
六面体和这些矩形小管的各个面是具有多孔的空气极—致密的固体电解质—多孔的燃料极的三层薄膜结构的平板所构成，空气极在内侧，燃料极在外侧，固体电解质居中，各个面的相应薄膜层是彼此联成一体的，只是六面体的一个宽面的固体电解质层和燃料极层被致密的集电极膜所取代，形成电池的阴极，六面体的另一宽面的燃料极则为电池的阳极，这两个电极分别通过与其接触的柔性金属毡和气体分布器，按一定的联接方式联接起来形成固体氧化物燃料电池组。
2，根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池，其特征在于，所述的固体氧化物燃料电池的结构的六面体顶面两端各有一个通气管，其中一个通气管是进气管，另一个为排气管，作为进气管的通气管内插有一根空气导入管，空气导入管穿过耐火填料塞的中心孔，并使其密封。
3，根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池，其特征在于，所述的固体氧化物燃料电池的结构的电极与相邻的同一结构的电极，或与气体分布器接触的柔性金属毡其特征在于是由镍、铬、铁、铜或其它合金的细丝制成的金属毡，其平面的几何尺寸大小和中空六面体的宽面相同，在其上开有和六面体上相同数目，尺寸和位置的矩形小孔。
4，根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池，其特征在于，所述的固体氧化物燃料电池结构的气体分布器是一个六面体，其上端有一个进气管或在底端有一个排气口，此分布器的一个宽面和固体氧化物燃料电池的燃料气入口和出口处各与一个气体分布器连接，使燃料气得以均匀地分布于各矩形小管，它们是由铁基耐热合金、镍基耐热合金或铬基耐热合金构成的中空六体氧化物燃料电池的宽面的相同，有一组矩形截面的开口，并与固体氧化物燃料电池的矩形小管一一对应，这个面通过柔性金属毡和固体氧化物燃料电池的阴极或阳极相联接，形成一个矩形通气管组，以均匀分布燃料气，并作为电流导出极。
5，根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池，其特征在于，由若干个具有此固体氧化物燃料电池的结构的固体氧化物燃料电池按照一定的联接方式联结成固体氧化物燃料电池组，此电池组具有两个气体分布器，首端的具有进气管，而末端的具有排气口，它们具有一组矩形截面开口的宽面是相向对立的，其间有若干个固体氧化物燃料电池和柔性金属毡，按照气体分布器—柔性金属毡—固体氧化物燃料电池—柔性金属毡—固体氧化物燃料电池—柔性金属毡—……—固体氧化物燃料电池—柔性金属毡—气体分布器的顺序排列压紧而成，使各个组件上的矩形小管对应地串联成若干个相互平行的矩形燃料气通道。
6，根据权利要求5所述的固体氧化物燃料电池，其特征在于，它是一个基本电池组，由若干个这种基本电池组按照指定的串、并联方式联接成工作电池。
7，根据权利要求6所述的固体氧化物燃料电池，其特征在于，它是安装在一个矩形六面体内，这个六面体有一个内衬绝热耐火材料的气密性的外壳，安装有空气和燃料气导入管和尾气排放管，由一块多孔板分隔成两个部分，工作电池安装在其中的一个空间内，每一个基本电池组排气端的气体分布器排出的乏燃料气直接排入此空间内，通过多孔隔板进入另一个空间内。而每一个固体氧化物燃料电池的进气与排气用的通气管都穿过这个多孔板伸入到另一个空间内，后者是燃烧室，乏空气和乏燃料气在这里燃烧，其产生的热量的一部分为安装在此空间的空气和/或燃料气预热器和燃料气重整器所吸收，把空气和燃料气预热到固体氧化物燃料电池的工作温度，由穿过多孔分隔板的管道进入工作电池组，其余热量随尾气进入外部热量回收系统。这个包含有工作电池组，空气和/或燃料气预热器，燃料气的重整器，燃烧室和联接管道的六面体构成了工作模块。
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