CN109786785B - 一种平板式固体氧化物燃料电池电堆 - Google Patents

一种平板式固体氧化物燃料电池电堆 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种平板式固体氧化物燃料电池电堆，包括至少一片电池片和至少一个连接组件，所述连接组件包括第一连接体和密封壳体，所述第一连接体与密封壳体上两个相对表面贴合连接，所述第一连接体远离密封壳体的表面上设有阳极流道或阴极流道；所述密封壳体内设有高温热管；所述电池片包括阳极、阴极和电解质；所述阳极与加工有阳极流道的第一连接体相连接，所述阴极与加工有阴极流道的第一连接体相连接。本发明所述平板式固体氧化物燃料电池电堆，能够承受较高的升温速率且降低操作时的温度梯度，从而可以实现电堆系统快速升温启动、降低电堆升降温与正常运行过程的温度梯度和热应力，扩大SOFC的应用领域。

Description

一种平板式固体氧化物燃料电池电堆
技术领域
本发明涉及固体氧化物燃料电池，具体涉及一种平板式固体氧化物燃料电池电堆。
背景技术
目前金属连接体已经广泛应用于中温(650～800℃)固体氧化物燃料电池电堆中，虽然金属连接体的导热性能高于陶瓷连接体，但为了使电堆安全工作，进气需要经过外部热平衡系统预热到约700℃才能进入电堆，同时由于电堆发电产生大量的热，又需要通入大量空气来降温。且在长期运行过程中，尤其是大尺寸电池或高功率密度运行，电堆中的电池反应区域的温度梯度会越来越大，甚至达到150℃以上的温差，导致电堆及电池区域热应力显著增大，同时加速电池性能衰减及降低密封材料的可靠性。
目前研究或生产中温燃料电池电堆所采用的金属连接体多数是铁素体不锈钢、铬基合金(CFY)，在降低温度梯度方面，多数是采用优化金属连接体上的气体流道设计，改善气流均匀性，降低气流阻力的方法，这种方法对温度梯度降低幅度有限，且无法解决长期运行时温度梯度增加的问题；在热管理方面，大多数采用外置式热交换器来预热电堆进口的燃料和空气同时实现电堆的冷却。
Christian Olsen等人在美国专利申请10/762,477号中采用的是把连接体燃料通道加工成“十”字的方式，改善气流分配，降低温度梯度。
Amir Faghri等人在美国专利申请10/632,440号中采用的是在金属连接体上用激光打孔的方式穿孔，并穿入管式热管，来提高传热效率。
Bunker Ronald Scott在美国专利申请10/212,541号中描述了在流体通道中放置纤维来干扰气体流动，产生不稳定尾流，达到增强传热效果。
Marius Dilling等人在Journal of Power Sources 373(2018)139-149提到了把连接体延伸出电堆并内嵌一个热管结构，降低连接体温度梯度，提高电堆与外部的换热，降低冷却空气需求。此设计没有考虑电堆进气部分的热管理，电堆依旧需要外部热交换系统，需要将嵌入热管的连接体部分延伸至电堆以外，通过外部气体热交换实现冷却，伸出部分导致电堆存在安全隐患，电堆外形不规整，电堆长期运行时延伸出来的连接体部分会因高温蠕变而变形弯曲，不利于电堆安全。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足之处而提供一种平板式固体氧化物燃料电池电堆。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种平板式固体氧化物燃料电池电堆，包括至少一片电池片、和至少一个连接组件，所述连接组件包括至少2片第一连接体和至少一个密封壳体，所述第一连接体与密封壳体上两个相对表面贴合连接，所述第一连接体远离密封壳体的表面上设有阳极流道或阴极流道；所述密封壳体内设有高温热管；所述电池片包括阳极、阴极和电解质；所述阳极与加工有阳极流道的第一连接体相连接，所述阴极与加工有阴极流道的第一连接体相连接。
本发明所述平板式固体氧化物燃料电池电堆内设有高温热管，使该热管的热导率可达到10000W/(m·K)以上，超高的导热性能可以明显降低电堆中的温度梯度，呈现近等温性，采用本发明的电堆设计可以进一步增大电池反应区域尺寸或更高的功率密度运行。该结构的电堆具有超高的导热性能，允许低温气体直接进入电堆，气体在电堆内部达到反应区域前即可利用电堆发电产生的热量预热到约700℃，同时实现给电堆降温，减少对外置热交换器的需求。所述电池片可以为阳极支撑电池片、电解质支撑电池片或金属支撑电池片。
所述第一连接体靠近密封壳体的表面上可以加工阳极流道或阴极流道，也可以不加工阳极流道或阴极流道。所述密封壳体的材料为与连接体的材料的热膨胀系数相匹配。所述贴合连接方式为焊接或者玻璃密封，所述焊接可以为真空钎焊或激光焊接。
作为所述平板式固体氧化物燃料电池电堆的优选实施方式，所述平板式固体氧化物燃料电池电堆还包括第二连接体，所述第二连接体平行于第一连接体，所述第二连接体的两个表面上分别设有阳极流道和阴极流道，所述阳极与加工有阳极流道的第二连接体相连接，所述阴极与加工有阴极流道的第二连接体相连接。
作为所述平板式固体氧化物燃料电池电堆的优选实施方式，相邻连接组件之间包括0～8片第二连接体。
第二连接体没有与密封壳体贴合连接，在电堆中增设有第二连接体，可以节省空间，减少对原有电堆的修改，但第二连接体数量的增多会使电池片离热管距离增大，减小传热效果。因此相邻密封壳体之间最多设置8片第二连接体，才能保证较好的传热效果。
作为所述平板式固体氧化物燃料电池电堆的优选实施方式，所述高温热管包括毛细芯和工作介质。
作为所述平板式固体氧化物燃料电池电堆的优选实施方式，所述工作介质为金属钠或钠钾合金。
作为所述平板式固体氧化物燃料电池电堆的优选实施方式，所述工作介质为金属钠。
作为所述平板式固体氧化物燃料电池电堆的优选实施方式，所述毛细芯为泡沫金属、细槽、烧结金属粉末芯或多层金属网中的至少一种。毛细芯选材要求与钠液相容，目前常用的材料为耐高温不锈钢、镍、钨等，基于成本和易操作性考虑，材料优先为不锈钢或镍，可以为不锈钢网、镍网、泡沫镍或镍烧结粉末。所述细槽为壳体靠近工作介质的侧壁上加工的细槽。
作为所述平板式固体氧化物燃料电池电堆的优选实施方式，所述毛细芯为泡沫镍或多层不锈钢网。
作为所述平板式固体氧化物燃料电池电堆的优选实施方式，所述不锈钢网为SUS310S不锈钢网。
作为所述平板式固体氧化物燃料电池电堆的优选实施方式，所述多层不锈钢网包括至少一层不锈钢网，所述不锈钢网的孔径为10～500目。
作为所述平板式固体氧化物燃料电池电堆的优选实施方式，所述多层不锈钢网为五层不锈钢网，中间一层的不锈钢网的孔径为10～50目，最外层的不锈钢网的孔径为100～300目。
作为所述平板式固体氧化物燃料电池电堆的优选实施方式，所述泡沫金属的孔径≤2.0mm，孔隙率≥50％；优选地，所述泡沫镍的孔径≤0.1mm，孔隙率≥90％。
作为所述平板式固体氧化物燃料电池电堆的优选实施方式，所述第一连接体和第二连接体上设有用于燃料或氧化气体流通的开孔。开孔为燃料的进出口和氧化气体的进出口，燃料和空气的流动方向视具体情况而定。
本发明的有益效果在于：本发明提供了一种平板式固体氧化物燃料电池电堆，本发明所述电堆能够承受较高的升温速率且降低操作时的温度梯度，从而可以实现电堆系统快速升温启动、降低电堆升降温与正常运行过程的温度梯度和热应力。采用本发明技术的电堆不仅可以适用于SOFC固定式应用场合如分布式能源、智能电网、数据中心用微电网等场合外，还可应用在移动式应用场合如船用、汽车领域。
附图说明
图1为实施例1所述固体氧化物燃料电池堆的结构示意图；
图2为实施例2所述固体氧化物燃料电池堆的结构示意图；
其中，1、阳极支撑电池片；2、第一连接体Ⅰ；3、第一连接体Ⅱ；4、密封壳体；5、第二连接体；6、阳极支撑电池片；7、第一连接体Ⅰ；8、第一连接体Ⅱ；9、密封壳体；10、第二连接体。
具体实施方式
为更好的说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
本发明所述平板式固体氧化物燃料电池堆的一种实施例，结构示意图见图1。
本实施例所述平板式固体氧化物燃料电池电堆包括至少五片阳极支撑电池片1、至少一个连接组件和至少3片第二连接体5，所述连接组件包括2片第一连接体(第一连接体Ⅰ2和第一连接体Ⅱ3)和一个密封壳体4，第一连接体和第二连接体平行设置，所述第一连接体Ⅰ2和第一连接体Ⅱ3与密封壳体4上两个相对表面贴合连接，所述第一连接体Ⅰ2和第一连接体Ⅱ3与密封中间层4采用激光焊接方式结合在一起。
所述第一连接体Ⅰ2和第一连接体Ⅱ3远离密封壳体4的表面上分别设有阳极流道和阴极流道；阳极流道为燃料流道，阴极流道为空气流道。所述第一连接体Ⅰ2和第一连接体Ⅱ3上设有用于燃料或空气流通的开孔(图中未示出)，所述第一连接体Ⅰ2和第一连接体Ⅱ3上的开孔位置相对应。所述第二连接体5的两个表面上分别设有阳极流道和阴极流道，所述阳极与加工有阳极流道的第二连接体5相连接，所述阴极与加工有阴极流道的第二连接体5相连接。
所述密封壳体4为密封结构的壳体，壳体的材料与连接体材料相同，为中空结构，壳体内设有高温热管，所述高温热管包括毛细芯和工作介质。所述毛细芯为五层SUS310S不锈钢网，正中间一层不锈钢网的孔径为10～50目不锈钢网，其余层不锈钢网的孔径为100～200目不锈钢网，工作介质是99.99％钠金属，在真空环境下填充。填充口用氩弧焊密封。电堆采用玻璃密封。
本实施例的电堆的外部进气温度可以降低至400℃，电堆启动时升温速度可以达到150℃/h，稳定后用热电偶测得电池反应区域不同位置的温差小于40℃。
实施例2
本发明所述平板式固体氧化物燃料电池堆的一种实施例，结构示意图见图2。
本实施例所述平板式固体氧化物燃料电池电堆包括至少三片阳极支撑电池片6、至少一个连接组件和至少1片第二连接体10，所述连接组件包括2片第一连接体(第一连接体Ⅰ7和第一连接体Ⅱ8)和一个密封壳体9，第一连接体和第二连接体平行设置，所述第一连接体Ⅰ7和第一连接体Ⅱ8与密封壳体9上两个相对表面贴合连接，第一连接体Ⅰ7和第一连接体Ⅱ8与密封中间层9采用激光焊接方式结合在一起。
所述第一连接体Ⅰ7和第一连接体Ⅱ8远离密封壳体9的表面上分别设有阳极流道和阴极流道；阳极流道为燃料流道，阴极流道为空气流道。所述第一连接体Ⅰ7和第一连接体Ⅱ8上设有用于燃料或空气流通的开孔(图中未示出)，所述第一连接体Ⅰ7和第一连接体Ⅱ8上的开孔位置相对应。所述第二连接体10的两个表面上分别设有阳极流道和阴极流道，所述阳极与加工有阳极流道的第二连接体10相连接，所述阴极与加工有阴极流道的第二连接体10相连接。
所述密封壳体9为密封结构的壳体，壳体的材料与连接体材料相同，为中空结构，壳体内设有高温热管，所述高温热管包括毛细芯和工作介质。所述毛细芯为五层SUS310S不锈钢网，正中间一层不锈钢网的孔径为10～50目不锈钢网，其余层不锈钢网的孔径为100～200目不锈钢网，工作介质是99.99％钠金属，在真空环境下填充。填充口用氩弧焊密封。电堆采用玻璃密封。
本实施例的电堆的外部进气温度可以降低至400℃，电堆启动时升温速度可以达到180℃/h，稳定后用热电偶测得电池反应区域不同位置的温差小于30℃。
实施例3
本发明所述平板式固体氧化物燃料电池堆的一种实施例。
本实施例所述平板式固体氧化物燃料电池电堆包括至少三片电解质支撑电池片和至少一个连接组件，所述连接组件包括2片第一连接体和一个密封壳体，所述第一连接体与密封壳体上两个相对表面贴合连接，采用激光焊接方式结合在一起。
所述第一连接体远离密封壳体的表面上分别设有阳极流道和阴极流道；阳极流道为燃料流道，阴极流道为空气流道。所述第一连接体上设有用于燃料或空气流通的开孔。
所述密封壳体为密封结构的壳体，壳体的材料与连接体材料相同，为中空结构，壳体内设有高温热管，所述高温热管包括毛细芯和工作介质。所述毛细芯为泡沫镍，孔径小于0.1mm，孔隙率大于95％。所述工作介质是99.99％钠金属，在真空环境下填充。填充口用氩弧焊密封。
本实施例的电堆的外部进气温度可以降低至400℃，电堆启动时升温速度可以达到180℃/h，稳定后用热电偶测得电池反应区域不同位置的温差小于30℃。
实施例4
本发明所述平板式固体氧化物燃料电池堆的一种实施例。
本实施例所述平板式固体氧化物燃料电池电堆包括至少三片电金属支撑电池片和至少一个连接组件，所述连接组件包括2片第一连接体和一个密封壳体，所述第一连接体与密封壳体上两个相对表面贴合连接，采用激光焊接方式结合在一起。
所述第一连接体远离密封壳体的表面上分别设有阳极流道和阴极流道；阳极流道为燃料流道，阴极流道为空气流道。所述第一连接体上设有用于燃料或空气流通的开孔。
所述密封壳体为密封结构的壳体，壳体的材料与连接体材料相同，为中空结构，壳体内设有高温热管，所述高温热管包括毛细芯和工作介质，所述毛细芯为泡沫镍，孔径小于0.1mm，孔隙率大于95％。所述工作介质是99.99％钠金属，在真空环境下填充。填充口用氩弧焊密封。
本实施例的电堆的外部进气温度可以降低至400℃，电堆启动时升温速度可以达到300℃/h，稳定后用热电偶测得电池反应区域不同位置的温差小于20℃。
最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (6)

1.一种平板式固体氧化物燃料电池电堆，其特征在于，包括至少一片电池片和至少一个连接组件，所述连接组件包括第一连接体和密封壳体，所述第一连接体与密封壳体上两个相对表面贴合连接，所述第一连接体远离密封壳体的表面上设有阳极流道或阴极流道；所述密封壳体内填充有毛细芯和工作介质；所述电池片包括阳极、阴极和电解质；所述阳极与加工有阳极流道的第一连接体相连接，所述阴极与加工有阴极流道的第一连接体相连接；
还包括第二连接体，所述第二连接体平行于第一连接体，所述第二连接体的两个表面上分别设有阳极流道和阴极流道，所述阳极与加工有阳极流道的第二连接体相连接，所述阴极与加工有阴极流道的第二连接体相连接；所述第二连接体内未设有高温热管；
所述工作介质为金属钠或钠钾合金；所述毛细芯为泡沫镍或多层不锈钢网；
所述多层不锈钢网包括至少一层不锈钢网，所述不锈钢网的孔径为10～500目；所述泡沫镍的孔径≤2.0mm，孔隙率≥50％。
2.如权利要求1所述平板式固体氧化物燃料电池电堆，其特征在于，相邻连接组件之间包括1～8片第二连接体。
3.如权利要求1所述平板式固体氧化物燃料电池电堆，其特征在于，所述工作介质为金属钠。
4.如权利要求1所述平板式固体氧化物燃料电池电堆，其特征在于，所述多层不锈钢网为五层不锈钢网，中间一层的不锈钢网的孔径为10～50目，最外层的不锈钢网的孔径为100～300目。
5.如权利要求1所述平板式固体氧化物燃料电池电堆，其特征在于，所述泡沫镍的孔径≤0.1mm，孔隙率≥90％。
6.如权利要求1所述平板式固体氧化物燃料电池电堆，其特征在于，所述第一连接体和第二连接体上设有用于燃料或氧化气体流通的开孔。
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