CN110957516A - 一种采用双错流气流分配的固体氧化物燃料电池电堆 - Google Patents

一种采用双错流气流分配的固体氧化物燃料电池电堆 Download PDF

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Abstract

本发明涉及固体氧化物燃料电池技术领域，公开了一种采用双错流气流分配的固体氧化物燃料电池电堆，其包括若干间隔堆叠的电池板和连接体，所述电池板包括电解质和分别设于所述电解质的两侧的阳极、阴极；所述连接体在与所述电池板的阳极接触的一侧设置有用于流通燃气的第一气道，所述连接体在与所述电池板的阴极接触的一侧设置有用于流通空气且与所述第一气道相交90°的第二气道；相邻的两块所述连接体的第一气道中的燃气的流动方向相反，所有所述连接体的第二气道中的空气的流动方向相同。该电堆设计能够减小电池区域温度梯度和因温差引起的热应力，提高电效率，提高电堆的可靠性。

Description

一种采用双错流气流分配的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技术领域，特别是涉及一种采用双错流气流分配的固体氧化物燃料电池电堆。
背景技术
固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，简称SOFC)，是一种在中高温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地转化成电能的全固态电化学发电装置，无卡诺循环且高效率，同时其产物为二氧化碳和水，是一种低排放的绿色能源发电方式，非常具有应用前景。SOFC单电池通常由阳极、电解质和阴极组成，由于单片单电池仅能实现较小功率输出，无法满足实际工况的应用，因此通常将单电池片堆叠成SOFC电堆以实现较大的功率输出，从而满足实际应用。商业化的电堆设计方案主要包括管状式和平板式电堆设计，管状式电堆功率密度低、电效率低，而平板式电堆设计能实现较高电效率、系统效率、燃料利用率等，因此后者被更广泛采用。
平板式电堆通过连接体实现电堆的堆叠，连接体上设计有气流通道为电池活化区域提供燃料及氧化气体，比较常见的气流分配方式为同流(co-flow)、错流(cross-flow)、逆流(counter-flow)等单一气流分配方案。但是，这些气流分配方案都存在不同程度的缺点：
(1)采用同流(co-flow)设计方案的电堆，电池整体出口区域温度较高，电池活化区区域面积不能有效增大，尤其是气体进、出气方向电池尺寸不能做大，否则会形成较大的温度梯度(dT)，导致封料及电池区域因温差较大而承受较大的压力，同时电堆电效率不能最优化。
(2)采用错流(cross-flow)设计方案，虽然电堆设计及密封方式更加简单，但是燃气和空气气流出口交汇处电池温度较高，较大的dT严重影响电池及电堆的可靠性，另一方面，电池区域存在温度过高区域会导致电流密度分布不均匀，加速电堆的衰减。
(3)采用逆流(counter-flow)设计方案，虽然电池进、出口区域温度梯度较小且电池区域温度分布相对较均匀，但电池区域整体温度较高，电池区域与金属连接体空气进口温度差距较大，导致空气进口位置承受较大的热应力，严重影响电堆的可靠性。
因此，如何对固体氧化物燃料电池电堆的气流分配方式进行优化，以减小电池区域温度梯度和热应力，提高电效率和电堆的可靠性，是本领域技术人员目前需要解决的重要技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种采用双错流气流分配的固体氧化物燃料电池电堆，其能够减小电池区域温度梯度和和因温差引起的热应力，提高电效率，提高电堆的可靠性。
为了实现上述目的，本发明提供了一种采用双错流气流分配的固体氧化物燃料电池电堆，其包括若干间隔堆叠的电池板和连接体，所述电池板包括电解质和分别设于所述电解质的两侧的阳极、阴极；
所述连接体在与所述电池板的阳极接触的一侧设置有用于流通燃气的第一气道，所述连接体在与所述电池板的阴极接触的一侧设置有用于流通空气且与所述第一气道相交90°的第二气道；
相邻的两块所述连接体的第一气道中的燃气的流动方向相反，所有所述连接体的第二气道中的空气的流动方向相同。
作为优选方案，所述连接体具有若干平行设置的所述第一气道，所述连接体具有若干平行设置的第二气道。
作为优选方案，若干所述第一气道均匀分布在所述连接体在与所述电池板的阳极接触的一侧，若干所述第二气道均匀分布在所述连接体在与所述电池板的阴极接触的一侧。
作为优选方案，所述电池板的活化区域与所述连接体的流道区域的尺寸相同。
作为优选方案，所述电池板和所述连接体均呈长方形。
作为优选方案，所述电池板和所述连接体均呈正方形。
作为优选方案，所述第一气道沿所述连接体的长度方向设置，所述第二气道沿所述连接体的宽度方向设置。
相较于现有技术，本发明的有益效果在于：
本发明的采用双错流气流分配的固体氧化物燃料电池电堆，包括若干间隔堆叠的电池板和连接体，电池板包括电解质和设于其两侧的阳极和阴极，连接体在与电池板的阳极接触的一侧设置有用于流通燃气的第一气道，连接体在与电池板的阴极接触的一侧设置有用于流通空气的第二气道，第一气道与第二气道相交90°，由此形成空气与燃气的错流分配，相邻的两块连接体的第一气道中的燃气的流动方向相反，所有连接体的第二气道中的空气的流动方向相同，从而使得电堆中任意相邻的两层采用不同方向的错流气流分配方式，由于采用错流气流分配方式会导致空气和燃气出口交汇处热量聚集，不同方向的错流气流分配方式可以使得相邻两层的热量聚集区域错开，相邻两层电池板通过连接体进行热交换，使得热量分布更加均匀，避免电堆热量过度集中于某一区域，从而实现在相同电池活化区域面积的前提下，降低电堆的温度梯度，减小热应力，提高电堆的电效率，提高整堆的功率输出，使得电堆具有更好的可靠性。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种采用双错流气流分配的固体氧化物燃料电池电堆的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种采用双错流气流分配的固体氧化物燃料电池电堆的另一视角的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的连接体的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的电池板的结构示意图。
其中，10、电池板；11、电解质；12、阳极；13、阴极；20、连接体；21、第一气道；22、第二气道。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
请参见图1至图4所示，示意性地示出了本发明的采用双错流气流分配的固体氧化物燃料电池电堆，其包括若干电池板10和若干连接体20，所述电池板10和连接体20间隔堆叠设置。其中，所述电池板10包括电解质11和分别设于所述电解质11的两侧的阳极12、阴极13。所述连接体20的两侧分别设置有第一气道21和第二气道22，所述第一气道21与所述电池板10的阳极12接触且用于流通燃气，所述第二气道22与所述电池板10的阴极13接触且用于流通空气的第二气道22，在本实施例中，所述第一气道21和所述第二气道22优选地为形成于所述连接体20的两侧表面上的凹槽。重要的是，所述第一气道21与第二气道22相交90°，第一气道21中的燃气具有特定流动方向，第二气道22中的空气也具有特定流动方向，且相邻的两块所述连接体20的第一气道21中的燃气的流动方向相反，所有所述连接体20的第二气道22中的空气的流动方向相同。
基于上述技术特征的采用双错流气流分配的固体氧化物燃料电池电堆，通过将第一气道21与第二气道22相交90°，由此形成空气与燃气的错流分配，相邻的两块连接体20的第一气道21中的燃气的流动方向相反，所有连接体20的第二气道22中的空气的流动方向相同，从而使得电堆中任意相邻的两层采用不同方向的错流气流分配方式，由于采用错流气流分配方式会导致空气和燃气出口交汇处热量聚集，不同方向的错流气流分配方式可以使得相邻两层的热量聚集区域错开，相邻两层电池板10通过连接体20进行热交换，使得热量分布更加均匀，避免电堆热量过度集中于某一区域，从而实现在相同电池活化区域面积的前提下，降低电堆的温度梯度，减小热应力，提高电堆的电效率，使得电堆具有更好的可靠性。
在本发明的一个实施例中，所述电池板10和所述连接体20均呈正方形，且电池板10和连接体20大小一致。经大量试验证明，在运行工况一致的情况下(如最高运行电堆工作温度、功率密度、单层厚度、燃料利用率一致)，采用各种气流分配方式下的电堆的温度梯度dT结果如表1所示，电堆的电转换效率数据对比如表2所示。
表1.采用不同气流分配方式、不同电池活化区域长度(正方形电池)的dT数据
Figure BDA0002314977920000051
表1
表2.采用不同气流分配方式、不同电池活化区域长度(正方形电池)其转换效率数据
Figure BDA0002314977920000052
Figure BDA0002314977920000061
表2
从表1和表2中的数据可以看出，本发明采用的双错流气流分配方式(Partialcounter-flow)，在相同运行条件下，其电池活化区域温度梯度dT更小、电转换效率更高，且这种优势在电池活化区域尺寸越大时效果越明显。
优选地，所述连接体20具有若干平行设置的所述第一气道21，所述连接体20具有若干平行设置的第二气道22，若干条第一气道21和第二气道22的设置可以为电池板10提供充足的燃气和空气，提高电池板10的使用效率。
进一步优选地，若干所述第一气道21均匀分布在所述连接体20在与所述电池板10的阳极12接触的一侧，若干所述第二气道22均匀分布在所述连接体20在与所述电池板10的阴极13接触的一侧，均匀分布的第一气道21和第二气道22可以合理利用电池板10的空间，提高燃气和空气的利用率，进一步提高电效率，提高整堆的功率输出，。
优选地，所述电池板10的活化区域与所述连接体20的流道区域的尺寸相同，从而可充分利用活化区域的空间。
在本发明的另一个实施例中，所述电池板10的活化区域与所述连接体20均呈长方形，第一气道21与长方形的长边平行且与长边长度相等，第二气道22与长方形的短边平行且与短边长度相等，以充分利用电池板10的电解质11。
经过大量实验表明，呈长方形且采用双错流气流分配方式的电堆，具有与呈正方形且采用双错流气流分配方式的电堆具有类似的效果，在此不再列举其具体数据。
综上所述，本发明的采用双错流气流分配的固体氧化物燃料电池电堆，通过将第一气道与第二气道相交90°设置，由此形成空气与燃气的错流分配，相邻的两块连接体的第一气道中的燃气的流动方向相反，所有连接体的第二气道中的空气的流动方向相同，从而使得电堆中任意相邻的两层采用不同方向的错流气流分配方式，由于采用错流气流分配方式会导致空气和燃气出口交汇处热量聚集，不同方向的错流气流分配方式可以使得相邻两层的热量聚集区域错开，相邻两层电池板通过连接体进行热交换，使得热量分布更加均匀，避免电堆热量过度集中于某一区域，从而实现在相同电池活化区域面积的前提下，降低电堆的温度梯度，减小热应力，提高电堆的电效率，使得电堆具有更好的可靠性，具有较高的推广应用价值。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种采用双错流气流分配的固体氧化物燃料电池电堆，其特征在于，包括若干间隔堆叠的电池板和连接体，所述电池板包括电解质和分别设于所述电解质的两侧的阳极、阴极；
所述连接体在与所述电池板的阳极接触的一侧设置有用于流通燃气的第一气道，所述连接体在与所述电池板的阴极接触的一侧设置有用于流通空气且与所述第一气道相交90°的第二气道；
相邻的两块所述连接体的第一气道中的燃气的流动方向相反，所有所述连接体的第二气道中的空气的流动方向相同。
2.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池电堆，其特征在于，所述连接体具有若干平行设置的所述第一气道，所述连接体具有若干平行设置的第二气道。
3.根据权利要求2所述的固体氧化物燃料电池电堆，其特征在于，若干所述第一气道均匀分布在所述连接体在与所述电池板的阳极接触的一侧，若干所述第二气道均匀分布在所述连接体在与所述电池板的阴极接触的一侧。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的固体氧化物燃料电池电堆，其特征在于，所述电池板的活化区域与所述连接体的流道区域的尺寸相同。
5.根据权利要求4所述的固体氧化物燃料电池电堆，其特征在于，所述电池板和所述连接体均呈长方形。
6.根据权利要求5所述的固体氧化物燃料电池电堆，其特征在于，所述电池板和所述连接体均呈正方形。
7.根据权利要求5所述的固体氧化物燃料电池电堆，其特征在于，所述第一气道沿所述连接体的长度方向设置，所述第二气道沿所述连接体的宽度方向设置。
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