CN111224143B - 一种管式固体氧化物燃料电池结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种管式固体氧化物燃料电池结构，其沿轴向方向上分成若干层，每一层包含一个完整的管式燃料电池小单元，每个燃料电池小单元由外至内依次包括外壳体层、阳极电极、电解质层、阴极电极和螺旋导流肋片，阳极电极包括阳极电极支撑层和阳极反应层，阴极电极包括阴极反应层和阴极支撑层；外壳体与阳极电极支撑层之间间隔形成阳极气体通道，阴极支撑层内部轴心通道为阴极气体通道；每个燃料电池小单元各对应电极层厚度相同，沿轴向的宽度和组成电极的颗粒及其分布情况不同，各层颗粒直径大小沿轴向规律分布。本发明可有效增强电池传质特性，提高电池效率，还可以调节电池温度等轴向分布，控制燃料入口段过冷效应。

Description

一种管式固体氧化物燃料电池结构

技术领域

本发明涉及固体氧化燃料电池技术领域，具体涉及一种管式固体氧化物燃料电池结构，以及使用类似结构的其它类型的燃料电池。

背景技术

固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种可将化学能直接转化为电能的装置，其具有清洁、高效以及稳定的优点。其运行温度可达600至1000℃，因而可直接使用甲烷气体作为燃料，经济性较高，但是使用碳氢燃料的使用可能会带来积碳的风险，降低电池效率。

目前常见的解决积碳的方法是在甲烷气体中加入少量空气和水蒸汽，通过甲烷重整和水汽转换反应来解决积碳的问题。然而，由于传统管式燃料电池通常采用一体式结构，即电池每一层功能结构层采用均匀的结构，且组成同一功能层的固体颗粒大小均匀，这种结构不利于调节化学反应的局部反应速率。然而，甲烷重整反应往往在入口段反应剧烈，伴随着吸收大量热量，而电池后半段水汽重整反应则释放热量，电池温度呈现出两端高，入口段温度较低的分布情况，即过冷效应。过冷效应会引起一个轴向的温度梯度，从而造成热应力，严重时会影响电池结构强度。此外，传统管式SOFC结构，由于气体通道为直通道，对气体流动沿轴向的阻力较小，使得电池在径向方向上传质性能较差。通常，改善电池传质特性较差的一个办法，是增大电池各功能层孔隙率；但是，由于电池传质特性与电池结构强度之间往往是相互制约的，孔隙率的增大会降低电池的结构强度；因此，在结构强度范围内的电池传质能力往往是受限制的，这大大降低了SOFC的发电效率。

为解决以上问题，亟需一种新型的管式SOFC结构形式，以解决传统管式SOFC传质性能较差的缺陷，以及解决电池使用如甲烷等碳氢气体作燃料，由于内重整反应吸热带来的电池局部过冷而引起热应力的问题。

发明内容

为解决现有管式SOFC技术中电池传质性能较差和直接内重整造成的局部温度热应力问题，本发明提供一种新的管式固体氧化物燃料电池结构，可有效增强电池传质特性，提高电池效率，还可以调节电池温度等轴向分布，减小电池局部热应力。

为实现上述目的，本发明采用以下技术手段：

一种管式固体氧化物燃料电池结构，其沿轴向方向上分成若干层，每一层包含一个完整的管式燃料电池小单元，每个燃料电池小单元由外至内依次包括外壳体层、阳极电极、电解质层、阴极电极和螺旋导流肋片，阳极电极包括阳极电极支撑层和阳极反应层，阴极电极包括阴极反应层和阴极支撑层；

外壳体与阳极电极支撑层之间间隔形成阳极气体通道，阴极支撑层内部轴心通道为阴极气体通道；

作为本发明的进一步改进，所述的外壳体为绝热性材料制成或者由绝热材料包覆。

作为本发明的进一步改进，所述的阳极反应层材料为Ni-YSZ；阴极反应层材料为LSM-YSZ。

作为本发明的进一步改进，外壳体形状为方管或圆管。

作为本发明的进一步改进，每个管式燃料电池单元组成电极颗粒的直径可能不同，通过控制布置管式燃料电池单元的数量及每个管式燃料电池单元的长度使得燃料电池特定参数，如电极孔隙率、组成电极颗粒粒径，沿轴向近似呈特定函数分布。

作为本发明的进一步改进，各层颗粒直径大小沿轴向采用函数规律分布，函数可为一次函数、二次函数、三角函数或其它函数。

作为本发明的进一步改进，所述的阴极气体通道内部设置有沿轴线布置的螺旋导流肋片；所述螺旋导流肋片采用耐高温合金钢制成。

作为本发明的进一步改进，所述螺旋导流肋片采用单螺旋、双螺旋或多螺旋结构。

作为本发明的进一步改进，所述的螺旋导流肋片中心设置有圆柱支撑轴。

将本发明应用于一种外重整燃料电池系统，系统包括换热器、重整器、预热器、燃烧室及所述的管式固体氧化物燃料电池结构；所述换热器、重整器依次连接后与管式固体氧化物燃料电池结构的阳极气体通道连接，所述预热器与管式固体氧化物燃料电池结构的阴极气体通道连接；管式固体氧化物燃料电池结构的排气口与燃烧室连接，燃烧室的气体出口与换热器进口连接。

混合气体先经过所述换热器加热，温度达到重整反应要求温度后通入所述重整器进行反应；重整器内具有重整反应所需催化剂，重整反应后的气体通入燃料电池阳极气体通道，重整后的气体通过阳极电极支撑层进入阳极反应层反应；在电池阴极，空气经过预热器预热后通入阴极气体通道，再进入阴极反应层参与反应；对于反应后的剩余的气体，先经过燃烧室完全燃烧形成高温混合气体，然后用作换热器的热源，最后排放到大气中。

与现有普通管式SOFC结构相比，本设计结构具有如下优点：

本发明在管式固体氧化物燃料电池结构轴向采用不同粒径的管式SOFC单元叠加，可使孔隙率等参数沿轴向呈一定规律分布，在特定的地方使用特定孔隙率的单元，可有效控制化学反应发生的场所面积，从而减缓吸热反应造成局部过冷，有效避免温度热应力。

进一步，通过调节阴极气体通道内的螺旋导流肋片的参数，如螺距和肋片数等，可以调节电池传质特性。

进一步，增加螺旋肋片具有螺旋推流效果，在相同传质效果的同时，可减小空气入口流速，降低两侧风机的功耗。

附图说明

图1是本发明管式SOFC的一个轴向等分示例的四分之一剖面图；

图2是本发明设计管式SOFC单元三维示意图；

图3是本发明管式SOFC的一个轴向非等分示例的结构示意图；

图4是图3的剖面图；

图5是本发明螺旋导流肋片的一种实现方式；

图6是本发明螺旋导流肋片的另一种实现方式；

图7是本发明管式SOFC在外重整系统中的应用。

图示说明：100、管式固体氧化物燃料电池；1、外壳体；2、阳极气体通道；3、阳极支撑层；4、阳极反应层；5、电解质层；6、阴极反应层；7、阴极支撑层；8、阴极气体通道；9、阴极螺旋肋片；10～14代表五个具有不同颗粒直径的SOFC单元；15、圆柱支撑轴。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明的管式SOFC结构特征及其优点等，下面附上本发明中涉及的叠加前后SOFC效果图，以及内螺旋肋片的两种设计方案；因为实际运用中，各部件的具体尺寸参数会有变化，因而图中涉及的各部分几何部件，并未给出具体参数，图片仅作参考。

本发明一种管式固体氧化物燃料电池结构，其沿轴向方向上分成若干层，每一层包含一个完整的管式燃料电池小单元，每个燃料电池小单元由外至内依次包括外壳体层1、阳极支撑层3、阳极反应层4、电解质层5、阴极反应层6、阴极支撑层7和内部螺旋导流肋片9，外壳体1与阳极电极支撑层3之间间隔形成阳极气体通道2，阴极支撑层7内部轴心通道为阴极气体通道8；

每个燃料电池小单元各对应电极层厚度相同，但沿轴向的宽度和组成电极的颗粒及其分布情况可以有所不同，各层颗粒大小情况，可根据实际需求，沿轴向采用特定函数规律分布。

所述的阴极气体通道8内部所布置的螺旋式肋片9可根据实际需要采用单螺旋、双螺旋或多螺旋结构，且对螺旋高度和厚度不做限制，可根据实际需求选取。

所述的螺旋式肋片9中心可根据实际需求设置圆柱支撑轴15，以加强螺旋肋片结构稳定性和导流性能。

所述的外壳体1为绝热性制成或者由绝热材料包覆。

所述的阳极反应层4材料一般使用Ni-YSZ；阴极反应层6材料可使用LSM-YSZ。

各层颗粒直径大小沿轴向分布的函数可以是二次函数、三角函数、对数函数，也可以是按其他函数规律分布，具体形式不做限定。

其沿轴向分层数可以根据实际需求，分成有限多层，具体层数不做限定，且各层沿轴向的长度可以不一样；分层越多，沿轴向宽度越窄，各层颗粒分布越能趋于特定函数分布。

其电池外壳体层形状可以做成方管。

其中，电池电极布置采用阴极在内侧及阳极在外侧的布置；与此相反，也可以将阴极布置在电池外侧，将阳极布置在内侧，此时螺旋导流肋片用于加强阳极气体通道内的传质特性和推流效果。

以下结合具体实施例和附图对本发明进行详细说明：

实施例1

如图1至图6所示，本发明一种管式固体氧化物燃料电池结构，以高温甲烷重整气体作为燃料，至少阴极、阳极和电解质结构，由最外层壳体结构与阳极电极支撑层所形成的阳极气体通道2，其中通入高温重整燃气；最内层轴心通道为阴极气体通道8，其中通入空气；所述阴极和阳极气体通道2内的反应气体通过阴极和阳极电极支撑层3传入反应区域，并在此发生由化学能转化成电能能量形式的变换。

其最外层壳体应具有良好的绝热性，或者其最外层壳体应由绝热很好的材料包覆。阳极、阴极及电解质层5应具有很好的耐热性。其电极支撑层为多孔结构，以保证反应气体能达到反应层；阴极和阳极反应层4应为多孔结构，以增加化学反应场所的面积，增大化学反应强度。阴极和阳极电极应采用具有高的电子导电率的材料，以方便自由电子的传导。在其气体通道中加入了螺旋式微肋片结构，可增加对反应气体导流效果，电池传质特性。

在其气体通道中加入的螺旋肋片具体参数可根据实际情况进行变化螺距，肋片高等，以适应具体燃料电池模型。优选地，螺旋导流肋片9采用单螺纹结构，取螺纹叶高等于原内侧气体通道半径，螺距等于原内侧气体通道管径。这样的螺纹结构使得气体通道中的反应气体导流效果提高，进而提升电池传质特性。

当然，螺旋导流肋片9也可以采用双螺纹结构也能实现相应的目的。

阴极反应层7、阳极反应层4使用离子导电率高的材料，以保证自由离子的运动；电池电解质层5应具有很好的特定离子导电率，和极低的其余离子和电子导电率，以保证带电粒子定向运动。

作为优选实施例，管式固体氧化物燃料电池结构沿轴向分成若干小块，每一个电池块，每个管式燃料电池单元具有不同的电极颗粒直径组成多孔电极的颗粒直径；通过调整分段数以及各段长度，可以使电池特定参数沿轴向呈特定函数分布，如一次函数、二次函数等。轴向采用不同粒径的SOFC单元叠加，可使孔隙率等参数沿轴向呈一定规律分布，在特定的地方使用特定孔隙率的单元，有效防止过冷效应。

如图7所示，本设计方案不仅可以用于圆管式SOFC，同样可以应用于方管式SOFC。具体地本发明的管式结构的SOFC，其沿轴向方向上包含若干具有不同粒径的管式SOFC电池单元，所述管式SOFC单元，除了其组成各层颗粒粒径的差异之外，其沿径向上各层分布一致，各层厚度保持一致。

实施例2

图2是本发明SOFC单元结构示意图。

图1是本发明管式SOFC轴向等分示例的四分之一的剖面图。

图3和图4是本发明管式SOFC轴向不等分示例的三维示意图和全剖图。

本发明所涉及的SOFC为管式结构，电池的阳极和阴极分别布置在圆管外侧和内侧。沿圆管半径由外而内的各层，依次为：电池外壳体1、阳极气体通道2、阳极电极支撑层3、阳极反应层4、电解质层5、阴极反应层6、阴极支撑层7、阴极气体通道8、螺旋导流肋片9。外壳体1与多孔阳极电极支撑层3通过连接件相连，形成阳极气体通道2。

可选的，当阳极中通入甲烷重整气体时，通道内可发生重整反应，生成氢气。

各电极支撑层和反应层以及电解质层5，均可采用常用管式SOFC所用材料，阳极材料使用Ni-YSZ，阴极材料使用LSM-YSZ。

如图5和图6所示，本SOFC中涉及的阴极通道螺旋内肋片9可采用耐高温合金钢制成，且为增加结构的强度，可在其中心位置加入圆柱支撑轴15。

本发明主要是对传统管式SOFC结构做了改良，采用轴向分区构造的同时，加入阴极气体通道8内螺旋肋片的结构，电池使用原理并未作任何改变，因而本发明所涉及SOFC具体使用方法和传统管式SOFC使用场所一致。

所述管式SOFC单元的阴极空气通道内包含螺旋状导流微肋片，用于调节气体通道内空气流动，增强扰动，提高电池传质效率。

作为优选地实施例，本发明通过调节SOFC单元的数量、粒径以及几何参数，可以达到使所述SOFC各层孔隙率沿轴向近似呈特定规律分布，如正弦、一次和二次函数分布。

作为优选地实施例，本发明通过调节阴极气体通道8内的螺旋肋片的参数，如螺旋叶的组数和高度，可以达到调节电池传质强弱的效果。

可选的，所述管式SOFC为保证其阴极导流肋片的强度，可沿轴心方向插入一根刚性细圆柱体。

可选的，可将细圆柱体与导流螺旋肋片做成一个整体，并采用导电材料，作为阴极电流输出部件。

如图7所示，下面将以外重整SOFC系统为例，说明本发明在实际生活中的应用。

在本系统中，甲烷混合气体先经过换热器加热，温度达到重整反应要求后通入重整器进行反应；重整器内具有重整反应所需催化剂，甲烷气体在此重整生成氢气和一氧化碳混合气气体，然后通入燃料电池阳极气体通道2，重整后的气体通过多孔阳极进入反应层反应；在电池阴极，空气经过预热后通入阴极气体通道8，经螺旋气体通道强化传质后进入反应层参与反应；对于反应后的剩余的气体，先经过燃烧室完全燃烧形成高温混合气体二氧化碳和水蒸气，然后用作换热器的热源加热甲烷气体，最后排放到大气中。

通过上述实施过程，本发明可实现实际的应用。本发明中所设计SOFC具体轴向分块情况以及阴极螺旋肋片9结构参数不做限定。

本发明以纯氢气或重整甲烷气体作为燃料，可将化学能直接转化成电能，其结构至少包括阳极、阴极以及电解质层。其中，阳极结构包括阳极气体通道、阴极支撑层和阳极反应层；阴极结构包括阴极气体通道、阴极支撑层和阴极反应层。反应气体通过气体通道进入各极支撑层，在反应层发生化学反应。化学反应产生的电子通过外部电路传导，从而形成电流。采用本发明轴向分片颗粒梯度螺旋型阴极管式固体氧化物电池结构，可提高电池传质性能，有效控制电池燃气入口过冷效应，提高电池效率。

综上所述，本发明一种管式固体氧化物燃料电池结构，以纯氢气或重整甲烷气体作为燃料，可将化学能直接转化成电能，其结构至少包括阳极、阴极以及电解质层。其中，阳极结构包括阳极气体通道、阴极支撑层和阳极反应层；阴极结构包括阴极气体通道、阴极支撑层和阴极反应层。反应气体通过气体通道进入各极支撑层，在反应层发生化学反应。化学反应产生的电子通过外部电路传导，从而形成电流。采用本发明轴向分片颗粒梯度螺旋型阴极管式固体氧化物电池结构，可有效增强电池传质特性，提高电池效率，还可以调节电池温度等轴向分布，控制燃料入口段过冷效应。

以上，仅为本发明的较佳实施例，并非仅限于本发明的实施范围，凡依本发明专利范围的内容所做的等效变化和修饰，都应为本发明的技术范畴。

本发明的实施方式只是对本专利的示例性说明，并不限定它的保护范围，任何人均可以对其局部进行改变，但只要没超出本专利的精神实质，都在本专利的保护范围内。

Claims (8)

1.一种管式固体氧化物燃料电池结构，其特征在于，其沿轴向方向上分成若干层，每一层包含一个完整的管式SOFC小单元（100），每个独立的SOFC小单元（100）各功能层采用同一种颗粒均匀构造，且各SOFC小单元之间各功能层对应层采用不同尺寸的颗粒制造；

通过控制各功能层颗粒直径沿轴向的变化，使管式燃料电池各电极功能层的组成颗粒直径和孔隙率大小沿轴向成呈特定函数变化；在管式SOFC中心气体通道内部设置有螺旋导流肋片（9）；

各层颗粒直径大小沿轴向采用函数规律分布，函数为一次函数、二次函数、三角函数或其它函数。

2.根据权利要求1所述的管式固体氧化物燃料电池结构，其特征在于，每个管式SOFC小单元由外至内依次包括外壳体（1）、阳极电极、电解质层（5）、阴极电极和螺旋导流肋片（9），阳极电极包括阳极电极支撑层（3）和阳极反应层（4），阴极电极包括阴极反应层（6）和阴极支撑层（7）；

外壳体（1）与阳极电极支撑层（3）之间间隔形成阳极气体通道（2），阴极支撑层（7）内部轴心通道为阴极气体通道（8）。

3.根据权利要求1所述的管式固体氧化物燃料电池结构，其特征在于，所述螺旋导流肋片（9）采用单螺旋、双螺旋或多螺旋结构。

4.根据权利要求1所述的管式固体氧化物燃料电池结构，其特征在于，所述的螺旋导流肋片（9）中心设置有圆柱支撑轴（15）。

5.根据权利要求2所述的管式固体氧化物燃料电池结构，其特征在于，所述的外壳体（1）为绝热性材料制成或者由绝热材料包覆。

6.根据权利要求2所述的管式固体氧化物燃料电池结构，其特征在于，所述的阳极反应层（4）材料为含镍的氧化钇稳定氧化锆；阴极反应层（6）材料为锰酸镧与氧化钇稳定氧化锆的混合物。

7.根据权利要求2所述的管式固体氧化物燃料电池结构，其特征在于，外壳体（1）形状为方管或圆管。

8.一种管式固体氧化物燃料电池，其特征在于，包括如权利要求1至7中任一项所述的管式固体氧化物燃料电池结构。

Images