CN111969165A - 一种管式固体氧化物燃料电池集流连接结构 - Google Patents

一种管式固体氧化物燃料电池集流连接结构 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种管式固体氧化物燃料电池集流连接结构，所述的集流连结构包括底座、顶盖、集流柱、固定柱和集流网；将管式SOFC电解质端插入底座容纳孔中；将集流柱和固定柱固定在底座上，将集流网一端固定于固定柱上，然后穿插缠绕多个管式SOFC并与管式SOFC的阴极相连接，用导电胶连接集流网和管式SOFC的阴极，集流网另一端固定在集流柱上，并用导电胶连接集流网和集流柱；将管式SOFC的阳极端插入到顶盖的容纳孔中，同时集流柱上端插入顶盖定位孔中。所述连接结构可高效连接外部阴极的集流，应用于2根以上的管式固体氧化物燃料电池的并联，形成的发电单元可进一步串并联形成所需要的输出。

Description

一种管式固体氧化物燃料电池集流连接结构
技术领域
本发明涉及一种管式固体氧化物燃料电池集流连接结构，属于燃料电池技术领域。
背景技术
燃料电池作为一种可以直接将化学能转化为电能的装置，相比于传统内燃机，不受卡诺循环效率的限制，具有高效、清洁自己安全可靠等特点。目前，燃料电池一般采取三明治结构，即一对电极(阳极和阴极)被中间的电解质分开，根据要求电解质仅能允许单种离子通过。固体氧化物燃料电池(SOFC)相比于其他类型燃料电池，除了具有高效与环境友好等燃料电池的共同特点外，还有燃料适用范围宽，可采用包括天然气、丙烷额醇类等多种碳基化合物为燃料；由于其全固态特性，使其设计更灵活，操作更方便、且更安全可靠；另外还有静音等特点。SOFC主要由两个多孔电极和致密的电解质构成，通常燃料气在阳极被氧化，产生氢离子和电子，电子通过外电路到达阴极，氧气(或还能有氧气的空气)在阴极结合电子产生氧离子，随后氧离子通过电解质到达阳极与氢离子结合产生水。经过多年研究，SOFC主要发展为三种构造，平板式、圆管式和扁管式。由于管式固体氧化燃料电池具有结构强度高、抗热冲击能力强等固有特点，能够满足对启动速度快、循环性能好的要求而备受青睐。
由于所采用的结构和材料的限制，SOFC单电池工作电压只有1V左右，没有太大的实际用途，所以在实际应用中需要利用集流连接体将单电池组装成电池堆以提高其输出电压和输出功率。平板式SOFC和扁管式SOFC凭借平整的特点，在集流和连接上更具有优势；相比之下，圆管式SOFC采用的是圆形外观，不能像其他两种电池一样通过堆叠来组装，所以高效的集流连接装置对于圆管式SOFC是必须的。对于多根阳极支撑的管式SOFC，内部阳极的集流方式大多采用端点集流，即通过共用集电体连接多根电池的阳极，而外部阴极的集流方式一直没有有效的方法。传统的方式是通过缠绕银丝或者铂丝，再通过大量的银丝将多根电池阴极连接；另外一种方式是设置固定的阴极集流槽，将电池固定在阴极集流槽内，这种方式对电池的生产工艺及电池一致性的要求极高，并且在高温运行中，电池与阴极集流槽的形变不同，导致产生接触间隙，造成更大的欧姆阻抗，另外固定的阴极集流槽与电池之间的应力会造成电池的结构损坏。
中国科学院大连化学物理研究所区定容等人于2013年申请了专利“一种管型固体氧化物燃料电池端部连接部件及其应用”，公开号为CN104157886A；该发明公开了一种包括导电端板和集电组件的电池端部连接方案。
瓦特燃料电池公司与2013年申请了专利“管式固体氧化物燃料电池组件和包含有该组件的燃料电池装置”，公开号为CN104272514A；该发明公开了一种包括共用集电体和保持器的燃料电池组件。
发明内容
为克服现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种管式固体氧化物燃料电池集流连接结构，可应用于2根以上的管式固体氧化物燃料电池的并联，形成的发电单元可进一步串并联形成所需要的输出。
为实现本发明的目的，提供以下技术方案。
一种管式固体氧化物燃料电池(SOFC)集流连接结构，所述的集流连接结构包括底座、顶盖、集流柱、固定柱和集流网。
所述的底座和顶盖采用相同的外观尺寸，并在相对应的位置设有容纳孔，底座的容纳孔为通孔，顶盖的容纳孔为通孔或盲孔。容纳孔用于放置管式SOFC，容纳孔的内径大于管式SOFC两端的外径，数量为2个以上，根据所需放置的管式SOFC数量决定；例如，底座的容纳孔和顶盖上对应位置的容纳孔形成一对容纳孔，可将一根管式SOFC的两端放置于一对容纳孔中，同理可将第2、3、4、……根管式SOFC放置于第2、3、4、……对容纳孔中。
底座上还设有两个盲孔作为固定孔，固定孔孔内设有螺纹，分别与集流柱和固定柱底部螺纹连接，用于放置固定集流柱和固定柱。
顶盖上设有一个通孔作为定位孔，定位孔内涂有绝缘材料，孔径大于集流柱直径，顶盖还设有集电端。
集流柱长度大于管式SOFC长度，底部设有螺纹，用于与底座的固定孔螺纹连接。
固定柱长度小于管式SOFC长度，且大于管式SOFC阴极的长度，底部设有螺纹，用于与底座固定孔螺纹连接。
组装过程中，将管式SOFC的电解质端插入底座的容纳孔中，并用陶瓷胶填补管式SOFC外围与容纳孔的缝隙，同时防止管式SOFC阳极与底座相连。将集流柱和固定柱通过螺纹固定在底座上，将集流网一端固定于固定柱上，然后穿插缠绕多个管式SOFC并与管式SOFC的阴极相连接，用导电胶连接集流网和管式SOFC的阴极，以实现更好的集流效果，集流网的另一端固定在集流柱上，并用导电胶连接集流网和集流柱。将管式SOFC的阳极端插入到顶盖的容纳孔中，同时集流柱上端插入顶盖定位孔中，并用导电胶填补管式SOFC外围与顶盖容纳孔之间的空隙。
有益效果
本发明提供了一种管式固体氧化物燃料电池集流连接结构，所述连接结构通过采用一种高效的集流连接结构，通过在底座和顶盖上巧妙设置孔道放置电池、集流柱和固定柱，用集流网穿插缠绕多个管式SOFC并与管式SOFC的阴极相连接，可有效连接外部阴极的集流。所述连接结构对电池的生产工艺及电池一致性的要求不高，不会发生形变造成更大的欧姆阻抗的问题，也不存在应力造成电池的结构损坏的问题。所述连接结构可应用于2根以上的管式固体氧化物燃料电池的并联，形成的发电单元可进一步串并联形成所需要的输出。
附图说明
图1为实施例中所述的管式固体氧化物燃料电池。
图2为实施例1中底座的俯视图。
图3为实施例1中底座的主视图。
图4为实施例1中顶盖的俯视图。
图5为实施例1中顶盖的主视图。
图6为实施例1中一种管式固体氧化物燃料电池集流连接结构组装好的立体结构示意图。
图7为实施例1中所述一种管式固体氧化物燃料电池集流连接结构的径向剖面图。
图8为实施例2中底座的俯视图。
图9为实施例2中一种管式固体氧化物燃料电池集流连接结构组装好的立体结构示意图。
图10为实施例2中所述一种管式固体氧化物燃料电池集流连接结构的径向剖面图。
图11为实施例3中底座的俯视图。
图12为实施例3中一种管式固体氧化物燃料电池集流连接结构组装好的立体结构示意图。
图13为实施例3中所述一种管式固体氧化物燃料电池集流连接结构的径向剖面图。
其中，1—底座，2—顶盖，3—集流柱，4—固定柱，5—集流网，6—电解质段，7—阴极段；8—阳极段，9—容纳孔1-a，10—容纳孔1-b，11—容纳孔1-c，12—容纳孔1-d，13—固定孔1-A，14—固定孔1-B，15—容纳孔2-a，16—容纳孔2-b，17—容纳孔2-c，18—容纳孔2-d，19—定位孔2-A，20—集电端2-B，21—管式SOFC 0-1，22—管式SOFC 0-2，23—管式SOFC0-3，24—管式SOFC0-4
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例来详述本发明，但不作为对本发明专利的限定。
以下实施例中，采用的管体固体氧化物燃料电池(SOFC)如图1所示，管体SOFC的外径为1厘米，长度为15厘米。管体SOFC以阳极为支撑体，由内而外分别是阳极、电解质和阴极。其中，管体SOFC的电解质段6长度为1厘米，管体SOFC的阴极段7长度为13厘米，管体SOFC的阳极段8长度为0.5厘米。
实施例1
一种管式固体氧化物燃料电池(SOFC)集流连接结构，所述的集流连接结构包括底座1、顶盖2、集流柱3、固定柱4和集流网5。
本实施例中的底座1俯视图如图2所示，主视图如图3所示。所述底座1为正方形，长度为3.5厘米，厚度为0.5厘米。底座1上设有4个通孔作为容纳孔，中心连线呈长方形，分别为位于左上的容纳孔1-a 9、位于左下的容纳孔1-b10、位于右下的容纳孔1-c 11和位于右上容纳孔1-d 12，还设有两个盲孔作为固定孔，固定孔1-A13和固定孔1-B 14，容纳孔内径为1.1厘米。固定孔1-A13和固定孔1-B 14的内径为0.3厘米，深度为0.4厘米，内有螺纹。
本实施例中顶盖2的俯视图如图4所示，主视图如图5所示。所述顶盖2的形状尺寸与底座1相同。顶盖2设有4个容纳孔，分别为容纳孔2-a 15、容纳孔2-b 16、容纳孔2-c 17、容纳孔2-d 18，位置与固定底座1上的容纳孔1-a 9、容纳孔1-b 10、容纳孔1-c 11和位于右上容纳孔1-d 12的位置依次相对应，形成四对容纳孔，可将一根管式SOFC的两端放置于一对容纳孔中，同理可将第2、3、4根管式SOFC放置于第2、3、4对容纳孔中。容纳孔的直径为1.1厘米，容纳孔为盲孔，孔深0.4厘米。顶盖2设有一个定位孔2-A 19，定位孔为通孔，孔径为0.4厘米，孔内侧涂有绝缘材料。顶盖2另设有集电端2-B 20，集电端2-B 20外形为圆柱，直径为0.3厘米，集电端2-B 20垂直于顶盖2表面，高度大于2厘米，集电端2-B 20与定位孔分别位于顶盖2上容纳孔的两侧。
本实施例中一种管式固体氧化物燃料电池集流连接结构组装好的立体结构示意图如图6所示，所述连接结构由底座1、顶盖2、集流柱3、固定柱4和集流网5组成。需要连接装配的管式SOFC有四个，分别标记管式SOFC 0-1 21、管式SOFC 0-2 22、管式SOFC 0-3 23和管式SOFC 0-4 24。具体的装配过程：首先将固定柱4和集流柱3通过底部的螺纹分别安装至底座1中的固定孔1-A 13和固定孔1-B 14内，将管式SOFC 0-1 21、管式SOFC 0-2 22、管式SOFC 0-3 23和管式SOFC 0-4 24的电解质段6分别依次对应插入至固定底座1中的容纳孔1-a 9、容纳孔1-b 10、容纳孔1-c 11和容纳孔1-d 12内，使管式SOFC底端平面与底座1的下平面齐平，并利用陶瓷密封胶填充管式SOFC外围与容纳孔之间的间隙，防止管式SOFC阳极与底座1相连，同时实现固定。将集流网5的一端固定于固定柱4。
所述连接结构的径向剖面图如图7所示，按照图7所示的方式按照管式SOFC 0-424、管式SOFC 0-3 23、管式SOFC 0-2 22和管式SOFC 0-1 21的顺序穿插缠绕4根管式SOFC，并与管式SOFC的阴极相连接，集流网5另一端固定于集流柱3，并用导电胶连接集流网5和集流柱3。如图可知集流网5包裹管式SOFC的角度为212°～215°，并且可以通过调整管式SOFC之间的距离进一步更改覆盖角度，利用导电胶与淀粉的混合胶体填充集流网5与四个管式SOFC的阴极段7连接的部位以及与集流柱3的连接部位，即通过集流网5将四根管式SOFC的阴极并联并集中至集流柱3。将集流柱3顶端穿过顶盖2的定位孔2-A19，同时将四根管式SOFC 0-1 21、管式SOFC 0-2 22、管式SOFC 0-3 23和管式SOFC 0-4 24的阳极段8依次对应插入顶盖2的容纳孔2-a 15、容纳孔2-b 16、容纳孔2-c 17、容纳孔2-d 18内，容纳孔内提前填充导电胶，填补管式SOFC外围与顶盖2容纳孔之间的空隙。
实施例2
一种管式固体氧化物燃料电池(SOFC)集流连接结构，所述的集流连接结构包括底座1、顶盖2、集流柱3、固定柱4和集流网5，如图9所示。其中，底座1上四个容纳孔的中心呈直线，从左至右依次为容纳孔1-a 9、容纳孔1-b 10、容纳孔1-c 11和容纳孔1-d 12，固定孔1-A13位于左端，固定孔1-B 14位于右端，如图8所示。按照图10所示的方式按照管式SOFC 0-424、管式SOFC 0-323、管式SOFC 0-2 22和管式SOFC 0-1 21的顺序穿插缠绕4根管式SOFC。其余部分与实施例1相同，可知集流网5覆盖管式SOFC的角度为84°～85°，并且可以通过调整电池之间的距离进一步更改覆盖角度。
实施例3
一种管式固体氧化物燃料电池(SOFC)集流连接结构，所述的集流连接结构包括底座1、顶盖2、集流柱3、固定柱4和集流网5，如图12所示。其中，底座1上每三个容纳孔的中心连线呈三角形，共有四个容纳孔，从左至右依次为容纳孔1-a 9、容纳孔1-b 10、容纳孔1-c11和容纳孔1-d 12，固定孔1-A 13位于左端，固定孔1-B 14位于右端，如图11所示。按照图13所示的方式按照管式SOFC 0-4 24、管式SOFC 0-3 23、管式SOFC 0-2 22和管式SOFC 0-121的顺序穿插缠绕4根管式SOFC。其余部分与实施例1相同，可知集流网5覆盖管式SOFC的角度为214°～217°，并且可以通过调整电池之间的距离进一步更改覆盖角度。

Claims (1)

1.一种管式固体氧化物燃料电池集流连接结构，其特征在于：所述的集流连接结构包括底座(1)、顶盖(2)、集流柱(3)、固定柱(4)和集流网(5)；
所述的底座(1)和顶盖(2)采用相同的外观尺寸，并在相对应的位置设有容纳孔，底座(1)的容纳孔为通孔，顶盖(2)的容纳孔为通孔或盲孔；容纳孔用于放置管式SOFC，容纳孔的内径大于管式SOFC两端的外径，数量为2个以上；
底座(1)上还设有两个盲孔作为固定孔，固定孔孔内设有螺纹，分别与集流柱(3)和固定柱(4)底部螺纹连接；
顶盖(2)上设有一个通孔作为定位孔，定位孔内涂有绝缘材料，孔径大于集流柱(3)直径，顶盖(2)还设有集电端；
集流柱(3)长度大于管式SOFC长度；
固定柱(4)长度小于管式SOFC长度，且大于管式SOFC阴极的长度；
组装过程中，将管式SOFC的电解质端插入底座(1)的容纳孔中，并用陶瓷密封胶填补管式SOFC外围与容纳孔的缝隙；将集流柱(3)和固定柱(4)通过螺纹固定在底座(1)上，将集流网(5)的一端固定于固定柱(4)上，然后穿插缠绕多个管式SOFC并与管式SOFC的阴极相连接，用导电胶连接集流网(5)和管式SOFC的阴极，集流网(5)的另一端固定在集流柱(3)上，并用导电胶连接集流网(5)和集流柱(3)；将管式SOFC的阳极端插入到顶盖(2)的容纳孔中，同时集流柱(3)上端插入顶盖(2)定位孔中，并用导电胶填补管式SOFC外围与顶盖(2)容纳孔之间的空隙。
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