CN112038660A - 一种基于对称双阴极结构固体氧化物燃料电池电堆 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于对称双阴极结构的固体氧化物燃料电池电堆，包括若干以阳极为支撑层的上下对称双阴极电池结构单元，并且固体氧化物燃料电池电堆位于压力容器内，压力容器设置第一、二、三、四管道，用于与外界在密封条件下进行气体流通；工作状态时，向压力容器内通入氧化气体，同时向电池阳极通道通入燃料气体，电池在高气压下放电。该发电系统具有高气密性，阴极侧可裸露，无需设置气体通道，并且突破了燃料电池的压力限制，可提高发电效率。

Description

一种基于对称双阴极结构固体氧化物燃料电池电堆
技术领域
本发明固体氧化物燃料电池技术领域，具体涉及一种基于对称双阴极结构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，SOFC)是一种可以直接将化学能转化为电能的能量转换装置。SOFC具有能量转化效率高，对环境友好等优点，因此受到了研究者们的广泛关注。
SOFC的基本结构包括多孔阳极，多孔阴极以及致密的电解质层。在阳极中通入燃料，同时在阴极通入氧化剂气体后，电解质和电极三相界面处会发生电化学反应产生电子，电子通过外电路形成放电回路，产生电能与热能。
专利文献CN 106033819A公开了一种以支撑电极层为中心的上下对称分布型电池结构，并且支撑电极层内部具有中空通道(或孔洞)，燃料气体与氧化剂气体分别自中空通道(或孔洞)以及平板上下两侧通入，通过电解质与电极形成氧化气体离子传导和外部电路的电子传导，形成放电回路。该结构有利于在电池烧结过程中保持电池的平整性；同时由于发生电化学反应的三相界面位于支撑电极层的上下两侧，因此产生的热应力得到有效抵消，可大幅度减小了热应力，降低电解质与电极受到损伤，从而能够有效保护电池在高温以及冷热循环等恶劣条件下的运行；另外，传统电池结构单元的厚度为400～1000μm，该中空上下分布的电极支撑型结构的厚度可增大到传统结构的10倍以上，因此具有较高的机械强度，并且易于制备大面积电池，可开展二次加工。
在实际应用中，将若干固体氧化物燃料电池结构单元组成的电堆进行密封，在高温高压下，将燃料气通入阳极的中空通道，氧化剂气体通入阴极的中空通道进行放电反应。但是，利用现有的密封技术进行封装的固体氧化物燃料电池电堆一方面存在高温高压下气密性无法保证的问题，另一方面所能承受的外界压力有限，限制了其发电效率。
发明内容
针对上述技术现状，本发明提供一种固体氧化物燃料电池电堆，是以阳极为中心的上下对称双阴极电池结构单元组成，并且该电堆位于压力容器内部，具体如下：
一种基于对称双阴极结构的固体氧化物燃料电池电堆，包括若干电池结构单元；
所述电池结构单元以阳极为支撑层，呈上下分布结构，即，所述电池结构单元中，阳极层、电解质层以及阴极层层沿厚度方向上下层叠，电解质层包括第一电解质层与第二电解质层，第一电解质层位于阳极层的上表面，第二电解质层位于阳极层的下表面；阴极层包括第一阴极层与第二阴极层，第一阴极层位于第一电解质层的上表面，第二阴极层位于第二电解质层的下表面；所述固体氧化物燃料电池电堆位于压力容器内部；
所述压力容器设置第一管道、第二管道、第三管道以及第四管道，用于与外界在密封条件下进行气体流通；
所述电池结构单元的阳极层设置用于燃料气体流通的通道，所述通道包括通道入口与通道出口；
所述第一管道与电池结构单元的通道入口连通；
所述第二管道与电池结构单元的通道出口连通；
所述第三管道用于向压力容器内部通入氧化气体；
所述第四管道用于排出压力容器内部的氧化气体。
工作状态时，通过第一管道向固体氧化物燃料电池电堆通入燃料气体，燃料气体进入各电池结构单元阳极的通道；通过第三管道向压力容器内通入氧化气体，氧化气体自各电池结构单元的阴极而参与电化学反应。
所述第三管道与第四管道可以合并，即，氧化气体可以通过第三管道或者第四管道通入压力容器内部，以及自压力容器内部流出。
所述的燃料气体不限，可以是氢气等。
所述的氧化气体不限，可以是氧气等，例如来自空气的氧气。
所述压力容器还设置阴极与阳极，用于连通所述固体氧化物燃料电池堆的正极与负极。
考虑到氧化气体在反应过程中被消耗，作为优选，所述压力容器还设置气体压力检测装置，用于监测氧化气体的压力，一旦氧化气体的压力低于设定值，则通过第三通道通入氧化气体，以维持压力容器内部的氧化气体压力在恒定值。
考虑到所述电化学反应在一定温度条件下进行，一般是600℃-800℃，当所述固体氧化物燃料电池电堆位于压力容器内部之后，首先优选对固体氧化物燃料电池电堆进行预热。作为进一步优选，通过第三管道向压力容器内通入高温气体以预热固体氧化物燃料电池电堆。
本发明将固体氧化物燃料电池电堆置于压力容器内，工作状态时，向压力容器内通入氧化气体，使固体氧化物燃料电池电堆浸没在氧化气体中，同时向电池阳极通道内通入燃料气体，电池在高气压下放电，与现有技术相比，具有如下有益效果：
(1)本发明的固体氧化物燃料电池电堆具有高气密性，在高温高压下的气密性可靠；
(2)现有技术中，固体氧化物燃料电池结构单元的阴极需要密封，并且阴极通常需要设置气体通道，本发明的固体氧化物燃料电池结构单元中阴极侧可裸露，无需考虑密封，同时阴极板无需设置气体通道，只要进行电流汇集，因此密封难度降低，电池制作难度降低；
(3)现有技术中，固体氧化物燃料电池结构单元中阳极侧的密封不可控，本发明中阳极的气密性完全可控；
(4)本发明的固体氧化物燃料电池电堆采用压力容器安装电堆，突破了燃料电池的压力限制，达到了更高的发电效率，更长的发电时间。
附图说明
图1是本发明实施例1中的固体氧化物燃料电池发电系统。
图2是图1中固体氧化物燃料电池电堆的结构示意图。
图3是图2中固体氧化物燃料电池单体的结构示意图。
图1-3中的附图标记为：固体氧化物燃料电池电堆1、压力容器2、支座3、端盖4、盖板5、第一管道6、第二管道7、第三管道8、第四管道9、固体氧化物燃料电池结构单元14、串联板15、阳极板16、阴极17、阴极集流板18、联电板19、安装板20、通道入口21、通道出口22、绝缘垫块23，在绝缘螺母24、支撑板25、绝缘板26、外壳27、绝缘接头28、正极29、负极30、正极31、负极32、保温材料33，导轨34。
具体实施方式
下面结合实施例与附图对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
固体氧化物燃料电池发电系统结构示意图如图1所示，固体氧化物燃料电池电堆1位于压力容器2内部。
压力容器2包括支座3、两个端盖4以及1个盖板5，可形成一个密封的中空腔体。
压力容器2还设置第一管道6、第二管道7、第三管道8以及第四管道9，用于与外界在密封条件下进行气体流通。
压力容器的内部还设置保温材料33。
压力容器还设置气体压力检测装置，用于监测氧化气体的压力，一旦氧化气体的压力低于一定值，则通过第三通道通入氧化气体，以维持压力容器内部的氧化气体压力在恒定值。
固体氧化物燃料电池堆1通过导轨34安装在压力容器2的中空腔体内部。
固体氧化物燃料电池堆的结构示意图如图2所示，包括若干固体氧化物燃料电池结构单元14，这些固体氧化物燃料电池结构单元14在串联板15的连接下串联连接在一起。
每个固体氧化物燃料电池结构单元的结构示意图如图3所示，包括阳极板16、阴极17、阴极集流板18、联电板19与安装板20。
每个固体氧化物燃料电池结构单元中，阳极层为支撑层，阳极层、电解质层以及阴极层沿厚度方向上下层叠，电解质层包括第一电解质层与第二电解质层，第一电解质层位于阳极的上表面，第二电解质层位于阳极的下表面；阴极层包括第一阴极层与第二阴极层，第一阴极层位于第一电解质层的上表面，第二阴极层位于第二电解质层的下表面。
阳极板16设置用于燃料气体流通的通道，该通道包括通道入口21与通道出口22。
各固体氧化物燃料电池结构单元之间还设置绝缘垫块23，在绝缘螺母24的作用下固定在安装板20上，使各固体氧化物燃料电池结构单元之间彼此存间隔。
如图2所示，固体氧化物燃料电池电堆还包括用于固定、连接的支撑板25、绝缘板26，以及外壳27。第一管道6与各固体氧化物燃料电池结构单元的通道入口21连通，各固体氧化物燃料电池结构单元的通道入口21外部设置绝缘接头 28。第二管道7与各固体氧化物燃料电池结构单元的通道出口22连通。
固体氧化物燃料电池电堆还包括正极29与负极30。压力容器2的端盖4设置正极31与负极32，正极31连接固体氧化物燃料电池电堆的正极29，负极32 连接固体氧化物燃料电池电堆的负极30。
工作状态时，根据需要装配好固体氧化物燃料电池电堆1，然后将固体氧化物燃料电池电堆1通过导轨34安装在压力容器2的中空腔体内部，关闭两个端盖4以及盖板5，形成密封的中空腔体。
(2)通过第三管道8向压力容器2内通入高温气体，将固体氧化物燃料电池电堆1迅速升温至750℃。然后，通过第一管道6向各固体氧化物燃料电池结构单元的通道入口21通入氢气，同时，使用空压机，通过第三管道8向压力容器2内灌满空气。氢气还原，还原结束后开始放电，在放电过程中，氧气不断被消耗而变为氧离子进入阳极通道中，腔体中的氧分压下降，气体压力检测装置监测到氧气压力低于设定值，则通过第三管道8通入空气，以维持压力容器内部的氧气压力达到设定值，从而保证固体氧化物燃料电池电堆表面有氧气不断的参与放电反应。
以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于对称双阴极结构的固体氧化物燃料电池电堆，包括若干电池结构单元；
所述电池结构单元以阳极为支撑层，呈上下分布结构，即，所述电池结构单元中，阳极层、电解质层以及阴极层沿厚度方向上下层叠，电解质层包括第一电解质层与第二电解质层，第一电解质层位于阳极层的上表面，第二电解质层位于阳极层的下表面；阴极层包括第一阴极层与第二阴极层，第一阴极层位于第一电解质层的上表面，第二阴极层位于第二电解质层的下表面；
其特征是：所述固体氧化物燃料电池电堆位于压力容器内部；
所述压力容器设置第一管道、第二管道、第三管道以及第四管道，用于与外界在密封条件下进行气体流通；
所述电池结构单元的阳极层设置用于燃料气体流通的通道，所述通道包括通道入口与通道出口；
所述第一管道与电池结构单元的通道入口连通；
所述第二管道与电池结构单元的通道出口连通；
所述第三管道用于向压力容器内部通入氧化气体；
所述第四管道用于排出压力容器内部的氧化气体。
2.如权利要求1所述的基于对称双阴极结构的固体氧化物燃料电池电堆，其特征是：所述压力容器设置气体压力检测装置。
3.如权利要求1所述的基于对称双阴极结构的固体氧化物燃料电池电堆，其特征是：所述第三管道与第四管道合并。
4.如权利要求1所述的基于对称双阴极结构的固体氧化物燃料电池电堆，其特征是：所述压力容器设置阴极与阳极，用于连通所述固体氧化物燃料电池堆的正极与负极。
5.如权利要求1至4中任一权利要求所述的基于对称双阴极结构的固体氧化物燃料电池电堆，其特征是：
工作状态时，通过第一管道向固体氧化物燃料电池电堆通入燃料气体，燃料气体进入各电池结构单元阳极的通道；通过第三管道向压力容器内通入氧化气体，氧化气体自各电池结构单元的阴极而参与电化学反应。
6.如权利要求5所述的基于对称双阴极结构的固体氧化物燃料电池电堆，其特征是：所述压力容器设置气体压力检测装置，当氧化气体的压力低于设定值，则通过第三通道通入氧化气体。
7.如权利要求5所述的基于对称双阴极结构的固体氧化物燃料电池电堆，其特征是：
固体氧化物燃料电池电堆位于压力容器之后，首先对固体氧化物燃料电池堆进行预热。
8.如权利要求7所述的基于对称双阴极结构的固体氧化物燃料电池电堆，其特征是：通过第三管道向压力容器内通入高温气体，对固体氧化物燃料电池堆进行预热。
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