CN112713295A - 一种蛇形气道平板式固体氧化物燃料电池电堆 - Google Patents

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Abstract

本发明一种蛇形气道平板式固体氧化物燃料电池电堆，包括括上集流板、下集流板和设置在所述上集流板和下集流板之间的堆叠结构；所述堆叠结构包括至少两个双极板、设置在所述双极板与集流板之间的电池片和密封件；所述双极板具有阳极气道和阴极气道，在所述双极板的阳极气道侧有第一阳极气体密封件，在所述双极板的阴极气道侧有第一阴极气体密封件；所述电池片包括单电池和单电池框架；在所述电堆上分别设置有氧化气体和燃料气体的进气通道和出气通道。本发明有利于促进冷热流体间的热交换，降低冷流体入口端和热流体出口端的温度，同时有利于提高燃料气体和氧化气体的利用率，有利于促进燃料气体和氧化气体在所述电池片中的扩散。

Description

一种蛇形气道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，具体涉及一种蛇形气道平板式固体氧化物燃料电池电堆。
背景技术
随着世界范围内的研究与开发集中于低排放，可持续且具有成本效益的新能源，固体氧化物燃料电池(SOFC)成为一种有潜力的研究方向。与传统火力发电厂的整体效率不超过35％相比，SOFC的效率可以达到45-60％或者更高，具体取决于它们的设计和运行条件。此外，SOFC的燃料灵活性特别是大多数碳质燃料内部重整的能力以及热电联产的前景使其成为新能源研究领域的重要研究方向。
SOFC是一种通过电化学催化反应将化学能(主要是氢)直接转化为电能的装置。与大多数其他种类的燃料电池不同，SOFC不需要昂贵的催化剂。SOFC采用固体氧化物作为电解质。固体氧化物高温下具有传递氧离子的能力，在电池中起传递氧离子和分离空气、燃料的作用，在阴极上氧分子得到电子被还原成氧离子。氧离子在电位差和氧浓度差驱动力的作用下，通过电解质中的氧空位定向跃迁，迁移到阳极上与燃料发生氧化反应。
在化学平衡状态下，SOFC基于电化学反应的电势差(也称为能斯特电势)通常约为1.1-1.2V。对于实际操作，通常将多个SOFC单位电池串联堆叠在一起形成电堆，以产生更高的电势，连续的单位电池由双极板隔开。双极板主要由铁素体钢制成，包括流体流动通道和集流肋。目前，有关双极板设计的大多数研究都集中在质子交换膜燃料电池(PEMFC)上，而类似的研究对于SOFC却非常少。
SOFC的双极板设计需要最大程度地将燃料和氧化剂向三相界面转移，同时确保电池片与集流肋之间的流量均匀且接触均匀。这是因为大量传输到三相界面的速率确保了三相界面上的反应位得到最佳利用，并且与集流肋的均匀接触可以防止电流密度的梯度过大并抑制整个电池片的温度升高，而跨电池片的温度或电流密度的明显梯度会导致热疲劳和电疲劳，从而导致电池堆退化。因为这些设计目标中的每一个都直接或间接取决于燃料和空气的流场，所以优化的双极板设计至关重要。
在涉及SOFC的现有研究中，关于蛇形气道的研究却非常少。专利“一种固体氧化物燃料电池堆”(专利号：CN102122722B)采用点阵排列的凸点设计，专利“平板式固体氧化物燃料电池电堆装置”(专利号：CN104218252A)采用连续结构区和离散结构区设计，这些设计中，气体在气道中停留时间都比较短，容易产生气体利用率低的情况。同时，相邻气道间没有明显的压强差，导致集流肋接触的多孔电极中气体扩散动力小，不利于气体在多孔电极中的扩散。
发明内容
本发明解决的技术问题在于，提供一种蛇形气道平板式固体氧化物燃料电池电堆，与现有技术相比，该电池电堆不但解决了气体在气道中停留时间短导致的利用率低的问题，而且解决了多孔电极中气体扩散动力不足导致的反应速率低的问题，同时充分利用废气余热加热新流入电堆的气体，降低了电堆流出气体的温度和流入气体所需的最低温度。
本发明采用如下技术方案：
一种蛇形气道平板式固体氧化物燃料电池电堆，包括：上集流板、下集流板和设置在所述上集流板和下集流板之间的堆叠结构；所述堆叠结构包括至少两个双极板、电池片和密封件；每个所述双极板包括阳极气道和阴极气道，在所述双极板的阳极气道侧设置有第一阳极气体密封件，在所述双极板的阴极气道侧设置有第一阴极气体密封件；所述上集流板和所述双极板之间、两个所述双极板之间以及所述双极板和所述下集流板之间分别设置有电池片；每个所述电池片包括单电池和单电池框架；所述单电池位于所述单电池框架内，所述单电池由上到下依次包括多孔阴极、固体电解质和多孔阳极。
优选的，所述上集流板上设置有氧化气体的进气通道口和出气通道口；所述下集流板上设置有燃料气体的进气通道口和出气通道口。
优选的，从所述上集流板开始，到所述堆叠结构的最下层第一阴极气体密封件为止，所述上集流板和堆叠结构上对应于所述氧化气体的进气通道口和出气通道口的位置均开设有两个孔，每一层的两个孔均上下对应贯通形成两条通道，其中一条通道为氧化气体的进气通道，一条为氧化气体的出气通道。
优选的，从所述下集流板开始，到所述堆叠结构的最上层第一阳极气体密封件为止，所述下集流板和堆叠结构上对应于所述燃料气体的进气通道口和出气通道口的位置均开设有两个孔，每一层的两个孔均上下对应贯通形成两条通道，其中一条通道为燃料气体的进气通道，一条为燃料气体的出气通道。
优选的，所述阳极气道和阴极气道呈蛇形，由多个平行排列的直形气道连接而成，且在所述阳极气道和阴极气道中，直形气道的排列方向相同。
优选的，所述上集流板上设有所述阴极气道，所述下集流板上设有所述阳极气道；所述下集流板上的阳极气道连接所述燃料气体的进气通道口和出气通道口的两个孔；所述上集流板上的阴极气道连接所述氧化气体的进气通道口和出气通道口的两个孔。
优选的，在所述上集流板的阴极气道侧设置有第二阴极气体密封件，在所述下集流板的阳极气道侧设置有第二阳极气体密封件。
优选的，所述双极板两侧的阳极气道和阴极气道的气体的流向相反，对应的，氧化气体的进气通道和燃料气体的出气通道中的气体的流向相同，氧化气体的出气通道和燃料气体的进气通道中的气体的流向相同。
优选的，所述直形气道数量大于等于3条。
优选的，所述双极板的阳极气道和阴极气道正对所述电池片的部分高于所述双极板的表面。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明的电堆中，冷流体流入通道与热流体流出通道相邻，有利于促进冷热流体间的热交换，降低冷流体入口端和热流体出口端的温度，更好地利用了反应完成后气体的能量；
(2)本发明的电堆中双极板采用蛇形气道结构，一方面大大增加了氧化气体和燃料气体在气道中的停留时间，从而大幅提高氧化气体和燃料气体的利用率，另一方面，蛇形气道中平行排列的直形气道间存在明显压强差，这种压强差能够有效促进与双极板接触的多孔电极中气体的流动，特别是正对集流肋的多孔电极中气体的流动，从而有效提高电池的反应速率；
(3)本发明的电堆采用氧化气体和燃料气体通道一体化设计，将氧化气体和燃料气体通道与电堆嵌合在一起，组装电堆以及更换电堆配件更加方便；
(4)本发明的电堆中，燃料气体和氧化气体分别从电堆下集流板和上集流板流向相反地流入，同时蛇形双极板也采用相反的流向，使电堆中温度分布更加均匀。
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的一种蛇形气道平板式固体氧化物燃料电池电堆不局限于实施例。
附图说明
图1是本发明的电堆整体结构示意图；
图2是本发明的电堆拆分结构示意图；
图3是本发明的电堆拆分以后气体流动方向示意图；
图4是本发明的电堆翻转180度以后拆分结构示意图；
图5是本发明的电堆翻转180度拆分以后气体流动方向示意图；
图6是本发明的电堆中双极板阳极气道结构示意图；
图7是本发明的电堆中双极板阴极气道结构示意图。
1、上集流板，2、下集流板，3、双极板，41、第一阴极气体密封件，42、第二阴极气体密封件，51、第一阳极气体密封件，52、第二阳极气体密封件，6、单电池框架，7、单电池，81、氧化气体的进气通道口，82、氧化气体的出气通道口，91、燃料气体的进气通道口，92、燃料气体的出气通道口，10、氧化气体流入电堆，11、氧化气体流出电堆，12、燃料气体流出电堆，13、燃料气体流入电堆，14、阳极气道，15、阴极气道。
具体实施方式
以下通过具体实施方式对本发明作进一步的描述。
参见图图1、图2和图4所示，本实施例的电堆包括上集流板1、下集流板2和容纳在上集流板1和下集流板2之间的堆叠结构，堆叠结构包括两个双极板3、设置在双极板3与集流板之间的三个电池片和六个密封件(两个第一阳极气体密封件51、两个第一阴极气体密封件41、一个第二阳极气体密封件52和一个第二阴极气体密封件42)。双极板3具有阳极气道14和阴极气道15，在双极板3的阳极气道14侧有第一阳极气体密封件51，在双极板3的阴极气道15侧有第一阴极气体密封件41。所述电池片包括单电池7和单电池框架6。单电池7位于单电池框架6内，单电池7由上到下依次由多孔阴极、固体电解质和多孔阳极组成。
本实施例中的堆叠结构采用了两个双极板及对应数量的电池片和密封件，一般来说电池片数量比双极板数量多一个，而密封件数量为电池片数量的两倍。在其他实施例中，堆叠结构可以采用数量大于等于2的双极板数量及对应数量的电池片和密封件。
在电堆上分别设置有氧化气体的进气通道口81和氧化气体的出气通道口82，以及燃料气体的进气通道口91和燃料气体的出气通道口92。氧化气体的进气通道口81和氧化气体的出气通道口82设置于上集流板1，燃料气体的进气通道口91和燃料气体的出气通道口92设置于下集流板2。
从上集流板1开始，到堆叠结构的最下层第一阴极气体密封件41为止，上集流板1和堆叠结构对应于氧化气体的进气通道口81和氧化气体的出气通道口82的位置均开设有两个孔，每一层的两个孔均上下对应贯通形成两条通道，两条通道中，一条为氧化气体的进气通道，一条为氧化气体的出气通道。
从下集流板2开始，到堆叠结构的最上层第一阳极气体密封件51为止，下集流板2和堆叠结构对应于燃料气体的进气通道口91和燃料气体的出气通道口92的位置均开设有两个孔，每一层的两个孔均上下对应贯通形成两条通道，两条通道中，一条为燃料气体的进气通道，一条为燃料气体的出气通道。
本实施例中，所述上集流板1上设有阴极气道15，下集流板2上设有阳极气道14。所述下集流板2上的阳极气道14连接所述燃料气体的进气通道口91和出气通道口92的两个孔；所述上集流板1上的阴极气道15连接所述氧化气体的进气通道口81和出气通道口82的两个孔。在所述上集流板1的阴极气道15侧设置有第二阴极气体密封件42，在所述下集流板2的阳极气道14侧设置有第二阳极气体密封件52。
本实施例中，双极板3、上集流板1、下集流板2、氧化气体的进气通道口81的管道、氧化气体的出气通道口82的管道、燃料气体的进气通道口91的管道和燃料气体的出气通道口92的管道由不锈钢制成，其中双极板的厚度为1mm～3mm，不锈钢的具体例子可以为Fe-16Cr、Fe-22Cr等，具体型号如SUS430。
本实施例中，第一阳极气体密封件51、第一阴极气体密封件41、第二阳极气体密封件52、第二阴极气体密封件42和单电池框架6由陶瓷玻璃复合密封材料制成，其中阳极气体密封件和阴极气体密封件的结构有所不同，陶瓷玻璃复合密封材料如A2O3-SiO2-BO材料，其中的A表示Al、B、La或Te元素，B表示Mg、Zn、Sr、Ca或F元素。
本实施例中，电池片7由多孔阳极、多孔阴极和固体电解质构成，其中多孔阳极使用例如镍掺杂氧化钇稳定氧化锆(Ni-YSZ)，多孔阴极使用例如锶掺杂镧锰矿(LSM)，固体电解质使用例如8mol％氧化钇稳定氧化锆(8-YSZ)。
本实施例中，燃料气体为水蒸汽和氢气的混合气体，氧化气体为空气
参见图3和图5所示，电堆的同一边角处相邻两个通道中的气体的流向相同。
在图3中，氧化气体流入电堆10和燃料气体流出电堆12都位于电堆的同一个角，且方向相同。这就使得在双极板3中，位于上方的阳极气道14和位于下方的阴极气道15中的气体流向相反。同时，对于整个电堆来说，氧化气体和燃料气体流入的温度都比流出的温度低，而氧化气体流出电堆11和燃料气体流出电堆12的两个出口分别位于电堆中相距最远的两个角，使得两个高温的气体出口距离达到电堆允许范围内的最远，使电堆中温度分布更加均匀。
在图3中，从位于上集流板1的氧化气体的进气通道口81中，氧化气体流入电堆10，从主通道分流出来的氧化气体首先流入上集流板1的阴极气道15中，在电池片7的多孔电极中反应。氧化气体在主通道中向下流，依次分流出氧化气体流入每一块双极板3的阴极气道15中，在电池片7的多孔电极中反应，直到遇到最后一块双极板3，此时主通道结束，剩余所有氧化气体全部流入遇到最后一块双极板3的阴极气道15中，在电池片7的多孔电极中反应。
每块双极板3的阴极气道15中的残余气体流过整块双极板3的阴极气道15以后，汇聚到电堆另一角的主通道中，受到气压的作用，顺着主通道的方向向上流，在上集流板1处，与上集流板1的阴极气道15中的残余气体汇合，一起从位于上集流板1的氧化气体的出气通道口82中流出，即氧化气体流出电堆11。
在图5中，应当注意图5为本实施例的电堆翻转180度拆分以后气体流动方向示意图，所以真实电堆的上下与图5中的上下颠倒，这里采用图5中的上下方向来描述。氧化气体流入电堆10和燃料气体流出电堆12都位于电堆的同一个角，且方向相同。这就使得在双极板3中，位于下方的阳极气道14和位于上方的阴极气道15中的气体流向相反。同时，对于整个电堆来说，氧化气体和燃料气体流入的温度都比流出的温度低，而氧化气体流入电堆10和燃料气体流入电堆13的两个入口分别位于电堆中相距最远的两个角，使得两个低温的气体入口距离达到电堆允许范围内的最远，同时也使得低温的气体入口与高温的气体出口距离达到最远，使电堆中温度分布更加均匀。
在图5中，从位于下集流板2的燃料气体的进气通道口91中，燃料气体流入电堆13，从主通道分流出来的燃料气体首先流入下集流板2的阳极气道14中，在电池片7的多孔电极中反应。燃料气体在主通道中向下流，依次分流出燃料气体流入每一块双极板3的阳极气道14中，在电池片7的多孔电极中反应，直到遇到最后一块双极板3，此时主通道结束，剩余所有燃料气体全部流入遇到最后一块双极板3的阳极气道14中，在电池片7的多孔电极中反应。
每块双极板3的阳极气道14中的残余气体及反应产生的气体流过整块双极板3的阳极气道14以后，汇聚到电堆另一角的主通道中，受到气压的作用，顺着主通道的方向向上流，在下集流板2处，与下集流板2的阳极气道14中的残余气体及反应产生的气体汇合，一起从位于下集流板2的燃料气体的出气通道口92中流出，即燃料气体流出电堆12。
参见图6和图7中可知，本实施例中阳极气道14和阴极气道15呈蛇形，各采用9条平行排列的直形气道构成，在其他实施例中，蛇形气道采用的直形气道数量大于等于3条即可。阳极气道14和阴极气道15结构相似，并且构成阳极气道14和阴极气道15的直形气道排列方向相同，使得阳极多孔电极和阴极多孔电极中气体扩散的密度分布情况比较接近，利于电池片7中的反应。
虽然阳极气道14和阴极气道15结构相似，但是在气道连接双极板的四个孔的地方结构不同，因为阳极气道14和阴极气道15利用不同的孔作为主通道，所以阳极气道14连接双极板3和下集流板2上对应燃料气体的进气通道口91和燃料气体的出气通道口92中的两个孔，阴极气道15连接双极板3和上集流板1上对应氧化气体的进气通道口81和氧化气体的出气通道口82的两个孔。
按照本发明，在堆叠结构内，双极板3的阴极气道15通过第一阴极气体密封件41与电池片7的多孔阴极进行封接，双极板3的阳极气道14通过第一阳极气体密封件51与电池片7的多孔阳极进行封接，由于第一阴极气体密封件41和第一阳极气体密封件51存在厚度，所以为了使阴极气道15和阳极气道14的集流肋与电池片7接触良好，需要使得阴极气道15和阳极气道14正对电池片7的部分高于双极板表面，这样才能在密封件的作用下，既达到良好的气密性，又能使集流肋正常的传导电流。对于上集流板1和下集流板2的气道也是这样。
上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims (10)

1.一种蛇形气道平板式固体氧化物燃料电池电堆，其特征在于，包括：上集流板(1)、下集流板(2)和设置在所述上集流板(1)和下集流板(2)之间的堆叠结构；所述堆叠结构包括至少两个双极板(3)、电池片和密封件；每个所述双极板(3)包括阳极气道(14)和阴极气道(15)，在所述双极板(3)的阳极气道(14)侧设置有第一阳极气体密封件(51)，在所述双极板(3)的阴极气道(15)侧设置有第一阴极气体密封件(41)；所述上集流板(1)和所述双极板(3)之间、两个所述双极板(3)之间以及所述双极板(3)和所述下集流板(2)之间分别设置有电池片；每个所述电池片包括单电池(7)和单电池框架(6)；所述单电池(7)位于所述单电池框架(6)内，所述单电池(7)由上到下依次包括多孔阴极、固体电解质和多孔阳极。
2.根据权利要求1所述的蛇形气道平板式固体氧化物燃料电池电堆，其特征在于，所述上集流板(1)上设置有氧化气体的进气通道口(81)和出气通道口(82)；所述下集流板(2)上设置有燃料气体的进气通道口(91)和出气通道口(92)。
3.根据权利要求2所述的蛇形气道平板式固体氧化物燃料电池电堆，其特征在于，从所述上集流板(1)开始，到所述堆叠结构的最下层第一阴极气体密封件(41)为止，所述上集流板(1)和堆叠结构上对应于所述氧化气体的进气通道口(81)和出气通道口(82)的位置均开设有两个孔，每一层的两个孔均上下对应贯通形成两条通道，其中一条通道为氧化气体的进气通道，一条为氧化气体的出气通道。
4.根据权利要求3所述的蛇形气道平板式固体氧化物燃料电池电堆，其特征在于，从所述下集流板(2)开始，到所述堆叠结构的最上层第一阳极气体密封件(51)为止，所述下集流板(2)和堆叠结构上对应于所述燃料气体的进气通道口(91)和出气通道口(92)的位置均开设有两个孔，每一层的两个孔均上下对应贯通形成两条通道，其中一条通道为燃料气体的进气通道，一条为燃料气体的出气通道。
5.根据权利要求4所述的蛇形气道平板式固体氧化物燃料电池电堆，其特征在于，所述阳极气道(14)和阴极气道(15)呈蛇形，由多个平行排列的直形气道连接而成，且在所述阳极气道(14)和阴极气道(15)中，直形气道的排列方向相同。
6.根据权利要求5所述的蛇形气道平板式固体氧化物燃料电池电堆，其特征在于，所述上集流板(1)上设有所述阴极气道(15)，所述下集流板(2)上设有所述阳极气道(14)；所述下集流板(2)上的阳极气道(14)连接所述燃料气体的进气通道口(91)和出气通道口(92)的两个孔；所述上集流板(1)上的阴极气道(15)连接所述氧化气体的进气通道口(81)和出气通道口(82)的两个孔。
7.根据权利要求6所述的蛇形气道平板式固体氧化物燃料电池电堆，其特征在于，在所述上集流板(1)的阴极气道(15)侧设置有第二阴极气体密封件(42)，在所述下集流板(2)的阳极气道(14)侧设置有第二阳极气体密封件(52)。
8.根据权利要求5所述的蛇形气道平板式固体氧化物燃料电池电堆，其特征在于，所述双极板(3)两侧的阳极气道(14)和阴极气道(15)的气体的流向相反，对应的，氧化气体的进气通道和燃料气体的出气通道中的气体的流向相同，氧化气体的出气通道和燃料气体的进气通道中的气体的流向相同。
9.根据权利要求5所述的蛇形气道平板式固体氧化物燃料电池电堆，其特征在于，所述直形气道数量大于等于3条。
10.根据权利要求1所述的蛇形气道平板式固体氧化物燃料电池电堆，其特征在于，所述双极板(3)的阳极气道(14)和阴极气道(15)正对所述电池片的部分高于所述双极板(3)的表面。
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