CN113381049B - 一种纽扣型燃料电池集成燃料重组器之sofc电池堆 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种纽扣型燃料电池集成燃料重组器之SOFC电池堆，本发明电池堆架构设计，可以降低高温运作过程的能量损失，提升系统整体空间利用率与能量转换率。具体包括内置型燃料气体重组器的设计、阳极端柱型架构设计、嵌合电池单元的空间设计、阴阳极电化学气体的导入与排出设计、柱型架构上集电网的安装设计，以及电流传输、电池堆串联方式与排列设计。

Description

一种纽扣型燃料电池集成燃料重组器之SOFC电池堆
技术领域
本发明涉及新能源装置工程领域，具体涉及一种纽扣型燃料电池集成燃料重组器之SOFC电池堆。
背景技术
燃料电池发展至今已有约120年的历史，算是相当成熟的能源科技技术。公元1899年，对电化学、热力学、固态化学及光化学有所贡献的德国化学家Nernst 最早提出了固态氧化物燃料电池的概念。随后发展至1960年代，燃料电池克服材料限制，并研发出可产品化的电池系统之后，又再历经30年，直到1991年，德国西门子公司就已发展出SOFC产品雏型。此后燃料电池发展速度逐渐加快。2010年，美国Bloom Energy的ES-5000即为全球商用化的首款产品，并获得多家知名企业采用，在市场上引发广泛的注意，使得SOFC技术成为市场的焦点。2011年日本家用热电共生型燃料电池(Ene-Farm)的SOFC机型相应而生，同时将该机型纳入补助范围之中，让SOFC走入小型定置型的燃料电池市场。韩国政府由于提出再生能源占比条例（Renewable Portfolio Standard; RPS），规定发电量大于500MW的电力公司从2012年起必须至少有2%的电力来自于再生能源，到2022年将增加至10%。因此，许多用电大户以及民营电厂除了采用高发电效率的MCFC (Molten Carbonate Fuel Cells) 熔融碳酸盐燃料电池以外，也开始采购发电效率急起直追的SOFC机型。2014年，日本与欧盟更大幅提升对于燃料电池的补助。METI (Ministry of Economy, Trade and Industry) 日本经产省于此时推出氢能与燃料电池战略地图，2015年NEDO (The New Energy and IndustrialTechnology Development Organization) 新能源产业技术综合开发机构进而推出氢能白皮书之后，2016年正式以「氢能社会」作为整体规划与愿景。
一般SOFC电池单元为平板式，以双极板串联成电池堆，如图9所示。平板式SOFC电池单元尺寸一般为方形10 cm x 10 cm x 400 μm。其中，方形的热应力耐受度较圆形差，若用于交通工具上，必须能承受多次升温降温的过程，因此圆形纽扣电池应较具优势。双极板上需刻画气体流道，增加零组件的制造成本；此外还需要电镀一层薄阴极层才能较稳定将电池与双极板接合；每组双极板与电池单元的组合都要进行一层一层的气密胶封装，制程工艺门槛高。电池堆中的电池单元为串联组装，因此其中若有一片毁损，则整组电池堆都无法运作；此外，图9为700瓦功率电池堆，体积约4536 cm3，依比例换算成1 kW与本发明设计对比，推估体积约6480 cm3，与本案设计之最小体积5200 cm3相近，所以本创新架构设计可以让电池堆具备更高机械强度、更好的效能输出，且不会造成电堆体积大幅上升。
一般SOFC系统重组器是独立单元，若要变更SOFC的系统规模，重组器就要一并调整，如图10所示。而本创新架构将燃料重组器与电池堆整合成一个装置，变更SOFC的系统规模，只是提高电池堆的数量，不用再额外考虑重组器的转换效能。此外，燃料气体在进入重组器进行转换的同时，也将气体预热成SOFC运转所需温度，降低气体进入电池电极造成温度落差，影响运作效能。此外，重组气也需要一定温度才能发挥催化转化效果，整合后，SOFC的反应热省去热交换装置，直接利用热源，提高总体能量利用率。
发明内容
根据相关SOFC系统架构流程与装置技术的背景，本发明要解决的技术问题是提供一种微型化整合型态的SOFC电池堆架构设计，其可以降低高温运作过程的能量损失，提升系统整体空间利用率与能量转换率。具体包括内置型燃料气体重组器的设计、阳极端柱型架构设计、嵌合电池单元的空间设计、阴阳极电化学气体的导入与排出设计、柱型架构上集电网的安装设计，以及电流传输、电池堆串联方式与排列设计。
本发明采取的具体技术方案是：
一种纽扣型燃料电池集成燃料重组器之SOFC电池堆，包括一号中空方柱型结构体、二号中空方柱型结构体、三号中空方柱型结构体、四号中空方柱型结构体和五号中空方柱型结构体，所述四号中空方柱型结构体安装在五号中空方柱型结构体内部且其外表面与五号中空方柱型结构体的内表面有一定间距；所述三号中空方柱型结构体安装在四号中空方柱型结构体内部且其外表面与四号中空方柱型结构体的内表面有一定间距；所述二号中空方柱型结构体安装在三号中空方柱型结构体内部且其外表面与三号中空方柱型结构体的内表面有一定间距；所述一号中空方柱型结构体安装在二号中空方柱型结构体内部且其外表面与二号中空方柱型结构体的内表面有一定间距；所述一号中空方柱型结构体用于安装燃料气体重组器，所述燃料气体重组器上内设有燃料气体入口管，燃料气体入口管上端穿出一号到五号中空方柱型结构体，所述一号中空方柱型结构体上还设有阳极电化学反应气体出口；所述三号中空方柱型结构体上镶嵌有微型化SOFC单元电池，所述微型化SOFC单元电池的阳极面朝里、阴极面朝外；所述微型化SOFC单元电池的阳极面通过耐高温金属泡棉与所述二号中空方柱型结构体连接，所述二号中空方柱型结构体与耐高温金属泡棉的连接位置处打有若干个小孔；所述所述微型化SOFC单元电池的阴极面与所述四号中空方柱型结构体通过耐高温抗氧化金属泡棉连接，所述四号中空方柱型结构体与耐高温抗氧化金属泡棉的连接位置处打有若干个小孔；所述三号中空方柱型结构体上设有燃料尾气出口；所述四号中空方柱型结构体上设有阴极电化学反应气体出口，所述五号中空方柱型结构体上设有阴极电化学反应气体入口；相邻的中空方柱型结构体之间通过绝缘支撑块连接，隔出空间让电化学反应所需气体可以通过。
进一步地，所述微型化SOFC单元电池为纽扣型。
进一步地，所述微型化SOFC单元电池通过其阳极材料单元镶嵌在三号中空方柱型结构体上，且位于三、四号中空方柱型结构体之间的部分阳极材料单元用耐热绝缘气密胶包覆。
进一步地，所述一号中空方柱型结构体、二号中空方柱型结构体、三号中空方柱型结构体、四号中空方柱型结构体、五号中空方柱型结构体均为耐热导电抗氧化不锈钢材质。
进一步地，所述三号中空方柱型结构体的底部、前后、左右面均镶嵌有微型化SOFC单元电池。
进一步地，所述耐热金属泡棉和耐热抗氧化金属泡棉可采用crofer22材质。
进一步地，所述燃料气体重组器由镍-铝氧化物多孔骨架支撑泡棉微孔Cu-Ag-Zn-Mn-Co-Fe-Ni-Ti-Ce-V纳米氧化物制成。
进一步地，所述燃料气体入口管下端设在燃料气体重组器的中下部，优选接近燃料气体重组器底部。
进一步地，所述燃料气体重组器安装于一号中空方柱型结构体的中心轴位置，所述阳极电化学反应气体出口设置在一号中空方柱型结构体上部靠近两侧边位置。
本发明的有益效果是：本发明的电池堆中各微型化SOFC单元电池之间是以并联连接，若其中一片有问题，不影响其它工作，SOFC单元电池尺寸微型化，并以圆形纽扣外形替换一般方形，圆形相对于方形有更好的应力抵抗效果，而微型化可以提高机械强度与抗冲击性。并且采用本发明的结构设计可以直接采用SOFC的反应热作为重组气体的热源，提高了总体能量利用率。本发明的结构设计不仅可以让电池堆具备更高机械强度、更好的效能输出，且不会造成电堆体积大幅上升。
附图说明
图1为纽扣型燃料电池集成燃料重组器之SOFC电池堆主视结构示意图；
图2为纽扣型燃料电池集成燃料重组器之SOFC电池堆俯视结构示意图；
图3-5为纽扣型燃料电池集成燃料重组器之SOFC电池堆剖面结构及气体流动示意图；
图6-7为多个纽扣型燃料电池集成燃料重组器之SOFC电池堆串联架构示意图；
图8为不同数量微型化SOFC单元电池设置的SOFC电池堆；
图9为背景技术所述平板式SOFC电池单元串联电池堆；
图10为背景技术所述SOFC系统重组器电池堆。
附图标记说明：1-一号中空方柱型结构体（重组器），2-二号中空方柱型结构体，3-三号中空方柱型结构体，4-四号中空方柱型结构体，5-五号中空方柱型结构体；6-燃料气体入口管，7-阳极电化学反应气体出口管，8-微型化SOFC单元电池，9-燃料尾气出口，10-阴极电化学反应尾气出口，11-阴极电化学反应气体入口，12-耐热多孔金属泡棉，13-耐高温抗氧化金属泡棉，14-耐热绝缘气密胶，15-绝缘支撑块，16-燃料气体，17-阳极电化学反应气体，18-燃料尾气，19-阴极电化学反应尾气，20-阴极电化学反应气体。
上述附图中的填充仅是为了区别各部件及各类气体，无其它特殊含义。
具体实施方式
为详细说明技术方案的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合具体实施例并配合附图详予说明。
请参阅图1-5，本实施例提供了一种纽扣型燃料电池集成燃料重组器之SOFC电池堆，包括一号中空方柱型结构体、二号中空方柱型结构体、三号中空方柱型结构体、四号中空方柱型结构体和五号中空方柱型结构体，所述四号中空方柱型结构体安装在五号中空方柱型结构体内部且其外表面与五号中空方柱型结构体的内表面有一定间距；所述三号中空方柱型结构体安装在四号中空方柱型结构体内部且其外表面与四号中空方柱型结构体的内表面有一定间距；所述二号中空方柱型结构体安装在三号中空方柱型结构体内部且其外表面与三号中空方柱型结构体的内表面有一定间距；所述一号中空方柱型结构体安装在二号中空方柱型结构体内部且其外表面与二号中空方柱型结构体的内表面有一定间距；相邻的中空方柱型结构体之间通过绝缘支撑块连接（附图中仅对四号与五号之间的连接进行了示意，支撑块的位置没有特定要求，只要能达到隔出空间的目的又能支撑连接即可），隔出空间让电化学反应所需气体可以通过。所述一号中空方柱型结构体用于安装燃料气体重组器（燃料气体重组器采用的是现有的设计，只要能够满足重组燃料气体即可，本发明没有对其结构进行改变，故对重组器的结构不再进行详细描述），所述燃料气体重组器上内设有燃料气体入口管，燃料气体入口管上端穿出一号到五号中空方柱型结构体，所述一号中空方柱型结构体上还设有阳极电化学反应气体出口，燃料气体通过燃料气体入口管进入重组器，燃料气体重组后通过该出口进行入一号与二号中空方柱型结构体之间。所述三号中空方柱型结构体上镶嵌有微型化SOFC单元电池，所述微型化SOFC单元电池的阳极面朝里、阴极面朝外；所述微型化SOFC单元电池的阳极面通过耐高温金属泡棉与所述二号中空方柱型结构体连接，所述二号中空方柱型结构体与耐高温金属泡棉的连接位置处打有若干个小孔，目的是使一号与二号中空方柱型结构体之间的燃料气体通过小孔进入耐热多孔金属泡棉，进而与微型化SOFC单元电池的阳极材料接触并进行电化学反应，三号中空方柱型结构体上设有燃料尾气出口，该出口也是穿出外侧的四号、五号中空方柱型结构体，电化学反应完成后的燃料尾气通过该出口排出。所述所述微型化SOFC单元电池的阴极面与所述四号中空方柱型结构体通过耐高温抗氧化金属泡棉连接，所述四号中空方柱型结构体与耐高温抗氧化金属泡棉的连接位置处打有若干个小孔；所述四号中空方柱型结构体上设有阴极电化学反应尾气出口，该出口也是穿出外侧的五号中空方柱型结构体，所述五号中空方柱型结构体上设有阴极电化学反应气体入口，由该入口进入的阴极电化学反应气体通过四号中空方柱型结构体上小孔进入耐高温抗氧化金属泡棉，进而与微型化SOFC单元电池的阴极材料接触并进行电化学反应，反应完成后的尾气通过阴极电化学反应尾气出口排出。
作为本实施例的优选方案，所述微型化SOFC单元电池为纽扣型。将SOFC单元尺寸微型化，并以圆形纽扣外形替换一般方形。圆形相对于方形有更好的应力抵抗效果，而微型化可以提高机械强度与抗冲击性。大型尺寸在生产过程容易产生局部缺陷，而SOFC又以串联相接，只要一片有问题，整个电池堆都没办法用，相对提高了工艺与品保上的困难度。微型化后，产品良率与一致性较高，且根据量测结果，微型化的SOFC电池单位效能大多优于大型尺寸，推测与应力破坏及局部缺陷有关。
作为本实施例的优选方案，所述微型化SOFC单元电池通过其阳极材料单元镶嵌在三号中空方柱型结构体上，且位于三、四号中空方柱型结构体之间的部分阳极材料单元用耐热绝缘气密胶包覆，起到密封的作用，并且起到了加强固定微型化SOFC单元电池的作用。
作为本实施例的优选方案，所述一号中空方柱型结构体、二号中空方柱型结构体、三号中空方柱型结构体、四号中空方柱型结构体、五号中空方柱型结构体均为耐热导电抗氧化不锈钢材质。
作为本实施例的优选方案，所述三号中空方柱型结构体的底部、前后、左右面均镶嵌有微型化SOFC单元电池。
作为本实施例的优选方案，所述耐热金属泡棉和耐热抗氧化金属泡棉可采用crofer22材质。
作为本实施例的优选方案，本实施例选用的燃料气体重组器为镍-铝氧化物多孔骨架支撑泡棉微孔Cu-Ag-Zn-Mn-Co-Fe-Ni-Ti-Ce-V纳米氧化物制成的重组器。
作为本实施例的优选方案，本实施例选用的燃料气体重组器，燃料气体入口管下端设在燃料气体重组器的中下部，接近燃料气体重组器底部。
作为本实施例的优选方案，所述燃料气体重组器安装于一号中空方柱型结构体的中心轴位置，所述阳极电化学反应气体出口设置在一号中空方柱型结构体上部靠近两侧边位置。
如图6-7所示为SOFC电池堆串联架构示意。
根据催化重组材料的活性与燃料的种类不同，内置重组器尺寸需要调整，而本发明电堆装置提供灵活的尺寸调整。详细规格与预测参数如下所示。以直径2公分SOFC单元电池评估计算，镶嵌电池的2号方柱型不锈钢容器尺寸估计为2.4 x 2.4 x 13 cm3。由上述内容推估图8右，四周各5片，底部1片；反应面积 = 65.94 平方公分；设电池功率密度400 mW/cm2；单组电堆的功率约26 W，包含内置燃料重组器与1号方柱型不锈钢容器。加上3号与4号方柱型不锈钢容器，尺寸估计为3 x 3 x 15 cm3，预估单组电堆体积约135 cm3；1 kW电堆约5200 cm3 (约5.2公升)。由上述内容推估图8左，四周各10片，底部4片；反应面积 =138.16 平方公分；设电池功率密度400 mW/cm2；单组电堆的功率约55 W，包含内置燃料重组器与1号方柱型不锈钢容器。加上3号与4号方柱型不锈钢容器，尺寸估计为5.5 x 5.5 x15 cm3，预估单组电堆体积约450 cm3；1 kW电堆约8200 cm3 (约8.2公升)。由上述估算，可以观察到将SOFC微型化后，在相同运作效能的条件下，能将系统整体体积降低。
尽管已经对上述各实施例进行了描述，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改，所以以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围之内。

Claims (9)

1.一种纽扣型燃料电池集成燃料重组器之SOFC电池堆，其特征在于，包括一号中空方柱型结构体、二号中空方柱型结构体、三号中空方柱型结构体、四号中空方柱型结构体和五号中空方柱型结构体，所述四号中空方柱型结构体安装在五号中空方柱型结构体内部且其外表面与五号中空方柱型结构体的内表面有一定间距；所述三号中空方柱型结构体安装在四号中空方柱型结构体内部且其外表面与四号中空方柱型结构体的内表面有一定间距；所述二号中空方柱型结构体安装在三号中空方柱型结构体内部且其外表面与三号中空方柱型结构体的内表面有一定间距；所述一号中空方柱型结构体安装在二号中空方柱型结构体内部且其外表面与二号中空方柱型结构体的内表面有一定间距；所述一号中空方柱型结构体用于安装燃料气体重组器，所述燃料气体重组器上内设有燃料气体入口管，燃料气体入口管上端穿出一号到五号中空方柱型结构体，所述一号中空方柱型结构体上还设有阳极电化学反应气体出口；所述三号中空方柱型结构体上镶嵌有微型化SOFC单元电池，所述微型化SOFC单元电池的阳极面朝里、阴极面朝外；所述微型化SOFC单元电池的阳极面通过耐高温金属泡棉与所述二号中空方柱型结构体连接，所述二号中空方柱型结构体与耐高温金属泡棉的连接位置处打有若干个小孔；所述微型化SOFC单元电池的阴极面与所述四号中空方柱型结构体通过耐高温抗氧化金属泡棉连接，所述四号中空方柱型结构体与耐高温抗氧化金属泡棉的连接位置处打有若干个小孔；所述三号中空方柱型结构体上设有燃料尾气出口；所述四号中空方柱型结构体上设有阴极电化学反应气体出口，所述五号中空方柱型结构体上设有阴极电化学反应气体入口；相邻的中空方柱型结构体之间通过绝缘支撑块连接，隔出空间让电化学反应所需气体可以通过；所述三号中空方柱型结构体上镶嵌的各SOFC单元电池之间并联。
2.根据权利要求1所述一种纽扣型燃料电池集成燃料重组器之SOFC电池堆，其特征在于，所述微型化SOFC单元电池为圆形纽扣型。
3.根据权利要求1或2所述一种纽扣型燃料电池集成燃料重组器之SOFC电池堆，其特征在于，所述微型化SOFC单元电池通过其阳极材料单元镶嵌在三号中空方柱型结构体上，且位于三、四号中空方柱型结构体之间的部分阳极材料单元用耐热绝缘气密胶包覆。
4.根据权利要求1或2所述一种纽扣型燃料电池集成燃料重组器之SOFC电池堆，其特征在于，所述一号中空方柱型结构体、二号中空方柱型结构体、三号中空方柱型结构体、四号中空方柱型结构体、五号中空方柱型结构体均为耐热导电抗氧化不锈钢材质。
5.根据权利要求1或2所述一种纽扣型燃料电池集成燃料重组器之SOFC电池堆，其特征在于，所述三号中空方柱型结构体的底部、前后、左右面均镶嵌有微型化SOFC单元电池。
6.根据权利要求1或2所述一种纽扣型燃料电池集成燃料重组器之SOFC电池堆，其特征在于，所述耐高温金属泡棉和耐高温抗氧化金属泡棉采用crofer22材质。
7.根据权利要求1或2所述一种纽扣型燃料电池集成燃料重组器之SOFC电池堆，其特征在于，所述燃料气体入口管下端设在燃料气体重组器的中下部。
8.根据权利要求7所述一种纽扣型燃料电池集成燃料重组器之SOFC电池堆，其特征在于，所述燃料气体入口管下端设在接近燃料气体重组器底部位置。
9.根据权利要求1或2所述一种纽扣型燃料电池集成燃料重组器之SOFC电池堆，其特征在于，所述燃料气体重组器安装于一号中空方柱型结构体的中心轴位置，所述阳极电化学反应气体出口设置在一号中空方柱型结构体上部靠近两侧边位置。
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