CN113540485B - 耐高温固体氧化物燃料电池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种耐高温固体氧化物燃料电池，包括外壳体、内壳体、若干个电池管和具有燃气入口的顶盖，电池管固定盘与通气管固定盘之间形成一阳极排气空腔，电池管的开口端位于阳极排气空腔内，一阳极排气管依次嵌入顶盖、通气管固定盘各自的阳极排气口，从而与阳极排气空腔连通；通气管外表面印刷有至少一条阳极导电条，每个阳极导电条上间隔地焊接有若干个泡沫镍块，此阳极导电条位于泡沫镍块周边外露的区域覆盖有一保护层，通气管嵌入电池管内并通过位于其外表面的泡沫镍块与电池管过盈配合接触。本发明各气流相互分离，无气流交叉，减少了高温工作部位密封结构数量，且能使电池的比能量密度高，也避免了电池内部短路，提高了电池的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，尤其涉及一种耐高温固体氧化物燃料电池。
背景技术
固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，简称SOFC）属于第三代燃料电池，是一种在中高温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地转化成电能的全固态化学发电装置。
SOFC具有高的功率密度，相同体积/重量下具有更大的能量输出；无噪音且零污染，SOFC工作时只发生化学反应，无机械运动结构，且主要排放物为水；可模块化，可以将若干个单电池以串联、并联等组装成电池组以适应不同场景应用需求；可用燃料种类多且易获取，可直接使用氢气、烃类（甲烷）、甲醇等作燃料，而不必使用贵金属作催化剂；全固态结构，无污染物泄露风险。
一方面，专利公开号为CN 106887617 A和CN 106816618 A的专利分别公布了两种燃料电池，所用电池管均为两端开口型，使得高温工作部分所需密封多，而电池启动停止时需要升降温，密封处循环升降温易发生密封不良，电池整体的密封难度加大，且直通式的结构对尾气中能量回收不足，使得电池的热效率相对较低。
另一方面，现有燃料电池集电装置存在较多技术问题，例如：申请号2013100472563的专利采用了一种在进气管与阳极支撑管间填充镍毯的方式进行阳极集电，由于覆盖面积大，该方式极大降低了阳极的有效反应面积，使得电池的比能量密度大大下降；
申请号2005101014873的专利用椎管式的电池管的小开口端外缘阴极与另一单体的大开口端内缘阳极通过连接与封装材料密封，电池阴极材料导电性相对较差，且电池阴极阳极连接端口高温气密难度高，密封不佳易引起电池内部短路现象；
申请号2017107674600的专利公布了一种在电池管上刻槽的方式进行阳极集电，该方式破坏了电池管表面结构，会降低电池管机械性能，且陶瓷材料硬度较高，刻槽困难。如何克服上述技术问题，成为本领域技术人员的努力的方向。
发明内容
本发明的目的是提供一种耐高温固体氧化物燃料电池，该耐高温固体氧化物燃料电池各气流相互分离，无气流交叉，既减少了高温工作部位密封结构数量，降低了漏气风险，且阳极/阴极采用进出气流反向流动，既有利于提高反应接触时间，发电效率高，充分利用了阳极尾气中能量，对反应气体在反应前逐步预热，避免了冷热冲击，使得电池的热效率和使用寿命高，且能使电池的比能量密度高，也避免了电池内部短路，提高了电池的可靠性。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种耐高温固体氧化物燃料电池，包括外壳体、内壳体、若干个电池管和具有燃气入口的顶盖，所述外壳体的底部开有若干个阴极排气口，所述顶盖安装于外壳体的顶部，所述电池管一端为密封端，另一端为开口端，若干个所述电池管分别嵌入一电池管固定盘对应的第一通孔中，所述内壳体与位于内壳体顶部的电池管固定盘之间形成内腔，若干个所述电池管的密封端位于内壳体内，若干个两端开口的通气管一端分别嵌入电池管的底部，若干个所述通气管另一端分别嵌入一通气管固定盘对应的第二通孔中；
所述电池管固定盘与通气管固定盘之间形成一阳极排气空腔，所述电池管的开口端位于阳极排气空腔内，一阳极排气管依次嵌入顶盖、通气管固定盘各自的阳极排气口，从而与阳极排气空腔连通；
所述内壳体靠近电池管固定盘的顶部开有阴极内壳排气口，所述内壳体下部开有一阴极内壳进气口，且阴极内壳进气口位于电池管下方；
若干个阴极进气管位于由外壳体、内壳体和电池管固定盘构成的外腔内，此阴极进气管的下端与位于内壳体下部的阴极内壳进气口连接，所述阴极进气管的上端与外壳体的阴极进气口连接，所述外壳体的阴极进气口的高度高于内壳体的阴极内壳进气口的高度；
一点火管依次贯穿外壳体、内壳体与内腔连通，所述外壳体的阴极排气口处均安装有一风机；
所述通气管外表面印刷有至少一条阳极导电条，每个阳极导电条上间隔地焊接有若干个泡沫镍块，此阳极导电条位于泡沫镍块周边外露的区域覆盖有一保护层，所述通气管嵌入电池管内并通过位于其外表面的泡沫镍块与电池管过盈配合接触；
所述电池管外表面沿轴向印刷有至少一条阴极导电条，一螺旋阴极导电线缠绕于电池管外表面，所述阴极导电条位于螺旋阴极导电线和电池管外表面之间；所述电池管的阴极导电条通过一集流带与相邻的电池管内通气管的阳极导电条电连接。
上述技术方案中进一步改进的方案如下：
1. 上述方案中，所述阴极内壳排气口为位于内壳体顶面的缺口槽。
2. 上述方案中，所述通气管的阳极导电条数目为4根，沿通气管周向等间隔分布。
3. 上述方案中，所述集流带一端与位于电池管顶部的阴极导电条区域电连接，所述集流带另一端与位于通气管顶部的阳极导电条区域电连接。
4. 上述方案中，所述保护层为玻璃或者陶瓷或者玻璃、陶瓷和金属的混合物。
5. 上述方案中，所述若干个阴极进气管沿内壳体的周向等间隔设置。
6. 上述方案中，所述外壳体的阴极排气口和风机数目均为4个且等间隔分布。
7. 上述方案中，所述阴极进气管的下端与内壳体的侧表面下部连接。
8. 上述方案中，所述外壳体、内壳体均为圆形。
9. 上述方案中，所述若干个所述电池管呈圆形阵列排布。
由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
1、本发明耐高温固体氧化物燃料电池，其电池管一端为密封端，另一端为开口端，若干个所述电池管分别嵌入一电池管固定盘，若干个两端开口的通气管一端分别嵌入电池管的底部，采用了单头封闭式电池管加通气管的结构和单头进出气的方式，既减少了高温工作部位密封结构数量，降低了漏气风险，且阳极进出气体反向流动，既有利于提高反应接触时间，发电效率高，也对通气管内的气体在反应前逐步预热，避免了冷热冲击，使得电池的热效率和使用寿命高；进一步，其电池管固定盘与通气管固定盘之间形成一阳极排气空腔，所述电池管的开口端位于阳极排气空腔内，一阳极排气管依次嵌入顶盖、通气管固定盘各自的阳极排气口，从而与阳极排气空腔连通，有利于充分利用阳极尾气能量均匀地给进气管预热；再进一步，其若干个所述电池管的密封端位于内壳体内，所述内壳体靠近电池管固定盘的顶部开有阴极内壳排气口，所述内壳体下部开有一阴极内壳进气口，且阴极内壳进气口位于电池管下方，阴极采用进出气流反向，既有利于提高反应接触时间，发电效率高，增加了发电效率。
2、本发明耐高温固体氧化物燃料电池，其通气管外表面印刷有至少一条阳极导电条，每个阳极导电条上间隔地焊接有若干个泡沫镍块，此阳极导电条位于泡沫镍块周边外露的区域覆盖有一保护层，所述通气管嵌入电池管内并通过位于其外表面的泡沫镍块与电池管过盈配合接触；所述电池管外表面沿轴向印刷有至少一条阴极导电条，一螺旋阴极导电线缠绕于电池管外表面，所述阴极导电条位于螺旋阴极导电线和电池管外表面之间；所述电池管的阴极导电条通过一集流带与相邻的电池管内通气管的阳极导电条电连接，集电无需破坏通气管和电池管，不影响气密性和机械性能，集电点与电池接触面积小，无需对通气管进行机加工，使得电池的比能量密度高，也避免了电池内部短路，提高了电池的可靠性。
3、本发明耐高温固体氧化物燃料电池，其若干个阴极进气管位于由外壳体、内壳体和电池管固定盘构成的外腔内，所述阴极进气管的上端与外壳体的阴极进气口连接，所述内壳体靠近电池管固定盘的顶部开有阴极内壳排气口，所述外壳体的阴极进气口的高度高于内壳体的阴极内壳进气口的高度，所述外壳体的底部开有若干个阴极排气口，阴极进气管内气流方向与带有热量的外腔内气流方向重叠，有利于来自阴极进入气体的在反应前逐步预热，有效地回收利用阴极尾气中的热量，避免了形成过大温度差对电池温度均匀性、寿命的影响；进一步，其外壳体、内壳体和电池管固定盘构成的外腔，外壳体的阴极排气口处均安装有一风机，并在外壳和内壳组成的外腔内形成负压，将在阴极反应后的气体由阴极内壳排气口抽出，能够通过调节风机排风量大小对电池温度进行控制。
附图说明
附图1为本发明耐高温固体氧化物燃料电池的结构示意图；
附图2为本发明耐高温固体氧化物燃料电池的分解结构示意图；
附图3为本发明耐高温固体氧化物燃料电池的剖面结构示意图；
附图4为本发明耐高温固体氧化物燃料电池的局部结构示意图；
附图5为本发明耐高温固体氧化物燃料电池的局部结构分解示意图一；
附图6为本发明耐高温固体氧化物燃料电池的局部结构分解示意图二。
以上附图中：1、外壳体；101、阴极排气口；102、阴极进气口；2、内壳体；3、电池管；31、密封端；32、开口端；4、顶盖；41、燃气入口；5、电池管固定盘；51、第一通孔；6、内腔；7、通气管；71、开口；8、通气管固定盘；81、第二通孔；9、阳极排气空腔；10、阳极排气管；11、阳极排气口；121、阴极内壳排气口；122、阴极内壳进气口；13、阴极进气管；14、外腔；15、点火管；16、风机；17、阳极导电条；18、泡沫镍块；19、保护层；20、阴极导电条；21、螺旋阴极导电线；22、集流带。
具体实施方式
在本专利的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本专利的具体含义。
实施例1：一种耐高温固体氧化物燃料电池，包括外壳体1、内壳体2、若干个电池管3和具有燃气入口41的顶盖4，所述外壳体1的底部开有若干个阴极排气口101，所述顶盖4安装于外壳体1的顶部，所述电池管3一端为密封端31，另一端为开口端32，若干个所述电池管3分别嵌入一电池管固定盘5对应的第一通孔51中，所述内壳体2与位于内壳体2顶部的电池管固定盘5之间形成内腔6，若干个所述电池管3的密封端31位于内壳体2内，若干个两端开口71的通气管7一端分别嵌入电池管3的底部，若干个所述通气管7另一端分别嵌入一通气管固定盘8对应的第二通孔82中；
所述电池管固定盘5与通气管固定盘8之间形成一阳极排气空腔9，所述电池管3的开口端32位于阳极排气空腔9内，一阳极排气管10依次嵌入顶盖4、通气管固定盘8各自的阳极排气口11，从而与阳极排气空腔9连通；
所述内壳体2靠近电池管固定盘5的顶部开有阴极内壳排气口121，所述内壳体2下部开有一阴极内壳进气口122，且阴极内壳进气口122位于电池管3下方；
若干个阴极进气管13位于由外壳体1、内壳体2和电池管固定盘5构成的外腔14内，此阴极进气管13的下端与位于内壳体2下部的阴极内壳进气口122连接，所述阴极进气管13的上端与外壳体1的阴极进气口102连接，所述外壳体1的阴极进气口102的高度高于内壳体2的阴极内壳进气口122的高度；
一点火管15依次贯穿外壳体1、内壳体2与内腔6连通，所述外壳体1的阴极排气口101处均安装有一风机16；
所述通气管7外表面印刷有至少一条阳极导电条17，每个阳极导电条17上间隔地焊接有若干个泡沫镍块18，此阳极导电条17位于泡沫镍块18周边外露的区域覆盖有一保护层19，所述通气管7嵌入电池管3内并通过位于其外表面的泡沫镍块18与电池管3过盈配合接触；
所述电池管3外表面沿轴向印刷有至少一条阴极导电条20，一螺旋阴极导电线21缠绕于电池管3外表面，所述阴极导电条20位于螺旋阴极导电线21和电池管3外表面之间；所述电池管3的阴极导电条20通过一集流带22与相邻的电池管3内通气管7的阳极导电条17电连接。
上述通气管7的阳极导电条17数目为4根，沿通气管7周向等间隔分布。
上述集流带22一端与位于电池管3顶部的阴极导电条20区域电连接，所述集流带22另一端与位于通气管7顶部的阳极导电条17区域电连接。
上述外壳体1的阴极排气口101和风机16数目均为4个且等间隔分布。
上述外壳体1、内壳体2均为圆形。
上述保护层19为玻璃，上述若干个所述电池管3呈圆形阵列排布。
实施例2：一种耐高温固体氧化物燃料电池，包括外壳体1、内壳体2、若干个电池管3和具有燃气入口41的顶盖4，所述外壳体1的底部开有若干个阴极排气口101，所述顶盖4安装于外壳体1的顶部，所述电池管3一端为密封端31，另一端为开口端32，若干个所述电池管3分别嵌入一电池管固定盘5对应的第一通孔51中，所述内壳体2与位于内壳体2顶部的电池管固定盘5之间形成内腔6，若干个所述电池管3的密封端31位于内壳体2内，若干个两端开口71的通气管7一端分别嵌入电池管3的底部，若干个所述通气管7另一端分别嵌入一通气管固定盘8对应的第二通孔82中；
所述电池管固定盘5与通气管固定盘8之间形成一阳极排气空腔9，所述电池管3的开口端32位于阳极排气空腔9内，一阳极排气管10依次嵌入顶盖4、通气管固定盘8各自的阳极排气口11，从而与阳极排气空腔9连通；
所述内壳体2靠近电池管固定盘5的顶部开有阴极内壳排气口121，所述内壳体2下部开有一阴极内壳进气口122，且阴极内壳进气口122位于电池管3下方；
若干个阴极进气管13位于由外壳体1、内壳体2和电池管固定盘5构成的外腔14内，此阴极进气管13的下端与位于内壳体2下部的阴极内壳进气口122连接，所述阴极进气管13的上端与外壳体1的阴极进气口102连接，所述外壳体1的阴极进气口102的高度高于内壳体2的阴极内壳进气口122的高度；
一点火管15依次贯穿外壳体1、内壳体2与内腔6连通，所述外壳体1的阴极排气口101处均安装有一风机16；
所述通气管7外表面印刷有至少一条阳极导电条17，每个阳极导电条17上间隔地焊接有若干个泡沫镍块18，此阳极导电条17位于泡沫镍块18周边外露的区域覆盖有一保护层19，所述通气管7嵌入电池管3内并通过位于其外表面的泡沫镍块18与电池管3过盈配合接触；
所述电池管3外表面沿轴向印刷有至少一条阴极导电条20，一螺旋阴极导电线21缠绕于电池管3外表面，所述阴极导电条20位于螺旋阴极导电线21和电池管3外表面之间；所述电池管3的阴极导电条20通过一集流带22与相邻的电池管3内通气管7的阳极导电条17电连接。
上述阴极内壳排气口121为位于内壳体2顶面的缺口槽。
上述集流带22一端与位于电池管3顶部的阴极导电条20区域电连接，所述集流带22另一端与位于通气管7顶部的阳极导电条17区域电连接。
上述保护层19为陶瓷，上述若干个阴极进气管13沿内壳体2的周向等间隔设置。
上述阴极进气管13的下端与内壳体2的侧表面下部连接，上述外壳体1、内壳体2均为圆形。
上述燃料电池集电装置的制备方法，如下：
S1. 印刷进气管导流电路：在进气管上用导电浆料印刷出导电电路；
S2. 烧结气管导流电路：将S1经印刷后的进气管放入电炉中将导电浆料烧结，形成高电导电路；
S3. 印刷电路保护层：在进气管电路上印刷一层保护材料，并预留出触点焊接位置不进行印刷，保护材料层能防止导电材料在高温工作时挥发，提高电路寿命；
S4. 烧结气管导流电路：将S3经印刷后的进气管放入电炉中将保护层材料烧结，形成高电导电路保护层；
S5. 焊接触点：将泡沫镍块依次置于S3预留的位置将触点与进气管焊接在一起；
S6. 组装电池：将S5获得的进气管插入电池管中，两者为过盈配合以形成良好的接触。
采用了单头封闭式电池管加通气管的结构和单头进出气的方式，既减少了高温工作部位密封结构数量，降低了漏气风险，且阳极进出气体反向流动，既有利于提高反应接触时间，发电效率高，也对通气管内的气体在反应前逐步预热，避免了冷热冲击，使得电池的热效率和使用寿命高；进一步，有利于充分利用阳极尾气能量均匀地给进气管预热；进一步，其阴极采用进出气流反向，既有利于提高反应接触时间，发电效率高，增加了发电效率；还有，其集电无需破坏通气管和电池管，不影响气密性和机械性能，集电点与电池接触面积小，无需对通气管进行机加工，使得电池的比能量密度高，也避免了电池内部短路，提高了电池的可靠性；还有，阴极进气管内气流方向与带有热量的外腔内气流方向重叠，有利于来自阴极进入气体的在反应前逐步预热，有效地回收利用阴极尾气中的热量，避免了形成过大温度差对电池温度均匀性、寿命的影响；进一步，其能够通过调节风机排风量大小对电池温度进行控制。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种耐高温固体氧化物燃料电池，其特征在于：包括外壳体（1）、内壳体（2）、若干个电池管（3）和具有燃气入口（41）的顶盖（4），所述外壳体（1）的底部开有若干个阴极排气口（101），所述顶盖（4）安装于外壳体（1）的顶部，所述电池管（3）一端为密封端（31），另一端为开口端（32），若干个所述电池管（3）分别嵌入一电池管固定盘（5）对应的第一通孔（51）中，所述内壳体（2）与位于内壳体（2）顶部的电池管固定盘（5）之间形成内腔（6），若干个所述电池管（3）的密封端（31）位于内壳体（2）内，若干个两端开口（71）的通气管（7）一端分别嵌入电池管（3）的底部，若干个所述通气管（7）另一端分别嵌入一通气管固定盘（8）对应的第二通孔（82）中；
所述电池管固定盘（5）与通气管固定盘（8）之间形成一阳极排气空腔（9），所述电池管（3）的开口端（32）位于阳极排气空腔（9）内，一阳极排气管（10）依次嵌入顶盖（4）、通气管固定盘（8）各自的阳极排气口（11），从而与阳极排气空腔（9）连通；
所述内壳体（2）靠近电池管固定盘（5）的顶部开有阴极内壳排气口（121），所述内壳体（2）下部开有一阴极内壳进气口（122），且阴极内壳进气口（122）位于电池管（3）下方；
若干个阴极进气管（13）位于由外壳体（1）、内壳体（2）和电池管固定盘（5）构成的外腔（14）内，此阴极进气管（13）的下端与位于内壳体（2）下部的阴极内壳进气口（122）连接，所述阴极进气管（13）的上端与外壳体（1）的阴极进气口（102）连接，所述外壳体（1）的阴极进气口（102）的高度高于内壳体（2）的阴极内壳进气口（122）的高度；
一点火管（15）依次贯穿外壳体（1）、内壳体（2）与内腔（6）连通，所述外壳体（1）的阴极排气口（101）处均安装有一风机（16）；
所述通气管（7）外表面印刷有至少一条阳极导电条（17），每个阳极导电条（17）上间隔地焊接有若干个泡沫镍块（18），此阳极导电条（17）位于泡沫镍块（18）周边外露的区域覆盖有一保护层（19），所述通气管（7）嵌入电池管（3）内并通过位于其外表面的泡沫镍块（18）与电池管（3）过盈配合接触；
所述电池管（3）外表面沿轴向印刷有至少一条阴极导电条（20），一螺旋阴极导电线（21）缠绕于电池管（3）外表面，所述阴极导电条（20）位于螺旋阴极导电线（21）和电池管（3）外表面之间；所述电池管（3）的阴极导电条（20）通过一集流带（22）与相邻的电池管（3）内通气管（7）的阳极导电条（17）电连接。
2.根据权利要求1所述的耐高温固体氧化物燃料电池，其特征在于：所述阴极内壳排气口（121）为位于内壳体（2）顶面的缺口槽。
3.根据权利要求1所述的耐高温固体氧化物燃料电池，其特征在于：所述通气管（7）的阳极导电条（17）数目为4根，沿通气管（7）周向等间隔分布。
4.根据权利要求1所述的耐高温固体氧化物燃料电池，其特征在于：所述集流带（22）一端与位于电池管（3）顶部的阴极导电条（20）区域电连接，所述集流带（22）另一端与位于通气管（7）顶部的阳极导电条（17）区域电连接。
5.根据权利要求1所述的耐高温固体氧化物燃料电池，其特征在于：所述保护层（19）为玻璃或者陶瓷或者玻璃、陶瓷和金属的混合物。
6.根据权利要求1所述的耐高温固体氧化物燃料电池，其特征在于：所述若干个阴极进气管（13）沿内壳体（2）的周向等间隔设置。
7.根据权利要求1所述的耐高温固体氧化物燃料电池，其特征在于：所述外壳体（1）的阴极排气口（101）和风机（16）数目均为4个且等间隔分布。
8.根据权利要求1所述的耐高温固体氧化物燃料电池，其特征在于：所述阴极进气管（13）的下端与内壳体（2）的侧表面下部连接。
9.根据权利要求1所述的耐高温固体氧化物燃料电池，其特征在于：所述外壳体（1）、内壳体（2）均为圆形。
10.根据权利要求1所述的耐高温固体氧化物燃料电池，其特征在于：所述若干个所述电池管（3）呈圆形阵列排布。
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