CN114361505B - 三流道固体氧化物燃料电池单元结构及电池堆 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种三流道固体氧化物燃料电池单元结构及电池堆，包括单电池，单电池的阳极侧和阴极侧分别设置有阳极接触导电材料和阴极接触导电材料；连接体，连接体设置在两个单电池之间，且连接体的上下两侧分别与阳极接触导电材料和阴极接触导电材料相接触，连接体与阳极接触导电材料接触的一侧留有多个燃料气流道，连接体与阴极接触导电材料接触的一侧留有多个氧化剂气流道，连接体的内部设有一空腔流道作为气体分配流道，空腔流道内设有用于电池前期加热的电加热元件和/或用于裂解重整用的催化剂。本发明通过设置的空腔流道提升了电堆热量传递、高效换热和整体热能利用率，并且在燃料裂解与重整时会提高发电效率。

Description

三流道固体氧化物燃料电池单元结构及电池堆

技术领域

本发明涉及清洁能源燃料电池技术领域，特别涉及一种三流道固体氧化物燃料电池单元结构及电池堆。

背景技术

固体氧化物燃料电池（SOFC）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，它主要工作在相对较高的温度（500℃～800℃），除了传统的氢气，氨气、甲烷、甲醇、乙醇、柴油等碳氢体系燃料均可作为SOFC的燃料，具有灵活的燃料选择性。固体氧化物燃料电池因其高发电效率（50%～70%）、低成本（无需贵重金属）、燃料适应性强、低的温室气体排放量等优点，并且其余热品质高，与燃气轮机或蒸汽机等联供，可实现能量综合利用率达80%～95%，已逐渐成为一种适合商业化的高效发电设备。

固体氧化物燃料电池在工作时温度较高，前期升温需要较大热量，且由于电池受热应力影响防止破裂，升温速率不高，因此存在所耗时间较长的问题；同时，当电池进行发电时，内部由于欧姆阻抗会产生较多热量，这就需要利用大量的气体进行换热；此外，多碳链燃料需要经过外重整转变为氢气、一氧化碳、甲烷等合成气后才能供给电堆发电，存在一定能耗。

针对上述技术问题，现有的解决方案是在固体氧化物燃料电池单元结构中设计燃料气流道和氧化剂气流道两条流道，将大量氧化剂通入电池进行换热升温。然而，由于气体与电池换热并不充分，导致电池达到额定工作温度所耗时间极长，特别不适合某些对冷启动时间有要求的应用场景。同时，当电池发电产热时，单纯的靠大量氧化剂通入电池带走多余热量，随后与电堆未反应完全的燃料气一通进入系统燃烧室进行燃烧后排放，会导致排放中存在较多未利用的氧化剂。这种结构在以空气作为氧化剂，用于固定式或分布式等对冷启动时间要求不高的发电场景时弊端并不明显，但是针对一些空气稀薄、甚至无空气以及冷启动时间要求快的应用场景来说，这种两流道的固体氧化物燃料电池就存在冷启动慢、氧化剂（如氧气）利用不充分等问题。并且，随着氧气浓度的提升，此种利用不充分现象更加严重，导致所需携带的氧化剂量大幅增加，相应的储存罐重量等装置亦进一步增加，从而降低了固体氧化物燃料电池因高发电效率带来的高能量密度的优势。例如授权公告号为CN211125289U的中国实用新型专利“一种固体氧化物燃料电池堆”中就只设有燃料气流通道和空气气流道两条流道，存在如下不足：固体氧化物燃料电池堆的工作温度往往为650℃～750℃，发电过程中电堆内部存在巨大的内阻发热量堆积，为了平衡电堆电化学产生的热量，需要通入大量的空气进行换热升温，然而空气的换热系数低、热响应慢；同时，空气流量的增加亦会导致压损变大与供给风机功耗增加，无法提升电堆冷启动速率以及发电效率。又如公布号为CN110600776A公开的中国发明专利申请“一种内重整固体氧化物燃料电池电堆”，该结构中采用外流腔结构，仅有燃料流腔和空气流腔，存在与上述专利相似的问题。另外，该专利申请的技术方案中将阳极气流分配板上浸渍催化剂来实现天然气与水蒸汽的内部重整，存在以下不足：1）天然气内含有大量甲烷、少量乙烷与丙烷，在电堆650℃～750℃工作温度以及阳极为Ni的条件下，重整反应速率大于电化学反应消耗速率，阳极气流分配板与阳极直接接触，极易导致阳极内部积碳，使电堆失效；2）重整反应在电池阳极侧发生，存在较大的吸热量，导致电池温差影响较大，仅仅靠空气换热，没有辅助加热的情况下，整体热响应速度较慢，电堆热平衡以及快速响应特性较差。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出一种三流道固体氧化物燃料电池单元结构及电池堆，可将固体氧化物燃料电池反应所发的大量热量由空腔流道中流通的换热介质进行高效换热，而不需要大量的氧化剂进入电堆后与燃料气在燃烧室内进行混合燃烧排放，避免了氧化剂利用不充分。同时，可有效增加电池阴极侧氧化剂的氧气浓度，实现固体氧化物燃料电池发电效率的进一步提升，既不影响电堆的整体热量平衡，又不会造成氧化剂的利用不充分。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

一方面，本发明提供一种三流道固体氧化物燃料电池单元结构，包括：

单电池，所述单电池的阳极侧和阴极侧分别设置有阳极接触导电材料和阴极接触导电材料，所述阳极接触导电材料通过阳极密封体固定，所述阴极接触导电材料通过阴极密封体固定；

连接体，所述连接体设置在两个相邻单元结构的两个所述单电池之间，且所述连接体的上下两侧分别与所述阳极接触导电材料和阴极接触导电材料相接触，所述连接体与所述阳极接触导电材料接触的一侧留有多个燃料气流道，所述连接体与所述阴极接触导电材料接触的一侧留有多个氧化剂气流道，所述连接体的内部设有一空腔流道作为气体分配流道，用于换热介质的流通，所述空腔流道内设有用于电池前期加热的电加热元件和/或用于裂解重整用的催化剂。

优选的，所述空腔流道的高度至少为所述连接体厚度的一半。

进一步优选的，所述空腔流道贯通于所述连接体的两侧，且所述空腔流道的内部结构形式为直线形流道或蛇形流道。

进一步优选的，所述空腔流道被均匀分割为多个形状相同的气体分配流道，每个所述气体分配流道中均设有所述电加热元件和/或所述催化剂。

优选的，所述连接体为金属材料结构或金属与陶瓷的复合材料结构，所述金属材料结构为具有催化活性的材料体系，所述陶瓷为具有氧离子导电能力的材料体系。

优选的，所述电加热元件包括耐高温加热片、电热丝、加热板或加热棒。

优选的，所述气体分配流道中流通的换热介质为具有高换热能力的流体，包括空气、氮气、氦气、二氧化碳、氧气、水蒸汽、甲烷或氨气。

优选的，所述单电池的阳极侧且位于所述阳极接触导电材料的外围设置有用于固定的边框体。

进一步优选的，所述单电池包括平板支撑型或扁管型的单电池结构。

另一方面，本发明还提供一种三流道固体氧化物燃料电池堆，所述电池堆包括至少两个模块化的上述技术方案中所述的三流道固体氧化物燃料电池单元结构。

与现有技术相比，本发明的有益效果主要包括：

本发明提供的一种三流道固体氧化物燃料电池单元结构及电池堆，在保留了现有燃料气流道和氧化剂流道两条流道的基础上，创新性地在连接体内部设置空腔流道作为换热介质流通的气体分配流道，以此形成三流道，通过新增加的空腔流道中的换热介质及电加热元件，可有效缩短固体氧化物燃料电池的升温时间，而不再依靠通入大量的氧化剂带走多余热量，解决了氧化剂利用不充分的问题，实现了固体氧化物燃料电池换热的灵活性，适用范围广，尤其对于一些空气稀薄甚至无空气的密闭环境。同时，将氨以及碳氢体系燃料通入空腔流道中可利用电化学反应产生的多余热量实现氨与碳氢燃料的裂解重整制氢，提高了整体燃料的利用率与发电效率。此外，本发明在保证电池热量平衡的条件下，提升了阴极侧氧化剂氧气浓度，实现了电池发电效率的进一步提升，能够充分高效的利用氧化剂资源，发挥固体氧化物燃料电池的超高发电效率，提升固体氧化物燃料电池的能量密度。

附图说明

图1是本发明三流道固体氧化物燃料电池单元结构的总体截面框图；

图2是本发明以氢为燃料时所述连接体的俯视结构框图；

图3是本发明以氨/碳氢体系为燃料时所述连接体的俯视结构框图。

图中所示:

1-单电池，2-阳极接触导电材料，3-阴极接触导电材料，4-阳极密封体，5-阴极密封体，6-连接体，7-燃料气流道，8-氧化剂气流道，9-空腔流道，10-边框体。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明针对现有固体氧化物燃料电池高温运行启动时需要大量热量，达到工作温度后又存在热辐射损耗；同时，在发电时产出的大量多余热量需要靠气体流通带走而在以氨与碳氢为燃料裂解重整制氢时又需要热量的技术问题，提出一种三流道固体氧化物燃料电池单元结构，该单元结构如图1所示（图1中为了说明连接体的作用，画出了两个电池单元结构），包括单电池1、阳极接触导电材料2、阴极接触导电材料3、阳极密封体4、阴极密封体5、连接体6以及边框体10，阳极接触导电材料2设置在单电池1的阳极侧，阴极接触导电材料3设置在单电池1的阴极侧，并且阳极接触导电材料2通过阳极密封体4固定，阴极接触导电材料3通过阴极密封体5固定，边框体10固定在阳极接触导电材料2的外围；连接体6设置在两个相邻电池单元结构的两个单电池1之间，且连接体6的上下两侧分别与阳极接触导电材料2和阴极接触导电材料3相接触，连接体6与阳极接触导电材料2接触的一侧留有多个燃料气流道7，连接体6与阴极接触导电材料3接触的一侧留有多个氧化剂气流道8，尤其关键的是，连接体6的内部设有一空腔流道9作为气体分配流道，并且在空腔流道9的内部通入换热介质和设置电加热元件和/或催化剂，分别用于电化学反应时的高效换热流通、电堆辅助加热升温和氨/碳氢燃料类燃料的裂解重整制氢过程。

上述实施例中，在电池未发电且无燃料供给时，可通过设置在空腔流道9中的电加热元件加热为电池前期的升温提供热量；当电池发生电化学反应释放热量时，关闭电加热元件，多余的热量可通过向空腔流道9中通入换热介质来吸收，如果是以氨以及碳氢体系燃料为燃料，则直接将氨以及碳氢体系燃料通入空腔流道9中，在实现氨吸热裂解制氢、碳氢燃料吸热重整制氢的同时，将电池多余的废热吸收。因此，本实施例无需通入大量的氧化剂进行换热升温，这种独立的换热通道提升了固体氧化物燃料电池的换热灵活性，降低了电池阴极侧氧化剂的反应流量，加大了阴极侧氧化剂的氧气浓度，从而在维持电池热平衡的条件下，实现了固体氧化物燃料电池发电效率的进一步提升。

具体的，为了更好地发挥空腔流道9的作用，空腔流道9的高度需为连接体6厚度的一般及以上，并且空腔流道9贯通连接体6的两侧，其内部结构形状包括但不限于直线形流道或蛇形流道。本实施例中空腔流道9的高度为连接体6厚度的一半，其形状为与燃料气流道7和氧化剂气流道8平行的直线形流道。

在实际实施过程中，空腔流道9可以是一条流道，也可以是被均匀分割为多个形状相同的气体分配流道，并且在每个气体分配流道中均设有所述电加热元件和/或所述催化剂。如果空腔流道9中固定有催化剂，则优选采用分割为多个气体分配流道这种结构形式，因为该结构能够加强气体流动的均匀性。

具体的，当电池开始反应放热时，可利用金属导热性好的特点来吸收反应产生的多余热量。因此，进一步优选的，连接体6为金属材料结构或金属与陶瓷的复合材料结构，所述金属材料结构为具有催化活性的材料体系，比如镍基、铁基及其相关合金基体等材料，所述陶瓷为具有氧离子导电能力的材料体系，例如氧化钇稳定氧化锆、氧化铈稳定氧化钆等。

具体的，本实施例中燃料气流道7和氧化剂气流道8设置在连接体6的同一边，而在其他实施方式中，燃料气流道7和氧化剂气流道8也可不在连接体6的同一边。

具体的，气体分配流道中流通的换热介质为具有高换热能力的流体，包括但不限于空气、氮气、氦气、二氧化碳、氧气、水蒸汽、甲烷或氨气等。

具体的，空腔流道9中所涉及的催化剂的金属部分包括有Ni、Pt、Ru和Pd等，载体为氧化铝和氧化锶等。

可以理解的是，电加热元件为耐高温加热片、电热丝、加热板或加热棒，单电池1包括平板支撑型或扁管型的单电池结构。

另外，由于本实施例中的连接体6结构中增加了空腔流道9，故其阳极密封体4、阴极密封体5和边框体10的结构需要与连接体6的三流道结构相匹配，同时为空腔流道9选择最佳的换热介质通入。

同时，本发明还提供一种三流道固体氧化物燃料电池堆，该电池堆包括有至少两个模块化的上述技术方案中的三流道固体氧化物燃料电池单元结构。

本发明提供的一种三流道固体氧化物燃料电池单元结构及电池堆的工作原理如下：

（1）、当采用氢气为燃料时，布置在连接体6上的燃料气流道7、氧化剂气流道8和空腔流道9的结构形式如图2所示，燃料气流道7的进口、氧化剂气流道8的进口和空腔流道9的进口位于连接体6的一侧，燃料气流道7的出口、氧化剂气流道8的出口和空腔流道9的出口位于连接体6的另一侧，且每个进口和出口互不相通。在使用时，因氢气的热值较高，在电堆内部反应产生的热量较高，如果直接采用加大空气流量的方法，由于空气的换热能力较弱，则会产生较大的辅机功耗；而通过本发明的电池单元结构，氢气从燃料气流道7的进口进入电堆，在未发生电化反应时通过设置在空腔流道9中的电加热元件进行加热可快速升温，当温度升至足够高使得氢气发生电化反应并释放热量时，电加热元件关闭，此时向空腔流道9中通过换热介质来吸收电化反应的多余热量，反应后的燃料气通过连接体6另一侧的燃料气流道7的出口排出，换热介质气体从空腔流道9的出口排出以及空气从氧化剂气流道8的出口排出，独立的换热通道使得电堆反应不再仅仅依靠通过在氧化剂气流道8中通入大量的氧化剂带走多余热量，避免了氧化剂利用不充分的问题，有效降低功耗，适用于针对氧化剂中高氧浓度的发电场景。

（2）、当采用氨气或甲烷等碳氢燃料为燃料时，布置在连接体6上的燃料气流道7、氧化剂气流道8和空腔流道9的结构形式如图3所示，此时，空腔流道9的进口作为燃料气的进口、氧化剂气流道8的进口和燃料气流道7的出口设置在该侧，空腔流道9的出口、燃料气流道7的进口以及氧化剂气流道8的出口设置在连接体6的另一侧，并且空腔流道9的出口与燃料气流道7的进口相通。在使用时，由于氨气需要裂解为氮气与氨气、甲烷需重整为氢气与一氧化碳等合成气，才能供给固体氧化物燃料电池电堆发电，此裂解与重整过程均需在催化剂以及高温条件下进行，因此存在较大的热量消耗。本发明将氨气或甲烷等碳氢燃料（图3中的原始燃料）通入空腔流道9中，同时在空腔流道9中布置用于氨分解的催化剂，将氨裂解与甲烷重整所需的热量利用固体氧化物燃料电池电堆在发电过程中产生的废热进行分解制氢反应，将燃料气流道7与空腔流道9串联连通供给电堆发电，重整燃料气从空腔流道9的出口进入燃料气流道7的进口，最后剩余重整燃料气从燃料气流道7的出口出来，在提高燃料利用率的同时有利于电堆的热量平衡，提高了电堆的发电效率。

此外，因固体氧化物燃料电池电堆在升温过程中，进口温度较高，出口温度较低，为避免进出口温差较大，导致电池损坏，故往往升温速率较慢，这时本发明通过在空腔流道9中设置电加热元件，根据电加热元件的布置范围，在电堆升温的过程中有效地产生热量，提高电堆热量分布均匀性，从而提高电堆的升温速率。

针对某些非空气体系需将氧化剂中的氧气浓度提高的情况，可直接在空腔流道9中增加氧气浓度，既可提升电堆电化学性能，又不会影响电堆整体热量分布，实现独立调控。

通过上述实施例，本发明提供的一种三流道固体氧化物燃料电池单元结构及电池堆，通过在连接体内设置空腔流道9实现电堆的快速升温、高效换热平衡以及原位热量裂解重整制氢，显著提升了固体氧化物燃料电池在船舶、电站等应用领域的启动时间和发电效率等性能。

以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种三流道固体氧化物燃料电池单元结构，其特征在于，包括：

单电池，所述单电池为平板支撑型单电池结构，所述单电池的阳极侧和阴极侧分别设置有阳极接触导电材料和阴极接触导电材料，所述阳极接触导电材料通过阳极密封体固定，所述阴极接触导电材料通过阴极密封体固定；

连接体，所述连接体设置在两个相邻单元结构的两个所述单电池之间，且所述连接体的上下两侧分别与所述阳极接触导电材料和阴极接触导电材料相接触，所述连接体与所述阳极接触导电材料接触的一侧留有多个燃料气流道，所述连接体与所述阴极接触导电材料接触的一侧留有多个氧化剂气流道，所述连接体的内部设有一空腔流道作为气体分配流道，用于换热介质的流通，所述空腔流道内设有用于电池前期加热的电加热元件和用于裂解重整用的催化剂；其中，所述气体分配流道中流通的换热介质为具有高换热能力的流体，包括空气、氮气、氦气、二氧化碳、氧气、水蒸气、甲烷或氨气。

2.根据权利要求1所述的一种三流道固体氧化物燃料电池单元结构，其特征在于，所述空腔流道的高度至少为所述连接体厚度的一半。

3.根据权利要求2所述的一种三流道固体氧化物燃料电池单元结构，其特征在于，所述空腔流道贯通于所述连接体的两侧，且所述空腔流道的内部结构形式为直线形流道或蛇形流道。

4.根据权利要求3所述的一种三流道固体氧化物燃料电池单元结构，其特征在于，所述空腔流道被均匀分割为多个形状相同的气体分配流道，每个所述气体分配流道中均设有所述电加热元件和所述催化剂。

5.根据权利要求1所述的一种三流道固体氧化物燃料电池单元结构，其特征在于，所述连接体为金属材料结构或金属与陶瓷的复合材料结构，所述金属材料结构为具有催化活性的材料体系，所述陶瓷为具有氧离子导电能力的材料体系。

6.根据权利要求1所述的一种三流道固体氧化物燃料电池单元结构，其特征在于，所述电加热元件包括耐高温加热片、电热丝、加热板或加热棒。

7.根据权利要求1所述的一种三流道固体氧化物燃料电池单元结构，其特征在于，所述单电池的阳极侧且位于所述阳极接触导电材料的外围设置有用于固定的边框体。

8.一种三流道固体氧化物燃料电池堆，其特征在于，所述电池堆包括至少两个模块化的如权利要求1～7任一项所述的三流道固体氧化物燃料电池单元结构。

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