CN115036549B - 高功率固体氧化物燃料电池/电解池系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电池领域，尤其是高功率固体氧化物燃料电池/电解池系统。该电池系统包括电堆模块、电池单元、燃料进气管路、燃料排气管路、空气进气管路、空气排气管路，所述电堆模块由四个矩阵排列的电池单元组成，四个电堆模块矩阵排列组成电堆，电堆上连接了燃料进气管路、燃料排气管路、空气进气管路、空气排气管路。该发明通过矩阵对称结构，解决了多堆组合的电堆模块在管道连接过程中的气流均匀、压力平衡与电绝缘可靠性问题，从而实现了小功率单堆进行模块组合的对称扩展，得到了结构紧凑、气流均匀和应力平衡的大功率电池系统。
Description
技术领域
本发明涉及电池领域，尤其是高功率固体氧化物燃料电池/电解池系统。
背景技术
当前煤炭、石油和天然气等化石能源仍然占据主要地位。通过直接燃烧获取电能的传统能源利用方式存在热散失与机械耗能过程，且受到不同能量之间热力学转换效率的限定，存在能源利用率低（~30%）与环境污染等问题，因此，有必要发展一种能够高效清洁利用化石能源的发电技术。固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，SOFC）可以通过电化学反应将化石能源中的化学能直接转换为电能，具有高发电效率（> 60%）与低排放的特点。SOFC的工作温度为650 ~ 800 oC，可以基于H2、CO或碳氢燃料进行发电，极大地拓宽了其燃料来源。SOFC的电化学反应为放热反应，且放电状态也会产生大量的焦耳热，这使得SOFC可以作为一个优质热源用于家庭供热供暖，或与微型叶轮机结合用于二次发电，从而将能量利用率提高至80%以上。SOFC可作为分布式电源供电，在分散的居民小区、偏远的海岛、哨所和山区等电网不能覆盖的地区实现应用，也可作为备用电源，应对突发停电事件。基于氢气、天然气等燃料的SOFC技术可以实现热电联供循环发电，是一种高效率的独立供电系统，这对于避免地震、火灾、暴风雪和雷电等自然灾害对现有电网系统的冲击，提高现代社会供电系统的安全性具有重要意义。SOFC反向运行将形成固体氧化物电解池(SOEC)反应，在外加电压与高温作用下，H2O被电解产生H2与O2，从而实现将电能和热能转化为化学能，现在被认为是未来大规模氢气供应的重要技术路径之一。
SOFC与SOEC具有相同的材料体系、单电池构型和电堆结构。单电池根据几何结构可以分为管式和平板式两种。平板式电池是由阳极、电解质、阴极构成的平板结构，大大缩短了电流传输的路径，减小了电池的内阻，具有更高的能量密度，且电池制备成本较低，但是由于电堆中存在大量的密封界面，使得电堆的高温密封更加困难。单电池的功率非常有限，通常由连接体串联多个单电池组成一定功率大小的电堆，在平板式SOFC/SOEC电堆中，电流流向与电池垂直，流程短且采集均匀。基于电堆的气体流场均匀性、温度与热应力分布、密封界面可靠性，以及制造成本与组装难度等综合考虑，单堆的电池片数一般被限定在50片以内，电堆功率相应为0.5kW至2kW，然后依据不同应用场景进行单堆灵活的模块化组合以满足大、中、小结合的负荷供电和供热，或者产氢的需求。不同于集中发电与长距离供电的固定电站模式，SOFC这种区域性、环境友好且高效的发电技术会正逐渐发展成新兴的供电方式。对于SOEC而言，最大的优势是制氢效率高，能够利用已有的热能显著降低电能消耗，最终达到降低制氢成本的目的。单堆可以通过模块扩展方式组装为更大输出功率的塔堆，但是也存在多个单堆之间流场分布不均匀、温度梯度相差较大、电流场差异化、管道连接引起的热应力耦合等难点。因而，模块化固体氧化物燃料电池/电解池的电堆连接技术变得非常重要。
发明内容
为了克服背景技术中所描述的技术问题，本发明提供了高功率固体氧化物燃料电池/电解池系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种高功率固体氧化物燃料电池/电解池系统，包括电堆模块、电池单元、燃料进气管路、燃料排气管路、空气进气管路、空气排气管路，所述电堆模块由四个矩阵排列的电池单元组成，四个电堆模块矩阵排列组成电堆，电堆上连接了燃料进气管路、燃料排气管路、空气进气管路、空气排气管路。
根据本发明的另一个实施例，进一步包括所述电池单元由堆芯、端盖、侧封盖组成，堆芯上下两端分别安装有端盖，堆芯前后左右四侧分别安装有侧封盖，堆芯前后侧的两个侧封盖分别连接燃料进气管路和燃料排气管路，堆芯左右侧的两个侧封盖分别连接空气进气管路和空气排气管路。
根据本发明的另一个实施例，进一步包括所述堆芯其中一侧的侧封盖上设有气流挡板和燃料进气孔，燃料进气孔与燃料进气管路相连通。
根据本发明的另一个实施例，进一步包括所述气流挡板为U形板体，气流挡板左右两侧的折边上均设有数个依次排列的出气孔。
根据本发明的另一个实施例，进一步包括所述堆芯前后两侧的侧封盖通过螺栓和螺杆连接在一起，堆芯左右两侧的侧封盖通过螺栓和螺杆连接在一起。
根据本发明的另一个实施例，进一步包括所述堆芯上下两端的端盖通过螺栓和螺杆连接在一起。
根据本发明的另一个实施例，进一步包括所述燃料进气管路、燃料排气管路、空气进气管路、空气排气管路均由总管、连接管、支管组成，连接管上设有一个总管和数个支管，数个支管分别与数个电池单元的侧封盖相连。
根据本发明的另一个实施例，进一步包括所述燃料进气管路和燃料排气管路位于电堆模块的下方，空气进气管路和空气排气管路位于电堆模块的上方。
根据本发明的另一个实施例，进一步包括所述燃料进气管路的总管圆心、空气进气管路的总管圆心、电堆中心处于同一直线上。
根据本发明的另一个实施例，进一步包括所述侧封盖内均设有气腔，四个侧封盖的气腔分别连接燃料进气管路、燃料排气管路、空气进气管路、空气排气管路。
本发明的有益效果是，该发明通过矩阵对称结构，解决了多堆组合的电堆模块在管道连接过程中的气流均匀、压力平衡与电绝缘可靠性问题，从而实现了小功率单堆进行模块组合的对称扩展，得到了结构紧凑、气流均匀和应力平衡的大功率电池系统。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的第一视角的结构示意图；
图 2是本发明的第二视角的结构示意图；
图 3是本发明的电池单元的结构示意图；
图中1. 电堆模块，2. 电池单元，3. 燃料进气管路，4. 燃料排气管路，5. 空气进气管路，6. 空气排气管路，21. 堆芯，22. 端盖，23. 侧封盖，24. 气流挡板，25. 出气孔，26. 螺栓，27. 螺杆，31. 总管，32. 连接管，33. 支管。
具体实施方式
图1是本发明的第一视角的结构示意图；图 2是本发明的第二视角的结构示意图；图 3是本发明的电池单元的结构示意图。
结合附图1和附图2所示，一种高功率固体氧化物燃料电池/电解池系统，包括电堆模块1、电池单元2、燃料进气管路3、燃料排气管路4、空气进气管路5、空气排气管路6，所述电堆模块1由四个矩阵排列的电池单元2组成，四个电堆模块1矩阵排列组成电堆，电堆上连接了燃料进气管路3、燃料排气管路4、空气进气管路5、空气排气管路6。
四个电池单元2组成一个2×2的电堆模块1。十六个电池单元2组成一个4×4的电堆。
如附图3所示，电池单元2由堆芯21、端盖22、侧封盖23组成，堆芯21上下两端分别安装有端盖22，堆芯21前后左右四侧分别安装有侧封盖23，堆芯21前后侧的两个侧封盖23分别连接燃料进气管路3和燃料排气管路4，堆芯21左右侧的两个侧封盖23分别连接空气进气管路5和空气排气管路6。
堆芯21其中一侧的侧封盖23上设有气流挡板24和燃料进气孔，燃料进气孔与燃料进气管路3相连通。
气流挡板24为U形板体，气流挡板24左右两侧的折边上均设有数个依次排列的出气孔25。
当燃料气体通过一个侧封盖23的燃料进气孔进入电池单元2内部的时候，会经由气流挡板24上的左右两排出气孔25流出，通过增加气体流动阻力的方式提高气体均匀性。
堆芯21前后两侧的侧封盖23通过螺栓26和螺杆27连接在一起，堆芯21左右两侧的侧封盖23通过螺栓26和螺杆27连接在一起。
堆芯21上下两端的端盖22通过螺栓26和螺杆27连接在一起。
侧封盖23的左右两侧和端盖22的左右两侧均设有用于穿过螺杆27的穿孔，用螺杆穿过相对位置的两个侧封盖23，然后将两个螺栓26分别拧到螺杆27两端，从而就可以将两个相对位置的侧封盖23连接在一起，而两个端盖22也用同样的方式连接在一起。这样就可以将堆芯21固定在前后左右四个侧封盖23，以及上下两个端盖22之间。
燃料进气管路3、燃料排气管路4、空气进气管路5、空气排气管路6均由总管31、连接管32、支管33组成，连接管32上设有一个总管31和数个支管33，数个支管33分别与数个电池单元2的侧封盖23相连。
燃料气体通过燃料进气管路3通入到堆芯21前端的侧封盖23气腔内，再依次流过堆芯21、堆芯21后端的侧封盖23，最后由燃料排气管路4往外排出。
空气通过空气进气管路5通入到堆芯21左端的侧封盖23气腔内，再依次流过堆芯21、堆芯21右端的侧封盖23，最后由空气排气管路6往外排出。
燃料进气管路3和燃料排气管路4位于电堆模块1的下方，空气进气管路5和空气排气管路6位于电堆模块1的上方。
燃料进气管路3的总管31圆心、空气进气管路5的总管31圆心、电堆中心处于同一直线上。一个连接管32上的四个支管33分别与4个电池单元2相连。对称的电堆分布与最短的通气距离能够保证气体输运至每个电池单元2的均匀性，这也有利于降低电堆矩阵的应力集中，且保持热量分布均匀。
由于燃料进气管路3、空气进气管路5的进气口设在4×4电堆矩阵的几何中心位置，而燃料排气管路4、空气排气管路6的出气口对称放置在4×4电堆矩阵的内部。这种对称的结构设计能够最大程度地实现每个电池单元2中的气体均匀性，并降低了电堆在组装与运行过程中的应力集中。这种紧凑型的电堆组设计有助于提高电堆的体积功率密度与温度场均匀性。
侧封盖23内均设有气腔，四个侧封盖23的气腔分别连接燃料进气管路3、燃料排气管路4、空气进气管路5、空气排气管路6。
电流电压引线与电池单元2的顶部端盖22相连，为电堆的正极。与底部端盖22相连则构成负极。2×2电堆模块1通过采用4个电池单元2全部并联、两两串联后再并联、全部串联这三种连接设计，可以在电堆和气体管道结构不变情况下，实现输出电压等级1：2：4的调整，以满足系统应用要求。
Claims (6)
1.一种高功率固体氧化物燃料电池/电解池系统，其特征是，包括电堆模块（1）、电池单元（2）、燃料进气管路（3）、燃料排气管路（4）、空气进气管路（5）、空气排气管路（6），所述电堆模块（1）由四个矩阵排列的电池单元（2）组成，四个电堆模块（1）矩阵排列组成电堆，电堆上连接了燃料进气管路（3）、燃料排气管路（4）、空气进气管路（5）、空气排气管路（6），所述电池单元（2）由堆芯（21）、端盖（22）、侧封盖（23）组成，堆芯（21）上下两端分别安装有端盖（22），堆芯（21）前后左右四侧分别安装有侧封盖（23），堆芯（21）前后侧的两个侧封盖（23）分别连接燃料进气管路（3）和燃料排气管路（4），堆芯（21）左右侧的两个侧封盖（23）分别连接空气进气管路（5）和空气排气管路（6），所述堆芯（21）其中一侧的侧封盖（23）上设有气流挡板（24）和燃料进气孔，燃料进气孔与燃料进气管路（3）相连通，所述气流挡板（24）为U形板体，气流挡板（24）左右两侧的折边上均设有数个依次排列的出气孔（25），所述侧封盖（23）内均设有气腔，四个侧封盖（23）的气腔分别连接燃料进气管路（3）、燃料排气管路（4）、空气进气管路（5）、空气排气管路（6）。
2.根据权利要求1所述的高功率固体氧化物燃料电池/电解池系统，其特征是，所述堆芯（21）前后两侧的侧封盖（23）通过螺栓（26）和螺杆（27）连接在一起，堆芯（21）左右两侧的侧封盖（23）通过螺栓（26）和螺杆（27）连接在一起。
3.根据权利要求1所述的高功率固体氧化物燃料电池/电解池系统，其特征是，所述堆芯（21）上下两端的端盖（22）通过螺栓（26）和螺杆（27）连接在一起。
4.根据权利要求1所述的高功率固体氧化物燃料电池/电解池系统，其特征是，所述燃料进气管路（3）、燃料排气管路（4）、空气进气管路（5）、空气排气管路（6）均由总管（31）、连接管（32）、支管（33）组成，连接管（32）上设有一个总管（31）和数个支管（33），数个支管（33）分别与数个电池单元（2）的侧封盖（23）相连。
5.根据权利要求1所述的高功率固体氧化物燃料电池/电解池系统，其特征是，所述燃料进气管路（3）和燃料排气管路（4）位于电堆模块（1）的下方，空气进气管路（5）和空气排气管路（6）位于电堆模块（1）的上方。
6.根据权利要求4所述的高功率固体氧化物燃料电池/电解池系统，其特征是，所述燃料进气管路（3）的总管（31）圆心、空气进气管路（5）的总管（31）圆心、电堆中心处于同一直线上。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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