CN115295852A - 一种sofc电堆模组及其运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种SOFC电堆模组及其运行方法，包括SOFC电堆、SOFC电堆塔、模组保温层、气体分配板、SOFC电堆绝缘垫圈、压紧板、绝缘垫片、导线、有螺杆、螺母、弹簧、燃料入口管、燃料出口管、空气入口管、空气出口管，SOFC电堆塔呈五边形布置、SOFC系统的热平衡部件放置在五边形内，同层的每个SOFC电堆距离热平衡部件的距离一致，SOFC电堆通过管路从热平衡部件中获取燃料、空气以及尾气时，每个SOFC电堆的燃料、空气进出口压降的均匀一致，从而保障了燃料、气体分布的均匀性，提高了SOFC电堆模组运行过程中温度场的一致性，有助于提高SOFC系统效率、延长了SOFC电堆模组使用寿命，同时整体结构设计紧凑、空间利用率高。

Description

一种SOFC电堆模组及其运行方法

技术领域

本发明涉及燃料电池系统技术领域，具体涉及一种SOFC电堆模组及其运行方法。

背景技术

固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，简称“SOFC”)作为一种高效的能量转化装置，其自身发电效率理论上最高可以达到50％以上，与热汽轮机联用效率可达75％以上。SOFC是所有发电设备中效率最高的一种发电技术，且污染物排放水平低，是一种清洁低碳、安全高效的发电方式。因此被认为是未来最有广阔发展和应用前景的一项新能源发电技术，众多研究者都投身其中。

目前所研发的SOFC单体电池结构中，根据几何形状主要分为管式和平板式两种基本结构，在此基础上又衍生了几种不同形状的电池，例如锥形、扁平管、微管型等结构。管式SOFC目前己在世界上示范运行了多台百千瓦级系统，表现出良好的长期稳定性，而其不足之处在于功率密度低、制备成本高。由于管式SOFC研发制造和维护成本较高，不利于其商业化进展，因此管式SOFC正在向中低温方向发展，以期降低制造成本，提高发电效率。平板式SOFC电池结构和制备工艺相对于管式SOFC较为简单，制造成本较低。电池形状和电池堆的实现形式根据供气方式和连接体设计的不同而多种多样。根据支撑体的种类可以分为蝶形和方形。根据SOFC电堆供气方式大致可以分为内歧管和外歧管式。

固体氧化物燃料电池具有多种不同的结构，其发电规模覆盖几十瓦至百兆瓦，应用场景十分广泛。对于平板式单电池来说，通常一片电池可以产生0.5-1V的电压，为了产生足够高的电压，需要将若干单电池堆叠起来形成串联结构即SOFC电堆。SOFC发电系统的核心是SOFC电堆，SOFC电堆需要具有良好的稳定性和一致性，并且SOFC电堆的功率要尽量高，才能实现大规模大功率的发电系统。目前SOFC单堆功率都比较小，大都在kW级别，为了实现大功率发电系统，需要将多个SOFC电堆集成起来成为一个SOFC电堆模组，需要解决空气和燃料气在多个SOFC电堆之间分配均匀的问题。

SOFC电堆模组在理想状态下运行时，分配到个SOFC电堆、每个电池流道的阴极和阳极气体流量应该是相等的。但是在实际运行的情况下，由于SOFC电堆需要外部配气结构进行配气，而不同的SOFC电堆排布方式及对应的外部配气结构对于SOFC电堆内部气体分配的影响是很大的。如果SOFC电池内部流场分布不均匀，会直接导致电化学反应的不均匀，影响发电效率。而电化学反应的不均匀也会导致温度场的不均匀，如果温差过大，则会影响固体电极及电解质的热应力过大，从而影响寿命。要提高SOFC电池、SOFC电堆的性能与寿命，有必要对SOFC电堆模组的排布方式进行优化，以满足外部配气结构，使得SOFC内部的流场分布尽量均匀。

发明内容

常规的大功率SOFC系统采用的SOFC电堆模组设计以矩阵堆叠为主，配备复杂的气体分配板以实现SOFC电堆模组内各个SOFC电堆气体的均匀分配，SOFC电堆排布相对简单、整齐、空间利用率高，但气体分配板设计复杂、繁重，且材料和加工成本高。为解决SOFC系统SOFC电堆模组气体的均匀分配，延长SOFC电堆模组使用寿命的同时，优化SOFC电堆模组的布置、简化模组设计、降低材料和加工成本等，本发明提供如下技术方案：

本发明的第一目的在于提供一种SOFC电堆模组，包括SOFC电堆、SOFC电堆塔、模组保温层、气体分配板、绝缘垫圈、绝缘垫片、压紧板、导线、螺杆、螺母、弹簧、燃料入口管、燃料出口管、空气入口管、空气出口管；

所述SOFC电堆模组包含五个SOFC电堆塔，五个SOFC电堆塔呈五边形排列，SOFC系统热区的高温热平衡部件放置于SOFC电堆塔围成的五边形区域内；

所述每个SOFC电堆塔由相同层数的SOFC电堆叠加而成，每层SOFC电堆下部有一个气体分配板，每层有两个SOFC电堆，所述两个SOFC电堆中间隔开，避免SOFC电堆之间相互短路，SOFC电堆底板下表面与气体分配板之间有绝缘垫圈，避免同层相邻两个SOFC电堆因为共用气体分配板形成短路，气体分配板下面有绝缘垫片，将气体分配板与其下方SOFC电堆的顶板绝缘，防止下方相邻SOFC电堆发生短路；

所述气体分配板的一侧有燃料入口、燃料出口、空气入口、空气出口，分别与SOFC电堆塔一侧的燃料入口管、燃料出口管、空气入口管、空气出口管相连接，气体分配板上表面有SOFC电堆燃料进料口、SOFC电堆燃料尾气出口、SOFC电堆空气进料口、SOFC电堆空气尾气出口，分别与SOFC电堆底板下表面的SOFC电堆燃料入口、SOFC电堆燃料出口、SOFC电堆空气入口、SOFC电堆空气出口相连，气体分配板内部有特殊流道，可以同时满足气体分配板上两个SOFC电堆的燃料、空气的均匀配气；气体分配板将来自五边形SOFC电堆模组中间区域的热平衡部件的燃料、空气送入SOFC电堆进行反应，然后把SOFC电堆出口的尾气通过管路送回相应的热平衡部件；

进一步的，所述SOFC电堆有顶板和底板，SOFC电堆顶板和SOFC电堆底板侧面分别设置有极耳，用于连接导线导出电流；此外，SOFC电堆底板下表面有SOFC电堆燃料入口、SOFC电堆燃料出口、SOFC电堆空气入口、SOFC电堆空气出口，SOFC电堆底板下表面和气体分配板之间的绝缘垫圈，避免SOFC电堆短路，也起到密封作用，防止气体泄露；

进一步的，SOFC电堆塔上下两端均设置压紧板，压紧板和SOFC电堆之间设置绝缘垫片，SOFC电堆塔上下两端的压紧板用螺杆、螺母和弹簧连接，起到压紧SOFC电堆塔的作用，防止SOFC电堆塔内的SOFC电堆在高温下膨胀泄露；

进一步的，所述每个SOFC电堆的电由导线引出，导线宜采用高温下导电能力较强的金属，以降低导线的电损；同一个SOFC电堆塔内的SOFC电堆的电连接可采用串联模式、不同SOFC电堆塔之间的电连接采用并联模式；

进一步的，所述气体分配板、压紧板、螺杆、螺母、弹簧及气体管路等，所选材质应当为耐高温的金属材料，如有需要应设置保护涂层，以保证SOFC电堆和SOFC电堆模组的使用寿命；

进一步的，所述SOFC电堆模组的SOFC电堆塔数量、SOFC电堆塔内每层SOFC电堆的数量、SOFC电堆塔内沿高度方向堆叠的SOFC电堆数量不做具体的限制；

本发明的目的在于提供上述固体氧化物燃料电池电堆模组运行方法，该方法包括如下内容：根据SOFC电堆模组的总功率、单个SOFC电堆的功率、SOFC系统的寄生功率和实际需求等，确定合适的SOFC电堆数量，并调整SOFC电堆塔的数量、SOFC电堆塔每层SOFC电堆的数量、SOFC电堆塔高度方向堆叠的SOFC电堆数量等，以保证整个SOFC电堆模组对称排列成五边形或其他多边形；SOFC系统热区部件布置在SOFC电堆塔围成的区域内，根据需求可调整该区域大小；SOFC电堆模组所需要的燃料、空气通过气体管路取自SOFC系统热区部件中的高温换热器等，SOFC电堆模组所排放的尾气也通过管路送入SOFC系统热区部件中的高温换热器等；根据选用SOFC电堆的压紧力要求，适当调整弹簧的压紧程度；SOFC电堆模组使用前应经过气密性测试、并完成吹扫，然后按照SOFC电堆手册进行升温、放电、降温等操作。

与现有技术相比，本发明的优点在于：这种SOFC电堆模组中SOFC电堆塔呈五边形布置、SOFC系统的热平衡部件放置在五边形内，同层的每个SOFC电堆距离热平衡部件的距离基本一致，SOFC电堆通过管路从热平衡部件中获取燃料、空气以及排放尾气时，每个SOFC电堆的燃料、空气进出口压降的均匀一致，从而保障了燃料、气体分布的均匀性，提高了SOFC电堆模组运行过程中温度场的一致性，有助于提高SOFC系统效率、延长了SOFC电堆模组使用寿命，另一方面，整体结构设计紧凑、空间利用率高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本SOFC的整体结构示意图；

图2为SOFC电堆塔的结构示意图；

图3为SOFC电堆及配套绝缘垫圈的结构示意图；

图4为气体分配板的结构示意图；

图5为SOFC电堆塔配套的燃料和空气的管路示意图。

图中，1、SOFC电堆塔，2、模组保温层，3、SOFC电堆，4、气体分配板，5、绝缘垫片，6、压紧板，7、导线，8、螺杆，9、螺母，10、弹簧，11、SOFC电堆底板，12、SOFC电堆顶板，13、极耳，14、绝缘垫圈，15、SOFC电堆燃料入口，16、SOFC电堆燃料出口，17、SOFC电堆空气入口，18、SOFC电堆空气出口，19、SOFC电堆燃料进料口，20、SOFC电堆燃料尾气出口，21、SOFC电堆空气进料入口，22、SOFC电堆空气尾气出口，23、燃料入口，24、燃料出口，25、空气入口，26、空气出口，27、燃料入口管,28、燃料出口管,29、空气入口管,30、空气出口管。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。

下面将结合附图来描述本发明的具体实施方式：

如图1所示，一种SOFC电堆模组包括SOFC电堆3、SOFC电堆塔1、模组保温层2、气体分配板4、绝缘垫圈14、绝缘垫片5、压紧板6、导线7、螺杆8、螺母9、弹簧10、燃料入口管27、燃料出口管28、空气入口管29、空气出口管30；

所述SOFC电堆模组包含五个SOFC电堆塔1，五个SOFC电堆塔1呈五边形排列，SOFC系统热区的高温热平衡部件放置于SOFC电堆塔1围成的五边形区域内；

所述每个SOFC电堆塔1由相同层数的SOFC电堆3叠加而成，每层SOFC电堆3下部有一个气体分配板4，每层有两个SOFC电堆3，所述两个SOFC电堆3中间隔开，避免SOFC电堆3之间相互短路，SOFC电堆底板11下表面与气体分配板4之间有绝缘垫圈14，避免同层相邻两个SOFC电堆3因为共用气体分配板4形成短路，气体分配板4下面有绝缘垫片，将气体分配板4与其下方SOFC电堆顶板12绝缘，防止下方相邻SOFC电堆3发生短路；

所述气体分配板4的一侧有燃料入口23、燃料出口24、空气入口25、空气出口26，分别与SOFC电堆塔1一侧的燃料入口管27、燃料出口管28、空气入口管29、空气出口管30相连接，气体分配板4上表面有SOFC电堆燃料进料口19、SOFC电堆燃料尾气出口20、SOFC电堆空气进料口21、SOFC电堆空气尾气出口22，分别与SOFC电堆底板11下表面的SOFC电堆燃料入口15、SOFC电堆燃料出口16、SOFC电堆空气入口17、SOFC电堆空气出口18相连，气体分配板4内部有特殊流道，可以同时满足气体分配板4上两个SOFC电堆3的燃料、空气的均匀配气；气体分配板4将来自五边形SOFC电堆模组中间区域的热平衡部件的燃料、空气送入SOFC电堆3进行反应，然后把SOFC电堆3出口的尾气通过管路送回相应的热平衡部件；

进一步的，所述SOFC电堆有SOFC电堆顶板12和SOFC电堆底板11，其侧面分别设置有极耳13，用于连接导线7导出电流；此外，SOFC电堆底板11下表面有SOFC电堆燃料入口15、SOFC电堆燃料出口16、SOFC电堆空气入口17、SOFC电堆空气出口18，SOFC电堆底板11下表面和气体分配板4之间的绝缘垫圈14，避免SOFC电堆3短路，也起到密封作用，防止气体泄露；

进一步的，SOFC电堆塔1上下两端均设置压紧板6，压紧板6和SOFC电堆3之间设置绝缘垫片5，SOFC电堆塔1上下两端的压紧板6用螺杆8、螺母9和弹簧10连接，起到压紧SOFC电堆塔1的作用，防止SOFC电堆塔1内的SOFC电堆3在高温下膨胀泄露；

进一步的，所述每个SOFC电堆3的电由导线7引出，导线7宜采用高温下导电能力较强的金属，以降低导线7的电损；同一个SOFC电堆塔1内的SOFC电堆3的电连接可采用串联模式、不同SOFC电堆塔1之间的电连接采用并联模式；

进一步的，所述气体分配板4、压紧板6、螺杆8、螺母9、弹簧10及气体管路等，所选材质应当为耐高温的金属材料，如有需要应设置保护涂层，以保证SOFC电堆3和SOFC电堆模组的使用寿命；

进一步的，所述SOFC电堆模组的SOFC电堆塔1数量、SOFC电堆塔1内每层SOFC电堆3的数量、SOFC电堆塔1内沿高度方向堆叠的SOFC电堆3数量不做具体的限制；

本发明的目的在于提供上述SOFC电堆模组运行方法，该方法包括如下内容：根据SOFC电堆模组的总功率、单个SOFC电堆3的功率、SOFC系统的寄生功率和实际需求等，确定合适的SOFC电堆3数量，并调整SOFC电堆塔1的数量、SOFC电堆塔1每层SOFC电堆3的数量、SOFC电堆塔1高度方向堆叠的SOFC电堆数量3等，以保证整个SOFC电堆模组对称排列成五边形或其他多边形；SOFC系统热区部件布置在SOFC电堆塔1围成的区域内，根据需求可调整该区域大小；SOFC电堆模组所需要的燃料、空气通过气体管路取自SOFC系统热区部件中的高温换热器等，SOFC电堆模组所排放的尾气也通过管路送入SOFC系统热区部件中的高温换热器等；根据选用SOFC电堆3的压紧力要求，适当调整弹簧10的压紧程度；SOFC电堆模组使用前应经过气密性测试、并完成吹扫，然后按照SOFC电堆手册进行升温、放电、降温等操作。

以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种SOFC电堆模组，包括SOFC电堆、SOFC电堆塔、模组保温层、气体分配板、绝缘垫圈、绝缘垫片、压紧板、导线、螺杆、螺母、弹簧、燃料入口管、燃料出口管、空气入口管、空气出口管，其特征在于，所述SOFC电堆模组包含五个SOFC电堆塔，五个SOFC电堆塔呈五边形排列，SOFC系统热区的高温热平衡部件放置于SOFC电堆塔围成的五边形区域内。

2.根据权利要求1所述的一种SOFC电堆模组，其特征在于，所述每个SOFC电堆塔由相同层数的SOFC电堆叠加而成，每层SOFC电堆下部有一个气体分配板，每层有两个SOFC电堆，所述两个SOFC电堆中间隔开，SOFC电堆底板下表面与气体分配板之间有绝缘垫圈，气体分配板下面有绝缘垫片。

3.根据权利要求1所述的一种SOFC电堆模组，其特征在于，所述气体分配板的一侧有燃料入口、燃料出口、空气入口、空气出口，分别与SOFC电堆塔一侧的燃料入口管、燃料出口管、空气入口管、空气出口管相连接，气体分配板上表面有SOFC电堆燃料进料口、SOFC电堆燃料尾气出口、SOFC电堆空气进料口、SOFC电堆空气尾气出口，分别与SOFC电堆底板下表面的SOFC电堆燃料入口、SOFC电堆燃料出口、SOFC电堆空气入口、SOFC电堆空气出口相连，气体分配板内部有流体通道，可以同时满足气体分配板上两个SOFC电堆的燃料、空气的均匀配气；气体分配板将来自五边形SOFC电堆模组中间区域的热平衡部件的燃料、空气送入SOFC电堆进行反应，然后把SOFC电堆出口的尾气通过管路送回相应的热平衡部件。

4.根据权利要求1所述的一种SOFC电堆模组，其特征在于，所述SOFC电堆有顶板和底板，SOFC电堆顶板和SOFC电堆底板侧面分别设置有极耳，用于连接导线导出电流；此外，SOFC电堆底板下表面有SOFC电堆燃料入口、SOFC电堆燃料出口、SOFC电堆空气入口、SOFC电堆空气出口，SOFC电堆底板下表面和气体分配板之间的绝缘垫圈。

5.根据权利要求1所述的一种SOFC电堆模组，其特征在于，所述SOFC电堆塔上下两端均设置压紧板，压紧板和SOFC电堆之间设置绝缘垫片，SOFC电堆塔上下两端的压紧板用螺杆、螺母和弹簧连接。

6.根据权利要求1所述的一种SOFC电堆模组，其特征在于，所述每个SOFC电堆的电由导线引出，导线采用高温下导电能力较强的金属；同一个SOFC电堆塔内的SOFC电堆的电连接可采用串联模式、不同SOFC电堆塔之间的电连接采用并联模式。

7.根据权利要求1所述的一种SOFC电堆模组，其特征在于，所述气体分配板、压紧板、螺杆、螺母、弹簧及气体管路的材质应当为耐高温的金属材料。

8.权利要求1-7任一项所述的一种SOFC电堆模组的运行方法，其特征在于，包括如下内容：

(1)根据SOFC电堆模组的总功率、单个SOFC电堆的功率、SOFC系统的寄生功率和实际需求等，确定合适的SOFC电堆数量，并调整SOFC电堆塔的数量、SOFC电堆塔每层SOFC电堆的数量、SOFC电堆塔高度方向堆叠的SOFC电堆数量；

(2)SOFC系统热区部件布置在SOFC电堆塔围成的区域内，根据需求可调整该区域大小；

(3)SOFC电堆模组所需要的燃料、空气通过气体管路取自SOFC系统热区部件中的高温换热器等，SOFC电堆模组所排放的尾气也通过管路送入SOFC系统热区部件中的高温换热器等；

(4)根据选用SOFC电堆的压紧力要求，适当调整弹簧的压紧程度；SOFC电堆模组使用前应经过气密性测试、并完成吹扫，然后按照SOFC电堆手册进行升温、放电、降温操作。

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