CN115332559B - 一种高效单流道燃料电池堆 - Google Patents

Abstract

本发明涉及固体氧化物燃料电池技术领域，具体涉及一种高效单流道燃料电池堆，第一阳极流道和第二阳极流道呈交错分布，且第一阳极流道和第二阳极流道中气体流动方向相反；第一阴极流道和第二阴极流道呈交错分布，且第一阴极流道和第二阴极流道中气体流动方向相反；相邻的阳极流道中气体流动方向与阴极流道中气体流动方向相反。本方案采用了单流道对流模式，即相邻的两个流道中的气体的流动方向是相反的，这就使得电池的两侧间隔分布有多个进气口和出气口，并且相邻的燃料流道和空气流道中气体的流向也是相反的，可以最大限度地减小电堆内部的温差，提高电堆的一致性和性能，减少热应力，从而提高电堆寿命。

Description

一种高效单流道燃料电池堆

技术领域

本发明涉及固体氧化物燃料电池技术领域，具体涉及一种高效单流道燃料电池堆。

背景技术

固体氧化物燃料电池（S0FC）具有燃料适应性广、能量转化率高、全固态、模块化组装、零污染等优点，可以直接使用氢气、一氧化碳、天然气、液化气、煤气及生物质能等多种碳氢燃料。在大型集中供电、中型分电和小型家用热电联供等民用领域作为固定电站，以及作为船舶动力电源、交通车辆动力电源等移动电源，都有广阔的应用前景。

SOFC单体主要组成部分由电解质、阳极、阴极和连接体组成，其中阳极通入燃料，阴极通入空气，两极气体在催化剂和电解质的作用下发生电化学反应放电，同时也放出大量的热，未参与反应的气体和生成的气体将热量从电堆中带出，现有的电堆中，阳极处的多个燃料流道方向相同，而阴极处的多个空气流道方向也是相同的，从而使电堆出口温度大于进口温度，电堆位于出气口附近的温度高于进气口的温度，而不同的温度会造成不同的反应速率，使电堆一致性和性能变差。当温差过大时电堆内部各组成部件会产生热应力，破坏电堆密封材料结构，严重时甚至会发生电堆内的气体泄漏，引起燃烧、爆炸、中毒等危险。

发明内容

针对现有技术所存在的上述缺点，本发明提供了一种高效单流道燃料电池堆，能够有效解决现有技术电堆出口温度大于进口温度，不同的温度会造成不同的反应速率，使电堆一致性和性能变差的问题。

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

本发明提供一种高效单流道燃料电池堆，包括电池本体，所述电池本体包括阳极板、阴极板和电解质，还包括第一连接板，位于阳极板一侧，所述第一连接板靠近阳极板一侧开设有阳极流道，所述阳极流道包括第一阳极流道和第二阳极流道，且第一阳极流道和第二阳极流道呈交错分布，所述第一阳极流道和第二阳极流道中通入燃料，且第一阳极流道和第二阳极流道中气体流动方向相反；第二连接板，位于阴极板一侧，所述第二连接板靠近阴极板一侧开设有阴极流道，所述阴极流道包括第一阴极流道和第二阴极流道，且第一阴极流道和第二阴极流道呈交错分布，所述第一阴极流道和第二阴极流道中通入空气，且第一阴极流道和第二阴极流道中气体流动方向相反；相邻的所述阳极流道中气体流动方向与阴极流道中气体流动方向相反。

进一步地，所述阳极流道均呈梯形状，且阳极流道的进气口尺寸大于出气口尺寸，所述阴极流道均呈梯形状，且阴极流道的进气口尺寸大于出气口尺寸。

进一步地，每个所述阳极流道和阴极流道靠近进气口的内壁上均固定安装有多个阻流板，且阻流板呈交错分布。

进一步地，所述阻流板采用铁素体不锈钢制备。

进一步地，所述阳极流道和阴极流道中的内壁上均开设有平衡流道，所述平衡流道的进气口位于靠近阳极流道或者阴极流道的进气口一侧，所述平衡流道的出气口位于靠近阳极流道或者阴极流道的出气口一侧。

进一步地，所述平衡流道的进气口尺寸大于出气口的尺寸。

进一步地，所述平衡流道的进气口处的内壁上开设有收纳槽，所述收纳槽中滑动安装有挡板，靠近所述平衡流道的进气口处设有第一空腔，靠近所述平衡流道的出气口处设有第二空腔，所述第一空腔和第二空腔之间连接有连接孔，所述第一空腔中设有活塞，所述活塞靠近平衡流道进气口一侧设有连接杆，所述连接杆活动贯穿第一空腔并延伸至平衡流道中，所述连接杆一端固定安装在挡板上，所述连接杆上套设有复位弹簧。

进一步地，所述挡板采用二氧化硅或氧化铝制备。

本发明提供的技术方案，与已知的公有技术相比，具有如下有益效果：

相比于现有技术，本方案采用了单流道对流模式，即相邻的两个流道中的气体的流动方向是相反的，这就使得电池的两侧间隔分布有多个进气口和出气口，并且相邻的燃料流道和空气流道中气体的流向也是相反的，可以最大限度地减小电堆内部的温差，提高电堆的一致性和性能，减少热应力，从而提高电堆寿命。

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为本发明的整体示意图；

图2为本发明中第二连接板的结构示意图；

图3为本发明的正视图；

图4为本发明中第二连接板的气体流向图；

图5为本发明中第一连接板的侧面剖视图；

图6为图5中A部分结构的放大图。

图中的标号分别代表：1、阳极板；2、阴极板；3、电解质；4、第一连接板；5、第二连接板；6、第一阳极流道；7、第二阳极流道；8、第一阴极流道；9、第二阴极流道；10、阻流板；11、平衡流道；12、第一空腔；13、第二空腔；14、连接孔；15、活塞；16、连接杆；17、复位弹簧；18、挡板；19、收纳槽。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例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作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合实施例对本发明作进一步的描述。

实施例：一种高效单流道燃料电池堆，包括电池本体，电池本体包括阳极板1、阴极板2和电解质3，其中阳极通入燃料，阴极通入空气，两极气体在催化剂和电解质3的作用下发生电化学反应放电，同时也放出大量的热，未参与反应的气体和生成的气体将热量从电堆中带出，现有的电堆中，阳极处的多个燃料流道方向相同，而阴极处的多个空气流道方向也是相同的，从而使电堆出口温度大于进口温度，电堆位于出气口附近的温度高于进气口的温度，而不同的温度会造成不同的反应速率，使电堆一致性和性能变差，针对上述问题，本方案采用了单流道对流模式，可以最大限度地减小电堆内部的温差，提高电堆的一致性和性能，减少热应力，从而提高电堆寿命，具体的方案如下：

参考图1-图4：第一连接板4，位于阳极板1一侧，第一连接板4靠近阳极板1一侧开设有阳极流道，阳极流道包括第一阳极流道6和第二阳极流道7，且第一阳极流道6和第二阳极流道7呈交错分布（如图1所示），第一阳极流道6和第二阳极流道7中通入燃料，且第一阳极流道6和第二阳极流道7中气体流动方向相反；第二连接板5，位于阴极板2一侧，第二连接板5靠近阴极板2一侧开设有阴极流道，阴极流道包括第一阴极流道8和第二阴极流道9，且第一阴极流道8和第二阴极流道9呈交错分布（如图1所示），第一阴极流道8和第二阴极流道9中通入空气，且第一阴极流道8和第二阴极流道9中气体流动方向相反（如图4所示）；上述的第一连接板4和第二连接板5材质和尺寸均相同，采用铁素体不锈钢（Fe-Cr合金）制备，并且相邻的阳极流道中气体流动方向与阴极流道中气体流动方向相反。

上述的第一阳极流道6和第二阳极流道7中的气体的流向是相反的，并且第一阳极流道6和第二阳极流道7采用间隔式分布，以此类推第一阴极流道8和第二阴极流道9采用相同的方式分布，这就使得第一连接板4和第二连接板5的两侧间隔分布着多个进气口和出气口，使得电堆的两侧温度差大大减小，值得注意的是，为了进一步降低温度差，可以将阴极流道和阳极流道的总数均设置成偶数，这样的目的是第一连接板4和第二连接板5单侧的出气口和进气口数量是相同的（以第一连接板4为例，阳极流道的数量为偶数时，则第一阳极流道6和第二阳极流道7的数量是相等的，使得第一连接板4单侧的进气口和出气口数量是相同的，即单侧的高温区和低温区的数量是相同的，不会多出高温区，从而使得热平衡效果更佳，提高了电池的一致性和性能），上述的进气口和出气口之间的距离较近，二者之间可以进行热传导，从而进一步提高了热平衡的效果，进一步提高了电池的一致性和性能。

参考图2和图4：阳极流道均呈梯形状，且阳极流道的进气口尺寸大于出气口尺寸，阴极流道均呈梯形状，且阴极流道的进气口尺寸大于出气口尺寸，每个阳极流道和阴极流道靠近进气口的内壁上均固定安装有多个阻流板10，阻流板10采用铁素体不锈钢制备（采用该材料是为了与连接板的材料一致，方便生产），且阻流板10呈交错分布。

为了进一步平衡进气口和出气口之间的温度，本方案将阳极流道和阴极流道设置成梯形状（如图2中所示），其中进气口的尺寸大于出气口的尺寸，这就使得进气口到中部位置之间气体的流速相对较慢，而中部位置到出气口之间气体的流速相对较快，使得燃料与空气的反应效率靠近进气口处相对较高，燃料与空气的反应时会放出的大量热，通过上述的梯形流道结构使得该反应位置往进气口方向靠近（现有技术中反应更加靠近出气口处），以此来进一步降低进气口和出气口之间的温度差，进一步提高了电池的一致性和性能，为了进一步提高上述的效果，在靠近进气口处设置了阻流板10，以此来进一步降低燃料的在进气口处的流速，从而提高燃料在进气口到流道中部位置的停留时间，使反应位置进一步往进气口方向靠近，再次降低了进气口和出气口之间的温度差。

参考图5-图6：阳极流道和阴极流道中的内壁上均开设有平衡流道11，平衡流道11的进气口位于靠近阳极流道或者阴极流道的进气口一侧，平衡流道11的出气口位于靠近阳极流道或者阴极流道的出气口一侧，平衡流道11的进气口尺寸大于出气口的尺寸，平衡流道11的进气口处的内壁上开设有收纳槽19，收纳槽19中滑动安装有挡板18，挡板18采用二氧化硅或氧化铝制备（该两种采用具有耐热性的同时还具有良好的导电性，防止电量的流失，并且该两种材料成本较低），靠近平衡流道11的进气口处设有第一空腔12，靠近平衡流道11的出气口处设有第二空腔13，第一空腔12和第二空腔13之间连接有连接孔14，第一空腔12中设有活塞15，活塞15靠近平衡流道11进气口一侧设有连接杆16，连接杆16活动贯穿第一空腔12并延伸至平衡流道11中，连接杆16一端固定安装在挡板18上，连接杆16上套设有复位弹簧17。

为了进一步平衡进气口和出气口之间的温度，在各流道（阳极流道和阴极流道）中开设了平衡流道11（如图5），并且平衡流道11的进气口位于阴极或阳极流道的进气口处，平衡流道11的出气口位于阴极或阳极流道的出气口处，（进气口的气体温度低于出气口温度）这样是为了将温度较低的气体引到温度较高的出气口处，从而提高热平衡效果。为了进一步提高上述的热平衡措施，平衡流道11进气口的尺寸是大于平衡流道11出气口的尺寸的，这样就使得平衡流道11的出气口出的气体流速较快，增加其对阴极或阳极流道出气口的降温效果。

为了使上述的降温效果更加的灵活，本方案在靠近平衡流道11进气口处设置了第一空腔12，在靠近平衡流道11出气口处设置了第二空腔13（即第一空腔12靠近阴极或阳极流道的进气口，而第二空腔13靠近阴极或阳极流道的出气口），在阴极或阳极流道的进气口温度小于出气口温度时，第一空腔12中的气压时小于第二空腔13中的气压的，通过连接孔14的气压传递作用，第二空腔13的气压传递到第一空腔12中的活塞15上，活塞15带动连接杆16往平衡流道11的进气口方向移动，将设置在平衡流道11处的挡板18推开，使得低温气体可以通过平衡流道11对阴极或阳极流道的出气口降温。值得注意的是，根据温差的不同，活塞15被压动的距离也是不一样的，使得降温的效果更加的灵活，同时设置了复位弹簧17来帮助活塞15进行复位。

以上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，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不会使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的保护范围。

Claims (6)

1.一种高效单流道燃料电池堆，包括电池本体，所述电池本体包括阳极板（1）、阴极板（2）和电解质（3），其特征在于，还包括：

第一连接板（4），位于阳极板（1）一侧，所述第一连接板（4）靠近阳极板（1）一侧开设有阳极流道，所述阳极流道包括第一阳极流道（6）和第二阳极流道（7），且第一阳极流道（6）和第二阳极流道（7）呈交错分布，所述第一阳极流道（6）和第二阳极流道（7）中通入燃料，且第一阳极流道（6）和第二阳极流道（7）中气体流动方向相反；

第二连接板（5），位于阴极板（2）一侧，所述第二连接板（5）靠近阴极板（2）一侧开设有阴极流道，所述阴极流道包括第一阴极流道（8）和第二阴极流道（9），且第一阴极流道（8）和第二阴极流道（9）呈交错分布，所述第一阴极流道（8）和第二阴极流道（9）中通入空气，且第一阴极流道（8）和第二阴极流道（9）中气体流动方向相反；

其中，相邻的所述阳极流道中气体流动方向与阴极流道中气体流动方向相反;

所述阳极流道和阴极流道中的内壁上均开设有平衡流道（11），所述平衡流道（11）的进气口位于靠近阳极流道或者阴极流道的进气口一侧，所述平衡流道（11）的出气口位于靠近阳极流道或者阴极流道的出气口一侧,所述平衡流道（11）的进气口处的内壁上开设有收纳槽（19），所述收纳槽（19）中滑动安装有挡板（18），靠近所述平衡流道（11）的进气口处设有第一空腔（12），靠近所述平衡流道（11）的出气口处设有第二空腔（13），所述第一空腔（12）和第二空腔（13）之间连接有连接孔（14），所述第一空腔（12）中设有活塞（15），所述活塞（15）靠近平衡流道（11）进气口一侧设有连接杆（16），所述连接杆（16）活动贯穿第一空腔（12）并延伸至平衡流道（11）中，所述连接杆（16）一端固定安装在挡板（18）上，所述连接杆（16）上套设有复位弹簧（17）。

2.根据权利要求1所述的一种高效单流道燃料电池堆，其特征在于，所述阳极流道均呈梯形状，且阳极流道的进气口尺寸大于出气口尺寸，所述阴极流道均呈梯形状，且阴极流道的进气口尺寸大于出气口尺寸。

3.根据权利要求1所述的一种高效单流道燃料电池堆，其特征在于，每个所述阳极流道和阴极流道靠近进气口的内壁上均固定安装有多个阻流板（10），且阻流板（10）呈交错分布。

4.根据权利要求3所述的一种高效单流道燃料电池堆，其特征在于，所述阻流板（10）采用铁素体不锈钢制备。

5.根据权利要求1所述的一种高效单流道燃料电池堆，其特征在于，所述平衡流道（11）的进气口尺寸大于出气口的尺寸。

6.根据权利要求1所述的一种高效单流道燃料电池堆，其特征在于，所述挡板（18）采用二氧化硅或氧化铝制备。

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