CN115458765A - 一种金属空心支撑型固体氧化物燃料电池电堆及发电模块 - Google Patents

一种金属空心支撑型固体氧化物燃料电池电堆及发电模块 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种金属空心支撑型固体氧化物燃料电池电堆及发电模块，燃料电池电堆包括若干层单元件、顶部端板、底部端板及加压件；各层所述单元件均包括金属空心支撑体、阳极多孔材料、电解质材料、阴极多孔材料、阴极接触导电材料及密封材料；所述阳极多孔材料、所述电解质材料、所述阴极多孔材料及所述阴极接触导电材料由下至上依次设置于所述金属空心支撑体的上方。本发明的有益效果是：只需要通过加压件施加一定压力，即可实现电堆组装，涉及组件少、密封材料单一、机械强度高、装配工艺简单，同时，不需要通过气体分布管道连接各个单元件，体积功率密度大；当部分单元件损坏时，可以直接对损坏的单元件进行替换，提高了维修的便利度。

Description

一种金属空心支撑型固体氧化物燃料电池电堆及发电模块
技术领域
本发明涉及固体氧化物燃料电池技术领域，尤其是涉及一种金属空心支撑型固体氧化物燃料电池电堆及发电模块。
背景技术
随着我国“3060碳达峰、碳中和”发展背景，传统化学发电技术存在的效率低、排放大等问题日益明显，新能源高效发电技术得到广大极大发展。固体氧化物燃料电池（SOFC）是一种通过电化学反应将存储在燃料中的化学能直接转换成电能的发电装置，是现有已知化学发电技术中发电效率最高的能源技术，具有燃料适应性广（氢、氨、甲烷、乙烷、丙烷、煤油、柴油、甲醇、乙醇等液体/气体燃料等）、发电效率高（50%～70%）、能量热电利用率高（80%～95%）、振动噪声低（39～70dBA）、净零排放、成本低（不使用贵金属Pt）、寿命长（可达100000h+）、全固态结构、模块灵活组合（kW至MW级）等固有特性，可在不改变我国现有燃料补给供应体系与基础设施前提下，实现我国碳达峰碳中和发展目标。
传统固体氧化物燃料电池常常为电解质支撑型与阳极支撑型。电解质支撑型由于电解质层较厚，欧姆阻抗损耗大，整体发电效率有待提高。阳极支撑型常常以金属镍与电解质的混合物作为支撑体，电解质层为微米级，整体发电效率高，是现阶段主流发展方向。然而阳极支撑型固体氧化物燃料电池由于本质依旧是陶瓷基体，其在高温运行过程中，对温度的均匀性、快速热冲击、振动、倾斜、摇摆等方面的抵抗性较差，导致其在交通领域（如船舶、车辆、飞行器等）的应用非常受限，常常应用在固定式电站等领域。
金属空心支撑型固体氧化物燃料电池以耐高温金属作为支撑体，具有强度高、热传导性快、易焊接密封等特点，在温度均匀性、快速冷启动、抗冲击振动等方面具有显著优势，是下一代固体氧化物燃料电池技术发展重点。
然而传统的金属支撑型固体氧化物燃料电池（如申请号为CN201210418950.7的中国发明专利申请）采用流延、热压、烧结方法制备金属支撑型单电池，尺寸仅有5*5cm，且存在因烧结还原导致的电池翘曲不平等问题，同时，其需要许多气体分布管道来连接各个电堆单元件，空间浪费较大，体积功率密度低；同时，传统金属支撑型固体氧化物燃料电池的电堆在组装过程中，单电池需要在与金属连接体之间添加金属垫片与密封材料实现水平高度匹配，组件繁多，装配工艺流程多，装配效率低下。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种金属空心支撑型固体氧化物燃料电池电堆及发电模块，用以解决现有的金属支撑型固体氧化物燃料电池存在许多气体分布管道连接各个电堆单元件，空间浪费较大，体积功率密度低以及装配效率低下的技术问题。
为了实现上述目的，本发明提供了一种金属空心支撑型固体氧化物燃料电池电堆，包括若干层单元件、顶部端板、底部端板及加压件；
各层所述单元件均包括金属空心支撑体、阳极多孔材料、电解质材料、阴极多孔材料、阴极接触导电材料及密封材料；所述金属空心支撑体内具有空心腔，所述金属空心支撑体的上端面上开设有若干个与所述空心腔连通的扩散孔，所述金属空心支撑体上贯设有与所述空心腔连通的燃气进孔，所述金属空心支撑体上还贯设有空气进孔及废气排孔，所述阳极多孔材料、所述电解质材料、所述阴极多孔材料及所述阴极接触导电材料由下至上依次设置于所述金属空心支撑体的上方，所述阴极多孔材料的一侧与所述空气进孔连通，所述阴极多孔材料的另一侧与所述废气排孔连通，所述密封材料贴合于所述金属空心支撑体的上端面上、并围合于所述金属空心支撑体的周缘；
所述顶部端板贴合于最上层的所述单元件上方；
所述底部端板贴合于最下层的所述单元件下方；
所述加压件用于压紧所述顶部端板及所述底部端板。
在一些实施例中，所述空心腔和/或所述燃气进孔的内壁上固定有用于氨气、甲烷、甲醇、丙烷及液化天然气中的至少一者的重整的催化剂。
在一些实施例中，所述金属空心支撑体的材质为镍基、铁基及钛基中的至少一者。
在一些实施例中，所有所述扩散孔的总面积占所述金属空心支撑体的上端面的面积的15%~35%，各个所述扩散孔的孔径介于5-50μm。
在一些实施例中，所述空心腔的横截面积不小于所述阳极多孔材料的横截面积。
在一些实施例中，所述密封材料为压缩式蛭石密封材料、玻璃基密封材料及氧化铝基密封材料中的至少一者。
在一些实施例中，所述金属空心支撑体内的所述空心腔的数量为多个，所述阳极多孔材料、所述电解质材料、所述阴极多孔材料及所述阴极接触导电材料的数量均与所述空心腔的数量相同并一一对应，各个所述阳极多孔材料、各个所述电解质材料、各个所述阴极多孔材料及各个所述阴极接触导电材料由下至上依次设置于对应的所述金属空心支撑体的上方。
本发明还提供了一种发电模块，包括所述的金属空心支撑型固体氧化物燃料电池电堆。
在一些实施例中，所述的发电模块还包括热工部件，所述热工部件包括壳体、燃烧器、换热器及重整器，所述壳体、所述燃烧器、所述换热器及所述重整器一体成型。
在一些实施例中，所述顶部端板上开设有若干个第一固定孔，所述壳体的底板上开设有若干个与各个所述第一固定孔一一对应的第二固定孔，所述加压件包括固定螺杆、第一固定螺母及第二固定螺母，所述固定螺杆插设于所述第一固定孔及所述第二固定孔，所述第一固定螺母及所述第二固定螺母均螺纹套设于所述固定螺杆上，所述第一固定螺母及所述第二固定螺母分别与所述顶部端板及所述壳体的底板抵接。
与现有技术相比，本发明提出的技术方案的有益效果是：通过对金属空心支撑体的结构进行加工，在其上设置燃气进孔、空气进孔及废气排孔。同时，在金属空心支撑体内部设置供燃料气体进入的空心腔，并在金属空心支撑体上表面打孔，再依次放置阳极多孔材料、电解质材料、阴极多孔材料及阴极接触导电材料，并在金属空心支撑体的上端面的周缘设置密封材料，形成一体化金属空心支撑型固体氧化物燃料电池独立单元件，在装配时，只需要通过加压件施加一定压力，即可实现电堆组装，涉及组件少、密封材料单一、机械强度高、装配工艺简单，规模化生产效率提升，同时，不需要通过气体分布管道连接各个单元件，体积功率密度大；同时，当部分单元件损坏时，可以直接对损坏的单元件进行替换，提高了维修的便利度。
附图说明
图1是本发明提供的金属空心支撑型固体氧化物燃料电池电堆的一实施例的立体结构示意图；
图2是图1中的燃料电池电堆在另一个视角的立体结构示意图；
图3是图2的仰视图；
图4是图3中剖面A-A的剖视图；
图5是图3中的一个单元件的结构示意图；
图6是图5省略部分长度后的结构示意图；
图7是图5中剖面B-B的剖视图；
图8是与图1中的金属空心支撑型固体氧化物燃料电池电堆对应的发电模块的立体结构示意图；
图9是本发明提供的金属空心支撑型固体氧化物燃料电池电堆的另一实施例的结构示意图；
图10是固体氧化物燃料电池发电模块的工作原理示意图；
图中：100-金属空心支撑型固体氧化物燃料电池电堆、110-单元件、111-金属空心支撑体、1111-空心腔、1112-扩散孔、1113-燃气进孔、1114-空气进孔、1115-废气排孔、112-阳极多孔材料、113-电解质材料、114-阴极多孔材料、115-阴极接触导电材料、116-密封材料、120-顶部端板、121-第一固定孔、130-底部端板、131-底板、140-加压件、141-固定螺杆、142-第一固定螺母、143-第二固定螺母、200-壳体。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
请参照图1-图7，本发明提供了一种金属空心支撑型固体氧化物燃料电池电堆100，包括若干层单元件110、顶部端板120、底部端板130及加压件140，单元件110的类型可以为平板型、扁管型、圆管型等结构。
各层所述单元件110均包括金属空心支撑体111、阳极多孔材料112、电解质材料113、阴极多孔材料114、阴极接触导电材料115及密封材料116；所述金属空心支撑体111内具有空心腔1111，所述金属空心支撑体111的上端面上开设有若干个与所述空心腔1111连通的扩散孔1112，所述金属空心支撑体111上贯设有与所述空心腔1111连通的燃气进孔1113，所述金属空心支撑体111上还贯设有空气进孔1114及废气排孔1115，所述阳极多孔材料112、所述电解质材料113、所述阴极多孔材料114及所述阴极接触导电材料115由下至上依次设置于所述金属空心支撑体111的上方，所述阴极多孔材料114的一侧（左侧）与所述空气进孔1114连通，所述阴极多孔材料114的另一侧（右侧）与所述废气排孔1115连通，所述密封材料116贴合于所述金属空心支撑体111的上端面上、并围合于所述金属空心支撑体111的周缘。
所述顶部端板120贴合于最上层的所述单元件110上方；所述底部端板130贴合于最下层的所述单元件110下方；所述加压件140用于压紧所述顶部端板120及所述底部端板130，以使各个所述单元件110的密封材料承压密封。
在使用时，在燃气进孔1113内持续通入燃料气体（例如H2、CH4、煤气等），燃料气体进入空心腔1111，再通过扩散孔1112扩散到电解质材料113与阳极多孔材料112的界面；同时，在空气进孔1114内持续通入空气（或氧气），空气进入阴极多孔材料114中，由于阴极多孔材料114本身的催化作用，使得空气中的O2得到电子变为O2-，在化学势的作用下，O2-进入电解质材料113中，由于浓度梯度引起扩散，最终到达电解质材料113与阳极多孔材料112的界面，并与燃料气体发生反应，失去的电子通过外电路回到阴极，从而燃料气体的化学能转化为电能。
本发明通过对金属空心支撑体111的结构进行加工，在其上设置燃气进孔1113、空气进孔1114及废气排孔1115。同时，在金属空心支撑体111内部设置供燃料气体进入的空心腔111，并在金属空心支撑体111上表面打孔，再依次放置阳极多孔材料112、电解质材料113、阴极多孔材料114及阴极接触导电材料115，并在金属空心支撑体111的上端面的周缘设置密封材料116，形成一体化金属空心支撑型固体氧化物燃料电池独立单元件110，在装配时，只需要通过加压件140施加一定压力，即可实现电堆组装，涉及组件少、密封材料单一、机械强度高、装配工艺简单，规模化生产效率提升，同时，不需要通过气体分布管道连接各个单元件110，体积功率密度大。此外，可根据电堆功率需求，简单改变单元件的层数，具有灵活的组装与调节能力。针对可压缩密封材料施加的压力越大，电堆气密封性越好，金属空心支撑型电堆抗热冲击、倾斜、振动、摇摆等方面的环境适应性越好，从而增强固体氧化物燃料电池技术在交通领域应用适应性。
为了提高电堆发电效率，请参照图1-图6，在一优选的实施例中，所述空心腔111和/或所述燃气进孔1113的内壁上固定有用于氨气、甲烷、甲醇、丙烷及液化天然气中的至少一者的重整的催化剂。当采用氨气、甲烷、甲醇或丙烷等碳氢燃料发电时，氨气需裂解为氮气与氢气，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，上述裂解与重整过程均需要在催化剂以及高温条件下进行，存在较大热量消耗。因此，在空心腔1111和/或所述燃气进孔1113的内壁上布置用于氨分解或者甲烷重整的催化剂，借助金属的高导热性，利用固体氧化物燃料电池电堆在发电过程中产生的欧姆废热进行吸热分解制氢，供给电堆发电，既可有效提高燃料利用率，又有利于电堆热量平衡，提高电堆发电效率。
为了提高耐温效果，请参照图1-图6，在一优选的实施例中，所述金属空心支撑体的材质为镍基、铁基及钛基等耐高温金属材质中的至少一者，使用温度在500~750℃。
为了提高燃料气体的扩散效率，请参照图1-图6，在一优选的实施例中，所有所述扩散孔1112的总面积占所述金属空心支撑体111的上端面的面积的15%~35%，各个所述扩散孔的孔径介于5-50μm。
为了使阳极多孔材料112的所有部分都能有燃料气体进入，请参照图1-图6，在一优选的实施例中，所述空心腔1111的横截面积不小于所述阳极多孔材料112的横截面积，有效面积的边长尺寸范围为5~30cm，控制温度梯度≤20℃/cm，而现有的固体氧化物燃料电池电堆的温度梯度通常为10℃/cm左右，因此，本发明相对于现有技术，其温度梯度明显上升。
为了具体实现密封材料116的功能，请参照图1-图6，在一优选的实施例中，所述密封材料116为压缩式蛭石密封材料、玻璃基密封材料及氧化铝基密封材料中的至少一者，密封材料116的使用温度为500~800℃，密封压力范围为0.1~5Mpa。
为了增大反应面积，请参照图3和图9，在一优选的实施例中，所述金属空心支撑体111内的所述空心腔1111的数量为多个，所述阳极多孔材料112、所述电解质材料113、所述阴极多孔材料114及所述阴极接触导电材料115的数量均与所述空心腔1111的数量相同并一一对应，各个所述阳极多孔材料112、各个所述电解质材料113、各个所述阴极多孔材料114及各个所述阴极接触导电材料115由下至上依次设置于对应的所述金属空心支撑体111的上方，本发明中，图1-图8对应的单元件110的空心腔1111的数量为两个，图9对应的单元件110的空心腔1111的数量为四个，在其他实施例中，空心腔1111的数量还可以为一个、六个、八个等，本发明对此不作限定。
本发明设置的电池独立单元件整体活性反应面积范围为200~400cm2，通过对称结构扩展以及焊接连接，可将总体活性反应面积增加至800cm2，甚至达1200~1600cm2；并且具有每个最小结构中能独立、高可靠性的发电；相比与传统金属支撑型SOFC单电池面积（100~150cm2）显著增大，有效提升了单个电堆的功率等级。将空气和燃料气体流道集成在一体化电堆结构中，减少气体分配管道部件，显著提升电堆体积功率密度。
同时，由于SOFC电化学反应的内阻产生热量，空气出口温度是电堆内部温度最高的地方；本发明中利用两个对称的空气出口对中间的燃料气进行流动换热，可有效降低空气出口温度，提高燃料气的进口温度，进口温度上升有利于重整反应的进行，实现热量在电堆内部的高效利用，并使电堆内温度均匀分布，提高抗热冲击的能力。燃料气温度的提高可有效提升燃料裂解与重整反应速率，加快多碳链燃料向氢气与一氧化碳小分子燃料转变，供给SOFC电堆发电，提高燃料利用率，提高发电效率。
在具体实施时，可根据SOFC电堆的功率需求，进行不同的设计：
（1）针对小功率等级的SOFC电堆需求时，可降低单元件110上反应区的尺寸，如5~10cm，总活性面积可达25~100cm2；根据SOFC发电功率密度0.4W/cm2，则单元件110的发电功率范围为20~80W，对于50W~1kW级别的SOFC电堆具有非常高的体积功率密度。
（2）针对1kW至30kW单个SOFC电堆而言，可采用图9或者以图9为基准的阵列组合结构，单片反应区尺寸设置在15~20cm，总活性面积可达900~1600cm2；根据SOFC发电功率密度0.4W/cm2，则单元件110的发电功率范围为360~640W。以20kW单个电堆计算，则只需要32~56层。按照每层单元件含密封材料厚度平均为2mm，考虑顶板与底板，电堆总体积约为18L，则SOFC单电堆体积功率密度可达1.11kW/L，相较于现有阳极陶瓷SOFC电堆体积功率密度（≤100W/L），提升近11倍，效果非常显著，环境适应性全面提升，有效增加SOFC技术在重型车辆、船舶、电站、航天等领域的应用前景。
本发明还提供了一种发电模块，包括所述的金属空心支撑型固体氧化物燃料电池电堆100。
为了具体实现发电模块的功能，请参照图8和图10，在一优选的实施例中，所述发电模块还包括壳体200、燃烧器、换热器及重整器，所述壳体、所述燃烧器、所述换热器及所述重整器一体成型，发电模块的具体工作流程可参考图10，与现有的SOFC发电模块的工作流程大致相同，本发明对此不再赘述。
为了具体实现加压件140的功能，请参照图1-图8，在一优选的实施例中，所述顶部端板120上开设有若干个第一固定孔121，所述壳体200的底板131上开设有若干个与各个所述第一固定孔121一一对应的第二固定孔，所述加压件140包括固定螺杆141、第一固定螺母142及第二固定螺母143，所述固定螺杆141插设于所述第一固定孔121及所述第二固定孔，所述第一固定螺母142及所述第二固定螺母143均螺纹套设于所述固定螺杆141上，所述第一固定螺母142及所述第二固定螺母143分别与所述顶部端板120及所述壳体200的底板131抵接。
本发明设置的一体化SOFC发电模块结构，将SOFC电堆与燃烧器、换热器、重整器等紧凑型集成，保障热量的高效分布利用，可将SOFC发电模块的体积功率密度从传统阳极支撑型20~40W/L显著提升至金属空心支撑型200~500W/L，在密闭空间应用场景内具有非常大的优势。并且具有模块化功能，通过多套发电模块组合，可实现kW至MW级发电装置的串并联运行。在维护保养方面，可灵活拆卸单套模块进行检修，而不影响整体功率输出。
此外，因金属空心支撑体具有良好的热传导性，在电堆升温阶段，可采用大量热空气给电堆预热，有效实现电堆升温速率，从传统陶瓷阳极支撑型启动时间5~15小时缩短至0.1~3小时，具体启动时间根据电堆功率等级不同而不同。
本发明中，对于发电模块集成，电堆与热工部件（燃烧-换热-预重整-余热回收一体化）分为上下结构，反应温度为500-800℃采用绝缘化的耐高温螺杆进行紧固，紧固压力依据不同压缩密封材料可设置为0.1~5Mpa，提升模块运行压力，显著提高发电效率达60~70%；高温烟气与初始燃料、反应水、初始空气换热后排出，排出温度不高于100℃。总体集成的发电模块体积功率密度显著提升，可达200~500W/L，在车辆、船舶、航天、电站等领域具有巨大应用前景。
通过上述技术方案，本发明通过结构详细优化适应各种燃料体系的高温燃料电池电堆，实现电堆高体积功率密度、高环境适应性、高背压发电效率、快速升温、高效换热平衡、以及原位热量裂解冲重整制氢等特性，显著提升高温燃料电池在车辆、船舶、航天、电站等领域应用性能。
以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种金属空心支撑型固体氧化物燃料电池电堆，其特征在于，包括若干层单元件、顶部端板、底部端板及加压件；
各层所述单元件均包括金属空心支撑体、阳极多孔材料、电解质材料、阴极多孔材料、阴极接触导电材料及密封材料；所述金属空心支撑体内具有空心腔，所述金属空心支撑体的上端面上开设有若干个与所述空心腔连通的扩散孔，所述金属空心支撑体上贯设有与所述空心腔连通的燃气进孔，所述金属空心支撑体上还贯设有空气进孔及废气排孔，所述阳极多孔材料、所述电解质材料、所述阴极多孔材料及所述阴极接触导电材料由下至上依次设置于所述金属空心支撑体的上方，所述阴极多孔材料的一侧与所述空气进孔连通，所述阴极多孔材料的另一侧与所述废气排孔连通，所述密封材料贴合于所述金属空心支撑体的上端面上、并围合于所述金属空心支撑体的周缘；
所述顶部端板贴合于最上层的所述单元件上方；
所述底部端板贴合于最下层的所述单元件下方；
所述加压件用于压紧所述顶部端板及所述底部端板。
2.根据权利要求1所述的金属空心支撑型固体氧化物燃料电池电堆，其特征在于，所述空心腔和/或所述燃气进孔的内壁上固定有用于氨气、甲烷、甲醇、丙烷及液化天然气中的至少一者的重整的催化剂。
3.根据权利要求1所述的金属空心支撑型固体氧化物燃料电池电堆，其特征在于，所述金属空心支撑体的材质为镍基、铁基及钛基中的至少一者。
4.根据权利要求1所述的金属空心支撑型固体氧化物燃料电池电堆，其特征在于，所有所述扩散孔的总面积占所述金属空心支撑体的上端面的面积的15%~35%，各个所述扩散孔的孔径介于5-50μm。
5.根据权利要求1所述的金属空心支撑型固体氧化物燃料电池电堆，其特征在于，所述空心腔的横截面积不小于所述阳极多孔材料的横截面积。
6.根据权利要求1所述的金属空心支撑型固体氧化物燃料电池电堆，其特征在于，所述密封材料为压缩式蛭石密封材料、玻璃基密封材料及氧化铝基密封材料中的至少一者。
7.根据权利要求1所述的金属空心支撑型固体氧化物燃料电池电堆，其特征在于，所述金属空心支撑体内的所述空心腔的数量为多个，所述阳极多孔材料、所述电解质材料、所述阴极多孔材料及所述阴极接触导电材料的数量均与所述空心腔的数量相同并一一对应，各个所述阳极多孔材料、各个所述电解质材料、各个所述阴极多孔材料及各个所述阴极接触导电材料由下至上依次设置于对应的所述金属空心支撑体的上方。
8.一种发电模块，其特征在于，包括如权利要求1-7中任意一项所述的金属空心支撑型固体氧化物燃料电池电堆。
9.根据权利要求8所述的发电模块，其特征在于，还包括热工部件，所述热工部件包括壳体、燃烧器、换热器及重整器，所述壳体、所述燃烧器、所述换热器及所述重整器一体成型。
10.根据权利要求9所述的发电模块，其特征在于，所述顶部端板上开设有若干个第一固定孔，所述壳体的底板上开设有若干个与各个所述第一固定孔一一对应的第二固定孔，所述加压件包括固定螺杆、第一固定螺母及第二固定螺母，所述固定螺杆插设于所述第一固定孔及所述第二固定孔，所述第一固定螺母及所述第二固定螺母均螺纹套设于所述固定螺杆上，所述第一固定螺母及所述第二固定螺母分别与所述顶部端板及所述壳体的底板抵接。
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