CN206711974U - 一种新型平板式中温固体氧化物燃料电池电堆 - Google Patents

Abstract

一种新型平板式中温固体氧化物燃料电池电堆，包括工作组件和装夹组件，所述工作组件包括交替层叠的单电池和连接体，所述单电池通过连接体串联，所述连接体包括上表面和下表面，所述连接体的上表面和下表面均设置有条形密封条；所述装夹组件包括上极板、下极板和侧板，所述工作组件位于上极板和下极板之间，所述侧板与工作组件的侧面紧密贴合，所述侧板包括上端和下端，所述上端和下端固定在一起，所述上端开有缓冲空腔，所述下端开有外气道气腔，所述侧板在所述缓冲空腔和外气道气腔之间开设了管道，所述缓冲空腔通过管道与外气道气腔连通。本实用新型能有效提高电堆内部气体分布均匀度、减小电堆内部温度不均、提高燃料气体利用率。

Description

一种新型平板式中温固体氧化物燃料电池电堆

技术领域

本实用新型涉及能源领域，尤其涉及一种新型平板式中温固体氧化物燃料电池电堆。

背景技术

固体氧化物燃料电池是一种高效、清洁和可靠的电化学发电装置，单个燃料电池只能输出1V左右的电压，为了获得实际应用所需的更高的电压和功率，可以将若干个单电池以各种方式(串联、并联、混联)组装成电堆。燃料电池的结构主要包括管状燃料电池电堆、平板式燃料电池电堆和整体型燃料电池电堆，近年来平板式燃料电池电堆因功率密度高和制作成本低而成为燃料电池的发展趋势。

平板式燃料电池电堆是由多个单电池在垂直高度方向上串联而成，主要包括单电池、金属连接体、气体流场、密封件和气体流腔。在设计中要考虑到燃料气体和氧化气体分别能够均匀传输到电池的阳极和阴极表面上，并保持良好接触和密封。气体流腔的作用是分别将来源于管道的气体传送到相应的电堆进气面上，并在电堆的出气面上收集流出的气体。通常电堆结构有内流腔和外流腔之分，内流腔是电堆结构的一部分，是由金属连接体中的开放部分堆垛而形成的腔体，外流腔则是一个独立于电堆堆芯的盖状部件，在外力的作用下，通过密封圈分别固定在电堆的进气面和出气面上。

燃料电池电堆的效率是由最小质量流量的腔道决定的，气体分配不均匀将会导致燃料浪费，并导致局部反应剧烈，热量过度集中，极易对燃料电池电堆造成损坏。

发明内容

有鉴于此，本实用新型提供了一种能够有效提高燃料电池电堆内部气体分布均匀度、减小电堆内部工作温度不均、提高燃料气体利用率、制造简易以及性能稳定的新型平板式中温固体氧化物燃料电池电堆。

本实用新型提供一种新型平板式中温固体氧化物燃料电池电堆，包括工作组件和装夹组件，所述工作组件包括交替层叠的单电池和连接体，所述单电池通过连接体串联，所述连接体包括上表面和下表面，所述连接体的上表面和下表面均设置有条形密封条；所述装夹组件包括上极板、下极板和侧板，所述工作组件位于上极板和下极板之间，所述侧板与工作组件的侧面紧密贴合，所述侧板包括上端和下端，所述上端和下端固定在一起，所述上端开有缓冲空腔，所述下端开有外气道气腔，所述侧板在所述缓冲空腔和外气道气腔之间开设了管道，所述缓冲空腔通过管道与外气道气腔连通。

进一步地，所述缓冲空腔开设在所述上端上与所述下端接触的一面，所述缓冲空腔中有一个与外界相连的通孔，氧化气体或燃料气体通过所述通孔流入缓冲空腔，所述外气道气腔开设在所述下端上与工作组件侧面接触的一面，氧化气体或燃料气体通过所述外气道气腔流入工作组件。

进一步地，所述连接体的上表面开有第一流道，所述第一流道相互平行且均匀分布，所述连接体的下表面开有第二流道，所述第二流道相互平行且均匀分布，所述第一流道和第二流道的延伸反向方向相互垂直，所述外气道气腔与第一流道和第二流道连通，所述外气道气腔中的气体通过所述第一流道和第二流道流入电堆内部。

进一步地，所述装夹组件包括四个侧板，所述四个侧板与工作组件垂直，其从四个侧面将工作组件夹住，所述四个侧板的结构相同，所述四个侧板中的其中两个相对着的侧板和工作组件构成氧化气体的进气通道、出气通道，所述四个侧板中的另外两个相对着的侧板和工作组件构成燃料气体的进气通道、出气通道。

进一步地，所述氧化气体的进气通道由其中两个相对着的侧板中的一个侧板的通孔、缓冲空腔、管道、外气道气腔、第二流道依次连通形成，所述氧化气体的出气通道由其中两个相对着的侧板中的另外一个侧板的外气道气腔、管道、缓冲空腔、通孔依次连通形成。

进一步地，所述燃料气体的进气通道由另外两个相对着的侧板中的一个侧板的通孔、缓冲空腔、管道、外气道气腔、第一流道依次连通形成，所述燃料气体的出气通道由另外两个相对着的侧板中的另外一个侧板的外气道气腔、管道、缓冲空腔、通孔依次连通形成。

进一步地，所述上极板和下极板与工作组件平行，所述上极板、下极板与工作组件的连接处均设有密封材料。

进一步地，所述连接体为不锈钢金属连接体，所述连接体的材料为含铬的合金。

进一步地，所述管道相互平行且均匀分布，所述管道为圆柱形管道，所述管道的管径为7mm，所述单电池的长度和宽度均为110mm，所述通孔的内直径为6mm。

进一步地，所述新型平板式中温固体氧化物燃料电池电堆的功率为300W，其工作温度为600-800℃。

本实用新型的有益效果是：本实用新型通过在侧板的下端开设外气道气腔，并开设均匀分布的管道将缓冲空腔和外气道气腔连通，不仅能够有效提高气体分布的均匀度，保证每个流道内的气体质量流量基本一致，减小电堆内部工作温度不均，进而提高燃料气体的利用率，而且可延长电堆使用寿命，减缓电堆性能退化速度；装夹组件将工作组件与环境隔绝，有效保证了电堆的密封性，装夹组件制造简易；使用含铬合金的不锈钢金属连接体增强了单电池的导电性、机械强度和抗氧化性。

附图说明

图1为本实用新型平板式中温固体氧化物燃料电池电堆的一结构示意图。

图2为本实用新型平板式中温固体氧化物燃料电池电堆工作组件的一示意图。

图3为本实用新型平板式中温固体氧化物燃料电池电堆的侧板的一示意图。

图4为本实用新型一实施例的气体在侧板内的速度矢量分布图。

图5为本实用新型一实施例的气体在工作组件内的质量流量分布图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型实施方式作进一步地描述。

请参阅图1至图3，本实施例的新型平板式中温固体氧化物燃料电池电堆包括工作组件1和装夹组件2，工作组件1由连接体12与单电池11交替层叠构成，单电池11通过连接体12串联，连接体12包括上表面121和下表面122，连接体12的上表面121开有相互平行且均匀分布的第一流道123，这些第一流道123与外部连通，连接体12的下表面122开有相互平行且均匀分布的第二流道124，这些第二流道124与外部连通,第一流道123和第二流道124的延伸反向方向相互垂直，在连接体12的上表面121与单电池11的接触侧设置有条形密封条，在连接体12的下表面122与单电池11的接触侧设有条形密封条，条形密封条可以密封气路，同时将单电池11的阳极和阴极隔离，避免单电池11的阳极和阴极接触而发生短路，连接体12、条形密封条和单电池11一起构成有入口和出口的通道作为电堆内部气道，供氧化气体和燃料气体分别流过，在电堆内部，氧化气体的入口、出口和燃料气体的入口、出口分别排布在工作组件1的四个侧面，氧化气体和燃料气体交叉流动；在本实施例中，采用六片单电池11堆叠，单电池11与连接体12的长度和宽度均为110mm，第一流道123和第二流道124的高度为1mm，第一流道123和第二流道124的数量为七个，燃料气体通过第一流道123流入电堆内部，氧化气体通过第二流道124流入电堆内部，燃料气体为氢气，氧化气体为空气，SOFC电堆的功率为300W。

本实施例中，在工作组件1中，连接体12的材料为含铬合金的不锈钢金属，利用连接体12将单电池11串联起来，构成相互密封隔离的阳极和阴极的气路；采用含铬合金的不锈钢金属作为连接体12的材料增强了单电池11的导电性、机械强度和抗氧化性。

装夹组件2包括上极板21、下极板22和四个结构相同的侧板23，上极板21和下极板22与工作组件1平行，工作组件1位于上极板21和下极板22之间，侧板23与工作组件1垂直，四个侧板23从四个侧面将工作组件1夹住，侧板23与工作组件1的侧面紧密贴合，可实现整个气路与环境的隔绝，上极板21为长度和宽度与单电池11的长度和宽度一致的金属长方体，可压紧SOFC电堆，下极板22的四周有突出的平台，用于支承电池电堆，上极板21、下极板22与工作组件1的连接处均有密封材料，防止气体的泄露。

侧板23不仅可以固定工作组件1，同时也是氧化气体和燃料气体的输送通道，其中两个相对着的侧板23和工作组件1构成氧化气体的进气通道、出气通道，另外两个相对着的侧板23和工作组件1构成燃料气体的进气通道、出气通道；侧板23包括上端231和下端232，上端231和下端232固定连接在一起，上端231上与下端232接触的一面开有缓冲空腔233，缓冲空腔233中有一个与外界相连的通孔2331，其出口可焊接不锈钢管道，构成外部气路，外部气体可通过通孔2331流入缓冲空腔233，在缓冲空腔233内打散；下端232上与工作组件1侧面接触的一面开有外气道气腔234，外气道气腔234与第一流道123和第二流道124连通，外气道气腔234中的气体通过第一流道123和第二流道124流入电堆内部，侧板23在缓冲空腔233和外气道气腔234之间开设了管道235，这些管道235将缓冲空腔233和外气道气腔234连通，缓冲空腔233中的气体可通过管道235流入外气道气腔234；本实施例中，上端231的长度和下端232的长度为110mm,在下端232的上底面开设有七个相互平行且均匀分布的管道235，管道235为圆柱形管道，管道235的管径为7mm，通孔2331的内直径为6mm。

电堆组装时，外气道气腔234与工作组件1的侧面的气体出入口相对，从而实现气体从外部气路进入电堆内部，并由密封材料封闭外气道气腔234和气体出入口的边缘，形成密封的气体通道，从而防止气体泄漏。

装夹组件2将工作组件1与环境隔绝，并完成与外部供气系统的连通和不同气路的相互隔离，有效保证了电堆的密闭性。

工作时，将电堆温度加热至600-800℃，氧化气体从一个侧板23的通孔2331进入缓冲空腔233，在缓冲空腔233内部打散后，通过管道235分布均匀后进入外气道气腔234，然后通过第二流道124进入工作组件1的内部，第二流道124中的氧化气体与单电池11的阴极表面接触，与单电池11的阳极表面的燃料气体发生电化学反应而产生电能，经过反应后的氧化气体进入相对着的侧板23的外气道气腔234，外气道气腔234中的经过反应后的氧化气体通过管道235进入缓冲空腔233，从缓冲空腔233的通孔2331流出。

燃料气体从相邻的侧板23的通孔2331进入缓冲空腔233，在缓冲空腔233内部打散后，通过管道235分布均匀后进入外气道气腔234，然后通过第一流道123进入工作组件1的内部，第一流道123中的燃料气体与单电池11的阳极表面接触，与单电池11的阴极表面的氧化气体发生电化学反应而产生电能，经过反应后的燃料气体进入相对着的侧板23的外气道气腔234，外气道气腔234中的经过反应后的燃料气体通过管道235进入缓冲空腔233，从缓冲空腔233的通孔2331流出。

图4为一实施例中气体在缓冲空腔233、管道235和外气道气腔234中的速度矢量分布图，从图4可见，气体通过管道235可实现均匀分布，进而可以提高气体进入电堆内部分布的均匀度，经过管道235和外气道气腔234的预处理，已使电堆内部流场均匀化；图5为气体在流道内部和单电池11内部的质量流量分布图，从图5可见，各层单电池11及流道中的气体质量流量基本一致，可以有效提高燃料气体的利用率，提高电堆的稳定性。

本实用新型的电池电堆通过在侧板23的下端232开设外气道气腔234，并开设均匀分布的管道235将缓冲空腔233和外气道气腔234连通，不仅能够有效提高气体分布的均匀度，保证每个流道内的气体质量流量基本一致，减小电堆内部工作温度不均，进而提高燃料气体的利用率，而且可延长电堆使用寿命，减缓电堆性能退化速度；装夹组件2将工作组件1与环境隔绝，有效保证了电堆的密封性，装夹组件2制造简易；使用含铬合金的不锈钢金属连接体12增强了单电池11的导电性、机械强度和抗氧化性。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种新型平板式中温固体氧化物燃料电池电堆，包括工作组件和装夹组件，其特征在于：所述工作组件包括交替层叠的单电池和连接体，所述单电池通过连接体串联，所述连接体包括上表面和下表面，所述连接体的上表面和下表面均设置有条形密封条；所述装夹组件包括上极板、下极板和侧板，所述工作组件位于上极板和下极板之间，所述侧板与工作组件的侧面紧密贴合，所述侧板包括上端和下端，所述上端和下端固定在一起，所述上端开有缓冲空腔，所述下端开有外气道气腔，所述侧板在所述缓冲空腔和外气道气腔之间开设了管道，所述缓冲空腔通过管道与外气道气腔连通。

2.如权利要求1所述的新型平板式中温固体氧化物燃料电池电堆，其特征在于：所述缓冲空腔开设在所述上端上与所述下端接触的一面，所述缓冲空腔中有一个与外界相连的通孔，氧化气体或燃料气体通过所述通孔流入缓冲空腔，所述外气道气腔开设在所述下端上与工作组件侧面接触的一面，氧化气体或燃料气体通过所述外气道气腔流入工作组件。

3.如权利要求1所述的新型平板式中温固体氧化物燃料电池电堆，其特征在于：所述连接体的上表面开有第一流道，所述第一流道相互平行且均匀分布，所述连接体的下表面开有第二流道，所述第二流道相互平行且均匀分布，所述第一流道和第二流道的延伸反向方向相互垂直，所述外气道气腔与第一流道和第二流道连通，所述外气道气腔中的气体通过所述第一流道和第二流道流入电堆内部。

4.如权利要求1所述的新型平板式中温固体氧化物燃料电池电堆，其特征在于：所述装夹组件包括四个侧板，所述四个侧板与工作组件垂直，其从四个侧面将工作组件夹住，所述四个侧板的结构相同，所述四个侧板中的其中两个相对着的侧板和工作组件构成氧化气体的进气通道、出气通道，所述四个侧板中的另外两个相对着的侧板和工作组件构成燃料气体的进气通道、出气通道。

5.如权利要求4所述的新型平板式中温固体氧化物燃料电池电堆，其特征在于：所述氧化气体的进气通道由其中两个相对着的侧板中的一个侧板的通孔、缓冲空腔、管道、外气道气腔、第二流道依次连通形成，所述氧化气体的出气通道由其中两个相对着的侧板中的另外一个侧板的外气道气腔、管道、缓冲空腔、通孔依次连通形成。

6.如权利要求4所述的新型平板式中温固体氧化物燃料电池电堆，其特征在于：所述燃料气体的进气通道由另外两个相对着的侧板中的一个侧板的通孔、缓冲空腔、管道、外气道气腔、第一流道依次连通形成，所述燃料气体的出气通道由另外两个相对着的侧板中的另外一个侧板的外气道气腔、管道、缓冲空腔、通孔依次连通形成。

7.如权利要求1所述的新型平板式中温固体氧化物燃料电池电堆，其特征在于：所述上极板和下极板与工作组件平行，所述上极板、下极板与工作组件的连接处均设有密封材料。

8.如权利要求1所述的新型平板式中温固体氧化物燃料电池电堆，其特征在于：所述连接体为不锈钢金属连接体，所述连接体的材料为含铬的合金。

9.如权利要求2所述的新型平板式中温固体氧化物燃料电池电堆，其特征在于：所述管道相互平行且均匀分布，所述管道为圆柱形管道，所述管道的管径为7mm，所述单电池的长度和宽度均为110mm，所述通孔的内直径为6mm。

10.如权利要求1所述的新型平板式中温固体氧化物燃料电池电堆，其特征在于：所述新型平板式中温固体氧化物燃料电池电堆的功率为300W，其工作温度为600-800℃。