CN212434669U - 一种固体氧化物燃料电池用电连接器及包含其的连接电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出一种固体氧化物燃料电池用电连接器，所述固体氧化物燃料电池用电连接器包括导电杆、坚固螺栓及高温陶瓷套管，有效降低电连接器与电堆之间的接触电阻，有效解决其他金属化学性质不稳定、高温易氧化等问题。另外提出的新型电路设计即燃料电池系统外部连接电路，能够在不停机的情况下通过改变电缆的连接方式使得各个电堆之间以串联或并联方式连接，提高电能传输效率。

Description

一种固体氧化物燃料电池用电连接器及包含其的连接电路

技术领域

本实用新型属于固体氧化物燃料领域，具体涉及一种固体氧化物燃料电池用电连接器及包含其的连接电路。

背景技术

燃料电池是一种将燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置，与常规电池的不同之处在于燃料和氧化剂不是储存在电池内部，而是来自外部供给，即只要不断向其提供燃料和氧化剂，就可以连续不断地发电。燃料电池有多种类型，按电解质不同主要分为以下几种：碱性氢氧燃料电池、磷酸型燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、质子交换膜燃料电池和固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，简称SOFC)。与其他类型燃料电池相比，SOFC 具有许多独特的优点：

1、SOFC为全固态结构，避免了液态电解质导致的腐蚀和电解液流失等问题。

2、燃料适用范围广，可直接使用天然气、煤气化气和其他含碳燃料。

3、电池排出的高温余热可以二次利用，可用于取暖。

4、电池在高温下工作，电极反应过程迅速，无须采用贵金属电极，电池成本低。

由于SOFC运行温度很高(600-800℃)，且电池组的正负极也在高温区域，因此，如何在高温区内解决SOFC多个电池组的连接并采用导线的方式把电能输出，是设计燃料电池系统的一个重大难点。铜和铝具有较好的导电性和电子迁移特性，广泛应用于电能传输领域，其中铜应用更为广泛。在实际应用中，它们都不可避免的要和氧接触，发生氧化反应。在SOFC 高温系统中，如果采用铜传输电能，氧化就成为非常现实的问题。铜氧化后会在表面形成一层氧化膜，与电堆电极的接触电阻增大，而且，在高温下铜氧化速度非常快，严重影响SOFC 系统高效稳定运行。也有某些SOFC系统采用耐高温的不锈钢当作导体，输出电能，由于不锈钢电阻率较大，约为铜的50倍左右，而且具有较高的电阻温度系统，高温下呈现出较大的电阻，大功率运行时在连接处发热，降低系统效率。一般情况下，不锈钢硬度大，较脆，难以加工，增加了时间成本。

SOFC发电系统一般情况下包含多个电堆，这些电堆采用串联或并联的方式，并且在系统运行过程中改变，要想改变电堆联接方式只能停止系统，待电堆降温后改变线路连接后重新升温。改变电堆连接方式的过程需要很长时间，一般电堆的升降温速率为15℃/小时。假设电堆工作温度为700℃，由高温降到常温30℃，改变电堆连接方式后再升温至700℃，耗费时间约为89小时,严重影响系统运行或测试效率。

电堆与其连接的导体之间存在接触电阻，在高温环境下，采用铜或不锈钢材料，容易氧化，形成氧化膜，使电堆电极连接处的接触电阻变大。当有电流通过连接点，如果接触电阻在合理范围，则接头处发热就很少，可以保持正常温度，如果接头接触电阻过大，当电流流过时，就会产生大量的热，形成高温，加剧导体氧化，形成恶性循环，致使SOFC系统发电效率降低，电堆温升过高，缩短电堆使用寿命。在测试过程中更改电堆连接方式费时费力，工作效率低，在有电状态下工作，使操作人员面临触电风险。

金属银的熔点为960℃，延展性好，易于加工，导电性在所有金属中最高，与其他金属相比，银具有最低的接触电阻，化学性质稳定，高温的环境下不易氧化。

实用新型内容

为解决上述技术问题，本实用新型提出使用导电率高的材料例如银材料制作成电堆用电连接器，同时提出一种新型电路设计即燃料电池系统外部连接电路，有效降低用电连接器与电堆之间的接触电阻，有效解决其他金属化学性质不稳定、高温易氧化等问题，并且能够在不停机的情况下改变电堆串联或并联的连接方式，提高电能传输效率。

根据本实用新型的第一个实施方案，提供一种固体氧化物燃料电池用电连接器，其包括分别与固体氧化物燃料电池的正负极连接的导电杆，用于将导电杆固定于固体氧化物燃料电池正负极的坚固螺栓、套接在导电杆外侧起绝缘作用的高温陶瓷套管，制备导电杆的材料的导电率高于2.9x10^-8Ω·m，熔点900℃以上，不易氧化，且具有莫氏2.5以上硬度。

优选地，所述制备导电杆的材料为银或镀银镍铬合金，银导电杆中银含量为91-94wt％，更优选92-93wt％，例如92.5％，为了具有理想的硬度和抗氧化性，通常掺杂约6-9wt％，优选约7.5％的其他金属，如铜、锌、镍等中的一种或多种，银含量过高则柔软且易于氧化，如果银含量过低电导率会增加，影响导电性能。

优选地，位于固体氧化物燃料电池保温层内部的导电杆呈L型，其中，短边与固体氧化物燃料电池的正极或负极连接，长边延伸至固体氧化物燃料电池保温层的外部。导电杆的一端连接固体氧化物燃料电池的正极或负极，另一端连接于输送电能的铜或铝等导线，然后连接到配电箱。导电杆与固体氧化物燃料电池正极或负极连接的一端设有供坚固螺栓穿过的扁平孔或缺口，导电杆伸出保温层的一端与常温导电电缆相连，电缆另一端与配电箱连接。

优选地，伸出固体氧化物燃料电池保温层外的导电杆部分包括一螺旋形散热结构，螺旋形散热结构的高度或长度可以为15-20mm，例如可以为19.2mm，螺旋直径可以为50-80mm，例如可以为60mm。伸出固体氧化物燃料电池保温层外的螺旋形导电杆与保温层内的导电杆可一体成型或活动连接。

优选地，导电杆与坚固螺栓接触的表面涂刷有高温导电银浆。

优选地，位于固体氧化物燃料电池保温层内部的导电杆直径可以为4-10mm，例如可以为 5mm，L形导电杆的短边的长度和长边的长度可根据电堆的高度和保温层的厚度进行调整，长边长度可以为700-1000mm，例如可以为750mm，导电杆的短边与长边长度的比例可以为 1:10-30，例如可以为1:15-20。

优选地，坚固螺栓的材料可以为C276耐高温耐腐蚀的哈氏合金。

根据本实用新型的第二个实施方案，提供一种使用上述固体氧化物燃料电池用电连接器的固体氧化物燃料电池的电连接方法，该方法包括：

将固体氧化物燃料电池的正负极打磨平整。例如，通过将固体氧化物燃料电池的正负极进行打磨，去除表面氧化层，减小接触电阻。

氧化物燃料电池的其中一个电堆的正极使用固定螺栓连接一根上述导电杆、负极连接另外一根上述导电杆，其他电堆重复操作，每个电堆的正、负电极分别连接一个上述导电杆，伸出保温层外的导电杆包括一螺旋形散热结构，使用导电体(例如可以为铜或铝)将螺旋形导电杆的另一端连接至配电箱。

优选地，导电杆与坚固螺栓接触的表面涂刷有高温导电银浆。

由于导电杆与电极之间的接触面不平，金属的实际接触面减小了，当电流流过导体时，使电流线在接触面附近发生了严重的收缩现象，即在接触面附近导体有效的导电截面大大缩小，造成电阻增加，因此，固体氧化物燃料电池用电连接器安装前应对固体氧化物燃料电池的正极和负极进行打磨，使其更加光滑平整，增大接触面，降低接触电阻。

高温导电银浆由高纯度的金属银的微粒、粘合剂、溶剂组成的一种粘稠状的桨料，例如可以使用琛鑫电子材料有限公司GW01高温导电银浆，粒径10-20μm，固含量80％±2。高温导电银浆的导电性能良好，在高温固化后具有较低的电阻率，同时它具有良好的硬度、变曲性及抗氧化性。所以，在坚固螺栓和导电杆涂刷高温导电银浆能够使不同膨胀系统的金属材料连接更加致密，防止出现接触不实的现象。

由于电堆在高温下工作，一般会将电堆放置在保温层中。导电杆高出保温层，使外露部分温度降低，温度降低后可以使用铜或铝等导电体连接到配电箱。因为铜或铝导线容易在高温下氧化，使电导率增大，影响输电效果，致使接头发热，导电杆伸出保温层，经散热，温度降到120℃以下，有效缓解铜或铝氧化速率。

本专利提供的包括螺旋型散热结构的导电杆，增大了散热长度，能够使连接点温度降到 100℃以下。

在保温层内，导电杆外套接耐高温的陶套管，做好绝缘，防止导电杆受外力后发生倾斜或与金属碰触，产生短路或漏电。

根据本实用新型的第三个实施方案，提供一种固体氧化物燃料电池系统外部连接电路，其包括一端与负载正极连接、另一端与燃料电池的电堆正极连接的正极汇流排，一端与负载负极连接、另一端与燃料电池电堆的负极连接的负极汇流排，正极汇流排与电堆正极之间、负极汇流排与电堆负极之间分别设有断路器，正极或负极汇流排上设有N个与电堆正极或负极连接的连接头，其中与电堆正极、负极连接的电连接器优选为以上所述的电连接器，其包括分别与固体氧化物燃料电池的正负极连接的上述导电杆、用于将导电杆固定于固体氧化物燃料电池正负极的坚固螺栓、套接在导电杆外侧起绝缘作用的高温陶瓷套管。

优选地，正极汇流排的第一接头通过电缆经第一电堆正极断流器之后连接于第一电堆的正极，第一电堆的负极通过电缆经第一电堆负极断流器、第二电堆正极断流器之后连接于第二电堆的正极，第二电堆的负极通过电缆经第二电堆负极断流器、第三电堆正极断流器之后连接于第三电堆的正极，依次类推，第N电堆的负极通过电缆经第N电堆负极断流器连接于负极汇流排的第一接头，此种连接方式为电堆之间的串联连接方式(如图6所示)。

优选地，正极汇流排的第一接头通过电缆经第一电堆正极断流器连接于第一电堆正极，第一电堆的负极通过电缆经第一电堆负极断流器连接于负极汇流排的第一接头，正极汇流排的第二接头通过电缆经第二电堆正极断流器连接于第二电堆正极，第二电堆的负极通过电缆经第二电堆负极断流器连接于负极汇流排的第二接头，依次类推，此种连接方式为电堆之间的并联连接方式(如图7所示)。

电堆连接方式基本上分为两种，并联连接和串联连接。断开断路器S1至S8，接图6所示分别用导线连接断路器和正极汇流排、断路器与负极汇流排，形成串联连接，然后闭合断路器S1至S8，燃料电池发电系统以串联方式对负载供电。

如果采用并联方式对负载供电，先断开断路器S1至S8，接图7所示分别用导线连接断路器和正极汇流排、断路器与负极汇流排，形成并联连接，然后闭合断路器S1至S8，燃料电池发电系统以并联方式对负载供电。

优选地，通过改变电缆的连接方式使得各个电堆之间以串联或并联方式连接，可根据电堆个数增减断路器个数，完成电堆连接方式转换。

优选地，电堆的个数至少为两个。

SOFC系统运行后，由于电堆工作在高温环境下，不能够改变电堆的连接方式，如把并联方式改成串联方式，或把串联方式改成并联方式。本专利提供的电路设计，能够使系统在不中断工作的状态下改变电堆的连接方式，方便对系统测试，节约了等待时间，操作简便安全，没有带电操作过程。

本专利提供的电堆的串联连接和电堆的并联连接，这两种连接方式转换过程中不必停止系统运行，只需断开断路器，断路器断开后改变电缆连接方式即可。

本实用新型的有益效果：

(1)导电杆的螺旋形的外形设计可以把电堆电极从高温环境下外延至常温环境中，螺旋式设计能够加速降温，不会使铜或铝导线的连接头发生高温氧化。银材料或镀银镍铬合金制作成电堆连接导体能够有效解决其它金属导电性差、接触电阻大、化学性质不稳定、易氧化等问题。

(2)导电杆与电堆电极用螺栓连接后，采用导电银浆涂刷连接处，连接处能够形成导电的、抗变形、抗氧化涂层，可以有效防止高温下各种金属在高温下因膨胀系数不同产生的接触不良，接触电阻变大的现象。

(3)在燃料电池测试系统中增加了断路器，能够在系统不停机的情况下更改电堆的连接方式，改为并联连接或改为串联连接，并且全过程在无电情况下操作，安全可靠，操作简单便捷。

附图说明

图1为固体氧化物燃料电池的整体结构示意图。

图2为固体氧化物燃料电池的电堆结构示意图。

图3为保温层内的导电杆的结构示意图。

图4为SOFC电堆保温层的结构示意图。

图5为伸出保温层外的导电杆的螺旋形结构示意图。

图6为SOFC电堆的串联连接方式。

图7为SOFC电堆的并联连接方式。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本实用新型。

如图1-5所示，本实用新型提供一种固体氧化物燃料电池用电连接器，其包括分别与固体氧化物燃料电池16的正负极(如图2所示)连接的银导电杆11(92.5wt％银，7.5wt％铜)、用于将银导电杆固定于固体氧化物燃料电池正负极的坚固螺栓(C276高温螺栓)15、套接在银导电杆外侧起绝缘作用的高温陶瓷套管14，位于固体氧化物燃料电池保温层内部的银导电杆呈L型，其中，短边5与固体氧化物燃料电池的正极或负极连接，长边6延伸至固体氧化物燃料电池保温层13的外部，银导电杆与固体氧化物燃料电池正极或负极连接的一端设有供坚固螺栓15穿过的扁平孔或缺口(未示出)。

伸出固体氧化物燃料电池保温层外的导电杆包括一个螺旋型散热结构12(如图5所示)，其高度H可以为15-20mm，例如可以为19.2mm，螺旋直径D可以为50-80mm，例如可以为60mm。伸出固体氧化物燃料电池保温层外的螺旋形导电杆与保温层内的导电杆可以一体成型或活动连接。

银导电杆与坚固螺栓接触的表面涂刷有高温导电银浆。

位于固体氧化物燃料电池保温层内部的银导电杆直径d可以为4-10mm，例如可以为5mm，位于固体氧化物燃料电池保温层内部的银导电杆的L形短边5的长度l和L形长边6的长度 h可根据电堆的高度和保温层7的厚度进行调整，长边6长度可以为700-1000mm，例如可以为750mm，银导电杆的短边长度l与长边长度h的比例可以为1:10-30，例如可以为1:15-20。

坚固螺栓的材料可以为C276耐高温耐腐蚀的哈氏合金。

银导电杆也可以为镀银的镍铬合金。

本实用新型另外提供一种使用上述电连接器的固体氧化物燃料电池用电连接方法，该方法包括：

将固体氧化物燃料电池的正负极打磨平整，例如将固体氧化物燃料电池的正负极打磨至光亮，去除表面氧化层，减小接触电阻；

固体氧化物燃料电池的其中一个电堆的正极使用固定螺栓连接一根银导电杆、负极连接另外一根银导电杆，其他电堆重复操作，每个电堆的正负电极分别连接一个银导电杆，伸出保温层外的银导电杆包括螺旋型散热结构，使用导电体(例如可以为铜或铝)将银导电杆的另一端连接至配电箱。

银导电杆与坚固螺栓接触的表面涂刷有高温导电银浆。

如图6-7所示，一种固体氧化物燃料电池系统外部连接电路，其包括一端与负载正极连接、另一端与燃料电池的电堆正极连接的正极汇流排，一端与负载负极连接、另一端与燃料电池电堆的负极连接的负极汇流排，正极汇流排与电堆正极之间、负极汇流排与电堆负极之间分别设有断路器，正极或负极汇流排上设有N个与电堆正极或负极连接的连接头，其中与电堆正极、负极连接的电连接器优选为以上所述的电连接器，其包括分别与固体氧化物燃料电池的正负极连接的银或镀银镍铬合金导电杆、用于将导电杆固定于固体氧化物燃料电池正负极的坚固螺栓、套接在导电杆外侧起绝缘作用的高温陶瓷套管。

图6示出了电堆之间的串联连接方式，正极汇流排的第一接头1通过电缆经第一电堆正极断流器S1之后连接于第一电堆的正极A+，第一电堆的负极A-通过电缆经第一电堆负极断流器S2、第二电堆正极断流器S3之后连接于第二电堆的正极B+，第二电堆的负极B-通过电缆经第二电堆负极断流器S4、第三电堆正极断流器S5之后连接于第三电堆的正极C+，依次类推，第N电堆的负极通过电缆经第N电堆负极断流器连接于负极汇流排的第一接头，此种连接方式为电堆之间的串联连接方式。

图7示出了电堆之间的并联连接方式，正极汇流排的第一接头1通过电缆经第一电堆正极断流器S1连接于第一电堆正极A+，第一电堆的负极A-通过电缆经第一电堆负极断流器 S2连接于负极汇流排的第一接头1，正极汇流排的第二接头2通过电缆经第二电堆正极断流器S3连接于第二电堆正极B+，第二电堆的负极B-通过电缆经第二电堆负极断流器S4连接于负极汇流排的第二接头，依次类推，正极汇流排的第N接头通过电缆经第N电堆正极断流器Sn连接于第N电堆正极，第N电堆的负极通过电缆经第N电堆负极断流器Sn+1连接于负极汇流排的第N接头，此种连接方式为电堆之间的并联连接方式。

通过改变电缆的连接方式使得各个电堆之间以串联或并联方式连接，可根据电堆个数增减断路器个数，完成电堆连接方式转换。

电堆连接方式基本上分为两种，并联连接和串联连接。断开断路器S1至S8，接图6所示分别用导线连接断路器和正极汇流排、断路器与负极汇流排，形成串联连接，然后闭合断路器S1至S8，燃料电池发电系统以串联方式对负载供电。

如果采用并联方式对负载供电，先断开断路器S1至S8，接图7所示分别用导线连接断路器和正极汇流排、断路器与负极汇流排，形成并联连接，然后闭合断路器S1至S8，燃料电池发电系统以并联方式对负载供电。

Claims (8)

1.一种固体氧化物燃料电池用电连接器，其特征在于，其包括分别与固体氧化物燃料电池的正负极连接的导电杆、用于将导电杆固定于固体氧化物燃料电池正负极的坚固螺栓、套接在导电杆外侧起绝缘作用的高温陶瓷套管，制备所述导电杆的材料为银或镀银镍铬合金。

2.根据权利要求1所述的电连接器，其特征在于，位于固体氧化物燃料电池保温层内部的导电杆呈L型，其中，短边与固体氧化物燃料电池的正极或负极连接，长边延伸至固体氧化物燃料电池保温层的外部，导电杆与固体氧化物燃料电池正极或负极连接的一端设有供坚固螺栓穿过的扁平孔或缺口，导电杆伸出保温层的一端与常温导电电缆相连，电缆另一端与配电箱连接。

3.根据权利要求2所述的电连接器，其特征在于，导电杆伸出固体氧化物燃料电池保温层外的部分包括一个螺旋形散热结构，该部分长度为15-20mm，螺旋直径为50-80mm。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的电连接器，其特征在于，导电杆与坚固螺栓接触的表面涂刷有高温导电银浆。

5.根据权利要求2所述的电连接器，其特征在于，位于固体氧化物燃料电池保温层内部的导电杆直径为4-10mm，L形导电杆短边的长度和长边的长度根据电堆的高度和保温层的厚度进行调整，长边长度为700-1000mm，导电杆的短边长度与长边长度的比例为1:10-30。

6.根据权利要求1-3中任一项所述的电连接器，其特征在于，坚固螺栓的材料为C276耐高温耐腐蚀的哈氏合金。

7.根据权利要求1-3中任一项所述的电连接器，其特征在于，导电杆为镀银的镍铬合金。

8.一种固体氧化物燃料电池系统外部连接电路，其包括一端与负载正极连接、另一端与燃料电池的电堆正极连接的正极汇流排，一端与负载负极连接、另一端与燃料电池电堆的负极连接的负极汇流排，正极汇流排与电堆正极之间、负极汇流排与电堆负极之间分别设有断路器，正极或负极汇流排上设有N个与电堆正极或负极连接的连接头；其中与电堆正极、负极连接的电连接器为权利要求1-7中任一项所述的电连接器，其包括分别与固体氧化物燃料电池的正负极连接的银或镀银镍铬合金导电杆、用于将导电杆固定于固体氧化物燃料电池正负极的坚固螺栓、套接在导电杆外侧起绝缘作用的高温陶瓷套管。

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