CN212907812U - 供气结构装配体及具有其的电堆塔和发电系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出了一种供气结构装配体及具有其的电堆塔和发电系统。供气结构装配体为板状结构，其上设置有四条互不连通的气体通道，可同时为安装在其顶面和底面的两个电堆供气；所述气管接口设置在所述安装区之外，两个所述电堆连通口分别位于所述供气结构装配体顶面和底面的所述安装区内，所述连接通道设置在供气结构装配体的内部。与现有技术相比，本实用新型提供的供气结构装配体可将电堆底面气体通路的接口引向侧面，并且两个电堆可以背靠背设置在供气结构装配体的两侧，其装配形成的电堆塔结构紧凑，气路排布简单；电堆塔以及由该电堆塔组成的电池发电系统内的各个气路相互之间可靠分离，避免火灾风险。

Description

供气结构装配体及具有其的电堆塔和发电系统

技术领域

本实用新型涉及固体燃料电池技术领域，尤其涉及一种供气结构装配体及具有其的电堆塔和发电系统。

背景技术

固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种高效低排放的发电系统，固体氧化物燃料电池发电过程不受卡诺循环限制，因此其发电效率较高，而且工作温度远低于热力型氮氧化物的生成区间，配合前置脱硫措施等，可以实现完全零排放的发电过程，所以固体氧化物燃料电池是适合未来化石能源高效利用的一种发电方式，最适用于使用天然气或煤合成气等作为燃料的固定型分布式发电应用。

目前固体氧化物燃料电池工业化过程中的主要挑战来自于系统容量和单电堆规模之间的矛盾。尽管有Fuelcell energy等几家公司试图实现10kW级的电堆，单由于700-800摄氏度下高温和8英寸级单电池尺寸带来的热应力挑战超出了目前材料科学的水平，使得目前比较成熟的、可以规模商业化的单电堆规模仅在1kW左右。而固定型分布式发电市场所需要的单台装备规模一般处于几十kW到MW区间，使得如何连接多台电堆，同时提供电能成为必经的技术途径。而现有技术中，存在多电堆集成时结构不够紧凑，气路排布复杂的问题。

实用新型内容

针对上述现有技术中多电堆集成时结构不够紧凑，气路排布复杂的不足，本实用新型的目的在于提供一种供气结构装配体，该供气结构装配体在支撑电堆的同时向两个电堆供气，使用该供气结构装配体组装的电堆塔结构紧凑，气路排布简单。

本实用新型提供的一种供气结构装配体，其为板状结构，所述供气结构装配体的顶面和底面均具有用于和电堆相接触的安装区；所述供气结构装配体上设置有四条互不连通的气体通道；每条所述气体通道均包括气管接口、电堆连通口和连接通道；所述气管接口设置在所述安装区之外，所述电堆连通口至少设置有两个，至少两个所述电堆连通口分别设置在所述供气结构装配体顶面和底面的所述安装区内，所述连接通道设置在供气结构装配体的内部，所述气管接口通过所述连接通道与至少两个所述电堆连通口相连通。

优选地，所述供气结构装配体包括一块芯板和两块端板，两块所述端板分别紧密贴合在所述芯板的上表面和下表面，所述端板上的所述安装区内设置有至少四个所述电堆连通口，所述芯板上设置有四条所述连接通道。

优选地，所述端板上的所述安装区外内设置有四个所述气管接口。

优选地，所述芯板的侧面设置有四个所述气管接口。

与现有技术相比，本实用新型提供的供气结构装配体，由于供气结构装配体为板状结构，使其同时还对电堆具有支撑作用；由于4条气体通道相互之间可靠分离，从而使电堆塔以及由该电堆塔组成的电池发电系统内的各个气路相互之间可靠分离，避免火灾风险；通过供气结构装配体，可将电堆底面气体通路的接口引向侧面，有利于实现更佳的气体分配管路；由于供气结构装配体的顶面和底面均设置有电堆连通口，使两个电堆可以背靠背设置在供气结构装配体的两侧，其装配形成的电堆塔结构紧凑，气路排布简单。

本实用新型还提供了一种固体氧化物燃料电池电堆塔，包括多个堆叠的电堆组单元，每个所述电堆组单元包括一个如上所述的供气结构装配体和两个电堆，两个所述电堆分别设置在所述供气结构装配体的顶面和底面上，两个所述电堆内部的气体通路均通过所述供气结构装配体与外部气体管道相连通；同一电堆组单元中的两个所述电堆的电压方向相同，多个所述电堆组单元之间为同电压方向串联。

优选地，所述供气结构装配体内部的四条气体通道包括第一气体通道、第二气体通道、第三气体通道和第四气体通道；所述第一气体通道用于连通阳极进气管和两个所述电堆的阳极进口；第二气体通道用于连通阳极排气管和两个电堆的阳极出口；第三气体通道用于连通阴极进气管和两个电堆的阴极进口；第四气体通道用于连通阴极排气管和两个电堆的阴极出口。

优选地，在同一所述电堆塔中，所有所述电堆组单元上的所述第一气体通道均连接至同一所述阳极进气管，所有所述电堆组单元上的所述第二气体通道均连接至同一所述阳极排气管，所有所述电堆组单元上的所述第三气体通道均连接至同一阴极进气管，所有所述电堆组单元上的所述第四气体通道均连接至同一阴极排气管，从而使所述电堆塔上的各个所述电堆组单元之间的气体通路为并联。

本实用新型还提供了一种固体氧化物燃料电池发电系统，具有外部气体管道和电池电堆塔，所述外部气体管道包括阳极进气管、阳极排气管、阴极进气管以及阴极排气管，所述外部气体管道用于向所述电池电堆塔供气或排出所述电池电堆塔内的气体；所述电池电堆塔为如上所述的电池电堆塔。

优选地，所述外部气体管道由绝缘材料制成。

优选地，所述外部气体管道由多段管道连接组成，每段管道与相邻管道之间设置有绝缘管段，每段管道仅与一所述电堆组单元相连接。

与现有技术相比，本实用新型提供的固体氧化物燃料电池电堆塔及其电池发电系统，通过设置具有独立气体通道的供气结构装配体，并将两个电堆分别设置在供气结构装配体的顶面和底面上，实现使用一块供气结构装配体供应两个背靠背的电堆，使电堆塔具有更加紧凑的结构；通过供气结构装配体，可将电堆底面气体通路的接口引向侧面，有利于实现更佳的气体分配管路。由于电池电堆塔在电气上是串联的，电压高、电流低，效率较高；在气路上是并联的，配气均匀，保证了每个电堆的工作状态相类似，提高了发电系统的稳定性。

上述技术特征可以各种适合的方式组合或由等效的技术特征来替代，只要能够达到本实用新型的目的。

附图说明

在下文中将基于仅为非限定性的实施例并参考附图来对本实用新型进行更详细的描述。其中：

图1为本实用新型中一实施例提供的供气结构装配体的结构示意图；

图2为本实用新型中一实施例提供的供气结构装配体的透视图；

图3为图1中供气结构装配体的爆炸图；

图4为本实用新型中另一实施例提供的供气结构装配体的结构示意图；

图5为本实用新型中另一实施例提供的供气结构装配体的透视图；

图6为本实用新型中一实施例提供的固体氧化物燃料电池电堆塔的结构示意图；

图7为本实用新型中一实施例提供的电堆组单元的结构示意图；

图8为本实用新型中一实施例提供的固体氧化物燃料电池发电系统的结构示意图。

附图标记说明：

1、供气结构装配体；2、电堆；3、电堆组单元；4、芯板；5、端板；6、安装区；7a、第一气体通道；7b、第二气体通道；7c、第三气体通道；7d、第四气体通道；8a、阳极进气管接口；8b、阳极排气管接口；8c、阴极进气管接口；8d、阴极排气管接口；9a、第一连接通道；9b、第二连接通道；9c、第三连接通道；9d、第四连接通道；10a、电堆阳极进口连通口；10b、电堆阳极出口连通口；10c、电堆阴极进口连通口；10d、电堆阴极出口连通口；11a、阳极进气管；11b、阳极排气管；11c、阴极进气管；11d、阴极排气管；12、绝缘管段；13、固定杆；14、方管。

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，下面将对本实用新型的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本实用新型中的具体实施方式，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方式，都属于本实用新型所保护的范围。

供气结构装配体1为板状结构，供气结构装配体1包括顶面和底面，供气结构装配体1顶面和底面均具有用于和电堆2相接触的安装区6；供气结构装配体1上设置有四条互不连通的气体通道；每条气体通道均包括至少一个气管接口、至少两个电堆连通口以及一条连接通道；气管接口设置在安装区6之外，两个或两个以上数量的电堆连通口分别设置供气结构装配体1顶面和底面的安装区6内，以使供气结构装配体1顶面和底面的安装区6内分别具有至少一个电堆连通口，连接通道设置在供气结构装配体1的内部，一个气管接口通过一条连接通道与至少两个所述电堆连通口相连通。

如图1至图3所示，供气结构装配体1具有四条气体通道，每条气体通道均包括两个气管接口、两个电堆连通口以及连通气管接口和对应两个电堆连通口的连接通道。具体地，供气结构装配体1的顶面和底面分别上设置有4个气管接口和4个电堆连通口，供气结构装配体1内部设置有4条连接通道。4个气管接口均设置在安装区6之外，用于连接外部气体管道，4个气管接口分别为阳极进气管接口8a、阳极排气管接口8b、阴极进气管接口8c、阴极排气管接口8d；4个电堆连通口均设置在安装区6之内，4个电堆连通口用于连通同侧的电堆2内对应的气体通路，4个电堆连通口分别为电堆阳极进口连通口10a、电堆阳极出口连通口10b、电堆阴极进口连通口10c和电堆阴极出口连通口10d；4条连接通道设置在供气结构装配体1内部并且相互之间互不连通，4条连接通道分别为第一连接通道9a、第二连接通道9b、第三连接通道9c和第四连接通道9d。位于顶面和底面的两个阳极进气管接口8a通过第一连接通道9a与位于顶面和底面两个电堆阳极进口连通口10a相连通，形成了第一通道；位于顶面和底面的两个阳极排气管接口8b通过第二连接通道9b与位于顶面和底面的两个电堆阳极出口连通口10b相连通，形成了第二通道；位于顶面和底面的两个阴极进气管接口8c通过第三连接通道9c与位于顶面和底面的两个电堆阴极进口连通口10c相连通，形成了第三通道；位于顶面和底面的两个阴极排气管接口8d通过第四连接通道9d与位于顶面和底面的两个电堆阴极出口连通口10d相连通，形成了第四通道。阳极进气管接口8a用于连通阳极进气管11a，阳极排气管接口8b用于连通阳极排气管11b，阴极进气管接口8c用于连通阴极进气管11c，阴极排气管接口8d用于连通阴极排气管11d；电堆阳极进口连通口10a用于连通电堆2的阳极进口，电堆阳极出口连通口10b用于连通电堆2的阳极出口，电堆阴极进口连通口10c用于连通电堆2的阴极进口，电堆阴极出口连通口10d用于连通电堆2的阴极出口。

为了便于于外部气体管道连接，接口的形状优选为圆形。供气结构装配体1为板状结构，对电堆2具有支撑作用；并且由于4条通道相互之间可靠分离，避免火灾风险；通过供气结构装配体1，可将电堆2底面的气体通路的接口引向侧面，有利于实现更佳的气体分配管路。

供气结构装配体1上的气管接口的设置方式可有多种，如图1所示的，将气管接口设置在供气结构装配体1的顶面和底面的上，此时每条气体通道具有两个气管接口；在其他实施方式中，也可将气管接口设置在供气结构装配体1的侧面上，此时每条气体通道设置一个气管接口。

图3中是供气结构装配体1的爆炸图。供气结构装配体1有三块板组合而成，包括一块芯板4和两块端板5，其中两块端板5完全相同，两块端板5分别紧密贴合在芯板4的上表面和下表面。端板5上的安装区6内设置有电堆阳极进口连通口10a、电堆阳极出口连通口10b、电堆阴极进口连通口10c和电堆阴极出口连通口10d这四个电堆连通口，电堆连通口均为贯穿端板5厚度方向的通孔结构；端板5上安装区6之外设置有阳极进气管接口8a、阳极排气管接口8b、阴极进气管接口8c和阴极排气管接口8d这四个气管接口，四个气管接口均沿着端板5的厚度方向贯穿端板5；芯板4上开设有第一连接通道9a、第二连接通道9b、第三连接通道9c和第四连接通道9d这四条连接通道，连接通道均为贯穿芯板4厚度方向的通孔结构。位于两块端板5上的两个阴极进气管接口8c通过第三连接通道9c与位于两块端板5上的两个电堆阴极进口连通口10c相连通，形成了第三通道；位于两块端板5上的两个阴极排气管接口8d通过第四连接通道9d与位于两块端板5上的两个电堆阴极出口连通口10d相连通，形成了第四通道。

供气结构装配体1的四条气体通道中，四条气体通道所包括的电堆连通口的数量也可以不一样。具体地，在图1所示的实施例的基础上，增加第三通道和第四通道的电堆连通口数量。如图4、图5所示，第三通道的具有4个电堆阴极进口连通口10c，即供气结构装配体1的顶面和底面各设置有两个电堆阴极进口连通口10c；第四通道的具有四个电堆阴极出口连通口10d，即供气结构装配体1的顶面和底面各设置有两个电堆阴极出口连通口10d；这样可以有效扩大阴极气体流体通道的截面面积，减小气体通道对阴极气体的阻力。

位于顶面和底面的两个阴极进气管接口8c通过第三连接通道9c与位于顶面和底面的两个电堆阴极进口连通口10c相连通，形成了第三通道；位于顶面和底面的两个阴极排气管接口8d通过第四连接通道9d与位于顶面和底面的两个电堆阴极出口连通口10d相连通，形成了第四通道。

两块端板5可通过真空扩散焊或真空钎焊焊接到芯板4的上表面和下表面，从而形成封闭的气体通道和开放的气管接口。

本实用新型提供的供气结构装配体1可用于组装固体氧化物燃料电池电堆塔。

如图6是本实用新型提供的一种固体氧化物燃料电池电堆塔的结构示意图，该电堆塔由多个电堆组单元3堆叠而成，其中每个电堆组单元3包括两个电堆2以及一个用于支撑电堆2的供气结构装配体1。如图7所示，在一个电堆组单元3中，两个电堆2分别设置在供气结构装配体1的顶面和底面上，两个电堆2内部的气体通路均通过供气结构装配体1上的四条气体通道与外部气体管道相连通，具体地，第一气体通道7a用于连通阳极进气管11a与两个电堆2的阳极进口；第二气体通道7b用于连通阳极排气管11b与两个电堆2的阳极出口；第三气体通道7c用于连通阴极进气管11c与两个电堆2的阴极进口；第四气体通道7d用于连通阴极排气管11d与两个电堆2的和阴极出口。通过使用一块供气结构装配体1供应两个背靠背的电堆2，形成一个电堆组单元3，设置在供气结构装配体1上的两个电堆2互为镜像电堆，镜像电堆是指两个电堆2是的气体通道类似，但是电压方向与气体流动方向相反的两个电堆2，即一个电堆2中电压方向与气体流动方向相同，而另一个电堆2中电压方向与气体流动方向相反，也就是说，对于同样的电压方向，气体流向上，一个电堆2是底进底出，放置于供气结构装配体1之上，另一个电堆2为顶进顶出，放置于供气结构装配体1之下。这样两个电堆2形成两倍的电压(一般单个电堆2电压为40V，两个电堆2形成的电堆组单元3电压为80V左右)，同时其气体分配在拓扑形式上是并联的，使得每个电堆2可以获得同样的燃气和空气流量。同一电堆组单元3中的两个电堆2的电压方向相同，多个电堆组单元3之间为同电压方向串联连接。由这种电堆组单元3上下堆叠形成的电池电堆塔，其具有更加紧凑的结构；在一个电堆塔中，串联的电堆组单元3可以提供较高的电压，从而提高功率转化系统(power converter system，PCS)的工作效率，典型的电堆塔可以由3-4个电堆组单元3组成，提供240V左右的电压。多个上下堆叠的电堆组单元3可以通过方管14和固定杆13进行加以固定，其中在方管14与电堆塔之间设置绝缘垫片或有绝缘处理，以此避免电堆塔顶部和底部短路。

本实用新型提供的固体氧化物燃料电池电堆塔用于组装固体氧化物燃料电池发电系统。

图8为本实用新型提供的一种固体氧化物燃料电池发电系统的结构示意图。如图8所示，固体氧化物燃料电池发电系统具有用于气体分配的外部气体管道和电池电堆塔。其中，电池电堆塔为本实用新型提供的固体氧化物燃料电池电堆塔(以下简称电池电堆塔)。外部气体管道用于向电池电堆塔供气或排出电池电堆塔内的气体，外部气体管道设置在电池电堆塔的侧面，并且连接在供气结构装配体1的气管接口上。外部气体管道包括阳极进气管11a、阳极排气管11b、阴极进气管11c以及阴极排气管11d，阳极进气管11a通过第一通道与两个电堆2的阳极进口连通；阳极排气管11b通过第二通道与两个电堆2的阳极出口连通；阴极进气管11c通过第三通道与两个电堆2的阴极进口连通；阴极排气管11d通过第四通道与两个电堆2的阴极出口连通；同一电堆组单元3中的两个电堆2的电压方向相同，多个电堆组单元3之间为同电压方向串联连接。

为了避免同一电堆塔中处于上、下位置的相邻的电堆组单元3之间发生短路，需要使连接上、下位置的相邻的电堆组单元3的外部气体管路不导电。此时，各个外部气体管道可以全部由绝缘材料制成；或者，当外部气体管路为非绝缘材料制成时，可将外部气体管道设置为由多段管道连接组成的结构，每段管道仅与一电堆组单元3相连接，且每段管道与相邻管道之间设置有绝缘管段12，从而使得连接上、下位置的相邻的电堆组单元3的外部气体管路不导电。

一个固体氧化物燃料电池发电系统中可以设置有多个电池电堆塔，多个电堆塔可以和保温用的热箱及气体分配管路组成更大规模的发电系统。

最后应说明的是：以上实施方式及实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施方式及实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施方式或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，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型实施方式或实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种供气结构装配体，其特征在于，其为板状结构，所述供气结构装配体的顶面和底面均具有用于和电堆相接触的安装区；所述供气结构装配体上设置有四条互不连通的气体通道；每条所述气体通道均包括气管接口、电堆连通口和连接通道；所述气管接口设置在所述安装区之外，所述电堆连通口至少设置有两个，至少两个所述电堆连通口分别设置在所述供气结构装配体顶面和底面的所述安装区内，所述连接通道设置在供气结构装配体的内部，所述气管接口通过所述连接通道与至少两个所述电堆连通口相连通。

2.根据权利要求1所述的供气结构装配体，其特征在于，所述供气结构装配体包括一块芯板和两块端板，两块所述端板分别紧密贴合在所述芯板的上表面和下表面，所述端板上的所述安装区内设置有至少四个所述电堆连通口，所述芯板上设置有四条所述连接通道。

3.根据权利要求2所述的供气结构装配体，其特征在于，所述端板上的所述安装区外内设置有四个所述气管接口。

4.根据权利要求2所述的供气结构装配体，其特征在于，所述芯板的侧面设置有四个所述气管接口。

5.一种固体氧化物燃料电池电堆塔，其特征在于，包括多个堆叠的电堆组单元，每个所述电堆组单元包括一个如权利要求1-4中任一项所述的供气结构装配体和两个电堆，两个所述电堆分别设置在所述供气结构装配体的顶面和底面上，两个所述电堆内部的气体通路均通过所述供气结构装配体与外部气体管道相连通；同一电堆组单元中的两个所述电堆的电压方向相同，多个所述电堆组单元之间为同电压方向串联。

6.根据权利要求5所述的固体氧化物燃料电池电堆塔，其特征在于，所述供气结构装配体内部的四条气体通道包括第一气体通道、第二气体通道、第三气体通道和第四气体通道；所述第一气体通道用于连通阳极进气管和两个所述电堆的阳极进口；第二气体通道用于连通阳极排气管和两个电堆的阳极出口；第三气体通道用于连通阴极进气管和两个电堆的阴极进口；第四气体通道用于连通阴极排气管和两个电堆的阴极出口。

7.根据权利要求6所述的固体氧化物燃料电池电堆塔，其特征在于，在同一所述电堆塔中，所有所述电堆组单元上的所述第一气体通道均连接至同一所述阳极进气管，所有所述电堆组单元上的所述第二气体通道均连接至同一所述阳极排气管，所有所述电堆组单元上的所述第三气体通道均连接至同一阴极进气管，所有所述电堆组单元上的所述第四气体通道均连接至同一阴极排气管，从而使所述电堆塔上的各个所述电堆组单元之间的气体通路为并联。

8.一种固体氧化物燃料电池发电系统，具有外部气体管道和电池电堆塔，其特征在于，所述外部气体管道包括阳极进气管、阳极排气管、阴极进气管以及阴极排气管，所述外部气体管道用于向所述电池电堆塔供气或排出所述电池电堆塔内的气体；所述电池电堆塔为权利要求5-7中任一项所述的电池电堆塔。

9.根据权利要求8所述的固体氧化物燃料电池发电系统，其特征在于，所述外部气体管道由绝缘材料制成。

10.根据权利要求8所述的固体氧化物燃料电池发电系统，其特征在于，所述外部气体管道由多段管道连接组成，每段管道与相邻管道之间设置有绝缘管段，每段管道仅与一所述电堆组单元相连接。

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