CN220553472U - 一种固体氧化物燃料电池系统的电堆堆栈结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种固体氧化物燃料电池系统的电堆堆栈结构。该电堆堆栈结构包括一个单排式电堆塔组件以及热辅助部件，所述热辅助部件环绕于所述一个单排式电堆塔组件的外部。所述单排式电堆塔组件用于对燃料气体进行电化学反应并产生反应气体，高温的空气流经所述单排式电堆塔组件用于为电化学反应提供热量。所述热辅助部件用于对进入单排式电堆塔组件的空气和燃料气体进行加热以及流出单排式电堆塔组件的空气和反应气体进行热量回收。本实用新型在确保电堆堆栈结构紧凑的基础上，能够尽量减少局部热应力的产生，延长电堆堆栈结构的使用寿命。

Description

一种固体氧化物燃料电池系统的电堆堆栈结构

技术领域

本实用新型涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种固体氧化物燃料电池系统的电堆堆栈结构。

背景技术

固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Electrolysis Cell，简称SOEC)技术是一种中高温下利用电能将水蒸气分解为氢气和氧气的电池装置。随着碳中和目标的推进，我们国家正在逐步摆脱对化石能源消耗的依赖，而氢能源作为一种非常理想的清洁能源，也亟待得到更高效的制造和利用。作为备受期待的新一代水电解装置，SOEC能够有效利用余热并稳定提供低碳电力，从理论上，效率是高于低温制氢模式的。

目前，国内外在SOEC的发展上都倾向于大功率项目的发展。为实现大功率SOEC项目长期稳定发展，电堆堆栈的结构设计至关重要。随着大功率SOEC项目的发展，多个电堆形成的堆栈结构会面临热分布不均的情况，进而影响整个堆栈的热应力分布，影响堆栈的使用寿命。

上述热分布不均的问题是由于多个电堆处于一个热环境里面，是由大约七百度左右的气体进入电堆形成热环境，由于气体所携带的热量从内到外传递，存在一定的热阻，热阻会导致电堆外侧和电堆内侧温度不一致；根据热胀冷缩的原理，电堆外侧和电堆内侧温度不一致会导致热应力的形成，不利于电堆运行的长期稳定性，影响堆栈的使用寿命。

实用新型内容

实用新型目的：本实用新型所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种固体氧化物燃料电池系统的电堆堆栈结构，在确保电堆堆栈结构紧凑的基础上，能够尽量减少局部热应力的产生，延长电堆堆栈结构的使用寿命。

为了解决上述技术问题，本实用新型公开了一种固体氧化物燃料电池系统的电堆堆栈结构。该电堆堆栈结构包括一个单排式电堆塔组件以及热辅助部件，所述热辅助部件环绕于所述一个单排式电堆塔组件的外部。所述单排式电堆塔组件用于对燃料气体进行电化学反应并产生反应气体，高温的空气流经所述单排式电堆塔组件用于为电化学反应提供热量。所述热辅助部件用于对进入单排式电堆塔组件的空气和燃料气体进行加热以及流出单排式电堆塔组件的空气和反应气体进行热量回收。

本实用新型通过将电堆塔组件设置成单排，热辅助部件设置于单排式电堆塔组件的外部，减小了热辅助部件对电堆进行加热的热阻和热损，从而在一定程度上降低了因热分布不均导致的热应力。

具体的，所述单排式电堆塔组件包括多个电堆塔，所述多个电堆塔沿垂直于高度方向的方向呈单排设置。

具体的，所述单排式电堆塔组件包括下夹板，所述下夹板设置于所述多个电堆塔的下方。每个所述电堆塔的顶部设置有一个上夹板。各上夹板与所述下夹板通过螺栓紧固连接时，所述电堆塔与所述下夹板固定连接。

具体的，每个电堆塔均包括多个电堆，所述多个电堆沿所述电堆的高度方向上依次串联堆叠形成电堆堆栈单体，相邻电堆之间设置有用于电堆间导电的银片。所述电堆堆栈单体朝向高度方向的相对设置的两端均连接有集电板，所述集电板用于与外部电源连接以将电流导入所述电堆堆栈单体。每个电堆还包括燃料进气口、燃料出气口、空气进气口以及空气出气口。

具体的，所述单排式电堆塔组件还包括上绝缘垫片与下绝缘垫片，在每个电堆塔中，所述上绝缘垫片间隔所述上夹板与所述电堆塔对应端的集电板，所述下绝缘垫片间隔所述下夹板与所述电堆塔另一端的集电板。

具体的，所述单排式电堆塔组件包括燃料进气总管、空气进气总管、燃料出气总管以及空气出气总管。

各电堆的燃料进气口分别连接有一个燃料进气三级管，对于每个电堆塔，其全部的燃料进气三级管形成一个燃料进气三级管组，对于每个燃气进气三级管组设置有一个燃料进气二级管，该燃料进气二级管的一端与该燃料进气三级管组的每个燃料进气三级管连接，该燃料进气二级管的另一端与所述燃料进气总管连接。

各电堆的空气进气口分别连接有一个空气进气三级管，对于每个电堆塔，其全部的空气进气三级管形成一个空气进气三级管组，对于每个空气进气三级管组设置有一个空气进气二级管，该空气进气二级管的一端与该空气进气三级管组的每个空气进气三级管连接，该空气进气二级管的另一端与所述空气进气总管连接。

各电堆的燃料出气口均与燃料出气总管连通。各电堆的空气出气口均与空气出气总管连通。

具体的，各电堆的燃料出气口均与燃料出气总管连通，包括：

各电堆的燃料出气口分别连接有一个燃料出气三级管，对于每个电堆塔，其全部的燃料出气三级管形成一个燃料出气三级管组，对于每个燃气出气三级管组设置有一个燃料出气二级管，该燃料出气二级管的一端与该燃料出气三级管组的每个燃料出气三级管连接，该燃料出气二级管的另一端与所述燃料出气总管连接。

具体的，各电堆的空气出气口均与空气出气总管连通，包括：

各电堆的空气出气口分别连接有一个空气出气三级管，对于每个电堆塔，其全部的空气出气三级管形成一个空气出气三级管组，对于每个空气出气三级管组设置有一个空气出气二级管，该空气出气二级管的一端与该空气出气三级管组的每个空气出气三级管连接，该空气出气二级管的另一端与所述空气出气总管连接。

具体的，对于每个所述集电板设置有一个集电柱，所述集电柱电连接对应的集电板以及外部电源。

具体的，每个集电柱的外部套设有陶瓷套管。

有益效果：

本实用新型提供的一种固体氧化物燃料电池系统的电堆堆栈结构采用将电堆塔横向排布成单排，并且在外部增添热辅助部件的方式，使得整体在结构紧凑的基础上，能够尽量减少局部热应力的产生，延长电堆堆栈结构的使用寿命。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做更进一步的具体说明，本实用新型的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1为本实用新型的一个实施例给出的一种固体氧化物燃料电池系统的电堆堆栈结构的主视图；

图2为图1所示的一种固体氧化物燃料电池系统的电堆堆栈结构的俯视图；

图3为图1所示的一种固体氧化物燃料电池系统的电堆堆栈结构的右视图；

图4为图1所示的一种固体氧化物燃料电池系统的电堆堆栈结构中的电堆塔的主视图。

图5为图4所示的一种固体氧化物燃料电池系统的电堆堆栈结构中的电堆塔的后视图。

图6为图4所示的一种固体氧化物燃料电池系统的电堆堆栈结构中的电堆塔的右视图。

本申请的附图标记如下所示：

电堆塔1、燃料进气总管2、空气进气总管3、燃料出气总管4、空气出气总管5、热辅助部件6、空气进气二级管7、燃料进气二级管8、上夹板9、下夹板10、集电板11、陶瓷套管12、集电柱13、电堆14、空气进气三级管15、燃料进气三级管16、空气出气二级管17、燃料出气二级管18、银片19、上绝缘垫片20、空气出气三级管21、燃料出气三级管22以及下绝缘垫片23。

具体实施方式

下面结合附图对本申请的技术方案进行详尽的描述。

本实用新型公开了一种固体氧化物燃料电池系统的电堆堆栈结构。如图1至图3所示，该固体氧化物燃料电池系统的电堆堆栈结构包括一个单排式电堆塔组件以及热辅助部件6，热辅助部件6环绕于一个单排式电堆塔组件的外部。

单排式电堆塔组件用于对燃料气体进行电化学反应并产生气体，高温的空气流经单排式电堆塔组件用于为电化学反应提供热量。

热辅助部件6用于对进入单排式电堆塔组件的空气和燃料气体进行加热以及流出单排式电堆塔组件的空气和反应气体进行热量回收。

参见图1和图2，单排式电堆塔组件整体呈长方体形，热辅助部件6环绕于单排式电堆塔组件的外部，形成一个长方形的区域。

相比于现有技术中热辅助部件6对由若干电堆塔1布满整个区域形成的电堆14堆栈进行高温热平衡而言，本实用新型通过将电堆塔组件设置成单排，热辅助部件6设置于单排式电堆塔组件的外部，减小了热辅助部件6对电堆14进行加热的热阻和热损，从而在一定程度上降低了因热分布不均导致的热应力。

要说明的是，热辅助部件6包括空气换热器、燃料气换热器、空气加热器、燃料气加热器以及平衡换热器。其中，空气换热器与燃料气换热气是将电堆出来的高温气体与进入电堆的低温气体进行换热，对电堆尾气中的高温余热进行回收。空气加热器和燃料气加热器是将进入电堆的气体进行进一步加热，以达到预期温度。平衡换热器是空气和燃料气进入电堆前进行换热，保证进入电堆的空气和燃料气温度一致。热辅助部件6与电堆塔1的配合可实现固体氧化物燃料电池系统的高温热平衡，热辅助部件6不是本实用新型要求保护的结构，因此只在图2中示出了其相对于单排式电堆塔组件的位置，图中并未示出热辅助部件6的具体结构。

具体的，单排式电堆塔组件包括多个电堆塔1，多个电堆塔1沿垂直于高度方向的方向呈单排设置。在一个特定实施例中，如图1所示，单排式电堆塔组件包括三个电堆塔1。

具体的，如图1所示，单排式电堆塔组件包括下夹板10，下夹板10设置于多个电堆塔1的下方。每个电堆塔1的顶部设置有一个上夹板9。各上夹板9与下夹板10通过螺栓紧固连接时，电堆塔1与下夹板10固定连接。

具体的，如图4至图6所示，每个电堆塔1均包括多个电堆14，多个电堆14沿电堆14的高度方向上依次串联堆叠形成电堆堆栈单体，相邻电堆14之间设置有用于电堆14间导电的银片19。电堆堆栈单体朝向高度方向的相对设置的两端均连接有集电板11，集电板11用于与外部电源连接以将电流导入电堆堆栈单体。每个电堆14还包括燃料进气口、燃料出气口、空气进气口以及空气出气口。图中未示出燃料进气口、燃料出气口、空气进气口以及空气出气口。

具体的，如图4至图5所示，单排式电堆塔组件还包括上绝缘垫片20与下绝缘垫片23，在每个电堆塔1中，上绝缘垫片20间隔上夹板9与电堆塔1对应端的集电板11，下绝缘垫片23间隔下夹板10与电堆塔1另一端的集电板11。上绝缘垫片20与下绝缘垫片23均可以是云母垫片。

具体的，如图1至图3所示，单排式电堆塔组件包括燃料进气总管2、空气进气总管3、燃料出气总管4以及空气出气总管5。燃料进气总管2与空气进气总管3分别与热辅助部件6中对应的电加热器出口连通。燃料出气总管4与空气出气总管5分别与热辅助部件6中对应的换热器进气口连通。

如图1和图5所示，各电堆14的燃料进气口分别连接有一个燃料进气三级管16，对于每个电堆塔1，其全部的燃料进气三级管16形成一个燃料进气三级管组，对于每个燃气进气三级管组设置有一个燃料进气二级管8，该燃料进气二级管8的一端与该燃料进气三级管组的每个燃料进气三级管16连接，该燃料进气二级管8的另一端与燃料进气总管2连接。

如图1和图4所示，各电堆14的燃料出气口分别连接有一个燃料出气三级管22，对于每个电堆塔1，其全部的燃料出气三级管22形成一个燃料出气三级管组，对于每个燃气出气三级管组设置有一个燃料出气二级管18，该燃料出气二级管18的一端与该燃料出气三级管组的每个燃料出气三级管22连接，该燃料出气二级管18的另一端与燃料出气总管4连接。

如图1和图4所示，各电堆14的空气进气口分别连接有一个空气进气三级管15，对于每个电堆塔1，其全部的空气进气三级管15形成一个空气进气三级管组，对于每个空气进气三级管组设置有一个空气进气二级管7，该空气进气二级管7的一端与该空气进气三级管组的每个空气进气三级管15连接，该空气进气二级管7的另一端与空气进气总管3连接。

如图1和图5所示，各电堆14的空气出气口分别连接有一个空气出气三级管21，对于每个电堆塔1，其全部的空气出气三级管21形成一个空气出气三级管组，对于每个空气出气三级管组设置有一个空气出气二级管17，该空气出气二级管17的一端与该空气出气三级管组的每个空气出气三级管21连接，该空气出气二级管17的另一端与空气出气总管5连接。

具体的，如图1和图4所示，对于每个集电板11设置有一个集电柱13，集电柱13电连接对应的集电板11以及外部电源。

具体的，如图1和图4所示，每个集电柱13的外部套设有陶瓷套管12。

实施例1

参见图1至图2，三个电堆塔1横向排成一列，便于在电堆堆栈结构的升温过程中通过调节热辅助部件6对电堆堆栈结构进行快速的升降温操作。

参见图1和图2，在电堆14进气的设计上，采用了气路并联以及分级连接的方式，以满足在多堆共同工作时，进气能够保持相对均匀。

在本申请的固体氧化物燃料电池系统的电堆堆栈结构正常工作过程中，燃料气体经由燃料进气总管2分别进入燃料进气二极管，再由燃料进气二极管分别进入燃料进气三极管，通过燃料进气三极管进入电堆14发生电化学反应产生反应气体，反应气体依次通过燃料出气三级管22、燃料出气二级管18、燃料出气总管4流出。空气流向与之类似。

图4给出了本实用新型的一个实施例给出的一种固体氧化物燃料电池系统的电堆堆栈结构中的电堆塔的主视图。关于电堆14之间的集成方式，电堆14之间采用串联的形式，电堆14之间通过银片19进行电连接，最上面的电堆14上方和最下面的电堆14下方加装集电板，集电板通过与外部电源连接为电堆14提供电流。在最上面的集电板上面和最下面的集电板下面，加装云母垫片使外部构件如上夹板9和下夹板10与电堆14绝缘。上夹板9与下夹板10之间通过加紧螺栓进行连接并紧固。

本实用新型提供了一种固体氧化物燃料电池系统的电堆堆栈结构的思路及方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (10)

1.一种固体氧化物燃料电池系统的电堆堆栈结构，其特征在于，包括一个单排式电堆塔组件以及热辅助部件(6)，所述热辅助部件(6)环绕于所述一个单排式电堆塔组件的外部；所述单排式电堆塔组件用于对燃料气体进行电化学反应并产生反应气体，高温的空气流经所述单排式电堆塔组件用于为电化学反应提供热量；所述热辅助部件(6)用于对进入单排式电堆塔组件的空气和燃料气体进行加热以及流出单排式电堆塔组件的空气和反应气体进行热量回收。

2.根据权利要求1所述的一种固体氧化物燃料电池系统的电堆堆栈结构，其特征在于，所述单排式电堆塔组件包括多个电堆塔(1)，所述多个电堆塔(1)沿垂直于高度方向的方向呈单排设置。

3.根据权利要求2所述的一种固体氧化物燃料电池系统的电堆堆栈结构，其特征在于，所述单排式电堆塔组件包括下夹板(10)，所述下夹板(10)设置于所述多个电堆塔(1)的下方；每个所述电堆塔(1)的顶部设置有一个上夹板(9)；各上夹板(9)与所述下夹板(10)通过螺栓紧固连接时，所述电堆塔(1)与所述下夹板(10)固定连接。

4.根据权利要求3所述的一种固体氧化物燃料电池系统的电堆堆栈结构，其特征在于，每个电堆塔(1)均包括多个电堆(14)，所述多个电堆(14)沿所述电堆(14)的高度方向上依次串联堆叠形成电堆堆栈单体，相邻电堆(14)之间设置有用于电堆(14)间导电的银片(19)；所述电堆堆栈单体朝向高度方向的相对设置的两端均连接有集电板(11)，所述集电板(11)用于与外部电源连接以将电流导入所述电堆堆栈单体；每个电堆(14)还包括燃料进气口、燃料出气口、空气进气口以及空气出气口。

5.根据权利要求4所述的一种固体氧化物燃料电池系统的电堆堆栈结构，其特征在于，所述单排式电堆塔组件还包括上绝缘垫片(20)与下绝缘垫片(23)，在每个电堆塔(1)中，所述上绝缘垫片(20)间隔所述上夹板(9)与所述电堆塔(1)对应端的集电板(11)，所述下绝缘垫片(23)间隔所述下夹板(10)与所述电堆塔(1)另一端的集电板(11)。

6.根据权利要求4所述的一种固体氧化物燃料电池系统的电堆堆栈结构，其特征在于，所述单排式电堆塔组件包括燃料进气总管(2)、空气进气总管(3)、燃料出气总管(4)以及空气出气总管(5)；

各电堆(14)的燃料进气口分别连接有一个燃料进气三级管(16)，对于每个电堆塔(1)，其全部的燃料进气三级管(16)形成一个燃料进气三级管组，对于每个燃气进气三级管组设置有一个燃料进气二级管(8)，该燃料进气二级管(8)的一端与该燃料进气三级管组的每个燃料进气三级管(16)连接，该燃料进气二级管(8)的另一端与所述燃料进气总管(2)连接；

各电堆(14)的空气进气口分别连接有一个空气进气三级管(15)，对于每个电堆塔(1)，其全部的空气进气三级管(15)形成一个空气进气三级管组，对于每个空气进气三级管组设置有一个空气进气二级管(7)，该空气进气二级管(7)的一端与该空气进气三级管组的每个空气进气三级管(15)连接，该空气进气二级管(7)的另一端与所述空气进气总管(3)连接；

各电堆(14)的燃料出气口均与燃料出气总管(4)连通；各电堆(14)的空气出气口均与空气出气总管(5)连通。

7.根据权利要求6所述的一种固体氧化物燃料电池系统的电堆堆栈结构，其特征在于，各电堆(14)的燃料出气口均与燃料出气总管(4)连通，包括：

各电堆(14)的燃料出气口分别连接有一个燃料出气三级管(22)，对于每个电堆塔(1)，其全部的燃料出气三级管(22)形成一个燃料出气三级管组，对于每个燃气出气三级管组设置有一个燃料出气二级管(18)，该燃料出气二级管(18)的一端与该燃料出气三级管组的每个燃料出气三级管(22)连接，该燃料出气二级管(18)的另一端与所述燃料出气总管(4)连接。

8.根据权利要求6所述的一种固体氧化物燃料电池系统的电堆堆栈结构，其特征在于，各电堆(14)的空气出气口均与空气出气总管(5)连通，包括：

各电堆(14)的空气出气口分别连接有一个空气出气三级管(21)，对于每个电堆塔(1)，其全部的空气出气三级管(21)形成一个空气出气三级管组，对于每个空气出气三级管组设置有一个空气出气二级管(17)，该空气出气二级管(17)的一端与该空气出气三级管组的每个空气出气三级管(21)连接，该空气出气二级管(17)的另一端与所述空气出气总管(5)连接。

9.根据权利要求5所述的一种固体氧化物燃料电池系统的电堆堆栈结构，其特征在于，对于每个所述集电板(11)设置有一个集电柱(13)，所述集电柱(13)电连接对应的集电板(11)以及外部电源。

10.根据权利要求9所述的一种固体氧化物燃料电池系统的电堆堆栈结构，其特征在于，

每个集电柱(13)的外部套设有陶瓷套管(12)。