一种模块化固体氧化物燃料电池电堆制造技术

本发明专利技术涉及一种模块化固体氧化物燃料电池电堆，该电堆模块包括支撑框架、电堆堆芯、燃料分配管、燃料出气流腔、空气气流腔、紧固螺栓。所述支撑框架为整个模块提供结构支撑；燃料分配管位于支撑框架中心，起到均匀分配燃料气流的作用；多个电堆堆芯集成在支撑框架各对称位置；空气气流腔位于两个相邻电堆堆芯之间，含两个独立腔室，分别作为电堆空气进气流腔和空气出气流腔；紧固螺栓用于各气流腔的固定。本发明专利技术结构紧凑，减少了电堆装配部件数量，在保证气流均匀分配的情况下，缩小了整个模块的体积，通过模块的扩展和多个模块的组装可以实现大功率输出。

A modular solid oxide fuel cell stack

【技术实现步骤摘要】
一种模块化固体氧化物燃料电池电堆
本专利技术涉及燃料电池领域，具体涉及一种模块化固体氧化物燃料电池电堆。
技术介绍
固体氧化物燃料电池具有能量转化效率高、环保等优点。大面积平板式固体氧化物燃料电池单电池工作温度下理论开路电压只有1.2V左右，额定输出功率通常低于100W，为提升输出电压和功率，通常使用金属连接体将多片单电池串联起来形成电堆，金属连接体在其中扮演了导线的角色。为分隔燃料气和空气，在电池和连接体之间需填充密封材料。随着电堆内部电池数量的增加，密封区域的长度增加，电堆内部漏气的可能性也随之增加，这严重影响了电堆的长期稳定性。另外，电池数量增加还会影响电堆内部应力和气流分布的均匀性，这些都会对电堆的性能产生负面影响。与长堆相比，短堆功率密度更高，稳定性更好，商业化的大型固体氧化物燃料电池发电站多采用短堆(百瓦-千瓦级)串联或并联的方式来提升系统功率。直线连接的电堆模块导致整个电堆热箱过长，气体传输距离随之增加，导致整个系统热效率较低，各个电堆四周温度场的分布不均匀。随着电堆数量的增加，到达下游电堆的气体浓度随之降低，易出现气体供应不足的情况，整个系统的温度也不易控制。现有的将电堆置于多个中心对称的热盒内部的设计，电堆气体的分配在热箱外围完成，每个电堆之间通过管道连接，空间利用率较低，管道保温困难，独立的电堆热箱设计使得加工成本较高。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术中存在的技术问题，提供一种模块化固体氧化物燃料电池电堆，涉及模块化固体氧化物燃料电池电堆集成技术，适用于多个外流腔固体氧化物燃料电池电堆的集成方法，可解决上述现有的电堆集成方面存在的问题。本专利技术解决上述技术问题的技术方案如下：一种模块化固体氧化物燃料电池电堆，包括支撑框架、多个空气气流腔、多个电堆堆芯、多个燃料出气流腔、燃料分配管，所述支撑框架包括依次固定连接的顶板、中间框架、底板，所述中间框架呈正菱柱形状，每个所述电堆堆芯分别垂直所述中间框架的一个侧面设置，每个所述空气气流腔间隔设置在相邻的所述电堆堆芯之间，所述空气气流腔靠近所述电堆堆芯的侧面设有若干通孔，所述空气气流腔的外壳与所述电堆堆芯固定安装在所述底板上，所述空气气流腔、所述电堆堆芯、所述支撑框架密闭连接；所述空气气流腔的外壳上设有空气进气口以及空气出气口；所述燃料出气流腔的外壳安装在所述底板上、且与所述电堆堆芯上远离所述中间框架的一侧密闭连接，所述燃料出气流腔上设有残余燃气出口；所述燃料分配管安装在所述中间框架内，所述燃料分配管的底部穿过所述底板与外部连通。在工作过程中，预热的燃气由燃料分配管的底部流入，并通过支撑框架的中间框架流入到电堆堆芯中，预热的空气由空气气流腔的空气进气口流入电堆堆芯中，燃气与压缩空气在电堆堆芯出反应完成后，反应残余燃气经燃料出气流腔上的残余燃气出口流到下一工序，反应残留空气经空气气流腔的空气出气口流到下一工序，支撑框架为整个电堆模块提供支撑。本技术方案利用空气气流腔内部的气流腔室与电堆堆芯密闭连接，燃料分配管的预热燃气穿过中间框架直接进入电堆堆芯的反应区，省去了中间的管道连接部分，在保证输出功率的同时，极大缩小了电堆模块的体积。模块内部各个电堆相对于模块中心呈均匀的发散状排布，保证了通入各电堆堆芯内部气体流量的均匀性；模块化的对称设计保证了模块内部温度的均匀性；紧凑的密封设计减少了热量的耗散，提升了系统的整体效率；单个模块的累加可以实现大功率输出。优选地，所述燃料分配管顶部密封设置，所述燃料分配管位于所述中间框架内的管壁设有若干个燃气分配孔，若干个所述燃气分配孔呈均匀分布。燃料分配管顶部密封，管壁设置若干个均匀分布的燃气分配孔，使得预热的燃气进入燃料分配管后，由燃气分配孔均匀地流向多个对称设置的电堆堆芯，使电堆堆芯的反应均衡，使模块内的反应温度均匀。优选地，所述电堆堆芯由多片电池与连接体串联构成。根据实际需要设置多片串联的电池片，以增大输出功率。且多片电池分层设置，能使电池与待反应的燃气与空气更充分接触，有利于提高反应效率。优选地，所述空气气流腔的外壳为中空的三菱柱体，所述空气气流腔内设有纵向的隔板，所述隔板将所述空气气流腔分为空气进气流腔与空气出气流腔，空气进气口与所述空气进气流腔连通，所述空气出气口与所述空气出气流腔连通。空气气流腔内设置独立的空气进气流腔与空气出气流腔，防止预热的空气从空气进气口后未流入电堆堆芯而直接从空气出气口流出，降低材料利用率与反应效率，从而影响整个点对模块的反应效率。设置独立的空气进气流腔与空气出气流腔后，预热空气流入空气进气流腔，然后流经电堆堆芯，反应后再流入相邻的另一个空气气流腔的空气出气流腔，然后经其相连的空气出气口流出至下一工序，极大地提高了材料利用率与反应效率。空气进气流腔和空气出气流腔紧邻，经外围换热器预热后的空气可与反应完成后的高温气体进一步换热，提升系统的热效率。优选地，所述底板上设有多个纵向的通孔，所述空气进气口、所述空气出气口、所述燃料分配管分别穿过所述通孔。将此进气、出气口统一安排在底板上，集中化的设置，可减小整个模块的体积。优选地，所述空气气流腔的外壳顶部与所述支撑框架的顶板通过连接件固定连接，所述空气气流腔的外壳底部与所述支撑框架的底板通过连接件固定连接。支撑框架的顶板与支撑框架的底板为空气气流腔提供有效的支撑与固定，防止在反应过程中因模块的内外气压差导致空气气流腔移位，从而影响其与电堆堆芯之间的密闭性，导致能量耗散。优选地，所述燃料出气流腔的外壳上朝向所述电堆堆芯的一面设有凹台，所述凹台与所述电堆堆芯组成燃料出气流腔，所述凹台上设有贯穿所述燃料出气流腔的外壳的残余燃气出口。电堆堆芯中，多层电池之间的气体反应完后，反应残留空气穿过电堆堆芯流向空气出气流腔，残余的燃气在燃料出气流腔汇集，然后通过残余燃气出口流出电堆模块。优选地，所述燃料出气流腔的外壳顶部与所述支撑框架的顶板通过连接件固定连接，所述燃料出气流腔的外壳底部与所述支撑框架的底板通过连接件固定连接。支撑框架的顶板与支撑框架的底板为燃料出气流腔提供有效的支撑与固定，防止在反应过程中因模块的内外气压差导致气体泄漏。优选地，所述支撑框架采用高温不锈钢。因为支撑框架处于高温环境中，且与预热的空气接触，热空气中的氧气具有较强氧化性，易对支撑框架造成腐蚀。选用耐形变、耐腐蚀性能强的高温不锈钢能解决此类问题。本专利技术的有益效果是：本专利技术采用空气气流腔内部的气流腔室与电堆堆芯密闭连接，燃料分配管的预热燃气穿过中间框架直接进入电堆堆芯的反应区，省去了中间的管道连接部分，在保证输出功率的同时，极大缩小了电堆模块的体积。空气进气流腔和空气出气流腔紧邻，预热后的空气可与反应完成后的高温气体进一步换热，提升系统的热效率；模块内部各个电堆堆芯相对于模块中心呈均匀的发散状排布，保证了通入各电堆堆芯内部气体流量的均匀性；模块化的对称设计保证了模块内部温度的均匀性；紧凑的密封设计减少了热量的耗散，提升了系统的整体效率；单个模块的累加可以实现大功率输出。附图说明图1为本专利技术结构示意图；图2为本专利技术内部结构示意图1；图3为本专利技术内部结构示意图2；图4为本专利技术燃料分配管结构示意图；图5为本专利技术空气气流腔结构示意图；图6为本专利技术燃料出气流腔结构示意图；图7为本专利技术电堆堆芯本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种模块化固体氧化物燃料电池电堆，其特征在于，包括支撑框架(1)、多个空气气流腔(2)、多个电堆堆芯(3)、多个燃料出气流腔(4)、燃料分配管(5)，所述支撑框架(1)包括依次固定连接的顶板(101)、中间框架(102)、底板(103)，所述中间框架(102)呈正菱柱形状，每个所述电堆堆芯(3)分别垂直所述中间框架(102)的一个侧面设置，每个所述空气气流腔(2)设置在相邻的所述电堆堆芯(3)之间，所述空气气流腔(2)靠近所述电堆堆芯(3)的侧面设有若干通孔，所述空气气流腔(2)的外壳与所述电堆堆芯(3)固定安装在所述底板(103)上，所述空气气流腔(2)、所述电堆堆芯(3)、所述支撑框架(1)密闭连接；所述空气气流腔(2)的外壳上设有空气进气口(203)以及空气出气口(204)；所述燃料出气流腔(4)的外壳安装在所述底板(103)上、且与所述电堆堆芯(3)上远离所述中间框架(102)的一侧密闭连接，所述燃料出气流腔(4)上设有残余燃气出口(401)；所述燃料分配管(5)安装在所述中间框架(102)内，所述燃料分配管(5)的底部穿过所述底板(103)与外部连通。

【技术特征摘要】
1.一种模块化固体氧化物燃料电池电堆，其特征在于，包括支撑框架(1)、多个空气气流腔(2)、多个电堆堆芯(3)、多个燃料出气流腔(4)、燃料分配管(5)，所述支撑框架(1)包括依次固定连接的顶板(101)、中间框架(102)、底板(103)，所述中间框架(102)呈正菱柱形状，每个所述电堆堆芯(3)分别垂直所述中间框架(102)的一个侧面设置，每个所述空气气流腔(2)设置在相邻的所述电堆堆芯(3)之间，所述空气气流腔(2)靠近所述电堆堆芯(3)的侧面设有若干通孔，所述空气气流腔(2)的外壳与所述电堆堆芯(3)固定安装在所述底板(103)上，所述空气气流腔(2)、所述电堆堆芯(3)、所述支撑框架(1)密闭连接；所述空气气流腔(2)的外壳上设有空气进气口(203)以及空气出气口(204)；所述燃料出气流腔(4)的外壳安装在所述底板(103)上、且与所述电堆堆芯(3)上远离所述中间框架(102)的一侧密闭连接，所述燃料出气流腔(4)上设有残余燃气出口(401)；所述燃料分配管(5)安装在所述中间框架(102)内，所述燃料分配管(5)的底部穿过所述底板(103)与外部连通。2.根据权利要求1所述一种模块化固体氧化物燃料电池电堆，其特征在于，所述燃料分配管(5)顶部密封设置，所述燃料分配管(5)位于所述中间框架(102)内的管壁设有若干个燃气分配孔(501)，若干个所述燃气分配孔(501)呈均匀分布。3.根据权利要求1所述一种模块化固体氧化物燃料电池电堆，其特征在于，所述空气气流腔(2)的外壳为中空的三菱柱体，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：李箭，杨佳军，王傲，颜冬，贾礼超，蒲健，池波，
申请(专利权)人：武汉华科福赛新能源有限责任公司，
类型：发明
国别省市：湖北,42