三流道固体氧化物燃料电池单元结构及电池堆制造技术

本发明专利技术公开一种三流道固体氧化物燃料电池单元结构及电池堆，包括单电池，单电池的阳极侧和阴极侧分别设置有阳极接触导电材料和阴极接触导电材料；连接体，连接体设置在两个单电池之间，且连接体的上下两侧分别与阳极接触导电材料和阴极接触导电材料相接触，连接体与阳极接触导电材料接触的一侧留有多个燃料气流道，连接体与阴极接触导电材料接触的一侧留有多个氧化剂气流道，连接体的内部设有一空腔流道作为气体分配流道，空腔流道内设有用于电池前期加热的电加热元件和/或用于裂解重整用的催化剂。本发明专利技术通过设置的空腔流道提升了电堆热量传递、高效换热和整体热能利用率，并且在燃料裂解与重整时会提高发电效率。且在燃料裂解与重整时会提高发电效率。且在燃料裂解与重整时会提高发电效率。

【技术实现步骤摘要】
三流道固体氧化物燃料电池单元结构及电池堆


[0001]本专利技术涉及清洁能源燃料电池
，特别涉及一种三流道固体氧化物燃料电池单元结构及电池堆。

技术介绍

[0002]固体氧化物燃料电池（SOFC）是一种在中高温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地转化成电能的全固态化学发电装置，它主要工作在相对较高的温度（500℃～800℃），除了传统的氢气，氨气、甲烷、甲醇、乙醇、柴油等碳氢体系燃料均可作为SOFC的燃料，具有灵活的燃料选择性。固体氧化物燃料电池因其高发电效率（50%～70%）、低成本（无需贵重金属）、燃料适应性强、低的温室气体排放量等优点，并且其余热品质高，与燃气轮机或蒸汽机等联供，可实现能量综合利用率达80%～95%，已逐渐成为一种适合商业化的高效发电设备。
[0003]固体氧化物燃料电池在工作时温度较高，前期升温需要较大热量，且由于电池受热应力影响防止破裂，升温速率不高，因此存在所耗时间较长的问题；同时，当电池进行发电时，内部由于欧姆阻抗会产生较多热量，这就需要利用大量的气体进行换热；此外，多碳链燃料需要经过外重整转变为氢气、一氧化碳、甲烷等合成气后才能供给电堆发电，存在一定能耗。
[0004]针对上述技术问题，现有的解决方案是在固体氧化物燃料电池单元结构中设计燃料气流道和氧化剂气流道两条流道，将大量氧化剂通入电池进行换热升温。然而，由于气体与电池换热并不充分，导致电池达到额定工作温度所耗时间极长，特别不适合某些对冷启动时间有要求的应用场景。同时，当电池发电产热时，单纯的靠大量氧化剂通入电池带走多余热量，随后与电堆未反应完全的燃料气一通进入系统燃烧室进行燃烧后排放，会导致排放中存在较多未利用的氧化剂。这种结构在以空气作为氧化剂，用于固定式或分布式等对冷启动时间要求不高的发电场景时弊端并不明显，但是针对一些空气稀薄、甚至无空气以及冷启动时间要求快的应用场景来说，这种两流道的固体氧化物燃料电池就存在冷启动慢、氧化剂（如氧气）利用不充分等问题。并且，随着氧气浓度的提升，此种利用不充分现象更加严重，导致所需携带的氧化剂量大幅增加，相应的储存罐重量等装置亦进一步增加，从而降低了固体氧化物燃料电池因高发电效率带来的高能量密度的优势。例如授权公告号为CN211125289U的中国技术专利“一种固体氧化物燃料电池堆”中就只设有燃料气流通道和空气气流道两条流道，存在如下不足：固体氧化物燃料电池堆的工作温度往往为650℃～750℃，发电过程中电堆内部存在巨大的内阻发热量堆积，为了平衡电堆电化学产生的热量，需要通入大量的空气进行换热升温，然而空气的换热系数低、热响应慢；同时，空气流量的增加亦会导致压损变大与供给风机功耗增加，无法提升电堆冷启动速率以及发电效率。又如公布号为CN110600776A公开的中国专利技术专利申请“一种内重整固体氧化物燃料电池电堆”，该结构中采用外流腔结构，仅有燃料流腔和空气流腔，存在与上述专利相似的问题。另外，该专利申请的技术方案中将阳极气流分配板上浸渍催化剂来实现天然气与水蒸汽的内
部重整，存在以下不足：1）天然气内含有大量甲烷、少量乙烷与丙烷，在电堆650℃～750℃工作温度以及阳极为Ni的条件下，重整反应速率大于电化学反应消耗速率，阳极气流分配板与阳极直接接触，极易导致阳极内部积碳，使电堆失效；2）重整反应在电池阳极侧发生，存在较大的吸热量，导致电池温差影响较大，仅仅靠空气换热，没有辅助加热的情况下，整体热响应速度较慢，电堆热平衡以及快速响应特性较差。

技术实现思路

[0005]为了解决上述技术问题，本专利技术提出一种三流道固体氧化物燃料电池单元结构及电池堆，可将固体氧化物燃料电池反应所发的大量热量由空腔流道中流通的换热介质进行高效换热，而不需要大量的氧化剂进入电堆后与燃料气在燃烧室内进行混合燃烧排放，避免了氧化剂利用不充分。同时，可有效增加电池阴极侧氧化剂的氧气浓度，实现固体氧化物燃料电池发电效率的进一步提升，既不影响电堆的整体热量平衡，又不会造成氧化剂的利用不充分。
[0006]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案如下：一方面，本专利技术提供一种三流道固体氧化物燃料电池单元结构，包括：单电池，所述单电池的阳极侧和阴极侧分别设置有阳极接触导电材料和阴极接触导电材料，所述阳极接触导电材料通过阳极密封体固定，所述阴极接触导电材料通过阴极密封体固定；连接体，所述连接体设置在两个相邻单元结构的两个所述单电池之间，且所述连接体的上下两侧分别与所述阳极接触导电材料和阴极接触导电材料相接触，所述连接体与所述阳极接触导电材料接触的一侧留有多个燃料气流道，所述连接体与所述阴极接触导电材料接触的一侧留有多个氧化剂气流道，所述连接体的内部设有一空腔流道作为气体分配流道，用于换热介质的流通，所述空腔流道内设有用于电池前期加热的电加热元件和/或用于裂解重整用的催化剂。
[0007]优选的，所述空腔流道的高度至少为所述连接体厚度的一半。
[0008]进一步优选的，所述空腔流道贯通于所述连接体的两侧，且所述空腔流道的内部结构形式为直线形流道或蛇形流道。
[0009]进一步优选的，所述空腔流道被均匀分割为多个形状相同的气体分配流道，每个所述气体分配流道中均设有所述电加热元件和/或所述催化剂。
[0010]优选的，所述连接体为金属材料结构或金属与陶瓷的复合材料结构，所述金属材料结构为具有催化活性的材料体系，所述陶瓷为具有氧离子导电能力的材料体系。
[0011]优选的，所述电加热元件包括耐高温加热片、电热丝、加热板或加热棒。
[0012]优选的，所述气体分配流道中流通的换热介质为具有高换热能力的流体，包括空气、氮气、氦气、二氧化碳、氧气、水蒸汽、甲烷或氨气。
[0013]优选的，所述单电池的阳极侧且位于所述阳极接触导电材料的外围设置有用于固定的边框体。
[0014]进一步优选的，所述单电池包括平板支撑型或扁管型的单电池结构。
[0015]另一方面，本专利技术还提供一种三流道固体氧化物燃料电池堆，所述电池堆包括至少两个模块化的上述技术方案中所述的三流道固体氧化物燃料电池单元结构。
[0016]与现有技术相比，本专利技术的有益效果主要包括：本专利技术提供的一种三流道固体氧化物燃料电池单元结构及电池堆，在保留了现有燃料气流道和氧化剂流道两条流道的基础上，创新性地在连接体内部设置空腔流道作为换热介质流通的气体分配流道，以此形成三流道，通过新增加的空腔流道中的换热介质及电加热元件，可有效缩短固体氧化物燃料电池的升温时间，而不再依靠通入大量的氧化剂带走多余热量，解决了氧化剂利用不充分的问题，实现了固体氧化物燃料电池换热的灵活性，适用范围广，尤其对于一些空气稀薄甚至无空气的密闭环境。同时，将氨以及碳氢体系燃料通入空腔流道中可利用电化学反应产生的多余热量实现氨与碳氢燃料的裂解重整制氢，提高了整体燃料的利用率与发电效率。此外，本专利技术在保证电池热量平衡的条件下，提升了阴极侧氧化剂氧气浓度，实现了电池发电效率的进一步提升，能够充分高效的利用氧化剂资源，发挥固体氧化本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种三流道固体氧化物燃料电池单元结构，其特征在于，包括：单电池，所述单电池的阳极侧和阴极侧分别设置有阳极接触导电材料和阴极接触导电材料，所述阳极接触导电材料通过阳极密封体固定，所述阴极接触导电材料通过阴极密封体固定；连接体，所述连接体设置在两个相邻单元结构的两个所述单电池之间，且所述连接体的上下两侧分别与所述阳极接触导电材料和阴极接触导电材料相接触，所述连接体与所述阳极接触导电材料接触的一侧留有多个燃料气流道，所述连接体与所述阴极接触导电材料接触的一侧留有多个氧化剂气流道，所述连接体的内部设有一空腔流道作为气体分配流道，用于换热介质的流通，所述空腔流道内设有用于电池前期加热的电加热元件和/或用于裂解重整用的催化剂。2.根据权利要求1所述的一种三流道固体氧化物燃料电池单元结构，其特征在于，所述空腔流道的高度至少为所述连接体厚度的一半。3.根据权利要求2所述的一种三流道固体氧化物燃料电池单元结构，其特征在于，所述空腔流道贯通于所述连接体的两侧，且所述空腔流道的内部结构形式为直线形流道或蛇形流道。4.根据权利要求3所述的一种三流道固体氧化物燃料电池单元结构，其特征在于，所述空腔流道被均匀分割为多个形状相同的气...

【专利技术属性】
技术研发人员：王傲，李天卉，王颖，黄润伍，李红享，叶东浩，
申请(专利权)人：武汉船用电力推进装置研究所中国船舶重工集团公司第七一二研究所，
类型：发明
国别省市：