一种管式固体氧化物燃料电池集流组堆结构及其实现方法技术

本发明专利技术公开了一种管式固体氧化物燃料电池集流组堆结构及其实现方法。本发明专利技术通过外嵌式集流刷与阳极紧密贴合，并利用刷柄和进气柱将处于内部的电流导至阳极连接体，通过内嵌式集流刷与阴极紧密贴合，并利用套筒和阴极连接体将电流导至阴极，进而通过阳极和阴极连接体使得两个相连的集流单管式SOFC上的电流相互导通；并且，通过多个集流单管式SOFC间的串并联，实现电流与电压的叠加，从而达到需要的功率输出；本发明专利技术集进气、集流和密封于一体，简便有效，连接多根电池不会耗费大量时间，避免由于应力使得电池结构损坏；同时只需通过改变阴极集流件的摆放方向，即能够实现串并联方式的变换；而且集成的发电单元能够进一步连接以满足更大输出需求。足更大输出需求。足更大输出需求。

【技术实现步骤摘要】
一种管式固体氧化物燃料电池集流组堆结构及其实现方法


[0001]本专利技术涉及燃料电池技术，具体涉及一种管式固体氧化物燃料电池集流组堆结构及其实现方法。

技术介绍

[0002]燃料电池是一种将燃料中的化学能转化为电能的电化学装置，在当今最广泛使用的能源转化机制中(如发动机和碳氢燃料涡轮机等)，往往通过产生热量并将这种热能转化为机械功。但是由于热力学的限制(例如卡诺循环效率的限制)，能量转换效率往往不高。同时在燃烧过程中，也会产生污染物，导致全球变暖，对人类健康产生危害等。固体氧化物燃料电池(SOFC)相比于其他类型燃料电池，除了具有效率高与污染低等燃料电池的共同特点外。还计有很多其他燃料电池不具有的优势。首先，电池发电过程中的热损失可以集成到SOFC的热供应系统，或者一旦电池运行起来可以使其热自维持。并且在高温下，燃料的重整可以在阳极镍上发生，意味着SOFC在不使用外部重整器的情况下可以使用碳氢化合物等多种燃料。第三个优点则是制造高质量固体氧化物电池的材料不像其他类型的燃料电池那样昂贵。
[0003]阳极支撑的管式SOFC是固体氧化物燃料电池的一种类型，截面为环形，结构从内向外依次为阳极、电解质和阴极，阳极和阴极分别为管状且同轴放置。它的特点是容易密封，结构强度高，耐热冲击，能够适应快速启停和负载变化频繁场景。由于SOFC单电池开路电压只有一点几伏，实际运用中往往需要更高的电压，所以需要利用集流体与连接件将单电池组装成电堆以提高电压和输出功率。然而相较于平板式SOFC形状结构的平整，管式SOFC为封闭的圆形结构。其阴极暴露在外部，可以使用导电胶涂刷与导电金属导流的方式集流，而阳极处集流需要集流体在内部与阳极接触，大大加大了集流的难度；同时管式电池不能像平板式一样通过直接堆叠进行电堆的组装。因此管式SOFC电堆集成亟需简便又高效的集流与集成方法。

技术实现思路

[0004]为了克服以上现有技术存在的不足，本专利技术提出了一种管式固体氧化物燃料电池集流组堆结构及其实现方法，具有安装快速，密封简易的优点。
[0005]本专利技术的一个目的在于提出一种管式固体氧化物燃料电池集流组堆结构。
[0006]本专利技术的管式固体氧化物燃料电池集流组堆结构包括多个集流单管式SOFC和连接杆，每一个集流单管式SOFC包括：阳极集流件、阴极集流件以及管式SOFC；其中，
[0007]阳极集流件包括外嵌式集流刷、进气柱、电池放置与密封平台、固定柱和阳极连接组件；外嵌式集流刷包括阳极集流刷和刷柄，刷柄为内部中空的管状，刷柄的轴线沿竖直方向且以刷柄的轴线作为中心轴，阳极集流刷的底部固定在刷柄的外表面，阳极集流刷的顶部距离中心轴的距离大于管式SOFC的内半径；在刷柄的底部设置管状且连接为一体的进气柱，在进气柱的侧壁上开设有进气孔，进气柱的长度大于隔热距离，从而起到高温区与密封
端隔热的作用；在进气柱的底部外边缘设置环形且连接为一体的电池放置与密封平台，电池放置与密封平台的内径等于进气柱的内径，外径大于管式SOFC的外径，并且上表面为水平面；在电池放置与密封平台的底部设置与进气柱连接为一体的管状的固定柱，固定柱的底部为阳极燃料入口；阳极连接组件包括两级阳极连接体，第一级阳极连接体固定在电池放置与密封平台的外边缘，高度与密封平台的高度一致，第二级阳极连接体通过阳极支撑架固定，阳极支撑架的底端固定在电池放置与密封平台的外边缘，阳极支撑架的顶端固定第二级阳极连接体，第二级阳极连接体的位置高于第一级阳极连接体，阳极支撑架的内边缘至中心轴的距离大于管式SOFC的外半径，每一级阳极连接体包括N个阳极连接块，同一级中的阳极连接块之间的夹角为π/N；每一个阳极连接块的上表面和下表面均为平面，并且在内部开设有互相垂直的竖直通孔和水平通孔，竖直通孔贯穿阳极连接块的上下表面且轴线平行于中心轴，水平通孔轴线位于水平方向；阳极集流刷、刷柄、进气柱、电池放置与密封平台、阳极连接件和阳极支撑架均采用导电材料；N为≥2的自然数；
[0008]阴极集流件包括内嵌式集流刷和阴极连接组件；内嵌式集流刷包括阴极集流刷和套筒，套筒为内部中空的管状，套筒的轴线沿竖直方向，阴极集流刷的底部固定在套筒的内表面，阴极集流刷的顶部距离中心轴的距离小于管式SOFC的外半径；在套筒的外表面设置阴极连接组件；阴极连接组件包括两级阴极连接体，第二级阴极连接体设置在套筒底部的外边缘，第一级阴极连接体通过阴极支撑架固定，阴极支撑架的顶端固定在套筒底部，阴极支撑架的底端固定第一级阴极连接体，第二级阴极连接体的位置高于第一级阴极连接体，阴极支撑架的内表面至中心轴的距离不小于套筒的内半径，每一级阴极连接体包括N个阴极连接块，同一级中的阴极连接块之间的夹角为π/N；每一个阴极连接块的上表面和下表面均为平面，并且在内部开设有互相垂直的竖直通孔和水平通孔，竖直通孔贯穿阴极连接块的上下表面且轴线平行于中心轴，水平通孔的轴线位于水平方向；套筒和阴极连接件均采用导电材料；
[0009]将阳极集流件从管式SOFC的一端同轴插入至其内部，阳极集流刷的顶部与管式SOFC的阳极接触，管式SOFC的底部紧贴电池放置与密封平台的上表面，且二者电学连接，管式SOFC的底部与电池放置与密封平台的上表面的接触处密封形成密封端；将阴极集流件的套筒同轴套在管式SOFC外，阴极集流刷的顶部与管式SOFC的阴极接触；在外部没有阴极集流件的部分包裹上隔热材料，保证密封端处于低温状态，完成一个管式SOFC的集流，一个完成了集流的管式SOFC称为集流单管式SOFC；
[0010]连接杆的直径与竖直通孔和水平通孔的内径匹配；连接杆采用导电材料；
[0011]集流单管式SOFC之间通过连接杆实现串联或并联：
[0012]实现串联：一个集流单管式SOFC的阳极连接组件的第二级阳极连接体中的一个阳极连接块与另一个集流单管式SOFC的阴极连接组件的第一级阴极连接体中的一个阴极连接块的竖直通孔沿竖直方向对正，且通过阳极连接块与阴极连接块的上下表面紧密接触实现电学连接，从而实现两个集流单管式SOFC的阴极与阳极之间的电学连接；将连接杆依次穿过阳极连接块和阴极连接块的竖直通孔中，从而实现集流单管式SOFC间的串联；
[0013]实现并联：一个集流单管式SOFC的阴极连接组件的第一级或第二级阴极连接体中的一个阴极连接块与另一个集流单管式SOFC的阴极连接组件的同级阴极连接体中的一个阴极连接块的水平通孔沿水平方向对正，同时阳极连接组件的第一级或第二级阳极连接体
中的一个阳极连接块与另一个集流单管式SOFC的阳极连接组件的同级阳极连接体中的一个阳极连接块的水平通孔沿水平方向对正；将连接杆伸入至两个对正的阴极连接块的水平通孔中，通过连接杆实现两个对正的阴极连接块的电学连接，并且将连接杆伸入至两个对正的阳极连接块的水平通孔中，通过连接杆实现两个对正的阳极连接块的电学连接，从而实现两个集流单管式SOFC的阴极之间的电学连接，从而实现集流单管式SOFC间的并联；
[0014]通过以上串联和并联的组合，从而实现燃料电池集本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种管式固体氧化物燃料电池集流组堆结构，其特征在于，所述式固体氧化物燃料电池集流组堆结构包括多个集流单管式SOFC和连接杆，每一个集流单管式SOFC包括：阳极集流件、阴极集流件以及管式SOFC；其中，阳极集流件包括外嵌式集流刷、进气柱、电池放置与密封平台、固定柱和阳极连接组件；外嵌式集流刷包括阳极集流刷和刷柄，刷柄为内部中空的管状，刷柄的轴线沿竖直方向且以刷柄的轴线作为中心轴，阳极集流刷的底部固定在刷柄的外表面，阳极集流刷的顶部距离中心轴的距离大于管式SOFC的内半径；在刷柄的底部设置管状且连接为一体的进气柱，在进气柱的侧壁上开设有进气孔，进气柱的长度大于隔热距离，从而起到高温区与密封端隔热的作用；在进气柱的底部外边缘设置环形且连接为一体的电池放置与密封平台，电池放置与密封平台的内径等于进气柱的内径，外径大于管式SOFC的外径，并且上表面为水平面；在电池放置与密封平台的底部设置与进气柱连接为一体的管状的固定柱，固定柱的底部为阳极燃料入口；阳极连接组件包括两级阳极连接体，第一级阳极连接体固定在电池放置与密封平台的外边缘，高度与密封平台的高度一致，第二级阳极连接体通过阳极支撑架固定，阳极支撑架的底端固定在电池放置与密封平台的外边缘，阳极支撑架的顶端固定第二级阳极连接体，第二级阳极连接体的位置高于第一级阳极连接体，阳极支撑架的内边缘至中心轴的距离大于管式SOFC的外半径，每一级阳极连接体包括N个阳极连接块，同一级中的阳极连接块之间的夹角为π/N；每一个阳极连接块的上表面和下表面均为平面，并且在内部开设有互相垂直的竖直通孔和水平通孔，竖直通孔贯穿阳极连接块的上下表面且轴线平行于中心轴，水平通孔轴线位于水平方向；阳极集流刷、刷柄、进气柱、电池放置与密封平台、阳极连接件和阳极支撑架均采用导电材料；N为≥2的自然数；阴极集流件包括内嵌式集流刷和阴极连接组件；内嵌式集流刷包括阴极集流刷和套筒，套筒为内部中空的管状，套筒的轴线沿竖直方向，阴极集流刷的底部固定在套筒的内表面，阴极集流刷的顶部距离中心轴的距离小于管式SOFC的外半径；在套筒的外表面设置阴极连接组件；阴极连接组件包括两级阴极连接体，第二级阴极连接体设置在套筒底部的外边缘，第一级阴极连接体通过阴极支撑架固定，阴极支撑架的顶端固定在套筒底部，阴极支撑架的底端固定第一级阴极连接体，第二级阴极连接体的位置高于第一级阴极连接体，阴极支撑架的内表面至中心轴的距离不小于套筒的内半径，每一级阴极连接体包括N个阴极连接块，同一级中的阴极连接块之间的夹角为π/N；每一个阴极连接块的上表面和下表面均为平面，并且在内部开设有互相垂直的竖直通孔和水平通孔，竖直通孔贯穿阴极连接块的上下表面且轴线平行于中心轴，水平通孔的轴线位于水平方向；套筒和阴极连接件均采用导电材料；将阳极集流件从管式SOFC的一端同轴插入至其内部，阳极集流刷的顶部与管式SOFC的阳极接触，管式SOFC的底部紧贴电池放置与密封平台的上表面，且二者电学连接，管式SOFC的底部与电池放置与密封平台的上表面的接触处密封形成密封端；将阴极集流件的套筒同轴套在管式SOFC外，阴极集流刷的顶部与管式SOFC的阴极接触；在外部没有阴极集流件的部分包裹上隔热材料，保证密封端处于低温状态，完成一个管式SOFC的集流，一个完成了集流的管式SOFC称为集流单管式SOFC；连接杆的直径与竖直通孔和水平通孔的内径匹配；连接杆采用导电材料；集流单管式SOFC之间通过连接杆实现串联或并联：
实现串联：一个集流单管式SOFC的阳极连接组件的第二级阳极连接体中的一个阳极连接块与另一个集流单管式SOFC的阴极连接组件的第一级阴极连接体中的一个阴极连接块的竖直通孔沿竖直方向对正，且通过阳极连接块与阴极连接块的上下表面紧密接触实现电学连接，从而实现两个集流单管式SOFC的阴极与阳极之间的电学连接；将连接杆依次穿过阳极连接块和阴极连接块的竖直通孔中，从而实现集流单管式SOFC间的串联；实现并联：一个集流单管式SOFC的阴极连接组件的第一级或第二级阴极连接体中的一个阴极连接块与另一个集流单管式SOFC的阴极连接组件的同级阴极连接体中的一个阴极连接块的水平通孔沿水平方向对正，同时阳极连接组件的第一级或第二级...

【专利技术属性】
技术研发人员：王雨晴，张瑞宇，史继鑫，史翊翔，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：