一种用于固体氧化物燃料电池的连接体制造技术

本发明专利技术提供一种用于固体氧化物燃料电池的连接体，该连接体用于大尺寸平板式固体氧化物燃料电池，该连接体具有多组S型平行流道，本发明专利技术针对具有内部重整燃料的固体氧化物燃料电池，每组S型燃料气道中，前半部分燃料重整吸收的热量可由其他组S型气道中燃料电化学反应的放热所提供；通过设计多组并列的短流程流道可以实现重整吸热的分布式利用，减少吸热区集中，有效改善电池内部温度分布的均匀性，减小电池内部的热应力，并可有效降低流动阻力和辅机功耗；自热反馈设计还可提高电池的功率，且该技术路线成本低廉、工艺简单；与现有技术相比，本发明专利技术具有内部重整燃料的固体氧化物燃料电池的连接体内流道进行优化设计。电池的连接体内流道进行优化设计。电池的连接体内流道进行优化设计。

【技术实现步骤摘要】
一种用于固体氧化物燃料电池的连接体


[0001]本专利技术涉及固体氧化物燃料电池领域，具体而言，特别涉及一种用于固体氧化物燃料电池的连接体。

技术介绍

[0002]固体氧化物燃料电池(SOFC)作为一种新型的能源转化技术，可以实现化学能直接转化为电能，不受卡诺循环的限制，极大地提高了能量转换效率。与其他燃料电池相比，SOFC具有许多优点：能量密度高，输出功率高，可用于移动设备和大型能源设备；可直接使用天然气、合成气、高炉煤气等碳基燃料，来源广泛，运输储存方便，使用安全；不需要贵金属作为催化剂，使用镍、铜和陶瓷材料等普通金属来降低成本；中、高温运行可产生优质热能，可与燃气轮机、蒸汽轮机相结合，形成下循环或上循环，也可热电联供，实现能源梯级利用；无液体腐蚀介质，比熔融碳酸盐燃料电池更安全可靠。
[0003]SOFC电堆工作温度高，内部流动、传热、电化学反应过程强烈耦合，电池内部热量管理是电池设计的重要方面。电堆内部温度分布不均匀性过高会产生不均匀的热应力，直接影响电堆密封性能，降低电池的使用寿命。电池内部热管理包括反应产热和流动换热两个方面。一方面，燃料在电池内发生电化学反应过程会同时产生并释放出大量热量，导致局部温度升高；而另一方面，通常利用入堆的较低温度的燃料气或空气在极板流道内的流动实现吸收热量并将其带出，实现电池冷却。电池双极板流道内燃料气和空气的流动和分布情况不仅会影响电堆内部电化学反应放热过程，也影响冷却效果，是进行电池热设计的关键。氨(NH3)是一种新兴的零碳燃料，将其应用于SOFC发电具有节能与减排双重优势。并且，NH3燃料相比于常规碳氢燃料(如甲烷等)在燃料电池内利用具有独特优势，其裂解过程不会产生碳沉积，可以直接在燃料电池内部进行重整裂解反应，从而可省去外部的重整器，简化系统、降低成本。但是氨直接内部重整的吸热效应和电化学反应的放热会带来相比氢SOFC更高的温差，其热管理难度更大，需要进行特别设计。
[0004]目前，针对SOFC双极板及流道换热设计的报道十分有限。其中，官万兵等人在国内专利申请CN115000455A中提出了一种SOFC连接体结构，其通过蛇形流道上每个流道分区内长肋和短肋数量及排列方式的变化，形成空气流道数量按照气流的流动方向逐渐减少的渐变型流道结构，以增加流道内空气的流动速度，降低电池内部的温度，减小电池内部所受到的热应力。但该方法只能实现单向冷却，会造成冷却不均匀等不利影响，并且额外增加降温流道还会增加辅机功耗、调控自由度低。刘少名等人在国内专利申请CN112397743A中提出了一种SOFC连接体结构，其内部设有供降温气体通过的内部流道，可以有效的对电堆进行热管理，避免电堆中产生过大温度梯度，同时可降低阴极侧的空气流量，提高空气的有效利用率，提高系统效率，并延长连接体的寿命。但其通过增加降温气体通道来实现电池内部冷却，加工工艺复杂。除以上改善流道排布思路外，陈烁烁等人在国内专利申请CN109755608B中公开了一种固体氧化物燃料电池连接体，包括阴极板、阳极板和设于阴极板和阳极板之间的密封中间层，所述密封中间层内设有高温热管；所述高温热管包括毛细芯和工作介质。
其通过采用内嵌热管设计，来实现降低SOFC电堆内部的温度梯度，优化电堆热管理效率，提高电堆承受快速升温的能力。涂正凯等人在国内专利申请CN115188983A中公开了一种SOFC双极板连接器，所述连接体的正面设有正面流场，所述连接体的背面设有背面流场；所述正面流场分为四个结构相同的第一流场，所述背面流场分为四个结构相同的第二流场，所述第一流场和所述第一流场正下方对应的所述第二流场互为旋转对称结构；所述第一流场内设有L型流道，所述L型流道两端均设有气体进出口，反应气体经其中一个气体进出口进入所述L型流道从另一个气体进出口流出。固体氧化物燃料电池双极板连接器，结构简单，设有L型流道，通过提高气流分布的均匀性来改善反应放热的均匀性，使电堆中的温度更低且分布的更加均匀，以达到降低电池内温度梯度的目的。但是该方法仅考虑了控制反应放热过程，未考虑冷却过程，效果有限。
[0005]调研发现，其他关于SOFC双极板及流道设计的报道多以提高气流分布均匀性作为出发点。洪伟荣等人在国内专利申请CN115642269A中提出了一种SOFC电池结构，其在阳极基体内部设有两层井字型结构的燃气气道，每层燃气气道内部相互连通；阳极集流条沿阳极基体宽度方向的中心线布置；阴极连接体在朝向阴极的一侧设有间隔布置的多根肋条，肋条的宽度沿气体流动方向逐渐扩大，使气体流动方向的空气气道宽度逐渐减小。旨在降低电流在阳极基体上传输的欧姆损失，提高电池输出性能和耐久性，并未为针对换热冷却进行考量和设计。吴合进等人在国内专利申请CN1635653A中公开了一种新型中温固体氧化物燃料电池双极板及其应用，双极板依次由形状、尺寸相同的阳极流道板、阳极通道板、分隔板、阴极通道板和阴极流场板固接而成，在每块板的四周分别设有气体通道，板与板之间对应的气体通道相互连通，该双极板具有厚度小，重量轻导电性好，耐腐蚀性强等优点。舒正龙等人在国内专利申请CN114927714A中提出了一种用于SOFC的连接体。该连接体具有两级扰流结构，配合多组阶梯状排布的相互之间独立的流道组，各流道组内又包含多条流道，各流道组的两个端部分别设计了独立的第二扰流槽结构，使进入各流道的流体从进到出的整个过程都能保持含量的均匀性。但是这些实际均是只考虑了气体分配的均匀性问题，并没有针对SOFC的热管理进行设计，均容易产生电池内部热应力分布不均，降低电池使用寿命的问题，需要改进。

技术实现思路

[0006]本专利技术提供一种用于固体氧化物燃料电池的连接体，本专利技术在直接氨燃料电池运行中，氨燃料进入电池后首先发生裂解反应吸热、随后发生电化学反应放热，前期吸热过程与后期放热过程存在热量互补效应，通过合理设计实现利用前期吸热效应来冷却放热反应区，实现自吸热冷却提升电池内部温度均匀性。
[0007]为解决上述问题，本专利技术提供的技术方案如下：
[0008]本专利技术实施例提供一种用于固体氧化物燃料电池的连接体，所述连接体包括极板本体，所述极板本体包括第一端部和第二端部，所述第一端部设置有第一通孔，所述第二端部设置有第二通孔，所述第一通孔和所述第二通孔之间设置有多个流道组；
[0009]所述极板本体还包括第一引流槽和第二引流槽，所述第一通孔通过所述第一引流槽与多个所述流道组的入口连通，所述第二通孔通过所述第二引流槽与多个所述流道组的出口连通；
[0010]每个所述流道组均由S型平行流道组成，每个S型平行流道包括相互平行设置的第一直线流道、第二直线流道和第三直线流道、连通所述第一直线流道和所述第二直线流道之间的第一变向流道、以及连通所述第二直线流道和所述第三直线流道之间的第二变向流道；
[0011]其中，在每个S型平行流道中，所述第一直线流道为燃料的重整吸热反应区，所述第三直线流道为燃料的电化学放热反应区；在燃料流经相邻的三个所述流道组过程中，第二流道组的第一直线流道的吸热由第一流道组的第本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于固体氧化物燃料电池的连接体，其特征在于，所述连接体包括极板本体，所述极板本体包括第一端部和第二端部，所述第一端部设置有第一通孔，所述第二端部设置有第二通孔，所述第一通孔和所述第二通孔之间设置有多个流道组；所述极板本体还包括第一引流槽和第二引流槽，所述第一通孔通过所述第一引流槽与多个所述流道组的入口连通，所述第二通孔通过所述第二引流槽与多个所述流道组的出口连通；每个所述流道组均由S型平行流道组成，每个S型平行流道包括相互平行设置的第一直线流道、第二直线流道和第三直线流道、连通所述第一直线流道和所述第二直线流道之间的第一变向流道、以及连通所述第二直线流道和所述第三直线流道之间的第二变向流道；其中，在每个S型平行流道中，所述第一直线流道为燃料的重整吸热反应区，所述第三直线流道为燃料的电化学放热反应区；在燃料流经相邻的三个所述流道组过程中，第二流道组的第一直线流道的吸热由第一流道组的第三直线流道的放热提供，第二流道组的第三直线流道的放热由第三流道组的第一直线流道吸收，用于实现所述极板本体内部燃气重整吸热与电化学反应放热的热量匹配。2.根据权利要求1所述的用于固体氧化物燃料电池的连接体，其特征在于，每个所述流道组由单个S型平行流道或者两个以上的S型平行流道组成。3.根据权利要求1所述的用于固体氧化物燃料电池的连接体，其特征在于，多个所述流道组呈平行排布设置。4.根据权利要求1所述的用于固体氧化物燃料电池...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐义书，刘一民，成晓北，牙宇晨，项名远，孙博宇，刘峻嘉，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：