平板式固體氧化物燃料電池電堆裝置制造方法
【專利摘要】本發明公開一種平板式固體氧化物燃料電池電堆裝置，包括底座、單電池、單電池框架、密封件、連接體、燃料管路和空氣管路，連接體上設有電池覆蓋區和熱交換區，燃料管路和空氣管路中的氣體均依次通過主進氣管道、進氣集流管道、進氣配流管道、排氣集流管道、排氣配流管道和主排氣管道。本發明有利于冷熱流體間的熱交換，降低熱流體出口端的溫度，能夠使得密封件遠離高溫區，進而提高電堆的氣密性，同時還能延長密封件的使用壽命。
【專利說明】平板式固體氧化物燃料電池電堆裝置
【技術領域】
[0001] 本發明涉及固體氧化物燃料電池，具體涉及平板式固體氧化物燃料電池電堆裝 置。
【背景技術】
[0002] 火力發電過程不僅復雜（首先把燃料的化學能轉變成熱能，然后再將熱能轉變為 機械能，最后由機械能轉變為電能），而且火力發電過程中產生大量的粉塵、二氧化碳、so 2、 N〇x等有害物質，嚴重污染了人類賴以生存的環境。與火力發電原理不同，燃料電池直接將 燃料的化學能轉變為電能，因此燃料電池的效率比火力發電的效率高的多。燃料電池作為 繼水電、火電、核電之后的第四代新型發電技術，得到了世界各國的重視。
[0003] 與其它類型的燃料電池相比，固體氧化物燃料電池具有突出的優勢。固體氧化物 燃料電池的主要優勢在于：（1)固體氧化物燃料電池各部分都是固態，因此避免了液態電 解質引起的腐蝕和流失問題；(2)固體氧化物燃料電池燃料靈活，不僅可以使用氫氣為燃 料，而且可以直接使用碳氫化合物為燃料，例如：煤氣、液化石油氣、生物質氣、天燃氣、甲醇 等；(3)高的工作溫度使固體氧化物燃料電池不需要昂貴的催化劑，且提高了催化劑對雜 質氣體的忍耐性。（4)固體氧化物燃料電池排除的高溫余熱可以用于熱電聯供系統，能量利 用效率高達70%以上。正是因為以上的優點，二十世紀九十年代后期世界上發達國家普遍 投入了大量資金研究固體氧化物燃料電池相關技術難題。
[0004] 固體氧化物燃料電池單電池由陽極、陰極、電解質組成，構成類似"三合板"的構 件。固體氧化物燃料電池的工作原理與化學電池例如氫鎳電池、鋰離子電池、鉛酸電池等的 原理有著本質的不同。化學電池是個儲能設備需要先儲能然后再放電，而燃料電池是發電 裝置，只要燃料不斷的供給，就能不斷的輸出電能。固體氧化物燃料電池的工作原理很簡 單，在陰極三相線的位置氧化劑氣體被還原為氧離子，氧離子通過電解質到達陽極三相線 與燃料氣結合放出電子，電子通過外電路流過負載輸出電能到達陰極，在陰極三相線的位 置與氧化劑氣體結合生成氧離子，如此循環往復不斷輸出可以利用的電能。
[0005] 目前固體氧化物燃料電池兩種最基本的設計是平板式固體氧化物燃料電池和管 式固體氧化物燃料電池。管式固體氧化物燃料電池是目前發展比較成熟的一種固體氧化 物燃料電池構型，例如西屋-西門子公司（專利號：BP0055011和BP0055016)的管式設計。 管式固體氧化物燃料電池單電池是一個一端開口一端封閉的、管壁由三層薄膜構成的陶瓷 管，管的直徑大約在 2〇mm左右，長度大約1?2m左右。陰極支撐的管式固體氧化物燃料電 池空氣從管內流入，燃料通過管子外壁供給。通過連接體可以把單電池以并聯和串聯的方 式組成電池堆。管式固體氧化物燃料電池的主要優點是不需要密封、電池組裝簡單、抗應力 能力強。缺點是電流路徑長、功率密度低、成本高，這嚴重制約了其商業化的發展。
[0006] 隨著薄膜^技術的發展，平板式固體氧化物燃料電池憑借其制作簡單、成本低、電流 路徑短、功率密度高等優點逐漸成為發展主流。平板式固體氧化物燃料電池單電池主要由 電解質及其兩側的陽極和陰極三層平板式薄膜組成。固體氧化物燃料電池單電池的輸出電 壓一般小于IV，因此為了獲得足夠的電壓和輸出功率以達到實用的要求必須利用連接體把 多個單電池以并聯、串聯或混聯的方式組裝成電堆。
[0007] 平板式固體氧化物燃料電池電池堆主要由單電池、單電池框架、密封材料和連接 體堆疊而成。連接體的兩側有很多槽稱之為氣道，氣道間的脊梁我們稱之為rib。燃料通過 連接體和陽極間的氣道為電化學反應提供足夠的燃料，空氣通過連接體和陰極間的氣道為 電化學反應提供足夠的氧氣。rib則是用來收集電化學反應產生的電流。密封材料主要位 于單電池的四周提供足夠的氣密性，保證燃料和空氣的隔離，防止燃料和空氣的泄漏，對于 提高電池的開路電壓具有重要意義。
[0008] 眾所周知，固體氧化物燃料電池工作過程中由于電化學反應、歐姆熱、活化熱等放 出大量的熱量，從而提高了氣體和堆部件的溫度。堆部件的溫度及溫度梯度分布對電池堆 的電池性能、電池壽命及其性能的衰減具有重要的影響作用。
[0009] 固體氧化物燃料電池的氣體供應方式主要由并流、逆流和交叉流三種。并流是指 燃料的流向與空氣的流向相同；逆流是燃料的流向與空氣的流向相反；交叉流是燃料的流 向與空氣的流向相垂直。美國專利US 6824910、US4476197提供了并流的平板式固體氧化物 燃料電池設計。美國專利US6824910、US 2〇070207363Al、US20090004545A1提供了并流和 逆流的平板式固體氧化物燃料電池設計。中國專利"一種平板式中溫固體氧化物燃料電池 堆"（專利號：CN〇 2ll5884·3)采用的是交叉流的平板式固體氧化物燃料電池設計。
[0010]林子敬小組（林子敬，顧曄，張曉華· YSZ中溫燃料電池的穩態模擬[j].電化 學，2〇02, 8(4).)利用自己編寫的二維平板式固體氧化物燃料電池數學模型研究并流、逆 流和交叉流設計電池溫度的分布。結果顯示對于并流和逆流設計，溫度沿著空氣流的方向 逐漸升高，并且發現不論哪種設計溫度最大值都處于空氣出口端。這必然導致空氣出口端 的密封材料的抗熱應力的能力下降，因為實驗表明密封材料的抗應力能力隨著溫度的升高 而明顯下降。較大的熱應力很可能導致空氣出口端的密封材料開裂。密封材料開裂的嚴重 后果是燃料和空氣混合并發生化學反應釋放大量的熱量，必然導致局域過熱引起材料的老 化電池性能的衰減，甚至引起爆炸威脅人身安全。因此需要改進設計以達到密封件遠離電 池堆中的高溫區目的，防止燃料和空氣的泄漏。
[0011]與其它類型的燃料電池相比，固體氧化物燃料電池的主要優勢之一是燃料靈活， 不僅可以使用氫氣為燃料，而且可以直接使用碳氫化合物為燃料，例如：煤氣、液化石油 氣、生物質氣、天燃氣、甲醇等。大量文獻報道（International journal of hydrogen energy 34(2009)410 - 421,Chemical Engineering Science 59(2004)87 - 97,JOURNAL OF ENGINEERING FOR THERMAL ENERGY AND POWER Vol. 23, No. 3May,2〇〇8)固體氧化物燃料電 池中的重整反應吸收大量的熱量導致在燃料入口附近產生顯著的局部過冷區。這可能導致 產生比較大的熱應力，從而引起電解質的破裂、密封件的失效（此局部過冷區主要分布在 燃料入口附近）、電池性能的衰減。
【發明內容】
[0012]發明目的：本發明的目的在于解決現有技術中的不足，提供一種能夠消除重整反 應吸熱效應、并能夠充分利用廢氣余熱加熱入口冷流體的密封件遠離電池堆高溫區的平板 式固體氧化物燃料電池電堆裝置。
[0013] 技術方案：本發明的一種平板式固體氧化物燃料電池電堆裝置，從下向上依次安 裝有底座、底座密封件、底板和頂板，頂板與底板之間安裝有若干組呈上下結構層疊排布的 電池電堆組，每一個電池電堆組從上向下依次層疊有密封件、單電池框架、密封件和連接 體，單電池框架上設有單電池；所述底座、底座密封件、底板、連接體、單電池框架和密封件 的四個邊角處均開設有兩個孔，且由于底座、底座密封件、底板、連接體、單電池框架和密封 件上下層疊排布，每一層的八個孔均上下對應貫通形成八條上下貫通的管道，同一個邊角 處相鄰的兩個通道中，一個為主進氣管道，另一個為主排氣管道；所述連接體的中間位置設 有電池覆蓋區，電池覆蓋區的四側外緣分別設有一個熱交換區，熱交換區包括兩排并行的 流道，外側的流道為熱流體流道，內側的流道為冷流體流道；所述熱流體流道和冷流體流道 的兩端均開設有氣孔，且底座、底座密封件、底板、連接體、單電池框架和密封件上也開設有 與該十六個氣孔位置相對應向上貫通的氣孔進而形成十六個管道，以電堆任意一對角線為 軸可將這十六條管道和上面所述的八條管道分兩組：燃料管路和空氣管路，所述燃料管路 和空氣管路均依次包括：主進氣管道、進氣集流管道、進氣配流管道、排氣集流管道、排氣配 流管道和主排氣管道。
[0014] 其中，所述燃料管路和空氣管路中的氣體均從主進氣管道的進氣孔進入管道，然 后依次通過進氣集流管道、進氣配流管道、排氣集流管道和排氣配流管道，最后從主排氣管 道的出氣孔排出。而各個管道的橫截面可以為半圓形、圓形、三角形、四邊形和多邊形等。
[0015] 進一步的，所述電池覆蓋區包括一個連續結構區和設置于連續結構區兩側的離散 結構區。
[0016] 進一步的，當采用甲烷用作燃料時，兩側的離散結構區可用作燃料的重整反應區； 當采用氫氣用作燃料時，兩側的離散結構區可用作燃料的熱交換功能區。
[0017] 進一步的，所述的每相鄰兩個單電池之間的燃料氣體的流向相反，每相鄰兩個單 電池之間的氧化氣體的流向相反。
[0018] 進一步的，所述基座上同一邊角處相鄰兩個孔中，一個為主進氣管道的進氣孔另 一個為主排氣管道的出氣孔。
[0019] 為了提高電池電堆的集流效果，所述單電池的陽極與連接體之間設有網狀導電金 屬條，例如可以使鎳網，單電池的陰極與連接體之間依次添加較為柔軟的接觸層（例如由 錳酸鑭鍶制成的接觸層）和網狀導電金屬條，例如鎳網。
[0020] 有益效果：與現有技術相比，本發明具有以下優點：
[0021] (1)本發明的電堆四周熱交換區分內外兩層，冷流體流道布置在內層，熱流體流道 布置在外層，既可以吸收外層即將排出的氣體的余熱，又可以吸收內側電堆邊緣的熱量，有 利于冷熱流體間的熱交換，降低電堆邊緣的溫度有利于保護密封件。
[0022] ⑵本發明的電堆中相鄰兩個單電池的燃料氣體的流向相反，電堆中相鄰兩個單 電池的氧化氣體的流向相反，可方便快速的改變氣流方向，實現密封件遠離高溫區，從而達 到提高密封件的氣密性的目的，同時又能夠延長密封件的使用壽命，進而避免重整反應引 起的局部過冷產生的熱應力。
[0023] (3)本發明的電堆中的小氣道區域分為三部分，其中兩端采用離散式結構，中間采 用連續式結構，一方面能夠使各小氣道的氣體分布均勻，另一方面能夠減小壓差，進而降低 栗入氣體所需的能量。
[0024] -(4)本發明的主進氣管道和主排氣管道緊密相鄰，并且主進氣管道中的氣體流向 和主排氣管道中的氣體流向相反，可利用主排氣管道的廢熱氣體加熱主進氣管道的冷氣 體，大大提高廢熱的利用率，進而減少把氣體從室溫加熱到工作溫度所需要的能量，最終能 夠提尚電堆的發電效率。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0025]圖1為本發明的整體結構圖示意圖；
[0026]圖2為本發明中氣體流動總體示意圖；
[0027]圖3為本發明中氣體流動的第一段示意圖；
[0028]圖4為本發明中氣體流動的第二段示意圖；
[0029]圖5為本發明中氣體在連接體中的流動示意圖；
[0030]圖6為本發明中氣體流動的第三段示意圖；
[0031]圖7為本發明中氣體流動的第四段示意圖。
【具體實施方式】
[0032]下面對本發明技術方案結合附圖進行詳細說明。
[0033]如圖1至圖7所示，本發明的一種平板式固體氧化物燃料電池電堆裝置，從下向上 依次安裝有底座8、底座密封件7、底板6和頂板1，頂板1與底板6之間安裝有若干組呈上 下結構層疊排布的電池電堆組，每一個電池電堆組從上向下依次層疊有密封件2、單電池框 架 3、密封件2和連接體5,單電池框架3上設有單電池4,所述底座8、底座密封件7、底板 6、連接體5、單電池框架3和密封件2的四個邊角處均開設有兩個孔，且由于底座 8、底座密 封件7、底板6、連接體5、單電池框架3和密封件2上下層疊排布，每一層的八個孔均上下對 應貫通形成八條上下貫通的管道，同一個邊角處相鄰的兩個通道中，一個為主進氣管道 9， 另一個為主排氣管道ie ;連接體5的中間位置設有電池覆蓋區，電池覆蓋區的四側外緣分 別設有一個熱交換區17,熱交換區17包括兩排并行的流道，外側的流道為熱流體流道 15， 內側的流道為冷流體流道10 ;熱流體流道15和冷流體流道10的兩端均開設有氣孔，且底 座8、底座密封件7、底板6、連接體5、單電池框架3和密封件2上也開設有與該十六個氣孔 位置相對應向上貫通的氣孔進而形成十六條管道，以電堆任意一對角線為軸可將這十六條 管道和上面所述的八條管道分兩組：燃料管路和空氣管路，燃料管路和空氣管路均依次包 括：主進氣管道9、進氣集流管道11、進氣配流管道12、排氣集流管道13、排氣配流管道14 和主排氣管道16。
[0034] 其中，燃料管路和空氣管路中的氣體均從主進氣管道9的進氣孔進入管道，然后 依次通過進氣集流管道11、進氣配流管道12、排氣集流管道13和排氣配流管道14,最后從 主排氣管道16的出氣孔排出。
[0035] 電池覆蓋區包括一個連續結構區19和設置于連續結構區19兩側的離散結構區 18 ；
[0036]當采用甲烷用作燃料時，兩端的離散結構區18可用作甲烷的重整反應區，填充甲 烷重整反應所需的催化劑：例如Ni屑、Ni球等，甲烷在此區域發生重整反應。根據流道設 計，在甲烷入口端正上方對應位置和正下方對應位置均為氣體的出口端，從出口端的熱氣 體傳遞來的熱量可以滿足甲烷重整所需吸收的熱量。因而即避免了重整反應引起的局部過 冷產生的熱應力，又降低了出口端氣體的溫度，提高密封件2的氣密性和壽命，而且提高了 廢熱利用率。
[0037]當采用氫氣用作燃料時，兩端的離散結構區18可用作熱交換功能區，利用相鄰上 下兩層流道出口端氣體的熱量加熱中間一層剛開始參加反應的新鮮氣體，避免了出口端溫 度過高，使溫度分布均勻，保護了密封件 2,同時達到余熱回收，提高電堆效率的目的。
[0038] 而整個電池電堆也可以分為電池覆蓋區和設置于電池覆蓋區四周的熱交換區 17。
[0039]由于電堆中每相鄰兩個單電池4的燃料氣體的流向相反，所以一個單電池4燃料 出口端的正上方對應位置就是相鄰單電池4燃料氣體的入口端，可以利用入口端的冷氣體 降低出口端的熱氣體溫度；又由于電堆中每相鄰兩個單電池4的氧化氣體的流向相反，所 以一個單電池4氧化氣體出口端的正上方對應位置就是相鄰單電池4氧化氣體的入口端， 可以利用入口端的冷氣體降低出口端的熱氣體溫度。最終可使得密封件2遠離電池堆中的 高溫區，提高密封件2的氣密性和壽命。
[0040] 基座上同一邊角處相鄰兩個孔中，一個為主進氣管道9的進氣孔另一個為主排氣 管道I6的出氣孔，在本實施例中，燃料和空氣的主進氣管道9和主排氣管道16既可以一電 堆的對角線分布與電堆的兩側也可以在電堆的同一側。電堆中同一單電池4的燃料氣體的 流向和氧化氣體的流向平行、可以采用并流設計或逆流設計。
[0041] 單電池4的陽極與連接體5之間設有網狀導電金屬條,單電池4的陰極與連接體5 之間依次設有接觸層和網狀導電金屬條。同時在電堆頂部還可以設置絕靜負載，以促進電 極與集流件的接觸。
[0042] 燃料管道和空氣管道中的氣體在整個電堆中的流動可分為以下幾個階段，
[0043] 第一階段如圖3所示，燃料管道或空氣管道中的氣體從主進氣管道9進入電堆，隨 著向上流動，氣體依次被分配到各層的連接體5中的冷流體流道10中進行熱交換，氣體從 冷流體流道10中出來后匯入進氣集流管道11，完成熱交換過程。
[0044] 第二階段如圖4所示，完成熱交換的氣體將180°轉向沿著進氣配流管道12向上 依次分配到各層連接體5中。
[0045] 氣體在連接體5中流動過程如圖5所示，氣體從電池覆蓋區一側的離散結構區18 流經連續結構區19,然后從另一側的離散結構區18流出連接體5。
[0046] 第三階段如圖6所示，從連接體5中出來的氣體匯入排氣集流管中，再從排氣集流 管道13中排出，排出后的氣體再次180°轉向，沿排氣配流管道14流動。
[0047] 第四階段如圖7所示，沿著排氣配流管道14流動的氣體被依次分配到各層的連接 體5中的熱流體流道15流道中完成熱交換，最后匯入主排氣管道16排出電堆。
[0048] 至此，即可完成一道流體的流動全過程。燃料或空氣還可從其他主進氣管道9進 入管路以完成流動的全過程，四道流體的流動過程類似且流動方向可按流程具體設計進行 配置。
【權利要求】
1. 一種平板式固體氧化物燃料電池電堆裝置，其特征在于：從下向上依次安裝有底座 (8)、底座密封件C7)、底板（6)和頂板（1),頂板（1)與底板（6)之間安裝有若千組呈上下結 構層疊排布的電池電堆組，每一個電池電堆組從上向下依次層疊有密封件（2)、單電池框架 (3)、密封件（2)和連接體（5)，單電池框架（3)上設有單電池（4);所述底座（8)、底座密封 件（7)、底板（6)、連接體（5)、單電池框架（3)和密封件（2)的四個邊角處均開設有兩個孔， 且由于底座（8)、底座密封件（7)、底板（6)、連接體（5)、單電池框架（3)和密封件（2)上下 層疊排布，每一層的八個孔均上下對應貫通形成八條上下貫通的管道，同一個邊角處相鄰 的兩個通道中，一個為主進氣管道（9)，另一個為主排氣管道（16);所述連接體（5)的中間 位置設有電池覆蓋區，電池覆蓋區的四側外緣分別設有一個熱交換區（17)，熱交換區（17) 包括兩排并行的流道，外側的流道為熱流體流道（15)，內側的流道為冷流體流道（10);所 述熱流體流道（15)和冷流體流道（10)的兩端均開設有氣孔，且底座（8)、底座密封件（7)、 底板（ 6)、連接體（5)、單電池框架（3)和密封件（2)上也開設有與該十六個氣孔位置相對 應向上貫通的氣孔進而形成十六個管道，以電堆任意一對角線為軸可將這十六條管道和上 面所述的八條管道分兩組：燃料管路和空氣管路，所述燃料管路和空氣管路均依次包括： 主進氣管道（9)、進氣集流管道（11)、進氣配流管道（12)、排氣集流管道（13)、排氣配流管 道（14)和主排氣管道（16)。
2. 根據權利要求1所述的平板式固體氧化物燃料電池電堆裝置，其特征在于：所述燃 料管路和空氣管路中的氣體均從主進氣管道（9)的進氣孔進入管道，然后依次通過進氣集 流管道（11)、進氣配流管道（12)、排氣集流管道（13)和排氣配流管道（14)，最后從主排氣 管道（16)的出氣孔排出。
3. 根據權利要求1所述的平板式固體氧化物燃料電池電堆裝置，其特征在于：所述電 池覆蓋區包括一個連續結構區（19)和設置于連續結構區（19)兩側的離散結構區（18)。
4·根據權利要求3所述的平板式固定氧化物燃料電池電堆裝置，其特征在于：當采用 甲烷用作燃料時，兩側的離散結構區（18)可用作燃料的重整反應區；當采用氫氣用作燃料 時，兩側的離散結構區（18)可用作燃料的熱交換功能區。
5·根據權利要求1所述的平板式固體氧化物燃料電池電堆裝置，其特征在于：所述的 每相鄰兩個單電池（4)之間的燃料氣體的流向相反，每相鄰兩個單電池（4)之間的氧化氣 體的流向相反。
6.根據權利要求1所述的平板式固體氧化物燃料電池電堆裝置，其特征在于：所述底 座（8)上同一邊角處相鄰兩個孔中，一個為主進氣管道（9)的進氣孔另一個為主排氣管道 (16)的出氣孔。
7·根據權利要求1所述的平板式固體氧化物燃料電池電堆裝置，其特征在于：所述單 電池（4)的陽極與連接體（5)之間設有網狀導電金屬條，單電池（4)的陰極與連接體（5) 之間依次設有接觸層和網狀導電金屬條。
【文檔編號】H01M8/02GK104218252SQ201410449780
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年9月4日 優先權日:2014年9月4日
【發明者】孔為, 張強, 高祥, 陳代芬, 蘇石川 申請人:江蘇科技大學