一种具有交差‑并流‑对流综合优化特征的燃料电池堆

摘要

本发明公开了一种具有交差‑并流‑对流综合特征的燃料电池堆，包括：燃料入、出口主管道，两组空气入、出口主管道流道，电堆顶盖，电池单元，连接件，底盖。所述设计燃料出、入口主管道和空气出、入口主管道分别安置在不同的侧边，燃料侧使用并行蛇形流道，空气侧采用离散柱状直线流道，从而形成燃料与空气间的并流和对流综合流动模式。两组空气主管道对向安置，第一组空气主管道给单数层燃料电池单元供气，第二组空气主管道给双数层电池单元供气，相邻电池单元间相对流动，同时第一组空气入(出)主管道与第二组空气出(入)主管道交替排列，保证良好热量交换。除顶盖外，电堆中所有连接件结构完全一致，从而兼顾性能提升和加工简化要求。

说明书

技术领域

本发明涉及涉及固体氧化物燃料电池领域。

背景技术

燃料电池是一种将反应物化学能直接转化为电能的发电设备。作为一种高效、清洁且性能稳定的能源技术，其与传统的发电类型相比最大优点在于避开燃烧过程直接将燃料的化学能转化为输出电能，其能量转换效率不受“卡诺循环”的限制。

固体氧化物燃料电池(SOFC)是诸多燃料电池中最具商业化潜力的类型之一，其主要优点包括：具有高达50～60％的燃料使用效率，产物主要是水和高品质废热，对余热的二次利用总效率可高达80％以上；输出功率大，运行平稳且无噪声；燃料来源灵活，不仅适用于氢气、一氧化碳，也适用于天然气、煤气及生物质气等多种可再生碳氢燃料；低的温室气体排放；全固态部件不存在漏液、腐蚀等问题，且易于模块化组装；无需使用高价催化剂材料，成本相对较低。

目前SOFC电池堆主要包括平板型，管型，独石和锥形等，及与之对应的多种演化设计。其中平板式SOFC电堆设计具有结构简单，生成电流收集路径短，体积功率密度高等特殊优势而被广泛关注。过去数年中，国内SOFC相关的材料设计和电池单元制作工艺基本已达到国际商用化水平，然而如何通过合理的电堆设计方案来支持SOFC的高性能和长寿命运行仍是阻碍该技术最终实现普及商业化的关键因素。虽然，在过去数年中，有不少专利报道了新的平板式SOFC电堆的结构设计方案，但总体较国外技术相比仍有较大差距，和很大的改进空间。

由于结构对流体、热传递分布有很大的影响，因此细节方面合理优化的结构设计对于提高电池工作性能和寿命至关重要。目前，对于平板型SOFC电池堆而言，空气和燃料流动关系其典型的设计主要包括交叉流，并流和对流三种情况。如申请公布号CN103296301A公示或授权公告号CN 104218252B或Int.J.hydrogen energy 440(2015)577-592所报道的为一种典型的交叉流设计：其优点在于空气和燃料进出口主管道分布在相互垂直的不同侧边，因此可有效降低燃料和空气泄漏引起的燃烧和爆炸风险，大幅度降低密封要求。缺点是空气与燃料流动方向为相互垂直的交叉流，在电池单元表面上，燃料和空气的入口交叉位置，以及出口的交叉位置易形成高温热岛和较大的电化学反应分布梯度，加剧局部失效风险，降低电堆服务寿命。再如J.Power Sources 194(2009)886-898,或Electrochimica Acta 53(2008)7509-7513或Applied Energy 112(2013)1100-1107等报道的为一种典型的对流管理模式下的电堆设计，该设计方案的优点在于燃料和空气的流动方向相对，从而可以得到更为有利的电池单元表面的燃料-空气分配质量，以及更小的温度梯度和热应力分布。其缺点在于，其对应的燃料出、入口主管道和空气出、入口主管道之间分布在同一个侧边，从而增加了燃料和空气之间的密封分隔压力,增加了燃料和空气局部泄漏风险。特别在高空气流速的操作环境下，气体局部泄漏引起电堆寿命缩短的风险较高。此外，燃料/空气对流的流动管理模式也可用于支持燃料/空气的并流模式，理论上并流管理模式可进一步提高电池单元表面的电化学反应效率和温度分布特性。然而需要指出的是，由于燃料和空气主管道紧密的分布在电堆的同一个侧边，因此除相邻燃料和空气主管道间的密封问题外，并流模型下很难保证入口主管的总截面积始终小于出口主管道的截面积，这将在很大程度上降低流体在电池单元间(电堆层面)的流体分配质量。此外，通过参阅目前报道的燃料电池堆结构设计方案亦得到如下的一些典型特征：1)一般的电堆设计，阴极和阳极连接件往往使用相同的连接体形貌设计，往往未能结合燃料和空气侧的不同流动和电化学工作特征进行设计；2)一般的电堆设计往往采用单组空气流道的方案，不利于电堆温度的均匀分布，研究结果表明，由于空气的摩尔质量高，利用率低，因此空气流是电堆内部的主要载热流体，温度沿着空气流动方向上大幅度上升。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种具交差-并流-对流综合优化特征的燃料电池堆设计，该设计可大幅度改善平板式燃料电池堆的工作性能和运行寿命。

技术方案：为达到上述目的，本发明可采用如下技术方案：

一种具有交差-并流-对流综合优化特征的燃料电池堆，其特征在于：包括顶盖、底盖、及位于顶盖和底盖之间堆叠的若干板状的SOFC电池单元；所述两个相邻的SOFC电池单元之间均夹有一个连接件，其中连接件按照自上而下计数的单数及双数将连接件分为单数层连接件及双数层连接件；

所述顶盖上设有燃料出口主管道、燃料入口主管道、第一空气流道入口主管道、第一空气流道出口尾气主管道、第二空气流道入口主管道、第二空气流道出口尾气主管道；所述顶盖的下表面布置有燃料流道，该燃料流道的两端分别连通燃料出口主管道、燃料入口主管道；所述燃料出口主管道、燃料入口主管道分别设置在顶盖两端，所述第一空气流道入口主管道及第二空气流道出口尾气主管道位于顶盖一侧，而第二空气流道入口主管道、第一空气流道出口尾气主管道位于顶盖另一侧；

所述SOFC电池单元的上表面为阳极，而下表面为阴极；

所述每一个连接件的下表面为阳极流道，与SOFC电池单元上表面的阳极对应；每一个连接件的上表面为空气流道，与SOFC电池单元下表面的阴极对应；且每一个连接件上均具有连通燃料出口主管道的燃料出口、连通燃料入口主管道的燃料入口，且燃料入口及燃料出口均与阳极流道连通；

所述单数层连接件上设有与第一空气流道入口主管道及单数层连接件上空气流道同时连通的第一空气入口、与第一空气流道出口尾气主管道及单数层连接件上空气流道同时连通的第一尾气出口、与第二空气流道入口主管道连通的第三空气入口、与第二空气流道出口尾气主管道连通的第三尾气出口；且第三空气入口、第三尾气出口均不与单数层连接件上空气流道连通；

所述双数层连接件上设有与第二空气流道入口主管道及双数层连接件上空气流道同时连通的第二空气入口、与第二空气流道出口尾气主管道及双数层连接件上空气流道同时连通的第二尾气出口、与第一空气流道入口主管道连通的第四空气入口、与第一空气流道出口尾气主管道连通的第四尾气出口；且第四空气入口、第四尾气出口均不与双数层连接件上空气流道连通。

有益效果：本发明中燃料主管道(包括燃料出口主管道；燃料入口主管道；燃料出口；燃料入口)和空气主管道(包括第一空气流道入口主管道；第一空气流道出口尾气主管道；第二空气流道入口主管道；第二空气流道出口尾气主管道；第一、第二、第三、第四空气入口；第一、第二、第三、第四尾气出口)分布在相互垂直的对边上，因此，可避免如典型对流和并流设计中出现的，空气和燃料主管道靠相邻出现的燃料泄漏风险，缓解电堆，电池单元，以及组件之间的密封压力。并且，空气和燃料一侧采用不同的流道结构，可有效兼顾阴极和阳极侧空气和燃料分配过程中的不同需求特征。同时，虽然燃料流道和空气流道之间，以及两组空气流道之间就不同的流道特征，但经过本发明设计，可使得除顶盖以外，连接件形貌完全一致(双数层连接件可由单数层连接件旋转180度得到)，从而兼顾性能提升和简单的部件加工要求。

进一步的，所述顶盖下表面的燃料流道以及连接件下表面的燃料流道均为蛇形流道。对于方形流道而言，水汽的生成将会在一定程度上导致下游区域的工作失效。本发明针对阳极采用并行蛇形流道，可有效增加电堆内部的燃料压力，从而有效避免水汽的阻塞风险。

进一步的，所述连接件上表面凹设形成凹陷区域，凹陷区域内凸设有若干离散设置的柱形连接体，所述若干柱形连接体将凹陷部形成离散柱状直线的空气流道，该离散柱状直线空气流道与蛇形流道的设置形成蛇形流道燃料与空气流道内空气的并流和对流综合流动模式。所述底盖上表面同样设有空气流道，该空气流道的结构与连接件的空气流道结构相同。该进一步的技术特征的有益效果是，由于连接件的空气流道一侧采用离散圆柱形型连接体，燃料流道一侧采用并列蛇形结构，因此，虽然电堆的燃料和空气主管道分布方位具有交叉流特征，但实际上得到的电池单元两侧的燃料和空气分配的流动方向为典型的并型和对流型流动结果。从而可有效避免交差流管理模式下的高温热岛区，得到更为合理的电池单元表面的物质，反应和热度分布，降低局部热应力风险，大幅提升电堆寿命。同时，作为摩尔质量较大、且利用率较低的空气，其流道采用离散圆柱形型连接体形貌，可有效降低空气在电堆内的流动阻力，降低电堆的总空气压降，减小风机的额外损失功率。同时，离散圆柱形连接体可有效提高空气在多孔阴极内的扩散能力，减小阴极内部的氧死区面积。

进一步的，所述单数层连接件上的凹陷区域两侧设有第一台阶部，所述第三空气入口、第三尾气出口位于第一台阶部上并上下贯穿第一台阶部，所述第一空气入口、第一尾气出口位于单数层连接件上的凹陷区域内并上下贯穿单数层连接件上的凹陷区域。所述双数层连接件上的凹陷区域两侧设有第二台阶部，所述第四空气入口、第四尾气出口出口位于第二台阶部上并上下贯穿第二台阶部，所述第二空气入口、第二尾气出口位于双数层连接件上的凹陷区域内并上下贯穿双数层连接件上的凹陷区域。该进一步的技术特征的有益效果是，台阶部的设置不但使台阶部变成凹陷区域的包边而起到密封作用，同时台阶部上设置的空气入口及尾气出口可以不与凹陷区域进行连通，便于整体结构的设计。

进一步的，所述顶盖上的第一空气流道入口主管道、第一空气流道出口尾气主管道为2进3出U形流道，且第一空气流道入口主管道、第一空气流道出口尾气主管道对向安置；其中第一空气流道入口主管道为2个，第一空气流道出口尾气主管道为3个；对应第一空气流道入口主管道及第一空气流道出口尾气主管道的数量，所述每个单数层连接件的第一空气入口及双数层连接件的第四空气入口同样为2个；每个单数层连接件的第一尾气出口及双数层连接件的第四尾气出口为3个。所述顶盖上的第二空气流道入口主管道、第二空气流道出口尾气同样为主管道为2进3出U形流道，且第二空气流道入口主管道、第二空气流道出口尾气主管道对向安置；其中第二空气流道入口主管道为2个，第二空气流道出口尾气主管道为3个；对应第二空气流道入口主管道及第二空气流道出口尾气主管道的数量，所述每个双数层连接件的第二空气入口及单数层连接件的第三空气入口同样为2个；每个双数层连接件的第二尾气出口及单数层连接件的第三尾气出口为3个。该进一步的有益效果是，空气作为电堆内部热量的主要载体，本发明设计可支持两组2进口3出口U空气流道，使得电堆主管道之间一组空气流道的进气管与另一组空气流道的尾气管交替出现达到热交换效果。此外，使得电池单元之间空气流动方向相对，从而可大幅度降低电堆内部的温度梯度分布，从而大幅提高电池工作性能和稳定性。

进一步的，顶盖上还设有第一空气流道入口及连通第一空气流道入口的第一梯形分配器；所述2个第一空气流道入口主管道连接第一梯形分配器并通过第一梯形分配器与第一空气流道入口连通。顶盖上还设有第二空气流道入口及连通第二空气流道入口的第二梯形分配器；所述2个第二空气流道入口主管道连接第二梯形分配器并通过第二梯形分配器与第二空气流道入口连通。该进一步的技术特征的有益效果是，空气的入口管道均通过具有渐缩特性的梯形管进行分配，从而有利于增加两根入口管之间的空气分配质量。

附图说明

图1为本发明电堆结构的整体示意图。

图2为电堆顶盖立体图。

图3为电堆顶盖俯视图。

图4为电堆顶盖俯视图。

图5为电池单元的俯视图。

图6为电池单元的仰视图。

图7为单数层连接件俯视图。

图8为单数层连接件仰视图。

图9为双数层连接件俯视图。

图10为双数层连接件仰视图。

图11为电堆底盖的立体图。

具体实施方式

请参阅图1及图2所示，本发明公开一种具有交差-并流-对流综合优化特征的燃料电池堆，包括顶盖4、底盖8、及位于顶盖4和底盖8之间堆叠的若干板状的SOFC电池单元5。所述两个相邻的SOFC电池单元5之间均夹有一个连接件，其中连接件按照自上而下计数的单数及双数将连接件分为单数层连接件6及双数层连接件7。

所述顶盖4上设有燃料出口主管道1-2、燃料入口主管道1-1、第一空气流道入口2-1、连通第一空气流道入口的第一梯形分配器2-2、第一空气流道入口主管道2-3、第一空气流道出口尾气主管道2-4、第二空气流道入口3-1、连通第二空气流道入口的第二梯形分配器3-2、第二空气流道入口主管道3-3、第二空气流道出口尾气主管道3-4；所述顶盖上的第一空气流道入口主管道、第一空气流道出口尾气主管道为2进3出U形流道，且第一空气流道入口主管道2-3、第一空气流道出口尾气主管道2-4对向安置；其中第一空气流道入口2-3主管道为2个，第一空气流道出口尾气主管道2-4为3个。所述第二空气流道入口主管道、第二空气流道出口尾气同样为主管道为2进3出U形流道，且第二空气流道入口主管道3-3、第二空气流道出口尾气主管道3-4对向安置；其中第二空气流道3-3入口主管道为2个，第二空气流道出口尾气主管道3-4为3个。所述2个第一空气流道入口主管道2-3连接第一梯形分配器2-2并通过第一梯形分配器2-2与第一空气流道入口2-1连通。所述2个第二空气流道入口主管道3-3连接第二梯形分配器3-2并通过第二梯形分配器3-2与第二空气流道入口3-1连通。

请结合图3及图4所示，所述顶盖4的下表面布置有燃料流道4-1，该燃料流道4-1的两端分别连通燃料出口主管道1-2、燃料入口主管道1-1；所述燃料出口主管道1-2、燃料入口主管道1-1分别设置在顶盖4两端，所述第一空气流道入口主管道2-3及第二空气流道出口尾气主管道2-4位于顶盖4一侧，而第二空气流道入口主管道3-3、第一空气流道出口尾气主管道3-4位于顶盖4另一侧。

结合图5及图6，所述SOFC电池单元5的上表面为阳极，而下表面为阴极；其中，5-1为SOFC电池单元阳极。5-2为SOFC电池单元电解质层。5-3为SOFC电池单元阴极。5-4为SOFC电池单元框架。SOFC电池单元5的两侧设有与燃料出口主管道1-2对应连通的电池单元燃料出口5-6、与燃料入口主管道1-1对应连通的电池单元燃料入口5-5、以及与第一空气流道入口主管道2-3、第一空气流道出口尾气主管道2-4、第二空气流道入口主管道3-3、第二空气流道出口尾气主管道3-4对应连通用以形成空气循环的开口5-7。

所述每一个连接件的下表面为阳极流道(同样为用于燃料流通的燃料流道)，与SOFC电池单元上表面的阳极对应；每一个连接件的上表面为空气流道，与SOFC电池单元下表面的阴极对应；且每一个连接件上均具有连通燃料出口主管道1-2的燃料出口2-6、连通燃料入口主管道1-1的燃料入口2-5，且燃料入口2-5及燃料出口2-6均与阳极流道连通。所述连接件上表面的空气流道的实现为：连接件上表面凹设形成凹陷区域，凹陷区域内凸设有若干离散设置的柱形连接体(单数层连接件6中的柱形连接体6-1；双数层连接件7中的柱形连接体7-1)，所述若干柱形连接体将凹陷部形成空气流道(单数层连接件6中的空气流道6-2；双数层连接件7中的空气流道7-2)。再结合图11，所述底盖8上表面同样设有空气流道8-2，该空气流道的结构与连接件的空气流道结构相同，同样是通过在凹陷区域内凸设的若干柱形连接体8-1实现，在此不再赘述。

需要注意的是，在本发明中，双数层连接件与单数层连接件的结构实质上完全一致，双数层连接件可由单数层连接件旋转180度得到。为了使本领域一般技术人员对本实施方式的技术方案更好的理解，通过单、双数层连接件分类介绍。

请结合图7及图8所示，所述单数层连接件6上设有与第一空气流道入口主管道2-3及单数层连接件上空气流道6-2同时连通的第一空气入口6-3、与第一空气流道出口尾气主管道2-4及单数层连接件上空气流道6-2同时连通的第一尾气出口6-4、与第二空气流道入口主管道3-3连通的第三空气入口6-5、与第二空气流道出口尾气主管道3-4连通的第三尾气出口6-6；且第三空气入口6-5、第三尾气出口6-6均不与单数层连接件上空气流道6-2连通。所述第一空气流道入口主管道2-3、第一空气流道出口尾气主管道2-4、单数层连接件6中的空气流道6-2形成空气流通循环。所述单数层连接件上的凹陷区域两侧设有第一台阶部6-8，所述第三空气入口6-5、第三尾气出口6-6位于第一台阶部6-8上并上下贯穿第一台阶部6-8，所述第一空气入口6-3、第一尾气出口6-4位于单数层连接件上的凹陷区域内并上下贯穿单数层连接件上的凹陷区域。

请结合图9及图10所示，所述双数层连接件7上设有与第二空气流道入口主管道3-3及双数层连接件上空气流道7-2同时连通的第二空气入口7-3、与第二空气流道出口尾气主管道3-4及双数层连接件上空气流道7-2同时连通的第二尾气出口7-4、与第一空气流道入口主管道2-3连通的第四空气入口7-5、与第一空气流道出口尾气主管道2-4连通的第四尾气出口7-6；且第四空气入口7-5、第四尾气出口7-6均不与双数层连接件上空气流道7-2连通。所述第二空气流道入口主管道3-3、第二空气流道出口尾气主管道3-4、双数层连接件7中的空气流道7-2形成空气流通循环。所述双数层连接件上的凹陷区域两侧设有第二台阶部7-8，所述第四空气入口7-5、第四尾气出口出口7-6位于第二台阶部7-8上并上下贯穿第二台阶部7-8，所述第二空气入口7-3、第二尾气出口7-4位于双数层连接件上的凹陷区域内并上下贯穿双数层连接件上的凹陷区域。

对应第一空气流道入口主管道2-3及第一空气流道出口尾气主管道2-4的数量，所述每个单数层连接件的第一空气入口6-3及双数层连接件的第四空气入口7-5同样为2个；每个单数层连接件的第一尾气出口6-4及双数层连接件的第四尾气7-6出口为3个。对应第二空气流道入口主管道3-3及第二空气流道出口尾气主管道3-4的数量，所述每个双数层连接件的第二空气入口7-3及单数层连接件的第三空气入口6-4同样为2个；每个双数层连接件的第二尾气出口7-4及单数层连接件的第三尾气出口6-6为3个。

所述顶盖下表面的燃料流道4-1以及连接件下表面的阳极流道(单数层连接件6中的阳极流道6-7；双数层连接件7中的阳极流道7-7)均为蛇形流道。阳极流道6-7形成单数层连接件6下表面的阳极流道区域6-9。阳极流道7-7形成双数层连接件7下表面的阳极流道区域7-9。而结合上述的连接件空气侧的空气流道的设计：“凹陷区域内凸设有若干离散设置的柱形连接体，所述若干柱形连接体将凹陷部形成离散柱状直线的空气流道”，可知，连接件一面的燃料用蛇形流道与另一面的空气用空气流道的不同类设计可以实现本实施方式中的重要有益效果。即，若燃料和空气侧均采用相同的流道形貌，则其燃料和空气的相互流动方向必然为交叉流。交差流的优点是，燃料和空气主管分处不同侧面，容易密封，缺点就是交叉流影响热应力，导致的电堆很快退化。所以，本发明中在阳极侧使用并蛇形流道，配合空气侧使用直线离散柱状连接体，这样配合主管道位置会在电堆内部形成并流和对流并存的燃料和空气相互流动方向。从而同时兼顾，交叉流、并流、对流三种设计的优点。

另外，本发明的具体实现方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。