CN109509895A - 一种固体氧化物燃料电池 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种固体氧化物燃料电池，包括电池组件和燃料收集器，电池组件包括支撑板和若干电堆，支撑板中心处竖直设有支撑机构，支撑机构从下至上依次设有空气分配器和燃料分配器，电堆等间隔设在支撑机构周围的支撑板上，电堆为长方体且内部为空腔，电堆包括设有空气口的出空气侧、进空气侧、进燃料侧和出燃料侧；空气分配器入口端连通设有空气入口总管，出口端通过空气管连通电堆进空气侧，燃料分配器入口端设有一燃料入口总管，出口端通过若干燃料管一一连通电堆进燃料侧，电堆出燃料侧通过若干燃料管共同连通燃料收集器，燃料收集器固设在支撑机构上且其还连通设有一燃料出口总管，进而为外部负载提供电能，实现高功率的发电。

Description

一种固体氧化物燃料电池

技术领域

本发明涉及机械工程技术领域，具体涉及一种固体氧化物燃料电池。

背景技术

能源是国民经济发展的动力，也是衡量综合国力、国家文明发达程度和人民生活水平的重要指标，21世纪是节能、能源变迁与环境保护的世纪，新型清洁能源的开发、现有能源的合理利用，与环境保护相互协调的发展已成为本世纪世界经济发展的基础。燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能，直接转化为电能的装置。当源源不断地从外部向燃料电池供给燃料和氧化剂时，它可以连续发电。

固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，SOFC)凭借其独特的优点，与质子交换膜燃料电池一起成为新世纪各国的研究热点。随着研究的逐步深入，单堆SOFC(1kW)发电装置已经逐步成型，在实验成功率、稳定性以及持久性上都有了较大的提升，因此，对于大功率的SOFC发电装置的研究逐渐展开。相对于单堆，多电堆发电装置的最核心问题就是如何保证每个电堆工作的稳定性，即，每个电堆都获得相同的气体流量，以相同的反应速率进行发电，如此，才能最大限度地保证每个电堆状况相同。因为多电堆之间是串联连接，一旦某一个电堆，甚至电堆中的一块电池片由于热应力破裂、退化严重导致性能下降等产生故障，整个发电装置即宣告结束，因此，如何使每个电堆都尽可能的处在相同的工况下是多电堆发电装置发展路上亟需解决的问题。

为解决上述问题，本结构设计在单堆SOFC发电装置的基础上，构建了10kW电堆发电装置，在满足功率的要求下，尽可能采用中心对称和轴对称结构布置，保证每个电堆都处于相同的工作状况，以期保障电堆最大限度的稳定工作，提供所需的能源。本设别整体尺寸为1340mm×500mm，设计紧凑，结构合理简单。

发明内容

有鉴于此，本发明的公开了一种固体氧化物燃料电池，可实现高功率的电力输出，并解决了多电堆联合发电的气体均匀度的问题。

本发明的提供一种固体氧化物燃料电池，包括电池组件和燃料收集器，所述电池组件包括支撑板和若干电堆，所述支撑板中心处竖直设有一支撑机构，所述支撑机构从下至上依次设有空气分配器和燃料分配器，所述电堆等间隔设在支撑机构周围的支撑板上，所述电堆为长方体且内部为空腔，所述电堆包括设有空气口的出空气侧，还包括相对空气口一侧的进空气侧以及相邻空气口的进燃料侧和出燃料侧；

所述空气分配器入口端连通设有一空气入口总管，出口端通过若干空气管一一连通电堆进空气侧，用于为电堆提供空气，所述燃料分配器入口端设有一燃料入口总管，出口端通过若干燃料管一一连通电堆进燃料侧，所述电堆出燃料侧通过若干燃料管共同连通所述燃料收集器，所述燃料收集器固设在所述支撑机构上且其还连通设有一燃料出口总管，用于为电堆提供燃气。

进一步地，还包括外盖，所述外盖与电池组件配合安装，以密封所述电池组件，所述空气入口总管、燃料入口总管和燃料出口总管自由端均穿过外盖延伸至外盖外，所述外盖上还设有一贯穿的空气出口总管。

进一步地，每一所述电堆进空气侧和空气分配器之间的空气管长度相同，每一个电堆进燃料侧和燃料分配器之间的燃料管长度相同，分别用于为每一个电堆分配相同的空气和燃料气。

进一步地，每一所述电堆与支撑板间均设有一支撑座。

进一步地，所述电池组件至少一个，相邻两电池组件的燃料出口管间连接有燃料通管。

进一步地，所述支撑机构包括若干支撑柱和支撑架，若干所述支撑架平行设于若干支撑柱间，若干所述支撑架中心处均位于同一直线上，所述空气分配器、燃料分配器和燃料收集器均固定于支撑架上。

进一步地，所述燃料通管、空气管和燃料管均为波纹管。

进一步地，所述燃料通管、空气管和燃料管均通过法兰与电堆固定连接。

进一步地，所述电堆内设有至少一个电极板和位于电极板两侧的连接板，所述电极板包括阳极板、电解质和阴极板，所述连接板与阳极板接触一面设有若干第一通槽，若干第一通槽相互平行且两端分别连通进燃料侧和出燃料侧的燃料管，用于为阳极板提供燃料气，所述连接板与阴极板接触一面设有若干第二通槽，若干第二通槽相互平行且两端分别分别连通电堆进空气侧的空气管和出空气侧的空气口，用于为阴极板提供氧化气，所述第一通槽和第二通槽相互隔离设置。

本发明提供的技术方案带来的有益效果是：对称的结构设计，可以保证燃料电池整体结构的紧促，同时可以保证气体供应的均匀，最大限度地保证每个电堆具有相同的输出功率，进而保障整个燃料电池的稳定运行，多电堆的联合发电，可以实现高功率的发电。

附图说明

图1是本发明一种固体氧化物燃料电池的整体结构图；

图2是本发明实施例一中单层电池组件的内部结构图；

图3是本发明实施例一中双层电池组件的内部结构图；

图4是本发明实施例一中电堆的内部结构图。

图中：1、支撑板 2、电堆 3、支撑机构 301、支撑柱 302、支撑架 4、空气分配器 5、燃料分配器 6、空气口 7、空气入口总管 8、空气管 9、燃料入口总管 10、燃料管 11、燃料收集器 12、燃料出口总管 13、外盖 14、空气出口总管 15、支撑座 16、燃料通管 17、法兰18、连接板 181、第一通槽 182、第二通槽 19、电极板。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。

实施例一

请参考图1，本发明的实施例公开了一种固体氧化物燃料电池，包括电池组件和燃料收集器，所述电池组件包括支撑板和若干电堆，请参考图2，本实施采用的电堆数量为6个，所述支撑板中心处竖直设有一支撑机构，所述支撑机构从下至上依次设有空气分配器和燃料分配器，一般地，支撑机构采用包括若干支撑柱和支撑架，若干支撑柱以支撑板中心点为圆心，等间隔设在支撑板靠近中心点位置，若干所述支撑架平行设于若干支撑柱间，若干所述支撑架中心处均位于同一直线上，所述空气分配器和燃料分配器均固定于支撑架上。

所述电堆等间隔设在支撑机构周围的支撑板上，为了保证电堆固定的稳定，所述电堆为长方体且内部为空腔，且电堆与支撑板间设有一支撑座，用于进一步固定电堆，所述电堆包括设有空气口的出空气侧，还包括相对空气口一侧的进空气侧以及相邻空气口的进燃料侧和出燃料侧；

所述空气分配器入口端连通设有一空气入口总管，出口端通过若干空气管一一连通电堆进空气侧，空气可从电堆进空气侧进入，并从空气口排出，用于为电堆提供空气；所述燃料分配器入口端设有一燃料入口总管，出口端通过若干燃料管一一连通电堆进燃料侧，所述电堆出燃料侧通过若干燃料管共同连通所述燃料收集器，所述燃料收集器固设在所述支撑机构上且其还连通设有一燃料出口总管，燃气可以从电堆进燃料侧进入，并从电堆出燃料侧排出，用于为电堆提供燃气。

为了实现每一个电堆的气体分配均匀，每一个电堆进空气侧和空气分配器之间的空气管长度相同，每一个电堆进燃料侧和燃料分配器之间的燃料管长度相同，进而最大限度保证每个电堆具有相同的输出功率。

请参考图3，为了提升燃料电池的电力和足够的电压值，所述电池组件可以为多层，如两层、三层、四层，依次类推，以图3所示的两层为例，每一层电池组件均有属于自己的空气入口总管和燃料入口总管，而相邻两个电池组件的染料出口管间连接有一燃料通管，所述燃料通管可以将每一层电池组件中的燃料出口管相互连通，进而一并回收至位于最上方一层或者最下方一层的燃料收集器内，不仅降低了成本，同时也保证了各个管路的简洁，有利于缩小燃料电池的体积。且所述燃料通管、空气管和燃料管均进可采用波纹管，便于在安装的时候可以进行弯折，燃料通管和燃料管的直径采用25mm，空气管道的直径采用42mm。

同时，为了保证空气和燃气在传输过程中不会被泄露，所述燃料通管、空气管和燃料管均通过法兰与电堆固定连接，法兰可采用卫生法兰。

请继续参考图1，本燃料电池还包括一外盖，所述外盖可以和最下一层的支撑板配合安装，将电池组件全部密封在支撑板和外盖形成的密闭空间内，用于对电池组件的保护，同时在外盖上设有一空气出口总管，可设在外盖的顶部中心处，也可设在支撑板的底部中心处，只要能将空气口排出的气体排出至周围环境即可。

同时，所述电堆内设有至少一个电极板和位于电极板两侧的连接板，请参考图4，以4个电极板为例，所述电极板从上至下依次包括阳极板、电解质和阴极板，所述连接板与阳极板接触一面设有若干第一通槽，若干第一通槽相互平行，且其两端分别连通进燃料侧和出燃料侧的燃料管，进而从燃料管进入的燃气为阳极板提供燃料气，燃料气在电极板上放出电子；同时所述连接板与阴极板接触一面设有若干第二通槽，若干第二通槽相互平行，且其两端分别连通电堆进空气侧的空气管和出空气侧的空气口，进而从空气管中进入的空气为阴极板提供氧化气，燃料气在催化剂的作用下，在阳极板上分解释放多余的电子而带负电，氧化气在催化剂的作用下，在阴极板上分解缺少电子而带正电，由此将阳极板和阴极板接入电路中，既可以为电路提供电能，同时燃料气分解后多余的氢离子和氧化气分解后多余的阳离子在电解质的作用下结合为水，完成燃料电池的供电。

所述第一通槽和第二通槽相互隔离设置，放置电堆内部的空气和燃料气形成干扰，保证燃料电池的正常供电。

同时在是实际的使用时，电堆的阴极板作为正极，电对的阳极板作为负极，电堆按照顺序正极和负极依次相连，例如标号为电堆1、电堆2、电堆3、···、电堆N和电堆N+1，其中N≥1，电堆1的正极接电堆2的负极，电堆2的正极连接电堆3的负极，···，电堆N的正极接电堆N+1的负极，将电堆1的负极和电堆N+1的正极作为整个燃料电池的正负极，进而为外部负载进行供电。

本发明中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种固体氧化物燃料电池，包括电池组件和燃料收集器，其特征在于：所述电池组件包括支撑板和若干电堆，所述支撑板中心处竖直设有一支撑机构，所述支撑机构从下至上依次设有空气分配器和燃料分配器，所述电堆等间隔设在支撑机构周围的支撑板上，所述电堆为长方体且内部为空腔，所述电堆包括设有空气口的出空气侧，还包括相对空气口一侧的进空气侧以及相邻空气口的进燃料侧和出燃料侧；所述空气分配器入口端连通设有一空气入口总管，出口端通过若干空气管一一连通电堆进空气侧，用于为电堆提供空气，所述燃料分配器入口端设有一燃料入口总管，出口端通过若干燃料管一一连通电堆进燃料侧，所述电堆出燃料侧通过若干燃料管共同连通所述燃料收集器，所述燃料收集器固设在所述支撑机构上且其还连通设有一燃料出口总管，用于为电堆提供燃气。

2.根据权利要求1所述一种固体氧化物燃料电池，其特征在于：还包括外盖，所述外盖与电池组件配合安装，以密封所述电池组件，所述空气入口总管、燃料入口总管和燃料出口总管自由端均穿过外盖延伸至外盖外，所述外盖上还设有一贯穿的空气出口总管。

3.根据权利要求1所述一种固体氧化物燃料电池，其特征在于：每一所述电堆进空气侧和空气分配器之间的空气管长度相同，每一个电堆进燃料侧和燃料分配器之间的燃料管长度相同，分别用于为每一个电堆分配相同的空气和燃料气。

4.根据权利要求1所述一种固体氧化物燃料电池，其特征在于：每一所述电堆与支撑板间均设有一支撑座。

5.根据权利要求1所述一种固体氧化物燃料电池，其特征在于：所述电池组件至少一个，相邻两电池组件的燃料出口管间连接有燃料通管。

6.根据权利要求5所述一种固体氧化物燃料电池，其特征在于：所述支撑机构包括若干支撑柱和支撑架，若干所述支撑架平行设于若干支撑柱间，若干所述支撑架中心处均位于同一直线上，所述空气分配器、燃料分配器和燃料收集器均固定于支撑架上。

7.根据权利要求5所述一种固体氧化物燃料电池，其特征在于：所述燃料通管、空气管和燃料管均为波纹管。

8.根据权利要求5所述一种固体氧化物燃料电池，其特征在于：所述燃料通管、空气管和燃料管均通过法兰与电堆固定连接。

9.根据权利要求1-8任一项所述一种固体氧化物燃料电池，其特征在于：所述电堆内设有至少一个电极板和位于电极板两侧的连接板，所述电极板包括阳极板、电解质和阴极板，所述连接板与阳极板接触一面设有若干第一通槽，若干第一通槽相互平行且两端分别连通进燃料侧和出燃料侧的燃料管，用于为阳极板提供燃料气，所述连接板与阴极板接触一面设有若干第二通槽，若干第二通槽相互平行且两端分别分别连通电堆进空气侧的空气管和出空气侧的空气口，用于为阴极板提供氧化气，所述第一通槽和第二通槽相互隔离设置。