一种类螺旋状连接体平板固体氧化物燃料电池堆的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种类螺旋状连接体平板固体氧化物燃料电池堆，包括多个由阳极、阴极、电解质层构成的平板固体氧化物燃料单电池，电池单片与单片之间组成模式为阳极正对阳极，阴极正对阴极，两相邻单电池之间由一个连接体连接，气体由进气口通入后进入类螺旋通道，沿类螺旋状气体通道流动的同时，垂直并横向冲刷单电池的阴极和阳极，本发明可以极大提高燃料气体和氧化气体在垂直于单电池三相反应界面上的渗透量，强化传质，有效地提高平板固体氧化物燃料电池堆靠近阳极侧和靠近阴极侧的气体浓度，从而提高平板固体氧化物燃料电池堆的功率密度。
【专利说明】一种类螺旋状连接体平板固体氧化物燃料电池堆
【技术领域】
[0001]本发明涉及固体氧化物燃料电池(S0FC)，尤其涉及类螺旋状连接体平板固体氧化物燃料电池堆的结构。
【背景技术】
[0002]随着全球工业化的进一步推进，长期以来依赖煤、石油等传统化石能源的能源生产供应体系由于原材料的枯竭正逐渐步入转型阶段，高效、清洁的可再生新能源供应系统成为全世界各个国家解决现有能源危机的首选，全球各国都在积极开发太阳能、风能、海洋能、海底可燃冰等可再生新能源，同时发展以氢气、甲醇等燃料作为汽油、石油代替品的新技术，燃料电池作为解决能源利用效率低和环境污染双重问题的二次能源装置，其高效、低污染的优势正在逐渐凸显，固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cells)由于燃料适用性强、催化成本低、能源利用率高等优点在发电、汽车、航空电子等领域为广大科研机构所重视，并逐步走向商业化。
[0003]固体氧化物燃料单电池主要由阴极、阳极、电解质组成，各单电池之间通过连接体衔接，连接体同时起到导流的作用。SOFC由于其工作条件和结构特性导致对各组成部分的材料和工艺要求十分严格，基于材料在氧化还原气氛中要有较好的稳定性、彼此之间的化学相容性、各材料相近的热膨胀系数和合适的电导性、连接体和电解质完全致密性、阳极和阴极要有合理的孔隙率和粒径分布等要求，目前阳极广泛采用镍掺杂的YSZ(Ni/YSZ)，阴极主要采用钙钛矿氧化物，电解质材料广泛采用氧化钇掺杂氧化锆Y2O3-ZrO2(YSZ)，连接体可采用钙钛矿氧化物陶瓷或金属合金材料。
[0004]连接体在SOFC中起到连接各电池单片和集流的作用，在平板式SOFC堆中连接体还起到分隔燃料气与相邻电池氧化气的作用。由于连接体要接触燃料气体与氧化气体，不仅要求加工成本低，对连接体结构的稳定性、电子电导率、机械强度等方面有很高的要求。
[0005]由于设计具有电流收集路程短、功率密度高、制备工艺简单等优点，在中国专利 CN201210072002.2、CN200910095328.5、CN200920085649.2、CN200810150543.6、CN200710120475.4、CN200560026293.3、CN200410020924.1 等及美国专利 US4663493、US2624910、US2226032等中都公开报道了平板式SOFC堆的设计，即采用平板形状的单电池堆，将燃料气体和氧化气体分别导入到平板单电池的两个面。由于通常SOFC堆内氧化气体和燃料气体多为层流流态，在电极反应界面上燃料气体浓度或氧化气体浓度较低，而远离电极侧的气体浓度较高但无法参与电极反应，导致这一现象的主要原因在于绝大部分现有板式SOFC电堆连接体(槽式结构、波纹结构等)仅能从平行于平板面的方向扰动气体，而垂直于电池的平面上的燃料气体和氧化气体浓度差较大、浓度极化较高的问题不能得到很好地解决，无法有效地强化传质，从而降低了 SOFC堆的性能。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于提供一种类螺旋状连接体平板固体氧化物燃料电池堆。[0007]为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案。
[0008]包括多个由阳极、电解质层以及阴极构成的单电池，相邻单电池的阳极或阴极正对，在相邻的单电池之间设置有连接体，连接体的气体通道采用类螺旋通道连接而成。
[0009]所述气体通道包括并行排列的若干根中空类螺旋通道，相邻类螺旋通道在其两侧气体进出口处分别由与沿气体流通方向圆形横截面直径一致的圆形直通道相连，最外侧的两根类螺旋通道分别通过同样的圆形直通道与连接体的外界气体进出口对应相连，使若干根类螺旋通道形成一个连通的气体流通场所。
[0010]所述气体通道包括通过两个平面截去螺旋通道阵列上下两端所剩余的部分。螺旋通道阵列由若干根并行排列的螺旋通道组成。
[0011]所述两个平面与螺旋通道阵列所在平面平行，两个平面距螺旋通道中轴线的距离在螺旋通道与所述中轴线之间距离的最大值与最小值之间，一方面，使得在气体通道中的气体可以以一定角度同时水平和垂直冲刷电池的阳极和阴极，另一方面保证气体可以沿气体通道流动而不发生回流。
[0012]所述气体通道在未与电极(阳极、阴极)接触的地方沿气体流通方向横截面为圆形，在与电极接触的地方沿气体流通方向横截面为拱形面，且拱形面圆弧段所对应的半径与所述圆形横截面半径一致。
[0013]通过调整类螺旋通道的数目，可以改变氧化气体或燃料气体在连接体上的气体出口位置。
[0014]通过调整类螺旋通道的螺距、沿气体流通方向的横截面直径、类螺旋通道数目或者沿气体流通方向横截面等参数，可以改变氧化气体和燃料气体与电池阴、阳极接触的面积，从而影响电极内的传热传质。
[0015]所述单电池为阳极支撑结构、电解质层支撑结构、阴极支撑结构、连接体支撑结构或者金属陶瓷支撑结构。
[0016]若相邻两个单电池的阴极正对，则正对的阴极之间通入氧化气体,若相邻两个单电池的阳极正对，则正对的阳极之间通入燃料气体。
[0017]所述氧化气体与燃料气体的流动方向为顺流、逆流或者叉流。
[0018]本发明的有益效果体现在:
[0019]本发明对平板固体氧化物燃料电池堆连接体结构进行改进，连接体包括并行的若干根中空类螺旋通道，各相邻类螺旋通道在气体进出口处分别由与沿气体通道方向横截面直径一致的圆形直通道相连，最外侧的两根类螺旋通道分别通过同样的圆形直通道与外界气体进出口相连，使整个类螺旋通道形成一个连通的气体流通场所。气体由连接体气体入口进入，沿类螺旋通道旋转流动，一部分气体以一定角度冲刷与电池电极的接触面，在电极内部形成水平与垂直的气体扩散分量，另一部分气体通过未与电极接触的类螺旋通道继续旋转流动，流动过程中，由于气体通道的形变迫使更多的气体扩散至电极中参与反应，同时从垂直和平行于单电池电极的平面上来扰动燃料气体和氧化气体，该结构有效地强化传质，将燃料气体或者氧化气体有效地输运传递到阳极或者阴极反应界面上，有效地提高阳极侧反应界面上的燃料气体浓度和阴极侧反应界面上的氧化气体浓度，充分地利用燃料气体和氧化气体，从而降低浓度极化，大大提高平板固体氧化物燃料电池堆的功率密度。
[0020]进一步的，本发明中多个单电池的布置形式为一片单电池的阳极正对另一片单电池的阳极，相邻两个单电池的阳极之间通有燃料气体，在阳极气道内形成两侧反应界面；一片单电池的阴极正对另一片单电池的阴极，相邻两个单电池的阴极之间通有氧化气体，在阴极气道内形成两侧反应界面。该结构优点是充分地利用燃料气体和氧化气体，大大提高平板固体氧化物燃料电池堆的功率密度。
[0021]进一步的，本发明中连接体的气体通道在未与电极接触的地方沿气体流通方向横截面为圆形，在与电极接触的地方沿气体流通方向横截面为拱形面，且拱形面圆弧段所对应的弓形半径与完整气道部分沿气体流通方向的圆形横截面半径一致；单电池为阳极支撑结构、电解质层支撑结构、阴极支撑结构、连接体支撑结构或者金属陶瓷支撑结构；氧化气体与燃料气体的流动方向为顺流、逆流或者叉流；气体入口和气体出口分开设置在连接体两个相对侧面上，并与最相邻的两组类螺旋通道相连，这些特征可提高平板固体氧化物燃料电池堆在能源系统内的适用性。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1 (a)为本发明的结构示意图；
[0023]图1 (b)为图1 (a)的A-1剖面二维示意图；
[0024]图1 (c)为图1 (a)的A-2剖面二维示意图；
[0025]图1 (d)为图1 (a)的A-3剖面二维示意图；
[0026]图1 (e)为图1 (a)的B-1剖面二维示意图；
[0027]图1 (f)为图1 (a)的B-2剖面二维示意图；
[0028]图1 (g)为图1 (a)的B-3剖面二维示意图；
[0029]图2 Ca)为本发明所述气体通道结构的俯视示意图；
[0030]图2 (b)为本发明所述气体通道结构的仰视示意图；
[0031]图2 (c)为本发明所述气体通道结构的左侧视示意图；
[0032]图2 Cd)为本发明所述气体通道结构的右侧视示意图；
[0033]图2 Ce)为本发明所述气体通道结构的上侧视示意图；
[0034]图2 Cf)为本发明所述气体通道结构的下侧视示意图；
[0035]图3 Ca)为气体在连接体与电极接触面上的梯形剖面俯视二维示意图；
[0036]图3 (b)为气体在连接体与电极接触面上的梯形剖面侧视二维示意图；
[0037]图4 Ca)为本发明实施例类螺旋通道连接体单螺旋半电池示意图；
[0038]图4 (b)为本发明实施例类螺旋通道连接体单螺旋半电池C-1剖面三维示意图；
[0039]图4 (c)为本发明实施例类螺旋通道连接体单螺旋半电池C-2剖面三维示意图:
[0040]图4 Cd)为本发明实施例类螺旋通道连接体单螺旋半电池C-3剖面三维示意图；
[0041]图4 (e)为本发明实施例类螺旋通道连接体单螺旋半电池C-4剖面三维示意图；
[0042]图中:1为单电池，1-1为阳极，1-2为电解质层，1-3为阴极，2为单电池，2-1为阴极,2-2为电解质层,2-3为阳极,3为单电池,3-1为阳极,3-2为电解质层,3-3为阴极,4为连接体，4-1为气体入口，4-2为气体出口，5为连接体，5-1气体入口，5-2为气体出口，6为燃料气体，7为氧化气体，C-5为类螺旋通道的中轴线(即螺旋通道的中轴线)。
【具体实施方式】[0043]下面结合附图对本发明的内容作进一步详细说明。
[0044]参照图1 (a)-图1 (g)所示，本发明所述类螺旋状连接体平板固体氧化物燃料电池堆包括多个由阳极、电解质层以及阴极构成的单电池，单电池1、2、3具有完全相同的结构，并且从上至下依次排列。在相邻的单电池之间分别设置有连接体4、5，多个单电池1、2、3的布置形式为一片单电池2的阳极2-3正对另一片单电池3的阳极3-1，该单电池2的阴极2-1正对另一片单电池I的阴极1-3，连接体4、5具有完全相同的结构，呈交错状布置。连接体4、5包括气体入口 4-1、5-1，气体出口 4-2、5-2和气体通道(多个并行排列的类螺旋通道连接而成)。相邻两个单电池1、2的阴极1-3、2-1之间通有氧化气体7，相邻两个单电池2、3的阳极2-3、3-1之间通有燃料气体6。单电池1、2、3采用阳极支撑结构、电解质层支撑结构、阴极支撑结构、连接体支撑结构或者金属陶瓷支撑结构均可。氧化气体7与燃料气体6的流动方向为叉流、逆流或者顺流。气体入口和气体出口分开设置在连接体两个个相对侧面上，并与最相邻的两组类螺旋通道相连。气体沿气体入口 4-1、5-1进入连接体，顺着螺旋方向蜿蜒旋转，部分在与电极接触面的地方扩散进入电极，剩余气体和反应产生尾气继续沿螺旋方向前进，以此类推，直至剩余气体和尾气由气体出口 4-2、5-2排出。
[0045]参照图2 (a)_图2 (f)所示，连接体4、5中包括并行的六根中空类螺旋通道，各相邻类螺旋通道在气体进出口处分别由与沿气体流通方向横截面直径一致的圆形直通道相连，最外侧的两根类螺旋通道分别通过同样的圆形直通道与外界气体进出口(即气体入口 4-1、5-1，气体出口 4-2、5-2)相连，使六根类螺旋通道形成一个连通的气体流通场所(气体通道)。
[0046]连接体的气体通道(连接体中间中空部分)包括一个中空螺旋通道阵列通过截去与阵列平面平行的两个平行平面的外侧部分后所剩余的部分，保证所述两个平行平面距中空螺旋通道中轴线所在平面的距离在螺旋通道与所述中轴线之间距离的最大值与最小值之间，使得在气体通道中的气体可以以一定角度同时水平和垂直冲刷电池的阳极和阴极。
[0047]连接体4、5的气体通道在未与电极接触的地方沿气体流通方向横截面为圆形，在与电极接触的地方沿气体流通方向横截面为拱形面，且拱形面圆弧段所对应的弓形半径与完整气道部分沿气体流通方向的圆形横截面半径一致。
[0048]氧化气体和燃料气体分别由对应的气体入口 4-1、5_1进入中空类螺旋通道，沿圆形横截面和螺纹方向前进，遇到拱形截面时一部分气体由于惯性以一定角度冲刷电极，形成水平和垂直的气体扩散量，另一部分气体和由电极扩散出来的尾气继续沿螺旋通道蜿蜒前进，到通过拱形截面时，又进入下一个圆形横截面通道，以此类推，直至通过所有类螺旋通道，最后少许余气和大量尾气沿对应的气体出口 4-2、5-2排出。氧化气体7与燃料气体6的流动方向为逆流、叉流者或者顺流。
[0049]参照图3 (a)、图3 (b)所示，在拱形横截面区域气体与电极交汇面为一个变形的椭圆形，通过调整螺旋的螺距、中心距、横截面直径等参数，便可以增大进入电极的气体量，从而达到提高电性能的目的。在非气体与电极交汇面上，连接体与电极紧密接触，成为电堆产生电荷流经的导体，通过调整螺旋的螺距、中心距、横截面直径等参数，便可以减小电荷流通的面积，达到增大电流密度的目的。
[0050]参照图4 Ca)-图4 (e)所示，氧化气体或燃料气体沿气体入口进入中空类螺旋通道，气体沿类螺旋通道旋转前进，部分气体在与电极接触面的地方扩散进入电极，剩余气体和反应产生尾气继续沿螺旋方向前进，以此类推，直至剩余气体和尾气由圆形连接体气体出口排出。在拱形横截面区域，气体与电极交汇面为一个变形的椭圆形，在非气体与电极交汇面上，连接体与电极紧密接触，成为电堆产生电荷流经的导体。
[0051]通过调整类螺旋通道的数目(奇数个或偶数个)，可以改变氧化气体和燃料气体的气体出口位置。
[0052]通过调整类螺旋通道的螺距、沿气体流通方向的横截面直径、类螺旋通道数目、沿气体流通方向拱形面横截面等参数，可以改变氧化气体和燃料气体与电池阴阳极接触的面积，从而影响电极内的传热传质。
[0053]本发明可以极大提高燃料气体和氧化气体在垂直于单电池阴阳极的平面上的渗透浓度(三相反应界面上的渗透量)，强化传质，有效地提高平板固体氧化物燃料电池堆靠近阳极侧的燃料气体浓度和靠近阴极侧的氧化气体浓度，改善燃料气体和氧化气体“供不应求”的现状；阳极对阳极、阴极对阴极的电堆结构可以在阳极气道内和阴极气道内分别形成两侧反应界面，更加充分地利用燃料气体和氧化气体，大大提高平板固体氧化物燃料电池堆的功率密度。
[0054]经数值计算证明，在进口质量流量一致的情况下，本发明较与之有相似垂直冲刷电池阴阳极表面的双层连接体结构(参见专利申请200810150543.6)相比，在电池三相反应面上的平均流速提高了一个数量级，较最通用的直通道连接体在电池三相反应面上的平均流速提高了两个数量级，对于固体氧化物燃料电池，在阳极内的气体流速越快，参与氧化还原反应气体浓度越大，更多的氧化还原反应可以发生，从而达到增加反应产生电流，提高电池功率的目的。
【权利要求】
1.一种类螺旋状连接体平板固体氧化物燃料电池堆，其特征在于:包括多个单电池，相邻单电池的阳极或阴极正对，在相邻的单电池之间设置有连接体，连接体的气体通道采用类螺旋通道。
2.根据权利要求1所述一种类螺旋状连接体平板固体氧化物燃料电池堆，其特征在于:所述气体通道包括并行排列的若干根类螺旋通道，相邻类螺旋通道在气体进出口处分别由圆形直通道相连，最外侧的两根类螺旋通道分别通过圆形直通道与连接体的外界气体进出口对应相连，使若干根类螺旋通道形成一个连通的气体流通场所。
3.根据权利要求1所述一种类螺旋状连接体平板固体氧化物燃料电池堆，其特征在于:所述气体通道包括通过两个平面截去螺旋通道阵列上下两端所剩余的部分。
4.根据权利要求2所述一种类螺旋状连接体平板固体氧化物燃料电池堆，其特征在于:所述两个平面与螺旋通道阵列所在平面平行，两个平面距螺旋通道中轴线的距离在螺旋通道与所述中轴线之间距离的最大值与最小值之间。
5.根据权利要求1所述一种类螺旋状连接体平板固体氧化物燃料电池堆，其特征在于:所述气体通道在未与电极接触的地方沿气体流通方向横截面为圆形，在与电极接触的地方沿气体流通方向横截面为拱形面，且拱形面圆弧段所对应的半径与所述圆形横截面半径一致。
6.根据权利要求1所述一种类螺旋状连接体平板固体氧化物燃料电池堆，其特征在于:通过调整类螺旋通道的数目，改变氧化气体或燃料气体在连接体上的气体出口位置。
7.根据权利要求1所述一种类螺旋状连接体平板固体氧化物燃料电池堆，其特征在于:通过调整类螺旋通道的螺距、沿气体流通方向的横截面直径、类螺旋通道数目或者沿气体流通方向横截面，可改变氧化气体和燃料气体与阴、阳极接触的面积，从而影响电极内的传热传质。
8.根据权利要求1所述一种类螺旋状连接体平板固体氧化物燃料电池堆，其特征在于:所述单电池为阳极支撑结构、电解质层支撑结构、阴极支撑结构、连接体支撑结构或者金属陶瓷支撑结构。
9.根据权利要求1所述一种类螺旋状连接体平板固体氧化物燃料电池堆，其特征在于:若相邻两个单电池的阴极正对，则正对的阴极之间通入氧化气体，若相邻两个单电池的阳极正对，则正对的阳极之间通入燃料气体。
10.根据权利要求9所述一种类螺旋状连接体平板固体氧化物燃料电池堆，其特征在于:所述氧化气体与燃料气体的流动方向为顺流、逆流或者叉流。
【文档编号】H01M8/02GK103700876SQ201310676228
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2013年12月11日 优先权日:2013年12月11日
【发明者】王秋旺, 严敏, 曾敏, 马挺, 张洁 申请人:西安交通大学