一种燃料电池组合装置和燃料电池组件的制作方法

本发明涉及燃料电池领域，尤其涉及一种燃料电池组合装置和燃料电池组件。

背景技术：

燃料电池是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。常见的两种燃料电池为质子交换膜燃料电池(PEMFC)和固体氧化物燃料电池(SOFC)。质子交换膜燃料电池通常使用氢气之类的气体作为燃料，其在较低的温度下就可以将化学能转化为电能。固体氧化物燃料电池则基于高温反应过程进行能量转化，它通常可以使用各种不同高浓度的气体燃料，比如说一氧化碳、氢气。

SOFCs很大的一个优势在于：产生电能的气体燃料可以从酒精、汽油、柴油、天然气、甚至生物质或煤等各种物质中获得。这些物质可以在一个燃料重整反应装置中进行气化，从而可以产生丰富的一氧化碳和氢气。该燃料重整反应装置中包含催化剂，该催化剂使得燃料气体反应产生一氧化碳和氢气。

大多SOFC在陶瓷基片上进行制造，为两维的平板式结构。平板式SOFCs的多个平板堆叠在一起成为一个电池堆。平板式SOFCs的最大的缺陷在于陶瓷基片单元容易破裂。虽然，在一定程度上，可以通过减缓加热或者冷却陶瓷基片的时间来减少这种破裂的可能；但是如果这样的话，产生电能的过程将花费很长的时间，比如若干小时或者若干天。

为了克服上述热膨胀导致的破裂问题，管式燃料电池逐渐发展起来。这 种管式燃料电池的管子比较小，比如长度为50mm或60mm、外径为4mm至6mm、内径为3mm至4mm。管子的基本材料可以是纯陶瓷，或者含有较多镍的类金属。这种含有较多镍的类金属使得气体或者气体离子扩散更方便。在管子的内壁和外壁涂有涂层，这些涂层形成了燃料电池的阳极和阴极。

请参图1所示的一种管式燃料电池。该管式燃料电池由阳极层、阴极层以及两极之间的电解质层组成。在阳极层一侧通入H2或者其他燃料气体，在阴极层一侧通进O2或者包含O2的空气。

虽然管式燃料电池有很多优点，但是它还存在一个很大的问题：单个管式燃料电池只能产生很小的功率。根据温度以及气体浓度，通常该小尺寸的单个管式电池输出的电压在0.65V到0.85V之间，输出的电流不超过1A。超过2A或者更多的管式燃料电池还处在开发的过程中。无论是1A还是2A，这种固体氧化物燃料电池的功率总还是比较小。

从经验角度来讲，我们可以假定单个管式燃料电池单元所提供的功率为0.7V x 1A＝0.7W。为了得到1kW的功率，需要将大约1300个管式燃料电池单元连接起来形成一个电池堆；而为了得到30kW的供电系统，这个数量一下提高到了大约40000个。

如何将多个管式燃料电池组合在一起作为一种供电系统是需要解决的问题；并且这些管式燃料电池的组合需要是灵活的、简单的，即对于不同的功率要求，均可以非定制式的满足要求。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供一种燃料电池组合装置和将该燃料电池组合装置组合在一起的燃料电池组件。

该燃料电池组合装置用于将两个以上的管式固体氧化物燃料电池组合在一起，包括：第一金属底部和第二金属底部；所述第一金属底部和第二金属底部对称设置有两对以上收容腔，该收容腔用来固定管式固体氧化物燃料电 池，所述收容腔内设置有一个抵触平台，该抵触平台用以抵挡管式固体氧化物燃料电池以防止滑动，该抵触平台上包括一通孔。

该燃料电池组件将两个以上燃料电池组合装置连接在一起，该燃料电池组件还包括，第一连接部和第二连接部，该第一连接部的一端连接所述电池组合装置的第一金属底部，该第二连接部的一端连接另一电池组合装置的第二金属底部，该第一连接部的另一端和第二连接部的另一端连接；第一金属底部、第二金属底部、第一连接部和第二连接部形成中空的气体匀化腔。

本发明的另一种燃料电池组件，包括：第一连接部、第二连接部以及连接法兰，该第一连接部的一端连接所述电池组合装置的第一金属底部，该第二连接部的一端连接另一电池组合装置的第二金属底部，该第一连接部的另一端和连接法兰的一端连接，该第二连接部的另一端和连接法兰的另一端连接，第一金属底部、第二金属底部、第一连接部、第二连接部以及连接法兰形成气体匀化单元。

相较于现有技术，本发明的燃料电池组合装置和燃料电池组件可以组合任意多个管式固体氧化物燃料电池，从而提供所需的各种功率电池。在组合不同数量的管式固体氧化物燃料电池时，可能要用到多个燃料电池组件；由于该组件可以规模化批量生产，所以就使得组合不同数量的管式固体氧化物燃料电池非常方便和灵活。

附图说明

图1是现有的一种管式燃料电池示意图。

图2是本发明一种燃料电池组合装置的结构示意图。

图3(a)是本发明一种燃料电池组合装置的收容腔的剖视图。

图3(b)是本发明一种燃料电池组合装置的收容腔的立体图。

图4是本发明一种燃料电池组合装置底部形状图。

图5是燃料电池组合装置和燃料电池的电连接图。

图6是本发明一种燃料电池组件图。

图7是本发明另一种燃料电池组件图。

图8是带有外部气体导入部件的燃料电池组件图。

图9(a)、图9(b)是一种管式固体氧化物燃料电池示意图。

具体实施方式

为解决背景技术中提到的技术问题，本发明提供一种燃料电池组合装置以及一种燃料电池组件。下面结合附图，详细介绍本发明燃料电池组合装置和组件的形状和结构。

请参图2，图2给出了燃料电池组合装置的结构示意图。该燃料电池组合装置包括：金属底部11和金属底部12。该金属底部11上设置有四个收容腔11a～11d；同样的，该金属底部12上也设置有四个收容腔12a～12d。其中，收容腔11a和收容腔12a形成一对收容腔，管式固体氧化燃料电池的一端被收容在收容腔11a中，另一端被收容在收容腔12a内。同样的，收容腔11b和收容腔12b形成另一对收容腔，用以固定另一个固体氧化物燃料电池；收容腔11c和收容腔12c形成第三对收容腔，用以固定第三个固体氧化物燃料电池；收容腔11d和收容腔12d形成第四对收容腔，用以固定第四个固体氧化物燃料电池。图2的示例给出了组合四个管式固体氧化物燃料电池的组合装置。实际上，可以根据功率需求，电池堆放置的空间大小等因素在金属底部上设置其他数量的收容腔，比如说2个、3个，或者更多个。

图3(a)给出了收容腔的剖视图，图3(b)给出了收容腔的立体图。每对收容腔之间的长度和管式固体氧化物燃料电池的长度相当；为了防止固体氧化物燃料电池在长度方向滑动，收容腔内设置有一个抵触平台130。该抵触平台中间抠除后形成一通孔140。当固体氧化物燃料电池的两端分别置于两收容腔后，两收容腔各自包括的抵触平台分别抵挡住该电池的两端，将其固定。管式固体氧化物燃料电池的管中通入气体，这些气体可以扩散到通孔140中。在两级或者多级管式固体氧化物燃料电池连接时，扩散到通孔140 中的气体可以流入下一级管式固体氧化物燃料电池的管中，下文进一步详细描述。

金属底部11和金属底部12的表面可以是圆形、六边形、正方形或者其它一些形状，请参图4。金属底部11和12可以由耐高温、耐腐蚀的钢材制作。

请参图5，金属底部11与管式固体氧化物燃料电池的阳极电连接，金属底部12与管式固体氧化物燃料电池的阴极电连接。具体的一种实现如下：

请参图9(a)图9(b)所示的一种管式固体氧化物燃料电池，阴极和阳极通过阴极导电层和阳极导电层实现了电连接。该阴极导电层和阳极导电层附于阴极和阳极的表面。阳极导电层和阴极导电层之间包含有电隔离缝隙。当外部电导体需要连接该固体氧化物燃料电池的阴极和阳极时，优选地可以分别与图9(a)中的阴极导电层连接处q和阳极导电层连接处p连接。所以该管式固体氧化物燃料电池在置于燃料电池组合装置时，金属底部11可以通过与阳极导电层连接处p的连接实现与该电池的阳极电连接；金属底部12可以通过与阴极导电层连接处q的连接实现与该电池的阴极电连接。金属底部11和阳极导电层连接处p在连接的时候可以用高温焊接的方式，同样金属底部12和阴极导电层连接处连接时也可以采用高温焊接的方式。

为了实现管式固体氧化物燃料电池的多级连接，本发明还提供了一种燃料电池组件。

请参图6，该图给出了燃料电池组件的实施例一。该燃料电池组件包括燃料电池组合装置，还包括连接部61和连接部62，该连接部61的一端连接电池组合装置的金属底部12，该连接部62的一端连接另一电池组合装置的金属底部11，该连接部61的另一端和连接部62的另一端连接；金属底部11、金属底部12、连接部61和连接部62形成中空的气体匀化腔。如果图6左边的燃料电池组合装置组合的固体氧化物燃料电池为第一级电池组，右边的燃料电池组合装置组合的固体氧化物燃料电池为第二级电池组，连接部61和连接部62将这两级电池组连接在了一起。气体(如H2、CO)从第一级电池组 电池的管中输入后，其中一部分会通过金属底部的通孔140到达气体匀化腔，气体在气体匀化腔中匀化后，再通过另一金属底部的通孔140到达第二级电池组的电池的管中。

连接部61和连接部62为柔性电导体，将第一级电池组的电池的金属底部12和第二级电池组的电池的金属底部11电性连接。

连接部61和连接部62的截面为圆形，连接部61截面的直径和连接部62截面的直径尺寸可以不一样，这样更有利于两者连接。

请参图7，该图给出了燃料电池组件的实施例二。该燃料电池组件和图6的燃料电池组件的区别在于，增加了一连接法兰70。连接部61的一端连接电池组合装置的金属底部12，连接部62的一端连接另一电池组合装置的金属底部11，连接部61的另一端和连接法兰70的一端连接，连接部62的另一端和连接法兰70的另一端连接，金属底部11、金属底部12、连接部61、连接部62以及连接法兰70形成气体匀化单元。连接法兰70可以为导体，也可以是绝缘体；可以由多孔陶瓷或者金属泡沫制成。

和实施例一的气体匀化腔一样，实施例二的气体匀化单元也是用来对气体进行充分匀化的。

当连接有多级电池组时，气体(如H2、CO)从第一级电池组管中进入后开始发生化学反应以产生电能，随着反应的进行，气体在进入后续的电池组时其浓度会随之降低，影响电能的产生。为了补给气体(如H2、CO)到气体匀化单元中以保持气体浓度，使电池组产生更多电能，可以将一气体导入部件71连接到连接法兰70上，请参图8。气体导入部件71中输入气体后，该气体将被导入气体匀化单元中，使得参与反应的气体浓度更高。在产生更多的电能的情况下，还能解决燃料利用率的问题。该气体导入部件71可以通过不同的方式和连接法兰70连接，比如说电弧焊(soldering)、电点焊(electro spot welding)、摩擦连接(friction)等。

通过上述实施例描述可以看出，本发明的燃料电池组合装置和燃料电池组件可以组合任意多个管式固体氧化物燃料电池，从而提供所需的各种功率 电池。在组合不同数量的管式固体氧化物燃料电池时，可能要用到多个燃料电池组件；由于该组件可以规模化批量生产，所以就使得组合不同数量的管式固体氧化物燃料电池非常方便和灵活。

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