一种高效率固体氧化物燃料电池双极板结构

本发明涉及固体氧化物燃料电池，具体涉及一种高效率固体氧化物燃料电池双极板结构。

背景技术：

1、固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell，sofc)热电联供系统是一种将燃料的化学能直接转换成电能的新一代颠覆性发电技术，可广泛的采用氢气、一氧化碳、天然气、液化气、煤气、甲醇、乙醇、汽油和柴油等多种碳氢燃料，很容易与现有能源资源供应系统兼容，是实现氢能高效利用、构筑能源安全新体系的关键途径。其具有体积小、清洁、高效等卓越的综合性能，在住宅、楼宇、社区分布式供能领域具有广阔的应用前景，包括但不限于包括小型家庭热电联供系统、分布式发电或数据中心备用电源以及工业中大型固定式发电站。

2、双极板作为sofc关键核心部件，起到提供燃料气反应场所，串联多个电池及支撑等作用，是电池高效发电和高可靠、稳定运行的关键；同时，双极板在整个发电系统中体积占比60％，成本占比30％，成为商业化应用过程中控制生产成本的关键之一。现在国内外双极板多采用传统的直流道或多蛇形流道的设计方法，直流道虽然有较小的压降但是燃料利用率低，多蛇形流道可以实现电池的高效利用但是在弯道处会造成反应物堆积，同时弯道处也会使得反应区气体分布不均匀。基于此，我们提供了一种高效率固体氧化物燃料电池双极板结构，对双极板的流道结构进行改进。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供了一种高效率固体氧化物燃料电池双极板结构。

2、本发明采用的技术方案为：

3、一种高效率固体氧化物燃料电池双极板结构，包括双极板阴极侧单元及双极板阳极侧单元；

4、所述双极板阴极侧单元包括阴极气体进口、阴极气体出口及与阴极气体进口、阴极气体出口相连通的阴极流道，所述阴极气体进口、阴极气体出口分别位于双极板阴极侧单元的两端，且阴极气体进口、阴极气体出口呈对角布置；所述阴极流道包括若干条直流道及特斯拉阀弯道，所述直流道及特斯拉阀弯道位于双极板阴极侧单元的中间反应区，且2个特斯拉阀弯道呈对角布置在阴极气体进口、阴极气体出口的一侧；若干条直流道并排分隔为位于阴极气体进口一侧的第一直流道区域、位于阴极气体出口一侧的第三直流道区域以及第一直流道区域与第三直流道区域之间的第二直流道区域，所述第一直流道区域与第二直流道区域之间、所述第二直流道区域与第三直流道区域之间分别通过特斯拉阀弯道连通，且第一直流道区域、第三直流道区域的另一端分别与阴极气体进口、阴极气体出口连通；

5、所述双极板阳极侧单元包括阳极气体进口、阳极气体出口及与阳极气体进口、阳极气体出口相连通的阳极反应区气体扩散层，所述阳极气体进口、阳极气体出口分别位于双极板阳极侧单元的两端，所述阳极反应区气体扩散层位于双极板阳极侧单元的中间反应区域。

6、进一步地，每个所述特斯拉阀弯道均包括1个汇入特斯拉阀与1个汇出特斯拉阀，所述汇入特斯拉阀及汇出特斯拉阀的安装位置相垂直，且所述汇入特斯拉阀的出口与汇出特斯拉阀的进口之间设置有连接流道，所述汇入特斯拉阀与汇出特斯拉阀的内切角为30～50°。

7、进一步地，所述直流道与特斯拉阀弯道之间设置有若干个阴极气体导流条，且直流道与汇入特斯拉阀之间的阴极气体导流条的间距沿气体流动方向逐渐减小，直流道与汇出特斯拉阀之间的阴极气体导流条的间距沿气体流动方向逐渐增大。

8、进一步地，所述阴极气体导流条的倾斜角度为20～40°。

9、进一步地，所述阴极气体进口、阴极气体出口的至少一侧设置有用于气体流出或流入的气体分配通道，每一侧的气体分配通道设置至少一个，优选地，气体分配通道设置于阴极气体进口、阴极气体出口的靠近直流道的一侧及远离直流道的一侧或者设置于阴极气体进口、阴极气体出口的四个侧面，即阴极气体进口、阴极气体出口设置有双通气体分配通道或四通气体分配通道。

10、进一步地，所述阳极气体进口与阳极反应区气体扩散层、阳极气体出口与阳极反应区气体扩散层之间分别设置有由若干条阳极气体导流条组成的阳极进口气体导流区及阳极出口气体导流区，且所述阳极进口气体导流区与阳极出口气体导流区呈中心对称分布。

11、进一步地，所述阳极进口气体导流区及阳极出口气体导流区呈直角梯形，且所述阳极进口气体导流区及阳极出口气体导流区内靠近梯形直角边一侧的阳极气体导流条并排竖直布置，靠近梯形斜边一侧的阳极气体导流条倾斜布置。

12、进一步地，每条所述阳极导流条的一端和/或两端设置有至少一个支撑柱。

13、进一步地，所述阳极反应区气体扩散层为多层烧结网结构。

14、进一步地，所述阳极反应区气体扩散层为五层钛网结构，包括第一加强层、第二加强层、分流层、控制层及保护层。

15、本发明的有益效果为：

16、(1)本发明所提供的一种高效率固体氧化物燃料电池双极板结构，其阴极侧流场和阳极侧气体过渡区的结构设计不同，适应了阴极气体、阳极气体的物理和化学特性，最大程度的提升了气体的反应面积，使得气体的综合利用率提升，同时还提高了固体氧化物燃料电池的工作效率；

17、(2)本发明所提供的一种高效率固体氧化物燃料电池双极板结构，其阴极侧流场两端采用了特斯拉阀弯道结构，解决了传统多蛇形流道气体流经弯道后，分布不均匀，流速减慢等问题，避免了反应气体的堆积；

18、(3)本发明所提供的一种高效率固体氧化物燃料电池双极板结构，其阴极气体进口区设置有气体分配通道，尤其是双通及四通气体分配通道，能解决无气体分配通道时流道流速过高，压降大的问题；

19、(3)本发明所提供的一种高效率固体氧化物燃料电池双极板结构，其阳极出口气体导流区通过增加气体导流条和圆柱形支撑体，改变了气体分布，使反应气体进入气体扩散层更加均匀高效，同时圆柱形支撑体可以减少气压波动对气体分配均匀性的影响，并对电池片起到支撑固定的作用，防止电池片因气压或流速的变化而造成破坏；

20、(4)本发明所提供的一种高效率固体氧化物燃料电池双极板结构，其阳极反应区气体扩散层采用五层烧结网结构将多层钛网，并按加强层、加强层、分流层、控制层、保护层的结构叠放在一起，可以有效的控制内部孔径的大小，有效的提升反应气体的反应效率和反应面积。

技术特征：

1.一种高效率固体氧化物燃料电池双极板结构，其特征在于，包括双极板阴极侧单元及双极板阳极侧单元；

2.根据权利要求1所述的一种高效率固体氧化物燃料电池双极板结构，其特征在于，每个所述特斯拉阀弯道均包括1个汇入特斯拉阀与1个汇出特斯拉阀，所述汇入特斯拉阀及汇出特斯拉阀的安装位置相垂直，且所述汇入特斯拉阀的出口与汇出特斯拉阀的进口之间设置有连接流道，所述汇入特斯拉阀与汇出特斯拉阀的内切角为30～50°。

3.根据权利要求2所述的一种高效率固体氧化物燃料电池双极板结构，其特征在于，所述直流道与特斯拉阀弯道之间设置有若干个阴极气体导流条，且直流道与汇入特斯拉阀之间的阴极气体导流条的间距沿气体流动方向逐渐减小，直流道与汇出特斯拉阀之间的阴极气体导流条的间距沿气体流动方向逐渐增大。

4.根据权利要求3所述的一种高效率固体氧化物燃料电池双极板结构，其特征在于，所述阴极气体导流条的倾斜角度为20～40°。

5.根据权利要求1所述的一种高效率固体氧化物燃料电池双极板结构，其特征在于，所述阴极气体进口、阴极气体出口的至少一侧设置有用于气体流出或流入的气体分配通道，每一侧的气体分配通道设置至少一个。

6.根据权利要求1所述的一种高效率固体氧化物燃料电池双极板结构，其特征在于，所述阳极气体进口与阳极反应区气体扩散层、阳极气体出口与阳极反应区气体扩散层之间分别设置有由若干条阳极气体导流条组成的阳极进口气体导流区及阳极出口气体导流区，且所述阳极进口气体导流区与阳极出口气体导流区呈中心对称分布。

7.根据权利要求6所述的一种高效率固体氧化物燃料电池双极板结构，其特征在于，所述阳极进口气体导流区及阳极出口气体导流区呈直角梯形，且所述阳极进口气体导流区及阳极出口气体导流区内靠近梯形直角边一侧的阳极气体导流条并排竖直布置，靠近梯形斜边一侧的阳极气体导流条倾斜布置。

8.根据权利要求6所述的一种高效率固体氧化物燃料电池双极板结构，其特征在于，每条所述阳极导流条的一端和/或两端设置有至少一个支撑柱。

9.根据权利要求1所述的一种高效率固体氧化物燃料电池双极板结构，其特征在于，所述阳极反应区气体扩散层为多层烧结网结构。

10.根据权利要求9所述的一种高效率固体氧化物燃料电池双极板结构，其特征在于，所述阳极反应区气体扩散层为五层钛网结构，包括第一加强层、第二加强层、分流层、控制层及保护层。

技术总结
本发明公开一种高效率固体氧化物燃料电池双极板结构，包括双极板阴极侧单元及双极板阳极侧单元；双极板阴极侧单元包括阴极气体进口、阴极气体出口及阴极流道，阴极流道包括若干条直流道及2个特斯拉阀弯道，直流道及特斯拉阀弯道位于双极板阴极侧单元的中间反应区，且2个特斯拉阀弯道呈对角布置在阴极气体进口、阴极气体出口的一侧；双极板阳极侧单元包括位于双极板阳极侧单元的两端的阳极气体进口、阳极气体出口及位于双极板阳极侧单元的中间反应区域的阳极反应区气体扩散层，且阳极反应区气体扩散层与阳极气体进口、出口相连通。该双极板结构设计了不同的阴极侧流场和阳极侧气体过渡区结构，提升了气体的综合利用率，提高了电池的工作效率。

技术研发人员：蒋文春,杨轩,李少华
受保护的技术使用者：中国石油大学（华东）
技术研发日：
技术公布日：2024/5/16