一种基于管式固体氧化物燃料电池的配气系统及燃料电池

本申请涉及燃料电池，特别是涉及一种基于管式固体氧化物燃料电池的配气系统及燃料电池。

背景技术：

1、sofc(solid oxide fuel cell，固体氧化物燃料电池)可以将化石燃料直接发电，将化学能转化为电能，不受卡诺循环限制，是一种高效、清洁的发电装置，且燃料适用性广、应用领域丰富，尤其适合作为分布时发电和热电联供系统，因此被认为是现阶段最有应用前景的绿色发电装置，对于需大量进口石油而天然气资源较丰富的中国而言，甲烷、乙烷等轻烷烃高效清洁转化利用具有重要的国家能源安全战略意义。

2、传统管式sofc由数目较少的模组扩展成数量庞大的电堆时，电堆内部温度均匀性将直接影响电堆稳定运行寿命。其中，氧化性气体作为阴极气体，从电堆内部排出热量中发挥了重要作用，其均匀性将直接决定电堆内部最高温度与最低温度差值。当温差过大时，将会导致部分单管发生高温失效，从而电堆整体无法正常发生电化学反应，温度达到一定阈值时，使燃料气体在高温下发生爆炸。燃料气体作为电能主要能量来源，其在电堆内部每根单管中的均匀性将直接决定单管之间电化学性能差异大小，从而影响电堆整体电化学输出性能。

3、然而，传统的主流管式sofc在多管扩展电堆时，并未对气体分配存在特殊的结构或器件辅助，又或者只是简单的将电池单管的供气器件进行重复，此种方式不仅会造成器件冗余、增加成本，并无法提高气体分配时的流动均匀性，从而在成型为大规模电堆时，不能将电堆整体电化学性能同步提高，无法有效提升电化学反应效率。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明目的之一在于提供一种基于管式固体氧化物燃料电池的配气系统，以解决传统的管式sofc的配气系统在配气效率弱，且需要复杂的工程设计和制造，导致系统的复杂性和制造成本的增加等诸多问题。本发明目的之二在于提供一种管式固体氧化物燃料电池，有助于其商业化应用。

2、本发明第一方面提供了一种基于管式固体氧化物燃料电池的配气系统，所采用的技术方案是：

3、一种基于管式固体氧化物燃料电池的配气系统，应用于管式固体氧化物燃料电池，所述燃料电池包括多个电池单管；所述配气系统包括：

4、空气分配器，用于分别与空气供给系统和所述燃料电池连通，以将空气输入到所述燃料电池的阴极侧；

5、燃料分配器，用于分别与燃料供给系统和所述燃料电池连通，以将燃料输入到所述燃料电池的阳极侧；

6、其中，所述空气分配器和/或所述燃料分配器均设置有气体分配板，所述气体分配板将对应分配器分隔为一级混合舱和二级混合舱，所述二级混合舱开设有多个气体出口，多个所述气体出口与多个所述电池单管一一对应；

7、基于所述空气和/或所述燃料在对应分配器内的流动规律，所述气体分配板开设有多个呈规律性分布的分配孔；

8、所述空气和/或所述燃料在所述一级混合舱内进行一级混合和分配后，流经所述气体分配板被二级分配后进入所述二级混合舱内，在所述二级混合舱内进行三级混合和分配后，经每个所述气体出口输入到每个所述电池单管的对应电极侧，以提高所述燃料电池内的气体分布均匀性。

9、作为优选方案之一，所述空气分配器和/或所述燃料分配器的每个所述气体出口通过每个排气管与每个所述电池单管连通，且每个所述电池单管的顶部位于所述空气分配器的每个所述排气管内。

10、作为优选方案之一，所述配气系统还包括：

11、多个电池内管，分别位于每个所述电池单管内，以与对应所述电池单管形成环形空间，每个所述电池内管的两端分别与所述燃料分配器的每个所述排气管和所述环形空间连通。

12、作为优选方案之一，每个所述电池内管的顶部靠近对应所述电池单管的顶部。

13、作为优选方案之一，所述燃料分配器的每个所述排气管与对应所述电池内管被配置为一体件。

14、作为优选方案之一，所述燃料电池的内部设置有双重配气板，所述双重配气板套设在多个所述电池单管的外周面，且所述双重配气板上设置开设有多个呈规律性分布的双重分配孔。

15、作为优选方案之一，所述一级混合舱的中心区域设置有扰流体。

16、作为优选方案之一，所述气体分配板与所述一级混合舱的距离大于所述气体分配板与所述二级混合舱的距离。

17、作为优选方案之一，所述配气系统还包括：

18、壳体，所述壳体的两端分别有所述空气分配器和所述燃料分配器，所述壳体的内部容纳有多个所述电池单管。

19、本发明第二方面还提供了一种管式固体氧化物燃料电池，配置有如本发明第一方面所提供的基于管式固体氧化物燃料电池的配气系统。

20、与现有技术相比，本申请包括以下优点：

21、本发明提出一种基于管式固体氧化物燃料电池的配气系统，应用于管式固体氧化物燃料电池，所述燃料电池包括多个电池单管；所述配气系统包括：空气分配器，用于分别与空气供给系统和所述燃料电池连通，以将空气输入到所述燃料电池的阴极侧；燃料分配器，用于分别与燃料供给系统和所述燃料电池连通，以将燃料输入到所述燃料电池的阳极侧；其中，所述空气分配器和/或所述燃料分配器均设置有气体分配板，所述气体分配板将对应分配器分隔为一级混合舱和二级混合舱，所述二级混合舱开设有多个气体出口，多个所述气体出口与多个所述电池单管一一对应；基于所述空气和/或所述燃料在对应分配器内的流动规律，所述气体分配板开设有多个呈规律性分布的分配孔；所述空气和/或所述燃料在所述一级混合舱内进行一级混合和分配后，流经所述气体分配板被二级分配后进入所述二级混合舱内，在所述二级混合舱内进行三级混合和分配后，经每个所述气体出口输入到每个所述电池单管的对应电极侧，以提高所述燃料电池内的气体分布均匀性。

22、通过采用本申请的技术方案，气体在一级混合舱中进行第一次混合和分配，进入的气体发生强制对流，一级混合舱内的气体成分及流速会发生第一次混合及分配，气体经过气体分配板实现了第二次分配，进入二级混合舱，在二级混合舱内气体经过扩散和对流，进行第三次混合和均匀化，促进气体成分和质量分数在不同空间位置处的均匀化，再根据电池单管的数目，设计二级混合舱的气体出口的数目，实现一孔一管，从气体出口排出的气体可以平行于电池单管的表面流动，降低了空气流阻，提高了换热效率，可以更快的带走更多热量。如此通过气体分配器和/或燃料分配器，可以从根本上提高固体氧化物燃料电池堆单管上空气分布均匀性，同时三级分配式结构，降低系统压降，无需复杂的工程设计和制造，在提高混合效果、保持足够气体动力输出的同时，降低了系统复杂性和成本，符合纵掠管式sofc/竹节管式sofc的设计模式。

23、本发明实施例所提供的燃料电池与上述配气系统相对于现有技术所具有的优势相同，在此不再赘述。

技术特征：

1.一种基于管式固体氧化物燃料电池的配气系统，其特征在于，应用于管式固体氧化物燃料电池，所述燃料电池包括多个电池单管；所述配气系统包括：

2.根据权利要求1所述的一种基于管式固体氧化物燃料电池的配气系统，其特征在于，所述空气分配器和/或所述燃料分配器的每个所述气体出口通过每个排气管与每个所述电池单管连通，且每个所述电池单管的顶部位于所述空气分配器的每个所述排气管内。

3.根据权利要求2所述的一种基于管式固体氧化物燃料电池的配气系统，其特征在于，所述配气系统还包括：

4.根据权利要求3所述的一种基于管式固体氧化物燃料电池的配气系统，其特征在于，每个所述电池内管的顶部靠近对应所述电池单管的顶部。

5.根据权利要求3所述的一种基于管式固体氧化物燃料电池的配气系统，其特征在于，所述燃料分配器的每个所述排气管与对应所述电池内管被配置为一体件。

6.根据权利要求1所述的一种基于管式固体氧化物燃料电池的配气系统，其特征在于，所述燃料电池的内部设置有双重配气板，所述双重配气板套设在多个所述电池单管的外周面，且所述双重配气板上设置开设有多个呈规律性分布的双重分配孔。

7.根据权利要求1所述的一种基于管式固体氧化物燃料电池的配气系统，其特征在于，所述一级混合舱的中心区域设置有扰流体。

8.根据权利要求1所述的一种基于管式固体氧化物燃料电池的配气系统，其特征在于，所述气体分配板与所述一级混合舱的距离大于所述气体分配板与所述二级混合舱的距离。

9.根据权利要求1所述的一种基于管式固体氧化物燃料电池的配气系统，其特征在于，所述配气系统还包括：

10.一种管式固体氧化物燃料电池，其特征在于，配置有如权利要求1-9任意一项所述的基于管式固体氧化物燃料电池的配气系统。

技术总结
本申请提供了一种基于管式固体氧化物燃料电池的配气系统及燃料电池，应用于管式固体氧化物燃料电池；配气系统包括：空气分配器和燃料分配器；其中，空气分配器和/或燃料分配器均设置有气体分配板，气体分配板将对应分配器分隔为一级混合舱和二级混合舱，二级混合舱开设有多个气体出口；基于气体在对应分配器内的流动规律，气体分配板开设有多个呈规律性分布的分配孔；气体在一级混合舱内进行一级混合和分配后，流经气体分配板被二级分配后进入二级混合舱内，在二级混合舱内进行三级混合和分配后，经每个气体出口输入到每个电池单管上。通过本发明提供的配气系统，提高了燃料电池内的气体分布均匀性，并降低了系统复杂度及制造成本。

技术研发人员：高九涛,司马亚鹏,孙少东,代悦,李长久,李成新
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/5/16