[发明专利]一种双层连接体平板固体氧化物燃料电池堆

说明书

技术领域

本发明涉及固体氧化物燃料电池(SOFC)，尤其涉及双层连接体平板固体氧化物燃料电池堆的结构。

背景技术

石油价格不断上涨，化石能源前景不容乐观，能源和资源危机早已成为世界各国面临的首要问题，提高能源系统的效率，开发高效的节能新技术是从事能源与动力学科研究人员的研究目标之一。燃料电池是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。固体氧化物燃料电池(SOFC)具有对燃料适用性强、能源利用率高、无需贵金属催化剂等突出特点，因此受到了越来越广泛的重视。在固定电站领域，固体氧化物燃料电池(SOFC)比其他种类的燃料电池具有明显优势。SOFC很少需要对燃料处理，内部重整、内部热集成、内部集合管使系统设计更为简单，而且，SOFC与燃气轮机及其他设备也很容易进行高效热电联产。SOFC是一种高效洁净方便的发电装置，非常适合作移动、分散电源和接近终端用户的电力供给，尤其适宜应用于重要的政府与军事等部门。

通常，SOFC采用固态的致密电解质层，如氧化锆ZrO₂基电解质、氧化铈CeO₂基电解质等，其在高温或中温下对氧离子有良好的电导，但对电子绝缘。多孔阳极、致密电解质层和多孔阴极依次烧结在一起构成类似“三明治”结构的部件，通常被称作“单电池”。氧化气体(如氧气、空气)从单电池的阴极一侧导入，经过阴极的催化分解转变成的氧离子通过电解质层，与在阳极一侧导入并经过催化分解的燃料气体(如氢气、一氧化碳气、煤气、天然气、甲烷或其它碳氢化合物可燃气体等)发生电化学反应，电子则经过外电路从阳极经过负载流向阴极，形成可供利用的电能。

作为SOFC重要部件之一的连接体主要起着在相邻的单电池之间传输电子的作用，现有的平板式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。连接体采用铬基、镍基和铁基等合金材料，连接体在工作温度范围内不仅要求加工成本低，还应具有高的电子传导和热传导性、优良的加工性能、足够的机械强度、良好的抗氧化、腐蚀和碳化的能力，以及良好的热及化学匹配性。

在中国专利CN 200560026293.3、CN 200410020924.1，及美国专利US4663493、US 2624910、US 2226032中都公开报道了平板式SOFC堆的设计，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。平板式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。但现有的平板式SOFC堆均采用一片单电池的阳极正对另一片单电池的阴极的结构。通常SOFC堆内氧化气体和燃料气体多为层流流态，以燃料气体侧为例，阳极反应界面上燃料气浓度较低，而远离阳极侧的燃料气浓度较高但无法参与阳极反应，无法充分地利用。同理，在氧化气体侧，远离阴极侧的氧化气浓度较高也无法参与阴极反应，无法充分地利用。这样的结构导致垂直于单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，降低SOFC堆的性能。

现有的平板式SOFC堆垂直于单电池的平面上的燃料气体和氧化气体浓度差较大，虽然有些专利公开的SOFC堆结构采用槽式结构或者波纹结构来强化传质，但这些结构仅能从平行于单电池的平面上来扰动燃料气体和氧化气体，无法从浓度差较大的垂直于单电池的平面上来扰动燃料气体和氧化气体；无法有效地强化传质，无法有效地提高阳极侧反应界面上的燃料气浓度和阴极侧反应界面上的氧化气浓度。

发明内容

为了克服上述现有技术不足，本发明的目的是提供一种双层连接体平板固体氧化物燃料电池堆。该结构能有效地强化传质，有效地提高阳极侧反应界面上的燃料气浓度和阴极侧反应界面上的氧化气浓度，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。

本发明的技术方案是这样实现的：一种双层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、阴极构成的单电池，在相邻的单电池之间设置有连接体，所述的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，一片单电池的阴极正对另一片单电池的阴极，所述的连接体由第一连接体和第二连接体构成的双层连接体，第一连接体和第二连接体上设置进气缺口和出气缺口。

所述的第一连接体由第一连接体纵杆和第一连接体横杆构成网状结构，第二连接体由第二连接体纵杆和第二连接体横杆构成网状结构。