[发明专利]一种针对阳极支撑型管式SOFC电池堆的空气分配器

说明书

本发明公开了一种针对阳极支撑型管式SOFC电池堆的空气分配器，包括主流道分配箱，在所述主流道分配箱前后相对的两个面上预留孔供阳极支撑型SOFC电池管单元紧密穿过并呈阵列排布，在主流道分配箱内部、SOFC电池管单元的周围形成密闭的空气流道，主流道分配箱的底部一侧设有均匀的空气入口，主流道分配箱与空气入口相近的一个侧面为由下至上逐渐向内收缩的斜面，与之相对的另一个侧面上均匀的分布有尾气出口，空气入口的空气流向与尾气出口的流向相互垂直。本发明基于SOFC电堆内部流动分布规律，对影响流动分布的主要区域进行了改进，实现了堆层面和电池单元层面均匀的空气分配质量，有利于克服传统以阴极支撑型为主的管式SOFC电堆的诸多弊病。

技术领域

本发明涉及一种固体氧化物燃料电池，具体涉及一种SOFC电池堆的空气分配器。

背景技术

燃料电池是一种将反应物化学能直接转化为电能的发电设备。作为一种高效、清洁且性能稳定的能源技术，其与传统的发电类型相比最大优点是避开燃烧过程直接将燃料的化学能转化为输出电能，其能量转换效率不受“卡诺循环”的限制。

固体氧化物燃料电池(SOFC)是诸多燃料电池中最具商业化潜力的类型之一，其主要优点包括：具有高达50～60％的燃料使用效率，产物主要是水和高品质的废热，对余热的二次利用总效率可高达80％以上；输出功率大，运行平稳且无噪声；燃料来源灵活，不仅适用于氢气、一氧化碳，也适用于天然气、煤气及生物质气等多种可再生碳氢燃料；低的温室气体排放；全固态部件不存在漏液、腐蚀等问题，且易于模块化组装；无需使用高价催化剂材料，成本相对较低。

目前SOFC电池堆主要包括平板型和管型两种基本设计以及与之对应的多种演化设计。其中管式SOFC电堆设计具有结构稳定坚固，不需要复杂的高温密封等突出优势而被广泛关注。美国西门子西屋动力公司的管型设计是目前最具代表性的较成熟设计，其管型SOFC电池单元是一个一端封闭一端开口的结构，从内到外分别由阴极-电解质-阳极三层薄膜组成的陶瓷管，是一种典型的阴极支撑型结构设计方案。空气从陶瓷管内侧流入，燃料气体供给分布在管道单元外侧，这主要是因为：一方面，在燃料电池中，空气不仅是反应物(氧气)的主要来源，也是电堆热量传递的主要载体，它在很大程度影响SOFC的电化学反应、温度、应力、物性分布，影响电堆总体工作性能和寿命，因此空气分配器的设计是管式SOFC电堆需解决的首要问题；而另一方面，由于反应物(氧气)在空气中的体积分数仅有21％，同时SOFC电堆的空气利用率也只有30％左右(燃料一般高达80％以上)，因此电堆中的分子质量较大的空气相比于分子质量较小的燃料往往具有很高的流量。实验证实，采用管道外侧空气分布的方式具有较大困难，不合理的设计往往导致空气作为反应物和热输运载体在电池单元间(堆层面)、以及电池单元管表面分配(电池单元层面)极端不均匀的现象，这将大幅度降低电池性能和寿命。因此，目前针对管式SOFC电堆的空气分配一般在陶瓷管内侧，空气通过电池单元内侧管道进行分配，从而保证陶瓷管电池单元间以及电池单元阴极侧表面较好的空气分配均匀性。而此种陶瓷管内部空气分配方式对应的，必然要求SOFC单元采用阴极处于管道内侧的阴极支撑型设计。

然而需要指出的是，采用阴极支撑型管式SOFC设计在解决管状SOFC单元间、以及单元电池表面空气分配均匀度这一首要问题的同时，却也同时带进了阴极支撑型管式设计的一系列不利因素，这在很大程度上降低了管式电堆性能：i)支撑件阴极的厚度过大导致分子量较重的氧气分子扩散过程中的浓差损失过大；ii)由于在氧化氛围下，阴极一般采用LSM等电导率较低的陶瓷材料作为电子导电介质，再加之管道内侧很长的电流收集路径，因此管式阴极支撑意味着很高的欧姆损耗；iii)燃料(特别是湿氢燃料)在管式电池单元外侧分配时，其流动路径阻力过小易导致燃料使用率过低；iv)管道内高的空气流动阻力将导致所需额外泵功率的输出损失，同时加剧空气侧与氢气侧的压力差，增加空气泄漏的风险；v)由于空气相比于燃料具有很高的流量值，因此管道内高速空气流体将加剧气蚀现象，同时空气又是热的主要载体，这将加剧管内连接体间电流收集涂层的剥落。