[发明专利]液态金属换热装置及固体氧化物燃料电池电堆

说明书

本发明公开了液态金属换热装置及固体氧化物燃料电池电堆。该液态金属换热装置包括液态金属、换热板、换热器和电磁泵，换热板包括导电外壳、液流内壳和绝缘支撑件，液流内壳设置在导电外壳的内腔中，液流内壳通过绝缘支撑件与导电外壳相连，液流内壳和导电外壳之间具有中空夹层，液流内壳内部具有液态金属通道，换热板适于与固体氧化物燃料电堆中的电池片贴合，换热器和电池泵与换热板间形成液态金属循环通路。该液态金属换热装置不仅能够适当降低电堆正常运行温度，同时能有效降低电池板温度的不均匀性，还能延长电堆的使用寿命并降低额外功耗，从而不仅能够提高SOFC电堆的功率密度，还更加安全、可靠。

技术领域

本发明属于燃料电池领域，具体而言，涉及液态金属换热装置及固体氧化物燃料电池电堆。

背景技术

固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种清洁高效的发电技术，可直接将燃料中的化学能转化为电能。SOFC发电过程同时伴随着强烈的电化学放热反应，电堆内会存在较高温度梯度(可达40～50℃/cm)并产生局部热点。温度梯度过大会使电池产生较大热应力加速电堆老化，出现电池分层、开裂、密封失效等问题，局部热点温度过高则会烧穿电池板。以上问题严重制约着SOFC高效、稳定、长寿命地运行。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出液态金属换热装置及固体氧化物燃料电池电堆。该液态金属换热装置不仅能够适当降低电堆正常运行温度，同时能有效降低电池板温度的不均匀性，还能延长电堆的使用寿命并降低额外功耗，从而不仅能够提高SOFC电堆的功率密度，还更加安全、可靠。

本申请主要是基于以下问题提出的：

SOFC是一种高温燃料电池，工作温度为650～1000℃，高温热管理方法有限并且更加困难，目前常用的电堆冷却方式为在阴极通入过量空气带走热量，存在有以下缺陷：一方面，由于空气热容和导热较低，该方法并不能较好解决温度分布不均的问题；另一方面，通入过量的空气还会增加阴极压损并带来额外的功耗。目前，SOFC电堆功率密度为200～500mW/cm²，而单电池最高功率密度可达2W/cm²，严峻的热管理问题还进一步限制了高功率密度电堆的应用。为解决上述问题，发明人发现可以采用液态金属作为冷却液来提高换热均匀性并降低阴极压损，但该方案存在以下问题：液态钠、钾、铅、铋、锡等金属对不锈钢壳体的腐蚀性随温度的增加剧烈增加，用于冷却高温燃料电池的液态金属的工作温度通常在500～600℃，而高温燃料电池的工作温度为650～1000℃，若直接采用不锈钢壳体容纳正常工作温度的液态金属作为高温燃料电池的换热板存在严重的安全隐患，且使用寿命也较短，而若采用温度过低的液态金属作为冷却工质来避免换热后液态金属腐蚀性过大的问题，又会导致电堆和液态金属之间存在过大的温差，进而导致电堆工作温度显著下降。

为此，根据本发明的一个方面，本发明提出了一种用于固体氧化物燃料电堆的液态金属换热装置。根据本发明的实施例，该液态金属换热装置包括：

液态金属；

换热板，所述换热板包括导电外壳、液流内壳和绝缘支撑件，所述液流内壳设置在所述导电外壳的内腔中，所述液流内壳通过所述绝缘支撑件与所述导电外壳相连，所述液流内壳和所述导电外壳之间具有中空夹层，所述液流内壳内部具有液态金属通道，所述换热板适于与固体氧化物燃料电堆中的电池片贴合；

换热器，所述换热器具有高温液态金属入口和低温液态金属出口，所述高温液态金属入口与所述液态金属通道的出口端相连；以及

电磁泵，所述电磁泵的入口端与所述低温液态金属出口相连，所述电池泵的出口端与所述液态金属通道的入口端相连。