CN103311560B - 固体氧化物燃料电池发电***及其电池堆 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电池堆，包括双面流道板、电池基片、空气分散腔和尾气混合燃烧腔，双面流道板的上表面和下表面分别设置有空气流道和燃料气流道，电池基片与双面流道板交替层叠，且相邻两个双面流道板之间具有一个电池基片，双面流道板与电池基片上具有贯穿两者的燃料气进口，空气分散腔和尾气混合燃烧腔分别形成于双面流道板的两侧，燃料气流道自燃料气进口延伸至尾气混合燃烧腔，空气流道自空气分散腔延伸至尾气混合燃烧腔。该电池堆简化了自身结构，降低了天然气进气阻力，减少了管路散热损耗。本发明还公开了一种具有上述电池堆的固体氧化物燃料电池发电***。
Description
技术领域
本发明涉及电池发电***技术领域，尤其涉及一种结构较为简单的固体氧化物燃料电池发电***的电池堆。本发明还涉及一种具有上述电池堆的固体氧化物燃料电池发电***。
背景技术
固体氧化物燃料电池是一种新型发电装置，其属于第三代燃料电池，是一种在中、高温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环保地转化为电能的全固态化学发电装置。随着固体氧化物燃料电池的技术不断成熟，其被普遍认为是一种将得到广泛普及和应用的燃料电池。
固体氧化物燃料电池主要由阳极、阴极和固体氧化物电解质组成，阳极为燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂被还原的场所，两极均含有加速电极电化学反应的催化剂。固体氧化物燃烧电池工作时相当于直流电源，其阳极即电源负极，阴极为电源正极。在固体氧化物燃料电池的阳极一侧持续通入燃料气，例如氢气(H2)、甲烷(CH4)等，具有催化作用的阳极表面吸附燃料气，燃料气通过阳极的多孔结构扩散到阳极与电解质的界面。在阴极一侧持续通入氧气或空气，具有多孔结构的阴极表面吸附氧，由于阴极本身的催化作用，使得氧原子得到电子变为氧离子，在化学势的作用下，氧离子进入起电解质作用的固体氧离子导体中，由于浓度梯度引起扩散，最终到达固体电解质与阳极的界面，与燃料气体发生反应，失去的电子通过外电路回到阴极，从而形成电流。
利用上述原理发电时，空气经过压缩器压缩，克服***阻力后进入预热器预热，然后通入固体氧化物燃料电池的阴极，而天然气经过压缩机压缩后，克服***阻力进入混合器，与蒸汽发生器中产生的过热蒸汽混合，混合后的气体进入加热器提升温度后通入燃料电池阳极，阴、阳极气体在电池内发生电化学反应，最后输出电能，产物气体是水蒸气和未用完的氢气和废空气。
在具体的发电***中，固体氧化物燃料电池通常集成为堆结构，即固体氧化物燃料电池堆。为了提高固体氧化物燃料电池堆的综合发电效率，通常需要利用电池堆发电过程中内部电阻损耗产生的热量及剩余的燃料燃烧产生的热量给制氢***和进堆空气预热***提供所需热量，即利用固体氧化物燃料电池堆发电***的余热将热值较低的天然气转化成热值较高的电池可直接利用的燃料--氢气，并预热进堆前的空气。
固体氧化物燃料电池堆目前主要有平板式、管式两大类基本模式，其中平板式功率密度高，体积小，应用较为广泛。随着美国BloomEnergy公司开发出以标准化、模块化、无压两孔式的固体氧化物燃料电池堆为基本单元的100千瓦级天然气高温固体氧化物燃料电池堆热区发电***，高温固体氧化物燃料电池堆发电技术正式进入市场化阶段。BloomEnergy公司的无压两孔式、模块化的电池堆为双孔结构，即具有燃料气进口和燃料气出口，空气通过敞开式结构进入该电池堆。BloomEnergy公司以两孔模块化固体氧化物燃料电池堆为基础开发了集成式热区发电***，有一拖二(一块布气板同时给上下两个电池堆供气)的三明治夹层结构的布气板，与八个电池堆纵向排成一列，每八列电池堆再呈环形排布在重整制氢管道周围，中间是燃料气管路，呈多层套筒状分布，最外夹层是套筒式空气预热层。该固体氧化物燃料电池堆的燃料尾气需要用导管导出发电热区后再进入专门的尾气燃烧器燃烧，同时固体氧化物燃料电池堆内部电路损耗产生的余热也要利用在天然气重整制氢、空气预热过程中。目前固体氧化物燃料电池堆发电***多采用外置尾气燃烧器，外置启动燃烧器的方法启动电池堆发电***和维持其正常运行，或者采用一个由复杂控制***控制，并将启动燃烧、尾气燃烧合二为一的燃烧器，进堆的空气预热则采用各种热交换方式。
上述固体氧化物燃料电池堆具有两个孔，分别为燃料气进口和燃料气出口，即尾气需要导出到热区***外燃烧后再导入热区加热***，造成固体氧化物燃料电池发电***管路复杂，进而导致天然气进气阻力较大，若用普通城市管道入户天然气则需用增压泵增压，管路散热损耗大。
另一方面，上述固体氧化物燃料电池堆还存在以下问题：第一，尾气热交换紧贴热区，热交换效率不高，余热利用率较低；第二，电池堆热区结构复杂，可纵向拓展，但横向拓展较为有限且困难；第三，固体氧化物燃料电池堆阵列为串联结构，电池堆串联后并联，一个电池堆损坏(通常的损坏会使得此堆内部断路)，即可导致与之串联的一串堆不能输出电流，可靠度不高；第四，电池堆纵向阵列在从低温到高温的升温过程中高度会发生变化，气体管路需随之伸缩，而纵向布气板间的现有管路采用波纹金属管连接，实际制作、安装繁琐，可靠度较低。
综上所述，如何简化固体氧化物燃料电池发电***的结构，已成为本领域技术人员亟待解决的技术难题。
发明内容
本发明的目的是提供一种结构较简单的固体氧化物燃料电池发电***的电池堆。本发明的另一目的是提供一种具有上述电池堆的固体氧化物燃料电池发电***。
为了实现上述第一个目的，本发明提供如下技术方案：
一种固体氧化物燃料电池发电***的电池堆，包括：
双面流道板，所述双面流道板的上表面和下表面分别设置有空气流道和燃料气流道；
与所述双面流道板交替层叠的电池基片，相邻两个所述双面流道板之间具有一个所述电池基片，所述双面流道板与所述电池基片上具有贯穿两者的燃料气进口；
分别形成于所述双面流道板两侧的空气分散腔和尾气混合燃烧腔，所述燃料气流道自所述燃料气进口延伸至所述尾气混合燃烧腔，所述空气流道自所述空气分散腔延伸至所述尾气混合燃烧腔。
优选地，上述电池堆中，还包括：
设置于所述电池堆的顶部，且与所述电池基片连接的第一单面流道板，所述第一单面流道板的下表面具有所述燃料气流道；
设置于所述电池堆的底部，且与所述电池基片连接的第二单面流道板，所述第二单面流道板的上表面具有所述空气流道，所述燃料气进口贯穿所述第一单面流道板和所述第二单面流道板。
优选地，上述电池堆中，所述空气分散腔和所述尾气混合燃烧腔分别形成于所述双面流道板的相对的两侧。
在上述技术方案中，本发明提供的电池堆包括双面流道板、电池基片、空气分散腔和尾气混合燃烧腔，双面流道板的上表面和下表面分别设置有空气流道和燃料气流道，相邻两个双面流道板之间具有一个电池基片，双面流道板与电池基片上具有贯穿两者的燃料气进口，空气分散腔和尾气混合燃烧腔分别形成于双面流道板的两侧，燃料气流道自燃料气进口延伸至尾气混合燃烧腔，空气流道自空气分散腔延伸至尾气混合燃烧腔。该电池堆工作时，燃料气从燃料气进口进入该电池堆，空气从空气分散腔进入该电池堆，两者分别流经燃料气流道和空气流道后在电池基片上反应，并产生电流，而反应剩余的燃料气和空气将在尾气混合燃烧腔中混合并燃烧。
通过上述描述可知，相比于背景技术中所介绍的电池堆，本发明提供的电池堆省去燃料气出口，并设置尾气混合燃烧腔，使得反应剩余的空气和燃料气可在电池堆内部的尾气混合燃烧腔内燃烧，不需导出电池堆后再导入热区加热***，从而简化了自身结构，降低了天然气进气阻力，减少管路散热损耗。
为了实现上述第二个目的，本发明提供了如下技术方案：
一种固体氧化物燃料电池发电***，包括电池堆、为所述电池堆提供燃料气的燃料气制备装置、热交换装置、点火装置和密封固定装置，所述热交换装置与所述电池堆连接，所述电池堆为上述任一项所述的电池堆，所述密封固定装置上具有废气排放口，且所述密封固定装置与所述电池堆连接后形成所述空气分散腔和所述尾气混合燃烧腔。
优选地，上述固体氧化物燃料电池发电***中，所述燃料气制备装置位于所述尾气混合燃烧腔内。
优选地，上述固体氧化物燃料电池发电***中，所述燃料气制备装置包括：
通过化学反应将制备原料转化为燃料气的燃料气制备管；
与所述燃料气制备管连通的布气装置，所述布气装置将所述燃料气通过其上的燃料气出口以及所述燃料气进口导入所述电池堆内。
优选地，上述固体氧化物燃料电池发电***中，所述燃料气制备管包括汽化总管以及与所述汽化总管连通的汽化加热阵列管，所述汽化加热阵列管与所述布气装置连通。
优选地，上述固体氧化物燃料电池发电***中，所述燃料气制备管还包括催化阵列管，所述催化阵列管的两端分别与所述汽化加热阵列管和所述布气装置连接。
优选地，上述固体氧化物燃料电池发电***中，所述汽化总管、所述汽化加热阵列管以及所述催化阵列管相互平行，且所述汽化总管通过第一连接筒与所述汽化加热阵列管连通，所述汽化加热阵列管通过第二连接筒与所述催化阵列管连通。
优选地，上述固体氧化物燃料电池发电***中，所述汽化加热阵列管或所述催化阵列管为纯镍管。
优选地，上述固体氧化物燃料电池发电***中，所述布气装置包括布气总管。
优选地，上述固体氧化物燃料电池发电***中，所述布气装置还包括与所述布气总管连接的布气板，所述布气板上具有与所述布气总管连通的所述燃料气出口。
优选地，上述固体氧化物燃料电池发电***中，所述布气总管为方管。
优选地，上述固体氧化物燃料电池发电***中，所述电池堆横向阵列于所述布气板的上表面和下表面后，所述布气板沿着竖直方向阵列，以构成设置于导电顶板和导电底板之间的单排电池堆阵列结构，相邻两个所述布气总管通过第一绝缘板连接，相邻的两个所述第二连接筒通过第二绝缘板连接，横向相邻的两个所述电池堆之间具有第三绝缘板，竖向相邻的两个所述电池堆之间具有导电板，所述导电顶板和所述导电底板上均具有导线外接孔，且所述导电顶板上具有与所述尾气混合燃烧腔相对的热废气出口。
优选地，上述固体氧化物燃料电池发电***中，所述单排电池堆阵列结构关于所述尾气混合燃烧腔的边界对称布置后构成双排电池堆阵列结构。
优选地，上述固体氧化物燃料电池发电***中，所述导电顶板和所述导电底板通过贯穿两者的固定杆连接。
优选地，上述固体氧化物燃料电池发电***中，所述固定杆为套设有弹簧的加压杆。
优选地，上述固体氧化物燃料电池发电***中，所述热交换器包括：
由外套管和内套管组成的同轴套管；
分别形成于所述内套管的内部以及所述外套管与所述内套管之间的空气流动腔和废气流动腔，所述空气流动腔与供气孔和所述空气分散腔连通，所述废气流动腔与所述热废气出口和所述废气排放口连通。
优选地，上述固体氧化物燃料电池发电***中，所述内套管两端分别与空气分散筒和空气收集筒连接，所述外套管两端分别与废气分散筒和废气收集筒连接，所述空气分散筒与所述供气孔连通，所述空气收集筒与所述空气分散腔连通，所述废气分散筒与所述热废气出口连通，所述废气收集筒与所述废气排放口连通。
优选地，上述固体氧化物燃料电池发电***中，所述空气流动腔与所述废气流动腔内的气体流动方向相反。
优选地，上述固体氧化物燃料电池发电***中，所述空气流动腔与所述空气分散腔通过空气导流筒连通，所述空气导流筒的出气口位于所述空气分散腔底部。
优选地，上述固体氧化物燃料电池发电***中，所述密封固定装置上具有容置所述空气导流筒的容置槽。
优选地，上述固体氧化物燃料电池发电***中，所述密封固定装置包括：
上压板，所述固定杆通过所述上压板将所述导电顶板和所述导电底板固定连接。
优选地，上述固体氧化物燃料电池发电***中，所述密封固定装置还包括通过所述固定杆连接于该密封固定装置的下盖底部的下托板。
优选地，上述固体氧化物燃料电池发电***中，所述点火装置安装于所述密封装置上，且其包括点火板和点火针，所述点火针上具有与所述点火板连接后为所述尾气混合燃烧腔激发火花的点火触点。
优选地，上述固体氧化物燃料电池发电***中，所述密封固定装置还包括位于所述上压板和所述导电顶板之间的内上盖，所述内上盖上具有与所述尾气混合燃烧腔和所述废气流动腔连通的废气流通孔，所述点火板包括：
设置于所述内上盖，且在所述尾气混合燃烧腔上部激发火花的上点火板；
设置于所述下盖上，且在所述尾气混合燃烧腔底部激发火花的下点火板；
所述点火针包括与所述上点火板连接的上点火针以及与所述下点火板连接的下点火针。
优选地，上述固体氧化物燃料电池发电***中，所述内上盖下表面具有与所述尾气混合燃烧腔和所述废气流通孔连通的废气流道，所述上点火板的所述点火触点位于所述废气流道内。
优选地，上述固体氧化物燃料电池发电***中，所述上点火板和所述上点火针，和/或所述下点火板和所述下点火针为两组。
优选地，上述固体氧化物燃料电池发电***中，所述废气流道为方形流道。
由于上述电池堆具有上述技术效果，具有该电池堆的固体氧化物燃料电池发电***也应具有相应的技术效果。
附图说明
图1为本发明实施例提供的电池堆的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的双面流道板的上表面的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的双面流道板的下表面的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的固体氧化物燃料电池发电***的分解结构示意图；
图5本发明实施例提供的燃料气制备装置的结构示意图；
图6为图5的A向结构示意图；
图7为图5的剖视结构示意图；
图8为本发明实施例提供的双排电池堆阵列结构的结构示意图；
图9为图8的B向结构示意图；
图10为图8的剖视结构示意图；
图11为图8的分解结构示意图；
图12为本发明实施例提供的热交换装置的结构示意图；
图13为本发明实施例提供的同轴套管的剖视结构示意图；
图14为本发明实施例提供的密封固定装置的结构示意图；
图15为图14的C向结构示意图；
图16为图14的剖视结构示意图；
图17为本发明实施例提供的密封固定装置的上盖的结构示意图；
图18为本发明实施例提供的密封固定装置的内上盖的结构示意图；
图19为图18的仰视结构示意图；
图20为本发明实施例提供的密封固定装置的下盖的结构示意图；
图21为本发明实施例提供的下点火板和下点火针的结构示意图。
其中，图1-21中：
电池堆1、第一单面流道板11、双面流道板12、空气流道121、燃料气流道122、电池基片13、燃料气进口14、空气分散腔15、尾气混合燃烧腔16、第二单面流道板17、接头管21、汽化总管221、汽化加热阵列管222、催化阵列管223、第一连接筒224、第二连接筒225、燃料气出口231、布气总管232、布气板233、分散短管234、导电顶板31、导电底板32、导线外接孔33、第一绝缘板34、第二绝缘板35、第三绝缘板36、第四绝缘板37、热废气出口38、导电板39、外套管61、内套管62、供气孔63、空气分散筒64、空气收集筒65、废气分散筒66、废气收集筒67、空气导流筒68、上盖71、废气排放口711、右盖70、后盖72、左盖73、下托板74、下盖75、前盖76、弹簧771、加压杆772、内上盖78、废气流通孔781、废气流道782、上压板79、下点火板81、下点火针82、上点火板91、上点火针92。
具体实施方式
本发明的目的是提供一种结构较简单的固体氧化物燃料电池发电***的电池堆。本发明的另一目的是提供一种具有上述电池堆的固体氧化物燃料电池发电***。
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细介绍。
参见图1、图2和图3，图1为本发明实施例提供的电池堆的结构示意图，图2为本发明实施例提供的双面流道板的上表面的结构示意图，图3为本发明实施例提供的双面流道板的下表面的结构示意图。
如图1、图2和图3所示，本发明提供的电池堆可利用无压堆技术制作成方形标准化模块堆，其包括双面流道板12、电池基片13、空气分散腔15和尾气混合燃烧腔16。双面流道板12用于空气和燃料气的导流，其上表面和下表面分别设置有空气流道121和燃料气流道122。优选地，燃料气流道122的出口截面面积与空气流道121的进口截面面积的比值约等于空气和燃料气的体积比，以使空气和燃料气进入尾气混合燃烧腔16时的喷射速度大致相等，并提高燃料气流道122的密封效果。电池基片13为空气和燃料气提供反应平台，其上与空气流道121相对的表面为阴极，与燃料气流道122相对的表面为阳极，相邻两个双面流道板12之间具有一个电池基片13。双面流道板12与电池基片13上具有贯穿两者的燃料气进口14，空气分散腔15内具有经过预热的空气，尾气混合燃烧腔16用于燃烧反应剩余的空气和燃料气，且空气分散腔15和尾气混合燃烧腔16分别形成于双面流道板12的相邻的两侧。燃料气流道122自燃料气进口14延伸至尾气混合燃烧腔16，空气流道121自空气分散腔15延伸至尾气混合燃烧腔16。
上述对电池堆的结构改进基于现有的固体氧化物燃料电池发电***的结构，即该***中的其他装置的结构可保持不变，而该电池堆工作时，燃料气从燃料气进口14进入该电池堆，空气从空气分散腔15进入该电池堆，两者分别均匀地流经燃料气流道122和空气流道121后在电池基片上进行氧化还原反应，并产生电流，而反应剩余的燃料气和空气将在尾气混合燃烧腔16中混合并燃烧。
通过上述描述可知，相比于背景技术中所介绍的电池堆，本发明提供的电池堆省去燃料气出口，并设置尾气混合燃烧腔16，使得反应剩余的空气和燃料气可在电池堆内部的尾气混合燃烧腔16内燃烧，不需导出电池堆后再导入热区加热***，从而简化了自身结构，减少气路，降低了天然气进气阻力，且减少管路散热损耗。可见，该发电***能够直接使用普通城市管道入户天然气，并不需要增压，***内的管路密封难度下降；该发电***避免设置外置的尾气燃烧器或启动燃烧器，整个***启动运行只需要调控空气和燃料气的进气量，启动时保持固定的所需空燃比即可，还可通过改变上述两者的进气量来调节该发电***内部的温度，大大降低了该***的控制难度。
进一步的技术方案中，该电池堆还包括第一单面流道板11和第二单面流道板17，第一单面流道板11设置于该电池堆的顶部，且与电池基片13连接，其下表面具有燃料气流道122；第二单面流道板17设置于该电池堆的底部，且亦与电池基片13连接，其上表面具有空气流道121；上述燃料气进14贯穿第一单面流道板11和第二单面流道板17。由于空气和燃料气需在密封环境内各自流动，因此，第一单面流道板11和第二单面流道板17相当于空气流道121和燃料气流道122的上盖板和下盖板，两者的设置可避免该电池的顶部和底部仅具有双面流道板12时，分别形成电池堆上表面和下表面的空气流道121和燃料气流道122无法实现导流作用而造成的材料浪费。另一方面，上述结构显著提高了该电池堆顶部和底部的平整度，使其可与其他零部件更可靠地连接。
在实际实施过程中，上述空气分散腔15和尾气混合燃烧腔16还可分别形成于双面流道板12相对的两侧，从而将空气流道121设置为直线型流道，简化了双面流道板12的制造工序，利于发电***内的其他装置的布置。同时，这一布置方式可保证空气和燃料气同速同向进入尾气混合燃烧腔16内，即通过简化电池堆的结构进一步降低该电池堆的进气阻力。
参见图4，图4为本发明实施例提供的固体氧化物燃料电池发电***的分解结构示意图。
如图4所示，在上述改进的基础上，本发明提供的固体氧化物燃料电池发电***，包括电池堆1、燃料气制备装置、热交换装置、点火装置和密封固定装置，电池堆为电流产生的场所；而燃料气制备装置则为电池堆1提供燃料气；热交换装置用于预热进入电池堆前的空气；密封固定装置用于固定电池堆内的零部件，并为电池堆提供密封环境和绝热保护；点火装置用于反应后的空气和燃料气的引燃，以达到上述两气体的排放要求。上述燃料气制备装置、热交换装置、点火装置和密封固定装置均可为现有技术中的装置，而本***的关键改进则在于，电池堆1为上述各实施例中提供的电池堆1。在上述改进的基础上，热交换装置需与电池堆1连接，密封固定装置上则具有废气排放口711，且密封固定装置与电池堆1连接后形成空气分散腔15和尾气混合燃烧腔16。
由于上述电池堆具有上述技术效果，具有该电池堆的固体氧化物燃料电池发电***也应具有相应的技术效果，此处不再作详细介绍。
为了提高该发电***的热量利用率，本发明具体实施例将燃料气制备装置置于尾气混合燃烧腔16内，反应剩余的空气和燃料气在尾气混合燃烧腔16内燃烧所产生的热量即可为燃料气制备装置中的天然气和水提供反应条件，经过降温的空气和燃料气混合气在尾气混合燃烧腔16顶部聚集。这一设置方式避免了为燃料气制备装置提供专门的加热装置，从而利用该发电***的余热将热值较低的天然气转化为热值较高的燃料气，进而降低了该***的热量损耗，提高了其热量利用率。另外，该方案将燃料气制备装置内置于密封固定装置内，降低了该***的空间占用率。
参见图5、图6和图7，图5本发明实施例提供的燃料气制备装置的结构示意图，图6为图5的A向结构示意图，图7为图5的剖视结构示意图。
如图5、图6和图7所示，为了更好地适应具有上述结构的电池堆，本发明实施例还对燃料气制备装置的结构作出改进，具体地，该燃料气制备装置包括接头管21、与接头管21连接的燃料气制备管以及与燃料气制备管连通的布气装置。天然气和水的混合物从接头管21进入燃料气制备管内，燃料气制备管内具有制备燃料气所需的温度、湿度等条件，制备原料在其内部通过化学反应转化为燃料气，该燃料气制备管可为单独的一根反应管，该燃料气通常为氢气；布气装置用于将燃料气制备管中制备完成的燃料气通过其上的燃料气出口231以及燃料气进口14导入电池堆1内，其可为单独的一根布气总管232。
具体实施方案中，上述燃料气制备管还可为多个反应管的组合，其包括汽化总管221和汽化加热阵列管222。汽化总管221与天然气、水的提供设备连接，其用于充分混合上述制备原料；汽化加热阵列管222与汽化总管221连通，其用于为充分混合后的制备原料提供温度合适的反应环境，保证制备原料可顺利转化为燃料气，且汽化加热阵列管222与布气装置连通后将制备完成的燃料气导入电池堆内。汽化总管221和汽化加热阵列管222将燃料气的制备过程阶段化，使得这一过程更为高效，提高了燃料气的生成率。
为了加快燃料气的制备速度，以及进一步提高燃料气的生成率，本发明具体实施例提供的燃料气制备装置还包括催化阵列管223。显然，催化阵列管223可为燃料气的制备提供催化剂，其两端分别与汽化总管221和布气装置连接。该方案避免了在汽化加热阵列管222中加入催化剂，从而进一步降低了该固体氧化物燃料电池发电***的进气阻力。上述汽化总管221、汽化加热阵列管222和催化阵列管223的轴线可位于同一直线上。
可以想到的是，为了优化燃料气的制备过程，可将上述各反应管的长度适当加长，而限于该发电***的空间要求，则将汽化总管221、汽化加热阵列管222以及催化阵列管223平行设置，且汽化总管221通过第一连接筒224与汽化加热阵列管222连通，汽化加热阵列管222通过第二连接筒225与催化阵列管223连通。第一连接筒224和第二连接筒225作为上述反应管之间的连接介质，可在保证燃料气制备装置的长度处于合适范围内的前提下扩大制备原料的反应空间。
根据不同的发电要求，上述汽化加热阵列管222和催化阵列管223的制造材料可以不同，一般采用耐高温金属材料，本发明实施例则采用纯镍管，且其管径比优选为大于或等于30。纯镍管具有良好的可塑性、耐腐蚀性、耐强碱性，可高度磨光，值得强调的是，纯镍管本身可作为催化剂，在燃料气的制备过程中省去催化剂，从而降低了该发电***的燃料气制备成本。
为了更方便地将制备完成的燃料气导入电池堆1内，上述布气装置除了包括布气总管232以外，还包括与布气总管232连接的布气板233，布气板233采用实体开孔结构，其上具有与布气总管232连通的燃料气出口231，具体地，布气总管232通过多个分散短管234与燃料气出口231连通。相对于采用布气总管232将燃料气导入电池堆1内，布气板233可避免在布气总管232上开孔所带来的布气总管232的工作强度降低的问题，且布气板233可同时为电池堆1提供一定的支撑力。更进一步地，可将布气总管232设置为方管，以适应布气板233的结构特点，并较大限度地增大燃料气在其内部的流动空间，提升燃料气的导入速度。
参见图8-11，图8为本发明实施例提供的双排电池堆阵列结构的结构示意图，图9为图8的B向结构示意图，图10为图8的剖视结构示意图，图11为图8的分解结构示意图。
如图8-11所示，为了扩大该发电***的发电能力，本发明具体实施例将电池堆1改进为阵列结构，通过多个电池堆1的串联和并联达到发电量的增大，阵列后的结构通过导电顶板31和导电底板32导出电流。具体的阵列结构为：电池堆1横向阵列于布气板233的上表面和下表面后，布气板233沿着竖直方向阵列，以构成位于导电顶板31和导电底板32之间的单排电池堆阵列结构，相邻两个布气总管232通过第一绝缘板34连接，相邻的两个第一连接筒224通过第二绝缘板35连接，相邻的两个第二连接筒225通过第三绝缘板36连接，横向相邻的两个电池堆1之间具有第四绝缘板37，竖向相邻的两个电池堆1之间具有导电板39，导电顶板31和导电底板32上均具有导线外接孔，且导电顶板31上具有与尾气混合燃烧腔16相对的热废气出口38，尾气混合燃烧腔16内燃烧产生的气体携带一定的热量流出热废气出口38。
在上述单排电池堆阵列结构中，第一绝缘板34、第二绝缘板35和第三绝缘板36用于支撑电池堆1，并为电池堆1提供密封；第四绝缘板37与导电板39共同作用，使得该单排电池堆阵列结构将电池堆1横向并联、纵向串联，如此便可保证单个电池堆1的损坏不会影响整个发电***的对外输电功能，即大幅度提高了该***的可靠性。另外，上述各布气板233之间无硬链接，当电池堆1阵列在不同温度下高度位置发生变化时，布气板233的高度可随之变化而不受牵制，进一步提高了该发电***的可靠性。上述各绝缘板可为一般材质的绝缘板，本发明实施例中，各个绝缘板优选为耐高温绝缘板，进而延长上述绝缘板在高温环境中的工作寿命。
在上述技术方案的基础上，本发明具体实施例将上述单排电池堆阵列结构关于尾气混合燃烧腔16的边界对称布置后构成双排电池堆阵列结构，即尾气混合燃烧腔16位于两个单排电池堆阵列结构的电池堆1之间。这一技术方案将单个电池堆阵列结构中的零部件数量加设一倍，使该固体氧化物燃料电池发电***的内部结构更为紧凑，将电池堆在横向和纵向两个方向均进行拓展，对于整个***的布置较为有利。并且，该阵列结构中的电池堆的总功率可根据实际需要进行调节，有益于该发电***内的电池堆的规模扩展。
为了增强该发电***的内部零部件之间的连接稳定性，可采用固定杆贯穿导电顶板31和导电底板32，实现两者的连接，该固定杆的下端通过普通螺母固定即可。优选的，固定杆可为套设有弹簧771的加压杆772，弹簧771设置于螺母和导电底板32之间，更优选地，可在弹簧771两端设置弹簧垫圈，以保证其与螺母的可靠连接，并减小导电底板32下表面的压强。可想而知，根据发电***的连接强度要求，拧动螺母从而改变其施加于弹簧771上的力，弹簧771将这一作用力依次传递至导电底板32和导电顶板31上，从而实现导电顶板31与导电底板32之间的连接强度的调节。更为优选地，上述螺母可设置为两个，分别为固定螺母和防松螺母，固定螺母与固定杆连接后实现导电顶板31和导电底板32的定位，防松螺母则实现固定杆与固定螺母的锁紧。
参见图12和图13，图12为本发明实施例提供的热交换装置的结构示意图，图13为本发明实施例提供的同轴套管的剖视结构示意图。
如图12和13所示，本发明具体实施例提供的热交换器包括外套管61和内套管62，外套管61和内套管62组成同轴套管，内套管62的内部和外套管61与内套管62之间分别形成空气流动腔和废气流动腔，空气流动腔与供气孔63和空气分散腔15连通，废气流动腔与热废气出口38和废气排放口711连通。该热交换装置采用一般的热交换原理，旨在将尾气混合燃烧腔16内所产生的热量传递给进入该***的空气，完成空气的预热，因此，上述外套管61和内套管62可采用方形管，便于两者与供气孔63、空气分散腔15、热废气出口38和废气排放口711的连接。
上述空气流动腔和废气流动腔的具体形成部位可灵活选择，即外套管61和内套管62与供气孔63、空气分散腔15、热废气出38和废气排放口711的连接关系无明显限制，但是为了提高热交换装置的热交换率，同时便于该发电***的结构布置，该热交换装置内还设置有空气分散筒64、空气收集筒65、废气分散筒66和废气收集筒67。基于此，外套管61和内套管62均设置为圆管，且两者形成的同轴套管可设置为多组，以增加空气和废气的流动密度，至于同轴套管的组数可根据需要增减。内套管62两端分别与空气分散筒64和空气收集筒65连接，外套管61两端分别与废气分散筒66和废气收集筒67连接，空气分散筒64与供气孔63连通，空气收集筒65与空气分散腔15连通，废气分散筒66与热废气出38连通，废气收集筒67与废气排放口711连通。
优选的技术方案中，上述空气流动腔与废气流动腔内的气体流动方向相反，即空气与废气对流形成逆向热交换，增强该热交换装置的热交换率，减小***流阻，且保证热交换过程中无紊流，无湍流，换热平稳。
为了便于空气流动腔内已预热的空气集中进入空气分散腔15，上述空气流动腔与空气分散腔15通过空气导流筒68连通，该空气导流筒68的出气口位于空气分散腔15底部。空气流动腔内的空气经过预热后便进入空气导流筒68内部，其向下运动至空气导流筒68的出气口处，即可进入空气分散腔15的底部，由于浮力作用，空气将缓慢扩散至空气分散腔15的全部空间内，继而以较均匀的流速流过空气流道121。
参见图14-21，图14为本发明实施例提供的密封固定装置的结构示意图，图15为图14的C向结构示意图，图16为图14的剖视结构示意图，图17为本发明实施例提供的密封固定装置的上盖的结构示意图，图18为本发明实施例提供的密封固定装置的内上盖的结构示意图，图19为图18的仰视结构示意图，图20为本发明实施例提供的密封固定装置的下盖的结构示意图，图21为本发明实施例提供的下点火板和下点火针的结构示意图。
本发明实施例提供的固体氧化物燃料电池发电***的密封固定装置包括上盖71、下盖75、左盖73、右盖70、前盖76和后盖72，上盖71上设置有废气排放口711，下盖75用于为电池堆1、燃料气制备装置和热交换装置提供纵向支撑力，导电顶板31和导电底板32通过固定杆和螺母固定于下盖75上。导电顶板31和导电底板32插接于左盖73上，使得两者上的导线外接孔外伸于该密封固定装置，从而保证电流的输出；接头管21穿过右盖70后与天然气、水混合物的供应装置连接，从而保证燃料气的制备原料的输入。前盖76和后盖72与双排电池堆阵列结构中的布气总管232抵接，以形成空气分散腔15。上述上盖71、下盖75、左盖73、右盖70、前盖76和后盖72之间可采用多种锁紧部件紧固，例如搭扣锁。
优选地，上述密封固定装置的右盖70上具有容置空气导流筒68的容置槽701，空气导流筒68嵌入该容置槽701内，使得该发电***的内部结构更紧凑，缩小其内部空间，进而更大程度地减小该发电***的空间占用率。同时，容置槽701可为空气导流筒68提供支撑力，改善空气导流筒68与空气流动腔的连接稳定性，提高该发电***的工作可靠性。
为了避免固定杆直接作用于导电顶板31，本发明具体实施例还提供了上压板79，上压板79设置于导电顶板31的上表面，固定杆通过上压板79将导电顶板31与导电底板32固定。显然，固定杆施加于导电顶板31的作用力将直接作用于上压板79，从而避免了该作用力施加于导电顶板31上时，造成导电顶板31变形甚至损坏；由于上压板79功能较为单一，其结构较为简单，成本较低，可方便地进行更换，从而降低该发电***的维修成本。进一步地，还可在下盖75下表面设置下托板74，固定杆穿过尾气混合燃烧腔16和下盖75将上压板79和下托板74固定连接，从而实现整个双排电池堆阵列结构的可靠定位和密封。
上述各具体实施例中，点火装置可不固定在密封固定装置上，其工作时通过开设于导电底板32和下盖75上的通孔伸入尾气混合燃烧腔16内，并激发火花，点燃尾气混合燃烧腔16内的空气和燃料气。为了优化该发电***的功能，本发明将点火装置固设于密封固定装置上，避免频繁操作点火装置所带来的不便。具体地，该点火装置包括点火板和点火针，点火针上具有与点火板连接后为尾气混合燃烧腔16激发火花的点火触点。该点火装置中，点火板与点火针可固定于下盖75上，其激发火花的位置位于尾气混合燃烧腔16底部，点火板和点火针通电后即可通过点火触点引燃尾气混合燃烧腔16内的气体。
鉴于尾气混合燃烧腔16具有较大的空间，仅在其底部设置点火装置不足以实现其内部气体的完全燃烧，因此本发明具体实施例将点火板设置为上点火板91和下点火板81，将点火针设置为上点火针92和下点火针82。其中，下点火板81和下点火针82设置于下盖75上，其激发火花位置为尾气混合燃烧腔16底部，上点火板91和上点火针92激发火花位置为尾气混合燃烧腔16底部。而为了安置上点火板91和上点火针92，密封固定装置还包括位于上压板79和导电顶板31之间的内上盖78，内上盖78上具有与尾气混合燃烧腔16和废气流动腔连通的废气流通孔781。如此同时在尾气混合燃烧腔16的顶部和底部激发火花，实现多方位点火，加快了其内部的空气和燃料气的燃烧速度，进而达到充分燃烧的目的，为该发电***提供更多的热量，且燃烧更平稳、噪声较小。另外，内上盖78与导电顶板31连接后将尾气混合燃烧腔16进行延伸，其可辐射尾气混合燃烧腔16内的热量，使得整个发电***的温度更加均匀。
可以想到的是，上述上点火板91和上点火针92为了实现点火的目的，需从导电顶板31上的热废气出口38伸入尾气混合燃烧腔16内，而热废气出口38通常较小，这将限制上点火板91和上点火针92的设置位置，为了解决这一问题，上述内上盖78下表面设置有与尾气混合燃烧腔16和废气流动腔连通的废气流道782，上点火板91的点火触点则位于废气流道782内。显而易见地，废气流道782可沿着内上盖78的长度方向延伸，其宽度也可适当增大，以扩大上点火板91和上点火针92的设置范围，增大该发电***的结构布置的灵活度。该废气流道782可为圆柱形流道，而为了增大其与尾气混合燃烧腔16的连通面积，本发明实施例优选方形的废气流道782。
依循上述设计思路，为了完善尾气混合燃烧腔16内的气体燃烧率，本发明将上述上点火板91和上点火针92，或者下点火板81和下点火针82设置为两组。具体地，两组上点火板91和上点火针92或下点火板81和下点火针82可沿着尾气混合燃烧腔16的横向延伸，也可以沿着尾气混合燃烧腔16的纵向延伸，以此在控制该发电***的成本的前提下，提高其余热利用率。
上述固体氧化物燃料电池发电***中，燃料气制备装置、双排电池堆阵列结构、热交换装置、密封装置和点火装置中的各管路以及结构壁体均具有较合适的热辐射能力，这将使得电池堆的温升较为均匀，使其不易损坏。上述各装置中的零部件之间的连接方式一般为焊接，以保证该发电***内零部件之间的连接强度、保证其工作可靠性。
以上对本发明实施例所提供的固体氧化物燃料电池发电***及其电池堆进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (28)
1.一种固体氧化物燃料电池发电***的电池堆，其特征在于，包括：
双面流道板(12)，所述双面流道板(12)的上表面和下表面分别设置有空气流道(121)和燃料气流道(122)；
与所述双面流道板(12)交替层叠的电池基片(13)，相邻两个所述双面流道板(12)之间具有一个所述电池基片(13)，所述双面流道板(12)与所述电池基片(13)上具有贯穿两者的燃料气进口(14)；
分别形成于所述双面流道板(12)两侧的空气分散腔(15)和尾气混合燃烧腔(16)，所述燃料气流道(122)自所述燃料气进口(14)延伸至所述尾气混合燃烧腔(16)，所述空气流道(121)自所述空气分散腔(15)延伸至所述尾气混合燃烧腔(16)；
所述空气分散腔(15)和所述尾气混合燃烧腔(16)分别形成于所述双面流道板(12)的相对的两侧，所述空气流道(12)为直线型流道。
2.按照权利要求1所述的电池堆，其特征在于，还包括：
设置于所述电池堆的顶部，且与所述电池基片(13)连接的第一单面流道板(11)，所述第一单面流道板(11)的下表面具有所述燃料气流道(122)；
设置于所述电池堆的底部，且与所述电池基片(13)连接的第二单面流道板(17)，所述第二单面流道板(17)的上表面具有所述空气流道(121)，所述燃料气进口(14)贯穿所述第一单面流道板(11)和所述第二单面流道板(17)。
3.一种固体氧化物燃料电池发电***，包括电池堆(1)、为所述电池堆(1)提供燃料气的燃料气制备装置、热交换装置、点火装置和密封固定装置，所述热交换装置与所述电池堆(1)连接，其特征在于，所述电池堆(1)为权利要求1-2中任一项所述的电池堆(1)，所述密封固定装置上具有废气排放口(711)，且所述密封固定装置与所述电池堆(1)连接后形成所述空气分散腔(15)和所述尾气混合燃烧腔(16)。
4.按照权利要求3所述的固体氧化物燃料电池发电***，其特征在于，所述燃料气制备装置位于所述尾气混合燃烧腔(16)内。
5.按照权利要求4所述的固体氧化物燃料电池发电***，其特征在于，所述燃料气制备装置包括：
通过化学反应将制备原料转化为燃料气的燃料气制备管；
与所述燃料气制备管连通的布气装置，所述布气装置将所述燃料气通过其上的燃料气出口(231)以及所述燃料气进口(14)导入所述电池堆(1)内。
6.按照权利要求5所述的固体氧化物燃料电池发电***，其特征在于，所述燃料气制备管包括汽化总管(221)以及与所述汽化总管(221)连通的汽化加热阵列管(222)，所述汽化加热阵列管(222)与所述布气装置连通。
7.按照权利要求6所述的固体氧化物燃料电池发电***，其特征在于，所述燃料气制备管还包括催化阵列管(223)，所述催化阵列管(223)的两端分别与所述汽化加热阵列管(222)和所述布气装置连接。
8.按照权利要求7所述的固体氧化物燃料电池发电***，其特征在于，所述汽化总管(221)、所述汽化加热阵列管(222)以及所述催化阵列管(223)相互平行，且所述汽化总管(221)通过第一连接筒(224)与所述汽化加热阵列管(222)连通，所述汽化加热阵列管(222)通过第二连接筒(225)与所述催化阵列管(223)连通。
9.按照权利要求8所述的固体氧化物燃料电池发电***，其特征在于，所述汽化加热阵列管(222)或所述催化阵列管(223)为纯镍管。
10.按照权利要求8所述的固体氧化物燃料电池发电***，其特征在于，所述布气装置包括布气总管(232)。
11.按照权利要求10所述的固体氧化物燃料电池发电***，其特征在于，所述布气装置还包括与所述布气总管(232)连接的布气板(233)，所述布气板(233)上具有与所述布气总管(232)连通的所述燃料气出口(231)。
12.按照权利要求11所述的固体氧化物燃料电池发电***，其特征在于，所述布气总管(232)为方管。
13.按照权利要求11所述的固体氧化物燃料电池发电***，其特征在于，所述电池堆(1)横向阵列于所述布气板(233)的上表面和下表面后，所述布气板(233)沿着竖直方向阵列，以构成设置于导电顶板(31)和导电底板(32)之间的单排电池堆阵列结构，相邻两个所述布气总管(232)通过第一绝缘板(34)连接，相邻的两个所述第一连接筒(224)通过第二绝缘板(35)连接，相邻的两个所述第二连接筒(225)通过第三绝缘板(36)连接，横向相邻的两个所述电池堆(1)之间具有第四绝缘板(37)，竖向相邻的两个所述电池堆(1)之间具有导电板(39)，所述导电顶板(31)和所述导电底板(32)上均具有导线外接孔，且所述导电顶板(31)上具有与所述尾气混合燃烧腔(16)相对的热废气出口(38)。
14.按照权利要求13所述的固体氧化物燃料电池发电***，其特征在于，所述单排电池堆阵列结构关于所述尾气混合燃烧腔(16)的边界对称布置后构成双排电池堆阵列结构。
15.按照权利要求14所述的固体氧化物燃料电池发电***，其特征在于，所述导电顶板(31)和所述导电底板(32)通过贯穿两者的固定杆连接。
16.按照权利要求15所述的固体氧化物燃料电池发电***，其特征在于，所述固定杆为套设有弹簧(771)的加压杆(772)。
17.按照权利要求15所述的固体氧化物燃料电池发电***，其特征在于，所述热交换装置包括：
由外套管(61)和内套管(62)组成的同轴套管；
分别形成于所述内套管(62)的内部以及所述外套管(61)与所述内套管(62)之间的空气流动腔和废气流动腔，所述空气流动腔与供气孔(63)和所述空气分散腔(15)连通，所述废气流动腔与所述热废气出口(38)和所述废气排放口(711)连通。
18.按照权利要求17所述的固体氧化物燃料电池发电***，其特征在于，所述内套管(62)两端分别与空气分散筒(64)和空气收集筒(65)连接，所述外套管(61)两端分别与废气分散筒(66)和废气收集筒(67)连接，所述空气分散筒(64)与所述供气孔(63)连通，所述空气收集筒(65)与所述空气分散腔(15)连通，所述废气分散筒(66)与所述热废气出口(38)连通，所述废气收集筒(67)与所述废气排放口(711)连通。
19.按照权利要求17所述的固体氧化物燃料电池发电***，其特征在于，所述空气流动腔与所述废气流动腔内的气体流动方向相反。
20.按照权利要求17所述的固体氧化物燃料电池发电***，其特征在于，所述空气流动腔与所述空气分散腔(15)通过空气导流筒(68)连通，所述空气导流筒(68)的出气口位于所述空气分散腔(15)底部。
21.按照权利要求20所述的固体氧化物燃料电池发电***，其特征在于，所述密封固定装置上具有容置所述空气导流筒(68)的容置槽(701)。
22.按照权利要求17所述的固体氧化物燃料电池发电***，其特征在于，所述密封固定装置包括：
上压板(79)，所述固定杆通过所述上压板(79)将所述导电顶板(31)和所述导电底板(32)固定连接。
23.按照权利要求22所述的固体氧化物燃料电池发电***，其特征在于，所述密封固定装置还包括通过所述固定杆连接于该密封固定装置的下盖(75)底部的下托板(74)。
24.按照权利要求23所述的固体氧化物燃料电池发电***，其特征在于，所述点火装置安装于所述密封装置上，且其包括点火板和点火针，所述点火针上具有与所述点火板连接后为所述尾气混合燃烧腔(16)激发火花的点火触点。
25.按照权利要求24所述的固体氧化物燃料电池发电***，其特征在于，所述密封固定装置还包括位于所述上压板(79)和所述导电顶板(31)之间的内上盖(78)，所述内上盖(78)上具有与所述尾气混合燃烧腔(16)和所述废气流动腔连通的废气流通孔(781)，所述点火板包括：
设置于所述内上盖(78)，且在所述尾气混合燃烧腔(16)上部激发火花的上点火板(91)；
设置于所述下盖(75)上，且在所述尾气混合燃烧腔(16)底部激发火花的下点火板(81)；
所述点火针包括与所述上点火板(91)连接的上点火针(92)以及与所述下点火板(81)连接的下点火针(82)。
26.按照权利要求25所述的固体氧化物燃料电池发电***，其特征在于，所述内上盖(78)下表面具有与所述尾气混合燃烧腔(16)和所述废气流通孔(781)连通的废气流道(782)，所述上点火板(91)的所述点火触点位于所述废气流道(782)内。
27.按照权利要求25所述的固体氧化物燃料电池发电***，其特征在于，所述上点火板(91)和所述上点火针(92)，或所述下点火板(81)和所述下点火针(82)为两组。
28.按照权利要求26所述的固体氧化物燃料电池发电***，其特征在于，所述废气流道(782)为方形流道。
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