CN106784961A - 一种针对阳极支撑型管式sofc电池堆的空气分配器 - Google Patents

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Abstract

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。

Description

一种针对阳极支撑型管式SOFC电池堆的空气分配器
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。
显然的，管式SOFC电堆如采用阳极支撑型陶瓷管单元设计(空气管内分配，燃料管外侧分配)可有效解决上述的一些列次生问题，然而如没有合理的管道外侧空气分配设计配套，恶劣的电池单元间及电池表面的空气分布结果将导致更为严重的燃料电池工作效果。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种针对阳极支撑型管式SOFC电池堆的空气分配器，从而解决阳极支撑型管式SOFC电堆应用过程中所需克服的陶瓷管外空气分配问题，大幅度改善管式电堆中空气在电池单元间(电堆层面)、以及电池单元轴向表面(电池单元层面)两个层面上的空气分配质量。
技术方案：本发明提供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，所述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。
进一步，所述阳极支撑型SOFC电池管单元包括由里至外的阳极支撑层、电解质层和阴极层，电池管单元管道内部为燃料通道，空气在管外部空间分配。
进一步，所述空气入口的排列方向与SOFC电池管单元的轴向方向一致，改善空气在各个电池管单元轴向的分配质量。
进一步，空气经由空气入口主管分流至若干主管道歧管后沿纵向对应连接至各个空气入口，所述空气入口主管的管径随着空气流向逐渐缩小，将原本一根主管对应的空气流量分入多个歧管，各个歧管的流速有效降低，从而约束主管道歧管间的空气分配均匀性，有利于提高SOFC单元间(堆层面)的空气分配均匀性。
进一步，尾气出口分别对应连接沿横向的各个尾气收集歧管后汇流至尾气收集主管，所述尾气收集主管的管径沿空气排出方向逐渐增大，尾气出口采用多个歧管进行尾气收集，亦可降低尾气歧管中的空气流速，从而改善空气在电池管单元外表面的空气分配质量，以及约束尾气收集歧管间的尾气收集量关系。
主流道分配箱的出/入口主管道均通过系列歧管和进行空气分配和收集，在提升轴向方向空气分配均匀度的同时，降低空气流速，增加电池主要工作区域的空气均匀性。此外，空气入口主管具有管截面积渐缩的特性，从而有利于系列歧管中的空气输入均匀；类似的，尾气收集主管具有渐扩截面积特性，可改善尾气在系列歧管中的均匀分配。
进一步，所述尾气出口划分纵向的两列均匀的分布在所述主流道分配箱的侧面，可改善空气在各个电池单元表面及轴向的空气分配均匀性。
进一步，所述尾气出口最终连通至将主管道歧管容纳在内的气体加热区域。
进一步，所述主管道歧管在气体加热区域中延长并迂回，可更高效的从尾气中吸取热量加热入口气体。
进一步，所述主流道分配箱的顶面与最上层SOFC电池管单元的距离较其它电池管单元间距缩小了1/3，通过增加该路径流动阻力的方式避免过多的空气通过分配器的上边沿绕过电池单元排列区流出。
进一步，所述尾气出口所在的主流道分配箱的侧面与最接近SOFC电池管单元的距离较其它电池管单元间距缩小了1/3，目的是增加该流道在竖直方向上的阻力，迫使更多空气流经电池排列区，避免空气绕过电池排列区而直接通过最上层空间绕道到该区域，增加空气在电池单元间的分配质量。
有益效果：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：主流道分配箱的空气入口均匀的设置在箱体底部一侧，从而改善了空气在各个SOFC单元陶瓷管轴向的分配质量；箱体靠近空气入口的侧面为渐收的斜面，从而降低主流道分配箱顶部区域附近的空气静压强，改善空气在电池单元管间的空气分配均匀性；空气入口和出口的流向相互垂直，同时改善空气在管式SOFC电池单元间、以及SOFC陶瓷管单元表面轴向的空气分配质量；
在以上空气分配的前提下，实现空气在阳极支撑型SOFC陶瓷管单元间(堆层面)、以及电池单元陶瓷管阴极外表面(电池单元层面)较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，本发明阳极支撑型管式SOFC结构的优势如下：
浓差损失优势：电池管单元的阳极支撑结构分布在管道内侧，外侧为较薄的阴极，从而大幅度减小氧气在阴极的浓差损失；
欧姆损失优势：由于还原气氛下阳极主要以金属颗粒作为导电介质，其电子电导率明显优于阴极，加之管式电池单元内侧电极具有长的电流收集路径的缺点，因此阳极作为支撑层处在管式电池内侧，阴极在外侧配置更为灵活的电流收集件，可大幅度降低欧姆损失；
燃料(特别是湿氢燃料)通过电池单元管内侧传输，可保证燃料的流速和流动阻力进而大幅度提高管式SOFC电堆的燃料利用率；
利用率低的空气通过外部宽阔的流道分配，具有较低的流动阻力和压力，一方面可减少泵入机械的能量消耗，同时降低管内外燃料侧和空气侧的实际压力差，从而降低氧泄漏风险，以及阴极和链接体间电流收集层的气蚀剥落风险，提高电池寿命；
阳极处在SOFC单元内侧管道，有利于防护并避免阳极材料的重新氧化。
附图说明
图1为本发明空气分配箱的结构示意图；
图2为空气分配箱的正视图；
图3为主流道分配箱的局部示意图；
图4为空气入口主管及主管道歧管的局部示意图；
图5为与入口对应的尾气收集歧管及尾气收集主管的局部示意图；
图6为入口气体加热区域的局部示意图。
具体实施方式
下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
实施例：一种针对阳极支撑型管式SOFC电池堆的空气分配器，如图1、2所示，主要部件为一个中空的主流道分配箱3，如图3所示，设定主流道分配箱3的长、高、厚方向分别为X、Y、Z方向。主流道分配箱3的前后两个面上预留有若干孔供阳极支撑型SOFC电池管单元1对应穿过并且紧密配合，使得SOFC电池管单元1在主流道分配箱3的表面呈阵列排布，同时主流道分配箱3内部空间在SOFC电池管单元1的周围能够形成供空气流通的通道。具体的，每个阳极支撑型SOFC电池管单元1包括由里至外的阳极支撑层、电解质层和阴极层，SOFC电池管单元1内为燃料流道，而管***空气流道区域。
主流道分配箱3的底部左侧设有沿Z方向排列的4个空气入口，4个空气入口皆位于SOFC电池管单元1所在区域以左。如图4所示，在空气入口的下方设有一根沿Z方向延伸的空气入口主管2-1，顺着空气流入主流道分配箱3的方向，空气入口主管2-1的管径逐渐缩小，故管道截面渐缩。空气入口主管2-1的长度方向上等距的连接有4根沿X方向往复延伸的主管道歧管2-2，故，流入空气入口主管2-1的空气可均匀的分流至4根主管道歧管2-2后流入主流道分配箱3，将空气入口流速降低为原来的1/4。具体的，主管道歧管2-2从空气入口主管2-1开始首先沿X方向延伸一段距离，继而反向迂回至空气入口主管2-1附近，统一竖直向上沿Y方向连接至主流道分配箱3的各个空气入口，而不是直接从水平X方向通入，这对增加单元管间空气分配质量有利，因此空气可经由4根主管道歧管2-2降速后，由侧下方向均匀低速输入主流道分配箱3内。
主流道分配箱3与空气入口相近的左边侧面为由下至上逐渐向右倾斜向内收缩的斜面，倾斜程度为左下角SOFC电池管单元1到分配箱3左侧面X方向上的距离为左上角SOFC电池管单元1到分配箱3左侧面之间距离的2倍，有利于增加靠近顶部区域的空气流速，从而降低该区域的静压强，最终使得空气沿Y方向均匀分配后流入电池排列区。主流道分配箱3内部空间可划分为从左至右的分配区头部3-1、电池单元排列区3-3以及分配区尾部3-5，SOFC电池管单元1以左区域到主流道分配箱3的左侧面为分配区头部3-1，SOFC电池管阵列所在的区域为电池单元排列区3-3，SOFC电池管以右区域到右侧面为分配区尾部3-5，而从电池单元排列区3-3以上到主流道分配箱3顶面的空间为分配区顶部3-4。空气进入主流道分配箱3后，由于分配区头部3-1具有由下至上空间逐渐缩小的特征，故空气可沿Y方向进行调压，得到Y方向较为均匀的压强分布，然后空气以较均匀的Y-Z平面分配输入电池单元排列区3-3。一般情况下，一方面，由于低的空气利用率导致高的空气流量，另一方面，电池单元排列区3-3具有较高的流动阻力，大部分空气会选择从电池单元排列区3-3以上、最顶层的流道绕过电池单元排列区3-3，从而导致非常差的电池单元间空气分配质量。因此，本实施例通过收窄分配区顶部3-4的高度，也就是顶层SOFC电池管单元1与分配器顶盖的间距，相较于SOFC电池管单元1之间的间距缩小1/3，增加空气通过该流体路径的阻力，迫使更多空气流经池单元排列区3-3，通过增加该路径流动阻力的方式避免过多的空气通过分配箱3的上边沿绕过电池单元排列区3-3流出，从而迫使更多空气流入电池单元排列区3-3。分配区尾部3-5具有明显变窄的阻力增加特征，最右竖排SOFC电池管单元1与分配器右侧面的间距相较于SOFC电池管单元1之间的间距缩小1/3，通过增加尾部收集区3-5与电池单元排列区3-3的流动阻力比例，迫使更多空气流经电池单元排列区3-3，增加空气在电池单元间的分配质量。
主流道分配箱3的右侧面上均匀的设有8个尾气出口，尾气出口分为两列，每列4个等距的沿Y方向排列，最顶端的尾气出口不高于最上层SOFC电池管单元1所在高度。如图5所示，每个尾气出口对应连接一根尾气收集歧管4-1，同列的尾气收集歧管4-1汇流至一根尾气收集主管4-2，尾气收集主管4-2的管径沿尾气排出方向逐渐增大，故尾气收集主管4-2的截面由上至下逐渐扩张，主管截面积逐渐增大导致管中流速下降，根据伯努利机械能守恒方程管中压强增大，从而实现尾气收集歧管4-1之间均匀的空气收集量。由于主管道歧管2-2连接分配箱3一段和尾气收集歧管4-1呈相互垂直的排列方向，空气进入分配箱3与流出分配箱3的方向相互垂直，促使空气从入口向上、向右向出口扩散，流入的空气可迅速进入电池单元排列区3-3各单元之间，同时入口和出口均匀分布在电池管单元的轴向方向上，因此每个电池单元轴向方向上的空气均匀充分。
随后，如图6所示，两路被尾气收集主管4-2收集的高热尾气被直接导入位于主流道分配箱3下方的入口气体加热区域5-1，该区域由热交换器外壳5-2构成，入口气体加热区域将4根主管道歧管2-2容纳在内，歧管在该区域内被延长充分吸收尾气热量用于加热入口空气。
最终，通过本发明设计，在空气外分配的前提下实现对电池单元间、以及电池单元表面空气的均匀分配，为使用开发高性能阳极支撑型管式SOFC电堆奠定了基础。

Claims (10)

1.一种针对阳极支撑型管式SOFC电池堆的空气分配器，其特征在于：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空气流道，所述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。
2.根据权利要求1所述的针对阳极支撑型管式SOFC电池堆的空气分配器，其特征在于：所述阳极支撑型SOFC电池管单元包括由里至外的阳极支撑层、电解质层和阴极层。
3.根据权利要求1所述的针对阳极支撑型管式SOFC电池堆的空气分配器，其特征在于：所述空气入口的排列方向与SOFC电池管单元的轴向方向一致。
4.根据权利要求1或3所述的针对阳极支撑型管式SOFC电池堆的空气分配器，其特征在于：空气经由空气入口主管分流至若干主管道歧管后沿纵向对应连接至各个空气入口，所述空气入口主管的管径随着空气流向逐渐缩小。
5.根据权利要求1所述的针对阳极支撑型管式SOFC电池堆的空气分配器，其特征在于：尾气出口分别对应连接沿横向的各个尾气收集歧管后汇流至尾气收集主管，所述尾气收集主管的管径沿空气排出方向逐渐增大。
6.根据权利要求1或5所述的针对阳极支撑型管式SOFC电池堆的空气分配器，其特征在于：所述尾气出口划分纵向的两列均匀的分布在所述主流道分配箱的侧面。
7.根据权利要求4所述的针对阳极支撑型管式SOFC电池堆的空气分配器，其特征在于：所述尾气出口最终连通至将主管道歧管容纳在内的气体加热区域。
8.根据权利要求7所述的针对阳极支撑型管式SOFC电池堆的空气分配器，其特征在于：所述主管道歧管在气体加热区域中延长并迂回。
9.根据权利要求1所述的针对阳极支撑型管式SOFC电池堆的空气分配器，其特征在于：所述主流道分配箱的顶面与最上层SOFC电池管单元的距离较其它电池管单元间距缩小了1/3。
10.根据权利要求1所述的针对阳极支撑型管式SOFC电池堆的空气分配器，其特征在于：所述尾气出口所在的主流道分配箱的侧面与最接近SOFC电池管单元的距离较其它电池管单元间距缩小了1/3。
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