新型固体氧化物燃料电池堆热区、热区系统及电池堆系统

技术领域

本发明涉及电池技术领域，具体涉及新型固体氧化物燃料电池堆热区、热区系统及电池堆系统。

背景技术

SOFC按照结构可分为平板式和管式电池两大类，平板式电池又可分为薄板式电池和平管式电池两类，现有的SOFC电池堆一般单独购买，购买后需自行设计尾气换热器、重整制氢等热区装置，本司在实地考察后发现市面上存在的尾气换热装置、重整制氢装置等结构复杂，成本高且不好与电池堆及其他结构匹配，应用时难以将尾气燃烧器、重整制氢、燃烧加热，热水器等功能集成化，不方便微小型SOFC发电系统的应用推广，需要改进。

发明内容

为解决上述至少一个技术缺陷，本发明提供了如下技术方案：

本申请文件第一方面提供一种新型固体氧化物燃料电池堆热区，包括尾气换热机构、重整制氢机构；

尾气换热机构，包括第一壳体，第一壳体腔内区隔出相邻的废气燃烧腔、空气预热腔，废气燃烧腔通过管道与电池堆的阴极、阳极废气出口连接且管道上设启动燃烧燃料入口，燃料与废气混合进入废气燃烧腔燃烧并传递热量给空气预热腔中冷空气，空气预热腔的热空气出口与电池堆的阴极热空气入口连接；

重整制氢机构，包括第二壳体，第二壳体腔内区隔出汽化预重整腔、燃烧加热腔及重整制氢腔，燃烧加热腔位于汽化预重整腔、重整制氢腔之间并设置有燃烧燃料进口、燃烧空气进口，汽化预重整腔与重整制氢腔相连通,以燃烧加热腔燃烧产生的热量传递给汽化预重整腔、重整制氢腔，重整制氢腔的氢气出口与电池堆的阳极氢气进口连接。

本发明人重新设计尾气换热、重整制氢机构，简化了结构，方便集成换热、制氢功能等于同一热区结构中，且具备通用性，方便与多数电池堆模块进行对接，使用方便。

进一步，第一壳体、第二壳体内至少一个腔室的进口端或出口端设置有多孔板，优选在第二壳体内汽化预重整腔、燃烧加热腔的进口端、重整制氢腔的出口端均设置多孔板，燃烧加热腔、汽化预重整腔中所需的物料经多孔板后进入腔内，重整制氢腔内氢气经多孔板后离开，以多孔板进行催化、过滤或分流气体。

进一步，重整制氢腔内设置有催化剂，并腔壁上设置催化剂换装口，如以天然气、冷水为原料，催化剂催化进行制氢反应，换装口方便进行催化剂的更换。

优选在燃烧加热腔、废气燃烧腔内设置点火机构，优选点火塞，点火塞方便易安装，当然也可根据需求安装其他点火装置。

进一步，还包括热水管道，在废气燃烧腔内延伸，并在腔壁上设置冷水进口管、热水出口管以分别与热水管道的两端口连接，集成水加热功能，提高能源利用率。

进一步，第一壳体、第二壳体为矩形体，方便与电池堆匹配。

本申请文件第二方面提供集成化固体氧化物燃料电池堆热区系统，包括上述的热区，其特征在于：还包括电池堆支架，位于电池堆的下方以支撑电池堆，重整制氢机构、尾气换热机构分别位于电池堆的侧面，且废气燃烧腔废气进口处的管道自支架或周边的间隙延伸至电池堆的阴极、阳极废气出口处连接，重整制氢腔的氢气出口处以管道顺支架或周边间隙延伸至电池堆的阳极氢气进口处连接。

本系统增加支架以支撑电池堆，撑起的空间方便重整制氢、尾气换热机构中管道的布置及与电池堆进行对接安装，同时还可在以支架为载体将重整制氢、尾气换热集成为一体，方便搬运，提高使用的便利性。

进一步，支架包括顶板、支柱，顶板四角固定支柱，以顶板抵接电池堆底面，结构简单实用，支柱间及周侧方便管道布置安装。

进一步，支架还包括底盘，底盘上固定支柱，优选重整制氢腔的氢气出口处的管道，废气燃烧腔废气进口处的管道在底盘顶面延伸，重整制氢、尾气换热机构中管道固定在底盘上，形成独立可搬运的热区系统，与电池堆对接时只需接线，安装外围控制系统即可运行，大幅节省时间，适合推广应用。

本申请文件第三方面提供集成化电池堆系统，包括上述的热区系统及电池堆，电池堆包括单电池与流道板构成的电堆主体、主体侧面设置的氢气布气腔组件、空气布气腔组件以及加压密封机构，加压密封机构包括加压板、螺钉固定组件及导电柱，其特征在于：加压密封机构还包括封气板、绝缘板及导电板，加压板与电堆主体顶面或底面之间依次设导电板、绝缘板、封气板，以导电板与电堆主体顶面或底面接触，封气板与导电板之间设置绝缘板，绝缘板、封气板、加压板中间开孔供导电柱插入与导电板抵接，优选在封气板与加压板之间设置绝缘板。

本电池堆系统集成电池堆与热区系统为一体，无需二次设计，即买即用，并根据现有电池堆绝缘组件耐压强度低，易松脱的缺陷进行改进，以封气板加绝缘板加导电板组合承担绝缘功能，常规的螺钉固定组件可仅承担紧固作用，如全部为金属组件，上述加压密封机构耐压强度高，大幅提高电池堆的性能。

进一步，导电板周侧设置紧固件，对应的氢气布气腔、空气布气腔组件上开紧固槽供紧固件穿过，且与螺帽配合将氢气布气腔、空气布气腔组件与电堆主体固定为一体，导电板与紧固件组合，方便与氢气布气腔、空气布气腔组件固定为一体。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、本发明提供带换热、制氢机构的固体氧化物燃料电池堆热区，简化了结构，具备通用性，方便集成化。

2、本发明提供集成化固体氧化物燃料电池堆热区系统，以支架为载体将重整制氢、尾气换热集成为一体，方便搬运，提高使用的便利性。

3、本发明提供电池堆系统，集成电池堆与热区系统为一体，无需二次设计，即买即用，并改进电堆绝缘结构，大幅提升性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1：带换热、制氢机构的固体氧化物燃料电池堆热区的结构图a；

图2：带换热、制氢机构的固体氧化物燃料电池堆热区的结构图b；

图3：重整制氢机构的结构图a；

图4：重整制氢机构的结构图b；

图5：重整制氢机构纵向剖面结构图；

图6：重整制氢机构横向剖面结构图；

图7：尾气换热机构结构图a；

图8：尾气换热机构结构图b；

图9：尾气换热机构纵向剖面结构图；

图10：尾气换热机构横向剖面结构图；

图11：集成化固体氧化物燃料电池堆热区系统结构图a；

图12：集成化固体氧化物燃料电池堆热区系统结构图b；

图13：集成化固体氧化物燃料电池堆热区系统分解结构图a；

图14：集成化固体氧化物燃料电池堆热区系统分解结构图b；

图15：电池堆整体结构图；

图16：电池堆剖面结构图；

图17：电池堆分解结构图；

图18：氢气布气腔组件结构图；

图19：空气布气腔组件结构图；

图中：A.电池堆；B.尾气换热机构；C.重整制氢机构；D.电池堆支架；E.底盘。

1.加压板；2.绝缘板；3.导电柱上；4.封气板；5.导电板；6.单电池；7.流道板；8.导电柱下；9.氢气布气盖板；10.空气布气盖板；11.空气盖绝缘板；12.氢气盖绝缘板；13.出口法兰；14.重整堵口；15.氢气出口；16.催化剂换装口；17.燃烧尾气出口；18.重整燃料进口；19.重整水进口；20.燃烧燃料进口；21.燃烧空气进口；22.堆区尾气出口；23.阴极热空气出口；24.阳极尾气入口；25.阴极尾气入口；26.阴极冷空气进口；27.冷水进口管；28.启动燃烧燃料入口；29.热水出口管；30、空气预热腔；31、废气燃烧腔；32、冷空气；33、热空气；34、燃烧废气；35、多孔板；36、阴极、阳极废气；37、汽化预重整腔；38、燃烧加热腔；39、重整制氢腔；40、天然气；41、冷水；42、燃料气、空气；43、氢气、水蒸气。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

1)、如图1所示，本带换热、制氢机构的固体氧化物燃料电池堆热区，包括尾气换热机构B、重整制氢机构C，图1中在电池堆A相对两侧分别安装尾气换热机构、重整制氢机构，当然也可在邻近两侧安装，可根据应用环境及需求自由选择。

如图7-图10所示，尾气换热机构，包括第一壳体，第一壳体腔内区隔出相邻的废气燃烧腔31、空气预热腔30。

如在一实施例中，第一壳体选用矩形体，直接纵向固定隔板将腔内均分为两个腔室，或一大一小两个腔室，其中废气燃烧腔通过底端安装管道与电池堆的阴极、阳极废气出口连接且管道上开启动燃烧燃料入口28，并固定管道方便对接。

如图7所示，废气燃烧腔底部的管道为L型，以延伸向邻近侧及对立侧的阳极、阴极侧底端的废气出口并连接，并在空气预热腔底端安装管道并延伸与邻近的电池堆阴极热空气底端入口连接，使用时，燃料与废气自管道混合并进入废气燃烧腔，腔内安装点火机构，如进口处安装点火塞，或腔内腔壁上安装点火塞，此为常见结构，因此未给于图示，以点火塞点火使废气与燃料的混合体燃烧，并传递热量给空气预热腔中进入的冷空气，如图7、图8、图9所示，在废气燃烧腔顶开口形成堆区尾气出口22，可安装出口法兰13方便对接管道，以排出燃烧后气体，在空气预热腔顶端外壁上开口并固定管道形成阴极冷空气进口26，空气预热腔的热空气出口与电池堆的阴极热空气入口连接，通过燃烧充分利用尾气中可燃气体，同时产生的热量用以加热电池堆，提高能源利用率，缩短升温时间。

此外第一壳体的至少一个腔室的进口端或出口端设置有多孔板35，如在空气预热腔、废气燃烧腔的进口处安装多孔板，如陶瓷多孔板，参阅图10所示。

为提高热量利用率，还可集成热水功能，如增加热水管道(未予图示)，在废气燃烧腔内延伸，如螺旋、直接延伸等，并在腔壁上开口并固定冷水进口管27、热水出口管29，以分别与热水管道的两端口连接。

其中重整制氢机构，包括第二壳体，第二壳体腔内区隔出汽化预重整腔、燃烧加热腔及重整制氢腔，燃烧加热腔38位于汽化预重整腔37、重整制氢腔39之间，如在一实施例中，第二壳体选用矩形体，腔内通过间隔固定的隔板将腔内形成三个腔室，以分别形成汽化预重整腔、燃烧加热腔、重整制氢腔，汽化预重整腔与重整制氢腔相连通，如通过管道连通，如图3、图4、图5、图6所示，其中重整制氢腔内安装催化剂，如常规的腔壁上安装催化剂，如在一实施例中以铝制薄膜为载体承载催化剂，且为方便更换催化剂，如在重整制氢腔的顶端开催化剂换装口16，以更换催化剂，当然包括重整堵口14，如板体以螺钉、螺栓固定，或卡扣固定，工作状态下进行密封。

重整制氢腔的底端开口，为氢气出口15并安装管道，管道延伸至紧贴的电池堆底侧的阳极氢气进口并连接。

第二壳体内至少一个腔室的进口端或出口端设置有多孔板35，优选在第二壳体内汽化预重整腔、燃烧加热腔的进口端、重整制氢腔的出口端均固定多孔板，如陶瓷多孔板，参阅图6所示。

此外在燃烧加热腔顶端开口形成燃烧尾气出口17，并安装管道以与外界处理装置对接。

如在一实施例中，参阅图3、图4、图5所示，在汽化预重整腔底部上开口形成重整燃料进口18、重整水进口19，在燃烧加热腔底部上开口形成燃烧燃料进口20、燃烧空气进口21，并在进口处安装管道以与外界输送管道等对接，燃烧加热腔顶端开口形成燃烧尾气出口，重整制氢腔顶部开口形成催化剂换装口，以方便更换催化剂，以燃烧加热腔燃烧产生的热量传递给汽化预重整腔、重整制氢腔，重整制氢腔的氢气出口与电池堆的阳极氢气进口连接。

2)、为方便安装、搬运等，在上述带换热、制氢机构的固体氧化物燃料电池堆热区结构上增加电池堆支架D，形成集成化热区系统，支架位于电池堆的下方以支撑电池堆，重整制氢机构、尾气换热机构位于电池堆的侧面，且废气燃烧腔废气进口处的管道自支架或周边的间隙延伸至电池堆的阴极、阳极废气出口处连接，重整制氢腔的氢气出口处以管道顺支架或周边间隙延伸至电池堆的阳极氢气进口处连接，增加支架，集成化装置，且方便管道的布置及对接安装。

如在一实施例中，以支架为载体将重整制氢、尾气换热集成为一体，参见图11-图14，支架包括顶板、支柱，顶板四角固定支柱，以顶板抵接电池堆底面，如以尾气换热机构中管道与支柱固定，或以第一壳体与支柱固定；或重整制氢机构中第二壳体与支柱固定，或其管道与支柱固定，从而集成固定为一体，方便搬运。

或在一实施例中，在底盘E上固定支柱，重整制氢腔的氢气出口处的管道，废气燃烧腔废气进口处的管道在底盘顶面延伸，重整制氢、尾气换热机构中管道固定在底盘上，形成独立可搬运的热区系统，与电池堆对接时只需接线，安装外围控制系统即可运行，参阅图11-图14。

3)、为方便应用，还提供集成化电池堆系统，在上述的热区系统上加装电池堆，即买即用，并改善电池堆绝缘组件的缺陷，电池堆包括单电池6与流道板7构成的电堆主体、主体侧面设置的氢气布气腔组件、空气布气腔组件以及加压密封机构，加压密封机构包括加压板、螺钉固定组件及导电柱，电堆主体、氢气布气腔组件、空气布气腔组件及连接两加压板的螺钉固定组件均为现有技术，如螺钉固定组件，包括螺柱、螺帽，以四根螺柱连接两加压板四角，螺帽紧固至电池堆所需压力。

主要改进点在于加压密封机构，增加封气板、绝缘板及导电板，加压板1与电堆主体顶面或底面之间依次层叠导电板5、绝缘板2、封气板4，以导电板与电堆主体顶面或底面接触，封气板与导电板之间加入绝缘板，绝缘板、封气板、加压板中间开孔供导电柱插入与导电板抵接，优选在封气板与加压板之间同样以绝缘板隔开。

现有技术中SOFC电池堆布气盖板同电池堆芯主体的绝缘，有两部分组成，一是盖板绝缘垫把盖板和堆芯隔离开，二是螺钉固定组件中有陶瓷绝缘垫圈把螺钉和金属布气板隔离开来，螺钉固定组件中有陶瓷绝缘垫圈把螺钉和金属布气板隔离开来，因为陶瓷绝缘垫的耐压强度较低，在装配加压时，及使用过程中经常把陶瓷垫压碎而导致局部松脱，进而密封绝缘失效而导致整个电池堆损坏。

本方案中，改了绝缘方式，螺钉固定组件不再拥有绝缘功能，仅仅作为固定组件使用，可以全部使用金属零件，耐压强度大幅度提高，原来的绝缘功能改由封气板加绝缘板加导电板组合承担，封气板与电堆堆芯其它组件绝缘，螺钉组件固定在封气板上，这样一来，彻底解决了原来存在的绝缘密封经常因陶瓷垫崩溃而逐步失效的问题，大幅度提高了电池堆的性能

为方便与氢气布气腔组件、空气布气腔组件等密封固定，导电板周侧设置紧固件，如螺柱、螺钉等，可与导电板焊接、螺栓等固定，对应的氢气布气腔、空气布气腔组件上开紧固槽供紧固件穿过，且与螺帽配合将氢气布气腔、空气布气腔组件与电堆主体固定为一体，导电板与紧固件组合，方便与氢气布气腔、空气布气腔组件固定为一体。

4)、以具体实施例详细阐述本发明的方案。

实施例1

如图1-图10所示，本带换热、制氢机构的固体氧化物燃料电池堆热区，包括尾气换热机构A、重整制氢机构C，二者相对。

尾气换热机构的第一壳体选用矩形体，腔内纵向固定隔板将腔内均分为两个腔室，废气燃烧腔31、空气预热腔30，在废气燃烧腔底端安装管道，L型管道延伸至电池堆邻侧阳极氢气侧、对侧阴极空气侧底端废气出口处，管道上开口形成的阳极尾气入口24、阴极尾气入口25与废气出口处连接，并在此管道邻近废气燃烧腔的位置上开口并固定额外管道形成启动燃烧燃料入口28，以输入燃料。

空气预热腔的底端安装管道，管道延伸至紧贴的电池堆阴极热空气底端入口处并开口连接，空气预热腔的顶端开口并安装额外管道形成阴极冷空气进口26，空气预热腔、废气燃烧腔的进口处固定陶瓷多孔板35。

使用时，参阅图9所示，燃料与阴极、阳极废气36自管道混合并进入废气燃烧腔，以腔内的点火塞点火使废气与燃料的混合体燃烧，并传递热量给空气预热腔中进入的冷空气32，燃烧废气34自废气燃烧腔顶开口形成的堆区尾气出口22排出，空气预热腔内形成的热空气33经管道上的阴极热空气出口23输入电池堆阴极中进行升温加热。

为方便对接，还可在堆区尾气出口处安装出口法兰13。

其中重整制氢机构的矩形第二壳体腔内通过间隔固定的隔板将腔内形成三个腔室，汽化预重整腔37、燃烧加热腔38及重整制氢腔39，燃烧加热腔位于汽化预重整腔、重整制氢腔之间，汽化预重整腔与重整制氢腔相连通，重整制氢腔内安装催化剂，以铝制薄膜为载体承载催化剂，并在重整制氢腔的顶端开催化剂换装口16，并安装重整堵口14，即板体密封，重整制氢腔的底端开口，为氢气出口15并安装管道，管道延伸至邻侧的电池堆底侧的阳极氢气进口并连接。

在汽化预重整腔底部上开口形成重整燃料进口18、重整水进口19，在燃烧加热腔底部上开口形成燃烧燃料进口20、燃烧空气进口21，并在进口处安装管道以与外界输送管道等对接，在燃烧加热腔顶端开口形成燃烧尾气出口17，并安装管道，以出口法兰对接。

第二壳体内汽化预重整腔、燃烧加热腔的进口端、重整制氢腔的出口端均固定陶瓷多孔板。

使用时，参阅图5，燃料气、空气42进入燃烧加热腔燃烧发热，天然气40及冷水41进入汽化预重整腔升温预重整，之后进入重整制氢腔中反应产生氢气、水蒸气43，燃烧废气自顶端燃烧尾气出口排出，氢气进入阳极。

在另一实施例中，为提高热量利用率，还集成热水功能，在废气燃烧腔内安装热水管道，螺旋延伸，并在腔壁上开口并固定冷水进口管27、热水出口管29，以分别与热水管道的两端口连接。

实施例2

本实施例中，在上述实施例1中公开热区结构的基础上增加电池堆支架D，形成集成化热区系统，支架包括顶板、支柱、底盘E，顶板四角固定支柱，以顶板抵接电池堆底面，顶板面积小于电池堆底面面积，在底盘上固定支柱，废气燃烧腔废气进口处的管道选用矩形体，自支架周边留出空间，沿底盘顶面延伸至电池堆的阴极、阳极废气出口处连接，重整制氢腔的氢气出口处矩形管道顺支架周边留出空间，沿底盘顶面延伸至电池堆的阳极氢气进口处连接，以管道支撑壳体，托动底盘即可移动热区系统，使用时，将电池堆置于支架上，只需接线安装外围控制系统即可运行，参阅图11-图14。

实施例3

本实施例中，在实施例2的公开的热区系统上增加电池堆，方便厂家直接组装成型，下游企业即买即用，并改进电池堆结构，参阅图15-19，电池堆包括单电池6与流道板7构成的电堆主体、主体侧面设置的氢气布气腔组件、空气布气腔组件以及加压密封机构，加压密封机构包括加压板、螺钉固定组件、导电柱、封气板、绝缘板及导电板，加压板与电堆主体顶面、底面之间依次层叠导电板、绝缘板、封气板，以导电板与电堆主体顶面或底面接触，封气板与导电板之间加入绝缘板，绝缘板2、封气板4、加压板1中间开孔供端部的导电柱上3、导电柱下8插入与导电板5抵接，加压板的四角开孔供螺钉固定组件中螺柱穿过，以螺帽紧固至电池堆所需压力，螺钉固定组件均采用选用金属材质，只需固定作用，

为提高密封性，在在封气板与加压板之间同样以绝缘板隔开。

在另一实施例中，在导电板四个侧边焊接紧固件，即螺纹柱，对应的氢气布气腔中氢气布气盖板9及氢气盖绝缘板12，空气布气腔组件中空气布气盖板10及空气盖绝缘板11上开紧固槽供紧固件穿过，且在紧固件端部拧螺帽将氢气布气腔、空气布气腔组件与电堆主体固定为一体。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。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前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。