固体氧化物燃料电池的高温热管肋连接板

技术领域

本发明涉及固体氧化物燃料电池热管理技术领域，特别涉及一种固体氧化物燃料电池的高温热管肋连接板。

背景技术

固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，SOFC)能够将燃料中化学能直接转化为电能，具有燃料适应性广、效率高、清洁环保等诸多优点。SOFC在发电的同时也会释放大量热量，这会造成电池内部温度分布极为不均并严重影响发电性能和使用寿命。SOFC工作温度较高(650～1000℃)，高温下热管理变得更加困难。目前最常使用的SOFC连接板材料为铁基不锈钢合金，其上设计流道形状使气流分配更加均匀，增强连接板换热能力。但是不锈钢合金导热系数有限使得电池内部仍有较高的温度梯度。在SOFC顺流、逆流和交叉流等流道中，由于入口处燃料气充足，电化学反应强而出口处燃料气体浓度最小，电化学反应强度弱，沿流动方向电池平面内的放热并不均匀；在平面内垂直于流动的方向，每个子流道也会因为气体分配不均而造成温度不均性。SOFC电极和电解质本身多为陶瓷材料，导热系数较低，不锈钢合金连接板导热能力十分有限，在功率密度较高的大电流条件下无法有效及时地传导电化学反应放热，电池温度分布不均使电池内部产生热应力，损害电池结构，甚至出现局部热点导致电池烧穿，阴阳极气体泄漏混合，严重影响电池长期使用稳定性。为了使电池最高温度低于材料能承受的温度，需要在阴极通入过量空气，增加的空气压缩和运输会消耗额外的能量，使电池整体发电效率降低。温度不均匀问题在电池堆以及多堆组成的发电系统中更加突出明显，严重制约了SOFC的大规模应用。

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，本发明的目的在于提出一种固体氧化物燃料电池的高温热管肋连接板，由热管肋组成的连接板结构代替原有的不锈钢金属连接板，增强SOFC电池片内部换热能力，提高电池抗热震性。

为达到上述目的，本发明实施例提出了一种固体氧化物燃料电池的高温热管肋连接板，包括：金属板和多根热管；

所述多根热管固定在所述金属板上形成热管肋，所述金属板和所述热管肋之间形成气体流道以供所述燃料电池内的气体通过；

所述热管内装有液体用于进行热量交换。

另外，根据本发明上述实施例的固体氧化物燃料电池的高温热管肋连接板还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，所述热管肋焊接在所述金属板的一侧。

进一步地，所述热管肋分别焊接在所述金属板两侧，形成所述燃料电池的阳极流道和阴极流道。

进一步地，所述热管肋中间依次用金属条进行焊接形成连接板，所述热管肋中间的空间被金属条分为所述燃料电池的阳极流道和阴极流道。

进一步地，所述热管肋的布置方式包括平行布置、交叉布置和蛇形布置。

进一步地，所述热管内的液体包括Na液体或K液体或Na和K混合液体。

进一步地，所述热管内部分为蒸气区域和液体区域，热管内部循环分为蒸发段、绝热段和冷凝段，在高温区域内芯中的液体吸热蒸发进入蒸气区域，此段为蒸发段；蒸气在压力的作用下向温度较低的区域流动，过程中视为不与外界进行热交换，此段为绝热段；蒸气到达冷端后放热冷凝为液体，进入内芯中，此段为冷凝段。

进一步地，所述热管数量和所述热管肋之间的距离可调节。

本发明实施例的固体氧化物燃料电池的高温热管肋连接板，具有以下优点：

1)热管本身具有良好的等温性能，其导热系数显著高于铁基不锈钢合金，使用热管作为连接板能够显著提高SOFC的换热能力，将燃料入口处的大量热量及时有效的传导至电池中下部分，提高温度分布均匀性。

2)热管肋连接板换热能力强，SOFC最高温度下降，可以使用更少的空气进行冷却，可以减小压气机功耗，增加系统效率。

3)热管肋的形式可以根据需求变化，可以依据气流分配、压力损失、换热能力、燃料利用等多种需求设计不同构型的流道结构。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明一个实施例的固体氧化物燃料电池的高温热管肋连接板结构示意图；

图2为根据本发明另一个实施例的固体氧化物燃料电池的高温热管肋连接板结构示意图；

图3为根据本发明一个实施例的热管内部结构示意图；

图4为根据本发明一个实施例的热管肋布置方式示意图；

图5为根据本发明一个实施例的固体氧化物燃料电池的高温热管肋连接板在燃料电池阳极一侧平面结构图；

图6为根据本发明一个实施例的固体氧化物燃料电池的高温热管肋连接板在燃料电池阴极一侧平面结构图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的固体氧化物燃料电池的高温热管肋连接板。

图1为根据本发明一个实施例的固体氧化物燃料电池的高温热管肋连接板结构示意图。

如图1所示，该固体氧化物燃料电池的高温热管肋连接板包括：金属板和多根热管。

多根热管固定在金属板上形成热管肋，金属板和热管肋之间形成气体流道以供燃料电池内的气体通过。

热管内装有液体用于进行热量交换。

具体地，热管通过焊接的方式固定在一块金属板上形成热管肋，每块金属板焊接的热管数以及热管肋之间的距离可以根据需要改变，金属板和热管肋之间形成的空隙为气体流道。

在图1中，热管肋焊接在金属板的一侧，燃料电池的阳极流道和阴极流道分别进行设置。

作为另一种实施方式，可以在一块金属板的两面分别焊接热管肋形成阳极流道和阴极流道。

作为再一种实施例方式，如图2所示，在热管肋中间依次用金属条焊接形成连接板，热管肋中间的空间被金属条分为阳极流道和阴极流道，此构型中阴极和阳极共用一套热管肋，阳极流道和阴极流道形状也相同。

进一步地，实际工作过程中，在阳极一侧，热管肋与多孔阳极直接接触，燃料气体从多孔阳极、热管肋和金属板形成的流道中进入，在流动过程中扩散至多孔电极中发生电化学氧化反应并释放热量。与阳极直接接触的热管肋可以将温度较高区域的热量迅速传导至温度较低区域，并收集阳极的电流。金属板可以起到进一步集流以及隔绝阳极和阴极气体的作用。在阴极一侧，多孔阴极、热管肋和金属板包围的空间形成阴极流道，空气在流道中扩散至多孔阴极发生电化学还原反应。热管肋与多孔阴极直接接触，可以收集电流，并将多孔阴极温度较高区域热量传导至温度较低处，同时增强了与空气的换热，空气尾气能够携带走更多电池产生的热量。

如图3所示，在本发明的实施例中，SOFC的高温热管使用Na、K为工作液体，内部分为蒸气区域和液体区域，内部的循环可以分为三段，在高温区域内芯中的液体吸热蒸发进入蒸气区域，此段为蒸发段。蒸气在压力的作用下向温度较低的区域流动，过程中可以视为不与外界进行热交换，此段为绝热段。蒸气到达冷端后放热冷凝为液体，进入内芯中，此段为冷凝段。冷凝段的液体在毛细作用下经过绝热段到达蒸发段，完成循环。热管利用工作液体相变过程进行换热，因此具有很好的等温性和换热性能。

在本发明的实施例中，热管肋布置形式不限于上述实施例中的平行形式，阴极和阳极的热管肋可以有平行、交叉、蛇形等布置方式，所形成的流道也有平行流道、交叉流道和蛇形流道等多种构型，热管肋的布置形式可以根据实际应用情况进行布置，本发明不进行具体限定。如图4所示，黑色部分表示热管肋，白色部分为流道。平行流道为若干个热管肋互相平行放置。考虑气流分配均匀性可以对热管肋的数量和间隔进行调整。通过布置一系列平行的热管肋和与它们垂直的热管肋可以形成蛇形流道，蛇形流道可以增加对流，加强气体和热管、电极间的换热同时对流加强还能减小扩散损失带来的浓差极化。考虑压力损失、燃料利用率等因素可以设计不同流道宽度、长度、弯曲个数的蛇形流道结构。

下面通过具体实施例对本发明的固体氧化物燃料电池的高温热管肋连接板及原理进行说明。

如图5所示，展示了阳极一侧连接板的平面结构图，包括11根水平的热管肋和2根垂直的热管肋焊在浇筑后焊接在金属平板上，具体形状为下图中黑色部分1，白色部分2为热管肋和金属板围成的蛇形阳极流道。左下方为燃料入口处，右上方为尾气出口，流道内共有12个曲折结构，流道覆盖整个多孔阳极。

使用的燃料为氢气，氢气从连接板左下侧入口处进入蛇形流道，在流动过程中扩散进入SOFC多孔阳极中，在电极三相界面处发生电化学氧化反应，释放大量热量，产生的高温尾气扩散到流道中，沿流动方向上燃料气体浓度逐渐降低，尾气浓度逐渐升高，且随着与热管壁面的持续换热，流道中气体温度不断升高，最终通过右上角出口流出，并带走热量。在电池中间区域，产生的热量较多且导热较差因此温度较高，此处为热管蒸发段。工作液体(如钠、钾等)从液态转化为气态，相变过程吸收大量热量。在氢气入口处气体温度较低，在靠近出口处，燃料浓度较低，电化学反应强度较弱，释放的热量较少，所以入口处和出口处为热管冷凝段。蒸发段的Na蒸气输运到此处由气态冷凝为液态，放出大量热量；运输过程中的部分为热管绝热段，此处热管可以看作绝热状态，不吸收热量也不释放热量。相变过程换热能力强，热管具备良好的换热性和等温性。阳极平面内不同位置放热并不均匀，通过热管强化换热能够减小SOFC由于放热不均带来温差。同时电池最高温度下降，避免了出现局部热点导致电池烧穿的情况。蛇形流道的布置可以强化对流，流速加快能使电极表面的层流扩散层厚度减小，流道中燃料能够更快扩散进入多孔电极，降低SOFC浓差极化；对流加强的同时也能强化气体和热管间的换热，出口尾气能带走更多热量，电池平均温度降低。蛇形流道可以有效覆盖电极表面，电极平面气体分布更均匀，电极三相界面活性位点利用率提高，减小电池极化损失。蛇形流道同时使燃料气体停留时间增长，燃料利用率增高。

如果阳极使用的是甲烷，需要在SOFC内部进行甲烷的水蒸气重整反应，此反应为吸热反应，电池入口处主要发生甲烷内重整化学反应，而电化学反应强度低，所以入口处温度低，电堆中后部大部分甲烷已经转化为氢气和一氧化碳，重整吸热反应弱而电化学反应放热强，所以温度高。此时甲烷入口处为热管肋的冷凝段，电池中后部为热管肋的蒸发段。使用热管肋连接板可以减小甲烷内重整SOFC中温度梯度过大的问题，且将内重整反应引入电池堆中能够有效吸收电化学反应热，降低电池总放热，便于电池的热管理。

如图6所示，展示了阴极一侧的连接板平面结构。包括9根竖直的热管肋和2根水平的热管肋在浇筑后焊接在金属板上，具体形状为黑色部分1，白色部分2为由热管肋和金属板围成的蛇形流道结构，该结构一共有7个曲折。

阴极的空气一端设计为从连接板左下侧入口进入，尾气从右下侧出口流出。为减小阴极过量空气的压力损失，所以阴极流道宽度比阳极大且蛇形曲折结构比阳极少。阴极空气从入口流进蛇形流道，在流动过程中扩散至多孔阴极中发生电化学还原反应，在此过程中消耗氧气，阴极气体流量减小。流动过程中与热管肋持续换热，温度不断升高，最后从连接板右下侧流出，带走SOFC产生的大量热量。热管肋与多孔阴极直接接触，电极中部温度最高，两侧温度相对较低，热管肋将中间部分热量分散到两侧。

根据本发明实施例提出的固体氧化物燃料电池的高温热管肋连接板，通过将多根热管固定在金属板上形成热管肋，金属板和热管肋之间形成气体流道以供燃料电池内的气体通过，热管内装有液体用于进行热量交换。由热管肋组成的固体氧化物燃料电池的高温热管肋连接板结构增强了SOFC电池片内部换热能力，提高电池抗热震性。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。