一種固體氧化物燃料電池堆陣列及其發電系統的制作方法

本發明涉及一種固體氧化物燃料電池(Solid oxide fuel cell，SOFC)發電系統中電池堆的陣列結構及其發電系統。

背景技術：

固體氧化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell，SOFC)發電系統能將燃料中的化學能直接轉化為電能，燃料包括天然氣、液化氣、合成氣、沼氣、氫氣等，該發電過程高效、清潔，是一種很有前途的發電方式。SOFC發電系統可以模塊化集成，用于構建大型的分布式發電站，現有的天然氣管網能提供發電所需的天然氣，發出來的電可就近供應供樓宇、社區、廠房等的用電，還能夠向國家電網輸電，因此，SOFC發電系統是一種具有廣闊商業前景的發電模式。

SOFC發電系統的核心部件就是電池堆陣列，電池堆陣列由多個電池堆按照一定的分布形態所組成，是將燃料中的化學能轉化為電能的發電場所。電池堆需要一定的加壓緊固結構才能穩定的工作。在美國專利US7659022B2和US2012/0178003A1中，電池堆陣列的加壓方法采用普通的上下疊加法，即電池堆豎直擺放，上下疊放，用螺桿上下加壓緊固。當單列電池堆數量增加時，此種加壓方法易導致電池堆傾斜不穩，影響加壓緊固，這是此種方法最大的弊端。專利201310212920.5公開了一種固體氧化物燃料電池發電系統中的電池堆陣列的組織形式，該種固體氧化物燃料電池發電系統中的電堆陣列，包括支撐體與電堆組，其特征是：所述的支撐體呈層狀結構，包括一層或兩層以上的支撐單元；每層支撐單元支撐至少一個電堆組；每個電堆組由數個單電堆組成，每個單電堆呈橫臥狀；所述的單電堆之間設置緊固件；該專利提出將電池堆橫臥放置，采用層狀盤式結構組織電池堆陣列。該方案指明了要在單個電池堆之間設置緊固件，但并沒有進一步具體細化緊固件如何設置。而且該專利申請的裝置在實踐中使用表明，要電池堆之間穩固連接，需要緊固件很好配合設置，造成安裝上尺寸要求比較高，定位安裝實施起來有一定難度，電池堆之間存在安裝不穩固缺陷，從而造成電池堆之間密封導電不穩定失效等等，凡此種種還可以進一步改進設計。本發明在專利201310212920.5的基礎上，細化并提出了在層狀盤式電池堆陣列中電池堆加壓的新結構。通過本發明提供的方法和和結構，電池堆能被有效的加壓，克服了美國專利US7659022B2和US2012/0178003A1所采用的加壓方法可能帶來的電池堆不穩定的弊端，整個加壓結構穩定可靠。

技術實現要素：

本發明所要解決的首要技術問題是針對上述的技術現狀而提供一種結構合理、容易實施和操作的固體氧化物燃料電池堆陣列，它使電池堆能方便地被加壓并可以適當調節加壓壓力，使電池堆之間連接穩固可靠，從而克服背景技術中所采用的加壓方法可能帶來的電池堆不穩定的弊端。

本發明所要解決的另一個技術問題是針對上述的技術現狀而提供一種采用上述加壓結構的固體氧化物燃料電池發電系統。

本發明解決上述首要技術問題所采用的技術方案為：一種固體氧化物燃料電池堆陣列，其包括支撐體和電池堆組，支撐體呈層狀結構，至少包括有上托盤和下托盤，電池堆組由下托盤承載，電池堆組的上面放置上托盤，電池堆組包括有多個電池堆，電池堆呈橫臥狀，電池堆之間設置了緊固件，其特征在于另有支撐柱設置在上托盤和下托盤之間構成了支撐體，電池堆左右兩側緊固件分別設置成活動塊和固定塊，支撐柱上有螺絲孔，施力螺桿通過螺絲孔與支撐柱結合在一起，并使施力螺桿的里端抵觸在各自活動塊外表面上，通過旋轉施力螺桿來調節其自身行程，從而使活動塊側面對鄰近的電池堆產生壓力，使電池堆組被加壓緊固。

優選，相鄰所述電池堆的中間設置活動塊，相鄰電池堆的兩側分別設置固定塊，使電池堆依次排列形成層狀環形分布。

作為改進，所述支撐體具有多層結構條件下，相鄰的上層支撐體下托盤和下層支撐體上托盤是共用一塊固定板。

優選，所述支撐體具有多層結構條件下，每層各個電池堆側面布置的活動塊、固定塊及施力螺桿在縱向排列成直線分布。

優選，所述活動塊呈楔形或梯形，至少一側面是斜面分布的。

優選，所述固定塊呈楔形或梯形，至少一側面是斜面分布的。

作為優選，所述活動塊和固定塊水平截面是呈現等腰梯形。

作為改進，所述上托盤和下托盤對應于活動塊位置成型有凸出環周的外凸固定部，外凸固定部開有卡口，對應地，支撐柱的上端和下端成型出配合卡腳。

再改進，所述活動塊外表面開有供施力螺桿的里端抵觸定位的定位孔，內襯耐熱陶瓷墊片。

作為改進，所述固定塊側面設置有陽極氣體進氣孔和陽極廢氣收集孔，分別與電池堆的陽極氣體孔、陽極廢氣孔密封連通，固定塊的表面設置有陽極氣體進孔和陽極廢氣出孔，分別和固定塊側面的陽極氣體進氣孔和陽極廢氣收集孔連通，固定塊縱向設置有定位孔，與上托盤的定位銷配合定位固定。

進一步改進，所述固定塊外圍設置有與固定塊上的陽極氣體進孔和陽極廢氣出孔分別密封相通的通氣管路，通氣管路包括通氣法蘭和通氣主管道，通氣法蘭開有陽極氣體通氣孔和陽極廢氣通氣孔，而通氣主管道縱向地分布在通氣法蘭的兩側，分別為陽極氣體主管道和陽極廢氣收集主管道，陽極氣體管路和陽極廢氣管路橫向地分布在通氣法蘭的兩側，這樣使固定塊上的陽極氣體進孔通過通氣法蘭上的陽極氣體通氣孔、陽極氣體管路和陽極氣體主管道密封連通，而固定塊上的陽極廢氣出孔通過通氣法蘭上的陽極廢氣通氣孔、陽極廢氣管路和陽極廢氣收集主管道密封連通。

進一步改進，所述固定塊與電池堆之間設置有密封導電結構，密封導電結構包括密封組件和導電片，密封組件包括兩個密封墊片層和一層支撐層，一層支撐層設置在兩個密封墊片層之間，密封墊片層呈現與固定塊和電池堆側面形狀配合的環形，在固定塊和電池堆之間孔道連通處設置有內凸的凸緣部位，凸緣部位開設對應貫通孔，對應地，支撐層采用金屬密封圈繞著貫通孔，并襯在兩個密封墊片層的凸緣部位之間，導電片是能變形的導電片，導電片厚度要大于密封組件厚度，置于密封組件內側空間內分別抵觸固定塊和電池堆側面，實現電導通。

優選，所述導電板采用泡沫金屬片。

本發明解決上述另一個技術問題所采用的技術方案為：一種固體氧化物燃料電池發電系統，包括電池堆陣列，其特征是：采用上述任何一項所述的電池堆陣列。

與現有技術相比，本發明的優點在于：

(1)改進了電池堆的加壓，使電池堆左右兩側受到均勻的加壓，每個電池堆的受力都是通過活動快的加壓而實現，因此電池堆兩側的整個面都受力，通過調節施力螺桿，使每個電池堆的受壓都均勻，并可以調節受壓壓力大小，在此種加壓結構中，電池堆陣列更加穩定、有效。

(2)此加壓結構便于電池堆陣列的集成。用此加壓結構制作電池堆陣列能夠疊加，組成多層電池堆陣列結構，便于SOFC系統的大規模集成。

(3)電池堆側面施加壓力后，固定塊不動，此時密封導電結構開始受力：首先泡沫金屬導電片開始受力被壓縮，保持導電板、固定塊、電池堆之間的良好接觸；其次中間層金屬密封環隨著壓力的增大嵌入左右兩層墊片層內，根據電池堆孔周圍的平整度，自行調節金屬密封環各點的嵌入深度，使左右兩層墊片層保持與固定塊和電池堆被密封面緊密貼合，實現陽極氣體的密封，故實現了固定塊和電池堆之間的良好而穩定的密封與導電。

(4)采用通氣管路和固定塊內管道進行配合，實現給電池堆供給陽極氣體和收集陽極廢氣，方便集中陽極氣體配給，容易維護管路和檢修，使結構緊湊集中。

附圖說明

圖1是實施例1中的電池堆加壓結構裝配圖(無上托盤)。

圖2是實施例1中的電池堆加壓結構裝配圖。

圖3是固定塊結構圖。

圖4是通氣法蘭結構圖。

圖5是通氣主管與通氣法蘭連接結構圖。

圖6是固定塊與電池堆密封導電結構示意圖。

圖7是實施例1中的30kW電池堆陣列裝配圖。

圖8是實施例2中的電池堆加壓結構裝配圖(無上托盤)。

圖9是實施例2中的電池堆加壓結構裝配圖。

圖10是實施例2中的6kW電池堆陣列裝配圖。

圖11是實施例3中的電池堆加壓結構裝配圖。

圖12是固定塊與電池堆之間安裝有密封導電結構圖。

圖13是電池堆的氣孔分布示意圖。

圖1至13中的附圖標記為：上托盤1，下托盤2，支撐柱3，施力螺桿4，活動塊5，固定塊6，電池堆7，外凸固定部8，定位孔9，陽極氣體進氣孔10，陽極廢氣收集孔11，陽極氣體進孔12，陽極廢氣出孔13，通氣法蘭陽極氣體通氣孔12’，通氣法蘭陽極廢氣通氣孔13’，法蘭螺絲孔14，法蘭螺絲15，陽極氣體管路16，陽極廢氣管路17，通氣法蘭18，陽極氣體主管道19，陽極廢氣收集主管道20，主管道固定法蘭21，密封墊片22，導電片23，密封墊片層24，支撐層25，凸緣部位26，貫通孔27，電池堆7的陽極氣體孔28，電池堆7的陽極廢氣孔29。

具體實施方式

以下結合附圖實施例對本發明作進一步詳細描述。

需要指出的是，以下所述實施例旨在便于對本發明的理解，而對其不起任何限定作用。

實施例1：

本實施例所示的一種固體氧化物燃料電池堆陣列包含10個電池堆，還包括上托盤1、下托盤2、支撐柱3、施力螺桿4、活動塊5、固定塊6、電池堆7等主要部件。

如圖1所示，包括10個電池堆7的電池堆組放置在下托盤2上，電池堆7呈橫臥狀，電池堆7兩側分別是活動塊5和固定塊6，為了便于安裝使用，通常相鄰電池堆7的中間設置活動塊5，相鄰電池堆7的兩側分別設置固定塊6，使電池堆7依次排列形成層狀環形分布，作為優選，活動塊5和固定塊6水平截面是呈現等腰梯形，活動塊5外表面開有供施力螺桿4的里端抵觸定位的定位孔，內襯耐熱陶瓷墊片，起到隔熱作用，便于施力螺桿4調節操作。固定塊6內部設置有布氣孔以及定位孔。布氣孔的作用是用于電池堆的陽極通氣，包括陽極氣體進氣孔10，陽極廢氣收集孔11，陽極氣體進孔12以及陽極廢氣出孔13，定位孔的作用則是為了安裝的方便。如圖3所示，固定塊6側面設置有陽極氣體進氣孔10和陽極廢氣收集孔11，分別與電池堆7的陽極氣體孔28、陽極廢氣孔29密封連通，固定塊6的表面設置有陽極氣體進孔12和陽極廢氣出孔13分別和固定塊側面的陽極氣體進氣孔10和陽極廢氣收集孔11連通，這樣，陽極氣體進孔12與陽極氣體進氣孔10是相通的，來自主管路的陽極氣體(即重整尾氣)通過陽極氣體進孔12進入陽極氣體進氣孔10，再由陽極氣體進氣孔10進入電池堆7，而陽極廢氣收集孔11與陽極廢氣出孔13是相通的，反應后的陽極廢氣依次通過陽極廢氣收集孔11以及陽極廢氣出孔13進入主管路，固定塊6縱向設置有定位孔9，與上托盤1的定位銷配合定位固定，上面有上托盤1，上托盤1和下托盤2之間有支撐柱3，通常，上托盤1和下托盤2對應于活動塊5位置成型有凸出環周的外凸固定部8，外凸固定部8開有卡口，對應地，支撐柱3的上端和下端成型出配合卡腳，通過卡腳和卡口配合使支撐柱3安裝在上托盤1和下托盤2之間，構成了支撐體，支撐柱3上開有螺絲孔，使支撐柱3上面可以設置上施力螺桿4。上托盤1蓋上后如圖2所示。為了便于安裝支撐柱3，加壓時，通過扭力扳手旋轉施力螺桿4，施力螺桿4推動活動塊5前進，活動塊4前進的過程中向兩側的電池堆7施壓，從而達到給電池堆7加壓的目的，并且旋轉施力螺桿4來調節其自身行程，從而可以調節給電池堆7壓力大小。上托盤1、下托盤2、支撐柱3、施力螺桿4的材質為不銹鋼。活動塊5和固定塊6的材質為不銹鋼等金屬材料。活動塊和固定塊所采用材質的熱膨脹系數大于上托盤和下托盤所采用材質的熱膨脹系數。

作為改進，固定塊6外圍設置有與固定塊6上的陽極氣體進孔和陽極廢氣出孔分別密封相通的通氣管路，通氣管路包括通氣法蘭18和通氣主管道。外圍通氣管路是用于向電池堆陣列導入重整尾氣以及從電池堆陣列導出陽極尾氣。外圍管路中通氣法蘭18見圖4，通氣主管道見圖5，通氣主管道縱向地分布在通氣法蘭18的兩側，分別為陽極氣體主管道19和陽極廢氣收集主管道20，陽極氣體主管道19和陽極廢氣收集主管道20下端用主管道固定法蘭21固定，陽極氣體管路16和陽極廢氣管路17橫向地分布在通氣法蘭18的兩側，如圖4所示，通氣法蘭18上有通氣法蘭陽極氣體通氣孔12’、通氣法蘭陽極廢氣通氣孔13’、陽極氣體管路16以及陽極廢氣管路17，通氣法蘭18通過法蘭螺絲15和固定塊6固定連接起來。陽極氣體主管道19、陽極氣體管路16以及通氣法蘭陽極氣體通氣孔12’是相通的，而通氣法蘭陽極氣體通氣孔12’與固定塊上的陽極氣體進孔12是相通的。陽極氣體(即重整尾氣)就是依次通過陽極氣體主管道19、陽極氣體管路16、通氣法蘭陽極氣體通氣孔12’、陽極氣體進孔12以及陽極氣體進氣孔10進入電池堆7的。如圖5所示，陽極廢氣收集主管道20、陽極廢氣管路17以及通氣法蘭陽極廢氣通氣孔13’是相通的，而通氣法蘭陽極廢氣通氣孔13’則與固定塊上的陽極廢氣出孔13是相通的。反應后的陽極廢氣依次通過陽極廢氣收集孔11、陽極廢氣出孔13、通氣法蘭陽極廢氣通氣孔13’以及陽極廢氣管路17進入陽極廢氣收集主管道20。

作為改進，固定塊6與電池堆7之間安裝有密封導電結構，密封導電結構包括密封組件22和導電片23，用于電池堆與固定塊之間的孔道密封，導電片23是用于電池堆與固定塊之間的導電，如圖6所示。密封片采用耐高溫的密封片。密封組件22包括兩個密封墊片層24和一層支撐層25，一層支撐層25設置在兩個密封墊片層24之間，密封墊片層24呈現與固定塊6和電池堆7側面形狀配合的環形，在固定塊6和電池堆7之間孔道連通處設置有內凸的凸緣部位26，凸緣部位26開設對應貫通孔27，對應地，支撐層25采用金屬密封圈繞著貫通孔，并襯在兩個密封墊片層的凸緣部位26之間，導電片23是能變形的導電片，導電片23厚度要大于密封組件厚度，置于密封組件內側空間內分別抵觸固定塊6和電池堆7側面，實現電導通。導電片23采用金屬片或泡沫金屬片，如銀片、泡沫銀以及泡沫鋼等。

圖7是以圖2所示的電池堆加壓結構為單元，由6個這樣的單元疊加組裝而成的電池堆陣列。可見支撐體具有多層結構條件下，相鄰的上層支撐體下托盤2和下層支撐體上托盤1可以共用一塊固定板，以節省材料降低成本，減輕重量等；支撐體具有多層結構條件下，每層各個電池堆7側面布置的活動塊5、固定塊6及施力螺桿4在縱向排列成直線分布。該陣列中包含60個電池堆，穩定運行的輸出功率為30kW。

該專利所示的電池堆的加壓結構，裝配過程如下：

1)將下托盤2平放；2)將固定塊6放置在相應位置；3)然后將電池堆7分別放置在固定塊5的兩邊；4)在電池堆7中間放進活動塊5；5)放置支撐柱3(帶施力螺桿)，將上托盤1放在上面。

加壓時，旋緊施力螺桿4推動活動塊，活動塊5再推動電池堆7加壓。旋緊施力螺桿4時采用扭力扳手，每個施力螺桿4所施加的力要一樣。如此，電池堆7的加壓即完成，組裝成固體氧化物燃料電池堆陣列。用這個固體氧化物燃料電池堆陣列可以組裝成對應發電系統。

實施例2：

本實施例所示的電池堆陣列中包含4個電池堆，包括上托盤1、下托盤2、支撐柱3、施力螺桿4、活動塊5、固定塊6、電池堆7等主要部件。

如圖8和圖9所示，4個電池堆放置在下托盤2上，電池堆7兩側分別是活動塊5和固定塊6，上面有上托盤1，上托盤1和下圖盤2之間有支撐柱3，支撐柱3上面有施力螺桿4。加壓時，旋轉施力螺桿4，施力螺桿4推動活動塊前進，活動塊5前進的過程中向兩側的電池堆7施壓，從而達到電池堆加壓的目的。上托盤、下托盤、支撐柱、施力螺桿、活動塊以及固定塊的材質均為不銹鋼。

圖10是以圖9所示的電池堆加壓結構為單元，由3個這樣的單元疊加組裝而成的電池堆陣列。該陣列中包含12個電池堆，穩定運行的輸出功率為6kW。

其他與實施例1類似。

實施例3：

本實施例中，SOFC發電系統中的電池堆加壓結構如圖11所示，包括上托盤1、下托盤2、支撐柱3、施力螺桿4、活動塊5、固定塊6、電池堆7等主要部件。

如圖11所示，7個電池堆放置在下托盤2上，電池堆7兩側分別是活動塊5和固定塊6，上面有上托盤2，上托盤1和下圖盤2之間有支撐柱3，支撐柱3上面有施力螺桿4。加壓時，旋轉施力螺桿4，施力螺桿4推動活動塊5前進，活動塊5前進的過程中向兩側的電池堆7施壓，從而達到電池堆7加壓的目的。上托盤1、下托盤2、支撐柱3、施力螺桿4、活動塊5和固定塊6的材質均為不銹鋼。

其他與實施例1類似。

從該實施例可以看出，此種加壓結構，電池堆的個數可以是奇數，也可以是偶數，可以根據需要靈活設置。

以上所述的實施例對本發明的技術方案進行了詳細說明，應理解的是以上所述僅為本發明的具體實施例，并不用于限制本發明，凡在本發明的原則范圍內所做的任何修改、補充或類似方式替代等，均應包含在本發明的保護范圍之內。