[发明专利]高功率固体氧化物燃料电池/电解池系统

说明书

本发明涉及电池领域，尤其是高功率固体氧化物燃料电池/电解池系统。该电池系统包括电堆模块、电池单元、燃料进气管路、燃料排气管路、空气进气管路、空气排气管路，所述电堆模块由四个矩阵排列的电池单元组成，四个电堆模块矩阵排列组成电堆，电堆上连接了燃料进气管路、燃料排气管路、空气进气管路、空气排气管路。该发明通过矩阵对称结构，解决了多堆组合的电堆模块在管道连接过程中的气流均匀、压力平衡与电绝缘可靠性问题，从而实现了小功率单堆进行模块组合的对称扩展，得到了结构紧凑、气流均匀和应力平衡的大功率电池系统。

技术领域

本发明涉及电池领域，尤其是高功率固体氧化物燃料电池/电解池系统。

背景技术

当前煤炭、石油和天然气等化石能源仍然占据主要地位。通过直接燃烧获取电能的传统能源利用方式存在热散失与机械耗能过程，且受到不同能量之间热力学转换效率的限定，存在能源利用率低（~30%）与环境污染等问题，因此，有必要发展一种能够高效清洁利用化石能源的发电技术。固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，SOFC）可以通过电化学反应将化石能源中的化学能直接转换为电能，具有高发电效率（ 60%）与低排放的特点。SOFC的工作温度为650 ~ 800 oC，可以基于H2、CO或碳氢燃料进行发电，极大地拓宽了其燃料来源。SOFC的电化学反应为放热反应，且放电状态也会产生大量的焦耳热，这使得SOFC可以作为一个优质热源用于家庭供热供暖，或与微型叶轮机结合用于二次发电，从而将能量利用率提高至80%以上。SOFC可作为分布式电源供电，在分散的居民小区、偏远的海岛、哨所和山区等电网不能覆盖的地区实现应用，也可作为备用电源，应对突发停电事件。基于氢气、天然气等燃料的SOFC技术可以实现热电联供循环发电，是一种高效率的独立供电系统，这对于避免地震、火灾、暴风雪和雷电等自然灾害对现有电网系统的冲击，提高现代社会供电系统的安全性具有重要意义。SOFC反向运行将形成固体氧化物电解池(SOEC)反应，在外加电压与高温作用下，H₂O被电解产生H₂与O₂，从而实现将电能和热能转化为化学能，现在被认为是未来大规模氢气供应的重要技术路径之一。

SOFC与SOEC具有相同的材料体系、单电池构型和电堆结构。单电池根据几何结构可以分为管式和平板式两种。平板式电池是由阳极、电解质、阴极构成的平板结构，大大缩短了电流传输的路径，减小了电池的内阻，具有更高的能量密度，且电池制备成本较低，但是由于电堆中存在大量的密封界面，使得电堆的高温密封更加困难。单电池的功率非常有限，通常由连接体串联多个单电池组成一定功率大小的电堆，在平板式SOFC/SOEC电堆中，电流流向与电池垂直，流程短且采集均匀。基于电堆的气体流场均匀性、温度与热应力分布、密封界面可靠性，以及制造成本与组装难度等综合考虑，单堆的电池片数一般被限定在50片以内，电堆功率相应为0.5kW至2kW，然后依据不同应用场景进行单堆灵活的模块化组合以满足大、中、小结合的负荷供电和供热，或者产氢的需求。不同于集中发电与长距离供电的固定电站模式，SOFC这种区域性、环境友好且高效的发电技术会正逐渐发展成新兴的供电方式。对于SOEC而言，最大的优势是制氢效率高，能够利用已有的热能显著降低电能消耗，最终达到降低制氢成本的目的。单堆可以通过模块扩展方式组装为更大输出功率的塔堆，但是也存在多个单堆之间流场分布不均匀、温度梯度相差较大、电流场差异化、管道连接引起的热应力耦合等难点。因而，模块化固体氧化物燃料电池/电解池的电堆连接技术变得非常重要。

发明内容

为了克服背景技术中所描述的技术问题，本发明提供了高功率固体氧化物燃料电池/电解池系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种高功率固体氧化物燃料电池/电解池系统，包括电堆模块、电池单元、燃料进气管路、燃料排气管路、空气进气管路、空气排气管路，所述电堆模块由四个矩阵排列的电池单元组成，四个电堆模块矩阵排列组成电堆，电堆上连接了燃料进气管路、燃料排气管路、空气进气管路、空气排气管路。