固体氧化物燃料电池发电系统的制作方法

1.本发明涉及燃料电池技术领域，尤其是涉及一种固体氧化物燃料电池发电系统。


背景技术：

2.固体氧化物燃料电池（sofc）是一种将燃料的化学能直接转化为电能的高效清洁能量转换装置。sofc电堆正常的运行温度为600~800℃，由于在发电过程中电堆内阻不可避免的产热，为了不使产生的热量造成电堆过热而影响放电性能及sofc各部件的安全运行，通常使用加大空气流量的强制风冷却来带走电堆累积的热量，由此带来的烟气废热使得sofc燃料利用率和发电效率降低。
3.为了提高sofc发电效率，多种对废热的利用手段已见诸报道，如公开号为cn112573484a的专利文件公开的一种固体氧化物燃料电池尾燃驱动重整装置及其实现方法，重整装置通过在重整器和尾燃器内设置连通的表面催化换热器，电堆烟气在尾燃器中充分燃烧，通过表面催化换热器将烟气热量传导至重整器，进而提升燃料电池能量的利用效率。又如公开号为cn112038662a的专利文件公开的一种基于热管散热的固体氧化物燃料电池-半导体温差复合发电系统，通过将高温尾气作为温差电池的热端，燃料作为温差电池的冷端，使sofc与半导体温差电池组成了复合发电系统，提高了sofc发电效率。
4.由于固态氧化物燃料电池的抗热冲击性能较差，因此，如果直接利用电堆工作时产生的废热容易导致燃料电池的结构破坏而失效，因此，无论是燃料电池尾燃驱动重整装置还是燃料电池半导体温差复合发电系统，均主要通过依赖燃料电池产生高温烟气作为传热介质，实现对燃料电池废热的利用，因此需要设置专门的大流量风机、管线、换热器以及其它辅助部件，与固体氧化燃料电池形成完整的发电系统，导致发电系统过于庞杂。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服上述技术不足，提出一种固体氧化物燃料电池发电系统，解决现有技术中固体氧化物燃料电池发电系统需要依赖燃料电池产生高温烟气作为传热介质，导致发电系统的结构较为庞杂的技术问题。
6.为达到上述技术目的，本发明的技术方案提供一种固体氧化物燃料电池发电系统，包括：若干单电池，各所述单电池依序堆叠并串联形成电池堆；相邻所述单电池之间通过金属连接体连接；热端，所述热端位于电池堆的周侧，并与所述电池堆贴合，用于吸收所述电池堆工作时的废热；冷端，所述冷端围合于所述热端的周侧并与所述热端连接，用于将所述热端吸收的热能转化为电能。
7.可选地，所述热端包括基座、以及若干由p型半导体和n型半导体连接形成的热端pn结，所述基座围合于所述电池堆的周侧并与所述电池堆贴合，用于吸收所述电池堆工作
时的废热，各所述热端pn结间隔设置于所述基座，所述冷端包括由p型半导体和n型半导体连接形成的冷端pn结，所述冷端pn结与所述热端pn结连接。
8.可选地，还包括若干串联导线，各所述串联导线均分别连接于相邻所述热端pn结或所述冷端pn结。
9.可选地，所述基座包括四块陶瓷基板，四块所述陶瓷基板均设置有导热面以及与所述导热面相对的固定面，四块所述陶瓷基板的所述导热面均分别与所述电池堆的四个侧面贴合，所述热端pn结贴合于四块所述陶瓷基板的所述固定面。
10.可选地，所述冷端还包括若干金属导线，一部分所述金属导线的两端分别与所述热端pn结的p型半导体和所述冷端pn的p型半导体连接，另一部分所述金属导线的两端分别与所述热端pn结的n型半导体和所述冷端pn结的n型半导体连接。
11.可选地，所述冷端还包括四块冷板，四块所述冷板围合于所述基座电池堆的周侧，各所述冷端pn结均设置于四块所述冷板。
12.可选地，还包括保温框，所述保温框围合于所述电池堆并与所述冷板连接，以用于对所述电池堆和所述冷板进行支撑。
13.可选地，所述保温框的内部设置绝缘支撑模块，所述绝缘支撑模块与所述冷端和所述热端连接，用于对所述冷端所述热端进行支撑。
14.可选地，所述绝缘支撑模块包括气凝胶，所述气凝胶由所述冷端pn结延伸至所述热端pn结并围合所述冷端pn结和所述热端pn结。
15.可选地，所述单电池包括依序堆叠的支撑板、阳极板、电解质和阴极板，所述支撑板为金属板，所述金属连接体位于相邻所述单电池的支撑板和所述阴极板之间。
16.与现有技术相比，本发明提供的固体氧化物燃料电池发电系统的有益效果包括：通过设置若干单电池、热端和冷端，各单电池依序堆叠并串联形成电池堆，热端位于电池堆的周侧，并与电池堆贴合，可吸收电池堆工作时产生的废热，冷端围合于热端的周侧并与热端连接，冷端可将热端吸收的热能转化为电能，进而有效利用了电堆废热，提高了电池堆的发电效率，由于相邻单电池之间通过金属连接体连接，进而可有效对电池堆的内部进行导热，同时可加电池堆的结构，使得电池堆的结构不会因热端和冷端产生的局部温差遭到破坏，实现对电池堆工作时产生的废热的直接利用，提升电池堆的发电效率的同时，减少发电系统的结构和空间占用率。
附图说明
17.图1为本发明实施例提供的固体氧化物燃料电池发电系统的结构示意图。
18.图2为本发明实施例提供的固体氧化物燃料电池发电系统隐藏保温框的结构示意图。
19.图3为本发明实施例提供的固体氧化物燃料电池发电系统隐藏保温框的俯视图。
20.其中，图中各附图标记：10—电池堆11—配气端板12—引电柱20—热端21—基座22—热端pn结30—冷端31—冷端pn结32—金属导线33—冷板40—串联导线50—保温框
51—绝缘支撑模块111—燃气入口112—空气入口113—燃气出口114—空气出口211—陶瓷基板511—气凝胶。
具体实施方式
21.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
22.本发明提供了一种固体氧化物燃料电池发电系统，如图1~3所示，包括若干单电池（图中未标识）各单电池依序堆叠并串联形成电池堆10，相邻单电池之间通过金属连接体连接；还包括热端20和冷端30，热端20位于电池堆10的周侧，并与电池堆10贴合，用于吸收电池堆10工作时的废热；冷端30围合于热端20的周侧并与热端20连接，用于将热端20吸收的热能转化为电能。
23.具体地，通过设置若干单电池、热端20和冷端30，各单电池依序堆叠并串联形成电池堆10，热端20位于电池堆10的周侧，并与电池堆10贴合，可吸收电池堆10工作时产生的废热，冷端30围合于热端20的周侧并与热端20连接，冷端30可将热端20吸收的热能转化为电能，进而有效利用了电堆废热，提高了电池堆10的发电效率，由于相邻单电池之间通过金属连接体连接，进而可有效对电池堆10的内部进行导热，同时可加电池堆10的结构，使得电池堆10的结构不会因热端20和冷端30产生的局部温差遭到破坏，实现对电池堆10工作时产生的废热的直接利用，减小了利用燃料电池产生的高温烟气作用传热介质所需的大流量风机、管线、换热器以及其它辅助部件，提升电池堆10的发电效率的同时，减少发电系统的结构和空间占用率。本实施例中，通过将发电体设置为电池堆10，由于电池堆10四面散热的特性，冷端30通过贴合于电池堆10的周侧，可实现对发电体的高效导热，进而可显著提升发电体的发电效率，并可实现冷端30对热端20的围合，实现对热端20热量的充分利用。
24.本实施例中，单电池包括依序堆叠的支撑板、阳极板、电解质和阴极板，支撑板为金属板，金属连接体位于相邻单电池的支撑板和阴极板之间。具体地，阳极板、电解质和阴极板可组成电池结构，支撑板可对电池结构进行支撑，提升电池结构的强度，同时，可将电池结构工作时的热量快速导出，并最终导向热端20，在保证单电池在局部温差下结构不被破坏的同时，可快速向热端20进行导热。
25.本实施例中，进一步地，支撑板由多孔的铁基合金、镍基合金或铬基合金制成。铁基合金、镍基合金或铬基合金具有较高的强度、耐腐蚀性和导热性能，在保证，单电池的结构在局部温差下不被破坏的同时，可将单电池工作时产生的热量快速导向热端20。阳极板为由ni和ysz复合形成ni-ysz金属陶瓷，电解质则选用zro2基或ceo2基材料，阴极为具有钙钛矿结构的la1-xsrxmno3-δ（lsm）或la1-xsrxco1-yfeyo3-δ（lscf）材料。
26.本实施例中，金属连接体为板状结构，由多孔的铁基合金、镍基合金或铬基合金制成，多孔的金属合金材料具有较高的强度、耐腐蚀性和导热性能，可在实现各单电池稳定串联的同时，可有效将单电池工作时产生的热量快速导向热端20。
27.本实施例中，如图3所示，电池堆10的底部设置有配气端板11、顶部设置有引电柱12，配气端板11由材质为gh3030或inconel600系列的高温合金制成，gh3030或inconel600
的高温合金在800℃以下具有满意的热强性和高的塑性，并在高温下具有良好的抗氧化、热疲劳、冷冲压和焊接工艺性能，进而可较好的适应电池堆10的高温环境，配气端板11内部为供燃气和空气流通的镂空结构，配气端板11设有燃气入口111、空气入口112、燃气出口113和空气出口114。
28.可以理解的，冷端30可通过与热端20结合形成热电偶，进而可将热端20的热能转化为电能，或者与热端20结合形成热电效应，通过热电效应，将热端20的热能转化为电能。
29.本实施例中，如图2~3所示，热端20包括基座21、以及若干由p型半导体和n型半导体连接形成的热端pn结22，基座21围合于电池堆10的周侧并与电池堆10贴合，用于吸收电池堆10工作时的废热，各热端pn结22间隔设置于基座21，冷端30包括由p型半导体和n型半导体连接形成的冷端pn结31，冷端pn结31与热端pn结22连接。
30.具体地，基座21通过贴合于电池堆10的周侧，可实现对电池堆10的高效导热，冷端pn结31通过连接热端pn结22，可与热端pn结22结合形成温差电池，进而可将热端20的热能向电能的转化，实现对电池堆10工作时废热的有效利用，进而提升电池堆10的发电效率。
31.本实施例中，如图1~3所示，基座21包括四块陶瓷基板211，四块陶瓷基板211均设置有导热面以及与导热面相对的固定面，四块陶瓷基板211的导热面均分别与电池堆10的四个侧面贴合，热端pn结22贴合于四块陶瓷基板211的固定面。具体地，陶瓷基板211可通过导热面实现与电池堆10的固定，以及对电池对的导热，固定面可实现热端pn结22的固定，以及向热端pn结22的导热，使热端pn结22的温度快速上升。
32.本实施例中，进一步地，陶瓷基板211的材质为氮化铝或氧化铝。
33.本实施例中，如图2~3所示，发电系统还包括若干串联导线40，各串联导线40均分别连接于相邻热端pn结22或冷端pn结31。具体地，通过串联导线40可连接各热端pn结22或冷端pn结31，可使温差电池形成整体，进而平衡各金属导线32处产生的电流，提升温差电池的稳定性。
34.本实施例中，进一步地，如图2~3所示，发电系统其中两侧的热端pn结22之间连接有串联导线40，与该连接有串联导线40的热端pn结22相对的冷端pn结31未设置串联导线40，另外两侧的热端pn结22未设置串联导线40，与该为设置串联导线40的热端pn结22相对的冷端pn结31之间连接有串联导线40。
35.本实施例中，如图2~3所示，冷端30还包括若干金属导线32，一部分金属导线32的两端分别与热端pn结22的p型半导体和冷端30pn的p型半导体连接，另一部分金属导线32的两端分别与热端pn结22的n型半导体和冷端pn结31的n型半导体连接。
36.具体地，热端pn结22在基座21的受热下升温，热端pn结22的p型半导体的空穴从近堆端向远堆端漂移，在远堆端与金属导线32流入的电子复合，热端20的p型半导体的近堆端空穴数量减少，自由电子数量上升，多余的自由电子从近堆端流出，流经热端20的p型半导体和n型半导体之间的桥接导线后注入热端20n型半导体；热端20n型半导体的电子从近堆端向远堆端运动，流经金属导线32后流入冷端30温差电池的n型半导体，再经冷端30的p型半导体和n型半导体之间的桥接导线流入冷端30p型半导体，在冷端30p型半导体的远堆端与空穴结合后，近堆端的空穴和自由电子分离，其中空穴向远堆端漂移，而自由电子流入金属导线32，若金属导线32和外界负载形成闭合回路，则有电功率输出，将电堆废热直接转化为形成的电能向外界负载进行输出，实现对冷端30形成的电能的利用。
37.本实施例中，如图2~3所示，冷端30还包括四块冷板33，四块冷板33围合于基座21电池堆10的周侧，各冷端pn结31均设置于四块冷板33。具体地，聚冷班可供各冷端pn结31固定，同时平衡各冷端pn结31的温度，缩小各冷端pn结31的温差，进而平衡各金属导线32产生的电流。
38.本实施例中，如图1所示，发电系统还包括保温框50，保温框50围合于电池堆10并与冷板33连接，以用于对电池堆10和冷板33进行支撑。具体地，保温框50通过围合电池堆10，一方面可将电池堆10工作时产生的热量聚集，进而避免电池堆10的热量的散失，同时，可对电池堆10和冷板33进行支撑，提升发电系统的向外输出电流的稳定性。
39.本实施例中，如图1所示，保温框50的内部设置绝缘支撑模块51，绝缘支撑模块51与冷端30和热端20连接，用于对冷端30热端20进行支撑。具体地，支撑模块通过连接热端20和冷端30，可提升温差电池的稳定性，实现发电系统的电能向外部的稳定输出。
40.本实施例中，如图1所示，绝缘支撑模块51包括气凝胶511，气凝胶511由冷端pn结31延伸至热端pn结22并围合冷端pn结31和热端pn结22。具体地，气凝胶511可实现对冷板33、热端pn结22、冷端pn结31和金属导线32的支撑，保证热端20和冷端30形成的温差电池的稳定性，同时还可防止电池堆10产生的热量向冷端30冷板33和冷端pn结31的传递，进而可提升冷端30和热端20的温差，提升电池堆10的发电效率。
41.本实施例中，进一步地，气凝胶511靠近和远离电池堆10的两侧均设置有安装槽（图中未标识），基板和冷板33均设置于安装槽。气凝胶511可防止基板热量向外部的扩散、以及电池堆10热量向冷板33的传递，进而增大热端20和冷端30的温差，在该结构下，发电系统的热端20和冷端30的温差可达到200℃以上。
42.以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

技术特征：
1.一种固体氧化物燃料电池发电系统，其特征在于，包括：若干单电池，各所述单电池依序堆叠并串联形成电池堆；相邻所述单电池之间通过金属连接体连接；热端，所述热端位于电池堆的周侧，并与所述电池堆贴合，用于吸收所述电池堆工作时的废热；冷端，所述冷端围合于所述热端的周侧并与所述热端连接，用于将所述热端吸收的热能转化为电能；所述热端包括基座、以及若干由p型半导体和n型半导体连接形成的热端pn结，所述基座围合于所述电池堆的周侧并与所述电池堆贴合，用于吸收所述电池堆工作时的废热，各所述热端pn结间隔设置于所述基座，所述冷端包括由p型半导体、n型半导体连接形成的冷端pn结和若干金属导线，所述冷端pn结与所述热端pn结连接，一部分所述金属导线的两端分别与所述热端pn结的p型半导体和所述冷端pn的p型半导体连接，另一部分所述金属导线的两端分别与所述热端pn结的n型半导体和所述冷端pn结的n型半导体连接。2.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池发电系统，其特征在于，还包括若干串联导线，各所述串联导线均分别连接于相邻所述热端pn结或所述冷端pn结。3.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池发电系统，其特征在于，所述基座包括四块陶瓷基板，四块所述陶瓷基板均设置有导热面以及与所述导热面相对的固定面，四块所述陶瓷基板的所述导热面均分别与所述电池堆的四个侧面贴合，所述热端pn结贴合于四块所述陶瓷基板的所述固定面。4.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池发电系统，其特征在于，所述冷端还包括四块冷板，四块所述冷板围合于所述基座电池堆的周侧，各所述冷端pn结均设置于四块所述冷板。5.根据权利要求4所述的固体氧化物燃料电池发电系统，其特征在于，还包括保温框，所述保温框围合于所述电池堆并与所述冷板连接，以用于对所述电池堆和所述冷板进行支撑。6.根据权利要求5所述的固体氧化物燃料电池发电系统，其特征在于，所述保温框的内部设置绝缘支撑模块，所述绝缘支撑模块与所述冷端和所述热端连接，用于对所述冷端所述热端进行支撑。7.根据权利要求6所述的固体氧化物燃料电池发电系统，其特征在于，所述绝缘支撑模块包括气凝胶，所述气凝胶由所述冷端pn结延伸至所述热端pn结并围合所述冷端pn结和所述热端pn结。8.根据权利要求1~7任一项所述的固体氧化物燃料电池发电系统，其特征在于，所述单电池包括依序堆叠的支撑板、阳极板、电解质和阴极板，所述支撑板为金属板，所述金属连接体位于相邻所述单电池的支撑板和所述阴极板之间。

技术总结
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其是涉及一种固体氧化物燃料电池发电系统；包括若干单电池、热端和冷端，各单电池依序堆叠并串联形成电池堆，热端位于电池堆的周侧，并与电池堆贴合，可吸收电池堆工作时产生的废热，冷端围合于热端的周侧并与热端连接，冷端可将热端吸收的热能转化为电能，进而有效利用了电堆废热，提高了电池堆的发电效率，由于相邻单电池之间通过金属连接体连接，进而可有效对电池堆的内部进行导热，同时可加电池堆的结构，使得电池堆的结构不会因热端和冷端产生的局部温差遭到破坏，实现对电池堆工作时产生的废热的直接利用，提升电池堆的发电效率的同时，减少发电系统的结构和空间占用率。发电系统的结构和空间占用率。发电系统的结构和空间占用率。


技术研发人员：李新典 王傲 李天卉 陆游 李智
受保护的技术使用者：武汉船用电力推进装置研究所（中国船舶集团有限公司第七一二研究所）
技术研发日：2023.08.08
技术公布日：2023/9/7