CN113745603B - 一种压力调节防爆装置及其电池与电池的防爆方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压力调节防爆装置及其电池与电池的防爆方法。所述压力调节防爆装置包括套筒、活塞滑块和弹性复位件；所述套筒水平地设置于二次固体氧化物燃料电池的壳体上，首端与壳体内部连通，末端开放；所述活塞滑块通过弹性复位件与套筒的首端连接，于套筒内滑动或由套筒的末端脱出；当活塞滑块于套筒内滑动时，套筒内位于活塞滑块靠近壳体的腔体与壳体间形成可调节的内腔；但活塞滑块由套筒的末端脱出时，壳体通过套筒与外界空间连通。本发明通过在二次固体氧化物燃料电池上设置压力调节防爆装置，实现电池的防爆与恢复。

Description

一种压力调节防爆装置及其电池与电池的防爆方法

技术领域

本发明属于二次固体氧化物燃料电池技术领域，具体涉及一种压力调节防爆装置及其电池与电池的防爆方法。

背景技术

燃料电池由燃料气体和氧气产生电能，即燃料电池包括通过使燃料气体与氧化剂气体反应产生电能的单元电池，并且单元电池通常以堆叠形式使用，其中多个单元电池通过彼此串联连接而堆叠和组装，以满足输出需求水平。

在高温下，燃料气体和氧气的反应速度加快，以实现高温下供电，但高温下由于电池内腔气压过大，极易发生爆炸。电池的爆炸极限与温度和压力有关：在空气混含氢气的情况下，在约4至75体积％氢气的氢气浓度下(在室温和大气压下)存在可爆炸的混合物。因为燃料电池系统结构紧凑，为了尽量降低该危险，在现有技术的燃料电池系统情况下采取一系列安全预防措施，主要为初级和次级防爆措施。初级防爆措施一般是防止可爆炸气氛的形成或者至少降低其形成的危险，次级防爆措施一般是防止可爆炸气氛点燃，即避免有效点火源。

市面上大部分的防爆措施或部件都是从控制可爆炸气氛本身实现，导致更复杂的结构和更大的系统重量，这些防爆措施大多结构复杂、成本昂贵、耐高温性差，且还没有提供百分之百的防爆保护。此外，一旦电池内部超过极限气压，即使电池未发生爆炸，通常情况下防爆装置或电池也无法重复利用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供了一种压力调节防爆装置及其电池与电池的防爆方法，解决了上述背景技术中防爆装置结构复杂、成本高、耐高温性能差、无法重复利用的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案之一是：提供了一种压力调节防爆装置，包括套筒、活塞滑块和弹性复位件；

所述套筒水平地设置于二次固体氧化物燃料电池的壳体上，首端与壳体内部连通，末端开放；

所述活塞滑块通过弹性复位件与套筒的首端连接，于套筒内滑动或由套筒的末端脱出；当活塞滑块于套筒内滑动时，套筒内位于活塞滑块靠近壳体的腔体与壳体间形成可调节的内腔；但活塞滑块由套筒的末端脱出时，壳体通过套筒与外界空间连通。

在本发明一较佳实施例中，还包括支承结构，所述支承结构设置于套筒的首端，所述弹性复位件的两端分别连接有活塞滑块和支承结构。所述支承结构开设有贯穿孔，所述贯穿孔连通套筒内活塞滑块靠近壳体的腔体与壳体内空间。所述支承结构为由壳体向套筒方向设置的十字型框架。

在本发明一较佳实施例中，所述套筒、活塞滑块、的材质为镍基高温合金或者耐高温陶瓷，所述支承结构的材质为镍基高温合金，所述弹性复位件的材质为GH90时效强化型镍基变形高温合金。

在本发明一较佳实施例中，所述套筒为圆管，所述活塞滑块为圆柱，于套筒内可密封地滑动。

在本发明一较佳实施例中，所述弹性复位件为弹簧。

本发明还提供了一种二次固体氧化物燃料电池，包括壳体、阴极、阳极、固体电解质体和负极燃料质体、加热部，还包括如上所述的压力调节防爆装置。

在本发明一较佳实施例中，所述阴极、固体电解质体和阳极由上至下依次层叠设置于壳体的顶部，所述负极燃料质体设置于壳体内，所述加热部设置于负极燃料质体所在壳体外周，所述压力调节防爆装置设置于负极燃料质体的上方。

本发明还提供了一种二次固体氧化物燃料电池的防爆方法，二次固体氧化物燃料电池的壳体上设有如上述的压力调节防爆装置；所述二次固体氧化物燃料电池温度在400～800℃；包括如下步骤：

1)依据电池容量和电池腔体体积设置所述套筒长度、内径和活塞滑块直径；

2)当电池运行过程中壳体内气压变化，活塞滑块在套筒内滑动，调节套筒与壳体的连通体积；当电池运行过程中壳体内气压超过极限值，活塞滑块由套筒末端滑出，实现电池的防爆；

3)当停止运行电池后壳体内气压恢复时，将活塞滑块由套筒末端塞回套筒，实现电池的重复利用。

本技术方案与背景技术相比，它具有如下优点：

1.本发明压力调节防爆装置直接设置于电池壳体的合理位置，结构简单，一方面降低成本，另一方面避免过度占用电池单元堆叠的空间，有利于控制电池总体积；

2.本发明压力调节防爆装置采用特定材质，所述套筒、活塞滑块、的材质为镍基高温合金或者耐高温陶瓷，所述支承结构的材质为镍基高温合金，所述弹性复位件的材质为GH90时效强化型镍基变形高温合金，尤其是GH90在815～870℃有较高的抗拉强度和抗蠕变能力、良好的抗氧化性和耐腐蚀性、在冷热反复交替作用下有较高的疲劳强度以及良好的成形性，能够实现二次固体燃料电池在高温(400～800℃)下稳定工作；

3.本发明即使电池内超过极限气压触发防爆，一旦气压恢复，将活塞滑块由套筒末端塞回套筒，即可实现电池的重复利用，即保护了电池，又保护了压力调节防爆装置本身。

附图说明

图1为实施例2电池结构图；

图2为实施例1套筒和支承结构关系图。

其中，1-阴极，2-固体电解质体，3-阳极，4-壳体，5-负极燃料质体，6-支承结构，7-弹性复位件，8-加热部，9-套筒，10-活塞滑块。

具体实施方式

需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

实施例1

本实施例一种压力调节防爆装置，包括套筒9、活塞滑块10和弹性复位件7、支承结构6。

所述套筒9水平地设置于二次固体氧化物燃料电池的壳体4上，首端与壳体4内部连通，末端开放；本实施例的套筒9直接设计于壳体4上，结构简单，一方面降低成本，另一方面避免过度占用电池单元堆叠的空间，有利于控制电池总体积；此外，相较于竖直或其他方向设置，套筒9的水平设置可以有效避免滑块质量对电池腔室气压的影响；

所述活塞滑块10通过弹性复位件7与套筒9的首端连接，于套筒9内滑动或由套筒9的末端脱出；

所述支承结构6设置于套筒9的首端，所述弹性复位件7的两端分别连接有活塞滑块10和支承结构6。所述支承结构6开设有贯穿孔，所述贯穿孔连通套筒9内活塞滑块10靠近壳体4的腔体与壳体4内空间。如图2，本实施例中，所述支承结构6为由壳体4向套筒9方向固定连接的十字型框架，所述弹性复位件7为弹簧，弹簧的一端连接于十字型的中心，另一端与活塞滑块10连接，十字型框架的镂空部分即为贯穿孔；贯穿孔保证了气体的顺利进出，同时支承结构6本身能够保证气压降低的时候活塞滑块10恢复正常位置。

当活塞滑块10于套筒9内滑动时，套筒9内位于活塞滑块10靠近壳体4的腔体与壳体4间形成可调节的内腔；但活塞滑块10由套筒9的末端脱出时，壳体4通过套筒9与外界空间连通。

本实施例结构简单，用料少，因而在选材时：所述套筒9、活塞滑块10、的材质为镍基高温合金或者耐高温陶瓷，所述支承结构6的材质为镍基高温合金，所述弹性复位件7的材质为GH90时效强化型镍基变形高温合金，在815～870℃有较高的抗拉强度和抗蠕变能力、良好的抗氧化性和耐腐蚀性、在冷热反复交替作用下有较高的疲劳强度以及良好的成形性，能够实现二次固体燃料电池在高温(400～800℃)下稳定工作。

本实施例中，为更好实现气密性和活塞滑块10的滑动，所述套筒9为圆管，所述活塞滑块10为圆柱，于套筒9内可密封地滑动。

实施例2

本实施例一种高温条件下使用的二次固体氧化物燃料电池，包括壳体4、阴极1、阳极3、固体电解质体2、负极燃料质体5和加热部8，还包括实施例1的压力调节防爆装置。

本实施例中，所述阴极1、固体电解质体2和阳极3由上至下依次层叠设置于壳体4的顶部，所述负极燃料质体5设置于壳体4内，所述加热部8设置于负极燃料质体5所在壳体4外周，所述压力调节防爆装置设置于负极燃料质体5的上方。所述压力调节防爆装置用于调节二次燃料电池内由产生水蒸气和氢气引起的压力变动，防止在高温下内腔气压过大对电池造成损坏；如图1，可见阳极3形成于固体电解质体2的一个面；阴极1形成于固体电解质体2的另一个面上；负极燃料物质体、加热部8用于将二次燃料电池壳体4、固体电解质体2和负极燃料物质体加热维持在预定温度(400～800℃)以上。

本实施例的电池防爆措施：

1)依据电池容量和电池腔体体积设置所述套筒9长度、内径和活塞滑块10直径；

如1Ah的二次固体氧化物燃料电池，电池腔室尺寸为50mm*50mm*40mm，内部气体(内部的水在室温下也假设为气体)的物质的量为0.0187mol，在25℃腔室内压力(加上大气压力)为0.93Mpa；在800℃时腔室内压力为3.34Mpa。为了保证长期使用过程中固体氧化物电池(SOFC)片结构不被破坏，腔室内压力要低于3Mpa，可变化体积为～6000mm³，设计套筒的直径为～20mm，长度为～20mm。

2)当电池运行过程中壳体4内气压变化，活塞滑块10在套筒9内滑动，调节套筒9与壳体4的连通体积，从而控制壳体4内气压(当高温下电池壳体4腔内气压增大，活塞滑块10在套筒9内部向外移动，使电池内气压降低)；当电池运行过程中壳体4内气压超过极限值，活塞滑块10由套筒9末端滑出，实现电池的防爆；

3)当停止运行电池后壳体4内气压恢复时，将活塞滑块10由套筒9末端塞回套筒9，实现电池的重复利用。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种压力调节防爆装置，其特征在于：包括套筒、活塞滑块和弹性复位件；

所述套筒水平地设置于二次固体氧化物燃料电池的壳体上，首端与壳体内部连通，末端开放；所述二次固体氧化物燃料电池的工作温度在400～800℃；

所述活塞滑块通过弹性复位件与套筒的首端连接，于套筒内滑动或由套筒的末端脱出；当活塞滑块于套筒内滑动时，套筒内位于活塞滑块靠近壳体的腔体与壳体间形成可调节的内腔；但活塞滑块由套筒的末端脱出时，壳体通过套筒与外界空间连通；

还包括支承结构，所述支承结构设置于套筒的首端，所述弹性复位件的两端分别连接有活塞滑块和支承结构；所述支承结构开设有贯穿孔，所述贯穿孔连通套筒内活塞滑块靠近壳体的腔体与壳体内空间。

2.根据权利要求1所述的一种压力调节防爆装置，其特征在于：所述支承结构为由壳体向套筒方向设置的十字型框架。

3.根据权利要求1所述的一种压力调节防爆装置，其特征在于：所述套筒、活塞滑块的材质为镍基高温合金或者耐高温陶瓷，所述支承结构的材质为镍基高温合金，所述弹性复位件的材质为GH90时效强化型镍基变形高温合金。

4.根据权利要求1所述的一种压力调节防爆装置，其特征在于：所述套筒为圆管，所述活塞滑块为圆柱，于套筒内可密封地滑动。

5.根据权利要求1所述的一种压力调节防爆装置，其特征在于：所述弹性复位件为弹簧。

6.一种二次固体氧化物燃料电池，其特征在于：包括壳体、阴极、阳极、固体电解质体、负极燃料质体和加热部，还包括如权利要求1～5任一项所述的压力调节防爆装置。

7.根据权利要求6所述的一种二次固体氧化物燃料电池，其特征在于：所述阴极、固体电解质体和阳极由上至下依次层叠设置于壳体的顶部，所述负极燃料质体设置于壳体内，所述加热部设置于负极燃料质体所在壳体外周，所述压力调节防爆装置设置于负极燃料质体的上方。

8.一种二次固体氧化物燃料电池的防爆方法，其特征在于：二次固体氧化物燃料电池的壳体上设有如权利要求1～5任一项所述的压力调节防爆装置；所述二次固体氧化物燃料电池温度在400～800℃；包括如下步骤：

1)依据电池容量和电池腔体体积设置所述套筒长度、内径和活塞滑块直径；

2)当电池运行过程中壳体内气压变化，活塞滑块在套筒内滑动，调节套筒与壳体的连通体积；当电池运行过程中壳体内气压超过极限值，活塞滑块由套筒末端滑出，实现电池的防爆；

3)当停止运行电池后壳体内气压恢复时，将活塞滑块由套筒末端塞回套筒，实现电池的重复利用。

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