CN119009005A - 一种soc电堆在接合站内的进气结构 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种SOC电堆在接合站内的进气结构，涉及高温固体氧化物电池技术领域。一种SOC电堆在接合站内的进气结构，包括炉膛底板、电堆和气体罩壳，电堆固定在炉膛底板上，炉膛底板上设有多个氢气通道，多个氢气通道分别与电堆上的氢气歧管配合连接，多个氢气通道均连通配气柜中的气体管路，炉膛底板上设有两个空气孔洞，电堆外侧固定安装有空气罩，空气罩位于两个空气孔洞的两侧，电堆、空气罩以及炉膛底板间形成密闭空气流动通道。本申请通过空气罩以及相应的管道设计，使得空气能够均匀地进入空气罩内，并最终均匀地流入和流出电堆，从而提高了空气在电堆每一层流道中的均匀流动性，解决了具有开放式空气歧管的SOC电堆在接合站中进气时气体流动分布不均匀的问题。

Description

一种SOC电堆在接合站内的进气结构

技术领域

本申请涉及高温固体氧化物电池技术领域，特别涉及一种SOC电堆在接合站内的进气结构。

背景技术

高温固体氧化物电池(SOC)是高温固体氧化物燃料电池(SOFC)和高温固体氧化物电解池(SOEC)的总称。SOC电堆是由多个相同的单电池单元堆叠而成的电池组。SOC电堆的多个重复单元在堆叠组装后，需在接合站中进行烧结，当烧结温度达到玻璃陶瓷密封件的软化温度后，固体的玻璃陶瓷软化并与金属连接体紧密的粘接在一起，在“接合”完成后，通常还会将温度降低到电堆工作的温度，并通入一定量的氢气，让电堆进行发电并检测电堆的电压电流，这一过程被称为电堆的“初始化”。“接合”和“初始化”都需在“接合站”内进行。在“初始化”时，要向电堆内通入氢气与空气，这些气体需要通过电加热器加热。SOC电堆的燃料气体由于具有易燃易爆性基本采用密封式的歧管设计，SOC电堆的空气歧管根据其空气进气方式可以分为两类：封闭式的空气歧管和开放式空气歧管，封闭式的空气歧管是将空气歧管设置在连接体的内部，不与外界有接触；开放式的空气歧管是将空气歧管设置在连接体的外部，电堆中的空气流道直接与环境相通，空气从环境中流入电堆，经过反应后再次流出电堆进入到环境中。而对于具有开放式空气歧管的电堆，如何使空气均匀地流入和流出电堆，以保证电堆在接合站中的进气，是需要解决的问题。

发明内容

本申请的主要目的是提供一种SOC电堆在接合站内的进气结构，旨在解决现有的具有开放式空气歧管的SOC电堆在接合站中进气时气体流动分布不均匀的技术问题。

为实现上述目的，本申请提出了一种SOC电堆在接合站内的进气结构，包括炉膛底板、电堆和气体罩壳，所述电堆固定在所述炉膛底板上，所述炉膛底板上设有多个氢气通道，多个所述氢气通道分别与所述电堆上的氢气歧管配合连接，多个所述氢气通道均连通配气柜中的气体管路，所述炉膛底板上设有两个空气孔洞，所述电堆外侧固定安装有空气罩，所述空气罩位于两个所述空气孔洞的两侧，所述电堆、所述空气罩以及所述炉膛底板间形成密闭空气流动通道。

可选地，所述空气罩与所述电堆之间设有两个空气管，两个所述空气管分别与两个所述空气孔洞对应连接。

可选地，两个所述空气管上均开设有散气孔。

可选地，所述炉膛底板上设有凸台，所述凸台与所述电堆底部相匹配，多个所述氢气通道均开设于所述凸台上，多个所述氢气通道的直径均小于所述氢气歧管的管径。

可选地，所述空气罩包括两个气体罩壳，两个所述气体罩壳对称安装于所述电堆外侧。

可选地，两个所述气体罩壳的开口分别与所述电堆的阴极侧面相匹配。

可选地，两个所述气体罩壳之间通过多个螺杆固定连接。

可选地，所述空气罩为顶端呈尖角的楔形结构，所述空气罩顶部安装有圆柱形框架。

可选地，两个所述气体罩壳底端均通过螺钉与所述凸台固定连接。

可选地，所述电堆上设有垫块，所述垫块的材质为氧化铝。

本申请的进气结构包括炉膛底板、电堆和气体罩壳，电堆固定在炉膛底板上，炉膛底板内开设有多个氢气通道，氢气通道的大小与电堆内部的氢气歧管大小相匹配，使多个氢气通道能够分别与电堆上的氢气歧管配合连接，避免氢气外溢出去，多个氢气通道均连通配气柜中的气体管路，使得氢气能够进入炉膛底板，进而保证氢气能够顺利的进入电堆，从而在炉膛底板与电堆之间流动，而为使空气能够均匀地流入电堆，本申请在炉膛底板上开设两个空气孔洞，并在电堆外侧固定安装空气罩，而空气罩位于两个空气孔洞的两侧，通过该空气罩，即可构建一个外部歧管，形成空气孔洞与电堆阴极(空气入口)的气体通道，从而形成了电堆、空气罩以及炉膛底板之间的密闭的空气流动通道，通过空气罩以及相应的管道设计，使得空气能够均匀地进入空气罩内，并最终流入电堆，通过该进气结构，保证了空气能够均匀地流入和流出电堆，从而解决了具有开放式空气歧管的SOC电堆在接合站中进气时气体流动分布不均匀的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为常规的具有封闭式空气歧管的SOC电堆的结构示意图；

图2为常规的具有开放式空气歧管的SOC电堆的结构示意图；

图3为本申请实施例所述的SOC电堆在接合站内的进气结构的结构示意图；

图4为本申请实施例所述的SOC电堆在接合站内的进气结构的爆炸图；

图5为本申请实施例所述的SOC电堆在接合站内的进气结构中氢气的流动示意图；

图6为本申请实施例所述的SOC电堆在接合站内的进气结构中空气的流动示意图；

图7为本申请实施例所述的SOC电堆在接合站内的进气结构中空气管的示意图；

图8为本申请实施例1所述的SOC电堆在接合站内的进气结构中的流体分布的仿真图；

图9为本申请实施例2所述的SOC电堆在接合站内的进气结构中的流体分布的仿真图；

图10为本申请实施例5所述的SOC电堆在接合站内的进气结构的结构示意图。

附图标记：

001-炉膛底板，002-电堆，003-空气罩，004-螺杆，005-垫块，101-空气管，201-圆柱形框架，202-气体罩壳，203-螺钉。

本申请目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

需要说明，本申请实施例中所有方向性指示(诸如左、右……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

目前，SOC电堆的空气歧管根据其空气进气方式可以分为两类：封闭式的空气歧管和开放式空气歧管，封闭式的空气歧管如图1所示，是将空气歧管设置在连接体的内部，不与外界有接触。对于封闭式的歧管结构，炉膛的结构相对简单，只要炉膛底板上的接口与电堆的四路歧管(空气进、空气出、氢气进、氢气出)相匹配，再将电堆压紧在底板上即可。而开放式的空气歧管，如图2所示，是将空气歧管设置在连接体的外部，电堆中的空气流道直接与环境相通，空气从环境中流入电堆，经过反应后再次流出电堆进入到环境中。对于具有开放式歧管的电堆，它的燃料气歧管与炉膛底板相连，炉膛底板结构相对较复杂，难以保证空气在进气时均匀的进入电堆每一层的流道中。

下面结合具体实施例对本申请技术方案进行详细说明。

实施例1

针对现有SOC电堆在进气时所存在的技术问题，本申请的实施例提供了一种SOC电堆在接合站内的进气结构，参照图3和图4，包括炉膛底板001、电堆002和气体罩壳003，所述电堆002固定在所述炉膛底板001上，所述炉膛底板001上设有多个氢气通道，多个所述氢气通道分别与所述电堆002上的氢气歧管配合连接，多个所述氢气通道均连通配气柜中的气体管路，所述炉膛底板001上设有两个空气孔洞，所述电堆002外侧固定安装有空气罩003，所述空气罩003位于两个所述空气孔洞的两侧，所述电堆002、所述空气罩003以及所述炉膛底板001间形成密闭空气流动通道。

在本实施例中，该进气结构包括炉膛底板001、电堆002和气体罩壳003，电堆002固定在炉膛底板001上，炉膛底板001内开设有多个氢气通道，氢气通道的大小与电堆002内部的氢气歧管大小相匹配，使多个氢气通道能够分别与电堆002上的氢气歧管配合连接，避免氢气外溢出去，多个氢气通道均连通配气柜中的气体管路，使得氢气能够进入炉膛底板001，进而保证氢气能够顺利的进入电堆002，从而在炉膛底板001与电堆002之间流动，而为使空气能够顺利流入电堆002，本实施例在炉膛底板001上开设两个空气孔洞，并在电堆002外侧固定安装空气罩003，而空气罩003位于两个空气孔洞的两侧，通过该空气罩003，即可构建一个外部歧管，形成空气孔洞与电堆002阴极(空气入口)的气体通道，从而形成了电堆002、空气罩003以及炉膛底板001之间的密闭的空气流动通道，通过空气罩003以及相应的管道设计，使得空气能够均匀地进入空气罩003内，并最终流入电堆002，通过该进气结构，保证了空气能够均匀地流入和流出电堆002，从而解决了具有开放式空气歧管的SOC电堆在接合站中进气时气体流动分布不均匀的问题。

在具体实施过程中，电堆002以及炉膛底板001中氢气的流动如图5所示，氢气从配气柜中流出，经气体管路流入炉膛底板001内的氢气通道，再经氢气歧管进入电堆002后，从电堆002另一路氢气歧管流出，并经与该路氢气歧管相对应的氢气通道流出炉膛底板001，从而使氢气能够顺利的进入电堆002。

在具体实施过程中，电堆002以及炉膛底板001中空气的流动如图6所示，空气从炉膛底板001的其中一个空气孔洞进入空气罩003内，再均匀地流入电堆002每一层的流道中，再经炉膛底板001的另一个空气孔洞流出，从而使空气均匀的进入空气罩003，并最终流入和流出电堆002，保证了空气的均匀流动。

实施例2

通过对实施例1中的进气结构进行流体仿真，分析空气的分布情况可以发现，空气直接流入空气罩003后，会产生两个较大的漩涡，导致空气在空气罩003中的分布存在部分不均匀的情况，使得电堆002中有一些流道中的空气偏多，而有一些流道中的空气较少，CFD仿真结果如图8所示。

基于此，为进一步提高空气在空气罩003中的分布均匀性，本申请实施例提供一种SOC电堆在接合站内的进气结构，参照图7，与实施例1提供的SOC电堆在接合站内的进气结构基本相同，其主要区别在于：所述空气罩003与所述电堆002之间设有两个空气管101，两个所述空气管101分别与两个所述空气孔洞对应连接。

在本实施例中，两个所述空气管101上均开设有散气孔。在开设散气孔时，要避免正对着电堆002中的流道，由于正对着散气孔的流道中的空气流量会远高于其他流道，故而本实施例中将散气孔设置为空气管101上远离电堆002中流道的一侧。

在具体实施过程中，空气从炉膛底板001的空气孔洞进入空气管101中，并经空气管101上的散气孔将空气逸散到空气罩003中，最后再流入电堆002中每一层的流道，通过对本实施例中的进气结构进行流体仿真，分析空气的分布情况，得到如图9所示的CFD仿真结果图，可以发现，其流体分布更加均匀，改善了实施例1中空气直接流入空气罩003后，会产生两个较大的漩涡的流体分布情况，说明本实施例中的空气在空气罩003中的分布更加均匀，从而确定了最佳的进气方式，使得空气能够更加均匀地进入电堆002中每一层的流道。

实施例3

参照图4，本申请实施例提供一种SOC电堆在接合站内的进气结构，与实施例1提供的SOC电堆在接合站内的进气结构基本相同，其主要区别在于：所述炉膛底板001上设有凸台，所述凸台与所述电堆002底部相匹配，多个所述氢气通道均开设于所述凸台上，多个所述氢气通道的直径均小于所述氢气歧管的管径。

在本实施例中，在炉膛底板001上设置凸台，凸台与电堆002的底部相匹配，使得凸台能够用于放置和定位电堆002，为与电堆002配合连接，将氢气通道开设于凸台上，氢气通道的直径均小于氢气歧管的管径，使得多个氢气通道能够分别与电堆002上的氢气歧管配合连接，避免氢气外溢出去。

实施例4

参照图4，本申请实施例提供一种SOC电堆在接合站内的进气结构，与实施例3提供的SOC电堆在接合站内的进气结构基本相同，其主要区别在于：所述空气罩003包括两个气体罩壳202，两个所述气体罩壳202对称安装于所述电堆002外侧。

在本实施例中，两个所述气体罩壳202的开口分别与所述电堆002的阴极侧面相匹配。两个所述气体罩壳202之间通过多个螺杆004固定连接。

具体的，空气罩003包括两个气体罩壳202，通过将两个气体罩壳202对称安装于电堆002外侧，气体罩壳202的开口面积与电堆002的阴极侧面积大小，可使气体罩壳202与电堆002之间构建一个外部歧管，形成空气孔洞与电堆002阴极的气体通道，两个气体罩壳202之间通过多个螺杆004固定连接，螺杆004优选设置成4个，在气体罩壳202每侧均设置两个，通过4个螺杆004可将两个气体罩壳202固定并形成紧密的连接，且螺杆004也便于拆卸，从而有利于两个气体罩壳202的安装与拆卸。

实施例5

参照图10，本申请实施例提供一种SOC电堆在接合站内的进气结构，与实施例4提供的SOC电堆在接合站内的进气结构基本相同，其主要区别在于：所述空气罩003为顶端呈尖角的楔形结构，所述空气罩003顶部安装有圆柱形框架201。

在本实施例中，两个所述气体罩壳202底端均通过螺钉203与所述凸台固定连接。

在具体实施过程中，由于实施例4中将两个气体罩壳202通过螺杆004进行紧密连接，但炉膛内的高温工作环境有造成螺纹失效的风险，螺纹失效后，螺杆004只能被破坏性拆除，这极大地增加了生产成本。故而在本实施例中，将空气罩003设置为顶端呈尖角的楔形结构，其顶端具有尖角结构，在尖角区域安装安装有圆柱形框架201，利用圆柱形框架201自身的重力，可在尖角的斜边上形成向内的力，从而固定住气体罩壳202，而气体罩壳202的底端通过旋转螺钉203与凸台固定连接，从而将气体罩壳202固定安装在炉膛底板001上，且螺钉203的更换相较于螺杆004，也更加简单和方便，使得气体罩壳202的安装和拆卸更加便捷。

实施例6

参照图4，本申请实施例提供一种SOC电堆在接合站内的进气结构，与实施例1提供的SOC电堆在接合站内的进气结构基本相同，其主要区别在于：所述电堆002上设有垫块005，所述垫块005的材质为氧化铝。

在本实施例中，由于在接合站中安装电堆002时，需要在电堆002上施加竖直向下的压紧力，为避免压紧机构对电堆002的磨损，并使压紧力更均匀的分布于电堆002上，本申请在压紧机构和电堆002之间安装一个垫块005，使压紧力能够更均匀地施加在电堆上，且垫块005为氧化铝材质，具有较高的绝缘性和耐磨耗性能，化学性能安定而且相对比较便宜。

综上，本申请的实施例提供一种SOC电堆在接合站内的进气结构，具有如下有益效果：

本申请通过将电堆002固定在炉膛底板001上，炉膛底板001内开设有多个氢气通道，氢气通道的大小与电堆002内部的氢气歧管大小相匹配，使多个氢气通道能够分别与电堆002上的氢气歧管配合连接，避免氢气外溢出去，多个氢气通道均连通配气柜中的气体管路，使得氢气能够进入炉膛底板001，进而保证氢气能够顺利的进入电堆002，从而在炉膛底板001与电堆002之间流动，并在炉膛底板001上开设两个空气孔洞以使空气能够顺利流入电堆002，再在电堆002外侧固定安装空气罩003，而空气罩003位于两个空气孔洞的两侧，通过该空气罩003，即可构建一个外部歧管，形成空气孔洞与电堆002阴极(空气入口)的气体通道，从而形成了电堆002、空气罩003以及炉膛底板001之间的密闭的空气流动通道，通过空气罩003以及相应的管道设计，使得空气能够均匀地进入空气罩003内，并最终流入电堆002，通过该进气结构，保证了空气在空气罩003内分布的均匀性，使得空气能够均匀地流入和流出电堆002，进而提高了空气在电堆002每一层流道中的均匀流动性，从而解决了具有开放式空气歧管的SOC电堆在接合站中进气时气体流动分布不均匀的问题。

以上所述仅为本申请的可选实施例，并非因此限制本申请的专利范围，凡是在本申请的发明构思下，利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种SOC电堆在接合站内的进气结构，其特征在于，包括炉膛底板、电堆和气体罩壳，所述电堆固定在所述炉膛底板上，所述炉膛底板上设有多个氢气通道，多个所述氢气通道分别与所述电堆上的氢气歧管配合连接，多个所述氢气通道均连通配气柜中的气体管路，所述炉膛底板上设有两个空气孔洞，所述电堆外侧固定安装有空气罩，所述空气罩位于两个所述空气孔洞的两侧，所述电堆、所述空气罩以及所述炉膛底板间形成密闭空气流动通道。

2.根据权利要求1所述的SOC电堆在接合站内的进气结构，其特征在于，所述空气罩与所述电堆之间设有两个空气管，两个所述空气管分别与两个所述空气孔洞对应连接。

3.根据权利要求2所述的SOC电堆在接合站内的进气结构，其特征在于，两个所述空气管上均开设有散气孔。

4.根据权利要求1所述的SOC电堆在接合站内的进气结构，其特征在于，所述炉膛底板上设有凸台，所述凸台与所述电堆底部相匹配，多个所述氢气通道均开设于所述凸台上，多个所述氢气通道的直径均小于所述氢气歧管的管径。

5.根据权利要求4所述的SOC电堆在接合站内的进气结构，其特征在于，所述空气罩包括两个气体罩壳，两个所述气体罩壳对称安装于所述电堆外侧。

6.根据权利要求5所述的SOC电堆在接合站内的进气结构，其特征在于，两个所述气体罩壳的开口分别与所述电堆的阴极侧面相匹配。

7.根据权利要求5所述的SOC电堆在接合站内的进气结构，其特征在于，两个所述气体罩壳之间通过多个螺杆固定连接。

8.根据权利要求5所述的SOC电堆在接合站内的进气结构，其特征在于，所述空气罩为顶端呈尖角的楔形结构，所述空气罩顶部安装有圆柱形框架。

9.根据权利要求8所述的SOC电堆在接合站内的进气结构，其特征在于，两个所述气体罩壳底端均通过螺钉与所述凸台固定连接。

10.根据权利要求1所述的SOC电堆在接合站内的进气结构，其特征在于，所述电堆上设有垫块，所述垫块的材质为氧化铝。