一种管式固体氧化物燃料电池结构的制作方法

1.本发明涉及燃料电池技术领域，具体为一种管式固体氧化物燃料电池结构。


背景技术：

2.固定氧化物燃料电池由称为第三代燃料电池，主要由阴极、阳极、电解质和连接体四个功能组件串联在一起构成一个额定发电量的电堆。
3.管式固体氧化物燃料电池通常采用一体式结构，以甲烷燃料为例，甲烷重整反应往往在入口段反应剧烈，伴随着吸收大量热量，而电池后半段水汽重整反应则释放热量，电池温度呈现出两端高，入口段温度较低的分布情况，即过冷效应。过冷效应会引起一个轴向的温度梯度，从而造成热应力，严重时会影响电池结构强度。
4.公开号为cn111224143a的中国发明专利公开了一种管式固体氧化物燃料电池结构，其沿轴向方向上分成若干层，每一层包含一个完整的管式燃料电池小单元，每个燃料电池小单元由外至内依次包括外壳体层、阳极电极、电解质层、阴极电极和螺旋导流肋片，阳极电极包括阳极电极支撑层和阳极反应层，阴极电极包括阴极反应层和阴极支撑层；外壳体与阳极电极支撑层之间间隔形成阳极气体通道，阴极支撑层内部轴心通道为阴极气体通道；每个燃料电池小单元各对应电极层厚度相同，沿轴向的宽度和组成电极的颗粒及其分布情况不同，各层颗粒直径大小沿轴向规律分布。该发明可有效增强电池传质特性，提高电池效率，还可以调节电池温度等轴向分布，控制燃料入口段过冷效应。
5.然而其解决过冷现象存在一个问题，其通过在沿轴向方向上分成若干层，每一层包含一个完整的管式燃料电池小单元，并将各层颗粒直径大小沿轴向规律分布，控制燃料入口段过冷效应，这样可以有效抑制入口段过冷效应，减小颗粒之间，意味着颗粒间的间隙变大，反应效率降低，从而减小热量的吸收，这也意味着入口处发电效率变低，需要靠后段弥补，对比常规可以分布，同体积下，发电量减小。
6.因此亟需设计一种管式固体氧化物燃料电池结构来解决上述问题。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供一种管式固体氧化物燃料电池结构，以解决上述背景技术中提出的入口处发电效率变低，需要靠后段弥补，对比常规可以分布，同体积下，发电量减小的问题。
8.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种管式固体氧化物燃料电池结构，包括外壳、阴极反应层、电解质层和阳极反应层，所述阳极反应层呈圆筒形，且所述电解质层包裹在阳极反应层外侧，所述阴极反应层包裹在电解质层的外侧，所述阴极反应层设置于外壳的内部，所述外壳包括中壳筒、端盖和底盖，所述端盖和底盖分别固定于中壳筒的上下两端，所述阳极反应层的内部贴合有阳极支撑层，所述阳极支撑层为透气耐热材质制成，且所述阳极支撑层的表面光滑，所述阴极反应层的外表面包裹有阴极支撑层，所述阴极支撑层与阳极支撑层的材质相同，所述中壳筒的内部固定有支撑筒，所述支撑筒与中壳筒之
间形成回热腔，所述支撑筒与阴极支撑层之间形成过气腔，所述阳极支撑层的底部与回热腔连通。
9.优选的，所述端盖包括盖体，所述盖体与中壳筒固定连接，所述阴极支撑层和阳极支撑层的顶部皆与盖体的下表面固定连接，所述盖体的中心处固定有燃料添加槽，所述燃料添加槽与阳极支撑层连通，所述燃料添加槽的外侧均匀分布有进气槽，所述进气槽与过气腔连通。
10.优选的，所述底盖的上表面呈环形凸起，且环形凸起的右侧高于左侧，所述中壳筒的底部开设有排水孔，且所述排水孔位于底盖上表面最低处。
11.优选的，所述中壳筒的内壁上均匀分布有第一支撑环。
12.优选的，所述支撑筒包括固定筒和第二支撑环，所述第二支撑环拼接在固定筒的底部，所述第二支撑环的外表面均匀开设有排气孔，排气孔向上倾斜，所述固定筒的外表面均匀分布有导气筒，所述导气筒呈环形，且所述导气筒固定在固定筒上，所述第一支撑环的内壁呈波纹状，所述导气筒的结构与第一支撑环结构相同，且所述第一支撑环的内壁凸起处与导气筒的内壁凸起处相抵，所述第一支撑环与导气筒的内壁凹陷处形成过气孔。
13.优选的，所述第一支撑环呈螺旋状，且所述第一支撑环呈螺旋状，所述导气筒与第一支撑环配合。
14.优选的，所述盖体为空心结构，且所述盖体的内腔与回热腔连通。
15.优选的，所述排水孔的内腔截面呈横卧的“s”形状，所述盖体的外表面均匀分布有单向出气孔。
16.与现有技术相比，本发明的有益效果是：该管式固体氧化物燃料电池结构设有回热腔，无损解决入口过冷问题，提高同体积电堆发电量，同时增加管式电堆强度。
17.（1）通过在中壳筒的内部固定有支撑筒，使中壳筒与支撑筒之间形成回热腔，并将回热腔与阳极支撑层底部连通，阳极反应层上反应产生的水、二氧化碳和废热通过阳极支撑层底部排放，水在底盖上聚集并通过排水孔排放，另一作用是隔绝了二氧化碳和废热，使热气通过回热腔上流，聚集到回热腔的顶部，为入口处提供充分的热量，解决入口处过冷的问题，同时无需稀释颗粒，从而提高同体积电堆发电量。
18.（2）通过在中壳筒的内壁上均匀固定有第一支撑环，在固定筒的外表面均匀固定有导气筒，第一支撑环与导气筒拼接可充当加强筋，能分担支撑筒内的应力，提高外壳与支撑筒之间的强度，同时，可以增加导热面积，提升过热效果。
附图说明
19.图1为本发明的结构整体示意图；图2为本发明的结构局部剖视示意图；图3为本发明的结构正视剖视示意图；图4为本发明图3中a处结构放大示意图；图5为本发明图2中第一支撑环的结构局部俯视示意图。
20.图中：1、外壳；11、中壳筒；12、端盖；121、盖体；122、进气槽；123、燃料添加槽；13、底盖；14、排水孔；15、第一支撑环；2、支撑筒；21、固定筒；22、导气筒；23、第二支撑环；3、阴极支撑层；4、阴极反应层；5、电解质层；6、阳极反应层；7、阳极支撑层。
具体实施方式
21.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
22.实施例一：请参阅图1
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图5，本发明提供的一种管式固体氧化物燃料电池结构，包括外壳1、阴极反应层4、电解质层5和阳极反应层6，阳极反应层6呈圆筒形，且电解质层5包裹在阳极反应层6外侧，阴极反应层4包裹在电解质层5的外侧，阴极反应层4设置于外壳1的内部，外壳1包括中壳筒11、端盖12和底盖13，端盖12和底盖13分别固定于中壳筒11的上下两端，阳极反应层6的内部贴合有阳极支撑层7，阳极支撑层7为透气耐热材质制成，利于透气排热，且阳极支撑层7的表面光滑，利于排水，阴极反应层4的外表面包裹有阴极支撑层3，阴极支撑层3与阳极支撑层7的材质相同，阴极支撑层3和阳极支撑层7分别用于对阴极反应层4和阳极反应层6进行支撑，中壳筒11的内部固定有支撑筒2，支撑筒2与中壳筒11之间形成回热腔用于回收废热，支撑筒2与阴极支撑层3之间形成过气腔用于氧气流通，阳极支撑层7的底部与回热腔连通，使废热能排入回热腔中。
23.进一步的，如图2所示，端盖12包括盖体121，盖体121与中壳筒11固定连接，阴极支撑层3和阳极支撑层7的顶部皆与盖体121的下表面固定连接，盖体121的中心处固定有燃料添加槽123，燃料添加槽123与阳极支撑层7连通，燃料添加槽123的外侧均匀分布有进气槽122，进气槽122与过气腔连通，空气通过进气槽122注入过气腔中，使空气透过阴极支撑层3与阴极反应层4，使空气中氧分子在阴极反应层4和电解质层5之间，从阴极反应层4反应取得四个电子并分裂成两个氧离子渗透、迁移到电解质层5和阳极反应层6之间，以氢燃料为例，氧离子与氢发生反应，释放水、二氧化碳和热从阳极支撑层7底部排放，电子通过阳极反应层6、外电路回到阴极反应层4产生电能。
24.进一步的，如图2
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图3所示，底盖13的上表面呈环形凸起，且环形凸起的右侧高于左侧，利于水向四周排放并汇聚到最低处，避免积水，中壳筒11的底部开设有排水孔14，且排水孔14位于底盖13上表面最低处，利于汇聚的水从排水孔14排放。
25.进一步的，如图2
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图3所示，中壳筒11的内壁上均匀分布有第一支撑环15，提高中壳筒11的整体强度。
26.进一步的，如图2
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图5所示，支撑筒2包括固定筒21和第二支撑环23，第二支撑环23拼接在固定筒21的底部，第二支撑环23的外表面均匀开设有排气孔，排气孔向上倾斜，利于过气腔内空气透过排气孔向回热腔内散发，将工作产生的废热向上吹送，排气孔的密度可由下往上稀释，因为底部的废热量最多，排气孔增加，更利于送气；固定筒21的外表面均匀分布有导气筒22，导气筒22呈环形，且导气筒22固定在固定筒21上，第一支撑环15的内壁呈波纹状，导气筒22的结构与第一支撑环15结构相同，且第一支撑环15的内壁凸起处与导气筒22的内壁凸起处相抵，第一支撑环15与导气筒22的内壁凹陷处形成过气孔，第一支撑环15与导气筒22拼接可充当加强筋，能分担支撑筒2内的应力，提高外壳1与支撑筒2之间的强度，同时，可以增加导热面积，提升过热效果。
27.实施例二：
在实施例一的基础上，区别在于：第一支撑环15呈螺旋状（未示出），且第一支撑环15呈螺旋状，导气筒22与第一支撑环15配合，第一支撑环15和导气筒22螺旋向下分布设计，使顶部废热在入口处因反应吸热冷凝，产生的水汽能通过螺旋向下的第一支撑环15和导气筒22向下流，排水效果更好。
28.实施例三：在实施例一的基础上，区别在于：盖体121为空心结构（未示出），且盖体121的内腔与回热腔连通，使废热更利于汇聚到燃料添加槽123的四周，更利于给燃料添加槽123入口处的反应提供热量，防止出现过冷现象。
29.实施例四：在实施例一的基础上，区别在于：排水孔14的内腔截面呈横卧的“s”形状（未示出），使“s”形弯内始终聚集一些水，避免热气从排水孔14排出，盖体121的外表面均匀分布有单向出气孔（未示出），利于过热后的气体从单向出气孔排放。
30.工作原理：以氢气燃料为例，氢燃料通过燃料添加槽123注入阳极支撑层7内，空气通过进气槽122进入过气腔内，空气透过阴极支撑层3与阴极反应层4，使空气中氧分子在阴极反应层4和电解质层5之间，从阴极反应层4反应取得四个电子并分裂成两个氧离子渗透、迁移到电解质层5和阳极反应层6之间，氧离子与氢发生反应，释放水、二氧化碳和热从阳极支撑层7底部排放，电子通过阳极反应层6、外电路回到阴极反应层4产生电能。
31.反应产生的水、二氧化碳和废热通过阳极支撑层7底部排放，水在底盖13上聚集并通过排水孔14排放，底盖13四周聚集的水隔绝了二氧化氮和废热，使热气通过回热腔上流，聚集到回热腔的顶部，为入口处提供充分的热量，解决入口处过冷的问题。
32.通过在中壳筒11的内壁上均匀固定有第一支撑环15，在固定筒21的外表面均匀固定有导气筒22，第一支撑环15与导气筒22拼接可充当加强筋，能分担支撑筒2内的应力，提高外壳1与支撑筒2之间的强度，同时，可以增加导热面积，提升过热效果。
33.对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨再将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。