一种固体氧化物燃料电池系统的电堆堆栈结构的制作方法

本技术涉及燃料电池，具体涉及一种固体氧化物燃料电池系统的电堆堆栈结构。

背景技术：

1、固体氧化物燃料电池(solid oxide electrolysis cell，简称soec)技术是一种中高温下利用电能将水蒸气分解为氢气和氧气的电池装置。随着碳中和目标的推进，我们国家正在逐步摆脱对化石能源消耗的依赖，而氢能源作为一种非常理想的清洁能源，也亟待得到更高效的制造和利用。作为备受期待的新一代水电解装置，soec能够有效利用余热并稳定提供低碳电力，从理论上，效率是高于低温制氢模式的。

2、目前，国内外在soec的发展上都倾向于大功率项目的发展。为实现大功率soec项目长期稳定发展，电堆堆栈的结构设计至关重要。随着大功率soec项目的发展，多个电堆形成的堆栈结构会面临热分布不均的情况，进而影响整个堆栈的热应力分布，影响堆栈的使用寿命。

3、上述热分布不均的问题是由于多个电堆处于一个热环境里面，是由大约七百度左右的气体进入电堆形成热环境，由于气体所携带的热量从内到外传递，存在一定的热阻，热阻会导致电堆外侧和电堆内侧温度不一致；根据热胀冷缩的原理，电堆外侧和电堆内侧温度不一致会导致热应力的形成，不利于电堆运行的长期稳定性，影响堆栈的使用寿命。

技术实现思路

1、实用新型目的：本实用新型所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种固体氧化物燃料电池系统的电堆堆栈结构，在确保电堆堆栈结构紧凑的基础上，能够尽量减少局部热应力的产生，延长电堆堆栈结构的使用寿命。

2、为了解决上述技术问题，本实用新型公开了一种固体氧化物燃料电池系统的电堆堆栈结构。该电堆堆栈结构包括一个单排式电堆塔组件以及热辅助部件，所述热辅助部件环绕于所述一个单排式电堆塔组件的外部。所述单排式电堆塔组件用于对燃料气体进行电化学反应并产生反应气体，高温的空气流经所述单排式电堆塔组件用于为电化学反应提供热量。所述热辅助部件用于对进入单排式电堆塔组件的空气和燃料气体进行加热以及流出单排式电堆塔组件的空气和反应气体进行热量回收。

3、本实用新型通过将电堆塔组件设置成单排，热辅助部件设置于单排式电堆塔组件的外部，减小了热辅助部件对电堆进行加热的热阻和热损，从而在一定程度上降低了因热分布不均导致的热应力。

4、具体的，所述单排式电堆塔组件包括多个电堆塔，所述多个电堆塔沿垂直于高度方向的方向呈单排设置。

5、具体的，所述单排式电堆塔组件包括下夹板，所述下夹板设置于所述多个电堆塔的下方。每个所述电堆塔的顶部设置有一个上夹板。各上夹板与所述下夹板通过螺栓紧固连接时，所述电堆塔与所述下夹板固定连接。

6、具体的，每个电堆塔均包括多个电堆，所述多个电堆沿所述电堆的高度方向上依次串联堆叠形成电堆堆栈单体，相邻电堆之间设置有用于电堆间导电的银片。所述电堆堆栈单体朝向高度方向的相对设置的两端均连接有集电板，所述集电板用于与外部电源连接以将电流导入所述电堆堆栈单体。每个电堆还包括燃料进气口、燃料出气口、空气进气口以及空气出气口。

7、具体的，所述单排式电堆塔组件还包括上绝缘垫片与下绝缘垫片，在每个电堆塔中，所述上绝缘垫片间隔所述上夹板与所述电堆塔对应端的集电板，所述下绝缘垫片间隔所述下夹板与所述电堆塔另一端的集电板。

8、具体的，所述单排式电堆塔组件包括燃料进气总管、空气进气总管、燃料出气总管以及空气出气总管。

9、各电堆的燃料进气口分别连接有一个燃料进气三级管，对于每个电堆塔，其全部的燃料进气三级管形成一个燃料进气三级管组，对于每个燃气进气三级管组设置有一个燃料进气二级管，该燃料进气二级管的一端与该燃料进气三级管组的每个燃料进气三级管连接，该燃料进气二级管的另一端与所述燃料进气总管连接。

10、各电堆的空气进气口分别连接有一个空气进气三级管，对于每个电堆塔，其全部的空气进气三级管形成一个空气进气三级管组，对于每个空气进气三级管组设置有一个空气进气二级管，该空气进气二级管的一端与该空气进气三级管组的每个空气进气三级管连接，该空气进气二级管的另一端与所述空气进气总管连接。

11、各电堆的燃料出气口均与燃料出气总管连通。各电堆的空气出气口均与空气出气总管连通。

12、具体的，各电堆的燃料出气口均与燃料出气总管连通，包括：

13、各电堆的燃料出气口分别连接有一个燃料出气三级管，对于每个电堆塔，其全部的燃料出气三级管形成一个燃料出气三级管组，对于每个燃气出气三级管组设置有一个燃料出气二级管，该燃料出气二级管的一端与该燃料出气三级管组的每个燃料出气三级管连接，该燃料出气二级管的另一端与所述燃料出气总管连接。

14、具体的，各电堆的空气出气口均与空气出气总管连通，包括：

15、各电堆的空气出气口分别连接有一个空气出气三级管，对于每个电堆塔，其全部的空气出气三级管形成一个空气出气三级管组，对于每个空气出气三级管组设置有一个空气出气二级管，该空气出气二级管的一端与该空气出气三级管组的每个空气出气三级管连接，该空气出气二级管的另一端与所述空气出气总管连接。

16、具体的，对于每个所述集电板设置有一个集电柱，所述集电柱电连接对应的集电板以及外部电源。

17、具体的，每个集电柱的外部套设有陶瓷套管。

18、有益效果：

19、本实用新型提供的一种固体氧化物燃料电池系统的电堆堆栈结构采用将电堆塔横向排布成单排，并且在外部增添热辅助部件的方式，使得整体在结构紧凑的基础上，能够尽量减少局部热应力的产生，延长电堆堆栈结构的使用寿命。

技术特征：

1.一种固体氧化物燃料电池系统的电堆堆栈结构，其特征在于，包括一个单排式电堆塔组件以及热辅助部件(6)，所述热辅助部件(6)环绕于所述一个单排式电堆塔组件的外部；所述单排式电堆塔组件用于对燃料气体进行电化学反应并产生反应气体，高温的空气流经所述单排式电堆塔组件用于为电化学反应提供热量；所述热辅助部件(6)用于对进入单排式电堆塔组件的空气和燃料气体进行加热以及流出单排式电堆塔组件的空气和反应气体进行热量回收。

2.根据权利要求1所述的一种固体氧化物燃料电池系统的电堆堆栈结构，其特征在于，所述单排式电堆塔组件包括多个电堆塔(1)，所述多个电堆塔(1)沿垂直于高度方向的方向呈单排设置。

3.根据权利要求2所述的一种固体氧化物燃料电池系统的电堆堆栈结构，其特征在于，所述单排式电堆塔组件包括下夹板(10)，所述下夹板(10)设置于所述多个电堆塔(1)的下方；每个所述电堆塔(1)的顶部设置有一个上夹板(9)；各上夹板(9)与所述下夹板(10)通过螺栓紧固连接时，所述电堆塔(1)与所述下夹板(10)固定连接。

4.根据权利要求3所述的一种固体氧化物燃料电池系统的电堆堆栈结构，其特征在于，每个电堆塔(1)均包括多个电堆(14)，所述多个电堆(14)沿所述电堆(14)的高度方向上依次串联堆叠形成电堆堆栈单体，相邻电堆(14)之间设置有用于电堆(14)间导电的银片(19)；所述电堆堆栈单体朝向高度方向的相对设置的两端均连接有集电板(11)，所述集电板(11)用于与外部电源连接以将电流导入所述电堆堆栈单体；每个电堆(14)还包括燃料进气口、燃料出气口、空气进气口以及空气出气口。

5.根据权利要求4所述的一种固体氧化物燃料电池系统的电堆堆栈结构，其特征在于，所述单排式电堆塔组件还包括上绝缘垫片(20)与下绝缘垫片(23)，在每个电堆塔(1)中，所述上绝缘垫片(20)间隔所述上夹板(9)与所述电堆塔(1)对应端的集电板(11)，所述下绝缘垫片(23)间隔所述下夹板(10)与所述电堆塔(1)另一端的集电板(11)。

6.根据权利要求4所述的一种固体氧化物燃料电池系统的电堆堆栈结构，其特征在于，所述单排式电堆塔组件包括燃料进气总管(2)、空气进气总管(3)、燃料出气总管(4)以及空气出气总管(5)；

7.根据权利要求6所述的一种固体氧化物燃料电池系统的电堆堆栈结构，其特征在于，各电堆(14)的燃料出气口均与燃料出气总管(4)连通，包括：

8.根据权利要求6所述的一种固体氧化物燃料电池系统的电堆堆栈结构，其特征在于，各电堆(14)的空气出气口均与空气出气总管(5)连通，包括：

9.根据权利要求5所述的一种固体氧化物燃料电池系统的电堆堆栈结构，其特征在于，对于每个所述集电板(11)设置有一个集电柱(13)，所述集电柱(13)电连接对应的集电板(11)以及外部电源。

10.根据权利要求9所述的一种固体氧化物燃料电池系统的电堆堆栈结构，其特征在于，

技术总结
本技术公开了一种固体氧化物燃料电池系统的电堆堆栈结构。该电堆堆栈结构包括一个单排式电堆塔组件以及热辅助部件，所述热辅助部件环绕于所述一个单排式电堆塔组件的外部。所述单排式电堆塔组件用于对燃料气体进行电化学反应并产生反应气体，高温的空气流经所述单排式电堆塔组件用于为电化学反应提供热量。所述热辅助部件用于对进入单排式电堆塔组件的空气和燃料气体进行加热以及流出单排式电堆塔组件的空气和反应气体进行热量回收。本技术在确保电堆堆栈结构紧凑的基础上，能够尽量减少局部热应力的产生，延长电堆堆栈结构的使用寿命。

技术研发人员：翟文娟,王绍荣,陈国飞,康连喜,杨小春
受保护的技术使用者：徐州普罗顿氢能储能产业研究院有限公司
技术研发日：20230719
技术公布日：2024/3/4