本發(fā)明涉及一種固體氧化物燃料電池(Solid oxide fuel cell，SOFC)發(fā)電系統(tǒng)中電池堆的陣列結(jié)構(gòu)及其發(fā)電系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

固體氧化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell，SOFC)發(fā)電系統(tǒng)能將燃料中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，燃料包括天然氣、液化氣、合成氣、沼氣、氫氣等，該發(fā)電過程高效、清潔，是一種很有前途的發(fā)電方式。SOFC發(fā)電系統(tǒng)可以模塊化集成，用于構(gòu)建大型的分布式發(fā)電站，現(xiàn)有的天然氣管網(wǎng)能提供發(fā)電所需的天然氣，發(fā)出來的電可就近供應(yīng)供樓宇、社區(qū)、廠房等的用電，還能夠向國家電網(wǎng)輸電，因此，SOFC發(fā)電系統(tǒng)是一種具有廣闊商業(yè)前景的發(fā)電模式。

SOFC發(fā)電系統(tǒng)的核心部件就是電池堆陣列，電池堆陣列由多個電池堆按照一定的分布形態(tài)所組成，是將燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電場所。電池堆需要一定的加壓緊固結(jié)構(gòu)才能穩(wěn)定的工作。在美國專利US7659022B2和US2012/0178003A1中，電池堆陣列的加壓方法采用普通的上下疊加法，即電池堆豎直擺放，上下疊放，用螺桿上下加壓緊固。當單列電池堆數(shù)量增加時，此種加壓方法易導(dǎo)致電池堆傾斜不穩(wěn)，影響加壓緊固，這是此種方法最大的弊端。專利201310212920.5公開了一種固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)中的電池堆陣列的組織形式，該種固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)中的電堆陣列，包括支撐體與電堆組，其特征是：所述的支撐體呈層狀結(jié)構(gòu)，包括一層或兩層以上的支撐單元；每層支撐單元支撐至少一個電堆組；每個電堆組由數(shù)個單電堆組成，每個單電堆呈橫臥狀；所述的單電堆之間設(shè)置緊固件；該專利提出將電池堆橫臥放置，采用層狀盤式結(jié)構(gòu)組織電池堆陣列。該方案指明了要在單個電池堆之間設(shè)置緊固件，但并沒有進一步具體細化緊固件如何設(shè)置。而且該專利申請的裝置在實踐中使用表明，要電池堆之間穩(wěn)固連接，需要緊固件很好配合設(shè)置，造成安裝上尺寸要求比較高，定位安裝實施起來有一定難度，電池堆之間存在安裝不穩(wěn)固缺陷，從而造成電池堆之間密封導(dǎo)電不穩(wěn)定失效等等，凡此種種還可以進一步改進設(shè)計。本發(fā)明在專利201310212920.5的基礎(chǔ)上，細化并提出了在層狀盤式電池堆陣列中電池堆加壓的新結(jié)構(gòu)。通過本發(fā)明提供的方法和和結(jié)構(gòu)，電池堆能被有效的加壓，克服了美國專利US7659022B2和US2012/0178003A1所采用的加壓方法可能帶來的電池堆不穩(wěn)定的弊端，整個加壓結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的首要技術(shù)問題是針對上述的技術(shù)現(xiàn)狀而提供一種結(jié)構(gòu)合理、容易實施和操作的固體氧化物燃料電池堆陣列，它使電池堆能方便地被加壓并可以適當調(diào)節(jié)加壓壓力，使電池堆之間連接穩(wěn)固可靠，從而克服背景技術(shù)中所采用的加壓方法可能帶來的電池堆不穩(wěn)定的弊端。

本發(fā)明所要解決的另一個技術(shù)問題是針對上述的技術(shù)現(xiàn)狀而提供一種采用上述加壓結(jié)構(gòu)的固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)。

本發(fā)明解決上述首要技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為：一種固體氧化物燃料電池堆陣列，其包括支撐體和電池堆組，支撐體呈層狀結(jié)構(gòu)，至少包括有上托盤和下托盤，電池堆組由下托盤承載，電池堆組的上面放置上托盤，電池堆組包括有多個電池堆，電池堆呈橫臥狀，電池堆之間設(shè)置了緊固件，其特征在于另有支撐柱設(shè)置在上托盤和下托盤之間構(gòu)成了支撐體，電池堆左右兩側(cè)緊固件分別設(shè)置成活動塊和固定塊，支撐柱上有螺絲孔，施力螺桿通過螺絲孔與支撐柱結(jié)合在一起，并使施力螺桿的里端抵觸在各自活動塊外表面上，通過旋轉(zhuǎn)施力螺桿來調(diào)節(jié)其自身行程，從而使活動塊側(cè)面對鄰近的電池堆產(chǎn)生壓力，使電池堆組被加壓緊固。

優(yōu)選，相鄰所述電池堆的中間設(shè)置活動塊，相鄰電池堆的兩側(cè)分別設(shè)置固定塊，使電池堆依次排列形成層狀環(huán)形分布。

作為改進，所述支撐體具有多層結(jié)構(gòu)條件下，相鄰的上層支撐體下托盤和下層支撐體上托盤是共用一塊固定板。

優(yōu)選，所述支撐體具有多層結(jié)構(gòu)條件下，每層各個電池堆側(cè)面布置的活動塊、固定塊及施力螺桿在縱向排列成直線分布。

優(yōu)選，所述活動塊呈楔形或梯形，至少一側(cè)面是斜面分布的。

優(yōu)選，所述固定塊呈楔形或梯形，至少一側(cè)面是斜面分布的。

作為優(yōu)選，所述活動塊和固定塊水平截面是呈現(xiàn)等腰梯形。

作為改進，所述上托盤和下托盤對應(yīng)于活動塊位置成型有凸出環(huán)周的外凸固定部，外凸固定部開有卡口，對應(yīng)地，支撐柱的上端和下端成型出配合卡腳。

再改進，所述活動塊外表面開有供施力螺桿的里端抵觸定位的定位孔，內(nèi)襯耐熱陶瓷墊片。

作為改進，所述固定塊側(cè)面設(shè)置有陽極氣體進氣孔和陽極廢氣收集孔，分別與電池堆的陽極氣體孔、陽極廢氣孔密封連通，固定塊的表面設(shè)置有陽極氣體進孔和陽極廢氣出孔，分別和固定塊側(cè)面的陽極氣體進氣孔和陽極廢氣收集孔連通，固定塊縱向設(shè)置有定位孔，與上托盤的定位銷配合定位固定。

進一步改進，所述固定塊外圍設(shè)置有與固定塊上的陽極氣體進孔和陽極廢氣出孔分別密封相通的通氣管路，通氣管路包括通氣法蘭和通氣主管道，通氣法蘭開有陽極氣體通氣孔和陽極廢氣通氣孔，而通氣主管道縱向地分布在通氣法蘭的兩側(cè)，分別為陽極氣體主管道和陽極廢氣收集主管道，陽極氣體管路和陽極廢氣管路橫向地分布在通氣法蘭的兩側(cè)，這樣使固定塊上的陽極氣體進孔通過通氣法蘭上的陽極氣體通氣孔、陽極氣體管路和陽極氣體主管道密封連通，而固定塊上的陽極廢氣出孔通過通氣法蘭上的陽極廢氣通氣孔、陽極廢氣管路和陽極廢氣收集主管道密封連通。

進一步改進，所述固定塊與電池堆之間設(shè)置有密封導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，密封導(dǎo)電結(jié)構(gòu)包括密封組件和導(dǎo)電片，密封組件包括兩個密封墊片層和一層支撐層，一層支撐層設(shè)置在兩個密封墊片層之間，密封墊片層呈現(xiàn)與固定塊和電池堆側(cè)面形狀配合的環(huán)形，在固定塊和電池堆之間孔道連通處設(shè)置有內(nèi)凸的凸緣部位，凸緣部位開設(shè)對應(yīng)貫通孔，對應(yīng)地，支撐層采用金屬密封圈繞著貫通孔，并襯在兩個密封墊片層的凸緣部位之間，導(dǎo)電片是能變形的導(dǎo)電片，導(dǎo)電片厚度要大于密封組件厚度，置于密封組件內(nèi)側(cè)空間內(nèi)分別抵觸固定塊和電池堆側(cè)面，實現(xiàn)電導(dǎo)通。

優(yōu)選，所述導(dǎo)電板采用泡沫金屬片。

本發(fā)明解決上述另一個技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為：一種固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，包括電池堆陣列，其特征是：采用上述任何一項所述的電池堆陣列。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于：

(1)改進了電池堆的加壓，使電池堆左右兩側(cè)受到均勻的加壓，每個電池堆的受力都是通過活動快的加壓而實現(xiàn)，因此電池堆兩側(cè)的整個面都受力，通過調(diào)節(jié)施力螺桿，使每個電池堆的受壓都均勻，并可以調(diào)節(jié)受壓壓力大小，在此種加壓結(jié)構(gòu)中，電池堆陣列更加穩(wěn)定、有效。

(2)此加壓結(jié)構(gòu)便于電池堆陣列的集成。用此加壓結(jié)構(gòu)制作電池堆陣列能夠疊加，組成多層電池堆陣列結(jié)構(gòu)，便于SOFC系統(tǒng)的大規(guī)模集成。

(3)電池堆側(cè)面施加壓力后，固定塊不動，此時密封導(dǎo)電結(jié)構(gòu)開始受力：首先泡沫金屬導(dǎo)電片開始受力被壓縮，保持導(dǎo)電板、固定塊、電池堆之間的良好接觸；其次中間層金屬密封環(huán)隨著壓力的增大嵌入左右兩層墊片層內(nèi)，根據(jù)電池堆孔周圍的平整度，自行調(diào)節(jié)金屬密封環(huán)各點的嵌入深度，使左右兩層墊片層保持與固定塊和電池堆被密封面緊密貼合，實現(xiàn)陽極氣體的密封，故實現(xiàn)了固定塊和電池堆之間的良好而穩(wěn)定的密封與導(dǎo)電。

(4)采用通氣管路和固定塊內(nèi)管道進行配合，實現(xiàn)給電池堆供給陽極氣體和收集陽極廢氣，方便集中陽極氣體配給，容易維護管路和檢修，使結(jié)構(gòu)緊湊集中。

附圖說明

圖1是實施例1中的電池堆加壓結(jié)構(gòu)裝配圖(無上托盤)。

圖2是實施例1中的電池堆加壓結(jié)構(gòu)裝配圖。

圖3是固定塊結(jié)構(gòu)圖。

圖4是通氣法蘭結(jié)構(gòu)圖。

圖5是通氣主管與通氣法蘭連接結(jié)構(gòu)圖。

圖6是固定塊與電池堆密封導(dǎo)電結(jié)構(gòu)示意圖。

圖7是實施例1中的30kW電池堆陣列裝配圖。

圖8是實施例2中的電池堆加壓結(jié)構(gòu)裝配圖(無上托盤)。

圖9是實施例2中的電池堆加壓結(jié)構(gòu)裝配圖。

圖10是實施例2中的6kW電池堆陣列裝配圖。

圖11是實施例3中的電池堆加壓結(jié)構(gòu)裝配圖。

圖12是固定塊與電池堆之間安裝有密封導(dǎo)電結(jié)構(gòu)圖。

圖13是電池堆的氣孔分布示意圖。

圖1至13中的附圖標記為：上托盤1，下托盤2，支撐柱3，施力螺桿4，活動塊5，固定塊6，電池堆7，外凸固定部8，定位孔9，陽極氣體進氣孔10，陽極廢氣收集孔11，陽極氣體進孔12，陽極廢氣出孔13，通氣法蘭陽極氣體通氣孔12’，通氣法蘭陽極廢氣通氣孔13’，法蘭螺絲孔14，法蘭螺絲15，陽極氣體管路16，陽極廢氣管路17，通氣法蘭18，陽極氣體主管道19，陽極廢氣收集主管道20，主管道固定法蘭21，密封墊片22，導(dǎo)電片23，密封墊片層24，支撐層25，凸緣部位26，貫通孔27，電池堆7的陽極氣體孔28，電池堆7的陽極廢氣孔29。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖實施例對本發(fā)明作進一步詳細描述。

需要指出的是，以下所述實施例旨在便于對本發(fā)明的理解，而對其不起任何限定作用。

實施例1：

本實施例所示的一種固體氧化物燃料電池堆陣列包含10個電池堆，還包括上托盤1、下托盤2、支撐柱3、施力螺桿4、活動塊5、固定塊6、電池堆7等主要部件。

如圖1所示，包括10個電池堆7的電池堆組放置在下托盤2上，電池堆7呈橫臥狀，電池堆7兩側(cè)分別是活動塊5和固定塊6，為了便于安裝使用，通常相鄰電池堆7的中間設(shè)置活動塊5，相鄰電池堆7的兩側(cè)分別設(shè)置固定塊6，使電池堆7依次排列形成層狀環(huán)形分布，作為優(yōu)選，活動塊5和固定塊6水平截面是呈現(xiàn)等腰梯形，活動塊5外表面開有供施力螺桿4的里端抵觸定位的定位孔，內(nèi)襯耐熱陶瓷墊片，起到隔熱作用，便于施力螺桿4調(diào)節(jié)操作。固定塊6內(nèi)部設(shè)置有布氣孔以及定位孔。布氣孔的作用是用于電池堆的陽極通氣，包括陽極氣體進氣孔10，陽極廢氣收集孔11，陽極氣體進孔12以及陽極廢氣出孔13，定位孔的作用則是為了安裝的方便。如圖3所示，固定塊6側(cè)面設(shè)置有陽極氣體進氣孔10和陽極廢氣收集孔11，分別與電池堆7的陽極氣體孔28、陽極廢氣孔29密封連通，固定塊6的表面設(shè)置有陽極氣體進孔12和陽極廢氣出孔13分別和固定塊側(cè)面的陽極氣體進氣孔10和陽極廢氣收集孔11連通，這樣，陽極氣體進孔12與陽極氣體進氣孔10是相通的，來自主管路的陽極氣體(即重整尾氣)通過陽極氣體進孔12進入陽極氣體進氣孔10，再由陽極氣體進氣孔10進入電池堆7，而陽極廢氣收集孔11與陽極廢氣出孔13是相通的，反應(yīng)后的陽極廢氣依次通過陽極廢氣收集孔11以及陽極廢氣出孔13進入主管路，固定塊6縱向設(shè)置有定位孔9，與上托盤1的定位銷配合定位固定，上面有上托盤1，上托盤1和下托盤2之間有支撐柱3，通常，上托盤1和下托盤2對應(yīng)于活動塊5位置成型有凸出環(huán)周的外凸固定部8，外凸固定部8開有卡口，對應(yīng)地，支撐柱3的上端和下端成型出配合卡腳，通過卡腳和卡口配合使支撐柱3安裝在上托盤1和下托盤2之間，構(gòu)成了支撐體，支撐柱3上開有螺絲孔，使支撐柱3上面可以設(shè)置上施力螺桿4。上托盤1蓋上后如圖2所示。為了便于安裝支撐柱3，加壓時，通過扭力扳手旋轉(zhuǎn)施力螺桿4，施力螺桿4推動活動塊5前進，活動塊4前進的過程中向兩側(cè)的電池堆7施壓，從而達到給電池堆7加壓的目的，并且旋轉(zhuǎn)施力螺桿4來調(diào)節(jié)其自身行程，從而可以調(diào)節(jié)給電池堆7壓力大小。上托盤1、下托盤2、支撐柱3、施力螺桿4的材質(zhì)為不銹鋼。活動塊5和固定塊6的材質(zhì)為不銹鋼等金屬材料。活動塊和固定塊所采用材質(zhì)的熱膨脹系數(shù)大于上托盤和下托盤所采用材質(zhì)的熱膨脹系數(shù)。

作為改進，固定塊6外圍設(shè)置有與固定塊6上的陽極氣體進孔和陽極廢氣出孔分別密封相通的通氣管路，通氣管路包括通氣法蘭18和通氣主管道。外圍通氣管路是用于向電池堆陣列導(dǎo)入重整尾氣以及從電池堆陣列導(dǎo)出陽極尾氣。外圍管路中通氣法蘭18見圖4，通氣主管道見圖5，通氣主管道縱向地分布在通氣法蘭18的兩側(cè)，分別為陽極氣體主管道19和陽極廢氣收集主管道20，陽極氣體主管道19和陽極廢氣收集主管道20下端用主管道固定法蘭21固定，陽極氣體管路16和陽極廢氣管路17橫向地分布在通氣法蘭18的兩側(cè)，如圖4所示，通氣法蘭18上有通氣法蘭陽極氣體通氣孔12’、通氣法蘭陽極廢氣通氣孔13’、陽極氣體管路16以及陽極廢氣管路17，通氣法蘭18通過法蘭螺絲15和固定塊6固定連接起來。陽極氣體主管道19、陽極氣體管路16以及通氣法蘭陽極氣體通氣孔12’是相通的，而通氣法蘭陽極氣體通氣孔12’與固定塊上的陽極氣體進孔12是相通的。陽極氣體(即重整尾氣)就是依次通過陽極氣體主管道19、陽極氣體管路16、通氣法蘭陽極氣體通氣孔12’、陽極氣體進孔12以及陽極氣體進氣孔10進入電池堆7的。如圖5所示，陽極廢氣收集主管道20、陽極廢氣管路17以及通氣法蘭陽極廢氣通氣孔13’是相通的，而通氣法蘭陽極廢氣通氣孔13’則與固定塊上的陽極廢氣出孔13是相通的。反應(yīng)后的陽極廢氣依次通過陽極廢氣收集孔11、陽極廢氣出孔13、通氣法蘭陽極廢氣通氣孔13’以及陽極廢氣管路17進入陽極廢氣收集主管道20。

作為改進，固定塊6與電池堆7之間安裝有密封導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，密封導(dǎo)電結(jié)構(gòu)包括密封組件22和導(dǎo)電片23，用于電池堆與固定塊之間的孔道密封，導(dǎo)電片23是用于電池堆與固定塊之間的導(dǎo)電，如圖6所示。密封片采用耐高溫的密封片。密封組件22包括兩個密封墊片層24和一層支撐層25，一層支撐層25設(shè)置在兩個密封墊片層24之間，密封墊片層24呈現(xiàn)與固定塊6和電池堆7側(cè)面形狀配合的環(huán)形，在固定塊6和電池堆7之間孔道連通處設(shè)置有內(nèi)凸的凸緣部位26，凸緣部位26開設(shè)對應(yīng)貫通孔27，對應(yīng)地，支撐層25采用金屬密封圈繞著貫通孔，并襯在兩個密封墊片層的凸緣部位26之間，導(dǎo)電片23是能變形的導(dǎo)電片，導(dǎo)電片23厚度要大于密封組件厚度，置于密封組件內(nèi)側(cè)空間內(nèi)分別抵觸固定塊6和電池堆7側(cè)面，實現(xiàn)電導(dǎo)通。導(dǎo)電片23采用金屬片或泡沫金屬片，如銀片、泡沫銀以及泡沫鋼等。

圖7是以圖2所示的電池堆加壓結(jié)構(gòu)為單元，由6個這樣的單元疊加組裝而成的電池堆陣列?？梢娭误w具有多層結(jié)構(gòu)條件下，相鄰的上層支撐體下托盤2和下層支撐體上托盤1可以共用一塊固定板，以節(jié)省材料降低成本，減輕重量等；支撐體具有多層結(jié)構(gòu)條件下，每層各個電池堆7側(cè)面布置的活動塊5、固定塊6及施力螺桿4在縱向排列成直線分布。該陣列中包含60個電池堆，穩(wěn)定運行的輸出功率為30kW。

該專利所示的電池堆的加壓結(jié)構(gòu)，裝配過程如下：

1)將下托盤2平放；2)將固定塊6放置在相應(yīng)位置；3)然后將電池堆7分別放置在固定塊5的兩邊；4)在電池堆7中間放進活動塊5；5)放置支撐柱3(帶施力螺桿)，將上托盤1放在上面。

加壓時，旋緊施力螺桿4推動活動塊，活動塊5再推動電池堆7加壓。旋緊施力螺桿4時采用扭力扳手，每個施力螺桿4所施加的力要一樣。如此，電池堆7的加壓即完成，組裝成固體氧化物燃料電池堆陣列。用這個固體氧化物燃料電池堆陣列可以組裝成對應(yīng)發(fā)電系統(tǒng)。

實施例2：

本實施例所示的電池堆陣列中包含4個電池堆，包括上托盤1、下托盤2、支撐柱3、施力螺桿4、活動塊5、固定塊6、電池堆7等主要部件。

如圖8和圖9所示，4個電池堆放置在下托盤2上，電池堆7兩側(cè)分別是活動塊5和固定塊6，上面有上托盤1，上托盤1和下圖盤2之間有支撐柱3，支撐柱3上面有施力螺桿4。加壓時，旋轉(zhuǎn)施力螺桿4，施力螺桿4推動活動塊前進，活動塊5前進的過程中向兩側(cè)的電池堆7施壓，從而達到電池堆加壓的目的。上托盤、下托盤、支撐柱、施力螺桿、活動塊以及固定塊的材質(zhì)均為不銹鋼。

圖10是以圖9所示的電池堆加壓結(jié)構(gòu)為單元，由3個這樣的單元疊加組裝而成的電池堆陣列。該陣列中包含12個電池堆，穩(wěn)定運行的輸出功率為6kW。

其他與實施例1類似。

實施例3：

本實施例中，SOFC發(fā)電系統(tǒng)中的電池堆加壓結(jié)構(gòu)如圖11所示，包括上托盤1、下托盤2、支撐柱3、施力螺桿4、活動塊5、固定塊6、電池堆7等主要部件。

如圖11所示，7個電池堆放置在下托盤2上，電池堆7兩側(cè)分別是活動塊5和固定塊6，上面有上托盤2，上托盤1和下圖盤2之間有支撐柱3，支撐柱3上面有施力螺桿4。加壓時，旋轉(zhuǎn)施力螺桿4，施力螺桿4推動活動塊5前進，活動塊5前進的過程中向兩側(cè)的電池堆7施壓，從而達到電池堆7加壓的目的。上托盤1、下托盤2、支撐柱3、施力螺桿4、活動塊5和固定塊6的材質(zhì)均為不銹鋼。

其他與實施例1類似。

從該實施例可以看出，此種加壓結(jié)構(gòu)，電池堆的個數(shù)可以是奇數(shù)，也可以是偶數(shù)，可以根據(jù)需要靈活設(shè)置。

以上所述的實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案進行了詳細說明，應(yīng)理解的是以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的原則范圍內(nèi)所做的任何修改、補充或類似方式替代等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。