[发明专利]一种类螺旋状连接体平板固体氧化物燃料电池堆

说明书

技术领域

本发明涉及固体氧化物燃料电池（SOFC），尤其涉及类螺旋状连接体平板固体氧化物燃料电池堆的结构。

背景技术

随着全球工业化的进一步推进，长期以来依赖煤、石油等传统化石能源的能源生产供应体系由于原材料的枯竭正逐渐步入转型阶段，高效、清洁的可再生新能源供应系统成为全世界各个国家解决现有能源危机的首选，全球各国都在积极开发太阳能、风能、海洋能、海底可燃冰等可再生新能源，同时发展以氢气、甲醇等燃料作为汽油、石油代替品的新技术，燃料电池作为解决能源利用效率低和环境污染双重问题的二次能源装置，其高效、低污染的优势正在逐渐凸显，固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cells）由于燃料适用性强、催化成本低、能源利用率高等优点在发电、汽车、航空电子等领域为广大科研机构所重视，并逐步走向商业化。

固体氧化物燃料单电池主要由阴极、阳极、电解质组成，各单电池之间通过连接体衔接，连接体同时起到导流的作用。SOFC由于其工作条件和结构特性导致对各组成部分的材料和工艺要求十分严格，基于材料在氧化还原气氛中要有较好的稳定性、彼此之间的化学相容性、各材料相近的热膨胀系数和合适的电导性、连接体和电解质完全致密性、阳极和阴极要有合理的孔隙率和粒径分布等要求，目前阳极广泛采用镍掺杂的YSZ(Ni/YSZ)，阴极主要采用钙钛矿氧化物，电解质材料广泛采用氧化钇掺杂氧化锆Y₂O₃-ZrO₂(YSZ)，连接体可采用钙钛矿氧化物陶瓷或金属合金材料。

连接体在SOFC中起到连接各电池单片和集流的作用，在平板式SOFC堆中连接体还起到分隔燃料气与相邻电池氧化气的作用。由于连接体要接触燃料气体与氧化气体，不仅要求加工成本低，对连接体结构的稳定性、电子电导率、机械强度等方面有很高的要求。

由于设计具有电流收集路程短、功率密度高、制备工艺简单等优点，在中国专利CN201210072002.2、CN200910095328.5、CN200920085649.2、CN200810150543.6、CN200710120475.4、CN200560026293.3、CN200410020924.1等及美国专利US4663493、US2624910、US2226032等中都公开报道了平板式SOFC堆的设计，即采用平板形状的单电池堆，将燃料气体和氧化气体分别导入到平板单电池的两个面。由于通常SOFC堆内氧化气体和燃料气体多为层流流态，在电极反应界面上燃料气体浓度或氧化气体浓度较低，而远离电极侧的气体浓度较高但无法参与电极反应，导致这一现象的主要原因在于绝大部分现有板式SOFC电堆连接体（槽式结构、波纹结构等）仅能从平行于平板面的方向扰动气体，而垂直于电池的平面上的燃料气体和氧化气体浓度差较大、浓度极化较高的问题不能得到很好地解决，无法有效地强化传质，从而降低了SOFC堆的性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种类螺旋状连接体平板固体氧化物燃料电池堆。

为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案。

包括多个由阳极、电解质层以及阴极构成的单电池，相邻单电池的阳极或阴极正对，在相邻的单电池之间设置有连接体，连接体的气体通道采用类螺旋通道连接而成。

所述气体通道包括并行排列的若干根中空类螺旋通道，相邻类螺旋通道在其两侧气体进出口处分别由与沿气体流通方向圆形横截面直径一致的圆形直通道相连，最外侧的两根类螺旋通道分别通过同样的圆形直通道与连接体的外界气体进出口对应相连，使若干根类螺旋通道形成一个连通的气体流通场所。

所述气体通道包括通过两个平面截去螺旋通道阵列上下两端所剩余的部分。螺旋通道阵列由若干根并行排列的螺旋通道组成。

所述两个平面与螺旋通道阵列所在平面平行，两个平面距螺旋通道中轴线的距离在螺旋通道与所述中轴线之间距离的最大值与最小值之间，一方面，使得在气体通道中的气体可以以一定角度同时水平和垂直冲刷电池的阳极和阴极，另一方面保证气体可以沿气体通道流动而不发生回流。

所述气体通道在未与电极（阳极、阴极）接触的地方沿气体流通方向横截面为圆形，在与电极接触的地方沿气体流通方向横截面为拱形面，且拱形面圆弧段所对应的半径与所述圆形横截面半径一致。

通过调整类螺旋通道的数目，可以改变氧化气体或燃料气体在连接体上的气体出口位置。