[發明專利]一種高溫固體燃料電池堆的熱管理系統及方法

有效

• 申請號: 201810123440.4
• 申請日: 2018-02-07
• 公開（公告）號: CN108428911B
• 公開（公告）日: 2019-02-05
• 發明（設計）人: 鄭克晴;林雪妹
• 申請（專利權）人: 中國礦業大學
• 主分類號: H01M8/04007
• 分類號: H01M8/04007;H01M8/04014;H01M8/04225;H01M8/04302
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 樓高潮

本發明公開了一種高溫固體燃料電池堆的熱管理系統及方法，該系統包括絕熱腔、電加熱器Ⅱ、電加熱器Ⅲ、氣體分離器和氨氣供氣裝置，電池堆置于絕熱腔中，電池堆外表面噴涂有催化劑涂層，氧化氣體進口分出一路與氧化氣體出口、氨氣供氣裝置通過管路匯集后與絕熱腔的進氣口相連，電加熱器Ⅲ與絕熱腔進氣口之間連接有管路，氣體分離器內設有透氫膜，氣體分離器的進氣口與絕熱腔的出氣口連接。電池堆熱啟動時，氣流從電池堆內部和外部同時進行加熱，運行時，向絕熱腔中通入氨氣和氧化氣體的混合氣，發生裂解反應吸收電堆的熱量，冷卻電池堆。本發明縮短了電池堆熱啟動時間，提高了電池堆的熱管理能力和電堆溫度分布的均勻性。

技術領域

本發明涉及燃料電池技術領域，具體涉及固體燃料電池，特別涉及一種高溫固體燃料電池堆的熱管理系統及方法。

背景技術

燃料電池是一種能夠將燃料中的化學能直接轉化為電能的電化學發電裝置。根據所用的電解質類型，燃料電池主要可分為以下幾種:堿性燃料電池（AFC）、質子交換膜燃料電池（PEMFC）、磷酸燃料電池（PAFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）和固體氧化物燃料電池（SOFC）。其中，MCFC和SOFC屬于高溫固體燃料電池，工作溫度較高（MCFC大約為650℃，SOFC大約為800℃），具有更高的實際輸出效率。

燃料電池單電池的輸出電壓約為1V，為了使得燃料電池具有實際應用可能，需要將若干個單電池以各種方式（串聯、并聯、混聯）組裝成電池堆。燃料電池堆的熱管理技術是實現燃料電池商業化的關鍵技術和難點之一。對燃料電池堆進行熱管理是指通過一定的措施，將燃料電池堆的溫度和溫度場控制在合理的范圍內，避免電池堆內的溫度梯度過高，以維持電池堆良好的工作性能和熱-機械穩定性。

燃料電池單電池的基本結構包括：多孔陽極層，多孔陰極層，致密的電解質層以及氣體通道。將熱（冷）氣流引入氣體通道以加熱（冷卻）電池是目前最常見的針對高溫固體燃料電池堆的熱管理法，又可分為單通道（僅在陰極氣體通道通入空氣）和雙通道（同時在陽極氣體通道通入燃料氣和在陰極氣體通道通入空氣）兩種形式。這種使用氣流的熱管理方法優勢在于簡單易行，然而由于傳熱熱阻的存在以及熱量傳遞的滯后性，采用這種方法會在電池堆的氣流入口與出口形成溫度梯度。而過高的溫度梯度會導致過大的熱應力產生和電池的結構破壞。

發明內容

本發明的目的是提供一種高溫固體燃料電池堆的熱管理系統，該系統能縮短電池堆熱啟動時間，降低電池堆內的溫度梯度，提高電池堆溫度分布的均勻性。

本發明的另一目的是提供一種高溫固體燃料電池堆的熱管理方法。

為解決上述目的，本發明采用如下技術方案：一種高溫固體燃料電池堆的熱管理系統，包括燃料電池堆、燃料氣體進口、燃料氣體出口、氧化氣體進口和氧化氣體出口，

該系統還包括絕熱腔、電加熱器Ⅱ、電加熱器Ⅲ、氣體分離器和氨氣供氣裝置，所述絕熱腔內部中空，所述燃料電池堆置于絕熱腔中，所述燃料電池堆的外表面噴涂有催化劑涂層，燃料氣體進口和燃料氣體出口分別與燃料電池堆的陽極氣體通道連通，電加熱器Ⅱ設置在燃料氣體進口和燃料電池堆之間的管路上，氧化氣體進口分為兩路，一路經電加熱器Ⅲ與燃料電池堆的陰極氣體通道連通，另一路與氧化氣體出口、氨氣供氣裝置通過管路匯集后與絕熱腔的進氣口相連，氧化氣體進口與絕熱腔進氣口之間匯集之前的管路上設有閥門Ⅳ，氧化氣體出口與絕熱腔進氣口之間匯集之前的管路上設有閥門Ⅲ，氨氣供氣裝置與絕熱腔進氣口之間匯集之前的管路上設有閥門Ⅰ，匯集后的管路上還依次設有電加熱器Ⅰ、流量計和溫度計，所述電加熱器Ⅲ與所述絕熱腔進氣口之間連接有管路，并在該管路上設有閥門Ⅱ，

所述氣體分離器內設有透氫膜，氣體分離器的進氣口與絕熱腔的出氣口連接，氣體分離器的出氣口分為兩路，一路經透氫膜后與燃料氣體進口相連，另一路不經透氫膜直接與氧化氣體出口相連。

優選的，所述催化劑為鎳基催化劑，該催化劑可使氨氣在高于600℃時發生裂解。