一种用于船舶电力系统的氧化物燃料电池结构

1.本发明涉及固体氧化物燃料电池技术领域，具体涉及一种用于船舶电力系统的氧化物燃料电池结构


背景技术：

2.船舶电力系统常用的电源装置是柴油发电机组和蓄电池组。柴油燃烧发电过程中产生大量温室气体、氮氧化物、硫氧化物和颗粒物不仅污染海上空气还会有泄露污染海水的风险。随着
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双碳
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目标的提出，加上近年来柴油价格的上涨，船舶行业亟需考虑使用清洁能源作为电力或动力来源。
3.固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell简称sofc)是燃料电池的一种，采用诸如掺杂氧化钇的氧化锆之类的固态氧化物作为电解质，可以直接利用由化石能源、生物质能转化得到的碳氢化合物气体作为燃料，经过外部或内部重整反应和电极内的电化学反应，将燃料的化学能转化为电能。因此sofc应用于船舶动力及电力系统，具有以下优势：1)满足日益严格的污染物排放要求；2)燃料电池运行的安静性，低噪声对于军用舰艇，则能够大大提高其声隐身性能；3)布置空间更加灵活；4)对于能源的利用效率提升明显。公开号为cn110654520a的发明专利公开了一种采用燃料电池船舶直流组网系统和应用此系统的船舶，燃料电池组作为船舶主要动力装置，蓄电池组作为辅助供电装置与燃料电池组形成船舶直流组网。公开号为cn219008093u的实用新型则公开了一种船用混合动力系统及船舶，采用燃料电池单元与锂电池单元并联，用于产生直流电压通过直流配电板为动力单元和日用负载供电。此外还可以采用sofc系统与燃气轮机结合，如图6所示，燃料电池与微型燃气轮机联合循环工作，燃气轮机压气机出来的压缩空气，经过燃料电池尾气余热利用换热器后进入燃料电池阴极反应，尾气补燃后进入燃气轮机透平做功。
4.管式固体氧化物燃料电池由于其独特的构型，启停速度很快，抗热冲击能力强，机械强度高，且高温密封容易，极具应用潜力，因此是固体氧化物燃料电池领域的研究热点。
5.目前的固体氧化物燃料电池技术主要存在以下问题：
6.1、稳定性差：固体氧化物燃料电池在运行过程中，由于温度和气氛变化等因素的影响，容易出现稳定性问题，影响电池的性能和寿命。
7.2、反应速率受到传质限制：一方面，在固体氧化物燃料电池中，燃料和氧气在电解质层内反应生成电子和离子。这些离子随后通过电解质层传输到另一侧，生成水和热能。由于电解质的高电阻率和低离子迁移率，离子传输的速率通常比电子传输的速率慢得多。因此，离子传输限制了反应速率，从而限制了固体氧化物燃料电池的性能和效率。另一方面，在边界层内，由于气体分子与电极表面的相互作用，气体分子的速度会减慢，从而形成一个缓慢的气体层，这个气体层中的质量传递速率变慢，导致反应速率变慢，限制了固体氧化物燃料电池的性能。
8.因此，固体氧化物燃料电池领域仍然需要进一步的研究和创新，以克服现有技术的缺陷和不足，提高电池的性能和应用范围。


技术实现要素：

9.本发明针对背景技术中阐述的固体氧化物燃料电池存在的主要问题，提出了一种用于船舶电力系统的氧化物燃料电池结构，通过在流道中增加阵列单元改善了电池的稳定性并且提高了气体在近壁面处的传质效率，增加了固体氧化物燃料电池内部的气体与电极层之间的接触面积。
10.本发明是通过以下技术方案予以实现的：
11.一种用于船舶电力系统的氧化物燃料电池结构，包括外壳、支撑体、供气管，所述支撑体位于所述外壳的内部，所述支撑体包括阳极层、电解质层、阴极层，所述外壳与所述支撑体之间形成第一通道，所述支撑体为一端开口一端封闭的中空结构，所述供气管从所述支撑体的开口端插入并向所述支撑体的封闭端延伸，所述供气管的出口端与所述支撑体的封闭端之间留有间隙供气体流动，所述支撑体的内壁与所述供气管的外壁之间形成第二通道，气体被引入所述支撑体的封闭端后再通过所述第二通道向所述支撑体的开口端流动；所述支撑体的内壁上设有向内凸起的阵列单元，所述阵列单元沿所述第二通道延伸方向间隔排布，每个阵列单元由多个凸起结构沿所述第二通道的周向排列组成。所述供气管将燃料气或空气的一种通入所述支撑体的封闭端再通过所述第二通道回流至所述支撑体的开口端，在燃料气或空气流过所述第二通道的过程中，由于所述阵列单元中的所述凸起结构的存在增加了气体与电极层之间的接触面积，使得更多的气体能够通过电极层向电解质层移动，另一方面气体在经过凸起结构时会产生与气体主流方向相垂直的漩涡流动，漩涡流动会破坏在近壁面处的边界层，增强气体在边界层内的流速，强化气体在边界层的扩散运动，从而进一步提升了气体向电极层的传质效应。此外带有阵列单元的第二通道增大了气体的流动阻力，增加了气体在第二通道内的流动时间从而增加了整个燃料电池的反应时间，提高了燃料电池整体的反应效率。
12.对本发明的进一步改进，所述支撑体从外向内依次为阳极层、电解质层、阴极层，燃料气在所述第一通道中流动，所述供气管通入空气。空气经供气管通入所述支撑体的封闭端后经所述第二通道向所述支撑体的开口端流动，此时空气经过所述阵列单元时氧气与所述阴极层接触更加充分，从而更快变为氧离子向所述电解质层移动。
13.对本发明的进一步改进，所述支撑体从外向内依次为阴极层、电解质层、阳极层，空气在所述第一通道中流动，所述供气管通入燃料气。燃料气经过供气管道通入所述支撑体的封闭端后经所述第二通道向所述支撑体的开口端流动，此时燃料气经过所述阵列单元时与所述阳极层更加充分的接触，从而加快燃料气从阳极层向电解质层的移动。
14.对本发明的进一步改进，所述支撑体及所述供气管截面均为圆形，所述第二通道截面为圆环形，所述每个阵列单元的多个凸起结构沿所述第二通道的周向均匀排列。在呈圆环形的所述第二通道内每个阵列单元的多个凸起结构周向均匀排列使所述第二通道内的流场在周向上保持基本相同的流动状态，不仅提高了电池的稳定性，同时便于进行加工制造。此外通过调整阵列单元的数量和轴向距离可以使燃料电池的参数呈不同分布。
15.对本发明的进一步改进，所述外壳为圆管型外壳。
16.对本发明的进一步改进，任意两个相邻的阵列单元的凸起结构从所述支撑体轴线方向观察呈交错布置。交错布置的凸起结构在气体经过时能够充分的破坏气体边界层，使气体在近壁面处充分混合。
17.对本发明的进一步改进，所述凸起结构的截面形状为梯形/三角形/方形/半圆形/半椭圆形。
18.对本发明的进一步改进，所述支撑体采用注浆成型法制作。
19.对本发明的进一步改进，所述燃料气为氢气/甲烷/一氧化碳。
20.对本发明的进一步改进，所述阳极层的材料为ni-ysz，所述阴极层的材料为lsm-ysz。
21.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：在一端封闭的支撑体内部通入通过供气管燃料气或空气，使气体流经带有阵列单元的第二通道，由于阵列单元的凸起结构的存在，增大了气体与电极层之间的接触面积的同时产生与气体主流方向相垂直的漩涡流动，破坏了气体在近壁面流动过程中的边界层，增强了气体与电极层之间的传质效率，此外带有阵列单元的第二通道增加了气体的流动阻力，增大了气体在第二通道内的流动时间从而增加了整个燃料电池的反应时间，提高了燃料电池整体的反应效率。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
23.图1是本发明用于船舶电力系统的氧化物燃料电池结构的使用场景示意图；
24.图2是本发明用于船舶电力系统的氧化物燃料电池结构的剖面示意图；
25.图3是本发明用于船舶电力系统的氧化物燃料电池结构的剖面示意图；
26.图4是本发明用于船舶电力系统的氧化物燃料电池结构的其他实施例的剖面示意图；
27.图5是本发明用于船舶电力系统的氧化物燃料电池结构的垂直轴线的剖面示意图；
28.图6是一个典型sofc-燃气轮机联合循环的系统图。
29.图示说明：1、外壳；2、支撑体；3、供气管；4、阳极层；5、电解质层；6、阴极层；7、第一通道；8、第二通道；9、阵列单元；10、凸起结构。
具体实施方式
30.以下将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。
31.下面通过具体的实施例并结合附图对本发明做进一步的详细描述。
32.一种用于船舶电力系统的氧化物燃料电池结构，包括外壳1、支撑体2、供气管3，电池整体长度为20cm，外壳1呈圆管型，支撑体2和供气管3截面均为圆形，支撑体2位于外壳1的内部，支撑体2包括阳极层4、电解质层5、阴极层6，外壳1与支撑体2之间形成第一通道7，支撑体2为一端开口一端封闭的中空结构，供气管3从支撑体2的开口端插入并向支撑体2的
封闭端延伸，供气管3的出口端与支撑体2的封闭端之间留有间隙供气体流动，支撑体2的内壁与供气管3的外壁之间形成截面为圆环形的第二通道8，气体被引入支撑体2的封闭端后再通过第二通道8向支撑体2的开口端流动。
33.支撑体2的内壁上设有向内凸起的阵列单元9，阵列单元9沿第二通道8延伸方向间隔排布，每个阵列单元9由多个凸起结构10沿第二通道8的周向排列组成。
34.在本实施例中，支撑体2从外向内依次为阳极层4、电解质层5、阴极层6，其中阳极层4厚度为50um，电解质层5厚度为20um，阴极层6厚度为1mm。甲烷在第一通道7中流动，供气管3通入空气。空气经供气管3通入支撑体2的封闭端后经第二通道8向支撑体2的开口端流动，供气管3将经过预热的空气通入支撑体2的封闭端再通过第二通道8回流至支撑体2的开口端，在空气流过第二通道8的过程中，由于阵列单元9中的凸起结构10的存在增加了气体与电极层之间的接触面积，使得空气与阴极层6接触更加充分，空气中更多的氧气能够通过电极层向电解质层5移动，另一方面空气在经过凸起结构10时会产生与气体主流方向相垂直的漩涡流动，漩涡流动会破坏在近壁面处的边界层，增强气体在边界层内的流速，强化气体在边界层的扩散运动，从而进一步提升了空气中的氧气向电极层的传质效应。此外带有阵列单元9的第二通道8增大了空气的流动阻力，增加了空气在第二通道8内的流动时间从而增加了整个燃料电池的反应时间，提高了燃料电池整体的反应效率。
35.在其他实施例中，支撑体2也可以是从外向内依次为阴极层6、电解质层5、阳极层4，预热后的空气在第一通道7中流动，供气管3通入甲烷或其他燃料气。甲烷或其他燃料气经过供气管3道通入支撑体2的封闭端后经第二通道8向支撑体2的开口端流动，此时甲烷或其他燃料气经过阵列单元9时与阳极层4更加充分的接触，从而加快甲烷或其他燃料气从阳极层4向电解质层5的移动。
36.在本实施例中，每个阵列单元9的多个凸起结构10沿第二通道8的周向均匀排列。在呈圆环形的第二通道8内每个阵列单元9的多个凸起结构10周向均匀排列使第二通道8内的流场在周向上保持基本相同的流动状态，不仅提高了电池的稳定性，同时便于进行加工制造。此外在本实施例中阵列单元9的轴向间距保持固定，在其他实施例中，通过调整阵列单元9的数量和轴向距离可以使燃料电池的参数呈不同分布。
37.在本实施例中，任意两个相邻的阵列单元9的凸起结构10从支撑体2轴线方向观察呈交错布置。交错布置的凸起结构10在气体经过时能够充分的破坏气体边界层，使气体在近壁面处充分混合。在其他实施例中相邻的阵列单元9的凸起结构10相对位置也可以根据燃料电池的设计参数的不同呈现不同的排布方式。
38.在本实施例中，凸起结构10的截面形状为梯形，梯形底边为1mm，高为0.3mm；矩形边长为1mm，高0.3mm，在其他实施例中凸起结构10的截面形状也可以设计为三角形，三角形边长为1mm，高为0.3m，在另外一些实施例中凸起结构10的截面形状还可以是半圆型或圆形，具体参数可以根据需求进行设计。
39.本实施例中的支撑体2采用注浆成型法制作。具体步骤如下：
40.准备模具：根据需要的阵列单元9形状和凸起尺寸，制备对应的模具。通常采用石膏模具，将熟石膏粉末和水按比例混合均匀，倒入容易拆卸的容器中，将准备好的模具静置于石膏浆料中，待石膏浆凝固成型，脱模并烘干，得到石膏模。
41.制备浆料：将所需的粉体加入到水中，并加入分散剂和黏结剂，球磨混匀，制备出
均匀的浆料。
42.注浆成型：将制备好的浆料倒入预先准备好的石膏模具中，浆料中的水分(或溶剂)通过石膏模中微孔的毛细作用被石膏模吸收，浆料中的固体颗粒沉积在壁上。在此过程中，石膏模中浆料的水平面会下降，要及时补充浆料，维持水平面的高度。待沉积层达到所需的厚度时，将剩余的浆料倒出。
43.烘干坯体：沉积在石膏模壁上的泥层经适当干燥后，发生收缩，与石膏模分离，将此坯体取出，进一步干燥。
44.采用上述方法制作支撑体2的阴极层6及阵列单元9，然后再通过喷涂的方法在已经成型的阴极层6外侧逐层喷涂电解质层5和阳极层4。
45.注浆成型法的优点在于成本较低，可制备出复杂的形状和尺寸，且精度高，表面光滑。
46.本实施例中的阳极层4的材料为ni-ysz，阴极层6的材料为lsm-ysz。
47.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案。

技术特征：
1.一种用于船舶电力系统的氧化物燃料电池结构，包括外壳、支撑体、供气管，所述支撑体位于所述外壳的内部，所述支撑体包括阳极层、电解质层、阴极层。所述外壳与所述支撑体之间形成第一通道，所述支撑体为一端开口一端封闭的中空结构，所述供气管从所述支撑体的开口端插入并向所述支撑体的封闭端延伸，所述供气管的出口端与所述支撑体的封闭端之间留有间隙供气体流动，所述支撑体的内壁与所述供气管的外壁之间形成第二通道，气体被引入所述支撑体的封闭端后再通过所述第二通道向所述支撑体的开口端流动，其特征在于：所述支撑体的内壁上设有向内凸起的阵列单元，所述阵列单元沿所述第二通道延伸方向间隔排布，每个阵列单元由多个凸起结构沿所述第二通道的周向排列组成。2.根据权利要求1所述的用于船舶电力系统的氧化物燃料电池结构，其特征在于：所述支撑体从外向内依次为阳极层、电解质层、阴极层，燃料气在所述第一通道中流动，所述供气管通入空气。3.根据权利要求1所述的用于船舶电力系统的氧化物燃料电池结构，其特征在于：所述支撑体从外向内依次为阴极层、电解质层、阳极层，空气在所述第一通道中流动，所述供气管通入燃料气。4.根据权利要求1-3中任意一项所述的用于船舶电力系统的氧化物燃料电池结构，其特征在于：所述支撑体及所述供气管截面均为圆形，所述第二通道截面为圆环形，所述每个阵列单元的多个凸起结构沿所述第二通道的周向均匀排列。5.根据权利要求1所述的用于船舶电力系统的氧化物燃料电池结构，其特征在于：所述外壳为圆管型外壳。6.根据权利要求1所述的用于船舶电力系统的氧化物燃料电池结构，其特征在于：任意两个相邻的阵列单元的凸起结构从所述支撑体轴线方向观察呈交错布置。7.根据权利要求1所述的用于船舶电力系统的氧化物燃料电池结构，其特征在于：所述凸起结构的截面形状为梯形/三角形/方形/半圆形/半椭圆形。8.根据权利要求1所述的用于船舶电力系统的氧化物燃料电池结构，其特征在于：所述支撑体采用注浆成型法制作。9.根据权利要求2或3中所述的用于船舶电力系统的氧化物燃料电池结构，其特征在于：所述燃料气为氢气/甲烷/一氧化碳。10.根据权利要求1所述的用于船舶电力系统的氧化物燃料电池结构，其特征在于：所述阳极层的材料为ni-ysz，所述阴极层的材料为lsm-ysz。

技术总结
本发明公开了一种用于船舶电力系统的氧化物燃料电池结构，包括外壳、支撑体、供气管，支撑体位于外壳的内部，外壳与支撑体之间形成第一通道，支撑体为一端开口一端封闭的中空结构，供气管从支撑体的开口端插入并向支撑体的封闭端延伸，供气管的出口端与支撑体的封闭端之间留有间隙供气体流动，支撑体的内壁与供气管的外壁之间形成第二通道，支撑体的内壁上设有向内凸起的阵列单元，阵列单元沿第二通道延伸方向间隔排布，每个阵列单元由多个凸起结构沿第二通道的周向排列组成。本发明的用于船舶电力系统的氧化物燃料电池结构，提高了燃料电池的传质效率和反应速率，并保证了电池的稳定性。性。性。


技术研发人员：杨来顺 崔熠 王震 常国璋 李杰 王翠苹 崔伟伟 孙佩佩
受保护的技术使用者：山东科技大学
技术研发日：2023.06.29
技术公布日：2023/8/13