CN100511809C - 环形导体框架支撑的平板式固体氧化物燃料电池堆构件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及固体氧化物燃料电池，尤其涉及平板固体氧化物燃料电池堆的构成。其单电池支撑件是导体金属或致密耐高温导电陶瓷构成的、至少有一侧外环面为平面的环形框架，在该外环平面上有多个能安装单电池的通孔；单电池阳极—电解质部分与环形框架导电密封接触；环形框架的两端头分别与供给阳极反应气体和排除反应气体管道接通，反应气体直接导入到环形框架孔内；在单电池阴极上设置导体集流件，该导体集流件与单电池阴极之间形成导电接触而与导体环形框架之间保持电绝缘，单电池阴极所需反应气体由环境空间供给。本发明的电池堆构件，在提高电流收集效率的同时降低了对密封的要求，简化了结构，在降低电池堆成本的同时提高了可靠性和可维护性。
Description
技术领域
本发明涉及固体氧化物燃料电池(SOFC)，尤其涉及平板固体氧化物燃料电池堆的构成。
背景技术
燃料电池通过电化学反应将储存在氢气、天然气、一氧化碳等燃料中的化学能转变成电能和热能。由于燃料电池不依赖于燃烧反应，因此能量转化效率高(50-60％的发电效率和可高达85％的热电综合效率)，排出的污染物大大低于传统的发电技术，对于节约能源和减少环境污染具有重要的意义。固体氧化物燃料电池(SOFC)具有对燃料适用性强、能源利用率高、无需贵金属催化剂等突出特点，因此受到了越来越广泛的重视。
通常，SOFC采用固态的致密电解质层，如氧化物陶瓷(如：钇稳定氧化锆YSZ)等，其在高温下对氧离子有良好的电导，但对电子绝缘。电解质层与分别附着在其两面的多孔阳极和多孔阴极一起构成类似“三明治”结构的部件，通常被称作“单电池”，也被称为“阳极—电解质—阴极”(PEN，positive-electrolyte-negative)。氧化气体(如氧气、空气)从单电池的阴极一侧导入，经过阴极的催化分解转变成的氧离子通过电解质层，与在阳极一侧导入并经过催化分解的燃料气(如氢气、一氧化碳气、煤气、天然气、甲烷或其它碳氢化合物可燃气体等)发生电化学反应，电子则经过外电路从阳极经过负载流向阴极，形成可供利用的电能。
目前SOFC电池堆主要有管式和平板式两种基本设计。美国西门子西屋动力公司的管式设计(Westinghouse，专利号：EP0055011和EP0055016)是比较成熟和最具代表性的一种。管式设计有密封相对容易的优点。但因为管式设计是将单电池制作成一个单端开口的闭合管形状，使单电池的一个电极(阴极或者阳极)被包围在管的内部，造成管内部电极的电流无法从管的外部方便地收集。为了解决电流收集问题，目前所采用的方法是沿着电池管的长轴方向在其外部设置导电连接体，该连接体通过贯通外部电极和电解质层的沟槽伸入到管内部电极的表面形成电接触，例如CN20041005807.3。这种管式电池设计导致了以下一些难以克服的缺点：(1)设置导电连接体的沟槽占用了单电池的有效面积，导致电池输出功率密度的下降；(2)当电池管的直径增大时，沿着电池管圆周方向收集电流的路径加长，导致了电池内阻的增加，影响电池的功率输出；(3)由于同时还要保证导电连接体与电池管外部电极之间具有良好的电绝缘，使其结构复杂化，导致了其成型和制作工艺复杂，提高了制作成本。
CN200310121171.1、CN200410057655.9、US4476197中都公开报道了平板式SOFC的设计，采用平板形状的单电池，将燃料气和氧化气分别导入到平板单电池的两个面。平板式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，但通常需要用到对热膨胀系数、电子电导、高温抗氧化性要求十分严格的连接板，连接板的成本往往占了电池堆总体成本的一半以上。同时对电池堆的密封也有着非常苛刻的要求。例如平板式SOFC需要在单电池的上下两面的周边与连接板形成密封。电池堆尺寸越大，密封路径越长，成品率越低；为了保证电池不被短路，还要求采用耐高温的绝缘密封材料；密封材料需在600—800℃的氧化与还原气氛下长期工作，且还要承受电池堆运行、启动和停止过程的热应力。另外，目前的平板式SOFC的电池堆都是由多片电池的重复单元通过密封材料封接在一起，其中任何一个电池单元出现问题，都会使整个电池堆报废，很难于修复与维护。
为了解决平板式设计的密封和管式设计的集流问题，劳斯莱斯公司(Rolls—Roys，)在CN02818134.4专利中采取了将单电池封接在陶瓷支撑管上，将各个单电池的阴极和阳极以串连的方式互相搭接在一起的方式将管内的电极引出，有效减小了电流的收集路径。但这样的搭接结构同样需要在各个单电池之间占用额外的有效面积，同时使各个单电池搭接同样需要复杂的制作工艺，使电池的成本上升。这样全陶瓷的结构设计不仅导致制作成本上升，还给电池的维修带来极大的困难。
另外，在现有的SOFC技术中，电池的快速启动仍然是没有解决的问题。例如车用电池堆需要在10分钟以内从常温快速升温到约600℃以上的工作温度，但现有的电池堆只能从整体电池堆的外部加热，因此升温速度慢并且产生的热应力大，限制了SOFC在汽车上的应用。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有技术中的不足，提供一种由导体框架支撑的平板式固体氧化物燃料电池堆构件，从而简化结构，减低其制造成本。
本发明的目的通过以下方式来实现。
本发明的环形导体框架支撑的平板式固体氧化物燃料电池堆构件，包括多个由阳极—电解质—阴极构成的单电池及其支撑件，以及用以导入和导出反应气体的管道和引出电流的导体，其特征在于，所述支撑件是由导体金属或致密的耐高温导电陶瓷构成的、至少有一侧外环面为平面的环形框架，例如，其横截面为半圆形、圆台形，三角形，四边形等，在该环形框架的外环平面上设置有多个能安装单电池的通孔；所述单电池的阳极—电解质部分与环形框架导电密封接触，使环形框架成为收集并引出电流的导体；该环形框架的两端头分别与供给阳极反应气体(燃料气体，如氢气等)和排除反应气体的管道接通，反应气体直接导入到环形框架的内孔中；在单电池的阴极上设置有另一能引出电流的导体集流件，该导体集流件和环形框架之间保持电绝缘，以保证电流能按照阳极—外电路—阴极的顺序流动而不发生短路；单电池阴极所需的反应气体(空气或氧气)由电池堆所在的外部环境空间供给。
为提高环形框架收集阳极电流的效率，同时并起到加强对单电池的支撑作用，实际制作时，可在环形框架的通孔处设置网格状导体金属条，使单电池的阳极的外平面与导体金属条直接接触，可大大增加二者的接触面积；或者在环形框架的内孔中设置导电填充物(如Ni网、Ni屑、表面镀Ni的球等)，使单电池的阳极的外平面与导电填充物直接接触，同样能起到增加二者的接触面积，提高收集电流效率的目的，另一方面，该填充物的间隙还具有分配反应气体气流的作用。
所述环形框架的使用材料是不锈钢或耐高温合金或耐高温金属或耐高温导电陶瓷等。为了阻止环形框架材料中有害元素的挥发对单电池表面的污染，同时也为了防止反应气体对环形框架材料的侵蚀作用，延长其使用寿命，所述环形框架的表面还可以镀有保护膜层，该保护涂层厚度可以在0.2至100微米的范围内选择。例如在环形导体框架外表面镀氧化物材料(例如氧化铝膜、锰钴氧化物膜等)的抗氧化涂层。
在实际使用中也可以在环形框架的内部填充供燃料气重整化反应的催化剂，以达到在燃料电池内部进行重整化反应的目的，例如镍基催化剂。
所述阴极集流件可以是柔性件，以实现与单电池阴极的良好电接触并减小应力，例如是随阴极层表面形状弯曲的波纹状弹性结构、网状结构、编织绳结构、疏松的多孔结构等。
本发明的环形导体框架支撑的平板式固体氧化物燃料电池堆构件，可以根据实际使用的需要，任意组合成不同的组合件，形成各种结构的电池堆。各个组合件的反应物通道的端部通过管路连接，反应物可以在各组件内部以串连和(或)并联的方式通过，各个电池组件间的电连接也可以采用并联和(或)串连的方式，反应物通道中间以及组合件之间可根据需要设置有绝缘部件，以保证电流按照阳极—外电路—阴极的顺序流动而不发生短路，而且反应物通道与导电通路间的串连和(或)并联可以相互独立设置，可自由组合，给使用者带来了极大的方便。
在电池堆的实际制作时，还可以在电池堆构件的外表面设置(即在各个电池堆构件之间的空隙中)设置加热元件，以帮助电池启动，并可以调控电池的工作状态；也可以在电池组件或电池堆上配备温度、气体流量、气体成分、电压或电流传感元件，用于采集其运行参数。
本发明的导体框架支撑的平板式固体氧化物燃料电池堆构件，利用导体件来支撑单电池，同时该导体件还兼有收集电流并引出的功能，在提高电流收集效率的同时省去了现有平板式固体氧化物燃料电池堆中昂贵的连接板，简化了结构，方便了加工。同时，因为导体框架的环形设计充分保证了反应气体的密封性能，电池堆构件间的绝缘采用独立的部件，因此省去了现有平板式电池设计中所必须的要求非常苛刻的绝缘密封环节，有效地降低了成本并提高了电池的可靠性。由于环形导体框架设计使燃料气体在其内部流动，而氧化气体(如空气)在其所处的外部环境空间流动，因此只需对燃料气体密封而不需要对氧化气体进行严格的密封，减少了密封环节，进一步降低了电池堆的成本并提高了可靠性。由于在电池堆内部的各个电池堆构件之间的空隙中可以设置加热器，因此可以使电池堆实现均匀的快速加热，有利于提高电池堆的启动速度使电池满足车用的要求。同时，由于电池堆构件能够采用模块化结构设计并且可以采用金属之间的连接，因此非常容易维护。例如，在采用金属环形框架的情况下，如果某个单电池损坏，可以通过将单电池替换成金属板并经过金属间的焊接将相应的通孔密封起来的办法排除，而不会明显降低整体电池堆的性能。
此外，当使用金属材料作为环形框架时，由于金属材料具有良好的延展性和强度，因此电池堆中的各个部件均可采用薄壁设计，可以有效地降低电池堆的重量。
下面通过实施例及其附图作出进一步说明。
附图说明
图1是本发明所述的导体框架支撑的平板式固体氧化物燃料电池堆构件中单个电池的一种实施例的结构示意图。
图2是图1的俯视图。
图3是图1的侧视图，图中采用了剖视并进行了放大处理。
图4是所述在单电池阴极上设置有随阴极层表面形状弯曲的柔性结构的导体集流件的一种结构示意图。
图5是将两组本发明所述的导体框架支撑的平板式固体氧化物燃料电池堆构件连接在一起的组合件的状态图。
图6是多组本发明所述的导体框架支撑的平板式固体氧化物燃料电池堆构件组合成的电池堆示意图。
具体实施方式
参见图1、2、3，金属导体框架1为中空细长件，其截面为长圆形，上、下两平面上分别设有8个四方形通孔，16个单电池的阳极层2嵌入在此孔中，其四边与框架通孔壁紧密接触，并有粘结剂固定，构成导电通道，3为电解质层，4为阴极层，该层不与导体框架接触，所有单电池都是并联在该金属导体环形框架上。
参见图4，5是阴极导体集流件，每个单电池的阴极并行连接在该导体集流件上。该导体集流件根据阴极层的尺寸弯曲，这样，安装后将使其与阴极层形成良好的电接触而与导体框架之间保持电绝缘，并且可以减小单电池与导体集流件间的应力。
本实施例中，所述导体环形框架和阴极导体集流件的材料是不锈钢，厚度为1毫米。在其外表面上镀有锰钴氧化物膜保护层，用于阻止金属框架的氧化。
参见图5，图中表达了两组本发明所述的导体框架支撑的平板式固体氧化物燃料电池堆构件连接在一起的一种组合件的状态。在金属导体框架的两端分别套状有管道连接件6，以用于与反应气体管道的连接。7和8是Al2O3陶瓷构成的绝缘件，分别用于阴极导体集流件与金属导体框架之间、以及连接组合件之间的管道的绝缘分离。9是圆形中空绝缘件，也由Al2O3陶瓷材料构成，当多组电池堆构件连接在一起时起到相互间的绝缘作用，同时其孔能用于穿电阻丝，这样，它不仅能起到绝缘作用，而且通电后能加热电池堆，用于帮助电池堆实现启动过程中的加热和在电池堆运行过程中调控电池堆的工作状态。
参见图6，该图表达了多组本发明所述的导体框架支撑的平板式固体氧化物燃料电池堆构件连接在一起构成的电池堆的状态。图中，各个电池组件间的电连接采用并联和(或)串连相结合的方式，使结构十分紧凑。
Claims (9)
1.一种环形导体框架支撑的平板式固体氧化物燃料电池堆构件，包括多个由阳极—电解质—阴极构成的单电池及其支撑件，以及用以导入和导出反应气体的管道和引出电流的导体，其特征在于，所述支撑件是由导体金属或致密的耐高温导电陶瓷构成的、至少有一侧外环面为平面的环形框架，在该环形框架的外环平面上设置有多个能安装单电池的通孔；所述单电池的阳极—电解质部分与环形框架导电密封接触，使环形框架成为收集并引出电流的导体；该环形框架的两端头分别与供给阳极反应气体和排除反应气体的管道接通，反应气体直接导入到环形框架的内孔中；在单电池的阴极上设置有另一能引出电流的导体集流件，该导体集流件和导体环形框架之间保持电绝缘；单电池阴极所需的反应气体由电池堆所在的外部环境空间供给。
2.如权利要求1所述的平板式固体氧化物燃料电池堆构件，其特征在于，所述在环形框架的通孔处设置网格状导体金属条，单电池的阳极外平面与导体金属条直接接触。
3.如权利要求1所述的平板式固体氧化物燃料电池堆构件，其特征在于，在环形框架的内孔中设置导电填充物，单电池的阳极的外平面与导电填充物直接接触。
4.如权利要求1所述的平板式固体氧化物燃料电池堆构件，其特征在于，所述环形框架的材料是耐高温合金或耐高温金属或耐高温导电陶瓷。
5.如权利要求1所述的平板式固体氧化物燃料电池堆构件，其特征在于，所述环形框架的表面镀有保护膜层，该保护涂层厚度在0.2至100微米的范围内。
6.如权利要求1所述的平板式固体氧化物燃料电池堆构件，其特征在于，所述在环形框架的内部填充供燃料气重整化反应的催化剂。
7.如权利要求1所述的平板式固体氧化物燃料电池堆构件，其特征在于，在电池堆构件的外表面设置有加热元件。
8.如权利要求1所述的平板式固体氧化物燃料电池堆构件，其特征在于，所述阴极集流件是柔性件。
9.如权利要求4所述的平板式固体氧化物燃料电池堆构件，其特征在于，所述耐高温合金是不锈钢。
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