CN101315986B - 阵列式单气室固体氧化物燃料电池组模块 - Google Patents

阵列式单气室固体氧化物燃料电池组模块 Download PDF

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Abstract

阵列式单气室固体氧化物燃料电池组模块，涉及一种电化学能源装置，具体涉及多个单电池阵列式排布的电池组模块。目的是解决目前的单气室电池组因结构上的局限性而使单电池数目受到限制，电池组不能有效放大，空间利用率不高，进而不能得到更高的输出电压和输出功率的问题。本发明由多个单电池、多个导电体、绝缘托板、阳极电流引线和阴极电流引线组成，每个单电池由阳极、电解质层和多孔阴极组成，阳极的一侧表面固定电解质层，电解质层的另一侧表面上涂覆多孔阴极，绝缘托板上表面设置有多个定位槽，每个单电池分别置于一个定位槽内，单电池之间由导电体串联连接、并联连接或串并混联连接，电池组模块设置有一个阳极电流引线和一个阴极电流引线。

Description

阵列式单气室固体氧化物燃料电池组模块 
技术领域
本发明涉及一种电化学能源装置，具体涉及多个单电池阵列式排布的电池组模块。 
背景技术
SOFC(固体氧化物燃料电池)的发电技术是极具潜力的新一代发电技术之一，其具有全固态、高效率、低污染等优点。传统的双气室结构的SOFC可以使用氢气、甲烷、煤气和天然气等多种燃料和氧气等氧化剂，这些气态的反应物分别处于SOFC的电解质的两侧的气室中，其中阳极气室中为燃料气体，而阴极气室中为氧气(或空气)，这也是SOFC的基本组成。常规的双气室结构SOFC的电池组已有平板式、锥管式串联式、无密封管式、瓦楞式、块式等多种设计。而这些电池都有两种气室：燃料室和氧气(空气)室，即每个单电池的电解质两侧分别为阳极一侧的燃料室和阴极一侧的氧气室，而当要实现N节电池的串联组合时，电池组必须分成2N个气室，而且必须分别通入各自的气体，这样系统结构就变得十分复杂，不仅制作困难，且在局部发生故障后，维修的难度也很大。同时，由于正常工作条件下，必须避免燃料的泄漏和与氧气的混合，要求双极板和电解质必须致密不透气，且边界处还必须用封接(密封)材料进行有效的密封，因此SOFC电池组对材料和制作工艺的要求很高。 
单气室固体氧化物燃料电池(简称SC-SOFC)只有一个气室，里面通入包含燃料和氧气的混合气体，利用电池的阴极和阳极分别对氧气和燃料具有选择催化作用，在两个电极之间产生电势差实现发电。这种单气室燃料电池即使组成一个电池组系统也只需要一个气室，因此其结构非常简单，而且无需密封，使得电池组的组装变得更加容易。对于单气室SOFC电池组，已有美国专利提出在一个电解质片的一面上形成多个交替排列的阳极和阴极，之间有沟道隔开，形成多个单电池，进而通过串联形成电池组，这种方法形成的电池组可以通过缩小邻近的阴极和阳极间隙来减小电池的内阻。公开号为 CN1564361的中国发明专利“单气室固体氧化物燃料电池组成的电池组”，它把多个阴极和阳极安排在同一个薄电解质片上，进而连接成电池组。还有为了解决现有的电解质支撑结构的单气室固体氧化物燃料电池组的功率密度低、存在漏电通道导致开路电压偏低等问题的一种单气室固体氧化物燃料电池串联电池组；公开号为CN1832240的中国发明专利“一种单气室固体氧化物燃料电池串联电池组”采用了将多个单气室固体氧化物燃料电池单电池直接直线串联的结构，电池组是在一个方向上延伸，气流方向与电极面垂直。公开号为CN101162784的中国发明专利“一种星形结构的单气室固体氧化物燃料电池组”则提出了在瓷管上按照星形放射状布局环绕排列单电池的单气室电池组方案，呈节状沿着支撑瓷管方向延伸，气流方向沿着电极面方向或与之呈一定角度。 
以上公开的几种电池组在结构上有很大的局限性，单电池的数目受到限制，不利于电池组进行放大，空间利用率不高，进而不能得到更高的输出电压和输出功率。 
发明内容
本发明的目的是解决目前的单气室电池组因结构上的局限性而使单电池的数目受到限制，电池组不能有效放大，空间利用率不高，进而不能得到更高的输出电压和输出功率的问题，设计一种阵列式单气室固体氧化物燃料电池组模块。 
本发明包括多个单电池、多个导电体、绝缘托板、阳极电流引线和阴极电流引线，每个单电池由阳极、电解质层和多孔阴极组成，阳极的一侧表面固定有电解质层，电解质层的另一侧表面上涂覆有多孔阴极，绝缘托板的上表面设置有多个定位槽，每个单电池分别置于一个定位槽内，单电池之间由导电体串联连接、并联连接或串并混联连接，电池组模块设置有一个阳极电流引线和一个阴极电流引线。多个单电池排列采用以下几种方式中的任意一种： 
一、多个单电池的行与行、列与列分别平行且间距相等； 
二、多个单电池的行与行、列与列分别平行且间距相等，且相邻行和列的单电池呈交错式排列； 
三、多个单电池采用同心圆式发散排列； 
四、相邻单电池呈一定角度排列； 
五、多个单电池排列成日字格阵列或田字格阵列。 
导电体(2)为沿长度方向冲压有多个相互间隔的矩形或圆形气孔的金属条带，或为金属导线； 
绝缘托板(3)表面均布镂空孔(3-3)； 
绝缘托板(3)的下表面设置有多个限位槽(3-2)，多个限位槽(3-2)分别与多个定位槽(3-1)一一对应；各单电池的顶端分别嵌入上层绝缘托板(3)下表面的限位槽(3-2)中。 
本发明的优点是：多个单电池可以串联、并联或串并混联，结构简单紧凑、组装灵活，因而单电池数目不受结构上的局限性限制，能够提供较高电压和一定输出功率以实现较大规模发电的单气室固体氧化物燃料电池组模块的组装方式。 
附图说明
图1是本发明的结构示意图，图2～图10是实施方式六的结构示意图，图11是绝缘托板上表面结构示意图，图12是绝缘托板下表面结构示意图，图13是实施方式四的结构示意图，图14是实施方式七的结构示意图，图15是实施方式八的结构示意图。 
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1～图11说明本实施方式，本实施方式由多个单电池、多个导电体2、绝缘托板3、阳极电流引线5和阴极电流引线6组成，每个单电池由阳极1-1、电解质层1-2和多孔阴极1-3组成，阳极1-1的一侧表面固定有电解质层1-2，电解质层1-2的另一侧表面上涂覆有多孔阴极1-3，绝缘托板3的上表面设置有多个定位槽3-1，每个单电池分别置于一个定位槽3-1内，单电池之间由导电体2串联连接、并联连接或串并混联连接，电池组模块设置有一个阳极电流引线5和一个阴极电流引线6。 
图1、图2、图5～图7、图9和图10中所示单电池数目不等，但是每个绝缘托板3上的各单电池之间串联连接； 
图3以绝缘托板3上设置15个单电池为例，每五个单电池串联为一组，共计三组，这三组电池组再并联，实现了多个单电池之间串并混联； 
图4以绝缘托板3上设置15个单电池为例，每三个单电池并联为一组，共计五组，这五组电池组再串联，实现了多个单电池之间串并混联； 
图8所示以绝缘托板3上设置15个单电池为例，15个单电池并联，15个单电池的阳极共同引出线作为阳极电流引线5，15个单电池的阴极共同引出线作为阴极电流引线6。 
具体实施方式二：单电池为阳极支撑型薄膜燃料电池、电解质支撑型燃料电池或阴极支撑型薄膜燃料电池，单电池的横截面形状为圆形、梯形或矩形，其它与实施方式一相同。 
具体实施方式三：本实施方式与实施方式一不同之处在于导电体2的材料为耐高温氧化还原的金属材料、导电合金或氧化物陶瓷材料；导电体2为沿长度方向冲压有多个相互间隔的矩形或圆形气孔的金属条带，或为金属导线，其它与实施方式一相同。 
具体实施方式四：下面结合图13说明本实施方式，本实施方式与实施方式一不同之处在于绝缘托板3表面均布镂空孔3-3，这样设置有利于工作气体的流通，使工作气体与单电池表面充分接触，工作气体与绝缘托板3垂直或平行，其它与实施方式一相同。 
具体实施方式五：本实施方式与实施方式一不同之处在于绝缘托板3采用陶瓷材质，陶瓷材质热传导快、耐温度高，抗压强度高等特点，同时具备较低的热膨胀系数，优良的热稳定性，良好的抗热冲击性，其它与实施方式一相同。 
具体实施方式六：下面结合图1～图10说明本实施方式，本实施方式与实施方式一不同之处在于多个单电池排列采用以下几种方式中任意一种： 
一、多个单电池的行与行、列与列分别平行且间距相等； 
二、多个单电池的行与行、列与列分别平行且间距相等，且相邻行和列的单电池呈交错式排列； 
三、多个单电池采用同心圆式发散排列； 
四、相邻单电池呈一定角度排列； 
五、多个单电池排列成日字格阵列或田字格阵列。 
其它与实施方式一相同。 
图1、图3、图4、图6、图7和图8所示多个单电池的行与行、列与列分别平行且间距相等，单电池之间无重叠； 
图2所示单电池的阵列排列方式是交错阵列式，即不同行单电池相互交错，从而使整体布局更加紧凑，有利于提高单位面积或单位体积的输出功率； 
图5所示相邻单电池之间呈一定角度的方式排列； 
图9中各单电池形成的阵列为日字格排列，图10中各单电池形成的阵列为田字格排列。 
具体实施方式七：下面结合图1和图14说明本实施方式，本实施方式与实施方式一不同之处在于它还包括绝缘支撑管4，绝缘托板3的四个角分别设置有绝缘支撑管4，绝缘支撑管4与绝缘托板3垂直；多层绝缘托板3之间由绝缘支撑管4连接，各单电池与上层绝缘托板3之间留有空隙，绝缘支撑管4采用陶瓷材质，其它与实施方式一相同。 
具体实施方式八：下面结合图1、图12和图15说明本实施方式，本实施方式与实施方式七不同之处在于绝缘托板3的下表面设置有多个限位槽3-2，多个限位槽3-2分别与多个定位槽3-1一一对应；各单电池的顶端分别嵌入上层绝缘托板3下表面的限位槽3-2中，其它与实施方式七相同。 
工作原理： 
将电池组放入单气室中，通入工作气体，工作气体在单气室中流动，工作气体与绝缘托板3平行或垂直，利用单电池的多孔阴极1-3和阳极1-1分别对氧和燃料具有选择催化作用在两个电极之间产生电势差实现发电。 
电池组的工作气体由占总气体体积10～80％的稀释气体和燃料、氧气混合构成，燃料和氧气的体积比为0.2∶1～10∶1；所述的稀释气体为化学性质稳定的氮气、氦气或氩气；燃料为烷烃、醇、酮、苯、天然气、液化石油气、合成气、沼气、煤层气单一或混合气体燃料，对混合气体比例进行控制，使其在300到1000℃的中高温区不会发生明显的燃烧和爆炸反应。 
单电池的阳极1-1的厚度为0.02～3mm，阳极1-1采用按重量百分比由20～80％的镍、钴和铁过渡族金属的氧化物中的某一种或几种进行混合，再与 按重量百分比20～80％掺杂氧化锆或掺杂氧化铈以及造孔剂混合组成的复合材料，阳极1-1的材料也可以是对燃料具有选择催化作用的氧化物材料，包括La、Sr、Ba、Ca、Cr、Ti、Mg、Mo、Fe、Mn这些金属元素中的2种或多种成分的复合氧化物材料，如氧化亚镍(简称NiO)、氧化钇稳定氧化锆(简称YSZ)和淀粉造孔剂按照质量比为5∶5∶(0.05～3)的比例混合，或用氧化亚镍(简称NiO)、氧化钇稳定氧化锆(简称YSZ)和面粉造孔剂按照质量比为5∶5∶(0.05～3)的比例混合；阳极1-1具有20～50％的孔隙率。在制备阳极1-1时通过加入5％～30％质量分数的造孔剂用以形成大量连贯的孔洞。 
单电池的电解质层1-2的厚度为1～500μm，电解质层1-2的材料为掺杂氧化锆(例如，氧化钇稳定的氧化锆，简称YSZ)，掺杂氧化铈(例如，氧化钐或氧化钆掺杂的氧化铈，简称SDC或GDC)或者掺杂的镓酸镧(例如，锶、镁共掺杂镓酸镧，简称LSGM)固体电解质。 
多孔阴极1-3材料由按重量百分比40～100％具有ABO3或A2BO4通式的电子/混合导体材料与按重量百分比为0～60％电解质材料组成的复合阴极材料。多孔阴极1-3采用镧系稀土、碱土和过渡族金属组成的复合氧化物；镧系稀土包括La、Y、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu；碱土包括Ca、Sr、Ba；所述过渡金属包括Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu。 
实施效果说明： 
单层绝缘托板3上设置多个单电池，单电池之间通过串联、并联或串并混联连接在一起，设置一个阳极电流引线5和一个阴极电流引线6，置于单气室中，通入与绝缘托板3平行或垂直的工作气体，作为一个独立的电池组工作； 
将多个如上所述的单层的电池组用绝缘支撑管4连接，多层电池组之间通过串联、并联或串并混联连接在一起，设置一个阳极电流引线5和一个阴极电流引线6，置于单气室中，通入与绝缘托板3平行或垂直方向的工作气体，作为一个大的电池组工作，多层设置的电池组比单层设置的电池组输出功率更大，单电池数目更多； 
想要设置数目更多的单电池，得到更大的输出功率，则将多个多层电池组之间串联、并联或串并混联，再设置一个阳极电流引线5和一个阴极电流 引线6，置于单气室中，通入与绝缘托板3平行或垂直的工作气体，作为一个更大的电池组工作，这样，电池组中设置的单电池数目增大了数倍，相应的输出电压和输出功率也得到了数倍放大，单位面积或单位体积的输出功率大幅提高，既而空间利用率得到了极大的提高。 

Claims (3)

1.阵列式单气室固体氧化物燃料电池组模块，其特征在于它包括多个单电池、多个导电体(2)、绝缘托板(3)、阳极电流引线(5)和阴极电流引线(6)，每个单电池由阳极(1-1)、电解质层(1-2)和多孔阴极(1-3)组成，阳极(1-1)的一侧表面固定有电解质层(1-2)，电解质层(1-2)的另一侧表面上涂覆有多孔阴极(1-3)，绝缘托板(3)的上表面设置有多个定位槽(3-1)，每个单电池分别置于一个定位槽(3-1)内，单电池之间由导电体(2)串联连接、并联连接或串并混联连接，电池组模块设置有一个阳极电流引线(5)和一个阴极电流引线(6)；多个单电池排列采用以下几种方式中的任意一种：
一、多个单电池的行与行、列与列分别平行且间距相等；
二、多个单电池的行与行、列与列分别平行且间距相等，且相邻行和列的单电池呈交错式排列；
三、多个单电池采用同心圆式发散排列；
四、相邻单电池呈一定角度排列；
五、多个单电池排列成日字格阵列或田字格阵列；
导电体(2)为沿长度方向冲压有多个相互间隔的矩形或圆形气孔的金属条带，或为金属导线；
绝缘托板(3)表面均布镂空孔(3-3)；
绝缘托板(3)的下表面设置有多个限位槽(3-2)，多个限位槽(3-2)分别与多个定位槽(3-1)一一对应；各单电池的顶端分别嵌入上层绝缘托板(3)下表面的限位槽(3-2)中。
2.根据权利要求1所述的阵列式单气室固体氧化物燃料电池组模块，其特征在于单电池为阳极支撑型薄膜燃料电池、电解质支撑型燃料电池或阴极支撑型薄膜燃料电池，单电池的横截面形状为圆形、梯形或矩形。
3.根据权利要求1所述的阵列式单气室固体氧化物燃料电池组模块，其特征在于绝缘托板(3)采用陶瓷材质。
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