CN101473478A

CN101473478A - 平板式固体氧化物燃料电池

Info

Publication number: CN101473478A
Application number: CNA2007800233048A
Authority: CN
Inventors: 藤井康义
Original assignee: Yanmar Co Ltd
Current assignee: Yanmar Co Ltd
Priority date: 2006-06-22
Filing date: 2007-06-19
Publication date: 2009-07-01
Also published as: KR20090015121A; WO2007148677A1; EP2031686A4; JP4936801B2; JP2008004391A; EP2031686A1; US20090130521A1

Abstract

提供了一种平板式固体氧化物燃料电池，仅仅通过形状的效应，降低了成本，提高了热导率，密封了燃烧气体，同时抑制了空气从外部的反扩散现象。平板状单个电池各自由平板状固体电解质2、分别设置在电解质两侧表面上的燃料电极4和空气电极3组成，所述单个电池与金属制隔板10交替设置。在燃料电极4和一个金属制隔板10之间形成燃料供应室S1；在空气电极3和一个金属制隔板10之间形成空气供应室S2。固体电解质2的外周边2a向外伸出燃料电极4和空气电极3，并且该外周边的两个侧面直接夹在两个金属板21和22之间。两个金属板21和22的外周边向外伸出固体电解质2的外周边。从外部围绕固体电解质2的外周边的金属制间隔物23夹在金属板21和22的外周边之间。两个金属板21和22之间的间隙与固体电解质2的外周边2a的两个侧面构成燃料的曲折路径。

Description

平板式固体氧化物燃料电池

技术领域

本发明涉及燃料电池，具体涉及平板式(平板形状的)固体氧化物燃料电池，其中：平板状的单个电池(单电池)各自由平板状的固体电解质、分别设置在电解质两侧表面上的燃料电极和空气电极组成，所述单个电池与金属制隔板交替设置；在燃料电极和相对于该燃料电极的金属制隔板之间形成燃料供应室；在空气电极和相对于该空气电极的金属制隔板之间形成空气供应室。

背景技术

与其它燃料电池如固体聚合物燃料电池和磷酸燃料电池相比，这类固体氧化物燃料电池(SOFC)具有750-1000℃的高工作温度；但是，人们之所以将注意力投向了该类燃料电池，将其视为下一代燃料电池，是因为这类燃料电池的发电效率高达45-60％。通常，构成单个燃料电池的固体电解质和两个电极都由耐热陶瓷制成。对于该燃料电池的隔板，分为由陶瓷制成的结构(专利文献1)和由金属制成的结构(专利文献2和3)。

关于使用陶瓷隔板的结构，其材料成本很高。此外，因为陶瓷的耐久性不足以抵抗温度的快速变化，所以当电池开始工作之后，不能将电池的温度迅速升高到高工作温度。因此，启动周期变得很长，例如，需要10小时再加上若干小时或若干天。因此，仍然存在该结构不能方便地使用的问题。

另一方面，关于使用金属制隔板的结构，其材料成本得到降低。此外，该结构的热导率高，使得温度可以迅速升高到工作温度。与使用陶瓷隔板的结构相比，具有该结构的电池可以很快的速率启动，同时电池能保持耐久性。因此，大大提高了使用的便利性。

顺便提及，关于平板式固体氧化物燃料电池的燃料的密封，以下结构是已知的：带有密封的结构，其中为了将已经通过单个燃料电池的剩余的燃料排放到单个电池的外部，用由玻璃材料制成的密封剂将电池燃料电极的四周密封，以将燃料气体与空气隔开，使得燃料气体不会接触空气；无密封的结构，在该结构中单个燃料电池的外周边是敞开的，剩余的燃料气体从敞开部分排出并燃烧(专利文献3)。

依据无密封结构，该结构的制备简单，生产率更佳；但是，容易产生单个燃料电池外的空气进入燃料电极内部的现象，即所谓的反扩散现象。因此，当驱动电池时，这种反混空气和单个燃料电池中的燃料气体发生燃烧反应，造成燃烧气体的浪费。因此，造成发电性能变差的问题。因此，对于无密封结构，开发了一种具有以下结构的电池：设置一个具有小直径排放口的盖子，以对付外部空气的反混现象。(专利文献2和其它)。

关于带有密封的结构，在该结构具有陶瓷隔板的情况中，可以依据以下方法形成封闭的结构：通过烧结等操作形成隔板、陶瓷固体电解质和两个电极，使得它们相互整合在一起。

专利文献1：日本未审查专利公开第2004-146334号

专利文献2：日本未审查专利公开第2005-85521号

专利文献3：日本未审查专利公开第2006-85981号

发明内容

本发明要解决的技术问题

相反，在带有密封的结构中——也就是在使用玻璃陶瓷材料等形成密封的结构中——使用金属制隔板的情况中，在电池驱动时，通过高温使密封材料成为半熔化的状态。当驱动停止时，通过转变为低温的密封材料将陶瓷固体电解质和金属制隔板相互胶粘在一起。但是，陶瓷固体电解质可能由于陶瓷和金属之间的热膨胀的差异而被破坏。而且，玻璃中含有的二氧化硅组分恐怕会对单个燃料电池的性能造成不利影响。

在使用金属制隔板的无密封结构具有上述用具有排放口的盖子封闭单个燃料电池的结构的情况中，空气从外部向燃料电极侧的侵入可以被限制到一定程度，但是，残留的燃烧气体不利地从排放口排放到单个燃料电池的外部，这样不可避免地造成燃烧气体使用效率下降。在收集这种排出的残余燃烧气体并将这种气体用于燃烧循环、底循环等的情况中，需要采取一些措施将燃烧气体与空气分离，而不是使两者混合。

本发明的一个目的是提供具有以下特征的平板式固体氧化物燃料电池：通过使用金属制隔板，降低了成本，通过提高电池的热导率使得整个燃料电池中的温度分布更均匀；仅仅通过形状效果，而不使用任何由玻璃材料或类似材料制成的气体密封材料，将燃烧气体密封，同时限制了空气从外部进入的反扩散现象。

解决技术问题的方案

为了解决技术问题，依据本申请第一方面的本发明是平板式固体氧化物燃料电池，其中各平板状单个电池由平板状固体电解质、分别设置在该固体电解质两侧表面上的燃料电极和空气电极组成，所述单个电池与金属制隔板交替排列；在燃料电极和与该燃料电极相对的金属制隔板的一侧表面之间形成燃料供应室；在空气电极和与该空气电极相对的金属制隔板的一侧表面之间形成空气供应室；其特征是固体电解质的外周边向外伸出燃料电极和空气电极的外周边，并且固体电解质的外周边的两个侧面直接夹在两个金属板之间；两个金属板的外周边向外伸出固体电解质的外周边；两个金属板的外周边之间的空间用围绕固体电解质外周边的金属制间隔物从外部密封；两个金属板之间的间隙和固体电解质的外周边的两侧表面构成燃料的曲折路径。

依据该结构，(1)通过使用金属制隔板，材料的成本下降，此外热导率得到进一步提高，使得整个燃料电池中的温度分布更均匀。因此，可以在保持电池耐久性的同时，以很快的速率启动电池达到工作温度。

(2)由于金属制间隔物的作用，防止了剩余燃料从单个燃料电池的外周边直接排放到外界，还防止了外部空气反扩散进入燃料电极侧。这样，可以防止燃料电极的劣化，进而提高燃料的使用效率。而且，可以避免现有技术中的剩余燃料的燃烧现象(专利文献3)，从而防止燃料电极的氧化，提高耐久性。另外，不需要使用任何玻璃基密封材料；因此，可以防止由于金属制隔板和陶瓷固体电解质之间的热膨胀差异造成的对固体电解质的破坏。

在上述平板式固体氧化物燃料电池中，由金属制成的具有燃料进口和排放口的燃料通道形成元件可以夹在燃料电极侧的金属板与相对于该金属板的金属制隔板之间，燃料供应室和与该室相连的燃料通道可以由该金属制隔板、该金属板和燃料通道形成元件构成。

依据该结构，可以使用简单形式例如长方形平板状的金属板和金属制隔板，而不需要进行任何特殊加工。因此，不需要花费任何劳力处理所述材料。

在上述平板式固体氧化物燃料电池中，可以使用扁平形式的圆柱体元件在燃料电极侧形成金属板，以及相对于该金属板的金属制隔板，这样它们相互整合，可以在圆柱体元件内部形成燃料供应室和与该室相连的燃料通道。

依据该结构，可以减少部件的数目，进一步提高单个燃料电池的外周边的密封性。

附图简要说明

[图1]该图是本发明所申请的平板式固体燃料电池堆的局部垂直截面图。

[图2]该图是平板状单个电池的透视图。

[图3]该图是平板状单个电池、隔板、金属板和间隔物的分解透视图。

[图4]该图是图1中箭头IV区的放大垂直截面图。

[图5]该图是显示密封性能的实验结果的图。

[图6]该图是说明金属板之一的改进实施例的透视图。

附图标记的说明

1 平板状单个电池

2 固体电解质

3 空气电极

4 燃料电极

10 金属制隔板

11 燃料电极侧集电器(power collector)(燃料供应室)

12 空气电极侧集电器(空气供应室)

21 第一金属板

22 第二金属板

23 金属制间隔物

31 燃料通道

32 空气通道

33 燃料通道形成元件

C1和C2间隙(间隙曲折路径(gap mazes))

发明最佳实施方式

图1-5说明了本发明的实施方式；图1是平板式固体燃料电池堆的局部垂直截面图，图2是平板状单个电池的透视图，图3是平板状单个电池、金属制隔板、金属板和金属制间隔物的分解透视图，图4是图1中箭头IV区的放大垂直截面图。为了更容易地理解结构，以这样的方式提供附图：与单个电池的表面方向的尺寸相比，电池厚度方向的尺寸比实际尺寸大。

(平板状单个电池的结构)

在图2中，平板状单个电池1由三层组成。所述层是：平板状固体电解质2；空气电极(氧化剂电极)3和燃料电极4，它们各自为平板状，分别粘附在固体电解质的两侧表面上，这样与两侧表面形成整体。固体电解质2以及电极3和4都被制成矩形(正方形或长方形)。固体电解质2的面积大于电极3和电极4各自的面积，这样固体电解质2的外周边2a在其整个外周边上都向外伸出电极3和4的外周边3a和4b。

固体电解质2是氧离子传导体，例如由致密的氧化锆基陶瓷制成。在大约800℃的操作温度下，氧离子(O^2-)在电极3和4之间迁移。空气电极3和燃料电极4是电子传导体，各自由具有高电子传导性的陶瓷材料制成。例如，空气电极主要由多孔陶瓷制成，所述多孔陶瓷由具有电子传导性的LaMnO₃或LaCoO₃制成，或者由氧化物中La部分地被Sr、Ca等替代的固溶体制成。燃料电极4主要由通过以下步骤得到的材料制成：金属与陶瓷混合，然后烧结混合物，例如Ni-YSZ或Co-YSZ。

(电池堆的概述)

在图1中，通过以下方法制得平板式固体氧化物燃料电池堆：将多个相同的上述平板状单个电池1和多个金属制隔板10按照规律的间隔排列，并且平行地放置在绝热箱(未示出)中。各燃料电极4与相对于该电极的隔板10的侧面之间的空间是燃料供应室S1，燃料电极集电器11设置在该燃料供应室S1中。各空气电极3与相对于该电极的隔板10的侧面之间的空间是空气供应室S2，空气电极集电器12设置在该空气供应室S2中。

燃料电极集电器11的材料是例如由镍基合金等制成的海绵状或毡形的多孔体。同样，空气电极集电器12的材料是例如由银基合金等制成的海绵状或毡形的多孔体。海绵状或毡形多孔体适用于多功能集电器，因为多孔体具有集电功能、气体和空气渗透功能、气体均匀扩散功能、缓冲功能和热膨胀差异吸收功能。

各自为矩形平板式的金属制隔板10由耐热金属如不锈钢制成。

在各平板状单个电池1的固体电解质2的两侧分别设置矩形框架形式的第一金属板21和第二金属板22。两个金属板21和22的外周边向外伸出固体电解质2的外周边。在燃料电极4一侧的第一金属板21中，容纳了燃料电极4和燃料电极集电器11的一部分。第一金属板21的一侧表面、相对于该侧表面的隔板10的一侧表面以及夹在第一金属板21和隔板10之间的燃料通道形成元件33构成与燃料供应室S1连接的燃料通道31。在空气电极3一侧的第二金属板22中，容纳了空气电极3和空气电极集电器12的一部分。第二金属板22的一侧表面、相对于该侧表面的隔板10的一侧表面以及夹在第二金属板22和隔板10之间的空气通道形成元件34构成与空气供应室S2连接的空气通道32。

在任何一对金属板21和22之间都夹着金属制间隔物23，该金属制间隔物为矩形形状，与固体电解质2具有基本相同的厚度。两个金属板21和22通过焊接相互结合在一起。金属制间隔物23包围着固体电解质2的整个外周边，在两者之间留有预定的间隙C2。这样，固体电解质2的外周边2a就被封闭，与外界隔开。

在燃料供应室S1和燃料通道31内，例如，燃料气体从图1中的下侧向图1中的上侧流动。因此，燃料进口31位于图1中燃料通道31的下端，燃料进口31与燃料供应源(例如，氢供应源)相连。排放口31b位于下端，排放口31b与外界相连。同时，在空气供应室S1和空气通道32内，空气沿着与燃料气体垂直的方向流动。例如，空气进口位于绘制了图1的纸面一侧(前面)，空气出口位于另一侧(背面)。

图3清楚地显示了任何一个平板状单个电池1；为其设置的金属板21和22，以及金属制间隔物23。位于燃料电极4一侧的第一金属板21比位于空气电极3一侧的第二金属板22具有更大的面积，与隔板10具有基本相同的尺寸。在第一金属板21的一侧表面和相对于该侧表面的隔板10的一侧表面之间，通过焊接粘结了燃料通道形成元件33，该元件由金属制成，围绕着上述燃料通道31。排放口31b和燃料进口31a位于燃料通道形成元件33的上端和下端。

在图4中，平板状单个电池1的固体电解质2的外周边2a夹在金属板21和22的两个面之间。在金属板21和22的侧面与固体电解质外周边2a的两个侧面之间，产生微小的间隙C1，燃料(燃料气体)或空气(氧化气体)在该间隙中流过。间隔物23的内周面和固体电解质2的外周边之间存在的两个间隙C1和C2构成U形间隙曲折路径(C1和C2)，其能够释放燃料供应室S1和燃料通道31中残留的燃料气体。两侧的间隙C1的尺寸都接近于0，这是因为金属板21和22的侧面实际上都接触固体电解质2的外周边2a的侧面；但是，在图中，间隙被放大，因为实际的间隙在图中不容易绘制。另一方面，间隔物23的内周面与固体电解质2的外周边之间的间隙C2实际上保持预定的间隔，从而避免由于间隔物23的热膨胀导致间隔物23和固体电解质2之间相互干扰。

(效果)

各单个燃料电池1的发电效果相当于常规固体氧化物燃料电池。在图1中，阴影箭头表示燃料(含氢气的燃料)的流动方向。由空气供应源提供的空气(氧气)通过空气通道32达到空气供应室S2，通过陶瓷空气电极3的孔隙，到达陶瓷与固体电解质2之间的界面附近。然后，空气接受来自空气电极3的电子，离子化为氧离子(O^2-)。氧离子扩散，并在接近800℃的工作温度下于固体电解质2中向燃料电极4迁移。已经到达固体电解质与燃料电极4之间的界面附近的氧离子与由燃料通道31提供给燃料供应室S1的燃料(H₂或CO)反应，生成反应产物(例如H₂O和CO₂)，电子释放到燃料电极4。

在电极处的反应可以通过以下化学方程式表示：

在空气电极3中，1/2O₂+2e^-→O^2-

在燃料电极4中，H₂+O^2-→H₂O+2e^-

在图4中，供应给燃料供应室S1的一部分燃料(剩余燃料或额外燃料)进入在固体电解质2外周边2a的侧面之一与第一金属板21的侧面之一之间的间隙C1，然后通过在固体电解质2的外周边与间隔物23的内周边之间的间隙C2，接着通过在固体电解质2外周边2a的另一侧表面与第二金属板22的侧面之一之间的间隙C1，这样释放到空气通道31侧。供应给空气供应室S2的一部分空气也通过在固体电解质2外周边2a的侧面与第二金属板22的侧面之间的间隙C1，提供给在固体电解质2的外周边2a与间隔物23的内周面之间的间隙C2。因为燃料供应室S1具有基于燃料气体的内压，因此空气很难从外部反向流入间隙C1和C2中。因此，可以防止空气反扩散造成的燃料电极4中的劣化，并且可以防止剩余燃料的无用的释放，从而提高燃料的使用效率。

图5显示了本发明实施方式和现有技术之一(上述专利文献3)相互比较密封性能的图表。现有技术具有这样的结构，即图1和图4中的间隔物23未形成，固体电解质2的外周边敞开。在实验中，具体地，使空气通过图1中空气通道32侧；替代燃料气体，使氮气通过燃料通道31侧；固体电解质2作为氧传感器工作；测量燃料电极4侧的氧气浓度，从而评价密封气体的效果。

图5的横轴表示氮气流入燃料通道的流速，纵轴表示燃料电极中的氧气浓度。该氧气浓度以其对数形式表示。曲线X1表示本发明实施方式中氧气浓度的变化，曲线X2表示无间隔物的现有技术中氧气浓度的变化。

从图5可以看出，与现有技术的氧气浓度(X2)相比，本发明实施方式中的氧气浓度(X1)明显降低；随着氮气流速的增大，与现有技术相比，本发明实施方式的氧气浓度的下降比例从1/10到1/1000。

[其它实施方式]

(1)图6显示了在任何燃料4一侧上的金属板21的改造实施例。将由不锈钢制成的圆柱体元件加工为扁平的形式(crushed-form)，从而形成第一金属板21和相对于该金属板的隔板10，从而相互整合在一起。扁平形式的圆柱体元件的内部构成燃料通道31。依据该结构，可以减少部件的数目，进一步提高燃料通道31的密封性。

(2)在上述实施方式中，任何一个金属制隔板23都由不同于图1和图4中显示的第一和第二金属板21和22的元件形成；但是，金属制隔板23和在空气电极一侧上的第二金属板22(其面积较小)可以通过挤压作为整体产品生产。

Claims

1.一种平板式固体氧化物燃料电池，其中平板状单个电池各自由平板状固体电解质、分别设置在所述固体电解质两侧表面上的燃料电极和空气电极组成，所述单个电池与金属制隔板交替设置；在燃料电极和相对于该燃料电极的金属制隔板的侧面之间形成燃料供应室；在空气电极和相对于该空气电极的金属制隔板的侧面之间形成空气供应室；

其特征在于，固体电解质的外周边向外伸出燃料电极和空气电极的外周边，并且所述固体电解质的外周边的两个侧面直接夹在两个金属板之间；

所述两个金属板的外周边向外伸出固体电解质的外周边；

用从外部包围固体电解质外周边的金属制间隔物封闭两个金属板的外周边之间的空间；

两个金属板之间的间隙与固体电解质外周边的两个侧面构成燃料的曲折路径。

2.如权利要求1所述的平板式固体氧化物燃料电池，其特征在于，由金属制成并且具有燃料进口和排放口的燃料通道形成元件夹在位于燃料电极侧的金属板和相对于该金属板的金属制隔板之间，

燃料供应室以及与该室相连的燃料通道由该金属制隔板、该金属板和燃料通道形成元件构成。

3.如权利要求1所述的平板式固体氧化物燃料电池，其特征在于，使用扁平状的圆柱体元件在燃料电极一侧形成金属板，以及相对于该金属板的金属制隔板，这样它们相互整合，在圆柱体元件内部形成燃料供应室和与该室相连的燃料通道。