CN101820075A - 直接火焰型固体氧化物燃料电池组及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

直接火焰型固体氧化物燃料电池组及其制备方法，属于电化学发电领域。它解决了现有直接火焰型固体氧化物燃料电池组的制备过程复杂，并且成本高的问题。它的耐高温绝缘薄板支撑体上排布多个孔洞，每个孔洞上覆盖一个导电网，每个导电网的上表面粘接一个单电池，多个单电池通过导线串联、并联或混联成电池组，电池组的阴极和阳极由导线引出；制备方法为：在耐高温绝缘薄板支撑体上挖多个孔洞并覆盖一个导电网；使用导电浆料在每一个导电网上表面粘接一个单电池，并通过50℃~500℃热处理固化使其稳定；使用导线将多个单电池串联、并联或混联形成电池组，并将电池组的阴极和阳极由导线引出。本发明用于提供电能和热能。

Description

直接火焰型固体氧化物燃料电池组及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种直接火焰型固体氧化物燃料电池组及其制备方法，属于电化学发电领域。
背景技术
固体氧化物燃料电池（SOFC）是一种直接把燃料的化学能转换为电能的发电装置，具有效率高、污染低和燃料来源广泛等优点。它的实际应用价值体现在，将多个单电池相互连接形成电池组，以获得较高的输出电压和输出功率。
传统双气室SOFC的燃烧需要向阳极通入燃料气体，并且将其相互连接构成电池组时需要使用密封材料，由于密封材料与单电池部件之间存在需要匹配等问题，密封过程复杂，这制约了SOFC的商业化进程。单气室固体氧化物燃料电池组虽然在封接组装时比较简单、方便，但是单气室电池组的运行需使用燃料和氧气的混合气体，尤其在使用氢气和氧气的混合气体时，极易产生爆炸，存在较大的安全隐患。同时单气室电池组运行时，还需要其他装置来处理尾气，这使整体装置变得复杂，并且体积增大，增大了附加成本。
直接火焰型固体氧化物燃料电池（DFFC）是一种新结构的燃料电池，它使用气态燃料及液、固态燃料燃烧产生的合成气作为在阳极上反应的燃料，并且利用燃料燃烧为电池组的启动运行提供热量。由于DFFC结构简单、无需密封，而且尾气也可以直接在火焰上燃烧掉，不需要额外的尾气处理装置，并能够对外提供热量实现热电联供，因此在制作电池组方面展现出了很好的应用前景。在制作DFFC电池组时，设计合理的结构、降低电池组制作成本、得到稳定的输出性能更有利于SOFC的商业化。
现有的直接火焰型固体氧化物燃料电池组采用的单电池大都为管式固体氧化物燃料电池，制备过程比较复杂；并且制备电池组时需要贵重金属铂和金等耐高温并且导电率高的材料作为引线和密封材料，这使电池组的制作成本增高；同时此类电池组在运行时，火焰受环境等因素影响很大，性能很不稳定；为了提高性能，它还需要在电池中使用催化层，这会使单电池的制备难度增大，同时还增大成本。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有直接火焰型固体氧化物燃料电池组的制备过程复杂，并且成本高的问题，提供一种直接火焰型固体氧化物燃料电池组及其制备方法。
本发明为一种直接火焰型固体氧化物燃料电池组，它包括耐高温绝缘薄板支撑体、多个导电网、多根导线和多个单电池，
耐高温绝缘薄板支撑体上排布多个孔洞，每个孔洞上覆盖一个导电网，该导电网与耐高温绝缘薄板支撑体固定连接，每个导电网的上表面粘接一个单电池，所述单电池与导电网的粘接面为阳极，多个单电池通过导线串联、并联或混联成电池组，所述电池组的阴极和阳极由导线引出。
上述直接火焰型固体氧化物燃料电池组的制备方法：
步骤一：在耐高温绝缘薄板支撑体上挖多个孔洞，在每个孔洞上覆盖一个导电网，该导电网与耐高温绝缘薄板支撑体固定连接；
步骤二：使用导电浆料作为粘接剂，在每一个导电网上表面粘接一个单电池，并使该单电池位于该导电网所覆盖的孔洞的中心，然后通过50℃~500℃热处理固化使其稳定；
步骤三：使用导线将多个单电池串联、并联或混联，形成电池组，再将所述电池组的阴极和阳极由导线引出。
本发明的优点是：本发明的结构及制备过程简单，各个单电池之间的连接采用廉价的耐高温金属丝即可实现，性能稳定，制作成本低，有利于实现大规模的应用。本发明采用的燃料单电池，在降低成本的同时，提高了装置单位体积的功率。使用耐高温绝缘薄板支撑体，和导电网相配合，能够增大火焰的燃烧面积，使热量分布得更加均匀，从而使电池组的性能更加稳定。
附图说明
图1为本发明多个单电池之间为串联形式的结构示意图；图2为本发明多个单电池之间为并联形式的结构示意图；图3为本发明多个单电池之间为混联形式的结构示意图；图4为阳极支撑型单电池的结构示意图；图5为电解质支撑型单电池的结构示意图；图6为阴极支撑型单电池的结构示意图；图7-图13为各种形式的单电池的横截面示意图；图14-图16为各种形式的单电池的纵向截面示意图；图17为本发明所述电池组的小面积火焰加热装置示意图；图18为本发明所述电池组的大面积火焰加热装置示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1至图18说明本实施方式，本实施方式包括耐高温绝缘薄板支撑体1、多个导电网2、多根导线3和多个单电池4，
耐高温绝缘薄板支撑体1上排布多个孔洞，每个孔洞上覆盖一个导电网2，该导电网2与耐高温绝缘薄板支撑体1固定连接，每个导电网2的上表面粘接一个单电池4，所述单电池4与导电网2的粘接面为阳极，多个单电池4通过导线3串联、并联或混联成电池组，所述电池组的阴极和阳极由导线3引出。
本实施方式中耐高温绝缘薄板支撑体1上的孔洞的大小需略大于单电池4横向截面的大小，使得该单电池4的电极完全暴露在孔洞内。所述的单电池4由多孔阴极层、电解质层和多孔阳极层构成，如图4至图6所示，A为多孔阴极层，B为电解质层，C为多孔阳极层，所述多孔阳极层可以为Cu基复合陶瓷、掺杂CeO2的氧化物、La0.75Sr0.25Cr0.5Mn0.5O3、Sr2MgMoO6等可以催化阳极燃料气体反应、具有高电导率且不发生积碳的钙钛矿结构的氧化物材料；所述多孔阴极层可以为掺Sr的LaMnO3（LSM）或LaCoO3等可以催化阴极发生氧气还原反应的材料；所述电解质层可以为氧化钇稳定的氧化锆（YSZ）、掺杂钐元素的氧化铈（SDC）或掺杂钆的氧化铈（GDC）等具有高电导率的材料。每个单电池4可以通过金属导电胶或陶瓷粘结剂固定在导电网2上。各个单电池4通过高温连接导线连接，组装成一个平整的电池组，然后电流通过阳极电流导线3和阴极电流导线3引出。
耐高温绝缘薄板支撑体1的孔洞上覆盖的导电网2与孔洞的形状相同，面积需略大于所述孔洞。所采用的单电池4的阴极可以暴露在空气中，也可以通过导气管向多孔阴极层A通入流动的空气或者氧气。本实施方式所述的电池组可以应用于大面积火焰炉具或者多火焰头的加热装置上，它可以采用氢气、甲烷、液化石油气、生物质气等气体，或乙醇、甲醇等液态碳氢化合物，或煤炭、木炭、秸秆、树叶等固态燃料作为燃烧燃料。
具体实施方式二：下面结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式与实施方式一的不同之处在于所述导线3与耐高温绝缘薄板支撑体1之间设置有导电网2。其它组成及连接关系与实施方式一相同。
将导线3用导电浆料粘结剂固定于导电网2上，导电网2能使燃烧时的火焰不直接接触导线3，可以避免导线3被熔断。同时，导电网2上能够沉积催化剂，有利于提高所述电池组的电化学催化性能和抗积碳性能。
具体实施方式三：本实施方式与实施方式一或二的不同之处在于它还包括催化剂层，所述导电网2的表面上覆盖有催化剂层。其它组成及连接关系与实施方式一或二相同。
在导电网上附着催化剂，可以提高本发明所述电池组的电化学性能。所述催化剂层可以采用浸渍、涂覆等方式实现。
具体实施方式四：本实施方式与实施方式三的不同之处在于它还包括金属膜层，所述导电网2的表面上镀有金属膜层。其它组成及连接关系与实施方式三相同。
所述金属膜层采用对导电网2的表面进行电镀或化学镀处理来获得。
本实施方式增加的金属膜层可以改进导电网2在单电池4电极上收集电流的性能，同时有利于提高其导电性。
具体实施方式五：本实施方式与实施方式四的不同之处在于所述催化剂层的材质为含有Ni、Cu、Pd或Ru的氧化物，掺杂CeO2或ZrO2的氧化物；所述金属膜层的材质为耐氧化、高电导率的金属材料。其它组成及连接关系与实施方式四相同。
采用含有Ni、Cu、Pd或Ru的氧化物，掺杂CeO2或ZrO2的氧化物作为催化剂层，在导电网2上进行表面修饰，可以实现对通过导电网2流向阳极的燃料气体的催化重整，提高电池组的收集电流性能，并能防止积碳的产生，能够提高所述电池组的性能。
所述金属膜层的材质可以为金或银，金或银制作的金属膜耐氧化、电导率高，能够作为电子集流体，收集电化学反应中产生的电子，并通过电极和导线3向外输出，提高电池组的性能。同时，可以增强导电性。
具体实施方式六：本实施方式与实施方式一或二的不同之处在于所述导电网2的材质为不锈钢、铜、银、铂、镍铬合金或导电陶瓷；所述单电池4为阳极支撑型固体氧化物燃料单电池、阴极支撑型固体氧化物燃料单电池或电解质支撑型固体氧化物燃料单电池；所述单电池4的横截面为圆形、方形、长条形、梯形或三角形，所述单电池4的纵向剖面为平板面、曲型面或折线面。其它组成及连接关系与实施方式一或二相同。
采用不锈钢、铜、银、铂、镍铬合金或导电陶瓷来制成导电网2，使导电网2具有强耐氧化的性能，也可以采用表面进行了导电化处理的陶瓷。
为方便各个单电池4之间的连接，采用的单电池4的横截面可以为圆形，方形、长条形、梯形或三角形，其形状不同，可方便于不同情况下使用，能够更好地利用空间，提高燃料利用率。单电池4的纵向剖面可以为平板面、曲型面或折线面，这种形状有利用增大电池与火焰的接触面积。
具体实施方式七：本实施方式与实施方式一或二的不同之处在于所述导电网2为50目至1000目。其它组成及连接关系与实施方式一或二相同。
改变导电网2上的孔洞数量和孔洞直径，可以进而改变电池组的运行温度和单电池4阳极上的燃料气体浓度，以满足不同的应用需求。
具体实施方式八：本实施方式与实施方式一的不同之处在于所述耐高温绝缘薄板支撑体1为云母板、表面带有绝缘涂层的金属板、石英玻璃板或陶瓷板。其它组成及连接关系与实施方式一相同。
本实施方式中耐高温绝缘薄板支撑体1采用云母板、表面带有绝缘涂层的金属板、石英玻璃板或陶瓷板，具有不易变形，并且表面绝缘性能好的优点。
具体实施方式九：本实施方式与实施方式一的不同之处在于所述导电网2与单电池4的粘接采用银浆、铂浆、金浆、银钯浆或具有电子导电性的玻璃陶瓷复合材料。其它组成及连接关系与实施方式一相同。
由于银浆、铂浆、金浆、银钯浆或具有电子导电性的玻璃陶瓷复合材料具有抗氧化、耐高温的能力，所以将其作为粘接剂来粘接导电网2与单电池4。
本发明不局限于上述实施方式，还可以是上述各实施方式中所述技术特征的合理组合。
具体实施方式十：本实施方式为实施方式一所述的直接火焰型固体氧化物燃料电池组的制备方法：
步骤一：在耐高温绝缘薄板支撑体1上挖多个孔洞，在每个孔洞上覆盖一个导电网2，该导电网2与耐高温绝缘薄板支撑体1固定连接；
步骤二：使用导电浆料作为粘接剂，在每一个导电网2上表面粘接一个单电池4，并使该单电池4位于该导电网2所覆盖的孔洞的中心，然后通过50℃~500℃热处理固化使其稳定；
步骤三：使用导线3将多个单电池4串联、并联或混联，形成电池组，再将所述电池组的阴极和阳极由导线3引出。
步骤一中，多个孔洞的形状具有一定的规则，要求与单电池4的形状相匹配，导电网2的面积要略大于孔洞的面积；单电池4均采用不发生积碳的电池材料制成；导线3要采用耐高温金属丝制成；导电网2的设置能使燃烧的火焰热量均匀到达各个单电池4的电极，使其各部位所处环境一致，电池组输出性能稳定。
本实施方式制备的电池组结构简单合理、制作成本低、并且得到的电池组输出性能稳定。

Claims (10)

1.一种直接火焰型固体氧化物燃料电池组，其特征在于：它包括耐高温绝缘薄板支撑体（1）、多个导电网（2）、多根导线（3）和多个单电池（4），
耐高温绝缘薄板支撑体（1）上排布多个孔洞，每个孔洞上覆盖一个导电网（2），该导电网（2）与耐高温绝缘薄板支撑体（1）固定连接，每个导电网（2）的上表面粘接一个单电池（4），所述单电池（4）与导电网（2）的粘接面为阳极，多个单电池（4）通过导线（3）串联、并联或混联成电池组，所述电池组的阴极和阳极由导线（3）引出。
2.根据权利要求1所述的直接火焰型固体氧化物燃料电池组，其特征在于：所述导线（3）与耐高温绝缘薄板支撑体（1）之间设置有导电网（2）。
3.根据权利要求1或2所述的直接火焰型固体氧化物燃料电池组，其特征在于：它还包括催化剂层，所述导电网（2）的表面上覆盖有催化剂层。
4.根据权利要求3所述的直接火焰型固体氧化物燃料电池组，其特征在于：它还包括金属膜层，所述导电网（2）的表面上镀有金属膜层。
5.根据权利要求4所述的直接火焰型固体氧化物燃料电池组，其特征在于：所述催化剂层的材质为含有Ni、Cu、Pd或Ru的氧化物，掺杂CeO2或ZrO2的氧化物；所述金属膜层的材质为耐氧化、高电导率的金属材料。
6.根据权利要求1或2所述的直接火焰型固体氧化物燃料电池组，其特征在于：所述导电网（2）的材质为不锈钢、铜、银、铂、镍铬合金或导电陶瓷；所述单电池（4）为阳极支撑型固体氧化物燃料单电池、阴极支撑型固体氧化物燃料单电池或电解质支撑型固体氧化物燃料单电池；所述单电池（4）的横截面为圆形、方形、长条形、梯形或三角形，所述单电池（4）的纵向剖面为平板面、曲型面或折线面。
7.根据权利要求1或2所述的直接火焰型固体氧化物燃料电池组，其特征在于：所述导电网（2）为50目至1000目。
8.根据权利要求1所述的直接火焰型固体氧化物燃料电池组，其特征在于：所述耐高温绝缘薄板支撑体（1）为云母板、表面带有绝缘涂层的金属板、石英玻璃板或陶瓷板。
9.根据权利要求1所述的直接火焰型固体氧化物燃料电池组，其特征在于：所述导电网（2）与单电池（4）的粘接采用银浆、铂浆、金浆、银钯浆或具有电子导电性的玻璃陶瓷复合材料。
10.一种权利要求1所述的直接火焰型固体氧化物燃料电池组的制备方法：其特征在于：
步骤一：在耐高温绝缘薄板支撑体（1）上挖多个孔洞，在每个孔洞上覆盖一个导电网（2），该导电网（2）与耐高温绝缘薄板支撑体（1）固定连接；
步骤二：使用导电浆料作为粘接剂，在每一个导电网（2）上表面粘接一个单电池（4），并使该单电池（4）位于该导电网（2）所覆盖的孔洞的中心，然后通过50℃~500℃热处理固化使其稳定；
步骤三：使用导线（3）将多个单电池（4）串联、并联或混联，形成电池组，再将所述电池组的阴极和阳极由导线（3）引出。
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