CN101908637A - 具有双气路通道的无密封固体氧化物燃料电池组 - Google Patents

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Abstract

具有双气路通道的无密封固体氧化物燃料电池组，属于电化学发电领域。它解决了现有单气室固体氧化物燃料电池组中各个单电池所处气氛不均匀，影响电池组的输出电压和输出功率的问题。它的多个单电池通过连接片串联或并联在一起形成电池组，富燃料通气管和富氧通气管相对并行设置，电池组设置于富燃料通气管和富氧通气管之间，富燃料通气管的侧壁上具有等间距排布的多个燃料通气口，富氧通气管的侧壁上具有等间距排布的多个氧气通气口，每个燃料通气口对应于单电池的阳极，每个氧气通气口对应于单电池的阴极，电池组的阳极和阴极分别通过阳极引线和阴极引线引出，富燃料通气管中通入富燃料气体，富氧通气管中通入富氧气体。本发明用于发电。

Description

具有双气路通道的无密封固体氧化物燃料电池组
技术领域
本发明涉及一种具有双气路通道的无密封固体氧化物燃料电池组，属于电化学发电领域。
背景技术
固体氧化物燃料电池(SOFC)具有效率高、污染低和燃料来源广泛等优点，是一种清洁高效的能源系统，被认为是今后新能源应用的主要方向之一。它主要由电解质、阴极和阳极组成。传统的双气室结构的SOFC具有两个气室，其中阳极气室中为燃料气体，阴极气室中为氧气或空气，两个气室被电解质隔开。为了避免燃料气体的泄漏和与氧气的的混合，要求电解质相对致密不透气，且边界处还必须用封接材料进行密封。由于单电池的电压和电流值输出有限，要想获得较高的输出电压和输出电流以达到实用价值，需要将单电池串联或并联形成电池组，这就有很多个气室且每个气室通有各自的反应气体，使电池组系统的结构变得十分复杂，极大的增加了制作难度，并对材料和制作工艺的要求很高。
对于某些相对安全的燃料气体，只要将其浓度配比控制在燃烧爆炸极限区以外就可以在高温下与氧气混合。利用阳极和阴极材料对燃料和氧化剂的选择催化性，可以使阳极和阴极同时处于一个充满混合反应气体的气室之中发挥各自的作用，进而输出电压和电流，此即单气室SOFC。这种单气室SOFC组成的电池组系统只需要一个气室，无需密封，因此其结构与传统双气室电池相比较简单，电池组的组装也更加容易实现。对于此类SOFC，中国专利《一种单气室固体氧化物燃料电池串联电池组》，公开号为CN1832240，公开日为2006年09月13日，公开了一种采用多个单电池依次堆迭、串联形成的电池组，它的设计使整个空间中的气体分布不均匀，因为随着反应的不断进行，电池组的前端和后端电池的工作气氛相差很大，对电池组的输出性能具有很大的影响，这使得电池堆叠的数目不能太多，因而不利于电池组的放大，此外，其空间利用率不高。中国专利《一种星形结构的单气室固体氧化物燃料电池组》，公开号为CN 101162784，公开日为2008年04月16日，提出了在瓷管上将单电池按照星形环绕排列的单气室电池组方案，单电池所处气氛较均匀，电池组可沿支撑瓷管方向单向延伸，但是电池沿着径向的伸展使得每个电池的外缘间距很大，这不利于电池组在三维空间内进行放大，空间利用率也不高。中国专利《阵列式单气室固体氧化物燃料电池组模块》，公开号为CN101315986，公开日为2008年12月03日，则提出了一种将多个单电池按照阵列式排布形成的电池组，这种设计结构紧凑，空间利用率较高，但电池组的气体流场较复杂，反应气体不能均匀的到达各个单电池的阴极和阳极，导致部分电池性能受到影响，进而降低电池组的输出电压和输出功率。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有单气室固体氧化物燃料电池组中各个单电池所处气氛不均匀，影响电池组的输出电压和输出功率的问题，提供一种具有双气路通道的无密封固体氧化物燃料电池组。
本发明包括多个单电池，它还包括富燃料通气管、富氧通气管、多个连接片、阳极引线和阴极引线，
多个单电池分别通过连接片串联或并联在一起形成电池组，富燃料通气管和富氧通气管相对并行设置，所述电池组中的多个单电池之间呈均匀分布设置于富燃料通气管和富氧通气管之间，富燃料通气管的侧壁上具有等间距排布的多个燃料通气口，富氧通气管的侧壁上具有等间距排布的多个氧气通气口，每个燃料通气口对应于单电池的阳极，每个氧气通气口对应于单电池的阴极，所述电池组的阳极通过阳极引线引出，所述电池组的阴极通过阴极引线引出；富燃料通气管中通入富燃料气体，富氧通气管中通入富氧气体。
本发明的优点是：本发明电池组中的各个单电池与富燃料通气管和富氧通气管的相对设置，使每个单电池的阴极和阳极都邻近各自的通气口，这样反应气体会通过通气管直接输送到各单电池的阴极和阳极表面，使各个单电池所处的气氛均匀，消除了各单电池的电极反应以及气体组分的差异，能够获得较高的开路电压和输出功率。
本发明电池组的结构紧凑，空间利用率高，可以实现多排电池组单元的串并联，便于实现大规模发电的单气室固体氧化物燃料电池组装置。
附图说明
图1为本发明的多个单电池之间为串联形式的结构示意图；图2为阳极支撑型单电池的结构示意图；图3为电解质支撑型单电池的结构示意图；图4为阴极支撑型单电池的结构示意图；图5为截面为圆形的单电池的结构示意图；图6为截面为正方形的单电池的结构示意图；图7为截面为长方形的单电池的结构示意图；图8为截面为六边形的单电池的结构示意图；图9为截面为梯形的单电池的结构示意图；图10为本发明的多个单电池之间为串联形式的结构示意图，其中燃料通气口和氧气通气口均为第一种形式的三角形；图11为本发明的多个单电池之间为串联形式的结构示意图，其中燃料通气口和氧气通气口均为第二种形式的三角形；图12为本发明的多个单电池之间为串联形式的结构示意图，其中燃料通气口和氧气通气口均为矩形；图13为本发明的多个单电池之间为串联形式的结构示意图，其中燃料通气口和氧气通气口均为第三种形式的三角形；图14为Z形连接片的结构示意图；图15为V形连接片的结构示意图；图16为U形连接片的结构示意图；图17为镂空孔为矩形的连接片的结构示意图；图18为镂空孔为圆形的连接片的结构示意图；图19为具有浅槽的富燃料通气管和富氧通气管的结构示意图，浅槽用于直接将单电池或连接片固定；图20为具有定位机构的富燃料通气管和富氧通气管的结构示意图；图21为实施方式十二所述的本发明的结构示意图；图22为实施方式十三所述的本发明的结构示意图；图23为实施方式十四所述的本发明的结构示意图；图24为实施方式十五所述的本发明的输出特性曲线图。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1和图19说明本实施方式，本实施方式包括多个单电池1，它还包括富燃料通气管2、富氧通气管3、多个连接片4、阳极引线5和阴极引线6，
多个单电池1分别通过连接片4串联或并联在一起形成电池组，富燃料通气管2和富氧通气管3相对并行设置，所述电池组中的多个单电池1之间呈均匀分布设置于富燃料通气管2和富氧通气管3之间，富燃料通气管2的侧壁上具有等间距排布的多个燃料通气口2-1，富氧通气管3的侧壁上具有等间距排布的多个氧气通气口3-1，每个燃料通气口2-1对应于单电池1的阳极1-1，每个氧气通气口3-1对应于单电池1的阴极1-3，所述电池组的阳极通过阳极引线5引出，所述电池组的阴极通过阴极引线6引出；富燃料通气管2中通入富燃料气体，富氧通气管3中通入富氧气体。
本实施方式所述的单电池1由多孔阳极1-1、电解质层1-2和多孔阴极1-3三个部分组成。各个单电池1之间用导电的连接片4相连，组装成一排具有双气路通道的电池组单元。富燃料通气管2和富氧通气管3内分别通以一定流量的反应气体，从各燃料通气口2-1和氧气通气口3-1喷出的气体直接抵达单电池1的相应电极，燃料通气口2-1把燃料气体喷到各单电池1的阳极1-1表面，氧气通气口3-1把氧气喷到各单电池1的阴极1-3表面，这就使得到达各个单电池1电极表面的反应气体的流量和组分基本保持一致，使各个单电池1以几乎相同的状态发生电化学反应。各单电池1之间的连接片可以减少单电池1的阳极1-1和阴极1-3的两种反应气氛混淆，阻隔不同电极的反应气氛，使电极相互之间干扰较小，并延长气体在电极表面的滞留时间，有助于燃料利用率的提高。电池组的输出电流通过阳极引线5和阴极引线6引出。
本实施方式中各个单电池1可采用富燃料通气管2和富氧通气管3作支撑，与其直接连接。例如分别在两个通气管的各个通气口附近切割等距离的浅槽，分别将单电池1或连接片4嵌入其中固定，减少了结构材料的使用。还可将单电池1或连接片4直接粘接在两个通气管上来固定。
具体实施方式二：下面结合图20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它还包括定位机构7，每个单电池1通过定位机构7固定于富燃料通气管2和富氧通气管3上。其它组成及连接关系与实施方式一相同。
所述定位机构7可以采用图20所示的凸起结构，将各个单电池1相应的固定于其上。
具体实施方式三：下面结合图20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它还包括定位机构7，所述每个连接片4通过定位机构7固定于富燃料通气管2和富氧通气管3上。其它组成及连接关系与实施方式一相同。
所述定位机构7可以采用图20所示的凸起结构，将各个连接片4相应的固定于其上，连接片4固定之后，其上支撑的各个单电池1的位置同时固定。
具体实施方式四：下面结合图17和图18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每个连接片4与单电池1的相连接部分具有均匀分布的镂空孔。其它组成及连接关系与实施方式一相同。
连接片4上的镂空孔通过钻孔或冲压的方式进行加工，镂空孔的形状可为矩形或圆形。
具体实施方式五：下面结合图14至图16说明本实施方式，本实施方式与实施方式四的不同之处在于所述每个连接片4的材质为耐高温耐氧化还原的导电金属材料、氧化物导电陶瓷材料或带有氧化物涂层的金属材料；每个连接片4为Z形、V形或者U形；连接片4与单电池1之间的连接方式为导电胶粘结、扩散焊接或烧结。其它组成及连接关系与实施方式四相同。
本实施方式中所述的连接片4可采用耐高温耐氧化还原的导电金属材料，如金、银、铂或不锈钢等制成；还可以采用氧化物导电陶瓷，如铬酸镧等材料制成；连接片4还可为金属条带，将其弯曲成Z形、V形或者U形，可在其表面涂覆氧化物膜层。使用氧化物导电陶瓷材料制作连接片4时，可预先制成Z型、V型或者U型坯体，然后进行烧结。连接片4与各单电池1之间在实现机械连接的同时实现了电连接。
具体实施方式六：本实施方式与实施方式一的不同之处在于所述富燃料通气管2和富氧通气管3的材料为不锈钢、陶瓷或者石英玻璃。其它组成及连接关系与实施方式一相同。
富燃料通气管2和富氧通气管3采用不锈钢、陶瓷或者石英玻璃制成，它的化学稳定性好。
具体实施方式七：下面结合图2至图4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单电池1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。其它组成及连接关系与实施方式一相同。
每个单电池1由多孔阳极1-1、电解质层1-2和多孔阴极1-3组成。
具体实施方式八：下面结合图5至图9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单电池1的横截面形状为圆形、正方形、长方形、六边形或梯形。其它组成及连接关系与实施方式一相同。
具体实施方式九：本实施方式与实施方式七或八的不同之处在于所述单电池1的阳极1-1材料为：镍、钴和铁过渡族金属的氧化物中的一种或几种进行混合，再与掺杂氧化锆或掺杂氧化铈以及造孔剂混合，经烧结和还原后形成的单质金属与氧化物陶瓷组成的复合材料，或为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和Mn金属元素中的两种或多种成分的复合氧化物材料与造孔剂混合的复合材料；单电池1的电解质层1-2的材料为：掺杂氧化锆、掺杂氧化铈或者掺杂镓酸镧的固体电解质；所述单电池1阴极1-3材料为：具有ABO3或A2BO4通式的复合氧化物材料，其中O为氧元素，其中A位由一种或多种镧系稀土、碱土元素组成。所述镧系稀土包括La、Y、Pr、Nd、Sm、Eu和Gd等，碱土元素包括Ca、Sr和Ba；B位为一种或多种过渡金属元素，包括Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Ti、V、Zn等。阴极材料还可以是所述具有ABO3或A2BO4通式氧化物材料与一定量电解质材料组成的复合阴极材料。
具体实施方式十：本实施方式与实施方式一的不同之处在于所述富燃料通气管2中的富燃料气体为：烷烃、醇、酮、苯、天然气、液化石油气、合成气、沼气和煤层气中的一种或几种混合气体燃料，或者占总气体体积10～80％的稀释气体和燃料气体构成的混合气体，或者燃料气体和氧气构成的混合气体，燃料气体和氧气的体积比为0.2∶1～10∶1，或者燃料、稀释气体和氧气组成的混合气体；富氧通气管3中的富氧气体为：空气、富氧气或者纯氧。其它组成及连接关系与实施方式一相同。
所述稀释气体为化学性质稳定的氮气、氦气、氩气等气体。通过对富燃料通气管2中的稀释气体、燃料以及氧气的比例和富氧通气管3中的氧气流量进行控制，使电池组在300℃到1000℃的中高温区不会发生明显的燃烧和爆炸反应。
具体实施方式十一：下面结合图10至图13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燃料通气口2-1和氧气通气口3-1的形状为三角形或者矩形。其它组成及连接关系与实施方式一相同。
具体实施方式十二：下面结合图21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电池组的各个单电池1之间采取阳极1-1对阴极1-3的结构，各个单电池1之间呈平行等距排列，一个单电池1的阴极1-3与下一个单电池1的阳极1-1之间用Z形连接片4串联相接，以五个单电池1为例，如图21所示。其它组成及连接关系与实施方式一相同。
具体实施方式十三：下面结合图22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电池组的各个单电池1之间采用阳极1-1对阳极1-1，阴极1-3对阴极1-3的V字结构排列，并用V形连接片4串联相接，从各个通气口中输出的气流方向会沿着电极的表面方向或与之呈一定角度；将连接片4嵌入通气管上的浅槽中固定，以五个单电池为例，如图22所示。其它组成及连接关系与实施方式一相同。
具体实施方式十四：下面结合图23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电池组的各个单电池1之间采用阳极1-1对阳极1-1，阴极1-3对阴极1-3的方式呈一字排列，并用U形连接片并联相接，同时两个通气管均采用具有导电性质的材料如不锈钢制成，将连接片与4导电的通气管相连，起到并联单电池1的作用，电池组的输出电流分别由阳极引线5和阴极引线6引出，同时阳极引线5与富燃料通气管2连接，阴极引线6与富氧通气管3连接，以五个单电池1为例，如图23所示。
具体实施方式十五：下面结合图24说明本实施方式，图24所示为使用4个阳极支撑型单电池1串联形成的电池组的输出特性。其中每个单电池1的有效面积为0.5平方厘米。单电池1为Ni+YSZ阳极支撑YSZ薄膜电池，使用SDC溶液浸渍LSM复合阴极，单电池之间使用Ag连接片4连接，将电池组中的各个单电池1采用实施方式十二所述的结构排列。具体工作气氛：采用氮气作为稀释气体，流量为50毫升/分钟，甲烷作为燃料气体，流量为100毫升/分钟，氧气作为氧化剂，氧气流量为50毫升/分钟。从图中可以看出电池组的开路电压为3.6V，最大输出功率为0.37W，展现出很好的应用前景。
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。

Claims (9)

1.一种具有双气路通道的无密封固体氧化物燃料电池组，它包括多个单电池(1)，其特征在于：它还包括富燃料通气管(2)、富氧通气管(3)、多个连接片(4)、阳极引线(5)和阴极引线(6)，
多个单电池(1)分别通过连接片(4)串联或并联在一起形成电池组，富燃料通气管(2)和富氧通气管(3)相对并行设置，所述电池组中的多个单电池(1)之间呈均匀分布设置于富燃料通气管(2)和富氧通气管(3)之间，富燃料通气管(2)的侧壁上具有等间距排布的多个燃料通气口(2-1)，富氧通气管(3)的侧壁上具有等间距排布的多个氧气通气口(3-1)，每个燃料通气口(2-1)对应于单电池(1)的阳极(1-1)，每个氧气通气口(3-1)对应于单电池(1)的阴极(1-3)，所述电池组的阳极通过阳极引线(5)引出，所述电池组的阴极通过阴极引线(6)引出；富燃料通气管(2)中通入富燃料气体，富氧通气管(3)中通入富氧气体。
2.根据权利要求1所述的具有双气路通道的无密封固体氧化物燃料电池组，其特征在于：它还包括定位机构(7)，每个单电池(1)或每个连接片(4)通过定位机构(7)固定于富燃料通气管(2)和富氧通气管(3)上。
3.根据权利要求1所述的具有双气路通道的无密封固体氧化物燃料电池组，其特征在于：所述每个连接片(4)与单电池(1)的相连接部分具有均匀分布的镂空孔。
4.根据权利要求3所述的具有双气路通道的无密封固体氧化物燃料电池组，其特征在于：所述每个连接片(4)的材质为耐高温耐氧化还原的导电金属材料、氧化物导电陶瓷材料或带有氧化物涂层的金属材料；每个连接片(4)为Z形、V形或者U形；连接片(4)与单电池(1)之间的连接方式为导电胶粘结、扩散焊接或烧结。
5.根据权利要求1所述的具有双气路通道的无密封固体氧化物燃料电池组，其特征在于：所述富燃料通气管(2)和富氧通气管(3)的材料为不锈钢、陶瓷或者石英玻璃。
6.根据权利要求1所述的具有双气路通道的无密封固体氧化物燃料电池组，其特征在于：所述单电池(1)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；所述单电池(1)的横截面形状为圆形、正方形、长方形、六边形或梯形。
7.根据权利要求6所述的具有双气路通道的无密封固体氧化物燃料电池组，其特征在于：所述单电池(1)的阳极(1-1)材料为：镍、钴和铁过渡族金属的氧化物中的一种或几种进行混合，再与掺杂氧化锆或掺杂氧化铈以及造孔剂混合，经烧结和还原后形成的单质金属与氧化物陶瓷组成的复合材料，或为包括La、Sr、Ba、Ca、Cr、Ti、Mg、Mo、Fe和Mn金属元素中的两种或多种成分的复合氧化物材料与造孔剂混合的复合材料；单电池(1)的电解质层(1-2)的材料为：掺杂氧化锆、掺杂氧化铈或者掺杂镓酸镧的固体电解质；所述单电池(1)阴极(1-3)材料为：具有ABO3或A2BO4通式的复合氧化物材料，或者具有ABO3或A2BO4通式的复合氧化物材料与电解质材料组成的复合阴极材料。
8.根据权利要求1所述的具有双气路通道的无密封固体氧化物燃料电池组，其特征在于：所述富燃料通气管(2)中的富燃料气体为：烷烃、醇、酮、苯、天然气、液化石油气、合成气、沼气和煤层气中的一种或几种混合气体燃料，或者占总气体体积10～80％的稀释气体和燃料气体构成的混合气体，或者燃料气体和氧气构成的混合气体，燃料气体和氧气的体积比为0.2∶1～10∶1，或者燃料、稀释气体和氧气组成的混合气体；富氧通气管(3)中的富氧气体为：空气、富氧气或者纯氧。
9.根据权利要求1所述的具有双气路通道的无密封固体氧化物燃料电池组，其特征在于：所述燃料通气口(2-1)和氧气通气口(3-1)的形状为三角形或者矩形。
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