CN102856568A - 一种端口密封的双空心阳极支撑固体氧化物燃料电池装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于固体氧化物燃料电池技术领域，具体为一种端口密封的双空心阳极支撑固体氧化物燃料电池装置。本发明燃料电池装置由较小半径的空心阳极嵌入较大半径的空心阳极中，形成双阳极结构；其中，小半径阳极管的出气口密封，大半径阳极管的入气口也密封，密封所用材料致密不透气；内、外阳极间用金属网隔开和固定。本发明显著改善了燃料气体在阳极管内部的流通，增加了燃料的流通路径长度及通过阳极时间；同时有效增加阳极集电面积，增大催化剂和燃料接触面积，提高了在中低温工作条件下，燃料电池能量密度；由于采用双层阳极结构,在内阳极的局部漏气,只要外阳极安全，都可以保证该电池的正常工作。本发明结构简单、低成本、易替换、重量轻、寿命长。
Description
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种端口密封空心双阳极支撑固体氧化物燃料电池，尤其是适合中低温（小于600℃）操作的100 W级的发电装置。
背景技术
随着现代工业的发展,煤,石油,天然气等化石燃料的短缺和它们自身带来的环境污染等问题使得人们需要去寻找高效的能源转换方式和清洁的可替代新能源。通过电化学反应,燃料电池可将燃料中的化学能高效转换为电能。其中,固体氧化物燃料电池(SOFCs)是以氢或者碳氢化合物等为燃料的高效能量转换装置。SOFCs具有燃料适应性强，固体电解质稳定性好,功率密度高,环境友好无污染，尺寸和发电功率的灵活缩放，可实现热电联供等优点。将SOFCs的操作温度从传统的800-1000℃，降低到500℃以下的低温，可以实现电池的快速启动和关闭,降低各个部件的老化速率, 提高SOFCs寿命， 还可以使用廉价的不锈钢等作为连接材料， 大大降低成本。 为SOFCs的商业化提供有利条件。
但是操作温度的降低会带来很多问题。 其中最突出的是电阻的增加， 包括电解质的欧姆电阻和电极的极化电阻。 前者可以通过使用在低温下具有高电导率的新材料和降低电解质的厚度来解决。 而极化电阻增加,则是主要由于低温操作下，离子扩散速度下降， 以及电化学反应缓慢。 由此引起电池能量密度降低,燃料利用率不高和燃料浪费的问题。
中国发明专利CN201210147703.8公开了“一种阳极支撑固体氧化物燃料电池及其制备方法” 是通过引入使用NiO+YSZ作为材料阳极功能层，来提高了单电池的功率密度及电池的机械强度。虽然有一定效果，但是，也存在较大问题：一方面， 该功能层材料在高温烧结的过程中晶粒会变大，Ni作为催化剂效果会减弱。另一方面，如果使用碳氢化合物作为燃料，在高温工作的情况下，很快会有碳析出于该功能层，不但催化能力减低，而且会阻碍燃料气体扩散，使得发电效果变差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种燃料利用率高, 发电效能高的固体氧化物燃料电池。
本发明提供的固体氧化物燃料电池，由较小半径的空心阳极嵌入较大半径的空心阳极中，形成双阳极结构，内、外阳极等长；其中，小半径阳极管的出气口密封，大半径阳极管的入气口也密封，密封所用材料致密不透气；内、外阳极间用金属网隔开和固定；内阳极管采用孔隙率高的多孔材料。密封部位的密封材料如果与内阳极和外阳极相同，其烧结温度为1250℃ 。
本发明中，针对低温燃料利用率不高, 结合燃料沿着空心阳极流动的特征，把内阳极出气口密封, 让燃料沿着内阳极的多孔壁缓慢的渗透至外空心阳极；通过密封外阳极的一端, 使燃料从外阳极的出气口流出,极大的延长了燃料气流在阳极的通过时间, 提高燃料的利用率。
本发明所使用内、外阳极的内、外表面为波纹面、沟槽面或平滑面结构中的一种。这里的空心阳极通过预设定模子用机械挤压的方式成形。 可以随意设计模子的形状, 使得在挤压过程中在阳极的内外表面出现所需要的波纹面、沟槽面、平滑面结构, 来引导燃料气体沿既定路径流动。
本发明所使用的内阳极根据密封效果的难易可以制成圆形、方形或三角形。
本发明所述的内阳极的材料，有极高的孔隙率。 所使用原料除了纳米镍粒子, 氧化钇稳定的氧化锆 (YSZ) 等传统电极材料外, 加入一体积比(电极材料和发孔剂体积比) ,半径大小为5μm的聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA)球形发孔剂，PMMA 在煅烧过程中于400℃ 左右烧尽, 原有体积形成微孔。控制好体积比最终可以形成孔隙率高达60% 空心阳极。
所述的内、外阳极间的密封材料是固体氧化物燃料电池的阴极、阳极、电解质材料或陶瓷胶、玻璃胶。这里的内、外空心阳极是分开烧结。内阳极为了保持孔隙率, 烧结温度为1300℃,为了兼顾孔隙率和致密电解质的致密化, 外阳极和电解质层的共烧结温度为1350℃。由于内外阳极先分别煅烧好再密封, 所以可选择密封材料很多。 可以为导电的电极材料,或者为绝缘的密封剂. 此外也可以选择有催化能力的金属材料。
所述的内外阳极分割材料一般为镍网。 用内嵌入的多片圆环形金属镍网可以固定两个空心阳极. 不同外径的内阳极选取不同环厚的镍网。 如果密封材料为阳极相同材料, 用镍金属网固定后, 再利用沾取涂布的方式，预封阳极端口。 经多次烧结-涂布-烧结, 以达到完全密封。
所述的双阳极结构, 提高了阳极的抗破坏性。内阳极的局部漏气甚至破裂, 只要外阳极安全, 都可以保证该电池的正常工作. 更甚至于在内阳极毁坏的情况下,不会降低电池的发电效率。
本发明通过密封小半径阳极管一端及其大半径阳极管的另一端，利用小半径阳极管的极高的孔隙率（约为60%），显著改善了燃料气体在阳极管内部的流通，增加了燃料的流通路径长度及通过阳极时间。能够有效解决燃料电池在低温工作时，燃料利用率不高,大部分燃料非电化学反应变成电能而直接排出阳极的问题。而且有效增加阳极集电面积，增大催化剂和燃料接触面积，提高了在中低温工作条件下(小于600 ℃)，燃料电池能量密度。由于采用双层阳极结构, 在内阳极的局部漏气甚至破裂, 只要外阳极安全， 都可以保证该电池的正常工作。本发明与单阳极支撑型电池相比，几乎不增加成本。此外其独特的双层阳极大大提高了电池的抗破坏性, 提高电池堆的使用寿命。在低温工作条件下,电池输出可观的能量密度。本发明具有结构简单、低成本、易替换、重量轻、寿命长等特点。
附图说明
图1端口密封的双空心阳极支撑固体氧化物燃料电池示意图。
图2单电池的侧面示意图。
图3内阳极形状示意图。
图4单阳极和双阳极支撑管式固体氧化物燃料电池在不同温度下的电流-电压曲线。
图5不同形状内阳极在不同温度下,单电池的最大能量密度。
图中标号：1-电池堆，2-单电池，3-燃料，4-密封体，5-外阳极壁，6-内阳极壁，7-阴极，8-电解质，9-微孔，10-镍金属网隔片，11-发电部位。
具体实施方式
下面通过进一步描述本发明。
实施例1：
1 .将NiO粉体， YSZ的粉体(氧化钇稳定氧化锆，NiO/YSZ质量比为1：3)，PMMA小球（直径5μm）， 分散剂，结合剂，熔剂，混合均匀。采用真空练泥技术，充分泥练，用挤压机挤压成阳极空心管 （横截面为圆环）。 内,外阳极管的内径分别为1.9mm和8mm。管长均为6cm。 室温干燥，采用浸涂方法在外阳极支撑体的外表面涂敷电解质,材料为氧化钪稳定的氧化锆 （ScSZ），然后，在1350℃烧结。而内阳极则另外单独烧结，烧结温度为1300℃.最后，在涂敷阴极之前，使用一层大约1μm保护层，以防止氧化锆和钴在高温烧结时反应, 材料为氧化钆掺杂的氧化铈 （GDC），最后，采用浸涂方法涂敷阴极材料， 在1100℃烧结后，获得整个单电池。内外阳极厚度分别为250和400μm左右,电解质厚度5μm,阴极厚度为20μm, 材料为锶、铁掺杂的钴酸镧类（L0.6S0.4C0.2F0.8）。
2 .用黏稠状阳极泥将封住空心内阳极管的一段，1250℃烧结,以达到密封。
3. 将内阳极管嵌入外阳极管，用镊网固定好。固定后的截面结构如图2。
4. 密封内阳极和外阳极中间层位于内阳极入气口的一侧，密封方法如步骤2。
5. 在完成双阳极密封后，为了确保不漏气，涂敷一层玻璃胶或者陶瓷胶，以达到完美密封。
6. 在用燃料电池发电前，仔细检测双空心阳极密封处的漏气状况。
7. 测试单电池，具体的测试结果如图4。所使用燃料为20% 浓度的氢气， 流量44 cc min-1，其中红色代表双阳极，黑色代表单阳极。具体的发电部位如图2右侧。
8. 按照所需功率需求，如图1所示，搭建电池堆。
实施例2：
用与实施方式1一样的大阳极管, 小阳极管还有可以制成多种形状。
1. 大阳极管制作方式与实施方式1中所述相同。
2. 在挤压小空心阳极的时候, 选取不同的模子, 将小空心阳极管制成空心三角形和正方形。圆形,三角形和正方形的厚度均为250μm。左右其截面图如图3。
3. 其密封方法与实施方式1所述相同。
4. 单电池测试结果为图5, 其中黑色代表圆形, 红色代表三角形, 蓝色代表方形。 三种形状中,圆形空心内阳极设计对于提高单电池发电性能的影响是最好的。
Claims (8)
1. 一种端口密封的双空心阳极支撑固体氧化物燃料电池装置，其特征在于由较小半径的空心阳极嵌入较大半径的空心阳极中，形成双阳极结构，内、外阳极等长；其中，小半径阳极管的出气口密封，大半径阳极管的入气口也密封，密封所用材料致密不透气；内、外阳极间用金属网隔开和固定；内阳极管采用孔隙率高的多孔材料。
2. 如权利要求1所述的燃料电池装置，其特征在于所述内阳极的内、外表面为波纹面、沟槽面、平滑面中的一种。
3. 如权利要求1或2所述的燃料电池装置，其特征在于所述内阳极管的整体形状为圆形、三角形或方形。
4. 如权利要求1所述的燃料电池装置，其特征在于所述外阳极的内、外表面为波纹面、沟槽面、平滑面结构中的一种。
5. 如权利要求1或2所述的燃料电池装置，其特征在于所述内阳极是多孔结构。
6. 如权利要求1所述的燃料电池装置，其特征在于所述的内、外阳极间的填充材料是致密结构材料。
7. 如权利要求1或6所述的燃料电池装置，其特征在于所述的内、外阳极间的密封材料是固体氧化物燃料电池的阴极、阳极、电解质材料或陶瓷胶、玻璃胶。
8. 如权利要求1或6所述的燃料电池装置，其特征在于所述的内、外阳极间的隔开使用的金属网材料为镍。
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| CN101087033A (zh) * | 2007-06-25 | 2007-12-12 | 南京工业大学 | 一种火焰燃料电池及其可以发电的煤球炉 |
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