CN103187577A - 双金属集流元件及具有该双金属集流元件的燃料电池装置 - Google Patents

双金属集流元件及具有该双金属集流元件的燃料电池装置 Download PDF

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Abstract

在此公开了一种燃料电池装置，包括：管状的第一电极支架；连接体，该连接体与所述第一电极支架的一侧连接；电解质膜，该电解质膜围绕所述连接体并覆盖所述第一电极支架的外表面；第二电极，该第二电极形成于所述电解质膜的外表面并与所述连接体间隔开；第一集流元件，该第一集流元件围绕所述第二电极的外表面；第二集流元件，该第二集流元件与所述第一集流元件的外表面相接合且具有双金属结构。

Description

双金属集流元件及具有该双金属集流元件的燃料电池装置
相关申请的交叉引用
本申请要求于2011年12月28日提交的、名称为“Bimetal CurrentCollecting Member and Fuel Cell Apparatus With The Same”的韩国专利申请No.10-2011-0144763的优先权，该申请的全部内容作为参考被结合于此。
技术领域
本发明涉及一种双金属集流元件及具有该双金属集流元件的燃料电池装置。
背景技术
固体氧化物燃料电池（SOFC）使用具有氧离子电导率或氢离子电导率的固体氧化物作为电解质，能够在700至1000℃的高温下运行。
固体氧化物燃料电池的元件由固体构成，因此与其他燃料电池相比具有更简单的结构，不会有电解质的损失、补充和腐蚀的问题，并且在没有贵金属催化剂的情况下通过直接的内部重组促进燃料供给。此外，固体氧化物燃料电池释放高温气体，因此可以利用余热形成热电联产。
基于以上优点，美国、日本等发达国家积极开展了以商业化为目的的固体氧化物燃料电池的研究。
如韩国专利公开号2010-0007862（2010年1月22日公布）中所述，现有技术中的固体氧化物燃料电池包括具有高氧离子电导率的致密电解质层，和位于该电解质层两侧的多孔阴极层和阳极层。根据其工作原理，氧气穿透多孔阴极层抵达电解质的表面，通过氧气的还原反应产生的氧离子通过致密电解质层移动到阳极，然后与供应到多孔阳极的氢气反应，从而生成水。这样，电子在阳极产生并在阴极消耗，因此两电极相连产生电能。
为了实际使用通过该工作原理产生的电能，需要预定的电压和电流值，因此整个系统构成为包或堆，其中使用连接体和集流体将多个单体电池通过串联或者并联的方式彼此连接。
为了收集每个电池中产生的电能，现有技术中使用了如下方法：1、在电池的电极外部缠绕高导线（高导电率线材，high conductive wire）的绕线方法，2、使用LaCrO3基陶瓷连接体材料连接集流体和电池，以便在燃料电池的外部形成连接体的方法，3、使用多孔集流元件或类似元件的方法。
首先，绕线方法是一种通过在电极外部缠绕高导线（高导电率线材，highconductive wire）来收集电能的方法。在此方法中，电能通过导线和电极之间的接触来收集。在此方法中，当电极和导线之间的接触面积增加时，可以提高电能收集效率，因此，更密集的缠绕细线是有利的。
然而，在这种情况下，在固体氧化物燃料电池的工作温度下，由于热膨胀的存在，导致线的强度下降、硬度减小、、接触阻抗增加，并且线的长度也会增加。
其次，使用连接体的方法是一种在电池间使用动物毛皮或网状物的方法。在此方法中，为了收集来自于阴极和阳极这种外部电极产生的电能，将由陶瓷油膏（ceramic paste）形成的集流体应用到外部电极上。然而，这种由陶瓷油膏形成的集流体具有优良的耐久性，但是其导电性低于金属，因此集流效率低。
最后，在使用多孔集流元件的方法中，因为由金属形成的多孔集流元件具有良好的抗氧化性和导电性，相比绕线方法，在多孔集流元件与电极之间的接触点开始增加而电流移动路径开始减少，因此集流阻抗减小。
然而，因为该多孔集流元件由金属构成，在固体氧化物燃料电池很高的工作温度下，电极和集流元件之间的接触会减少。
发明内容
本发明致力于提供一种即使在固体氧化物燃料电池的高运行温度下也能够改善电极与集流元件之间接触的双金属集电元件。
此外，本发明致力于提供一种具有上述双金属集电元件的燃料电池装置。
根据本发明一种优选实施方式，提供一种双金属集流元件，该双金属集流元件包括：内金属板，该内金属板与围绕燃料电池外表面的集流元件相接合；以及外金属板，该外金属板的热膨胀系数高于所述内金属板的热膨胀系数，且该外金属板设置在所述内金属板的外表面上。
根据集流元件的外形，内金属板可以具有多边形横截面。
所述集流元件可以由动物毛皮或网状物形成，所述内金属板可以具有环绕该集流元件的C型横截面。
所述集流元件可以是由金属泡沫或金属纤维形成的多孔元件，所述内金属板可以具有围绕该集流元件的弯曲横截面。
所述内金属板可以由铬基合金或铁素体不锈钢形成，所述外金属板可以由奥氏体不锈钢或铁镍铬基合金形成。
根据本发明另一种优选实施方式，提供一种燃料电池装置，该燃料电池装置包括：管状的第一电极支架；连接体，该连接体与所述第一电极支架的一侧连接；电解质膜，该电解质膜围绕所述连接体并覆盖所述第一电极支架的外表面；第二电极，该第二电极形成于所述电解质膜的外表面并与所述连接体间隔开；第一集流元件，该第一集流元件围绕所述第二电极的外表面；第二集流元件，该第二集流元件与所述第一集流元件的外表面相接合且具有双金属结构。
所述第一电极支架可以为阳极支架，第二电极为阴极，或者第一电极支架可以为阴极支架，而第二电极为阳极。
所述第二集流元件可以包括内金属板，该内金属板与所述第一集流元件的外表面相接合；外金属板，该外金属板的热膨胀系数高于所述内金属板的热膨胀系数，且该外金属板设置在所述内金属板的外表面上。
所述内金属板和外金属板可以通过包覆、焊接及压紧中的任一种方法彼此连接。
所述第一集流元件可以经过抗氧化处理，以防氧化。
附图说明
图1是根据本发明一种优选实施方式的具有双金属集流元件的阳极支架型燃料电池装置的侧视图；
图2A是沿图1中的I-I线的剖视图；
图2B是根据本发明一种优选实施方式的具有双金属集流元件的阴极支架型燃料电池装置的剖视图；
图3是根据本发明一种优选实施方式的双金属集流元件的剖视图；
图4是根据本发明另一种优选实施方式的具有双金属集流元件的阳极支架型燃料电池装置的侧视图；
图5A是沿图1中的II-II线的剖视图；
图5B是根据本发明另一种优选实施方式的具有双金属集流元件的阴极支架型燃料电池装置的剖视图；
图6是根据本发明另一种优选实施方式的双金属集流元件的剖视图。
具体实施方式
通过以下参考附图进行的说明，将使得本发明的各个特征和优点更加明显。
本说明书及权利要求书中所使用的术语及词语不应被解释为限于一般含义或字典定义，基于发明人可适当地对术语的概念进行定义以更为适当地对其所知的用于执行本发明的最佳方法进行描述这一原则，所述术语及词语应被解释为具有与本发明的技术范围相关的意义及概念。
通过以下结合附图的详细描述，可更为清晰地理解本发明的上述及其他目的、特征以及优点。在说明书中，应该注意的是，在对附图中的组件添加附图标记时，相同的附图标记指代相同的组件（即使该组件出现于不同的附图中）。在说明说中，术语“第一”，“第二”等用于将一个元件与另一个元件进行区分，以上术语并不对元件做出定义。在描述本发明时，将略去相关的已知功能和构造的详细描述，以免掩盖本发明的要点。
下文中，将参考附图，详细描述根据本发明的优选实施方式。图1是根据本发明一种优选实施方式的具有双金属集流元件的阳极支架型燃料电池装置的侧视图。图2A是沿图1中的I-I线的剖视图。图2B是根据本发明一种优选实施方式的具有双金属集流元件的阴极支架型燃料电池装置的剖视图。图3是根据本发明一种优选实施方式的双金属集流元件的剖视图。
根据本发明一种优选实施方式的具有双金属集流元件140的燃料电池装置100包括：管状的阳极支架110；连接体111，该连接体111与阳极支架110相连接；电解质膜120，该电解质膜120围绕连接体111并覆盖阳极支架110的外表面；阴极112，该阴极112形成于电解质膜120的外表面；第一集流元件130，该第一集流元件130覆盖阴极112的外表面；以及第二集流元件140，该第二集流元件140围绕第一集流元件130。
所述阳极支架110支撑着堆放于其外表面上的电解质膜120、阴极112等。因此，所述阳极支架110可以相对厚于电解质膜120和阴极112以具备支撑力，并且可以通过挤出工艺形成。
此外，所述管状的阳极支架110通过歧管被供给燃料（氢气），从而通过电极反应产生负电流。这里，用氧化镍（NiO）和氧化钇稳定氧化锆（YSZ）形成阳极支架110，其中氧化镍被氢气还原成金属镍且具有电子电导率，而氧化钇稳定氧化锆作为氧化物具有离子电导率。
在这种情况下，形成该阳极支架110的氧化镍和氧化钇稳定氧化锆的重量比可以是例如50:50到40:60。
所述连接体111连接到阳极支架110的一侧，以便将由阳极支架110产生的负电流转移到外部。这里，所述连接体111作为阳极支架110的集流元件，需要具有导电率。
在这种情况下，因为所述连接体111与阳极支架110电连接，所以在与阴极112接触时会发生短路。因此，该连接体111与阴极112之间可以彼此间隔开预定的距离。
形成的电解质膜120用于将阴极112产生的氧离子转移到阳极支架110，该电解质膜120围绕连接体111并且覆盖阳极支架110的外圆周表面。这里，电解质膜120可以通过干法或者湿法形成涂层，然后进行烧结来形成，其中干法例如等离子喷涂法（plasma spray method）、电化学沉积法（electrochemical deposition method）、溅射法（sputtering method）、离子束方法（ion beam method）、离子注入法（ion injection method）等，湿法例如流延法（tape casting method）、喷雾涂层法（spray coating method）、浸涂法（dip coating method）、丝网印刷法（screen printing method）、刮刀法（doctorblade method）等。
在这种情况下，使用氧化钇稳定氧化锆、钪稳氧化锆(ScSZ)、GDC、LDC等形成的电解质膜120具有低的离子电导率，因此由于电阻极化产生小的电压降。所以，该电解质膜120可以形成为尽可能的薄。
所述阴极112形成于电解质膜120的外表面且与连接体111隔开，从外部接受空气（氧气）供给，通过电极反应产生正电流。这里，阴极112可以通过使用干法或者湿法涂覆具有高电子电导率的镧锶锰((La0.84Sr0.16)MnO3)等，然后进行烧结来形成。
在所述阴极112中，通过镧锶锰的催化作用，空气（氧气）变成氧离子，然后氧离子通过电解质膜120转移到阳极支架110中。
所述第一集流元件130，即环绕在阴极112外表面以收集电能的元件，例如可以是用导线环绕在阴极112外表面的网格状、毛皮状等形状。这里，第一集流元件130相对于其内部的阴极112会被氧化，因此优选进行抗氧化处理以防氧化。
所述第二集流元件140是一种具有双金属结构的电流元件，其与第一集流元件130的外圆周表面接合，防止阴极112与第一集流元件130之间由于在燃料电池的高运行温度下出现间隙而使得二者之间的接触减少。
也就是说，所述第二集流元件140具有双金属结构，其中两块金属板具有不同的热膨胀系数并彼此相连，以解决第一集流元件130与阴极112之间接触减少和接触阻抗增加的问题，该问题是由于在700至900℃的高运行温度下发生热膨胀所致。
更为具体地，如图3所示，所述第二集流元件140，通过将两种具有不同热膨胀系数的金属板彼此连接而制成，包括位于内侧的与第一集流元件130相接合的内金属板141和位于外侧的外金属板142，且外金属板142的热膨胀系数高于内金属板141的热膨胀系数。
所述内金属板141可以由金属材料形成，例如铬基合金、铁素体不锈钢等。外金属板142可以由热膨胀系数高于内金属板141热膨胀系数的金属材料形成，例如奥氏体不锈钢、铬铁镍基合金等。
所述内金属板141和外金属板142可以彼此连接，连接方法例如可以是包覆、焊接、压紧等，然后弯曲成C型，这样就形成了第二集流元件140。
在温度升高时，具有上述结构的第二集流元件140由于两块金属板的热膨胀系数不同，会朝向热膨胀系数低的内金属板141弯曲。
因此，随着温度的升高，第二集流元件140会挤压第一集流元件130，以防止在高运行温度下第一集流元件130与阴极112之间产生间隙，即使在高运行温度下也能使二者之间维持一定的接触。
此外，如图2B中所示，根据本发明一种优选实施方式的第二集流元件140可以选择性地应用到阴极支架型燃料电池装置中。
如图2B中所示，所述阴极支架型燃料电池装置与阳极支架型燃料电池装置不同之处在于，管状的阴极支架112从歧管中接收空气，并支撑着顺次堆叠于其外圆周表面上的电解质膜120和阳极110。
根据本发明一种优选实施方式的第二集流元件140也可以应用到阴极支架型燃料电池装置中，以防止在高运行温度下第一集流元件130与阳极110之间产生间隙，即使在高运行温度下也能使二者之间维持一定的接触。
因此，根据本发明一种优选实施方式，第二集流元件140可以安装到阴极支架型燃料电池装置中或者阳极支架型燃料电池装置中，即使在高运行温度下也能使第一集流元件130与阴极112之间，或者第一集流元件130与阳极110之间保持稳定的接触压力，从而可以提高集流效率。
下面，参照图4至图6，对根据本发明另一种优选实施方式的具有双金属集流元件的燃料电池装置进行描述。
图4是根据本发明另一种优选实施方式的具有双金属集流元件的阳极支架型燃料电池装置的侧视图，图5A是沿图4中的II-II线的剖视图，图5B是根据本发明另一种优选实施方式的具有双金属集流元件的阴极支架型燃料电池装置的剖视图，图6是根据本发明另一种优选实施方式的双金属集流元件的剖视图。
根据本发明另一种优选实施方式的燃料电池装置200和根据本发明第一种优选实施方式的燃料电池装置100具有相似的结构，不同之处仅在于第一和第二集流元件230和240。因此，根据本发明另一种优选实施方式的燃料电池装置200和根据本发明第一种优选实施方式的燃料电池装置100相同结构的描述将被省略。
根据本发明另一种优选实施方式的燃料电池装置200中，第一集流元件230是一种平面元件（planar member），其通过使用金属泡沫、金属纤维等而具有电子电导率和孔隙度，其上表面设置有凹槽，该凹槽与阴极212相接合。
此外，因为第一集流元件230具有孔隙度，因此能够有效地给阴极212供应空气（氧气）。然而，因为在第一集流元件230中具有氧化气氛，所以可以进行抗氧化处理，以防第一集流元件230被氧化。
所述第二集流元件240，即一种双金属集流元件，其横截面弯曲成“C”形，并与具有孔隙度的第一集流元件230相接合，在高运行温度下挤压第一集流元件230，以防阴极212和第一集流元件230之间由于间隙的存在而导致二者之间的接触减少。
更具体地，如图6中所示，具有弯曲横截面的第二集流元件240包括与第一集流元件230外表面接合的内金属板241，以及位于该内金属板241外表面的外金属板242，该外金属板242的热膨胀系数高于内金属板241的热膨胀系数。
所述第二集流元件240的内金属板241可以由铬基合金、铁素体不锈钢等金属材料形成，外金属板242可以由奥氏体不锈钢、铬铁镍基合金等金属材料形成。
如图6所示，通过该双金属结构，由于两块金属板的热膨胀系数不同，当温度升高时，第二集流元件240将朝向热膨胀系数低的内金属板241弯曲。
因此，在高运行温度下，第二集流元件240将挤压具有孔隙度的第一集流元件230，以稳定地维持阴极212和第一集流元件230之间的接触，从而提高集流效率。
此外，如图5B所示，根据本发明另一种优选实施方式的第二集流元件240可以选择性地应用到阴极支架型燃料电池中。
如图5B所示，根据本发明另一种优选实施方式的具有双金属集流元件的阴极支架型燃料电池装置与阳极支架型燃料电池装置结构上的不同之处在于，其包括管状阴极支架212，电解质膜220和阳极210顺次叠置于阴极支架212的外圆周表面上。
根据本发明另一种优选实施方式的第二集流元件240可以应用到阴极支架型燃料电池中，以防止在高运行温度下第一集流元件230与阳极210之间产生间隙，即使在高运行温度下也能使二者之间维持一定的接触。
因此，在本发明中，具有不同类型双金属结构的第二集流元件可以安装在阴极支架型燃料电池装置中，也可以安装在阳极支架型燃料电池装置中，即使在高温下也能稳定地维持电接触压力，从而可以提高集流效率。
根据本发明的优选实施方式，燃料电池氧化物装置包括具有双金属结构的第二集流元件，以在高运行温度下使第一集流元件和第二电极之间稳定地保持接触，从而可以提高集流效率。
尽管结合优选实施方式对本发明的精神做了详尽的描述，但应当理解的是，这些实施方式是用来解释而非限制本发明的精神。
还应当理解的是，本发明所属领域的普通技术人员可以在本发明的技术范围之内做出各种改变和修改。

Claims (14)

1.一种双金属集流元件，该双金属集流元件包括：
内金属板，该内金属板与围绕燃料电池外表面的集流元件相接合；以及
外金属板，该外金属板的热膨胀系数高于所述内金属板的热膨胀系数，且该外金属板设置在所述内金属板的外表面上。
2.根据权利要求1所述的双金属集流元件，其中，根据所述集流元件的外形，所述内金属板具有多边形横截面。
3.根据权利要求1所述的双金属集流元件，其中，所述集流元件由网状物或毛皮形成，且所述内金属板具有围绕所述集流元件的C型横截面。
4.根据权利要求1所述的双金属集流元件，其中，所述集流元件为由金属泡沫或金属纤维形成的多孔元件，并且所述内金属板具有围绕所述集流元件的弯曲横截面。
5.根据权利要求1所述的双金属集流元件，其中，所述内金属板由铬基合金或铁素体不锈钢形成，并且所述外金属板由奥氏体不锈钢或铬铁镍基合金形成。
6.一种燃料电池装置，该燃料电池装置包括：
管状的第一电极支架；
连接体，该连接体与所述第一电极支架的一侧连接；
电解质膜，该电解质膜围绕所述连接体并覆盖所述第一电极支架的外表面；
第二电极，该第二电极形成于所述电解质膜的外表面并与所述连接体隔开；
第一集流元件，该第一集流元件围绕所述第二电极的外表面；以及
第二集流元件，该第二集流元件与所述第一集流元件的外表面相接合且具有双金属结构。
7.根据权利要求6所述的燃料电池装置，其中，所述第一电极支架为阳极支架，所述第二电极为阴极。
8.根据权利要求6所述的燃料电池装置，其中，所述第一电极支架为阴极支架，所述第二电极为阳极。
9.根据权利要求6所述的燃料电池装置，其中，所述第二集流元件包括：内金属板，该内金属板与所述第一集流元件的外表面相接合；以及外金属板，该外金属板的热膨胀系数高于所述内金属板的热膨胀系数，且该外金属板设置在所述内金属板的外表面上。
10.根据权利要求6所述的燃料电池装置，其中，所述第一集流元件由网状物或毛皮形成，所述内金属板具有围绕该集流元件的多边形横截面。
11.根据权利要求6所述的燃料电池装置，其中，所述第一集流元件为使用金属泡沫或金属纤维形成的多孔元件，所述内金属板具有围绕该集流元件的弯曲横截面。
12.根据权利要求9所述的燃料电池装置，其中，所述内金属板是由铬基合金或铁素体不锈钢形成的平面元件，并且所述外金属板是由奥氏体不锈钢或铬铁镍基合金形成的平面元件。
13.根据权利要求9所述的燃料电池装置，其中，所述内金属板和外金属板通过包覆、焊接及压紧中的任一种方法彼此连结。
14.根据权利要求6所述的燃料电池装置，其中，所述第一集流元件经过抗氧化处理，从而防止被氧化。
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