CN103296298B - 一种管式固体氧化物燃料电池的发电单元、电池堆及其组装方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种管式固体氧化物燃料电池的发电单元、电池堆及其组装方法，所述发电单元包括单电池、合金基座、燃料气体进气管和燃烧尾气出气管，所述合金基座上设置有贯通两端的腔体，腔体的一端供单电池底部插入，另一端设置有2个独立的插口、分别对应燃料气体进气管和燃烧尾气出气管；合金基座的腔体两端设置有气密封装置。所述电池堆由若干个串联的发电模块构成，发电模块由若干个相互连接的发电单元构成，发电单元呈点阵式布置，同一排中的所有发电单元相互串联、排与排之间的发电单元相互并联。本发明单电池是独立的发电单元，燃料尾气不燃烧、可再次利用，无需采用贵金属导线、成本低。电池堆结构简单、稳定性强、容错能力强、易维护。

Description

一种管式固体氧化物燃料电池的发电单元、电池堆及其组装方法

技术领域

本发明涉及燃料电池应用领域，具体是一种管型固体氧化物燃料电池的发电单元和电池堆的结构设计、密封、连接方式及组装方法。

背景技术

燃料电池是一种新型能源技术，具有高效、清洁、安全可靠等特征。固体氧化物燃料电池(SOFC)除了具有一般燃料电池的共同优点外，其效率更高，且具备燃料普适性。其全固态、模块化的设计还使其可以满足从小型便携式电源到大型发电设备的各种应用需求。由于SOFC单电池工作电压只有1V左右，在实际应用中需要将单电池组装成电堆，以提高输出电压和输出功率。管式SOFC由于其曲面的表面特征，其电流收集一直相当困难，通常需要在单电池上制备陶瓷连接体来进行单电池直接的串联。比如：西门子-西屋公司采用等离子喷涂法，沿管轴线方向制备掺杂的铬酸镧连接体条。但是陶瓷连接体制备困难，成本高的问题很难解决。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种不含连接体的、由管式单电池组装的电池堆的的发电单元、电池堆及其组装方法。

本发明所采用的技术方案是：

一种管式固体氧化物燃料电池的发电单元，所述管式固体氧化物燃料电池是阳极支撑管式单电池，顶端封闭、底部设置有燃料气体进气口和燃烧尾气出气口；所述发电单元包括单电池、合金基座、燃料气体进气管和燃烧尾气出气管，所述合金基座上设置有贯通两端的腔体，腔体的一端供单电池底部插入，另一端设置有2个独立的插口、分别对应燃料气体进气管和燃烧尾气出气管；合金基座的腔体两端设置有气密封装置。

所述燃料气体进气管穿过合金基座、插入单电池的燃料气体进气口，且燃料气体进气管末端对应单电池管体内壁顶端设置。

所述燃料气体进气管为金属管，金属管表面烧结有阳极电极材料、作为单电池的阳极导线。

所述合金基体与单电池连接部分设置的气密封装置是玻璃密封环。

所述合金基体与燃料气体进气管和燃烧尾气出气管连接部分设置的气密封装置是钎焊接头。

所述的管式固体氧化物燃料电池的发电单元的组装方法，具体步骤如下：

（1）向单电池的管体内部注入阳极收电浆料，充分润湿管壁后、再将阳极收电浆料倒出；

（2）将阳极电极材料包裹在燃料气体进气管上并涂抹浆料，再将其塞入单电池的管体内部内、使得燃料气体进气管末端接触到单电池内壁顶端；

（3）将步骤（2）得到的电池体插入合金基座的腔体内、燃料气体进气管通过插口伸出，在单电池与合金基座的空隙内填充玻璃浆料，待空隙完全填满之后、在单电池与合金基座连接部分套上玻璃环；

（4）将步骤（3）得到的电池体竖直放置、送入炉内加热，使得单电池与合金基座连接部分的玻璃浆料和玻璃环烧结成为密封玻璃环；

（5）将燃烧尾气出气管通过合金基座上的插口插入步骤（4）得到的电池体，并将燃料气体进气管和燃烧尾气出气管与合金基座采用钎焊焊接；

（6）将单电池的阴极表面刷Pt浆网格并烘干，再在单电池的阴极表面包裹集电银网后，用镍铬丝扎紧，完成发电单元的装配。

所述电池堆由若干个串联的发电模块构成，发电模块由若干个相互连接的发电单元构成，发电单元呈点阵式布置，同一排中的所有发电单元相互串联、排与排之间的发电单元相互并联。

所述发电模块中还包括隔热支撑孔板，隔热支撑孔板上设置有若干个格栅、配合安装发电单元的合金基座。

所述的管式固体氧化物燃料电池的电池堆的组装方法，具体步骤如下：

（a）在隔热支撑孔板上的第一列格栅内、逐个放入发电单元，且每放入一个发电单元，就使用导线将其与同列的发电单元串联，直至完成第一列发电单元的串联；

（b）从隔热支撑孔板上的第二列格栅开始、逐列依次放入发电单元，且每放入一个发电单元，就使用导线将其与同列的发电单元串联连接、与同排的发电单元并联连接，直至完成所有发电单元的联接，构成发电模块；

（c）沿发电单元并联方向、发电模块的两侧分别为发电模块的正极和负极，将发电模块相互串联，构成电池堆。

本发明所产生的有益效果是：

本发明所设计的管型固体氧化物燃料电池（SOFC）的发电单元和电池堆具有结构简单、紧凑、稳定高的优点，电池堆的功率大小易调节、容错能力强、易维护。与现有技术相比，本发明的创新之处在于：

1)本发明所采用的单电池为不带连接体的阳极支撑管式电池；

2)本发明的发电单元具有进出气管路，尾气不燃烧，电池堆具有良好的稳定性和耐久性；

3)本发明以单个管型固体氧化物燃料电池作为独立发电单元，电池堆中的发电单元可以拆卸替换，可通过增减发电单元的数量来调节电池堆功率大小；

4)本发明对本发明同时进行串联和并联的集电设计，使得电池堆具有较强的容错性。

附图说明

图1为本发明发电单元的结构示意图；

图2为本发明合金基座的结构示意图；

图3为本发明管式固体氧化物燃料电池堆的侧视结构示意图；

图4为本发明管式固体氧化物燃料电池堆的后视结构示意图；

图5为本发明管式固体氧化物燃料电池堆的仰视结构示意图；

图6为本发明实施例1组装的管式SOFC电池堆在氢气为燃料时的放电性能曲线。

图中标号表示：1-燃料气体进气管，2-燃烧尾气出气管，3-合金基座，3-1-出气管插口，3-2-进气管插口，3-3-空腔，4-玻璃密封环，5-单电池，6-隔热支撑孔板，7-发电模块正极，8-串联导线，9-发电模块负极，10-阴极并联导线，11-阳极并联导线。

具体实施方式

如图1～6所示，本发明创新设计了一种管式固体氧化物燃料电池（SOFC）的发电单元和基于该发电单元的电池堆，包括SOFC单电池5组装构成的独立发电单元、电池堆的结构及集电设计两部分。其中，管式固体氧化物燃料电池采用无连接体的阳极支撑管式单电池5，该单电池5的顶端封闭、底部设置有燃料气体进气口和燃烧尾气出气口。阳极支撑管式单电池5的阳极在内、阴极在外，可以采用浸渍、浇注、挤出成型共烧结等各种方法制备。

发电单元的组装设计特征为：每根单电池5都具有独立的燃料气体进气管1和燃烧尾气出气管2，单电池5的独立进出气功能是通过独特设计的合金基座3来实现的，同时燃料气体进气管1兼有阳极导线功能。该设计的优点是燃料尾气不燃烧、可再次利用，电池阳极集电无需采用贵金属导线，成本低。具体的：

发电单元包括单电池5、合金基座3、燃料气体进气管1和燃烧尾气出气管2，合金基座3用于实现单电池5的燃料气体独立进出及气密封。合金基座3上设置有贯通两端的腔体，腔体的一端供单电池5底部插入、该空腔3-3对应单电池5的底部设置，另一端设置有2个独立的插口，分别是：对应燃料气体进气管1为进气管插口3-1，对应燃烧尾气出气管2为出气管插口3-2。

合金基座3的腔体两端设置有气密封装置，该气密封装置可采用微晶玻璃密封（非晶玻璃密封）、钎焊接头密封等方法。本具体实施方式中，合金基体3与单电池5连接部分设置的气密封装置是玻璃密封环4、即微晶玻璃密封环4。合金基体3与燃料气体进气管1和燃烧尾气出气管2连接部分设置的气密封装置是钎焊接头。

燃料气体进气管1穿过合金基座3、插入单电池5的燃料气体进气口，且燃料气体进气管1末端对应单电池5管体内壁顶端设置，确保燃料气体进气管1末端在单电池5管体内的阳极管外露出足够的长度。燃料气体进气管1为金属管，金属管表面烧结有阳极电极材料，使得燃料气体进气管1兼具单电池5的阳极导线功能。本具体实施方式中，燃料气体进气管1为铜管，也可以是其他导热性良好的金属管；铜管表面烧结的阳极电极材料是泡沫镍，也可以是其他的阳极材料、如钛等。如此设计，常温的燃料气通过燃料气体进气管1导入至单电池5的管体内部时、可以被金属管预热，燃料气喷出燃料气体进气管1后，在反向回流过程中发电。另外，单电池5管体内部、燃料气体进气管1与管体内壁之间设置有多孔镍毡，用于阳极集电。

合金基座3是耐热合金制得的金属基座3，本具体实施方式选用不锈钢材料制得的合金基座3。燃料尾气出气管2一般选用金属管，本具体实施方式选用不锈钢材料制得的燃料尾气出气管2。

管式固体氧化物燃料电池的发电单元的组装方法，具体步骤如下：

（1）向单电池5的管体内部注入阳极收电浆料，充分润湿管壁后、再将阳极收电浆料倒出。

（2）将阳极电极材料包裹在燃料气体进气管1上并涂抹浆料，再将其塞入单电池5的管体内部内、使得燃料气体进气管1末端接触到单电池5内壁顶端。本具体实施方式中，将足够多的泡沫镍包裹在燃料气体进气管1上，然后在燃料气体进气管1表面的泡沫镍上涂抹浆料，同时将燃料气体进气管1塞入单电池5的管体内部内、使得燃料气体进气管1末端接触到单电池5内壁的顶端。需要注意的是：燃料气体进气管1末端开口处须用泡沫镍包裹，以免浆料进入燃料气体进气管1内部、使其堵塞。

（3）将步骤（2）得到的电池体插入合金基座3的空腔3-3内、燃料气体进气管1通过进气管插口3-1伸出，在单电池5与合金基座3的空隙内填充玻璃浆料，待空隙完全填满之后、在单电池5与合金基座3的连接部分套上玻璃环4。本具体实施方式中，玻璃环为手工刻制，外周面为正方形、内周面对应合金基座3与单电池5连接部分的外周面，玻璃环的内周面端部设置有倒角。也就是说玻璃环的内周面上端对应合金基座3的外周面、下端对应单电池5的外周面，单电池5与合金基座3的连接部分与玻璃环之间填满玻璃浆料。

（4）将步骤（3）得到的电池体竖直放置、送入炉内加热，使得单电池5与合金基座3连接部分的玻璃浆料和玻璃环烧结成为密封玻璃环4。烧结时，炉内温度需要达到900℃以上，保温30min以上，升温速率为5℃/min。

（5）将燃烧尾气出气管2通过合金基座3上的出气管插口3-2插入步骤（4）得到的电池体，并将燃料气体进气管1和燃烧尾气出气管2与合金基座3采用钎焊焊接；

（6）将单电池5的阴极表面刷Pt浆网格并烘干，再在单电池5的阴极表面包裹集电银网后、用镍铬丝扎紧，阴极侧电流通过银网进行集电，完成发电单元的装配。需要注意的是：使用用镍铬丝扎紧集电银网时，不可过紧、容易造成单电池5的破裂。

电池堆的设计特征为：电池堆中采用单电池5为独立的发电单元，发电单元可以拆卸替换，可通过增减电池堆中发电单元的数量、来调节电池堆的发电功率。电池堆同时采用串联和并联的集电方式，使得电池堆结构简单、稳定性强、容错能力强、易维护。具体的：

电池堆包括若干个相互串联的发电模块，发电模块又是由若干个相互连接的发电单元构成。发电模块中，发电单元呈点阵式布置，同一排中的所有发电单元相互串联、排与排之间的发电单元相互并联。发电模块中还包括隔热支撑孔板6，隔热支撑孔板6上设置有若干个格栅、配合安装发电单元的合金基座3相互配合安装。根据所需电流的大小，确定每排中并联的发电单元的个数，排与排之间通过串联发电单元进行升压，组装成发电模块，发电模块串联组装成电池堆。

管式固体氧化物燃料电池的电池堆的组装方法，具体步骤如下：

（a）在隔热支撑孔板6上的第一列格栅内、逐个放入发电单元，且每放入一个发电单元，就使用导线将其与同列的发电单元串联，直至完成第一列发电单元的串联；具体的：使用串联导线8将第一列的发电单元全部串联起来。

（b）从隔热支撑孔板6上的第二列格栅开始、逐列依次放入发电单元，且每放入一个发电单元，就使用导线将其与同列的发电单元串联连接、与同排的发电单元并联连接，直至完成所有发电单元的联接，构成电池堆的发电模块；具体的：使用串联导线8将每一列的发电单元全部串联起来，同时，使用阴极并联导线10将同一排的发电单元的阴极全部连接起来、使用阳极并联导线11将同一排的发电单元的阳极全部连接起来，从而完成同排的发电单元并联连接。

（c）沿发电单元并联方向、发电模块的两侧分别为发电模块的正极和负极，将发电模块相互串联，构成电池堆。具体的：沿阴极并联导线10和阳极并联导线11的布置方向，发电模块的两侧分别为发电模块正极7和发电模块负极9，将相邻发电模块的发电模块正极7和发电模块负极9相互串联，构成完整的电池堆。

实施例一

如图3～5所示，是一个由48根单电池5组成的管式SOFC电池堆，以此为例详细说明本发明的结构及其组装方法。

SOFC发电单元组装：

1)准备阳极集电泡沫镍；

2)准备阳极进气铜管及出气不锈钢管；

3)阳极组装及集电：向单电池5的管内注入阳极收电浆料，充分润湿管壁后倒出；

4）将泡沫镍包裹在阳极进气铜管上，注意铜管深入电池管的开口处须用泡沫镍包裹，以免浆料进入铜管而堵塞。一边在泡沫镍上涂抹浆料，一边将阳极进气铜管塞入单电池5的管内，直到阳极进气铜管的末端接触到单电池5的管内顶端为止；

5)将装好阳极进气铜管的单电池5套入不锈钢基座（合金基座3），单电池5与不锈钢基座间的空隙填充微晶玻璃浆料，完全填满之后套上、微晶玻璃环；

6）将套有玻璃环的电池体直立放入炉子，玻璃环处须加热到900℃，保温30min，升温速率5℃/min，完成单电池5与不锈钢基座连接处的玻璃环密封；

7）不锈钢基座端面与阳极进气铜管及出气不锈钢管的连接部分的间隙采用钎焊焊接；

8)银极组装及集电：单电池5阴极表面刷Pt浆网格，烘干；包裹集电银网后，用镍铬丝扎紧（注意不可过紧，以免造成单电池5的破裂），从而完成发电单元的装配。

SOFC电池堆组装：

本具体实施方式中，电池堆发电单元（单电池5）的数量为48根，为6(排)×8(列)设计。首先，将48根电池分为两个发电模块，每个发电模块中布置24根发电单元（单电池5），两个发电模块串联组成电池堆。发电模块中：每排3根发电单元（单电池5）并联，排与排之间的发电单元（单电池5）采用串联形式。由于电池堆结构紧凑，所以组装需要遵循一定的组装程序，从而达到操作简单合理的目的。具体步骤为：

1)首先完成第一列发电单元的串联组装；

2)然后从第二列开始，每安装一个发电单元，然后通过导线将其与所在排的发电单元并联，与所在列的发电单元串联；同时安装发电单元的进出气橡胶管；

3)依次完成每组发电模块的组装；

4)每组发电模块之间相互串联，构成完整的电池堆。

图6为按照上述步骤组装的电池堆的氢气发电性能测试时，电流密度-电压-功率密度曲线。该测试条件为：测试气体：H2(14.4L/min)，O2(14L/min)；测试温度：750℃、800℃、和850℃。

可以看出，在不同温度下电池堆的开路电压均高于17.6V，与理论值相符。750℃、800℃、和850℃下的最大功率分别为360W、460W、588W，表明了该设计的可行性，850℃时单电池5的平均功率达到12W，功率密度超过170mWcm-2，说明单电池5的集电效果良好。

Claims (7)

1.一种管式固体氧化物燃料电池的发电单元，所述管式固体氧化物燃料电池是阳极支撑管式单电池，顶端封闭、底部设置有燃料气体进气口和燃烧尾气出气口；其特征在于：所述发电单元包括单电池、合金基座、燃料气体进气管和燃烧尾气出气管，所述合金基座上设置有贯通两端的腔体，腔体的一端供单电池底部插入，另一端设置有2个独立的插口、分别对应燃料气体进气管和燃烧尾气出气管；合金基座的腔体两端设置有气密封装置；所述燃料气体进气管穿过合金基座、插入单电池的燃料气体进气口，且燃料气体进气管末端对应单电池管体内壁顶端设置；组装该管式固体氧化物燃料电池的发电单元的具体步骤如下：

（1）向单电池的管体内部注入阳极收电浆料，充分润湿管壁后、再将阳极收电浆料倒出；

（2）将阳极电极材料包裹在燃料气体进气管上并涂抹浆料，再将其塞入单电池的管体内部内、使得燃料气体进气管末端接触到单电池内壁顶端；

（3）将步骤（2）得到的电池体插入合金基座的腔体内、燃料气体进气管通过插口伸出，在单电池与合金基座的空隙内填充玻璃浆料，待空隙完全填满之后、在单电池与合金基座连接部分套上玻璃环；

（4）将步骤（3）得到的电池体竖直放置、送入炉内加热，使得单电池与合金基座连接部分的玻璃浆料和玻璃环烧结成为密封玻璃环；

（5）将燃烧尾气出气管通过合金基座上的插口插入步骤（4）得到的电池体，并将燃料气体进气管和燃烧尾气出气管与合金基座采用钎焊焊接；

（6）将单电池的阴极表面刷Pt浆网格并烘干，再在单电池的阴极表面包裹集电银网后，用镍铬丝扎紧，完成发电单元的装配。

2.根据权利要求1所述的管式固体氧化物燃料电池的发电单元，其特征在于：所述燃料气体进气管为金属管，金属管表面烧结有阳极电极材料、作为单电池的阳极导线。

3.根据权利要求2所述的管式固体氧化物燃料电池的发电单元，其特征在于：所述合金基体与单电池连接部分设置的气密封装置是玻璃密封环。

4.根据权利要求2所述的管式固体氧化物燃料电池的发电单元，其特征在于：所述合金基体与燃料气体进气管和燃烧尾气出气管连接部分设置的气密封装置是钎焊接头。

5.一种管式固体氧化物燃料电池的电池堆，包括权利要求1所述的管式固体氧化物燃料电池的发电单元，其特征在于：所述电池堆由若干个串联的发电模块构成，发电模块由若干个相互连接的发电单元构成，发电单元呈点阵式布置，同一排中的所有发电单元相互串联、排与排之间的发电单元相互并联。

6.根据权利要求5所述的管式固体氧化物燃料电池的电池堆，其特征在于：所述发电模块中还包括隔热支撑孔板，隔热支撑孔板上设置有若干个格栅、配合安装发电单元的合金基座。

7.根据权利要求6的管式固体氧化物燃料电池的电池堆的组装方法，其特征在于：具体步骤如下：

（a）在隔热支撑孔板上的第一列格栅内、逐个放入发电单元，且每放入一个发电单元，就使用导线将其与同列的发电单元串联，直至完成第一列发电单元的串联；

（b）从隔热支撑孔板上的第二列格栅开始、逐列依次放入发电单元，且每放入一个发电单元，就使用导线将其与同列的发电单元串联连接、与同排的发电单元并联连接，直至完成所有发电单元的联接，构成发电模块；

（c）沿发电单元并联方向、发电模块的两侧分别为发电模块的正极和负极，将发电模块相互串联，构成电池堆。