CN108110273A - 管型固体氧化物燃料电池集电部件及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种管型固体氧化物燃料电池集电部件及其应用，所述管型固体氧化物燃料电池从内至外依次套设有筒状的内电极、电解质层和外电极。本发明的集电部件包括外电极集电件和内电极集电件，基材为Fe基或Ni基耐热合金。其中，外部集电部件由位于管型电池一端的合金端头和设置于管型电池外侧的合金集流罩组成。通过连接管型固体氧化物燃料电池、外电极集电件和内电极集电件形成独立的电池装配单元；电连接多个电池装配单元可构成电池组或电堆。本发明的集电部件适用于多种管型电池的电流收集和电连接，具有成本低、耐高温氧化、电池堆装配简易等优点。

Description

管型固体氧化物燃料电池集电部件及其应用

技术领域

本发明涉及固体氧化物燃料电池，尤其涉及一种管型固体氧化物燃料电池的集电部件及其应用。

背景技术

固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种将燃料中的化学能清洁高效地直接转化为电能的发电装置，具有对多种燃料气体广泛适应以及余热利用价值高等优点。SOFC可以提供一个接近终端用户的模块，解决电能传输过程中的高能耗和噪音等问题，可应用在移动电源、分散式发电系统、嵌入式发电装置和共生发电等领域，尤其适用于重要的政府和军事部门。

无论是板型SOFC还是管型SOFC，都涉及到燃料电池单元的电流收集。其中，管型电池单元的电流收集主要有以下两种方式：(1)侧向集电：管型电池上设置有沿管型电池轴线方向分布的长条形陶瓷连接体，内电极通过条状陶瓷连接体与设置在管型电池之间的金属连接部件相连，实现电流的侧向导出；(2)纵向集电：内电极的电流需要从管型电池的端部或者电池中部设置的环形陶瓷连接体导出。侧向集电的优点是电流传导路径短，但是电池的制备工艺和电池组装配工艺较复杂，一般应用于固定电站中大尺寸管型电池的连接，如美国西门子-西屋公司(专利US 6001501和US 6379831 B1)、日本TOTO公司(专利JP 2004-288542A和JP 2009-230855A)以及中科院大连化学物理研究所(专利CN 102760896 A)研制的十千瓦级到百千瓦级管型SOFC电堆都采用了侧向集电技术。

对于中小型的移动电站或电源，一般采用长度相对较短的管型电池或微管电池，电池组中多采用纵向集电的方式。为了降低电池组的内阻，纵向集电时管型电池空气极的集电部件往往采用化学性质稳定且电导率高的金、银和钯等贵金属。例如，中科院上海硅酸盐研究所公开的专利CN103094595A，美国Adaptive Materials公司公开的专利US2007141447A1、US2005147857A1和US2013256388A1，韩国三星公司公开的专利JP2013140766A都采用了银网或银线集电的方式。在日本TOTO公司公开的专利CN101728558A、JP2009087708A和JP2010140895A中，则在外电极表面采用了含有金、银和钯等贵金属的集电部进行集电。采用金、银和钯等贵金属作为集电材料，一方面会大幅提高SOFC电池堆的成本，不利于该技术的商业化；另一方面，在管型SOFC电堆中最常用的贵金属银，在SOFC运行条件下还会逐渐损失和出现“海绵化”，导致集电效果逐渐下降，严重时可能造成电连接的完全失效。

在专利JP2011009136A和CN101901927A中，日本的TOTO公司公开了一种半圆形的外电极集电件，包括了覆盖于一个管型电池外电极表面的半圆形集电部、以及连接另一电池内电极端子的两个倾斜的连接部。在实际电堆安装中，上述含有两个倾斜连接部的连接件会大幅增加管型电池堆安装难度，并且会出现由于连接件和管型电池之间热膨胀不完全匹配导致的复杂形状集电件的高温变形和集电失效。

发明内容

本发明的目的在于提供一种成本低、可靠性高、装配简单的管型固体氧化物燃料电池集电部件及其应用。

本发明的管型固体氧化物燃料电池集电部件，应用于管型固体氧化物燃料电池中，所述管型固体氧化物燃料电池从内至外依次套设有筒状的内电极、电解质层和外电极。所述集电部件包括外电极集电件和内电极集电件，外电极集电件和内电极集电件的基材分别为Fe基或Ni基耐热合金中的一种或两种以上。为了进一步提高集电部件的高温稳定性以及与燃料电池单元的化学兼容性，所述集电部件的合金基材表面可涂敷抗合金高温氧化和抗Cr污染的保护涂层。

管型固体氧化物燃料电池的外部集电件由位于管型电池一端的合金端头和设置于管型电池外侧的合金集流罩组成。所述合金端头为柱状或平板状，合金集流罩为一根或两根以上的条形金属，条形金属沿管型电池轴线方向设置，其与管型电池的外电极相互贴接；条形金属的一端与合金端头抵接或固接。其中，合金端头用于管型电池一端的气密性封接；合金集流罩用于外部电极的电流收集。由于条形金属本身具有较好的弹性和柔性，可以实现与外电极的良好贴合，保证电流收集效果。

合金集流罩沿管型电池轴线方向的条形金属的截面可以是任意形状，如圆形、方形、环形等等；条形金属的截面积和数量根据管型电池的尺寸和需要收集的电流大小来具体确定。当合金集流罩含有两根以上沿管型电池轴线方向的条形金属，在所述条形金属的靠近外电极集电件合金端头的一端设有环状连接部，条形金属的一端与环状连接部固接，环状连接部与合金端头相贴接或相固接。

在合金集流罩的条形金属与外电极之间可设置导电接触材料或导电粘合剂保证条形金属和外电极之间的接合，提高集电效果。为了防止合金集流罩中条形金属变形翘曲影响集电效果，在所述合金集流罩外侧，还可设置有一个以上的环形紧固件，所述环形紧固件可以是非金属环、金属环或金属卡箍。

为了使内电极所需的反应气体能进入管型电池内电极所围绕的内部腔体参与内电极反应，在所述外部集电件的合金端头上，设置有供反应气体流进或流出管型电池内部腔体的气体通道；对应地，在所述内部集电件上设置有供反应气体流出或流进管型电池内部腔体的气体通道。

在所述外部集电件合金端头靠近管型电池的一端，设置有与管型电池端部形状和尺寸匹配的环形金属筒，环形金属筒套设于管型电池一端端头外部或插设于管型电池一端端头内部；同样，在所述内部集电件的一端设置有与管型电池另一端端部形状和尺寸匹配的环形金属筒，环形金属筒套设于管型电池一端端头外部或插设于管型电池一端端头内部。通过集电件上环形金属筒的壁面与管型电池端部内壁或外壁的配合，可实现集电件的固定以及集电件与管型电池之间的封接。

通过外电极集电件、内电极集电件和管型固体氧化物燃料电池之间的连接可形成管型电池装配单元。所述内部电极集电件位于管型电池的一端与内电极电连接，外部电极集电件的合金端头位于管型电池的另一端，外部电极集电件的合金集流罩与外电极电连接，实现外部电极电流的收集和导出。

上述任一项的管型固体氧化物燃料电池集电部件，可用于构成SOFC电池组或电堆。所述电池组或电堆通过电连接多个平行排布的管型电池装配单元形成，管型电池单元的排布可以是方形、矩形、三角、六角等方式。

本发明的集电部件可应用于圆管、扁管、方管、三角管、六角管等多种管型电池的电流收集和电连接，具有成本低、耐高温氧化、电池堆装配简易等优点，同时还能对管型电池起很好的保护作用。

附图说明

图1是本发明的管型固体氧化物燃料电池集电部件及其应用的第1个实施方式。

图2是本发明的第1个实施方式中外电极集电件的合金端头结构图。

图3是本发明的第1个实施方式中多个电池装配单元组成的电池组。

图4是本发明的管型固体氧化物燃料电池集电部件及其应用的第2个实施方式中内电极集电件的示意图。

图5是本发明的管型固体氧化物燃料电池集电部件及其应用的第3个实施方式中外电极集电件的示意图。

图6是本发明的管型固体氧化物燃料电池集电部件及其应用的第4个实施方式中环形紧固件的示意图。

图中：1管型燃料电池，2外电极集电件，3内电极集电件，4合金端头，5合金集流罩，6条形金属，7环形连接部，8环形紧固环，9气体通道，10环形金属筒，11管型电池装配单元，12导电连接片。

具体实施方式

本发明可以有多种实施方式，图中所示和下述具体描述的是本发明的一些实施方式和实施例，并不是用以限制本发明。

[实施例1]

如图1所示，管型固体氧化物燃料电池集电部件，应用于管型固体氧化物燃料电池1中，包括外电极集电件2和内电极集电件3。所述管型电池外电极集电件2和内电极集电件3的基材均为Cr含量16％以上的Fe基耐热合金。

在本实施例中，所述管型固体氧化物燃料电池1为圆管型电池，从内至外依次套设有圆筒状的内电极1a、电解质层1b和外电极1c。在管型电池内部，内电极围绕形成的内部腔体1d。

管型固体氧化物燃料电池的外部集电部件2由位于管型电池一端的合金端头4和设置于管型电池外侧的合金集流罩5组成。在本实施例中，合金端头4为柱状，合金集流罩5为多条沿管型电池轴线方向设置的条形金属6，其与管型电池的外电极1c相互贴接。在所述条形金属6的靠近合金端头4的一端设有环状连接部7，条形金属6的一端与环状连接部7固接。合金集流罩5通过环状连接部7与合金端头4相固接，形成一体的外部集电部件2。本实施例中采用合金端头4和合金集流罩5分别加工后通过焊接进行两者的固接。也可以采用柱状或管状金属原料实现合金端头4和合金集流罩5的一体化加工，直接实现两者之间的固结。在合金集流罩5的外侧，还设置了环形紧固件8。本实施例中的环形紧固件8采用了与合金集流罩材质相同的金属环，其数量和位置可以根据电池管的长度灵活调整。

图2是外电极集电件2的合金端头4的结构示意图。为了使内电极1a所需的反应气体能流进或流出管型电池的内部腔体1d参与内电极反应，在合金端头4上设置有供反应气体流进或流出的气体通道9。在合金端头4靠近管型电池1的一端，设置有与管型电池1形状和尺寸匹配的环形金属筒10，环形金属筒10套设于管型电池1端头的外部，通过环形金属筒10与管型电池1的配合来实现外部集电件2与管型电池1之间的固定。为了实现外电极集电件2与内电极1a之间的电气绝缘，在合金端头4与管型电池1之间设置有绝缘的密封层。所述绝缘的密封层采用高温胶、玻璃密封剂或玻璃陶瓷密封剂中的至少一种材料形成。

在本发明中，内电极集电件3采用与图2中合金端头4相同的结构。为了实现内电极集电件3与内电极1a之间良好的电连接，在内电极集电件3与管型电池1之间设置导电性良好的密封层。所述导电性良好的密封层可以是钎焊获得的金属密封层，也可以是金属和玻璃、以及金属和高温胶形成的复合密封层。

如图1所示，通过外电极集电件2、内电极集电件3和管型电池1之间的连接可形成管型电池装配单元。所述内部电极集电件3位于管型电池的一端与内电极1a电连接，外部电极集电件2的合金端头4位于管型电池的另一端，外部电极集电件2的合金集流罩5与外电极1c电连接，实现外部电极电流的收集和导出。

图3显示由多个平行排布的管型电池装配单元11组成的电池组，多个管型电池装配单元11之间通过导电的连接片12电连接。管型电池装配单元11的排列方式可以是方形、矩形、三角形和六角形排布中的任意一种，根据实际燃料电池发电装置需要进行多个管型电池装配单元11之间的串并联。

[实施例2]

与实施例1不同之处在于，内电极集电件3采用内插式结构，所述内电极集电件3的基材是22％Cr的Ni基耐热合金。

如图4所示，在内电极集电件3靠近管型电池1的一端，设置有与管型电池1形状和尺寸匹配的环形金属筒10。环形金属筒10的外径小于管型电池1的内径，较小的环形金属筒10插设于管型电池1端头内部，实现内电极集电件3与管型电池1之间的固定。与实施例1相同，在内电极集电件3与管型电池1之间设置有导电性良好的密封层。所述导电性良好的密封层可以是钎焊获得的金属密封层，也可以是金属和玻璃、以及金属和高温胶形成的复合密封层。

[实施例3]

与实施例1不同之处在于，外电极集电件2的合金端头4采用图4所示的内插式结构，内插式结构的合金端头4和合金集流罩5套接后形成外电极集电件2。在合金集流罩5的表面，涂敷有抗合金高温氧化和抗Cr污染的保护涂层。在合金集流罩5和外部电极之间，设置有以钙钛矿结构的氧化物为主要成分的导电粘合剂，以保证条形金属和外电极之间的接合。

与实施例1相同，在合金端头4与管型电池1之间还设置有绝缘的密封层。所述绝缘的密封层采用高温胶、玻璃密封剂或玻璃陶瓷密封剂中的至少一种材料形成。

[实施例4]

与实施例1不同之处在于，环形紧固件8采用了如图6所示的可调节结构，包括环形部8a和调节部8b，可以针对管型电池1的管径进行调节。

Claims (8)

1.管型固体氧化物燃料电池集电部件，应用于管型固体氧化物燃料电池中，所述管型固体氧化物燃料电池从内至外依次套设有筒状的内电极、电解质层和外电极，包括外电极集电件和内电极集电件，其特征在于：

所述外电极集电件和内电极集电件的基材分别为Fe基或Ni基耐热合金中的一种或两种以上；

所述外部集电部件由位于管型电池一端的合金端头和设置于管型电池外侧的合金集流罩组成；所述合金端头为柱状或平板状，合金集流罩为一根或两根以上的条形金属，条形金属沿管型电池轴线方向设置，其与管型电池的外电极相互贴接；条形金属的一端与合金端头抵接或固接；

内电极集电件置于管型电池另一端，与内电极电连接。

2.如权利要求1所述集电部件，其特征在于：设置于管型电池外侧的合金集流罩含有两根以上沿管型电池轴线方向的条形金属；在所述条形金属的靠近外电极集电件合金端头的一端设有环状连接部，条形金属的一端与环状连接部固接，环状连接部与合金端头相贴接或相固接。

3.如权利要求1或2所述集电部件，其特征在于：在所述合金集流罩外侧套设有一个以上的环形紧固件。

4.如权利要求1所述集电部件，其特征在于：在所述外部集电件的合金端头上，设置有供反应气体流进或流出管型电池内电极所围绕的内部腔体的气体通道；所述内部集电件上设置有供反应气体流出或流进管型电池内电极所围绕的内部腔体的气体通道。

5.如权利要求1所述集电部件，其特征在于：所述外部集电件合金端头的一端设置有与管型电池端部形状和尺寸匹配的环形金属筒，环形金属筒套设于管型电池一端端头外部或插设于管型电池一端端头内部。

6.如权利要求1所述集电部件，其特征在于：所述内部集电件的一端设置有与管型电池端部形状和尺寸匹配的环形金属筒，环形金属筒套设于管型电池一端端头外部或插设于管型电池一端端头内部。

7.一种权利要求1～6任一项所述集电部件的应用，其特征在于：所述外电极集电件、内电极集电件和管型固体氧化物燃料电池形成电池装配单元；所述内电极集电件位于管型电池的一端与内电极电连接，外电极集电件的合金端头位于管型电池的另一端，外电极集电件的合金集流罩与外电极电连接。

8.根据权利要求7所述集电部件的应用，其特征在于：电连接多个由所述外电极集电件、内电极集电件和管型电池形成的电池装配单元，构成电池组或电堆。