CN109904481A - 固体氧化物燃料电池金属泡沫流道的阴极优化结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种固体氧化物燃料电池金属泡沫流道的阴极优化结构，其结构组成为：阳极连接体、阳极支撑层、阳极催化层、电解质层、阴极催化层、阴极扩散层、金属泡沫集电器、平板金属连接体、以及阴极连接体自上而下按顺序结合为一体，其中金属泡沫集电器平行插入阴极扩散层与平板金属连接体之间，作为阴极流道的组件。阴极催化层、阴极扩散层采用多孔金属陶瓷复合材料，平板金属连接体为表面平整金属板，不具有沟脊结构。多孔金属泡沫集电器具有良好的导电、导热性和较大的孔隙率，将其作为固体氧化物燃料电池阴极流道易于氧气在阴极催化层和阴极扩散层内的传输，使氧气浓度分布更为均匀，不会出现传统沟脊结构中脊下方氧气被完全消耗的情况。

Description

固体氧化物燃料电池金属泡沫流道的阴极优化结构

技术领域

本发明属于电化学燃料电池领域，具体涉及一种固体氧化物燃料电池新型阴极流道的结构。

背景技术

目前国内能源消费结构不合理，煤炭消耗占比过大，这也是导致环境污染的原因之一。固体氧化物燃料电池(SOFC)能够使用煤气化过程中生产的合成气作为燃料，进一步通过碳捕集等过程从而实现污染物和二氧化碳的近零排放。因此固体氧化物燃料电池在煤炭资源清洁高效利用方面备受瞩目。

目前固体氧化物燃料电池一般采用较薄的阴极多孔层，以获得较好的氧气传输性能，但是对于沟脊结构电池的流道，电子需在阴极进行横向传递然后通过脊传递到连接体中。但是较薄的阴极会造成脊和流道交界处比较大的活化过电势，并增大欧姆损失，影响电池温度分布和输出性能。因此，设计改进阴极流道的结构来促进电子传输及热量的扩散，是提升固体氧化物燃料电池性能的一个较为有效的方法。

发明内容

本发明的目的是提出一种固体氧化物燃料电池金属泡沫流道的阴极优化结构，通过多孔金属泡沫集电器代替目前的沟脊结构阴极流道，以实现对电池导电特性、温度分布和性能输出的优化。

固体氧化物燃料电池金属泡沫流道的阴极优化结构包括：阳极连接体、阳极支撑层、阳极催化层、电解质层、阴极催化层、阴极扩散层、金属泡沫集电器、平板金属连接体、以及阴极连接体。其结构组成为：阳极连接体、阳极支撑层、阳极催化层、电解质层、阴极催化层、阴极扩散层、金属泡沫集电器、平板金属连接体、以及阴极连接体自上而下按顺序结合为一体，其中金属泡沫集电器平行插入阴极扩散层与平板金属连接体之间，金属泡沫集电器亦作为阴极流道的组件。

本发明的技术方案为：固体氧化物燃料电池从上至下分为阳极连接体、阳极支撑层、阳极催化层、电解质层、阴极催化层、阴极扩散层、金属泡沫集电器和阴极连接体，其中阳极支撑层、阳极催化层、电解质层、阴极催化层和阴极扩散层构成三合一极板。

固体氧化物燃料电池为阳极支撑结构，阳极燃料流动方向同阴极空气流动方向相同。平板金属连接体的结构是表面平整金属板，不具有传统连接体中的沟脊结构。金属泡沫集电器为孔隙率较高的多孔金属泡沫或合金，厚度同阳极流道高度相同。通过将金属泡沫集电器同阴极扩散层和平板金属连接体平行相接，形成固体氧化物燃料电池金属泡沫阴极流道的优化结构，金属泡沫集电器位于阴极扩散层和阴极连接体中央。

燃料通过阳极连接体沟脊结构流道入口进入电池，金属泡沫集电器外表面作为阴极空气入口通入空气。空气通过金属泡沫集电器和阴极扩散层到达阴极催化层中参与电化学反应，进而生成的氧离子通过电解质层到达阳极催化层同燃料反应。阳极生成的电子通过外电路传递到阴极，形成通路。金属泡沫阴极流道的优化结构就是扩大了导电子区域面积，从而进一步强化电池导电导热性。

本发明的特点以及产生的有益效果：(1)多孔金属泡沫集电器具有良好的导电、导热性和较大的孔隙率，将其作为固体氧化物燃料电池阴极流道易于氧气在阴极催化层和阴极扩散层内的传输，使氧气浓度分布更为均匀，不会出现传统沟脊结构中脊下方氧气被完全消耗的情况。(2)较好的电导率使电子可以在垂直连接体方向直接通过阴极催化层、扩散层与金属泡沫集电器进而直接传导至外电路供电，相较于传统流道设置其电子传输路径短，电池欧姆损失小，故能提高燃料电池输出性能。(3)良好的导热性使金属泡沫阴极流道燃料电池温度梯度较传统流道燃料电池低，可以防止固体氧化物燃料电池热裂纹的产生。

附图说明

图1为发明的原理结构示意图。

图2是与现有技术对比的结构示意图。

图3为本发明实施例和对比例的性能对比图。

图4为本发明实施例和对比例三合一极板温度分布对比。

具体实施方式

以下通过附图和具体实施例对本发明的结构作进一步的说明，需要说明的是本实施例是叙述性的，而不是限定性的，不以此限定本发明的保护范围。

固体氧化物燃料电池金属泡沫流道的阴极优化结构，其结构组成是：阳极连接体1、阳极支撑层2、阳极催化层3、电解质层4、阴极催化层5、阴极扩散层6、金属泡沫集电器7、平板金属连接体8、以及阴极连接体9自上而下按顺序结合为一体，其中金属泡沫集电器平行插入阴极扩散层与平板金属连接体之间，金属泡沫集电器亦作为阴极流道的组件。

阴极催化层、阴极扩散层采用多孔金属陶瓷复合材料，金属泡沫集电器是具有0.6-0.9的高孔隙率多孔金属或合金。并且阴极催化层、阴极扩散层和金属泡沫集电器的孔隙率均匀分布。平板金属连接体为表面平整金属板，不具有沟脊结构。

阳极连接体与阳极支撑层形成的空腔作为阳极流道，阳极流道高度为1.0mm。阳极支撑层厚度为500.0μm，阳极催化层厚度为10.0μm，电解质层厚度为10.0μm。电池运行过程中，燃料通过阳极流道传递到反应界面处。

实施例(如图1)，阴极催化层厚度为10.0μm，阴极扩散层厚度为40.0μm，金属泡沫集电器厚度为1.0mm。

在金属泡沫流道的阴极优化结构中，金属泡沫集电器的主要作用是增强燃料电池阴极的导电性能和导热性能。相较于传统结构，燃料在阳极失去的电子可以直接在垂直方向通过平板阴极连接体和金属泡沫集电器进入阴极多孔结构中参与反应，不必经过阴极多孔结构中的横向传递过程。且空气同金属泡沫集电器直接接触，电化学反应产生的热量也可通过具有较高导热性的金属泡沫集电器直接传递给氧气，有助于多余热量的排出。

对比例(如图2)，该对比例的阴极结构同实施例相同，但阴极连接体与阴极扩散层形成的空腔作为阴极流道，其高度为1.0mm。

实施例和对比例分别各使用一块燃料电池，实施例使用燃料电池具有金属泡沫流道的阴极结构。两块电池除了阴极结构不同外，其余材料结构完全相同。二块电池均在同一工况下进行测试，电池以恒电流模式运行，阳极燃料为30％部分预重整气，阴极气体为空气，两者进气温度均为1073K，阳极燃料利用率为0.7，阴极化学计量比为9.0，阴阳极出口压力均为一个大气压。

附图3给出了二块电池极化曲线和净功率密度(总输出功率减去进口泵气损失功率)的对比。从图中可以看出，本发明的阴极结构明显提高了电池的整体性能。

附图4给出了5000A/m²工作电流下，三合一极板沿燃料流动方向温度分布情况。可以看出，本发明的阴极结构能够有效地降低三合一极板温度并减小最大温差。需要说明的是，附图4仅展示了三合一极板的温度分布，但电池整体温度分布同三合一极板温度分布整体趋势一致，表现为本发明的阴极优化结构能够有效地降低三合一极板温度并减小最大温差。

Claims (4)

1.固体氧化物燃料电池金属泡沫流道的阴极优化结构，包括阳极连接体、阳极支撑层、阳极催化层、电解质层、阴极催化层、阴极扩散层、金属泡沫集电器、平板金属连接体、以及阴极连接体，其特征在于：阳极连接体(1)、阳极支撑层(2)、阳极催化层(3)、电解质层(4)、阴极催化层(5)、阴极扩散层(6)、金属泡沫集电器(7)、平板金属连接体(8)、以及阴极连接体(9)自上而下按顺序结合为一体，其中金属泡沫集电器平行插入阴极扩散层与平板金属连接体之间，金属泡沫集电器亦作为阴极流道的组件。

2.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池金属泡沫流道的阴极优化结构，其特征在于：所述阴极催化层、阴极扩散层采用多孔金属陶瓷复合材料，所述金属泡沫集电器是具有0.6以上的高孔隙率多孔金属或合金。

3.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池金属泡沫流道的阴极优化结构，其特征在于：所述阴极催化层、阴极扩散层和金属泡沫集电器的孔隙率均匀分布。

4.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池金属泡沫流道的阴极优化结构，其特征在于：所述平板金属连接体为表面平整金属板，不具有沟脊结构。