CN111403763A - 金属薄壁管支撑型微管固体氧化物燃料电池、电池堆结构 - Google Patents

金属薄壁管支撑型微管固体氧化物燃料电池、电池堆结构 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种金属薄壁管支撑型微管固体氧化物燃料电池、电池堆结构。其中，金属薄壁管支撑型微管固体氧化物燃料电池结构包括：燃料气体导气管、金属薄壁管、阳极、电解质以及阴极；燃料气体导气管不与金属薄壁管接触，以形成燃料气体通道；金属薄壁管的封闭端与开口端为无孔区域，分别位于金属薄壁管的多孔区域的两端；多孔区域中分布有孔向垂直于所述金属薄壁管的轴线的圆柱形微孔，且圆柱形微孔贯穿金属薄壁管的管壁。通过本发明提供的金属薄壁管支撑型微管固体氧化物燃料电池结构，有效解决了微管固体氧化物燃料电池启动慢、功率密度低、浓差极化大等问题。

Description

金属薄壁管支撑型微管固体氧化物燃料电池、电池堆结构
技术领域
本发明涉及能源技术领域，特别是涉及一种金属薄壁管支撑型微管固体氧化物燃料电池、电池堆结构。
背景技术
固体氧化物燃料电池(Solid oxide fuel cell缩写为SOFC)是一种固态发电装置，其发电效率高，工作时无噪音，无污染，不经过燃烧而是直接将燃料的化学能转化为电能。固体氧化物燃料电池功能层主要包括阳极，电解质，阴极三个功能层。
目前研制开发的SOFC结构中，主要有管式和平板式两种基本结构。以平板为主的金属支撑型固体氧化物燃料电池，任然需要解决密封问题，同时需要提高其启动速度。若采用成熟的焊接技术进行连接，则存在高温下导致的密封性能差的问题。而管式SOFC优点有无需高温密封(可以在冷端进行密封)、性能稳定、运行数万小时无明显衰减等。由于其优异的密封性能，可以使得电池工作温度有较大提升，获得更大的功率输出。
但是，一般地管式固体氧化物燃料电池由于体积较大，因此其电流导出路径较长，加热较慢，启动较慢，这严重制约了管式固体氧化物燃料电池的发展。为此，改用微管固体氧化物燃料电池解决加热启动较慢的问题。国内曾有学者采用烧结的方式制备多层金属微管作为微管固体氧化物燃料电池的支撑体，但这样的金属微管结构复杂，且密封不易；此外，烧结结构的支撑体中由于孔隙的路劲较长，不利于气体扩散，因此，这样的结构并没有减少浓差极化带来的问题。
发明内容
本发明提供一种金属薄壁管支撑型微管固体氧化物燃料电池、电池堆结构，以解决微管固体氧化物燃料电池启动慢、功率密度低、浓差极化大等问题。
第一方面，本发明提供了一种金属薄壁管支撑型微管固体氧化物燃料电池结构，所述结构由内到外依次为：燃料气体导气管、金属薄壁管、阳极、电解质以及阴极；
所述燃料气体导气管设置于所述金属薄壁管中，且不与所述金属薄壁管接触，形成燃料气体通道；
所述金属薄壁管的外表面由内到外依次覆盖阳极、电解质以及阴极；
所述金属薄壁管包括封闭端、开口端以及多孔区域；所述封闭端与所述开口端为无孔区域，分别位于所述多孔区域的两端；
所述多孔区域中分布多个圆柱形微孔，所述圆柱形微孔的孔向垂直于所述金属薄壁管的轴线，所述圆柱形微孔贯穿所述金属薄壁管的管壁。
优选地，所述燃料气体导气管包括第一开口端和第二开口端；所述第一开口端用于将燃料气体引至所述第二开口端，所述第二开口端用于将燃料气体引至所述金属薄壁管中；
其中，所述第一开口端与金属薄壁管的开口端位于同一端，所述第二开口端与金属薄壁管的封闭端位于同一端。
优选地，所述燃料气体导气管的所述第二开口端，到所述金属薄壁管的所述封闭端的距离小于等于10mm；
所述燃料气体导气管与所述金属薄壁管的间隙大于1mm。
优选地，所述金属薄壁管的内直径取值范围为3mm～12mm，所述金属薄壁管的长度为50mm～500mm，所述金属薄壁管的管壁厚度为0.1～0.5mm。
优选地，所述金属薄壁管的多孔区域的长度占所述金属薄壁管的长度的50％～90％。
优选地，制备所述金属薄壁管的材料为铁铬合金或铁镍合金。
优选地，所述阳极覆盖所述金属薄壁管的多孔区域；
所述电解质覆盖所述阳极，且所述电解质的面积大于所述阳极的面积。
优选地，所述金属薄壁管的多孔区域的孔隙率为5-30％；所述圆柱形微孔的直径为10μm～100μm；
所述圆柱形微孔采用激光打孔的方法制备。
优选地，所述阳极、所述电解质和所述阴极通过烧结或喷涂的方法依次覆盖在所述金属薄壁管上。
第二方面，本发明提供了一种金属薄壁管支撑型微管固体氧化物燃料电池堆结构，所述电池堆结构为包括：两个或两个以上上述第一方面所述的金属薄壁管支撑型微管固体氧化物燃料电池结构的金属薄壁管支撑型微管固体氧化物燃料电池堆结构。
本发明提供了一种金属薄壁管支撑型微管固体氧化物燃料电池、电池堆结构结构，该结构中，可以将电解质覆盖整个阳极层从而实现自密封。并且，金属薄壁管支撑型微管固体氧化物燃料电池的支撑体为金属薄壁管，一方面减少支撑体的厚度可以较少浓差极化的特点，另外一方面，金属薄壁管导热快，可以通过气体或者环境热量很快加热到相应的工作温度，这有效的提高了微管固体氧化物燃料电池的启动速度；并且燃料气体从一端进入不流出，可以通过调整燃料侧的气体压力来调整电池性能。该结构的电池不需要采用额外密封材料，有效的简化了电池堆的制造工艺，有利于固体氧化物燃料电池的商业化推广。
附图说明
图1示出了本发明一实施例制备的金属薄壁管支撑型微管固体氧化物燃料电池结构的剖面示意图；
图2示出了本发明一实施例制备的金属薄壁管支撑型微管固体氧化物燃料电池结构的另一剖面示意图；
图3示出了本发明一实施例制备的金属薄壁管支撑型微管固体氧化物燃料电池结构的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
请参阅图1所示，本发明一实施例制备的金属薄壁管支撑型微管固体氧化物燃料电池结构的剖面示意图。如图1所示，1-1为金属薄壁管，1-2为阳极，1-3为电解质，1-4为阴极，1-5为燃料气体通道，1-6为燃料气体导气管。
图2示出了本发明一实施例制备的金属薄壁管支撑型微管固体氧化物燃料电池结构的另一剖面示意图。如图2所示，2-1为金属薄壁管，2-2为阳极，2-3为电解质，2-4为阴极，2-5为燃料气体通道，2-6为燃料气体导气管、2-7为金属薄壁管的封闭端、2-8为金属薄壁管的开口端、2-9为金属薄壁管的多孔区域。
结合图1和图2所示，本发明提供的金属薄壁管支撑型微管固体氧化物燃料电池结构，由内到外依次为：燃料气体导气管、金属薄壁管以及阳极、电解质以及阴极；如图2所示，金属薄壁管包括封闭端、开口端以及多孔区域；其中，封闭端与开口端为无孔区域，分别位于多孔区域的两端。由图2可知，燃料气体导气管设置于金属薄壁管中，且不与金属薄壁管接触；阳极覆盖金属薄壁管的多孔区域，也可覆盖金属薄壁管的封闭端；电解质覆盖阳极，电解质的面积大于阳极的面积，并且电解质的与金属薄壁管的开口端接触，由于开口端为无孔区域，因此当电解质与开口端接触时，能达到密封的效果，致密电解质层保障多孔金属薄壁管内部的气体不沿着阳极发生泄漏。并且，如图2所示，电解质会覆盖开口端的一部分，而金属薄壁管中未被覆盖的区域具有抗氧化防护薄膜。此外，阴极电流通过与阴极接触的金属薄板导出。
具体实施时，燃料气体导气管包括第一开口端和第二开口端；第一开口端用于将燃料气体引至第二开口端，第二开口端用于将燃料气体引至金属薄壁管中；即燃料气体导气管中的燃料气体通道与金属薄壁管中的燃料气体通道互通，实现将外界的燃料气体引入至金属薄壁管中。结合图2，可以理解为燃料气体导气管的第一开口端与金属薄壁管的开口端位于同一端，燃料气体导气管的第二开口端与金属薄壁管的封闭端位于同一端，且燃料气体导气管的第一开口端长于金属薄壁管的开口端，防止燃料气体入口(第一开口端的开口处)的燃料气体与燃料气体出口(即金属薄壁管的开口端的开口处)的气体互混，从而影响电池性能的稳定性。
具体实施时，燃料气体导气管的第二开口端，到金属薄壁管的封闭端的距离小于等于10mm，燃料气体导气管与金属薄壁管的间隙大于1mm。
具体实施时，金属薄壁管的内直径取值范围为3mm～12mm，所述金属薄壁管的长度为50mm～500mm，所述金属薄壁管的管壁厚度为0.1～0.5mm；金属薄壁管的多孔区域的孔隙率为5％-30％；金属薄壁管的多孔区域的长度占金属薄壁管总长度的50％～90％。
具体实施时，多孔区域中分布多个圆柱形微孔，可采用激光打孔的方法，沿着垂直于多孔金属薄壁管的垂直轴线的方向，进行打孔，进而得到多个孔向垂直于金属薄壁管的轴线的圆柱形微孔，圆柱形微孔的直径范围为10μm～100μm。
其中，沿着垂直于多孔金属薄壁管的垂直轴线的方向打孔的目的是，使燃料气体可以直接通过圆柱形微管提供的直通路径，到达阳极，从而减少浓差极化；而现有技术中提供的孔隙均为弯曲孔隙，例如，采用粉末冶金或相转化的方式，得到的孔隙都是非直通孔，而燃料气体，通过不同路经的非直通孔到达阳极后，会产生较大的浓差极化。在电池使用过程中，当浓差极化较大时，电池的最大电流密度就会减小，最大输出功率也相应的减小，而本发明中的圆柱形微孔有效地减小了浓差极化，提高了电池的输出功率，从而达到提升电池性能的目的。
图2中的阳极和阴极均覆盖了金属薄壁管的封闭端，在实际操作中，阳极材料也可以不覆盖封闭端，只需符合阳极的面积大于等于金属薄壁管的多孔区域的面积。
请参阅图3所示，本发明一实施例提供了一种金属薄壁管支撑型微管固体氧化物燃料电池结构，包括燃料气体导气管、金属薄壁管、阳极、电解质、阴极；其中阳极被电解质完全覆盖，因此在此图中未示出。
本发明实施例中采用金属薄壁管作电池的支撑体，由于金属材料的强度远高于陶瓷材料，解决了陶瓷材料在电池使用过程中易裂的问题。因此，采用本发明的金属薄壁管支撑体制备电池/电解池，有效提高了电池/电解池的力学性能。
本发明实施例中采用金属薄壁管作电池的支撑体，由于金属热导率高，升温速度即使很快，电池内部温度也很容易均匀，加上金属强度高(内有应力)，也不容易产生裂纹。因此，采用本发明的金属薄壁管支撑体制备电池/电解池可以快速启动。而采用阳极支撑体(采用的是陶瓷材料)，由于陶瓷导热较差，升温速度如果过快，将使得局部温度不均匀，进而产生应力导致开裂的问题。
本发明实施例中采用金属材料制备金属薄壁管支撑体，由于金属的导电率优于作为阳极支撑体的陶瓷，并且金属的强度较高，所以本申请中电池/电解池的阳极、阴极以及电解质的层厚度都可以尽可能的小(即很薄的结构层)，当电解质的层厚度较低时，可有效降低电池内阻，提高电流传导效率(阳极支撑体由于阳极的电导率低于金属，因而电流传导时损耗较大)，当电极的层厚度较低时，降低了电极的极化阻抗，更有利于气体扩散进去反应，提高电池性能的同时达到节约能源的目的。其中，极化阻抗是指电极对电池反应的阻力。因此，采用本发明的金属薄壁管支撑体制备电池/电解池，具有提升电池/电解池导电性的优点。
本发明提供的一种金属薄壁管支撑型微管固体氧化物燃料电池结构，由于该结构基于金属薄壁管作电池功能层的支撑体，不仅使得电极与电解质部件可以制备成薄膜形式，大大降低了电池内阻与电极极化，提升了电池性能，而且由于金属的强度与热导率，金属薄壁管支撑型微管固体氧化物燃料电池具有成本低，强度高，且抗热震能力高的特点。
本发明提供的一种金属薄壁管支撑型微管固体氧化物燃料电池结构，由于该结构，不仅结合了管式固体氧化物燃料电池的优点，还减小管式固体氧化物燃料电池的大小，使得在同一温度下，本发明提供的金属薄壁管支撑型微管固体氧化物燃料电池具有加热更快的特点。此外，微管固体氧化物燃料电池的浓差极化较一般地管式固体氧化物燃料电池小，这为其商业化创造了有利条件。
本发明提供的一种金属薄壁管支撑型微管固体氧化物燃料电池结构，基于金属材料制备的微管支撑体，使得电池密封较容易、电池启动加快，提高了电池性能。并且，本发明提供的各个结构还包括以下优点：
首先，本发明提供的金属薄壁管支撑体，由于具有一端封闭、一端开口的特点，解决了相关技术中采用两端开口的支撑体存在的密封困难的问题，不需额外的密封连接操作，即可防止漏气，实现自密封。其次，本发明提供的金属薄壁管支撑体的开口端，为无孔区域，因此，当电池进入使用过程时，只需将开口端与底座进行简单的焊接，就能达到密封的目的，且底座的连接处温度较低，不会对焊接处造成密封失效的问题。
本发明提供的一种金属薄壁管支撑型微管固体氧化物燃料电池结构，采用激光打孔的方式，得到完全贯穿金属薄壁管的直通孔洞(即圆柱形微孔)，可以减少浓差极化，提高电池的体积功率密度。并且，本发明提供的电池结构为一端封闭、一端开口，相较于相关技术中的两端开口的燃料电池，当燃料气体导气管的第二开口端将气体导入金属薄壁管时，金属薄壁管的内管会为导入的阳极气体加压，即通过燃料气体导气管和金属薄壁管的内管的结合，实现阳极气体加压的效果，进而提升电池性能。而两端开口的燃料电池，由于阳极气体从一端进、另一端出，无法实现阳极气体加压的效果，从而阳极气体无法高效地通过孔隙到达阳极。
本发明提供了一种可快速启动的金属薄壁管支撑的微管固体氧化物燃料电池结构，该结构最显著的特点是采用一端自密封的多孔金属支撑薄壁管作为支撑体以提升该结构电池的密封性能和快速启动性能。同时多孔金属薄壁管具有多个垂直于轴线方向的贯穿薄壁管的微孔以提升气体扩散速率并保证薄壁管具有一定的机械强度。该电池相较于传统管式燃料电池有更高的启动速度，并具有高温自密封特性，大幅度提高了传统管式燃料电池的性能。这些优势使得该微管电池制备的电池堆更加紧凑，结合其快速启动能力为固体氧化物燃料电池直接用于汽车动力电源提供了新的方法。
为使本领域技术人员更好地理解本发明，以下通过多个具体的实施例来说明本发明的一种金属薄壁管支撑型微管固体氧化物燃料电池、电池堆结构结构。
实施例1
采用Cr含量为25％的铁素体不锈钢，通过辊压方式获得直径5mm，长度200mm，厚度0.2mm的一端封闭的不锈钢薄管。在距离盲孔端5mm，距离开口端20mm的中间区域通过激光打孔的方式制备形成孔隙直径为30μm，孔隙率为15％的多孔区域。在多孔区域采用湿法与烧结的方法制备Ni/GDC阳极并覆盖多孔区域，同时采用湿法与烧结的方式在阳极表面制备BZCY等质子导体电解质，使其覆盖阳极；采用烧结的方式在电解质上制备出LSM和LSCF复合阴极，并在微管电池内部置入纯镍的燃料导气管，完成单电池制备。
实施例2
采用Cr含量为22％的铁素体不锈钢，通过拉拔方式获得直径4mm，长度150mm，厚度0.1mm的不锈钢薄管。通过激光打孔的方式在距离盲孔端与开口端5mm内的中间区域制备形成孔隙直径为10μm，孔隙率为10％的多孔区域。在多孔区域采用低压等离子喷涂的方法制备Ni/GDC阳极覆盖多孔区域，同时低压等离子喷涂的方法在阳极表面制备ScSZ电解质，使其覆盖阳极；采用大气等离子喷涂方法制备LSCF阴极，并在微管电池内部置入铁铬合金的燃料导气管，完成单电池制备。
实施例3
采用Cr含量为25％的超级铁素体不锈钢，通过辊压方式获得直径8mm，长度250mm，厚度0.3mm的一端封闭的不锈钢薄管，在距离盲孔端5mm，距离开口端20mm的中间区域通过激光打孔的方式制备形成孔隙直径为50μm，孔隙率为15％的多孔区域。在多孔区域采用湿法与烧结的方法制备Ni/GDC阳极覆盖多孔区域，采用烧结的方式在阳极表面制备GDC与ScSZ复合电解质，使其覆盖阳极；采用湿法在电解质上制备出LSM和LSCF复合阴极，并在微管电池内部置入镍基合金的燃料导气管，完成单电池制备。
实施例4
采用铁镍合金，通过辊压方式获得直径4mm，长度150mm，厚度0.1mm的一端封闭的不锈钢薄管，在距离盲孔端4mm，距离开口端20mm的中间区域通过激光打孔的方式制备形成孔隙直径为30μm，孔隙率为25％的多孔区域。在多孔区域采用湿法与烧结的方法制备Ni/GDC阳极覆盖多孔区域，同时采用湿法与烧结的方式在阳极表面制备GDC与ScSZ复合电解质，使其覆盖阳极；采用超低压等离子喷涂方法在电解质上制备LSCF阴极，并在微管电池内部置入不锈钢的燃料导气管，完成单电池制备。
然后，可以进一步制备包括两个或两个以上制备的固体氧化物燃料单电池，得到电池堆。
上述各实施例中，所述盲孔端即为封闭端，Ni为镍，Cr为铬，LSCF为镧锶钴铁，LSM为锰酸锶镧，ScSZ为氧化锆基，Co2O3三氧化二钴，GDC为钆掺杂氧化铈，BZCY为钡锆铈钇。需要说明的是，本发明中所选用的阴极、阳极以及电解质材料可选用常用的材料，在本发明中对此不作限定，并且，在实际制备过程中，具体的阳极、电解质、阴极的铺盖面积可根据实际要求进行调整，在本发明中不做限定。
对于方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和部件并不一定是本发明所必须的。
以上对本发明所提供的一种金属薄壁管支撑型微管固体氧化物燃料电池、电池堆结构进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种金属薄壁管支撑型微管固体氧化物燃料电池结构，其特征在于，所述结构由内到外依次为：燃料气体导气管、金属薄壁管、阳极、电解质以及阴极；
所述燃料气体导气管设置于所述金属薄壁管中，且不与所述金属薄壁管接触，形成燃料气体通道；
所述金属薄壁管的外表面由内到外依次覆盖阳极、电解质以及阴极；
所述金属薄壁管包括封闭端、开口端以及多孔区域；所述封闭端与所述开口端为无孔区域，分别位于所述多孔区域的两端；
所述多孔区域中分布多个圆柱形微孔，所述圆柱形微孔的孔向垂直于所述金属薄壁管的轴线，所述圆柱形微孔贯穿所述金属薄壁管的管壁。
2.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，所述燃料气体导气管包括第一开口端和第二开口端；所述第一开口端用于将燃料气体引至所述第二开口端，所述第二开口端用于将燃料气体引至所述金属薄壁管中；
其中，所述第一开口端与金属薄壁管的开口端位于同一端，所述第二开口端与金属薄壁管的封闭端位于同一端。
3.根据权利要求2所述的结构，其特征在于，所述燃料气体导气管的所述第二开口端，到所述金属薄壁管的所述封闭端的距离小于等于10mm；
所述燃料气体导气管与所述金属薄壁管的间隙大于1mm。
4.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，所述金属薄壁管的内直径取值范围为3mm～12mm，所述金属薄壁管的长度为50mm～500mm，所述金属薄壁管的管壁厚度为0.1～0.5mm。
5.根据权利要求4所述的结构，其特征在于，所述金属薄壁管的多孔区域的长度占所述金属薄壁管的长度的50％～90％。
6.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，制备所述金属薄壁管的材料为铁铬合金或铁镍合金。
7.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，所述阳极覆盖所述金属薄壁管的多孔区域；
所述电解质覆盖所述阳极，且所述电解质的面积大于所述阳极的面积。
8.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，所述金属薄壁管的多孔区域的孔隙率为5-30％；所述圆柱形微孔的直径为10μm～100μm；
所述圆柱形微孔采用激光打孔的方法制备。
9.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，所述阳极、所述电解质和所述阴极通过烧结或喷涂的方法依次覆盖在所述金属薄壁管上。
10.一种金属薄壁管支撑型微管固体氧化物燃料电池堆结构，其特征在于，所述电池堆结构为包括：两个或两个以上上述权利要求1-9任一所述的金属薄壁管支撑型微管固体氧化物燃料电池结构的金属薄壁管支撑型微管固体氧化物燃料电池堆结构。
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