CN112366342A - 一种固体氧化物燃料电池发电单元及其组成的发电堆装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种固体氧化物燃料电池发电单元，包括环形电极支撑板阳极泡沫镍、固体氧化物燃料电池片以及阴极泡沫镍；环形电极支撑板上下表面均蚀刻有气体流道，阳极泡沫镍覆盖在环形电极支撑板上表面的气体流道上，阴极泡沫镍覆盖在环形电极支撑板下表面的气体流道上；固体氧化物燃料电池片固定在阳极泡沫镍上；环形电极支撑板上还设有管道通孔，管道通孔中插入有进气管和出气管；环形电极支撑板上表面气体流道的进出气口分别和与其对应的进气管和出气管连通，环形电极支撑板下表面气体流道的进出气口分别和与其对应的进气管和出气管连通。本发明还公开了上述固体氧化物燃料电池发电单元组成的发电堆装置，发电堆装置由多个串联的发电单元组成。

Description

一种固体氧化物燃料电池发电单元及其组成的发电堆装置
技术领域
本发明涉及一种固体氧化物燃料电池发电单元，还涉及上述固体氧化物燃料电池发电单元组成的发电堆装置。
背景技术
固体氧化物燃料电池具有燃料适应性广、能量转换效率高、全固态、模块化组装、零污染等优点，可以直接使用氢气、一氧化碳、天然气、液化气、煤气及生物质气等多种碳氢燃料。在大型集中供电、中型分电和小型家用热电联供等民用领域作为固定电站，以及作为船舶动力电源、交通车辆动力电源等移动电源，都有广阔的应用前景。但是，固体氧化物燃料电池至今没有产业化，一方面是由于其高温的运行，导致系统成本昂贵、密封工艺困难、电极与电解质之间易反应等，另一方面主要是由于传统燃料电池复杂的电化学制备工艺，导致固体氧化物燃料电池的制备成本高居不下。综上所述，传统的固体氧化物燃料电池结构复杂，导致制备和组装工艺都非常复杂，从而制备成本高。
发明内容
发明目的：本发明针对现有技术中存在的固体氧化物燃料电池结构复杂、电池堆组装工艺复杂、成本高的问题，提供一种固体氧化物燃料电池发电单元，还提供上述固体氧化物燃料电池发电单元组成的发电堆装置。
技术方案：本发明所述的固体氧化物燃料电池发电单元，包括环形电极支撑板、阳极泡沫镍、固体氧化物燃料电池片以及阴极泡沫镍；所述环形电极支撑板上下表面均蚀刻有气体流道，所述阳极泡沫镍覆盖在环形电极支撑板上表面的气体流道上，所述阴极泡沫镍覆盖在环形电极支撑板下表面的气体流道上；所述固体氧化物燃料电池片固定在阳极泡沫镍上；所述环形电极支撑板上还设有管道通孔，管道通孔中插入有进气管和出气管；环形电极支撑板上表面气体流道的进出气口分别和与其对应的进气管和出气管连通，环形电极支撑板下表面气体流道的进出气口分别和与其对应的进气管和出气管连通。
其中，所述环形电极支撑板上表面的气体流道为氢气流道，所述环形电极支撑板下表面的气体流道为空气流道。
其中，所述环形电极支撑板相对的两个端部设有带内螺纹的螺栓孔，所述环形电极支撑板的中心处设有定位通孔。
其中，所述阳极泡沫镍和固体氧化物燃料电池片外围环绕有密封环；所述密封环采用硅酸盐玻璃或采用橡胶制备而成。
其中，环形电极支撑板呈中空腔体，环形电极支撑板上下表面的气体流道分别和与其对应的中空腔体连通，上表面气体流道连接的进气管和出气管在该气体流道对应的中空腔体处设有通孔；下表面气体流道连接的进气管和出气管在该气体流道对应的中空腔体处设有通孔。
其中，所述固体氧化物燃料电池片由阴极、电解质和阳极组成，采用等离子喷涂方法将固体氧化物燃料电池片的阳极材料喷涂在阳极泡沫镍上，再喷涂固体氧化物燃料电池片的电解质材料，最后将固体氧化物燃料电池片的阴极材料喷涂在电解质上。
上述固体氧化物燃料电池发电单元组成的发电堆装置，包括底座以及固定在底座上的多个串联的发电单元，还包括定位销和紧固螺栓；所述底座中心处也设有定位孔，底座相对的两个端部也设有带内螺纹的螺栓孔，多个发电单元沿纵向依次堆叠，定位销依次穿过每个发电单元中心处的定位通孔嵌入底座中心处的定位孔中，紧固螺栓的其中一个端部与底座的螺栓孔通过内外螺纹固定连接，每个发电单元依次通过螺栓孔套设在紧固螺栓上，紧固螺栓另一个端部与紧固螺母固定连接。
其中，进气管和出气管一端为封闭端，另一端与外部气罐连接，进气管和出气管穿过每层发电单元环形电极支撑板的管道通孔，并在每层发电单元对应的气体流道进出气口处设置通孔。
有益效果：本发明的固体氧化物燃料电池发电单元，利用喷涂技术，实现燃料电池单电池的制备，单电池具有燃料电池集成化特点，将阴极、阳极、电解质以及气体流道集成为一个电池单元，再将这些电池单元进行积木式组装，即可获得所需功率的发电单元；本发明实现了电池结构的简化与组装工艺的简化，大大降低了成本，易于产业化。
附图说明
图1为本发明固体氧化物燃料电池发电单元的结构原理图；
图2为环形电极支撑板上覆盖有固体氧化物燃料电池片的俯视图；
图3为发电堆装置的结构原理图。
具体实施方式
如图1～2所示，本发明固体氧化物燃料电池发电单元1，包括环形电极支撑板8(环形电极支撑板8需要耐高温(500℃)材料制备而成，可使用钢材，一方面起到支撑作用，另一方面在支撑板上设计气体流道)、阳极泡沫镍2、固体氧化物燃料电池片3以及阴极泡沫镍11；环形电极支撑板8上下表面均蚀刻有气体流道26(环形电极支撑板8上表面的气体流道为氢气流道，环形电极支撑板8下表面的气体流道为空气流道)，阳极泡沫镍2覆盖在环形电极支撑板8上表面的气体流道上(用于提高气体反应面积)(阳极泡沫镍2外环周圈上涂上导电银胶，将阳极泡沫镍2粘在环形电极支撑板8上，然后用约1Mpa的压力压制1分钟即可将阳极泡沫镍2固定在环形电极支撑板8的上表面)，阴极泡沫镍11(阴极泡沫镍11外环周圈上涂上导电银胶，将阴极泡沫镍11粘在环形电极支撑板8上，然后用约1Mpa的压力压制1分钟即可将阴极泡沫镍11固定在环形电极支撑板8的下表面)覆盖在环形电极支撑板8下表面的气体流道上(用于提高气体反应面积)；固体氧化物燃料电池片3固定在阳极泡沫镍2上，阳极泡沫镍2和固体氧化物燃料电池片3外围环绕有密封环4(密封环4采用商业化的硅酸盐玻璃制备而成，或者采用橡胶制备而成，耐高温的密封环4阻止阴极气体和阳极气体的混合，即防止氢气与氧气直接接触)；环形电极支撑板8上还设有氢气进气管通孔22、空气进气管通孔24、氢气出气管通孔25和空气出气管通孔23，管道通孔的内径与进气管或出气管的外径一致；氢气进气管12、氢气出气管6、空气进气管5和空气出气管13分别从氢气进气管通孔22、氢气出气管通孔25、空气进气管通孔24和空气出气管通孔23插入并穿过环形电极支撑板8向下延伸；环形电极支撑板8呈中空腔体，环形电极支撑板8上下表面的气体流道26分别和与其对应的中空腔体连通，即环形电极支撑板8上表面的气体流道与中空腔体20-1连通，环形电极支撑板8下表面的气体流道与中空腔体20-2连通；氢气进气管12和氢气出气管6在经过中空腔体20-1处分别开设有通孔(29，30)，通孔(29，30)对应的为上表面气体流道的进气口和出气口；并且氢气进气管12和氢气出气管6在经过中空腔体20-1处时还设有向内延伸的支管41，支管41穿过中空腔体20-1为上表面气体流道开设的进气口或出气口，向腔体20-1内延伸，延伸至下表面气体流道处；支管41延伸至上表面气体流道处；空气进气管5和空气出气管13在经过中空腔体20-2处分别开设有通孔(31，32)，通孔(31，32)对应的为下表面气体流道的进气口和出气口；并且空气进气管55和空气出气管13在经过中空腔体20-2处时还设有向腔体内延伸的支管42，支管42穿过中空腔体20-2为下表面气体流道开设的进气口或出气口，向腔体20-2内延伸，延伸至下表面气体流道处；即上表面气体流道连接的氢气进气管12和氢气出气管6在该气体流道对应的中空腔体20-1处设有通孔(29，30)，下表面气体流道连接的空气进气管5和空气出气管13在该气体流道对应的中空腔体20-2处设有通孔(31，32)。
环形电极支撑板8相对的两个端部设有带内螺纹的螺栓孔7，环形电极支撑板8的中心处设有定位通孔1。
固体氧化物燃料电池片3由阴极、电解质和阳极组成，采用等离子喷涂方法将固体氧化物燃料电池片3的阳极材料喷涂在阳极泡沫镍2(阳极泡沫镍2压实在环形电极支撑板8上)上，再喷涂固体氧化物燃料电池片3的电解质材料，最后将固体氧化物燃料电池片3的阴极材料喷涂在电解质上。
采用等离子喷涂方法依次将固体氧化物燃料电池片3的阳极、电解质和阴极喷涂在阳极泡沫镍2上，具体为：陶瓷喷涂工艺：喷枪电流：480A-600A；送粉速率：21g-35g；喷涂距离：80-100mm；厚度：阳极层厚度300-500μm；厚度：电解质层厚度200-400μm；厚度：阴极层厚度300-500μm。阳极和阴极材料均选用商业化电极材料LiNi0.8Co0.15Al0.05O2(NCAL)、电解质材料选用适合中低温运行的钐掺杂氧化铈材料Ce0.8Sm0.2O2-δ，(SDC)。
如图3所示，由固体氧化物燃料电池发电单元1组成的发电堆装置，包括底座14以及固定在底座14上的多个串联的发电单元1，发电堆装置还包括定位销17和紧固螺栓16；底座14中心处也设有定位孔，底座14相对的两个端部也设有带内螺纹的螺栓孔，多个发电单元1沿纵向依次堆叠，定位销17依次穿过每个发电单元1中心处的定位通孔1嵌入底座14中心处的定位孔中，紧固螺栓16的其中一个端部与底座14的螺栓孔通过内外螺纹固定连接，每个发电单元1依次通过螺栓孔7套设在紧固螺栓16上，紧固螺栓16另一个端部与紧固螺母15固定连接，紧固螺母15将多个沿纵向依次堆叠的发电单元1固定在底座14上。

Claims (8)

1.一种固体氧化物燃料电池发电单元，其特征在于：包括环形电极支撑板阳极泡沫镍、固体氧化物燃料电池片以及阴极泡沫镍；所述环形电极支撑板上下表面均蚀刻有气体流道，所述阳极泡沫镍覆盖在环形电极支撑板上表面的气体流道上，所述阴极泡沫镍覆盖在环形电极支撑板下表面的气体流道上；所述固体氧化物燃料电池片固定在阳极泡沫镍上；所述环形电极支撑板上还设有管道通孔，管道通孔中插入有进气管和出气管；环形电极支撑板上表面气体流道的进出气口分别和与其对应的进气管和出气管连通，环形电极支撑板下表面气体流道的进出气口分别和与其对应的进气管和出气管连通。
2.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池发电单元，其特征在于：所述环形电极支撑板上表面的气体流道为氢气流道，所述环形电极支撑板下表面的气体流道为空气流道。
3.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池发电单元，其特征在于：所述环形电极支撑板相对的两个端部设有带内螺纹的螺栓孔，所述环形电极支撑板的中心处设有定位通孔。
4.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池发电单元，其特征在于：所述阳极泡沫镍和固体氧化物燃料电池片外围环绕有密封环；所述密封环采用硅酸盐玻璃或采用橡胶制备而成。
5.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池发电单元，其特征在于：环形电极支撑板呈中空腔体，环形电极支撑板上下表面的气体流道分别和与其对应的中空腔体连通，上表面气体流道连接的进气管和出气管在该气体流道对应的中空腔体处设有通孔；下表面气体流道连接的进气管和出气管在该气体流道对应的中空腔体处设有通孔。
6.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池发电单元，其特征在于：所述固体氧化物燃料电池片由阴极、电解质和阳极组成，采用等离子喷涂方法将固体氧化物燃料电池片的阳极材料喷涂在阳极泡沫镍上，再喷涂固体氧化物燃料电池片的电解质材料，最后将固体氧化物燃料电池片的阴极材料喷涂在电解质上。
7.权利要求1所述的固体氧化物燃料电池发电单元组成的发电堆装置，其特征在于：包括底座以及固定在底座上的多个串联的发电单元，还包括定位销和紧固螺栓；所述底座中心处也设有定位孔，底座相对的两个端部也设有带内螺纹的螺栓孔，多个发电单元沿纵向依次堆叠，定位销依次穿过每个发电单元中心处的定位通孔嵌入底座中心处的定位孔中，紧固螺栓的其中一个端部与底座的螺栓孔通过内外螺纹固定连接，每个发电单元依次通过螺栓孔套设在紧固螺栓上，紧固螺栓另一个端部与紧固螺母固定连接。
8.根据权利要求7所述的固体氧化物燃料电池发电单元组成的发电堆装置，其特征在于：进气管和出气管一端为封闭端，另一端与外部气罐连接，进气管和出气管穿过每层发电单元环形电极支撑板的管道通孔，并在每层发电单元对应的气体流道进出气口处设置通孔。
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