CN113948730A - 自密封金属扁管支撑型固体氧化物燃料电池/电解池结构 - Google Patents

自密封金属扁管支撑型固体氧化物燃料电池/电解池结构 Download PDF

Info

Publication number
CN113948730A
CN113948730A CN202110992004.2A CN202110992004A CN113948730A CN 113948730 A CN113948730 A CN 113948730A CN 202110992004 A CN202110992004 A CN 202110992004A CN 113948730 A CN113948730 A CN 113948730A
Authority
CN
China
Prior art keywords
flat tube
battery pack
insulating layer
fuel cell
cell
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202110992004.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113948730B (zh
Inventor
李成新
曹议元
李延安
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Xian Jiaotong University
Original Assignee
Xian Jiaotong University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Xian Jiaotong University filed Critical Xian Jiaotong University
Priority to CN202110992004.2A priority Critical patent/CN113948730B/zh
Publication of CN113948730A publication Critical patent/CN113948730A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113948730B publication Critical patent/CN113948730B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/002—Shape, form of a fuel cell
    • H01M8/004—Cylindrical, tubular or wound
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0204—Non-porous and characterised by the material
    • H01M8/0206—Metals or alloys
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M2008/1293—Fuel cells with solid oxide electrolytes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

本发明提供了一种自密封的金属扁管支撑固体氧化物燃料电池/电解池及其电池堆结构，该结构包括：绝缘层和由金属材料制备的扁管式支撑体；绝缘层覆盖于扁管式支撑体的两平面上；绝缘层上分布有电池组，电池组由多个单电池通过连接体串联连接，形成U形形状；其中，电池组中的第一个单电池的集流层和最后一个单电池的集流层，均位于所述开口端，分别用于电流的引入与引出。本发明提供的金属扁管支撑体+绝缘层的设计，采用具有高热导率、低成本、高强度金属作为扁管支撑体，可显著提升电池启动速率、增加循环启动次数，为燃料电池的高效率、高稳定、快启动策略提供可行性方案。

Description

自密封金属扁管支撑型固体氧化物燃料电池/电解池结构
技术领域
本发明涉及能源结构优化与固体氧化物燃料电池技术领域，特别是涉及一种自密封金属扁管支撑型固体氧化物燃料电池/电解池结构。
背景技术
伴随着能源短缺和环境污染问题的日益严重，具有高能量转换效率和环境友好型的能量转换技术，有望取代传统的高能耗低产出的化石燃料燃烧发电设备。其中，固体氧化物燃料电池就是一种环境友好型的固态能量转换装置，可实现氢气、天然气以及其他碳氢燃料化学能向电能的转化过程。同时，还具有较高的能量转换效率和优异的燃料适应性。
目前，固体氧化物燃料电池的结构设计方式主要分为平板式与管式两种。平板式燃料电池结构易于设计，制备工艺简单，制造成本低，内阻小，电流路径短，功率密度大。但常面临密封条件苛刻问题，其原因在于电池组件边缘要求严格密封用于隔离燃气与空气，密封材料工作环境介于500-800℃，对材料本身的耐热性与抗氧化性成为其所面临的最大挑战。管式燃料电池结构是最早发展的一种方式，也是目前较为成熟的一种结构。管式燃料电池由于单端密封需求的特点，密封难度降低，可完全规避板式燃料电池在密封方面所面临的问题。同时，电池工作温度还可进一步提升，有利于电池输出更高的功率表现出更加稳定的性能。但是，其缺点在于管式燃料电池内部阴极侧电流传导路径较长、内阻损耗较大，电池启动时间长，结构抗热循环稳定性差，进而影响实际输出功率密度与输出效率，制备工艺复杂等。
因此，本领域迫切需要一种自密封的管式燃料电池结构以及更为便捷的制备工艺，满足市场对管式燃料电池的需求。
发明内容
本发明提供了一种自密封的金属扁管支撑固体氧化物燃料电池/电解池结构，解决了固体氧化物电池启动速率低，运行过程中内部损耗过大、电池效率降低等问题，也提供了一种简便的制备工艺实现了复杂气体流道成型容易和扁管燃料电池的快速生产。
第一方面，本发明提供一种自密封金属扁管支撑型固体氧化物燃料电池/电解池结构，所述结构包括：绝缘层和由金属材料制备的扁管式支撑体；所述绝缘层是覆盖于所述扁管式支撑体的两平面上。
优选地，所述金属扁管支撑体包括：自密封端、开口端、气体流道、致密密封区以及疏松多孔区；
所述气体流道位于金属扁管内部；所述气体流道进出口均位于开口端；
所述疏松多孔区为所述扁管式支撑体中被所述绝缘层覆盖的部位；
所述致密密封区为所述扁管式支撑体中未被所述绝缘层覆盖的部位；
所述疏松多孔区、气体流道以及致密密封区为一体化成型。
优选地，所述金属扁管支撑体的材料为铁铬合金、纯铬或掺杂铬的混合金属；所述绝缘层为陶瓷材料，所述陶瓷材料包括：MgAl2O4、掺杂ZrO2、CaTiO3、ZrSiO4、MgO中的一种或多种。
优选地，所述金属扁管支撑体是通过粉末压制成型或注浆成型再经烧结制备得到。
优选地，所述绝缘层上分布有电池组，所述电池组由多个单电池通过连接体串联连接，形成U形形状；
其中，所述电池组中的第一个单电池的集流层和最后一个单电池的集流层，均位于所述开口端，分别用于电流的引入与引出。
优选地，所述两平面包括第一平面和第二平面，其特征在于，所述结构还包括：第一电池组、第二电池组、第一集流层和第二集流层；
其中，所述绝缘层上分布有电池组，所述电池组由多个单电池通过连接体串联连接，形成U形形状，包括：
所述第一电池组分布于所述第一平面的绝缘层上，所述第二电池组分布于所述第二平面的绝缘层上；所述第一电池组和第二电池组均为由多个单电池串联连接成U形的电池组；
所述第一集流层包括第一阳极集流极和第一阴极集流极，所述第一阳极集流极与所述第一电池组中的第一个单电池A连接，所述第一阴极集流极与所述第一电池组中的最后一个单电池B连接；
第二集流层包括第二阳极集流极和第二阴极集流极，所述第二阳极集流极与所述第二电池组中的第一个单电池A连接，所述第二阴极集流极与所述第二电池组中的最后一个单电池B连接。
优选地，所述集流层由多孔导电层以及覆盖于所述多孔导电层表面的致密绝缘层组成；其中，所述多孔导电层的材料组成与电极材料组成相同，所述致密绝缘层的材料组成与电解质材料组成相同。
优选地，所述疏松多孔区的气孔率介于20％-50％，所述致密区的显气孔率不高于5％。
优选地，所述两平面的间距为3mm-15mm；
所述两平面的宽度大于所述间距的3倍以上。
第二方面，本发明提供一种固体氧化物燃料电池/电解池电堆结构，所述电堆结构包括多组涵盖权利要求1-9所述的一种自密封的金属扁管支撑固体氧化物燃料电池/电解池所构成的电池堆结构。
本发明提供的一种自密封的金属扁管支撑固体氧化物燃料电池/电解池结构具备以下优点：
1、本发明提供的一种自密封的金属扁管支撑固体氧化物燃料电池/电解池结构，所有单电池全部分布于绝缘层表面，防止多个单电池与金属基体间的紧密接触与电流导通；金属扁管支撑体+绝缘层的设计，采用具有高热导率、低成本、高强度金属作为扁管支撑体，显著提升了电池启动速率、增加循环启动次数，为燃料电池的高效率、高稳定、快启动策略提供可行性方案。
2、本发明提供的一种自密封的金属扁管支撑固体氧化物燃料电池/电解池结构，不同于两端均为开口端的管式电池，采用单端密封工艺简化了扁管燃料电池密封工艺，克服了传统管式电池两端固定、密封效果与管式电池强度性能之间难以匹配等问题，实现了单端固定的使用模式。
3、本发明提供的一种自密封的金属扁管支撑固体氧化物燃料电池/电解池结构，在任一平面设置两列单电池，并在处于高温区的封闭端对顶端电池进行延伸连接改进，形成U形形状的电池组，使电流在高温封闭端回流至低温开口端，有效解决了固体氧化物燃料电池中极化损耗较大、电流收集困难等问题，使该扁管式燃料电池可在更高温度下使用，进一步提高其输出性能。
4、本发明提供的一种自密封的金属扁管支撑固体氧化物燃料电池/电解池结构，扁管支撑体两平面的电池即可采用喷涂方式制备，也可采用丝网印刷等方式制备；不同于喷涂方式(原料利用率为30％)，采用丝网印刷方式(原料利用率约为90％以上)可极大程度的提高原料使用率，对制备设备要求不高，后期经进一步烧结，同样可以达到扁管支撑固体氧化物燃料电池的生产需求，节约了成本，为早日实现快速高效批量化生产指明了方向。
附图说明
图1示出了本发明实施例制备的一种自密封金属扁管支撑固体氧化物燃料电池/电解池结构的侧面结构示意图；
图2示出了本发明实施例制备的一种自密封金属扁管支撑固体氧化物燃料电池/电解池结构的另一侧面结构示意图；
图3示出了本发明实施例制备的自密封金属扁管支撑固体氧化物燃料电池开口端的剖面结构示意图；
图4示出了本发明实施例制备的自密封金属扁管支撑固体氧化物燃料电池封闭端的剖面结构示意图；
图5示出了本发明实施例制备的自密封的金属扁管支撑固体氧化物燃料电池/电解池结构的集流示意图；
图6示出了本发明实施例制备的自密封的金属扁管支撑固体氧化物燃料电池的上平面电流的集流示意图；
图7示出了本发明实施例制备的一种自密封的金属扁管支撑固体氧化物燃料电池/电解池结构上下两平面上的电池分布示意图；
图8示出了本发明实施例3制备的自密封金属扁管支撑固体氧化物燃料电池开口端的剖面结构示意图；
图9示出了本发明实施例3制备的自密封金属扁管支撑固体氧化物燃料电池封闭端的剖面结构示意图；
图10示出了本发明实施例3制备的一种自密封金属扁管支撑固体氧化物燃料电池/电解池结构的侧面结构示意图。
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。
由于固体氧化物燃料电池与固体氧化物电解池是一对结构型式相同、工作过程相逆的能量转化装置，本发明结构同样适用于一种固体氧化物电解池结构。
发明人在深入了解固体氧化物燃料电池发现，传统管式燃料电池普遍采用将阳极层、电解质层、阴极层、连接体层以及集流层等分步制备在管式陶瓷支撑体上，鉴于圆管形状特殊，各层制备工艺较为复杂(多采用喷涂等方式)且原料有效利用率较低，导致燃料电池成本居高不下。此外，常规的管式燃料电池电流在管壁传导路径较长，总电流较大，导致因内部损耗而产生整体功率衰减明显，其体积功率密度无法达到最佳状态。进一步地，由于管式燃料电池内部为燃料气体，外部为氧化气体，在高温工作环境下电池密封与引流问题也会成为影响电池性能的主要因素。而传统管式燃料电池多为两端固定式，燃料气体从一端流入，于另一端流出，加之陶瓷的易碎特性，导致管式燃料电池的制备难度更大，为管式燃料电池的固定与制备带来了挑战。
而扁管式固体氧化物燃料电池虽同时融入了板式与管式燃料电池的优点，保留管式燃料电池的密封特性，引入了板式燃料电池的引流方式，一定程度提高了燃料电池的性能。但常规的扁管式燃料电池，普遍存在热导率低、热稳定性差等缺点，易造成电池启动时间长，循环启动次数少，制备成本较高(阳极支撑型燃料电池多采用镍基陶瓷作为支撑体)，体积功率密度不高(仅有一面覆盖电池)，电流收集比较复杂等等问题。
因此，基于目前固体燃料电池存在的上述问题，本发明提出的技术构思为：采用一端开口，一端自封闭的金属扁管作为支撑体，绝缘层覆盖于扁管式支撑体的两平面上，绝缘层上分布有电池组，电池组由多个单电池通过连接体串联连接呈U形形状，排列于绝缘层上，从而得到一种自密封的金属扁管支撑固体氧化物燃料电池/电解池结构。该结构利用了金属扁管作为支撑体的优点，显著提升电池启动速率、增加循环启动次数，为燃料电池的高效率、高稳定、快启动策略提供了可行性方案。
为了进一步理解本发明，下面结合具体实例对于本发明进一步进行阐述。同时，电解池与燃料电池为互逆的能量转化装置且具有相同的功能层分布。因此，本申请的实施例以燃料电池为例进行阐述。
第一方面，本发明提供了一种自密封金属扁管支撑型固体氧化物燃料电池/电解池结构，该结构包括：绝缘层和由金属材料制备的扁管式支撑体；其中，绝缘层是覆盖于扁管式支撑体的两平面上。
本发明实施例中，优选地，金属扁管支撑体包括：自密封端、开口端、气体流道、致密密封区以及疏松多孔区；
气体流道位于金属扁管内部；气体流道进出口均位于开口端；
疏松多孔区为扁管式支撑体中被绝缘层覆盖的部位；
致密密封区为扁管式支撑体中未被绝缘层覆盖的部位；
疏松多孔区、气体流道以及致密密封区为一体化成型。
图1示出了本发明实施例制备的一种自密封金属扁管支撑固体氧化物燃料电池/电解池结构的侧面结构示意图；图2示出了本发明实施例制备的一种自密封金属扁管支撑固体氧化物燃料电池/电解池结构的另一侧面结构示意图；如图1、图2所示，该燃料电池结构包括：扁管支撑体(1-1扁管支撑体)、绝缘层(1-6绝缘层)、多个单电池(由1-2阳极、1-3电解质、1-4阴极组成)以及集流层(1-7集流层)；扁管支撑体包括：相对的封闭端与开口端，其中集流层位于开口端；多个单电池通过连接体(1-5连接体)串联呈U形排布于扁管支撑体的任一平面上。
图1中，多组单电池通过连接体串联分别分布于上下两平面，通过覆盖于上下表面的陶瓷绝缘层防止多个单电池与金属基体间的紧密接触与电流导通，在任一平面开口端的单电池A引入电流，采用集流层通过连接体连接单电池B引出电流。图2中，多组单电池通过连接体串联分别分布于上下两平面，并于开口端通过单电池A和连接于单电池B的集流层进行电流引入与引出。
本发明实施例中，优选地，金属扁管支撑体的材料为铁铬合金、纯铬或掺杂铬的混合金属；绝缘层为陶瓷材料，陶瓷材料包括：MgAl2O4、掺杂ZrO2、CaTiO3、ZrSiO4、MgO中的一种或多种。
本发明实施例中，优选地，金属扁管支撑体是通过粉末压制成型或注浆成型再经烧结制备得到。
本发明实施例中，扁管支撑体开口端设置有燃料进气口与出气口，扁管支撑体内部设有燃气流道，在封闭端燃料进气流道与燃料出气流道紧密衔接形成闭合回路；因此，可实现一端控制燃气进出，降低扁管支撑固体氧化物燃料电池的固定难度与燃气操控难度，燃气流道可采用易高温分解或挥发的材料经粉末成型而得，后经高温烧蚀去除得到具备流道的扁管支撑体，制备工艺简便，生产效率更高。
本发明实施例中，优选地，绝缘层上分布有电池组，所述电池组由多个单电池通过连接体串联连接，形成U形形状；
其中，电池组中的第一个单电池的集流层和最后一个单电池的集流层，均位于开口端，分别用于电流的引入与引出。
本发明实施例中，优选地，两平面包括第一平面和第二平面，该结构还包括：第一电池组、第二电池组、第一集流层和第二集流层；
其中，绝缘层上分布有电池组，电池组由多个单电池通过连接体串联连接，形成U形形状，包括：
第一电池组分布于第一平面的绝缘层上，第二电池组分布于第二平面的绝缘层上；第一电池组和第二电池组均为由多个单电池串联连接成U形的电池组；
第一集流层包括第一阳极集流极和第一阴极集流极，第一阳极集流极与所述第一电池组中的第一个单电池A连接，第一阴极集流极与第一电池组中的最后一个单电池B连接；
第二集流层包括第二阳极集流极和第二阴极集流极，第二阳极集流极与第二电池组中的第一个单电池A连接，第二阴极集流极与第二电池组中的最后一个单电池B连接。
图3示出了本发明实施例制备的自密封金属扁管支撑固体氧化物燃料电池开口端的剖面结构示意图。即，图1中位于a处的剖面结构示意图；图4示出了本发明实施例制备的自密封金属扁管支撑固体氧化物燃料电池封闭端的剖面结构示意图。即，图1中位于b处的剖面结构示意图。如图3、图4所示，本发明实施例中，多组单电池通过连接体串联，形成U形形状的电池组，分别分布于上下两平面上。
如图3所示，位于任一平面开口端的单电池A的阳极集流层将电流引入，最终由通过连接体串联的单电池B引出电流。
如图4所示，电池封闭端两平面上均设置了延伸的阳极贯穿两排串联的单电池组，表面覆盖致密的电解质层，实现两排电池的连通，使整个平面的电流均在低温端收集；本发明设计的电流回流结构实现了单端密封效果，有望呈现更加优异的电池性能。
图5示出了本发明实施例制备的自密封的金属扁管支撑固体氧化物燃料电池/电解池结构的集流示意图；如图5所示，上下两平面分别排布着多个单电池，多个单电池通过连接体依次串联，分别呈相反方向排布。
图6示出了本发明实施例制备的自密封的金属扁管支撑固体氧化物燃料电池的上平面电流的集流示意图，如图6所示，金属扁管的上平面上，单电池分两列排布，通过连接体串联，在封闭端(高温端)借助延伸的阳极横跨两列电池组使同一平面所有单电池串联，实现电流在开口端(低温端)集流，金属扁管支撑体+绝缘层的设计，显著提升了电池启动速率、增加循环启动次数，为燃料电池的高效率、高稳定、快启动策略提供可行性方案。
图7示出了本发明实施例制备的一种自密封的金属扁管支撑固体氧化物燃料电池/电解池结构上下两平面上的电池分布示意图，图7清晰的描述了多个单电池、绝缘层以及集流层的排布规律，该排列方式有助于实现大电压、小电流模式，降低极化损耗，采用将所有单电池串联并于低温端集流有利于电流的收集。
本发明实施例中，优选地，集流层由多孔导电层以及覆盖于多孔导电层表面的致密绝缘层组成；其中，多孔导电层的材料组成与电极材料组成相同，致密绝缘层的材料组成与电解质材料组成相同。
本发明实施例中，所述集流层包括多孔导电层以及覆盖于其表面的致密绝缘层，多孔导电层与阳极材料相同，有助于降低极化损耗，致密绝缘层与电解质材料相同，用于覆盖多孔导电极达到密封隔绝燃气与氧化气接触作用。
本发明实施例中，优选地，疏松多孔区的气孔率介于20％-50％，致密区的显气孔率不高于5％。
本发明实施例中，本发明实施例提供的一种扁管支撑体结构中包含疏松多孔区与致密区，疏松多孔区的孔隙率介于30％～50％(保障扁管支撑体的气体传输效率与强度等达到最佳状态)，致密区的孔隙率不高于5％(内部形成封闭孔，阻碍气体传输)。
本发明实施例中，优选地，两平面的间距为3mm-15mm；
所述两平面的宽度大于所述间距的3倍以上。
本发明实施例中，本发明实施例提供的一种扁管支撑体结构的上下两平面间距介于3mm-1mm，平面宽度不小于间距的3倍。开口端至封闭端的长度可依扁管支撑体强度确定。
第二方面，本发明实施例提供了一种电堆结构包括多组涵盖权利要求1-9所述的一种自密封的金属扁管支撑固体氧化物燃料电池/电解池所构成的电池堆结构。
本发明实施例中，扁管支撑体中致密区与多孔区材料成分相同；密封材料包括玻璃密封胶、陶瓷密封胶以及其他在高温环境中可保持优异性能的材料；自密封结构设计使扁管燃料电池的燃气进气口与出气口均位于开口端，而另一端完全封闭，简化了扁管燃料电池两端密封的工艺，提升了生产效率。
本发明实施例中，提供的一种自密封的金属扁管支撑固体氧化物燃料电池/电解池结构，在组装电池堆过程中仅需将开口端用密封材料固定在电池堆基座即可达到密封标准，由于开口端处于低温区，对密封材料的热稳定性的影响较小，使得密封材料具有优异的长期稳定性。
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自密封的金属扁管支撑固体氧化物燃料电池/电解池及电池堆结构。
实施例1
请参阅图1、图2、图3、图4所示，烧结制备自密封金属扁管支撑体，扁管支撑体材料为铁铬合金，扁管支撑体两平面间隔为8mm，扁管支撑体长度与宽度分别为1000mm和50mm，致密区孔隙率为4％，多孔区孔隙率为45％。在上下两平面依次通过丝网印刷工艺分别制备绝缘层和108块单电池，单电池长度与宽度分别为22mm和15mm。绝缘层采用CaO稳定ZrO2陶瓷材料，对于绝缘层表面覆盖电池区域的孔隙率为40％，其余为致密区；单电池各功能层制备顺序依次为多孔阳极层(NiO-GDC)、致密电解质层(GDC/YSZ/GDC)、多孔阴极层(GDC-LSCF)以及致密连接体层。其中，位于封闭端的其中1块单电池通过阳极与电解质延伸，达到与两列电池总宽度等长效果，实现两列电池的串联。任一平面单电池A的阳极和电解质延伸至开口端，用于电流引入，单电池B的阴极通过连接体与集流层相连，用于电流引出。上下两平面的多个单电池分别串联构成相互独立的2组108块单电池串联的电池组，然后于1250℃氩气保护气氛下进行烧结成型。
说明：图1、图2、图3、图4仅供结构参考，不对本发明实施例中的相关的数值、使用材料以及制备工艺等信息进行限制。
实施例2
请参阅图1、图2、图3、图4所示，烧结制备自密封金属扁管支撑体，扁管支撑体材料为铁铬合金，扁管支撑体两平面间隔为10mm，扁管支撑体长度与宽度分别为500mm和45mm，致密区孔隙率为5％，多孔区孔隙率为45％。在上下两平面依次通过丝网印刷工艺分别制备绝缘层和64块单电池，单电池长度与宽度分别为20mm和12mm。绝缘层采用ZrSiO4陶瓷材料，对于绝缘层表面覆盖电池区域的孔隙率为45％，其余为致密区；单电池各功能层制备顺序依次为多孔阳极层(NiO-ScSZ)、致密电解质层(喷涂法制备ScSZ、丝网印刷法制备YSZ)、多孔阴极层(YSZ-LSM)以及致密连接体层。其中，位于封闭端的其中1块单电池通过阳极与电解质延伸，达到与两列电池总宽度等长效果，实现两列电池的串联。任一平面单电池A的阳极和电解质延伸至开口端，用于电流引入，单电池B的阴极通过连接体与集流层相连，用于电流引出。上下两平面的多个单电池分别串联构成相互独立的2组64块单电池串联的电池组，然后于1350℃氩气保护气氛下进行烧结成型。
说明：图1、图2、图3、图4仅供结构参考，不对本发明实施例中的相关的数值、使用材料以及制备工艺等信息进行限制。
实施例3
本发明在上述技术方案的构思的基础上，还提供了另一种金属扁管支撑固体氧化物燃料电池/电解池及其电池堆结构，除开口端(低温端)外，其余部位结构与实施例1、2相同。具体如下：
烧结制备自密封金属扁管支撑体，扁管支撑体材料为纯铬，扁管支撑体两平面间隔为8mm，扁管支撑体长度与宽度分别为300mm和40mm，致密区显气孔率为5％，多孔区气孔率为35％。在上下两平面依次通过丝网印刷工艺分别制备绝缘层和32块单电池，单电池长度与宽度分别为17mm和15mm。绝缘层采用MgO与MgAl2O4尖晶石复合陶瓷材料，对于绝缘层表面覆盖电池区域的孔隙率为35％，其余为致密区；单电池各功能层制备顺序依次为多孔阳极层(NiO-YSZ)、致密电解质层(YSZ)、多孔阴极层(YSZ-LSM)以及致密连接体层。
图8示出了本发明实施例3制备的自密封金属扁管支撑固体氧化物燃料电池开口端的剖面结构示意图；图9示出了本发明实施例3制备的自密封金属扁管支撑固体氧化物燃料电池封闭端的剖面结构示意图；图10示出了本发明实施例3制备的一种自密封金属扁管支撑固体氧化物燃料电池/电解池结构的侧面结构示意图；如图8、图9、图10所示，位于封闭端的其中1块单电池通过阳极与电解质延伸，达到与两列电池总宽度等长效果，实现两列电池的串联。上平面单电池A的阳极和电解质延伸至开口端，用于电流引入；下平面单电池B的阴极通过连接体与集流层相连，用于电流引出。此外，上平面的单电池B通过连接体与金属支撑体相连，绝缘层不覆盖扁管支撑体开口端下平面的单电池A，使得该位置的阳极直接与金属支撑体相连，从而实现整支扁管上64块单电池串联，然后于1350℃氩气保护气氛下进行烧结成型。
说明：图8、图9、图10仅供结构参考，不对本发明实施例中的相关的数值、使用材料以及制备工艺等信息进行限制。
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自密封的金属扁管支撑型电池/电解池及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)

1.一种自密封金属扁管支撑型固体氧化物燃料电池/电解池结构，其特征在于，所述结构包括：绝缘层和由金属材料制备的扁管式支撑体；所述绝缘层是覆盖于所述扁管式支撑体的两平面上。
2.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，所述金属扁管支撑体包括：自密封端、开口端、气体流道、致密密封区以及疏松多孔区；
所述气体流道位于金属扁管内部；所述气体流道进出口均位于开口端；
所述疏松多孔区为所述扁管式支撑体中被所述绝缘层覆盖的部位；
所述致密密封区为所述扁管式支撑体中未被所述绝缘层覆盖的部位；
所述疏松多孔区、气体流道以及致密密封区为一体化成型。
3.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，所述金属扁管支撑体的材料为铁铬合金、纯铬或掺杂铬的混合金属；所述绝缘层为陶瓷材料，所述陶瓷材料包括：MgAl2O4、掺杂ZrO2、CaTiO3、ZrSiO4、MgO中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，所述金属扁管支撑体是通过粉末压制成型或注浆成型再经烧结制备得到。
5.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，所述绝缘层上分布有电池组，所述电池组由多个单电池通过连接体串联连接，形成U形形状；
其中，所述电池组中的第一个单电池的集流层和最后一个单电池的集流层，均位于所述开口端，分别用于电流的引入与引出。
6.根据权利要求5所述的结构，所述两平面包括第一平面和第二平面，其特征在于，所述结构还包括：第一电池组、第二电池组、第一集流层和第二集流层；
其中，所述绝缘层上分布有电池组，所述电池组由多个单电池通过连接体串联连接，形成U形形状，包括：
所述第一电池组分布于所述第一平面的绝缘层上，所述第二电池组分布于所述第二平面的绝缘层上；所述第一电池组和第二电池组均为由多个单电池串联连接成U形的电池组；
所述第一集流层包括第一阳极集流极和第一阴极集流极，所述第一阳极集流极与所述第一电池组中的第一个单电池A连接，所述第一阴极集流极与所述第一电池组中的最后一个单电池B连接；
第二集流层包括第二阳极集流极和第二阴极集流极，所述第二阳极集流极与所述第二电池组中的第一个单电池A连接，所述第二阴极集流极与所述第二电池组中的最后一个单电池B连接。
7.根据权利要求5所述的结构，其特征在于，所述集流层由多孔导电层以及覆盖于所述多孔导电层表面的致密绝缘层组成；其中，所述多孔导电层的材料组成与电极材料组成相同，所述致密绝缘层的材料组成与电解质材料组成相同。
8.根据权利要求2或7所述的结构，其特征在于，所述疏松多孔区的气孔率介于20％-50％，所述致密区的显气孔率不高于5％。
9.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，所述两平面的间距为3mm-15mm；
所述两平面的宽度大于所述间距的3倍以上。
10.一种固体氧化物燃料电池/电解池电堆结构，其特征在于，所述电堆结构包括多组涵盖权利要求1-9所述的一种自密封的金属扁管支撑固体氧化物燃料电池/电解池所构成的电池堆结构。
CN202110992004.2A 2021-08-27 2021-08-27 自密封金属扁管支撑型固体氧化物燃料电池/电解池结构 Active CN113948730B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110992004.2A CN113948730B (zh) 2021-08-27 2021-08-27 自密封金属扁管支撑型固体氧化物燃料电池/电解池结构

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110992004.2A CN113948730B (zh) 2021-08-27 2021-08-27 自密封金属扁管支撑型固体氧化物燃料电池/电解池结构

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113948730A true CN113948730A (zh) 2022-01-18
CN113948730B CN113948730B (zh) 2024-04-05

Family

ID=79327902

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110992004.2A Active CN113948730B (zh) 2021-08-27 2021-08-27 自密封金属扁管支撑型固体氧化物燃料电池/电解池结构

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113948730B (zh)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114824346A (zh) * 2022-05-26 2022-07-29 西安交通大学 一端密封导电扁管支撑型固体氧化物燃料电池/电解池以及电池堆结构
CN114914507A (zh) * 2022-05-26 2022-08-16 西安交通大学 一种导电扁管支撑型固体氧化物燃料电池/电解池及其制备方法以及电池堆结构
CN114976101A (zh) * 2022-05-26 2022-08-30 西安交通大学 一端密封陶瓷扁管支撑型固体氧化物燃料电池/电解池以及电池堆结构
CN115458765A (zh) * 2022-11-09 2022-12-09 武汉氢能与燃料电池产业技术研究院有限公司 一种金属空心支撑型固体氧化物燃料电池电堆及发电模块
CN114824388B (zh) * 2022-05-26 2024-07-05 西安交通大学 一端自密封竹节管式固体氧化物燃料电池/电解池及其电池/电解池堆的制备方法

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1845371A (zh) * 2006-03-21 2006-10-11 西安交通大学 一种管状高温固体氧化物燃料电池单管电池组的结构
CN2877046Y (zh) * 2006-03-24 2007-03-07 中国科学技术大学 环形导体框架支撑的平板式固体氧化物燃料电池堆构件
CN103515639A (zh) * 2012-06-20 2014-01-15 中国科学院大连化学物理研究所 一种扁管型固体氧化物燃料电池组
CN110890571A (zh) * 2019-11-19 2020-03-17 西安交通大学 一种双层连接极串联的管状固体氧化物燃料电池
CN110890570A (zh) * 2019-11-19 2020-03-17 西安交通大学 双层连接极串联管状固体氧化物燃料电池的制备方法
CN111403762A (zh) * 2020-03-31 2020-07-10 西安交通大学 陶瓷与金属共支撑扁管、电池/电解池、电池堆结构
CN111403765A (zh) * 2020-03-31 2020-07-10 西安交通大学 一种扁管型固体氧化物燃料电池的电池堆结构
CN111403763A (zh) * 2020-03-31 2020-07-10 西安交通大学 金属薄壁管支撑型微管固体氧化物燃料电池、电池堆结构
CN111416133A (zh) * 2020-03-31 2020-07-14 西安交通大学 一端自密封陶瓷扁管支撑型电池/电解池及电池堆结构

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1845371A (zh) * 2006-03-21 2006-10-11 西安交通大学 一种管状高温固体氧化物燃料电池单管电池组的结构
CN2877046Y (zh) * 2006-03-24 2007-03-07 中国科学技术大学 环形导体框架支撑的平板式固体氧化物燃料电池堆构件
CN103515639A (zh) * 2012-06-20 2014-01-15 中国科学院大连化学物理研究所 一种扁管型固体氧化物燃料电池组
CN110890571A (zh) * 2019-11-19 2020-03-17 西安交通大学 一种双层连接极串联的管状固体氧化物燃料电池
CN110890570A (zh) * 2019-11-19 2020-03-17 西安交通大学 双层连接极串联管状固体氧化物燃料电池的制备方法
CN111403762A (zh) * 2020-03-31 2020-07-10 西安交通大学 陶瓷与金属共支撑扁管、电池/电解池、电池堆结构
CN111403765A (zh) * 2020-03-31 2020-07-10 西安交通大学 一种扁管型固体氧化物燃料电池的电池堆结构
CN111403763A (zh) * 2020-03-31 2020-07-10 西安交通大学 金属薄壁管支撑型微管固体氧化物燃料电池、电池堆结构
CN111416133A (zh) * 2020-03-31 2020-07-14 西安交通大学 一端自密封陶瓷扁管支撑型电池/电解池及电池堆结构

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114824346A (zh) * 2022-05-26 2022-07-29 西安交通大学 一端密封导电扁管支撑型固体氧化物燃料电池/电解池以及电池堆结构
CN114914507A (zh) * 2022-05-26 2022-08-16 西安交通大学 一种导电扁管支撑型固体氧化物燃料电池/电解池及其制备方法以及电池堆结构
CN114976101A (zh) * 2022-05-26 2022-08-30 西安交通大学 一端密封陶瓷扁管支撑型固体氧化物燃料电池/电解池以及电池堆结构
CN114824346B (zh) * 2022-05-26 2024-07-05 西安交通大学 一端密封导电扁管支撑型固体氧化物燃料电池/电解池以及电池堆结构
CN114914507B (zh) * 2022-05-26 2024-07-05 西安交通大学 一种导电扁管支撑型固体氧化物燃料电池/电解池及其制备方法以及电池堆结构
CN114824388B (zh) * 2022-05-26 2024-07-05 西安交通大学 一端自密封竹节管式固体氧化物燃料电池/电解池及其电池/电解池堆的制备方法
CN115458765A (zh) * 2022-11-09 2022-12-09 武汉氢能与燃料电池产业技术研究院有限公司 一种金属空心支撑型固体氧化物燃料电池电堆及发电模块
CN115458765B (zh) * 2022-11-09 2023-01-31 武汉氢能与燃料电池产业技术研究院有限公司 一种金属空心支撑型固体氧化物燃料电池电堆及发电模块

Also Published As

Publication number Publication date
CN113948730B (zh) 2024-04-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN113948730B (zh) 自密封金属扁管支撑型固体氧化物燃料电池/电解池结构
CN111416133B (zh) 一端自密封陶瓷扁管支撑型电池/电解池及电池堆结构
CN109755622B (zh) 一种中空对称的双阴极高温固态燃料电池堆
CN100495793C (zh) 实心多孔支撑体平板串接式微型固体氧化物燃料电池
US20070259235A1 (en) Compact Fuel Cell
CN111403767A (zh) 固体氧化物燃料电池/电解池及电池堆结构
KR101130126B1 (ko) 평관형 고체산화물 연료전지의 전기 연결재 제작 및 설치
CN105576252B (zh) 基于半导体结效应的固体氧化物燃料电池及其制备方法
KR20110022907A (ko) 평관형 고체 산화물 연료전지 모듈
CN111403762B (zh) 陶瓷与金属共支撑扁管、电池/电解池、电池堆结构
CN109755616B (zh) 具有内重整特性的中空对称结构双阴极固态燃料电池及其制备方法
CN204464354U (zh) 一种平板或平管式固体氧化物燃料电池堆电路连接结构
CN107611464B (zh) 一种可插拔式固体氧化物燃料电池堆结构
KR101120134B1 (ko) 평관형 고체산화물 셀 스택
CN107528081B (zh) 一种平板型电极支撑的陶瓷电解质电池堆
CN100386915C (zh) 一种单气室固体氧化物燃料电池串联电池组
CN115207386B (zh) 一种全膜化平板膜带串接式固体氧化物燃料电池组的制备方法
CN203871424U (zh) 一种基于单片电解质的固体氧化物燃料电池组
KR20200094876A (ko) 고체산화물 연료전지와 고체산화물 전해셀
CN101719554B (zh) 一种试管型中温固体氧化物燃料电池
CN108091915A (zh) 一种分段串联管式固体氧化物燃料电池及其制备方法
CN103956504A (zh) 一种单片电解质固体氧化物燃料电池组
CN114824346B (zh) 一端密封导电扁管支撑型固体氧化物燃料电池/电解池以及电池堆结构
CN207542330U (zh) 一种片式固体氧化物燃料电池堆结构
CN109768312B (zh) 一种片式固体氧化物燃料电池堆结构

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant