CN114976101A - 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 - Google Patents
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 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种一端密封陶瓷扁管支撑型固体氧化物燃料电池/电解池及其电池堆结构,包括:陶瓷扁管支撑体、电池组集和集流极,其中,支撑体内设置串联排布的蛇形流道,或并联排布的栅形流道,电池组集由多个单电池串联集成,或由多个U型串联电池组并联集成。本发明通过合理的单电池排列布局设计,最大限度地利用了扁管支撑体相互平行的两个平面,增加电池的排布量和均匀性,缩短了电池管的轴向力矩,增强了电池的抗弯强度,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、成本造价较高以及电池长期运行稳定性差等问题,提升了电池的体积功率。
Description
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,尤其涉及一种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。
背景技术
传统管式燃料电池普遍采用将阳极层、电解质层、阴极层、连接体层以及集流极等分布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。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成为影响电池性能的主要因素。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,陶瓷的易碎特性导致管式燃料电池的制备标准更加严格,从而对管式燃料电池的固定与制备均带来了挑战。
扁管固体氧化物燃料电池结合了平板与管式固体氧化物燃料电池的设计,既保留了管式一定的密封性能,又改善了电流收集路径,是一种应用于小型化设备的设计。然而,现有的扁管式固体氧化物燃料电池通常采用阳极支撑,通常为镍基金属陶瓷,制备成本较高且脆性较大,电导率不及金属,不利于电池的长期稳定运行,且现有的大部分扁管式电池功能层只覆盖扁管一面,体积功率密度不高,若扁管两面都制备电极功能层,则电流收集较为复杂。
发明内容
为解决上述相关技术中存在的技术问题,本申请提供一种一端密封陶瓷扁管支撑型固体氧化物燃料电池/电解池结构及其电池堆结构,以解决扁管式固体氧化物燃料电池中电池长期稳定性差、体积功率密度不高的问题。
具体发明内容如下:
第一方面,本发明提供一种一端密封陶瓷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:陶瓷扁管支撑体、电池组集和集流极;
所述陶瓷扁管支撑体由A区域、B区域和C区域组成,所述A区域对应所述陶瓷扁管支撑体的开口端,所述B区域为所述陶瓷扁管支撑体的主体区域,所述主体区域由多孔区和致密区组成,所述C区域对应所述陶瓷扁管支撑体的自密封端;
所述陶瓷扁管支撑体内部设置气体流道,所述气体流道为串联排布的蛇形流道,或,并联排布的栅形流道;
所述电池组集包括第一电池组集和第二电池组集,所述电池组集由多个单电池串联组成的U型电池组间串联集成,或,均由多个单电池串联组成的U型电池组间并联集成,所述电池组集位于所述主体区域相互平行的第一平面和第二平面上,其中,所述第一电池组集分布于所述第一平面,所述第二电池组集分布于所述第二平面;所述第一电池组集和所述第二电池组集相互独立;
所述集流极位于所述A区域,所述集流极包括阳极集流极和阴极集流极。
可选地,当所述气体流道为蛇形流道时,所述电池组集由多个单电池串联组成的U型电池组间串联集成,所述阳极集流极位于所述A区域,并与所述电池组集的第一个单电池串联连接,所述阳极集流极位于所述A区域,并与所述电池组集的最后第一个单电池串联连接;
当所述气体流道为栅形流道时,所述电池组集由多个单电池串联组成的U型电池组间并联集成,所述阳极集流极位于所述A区域,并与每一个所述U型电池组的第一个单电池串联连接,所述阴极集流极位于所述A区域,并与每一个所述U型电池组的最后一个单电池串联连接。
可选地,所述陶瓷扁管支撑体的组成材料包括ZrO2、CaO、Y2O3、TiO2、MgO、Al2O3、SiO2、MgO、Na2O、K2O和ZnO中的一种或多种。
可选地,所述致密区的显气孔率小于等于5%,所述多孔区的显气孔率为20%~50%。
可选地,所述陶瓷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。
可选地,所述第一平面与所述第二平面的间距为3mm-15mm。
可选地,所述蛇形流道包括进气口、出气口与蛇形气体流道;
其中,所述进气口与所述出气口均位于所述A区域;
所述蛇形气体流道在所述第一平面和所述第二平面上的正投影位置被所述电池组集覆盖。
可选地,所述栅形流道包括进气口、出气口和栅形气体流道;
其中,所述进气口与所述出气口均位于所述A区域;
所述栅形气体流道包括第一进气流道、第一出气流道、第二出气流道和多个第二进气流道;
所述第一进气流道位于所述开口端,所述第一出气流道位于所述C区域,所述第一进气流道与所述第一出气流道通过所述多个第二进气流道连通;所述栅形气体流道在所述第一平面和所述第二平面上的正投影位置被所述电池组集覆盖。
可选地,所述单电池由阳极汇流层、阳极层、电解质层、阴极层和阴极汇流层组成。
第二方面,本发明提供一种一端密封陶瓷扁管支撑型固体氧化物燃料电池堆结构,所述电池堆结构包括:两个或两个以上的上述第一方面所述的一端密封陶瓷扁管支撑型固体氧化物燃料电池/电解池所构成的电池堆结构。
相较于相关技术,本发明提供的一种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至少具有以下优点:
1、本发明提供的一端密封陶瓷扁管支撑型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、密封与管式电池强度间的难以匹配等问题,实现了单端固定的使用模式,避免了脆性很大的陶瓷两端固定很难对中的高难度操作,防止陶瓷支撑体因不对中而存在的开裂问题。
2、本发明提供的一端密封陶瓷扁管支撑型固体氧化物燃料电池/电解池结构不同于传统多电池串联扁管支撑固体氧化物燃料电池,本发明在陶瓷扁管支撑体的两个相互平行的表面采用多个单电池串联组成的U型电池组间的串联集成(蛇形排布)或通过外部导线实现多个单电池串联组成的U型电池组间的并联集成,电池长度被大大缩短,轴向力矩减小,有效提高了电池的抗弯强度,防止由于电池长度增加引起的弯曲及断裂问题。
3、本发明提供的一端密封陶瓷扁管支撑型固体氧化物燃料电池/电解池结构,采用丝网印刷方式(原料利用率约为90%以上,而喷涂方式原料利用率为30%)在支撑体相互平行的两平面进行电池制备,后期经进一步烧结,即可达到扁管支撑固体氧化物燃料电池的批量生产需求,有效提高原料使用率,降低制造成本,有利于商业化批量生产。
4、本发明提供的一种一端密封陶瓷扁管支撑型固体氧化物燃料电池/电解池结构不同于传统扁管支撑电池,多组电池串联排布提高电池温度场分布均匀性,通过合理的单电池排列布局设计,实现了电流在在高温封闭端回流,在低温端的有效收集;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,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、成本造价较高以及电池长期运行稳定性差等问题。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了本发明实施例制备的陶瓷扁管支撑体的正视结构示意图;
图2示出了本发明实施例制备的一端密封陶瓷扁管支撑型固体氧化物燃料电池/电解池的A-A线剖面结构示意图;
图3示出了本发明实施例制备的一端密封陶瓷扁管支撑型固体氧化物燃料电池/电解池结构第一平面(第二平面)上的电池正视层状结构示意图;
图4示出了本发明实施例制备的一端密封陶瓷扁管支撑型固体氧化物燃料电池/电解池结构的气体流道示意图;
图5示出了本发明实施例制备的一端密封陶瓷扁管支撑型固体氧化物燃料电池/电解池结构第一平面(第二平面)上的电池分布及集流示意图;
图6示出了本发明实施例制备的一端密封陶瓷扁管支撑型固体氧化物燃料电池/电解池结构的气体流道示意图;
图7示出了本发明实施例制备的一端密封陶瓷扁管支撑型固体氧化物燃料电池/电解池结构第一平面(第二平面)上的电池分布及集流示意图。
具体实施方式
提供下述实施例是为了更好地进一步理解本发明,并不局限于所述最佳实施方式,不对本发明的内容和保护范围构成限制,任何人在本发明的启示下或是将本发明与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本发明相同或相近似的产品,均落在本发明的保护范围之内。
实施例中未注明具体实验步骤或者条件,按照本领域内的现有技术所描述的常规实验步骤的操作或条件即可进行。所用试剂以及其他仪器未注明生产厂商者,均为可以通过市购获得的常规试剂产品。
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。
为解决扁管式固体氧化物燃料电池中电池长期稳定性差、体积功率密度不高的问题,本发明提出的技术构思为:提供一种一端密封陶瓷扁管支撑型固体氧化物燃料电池/电解池结构,其中,扁管支撑体为陶瓷结构,且一端开口,一端封闭,由多组U形排布的单电池组成的电池组集分别分布在扁管支撑体相互平行的两个平面上(两个平面上的电池组集相互独立),最大限度地利用了扁管支撑体相互平行的两个平面,增加电池的排布量,从而提升了电池的体积功率,同时,U形排布的电池组集成的电池组集缩短了扁管支撑体的轴向力矩,增强了燃料电池的抗弯强度,且本发明提供的电池在高温下也能正常运行。基于上述技术构思,本发明提供了一种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,具体实施内容如下:
第一方面,本发明提供一种一端密封陶瓷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:陶瓷扁管支撑体、电池组集和集流极;
所述陶瓷扁管支撑体由A区域、B区域和C区域组成,所述A区域对应所述陶瓷扁管支撑体的开口端,所述B区域为所述陶瓷扁管支撑体的主体区域,所述主体区域由多孔区和致密区组成,所述C区域对应所述陶瓷扁管支撑体的自密封端;
所述陶瓷扁管支撑体内部设置气体流道,所述气体流道为串联排布的蛇形流道,或,并联排布的栅形流道;
所述电池组集包括第一电池组集和第二电池组集,所述电池组集由多个单电池串联组成的U型电池组间串联集成,或,均由多个单电池串联组成的U型电池组间并联集成,所述电池组集位于所述主体区域相互平行的第一平面和第二平面上,其中,所述第一电池组集分布于所述第一平面,所述第二电池组集分布于所述第二平面,所述第一电池组集和所述第二电池组集相互独立;
所述集流极位于所述A区域,所述集流极包括阳极集流极和阴极集流极。
具体地,图1示出了本发明实施例制备的陶瓷扁管支撑体的正视结构示意图,如图1所示,陶瓷扁管支撑体可以看作由A区域、B区域和C区域组成,其中,A区域对应陶瓷扁管支撑体的开口端,气体流道的进出口以及集流极位于该区域(图中未示出);B区域为陶瓷扁管支撑体的主体区域,B区域两侧边缘为致密陶瓷,中间为具有多孔的陶瓷,电池组集分布于该区域多孔的陶瓷的两个表面(两个表面相互平行),并且多孔陶瓷区域的内部设置有气体流道(图中未示出),以使气体流道中流动的燃料气体能够通过多孔陶瓷扩散到电池组集处;C区域对应陶瓷扁管支撑体的自密封端,本发明采用单端密封工艺,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、密封与管式电池强度间的难以匹配等问题,实现了单端固定的使用模式,避免了脆性很大的陶瓷两端固定很难对中的高难度操作,防止陶瓷支撑体因不对中而存在的开裂问题。
具体实施时,陶瓷扁管支撑体相互平行的第一平面与第二平面位于陶瓷扁管支撑体的主体区域,由致密区与多孔区相结合组成,具体为中间呈多孔区,两侧边缘呈致密区。即陶瓷扁管支撑体的中间由气体流道与多孔区域组成,边缘为致密区域,第一平面与第二平面上对应分布有第一电池组集与第二电池组集;第一电池组集与第二电池组集均可以由多个单电池串联组成的U型电池组间串联集成,也可以由多个单电池串联组成的U型电池组间并联集成,如此,扁管支撑体的长度被大大缩短,轴向力矩减小,有效提高了电池/电解池整体结构的抗弯强度,防止由于电池长度增加引起的弯曲及断裂问题。
具体地,图2示出了本发明实施例制备的一端密封陶瓷扁管支撑型固体氧化物燃料电池/电解池的A-A线剖面结构示意图,如图2所示,该电池/电解池结构包含:陶瓷扁管支撑体、电池组集、连接体和集流极;其中,陶瓷扁管支撑体具有自密封端和开口端,且自密封端和开口端相对;陶瓷扁管支撑体相互平行的第一平面与第二平面均分布有电池组集,且第一平面与第二平面上的电池组集相互独立运行,陶瓷扁管支撑体内部设置有气体流道,该气体流道可以为蛇形流道,也可以为并栅形流道;电池组集是由多个单电池组成,可以由多个单电池呈蛇形串联排布,也可以由多组呈U型排布的电池组并联组成。这样的结构设计,使电池长度被大大缩短,轴向力矩减小,从而有效提高了电池的抗弯强度,防止由于电池长度增加引起的弯曲及断裂问题。并且,单电池由阳极汇流层、阳极层、电解质层、阴极层和阴极汇流层组成;阳极汇流层(氢电极导电层)和阴极汇流层(空气极导电层)的引入实现电流能够更好的集流。
具体实施时,气体流道的进气口与出气口设置于扁管支撑体的A区域(开口端),扁管支撑体内部设有燃料气体流道,在自密封端,燃料气体进气流道与燃料气体出气流道紧密衔接形成闭合回路,实现一端(开口端)控制燃料气体的进出,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。其中,气体流道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。
在一些实施方式中,气体流道的形状要与电池组集的排布相匹配,以提高燃料气体的反应效率,增加积功率密度。因此,当所述气体流道为蛇形流道时,所述电池组集由多个单电池串联组成的U型电池组间串联集成,所述阳极集流极位于所述A区域,并与所述电池组集的第一个单电池串联连接,所述阴极集流极位于所述A区域,并与所述电池组集的最后第一个单电池串联连接;
当所述气体流道为栅形流道时,所述电池组集由多个单电池串联组成的U型电池组间并联集成,所述阳极集流极位于所述A区域,并与每一个所述U型电池组的第一个单电池串联连接,所述阴极集流极位于所述A区域,并与每一个所述U型电池组的最后一个单电池串联连接。
图3示出了本发明实施例制备的一端密封陶瓷扁管支撑型固体氧化物燃料电池/电解池结构第一平面(或第二平面)上的电池正视层状结构示意图,如图3所示,进气口处对应的第一平面(或第二平面)上分为第一电池组集(或第二电池组集)中的第一个单电池A,对组成单电池A的阳极汇流层、阳极层以及电解质层进行相应的延伸,即得到阳极集流极(图中未示出),出气口处对应的第一平面(或第二平面)上分为第一电池组集(或第二电池组集)中的最后一个单电池B,对组成单电池B的阴极汇流层和阴极层进行相应的延伸,即得到阴极集流极(图中未示出)。
图7示出了本发明实施例制备的一端自密封陶瓷扁管支撑型固体氧化物燃料电池/电解池结构第一平面(或第二平面)上的电池分布及集流示意图,如图7所示,进气口处对应的第一平面(或第二平面)上分为第一电池组集(或第二电池组集)中的第一个U型串联电池组A,对每一个电池组中的第一个单电池的阳极汇流层、阳极层以及电解质层进行相应的延伸,即得到阳极集流极(图中未示出),对每一个电池组中的最后一个单电池的阴极汇流层和阴极层进行相应的延伸,即得到阴极集流极(图中未示出)。
在一些实施方式中,气体流道可以为蛇形流道,所述蛇形流道包括进气口、出气口与蛇形气体流道;其中,所述进气口与所述出气口均位于所述A区域;所述蛇形气体流道在所述第一平面上的正投影位置被所述电池组集覆盖。
具体实施时,图4示出了本发明实施例制备的一端密封陶瓷扁管支撑型固体氧化物燃料电池/电解池结构的气体流道示意图,图5示出了本发明实施例制备的另一一端密封陶瓷扁管支撑型固体氧化物燃料电池/电解池结构第一平面(或第二平面)上的电池分布及集流示意图,如图4所示,蛇形气体流道的进气口与出气口均位于扁管支撑体的开口端,如图5所示,陶瓷扁管支撑体第一平面(或第二平面)上的所有单电池呈蛇形排布(同蛇形流道的排布方式相同),并通过连接体有效串联,在扁管支撑体的自密封端借助延伸的阳极横跨两列电池组实现所有单电池串联,最终实现电流的回流,便于在低温端集流。图4、图5清晰的描述了流道以及电池组集的排布规律,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。
在一些实施方式中,气体流道可以为栅形流道,所述栅形流道包括进气口、出气口和栅形气体流道;其中,所述进气口与所述出气口均位于所述A区域;所述栅形气体流道包括第一进气流道、第一出气流道、第二出气流道和多个第二进气流道,所述第一进气流道位于所述A区域,所述第一出气流道位于所述C区域,所述第一进气流道与所述一出气流道通过所述多个第二进气流道连通;所述栅形气体流道在所述第一平面和所述第二平面上的正投影位置被所述电池组集覆盖。
具体实施时,图6示出了本发明实施例制备的一端自密封陶瓷扁管支撑型固体氧化物燃料电池/电解池结构的气体流道示意图;如图6所示的栅形流道,进气口与出气口均位于扁管支撑体的开口端,燃料气体由进气口进入栅形流道,在第一进气流道(主进气流道)上的开口处分散传输至多个第二进气流道,多个第二进气流道中传输的燃料气体均汇流于自密封端处的第二出气流道,第二出气流道中的燃料气体通过第二出气流道流出陶瓷扁管支撑体。如图7所示,第一平面(或第二平面)上的电池组集由多个U型串联排布的电池组再并联集成,其中,U型串联排布的电池组为多个单电池通过连接体串联呈U形排布于扁管支撑体的第一平面(或第二平面),首尾相连,且并排间不混连,每个U型串联排布的电池组中的第一个单电池连接阳极集流极,最后一个单电池连接阴极集流极,借助外部导线即可实现将多组U型串联排布的电池组集并联。图6、图7清晰的描述了流道以及电池组集的排布规律,该排列方式能够提高电池的运行稳定性,降低极化损耗。
在一些实施方式中,所述陶瓷扁管支撑体的组成材料可以包括ZrO2、CaO、Y2O3、TiO2、MgO、Al2O3、SiO2、MgO、Na2O、K2O和ZnO中的一种或多种。
在一些实施方式中,为保证气体流道中的气体能够顺利通过多孔区扩散传输到电极层处,需要控制多孔区的显气孔率,孔隙率太小时,气体不能正常流动,影响电池性能;孔隙率太大时,多孔金属强度和表面粗糙度无法保证,无法使电池的使用寿命和性能达到较优,本申请实施例中所述多孔区的显气孔率介于20%~50%,该范围能够保证陶瓷扁管支撑体多孔区的表面的表面粗糙度Ra<10μm;而为了保证致密区具备足够的密封效果,所述致密区的显气孔率不高于5%,当孔隙率小于5%时,可以认为该孔隙为闭孔。
在一些实施方式中,所述陶瓷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。
在一些实施方式中,所述第一平面与所述第二平面的间距为3mm-15mm。
第二方面,本发明提供一种一端密封陶瓷扁管支撑型固体氧化物燃料电池堆结构,所述电堆结构包括:两个或两个以上的上述第一方面所述的一端密封陶瓷扁管支撑型固体氧化物燃料电池/电解池所构成的电池堆结构。
具体实施时,本发明提供的自密封陶瓷扁管支撑型固体氧化物燃料电池/电解池结构,在组装成电池堆过程中,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产生影响较小,密封材料的长期稳定性得以保障。
为了进一步理解本发明,下面结合具体实例对于本发明的一种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。
实施例1
请参阅图1-图4所示,烧结制备自密封陶瓷扁管支撑体,扁管支撑体材料为MgAl2O4,扁管支撑体两平面间隔为12mm,扁管支撑体长度与宽度分别为250mm和140mm,致密区显气孔率不高于5%,多孔区气孔率率为50%。在第一平面与第二平面依次通过丝网印刷工艺50块单电池。单电池各功能层制备顺序依次为多孔阳极层(NiO与GDC)尺寸为18mm×10mm、致密电解质层(GDC)尺寸为18mm×10mm、多孔阴极层(GDC与LSCF)尺寸为18.5mm×10mm以及致密连接体层尺寸为3mm×10mm。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,然后于1300℃烧结成型。
说明:图1-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1-2、5图6所示,烧结制备自密封陶瓷扁管支撑体,扁管支撑体材料为3YSZ,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300mm和120mm,致密区孔隙率为3%,多孔区孔隙率为45%。在第一平面与第二平面依次通过丝网印刷工艺制备(5组电池组)50块单电池。单电池各功能层制备顺序依次为多孔阳极层(NiO与YSZ)尺寸为18mm×10mm、致密电解质层(YSZ)18mm×10mm、多孔阴极层(YSZ与LSM)尺寸为18.5mm×10mm以及致密连接体层尺寸为3mm×10mm。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,两列电池构成一个U形排布电池组,每组的第一个单电池A与最后一个单电池B分别连接阳极集流极与阴极集流极,并最终将5组电池组进行并联。然后于1400℃烧结成型。
说明:图1-2、5图6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
请参阅图1-图4所示,烧结制备自密封陶瓷扁管支撑体,扁管支撑体材料为MgAl2O4,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250mm和140mm,致密区孔隙率为5%,多孔区孔隙率为40%。在第一平面与第二平面依次通过丝网印刷工艺分别制备50块单电池。单电池各功能层制备顺序依次为多孔阳极层(NiO与BZCY)尺寸为18mm×10mm、致密电解质层(BZCY)尺寸为18mm×10mm、多孔阴极层(BZCY与LSCF)尺寸为18.5mm×10mm以及致密连接体层尺寸为3mm×10mm。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。然后于1350℃烧结成型。
说明:图1-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4
请参阅图1-2、5图6所示,烧结制备自密封陶瓷扁管支撑体,扁管支撑体材料为掺杂MgAl2O4,扁管支撑体两平面间隔为12mm,扁管支撑体长度与宽度分别为270mm和80mm,致密区孔隙率为3%,多孔区孔隙率为45%。在第一平面与第二平面依次通过丝网印刷工艺制备(5组电池组)50块单电池。单电池各功能层制备顺序依次为多孔阳极层(NiO与BZCY)尺寸为18mm×10mm、致密电解质层(BZCY)尺寸为18mm×10mm、多孔阴极层(BZCY与LSCF)尺寸为18.5mm×10mm以及致密连接体层尺寸为3mm×10mm。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,两列电池构成一个U形排布电池组,每组的第一个单电池与最后一个单电池分别连接阳极集流极与阴极集流极,并将5组电池组进行并联。然后于1350℃烧结成型。
实施例5
请参阅图1-2、5图6所示,烧结制备自密封陶瓷扁管支撑体,扁管支撑体材料为CSZ,扁管支撑体两平面间隔为12mm,扁管支撑体长度与宽度分别为270mm和80mm,致密区孔隙率为3%,多孔区孔隙率为45%。在第一平面与第二平面依次通过丝网印刷工艺制备(5组电池组)50块单电池。单电池各功能层制备顺序依次为多孔阳极层(NiO与GDC)尺寸为18mm×10mm、致密电解质层(GDC)尺寸为18mm×10mm、多孔阴极层(GDC与LSCF)尺寸为18.5mm×10mm以及致密连接体层尺寸为3mm×10mm。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,两列电池构成一个U形排布电池组,每组的第一个单电池与最后一个单电池分别连接阳极集流极与阴极集流极,并将5组电池组进行并联。然后于1300℃烧结成型。
实施例6
请参阅图1-图4所示,烧结制备自密封陶瓷扁管支撑体,扁管支撑体材料为MgAl2O4,扁管支撑体两平面间隔为12mm,扁管支撑体长度与宽度分别为250mm和140mm,致密区显气孔率不高于5%,多孔区气孔率率为50%。在第一平面与第二平面依次通过丝网印刷工艺50块单电池。单电池各功能层制备顺序依次为多孔阳极层(NiO与ScSZ)尺寸为18mm×10mm、致密电解质层(ScSZ)尺寸为18mm×10mm、多孔阴极层(ScSZ与LSM)尺寸为18.5mm×10mm以及致密连接体层尺寸为3mm×10mm。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,然后于1300℃烧结成型。
实施例7
请参阅图1-图4所示,烧结制备自密封陶瓷扁管支撑体,扁管支撑体材料为3YSZ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250mm和140mm,致密区显气孔率不高于5%,多孔区气孔率率为50%。在第一平面与第二平面依次通过丝网印刷工艺50块单电池。单电池各功能层制备顺序依次为多孔阳极层(NiO与LSGM)尺寸为18mm×10mm、致密电解质层(LSGM)尺寸为18mm×10mm、多孔阴极层(LSGM与LSCF)尺寸为18.5mm×10mm以及致密连接体层尺寸为3mm×10mm。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,然后于1350℃烧结成型。
实施例8
请参阅图1-图4所示,烧结制备自密封陶瓷扁管支撑体,扁管支撑体材料为3YSZ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250mm和140mm,致密区显气孔率不高于5%,多孔区气孔率率为50%。在第一平面与第二平面依次通过丝网印刷工艺50块单电池。单电池各功能层制备顺序依次为多孔阳极层(NiO与8YSZ)尺寸为18mm×10mm、致密电解质层(8YSZ)尺寸为18mm×10mm、多孔阴极层(8YSZ与LSCF)尺寸为18.5mm×10mm以及致密连接体层尺寸为3mm×10mm。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,然后于1400℃烧结成型。
以上对本发明所提供的一种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)
1.一种一端密封陶瓷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:陶瓷扁管支撑体、电池组集和集流极;
所述陶瓷扁管支撑体由A区域、B区域和C区域组成,所述A区域对应所述陶瓷扁管支撑体的开口端,所述B区域为所述陶瓷扁管支撑体的主体区域,所述主体区域由多孔区和致密区组成,所述C区域对应所述陶瓷扁管支撑体的自密封端;
所述陶瓷扁管支撑体内部设置气体流道,所述气体流道为串联排布的蛇形流道,或,并联排布的栅形流道;
所述电池组集包括第一电池组集和第二电池组集,所述电池组集由多个单电池串联组成的U型电池组间串联集成,或,均由多个单电池串联组成的U型电池组间并联集成,所述电池组集位于所述主体区域相互平行的第一平面和第二平面上,其中,所述第一电池组集分布于所述第一平面,所述第二电池组集分布于所述第二平面,所述第一电池组集和所述第二电池组集相互独立;
所述集流极位于所述A区域,所述集流极包括阳极集流极和阴极集流极。
2.根据权利要求1所述的结构,其特征在于,当所述气体流道为蛇形流道时,所述电池组集由多个单电池串联组成的U型电池组间串联集成,所述阳极集流极位于所述A区域,并与所述电池组集的第一个单电池串联连接,所述阳极集流极位于所述A区域,并与所述电池组集的最后第一个单电池串联连接;
当所述气体流道为栅形流道时,所述电池组集由多个单电池串联组成的U型电池组间并联集成,所述阳极集流极位于所述A区域,并与每一个所述U型电池组的第一个单电池串联连接,所述阴极集流极位于所述A区域,并与每一个所述U型电池组的最后一个单电池串联连接。
3.根据权利要求1所述的结构,其特征在于,所述陶瓷扁管支撑体的组成材料包括ZrO2、CaO、Y2O3、TiO2、MgO、Al2O3、SiO2、MgO、Na2O、K2O和ZnO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,所述致密区的显气孔率小于等于5%,所述多孔区的显气孔率为20%~50%。
5.根据权利要求1所述的结构,其特征在于,所述陶瓷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。
6.根据权利要求1所述的结构,其特征在于,所述第一平面与所述第二平面的间距为3mm-15mm。
7.根据权利要求1或2所述的结构,其特征在于,所述蛇形流道包括进气口、出气口与蛇形气体流道;
其中,所述进气口与所述出气口均位于所述A区域;
所述蛇形气体流道在所述第一平面和所述第二平面上的正投影位置被所述电池组集覆盖。
8.根据权利要求1或2所述的结构,其特征在于,所述栅形流道包括进气口、出气口和栅形气体流道;
其中,所述进气口与所述出气口均位于所述A区域;
所述栅形气体流道包括第一进气流道、第一出气流道、第二出气流道和多个第二进气流道;
所述第一进气流道位于所述A区域,所述第一出气流道位于所述C区域,所述第一进气流道与所述第一出气流道通过所述多个第二进气流道连通;所述栅形气体流道在所述第一平面和所述第二平面上的正投影位置被所述电池组集覆盖。
9.根据权利要求1或2所述的结构,其特征在于,所述单电池由阳极汇流层、阳极层、电解质层、阴极层和阴极汇流层组成。
10.一种一端密封陶瓷扁管支撑型固体氧化物燃料电池堆结构,其特征在于,所述电池堆结构包括:两个或两个以上的上述权利要求1-9任一项所述的一端密封陶瓷扁管支撑型固体氧化物燃料电池/电解池所构成的电池堆结构。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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