CN1253959C - 单气室固体氧化物燃料电池组成的电池组 - Google Patents

单气室固体氧化物燃料电池组成的电池组 Download PDF

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Abstract

单气室固体氧化物燃料电池组成的电池组，它涉及一种电池组。现有的双气室电池组对材料和制作工艺要求很高，系统结构复杂，制作困难，维修难度大。本发明中每个电解质片(1)的两面都交替设置有阳极(2)和阴极(3)，且电解质片(1)同一位置两侧电极的极性相反从而形成单电池(A)，在相邻两个单电池(A)的电解质(1-1)之间设有电解质隔离区(1-2)，单电池的阴极和下一个单电池的阳极之间通过导体连接实现串联，容器(4)中的所有电解质片(1)都通过导线连接使容器(4)中的所有单电池(A)实现串联，所有串联后的单电池成为一个串联电池组。本发明降低了对材料和制作工艺的要求，减小了系统体积、重量和材料使用，降低了成本，利于推广应用。

Description

单气室固体氧化物燃料电池组成的电池组
技术领域
本发明涉及一种固体氧化物燃料电池组。
背景技术
固体氧化物燃料电池(SOFC)具有效率高、污染低和燃料来源广泛等优点，是21世纪最具潜力的发电技术之一。单个SOFC(单电池)主要由电解质、阴极和阳极组成，由于单电池输出电压较低，输出电流也很小，无法满足绝大多数电器的实际需求，就需要将多个单电池通过串并联组合起来，形成电池组。SOFC电池组的组成不但可以象普通电池那样在外电路用导线连接起来，而且可以通过某种设计直接连接起来，即SOFC的堆迭，这种堆迭连接通常需要在单电池之间使用连接材料(双极板)。SOFC可以使用氢气、煤气和甲烷等多种燃料和氧气等氧化剂，这些气态的反应物质可以分别处于SOFC的电解质的两侧的气室中，其中阳极气室中为燃料气体，而阴极气室中为为氧气(或空气)，这就是传统的双气室结构的SOFC的基本组成。SOFC单电池开路电压最高可达1V左右，由于电压较低，且在有限的工作面积上电流也不能很大，因此应用价值有限，真正应用的电池系统是由多个单电池相互连接起来，形成电池组，来获得较高的开路电压和较大的输出电流和功率。对于常规的双气室结构SOFC，电池组的设计已经有很多种，例如：平板式、锥管式串联式、WestingHouse的无密封管式、瓦楞式、块式等。这些电池都有两种气室：燃料室和氧气(空气)室，即每个单电池的电解质两侧分别为阳极一侧的燃料室和阴极一侧的氧气室，不同电池的串联通过连接板(双极板)实现。由于在正常工作条件下，必须避免燃气的泄漏和混合，所以双极板和电解质必须是致密不透气的，同时，在其边界处还必须用封接(密封)材料进行有效的密封，因此SOFC电池组对材料和制作工艺的要求很高。另一方面，由于一个N节单电池串联形成的电池组必须分成2N个气室，它们必须分别通入各自的气体，所以系统结构变得非常复杂，制作困难，且在局部发生故障后，维修难度很大。对于单气室SOFC，已有报道(美国专利)是在一个电解质片的一面上形成多个交替排列的阳极和阴极，之间有沟道隔开，形成多个单电池，进而通过串联形成电池组，这种方法形成的电池组可以通过缩小邻近的阴极和阳极间隙减小电池的内阻，但事实上这种效果需要在电解质厚度较大时才比较有效，而增加电解质厚度会增大电池组的体积和重量、降低功率密度，同时也不利于电池组的快速启动。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可以产生较高的电压和输入功率并且结构简单的单气室固体氧化物燃料电池组成的电池组，它包括设置在容器4中的一组电解质片1，每个电解质片1的两面都交替设置有阳极2和阴极3，且电解质片1同一位置两侧电极的极性相反从而形成单电池A，在相邻两个单电池A的电解质1-1之间设有电解质隔离区1-2，单电池的阴极和下一个单电池的阳极之间通过导体连接实现串联，容器4中的所有电解质片1都通过导线7连接使容器4中的所有单电池A实现串联，所有串联后的单电池成为一个串联电池组。固体氧化物燃料电池可以使用氢气、煤气和甲烷等多种燃料和氧气等氧化剂，对于某些相对安全的燃料气体，只要控制其浓度配比在燃烧爆炸极限区以外，是可以在高温下与氧化气体混合的，此时利用阳极和阴极材料对燃料和氧化剂的选择性催化特征，则可以使阳极和阴极同时处于一个充满混合反应气体的气室之中发挥各自的作用，在阳极和阴极之间产生较高的电压并向外界输出电流，即所谓的单气室SOFC。单气室SOFC的每个电池都由氧化物固体电解质和阳极、阴极组成，其中，电解质在高温下对导电离子(如氧离子)具有离子导电作用，阳极是由对燃料具有选择吸附和催化作用的过渡族金属与镧系稀土氧化物的混合物组成，阴极是由对O2具有选择吸附和催化作用的稀土过渡族复合氧化物与过渡族氧化物的混合物组成，在这些电极之间会产生一定的电压，在外电路闭合的情况下，电池可以输出电流和功率。本发明的单气室固体氧化物燃料电池是利用碳氢化合物等有机物燃料与氧气(或空气)混合气体作为基本原料，通过电化学反应直接获得电能的新型电化学能源装置，电池组为多个燃料单电池串联组成，可以输出较单个燃料电池更高的电压或更大的电流。本发明电池组只需一个气室，不再需要对以往双气室之间相互密封，不但减少了制作的程序，而且降低了对材料和制作工艺的要求；本发明电池的串联在少数几个陶瓷元件上实现，不需要专门的连接体板块，所以可以大大简化SOFC电池组的整体结构，减小系统体积、重量和材料使用，降低成本；以片状的模块化电池组组成电池核，可以从气室中取出进行维修或更换，因此大大改善了电池组的日常维护和维修性能。本发明的单气室SOFC电池组结构简单、体积小巧，可以在简单的气路(混合气氛)中工作，产生较高的电压和输出功率，利于推广应用。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图，图2是图1的I处放大图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式包括设置在容器4中的一组电解质片1，每个电解质片1的两面都交替设置有阳极2和阴极3，且电解质片1同一位置两侧电极的极性相反从而形成单电池A，在相邻两个单电池A的电解质1-1之间设有电解质隔离区1-2，单电池的阴极和下一个单电池的阳极之间通过导体连接实现串联，容器4中的所有电解质片1都通过导线7连接使容器4中的所有单电池A实现串联，所有串联后的单电池成为一个串联电池组。
具体实施方式二：本实施方式中各组电解质片1之间相互平行设置，这种平行不是强调绝对平行，只需相互之间不交叉即可，可以为与气体流动方向同向的平行，也可以为与气体流动方向垂直方向的平行，在相邻两个电解质片1之间设置陶瓷纤维作为支撑体6，并以高温导线7实现连接，这样在相邻电解质片之间就会形成可以横向流动的气体输送通道，以此来输送燃料与氧气混合反应气体与尾气。
具体实施方式三：本实施方式中每个电解质片1的两面都交替设置有阳极2和阴极3，阳极的原料为过渡族金属Ni与镧系稀土氧化物CeO2的混合物，阴极的原料为稀土过渡族复合氧化物La0.7Sr0.3MnO3与过渡族氧化物MnO2的混合物，电解质的原料为立方萤石结构的氧化物固溶体氧化钇稳定氧化锆，在相邻两个单电池A的电解质1-1之间设有电解质隔离区1-2，电解质隔离区1-2的形成方法为：先将成型后的电解质片1在900～1200℃下预烧结2～6h，形成有孔洞的素坯，在需要保留作为电极的区域进行覆盖后，再把含La和/或Pb的硝酸盐的饱和溶液用注射器对预定的隔离区进行注射，待其渗入后，在随后的烧结过程中经历热解和1000℃～1400℃下的高温固相反应形成La2Zr2O7和/或PbZrO3晶界杂相即可，本发明通过对电解质改性处理增大局部的电解质电阻形成电解质隔离区，从而实现相邻电池之间电路隔离以减小漏电的设计。单电池的阴极和下一个单电池的阳极之间通过高温合金连接实现串联，高温合金可以为不锈钢片，容器4中的所有电解质片1都通过导线连接使容器4中的所有单电池A实现串联，所有串联后的单电池成为一个串联电池组，相邻两个电解质片1之间以陶瓷纤维作为支撑体6，并以高温导线7实现连接，这种由多个电解质片组成的整个SOFC电池组系统装入一个由高温合金制成的罐状容器中，电解质片与罐状容器之间也通过陶瓷纤维连接，然后通过管路向容器中通入反应气和排出尾气，经高温导线输出电流，此罐状容器是一个单一的SOFC气室，从而构成一个完整的单气室SOFC电池组。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式三不同的是，阳极的原料为Cu或Co与Pr6O11的混合物，阴极的原料为稀土过渡族复合氧化物Sm0.5Sr0.5CoO3与过渡族氧化物为Cr2O3或Fe2O3的混合物，电解质的原料为氧化钐掺杂氧化铈，单电池的阴极和下一个单电池的阳极之间通过铬酸镧陶瓷连接实现串联，容器4中的所有单电池A都实现串联，从而形成一个串联电池组。

Claims (5)

1、一种单气室固体氧化物燃料电池组成的电池组，它包括设置在容器(4)中的一组电解质片(1)，其特征在于每个电解质片(1)的两面都交替设置有阳极(2)和阴极(3)，且电解质片(1)同一位置两侧电极的极性相反从而形成单电池(A)，在相邻两个单电池(A)的电解质(1-1)之间设有电解质隔离区(1-2)，单电池的阴极和下一个单电池的阳极之间通过导体(5)连接实现串联，容器(4)中的所有电解质片(1)都通过导线(7)连接使容器(4)中的所有单电池(A)实现串联，所有串联后的单电池成为一个串联电池组。
2、根据权利要求1所述的单气室固体氧化物燃料电池组成的电池组，其特征在于各组电解质片(1)之间相互平行设置。
3、根据权利要求1或2所述的单气室固体氧化物燃料电池组成的电池组，其特征在于连接单电池的阴极和下一个单电池的阳极之间的导体(5)为高温合金或铬酸镧陶瓷，所述高温合金为不锈钢。
4、根据权利要求1或2所述的单气室固体氧化物燃料电池组成的电池组，其特征在于阳极(2)的原料为过渡族金属与镧系稀土氧化物的混合物，所述过渡族金属为Ni、Cu或Co，镧系稀土氧化物为CeO2或Pr6O11；阴极(3)的原料为稀土过渡族复合氧化物与过渡族氧化物的混合物，所述稀土过渡族复合氧化物为La0.7Sr0.3MnO3或Sm0.5Sr0.5CoO3，过渡族氧化物为MnO2、Cr2O3或Fe2O3；电解质(1-1)的原料为立方萤石结构的氧化物固溶体，所述立方萤石结构的氧化物固溶体为氧化钇稳定氧化锆或氧化钐掺杂氧化铈。
5、根据权利要求1或2所述的单气室固体氧化物燃料电池组成的电池组，其特征在于相邻两个电解质片(1)之间以陶瓷纤维作为支撑体(6)并实现连接。
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