CN208849009U - 一种管型固体氧化物燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开了一种管型固体氧化物燃料电池，包括依次从内至外依次套设有筒状的内电极、电解质薄膜和外电极，所述内电极由包括至少一种氧化物的两种以上组分组成，其中至少一种组分为电极催化剂，至少一种氧化物为含有稀土元素的氧离子导体；所述内电极内壁或外壁上设置至少一条引导气体流动的螺旋形流道，所述螺旋形流道的轴线和所述固体氧化物燃料电池的轴线重合；所述内电极采用3D打印方法获得。本实用新型采用螺旋形流道设计，在不显著增加气阻的情况下强化传质过程，提高电池发电性能；采用3D打印技术同时制备内电极、电解质薄膜以及外电极，不需要制造模具，可有效缩短研发和生产周期。

Description

一种管型固体氧化物燃料电池
技术领域
本实用新型涉及固体氧化物燃料电池，尤其涉及一种管型固体氧化物燃料电池。
背景技术
固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，简称SOFC）是一种在中高温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地转化成电能的全固态化学发电装置，其具有发电效率高、排放低、对多种燃料气体广泛适应以及余热利用价值高等优点，是提供清洁高效的能源、缓解能源和环境危机、实现我国可持续发展的重要战略性技术之一。SOFC结构主要有管式和平板式，其中管式结构是最早发展的一种形式，较为成熟，其结构简单，是目前SOFC经常采取的一种形式。
现有的管型电池中，其反应气体从电池一端流到另一端，通过浓差扩散穿过内电极或外电极，到达内电极或电解质界面附近参与电极反应，其气体流动主要是平流形式，传质效率比较低。为解决上述问题，目前在现有的制备质子交换膜燃料电池（protonexchange membrane fuel cell，简称PEMFC）技术中，尝试加入流道设计，比如加入双极板流道结构，其设计复杂不易制备，而且现有产品中还没有针对SOFC进行优化的流道结构设计。
由现有技术可知，专利CN 105226305A采用3D打印技术通过制备集流板一体化燃料腔体和密封紧固集流板，制备PEMFC，使燃料电池结构紧凑、简单。专利CN 105070932A同样利用3D打印技术，制备紧凑式圆柱形PEMFC。然而，这些专利都没有针对SOFC进行结构设计和3D打印制备。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种管型固体氧化物燃料电池。旨在解决现有的管型SOFC结构中反应气体以平流形式从电池一端流到另一端气体流动参与电极反应，传质效率比较低的问题；以及用3D打印制备SOFC的结构设计问题。
为解决上述问题，本实用新型的技术方案如下：
一种管型固体氧化物燃料电池，所述管型固体氧化物燃料电池从内至外依次套设有筒状的内电极、电解质薄膜和外电极，其中：
所述内电极由两种以上组分组成，其中含有至少一种氧化物，其中至少一种组分为电极催化剂，至少一种氧化物为含有稀土元素的氧离子导体；
所述内电极在垂直于所述内电极轴向方向的截面上包括外沿以及内沿，所述外沿以及内沿沿轴向延伸形成内电极内壁和外壁，所述内电极内壁或外壁上设置至少一条引导气体流动的螺旋形流道，所述螺旋形流道的轴线和所述固体氧化物燃料电池的轴线重合；
所述内电极采用3D打印方法获得。
所述的管型固体氧化物燃料电池，其中，所述内电极的外沿轮廓和内沿轮廓均为圆形，在所述内电极的内壁上设置至少一条螺旋形凹槽，所述凹槽的深度为内电极厚度的5-50%，形成引导内电极气体流动的螺旋形流道。
所述的管型固体氧化物燃料电池，其中，所述内电极的外沿轮廓为圆形，所述内沿轮廓为多边形，所述内沿轮廓的多边形由三条或三条以上的边构成，所述内沿轮廓的外接圆直径小于所述外沿轮廓的圆形直径，所述多边形沿轴向螺旋型延伸，在所述内电极内壁形成引导内电极气体流动的螺旋形流道。
所述的管型固体氧化物燃料电池，其中，所述内电极的外沿轮廓为多边形，所述内沿轮廓为圆形，所述外沿轮廓的多边形由三条或三条以上的边构成，所述外沿轮廓的内接圆直径大于所述内沿轮廓的圆形直径，所述多边形沿轴向螺旋型延伸，在内电极的外壁形成引导外电极气体流动的螺旋形流道。
所述的管型固体氧化物燃料电池，其中，所述内电极的外沿轮廓和内沿轮廓均为多边形，所述多边形由三条或三条以上的边构成，所述外沿轮廓多边形和所述内沿轮廓多边形沿轴向螺旋型延伸，在内电极的内壁和外壁均形成引导内电极气体流动的螺旋形流道。
本实用新型的有益效果包括：本实用新型提供的一种管型固体氧化物燃料电池，通过在内电极的设置至少一条引导气体流动的螺旋形流道，在电池管内部或外部引入湍流，在不显著增加气阻的情况下强化传质过程，提高电池发电性能；采用3D打印技术同时制备内电极、电解质薄膜以及外电极，具有导电性能好、催化活性高等优点；此外，3D打印制备方还能制备出形状复杂的管型固体氧化物燃料电池，且不需要制造模具，可有效缩短研发和生产周期。
附图说明
图1是本实用新型管型SOFC整体结构示意图。
图1b是本实用新型管型SOFC不同功能层的截面示意图。
图2a是本实用新型实施例1中管型SOFC显示隐藏线的整体结构示意图。
图2b是本实用新型实施例1中垂直于管型SOFC轴线的截面示意图。
图2c是本实用新型实施例1中沿管型SOFC轴线的截面示意图。
图3a是本实用新型实施例2中管型SOFC显示隐藏线的整体结构示意图。
图3b是本实用新型实施例2中垂直于管型SOFC轴线的截面示意图。
图3c是本实用新型实施例2中沿管型SOFC轴线的截面示意图。
图4a是本实用新型实施例3中管型SOFC显示隐藏线的整体结构示意图。
图4b是本实用新型实施例3中垂直于管型SOFC轴线的截面示意图。
图4c是本实用新型实施例3中沿管型SOFC轴线的截面示意图。
附图标记说明：1、管型固体氧化物燃料电池；2、内电极；3、电解质薄膜；4、外电极；5、内部空腔；6、螺旋形流道；6a、第一螺旋形流道；6b、第二螺旋形流道；6c第三螺旋形流道；7、三角形内沿轮廓；8、六边形内沿轮廓；9、六边形外沿轮廓；10、第四螺旋形流道。
具体实施方式
本实用新型提供一种管型固体氧化物燃料电池，为使本实用新型的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本实用新型进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
如图1以及图1b所示，本实用新型提供的管型固体氧化物燃料电池1，从内至外依次套设有筒状的内电极2、电解质薄膜3和外电极4，在管型固体氧化物燃料电池1内部，内电极2围绕形成的内部空腔5，进一步地，内电极2由两种以上组分组成，其中含有至少一种氧化物，也即，可以是不同种类的氧化物结合，也可以是金属与氧化物结合，其中至少一种成分为电极催化剂，至少一种氧化物为含有稀土元素的氧离子导体；电解质薄膜3可以是含有至少一种正二价或正三价金属掺杂离子的氧化铈或氧化锆，其电解质厚度在1~50 μm之间；外电极4含有至少一种氧化物，在实际应用中，可以是不同种类的氧化物结合，也可以是金属与氧化物结合，其中至少一种成分为电极催化剂。
进一步地，在垂直于内电极2轴向方向的截面上包括外沿以及内沿，外沿以及内沿沿轴向延伸形成内电极内壁和外壁，内电极内壁或外壁上设置至少一条引导气体流动的螺旋形流道6，螺旋形流道6的轴线和管型固体氧化物燃料电池1的轴线重合。
【实施例1】
如图2a、图2b以及图2c所示，本实施例的管型固体氧化物燃料电池1，内电极2的外沿轮廓和内沿轮廓均为圆形，在内电极2的内壁上设置四条螺旋形凹槽，凹槽的深度为内电极2厚度的5-50%，形成引导内电极气体流动的第一螺旋形流道6a。
【实施例2】
与实施例1不同之处在于，本实施例的管型固体氧化物燃料电池1，如图3a、图3b以及图3c所示，内电极2的外沿轮廓为圆形，内沿轮廓为三角形，三角形内沿轮廓7的外接圆直径小于内沿轮廓的圆形直径，通过内沿轮廓的三角形沿轴向螺旋型延伸，在内电极2的内壁形成引导外电极气体流动的第二螺旋形流道6b。
【实施例3】
与实施例1不同之处在于，本实施例的管型固体氧化物燃料电池1，如图4 a、图4b以及图4c所示所示，内电极2的外沿轮廓和内沿轮廓均为六边形，六边形内沿轮廓8沿轴向螺旋型延伸，在内电极的内壁形成引导内电极气体流动的第三螺旋形流道6c，六边形外沿轮廓9沿轴向螺旋型延伸，在内电极的外壁形成引导内电极气体流动的第四螺旋形流道10。
本实用新型的管型固体氧化物燃料电池1由下述方法获得：
1) 使用三维建模软件建立内电极支撑体管型模型，采用3D打印制备所述内电极2；干燥后的内电极2进行脱脂和预烧结；
2) 采用浆料法、物理沉积、化学沉积等方法在筒状内电极2的外壁上涂布电解质薄膜3，高温烧结；
3) 采用浆料法、物理沉积、化学沉积等方法在电解质薄膜3上的反应活性区域涂布外电极4；
4) 内电极2中的金属成分采用对应的氧化物替代，电解质薄膜3和外电极4制备完成后，加热管型固体氧化物燃料电池1并在内部空腔5中通入还原性气体，在实际应用中，可在内部空腔5中通入湿氢，用于将对应的氧化物还原为金属成分；
其中，电解质薄膜3和外电极4也可采用3D打印方法制备，其步骤与内电极2的制备步骤可同步打印。
本实用新型提供的管型固体氧化物燃料电池1，采用螺旋形流道6可以在电池管内部或外部引入湍流，在不显著增加气阻的情况下强化传质过程，提高电池发电性能；采用3D打印技术同时制备内电极2、电解质薄膜3以及外电极4，具有导电性能好、催化活性高等优点，还能有效改进内电极2和电解质薄膜3的热膨胀匹配，提高电池的稳定性；此外，3D打印制备方还能制备出形状复杂的管型固体氧化物燃料电池1，且不需要制造模具，可有效缩短研发和生产周期。
应当理解的是，本实用新型的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种管型固体氧化物燃料电池，所述管型固体氧化物燃料电池从内至外依次套设有筒状的内电极、电解质薄膜和外电极，其特征在于：
所述内电极由两种以上组分组成，其中含有至少一种氧化物，其中至少一种组分为电极催化剂，至少一种氧化物为含有稀土元素的氧离子导体；
所述内电极在垂直于所述内电极轴向方向的截面上包括外沿以及内沿，所述外沿以及内沿沿轴向延伸形成内电极内壁和外壁，所述内电极内壁或外壁上设置至少一条引导气体流动的螺旋形流道，所述螺旋形流道的轴线和所述固体氧化物燃料电池的轴线重合；
所述内电极采用3D打印方法获得。
2.如权利要求1所述的管型固体氧化物燃料电池，其特征在于，所述内电极的外沿轮廓和内沿轮廓均为圆形，在所述内电极的内壁上设置至少一条螺旋形凹槽，所述凹槽的深度为内电极厚度的5-50%，形成引导内电极气体流动的螺旋形流道。
3.如权利要求1所述的管型固体氧化物燃料电池，其特征在于，所述内电极的外沿轮廓为圆形，所述内沿轮廓为多边形，所述内沿轮廓的多边形由三条或三条以上的边构成，所述内沿轮廓的外接圆直径小于所述外沿轮廓的圆形直径，所述多边形沿轴向螺旋型延伸，在所述内电极内壁形成引导内电极气体流动的螺旋形流道。
4.如权利要求1所述的管型固体氧化物燃料电池，其特征在于，所述内电极的外沿轮廓为多边形，所述内沿轮廓为圆形，所述外沿轮廓的多边形由三条或三条以上的边构成，所述外沿轮廓的内接圆直径大于所述内沿轮廓的圆形直径，所述多边形沿轴向螺旋型延伸，在内电极的外壁形成引导外电极气体流动的螺旋形流道。
5.如权利要求1所述的管型固体氧化物燃料电池，其特征在于，所述内电极的外沿轮廓和内沿轮廓均为多边形，所述多边形由三条或三条以上的边构成，所述外沿轮廓多边形和所述内沿轮廓多边形沿轴向螺旋型延伸，在内电极的内壁和外壁均形成引导内电极气体流动的螺旋形流道。
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