CN208862090U - 固体氧化物燃料电池组和固体氧化物燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种固体氧化物燃料电池组和燃料电池，该固体氧化物燃料电池组包括第一电池单元组、进气腔和出气腔，所述第一电池单元组包括至少两根管型电池单元，所述进气腔与所述第一电池单元组的一端为一体连接结构，所述进气腔和所述出气腔均与所述第一电池单元组中的每根管型电池单元的内部流道连通。本实用新型的固体氧化物燃料电池组无需定位后再将每根管型电池单元逐个装配在进气腔上，不仅使进气腔与第一电池单元组之间的气密性良好且稳定性高，实现阳极气体和阴极气体的良好隔离，有效提高固体氧化物燃料电池组的发电性能和长期稳定性。

Description

固体氧化物燃料电池组和固体氧化物燃料电池系统

技术领域

本实用新型涉及燃料电池技术领域，具体而言，涉及一种固体氧化物燃料电池组和固体氧化物燃料电池系统。

背景技术

固体氧化物燃料电池(SOFC)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。

目前SOFC主要分为板型和管型两类。其中板型SOFC电池堆是通过板型电池单元和片状双极板层叠形成，为了隔离阳极气体和阴极气体，板型电池单元和片状双极板之间需要实现SOFC高温运行条件下的完全密封，对密封材料的热膨胀匹配、热稳定性、化学稳定性等要求非常高。与板型SOFC相比，管型SOFC密封结构相对简单，但也需要在管型电池单元和内部气体的进/出气腔之间的连接处进行密封以隔离阳极气体和阴极气体。

目前用于管型电池单元和进/出气腔之间密封的技术方案较多。西门子-西屋公司的管型SOFC电池堆在电池单元和气腔之间采用了不完全密封结构。三菱重工的管型SOFC电池堆中，电池和气腔之间采用了更复杂的密封结构：首先在管型电池单元需要密封的部位采用无机高温胶粘接上陶瓷套管，陶瓷套管与气腔之间再进行封接。对于中小型的移动电站或电源，为了满足移动需要，往往对密封有着更高的要求，采用密封性能更高的玻璃密封材料进行气密性封接，如Toto公司的管型SOFC电堆中，管型电池单元先用玻璃基密封材料封接在端部金属套头上，然后再与气腔进行连接。

现有技术中都需要分别制备管型燃料电池单元和进气腔，然后再将分散的管型燃料电池单元按照一定的排布方式连接到进气腔上，这样得到的管型SOFC电池存在以下不足：(1)密封的效果难以保证；(2)由于连接部位采用了异种密封材料进行气密性封接——如上面提到的无机高温胶和玻璃密封材料等，在快速重复启动过程中，不同材料之间的热膨胀系数差异产生的热应力会导致连接部位容易出现开裂。密封失效不仅会导致电堆性能下降和电堆失效，严重时甚至会引发电堆起火。

实用新型内容

本实用新型人发现进气腔侧反应气体的浓度更高，对密封要求更高。有鉴于此，本实用新型提供的一种固体氧化物燃料电池组和固体氧化物燃料电池系统，更好的克服了上述现有技术存在的问题和缺陷，通过将进气腔与第一电池单元组中的每根管型电池单元设计为一体连接结构，无需定位后再将每根管型电池单元逐个装配在进气腔上，不仅使进气腔与第一电池单元组之间的气密性良好且稳定性高，实现阳极气体和阴极气体的良好隔离，有效提高固体氧化物燃料电池组的发电性能和长期稳定性，同时简化固体燃料电池堆的装配工作。

一种固体氧化物燃料电池组，包括第一电池单元组、进气腔和出气腔，所述第一电池单元组包括若干根管型电池单元，所述进气腔与所述第一电池单元组中的每根管型电池单元为一体连接结构，所述进气腔和所述出气腔均与所述第一电池单元组中的每根管型电池单元的内部流道连通。

进一步地，所述固体氧化物燃料电池组还包括至少一组第二电池单元组，所述第一电池单元组与所述第二电池单元组之间以及相邻两组第二电池单元组之间均通过中间气腔连通，每个所述第二电池单元组包括若干根管型电池单元。

进一步地，所述管型电池单元包括管型内电极、包覆于所述管型内电极外表面的电解质层及包覆于所述电解质层外表面的外电极层。

进一步地，所述进气腔与所述出气腔的材质均与所述管型内电极的材质相同。

进一步地，所述管型内电极的材质为金属陶瓷；所述外电极层的材质为钙钛矿型复合氧化物和尖晶石型氧化物中的至少一种。

进一步地，所述管型内电极的材质为钙钛矿型复合氧化物和尖晶石型氧化物中的至少一种；所述外电极层的材质为金属陶瓷。

进一步地，所述电解质层的材质为稀土离子掺杂氧化铈或稀土离子掺杂氧化锆。

进一步地，所述第一电池单元组中的所有管型电池单元相互平行排布、呈放射线排布或呈螺旋形排布，每个所述第二电池单元组中的所有管型电池单元相互平行排布、呈放射线排布或呈螺旋形排布。

进一步地，所述进气腔的表面包覆有陶瓷隔层。

本实用新型还提供了一种固体氧化物燃料电池系统，包括上述的固体氧化物燃料电池组。

与现有技术相比，本实用新型的固体氧化物燃料电池组和固体氧化物燃料电池系统的有益效果是：

本实用新型的固体氧化物燃料电池组通过将进气腔与第一电池单元组中的每根管型电池单元设计为一体连接结构，无需定位后再将每根管型电池单元逐个装配在进气腔上，不仅使进气腔与第一电池单元组之间的气密性良好且稳定性高，实现阳极气体和阴极气体的良好隔离，有效提高固体氧化物燃料电池组的发电性能和长期稳定性。

综上所述，本实用新型特殊的结构，其具有上述诸多的优点及实用价值，并在同类产品中未见有类似的方法公开发表或使用而确属创新，产生了好用且实用的效果，较现有的技术具有增进的多项功效，从而较为适于实用，并具有广泛的产业价值。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为本实用新型实施例的固体氧化物燃料电池组的第一种结构示意图；

图2为本实用新型实施例的固体氧化物燃料电池组的第二种结构示意图；

图3为本实用新型实施例的固体氧化物燃料电池组的第三种结构示意图；

图4为本实用新型实施例的管型电池单元的横截面结构示意图；

图5为本实用新型实施例的出气腔的一种结构示意图。

主要元件符号说明：

100-进气腔；

200-第一电池单元组；

300-出气腔；

310-连接孔；

400-第二电池单元组；

500-中间气腔；

600-管型电池单元；

610-管型内电极；

620-电解质层；

630-外电极层。

具体实施方式

为了便于理解本实用新型，下面将参照相关附图对固体氧化物燃料电池组进行更全面的描述。附图中给出了固体氧化物燃料电池组的首选实施例。但是，固体氧化物燃料电池组可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对固体氧化物燃料电池组的公开内容更加透彻全面。

在下文中，可在本实用新型的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所公开的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本实用新型的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。

在本实用新型的各种实施例中，表述“或”或“A或/和B中的至少一个”包括同时列出的文字的任何组合或所有组合。例如，表述“A或B”或“A或/和B中的至少一个”可包括A、可包括B或可包括A和B二者。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

在本实用新型的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本实用新型的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本实用新型的各种实施例中被清楚地限定。

请参阅图1至图5，本实用新型提供了一种固体氧化物燃料电池组，包括第一电池单元组200、进气腔100和出气腔300。第一电池单元组200包括若干根管型电池单元600，每根管型电池单元600中间空心部分为内部流道。

进气腔100与第一电池单元组200中的每根管型电池单元600为一体连接结构。进气腔100具有进气口，进气腔100和出气腔300均与第一电池单元组200中的每根管型电池单元600的内部流道连通。

本实用新型的固体氧化物燃料电池组通过将进气腔100与第一电池单元组200中的每根管型电池单元600设计为一体连接结构，无需定位后再将每根管型电池单元600逐个装配在进气腔100上，不仅使进气腔100与第一电池单元组200之间的气密性良好且稳定性高，实现阳极气体和阴极气体的良好隔离，有效提高固体氧化物燃料电池组的发电性能和长期稳定性，同时简化固体燃料电池堆的装配工作。

优选地，本实用新型的固体氧化物燃料电池组还可以包括至少一组第二电池单元组400，第一电池单元组200与第二电池单元组400之间以及相邻两组第二电池单元组400之间均通过中间气腔500连通，每个第二电池单元组400包括若干根管型电池单元600。需要说明的是，每组第二电池单元组400中的管型电池单元600的数量可相同也可不相同，与第一电池单元组200中的管型电池单元600的数量亦可相同亦可不相同。优选地，每个第二电池单元组400中的管型电池单元600的个数均与第一电池单元组200中的管型电池单元600的数量相同，且一一对用设置。

可以理解的是，本实用新型的固体氧化物燃料电池组中，可以根据实际需要在第一电池单元组200上加设1组、2组、5组或10组等第二电池单元组400。第一电池单元组200与相邻的第二电池单元组400之间设置一中空气腔500，相邻的两组第二电池单元组400之间设置一中空气腔500，进气腔100、第一电池单元组200中的每根管型电池单元600的内部流道、中空气腔500和每组第二电池单元组400中的每根管型电池单元600的内部流道和出气腔300依次相连通。

进气腔100、第一电池单元组200中的每根管型电池单元600、中间气腔500和至少一组第二电池单元组400中的每根管型电池单元600亦为一体连接结构。

进一步地，每个管型电池单元600包括管型内电极610、包覆于所述管型内电极610外表面的电解质层620及包覆于电解质层620外表面的外电极层630。其中管型内电极为多孔的支撑电极。

对于阳极支撑型SOFC，管型内电极610的材质采用金属陶瓷，优选地，管型内电极610采用Ni、Co、Fe、Mn等过渡族元素与金属氧化物复合形成的的金属陶瓷，该金属陶瓷中Ni、Co、Fe、Mn等过渡族元素中的含量占20～80wt％；金属氧化物可列举为稀土离子掺杂氧化铈、稀土离子掺杂氧化锆或氧化铝等。对应地，外电极层630的材质可采用钙钛矿型复合氧化物和尖晶石型氧化物中的至少一种，即外电极层630的材质可采用钙钛矿型复合氧化物和尖晶石型氧化物中的任意一种，也可采用钙钛矿型复合氧化物和尖晶石型氧化物按任意比例的复合物。

对于阴极支撑型SOFC，所述管型内电极610的材质采用钙钛矿型复合氧化物和尖晶石型氧化物中的至少一种，即管型内电极610的材质可采用钙钛矿型复合氧化物和尖晶石型氧化物中的任意一种，也可采用钙钛矿型复合氧化物和尖晶石型氧化物按任意比例的复合物；管型内电极610的材质还可为钙钛矿型复合氧化物和稀土离子掺杂氧化铈的混合物。对应地，外电极层630的材质可采用金属陶瓷。

优选地，电解质层620的材料采用稀土离子掺杂氧化铈或稀土离子掺杂氧化锆。其中，稀土离子掺杂氧化铈具体可列举为钇(Y)掺杂氧化铈、钆(Gd)掺杂氧化铈、钐(Sm)掺杂氧化铈或镧(La)掺杂氧化铈等；稀土离子掺杂氧化锆具体可列举为钇(Y)掺杂氧化锆或钪(Sc)掺杂氧化锆。

需要说明的是，上述进气腔100的材质及中间气腔500的材质可以与管型内电极610的材质相同，也可以不相同。当进气腔100和中间气腔500采用与管型内电极610不同的材质时，其材质可以列举为氧化铝、氧化锆、氧化铈。优选地，进气腔100和中间气腔500的材质均与管型内电极610的材质相同。

进一步地，为了保证进气腔100的气密性，还可以在进气腔100的外壁面涂覆一层致密的陶瓷隔层，该陶瓷隔层可以采用氧化铝、氧化锆、氧化铈等陶瓷材料。优选地，该陶瓷隔层采用与管型电池单元600中的电解质层620相同的材料。

优选地，本实用新型实施例中，第一电池单元组200的所有管型电池单元600的尺寸相同且相互平行排布，每组所述第二电池单元组400中的所有管型电池单元600的尺寸相同且相互平行设置，且每根管型电池单元600均与进气腔100垂直设置。第一电池单元组200和每组第二电池单元组400的横截面可以为四边形、六边形或圆形等。

当然，本实用新型并不限制第一电池单元组200的所有管型电池单元600及每组所述第二电池单元组400中的所有管型电池单元600的尺寸及排布方式，还可以采用非平行排布，如呈放射线排布或螺旋形排布等，优选可更有效利用空间的斐波那契螺旋线排布。

另外，还可采用不同管径和不同截面形状的管型电池单元600进行混合排布，进一步提高管型电池单元600的空间密度。

本实用新型还提供了一种上述固体氧化物燃料电池组的制备方法，包括：

(1)采用3D打印成型、注浆成型、凝胶注模成型等方法制备若干根管型内电极和进气腔100的一体成型胚体。

(2)对获得的一体成型胚体进行干燥和预烧处理；需要说明的是，预烧温度为600～1000℃，预烧时间为4～6h。

(3)预烧后，采用浆料浸渍法、电泳沉积法、物理沉积或化学沉积等方法在每根管型内电极的外壁上均匀涂覆一层电解质层620，同时可在进气腔100外表面均匀涂覆一层致密的陶瓷隔层，然后在1000～1500℃高温下烧结2～20h。

(4)经上述高温烧结后，在电解质层620上涂覆外电极层630，在900～1300℃高温下烧结8～20h，内电极、电解质层620和外电极层630构成第一电池单元组200，获得进气腔100和第一电池单元组200的一体化结构。

(5)可在出气腔300的一端面设计若干与第一电池单元组200的若干根管型电池单元600一一对应的连接孔310，将第一电池单元组200的每根管型电池单元600远离进气腔100的一端采用高温胶黏剂粘接在出气腔300的对应的连接孔310外周，或者在出气腔300的连接孔310处焊接筒状连接件(图中未示出)，连接件的外径略大于管型电池单元600的外径，然后将每根管型电池单元600远离进气腔100的一端插入该连接件，再通过高温胶或玻璃密封连接缝隙。

需要说明的是，出气腔300也可以为与进气腔100及若干管型电池单元600一体成型形成。

优选地，根据实际需要，还可以在第一电池单元组和出气腔之间设置至少一组第二电池单元组，第一电池单元组200与相邻的第二电池单元组400之间设置一中空气腔500，相邻的两组第二电池单元组400之间设置一中空气腔500。因此，相应地，上述步骤(1)替换为将进气腔、第一电池单元组的若干根管型内电极、中间气腔和至少一组第二电池单元组的若干根管型内电极制成一体成型胚体结构，并使进气腔、第一电池单元组的若干根管型内电极的内部流道、中间气腔和至少一组第二电池单元组的若干根管型内电极的内部流道连通。步骤(5)中，出气腔300与远离进气腔100的一组第二电池单元组200的每根管型电池单元600连接，其它步骤同上述步骤(2)至步骤(4)。

上述术语“若干根”可列举为2根、10根、100根、200根、500根、1000根等。

需要说明的是，上述进气腔100、出气腔300和中间气腔500可以各自为圆柱形、长方体形或者其它形状等。

本实用新型的固体氧化物燃料电池组通过将进气腔100与第一电池单元组200中的每根管型电池单元600制成为一体连接结构，无需定位后再将每根管型电池单元600逐个装配在进气腔上，不仅使进气腔100与第一电池单元组200之间的气密性良好且稳定性高，实现阳极气体和阴极气体的良好隔离，有效提高固体氧化物燃料电池组的发电性能和长期稳定性，同时简化固体燃料电池堆的装配工作。

另外，现有技术中都需要分别制备管型电池单元和进气腔，然后再将分散的管型电池单元按照一定的排布方式连接到气腔上，由于要预留管端接头位置、密封位置和相邻管型电池单元间的装配空间，相邻两根管型电池单元间距较大。以直径为8mm的管型电池单元为例，相邻两根管型电池单元的中心距离至少需为18mm。而本实用新型将进气腔100与第一电池单元组200中的每根管型电池单元600制成为一体连接结构，同样以直径为8mm的管型电池单元为例，相邻管型电池单元的中心距离可缩小至10mm，有效节省管型电池单元600之间的装配空间，使电池密度可大幅提高。

本实用新型还提供了一种固体氧化物燃料电池系统，包括上述的固体氧化物燃料电池组，进气腔100的进气口通过外接管路与系统气路连接，出气腔300与系统气路也通过腔体套接或外接管路连接。优选地，还可以在进气腔和出气腔内设置布气和换热结构。

尽管以上较多使用了表示结构的术语，例如“第一电池单元组”、“管型电池单元”、“进气腔”等，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本实用新型的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本实用新型精神相违背的。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种固体氧化物燃料电池组，其特征在于，包括第一电池单元组、进气腔和出气腔，所述第一电池单元组包括若干根管型电池单元，所述进气腔与所述第一电池单元组的一端为一体连接结构，所述进气腔和所述出气腔均与所述第一电池单元组中的每根管型电池单元的内部流道连通。

2.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池组，其特征在于，还包括至少一组第二电池单元组，所述第一电池单元组与所述第二电池单元组之间以及相邻两组第二电池单元组之间均通过中间气腔连通，每个所述第二电池单元组包括若干根管型电池单元。

3.根据权利要求2所述的固体氧化物燃料电池组，其特征在于，所述管型电池单元包括管型内电极、包覆于所述管型内电极外表面的电解质层及包覆于所述电解质层外表面的外电极层。

4.根据权利要求3所述的固体氧化物燃料电池组，其特征在于，所述进气腔与所述管型内电极的材质相同。

5.根据权利要求3所述的固体氧化物燃料电池组，其特征在于，所述管型内电极的材质为金属陶瓷；所述外电极层的材质为钙钛矿型复合氧化物和尖晶石型氧化物中的至少一种。

6.根据权利要求3所述的固体氧化物燃料电池组，其特征在于，所述管型内电极的材质为钙钛矿型复合氧化物和尖晶石型氧化物中的至少一种；所述外电极层的材质为金属陶瓷。

7.根据权利要求3所述的固体氧化物燃料电池组，其特征在于，所述电解质层的材质为稀土离子掺杂氧化铈或稀土离子掺杂氧化锆。

8.根据权利要求2所述的固体氧化物燃料电池组，其特征在于，所述第一电池单元组中的所有管型电池单元相互平行排布、呈放射线排布或呈螺旋形排布；每个所述第二电池单元组中的所有管型电池单元相互平行排布、呈放射线排布或呈螺旋形排布。

9.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池组，其特征在于，所述进气腔的表面包覆有陶瓷隔层。

10.一种固体氧化物燃料电池系统，其特征在于，包括如权利要求1～9任一项所述的固体氧化物燃料电池组。