CN2368165Y - 固体氧化物燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及固体氧化物燃料电池,它是由许多相互串联和并联的电池单元体组成,其特征是为平面或曲面形状的阴极、电解质、阳极复合膜两侧支持体上具有镜面对称相互对应的蛇形沟槽,用以分别输送氧气与燃料,由于沿吻合的路线同向流动,反应效果良好、接触面积大,因而获得较高的面功率密度。本实用新型布局紧凑热效率高,结构简单制造方便,使用可靠容易调节。

Description

固体氧化物燃料电池
本实用新型涉及固体氧化物燃料电池。
固体氧化物燃料电池(SOFC)是直接把燃料化学能转化为电能的发电装置，它的特点是不受卡诺循环的限制，理论热效率可以达到80％，又能清洁排放和低噪声工作，是人们追求的高效洁净能源；与其它类型燃料电池相比，SOFC在高温工作反应活化，不需用贵金属催化；排放热汽便于热电联产，是一种效率最高的燃料电池；另外，固态不易腐蚀，使用寿命长；能利用氢和甲醇以及天然气等多种燃料，适应性很强，因此人们预期在二十一世纪SOFC将有广泛应用。如下专利和文献分别涉及到固体氧化物燃料电池(SOFC)的研究成果：
UP 3291753    12/1966  Thompson        UP 5209989    5/1993    Ishihara et al
UP 3481787    12/1969  Adlhart         UP 5354627    10/1994   Hatoh et al
UP 3502506    3/1970   Broyde          UP 5470672    11/1994   Naoumidis
UP 3737344    6/1973   Benda et al     UP 5500307    5/1996    Anzai
UP 3977901    8/1976   Buzzelli        UP 5518830    5/1996    Worrel et al
UP 4341965    7/1982   Okuo et al      EP 361383     4/1990
UP 4460660    7/1984   Kujas           EP 395975     11/1990
UP 4511636    7/1985   Vogel et al     GP 4016157    12/1990
UP 4883497    4/1988   Claar et al     JP 57-130381  8/1982
UP 4937152    6/1990   Sato et al      JP 63-274062  3/1989
UP 5021 304   6/1991   Ruka et al      JP 1197972    11/1989
UP 5149601    6/1991   Shiratori et al JP 1279576    11/1989
UP 5342704    4/1992   Theodore        UK 1197498    7/1970
UP 5273838    10/1992  Droper          JP 21298      5/1990
UP 5273837    11/1992  Aitken
Dokiya et al，“Overview of planar SOFC development at NCLI”，Proceedings of theFirst International Symposium on Solid Oxide Fuel Cells，(1989)pp 325-336
Dollard，“Solid Oxide fuel cell developments at Westinghouse”，J.Power Sources，37(1992)，pp 133-139.
Frost et al，“Progress in the planar CPn SOFC system design，”J，.Power Sourcen，61(1996)，pp 135-139.
Minh，“Ceramic Fuel Cells”，J.Am.Ceam.Soc.76(1993)，pp 563-587.
目前，作为SOFC典型代表主要有三种，它们的结构设计分别叙述如下：
一是专利UP5273838管式(sealess tubular)，每根管子作为一个单电池，电解质、阴极和阳极围在支持体的多孔圆管上。管式单电池能自由膨胀，密封较为可靠，但功率密度相对较低，为0.1-0.3W/cm2，电池制造复杂，安装成本高。
二是专利UP5470672板式(Flat-plate)，电池是用直沟平板夹持阳极、电解质、阴极堆垛而成，结构简单易于生产，但密封较差，功率密度居中，一般为0.2-0.4w/cm2。分析以上两种电池结构，限制效率的主要原因是燃料与氧的流向呈正交或交叉布置。SOFC本身实际也是一个反应器，上述布局造成氧离子在二维分布上的混乱失衡。近氧远氢区富氧贫氢，与其对角则富氢贫氧，这样局部区域反应很不理想，因而降低了电池整体效率。显然对于这种高低不一的浓度分布，调整困难时顾此失彼，于是人们开始寻求新的改进。
三是专利UP4883497瓦棱式(monolithic)，它的构思是增加反应接触面，特别是其中的顺流式，采取平行走向同向流动，这消除了前两种结构的弊病，将功率密度提高到0.6-.08w/cm2。但是它的夹层结构过于复杂，整体烧结易于产生裂纹，由于成品率过低，目前还没达到实用程度。
本实用新型的目的是提供一种新型的SOFC结构设计，它是一种蛇形镜式固体氧化物燃料电池，可以进一步提高电池功率密度，使用可靠，避免泄漏，同时结构简单、制造方便，易于工业化生产和应用。
本实用新型包含多个相互串连和并连的电池单体，每个电池单体是包含阴极膜、阳极膜、夹在阴极和阳极之间的电解质膜和电极膜外侧两个对应的支持体构成，所说的两个对应的支持体上设置的输送氧或空气和输送氢或其它燃料气体的通道是曲线型的相互对应的沟槽，或在平面内弯曲，或在曲面内弯曲；所说的对应的沟槽间隔于阴极、电解质、阳极复合膜的两侧，位置对称、形状吻合；所说的对应的沟槽数目是一对以上；所说的阴极膜和阳极膜和夹在阴极和阳极之间的电解质膜的形状或者是平面，或是圆柱面，或是棱柱面，或是以直线作为母线运动形成的异型曲面；
本实用新型参照说明书附图详细说明如下：
图1是蛇镜式固体氧化物燃料单体电池结构示意图；图2是蛇镜式固体氧化物燃料电池排外观结构示意图。
如图所示，为了增加接触面积和延长接触时间，支持体1、7对应的面上分别设置具有细间隔蛇形沟槽2、6；为加强接触提高重合部分，采用上部支持体与下部支持体的上下沟槽相互吻合的结构。这种对应布置很像把阴极膜5、电解质膜4、阳极膜3复合片作为镜面，一对沟槽相当于是“蛇”和它成的镜像，故称这种电池为蛇镜式SOFC；上部沟槽供应氧在高温下受阴极催化，吸收电子形成氧离子，穿过离子导体电解质膜，与下部沟槽供应的氢或其它燃料作用，在阴极催化下发生燃烧反应生成电子，此时阴极阳极氧浓度差产生了电动势，本质上SOFC也是一种浓差电池。工作状态下沟槽是紧靠电极的，即“蛇”与“镜”是直接接触的，故蛇镜结构不仅适用于平面电解质膜，而且对各种形状的电解质膜都是合适的。
上述所说的高温固体氧化物电化学电池结构，电池单体堆垛串联组成电池串8，电池串于旁侧进气排气，于电池串对侧相互并联，氧气和燃料气体通过左侧密封恒压供给箱11提供，反应生成水和热气借助右侧产物箱12排出；采用串柱9上一定长度、相互绝缘、高度可调的镍环并联电池串，组成电池排10，采用网络架并联电池排组成三维电池堆。
本实用新型与已有技术相比具有下述特点：
(1)氧气、燃料同向流动，反应接触面积大，功率密度高，可大于0.5w/cm2。
(2)结构简单，制备方便，易于转入规模工业化生产。
(3)组件之间多为平面接触，便于密封，防止泄漏。
(4)采用并联串联网络结构，避免单一串连产生的反激现象。
(5)由于有串柱镍环中介缓解，能有效地弛豫热应力。
(6)建设安装十分方便，使用中便于调节控制。
现举一实施例进一步说明本实用新型的具体内容，但是它并不是对本实用新型作任何限制。
制备方形尺寸80×80mm、厚度50μ、YSZ(8mol％ Y2O3-ZrO2)电解质薄膜，表面制备厚度为20μ、30vol％ NiO-YSZ多孔阳极，背面20μ厚的La0.6Sr0.4MnO3多孔阴极，烧结时注意避免膜片翘曲。制备8mm厚LaCrO3支持体，表面具有3mm深的蛇形沟槽，片中有效面积为55×55mm。图2所示的氧和燃料由管道输至大体积供给箱，以保持气压稳定；由6个电池单元体堆垛串联组装成一个电池串，三个电池串通过空隙间一对串柱上的镍环导通相互并联，每段镍环之间是绝缘的，电池排高温膨胀产生的热应力可以由镍环的弹性或高温蠕变得到松驰，上述装置整体最佳功率密度达到0.6w/cm2，电压4.2V，电流78A，总功率327W，运行较为稳定，从以上看出，蛇镜式SOFC具有实质特点和进步。

Claims (5)

1.一种固体氧化物燃料电池，包含多个相互串连和并连的电池单体，每个电池单体是包含阴极膜、阳极膜、夹在阴极和阳极之间的电解质膜和电极膜外侧两个对应的支持体构成，其特征在于所说的两个对应的支持体上设置的输送氧或空气和输送氢或其它燃料气体的通道是曲线型的相互对应的沟槽；所说的对应的沟槽间隔于阴极、电解质、阳极复合膜的两侧，位置对称、形状吻合；所说的对应的沟槽数目是一对以上。
2.按照权利要求1所说的固体氧化物燃料电池，其特征在于所说的曲线型的相互对应的沟槽在平面内弯曲或者在曲面内弯曲。
3.按照权利要求1所说的固体氧化物燃料电池，其特征在于所说的阴极膜、阳极膜或夹在阴极和阳极之间的电解质膜的形状是平面、圆柱面或者棱柱面，或者是以直线作为母线运动形成的异型曲面。
4.按照权利要求1所说的固体氧化物燃料电池，其特征在于所说的两个对应的支持体上设置的输送氧或空气和输送氢或其它燃料气体的沟槽通道是蛇形镜式的相互对应的沟槽。
5.按照权利要求1所说的固体氧化物燃料电池，其特征在于电池单体堆垛串联组成电池串，电池串于旁侧进气排气，于电池串对侧相互并联；采用串柱上的镍环并联电池串，组成电池排，或采用网络架并联电池排组成三维电池堆。
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CN1324752C (zh) * 2000-11-28 2007-07-04 日产自动车株式会社 固体氧化物燃料电池堆及其制造方法
CN100340023C (zh) * 2002-04-25 2007-09-26 通用汽车公司 具有横向支路的双极板组件
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