CN1209844C - 一种管状高温固体氧化物燃料电池单电池的结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种管状高温固体氧化物燃料电池单电池的结构，该管状高温固体氧化物燃料电池单电池为一端封闭，一端开口，其最内层为多孔的金属陶瓷支撑层，支撑层外侧至少还包括阳极层，电解质层，阴极层。本发明的管状高温固体氧化物燃料电池单电池结构的突出特点是采用了支撑层，降低了燃料电池的制造成本，缓和了电池各层间尤其是与电解质层间的热应力。

Description

一种管状高温固体氧化物燃料电池单电池的结构
技术领域
本发明属于能源、材料加工、电力领域，涉及燃料电池单体结构，特别涉及一种管状高温固体氧化物燃料电池单电池的结构。
背景技术
燃料电池是一种将燃料的化学能直接转换成电能的发电装置。其中固体氧化物燃料电池(SOFC)被认为是继磷酸盐型燃料电池(PAFC)和熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)之后的第三代发电装置。固体氧化物燃料电池单电池的发电效率可达约50％，与汽轮机联合循环发电，发电效率可达70％，如果再合理的利用余热，其热效率能够达到80％以上。
目前，国际上开发的高温固体氧化物燃料电池的结构主要有板状和管状两种结构。板状结构具有电流通道短、输出电流密度与功率密度高和电池堆紧凑等优点，同时存在高温密封困难，高温热应力不匹配等技术难题；管状结构具有无需高温密封、热应力较小且单电池组装简单，易实现大功率化等特点。
迄今，开发管状结构的代表厂家主要有美国的西屋电气公司(Westinghouse E1ectric Crop.)和日本的三菱重工(Mitsubishi HeavyIndustries，Lts.)。其中CN1277096涉及了一种以电解质层为支撑层的结构；EP0055016和US5108850涉及了以阴极层作为支撑层的结构。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种采用金属陶瓷管作为支撑层的管状高温固体氧化物燃料电池单电池的结构，该结构具备管状SOFC的无需高温密封、电池组装简单、易于实现大功率化等优点，并且使其在性能上兼具板状SOFC高输出电流密度和功率密度的特点。
实现本发明的技术方案是，该管状高温固体氧化物燃料电池单电池的结构，该结构为一端封闭，一端开口，其特点是，结构最内层以多孔的金属陶瓷管制作的支撑层，在结构的有效发电区域内，其支撑层外至少还包括燃料电池的阳极层、电解质层、阴极层和阴极汇流层。
本发明的其它一些特点是：
所述多孔的金属陶瓷管支撑层为电池结构的一个结构层，由金属陶瓷管支撑层支撑电池其它结构层，并兼作阳极汇流层。
所述多孔金属陶瓷支撑层的材料选用陶瓷与金属的复合或混合构成的金属陶瓷材料。
所述多孔金属陶瓷支撑层内的金属与陶瓷的相对含量在整个涂层中保持固定含量，或在涂层中变化，使得金属陶瓷管的线膨胀系数与电解质层相当，以防止因线膨胀系数的差异导致的结构层开裂使得电池输出效率的变低。
所述多孔金属陶瓷支撑层的材料，其陶瓷材料选自氧化硅、氧化铝、莫来石、堇青石、碳化硅、硅化钼、硼化锆、硼化钛、碳化钨、氧化钛中的一种或几种，其金属材料选自廉价的金属镍、铁、铬、铬基合金、镍基合金、铁基合金中的一种或几种。
所述支撑层、阳极层、电解质层、阴极层、阴极汇流层中不相邻的每两层需要有效地隔离。
所述多孔金属陶瓷支撑层位于单电池的开口端处，即结构的有效发电区域外可以是包覆层，该包覆层的材料可以为燃料电池的阳极材料，或为与阳极材料不同的高导电率的金属、陶瓷或金属陶瓷。
所述包覆层作为阳极电流的引线部分。
本发明采用的管状高温固体氧化物燃料电池单电池的结构，可以方便的调节金属陶瓷支撑管的厚度和金属陶瓷材料的比例，使得金属陶瓷管的线膨胀系数与电解质层相当以防止因线膨胀系数的差异导致的结构层开裂使得电池输出效率的变低；本发明采用的金属陶瓷管还可兼顾阳极汇流，提高导电能力，并可以降低制造成本。制备金属陶瓷管的金属材料可以选择廉价的金属，如镍、铁、铬，还可以选择镍铁铬基的金属合金，如铬基合金、镍基合金、铁基合金；陶瓷材料可以选择氧化物陶瓷或复合氧化物陶瓷，如氧化硅、氧化钛、氧化铝、莫来石、堇青石，可以选择碳化物陶瓷材料，如碳化硅、碳化钨，可以选择硅化物陶瓷，如硅化钼，可以选择硼化物陶瓷，如硼化锆、硼化钛，可以选择氮化物陶瓷，如氮化硅。
附图说明
图1是一种管状高温固体氧化物燃料电池单电池结构剖面示意图；
图2是仅列举出了三种不同阴极汇流层结构的A-A剖面图；
图3是图1的B-B剖面图。
具体实施方式
以下结合附图和发明人给出的具体实施例对本发明作进一步详细说明。
图1是一种管状高温固体氧化物燃料电池单电池结构剖面示意图，图2是仅列举出了三种不同阴极汇流层结构的A-A剖面图，图3是图1的B-B剖面图。
如图1所示，此单电池1的结构为一端开口，一端封闭的管状结构。其最内层为燃料电池的支撑层2，在有效发电长度内，其支撑层外依次为燃料电池的阳极层3、电解质层4、阴极层5和阴极汇流层6。
如图1所示的单电池的开口端有一部分没有被电解质层覆盖，而是在支撑层2上制备了包覆层7，包覆层7的材料可以为燃料电池的阳极材料，也可以为其它高导电率的金属、陶瓷或金属陶瓷材料。包覆层7部分可以作为阳极电流的引线部分。包覆层7的剖面示意图如图3所示。
上述单电池的支撑层2为多孔的金属陶瓷结构，所述的金属陶瓷是金属和陶瓷的复合或者混合材料，其中陶瓷可以选择氧化铝、氧化钛和氧化锆等多种陶瓷中的一种或几种；其中金属可以选择镍、镍基合金和铬等多种金属中的一种或几种。控制两类材料的比例和热膨胀系数与电解质层的热膨胀系数吻合，并要兼顾对阳极的汇流作用；金属陶瓷支撑管的厚度为O.2mm-4mm，单电池的支撑层在轴向方向上的径向厚度可以不变，也可以依据电池工作时电流密度的特点呈梯度变化，即从开口端的径向厚度到封闭端的径向厚度依次变薄。
上述单电池的阳极层3为多孔金属陶瓷结构，金属陶瓷中金属的体积百分含量为20％-70％。
上述单电池的电解质层4为致密层，为了提高单电池效率，其厚度小于100微米，而且电解质层4必需有效的将支撑层和阳极层与阴极层和阴极汇流层隔开，即不能够使得支撑层和阳极层的任一层与阴极层和阴极汇流层的任一层直接接触，以免导致电池内部短路。
上述单电池的阴极层5轴向长度不能超过电解质层的轴向长度，其气孔率可以依据所采用的不同阴极材料的离子电导率与电子电导率的不同而变化，一般小于30％。
上述单电池的阴极汇流层6可以依据单电池的电流密度和阴极5与阴极汇流极6的导电能力在单电池阴极层的径向和轴向上可全部覆盖阴极层，或者部分覆盖阴极层。阴极汇流层在径向和轴向方向上的厚度可以依据电流密度的特点，不均匀分布。图2仅仅列举了三种不同形式的阴极汇流层6的剖面示意图。其剖面外形可以为无耳状(图2-A)、单耳状(图2-B)和双耳状(图2-C)。
本发明的实施可以方便的调节金属陶瓷支撑管的厚度和金属陶瓷材料的比例，使得金属陶瓷管的线膨胀系数与电解质层相当以防止因线膨胀系数的差异导致的结构层开裂使得电池输出效率的变低，并且金属陶瓷管可兼顾阳极汇流，缓和电池各层间尤其是与电解质层间的热应力。由于采用金属陶瓷管支撑，其金属和陶瓷材料可以选择廉价的如金属镍和氧化铝陶瓷为主，可以大幅降低燃料电池的制造成本。
本发明所涉及的高温固体氧化物燃料电池单电池的结构，绝非仅限于说明书附图所示的结构。

Claims (8)

1.一种管状高温固体氧化物燃料电池单电池的结构，该结构为一端封闭，一端开口，其特征在于，结构最内层以多孔的金属陶瓷管作为支撑层(2)，在结构的有效发电区域内，其支撑层(2)外至少还包括燃料电池的阳极层(3)、电解质层(4)、阴极层(5)和阴极汇流层(6)。
2.根据权利要求1所述的管状高温固体氧化物燃料电池单电池的结构，其特征在于，所述多孔的金属陶瓷管支撑层(2)为电池结构的一个结构层，由金属陶瓷管支撑层(2)支撑电池其它结构层，并兼作阳极汇流层。
3.根据权利要求1或2所述的管状高温固体氧化物燃料电池单电池的结构，其特征在于，所述多孔金属陶瓷支撑层(2)的材料选用陶瓷与金属的复合或混合构成的金属陶瓷材料。
4.根据权利要求1所述的管状高温固体氧化物燃料电池单电池的结构，其特征在于，所述多孔金属陶瓷支撑层(2)内的金属与陶瓷的相对含量在整个涂层中保持固定含量，或在涂层中变化，使得金属陶瓷管的线膨胀系数与电解质层相当，以防止因线膨胀系数的差异导致的结构层开裂使得电池输出效率的变低。
5.根据权利要求3所述的管状高温固体氧化物燃料电池单电池的结构，其特征在于，所述多孔金属陶瓷支撑层(2)的材料，其陶瓷材料选自氧化硅、氧化铝、莫来石、堇青石、碳化硅、硅化钼、硼化锆、硼化钛、碳化钨、氧化钛中的一种或几种，其金属材料选自廉价的金属镍、铁、铬、铬基合金、镍基合金、铁基合金中的一种或几种。
6.根据权利要求1所述的管状高温固体氧化物燃料电池单电池的结构，其特征在于，所述支撑层(2)、阳极层(3)、电解质层(4)、阴极层(5)、阴极汇流层(6)中不相邻的每两层需要有效地隔离。
7.根据权利要求1所述的管状高温固体氧化物燃料电池单电池的结构，其特征在于，所述多孔金属陶瓷支撑层(2)位于单电池的开口端处制备有包覆层(7)，该包覆层(7)的材料是燃料电池的阳极材料，或是与阳极材料不同的高导电率的金属、陶瓷或金属陶瓷。
8.根据权利要求6所述的管状高温固体氧化物燃料电池单电池的结构，其特征在于，所述包覆层(7)作为阳极电流的引线部分。
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