專利名稱：固體氧化物燃料電池的結(jié)構(gòu)及其聯(lián)接方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種具有六面體形狀的固體氧化物燃料電池結(jié)構(gòu)和此結(jié)構(gòu)的單體電池構(gòu)成電池組的聯(lián)接方法，屬于固體氧化物燃料電池技術(shù)領(lǐng)域。
固體氧化物燃料電池是在高溫(800-1000℃)下將氣體燃料(CO，H2，CH4等)的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的電化學(xué)發(fā)電裝置。它的基本結(jié)構(gòu)是由致密的、可傳導(dǎo)氧離子的固體氧化物電解質(zhì)薄膜和分別粘附在其兩個側(cè)面上的多孔的燃料極(陽極)和空氣極(陰極)所構(gòu)成。當(dāng)兩極上分別施加燃料氣(CO，H2，CH4等)和空氣時發(fā)生電化學(xué)燃燒反應(yīng)，產(chǎn)生CO2和H2O，同時在兩個電極的外電路有直流電產(chǎn)生。這種發(fā)電過程不受卡諾循環(huán)效率限制，因而能量轉(zhuǎn)化效率高。而且無噪音和有害氣體釋放。
本發(fā)明的目的是設(shè)計(jì)新型的固體氧化物燃料電池結(jié)構(gòu)和單體電池組合成電池組或電池模塊的聯(lián)接方法。
目前有各種結(jié)構(gòu)的固體氧化物燃料電池，其中美國西屋電氣公司(Westinghouse)的管式結(jié)構(gòu)比較成熟(EP0055011和EP0055016)，鑒于其空氣腔和燃料腔之間采取不密封結(jié)構(gòu)，使其整體構(gòu)造簡單可靠。1995年單電池壽命已超過5萬小時，電池模塊已達(dá)20～30kW。其特點(diǎn)是單電池內(nèi)部電流的流向是在其徑向環(huán)形截面上由一端流向另一端。使其在軸向上放大，原則上不受限制，目前實(shí)用化的單電池長度達(dá)500～2000mm。與此同時，徑向尺寸受電流行程的限制，而不能任意放大。
另一種流行的結(jié)構(gòu)是板式結(jié)構(gòu)(US4476197)。在電解質(zhì)板式薄膜的兩側(cè)面上涂有空氣電極膜和燃料電極膜，形成單電池。在兩個單電池之間，用雙極性板聯(lián)接。這種雙極性板除了充當(dāng)聯(lián)接極板的同時，在兩個側(cè)面上刻有平行的溝槽，供輸送燃料氣和空氣，這兩種氣體的流動方向是相互垂直的。鑒于單電池的制作可以直接借鑒電子工業(yè)成熟的技術(shù)一流涎法和篩印法，易于批量制做。單電池的成本較低，但是雙極性板的制作成本高，又需要采用密封技術(shù)，影響其發(fā)展。
本發(fā)明采取這兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，即不密封和平板結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)如下

圖1a是這種氧化物燃料電池的幾何結(jié)構(gòu)。8是一個具有矩型或梯形橫斷面和縱斷面的中空六面體(以下簡稱六面體)。7是一組貫穿其前后端面的矩形小管。在六面體8的頂端面的兩端有兩個通氣管1和4?？諝鈱?dǎo)入管3穿過安裝在通氣管1上的耐火填料塞2的中心孔，進(jìn)入六面體8。在六面體8內(nèi)矩形小管7的個數(shù)是奇數(shù)，各管的頂端和底端依次和六面體8的頂端面和底端面聯(lián)接，這種在六面體8的內(nèi)部形成多個首尾相接的S形空氣通道6，形成空氣腔。這樣從空氣導(dǎo)入管3通過來的空氣，經(jīng)過這空氣通道，最后乏空氣從通氣管4排出。矩形小管組7的內(nèi)孔5是燃料氣通道，形成燃料腔。六面體8和矩形管組7的各個面是具有多孔的空氣極—致密的固體電解質(zhì)—多孔的燃料極的三層薄膜結(jié)構(gòu)(以下簡稱PEN結(jié)構(gòu))，且空氣極在電池的內(nèi)壁上，燃料極在其外壁上，固體電解質(zhì)居中。各個面對應(yīng)的薄膜層是聯(lián)接在一起的。六面體8的兩個寬側(cè)面是電池的兩個聯(lián)接極。其中一個面的固體電解質(zhì)層被致密的集電極膜所代替，成為陽極。另一個寬面的外層燃料極是陰極。
圖1b是兩組這種單電池做串聯(lián)連接時的橫截面，固體電解質(zhì)層10的外側(cè)是燃料極9，而其內(nèi)側(cè)是空氣極11?？諝鈽O的一端和集電極12聯(lián)接。單電池I和II是通過金屬氈13做柔性聯(lián)接的。
圖2是這兩個單電池組裝成工作模塊的聯(lián)接示意圖。燃料氣由氣體分布器14的頂端進(jìn)入，此分布器的一個寬側(cè)面開有和電池的矩形小管組相對應(yīng)的矩形開口，將燃料氣導(dǎo)入各矩形小管內(nèi)。尾端15是氣體分布器，其一個寬側(cè)面具有和氣體分布器14同樣的矩形開口，由電池的各矩形小管流出來的乏燃料氣通過這些開口進(jìn)入分布器15腔內(nèi)，由設(shè)在15的底端的出口流出。在電池之間和氣體分布器與電池之間是金屬氈片13，這個氈片上同樣開有和氣體分布器14，15同樣的矩形開口。當(dāng)這些組件彼此壓緊時，氣體分布器14，15上的矩形孔，各金屬氈片13上的矩形孔和電池上的矩形小管組形成一組并接的矩形管道，構(gòu)成了燃料氣的通道。氣體分布器14和15是由耐熱合金制成，還作為工作電池的集電極，與匯流排25，26聯(lián)接，將電流導(dǎo)出。
圖3是電池組裝示意圖。組裝的工作電池是安裝在一個由絕熱材料21和耐火材料20做襯的密閉的容器中。此容器用多孔耐火板19分隔成燃料腔F和燃燒室C。電池安裝在燃料腔內(nèi)。進(jìn)氣管1和4穿過多孔耐火板19進(jìn)入燃燒室C。在燃燒室C內(nèi)安裝有空氣預(yù)熱器16和燃料氣預(yù)熱(重整)器17。它們的出氣口分別和空氣導(dǎo)入管3和氣體分布器14連接?？諝饨?jīng)通氣管23由外部導(dǎo)入，經(jīng)空氣分配管22分配后由空氣導(dǎo)入管3進(jìn)入電池內(nèi)，穿過S通道6后，形成的乏空氣由通氣管4排出電池進(jìn)入燃燒室C，燃料氣經(jīng)通氣管24由外部導(dǎo)入，經(jīng)預(yù)熱(重整)器17進(jìn)入矩形管通道。乏燃料氣從氣體分布器15的下端流出進(jìn)入燃料腔的下部F1，然后順著四壁上升進(jìn)入燃料腔的上部F，通過多孔板19進(jìn)入燃燒室C。在那里和從通氣管4出來的乏空氣混合燃燒，發(fā)出的熱量的一部分經(jīng)預(yù)熱器16和17把空氣和燃料氣預(yù)熱到電池的工作溫度。其余熱量由尾氣經(jīng)排氣口18帶出。
權(quán)利要求
1，一種固體氧化物燃料電池(SOFC)其特征在于由一個具有矩形或梯形橫斷面和縱斷面的中空六面體(以下簡稱六面體)和一組兩端開口的矩形小管所構(gòu)成，后者被均勻間隔開并貫穿于六面體的兩個寬面之間的空間之中，六面體和這些矩形小管的各個面是具有多孔的空氣極—致密的固體電結(jié)質(zhì)—多孔的燃料極的三層薄膜結(jié)構(gòu)(以下簡稱PEN結(jié)構(gòu))的平板，且空氣極在內(nèi)側(cè)，燃料極在外側(cè)，固體電解質(zhì)居中，各個面的相應(yīng)薄膜層是彼此聯(lián)成一體的，只是六面體的一個寬面的固體電解質(zhì)層被致密的集電極膜所取代，而且這里的燃料極膜不與其相鄰各面的燃料極聯(lián)結(jié)，形成電池的陰極，六面體的另一寬面的燃料極則為電池的陽極，這兩個電極分別通過與其接觸的柔性金屬氈和電流導(dǎo)出極聯(lián)通。
2，權(quán)項(xiàng)1所述的中空六面體其特征在于其兩個寬面上具有與矩形小管數(shù)目相等、尺寸相同的矩形孔，后者的短邊和中空六面體的兩個寬面的長邊平行。此外，中空六面體的頂面(或底面上)的兩端各有一個通氣管供進(jìn)氣與排氣之用，其中的一個通氣管內(nèi)插有一支進(jìn)氣管，此管與通氣管之間填有柔性填料。
3，權(quán)項(xiàng)1中所述的矩形小管其特征在于其個數(shù)為奇數(shù)，矩形小管的窄面與六面體的頂面平行，而且依次交替地與六面體的頂面和底面的內(nèi)表面相聯(lián)接，在中空六面體內(nèi)部形成多個首尾相聯(lián)接的S形氣體通道，這個通道的首、尾分別與中空六面體頂面上的通氣管聯(lián)接，形成氧化性氣體(空氣等)的通道。
4，權(quán)項(xiàng)1所述的柔性金屬氈的特征在于是由鎳、鉻、鐵、銅或其它合金的細(xì)絲制成的金屬氈，其平面的幾何尺寸大小及結(jié)構(gòu)和中空六面體的寬面相同。
5，權(quán)項(xiàng)1所述的電流導(dǎo)出極其特征在于由鐵基耐熱合金、鎳基耐熱合金或鉻基耐熱合金構(gòu)成，除具有電流導(dǎo)出極的作用外，還具有燃料氣的氣體分布板的功能，其幾何尺寸和結(jié)構(gòu)與中空六面體類似。其間有兩個差別，其一是只有一個寬面具有和權(quán)項(xiàng)2所述的矩形孔結(jié)構(gòu)，這個面通過權(quán)項(xiàng)4所述的柔性金屬氈和權(quán)項(xiàng)1所述的SOFC的陰極或陽極相聯(lián)結(jié)；其二是在它的頂面(或底面)上只有一個通氣管，作為燃料氣的進(jìn)氣管(或尾氣的排氣管)。
6，權(quán)項(xiàng)1所述的固體氧化物燃料電池串聯(lián)組成的電池組其特征在于電池組具有兩個權(quán)項(xiàng)5所述的電流導(dǎo)出極(它們具有矩形小孔的寬面是相向而立的)、若干個權(quán)項(xiàng)1所述的固體氧化物燃料電池和權(quán)項(xiàng)4所述的柔性金屬氈，按照電流導(dǎo)出極—固體氧化物燃料電池—柔性金屬氈—固體氧化物燃料電池—柔性金屬氈—....—固體氧化物燃料電池—柔性金屬氈—電流導(dǎo)出極的順序排列壓緊而成，使各個組件上的矩形小管對應(yīng)地串聯(lián)成若干個相互平行的矩形燃料氣通道。
7，權(quán)項(xiàng)6所述的電池組其特征在于它是一個基本電池組，由這種基本電池組若干個按照指定的串、并聯(lián)方式聯(lián)結(jié)成工作電池組。
8，權(quán)項(xiàng)7所述的工作電池組其特征在于它是安裝在一個矩形六面體內(nèi)，這個六面體有一個內(nèi)襯絕熱、耐火材料的氣密性的外殼，安裝有空氣和燃料氣導(dǎo)入管和尾氣排放管，由一塊多孔板分隔成兩個部分，權(quán)項(xiàng)7所述的工作電池組安裝在其中的一個空間內(nèi)，每一個基本電池組排氣端的電流導(dǎo)出極的排出的乏燃料氣直接排入此空間內(nèi)，通過多孔隔板進(jìn)入另一個空間內(nèi)。而每一個固體氧化物燃料電池的進(jìn)氣與排氣用的通氣管都穿過這個多孔板伸入到另一個空間內(nèi)，后者是燃燒室，乏空氣和乏燃料氣在這里燃燒，其產(chǎn)生的熱量的一部分為安裝在此空間的空氣、燃料氣預(yù)熱(重整)器所吸收，把空氣和燃料氣預(yù)熱到固體氧化物燃料電池的工作溫度，由穿過多孔分隔板的管道進(jìn)入工作電池組，其余熱量隨尾氣進(jìn)入外部熱量回收系統(tǒng)。這個包含有工作電池組、空氣和燃料氣預(yù)熱器、燃燒室和聯(lián)結(jié)管道的六面體構(gòu)成了工作模塊。
全文摘要
一種具有矩形或梯形橫斷面和縱斷面的中空六面體結(jié)構(gòu)的固體氧化物燃料電池及其聯(lián)接方法。屬于固體氧化物燃料電池技術(shù)領(lǐng)域。空氣在六面體內(nèi)部6中流動,燃料氣(H
文檔編號H01M8/12GK1192059SQ9710077
公開日1998年9月2日 申請日期1997年2月25日 優(yōu)先權(quán)日1997年2月25日
發(fā)明者朱永平, 戴學(xué)剛, 胡萬起, 蘇輝煌, 毛銘華, 李道昭 申請人:中國科學(xué)院化工冶金研究所