便攜式電源用管式固體氧化物燃料電池堆及其組裝方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種便攜式電源用管式固體氧化物燃料電池堆及其組裝方法，包括發(fā)電單元、燃料主進(jìn)氣管、燃料進(jìn)氣支管，以及氣體分配器，所述發(fā)電單元由多個陽極支撐管式SOFC電池單元串聯(lián)而成，每個陽極支撐管式SOFC電池單元通過燃料進(jìn)氣支管安裝在氣體分配器的預(yù)留孔內(nèi)，燃料經(jīng)燃料主進(jìn)氣管進(jìn)入到氣體分配器內(nèi)，然后經(jīng)燃料進(jìn)氣支管分配給每個發(fā)電單元。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了管式固體氧化物燃料電池堆的組裝，為采用陽極支撐管式SOFC電池的便攜式電堆設(shè)計提供了方向。
【專利說明】便攜式電源用管式固體氧化物燃料電池堆及其組裝方法
【技術(shù)領(lǐng)域】:
[0001]本發(fā)明屬于燃料電池應(yīng)用領(lǐng)域，涉及一種便攜式電源用管式固體氧化物燃料電池堆及其組裝方法。
【背景技術(shù)】:
[0002]傳統(tǒng)的便攜式電源采用二次電池作為儲能裝置，例如鉛酸電池、鎳氫電池等。該類產(chǎn)品的缺點(diǎn)是能量密度低、充電時間長以及環(huán)境不友好等缺點(diǎn)。隨著手機(jī)、便攜式電腦等電子產(chǎn)品的迅猛發(fā)展，對電源在能量密度和輕量化方面的要求日益提高。傳統(tǒng)電池已經(jīng)成為制約這些產(chǎn)品續(xù)航時間的主要因素，開發(fā)新型便攜式電源的需求日益迫切。
[0003]燃料電池作為一種新型能源技術(shù)，具有高效、清潔、安全可靠等諸多優(yōu)點(diǎn)。燃料電池在便攜式電源方面應(yīng)用領(lǐng)域中，基于質(zhì)子交換膜燃料電池(Proton Exchange MembraneFuel Cell, PEMFC)的直接甲醇燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell, DMFC)研究和應(yīng)用最為廣泛。DMFC最為便攜式電源應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)是電池工作溫度低，所以電源啟動時間快，但催化劑中毒和甲醇滲透是其應(yīng)用的最大障礙。
[0004]固體氧化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell, S0FC)除了具有上述燃料電池的共同優(yōu)點(diǎn)外，其全固態(tài)、模塊化的設(shè)計使其可以滿足從小型便攜式電源到大型發(fā)電設(shè)備的全應(yīng)用要求。SOFC工作溫度高(600-800°C)，相比于PEMFC，能夠滿足含碳燃料催化重整要求，可直接采用多種碳?xì)淙剂线M(jìn)行發(fā)電，所以燃料選擇具有廣泛性。作為便攜式電源應(yīng)用時，要求在短時間(幾分鐘)內(nèi)可以達(dá)到工作溫度，所以對SOFC單電池的抗熱震性能要求高。管式SOFC結(jié)構(gòu)具有良好的抗熱震性能，是目前便攜式電源開發(fā)領(lǐng)域普遍采用的構(gòu)型。陽極支撐管式SOFC是管式電極支撐結(jié)構(gòu)的一種，相比于陰極支撐管式結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)為制備工藝簡單、成本低、電池極化低，批量化制備容易。一般SOFC單電池在工作時電壓僅有0.7V左右，而電流可以達(dá)到數(shù)安培，所以在實(shí)際應(yīng)用中需將多個單電池進(jìn)行串并聯(lián)組成電池堆以提高輸出電壓和輸出功率。便攜式電源用SOFC電池堆的設(shè)計還要求電池堆結(jié)構(gòu)簡單、可靠、組裝簡單、可適用多種燃料。
[0005]針對上述便攜式電源用SOFC電池堆的設(shè)計要求，采用陽極支撐管式SOFC單電池組裝電池堆是該領(lǐng)域的開發(fā)熱點(diǎn)，但目前還沒有出現(xiàn)成熟的商品，所以采用陽極支撐管式SOFC單電池的便攜式電堆設(shè)計及組裝具有良好的商業(yè)前景。

【發(fā)明內(nèi)容】
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[0006]本發(fā)明提供了一種便攜式電源用管式固體氧化物燃料電池堆及其組裝方法，結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠，為采用陽極支撐管式SOFC單電池的便攜式電堆設(shè)計提供了方向。
[0007]本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0008]一種便攜式電源用管式固體氧化物燃料電池堆，包括發(fā)電單元、燃料主進(jìn)氣管、燃料進(jìn)氣支管，以及氣體分配器，所述發(fā)電單元由多個陽極支撐管式SOFC電池單元串聯(lián)而成，每個陽極支撐管式SOFC電池單元通過燃料進(jìn)氣支管安裝在氣體分配器的預(yù)留孔內(nèi)，燃料經(jīng)燃料主進(jìn)氣管進(jìn)入到氣體分配器內(nèi)，然后經(jīng)燃料進(jìn)氣支管分配給每個發(fā)電單元。
[0009]所述燃料主進(jìn)氣管上進(jìn)一步設(shè)置有重整催化劑倉，當(dāng)燃料為純氫氣時，燃料直接進(jìn)入氣體分配器，當(dāng)燃料為含碳燃料時，則經(jīng)過重整催化劑倉重整為氫氣和一氧化碳的混合氣后再進(jìn)入氣體分配器。
[0010]所述燃料進(jìn)氣支管和氣體分配器的預(yù)留孔之間通過密封件密封。
[0011]所述密封件由玻璃漿料煅燒而成。
[0012]所述陽極支撐管式SOFC電池單元為一端封閉一端開口的管式結(jié)構(gòu)，封閉端設(shè)置有電池連接極。
[0013]所述燃料進(jìn)氣支管的一端插入在氣體分配器的預(yù)留孔內(nèi)，另外一端延伸入陽極支撐管式SOFC電池單元的密封頂端。
[0014]所述電池連接極采用導(dǎo)電陶瓷材料制備而成。
[0015]所述燃料進(jìn)氣支管由氧化鋁或氧化鋯陶瓷材料制成。
[0016]所述氣體分配器與重整催化劑倉以及燃料主進(jìn)氣管焊接為一體。
[0017]一種便攜式電源用管式固體氧化物燃料電池堆的組裝方法，包括以下步驟:(I)取燃料進(jìn)氣支管，裹上鎳氈塞入陽極支撐管式SOFC電池單元的中空內(nèi)部；(2)將燃料進(jìn)氣支管插入到氣體分配器的預(yù)留孔，然后在預(yù)留孔和燃料進(jìn)氣支管之間的間隙填充作為密封件的玻璃漿料，干燥后，于900?1000°C煅燒，實(shí)現(xiàn)密封；(3)通過導(dǎo)線依次連接陽極支撐管式SOFC電池單元，最后引出正負(fù)極導(dǎo)線，完成組裝。
[0018]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明至少具有以下優(yōu)點(diǎn):在本發(fā)明結(jié)構(gòu)中，發(fā)電單元通過燃料進(jìn)氣支管安裝在氣體分配器的預(yù)留孔內(nèi)，所述燃料氣主進(jìn)氣管安裝在氣體分配器上，這樣，燃料經(jīng)燃料氣主進(jìn)氣管進(jìn)入到氣體分配器內(nèi)，氣體分配器分配后經(jīng)燃料進(jìn)氣支管分配給各個發(fā)電單元進(jìn)行發(fā)電。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，為采用陽極支撐管式SOFC單電池的便攜式電堆設(shè)計提供了方向。此外，燃料尾氣在發(fā)電單元出口處與空氣混合燃燒，燃燒熱預(yù)熱燃料氣體，維持電池堆運(yùn)行溫度。
【專利附圖】

【附圖說明】:
[0019]圖1為本發(fā)明陽極支撐管式SOFC結(jié)構(gòu)示意圖，其中，圖1 (a)為整體結(jié)構(gòu)示意圖，圖1 (b)為電池陰極處的剖視圖，圖1 (C)為電池連接極處的剖視圖；
[0020]圖2為本發(fā)明陽極支撐管式SOFC單電池在不同溫度下的放電性能曲線，其中，圖2 (a)為780°C下的放電性能曲線，圖2 (b)為850°C下的放電性能曲線；
[0021]圖3為組裝有6個單電池的便攜式管式SOFC電池堆的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖4為本發(fā)明便攜式管式SOFC電池堆放電性能曲線。
[0023]附圖標(biāo)記:1-燃料氣主進(jìn)氣管，2-重整催化劑倉，3-發(fā)電單元，4-導(dǎo)線，5-密封件，6-燃料氣進(jìn)氣支管，7-氣體分配器；31-陽極支撐電解質(zhì)復(fù)合膜管，32-電池陰極，33-電池連接極。
【具體實(shí)施方式】
[0024]本發(fā)明涉及的管式SOFC電池堆(如圖3所示)包括:燃料氣主進(jìn)氣管I (由金屬材料制成)、重整催化劑倉2 (由金屬材料制成)、陽極支撐管式SOFC電池單元3、氣體分配器7 (由金屬材料制成)、燃料進(jìn)氣支管(由陶瓷材料制成)、密封層5 (由玻璃制成)、導(dǎo)線4等。
[0025]所述的陽極支撐管式SOFC電池單元(如圖1所示)為一端封閉一端開口的管式結(jié)構(gòu)，包括陽極支撐電解質(zhì)復(fù)合膜管31，該陽極支撐電解質(zhì)復(fù)合膜管31的外周形成有電解質(zhì)層，在電解質(zhì)層外周形成有電池陰極32 ;在所述陽極支撐電解質(zhì)復(fù)合膜管31的封閉端形成有電池連接極33，用于單電池之間的串聯(lián)，所述電池連接極33是通過去除掉封閉端的電解質(zhì)層后而直接形成在陽極支撐電解質(zhì)復(fù)合膜管31的管壁外周的，這樣，電池連接極33本身就與電池陽極接觸，串聯(lián)時，只需要將電池連接極33與另外的陽極支撐管式SOFC電池單元的電池陰極32通過導(dǎo)線4相連即可。
[0026]所述電池連接極3采用鎵酸鑭系等導(dǎo)電陶瓷材料制備，需滿足導(dǎo)電、致密不泄露氣體、氧化還原穩(wěn)定性要求。
[0027]所述燃料氣主進(jìn)氣管1、重整催化倉2、氣體分配器7均采用耐熱不銹鋼材料加工--? 。
[0028]所述燃料進(jìn)氣支管6為氧化鋁或氧化鋯陶瓷材質(zhì)。
[0029]所述的陽極支撐管式SOFC電池堆各組成部件功能為:
[0030]1、燃料氣主進(jìn)氣管1，供應(yīng)電池堆運(yùn)行時所需燃料；
[0031]2、重整催化劑倉2，填充不同重整催化劑，重整催化含碳燃料，將其轉(zhuǎn)化為CO與H2
混合氣；
[0032]3、陽極支撐管式SOFC電池單元，即發(fā)電單元3 ；
[0033]4、氣體分配器7，對燃料主進(jìn)氣管I的燃料進(jìn)行均勻分配；氣體分配器7與重整催化劑倉2、燃料主進(jìn)氣管I焊接在一起；調(diào)整氣體分配器7中氣體分配孔的數(shù)量，可調(diào)整電堆中發(fā)電單元數(shù)量，從而達(dá)到調(diào)節(jié)電堆設(shè)計功率的目的；
[0034]5、燃料進(jìn)氣支管6，將氣體分配器7中的燃料氣輸送到每一個發(fā)電單元，陶瓷材質(zhì)保證每個電池單元的絕緣；
[0035]6、密封件5，密封氣體分配器7與陶瓷的燃料進(jìn)氣支管6的孔隙，保證燃料氣供應(yīng)至每個發(fā)電單元；
[0036]7、導(dǎo)線4，串聯(lián)發(fā)電單元3進(jìn)行組堆，收集并導(dǎo)出電池堆發(fā)出的電。
[0037]所述的陽極支撐管式SOFC電池堆的組裝步驟依次可分為:單電池組裝，密封處理，電堆集電組裝。各步驟主要工序有:
[0038]第一步，在單電池陽極支撐體內(nèi)側(cè)制備陽極集電層(，然后取陶瓷的燃料進(jìn)氣支管6，裹上足夠的鎳氈塞入陽極支撐管式SOFC電池單元的密封頂端；
[0039]第二步為密封步驟，將燃料進(jìn)氣支管6插入到對應(yīng)的氣體分配器7預(yù)留孔內(nèi)，將玻璃漿料灌入燃料進(jìn)氣支6管與預(yù)留孔的間隙，待其干燥后900~1000°C煅燒30分鐘，完成燃料進(jìn)氣支管6與氣體分配器7的密封，降到室溫后檢查密封性，若出現(xiàn)漏氣，重復(fù)上述密封步驟；
[0040]第三步為電堆集電組裝，通過導(dǎo)線依次串聯(lián)每個單電池3，最后引出電堆的正負(fù)極導(dǎo)線，完成組裝電池堆。
[0041]所述的陽極支撐管式SOFC電池堆的工作過程為:當(dāng)電堆處于其工作溫度時(600~800°C)時，燃料氣由燃料氣主進(jìn)氣管I通入，經(jīng)重整催化劑倉2后進(jìn)入氣體分配器7，燃料氣可以是H2或含碳燃料(如甲烷等)，純H2直接進(jìn)入氣體分配器7，含碳燃料經(jīng)過重整催化倉重整為H2與CO的混合氣后進(jìn)入氣體分配器7 ;燃料經(jīng)氣體經(jīng)分配器7均勻分配后由燃料進(jìn)氣支管6分配給每一個發(fā)電單元進(jìn)行發(fā)電，由于燃料進(jìn)氣支管6是伸入至發(fā)電單元的封閉頂端(也就是說燃料進(jìn)氣支管是延伸到發(fā)電單位的電池連接極)，所以通入的燃料氣是從發(fā)電單元3的封閉頂端回流至開口端的過程中進(jìn)行發(fā)電，發(fā)出的電經(jīng)串聯(lián)導(dǎo)線從電堆正負(fù)極輸出；未完全反應(yīng)的燃料氣在發(fā)電單元開口端與氧氣發(fā)生燃料，燃料產(chǎn)生的熱量供燃料氣預(yù)熱以及燃料重整催化所需熱量。
[0042]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0043]1、電池連接極33位于封閉端，集電容易，減小了電池堆的集電電阻；
[0044]2、電池連接極33位于單電池的封閉頂端，集電導(dǎo)線不受尾氣火焰灼燒，提高了電池堆的高溫運(yùn)行穩(wěn)定性和壽命；
[0045]3、電堆中電池不需要密封，不需尾氣回收，簡化了電池堆結(jié)構(gòu)；
[0046]4、燃料尾氣在電池出口處與空氣混合燃燒，燃燒熱能夠預(yù)熱燃料氣體、維持電池堆運(yùn)行溫度；
[0047]5、電池堆自身帶有催化重整倉設(shè)計，適用于多種含碳燃料發(fā)電。
[0048]陽極支撐管式SOFC單電池性能測試。
[0049]單電池性能測試過程為:
[0050]首先進(jìn)行單電池組裝，固定于測試電爐中，接入燃料氣及氧化劑進(jìn)氣管。待電爐升溫至工作溫度(600?800°C )時，利用氮?dú)馀懦剂蠚夤苈分锌諝?，然后通入氫氣進(jìn)行電池還原。待電池還原完畢，測試電池1-V-P曲線等電化學(xué)性能。
[0051]測試的電池的面積:陰極有效面積10.0cm2,電池連接極面積:3.1cm2 ;測試氣體:H2, O2O H2 流量為 105ml/min, O2 流量為 80ml/min。
[0052]圖2為該電池在不同溫度下的電流密度-電壓-功率密度曲線，其中圖2(a)為 780 °C，圖 2(b)為 850 °C。780 V 下 A-C (anode-cathode，陽極-陰極)與 1-C(interconnector-cathode 連接體-陰極)的開路電壓(open circuit voltage, 0CV)分別為1.07V與0.96V ；A-C端與1-C端的最大功率密度分別為364.7mff cnT2與332.3mff cm2,1-C端可以輸出整個電池功率的91%，效果良好。850°C測試結(jié)果與780°C類似，1-C端輸出為382.5mff cm_2，達(dá)到A-C端的91%。該結(jié)果表明采用的單電池構(gòu)造具有良好的性能輸出。
[0053]管式SOFC電池堆測試
[0054]發(fā)電性能測試的實(shí)驗(yàn)條件為:燃料H2，流量為300ml/min，氧化劑為空氣。
[0055]圖4為電堆在750°C與850°C下的電流-電壓-功率曲線圖?？梢钥吹?，電堆在750°C下開路電壓達(dá)到6.34V，最大功率為10.92W ;850°C下開路電壓達(dá)到6.11V，最大功率為17.05W。組裝的電池對成功發(fā)電，表明了設(shè)計方案的可行性。
【權(quán)利要求】
1.一種便攜式電源用管式固體氧化物燃料電池堆，其特征在于:包括發(fā)電單元(3)、燃料主進(jìn)氣管(I)、燃料進(jìn)氣支管(6)，以及氣體分配器(7)，所述發(fā)電單元(3)由多個陽極支撐管式SOFC電池單元串聯(lián)而成，每個陽極支撐管式SOFC電池單元通過燃料進(jìn)氣支管(6 )安裝在氣體分配器(7)的預(yù)留孔內(nèi)，燃料經(jīng)燃料主進(jìn)氣管(I)進(jìn)入到氣體分配器(7)內(nèi)，然后經(jīng)燃料進(jìn)氣支管(6 )分配給每個發(fā)電單元(3 )。
2.如權(quán)利要求1所述的一種便攜式電源用管式固體氧化物燃料電池堆，其特征在于:所述燃料主進(jìn)氣管(I)上進(jìn)一步設(shè)置有重整催化劑倉(2)，當(dāng)燃料為純氫氣時，燃料直接進(jìn)入氣體分配器(7)，當(dāng)燃料為含碳燃料時，則經(jīng)過重整催化劑倉(2)重整為氫氣和一氧化碳的混合氣后再進(jìn)入氣體分配器(7 )。
3.如權(quán)利要求1所述的一種便攜式電源用管式固體氧化物燃料電池堆，其特征在于:所述燃料進(jìn)氣支管(6)和氣體分配器(7)的預(yù)留孔之間通過密封件(5)密封。
4.如權(quán)利要求3所述的一種便攜式電源用管式固體氧化物燃料電池堆，其特征在于:所述密封件(5)由玻璃漿料煅燒而成。
5.如權(quán)利要求1所述的一種便攜式電源用管式固體氧化物燃料電池堆，其特征在于:所述陽極支撐管式SOFC電池單元為一端封閉一端開口的管式結(jié)構(gòu)，封閉端設(shè)置有電池連接極(33)，該電池連接極(33)直接形成在陽極支撐管式SOFC電池單元的管壁外周，所述電池連接極與另外的陽極支撐管式SOFC電池單元陰極串聯(lián)。
6.如權(quán)利要求5所述的一種便攜式電源用管式固體氧化物燃料電池堆，其特征在于:所述燃料進(jìn)氣支管的一端插入在氣體分配器(7)的預(yù)留孔內(nèi)，另外一端延伸入陽極支撐管式SOFC電池單元的密封頂端。
7.如權(quán)利要求5所述的一種便攜式電源用管式固體氧化物燃料電池堆，其特征在于:所述電池連接極(33)采用導(dǎo)電陶瓷材料制備而成。
8.如權(quán)利要求1所述的一種便攜式電源用管式固體氧化物燃料電池堆，其特征在于:所述燃料進(jìn)氣支管由氧化鋁或氧化鋯陶瓷材料制成。
9.如權(quán)利要求1至8中任意一項所述的一種便攜式電源用管式固體氧化物燃料電池堆，其特征在于:所述氣體分配器(7)與重整催化劑倉(2)以及燃料主進(jìn)氣管(I)焊接為一體。
10.一種便攜式電源用管式固體氧化物燃料電池堆的組裝方法，其特征在于:包括以下步驟: 1)取燃料進(jìn)氣支管，裹上鎳氈塞入陽極支撐管式SOFC電池單元的密封頂端； 2)將燃料進(jìn)氣支管(6)插入到氣體分配器的預(yù)留孔，然后在預(yù)留孔和燃料進(jìn)氣支管(6)之間的間隙填充作為密封件(5)的玻璃漿料，干燥后，于900?1000°C煅燒，實(shí)現(xiàn)密封； 3)通過導(dǎo)線(4)依次連接陽極支撐管式SOFC電池單元，最后引出正負(fù)極導(dǎo)線，完成組裝。
【文檔編號】H01M8/24GK103490087SQ201310401329
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年9月5日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月5日
【發(fā)明者】邵樂, 鄧增社, 王蘇健 申請人:陜西煤業(yè)化工技術(shù)研究院有限責(zé)任公司