两端开口的多孔惰性支撑管型固体氧化物燃料电池、电堆及其制备方法技术

本发明专利技术为一种两端开口的多孔惰性支撑管型固体氧化物燃料电池、电堆及其制备方法。该电池包括一个两端开口、内有一电子导电连通但气密分隔的多孔惰性支撑管，其外壁涂有不同功能段：入口气体隔离段、串接电池段、热隔离段、电池连接端头。气体隔离段用于隔离空气和燃料。串接电池段是一节节串联连接的电池。热隔离段将电池对外的导电连接置于高温区外。电池连接端头提供电池对外的电连接端子。本发明专利技术电池通过电池连接端头构成电池排，电池排通过串联或并联连接进一步构成电池堆。本发明专利技术可以大幅度降低固体氧化物燃料电池的成本，避免热膨胀对电池、电堆的影响，减小高温对导电连接的影响，便于不同电池之间的串联和并联，易于电池堆的组装。

【技术实现步骤摘要】
两端开口的多孔惰性支撑管型固体氧化物燃料电池、电堆及其制备方法
本专利技术涉及一种两端开口的多孔惰性支撑管型的固体氧化物燃料电池及其制备方法。该固体氧化物燃料电池可以应用于微型电源、分布式电站和发电厂，可以降低制造成本，提高发电效率。
技术介绍
固体氧化物燃料电池（SOFC）是一种采用固体氧化物作为电解质隔膜，通过电化学反应将燃料的化学能高效、清洁地转化为电能的发电装置，其发电效率可达60%以上，热电联供总能效高于80%，是降低二氧化碳排放的新型发电装置。固体氧化物燃料电池不仅可以使用氢气燃料，还可以采用资源丰富而且廉价的天然气、液化石油气、燃油、媒的汽化气、城市煤气及生物质气等作为燃料。按照固体氧化物燃料电池的核心部件-膜电极或者单电池的构型不同，固体氧化物燃料电池可以分为管式电池、平板式电池和整体式电池。按照膜电极或电池的支撑体不同，固体氧化物燃料电池可以分为电解质支撑型、阴极支撑型和阳极支撑型。不同电池构型的电池在构建电池堆和电站系统采用的部件结构不同，构建的方式也不同，电池堆和电站的结构也不同。在各种类型的电池中，电解质支撑电池发展比较早，以美国西门子-西屋公司的阴极支撑管型固体氧化物燃料电池技术和电解质支撑的电池技术比较成熟，二者电池的工作温度都在900℃以上，电池制备成本比较高，发电系统的制造成本也比较高。而阳极支撑电池技术是国内外近些年来在研发的电池技术，其电池的工作温度降低到了650-800℃，电池的制备成本可以降低，但是该类型的电池密封技术要求比较高。整体式电池因采用功能更多陶瓷材料，结构较为复杂，制备技术要求比较高。整体式电池是将电池的阳极、阳极、电解质和连接体等陶瓷材料制备到一起，并且有燃料气或空气通道部分，有连接不同电池的电子传导通道。整体式固体氧化物燃料电池有块体型，也有管型的。不论是块体型还是管型电池，不同整体式电池因面对不同应用要求，其结构、材料选择和制备过程都不同。如美国专利US06296963公开的三菱重工报道的块体型的整体电池，每个电池为一节，不同电池通过陶瓷连接体连接到一起，形成电池堆。三菱重工采用多孔、惰性的两端开口的氧化钙稳定氧化锆支撑管，在支撑管表面制备出串联连接电池，形成了管型整体式电池，其特点是支撑管两端开口，中间连通，燃料气从中间流通，电流通过电池管的两端连接引出。但由于导电连接处于高温，导电连接比较困难，也比较难维护。又如，美国专利US7,892,691公开了罗尔-罗伊斯公司的一种串接管型电池结构，采用镁铝尖晶石支撑平板电池，串联连接的电池处于中间段，不同电池管通过两端与其它电池管连接。该电池管采用廉价的原材料可以降低电池的制备成本，但对不同电池间导电连接和电池的气体供应连接要求比较高，不方便构建电池堆。中国专利CN03114562.0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，采用金属陶瓷支撑管，金属陶瓷支撑管上面设有一层陶瓷绝缘层，陶瓷绝缘层上分布着互相串联的多个单电池元，各个单电池元通过连接极彼此串联，电池管的对外连接设置在阳极气体出口处。该电池一方面存在绝缘层比较薄，金属元素扩散易引起串联电池的并联漏电；另一方面该电池结构需要导线将电流从高温区引出到低温区。在固体氧化物燃料电池发电系统中，不仅电池的电化学反应在高温下进行，燃料的重整反应和尾气的催化燃烧反应也都是在高温下进行的，特别是尾气燃烧反应会造成局部高温，给周边的材料和部件产生很大的热冲击，可能会导致陶瓷部件的破裂，也可能导致金属部件变形和氧化等。固体氧化物燃料电池的温度高，燃料尾气需要燃烧以便回收热能，提高系统的发电和热供应效率。如燃料尾气的出口临接燃烧室，其温度比电池工作温度还要高许多，有时甚至达到1000℃以上。从电池管的燃料出口部位连接取电，易于引起金属连接材料的氧化，而且电池系统的重复启动等升降温也会到导致连接部位松动，导电性能变差。在前面所述的电池结构中，电池管的电流连接都处于高温区，会影响电池的可靠性和稳定性。目前制约固体氧化物燃料电池发展的首要问题是成本高的问题。其次是电池的可靠性问题。因此，固体氧化物燃料电池的结构设计和制备既要降低成本，又要提高电池的可靠性。
技术实现思路
固体氧化物燃料电池的电化学反应、燃料重整和尾气燃烧等都是在高温下进行的，导致电池系统制造成本比较高，而一些不合理的电池结构也会引起电池可靠性存在问题等，它们都在制约固体氧化物燃料电池产业化应用。如何设计和制备出一种更为合理的电池结构，避免或减少使用价格昂贵的合金材料，降低制造成本，提高可靠性，是固体氧化物燃料电池研发的重要问题。本专利针对这一要求，提出了一种两端开口的多孔惰性管支撑的固体氧化物燃料电池，电堆及其制备方法。一种两端开口的多孔惰性支撑管型固体氧化物燃料电池，以一个两端开口、管内有导电连通但气密分隔的多孔惰性支撑管，其外壁涂有不同的功能层，分为入口气体隔离段、串接电池段、热隔离段、电池连接端头。气体隔离段有气密的膜层，串接电池段由阳极层、阴极层、电解质膜层和连接体层构成的一节节串联的电池，热隔离段是在支撑管内、外壁涂有电子传导层，电池连接端头是整个电池的对外连接部位，包括阳极连接端头和阴极连接端头，所述不同功能段通过浆料浸涂或者浆料喷涂方法制备在多孔惰性支撑管上。多孔惰性支撑管为两端开口、单孔道的圆管，管内在串接电池段与热隔离段之间有一导电但气密的支撑管的中间封堵，一端管壁上有一点或多点有电子导电陶瓷材料连接内外导电，用于烧结致密的氧化物材料。多孔惰性支撑管的材质为氧化铝、氧化钇稳定氧化锆、氧化钙稳定氧化锆、尖晶石、堇菁石、刚玉-莫来石等的至少一种。电子导电陶瓷材料为金属陶瓷、导电的钙钛矿复合氧化物材料的一种或几种，与多孔惰性管材料组成的复合材料。多孔惰性支撑管为单孔道圆管，管外径为3-30mm，管长度为63-2650mm，多孔管壁的孔隙率为25-50%。入口气体隔离段位于电池气体入口一侧的多孔惰性支撑管上，在支撑管的表面有一层耐高温、气密的氧化物隔膜层。入口气体隔离段长度为10-200mm。氧化物隔膜层的材料为钇稳定氧化锆、钙钛矿结构材料、氧化铝中的至少一种，隔膜层优选为与电解质同一材料，此时，氧化物膜层可以与电解质膜一同制备，简化制备过程。气体隔离段的主要作用是防止电堆中气体返混，便于隔离燃料和空气到合适区域混合反应，避免燃烧反应的高温直接冲击电池。所述串接电池段是由阳极层、阴极层、电解质膜层和连接体层构成的一节节串联的电池。其中，阳极层厚度15-100μm，电解质膜层厚度为5-50μm，阴极层厚度为15-100μm，连接体层厚度为20-100μm。电解质层中的电解质材质是氧离子导体氧化物，为氧化铈基氧离子导体、氧化锆基氧离子导体、镧镓基钙钛矿型氧化物中一种，电解质优选8-10mol%氧化钇稳定氧化锆。阳极层中的阳极是金属-电解质材料复合阳极，阳极中金属的原料为过渡金属氧化物，或者为掺杂改性的过渡金属氧化物，金属原料的重量含量为40-60%；阳极优选氧化镍-钇稳定氧化锆构成的复合阳极。阴极层中的阴极是钙钛矿型复合氧化物与电解质材料组成的复合阴极，钙钛矿型复合氧化物的重量含量为40-60%，优选是亚锰酸锶镧或者亚锰酸钙镧本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种两端开口的多孔惰性支撑管型固体氧化物燃料电池，其特征在于，包括一个两端开口、管内有电子导电连通但气密分隔的多孔惰性支撑管（4）；负载在所述多孔惰性支撑管上有依次不同的功能段：入口气体隔离段（11）、串接电池段（12）、热隔离段（13）、电池连接端头（14），所述不同功能段通过浆料浸涂或者浆料喷涂方法制备在多孔惰性支撑管（4）上。

【技术特征摘要】
1.一种两端开口的多孔惰性支撑管型固体氧化物燃料电池，其特征在于，包括一个两端开口、管内有电子导电连通但气密分隔的多孔惰性支撑管(4)；负载在所述多孔惰性支撑管上有依次不同的功能段：入口气体隔离段(11)、串接电池段(12)、热隔离段(13)、电池连接端头(14)，所述不同功能段通过浆料浸涂或者浆料喷涂方法制备在多孔惰性支撑管(4)上；管内在串接电池段(12)与热隔离段(13)之间有一导电但气密的支撑管的中间封堵，一端管壁上有一点或多点有电子导电陶瓷材料连接内外导电；采用导电但可以烧结致密的氧化物材料在支撑管生坯内合适位置进行封堵生坯管,然后在管壁的合适位置开洞,填充导电连接材料。2.如权利要求1所述的电池，其特征在于：所述多孔惰性支撑管(4)是两端开口的、单孔道的圆管，多孔惰性支撑管的外径为3-30mm，长度为63-2650mm，管壁的孔隙率为25-50％；多孔惰性支撑管的原料为氧化铝、氧化钇稳定氧化锆、氧化钙稳定氧化锆、尖晶石、堇菁石、刚玉-莫来石中的至少一种；电子导电陶瓷材料为金属陶瓷、导电的钙钛矿复合氧化物材料的一种或几种，与多孔惰性管材料组成的复合材料。3.如权利要求1所述的电池，其特征在于：在多孔惰性支撑管(4)内有一导电且气密的支撑管的中间封堵(10)，多孔惰性支撑管的中间封堵(10)位于串接电池段(12)与热隔离段(13)之间，中间封堵的材料是通过烧结致密的氧化物材料。4.如权利要求1所述的电池，其特征在于：所述入口气体隔离段(11)位于电池气体入口一侧的多孔惰性支撑管上，入口气体隔离段长度为10-200mm，入口气体隔离段具有气密的隔膜层，隔膜层材质为氧化钇稳定氧化锆、钙钛矿结构氧化物、氧化铝中的至少一种。5.如权利要求1所述的电池，其特征在于：所述串接电池段(12)是由阳极层(3)、阴极层(1)、电解质层(2)和连接体层(5)构成的一节节串联的电池，每节电池的长度为4-50mm，多孔惰性支撑管上电池节数为10-50节，串接电池段的长度为40-2500mm；其中，电解质层中的电解质材质为氧化铈基氧离子导体、氧化锆基氧离子导体、镧镓基钙钛矿型氧化物中的一种；阳极层中的阳极是金属-电解质材料的复合阳极，阳极中金属原料为过渡金属氧化物，或者为掺杂改性的过渡金属氧化物，金属原料的重量含量为40-60％；阴极层中的阴极是钙钛矿型复合氧化物与所用电解质材料的复合阴极，钙钛矿型复合氧化物的重量含量为40-60％，连接体材质为铬酸锶镧、钛酸锶镧、锰酸锶镧、铁钴酸锶镧中的至少一种；其中，阳极层厚度为15-100μm，阴极...

【专利技术属性】
技术研发人员：程谟杰，赵哲，涂宝峰，
申请(专利权)人：中国科学院大连化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁;21