一种新型双片一体SOFC电池单元及制程和电池堆制造技术

本发明专利技术公开了一种新型双片一体SOFC电池单元及制程和电池堆，所述电池单元包括中心支撑结构，所述中心支撑结构的前、后、左、右被阳极结构包覆，所述阳极结构的左、右两面上分别覆有电解质结构，所述电解质结构上覆有阴极结构，所述阴极结构上覆有外周支撑结构；所述电池堆包括多组电池堆单元，多组电池堆单元并行排列，每组电池堆单元包括一组由两片耐热不锈钢板并列连接的钢板组，两片耐热不锈钢板的相对应位置设有多个略大于阴极结构侧表面的方形孔，所述新型双片一体SOFC电池单元通过该方形孔安装在钢板组。本发明专利技术使固体氧化物燃料电池单元电池同时具备高机械强度,高电化学转换效率以及燃料利用率。效率以及燃料利用率。效率以及燃料利用率。

【技术实现步骤摘要】
一种新型双片一体SOFC电池单元及制程和电池堆


[0001]本专利技术涉及新能源固体氧化物燃料电池单元电池结构制程技术以及创新电池堆设计领域，具体涉及一种新型双片一体SOFC电池单元及制程和电池堆。

技术介绍

[0002]根据中国储能网新闻中心取得海关总署的数据显示，自2009年至今，我国煤矿、原油与天然气的进口持续上升，同时洁净能源的消费占比亦持续上升，表示国内在能源需求不断攀升的同时，国家也扩大加码洁净能源的发展。而SOFC是再生能源领域中转换效率最高的储能系统，因此，虽然技术门槛高，但依旧是新能源研究领域的热门题目之一。
[0003]虽然SOFC具有许多发展成为洁净替代能源的潜力，但是为了让SOFC的使用率更加普及化，有些部分仍然需要做进一步的改善与加强。例如(Y
0.08
Zr
0.92
)O
1.96
(8mol％yttria
‑
stabilized zirconia，8YSZ)为目前商业化的电解质陶瓷材料，操作温度在1000℃才有0.1S
·
cm
‑1的导电度，但是在高温下使用SOFC的缺点有1.组成接口容易发生反应；2.高温下使用容易造成热稳定性下降；3.界面接合度受到膨胀系数的影响增加，容易因为高温热应力作用而引起电池龜裂；4.为求能在高温下稳定使用，电极和双极板部分的材料选择受到限制，而这类型的电极和双极板材料成本较高，直接影响到SOFC的造价。
[0004]以上问题的根源基本上都是因为电解质部分必须在高温下才能有好的导电性，原因在于第一代SOFC为电解质支撑型(electrolyte support cell,ESC)，其电解质的厚度约为140
‑
200μm，虽然机械强度佳，不过因为电解质较厚，所以离子需要移动的距离较长，所以阻抗很大。解决办法之一就是将电解质的厚度降低，以降低电解质部分所造成的阻抗，但是SOFC所使用的电解质材料如果太薄，则单电池的机械稳定度就会下降，容易脆裂，造成电池堆组装较困难且抗震强度很弱。
[0005]为了克服因为电解质变薄而造成机械强度变弱的问题，于是将维持机械强度的任务转嫁到阳极或是阴极上面，因此开发出电极厚度增加的第二代SOFC(anode or cathode support cell,ASC or CSC)，其中电解质的厚度大幅缩减至约3
‑
10μm，而阳极或是阴极其中之一的厚度增加到500
‑
600μm，而另一电极的厚度则在30
‑
60μm。此作法确实有效地降低电解质部分的阻抗值，但是多孔状的电极部分即使厚度增加，机械强度仍然不够强韧。因此，若能够直接从电解质部分加以改善，使SOFC能够在较低的温度下运作，同时维持电解质层的高机械强度，不仅能够提高电池运作的功率，且如果SOFC的操作温度降低，电极和双极板部分的材料选择性就更多元，连带SOFC的制造成本也能够下降。
[0006]SOFC单元电池的架构是将3种不同的特性陶瓷材料分别做为阴阳极与电解质,并透过制程工艺技术接合成一体化结构。然而,不同的特性陶瓷材料通常表现出不同的热膨胀系数而在烧结过程中产生不同的收缩率导致SOFC单元电池结构弯曲变形甚至破裂。目前常见的解决方法是将电解质材料掺入电极材料中,以缩小不同特性陶瓷材料之间的热膨胀系数差异。此法虽然确实降低了收缩率的差异,减轻在烧结过程中产生结构弯曲变形与破裂的问题,但仍无法完全消除。此外,该方法通常要掺入不同比例的电解质材料来渐近式地
接进电解质层,因此增加制程的步骤。且将过多的电解质材料掺入电极材料中也会导致电极的阻抗上升,进而影响单元电池的输出效率。

技术实现思路

[0007]针对上述现有技术的不足，本专利技术要解决的技术问题是提供一种新型双片一体SOFC电池单元及制程和电池堆，本专利技术从两个方面着手改良固体氧化物燃料电池单元电池:1.从电池单元结构方面着手，开发新型的电池单元结构，2.开发适用该新型电池单元结构的电池堆架构；使固体氧化物燃料电池单元电池同时具备高机械强度,高电化学转换效率以及燃料利用率。
[0008]本专利技术采取的具体技术方案是：
[0009]一种新型双片一体SOFC电池单元，所述电池单元包括中心支撑结构，所述中心支撑结构的前、后、左、右被阳极结构包覆，所述阳极结构的左、右两面上分别覆有电解质结构，所述电解质结构上覆有阴极结构，所述阴极结构上覆有外周支撑结构；所述中心支撑结构及所述外周支撑结构采用具备催化活性的耐高温金属泡棉网。
[0010]进一步地，所述具备催化活性的耐高温金属泡棉网选自镍、铂、铑、铱、钯、钴、铁、铋、钛、铬、锰、铜或其合金材料中的一种。
[0011]进一步地，所述电解质结构的侧表面边长等于所述阳极结构的侧表面边长，所述阴极结构侧表面的边长小于电解质结构的侧表面边长，所述外周支撑结构的侧表面边长等于所述阴极结构侧表面的边长。
[0012]相应地，本专利技术还提供了上述新型双片一体SOFC电池单元的制程，包括如下步骤：
[0013](1)配制阳极浆料以刮刀成型制成阳极陶瓷生胚,再与中心支撑结构加热共压结合,制成SOFC单元电池阳极支撑结构；
[0014](2)配制电解质浆料以刮刀成型制成电解质陶瓷生胚,再与阳极支撑结构左右两面的陶瓷生胚加热共压结合,制成双片一体SOFC单元电池的对称半电池结构；
[0015](3)配制阴极浆料以刮刀成型制成阴极陶瓷生胚,再与对称半电池结构左右两面的陶瓷生胚加热共压结合成单元电池陶瓷生胚,最后烧结制成双片一体SOFC电池单元。
[0016]进一步地，所述阳极浆料中溶质部分按质量百分比计是由80
‑
92％阳极层氧化物粉体、1
‑
5％造孔剂、5
‑
9％薄膜制程的添加剂组成，其中，所述阳极层氧化物粉体是由阳极催化粉体与电解质粉体按照7
‑
1:3
‑
9的质量比组成；所述电解质浆料中溶质部分按质量百分比计是由80
‑
92％电解质粉体、1
‑
3％助溶剂、8
‑
13％薄膜制程的添加剂组成；所述阴极浆料中溶质部分按质量百分比计是由80
‑
92％阴极层氧化物粉体、1
‑
5％造孔剂、5
‑
9％薄膜制程的添加剂组成，其中阴极层氧化物粉体是由阴极催化粉体与电解质粉体按照7
‑
1:3
‑
9的质量比组成。
[0017]本专利技术还提供了一种基于上述新型双片一体SOFC电池单元的电池堆，所述电池堆包括多组电池堆单元，多组电池堆单元并行排列，每组电池堆单元包括一组由两片耐热不锈钢板并列连接的钢板组，两片耐热不锈钢板的相对应位置设有多个略大于阴极结构侧表面的方形孔，所述新型双片一体SOFC电池单元通过该方形孔安装在钢板组上且以高温气密胶封闭新型双片本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种新型双片一体SOFC电池单元，其特征在于，所述电池单元包括中心支撑结构，所述中心支撑结构的前、后、左、右被阳极结构包覆，所述阳极结构的左、右两面上分别覆有电解质结构，所述电解质结构上覆有阴极结构，所述阴极结构上覆有外周支撑结构；所述中心支撑结构及所述外周支撑结构采用具备催化活性的耐高温金属泡棉网。2.根据权利要求1所述一种新型双片一体SOFC电池单元，其特征在于，所述具备催化活性的耐高温金属泡棉网选自镍、铂、铑、铱、钯、钴、铁、铋、钛、铬、锰、铜或其合金材料中的一种。3.根据权利要求1所述一种新型双片一体SOFC电池单元，其特征在于，所述电解质结构的侧表面边长等于所述阳极结构的侧表面边长，所述阴极结构侧表面的边长小于电解质结构的侧表面边长，所述外周支撑结构的侧表面边长等于所述阴极结构侧表面的边长。4.根据权利要求1
‑
3任一项所述一种新型双片一体SOFC电池单元的制程，其特征在于，包括如下步骤：(1)配制阳极浆料以刮刀成型制成阳极陶瓷生胚,再与中心支撑结构加热共压结合,制成SOFC单元电池阳极支撑结构；(2)配制电解质浆料以刮刀成型制成电解质陶瓷生胚,再与阳极支撑结构左右两面的陶瓷生胚加热共压结合,制成双片一体SOFC单元电池的对称半电池结构；(3)配制阴极浆料以刮刀成型制成阴极陶瓷生胚,再与对称半电池结构左右两面的陶瓷生胚加热共压结合成单元电池陶瓷生胚,最后烧结制成双片一体SOFC电池单元。5.根据权利要求4所述的制程，其特征在于，所述阳极浆料中溶质部分按质量百分比计是由80
‑
92％阳极层氧化物粉体、1
‑
5％造孔剂、5
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9％薄膜制程的添加剂组成，其中，所述阳极层氧化物粉体是由阳极催化粉体与电解质粉体按照7
‑
1:3
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9的质量比组成；所述电解质浆料中溶质部分按质量百分比计是由80
‑
92％电解质粉体、1
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【专利技术属性】
技术研发人员：温良成，曹更玉，梁咏芯，马泽荣，余思亭，何欣悦，梁晓贤，严日峰，柯旭阳，陈淑娴，
申请(专利权)人：广东石油化工学院，
类型：发明
国别省市：