固体氧化物燃料电池系统技术方案

本发明专利技术涉及一种燃料电池系统，其包括外管状固体氧化物燃料电池、位于外燃料电池之内并连接到其内电极层的固相多孔基体、及至少一嵌入在基体中的内管状固体氧化物燃料电池。外燃料电池具有配置来接收第一反应物流体的内电极层、配置来接收第二反应物流体的外电极层、及夹在电极层之间的电解质层。内燃料电池具有配置来接收第一反应物流体的外电极层、配置来接收第二反应物流体的内电极层、及夹在内外电极层之间的电解质层。基体具有足够的机械强度以支撑内燃料电池，及具有足够的孔隙率以使第一反应物流体能够流经基体而分别流到内和外燃料电池。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
固体氧化物燃料电池系统
本专利技术涉及具有管状固体氧化物燃料电池组的燃料电池系统。
技术介绍
通常，固体氧化物燃料电池(SOFC)包括一对由陶瓷固相电解质分隔的电极(阳极和阴极)。为在这样的陶瓷电解质中获得足够的离子电导性，SOFC在提高的温度下工作，通常在约1000℃的级别。在典型的SOFC电解质中的材料是完全密集(非多孔)的氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)，其在高温下是极好的带负电的氧(氧化物)离子的导体。典型的SOFC阳极由多孔镍/氧化锆金属陶瓷制成，而典型的阴极由掺镁的锰酸镧(LaMnO3)或掺锶的锰酸镧(也被称作锰酸锶镧(LSM))制成。在工作中，在阳极上通过的燃料流中的氢或一氧化碳(CO)与通过电解质传导的氧化物离子反应以产生水和/或CO2及电子。电子经外电路从阳极传递到燃料电池的外面，经过电路上的负载，并回到阴极，在阴极来自空气流的氧接收电子并被转化为氧化物离子，其被注入电解质中。SOFC发生的反应包括：阳极反应：                    阴极反应：已知的SOFC设计包括平面及管状燃料电池。申请人自己的PCT申请PCT/CA01/00634公开了一种通过电泳沉积(EPD)制作管状燃料电池的方法。燃料电池包括多个同心层，即内电极层、中间电解质层、和外电极层。内电极层和外电极层可分别合适地作为阳极和阴极，在这种情况下，燃料可通过使其通过管而提供给阳极，空气可通过使其在管的外表面上通过而提供给阴极。-->大家还知道，可将多个管状燃料电池安排成一列或“组”以增加电输出。用于将相对大直径(≥5mm)的厚壁管状燃料电池堆积在一起的设计已经提出，其中管状燃料电池实质上是自我支撑的；例如，将具有直径的大直径管状燃料电池堆积成格状模式并使用镍毡(felt)衬垫使燃料电池互相连接起来。这个及其他用于大直径自我支撑管状燃料电池的现有设计均不是特别适于小直径燃料电池(≤5mm)，特别是当这样的小直径燃料电池被安排成紧紧排列的列时。因此，需要提供一种改进的电池组设计，其使多个小直径管状燃料电池能够紧密布置，及需要一种用于该电池组的系统。
技术实现思路
根据本专利技术的一方面，提供了一种燃料电池系统，其包括外管状固体氧化物燃料电池、位于外燃料电池之内并连接到其内电极层的固相多孔基体、及至少一完全嵌入在外燃料电池内的基体中的内管状固体氧化物燃料电池。外燃料电池具有配置来接收第一反应物流体的内电极层、配置来接收第二反应物流体的外电极层、及夹在电极层之间的电解质层。内燃料电池具有配置来接收第一反应物流体的外电极层、配置来接收第二反应物流体的内电极层、及夹在内外电极层之间的电解质层。基体具有足够的机械强度以在外燃料电池内支撑内燃料电池，及具有足够的孔隙率以使第一反应物流体能够流经基体而流到外燃料电池的内电极层并流到内燃料电池的外电极层。    基体可以是固态多孔泡沫或金属网。当基体是泡沫时，其可以是电子或混合(电子及离子)传导材料并可电连接到内和外燃料电池的阴极。泡沫的成分可包括选自由下述材料构成的组的一种或多种材料：锰酸锶镧、La1-XSrXCrO3、La1-XCaXCrO3、La1-XMgXCrO3、LaCr(Mg)O3、LaCa1-XCrYO3、不锈钢316和316L、镍-三氧化二钇稳定的氧化锆、镍-掺杂的氧化锆金属陶瓷、掺镍-CeO2金属陶瓷、掺铜-二氧化铈金属陶瓷、银-(Bi-Sr-Ca-Cu-O)-氧化物金属陶瓷、银-(Y-Ba-Cu-O)-氧化物金属陶瓷、银-合金-(Bi-Sr-Ca-Cu-O)-氧化物金属陶瓷、银-合金-->-(Y-Ba-Cu-O)-氧化物金属陶瓷、银及其合金、英科耐尔(Inconel)钢及任何高温合金、铁素体钢、SiC及MoSi2。内燃料电池的内电极层可以是阳极，其中，其外电极层是阴极；对应地，外燃料电池的内电极层是阴极，且其外电极为阳极。对于这样的结构，第一反应物为燃料，第二反应物为氧化剂。内燃料电池可具有10μm和10,000μm之间的直径，或更具体地，在10μm和5,000μm之间。基体可包括至少一拉伸的孔隙，以用于增强氧化剂传送到内和外燃料电池的阴极。还可以有一个氧化剂扩散器，其具有一可连接到氧化剂源的入口，及多个连接到基体的出口。燃料电池系统还可包括多个贯穿内燃料电池的外电极及电解质层的接头(tab)开口，及位于其中并密封每一开口的不透气的、电传导的接头。接头开口沿内燃料电池的长度方向间隔设置。每一接头被电连接到内燃料电池的内电极层并可电连接到外部的电路。每一接头可以是适于用在SOFC工作条件下的惰性金属涂层。至少一集电棒可被嵌入在基体中，并可电连接到至少一接头并可电连接到外部电路。另外，集电器板可被横向嵌入在外燃料电池内的基体中。板是电绝缘的或借助于板和基体之间的高温绝缘材料或板和基体之间的间隙而绝缘于基体。板具有用于接收内燃料电池的开口，及具有使反应物流体能流经内燃料电池的外电极层和外燃料电池的内电极层的穿孔。在这种情况下，集电器板电连接到至少一接头并可电连接到外部电路。燃料电池系统可包括一燃料重整装置(reformer)，其具有一重整室，该重整室带有一用于连接到未重整的燃料源的燃料入口及连接到内和外燃料电池的阳极的燃料出口。重整室与至少一燃料电池导热连接，使得由燃料电池反应产生的热用于重整未重整的燃料。重整室可以是双壁杯，且在这种情况下，燃料电池位于杯的空腔内。涂有催化剂的固态多孔基体可被提供在重整室的内侧。另外，重整室可以是卷绕在外燃料电池周围的重整管；燃料入口和出口位于管的两端。重-->整管可包括沿重整管内侧分散的催化材料。内燃料电池还可包括位于内燃料电池之内的多孔电传导集电器，其电连接到内电极层，并具有足够的孔隙率以使第二反应物流体能流经集电器并流到内燃料电池的内电极层。根据本专利技术的另一方面，提供了一种燃料电池系统，包括至少一管状固体氧化物燃料电池、位于燃料电池之内的多孔电传导集电器、及燃料电池嵌入于其中的固相多孔支撑基体。燃料电池具有配置来接收第一反应物流体的外电极层、配置来接收第二反应物流体的内电极层、及夹在电极层之间的电解质层。集电器电连接到内电极层，并具有足够的孔隙率以使第二反应物流体能够流经集电器并流到内电极层。支撑基体具有足够的机械强度以将燃料电池支撑在系统之内，及具有足够的孔隙率以使第一反应物流体流经基体并流到外电极层。集电器可以是衬在内电极层的表面的至少一部分上的固态多孔基体。另外，集电器可以是下述之一：—一束交叠的金属、陶瓷或金属陶瓷纤维；—一束金属、陶瓷或金属陶瓷绒线；—多个穿孔的片，其边缘连接到内电极层的表面；或—纵向延伸通过燃料电池的内侧的电传导的棒或丝及多个通常横向延伸在集电棒及内电极层之间的电传导的细丝。集电器可具有25到95％之间的孔隙率，特别是40到95％之间，更特别的是在约60％。集电器可被涂以催化剂材料。至少一集电棒或丝可被嵌入在燃料电池内的集电器基体中。棒或丝可具有至少一端，其可电连接到外部电路。集电器基体可包括至少一拉伸的孔隙，用于增强反应物流经基体。集电器基体可以是固态泡沫；泡沫可由选自由下述材料构成的组的一种或多种材料制成：锰酸锶镧、La1-XSrXCrO3、La1-XCaXCrO3、La1-XMgXC本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料电池系统，包括：（ａ）外管状固体氧化物燃料电池，其包括配置来接收第一反应物流体的内电极层、配置来接收第二反应物流体的外电极层、及夹在电极层之间的电解质层；（ｂ）位于外燃料电池之内并连接到其内电极层的固相多孔基体；及（ｃ）至少一完全嵌入在外燃料电池内的基体中的内管状固体氧化物燃料电池，内燃料电池具有配置来接收第一反应物流体的外电极层、配置来接收第二反应物流体的内电极层、及夹在内外电极层之间的电解质层；基体具有足够的机械强度以在外燃料电池内支撑内燃料电池，及具有足够的孔隙率以使第一反应物流体能够流经基体而流到外燃料电池的内电极层并流到内燃料电池的外电极层。

【技术特征摘要】
US 2002-5-23 10/156,7551、一种燃料电池系统，包括：(a)外管状固体氧化物燃料电池，其包括配置来接收第一反应物流体的内电极层、配置来接收第二反应物流体的外电极层、及夹在电极层之间的电解质层；(b)位于外燃料电池之内并连接到其内电极层的固相多孔基体；及(c)至少一完全嵌入在外燃料电池内的基体中的内管状固体氧化物燃料电池，内燃料电池具有配置来接收第一反应物流体的外电极层、配置来接收第二反应物流体的内电极层、及夹在内外电极层之间的电解质层；基体具有足够的机械强度以在外燃料电池内支撑内燃料电池，及具有足够的孔隙率以使第一反应物流体能够流经基体而流到外燃料电池的内电极层并流到内燃料电池的外电极层。2、根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中基体为固态多孔泡沫。3、根据权利要求2所述的燃料电池系统，其中泡沫是电子或混合(电子及离子)传导材料并可电连接到内和外燃料电池的阴极。4、根据权利要求3所述的燃料电池系统，其中泡沫的成分可包括选自由下述材料构成的组的一种或多种材料：锰酸锶镧、La1-XSrXCrO3、La1-XCaXCrO3、La1-XMgXCrO3、LaCr(Mg)O3、LaCa1-XCrYO3、La1-xSrxFeO3、(La1-xSrx)(Fe1-yCoy)O3、不锈钢316和316L、镍-三氧化二钇稳定的氧化锆、镍及掺杂的氧化锆金属陶瓷、掺镍-CeO2金属陶瓷、掺铜-二氧化铈金属陶瓷、银-(Bi-Sr-Ca-Cu-O)-氧化物金属陶瓷、银-(Y-Ba-Cu-O)-氧化物金属陶瓷、银-合金-(Bi-Sr-Ca-Cu-O)-氧化物金属陶瓷、银-合金-(Y-Ba-Cu-O)-氧化物金属陶瓷、银及其合金、英科耐尔钢及任何高温合金、铁素体钢、SiC及MoSi2。5、根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中基体为选自由金-->属网、金属、陶瓷或金属陶瓷绒束、及金属、陶瓷或金属陶瓷拉伸纤维束构成的组的材料。6、根据权利要求2-5任一所述的燃料电池系统，其中内燃料电池的内电极层是阳极，内燃料电池的外电极层是阴极，外燃料电池的内电极层是阴极，外燃料电池的外电极为阳极，第一反应物为燃料，第二反应物为氧化剂。7、根据权利要求6所述的燃料电池系统，其中内燃料电池具有10μm和10,000μm之间的直径。8、根据权利要求7所述的燃料电池系统，其中内燃料电池具有10μm和5,000μm之间的直径。9、根据权利要求6所述的燃料电池系统，其中基体包括至少一拉伸的孔隙，以用于增强氧化剂传送到内和外燃料电池的阴极。10、根据权利要求6所述的燃料电池系统，还包括一氧化剂扩散器，其具有一可连接到氧化剂源的入口及多个连接到基体的出口。11、根据权利要求1所述的燃料电池系统，还包括：多个贯穿内燃料电池的外电极及电解质层的接头开口，接头开口沿内燃料电池的长度方向间隔设置；及位于接头开口中并密封每一开口的不透气的、电传导的接头，每一接头被电连接到内燃料电池的内电极层并可电连接到外部的电路。12、根据权利要求11所述的燃料电池系统，其中每一接头可以是适于用在SOFC工作条件下的惰性金属涂层。13、根据权利要求11所述的燃料电池系统，还包括至少一集电棒，其被嵌入在基体中并电连接到至少一接头并可电连接到外部电路。14、根据权利要求11所述的燃料电池系统，还包括至少一集电器板，其被横向嵌入在外燃料电池内的基体中，板是电绝缘的或借助于板和基体之间的高温绝缘材料或板和基体之间的间隙而绝缘于基体，板具有用于接收内燃料电池的开口，及具有使反应物流体能流到内燃料电池的外电极层和外燃料电池的内电极层的穿孔，集电器板电-->连接到至少一接头并可电连接到外部电路。15、根据权利要求1所述的燃料电池系统，还包括一燃料重整装置，其具有一重整室，该重整室带有一用于连接到未重整的燃料源的燃料入口及连接到内和外燃料电池的阳极的燃料出口，重整室与至少一燃料电池导热连接，使得由燃料电池反应产生的热用于重整未重整的燃料。16、根据权利要求15所述的燃料电池系统，其中重整室是双壁杯，且燃料电池位于杯的空腔内。17、根据权利要求15所述的燃料电池系统，其中在重整室的内侧还包括涂有催化剂的固态多孔基体。18、根据权利要求15所述的燃料电池系统，其中重整室是卷绕在外燃料电池周围的重整管，燃料入口和出口位于管的两端。19、根据权利要求18所述的燃料电池系...

【专利技术属性】
技术研发人员：帕索萨卡尔，洪桑罗，洛恩约翰松，
申请(专利权)人：阿尔伯达研究理事会股份公司，
类型：发明
国别省市：CA[加拿大]