本发明专利技术属于固体氧化物燃料电池技术领域，具体为多孔阴极涂敷矩阵式的小型固体氧化物燃料电池装置。该燃料电池装置由若干单层电池堆叠合并串连连接构成，各单层电池堆之间由金属网连接；将若干微管式固体氧化物燃料单电池置于矩阵式阴极模子中而构成单层电池堆，矩阵式阴极内壁与各单电池之间设有多孔阴极涂敷层。所述微管式固体氧化物燃料单电池包括：多孔阳极管、致密电解质膜、位于电解质膜和阴极间的保护层，最外层为阴极。本发明专利技术使用的单电池为微管结构，该结构对燃料电池在快速开启、关闭过程中带来的热压力，有良好的抗击能力。此外该微管电池有很好的力学性能，抗压碎压力高达120MPa。本发明专利技术具有结构简单、低成本、易替换、重量轻、寿命长等特点。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于燃料电池
，具体一种涉及多孔阴极涂敷矩阵式的小型固体氧化物燃料电池装置，尤其是适合中低温(小于650°c)操作的50 W级的发电装置。
技术介绍
随着现代工业的发展，煤，石油，天然气等化石燃料的短缺和它们自身带来的环境污染等问题使得人们需要去寻找高效的能源转换方式和清洁的可替代新能源。通过电化学反应，燃料电池可将燃料中的化学能高效转换为电能。其中，固体氧化物燃料电池 (SOFCs)是以氢或者碳氢化合物等为燃料的高效能量转换装置。SOFCs具有燃料适应性强，固体电解质稳定性好，功率密度高，环境友好无污染，尺寸和发电功率的灵活缩放，可实现热电联供等优点。目前固体氧化物燃料电池的结构主要有平板式和管式。管式的SOFCs最大优势就是容易密封。尤其对于微管式SOFCs，除了易密封外，也容易启动，可以实现数分钟启动(从室温到工作温度)。而平板式设计的SOFCs则需要数小时。此外，微管式设计还容易实现低温操作。日本产业技术综合研究所的研究员铃木俊男等，通过改善阳极的微管结构，使得电池的能量密度高达I W cm_2 at 600°C。相关结果详见=Science,第325期，852-855 页，2009 年出版。然而，每个管式SOFC单电池的开路电压只有I V左右，没有太多实际用途。只有将若干单体进行堆叠，才能得到实际的电压和功率需求。传统的管式SOFCs电池堆的连接，一般是通过在阳极或者阴极的表面留出一条供连接使用的“连接带”。通过该连接带对SOFC的阳极或者阴极进行串连或者并联。如西屋-西门子采用的长管电池长度和直径分别为2. 2m和2. 2cm。如果管太小，“连接带”的尺寸也需要随之变小。而“连接带”尺寸减小对制作技术要求非常高。如在本专利技术中所使用的微管直径只有I. 8-2 mm，使用“连接带”进行串连将操作几乎不可能。所以，要使用微管燃料电池的连接成堆，需要另辟新径。中国专利技术专利200510101487. 3公开了 “锥管式阳极支撑固体氧化物燃料电池单体及电池组”。是通过锥形SOFC的形状特点阳极多孔支撑体一端开口大，一端开口小，小开口端的外缘为弧形。有效解决了，燃料电池堆密封以及连接上的困难，实现可小型化SOFC电池堆的成功组装。然而该专利所述结构也始终没有解决固体氧化物燃料电池组的快速启动问题。而快速开启对于燃料电池在移动电源和电动汽车领域的应用有非常重要。其次，低温工作条件下，如何提高电池的能量密度也值得关注。随着工作温度的降低，会对电池带来很多问题。其中最突出问题之一就是电极的极化电阻的增大。比如在低温操作下，氧气电化学还原为氧离子(阴极材料表面)的反应缓慢，氧离子扩散速度下降；并由此引起电池能量密度降低，燃料利用率不高和燃料浪费。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述技术难题，提供一种启动快速、燃料利用率高的小型固体氧化物燃料电池堆。本专利技术提供的小型固体氧化物燃料电池装置，由若干单层电池堆叠合串联连接构成，各单层电池堆之间由金属网连接；每个单层电池堆由若干微管式固体氧化物燃料单电池置于矩阵式阴极模子中并联连接构成，矩阵式阴极模子内壁与各单电池之间设有多孔阴极涂敷层；所述微管式固体氧化物燃料单电池由内到外依次为多孔阳极管、致密电解质膜、位于电解质膜和阴极间的保护层，最外为层阴极。本专利技术中，单层电池堆的制备方法如下矩阵式阴极模子中的空管直径略大于微管式单电池的直径，在矩阵阴极模子和阳极支撑的微管式单电池分别烧结好后，在矩阵阴极模子内壁涂敷多孔阴极层浆料，在多孔阴极层浆料未干之前，将阳极支撑的微管式单电池放置于矩阵阴极管模子中，最后在1000°c烧结完成电池堆制作。 本专利技术中，电池堆层数的大小和单电池数目的使用根据所需电源的电压和电流决定。所述的多孔阴极涂敷层由LSCF (为锶、铁掺杂的钴酸镧类(La6Sa4Ca2Fa8)的简称)、GDC (钆掺杂的氧化铈的简称)粉料及PMMA (聚甲基丙烯酸甲酯)微球，按重量比为为15 :5 :4— 2混合组成；其中，LSCF和⑶C为阴极材料，PMMA微球为发孔剂，微球直径为1.5μπι。制备时，以酒精作为母液，将它们配成一定浓度的泥浆，用丝网印花技术喷涂于矩阵阴极模子的空管内壁，多孔阴极涂敷层厚度大约为150-250 μ m。微管单电池的阳极由氧化亚镍(NiO)和YSZ (氧化钇稳定化氧化锆的简称)粉体制成。致密电解质膜由ScSZ (氧化钪稳定氧化锆的简称)组成；保护层材料为GDC，阴极层材料为LSCF ;所述电解质、保护层和阴极层的制作都是通过浸涂方法完成。本专利技术的电池装置中，可根据电压大小选择构成串连连接的单层电池堆的层数，一般地单层电池堆的层数为3 —10 ;单层电池堆中，可根据电流大小，选择单个微管单电池的尺寸大小及个数，一般地单个微管单电池个数为5 —10，单个微管单电池的管径为I. 8—2.5 mm，管长为 4一8 cm。作为一个例子，单层电池堆是由10根微管单电池组成。其制作过程为分别将单根微管单电池放入阴极模子的半空管，在多孔涂敷层喷涂后未干之前，利用其粘合力，粘合好，然后烧结。单层电池堆之间通过银网连接，以逐步增大电池堆的功率。本专利技术在燃料电池堆的阴极矩阵内表面涂敷一层多孔电极材料，这样既可以连接阴极矩阵和单根管式电池，同时又保证空气在整个电池堆的阴极矩阵中充分流通。该涂敷层阴极不仅有极高的孔隙率(约为45 %)和良好的电导率，而且有很大的比表面积，考虑到材料本身具有催化能力(将氧气变成氧离子)，就极大改善了阴极反应活性(增大材料和空气接触)，提高了在中低温工作条件下(小于650°C)，燃料电池能量密度。本专利技术中使用的单电池为微管结构，该结构对燃料电池快速开启(升温)、关闭(降温)而带来的热压力，有良好的抗击能力。此外，该微管电池有很好的力学性能，抗压碎压力高达120 MPa。微管结构是燃料电池堆设计的各种结构中极好的选择。本专利技术具有结构简单、低成本、易替换、重量轻、寿命长等特点。相对于现有技术，本专利技术有如下特点 (I)单电池为微管结构。耐热压力强，容易快速启动。其空间尺寸小、容易制作。其具体尺寸可以根据所需大小调整。而起电解质层厚度，只有5 μπι,电解质欧姆电阻减小，电池输出功率大大提高。(2)矩阵式电池堆，层与层之间是矩形，方便堆叠。由于是管式也容易密封。各层中若干个单管电池中有一个破损，不影响其他电池及电堆的工作。(3)多孔阳极支撑单电池，既增加阳极导电截面又支撑电解质膜。(4)涂敷阴极多孔涂敷层，除了粘结单电池和阴极矩阵之外，其多孔结构也保证了空气的流通。此外，LSCF本身有作为催化剂的作用(将氧气还原为氧离子)，考虑到其本身极大比表面积，则有增强氧离子生成的作用。(5)由于微管燃料电池的极好的微观结构，使得整个电池堆在中低温(小于650°C)工作的条件下有很高的功率密度。特别适合小型移动式电源或者内嵌式电源。附图说明 图I是本专利技术多孔阴极涂敷矩阵式小型固体氧化物燃料电池堆示意图，包括微管单电池的侧视图、横截面图，单层阴极模子侧视图和电池堆鸟瞰。图2是微管单电池的电子显微镜照片，其中，(a)微管阳极和电解质的横截面，(b)微管阳极的内壁。图3是多孔涂敷层的电子显微镜照片(左)和其电导率(右)。图4是电池堆中微本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种多孔阴极涂敷矩阵式小型固体氧化物燃料电池装置，其特征在于由若干单层电池堆叠合并串连连接构成，各单层电池堆之间由金属网连接；每个单层电池堆由若干微管式固体氧化物燃料单电池置于矩阵式阴极模子中并联连接构成，矩阵式阴极模子内壁与各单电池之间设有多孔阴极涂敷层；所述微管式固体氧化物燃料单电池由内到外依次为：多孔阳极管、致密电解质膜、位于电解质膜和阴极间的保护层，最外层为阴极。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：梁波，区琼荣，梁荣庆，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：
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