一種試管型中溫固體氧化物燃料電池的製作方法

2023-07-26 19:58:26

專利名稱：一種試管型中溫固體氧化物燃料電池的製作方法
技術領域：
本發明屬於固體氧化物燃料電池(以下簡稱S0FC)領域，是一種帶有金 屬構件的固體氧化物電解質燃料電池。
技術背景SOFC是一種在遠高於室溫的溫度下工作的電化學器件。燃料氣在電池 裡經過電化學反應把燃料氣被氧化後所釋放的化學能直接轉化為電能。反應過程中沒有熱 機發電的中間環節，不受卡諾循環的限制，其電效遠高於熱機發電系統，是可再生生物能源 系統中首選的發電技術。 鑑於SOFC是長期在遠高於室溫的溫度下工作，特別是採用氧化釔穩定氧化鋯 (YSZ)為電解質時，其工作溫度高達900-100(TC，使得構成單元電池的材料以及單元電池集 成的電池堆中所採用的部件均不能或很少採用金屬材料。尤其是在充滿含氧氣體的空氣極 區域只能採用昂貴的耐熱合金，而且壽命不長。但是金屬材料具有良好的物理性能和加工 性能，易於批量生產，長期以來一直吸引著眾多研究人員的注意力。1986年Isenberg在美 國專利US-4598467中報導了在空氣極做陽極時成功的把鎳纖維氈用於連接相鄰的管式電 池，並建議當空氣極為陰極時採用111203等導電氧化物纖維。隨後Chukharev等人在俄羅斯 專利RU2178560和RU2178561中發展了 了一種管式固體氧化物電解質燃料電池，用固體電 解質製成的管狀元件作為支撐管，支撐管上塗有燃料極和空氣極，在管內正中安裝一支內 導氣管，在內導氣管和管狀元件的內表面之間的空腔內有導電的分散物料和透氣的環狀多 孔板，環狀多孔板位於分散的導電填料中用以固定導電填料，環狀多孔板和內導氣管均由 金屬材料製成。此結構成功的把內電極-燃料極從管的一端導出。但是發明人沒有對空氣 極集電極的結構給出詳細的解決方案。據後續報導(MATEPMAJI bl MHHOBAy MOHHOro ①0PyMAPOCATOMA，①EZIEPA JI b HOE ArEHTCTBO no ATOMHOK 3 HEP r M M①r y n 《UHM MATOMMH①OPM》UEHTP《ATOM—MHHOBAy M H》，MOCKBA， M ro h t ，2007 r o a . c t p. 89-91)該管式固體氧化物燃料電池已集成為千瓦級發電裝置，壽命試驗到達一萬小 時。上述兩種管式結構的後續報導中金屬部件均作為燃料腔和空氣腔內的部件。在氧化氣 氛的空氣極和空氣腔內的金屬部件尚未見有數萬小時的壽命實驗結果。
九十年代後期以來在SOFC結構裡使用摻雜的氧化鈰作為電解質，把SOFC的工 作溫度降至500-60(TC，使得金屬材料在SOFC中的應用範圍得以拓寬。2004年美國專利 US-B2-6794075公開了 Ceres Power Ltd的平板式SOFC的詳情，該公司採用了氧化釓摻雜 的氧化鈰(CGO)，以CGO為電解質的SOFC其工作溫度為500-600°C 。用Ti-Nb穩定的18% Cr鐵素體不鏽鋼(歐洲牌號1.4509)薄板取代常規板式SOFC結構中的電極支撐板，該薄 板厚度為200-300 ym，薄板的中心部分呈多孔狀。在薄板上面製成三明治結構，把這種集 成後的電池焊接在雙極性板上。據後續報導這種結構的SOFC已集成為千瓦級的發電裝置 (Electrochemical Soc. Proceeding. Vol. 2005_07pp. 113-122)。據發明人根據該金屬材料 在600°C以下的耐熱性能估計此結構的壽命可滿足四萬小時的要求。近來出現採用氧化釓 摻雜氧化鈰為電解質的金屬支撐體用於管式結構的報導，據美國專利US-B-27452622，發明 人採用粉末冶金的方法用金屬粉末製成多孔的金屬支撐管，然後金屬支撐管上生成採用氧 化釓摻雜氧化鈰作為電解質的三明治結構。上述金屬支撐體的平板式或管式SOFC結構均採用在電解質內添加助燒劑的辦法使得陶瓷或金屬陶瓷部件的燒結溫度控制在IOO(TC左 右，以實現這些部件和金屬部件的共燒結。 發明內容本發明旨在提供一種以氧化釓摻雜氧化鈰(CG0)為電解質且同時具有 金屬部件的管式SOFC，以解決在不使用密封技術的前提下使用金屬材質的空氣集電極。這 種管式SOFC的空氣電極、燃料電極和各自的集電極之間採用金屬纖維來連接，在纖維與電 極以及纖維和集電極接觸處採用焊接的方法來確保它們之間的良好電氣接觸，所有金屬部 件均選自同一牌號的鐵素體不鏽鋼。燃料極為Ni-CGO金屬陶瓷或Ni-YSZ金屬陶瓷，空氣 極為摻鍶的錳酸鑭(LSM)陶瓷。從管式電池的開口端，同心的插入一支金屬導氣管，該金屬 導氣管同時做為燃料極集電極，在燃料極和燃料極金屬導氣管之間裝填鐵素體不鏽鋼纖維 作為陽極匯流極。在空氣極的外部同心安裝鐵素體不鏽鋼管，作為空氣極集電極和空氣導
管，空氣極和空氣極集電極之間的空間內裝填鐵素體不鏽鋼纖維作為空氣極匯流極。


圖1是本發明的結構示意圖，其中圖例分別如下所示1燃料極金屬導氣管2燃料極匯流層耐火塞3電解質管4燃料極5燃料極匯流層6空氣極7空氣極匯流層8空氣極金屬導氣管9燃料氣分布板10空氣分布板如圖1所示將燃料極金屬導氣管1安放在電解質管3的軸心位置上。在燃料極4
和燃料極金屬導氣管1之間裝填鐵素體不鏽鋼纖維填充層5 (燃料極匯流層)。鐵素體不 鏽鋼管8作為空氣導氣管和空氣極集電極。在空氣極6和空氣極導氣金屬管8之間的空間 裝填鐵素體不鏽鋼纖維填充層7(空氣極匯流層)。在空氣極導氣金屬管8的下部有多孔 板IO，作為空氣分布板和空氣極匯流層的支架；同樣在燃料極金屬導氣管的出口端有多孔 板9，作為燃料氣分布板和燃料極匯流層的支架。在管式SOFC的燃料極匯流層和空氣匯流 層的氣體出口處有多孔耐火材料塞，使匯流層內保持正壓。以上使用的所有金屬構件均系 同一牌號的選自鐵素體不鏽鋼，其熱膨脹係數接近電池陶瓷構件的熱膨脹係數，此電池的 工作溫度為500-600°C。 上述管式SOFC易於組裝，且鑑於操作溫度低，金屬構件和陶瓷構件之間的熱膨脹
係數接近，產生的熱應力小，在集成為電池堆時可實現金屬構件間的直接連接。 實施範例 實施例1 :採用鐵素體不鏽鋼SUS441製作電池中所有金屬部件，填充纖維也採用 同樣材質，燃料極採用Ni-CGO金屬陶瓷，空氣極採用LSM陶瓷，電解質採用CGO，燃料極和空 氣極均塗刷在電解質管上，製得的電池開路電壓達到0. 9V，短路電流超過2A。
實施例2 :採用鐵素體不鏽鋼SUS430製作電池中所有金屬部件，填充纖維也採用 同樣材質，燃料極採用Ni-CGO金屬陶瓷，空氣極採用LSM陶瓷，電解質採用CGO，燃料極和空氣極均塗刷在電解質管上，製得的電池開路電壓達到0. 9V，短路電流超過2A。
實施例3 :採用鐵素體不鏽鋼326L製作電池中所有金屬部件，填充纖維也採用同 樣材質，燃料極採用Ni-CGO金屬陶瓷，空氣極採用LSM陶瓷，電解質採用CG0，按照燃料極支 撐的方式製作電池，製得的電池開路電壓達到0. 9V，短路電流超過2. 5A。
權利要求
一種試管型中溫固體氧化物燃料電池，燃料極的匯流層是由位於燃料極金屬導氣管和填充在燃料極金屬導氣管與燃料極之間的金屬纖維構成，而空氣極的匯流層是由空氣極金屬導氣管和填充在空氣極金屬導氣管與空氣極之間的金屬纖維構成。
2. 根據權利要求1所述的一種試管型中溫固體氧化物燃料電池，其特徵在於使用的電 解質是氧化釓摻雜的氧化鈰，此電池的工作溫度為500-600°C 。
3. 根據權利要求1所述的一種試管型中溫固體氧化物燃料電池，其特徵在於燃料極金 屬導氣管、空氣極金屬導氣管與電解質管是同心安放的。
4. 根據權利要求1所述的一種試管型中溫固體氧化物燃料電池，其特徵在於燃料極金 屬導氣管與燃料極之間的空間稱為燃料極匯流層，空氣極金屬導氣管與空氣極之間的空間 稱為空氣極匯流層，燃料極匯流層和空氣極匯流層均填充金屬纖維。
5. 根據權利要求1所述的一種試管型中溫固體氧化物燃料電池，其特徵在於燃料極匯 流層裡填充的金屬纖維是焊接在燃料極金屬導氣管和燃料極表面，空氣極匯流層裡填充的 金屬纖維是焊接在空氣極金屬導氣管和空氣電極表面。
6. 根據權利要求1所述的一種試管型中溫固體氧化物燃料電池，其特徵在於燃料極匯 流層和空氣極匯流層的氣體出口處有多孔耐火材料塞，在空氣極匯流層的氣體入口處有空 氣分布板，燃料極金屬導氣管出口端有燃料氣分布板。
7. 根據權利要求1所述的一種試管型中溫固體氧化物燃料電池，其特徵在於所有的金 屬部件均採用同一種金屬材料，該金屬材料要求熱膨脹係數與電池中所用陶瓷材料的熱膨 脹係數相近，常用的包括鐵素體不鏽鋼SUS441， SUS430， 316， 316L， 2520。
全文摘要
一種試管型中溫固體氧化物燃料電池，採用氧化釓摻雜氧化鈰為電解質，該固體氧化物燃料電池的燃料極匯流層是由填充在燃料極金屬導氣管與燃料極之間的金屬纖維構成，而空氣極匯流層是由填充在空氣極金屬輸氣管與空氣極之間的金屬纖維構成，金屬纖維焊接到所接觸到的金屬導氣管和電極表面。全部金屬材料均採用同一牌號鐵素體不鏽鋼。
文檔編號H01M8/12GK101719554SQ20091024141
公開日2010年6月2日 申請日期2009年12月8日 優先權日2009年12月8日
發明者朱新堅, 李竹川, 李道昭, 王曉嵐, 胡萬起, 邢亞平, 郝先庫 申請人:中國科學院過程工程研究所