[發(fā)明專利]陽(yáng)極支撐管型固體氧化物燃料電池的集電部件及其應(yīng)用

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201110110200.9
• 申請(qǐng)日: 2011-04-29
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN102760896A
• 公開(kāi)（公告）日: 2012-10-31
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 區(qū)定容;程謨杰
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所
• 主分類號(hào): H01M8/02
• 分類號(hào): H01M8/02;H01M8/10
• 代理公司: 沈陽(yáng)科苑專利商標(biāo)代理有限公司 21002
• 代理人: 馬馳

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及固體氧化物燃料電池，尤其涉及一種陽(yáng)極支撐管型固體氧化物燃料電池的集電部件及其應(yīng)用。

背景技術(shù)

固體氧化物燃料電池(SOFC)是一種將燃料中的化學(xué)能清潔高效地直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置，具有對(duì)多種燃料氣體廣泛適應(yīng)以及余熱利用價(jià)值高等優(yōu)點(diǎn)。SOFC可以提供一個(gè)接近終端用戶的模塊，解決電能傳輸過(guò)程中的高能耗和噪音等問(wèn)題，可應(yīng)用在分散式發(fā)電系統(tǒng)、嵌入式發(fā)電裝置和共生發(fā)電等領(lǐng)域，尤其適用于重要的政府和軍事部門。

無(wú)論是板型SOFC還是管型SOFC，都涉及到燃料電池單元之間連接和電流收集的問(wèn)題。板型SOFC的發(fā)展時(shí)間長(zhǎng)，其連接和集電部件(也稱為連接體或雙極板)的發(fā)展已經(jīng)比較成熟；而管型SOFC的連接和電流收集等技術(shù)還處于探索和開(kāi)發(fā)階段，已經(jīng)公開(kāi)的相關(guān)技術(shù)和專利的數(shù)量相對(duì)較少。美國(guó)西門子-西屋公司公開(kāi)了兩種陰極支撐的圓管型SOFC(cylindrical?tube?solid?oxide?fuel?cells)內(nèi)部連接的方法：一是在管型電池單元之間設(shè)置了Ni氈作為集電部件，電連接燃料電池單元構(gòu)成電池組(專利US6001501)，二是在管型電池單元之間設(shè)置了由Ni拉伸網(wǎng)板(expanded?nickel?screen)加工而成的集電部件(electrical?connection?supports)，同時(shí)具有支撐和電連接的功能(專利US?6379831?B1)。日本的TOTO公司也公開(kāi)了陰極支撐的圓管型SOFC的連接和電流收集方法(專利JP2004-288542A和JP?2009-230855A)，主要是通過(guò)在管型燃料電池單元之間設(shè)置U型Ni氈構(gòu)成的集電部件來(lái)實(shí)現(xiàn)燃料電池單元之間的電連接。由于陰極支撐管型SOFC的集電部件工作在高溫燃料氣氛中，使用Ni做集電材料具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)Ni在高溫還原氣氛下化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定；(2)與含Ni的陽(yáng)極(外部電極)化學(xué)相容性好。然而，陽(yáng)極支撐的管型SOFC的集電部件需要在高溫氧化條件下工作，由于Ni的抗氧化性差，上述發(fā)明并不適用陽(yáng)極支撐的管型SOFC。

一般而言，陽(yáng)極支撐的管型SOFC的集電部件應(yīng)具備以下特征：

1、良好的導(dǎo)電性；

2、耐高溫氧化性好，在高溫氧化環(huán)境下長(zhǎng)期穩(wěn)定性高；

3、與燃料電池單元的化學(xué)相容性好，對(duì)電極的毒害作用小；

4、具有與管型燃料電池單元相近的熱膨脹系數(shù)；

5、形狀特征和機(jī)械強(qiáng)度上都能滿足支撐和固定管型燃料電池單元的要求；

6、質(zhì)輕、加工簡(jiǎn)易、造價(jià)低廉。

其中第2項(xiàng)和第3項(xiàng)對(duì)陽(yáng)極支撐的管型SOFC的集電部件來(lái)說(shuō)尤為重要。為了滿足集電部件的耐高溫氧化性能，金屬集電部件一般會(huì)采用含Cr的耐熱合金。然而，目前含Cr合金的抗高溫氧化性能還不能完全滿足SOFC長(zhǎng)時(shí)間發(fā)電(≥40000h)的要求。隨著氧化膜的增厚，不僅集電部件的導(dǎo)電性能會(huì)下降，氧化膜的剝落也會(huì)造成集電部件的失效。另一方面，當(dāng)SOFC長(zhǎng)時(shí)間發(fā)電時(shí)，合金部件中的Cr會(huì)擴(kuò)散到合金部件之外并到達(dá)陰極，出現(xiàn)所謂的催化劑Cr中毒，使燃料電池的發(fā)電能力降低。

日本的Kyocera公司公開(kāi)了用于陽(yáng)極支撐的扁管型SOFC(flat?tube?solid?oxide?fuel?cells)的耐熱金屬集電部件及其應(yīng)用(專利JP2007-250281A，CN?101223667A和CN?101300700A)，集電部件由含Cr的耐熱性合金構(gòu)成，表面涂敷了雙層氧化物涂層來(lái)防止合金中的Cr擴(kuò)散到集電部件外部。然而，該發(fā)明沒(méi)有解決合金在高溫下緩慢氧化導(dǎo)致電池性能下降的問(wèn)題；此外，設(shè)置于燃料電池單元之間的梳齒型結(jié)構(gòu)的集電部件只適用于扁管型SOFC。韓國(guó)ENERGY技術(shù)研究院也公開(kāi)了一種陽(yáng)極支撐的扁管型SOFC的連接方式(CN?1591947A)，所使用的連接器直接由塊體金屬加工而成，其缺點(diǎn)是體積大且重量重。另外，由于連接器上需要加工平行的溝槽作為氣體通道，使連接器的加工成本大大提高。

對(duì)于陽(yáng)極支撐的圓管型SOFC，至今還沒(méi)有公開(kāi)的技術(shù)能同時(shí)滿足上述6點(diǎn)要求。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供陽(yáng)極支撐管型固體氧化物燃料電池的集電部件及其應(yīng)用。

本發(fā)明的集電部件，由板狀合金基材和基材表面涂覆的、可抑制合金高溫氧化的保護(hù)涂層構(gòu)成。所述板狀合金基材上設(shè)置有貫通板體的孔洞或溝槽；所述涂層材料包括至少兩種氧化物組分：摩爾百分比40％-90％的復(fù)合氧化物以及摩爾百分比10％-60％的單一氧化物。