[發明專利]內部重整型管型固體氧化物燃料電池電池堆及其制備方法

有效

• 申請號: 201180029600.5
• 申請日: 2011-06-09
• 公開（公告）號: CN102939680A
• 公開（公告）日: 2013-02-20
• 發明（設計）人: 鄭鐘植
• 申請（專利權）人: 浦項工科大學校產學協力團
• 主分類號: H01M8/12
• 分類號: H01M8/12;H01M8/02;C04B35/00;C09K3/10
• 代理公司: 北京路浩知識產權代理有限公司 11002
• 代理人: 經志強;王瑩

技術領域

本發明涉及一種能夠直接使用含烴氣體的固體氧化物燃料電池電池堆，更詳細地涉及一種由電池組件構成的固體氧化物燃料電池用電池堆及其制備方法，所述電池組件包括管型重整器和管型反應器。

背景技術

為了滿足高溫運轉帶來的燃料使用方面的多樣性，可以用于MW級容量以上的大規模發電站，并且高溫廢氣能夠用于依靠燃氣輪機的追加發電，固體氧化物燃料電池在較高溫運轉時比較具有競爭力，但是目前的固體氧化物燃料電池技術中，單位電池由厚度薄的陶瓷制備，最后需要經過燒制，因此難以實現單位電池面積的大面積化，并且沒有在高溫下運轉理想的密封件，在陶瓷材料的單位電池間電連接材料（Interconnect），其金屬板混合堆疊，不能避免機械應力問題和金屬的高溫腐蝕問題，目前只能實現20KW左右的開發。

為了避免使用如上所述的金屬電連接材料，使用如下設計的分割型電池集成管的電池堆，即在管型支撐體上以長度方向形成小型單位電池，在單位電池之間使用傳導性連接材料，使其電氣串聯連接，具有不使用金屬材料，可以將價格低廉的絕緣體的陶瓷用于管支撐體的優點，但是電流會向傳導性半導體的電連接材料和陽極層長度方向的薄膜層流動，電阻大，從而每單位面積的電流密度低，電池管間電氣連接的問題等沒有得到解決，并且不能使用小型管進行三維的大型化，此外還存在由于沒有設置內部重整器，存在不容易控制大型化時的溫度偏差及熱控制的問題。

固體氧化物燃料電池（Solid?Oxide?Fuel?Cell，以下稱為SOFC）在750~1000℃的高溫下運轉，所以與其它燃料電池相比效率最高，但由于單位電池由厚度薄的陶瓷制備，并且由于最后需要經過燒制過程，所以難以實現單位電池面積的大面積化，并且沒有在高溫下運轉理想的密封材料，而在陶瓷材料的單位電池間起到氣體通道和單位電池間電氣連接作用的電氣連接板（Interconnect）由金屬制備而成，從而無法避免因金屬和陶瓷的混合堆疊導致的機械應力問題和金屬的高溫腐蝕問題。此外，平板型單位電池被物理地堆疊，并且僅通過電氣串聯連接，因此隱含有如果一個特定電池變差，整體電池堆的性能就會一同變差的問題，從而具有必須無瑕疵地制備并運轉所有電池及用于電氣連接的堆疊的課題，但由于堆疊的電池堆被密封材料密封，因此在特定電池的故障時，也不可能替換或修理部分電池堆。因此，為了滿足高溫運轉帶來的燃料使用方面的多樣性，可以用于MW級容量以上的大規模發電站，并且高溫廢氣能夠用于依靠燃氣輪機的追加發電，固體氧化物燃料電池在較高溫運轉時比較具有競爭力，但是由于所述列舉的諸多問題，目前現實中尚無法實現單位電池的400cm²以上大面積化及電池堆的20KW級以上大規模化。

固體氧化物燃料電池的單位電池，作為電解質材料，一直在使用添加了氧化釔（yttria）并穩定了結晶結構的氧化鋯。這種材料雖然具有氧離子的傳導性，但具有僅在750~1000℃的高溫范圍內能夠得到所希望的傳導性的特征。因此，SOFC的運轉溫度通常在750℃以上，電極材料也使用能夠耐受這種高溫的導電性物質，例如，流入空氣的空氣極通常使用LaSrMnO₃，流入氫氣的燃料極通常使用Ni-ZrO₂混合物（金屬陶瓷，cermet）。在其它燃料電池的同樣形式的平板型（planer?type）SOFC中，在燃料極或電解質支撐體上涂布薄的剩余電極或電解質，最終制備1mm以下厚度的單位電解質-電極組件（Electrolyte-Electrode?Assembly，以下稱為“EEA”），在其上堆疊時，在EEA上下層上具備用于導入燃料氣體及空氣的氣體通道，在相鄰的EEA相反極之間插入用于電氣連接的由導電性金屬材料制成的電氣連接板（Interconnect），從而構成單位電池。這種平板型方式具有“EEA”層的厚度薄的優點，但由于陶瓷的特性，難以調節厚度的均勻度或平板度，因此不易大型化，而且為了堆疊（stacking）單位電池而交替地堆疊陶瓷EEA和金屬電氣連接板，需要在電池邊緣使用密封材料，以用于流入的燃料氣體和空氣的電池之間的密封。但是，用作密封材料的玻璃（glass）系材料的軟化溫度雖然始于600℃，但為了獲得令人滿意的效率，固體氧化物燃料電池通常需要在750℃以上的高溫下運轉，使得由密封材料的軟化導致的氣體泄漏的危險也高，而且堆疊的電池堆只是電氣串聯連接，所有的單位電池需要無瑕疵地運轉，因此在實用化上尚存在很多技術難點。