[發(fā)明專利]一種單片電解質(zhì)固體氧化物燃料電池組

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410143853.0
• 申請日: 2014-04-10
• 公開（公告）號: CN103956504A
• 公開（公告）日: 2014-07-30
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉江;張莉;劉燕;苑莉莉
• 申請（專利權(quán)）人: 華南理工大學(xué)
• 主分類號: H01M8/02
• 分類號: H01M8/02;H01M8/10;H01M4/88
• 代理公司: 廣州市華學(xué)知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 44245
• 代理人: 蔡茂略

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及燃料電池，特別是一種固體氧化物燃料電池組，具體是一種單片電解質(zhì)固體氧化物燃料電池組。

背景技術(shù)

燃料電池是一種高效地將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能的新型發(fā)電裝置，是一種理想的分布式發(fā)電技術(shù)。在各種燃料電池中，固體氧化物燃料電池(SOFC)技術(shù)是最近幾年發(fā)展起來的高新技術(shù)，它在較高溫度下（600℃‐800℃）工作，具有效率高、使用燃料范圍廣、高質(zhì)量的余熱可用于驅(qū)動燃?xì)廨啓C(jī)從而進(jìn)一步提高發(fā)電效率、能實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)用（CHP）等優(yōu)勢，可望在電站、分布式電源等方面得到廣泛應(yīng)用，被公認(rèn)為21世紀(jì)的綠色能源技術(shù)。

SOFC是一種陶瓷燃料電池，它由能夠傳導(dǎo)氧離子的致密電解質(zhì)和具有電催化性能的多孔電極組成。SOFC單電池的結(jié)構(gòu)可以分為電極支撐型和電解質(zhì)支撐型。電極支撐型SOFC的電池組件中，陽極或陰極材料均為多孔結(jié)構(gòu)，其厚度為0.5‐3mm,電解質(zhì)是附著在陽極或陰極支撐體上的致密膜，厚度一般為10‐20μm。電極支撐型SOFC由于電解質(zhì)薄，歐姆電阻小，因而具有較高的功率輸出，但是，陰極支撐型的SOFC難以制備并且陰極極化電阻過大；而陽極支撐型SOFC中，由于傳統(tǒng)陽極材料Ni‐YSZ在制備和使用過程中要經(jīng)歷Ni的氧化和還原過程，造成陽極體積變化，產(chǎn)生應(yīng)力，使電池容易破碎；因此，采用電極支撐結(jié)構(gòu)的大規(guī)模平板式SOFC電堆的運(yùn)行均不太成功。電解質(zhì)支撐型SOFC中，電解質(zhì)厚度約為0.3mm，陽極和陰極均為多孔膜，分別位于電解質(zhì)的兩面，具有較高的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性，同時，在制備過程中，電解質(zhì)支撐型SOFC能夠避免電極材料的高溫?zé)Y(jié)，從而擴(kuò)寬了電極材料的選擇范圍。此外，平板電解質(zhì)支撐型SOFC的制備容易實(shí)現(xiàn)，可采用成熟的片式電容器生產(chǎn)工藝大批量制備電解質(zhì)片，采用絲網(wǎng)印刷技術(shù)制備電極膜。目前國際上運(yùn)行成功的大型平板式SOFC電堆均采用電解質(zhì)支撐型結(jié)構(gòu)。例如美國的Bloom?Energy公司開發(fā)的200KW的SOFC電堆和澳大利亞的Ceramic?Fuel?Cells?Limited千瓦級SOFC?CHP系統(tǒng)全部采用平板式SOFC結(jié)構(gòu)。

傳統(tǒng)的平板型SOFC電堆采用單片電池為單元，即在單片電解質(zhì)的兩面分別制備陰極和陽極，只構(gòu)成一個單電池，理論上該單片電池的最大電壓才為1V，這種結(jié)構(gòu)使得在高電壓應(yīng)用方面受到限制。當(dāng)將其組裝成電池組時，需要通過雙極板集流體將各單電池串聯(lián)起來，但是雙極板的使用使得密封效果不好。同時，雙極板的使用也會帶來一系列問題：（1）雙極板材料一般采用金屬或陶瓷，為達(dá)到一定的機(jī)械強(qiáng)度，需要足夠的厚度，這就造成雙極板在SOFC電堆中占有很大比例；（2）雙極板需要有效地采集各單電池的電荷，對單電池和雙極板的平整度要求非常高，從而增加了加工成本；（3）雙極板還承擔(dān)隔離氧化劑氣體和燃料氣體的作用，對其氣道的設(shè)計加工要求很高，使得雙極板的成本可占到SOFC電堆的75%。同時，由于單電池尺寸過大使得電流的行進(jìn)路徑過長，給固體氧化物燃料電池帶來電荷收集困難的問題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供了一種輸出電壓和功率密度高，密封性好，電流收集方便的單片電解質(zhì)固體氧化物燃料電池組。

本發(fā)明提出一種單片電解質(zhì)SOFC電池組的設(shè)計，在電解質(zhì)片的一面上間隔地設(shè)有多個陰極膜，在電解質(zhì)片的另一面上間隔的設(shè)有多個陽極膜，陽極膜和陰極膜通過連接體穿過連接孔實(shí)現(xiàn)電池組的串聯(lián)，同時解決了電池的密封問題。連接體是一種電子導(dǎo)電材料，通過電解質(zhì)上的連接孔將電解質(zhì)兩側(cè)電極相連，實(shí)現(xiàn)電池的串聯(lián)，同時起到密封小孔的作用。相對于傳統(tǒng)單片電池為單元的結(jié)構(gòu)，能夠得到更高的輸出電壓和功率密度，并且避免了使用雙極板帶來的問題。本發(fā)明在一個電解質(zhì)片上制備多個單電池，縮短了電流的行進(jìn)路徑從而解決了電流收集的難題。本發(fā)明單片電解質(zhì)電池組，能夠在單片電解質(zhì)上得到多節(jié)串聯(lián)的電池組，特別適合小型應(yīng)用。這種單片電池組還能夠采用成熟工藝大批生產(chǎn)，具有明顯的成本優(yōu)勢。

本發(fā)明的目的通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種單片電解質(zhì)固體氧化物燃料電池組，包括電解質(zhì)片、陰極膜、陽極膜和連接體，在電解質(zhì)片的一面上間隔地設(shè)有多個陰極膜，在電解質(zhì)片的另一面上間隔的設(shè)有多個陽極膜，陰極膜和陽極膜形狀大小相同，相對設(shè)置，在相鄰兩個陰極膜或陽極膜的電解質(zhì)片上設(shè)有連接孔，連接體穿過連接孔，連接體一端連接電解質(zhì)片一面的陰極膜，另一端連接電解質(zhì)片另一面的陽極膜，形成串聯(lián)連接；連接體采用金屬銀或者鉻酸鑭陶瓷材料；相鄰陰極膜或者陽極膜之間的距離為1‐5mm。

優(yōu)選地，所述的連接體采用涂刷法或絲網(wǎng)印刷法填充在連接孔中。