專利名稱：?jiǎn)螝馐夜腆w氧化物燃料電池組成的電池組的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種固體氧化物燃料電池組。
背景技術(shù)：
固體氧化物燃料電池(SOFC)具有效率高、污染低和燃料來(lái)源廣泛等優(yōu)點(diǎn)，是21世紀(jì)最具潛力的發(fā)電技術(shù)之一。單個(gè)SOFC(單電池)主要由電解質(zhì)、陰極和陽(yáng)極組成，由于單電池輸出電壓較低，輸出電流也很小，無(wú)法滿足絕大多數(shù)電器的實(shí)際需求，就需要將多個(gè)單電池通過(guò)串并聯(lián)組合起來(lái)，形成電池組。SOFC電池組的組成不但可以象普通電池那樣在外電路用導(dǎo)線連接起來(lái)，而且可以通過(guò)某種設(shè)計(jì)直接連接起來(lái)，即SOFC的堆迭，這種堆迭連接通常需要在單電池之間使用連接材料(雙極板)。SOFC可以使用氫氣、煤氣和甲烷等多種燃料和氧氣等氧化劑，這些氣態(tài)的反應(yīng)物質(zhì)可以分別處于SOFC的電解質(zhì)的兩側(cè)的氣室中，其中陽(yáng)極氣室中為燃料氣體，而陰極氣室中為為氧氣(或空氣)，這就是傳統(tǒng)的雙氣室結(jié)構(gòu)的SOFC的基本組成。SOFC單電池開(kāi)路電壓最高可達(dá)1V左右，由于電壓較低，且在有限的工作面積上電流也不能很大，因此應(yīng)用價(jià)值有限，真正應(yīng)用的電池系統(tǒng)是由多個(gè)單電池相互連接起來(lái)，形成電池組，來(lái)獲得較高的開(kāi)路電壓和較大的輸出電流和功率。對(duì)于常規(guī)的雙氣室結(jié)構(gòu)SOFC，電池組的設(shè)計(jì)已經(jīng)有很多種，例如平板式、錐管式串聯(lián)式、WestingHouse的無(wú)密封管式、瓦楞式、塊式等。這些電池都有兩種氣室燃料室和氧氣(空氣)室，即每個(gè)單電池的電解質(zhì)兩側(cè)分別為陽(yáng)極一側(cè)的燃料室和陰極一側(cè)的氧氣室，不同電池的串聯(lián)通過(guò)連接板(雙極板)實(shí)現(xiàn)。由于在正常工作條件下，必須避免燃?xì)獾男孤┖突旌?，所以雙極板和電解質(zhì)必須是致密不透氣的，同時(shí)，在其邊界處還必須用封接(密封)材料進(jìn)行有效的密封，因此SOFC電池組對(duì)材料和制作工藝的要求很高。另一方面，由于一個(gè)N節(jié)單電池串聯(lián)形成的電池組必須分成2N個(gè)氣室，它們必須分別通入各自的氣體，所以系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變得非常復(fù)雜，制作困難，且在局部發(fā)生故障后，維修難度很大。對(duì)于單氣室SOFC，已有報(bào)道(美國(guó)專利)是在一個(gè)電解質(zhì)片的一面上形成多個(gè)交替排列的陽(yáng)極和陰極，之間有溝道隔開(kāi)，形成多個(gè)單電池，進(jìn)而通過(guò)串聯(lián)形成電池組，這種方法形成的電池組可以通過(guò)縮小鄰近的陰極和陽(yáng)極間隙減小電池的內(nèi)阻，但事實(shí)上這種效果需要在電解質(zhì)厚度較大時(shí)才比較有效，而增加電解質(zhì)厚度會(huì)增大電池組的體積和重量、降低功率密度，同時(shí)也不利于電池組的快速啟動(dòng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種可以產(chǎn)生較高的電壓和輸入功率并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的單氣室固體氧化物燃料電池組成的電池組，它包括設(shè)置在容器4中的一組電解質(zhì)片1，每個(gè)電解質(zhì)片1的兩面都交替設(shè)置有陽(yáng)極2和陰極3，且電解質(zhì)片1同一位置兩側(cè)電極的極性相反從而形成單電池A，在相鄰兩個(gè)單電池A的電解質(zhì)1-1之間設(shè)有電解質(zhì)隔離區(qū)1-2，單電池的陰極和下一個(gè)單電池的陽(yáng)極之間通過(guò)導(dǎo)體連接實(shí)現(xiàn)串聯(lián)，容器4中的所有電解質(zhì)片1都通過(guò)導(dǎo)線7連接使容器4中的所有單電池A實(shí)現(xiàn)串聯(lián)，所有串聯(lián)后的單電池成為一個(gè)串聯(lián)電池組。固體氧化物燃料電池可以使用氫氣、煤氣和甲烷等多種燃料和氧氣等氧化劑，對(duì)于某些相對(duì)安全的燃料氣體，只要控制其濃度配比在燃燒爆炸極限區(qū)以外，是可以在高溫下與氧化氣體混合的，此時(shí)利用陽(yáng)極和陰極材料對(duì)燃料和氧化劑的選擇性催化特征，則可以使陽(yáng)極和陰極同時(shí)處于一個(gè)充滿混合反應(yīng)氣體的氣室之中發(fā)揮各自的作用，在陽(yáng)極和陰極之間產(chǎn)生較高的電壓并向外界輸出電流，即所謂的單氣室SOFC。單氣室SOFC的每個(gè)電池都由氧化物固體電解質(zhì)和陽(yáng)極、陰極組成，其中，電解質(zhì)在高溫下對(duì)導(dǎo)電離子(如氧離子)具有離子導(dǎo)電作用，陽(yáng)極是由對(duì)燃料具有選擇吸附和催化作用的過(guò)渡族金屬與鑭系稀土氧化物的混合物組成，陰極是由對(duì)O2具有選擇吸附和催化作用的稀土過(guò)渡族復(fù)合氧化物與過(guò)渡族氧化物的混合物組成，在這些電極之間會(huì)產(chǎn)生一定的電壓，在外電路閉合的情況下，電池可以輸出電流和功率。本發(fā)明的單氣室固體氧化物燃料電池是利用碳?xì)浠衔锏扔袡C(jī)物燃料與氧氣(或空氣)混合氣體作為基本原料，通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)直接獲得電能的新型電化學(xué)能源裝置，電池組為多個(gè)燃料單電池串聯(lián)組成，可以輸出較單個(gè)燃料電池更高的電壓或更大的電流。本發(fā)明電池組只需一個(gè)氣室，不再需要對(duì)以往雙氣室之間相互密封，不但減少了制作的程序，而且降低了對(duì)材料和制作工藝的要求；本發(fā)明電池的串聯(lián)在少數(shù)幾個(gè)陶瓷元件上實(shí)現(xiàn)，不需要專門(mén)的連接體板塊，所以可以大大簡(jiǎn)化SOFC電池組的整體結(jié)構(gòu)，減小系統(tǒng)體積、重量和材料使用，降低成本；以片狀的模塊化電池組組成電池核，可以從氣室中取出進(jìn)行維修或更換，因此大大改善了電池組的日常維護(hù)和維修性能。本發(fā)明的單氣室SOFC電池組結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小巧，可以在簡(jiǎn)單的氣路(混合氣氛)中工作，產(chǎn)生較高的電壓和輸出功率，利于推廣應(yīng)用。


圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖，圖2是圖1的I處放大圖。
具體實(shí)施例方式
具體實(shí)施方式
一本實(shí)施方式包括設(shè)置在容器4中的一組電解質(zhì)片1，每個(gè)電解質(zhì)片1的兩面都交替設(shè)置有陽(yáng)極2和陰極3，且電解質(zhì)片1同一位置兩側(cè)電極的極性相反從而形成單電池A，在相鄰兩個(gè)單電池A的電解質(zhì)1-1之間設(shè)有電解質(zhì)隔離區(qū)1-2，單電池的陰極和下一個(gè)單電池的陽(yáng)極之間通過(guò)導(dǎo)體連接實(shí)現(xiàn)串聯(lián)，容器4中的所有電解質(zhì)片1都通過(guò)導(dǎo)線7連接使容器4中的所有單電池A實(shí)現(xiàn)串聯(lián)，所有串聯(lián)后的單電池成為一個(gè)串聯(lián)電池組。
具體實(shí)施方式
二本實(shí)施方式中各組電解質(zhì)片1之間相互平行設(shè)置，這種平行不是強(qiáng)調(diào)絕對(duì)平行，只需相互之間不交叉即可，可以為與氣體流動(dòng)方向同向的平行，也可以為與氣體流動(dòng)方向垂直方向的平行，在相鄰兩個(gè)電解質(zhì)片1之間設(shè)置陶瓷纖維作為支撐體6，并以高溫導(dǎo)線7實(shí)現(xiàn)連接，這樣在相鄰電解質(zhì)片之間就會(huì)形成可以橫向流動(dòng)的氣體輸送通道，以此來(lái)輸送燃料與氧氣混合反應(yīng)氣體與尾氣。
具體實(shí)施方式
三本實(shí)施方式中每個(gè)電解質(zhì)片1的兩面都交替設(shè)置有陽(yáng)極2和陰極3，陽(yáng)極的原料為過(guò)渡族金屬Ni與鑭系稀土氧化物CeO2的混合物，陰極的原料為稀土過(guò)渡族復(fù)合氧化物L(fēng)a0.7Sr0.3MnO3與過(guò)渡族氧化物MnO2的混合物，電解質(zhì)的原料為立方螢石結(jié)構(gòu)的氧化物固溶體氧化釔穩(wěn)定氧化鋯，在相鄰兩個(gè)單電池A的電解質(zhì)1-1之間設(shè)有電解質(zhì)隔離區(qū)1-2，電解質(zhì)隔離區(qū)1-2的形成方法為先將成型后的電解質(zhì)片1在900～1200℃下預(yù)燒結(jié)2～6h，形成有孔洞的素坯，在需要保留作為電極的區(qū)域進(jìn)行覆蓋后，再把含La和/或Pb的硝酸鹽的飽和溶液用注射器對(duì)預(yù)定的隔離區(qū)進(jìn)行注射，待其滲入后，在隨后的燒結(jié)過(guò)程中經(jīng)歷熱解和1000℃～1400℃下的高溫固相反應(yīng)形成La2Zr2O7和/或PbZrO3晶界雜相即可，本發(fā)明通過(guò)對(duì)電解質(zhì)改性處理增大局部的電解質(zhì)電阻形成電解質(zhì)隔離區(qū)，從而實(shí)現(xiàn)相鄰電池之間電路隔離以減小漏電的設(shè)計(jì)。單電池的陰極和下一個(gè)單電池的陽(yáng)極之間通過(guò)高溫合金連接實(shí)現(xiàn)串聯(lián)，高溫合金可以為不銹鋼片，容器4中的所有電解質(zhì)片1都通過(guò)導(dǎo)線連接使容器4中的所有單電池A實(shí)現(xiàn)串聯(lián)，所有串聯(lián)后的單電池成為一個(gè)串聯(lián)電池組，相鄰兩個(gè)電解質(zhì)片1之間以陶瓷纖維作為支撐體6，并以高溫導(dǎo)線7實(shí)現(xiàn)連接，這種由多個(gè)電解質(zhì)片組成的整個(gè)SOFC電池組系統(tǒng)裝入一個(gè)由高溫合金制成的罐狀容器中，電解質(zhì)片與罐狀容器之間也通過(guò)陶瓷纖維連接，然后通過(guò)管路向容器中通入反應(yīng)氣和排出尾氣，經(jīng)高溫導(dǎo)線輸出電流，此罐狀容器是一個(gè)單一的SOFC氣室，從而構(gòu)成一個(gè)完整的單氣室SOFC電池組。
具體實(shí)施方式
四本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
三不同的是，陽(yáng)極的原料為Cu或Co與Pr6O11的混合物，陰極的原料為稀土過(guò)渡族復(fù)合氧化物Sm0.5Sr0.5CoO3與過(guò)渡族氧化物為Cr2O3或Fe2O3的混合物，電解質(zhì)的原料為氧化釤摻雜氧化鈰，單電池的陰極和下一個(gè)單電池的陽(yáng)極之間通過(guò)鉻酸鑭陶瓷連接實(shí)現(xiàn)串聯(lián)，容器4中的所有單電池A都實(shí)現(xiàn)串聯(lián)，從而形成一個(gè)串聯(lián)電池組。
權(quán)利要求
1.一種單氣室固體氧化物燃料電池組成的電池組，它包括設(shè)置在容器(4)中的一組電解質(zhì)片(1)，其特征在于每個(gè)電解質(zhì)片(1)的兩面都交替設(shè)置有陽(yáng)極(2)和陰極(3)，且電解質(zhì)片(1)同一位置兩側(cè)電極的極性相反從而形成單電池(A)，在相鄰兩個(gè)單電池(A)的電解質(zhì)(1-1)之間設(shè)有電解質(zhì)隔離區(qū)(1-2)，單電池的陰極和下一個(gè)單電池的陽(yáng)極之間通過(guò)導(dǎo)體(5)連接實(shí)現(xiàn)串聯(lián)，容器(4)中的所有電解質(zhì)片(1)都通過(guò)導(dǎo)線(7)連接使容器(4)中的所有單電池(A)實(shí)現(xiàn)串聯(lián)，所有串聯(lián)后的單電池成為一個(gè)串聯(lián)電池組。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單氣室固體氧化物燃料電池組成的電池組，其特征在于各組電解質(zhì)片(1)之間相互平行設(shè)置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的單氣室固體氧化物燃料電池組成的電池組，其特征在于連接單電池的陰極和下一個(gè)單電池的陽(yáng)極之間的導(dǎo)體(5)為高溫合金或鉻酸鑭陶瓷。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的單氣室固體氧化物燃料電池組成的電池組，其特征在于陽(yáng)極(2)的原料為過(guò)渡族金屬與鑭系稀土氧化物的混合物，陰極(3)的原料為稀土過(guò)渡族復(fù)合氧化物與過(guò)渡族氧化物的混合物，電解質(zhì)(1-1)的原料為立方螢石結(jié)構(gòu)的氧化物固溶體。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的單氣室固體氧化物燃料電池組成的電池組，其特征在于陽(yáng)極原料中的過(guò)渡族金屬為Ni、Cu或Co，鑭系稀土氧化物為CeO2或Pr6O11，陰極原料中的稀土過(guò)渡族復(fù)合氧化物為L(zhǎng)a0.7Sr0.3MnO3或Sm0.5Sr0.5CoO3，過(guò)渡族氧化物為MnO2、Cr2O3或Fe2O3，電解質(zhì)原料中的立方螢石結(jié)構(gòu)的氧化物固溶體為氧化釔穩(wěn)定氧化鋯或氧化釤摻雜氧化鈰。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的單氣室固體氧化物燃料電池組成的電池組，其特征在于電解質(zhì)隔離區(qū)(1-2)的形成方法為先將成型后的電解質(zhì)片(1)在900～1200℃下預(yù)燒結(jié)2～6h，形成有孔洞的素坯，在需要保留作為電極的區(qū)域進(jìn)行覆蓋后，再把含La和/或Pb的硝酸鹽的飽和溶液用注射器對(duì)預(yù)定的隔離區(qū)進(jìn)行注射，待其滲入后，在隨后的燒結(jié)過(guò)程中經(jīng)歷熱解和1000℃～1400℃下的高溫固相反應(yīng)形成La2Zr2O7和/或PbZrO3晶界雜相，即為改性電解質(zhì)隔離區(qū)(1-2)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的單氣室固體氧化物燃料電池組成的電池組，其特征在于相鄰兩個(gè)電解質(zhì)片(1)之間以陶瓷纖維作為支撐體(6)并實(shí)現(xiàn)連接。
全文摘要
單氣室固體氧化物燃料電池組成的電池組，它涉及一種電池組。現(xiàn)有的雙氣室電池組對(duì)材料和制作工藝要求很高，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制作困難，維修難度大。本發(fā)明中每個(gè)電解質(zhì)片(1)的兩面都交替設(shè)置有陽(yáng)極(2)和陰極(3)，且電解質(zhì)片(1)同一位置兩側(cè)電極的極性相反從而形成單電池(A)，在相鄰兩個(gè)單電池(A)的電解質(zhì)(1－1)之間設(shè)有電解質(zhì)隔離區(qū)(1－2)，單電池的陰極和下一個(gè)單電池的陽(yáng)極之間通過(guò)導(dǎo)體連接實(shí)現(xiàn)串聯(lián)，容器(4)中的所有電解質(zhì)片(1)都通過(guò)導(dǎo)線連接使容器(4)中的所有單電池(A)實(shí)現(xiàn)串聯(lián)，所有串聯(lián)后的單電池成為一個(gè)串聯(lián)電池組。本發(fā)明降低了對(duì)材料和制作工藝的要求，減小了系統(tǒng)體積、重量和材料使用，降低了成本，利于推廣應(yīng)用。
文檔編號(hào)H01M8/24GK1564361SQ200410013620
公開(kāi)日2005年1月12日 申請(qǐng)日期2004年3月16日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月16日
發(fā)明者呂喆, 蘇文輝, 劉江, 黃喜強(qiáng), 劉志國(guó), 苗繼鵬, 李長(zhǎng)玉 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)