技術領域

本發(fā)明涉及燃料電池技術領域，更具體地說，涉及一種管式固體氧化物燃料電池電池組及其制備方法。

背景技術：

隨著經濟和社會的發(fā)展，人類面臨越來越緊迫的環(huán)境和能源問題。燃料電池是一種高效的發(fā)電裝置，它直接將燃料的化學能轉化為電能，不經過熱機過程，從而其效率不受卡諾循環(huán)理想效率限制。燃料電池的研究有上百年的歷史，人們發(fā)明了多種燃料電池。其中固體氧化物燃料電池(SOFC)得到了極大的重視。目前固體氧化物燃料電池的發(fā)電效率可達50％，與汽輪機聯(lián)合循環(huán)發(fā)電的發(fā)電效率可達70％，進一步合理利用余熱，其效率能夠達到80％以上。固體氧化物燃料電池的另一個優(yōu)點是可以減小污染，降低氮氧化物和顆粒物的排放。

固體氧化物燃料電池包含陰極腔和陽極腔，陰極腔通入氧氣，陽極腔通入燃料，通常為可燃性氣體。為了產生電能，陰極腔和陽極腔必須分別密封，當陰極氣體和陽極氣體發(fā)生泄漏，造成兩種氣體混合時，會使發(fā)電效率下降，較為嚴重時會發(fā)生爆炸，或者引起火災。固體氧化物燃料電池需要在較高的溫度下運行，通常運行溫度超過600℃，因此在高溫條件下，固體氧化物燃料電池的密封非常關鍵。由于固體氧化物燃料電池的陰極、電解質和陽極材料都具有陶瓷性質，陶瓷件之間不容易密封；另外，當這些材料與金屬連接時也會出現(xiàn)密封不好，膨脹系數(shù)不匹配的問題。

技術實現(xiàn)要素：

現(xiàn)有的固體氧化物燃料電池通常由多個部件組裝而成，多部件之間需采用各種手段保持高溫使用時密封。本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術中的不足，采用陶瓷密封燒結方式把電池所有部件密封燒結成一體，以解決固體氧化物燃料電池使用過程中存在的高溫密封困難的問題。

本發(fā)明的目的通過下述技術方案予以實現(xiàn)。

一種管式固體氧化物燃料電池電池組，包括燃料電池陽極氣路上接頭、陰極進氣管、陰極出氣管、陰極外殼、陰極接線柱、陽極接線柱、燃料電池發(fā)電管體組以及燃料電池陽極氣路下接頭，在陰極外殼內設置有燃料電池發(fā)電管體組，燃料電池發(fā)電管體組由燃料電池發(fā)電管體組成，燃料電池發(fā)電管體的數(shù)量大于等于二根，燃料電池發(fā)電管體沿陰極外殼圓周均勻設置，燃料電池發(fā)電管體的長度小于或者等于或者大于陰極外殼的長度，在陰極外殼與燃料電池發(fā)電管體之間設置有陰極進氣管和陰極出氣管，陰極進氣管一端設置在陰極外殼的外部頂端或者陰極外殼的外部底端，陰極進氣管另一端伸入到陰極外殼的內部底端附近，陰極出氣管一端設置在陰極外殼的外部頂端或者陰極外殼的外部底端，陰極出氣管另一端伸入到陰極外殼的內部頂端附近或者陰極外殼的內部底端附近，在燃料電池發(fā)電管體組上端設置有燃料電池陽極氣路上接頭，在燃料電池發(fā)電管體組下端設置有燃料電池陽極氣路下接頭，在燃料電池發(fā)電管體外側與陰極外殼相接觸處設置有陰極接線柱，陰極接線柱一端設置在陰極外殼內部，陰極接線柱另一端設置在陰極外殼外部，在燃料電池發(fā)電管體內側設置有陽極接線柱，陽極接線柱一端設置在燃料電池發(fā)電管體內部，陽極接線柱另一端設置在燃料電池發(fā)電管體外部且穿出燃料電池陽極氣路上接頭，燃料電池發(fā)電管體由燃料電池陽極集流層、燃料電池陽極層、燃料電池電解質層、燃料電池陰極以及燃料電池陰極集流層組成，燃料電池陽極集流層、燃料電池陽極層、燃料電池電解質層、燃料電池陰極以及燃料電池陰極集流層由內至外以同心圓方式依次設置，燃料電池發(fā)電管體整體呈圓筒形狀；燃料電池陽極氣路上接頭采用圓筒形狀，橫截面呈“凸”形結構，上接頭上開口的數(shù)量為1，上接頭下開口的數(shù)量等于燃料電池發(fā)電管體的數(shù)量或者上接頭下開口的數(shù)量為1，燃料電池陽極氣路下接頭采用圓筒形狀，橫截面呈倒置“凸”形結構，下接頭上開口的數(shù)量為1或者下接頭上開口的數(shù)量等于燃料電池發(fā)電管體的數(shù)量，下接頭下開口的數(shù)量為1。

燃料電池陽極氣路上接頭采用上接頭上開口數(shù)量為1，上接頭下開口數(shù)量等于燃料電池發(fā)電管體的數(shù)量的上接頭，與燃料電池陽極氣路下接頭采用下接頭上開口數(shù)量等于燃料電池發(fā)電管體的數(shù)量，下接頭下開口數(shù)量1的下接頭相配合使用；或者燃料電池陽極氣路上接頭采用上接頭上開口數(shù)量為1，上接頭下開口數(shù)量為1的上接頭，上接頭下開口的直徑小于陰極外殼的直徑大于燃料電池發(fā)電管體組的直徑，與燃料電池陽極氣路下接頭采用下接頭上開口數(shù)量等于燃料電池發(fā)電管體的數(shù)量，下接頭下開口數(shù)量1的下接頭相配合使用；或者燃料電池陽極氣路上接頭采用上接頭上開口數(shù)量為1，上接頭下開口數(shù)量等于燃料電池發(fā)電管體的數(shù)量的上接頭，與燃料電池陽極氣路下接頭采用下接頭上開口數(shù)量為1，下接頭下開口數(shù)量1的下接頭相配合使用，下接頭下開口的直徑小于陰極外殼的直徑大于燃料電池發(fā)電管體組的直徑。

陰極進氣管一端設置在陰極外殼的外部頂端，陰極進氣管另一端伸入到陰極外殼的內部底端附近，與陰極出氣管一端設置在陰極外殼的外部頂端，陰極出氣管另一端伸入到陰極外殼的內部頂端附近相配合使用；或者陰極進氣管一端設置在陰極外殼的外部頂端，陰極進氣管另一端伸入到陰極外殼的內部底端附近，與陰極出氣管一端設置在陰極外殼的外部底端，陰極出氣管另一端伸入到陰極外殼的內部底端附近相配合使用；或者陰極進氣管一端設置在陰極外殼的外部底端，陰極進氣管另一端伸入到陰極外殼的內部底端，與陰極出氣管一端設置在陰極外殼的外部頂端，陰極出氣管另一端伸入到陰極外殼的內部頂端附近相配合使用；或者陰極進氣管一端設置在陰極外殼的外部底端，陰極進氣管另一端伸入到陰極外殼的內部底端，與陰極出氣管一端設置在陰極外殼的外部底端，陰極出氣管另一端伸入到陰極外殼的內部底端附近相配合使用。

在燃料電池陽極氣路上接頭和燃料電池發(fā)電管體的接口處、燃料電池陽極氣路下接頭和燃料電池發(fā)電管體的接口處設置凹槽或卡槽。

在燃料電池陽極氣路上接頭設置冷卻夾套，冷卻夾套上設置有冷卻介質進口和冷卻介質出口；或者在燃料電池陽極氣路上接頭外側設置冷卻盤管，并設置冷卻介質進口和冷卻介質出口。

在燃料電池陽極氣路下接頭設置冷卻夾套，冷卻夾套上設置有冷卻介質進口和冷卻介質出口；或者在燃料電池陽極氣路下接頭外側設置冷卻盤管，并設置冷卻介質進口和冷卻介質出口。

陰極接線柱以及陽極接線柱采用金屬鉑。

陰極外殼、陰極進氣管、陰極出氣管、燃料電池陽極氣路上接頭、燃料電池陽極氣路下接頭采用氧化鋁、氧化鋯、莫來石或者堇青石。

燃料電池陽極集流層以及燃料電池陰極集流層采用金屬鉑。

一種管式固體氧化物燃料電池電池組的制備方法，燃料電池發(fā)電管體用高溫陶瓷膠與陰極腔體粘接燒結密封，并引出陰極接線柱和陽極接線柱，燃料電池發(fā)電管體下端用高溫陶瓷膠與燃料電池陽極氣路下接頭密封粘接燒結，燃料電池發(fā)電管體上端用高溫陶瓷膠與燃料電池陽極氣路上接頭密封粘接燒結，燃料電池陽極氣路上接頭、燃料電池發(fā)電管體和燃料電池陽極氣路下接頭組成了陽極腔體，并將陽極接線柱引出，燃料電池陽極氣路下接頭的下開口作為陽極進氣口，燃料電池陽極氣路上接頭的上開口作為陽極出氣口，陰極外殼、陰極進氣管和陰極出氣管用高溫陶瓷密封膠密封粘接燒結，得到陰極腔體，燃料電池陰極腔體與陽極腔體密封粘接燒結得到燒結成一體的管式固體氧化物燃料電池電池組。

本發(fā)明的有益效果為：燃料電池發(fā)電管體兩端為陶瓷接口，陶瓷接口可以根據(jù)外氣路接口的形狀進行設計。采用陶瓷燒結密封的方法將該燃料電池電池組的陰極外殼、陰極進氣管、陰極出氣管、陽極腔體、燃料電池陽極氣路上接頭、燃料電池陽極氣路下接頭、發(fā)電管體和電極燒結成一體，除少量金屬材質的部件外，其余各部件均為陶瓷性質的材料，熱膨脹系數(shù)接近，有利于密封燒結，該燃料電池電池組燒結成一體的陶瓷結構避免了固體氧化物燃料電池在高溫工作條件下密封困難的問題，使固體氧化物燃料電池的進一步組裝和構建更加容易。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的結構剖面示意圖A，其中，1為燃料電池陽極氣路上接頭，2為陰極進氣管，3為陰極出氣管，4為陰極外殼，5為陰極接線柱，6為陽極接線柱，7為燃料電池發(fā)電管體，8為燃料電池陽極氣路下接頭；

圖2是本發(fā)明的結構剖面示意圖B，其中，1為燃料電池陽極氣路上接頭，2為陰極進氣管，3為陰極出氣管，4為陰極外殼，5為陰極接線柱，6為陽極接線柱，7為燃料電池發(fā)電管體，8為燃料電池陽極氣路下接頭；

圖3是本發(fā)明中無冷卻夾套或冷卻盤管的燃料電池陽極氣路上接頭與燃料電池陽極氣路下接頭的結構示意圖，其中，(a)為燃料電池陽極氣路上接頭，(b)為燃料電池陽極氣路下接頭，11為上接頭上開口，12為上接頭下開口，13為上接頭筒腔，14為上接頭筒壁，81為下接頭上開口,82為下接頭下開口，83為下接頭筒腔，84為下接頭筒壁；

圖4是本發(fā)明中有冷卻盤管的燃料電池陽極氣路上接頭與燃料電池陽極氣路下接頭的結構示意圖，其中，(a)為燃料電池陽極氣路上接頭，(b)為燃料電池陽極氣路下接頭，11為上接頭上開口，12為上接頭下開口，13為上接頭筒腔，14為上接頭筒壁，81為下接頭上開口,82為下接頭下開口，83為下接頭筒腔，84為下接頭筒壁,9為冷卻盤管；

圖5是本發(fā)明中燃料電池發(fā)電管體的截面示意圖，其中，71為燃料電池陽極集流層，72為燃料電池陽極層，73為燃料電池電解質層，74為燃料電池陰極，75為燃料電池陰極集流層。

具體實施方式

下面通過具體的實施例對本發(fā)明的技術方案作進一步的說明。

如圖1和圖2所示，一種管式固體氧化物燃料電池電池組，其中，1為燃料電池陽極氣路上接頭，2為陰極進氣管，3為陰極出氣管，4為陰極外殼，5為陰極接線柱，6為陽極接線柱，7為燃料電池發(fā)電管體，8為燃料電池陽極氣路下接頭。

一種管式固體氧化物燃料電池電池組，包括燃料電池陽極氣路上接頭、陰極進氣管、陰極出氣管、陰極外殼、陰極接線柱、陽極接線柱、燃料電池發(fā)電管體組以及燃料電池陽極氣路下接頭，在陰極外殼內設置有燃料電池發(fā)電管體組，燃料電池發(fā)電管體組由燃料電池發(fā)電管體組成，燃料電池發(fā)電管體的數(shù)量為二根，燃料電池發(fā)電管體沿陰極外殼圓周均勻設置，燃料電池發(fā)電管體的長度小于或者等于或者大于陰極外殼的長度，在陰極外殼與燃料電池發(fā)電管體之間設置有陰極進氣管和陰極出氣管。

陰極進氣管與陰極出氣管的設置方式包括：

第一種方式：陰極進氣管一端設置在陰極外殼的外部頂端，陰極進氣管另一端伸入到陰極外殼的內部底端附近，與陰極出氣管一端設置在陰極外殼的外部頂端，陰極出氣管另一端伸入到陰極外殼的內部頂端附近相配合使用，如圖1所示；

第二種方式：陰極進氣管一端設置在陰極外殼的外部頂端，陰極進氣管另一端伸入到陰極外殼的內部底端附近，與陰極出氣管一端設置在陰極外殼的外部底端，陰極出氣管另一端伸入到陰極外殼的內部底端附近相配合使用；

第三種方式：陰極進氣管一端設置在陰極外殼的外部底端，陰極進氣管另一端伸入到陰極外殼的內部底端，與陰極出氣管一端設置在陰極外殼的外部頂端，陰極出氣管另一端伸入到陰極外殼的內部頂端附近相配合使用，如圖2所示；

第四種方式：陰極進氣管一端設置在陰極外殼的外部底端，陰極進氣管另一端伸入到陰極外殼的內部底端，與陰極出氣管一端設置在陰極外殼的外部底端，陰極出氣管另一端伸入到陰極外殼的內部底端附近相配合使用。

在燃料電池發(fā)電管體組上端設置有燃料電池陽極氣路上接頭，在燃料電池發(fā)電管體組下端設置有燃料電池陽極氣路下接頭，燃料電池陽極氣路上接頭采用圓筒形狀，橫截面呈“凸”形結構，燃料電池陽極氣路下接頭采用圓筒形狀，橫截面呈倒置“凸”形結構；燃料電池陽極氣路上接頭與燃料電池陽極氣路下接頭的設置方式包括：

第一種方式：燃料電池陽極氣路上接頭采用上接頭上開口數(shù)量為1，上接頭下開口數(shù)量等于燃料電池發(fā)電管體的數(shù)量的上接頭，與燃料電池陽極氣路下接頭采用下接頭上開口數(shù)量等于燃料電池發(fā)電管體的數(shù)量，下接頭下開口數(shù)量1的下接頭相配合使用，如圖2所示；

第二種方式：燃料電池陽極氣路上接頭采用上接頭上開口數(shù)量為1，上接頭下開口數(shù)量為1的上接頭，上接頭下開口的直徑小于陰極外殼的直徑大于燃料電池發(fā)電管體組的直徑，與燃料電池陽極氣路下接頭采用下接頭上開口數(shù)量等于燃料電池發(fā)電管體的數(shù)量，下接頭下開口數(shù)量1的下接頭相配合使用；

第三種方式：燃料電池陽極氣路上接頭采用上接頭上開口數(shù)量為1，上接頭下開口數(shù)量等于燃料電池發(fā)電管體的數(shù)量的上接頭，與燃料電池陽極氣路下接頭采用下接頭上開口數(shù)量為1，下接頭下開口數(shù)量1的下接頭相配合使用，下接頭下開口的直徑小于陰極外殼的直徑大于燃料電池發(fā)電管體組的直徑，如圖1所示。

在燃料電池發(fā)電管體外側與陰極外殼相接觸處設置有陰極接線柱，陰極接線柱一端設置在陰極外殼內部，陰極接線柱另一端設置在陰極外殼外部，在燃料電池發(fā)電管體內側設置有陽極接線柱，陽極接線柱一端設置在燃料電池發(fā)電管體內部，陽極接線柱另一端設置在燃料電池發(fā)電管體外部且穿出燃料電池陽極氣路上接頭，燃料電池發(fā)電管體由燃料電池陽極集流層、燃料電池陽極層、燃料電池電解質層、燃料電池陰極以及燃料電池陰極集流層組成，燃料電池陽極集流層、燃料電池陽極層、燃料電池電解質層、燃料電池陰極以及燃料電池陰極集流層由內至外以同心圓方式依次設置，燃料電池發(fā)電管體整體呈圓筒形狀，燃料電池陽極集流層以及燃料電池陰極集流層采用金屬鉑或其它在燃料電池氣氛下穩(wěn)定的具有高導電率的金屬或合金材料。

在燃料電池陽極氣路上接頭和燃料電池發(fā)電管體的接口處、燃料電池陽極氣路下接頭和燃料電池發(fā)電管體的接口處設置凹槽或卡槽。

在燃料電池陽極氣路上接頭設置冷卻夾套，冷卻夾套上設置有冷卻介質進口和冷卻介質出口；或者在燃料電池陽極氣路上接頭外側設置冷卻盤管，并設置冷卻介質進口和冷卻介質出口。

在燃料電池陽極氣路下接頭設置冷卻夾套，冷卻夾套上設置有冷卻介質進口和冷卻介質出口；或者在燃料電池陽極氣路下接頭外側設置冷卻盤管，并設置冷卻介質進口和冷卻介質出口。

陰極接線柱以及陽極接線柱采用金屬鉑。

陰極外殼、陰極進氣管、陰極出氣管、燃料電池陽極氣路上接頭、燃料電池陽極氣路下接頭采用氧化鋁、氧化鋯、莫來石或者堇青石。燃料電池電池組的所有部件通過高溫陶瓷密封膠密封粘接成一體。

一種管式固體氧化物燃料電池電池組的制備方法，燃料電池發(fā)電管體用高溫陶瓷膠與陰極腔體粘接燒結密封，并引出陰極接線柱和陽極接線柱，燃料電池發(fā)電管體下端用高溫陶瓷膠與燃料電池陽極氣路下接頭密封粘接燒結，燃料電池發(fā)電管體上端用高溫陶瓷膠與燃料電池陽極氣路上接頭密封粘接燒結，燃料電池陽極氣路上接頭、燃料電池發(fā)電管體和燃料電池陽極氣路下接頭組成了陽極腔體，并將陽極接線柱引出，燃料電池陽極氣路下接頭的下開口作為陽極進氣口，燃料電池陽極氣路上接頭的上開口作為陽極出氣口，陰極外殼、陰極進氣管和陰極出氣管用高溫陶瓷密封膠密封粘接燒結，得到陰極腔體，燃料電池陰極腔體與陽極腔體密封粘接燒結得到燒結成一體的管式固體氧化物燃料電池電池組。

管式固體氧化物燃料電池電池組是通過所設計的多個燃料電池部件，采用高溫陶瓷密封膠密封、粘接、燒結而成。

分別得到固體氧化物燃料電池電池組的各個部件，然后進行粘接燒結。

燃料電池陰極外殼、陰極進氣管和陰極出氣管按圖1所示用高溫陶瓷密封膠密封粘接燒結，得到陰極腔體。

燃料電池發(fā)電管體用高溫陶瓷膠與陰極腔體粘接燒結密封，并引出陰極接線柱和陽極接線柱。

燃料電池兩端分別用高溫陶瓷膠與燃料電池陽極氣路上接頭和燃料電池陽極氣路上接頭粘接燒結密封，形成密封的陽極腔體，并將陽極接線柱引出。

整個燃料電池組制造過程中最關鍵的一環(huán)是所有燃料電池組的部件都通過高溫陶瓷膠密封粘接燒結成一體，分別形成有進、出氣路的密封的陰極腔體與陽極腔體。

以上對本發(fā)明進行了詳細說明，但所述內容僅為本發(fā)明的較佳實施例，不能被認為用于限定本發(fā)明的實施范圍。凡依本發(fā)明申請范圍所作的均等變化與改進等，均應仍歸屬于本發(fā)明的專利涵蓋范圍之內。