本發明專利技術屬于固體氧化物燃料電池技術領域，具體為多孔陰極涂敷矩陣式的小型固體氧化物燃料電池裝置。該燃料電池裝置由若干單層電池堆疊合并串連連接構成，各單層電池堆之間由金屬網連接；將若干微管式固體氧化物燃料單電池置于矩陣式陰極模子中而構成單層電池堆，矩陣式陰極內壁與各單電池之間設有多孔陰極涂敷層。所述微管式固體氧化物燃料單電池包括：多孔陽極管、致密電解質膜、位于電解質膜和陰極間的保護層，最外層為陰極。本發明專利技術使用的單電池為微管結構，該結構對燃料電池在快速開啟、關閉過程中帶來的熱壓力，有良好的抗擊能力。此外該微管電池有很好的力學性能，抗壓碎壓力高達120MPa。本發明專利技術具有結構簡單、低成本、易替換、重量輕、壽命長等特點。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于燃料電池
，具體一種涉及多孔陰極涂敷矩陣式的小型固體氧化物燃料電池裝置，尤其是適合中低溫(小于650°c)操作的50 W級的發電裝置。
技術介紹
隨著現代工業的發展，煤，石油，天然氣等化石燃料的短缺和它們自身帶來的環境污染等問題使得人們需要去尋找高效的能源轉換方式和清潔的可替代新能源。通過電化學反應，燃料電池可將燃料中的化學能高效轉換為電能。其中，固體氧化物燃料電池 (SOFCs)是以氫或者碳氫化合物等為燃料的高效能量轉換裝置。SOFCs具有燃料適應性強，固體電解質穩定性好，功率密度高，環境友好無污染，尺寸和發電功率的靈活縮放，可實現熱電聯供等優點。目前固體氧化物燃料電池的結構主要有平板式和管式。管式的SOFCs最大優勢就是容易密封。尤其對于微管式SOFCs，除了易密封外，也容易啟動，可以實現數分鐘啟動(從室溫到工作溫度)。而平板式設計的SOFCs則需要數小時。此外，微管式設計還容易實現低溫操作。日本產業技術綜合研究所的研究員鈴木俊男等，通過改善陽極的微管結構，使得電池的能量密度高達I W cm_2 at 600°C。相關結果詳見=Science,第325期，852-855 頁，2009 年出版。然而，每個管式SOFC單電池的開路電壓只有I V左右，沒有太多實際用途。只有將若干單體進行堆疊，才能得到實際的電壓和功率需求。傳統的管式SOFCs電池堆的連接，一般是通過在陽極或者陰極的表面留出一條供連接使用的“連接帶”。通過該連接帶對SOFC的陽極或者陰極進行串連或者并聯。如西屋-西門子采用的長管電池長度和直徑分別為2. 2m和2. 2cm。如果管太小，“連接帶”的尺寸也需要隨之變小。而“連接帶”尺寸減小對制作技術要求非常高。如在本專利技術中所使用的微管直徑只有I. 8-2 mm，使用“連接帶”進行串連將操作幾乎不可能。所以，要使用微管燃料電池的連接成堆，需要另辟新徑。中國專利技術專利200510101487. 3公開了 “錐管式陽極支撐固體氧化物燃料電池單體及電池組”。是通過錐形SOFC的形狀特點陽極多孔支撐體一端開口大，一端開口小，小開口端的外緣為弧形。有效解決了，燃料電池堆密封以及連接上的困難，實現可小型化SOFC電池堆的成功組裝。然而該專利所述結構也始終沒有解決固體氧化物燃料電池組的快速啟動問題。而快速開啟對于燃料電池在移動電源和電動汽車領域的應用有非常重要。其次，低溫工作條件下，如何提高電池的能量密度也值得關注。隨著工作溫度的降低，會對電池帶來很多問題。其中最突出問題之一就是電極的極化電阻的增大。比如在低溫操作下，氧氣電化學還原為氧離子(陰極材料表面)的反應緩慢，氧離子擴散速度下降；并由此引起電池能量密度降低，燃料利用率不高和燃料浪費。
技術實現思路
本專利技術的目的在于克服上述技術難題，提供一種啟動快速、燃料利用率高的小型固體氧化物燃料電池堆。本專利技術提供的小型固體氧化物燃料電池裝置，由若干單層電池堆疊合串聯連接構成，各單層電池堆之間由金屬網連接；每個單層電池堆由若干微管式固體氧化物燃料單電池置于矩陣式陰極模子中并聯連接構成，矩陣式陰極模子內壁與各單電池之間設有多孔陰極涂敷層；所述微管式固體氧化物燃料單電池由內到外依次為多孔陽極管、致密電解質膜、位于電解質膜和陰極間的保護層，最外為層陰極。本專利技術中，單層電池堆的制備方法如下矩陣式陰極模子中的空管直徑略大于微管式單電池的直徑，在矩陣陰極模子和陽極支撐的微管式單電池分別燒結好后，在矩陣陰極模子內壁涂敷多孔陰極層漿料，在多孔陰極層漿料未干之前，將陽極支撐的微管式單電池放置于矩陣陰極管模子中，最后在1000°c燒結完成電池堆制作。 本專利技術中，電池堆層數的大小和單電池數目的使用根據所需電源的電壓和電流決定。所述的多孔陰極涂敷層由LSCF (為鍶、鐵摻雜的鈷酸鑭類(La6Sa4Ca2Fa8)的簡稱)、GDC (釓摻雜的氧化鈰的簡稱)粉料及PMMA (聚甲基丙烯酸甲酯)微球，按重量比為為15 :5 :4— 2混合組成；其中，LSCF和⑶C為陰極材料，PMMA微球為發孔劑，微球直徑為1.5μπι。制備時，以酒精作為母液，將它們配成一定濃度的泥漿，用絲網印花技術噴涂于矩陣陰極模子的空管內壁，多孔陰極涂敷層厚度大約為150-250 μ m。微管單電池的陽極由氧化亞鎳(NiO)和YSZ (氧化釔穩定化氧化鋯的簡稱)粉體制成。致密電解質膜由ScSZ (氧化鈧穩定氧化鋯的簡稱)組成；保護層材料為GDC，陰極層材料為LSCF ;所述電解質、保護層和陰極層的制作都是通過浸涂方法完成。本專利技術的電池裝置中，可根據電壓大小選擇構成串連連接的單層電池堆的層數，一般地單層電池堆的層數為3 —10 ;單層電池堆中，可根據電流大小，選擇單個微管單電池的尺寸大小及個數，一般地單個微管單電池個數為5 —10，單個微管單電池的管徑為I. 8—2.5 mm，管長為 4一8 cm。作為一個例子，單層電池堆是由10根微管單電池組成。其制作過程為分別將單根微管單電池放入陰極模子的半空管，在多孔涂敷層噴涂后未干之前，利用其粘合力，粘合好，然后燒結。單層電池堆之間通過銀網連接，以逐步增大電池堆的功率。本專利技術在燃料電池堆的陰極矩陣內表面涂敷一層多孔電極材料，這樣既可以連接陰極矩陣和單根管式電池，同時又保證空氣在整個電池堆的陰極矩陣中充分流通。該涂敷層陰極不僅有極高的孔隙率(約為45 %)和良好的電導率，而且有很大的比表面積，考慮到材料本身具有催化能力(將氧氣變成氧離子)，就極大改善了陰極反應活性(增大材料和空氣接觸)，提高了在中低溫工作條件下(小于650°C)，燃料電池能量密度。本專利技術中使用的單電池為微管結構，該結構對燃料電池快速開啟(升溫)、關閉(降溫)而帶來的熱壓力，有良好的抗擊能力。此外，該微管電池有很好的力學性能，抗壓碎壓力高達120 MPa。微管結構是燃料電池堆設計的各種結構中極好的選擇。本專利技術具有結構簡單、低成本、易替換、重量輕、壽命長等特點。相對于現有技術，本專利技術有如下特點 (I)單電池為微管結構。耐熱壓力強，容易快速啟動。其空間尺寸小、容易制作。其具體尺寸可以根據所需大小調整。而起電解質層厚度，只有5 μπι,電解質歐姆電阻減小，電池輸出功率大大提高。(2)矩陣式電池堆，層與層之間是矩形，方便堆疊。由于是管式也容易密封。各層中若干個單管電池中有一個破損，不影響其他電池及電堆的工作。(3)多孔陽極支撐單電池，既增加陽極導電截面又支撐電解質膜。(4)涂敷陰極多孔涂敷層，除了粘結單電池和陰極矩陣之外，其多孔結構也保證了空氣的流通。此外，LSCF本身有作為催化劑的作用(將氧氣還原為氧離子)，考慮到其本身極大比表面積，則有增強氧離子生成的作用。(5)由于微管燃料電池的極好的微觀結構，使得整個電池堆在中低溫(小于650°C)工作的條件下有很高的功率密度。特別適合小型移動式電源或者內嵌式電源。附圖說明 圖I是本專利技術多孔陰極涂敷矩陣式小型固體氧化物燃料電池堆示意圖，包括微管單電池的側視圖、橫截面圖，單層陰極模子側視圖和電池堆鳥瞰。圖2是微管單電池的電子顯微鏡照片，其中，(a)微管陽極和電解質的橫截面，(b)微管陽極的內壁。圖3是多孔涂敷層的電子顯微鏡照片(左)和其電導率(右)。圖4是電池堆中微本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種多孔陰極涂敷矩陣式小型固體氧化物燃料電池裝置，其特征在于由若干單層電池堆疊合并串連連接構成，各單層電池堆之間由金屬網連接；每個單層電池堆由若干微管式固體氧化物燃料單電池置于矩陣式陰極模子中并聯連接構成，矩陣式陰極模子內壁與各單電池之間設有多孔陰極涂敷層；所述微管式固體氧化物燃料單電池由內到外依次為：多孔陽極管、致密電解質膜、位于電解質膜和陰極間的保護層，最外層為陰極。
【技術特征摘要】
【專利技術屬性】
技術研發人員：梁波，區瓊榮，梁榮慶，
申請(專利權)人：復旦大學，
類型：發明
國別省市：
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