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技術

本發明專利技術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，更詳細地涉及利用包括管型重整器和管型反應器的電池組件的固體氧化物燃料電池用電池堆及其制備方法。根據本發明專利技術的固體氧化物燃料電池用電池堆，提供一種如下的大型固體氧化物燃料電池用電池堆及其制備方法，所述大型固體氧化物燃料電池用電池堆通過集成電池組件而成，所述電池組件將分割型電池管和重整器管間隔地設置在圓筒形或平管型的多孔支撐體上，所述分割型電池管形成有以小電阻串聯連接的單位電池，所述重整器管在相同形狀的支撐體的內部內置有重整催化劑，在管之間形成燃料氣體流動用流路。根據本發明專利技術的固體氧化物燃料電池用電池堆不僅可以大型化，而且在內部內置有重整器，使得容易進行熱調節，單位電池以電氣串聯及并聯混合結構連接，可以實現反應面積的大面積化及電池堆的高電壓化，此外，通過使用模塊化的電池疊層，可以通過替換進行維修。

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】
本專利技術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。
技術介紹
為了滿足高溫運轉帶來的燃料使用方面的多樣性，可以用于麗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S0FC)在75(Tl000°C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，可以用于麗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?；?。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75(T100(TC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°C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)ο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Imm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°C，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°C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。為了彌補這種平板型電池(cell)的缺點，在美國專利(US 6416897及US6429051)中公開了利用平管型(flat tube type)支撐體的單位電池及電池堆的開發。但是在這種情況下，為了堆疊，需要在平管型電池外部追加使用用于導入空氣或燃料極氣體的氣體流路和用于電氣連接的金屬電氣連接板。這種平管型結構雖然可以增加電池堆的機械強度，但由于電氣連接板材料為金屬的特性，因此在高溫運轉時，存在在陶瓷材質的EEA層之間產生機械及熱應力的問題等，而且由于只是串聯連接，因此需要配以無缺陷制備。為了解決這種以往的固體氧化物燃料電池的問題，提出有一種分割型電池管的制備，其中，在圓筒形或平管型支撐體外表面上沿管的長度方向分割涂布形成由陰極、電解質和陽極組成的小型單位電池，單位電池的陽極和相鄰的單位電池的陰極由電連接材料(interconnect)電氣連接。這種分割型電池具有輸出電壓根據在管上串聯連接的單位電池數量增加的特性，具有無需物理堆疊，電壓就可以比一般的平管型高的效果，具有可以將廉價的氧化鋁等絕緣體的支撐體用作管的優點，但存在電流會沿單位電池和電連接材料的薄膜長度方向流動，電阻高，導致功率密度低的缺點，而且為了追加生成空氣或燃料氣體通道，需要在管之間留有間隔進行堆疊或排列，在這種情況下存在不易實現管間電氣連接的問題。具體地，在使用圓筒形支撐體的分割型燃料電池中，在單位電池以陽極支撐型(cathode-supported type)制備的情況下,空氣供給向管的內側形成，燃料向管的外側供給，由此，在管外側由于還原性氣氛可以將一般的金屬材料用作電連接材料。陽極支撐體形態的圓筒形在機械特性和長期高溫穩定性上雖然非常優異，但由于電池自身內的電阻過大及輸出損失增加過大，大部分實際電功率通常顯示出200Mw/cm2以下的低值，而且制備費用高。陰極支撐(anode-supported)形態可以相反地供給燃料和空氣,但在這種情況下,會引發對于管外部電連接材料的腐蝕問題。圓筒形難以在管之間形成電氣連接，在美國專利US2007/0148523A1中例示了使用金屬線等將各圓筒形電池管電氣連接的方法。為了彌補這種圓筒形的缺點，在US 7，399，546B2、韓國專利10-2006-0030906及日本專利公開2006-172925等介紹了以與平管型管相同的方式將單位電池沿長度方向堆疊的平管分割型(flat tube segmented type)。對于堆疊設置平管分割的電池組件管的方法，可以有與普通的平管型一樣，在電池或堆疊設置用端口上利用各種附件設置電池，用玻璃等密封(日本專利公開2003-282107)，或幾乎不使用附件，通過銅焊直接連接的方法(日本專利公開2006-172925 )等。但是在分割型中，涉及了通過LaCrO3等的內部本文檔來自技高網...

【技術保護點】

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】...

【專利技術屬性】
技術研發人員：鄭鐘植，
申請(專利權)人：浦項工科大學校產學協力團，
類型：
國別省市：