便携式电源用管式固体氧化物燃料电池堆及其组装方法
【专利摘要】本发明提供了一种便携式电源用管式固体氧化物燃料电池堆及其组装方法，包括发电单元、燃料主进气管、燃料进气支管，以及气体分配器，所述发电单元由多个阳极支撑管式SOFC电池单元串联而成，每个阳极支撑管式SOFC电池单元通过燃料进气支管安装在气体分配器的预留孔内，燃料经燃料主进气管进入到气体分配器内，然后经燃料进气支管分配给每个发电单元。本发明实现了管式固体氧化物燃料电池堆的组装，为采用阳极支撑管式SOFC电池的便携式电堆设计提供了方向。
【专利说明】便携式电源用管式固体氧化物燃料电池堆及其组装方法
【技术领域】:
[0001]本发明属于燃料电池应用领域，涉及一种便携式电源用管式固体氧化物燃料电池堆及其组装方法。
【背景技术】:
[0002]传统的便携式电源采用二次电池作为储能装置，例如铅酸电池、镍氢电池等。该类产品的缺点是能量密度低、充电时间长以及环境不友好等缺点。随着手机、便携式电脑等电子产品的迅猛发展，对电源在能量密度和轻量化方面的要求日益提高。传统电池已经成为制约这些产品续航时间的主要因素，开发新型便携式电源的需求日益迫切。
[0003]燃料电池作为一种新型能源技术，具有高效、清洁、安全可靠等诸多优点。燃料电池在便携式电源方面应用领域中，基于质子交换膜燃料电池(Proton Exchange MembraneFuel Cell, PEMFC)的直接甲醇燃料电池(Direct Methanol Fuel Cell, DMFC)研究和应用最为广泛。DMFC最为便携式电源应用的优点是电池工作温度低，所以电源启动时间快，但催化剂中毒和甲醇渗透是其应用的最大障碍。
[0004]固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell, S0FC)除了具有上述燃料电池的共同优点外，其全固态、模块化的设计使其可以满足从小型便携式电源到大型发电设备的全应用要求。SOFC工作温度高(600-800°C)，相比于PEMFC，能够满足含碳燃料催化重整要求，可直接采用多种碳氢燃料进行发电，所以燃料选择具有广泛性。作为便携式电源应用时，要求在短时间(几分钟)内可以达到工作温度，所以对SOFC单电池的抗热震性能要求高。管式SOFC结构具有良好的抗热震性能，是目前便携式电源开发领域普遍采用的构型。阳极支撑管式SOFC是管式电极支撑结构的一种，相比于阴极支撑管式结构，其优点为制备工艺简单、成本低、电池极化低，批量化制备容易。一般SOFC单电池在工作时电压仅有0.7V左右，而电流可以达到数安培，所以在实际应用中需将多个单电池进行串并联组成电池堆以提高输出电压和输出功率。便携式电源用SOFC电池堆的设计还要求电池堆结构简单、可靠、组装简单、可适用多种燃料。
[0005]针对上述便携式电源用SOFC电池堆的设计要求，采用阳极支撑管式SOFC单电池组装电池堆是该领域的开发热点，但目前还没有出现成熟的商品，所以采用阳极支撑管式SOFC单电池的便携式电堆设计及组装具有良好的商业前景。
【发明内容】
:
[0006]本发明提供了一种便携式电源用管式固体氧化物燃料电池堆及其组装方法，结构简单、性能可靠，为采用阳极支撑管式SOFC单电池的便携式电堆设计提供了方向。
[0007]本发明采用以下技术方案:
[0008]一种便携式电源用管式固体氧化物燃料电池堆，包括发电单元、燃料主进气管、燃料进气支管，以及气体分配器，所述发电单元由多个阳极支撑管式SOFC电池单元串联而成，每个阳极支撑管式SOFC电池单元通过燃料进气支管安装在气体分配器的预留孔内，燃料经燃料主进气管进入到气体分配器内，然后经燃料进气支管分配给每个发电单元。
[0009]所述燃料主进气管上进一步设置有重整催化剂仓，当燃料为纯氢气时，燃料直接进入气体分配器，当燃料为含碳燃料时，则经过重整催化剂仓重整为氢气和一氧化碳的混合气后再进入气体分配器。
[0010]所述燃料进气支管和气体分配器的预留孔之间通过密封件密封。
[0011]所述密封件由玻璃浆料煅烧而成。
[0012]所述阳极支撑管式SOFC电池单元为一端封闭一端开口的管式结构，封闭端设置有电池连接极。
[0013]所述燃料进气支管的一端插入在气体分配器的预留孔内，另外一端延伸入阳极支撑管式SOFC电池单元的密封顶端。
[0014]所述电池连接极采用导电陶瓷材料制备而成。
[0015]所述燃料进气支管由氧化铝或氧化锆陶瓷材料制成。
[0016]所述气体分配器与重整催化剂仓以及燃料主进气管焊接为一体。
[0017]一种便携式电源用管式固体氧化物燃料电池堆的组装方法，包括以下步骤:(I)取燃料进气支管，裹上镍毡塞入阳极支撑管式SOFC电池单元的中空内部；(2)将燃料进气支管插入到气体分配器的预留孔，然后在预留孔和燃料进气支管之间的间隙填充作为密封件的玻璃浆料，干燥后，于900?1000°C煅烧，实现密封；(3)通过导线依次连接阳极支撑管式SOFC电池单元，最后引出正负极导线，完成组装。
[0018]与现有技术相比，本发明至少具有以下优点:在本发明结构中，发电单元通过燃料进气支管安装在气体分配器的预留孔内，所述燃料气主进气管安装在气体分配器上，这样，燃料经燃料气主进气管进入到气体分配器内，气体分配器分配后经燃料进气支管分配给各个发电单元进行发电。本发明结构简单，为采用阳极支撑管式SOFC单电池的便携式电堆设计提供了方向。此外，燃料尾气在发电单元出口处与空气混合燃烧，燃烧热预热燃料气体，维持电池堆运行温度。
【专利附图】
【附图说明】:
[0019]图1为本发明阳极支撑管式SOFC结构示意图，其中，图1 (a)为整体结构示意图，图1 (b)为电池阴极处的剖视图，图1 (C)为电池连接极处的剖视图；
[0020]图2为本发明阳极支撑管式SOFC单电池在不同温度下的放电性能曲线，其中，图2 (a)为780°C下的放电性能曲线，图2 (b)为850°C下的放电性能曲线；
[0021]图3为组装有6个单电池的便携式管式SOFC电池堆的结构示意图；
[0022]图4为本发明便携式管式SOFC电池堆放电性能曲线。
[0023]附图标记:1-燃料气主进气管，2-重整催化剂仓，3-发电单元，4-导线，5-密封件，6-燃料气进气支管，7-气体分配器；31-阳极支撑电解质复合膜管，32-电池阴极，33-电池连接极。
【具体实施方式】
[0024]本发明涉及的管式SOFC电池堆(如图3所示)包括:燃料气主进气管I (由金属材料制成)、重整催化剂仓2 (由金属材料制成)、阳极支撑管式SOFC电池单元3、气体分配器7 (由金属材料制成)、燃料进气支管(由陶瓷材料制成)、密封层5 (由玻璃制成)、导线4等。
[0025]所述的阳极支撑管式SOFC电池单元(如图1所示)为一端封闭一端开口的管式结构，包括阳极支撑电解质复合膜管31，该阳极支撑电解质复合膜管31的外周形成有电解质层，在电解质层外周形成有电池阴极32 ;在所述阳极支撑电解质复合膜管31的封闭端形成有电池连接极33，用于单电池之间的串联，所述电池连接极33是通过去除掉封闭端的电解质层后而直接形成在阳极支撑电解质复合膜管31的管壁外周的，这样，电池连接极33本身就与电池阳极接触，串联时，只需要将电池连接极33与另外的阳极支撑管式SOFC电池单元的电池阴极32通过导线4相连即可。
[0026]所述电池连接极3采用镓酸镧系等导电陶瓷材料制备，需满足导电、致密不泄露气体、氧化还原稳定性要求。
[0027]所述燃料气主进气管1、重整催化仓2、气体分配器7均采用耐热不锈钢材料加工--? 。
[0028]所述燃料进气支管6为氧化铝或氧化锆陶瓷材质。
[0029]所述的阳极支撑管式SOFC电池堆各组成部件功能为:
[0030]1、燃料气主进气管1，供应电池堆运行时所需燃料；
[0031]2、重整催化剂仓2，填充不同重整催化剂，重整催化含碳燃料，将其转化为CO与H2
混合气；
[0032]3、阳极支撑管式SOFC电池单元，即发电单元3 ；
[0033]4、气体分配器7，对燃料主进气管I的燃料进行均匀分配；气体分配器7与重整催化剂仓2、燃料主进气管I焊接在一起；调整气体分配器7中气体分配孔的数量，可调整电堆中发电单元数量，从而达到调节电堆设计功率的目的；
[0034]5、燃料进气支管6，将气体分配器7中的燃料气输送到每一个发电单元，陶瓷材质保证每个电池单元的绝缘；
[0035]6、密封件5，密封气体分配器7与陶瓷的燃料进气支管6的孔隙，保证燃料气供应至每个发电单元；
[0036]7、导线4，串联发电单元3进行组堆，收集并导出电池堆发出的电。
[0037]所述的阳极支撑管式SOFC电池堆的组装步骤依次可分为:单电池组装，密封处理，电堆集电组装。各步骤主要工序有:
[0038]第一步，在单电池阳极支撑体内侧制备阳极集电层(，然后取陶瓷的燃料进气支管6，裹上足够的镍毡塞入阳极支撑管式SOFC电池单元的密封顶端；
[0039]第二步为密封步骤，将燃料进气支管6插入到对应的气体分配器7预留孔内，将玻璃浆料灌入燃料进气支6管与预留孔的间隙，待其干燥后900~1000°C煅烧30分钟，完成燃料进气支管6与气体分配器7的密封，降到室温后检查密封性，若出现漏气，重复上述密封步骤；
[0040]第三步为电堆集电组装，通过导线依次串联每个单电池3，最后引出电堆的正负极导线，完成组装电池堆。
[0041]所述的阳极支撑管式SOFC电池堆的工作过程为:当电堆处于其工作温度时(600~800°C)时，燃料气由燃料气主进气管I通入，经重整催化剂仓2后进入气体分配器7，燃料气可以是H2或含碳燃料(如甲烷等)，纯H2直接进入气体分配器7，含碳燃料经过重整催化仓重整为H2与CO的混合气后进入气体分配器7 ;燃料经气体经分配器7均匀分配后由燃料进气支管6分配给每一个发电单元进行发电，由于燃料进气支管6是伸入至发电单元的封闭顶端(也就是说燃料进气支管是延伸到发电单位的电池连接极)，所以通入的燃料气是从发电单元3的封闭顶端回流至开口端的过程中进行发电，发出的电经串联导线从电堆正负极输出；未完全反应的燃料气在发电单元开口端与氧气发生燃料，燃料产生的热量供燃料气预热以及燃料重整催化所需热量。
[0042]与现有技术相比，本发明具有以下有益效果:
[0043]1、电池连接极33位于封闭端，集电容易，减小了电池堆的集电电阻；
[0044]2、电池连接极33位于单电池的封闭顶端，集电导线不受尾气火焰灼烧，提高了电池堆的高温运行稳定性和寿命；
[0045]3、电堆中电池不需要密封，不需尾气回收，简化了电池堆结构；
[0046]4、燃料尾气在电池出口处与空气混合燃烧，燃烧热能够预热燃料气体、维持电池堆运行温度；
[0047]5、电池堆自身带有催化重整仓设计，适用于多种含碳燃料发电。
[0048]阳极支撑管式SOFC单电池性能测试。
[0049]单电池性能测试过程为:
[0050]首先进行单电池组装，固定于测试电炉中，接入燃料气及氧化剂进气管。待电炉升温至工作温度(600?800°C )时，利用氮气排除燃料气管路中空气，然后通入氢气进行电池还原。待电池还原完毕，测试电池1-V-P曲线等电化学性能。
[0051]测试的电池的面积:阴极有效面积10.0cm2,电池连接极面积:3.1cm2 ;测试气体:H2, O2O H2 流量为 105ml/min, O2 流量为 80ml/min。
[0052]图2为该电池在不同温度下的电流密度-电压-功率密度曲线，其中图2(a)为 780 °C，图 2(b)为 850 °C。780 V 下 A-C (anode-cathode，阳极-阴极)与 1-C(interconnector-cathode 连接体-阴极)的开路电压(open circuit voltage, 0CV)分别为1.07V与0.96V ；A-C端与1-C端的最大功率密度分别为364.7mff cnT2与332.3mff cm2,1-C端可以输出整个电池功率的91%，效果良好。850°C测试结果与780°C类似，1-C端输出为382.5mff cm_2，达到A-C端的91%。该结果表明采用的单电池构造具有良好的性能输出。
[0053]管式SOFC电池堆测试
[0054]发电性能测试的实验条件为:燃料H2，流量为300ml/min，氧化剂为空气。
[0055]图4为电堆在750°C与850°C下的电流-电压-功率曲线图。可以看到，电堆在750°C下开路电压达到6.34V，最大功率为10.92W ;850°C下开路电压达到6.11V，最大功率为17.05W。组装的电池对成功发电，表明了设计方案的可行性。
【权利要求】
1.一种便携式电源用管式固体氧化物燃料电池堆，其特征在于:包括发电单元(3)、燃料主进气管(I)、燃料进气支管(6)，以及气体分配器(7)，所述发电单元(3)由多个阳极支撑管式SOFC电池单元串联而成，每个阳极支撑管式SOFC电池单元通过燃料进气支管(6 )安装在气体分配器(7)的预留孔内，燃料经燃料主进气管(I)进入到气体分配器(7)内，然后经燃料进气支管(6 )分配给每个发电单元(3 )。
2.如权利要求1所述的一种便携式电源用管式固体氧化物燃料电池堆，其特征在于:所述燃料主进气管(I)上进一步设置有重整催化剂仓(2)，当燃料为纯氢气时，燃料直接进入气体分配器(7)，当燃料为含碳燃料时，则经过重整催化剂仓(2)重整为氢气和一氧化碳的混合气后再进入气体分配器(7 )。
3.如权利要求1所述的一种便携式电源用管式固体氧化物燃料电池堆，其特征在于:所述燃料进气支管(6)和气体分配器(7)的预留孔之间通过密封件(5)密封。
4.如权利要求3所述的一种便携式电源用管式固体氧化物燃料电池堆，其特征在于:所述密封件(5)由玻璃浆料煅烧而成。
5.如权利要求1所述的一种便携式电源用管式固体氧化物燃料电池堆，其特征在于:所述阳极支撑管式SOFC电池单元为一端封闭一端开口的管式结构，封闭端设置有电池连接极(33)，该电池连接极(33)直接形成在阳极支撑管式SOFC电池单元的管壁外周，所述电池连接极与另外的阳极支撑管式SOFC电池单元阴极串联。
6.如权利要求5所述的一种便携式电源用管式固体氧化物燃料电池堆，其特征在于:所述燃料进气支管的一端插入在气体分配器(7)的预留孔内，另外一端延伸入阳极支撑管式SOFC电池单元的密封顶端。
7.如权利要求5所述的一种便携式电源用管式固体氧化物燃料电池堆，其特征在于:所述电池连接极(33)采用导电陶瓷材料制备而成。
8.如权利要求1所述的一种便携式电源用管式固体氧化物燃料电池堆，其特征在于:所述燃料进气支管由氧化铝或氧化锆陶瓷材料制成。
9.如权利要求1至8中任意一项所述的一种便携式电源用管式固体氧化物燃料电池堆，其特征在于:所述气体分配器(7)与重整催化剂仓(2)以及燃料主进气管(I)焊接为一体。
10.一种便携式电源用管式固体氧化物燃料电池堆的组装方法，其特征在于:包括以下步骤: 1)取燃料进气支管，裹上镍毡塞入阳极支撑管式SOFC电池单元的密封顶端； 2)将燃料进气支管(6)插入到气体分配器的预留孔，然后在预留孔和燃料进气支管(6)之间的间隙填充作为密封件(5)的玻璃浆料，干燥后，于900?1000°C煅烧，实现密封； 3)通过导线(4)依次连接阳极支撑管式SOFC电池单元，最后引出正负极导线，完成组装。
【文档编号】H01M8/24GK103490087SQ201310401329
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2013年9月5日 优先权日:2013年9月5日
【发明者】邵乐, 邓增社, 王苏健 申请人:陕西煤业化工技术研究院有限责任公司