专利名称：一种微管状陶瓷膜燃料单电池堆的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及燃料电池领域，具体是一种微管状陶瓷膜燃料单电池堆。
背景技术：
固体氧化物燃料电池(S0FC)，又称陶瓷膜燃料电池(Ceramic Membrane FuelCells CMFC)。陶瓷膜燃料电池技术产业化推广应用的关键在于单电池性能，电池 堆的结构设计以及电池的制作技术。为使S0FC/CMFC成为实用化的电源装置，近半个世 纪来，发展了多种单电池构型和相应的电池堆搭建方式。迄今，被广泛接受具有实际开发 前景的S0FC/CMFC构形主要有板状、大管状、微管状三种。2003年ELSEVIER出版社的《高 温固体氧化物燃料电池-—基础，设计和应用》(High Temperature Solid Oxide Fuel Cells -Fundamentals,Design andApplications,Edited by Subash C Singhal and Kevin Kendall) 一书的第八章对各种构形的S0FC/CMFC进行了详细的归纳描述平板状S0FC能 提供最高的单位面积电功率，并可以采用价格低廉的传统陶瓷加工工艺制造。然而，在构成 电池堆时必须对其边缘进行高温密封，技术难度高，至今为止仍未完全突破。另外，平板状 电池内的散热不良，所形成的高温度梯度引起的热应力会造成电池龟裂，也是尚待解决的 问题。大管状S0FC最初是由美国西屋电气公司(现已被德国西门子公司并购，改为西门 子-西屋公司)发展的，其突出优点是对密封要求不高，因而成为迄今最成功的一种S0FC 发电技术，但缺点是单位体积的功率密度较低，启动时间长(大约要数十分钟)，很难用于 诸如车船动力电源和其他一些常用或应急电源装置。第三种是在管状S0FC基础上发展起 来的所谓微管型SOFC(Micro-tubular S0FC)，其应用领域是小型用电体系，除了具有一般 大管状S0FC/CMFC的优点，如对密封要求低外，由于管壁薄，可以很快被加热到工作温度 (如800°C )，从而使启动时间缩短(大约1-2分钟)，另一优点是薄壁细管有很高的机械强 度，可以防止由于热应力引起的破裂损坏。但微管型S0FC/CMFC存在的问题是在由单电池 组成电池堆时，如何把各单电池的电极电流引出来和实现各单电池的串联连接。目前采用 的方法是在外侧电极上缠绕贵金属导线，内侧或用电极材料本身加上附加的金属导线实现 电极的导流，这样不仅提高了造价，工艺也十分繁杂，同时大大限制了单电池长度(每个单 管电池的有效发电长度仅为30mm)和电池堆规模。
实用新型内容本实用新型提供了一种微管状陶瓷膜燃料单电池堆，具有制备简单、结构强度高， 启动加热速度快、电流导出快的优点。本实用新型的技术方案为一种微管状陶瓷膜燃料单电池堆，包括数个微管状陶瓷膜燃料单电池以及各电池 之间的金属电连接装置；其特征在于所述的微管状陶瓷膜燃料单电池包括有中心导电棒，中心导电棒环壁固定有数个 陶瓷膜燃料单电池微管；所述的陶瓷膜燃料单电池微管包括3层，环状外层非支撑体电极、内层环状支撑体电极、以及非支撑体电极和支撑体电极之间的环状电解质层；所述的中心 导电棒与各陶瓷膜燃料单电池微管的环状外层非支撑体电极电接触连接；每个微管状陶瓷膜燃料单电池的两端分别安装有一个金属电连接装置，所述的金 属电连接装置，包括有导电金属帽接头，导电金属帽接头通过导电金属带与导电金属环连 接，导电金属环分别与陶瓷膜燃料单电池的各陶瓷膜燃料单电池微管的内层环状支撑体电 极一端电连接；同一个微管状陶瓷膜燃料单电池的两端的金属电连接装置的导电金属帽接头，分 别电连接于另一个陶瓷膜燃料单电池的的中心导电棒的两端，实现多个微管状陶瓷膜燃料 单电池之间中心导电棒的并联。所述的微管状陶瓷膜燃料单电池堆，其特征在于所述的导电金属环上连接有数 个导电金属接头或数个导电金属环，分别插入各陶瓷膜燃料单电池微管的内层环状支撑体 电极一端或套在各陶瓷膜燃料单电池微管的内层环状支撑体电极一端实现电连接。所述的微管状陶瓷膜燃料单电池堆，其特征在于所述的陶瓷膜燃料单电池微管 的外径为l-8mm，长度50-1000mm ；所述的中心导电棒为圆形棒或多棱边棒。所述的微管状陶瓷膜燃料单电池堆，其特征在于所述的电池之间的金属电连接 装置置于燃料气的氛围中使用，防止金属氧化。所述的微管状陶瓷膜燃料单电池堆是由数个微管状陶瓷膜燃料单电池并联连接 组成的；数个微管状陶瓷膜燃料单电池堆也可串联成具有更大电能的电池堆。微管状陶瓷 膜燃料单电池堆两端的两个微管状陶瓷膜燃料单电池，一端的微管状陶瓷膜燃料单电池上 的支撑体电极或非支撑体电极，作为电池堆的一个电极正极或负极，另一端的微管状陶瓷 膜燃料单电池上的支撑体电极或非支撑体电极作为电池堆的另一性质的电极负极或正 极；电池堆中串联连接位置不在两端的束状微管陶瓷膜燃料单电池，每一个单电池的非支 撑电极，束状微管陶瓷膜燃料单电池的中心导电棒，由电池之间的金属电连接装置与相邻 的微管状陶瓷膜燃料单电池的每一根陶瓷膜燃料单电池微管的支撑体电极连接；在操作发 电的电池堆中，微管状陶瓷膜燃料单电池处于三个不同的温度区，即状微管陶瓷膜燃料电 池的中间段，或电池的有效长度段，在高温区；电池的两端，电池的电联接端，以及各微管状 陶瓷膜燃料单电池的各陶瓷膜燃料单电池微管的支撑体电极内管两端与支撑体电极反应 气体进气室和出气室连接的密封位置，在电池堆的低温区；高温区和低温区之间是电池堆 的隔热区，或梯度温度区。所述的陶瓷膜燃料单电池微管支撑体电极可以是阳极，也可以是阴极，相应的非 支撑体电极可以是阴极，也可以是阳极。为了提高燃料的利用率，一般是加大陶瓷膜燃料单电池微管的长度。但在无陶瓷 连接材料的细管情况下，微管长度收到严重限制，一般只能30-60cm。为了提高燃料的流程， 我国采用一种特殊设计的陶瓷端口部件对电池堆进行串联，达到这一目的。图5是这一部 件及其组装使用的示意图。可以看出，这种用于电池堆构建的端头部件，可以使燃料气从一 组平行的微管单电池中出来后在进入另一组电池中(图中为3倍于管长)，这样相当于增长 了管子长度，而又不影响电池的集电。
图1是本实用新型的微管状陶瓷膜燃料单电池的截面结构示意图。图2是本实用新型的微管状陶瓷膜燃料单电池的轴向剖面结构示意图。图3是本实用新型的轴向剖面结构示意图。图4是本实用新型的微管状陶瓷膜燃料单电池之间的金属电连接装置的结构示 意图。图5是本实用新型的的电流引出示意图。
具体实施方式
一种微管状陶瓷膜燃料单电池堆，包括微管状陶瓷膜燃料单电池以及电池之间的 金属电连接装置。微管状陶瓷膜燃料单电池包括有中心导电棒2，中心导电棒2周围平行固定有陶 瓷膜燃料单电池微管1 ；所述的陶瓷膜燃料单电池微管包括3层，环状外层非支撑体电极3、 内层环状支撑体电极4、以及非支撑体电极3和支撑体电极4之间的环状电解质层5 ；中心 导电棒2与陶瓷膜燃料单电池微管1的环状外层非支撑体电极3电接触连接；陶瓷膜燃料 单电池微管1的外径为l_8mm，长度50-1000mm ；中心导电棒2为圆形棒或多棱边棒。微管状陶瓷膜燃料单电池的两端分别连接有金属电连接装置，金属电连接装置包 括有固定连接中心导电棒端头的导电金属帽接头5，导电金属帽接头5通过导电金属带9与 导电金属环7连接，导电金属环7与插于陶瓷膜燃料单电池微管1内层环状支撑体电极4 的导电金属接头8固定连接；导电金属接头8与陶瓷膜燃料单电池微管1内的支撑体电极 4电接触连接。电池之间的金属电连接装置置于燃料气的氛围中使用，防止金属氧化。上一个微管状陶瓷膜燃料单电池两端的导电金属帽接头5与下一个微管状陶瓷 膜燃料单电池的中心导电棒2电连接，实现单电池堆的构造。导电金属带9的长度大于或等于电池堆中两个相邻被金属电连接的微管状陶瓷 膜燃料单电池之间的距离；所述的导电金属带9的长度加上导电金属环7的半径，再加上导 电金属帽接头6的径向最大尺寸总长度的的二分之一，大于两个相邻的中心导电棒2之间 的距离；中心导电棒2的长度大于陶瓷膜燃料单电池微管1的长度。
权利要求一种微管状陶瓷膜燃料单电池堆，包括数个微管状陶瓷膜燃料单电池以及各电池之间的金属电连接装置；其特征在于所述的微管状陶瓷膜燃料单电池包括有中心导电棒，中心导电棒环壁固定有数个陶瓷膜燃料单电池微管；所述的陶瓷膜燃料单电池微管包括3层，环状外层非支撑体电极、内层环状支撑体电极、以及非支撑体电极和支撑体电极之间的环状电解质层；所述的中心导电棒与各陶瓷膜燃料单电池微管的环状外层非支撑体电极电接触连接；每个微管状陶瓷膜燃料单电池的两端分别安装有一个金属电连接装置，所述的金属电连接装置，包括有导电金属帽接头，导电金属帽接头通过导电金属带与导电金属环连接，导电金属环分别与陶瓷膜燃料单电池的各陶瓷膜燃料单电池微管的内层环状支撑体电极一端电连接；同一个微管状陶瓷膜燃料单电池的两端的金属电连接装置的导电金属帽接头，分别电连接于另一个陶瓷膜燃料单电池的的中心导电棒的两端，实现多个微管状陶瓷膜燃料单电池之间中心导电棒的并联。
2.根据权利要求1所述的微管状陶瓷膜燃料单电池堆，其特征在于所述的导电金属 环上连接有数个导电金属接头或数个导电金属环，分别插入各陶瓷膜燃料单电池微管的内 层环状支撑体电极一端或套在各陶瓷膜燃料单电池微管的内层环状支撑体电极一端实现 电连接。
3.根据权利要求1所述的微管状陶瓷膜燃料单电池堆，其特征在于所述的陶瓷膜燃 料单电池微管的外径为l-8mm，长度50-1000mm ；所述的中心导电棒为圆形棒或多棱边棒。
4.根据权利要求1所述的微管状陶瓷膜燃料单电池堆，其特征在于所述的电池之间 的金属电连接装置置于燃料气的氛围中使用，防止金属氧化。
专利摘要本实用新型公开了一种微管状陶瓷膜燃料单电池堆，包括数个微管状陶瓷膜燃料单电池以及各电池之间的金属电连接装置；所述的每个微管状陶瓷膜燃料单电池包括有中心导电棒，中心导电棒环壁固定有数个陶瓷膜燃料单电池微管；所述的陶瓷膜燃料单电池微管包括3层，环状外层非支撑体电极、内层环状支撑体电极、以及非支撑体电极和支撑体电极之间的环状电解质层；所述的中心导电棒与金属电连接装置将各微管状陶瓷膜燃料单电池的两个电极并联，构成电池堆。具有制备简单、结构强度高，启动加热速度快、电流导出快的优点。
文档编号H01M2/20GK201608235SQ20102011545
公开日2010年10月13日 申请日期2010年2月9日 优先权日2010年2月9日
发明者刘杏芹, 刘铭飞, 孟广耀, 彭定坤 申请人:合肥长城新元膜科技有限责任公司