1.本发明涉及固体氧化物燃料电池，尤其涉及一种管型固体氧化物燃料电池内电极集电组件及其应用。
背景技术：
2.固体氧化物燃料电池(sofc)是一种绿色清洁、安全可靠的能量转换装置，将存储在燃料中的化学能不经过卡诺循环而直接转化成电能，大大提高了燃料的利用率。除此以外，sofc具有燃料适用性强、余热品质高、无需贵金属催化剂、无腐蚀、无泄漏等诸多优点，使其在大、中、小型发电站，移动式、便携式电源，以及军事、航空航天等领域都有着广泛的应用前景。
3.单个sofc在稳定发电条件下只能提供0.6～0.8v的电压，为了获得较高的电压和功率，需将多个单电池以各种方式(串联、并联、混联)组装成电池组，形成电池堆。目前，sofc主要有板型和管型两种结构形式，无论哪种结构形式，都涉及到燃料电池单元之间连接和电流收集的问题。板型sofc发展时间较长，其连接体技术的发展已经比较成熟，而管型sofc由于其曲面的表面特征，电流收集一直相当困难，因此仍处于研究探索阶段。
4.对于较大尺寸的管型sofc，多采用侧向集电方式，即在管型电池上设置有沿电池轴线方向分布的长条形陶瓷连接体，在电池之间设置有多孔的柔性金属连接部件，该连接部件沿电池轴线方向上设置有与管型电池外形相匹配的集电网或集电罩。外电极与金属连接部件上的集电网或集电罩直接接触，实现电流侧向导出，内电极通过条形连接体与金属连接部件相连接，实现电流的侧向导出。专利us6001501、us6379831 b1、cn102760896 b均采用侧向集电方式。该集电方式的优点是电流传导路径短，电流损失小，但电池的制备工艺和电池组装工艺较为复杂，一般应用于固定电站中大尺寸管型电池的连接。对于中小型的移动电站或电源，一般采用长度较短的管型电池或微管电池，电池组中多采用纵向集电方式，即将电极的电流从管型电池的端部或中部导出。专利us2007141447a1、us2005147857a1、cn103094595a、cn101728558a、201611050286.x均采用这种纵向集电方式。该集电方式中，外电极电流通过包覆在外电极外侧的金、银、钯等贵金属或带有防护涂层的不锈钢集电部件导出，电流在外电极上的传输路径相对较短，电流损失小。而对于内电极，均采用在管型电池端部(一端或两端)设置集流部件，电流在内电极上的传输路径为整个管型电池的长度或管型电池长度的一半，电流损失相对较大。另外，在电池氧化还原过程中，电极材料发生不同程度地膨胀或收缩，可能导致电极内部的导电网络发生破坏，这进一步加剧了内电极的集电损失。因此，改善管型电池内电极的集电方式，减小内电极集电损失，成为本领域技术人员亟待解决的问题。
技术实现要素：
5.本发明的目的在于，针对现有技术的不足，克服中小型移动电站或电源管型sofc内电极集电损失大的问题，提供一种管型sofc内电极集电组件，以减小内电极集电损失，提
高电池性能。
6.本发明的技术方案如下：
7.本发明提供一种管型固体氧化物燃料电池内电极集电组件，所述内电极集电组件插设于管型固体氧化物燃料电池内部，所述内电极集电组件包括内部集电件和端部集电件，内部集电件和端部集电件之间通过环形金属筒连接，环形金属筒中空且两端无底；
8.所述内部集电件沿管型固体氧化物燃料电池轴线方向设置，所述内部集电件为圆柱体结构，内部集电件侧面设有电流收集通道和气体导流通道；所述气体导流通道为沿圆柱体轴线方向的螺旋形凹槽通道或竖直凹槽通道，螺旋形凹槽通道相邻两牙之间的凸起面或相邻两个竖直凹槽通道之间的凸起面为电流收集通道；气体导流通道为竖直凹槽通道时，气体导流通道数量至少为1个；内部集电件与环形金属筒连接的一端设有气体分布孔，所述气体分布孔使气体导流通道与环形金属筒连通；
9.所述端部集电件中轴线位置设置有气体通道，气体通道与环形金属筒连通。
10.进一步地，上述技术方案中，所述内部集电件和端部集电件的基材为fe基或ni基耐热合金中的一种或两种及以上。
11.进一步地，上述技术方案中，所述内部集电件和端部集电件采用固接方式相连接。
12.进一步地，上述技术方案中，所述管型固体氧化物燃料电池为由内到外依次为内部电极、电解质和外部电极组成的中空圆柱体型结构；所述内部集电件的形状和尺寸与内部电极的形状和尺寸相匹配；内部集电件插设于管型固体氧化物燃料电池内部电极围绕所形成的内部腔体中。
13.进一步地，上述技术方案中，所述环形金属筒的形状和尺寸与管型固体氧化物燃料电池端部的形状和尺寸相匹配，端部集电件设于管型固体氧化物燃料电池外部或插设于管型固体氧化物燃料电池内部。
14.进一步地，上述技术方案中，所述电流收集通道与管型固体氧化物燃料电池内部电极的内表面紧密接触；所述气体导流通道体积占管型固体氧化物燃料电池内部电极所形成的圆柱形腔体体积的20％～80％。
15.进一步地，上述技术方案中，所述内部集电件的制备方法包括金属薄板扭转、金属棒材切削或蚀刻。
16.本发明还提供了所述的管型固体氧化物燃料电池内电极集电组件的应用，将所述内电极集电件插设于管型固体氧化物燃料电池内部，与内部电极电连接，收集内部电极电流。
17.进一步地，上述技术方案中，所述的内电极集电组件对流入内部电极腔体的气体具有分布和导流的作用。
18.本发明的优势在于：
19.(1)本发明提供的管型固体氧化物燃料电池内电极集电组件包括内部集电件和端部集电件，其中内部集电件插设于内电极内部，其电流收集通道与内电极紧密配合实现电连接，大大减小了电流传输路径，能够减小内电极集电损失，从而大幅度提升电池性能。
20.(2)内部集电件上设置有气体导流通道，对流入内电极所围绕内部腔体的气体具有分布和导流的作用，可提高气体流速，提升燃料利用率。
附图说明
21.图1是本发明的实施例1的内电极集电组件示意图；
22.图2是本发明的实施例1的集电组件与管型固体氧化物燃料电池配合使用的剖面图；
23.图3是本发明的实施例2的内电极集电组件示意图；
24.图4是本发明的实施例2的集电组件与管型固体氧化物燃料电池配合使用的剖面图；
25.图5是本发明的实施例3的内电极集电组件示意图；
26.图6是本发明的实施例3的集电组件与管型固体氧化物燃料电池配合使用的剖面图；
27.图1—图6中：1、管型固体氧化物燃料电池单元，1a、内部电极，1b、电解质，1c、外部电极；2、内部集电件，3、端部集电件，4、电流收集通道，5、气体导流通道，6、环形金属筒，7、气体通道，8、气体分布孔；
28.图7是未采用本发明内电极集电组件和采用本发明内电极集电组件所得电池性能对比；图中，v0、v1、v2、v3分别为未采用本发明内电极集电组件和采用实施例1、2、3内电极集电组件所得电池的电压曲线；p0、p1、p2、p3分别为未采用本发明内电极集电组件和采用实施例1、2、3内电极集电组件所得电池的功率曲线。
具体实施方式
29.本发明可以有多种实施方式，图中所示和以下具体描述是本发明的一些具体实施方式和实施例，并不是用以限制本发明。
30.实施例1
31.如图1和图2所示，管型固体氧化物燃料电池内电极集电组件，应用于管型固体氧化物燃料电池单元1中，包括内部集电件2和端部集电件3。内部集电件2和端部集电件3的基材均为cr含量22％以上的ni基耐热合金。在本实施例中，所述管型固体氧化物燃料电池单元1为圆管型电池，从内至外依次设置有圆筒型的内电极1a、电解质层1b和外电极1c。内部集电件2和端部集电件3之间通过环形金属筒6连接，环形金属筒6中空且两端无底。
32.内部集电件2沿管型固体氧化物燃料电池轴线方向设置，所述内部集电件2为圆柱体结构，内部集电件2侧面设有电流收集通道4和气体导流通道5；所述气体导流通道5为沿圆柱体轴线方向的螺旋形凹槽通道，螺旋形凹槽通道相邻两牙之间的凸起面为电流收集通道4；内部集电件2与环形金属筒6连接的一端设有气体分布孔8，所述气体分布孔8使气体导流通道5与环形金属筒6连通；所述端部集电件3中轴线位置设置有气体通道7，气体通道7与环形金属筒6连通。
33.在本实施例中，内部集电件2通过金属棒材蚀刻出1条电流收集通道4和1条气体导流通道5，二者均沿管型电池轴线方向按螺旋方式分布。气体导流通道5体积占内电极所围绕内部腔体体积的25％。在本实施例中内部集电件2和端部集电件3分别加工后通过焊接进行两者固接，在连接处设置有气体分布孔8。内部集电件2的形状和尺寸与管型电池内部电极1a的形状和尺寸相匹配；内部集电件2插设于管型电池内部。端部集电件环形金属筒6的形状和尺寸与管型电池端头的形状和尺寸相匹配，端部集电件3插设于管型电池端头内部。
34.将该实施例中的集电组件插设于sofc管型电池内电极内部，利用该组件与内电极形状和尺寸的精密匹配实现电连接，收集内电极电流，减小集电损失。同时，螺旋式的气体导流通道，提高了流入气体的流速，提高了燃料利用率。与未使用内电极集电组件的电池性能对比见图7和表1。
35.实施例2
36.如图3和图4所示，与实施例1不同之处在于，内部集电件2和端部集电件3的基材均为cr含量17％以上的fe基耐热合金。在本实施例中，内部集电件2通过金属薄板扭转的方式制备获得，形成1条电流收集通道4和1条气体导流通道5，二者均沿管型电池轴线方向按螺旋方式分布。气体导流通道5体积占内电极所围绕内部腔体体积的75％。在本实施例中内部集电件2和端部集电件3分别加工后通过焊接进行两者固接，在连接处设置有气体分布孔8。内部集电件2的形状和尺寸与管型电池内部电极1a的形状和尺寸相匹配，插设于管型电池内部。端部集电件环形金属筒6的形状和尺寸与管型电池端头的形状和尺寸相匹配，套设于管型电池端头外部。
37.将该实施例中的集电组件应用于sofc管型电池内电极内部，收集内电极电流并提高流入气体的流速。与未使用内电极集电组件的电池性能对比见图7和表1。
38.实施例3
39.如图5和图6所示，与实施例1不同之处在于，内部集电件2通过金属棒材切削加工的方式制备获得，形成3条电流收集通道4和3条气体导流通道5，二者均沿管型电池轴线方向按竖直方式分布。气体导流通道5体积占内电极所围绕内部腔体体积的50％。与实施例1相同，在本实施例中内部集电件2和端部集电件3分别加工后通过焊接进行两者固接，在连接处设置有气体分布孔8。内部集电件2的形状和尺寸与管型电池内部电极1a的形状和尺寸相匹配，插设于管型电池内部。端部集电件环形金属筒6的形状和尺寸与管型电池端头的形状和尺寸相匹配，套设于管型电池端头外部。
40.将该实施例中的集电组件应用于sofc管型电池内电极内部，收集内电极电流并提高流入气体的流速。与未使用内电极集电组件的电池性能对比见图7和表1。
41.表1未使用内电极集电件和使用本发明实施例1～3集电件所制得电池在不同电压下的功率
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