[发明专利]一种端口密封的双空心阳极支撑固体氧化物燃料电池装置

说明书

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种端口密封空心双阳极支撑固体氧化物燃料电池，尤其是适合中低温（小于600℃）操作的100 W级的发电装置。

背景技术

随着现代工业的发展,煤,石油,天然气等化石燃料的短缺和它们自身带来的环境污染等问题使得人们需要去寻找高效的能源转换方式和清洁的可替代新能源。通过电化学反应,燃料电池可将燃料中的化学能高效转换为电能。其中,固体氧化物燃料电池(SOFCs)是以氢或者碳氢化合物等为燃料的高效能量转换装置。SOFCs具有燃料适应性强，固体电解质稳定性好,功率密度高,环境友好无污染，尺寸和发电功率的灵活缩放，可实现热电联供等优点。将SOFCs的操作温度从传统的800-1000℃，降低到500℃以下的低温，可以实现电池的快速启动和关闭,降低各个部件的老化速率, 提高SOFCs寿命， 还可以使用廉价的不锈钢等作为连接材料， 大大降低成本。 为SOFCs的商业化提供有利条件。

但是操作温度的降低会带来很多问题。 其中最突出的是电阻的增加， 包括电解质的欧姆电阻和电极的极化电阻。 前者可以通过使用在低温下具有高电导率的新材料和降低电解质的厚度来解决。 而极化电阻增加,则是主要由于低温操作下，离子扩散速度下降， 以及电化学反应缓慢。 由此引起电池能量密度降低,燃料利用率不高和燃料浪费的问题。

中国发明专利CN201210147703.8公开了“一种阳极支撑固体氧化物燃料电池及其制备方法” 是通过引入使用NiO+YSZ作为材料阳极功能层，来提高了单电池的功率密度及电池的机械强度。虽然有一定效果，但是，也存在较大问题：一方面， 该功能层材料在高温烧结的过程中晶粒会变大，Ni作为催化剂效果会减弱。另一方面，如果使用碳氢化合物作为燃料，在高温工作的情况下，很快会有碳析出于该功能层，不但催化能力减低，而且会阻碍燃料气体扩散，使得发电效果变差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种燃料利用率高, 发电效能高的固体氧化物燃料电池。

本发明提供的固体氧化物燃料电池，由较小半径的空心阳极嵌入较大半径的空心阳极中，形成双阳极结构，内、外阳极等长；其中，小半径阳极管的出气口密封，大半径阳极管的入气口也密封，密封所用材料致密不透气；内、外阳极间用金属网隔开和固定；内阳极管采用孔隙率高的多孔材料。密封部位的密封材料如果与内阳极和外阳极相同，其烧结温度为1250℃ 。

本发明中，针对低温燃料利用率不高, 结合燃料沿着空心阳极流动的特征，把内阳极出气口密封, 让燃料沿着内阳极的多孔壁缓慢的渗透至外空心阳极；通过密封外阳极的一端, 使燃料从外阳极的出气口流出,极大的延长了燃料气流在阳极的通过时间, 提高燃料的利用率。

本发明所使用内、外阳极的内、外表面为波纹面、沟槽面或平滑面结构中的一种。这里的空心阳极通过预设定模子用机械挤压的方式成形。 可以随意设计模子的形状, 使得在挤压过程中在阳极的内外表面出现所需要的波纹面、沟槽面、平滑面结构, 来引导燃料气体沿既定路径流动。 

本发明所使用的内阳极根据密封效果的难易可以制成圆形、方形或三角形。

本发明所述的内阳极的材料，有极高的孔隙率。 所使用原料除了纳米镍粒子, 氧化钇稳定的氧化锆 (YSZ) 等传统电极材料外, 加入一体积比(电极材料和发孔剂体积比) ,半径大小为5μm的聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA)球形发孔剂，PMMA 在煅烧过程中于400℃ 左右烧尽, 原有体积形成微孔。控制好体积比最终可以形成孔隙率高达60% 空心阳极。  

所述的内、外阳极间的密封材料是固体氧化物燃料电池的阴极、阳极、电解质材料或陶瓷胶、玻璃胶。这里的内、外空心阳极是分开烧结。内阳极为了保持孔隙率, 烧结温度为1300℃,为了兼顾孔隙率和致密电解质的致密化, 外阳极和电解质层的共烧结温度为1350℃。由于内外阳极先分别煅烧好再密封, 所以可选择密封材料很多。 可以为导电的电极材料,或者为绝缘的密封剂. 此外也可以选择有催化能力的金属材料。 

所述的内外阳极分割材料一般为镍网。 用内嵌入的多片圆环形金属镍网可以固定两个空心阳极. 不同外径的内阳极选取不同环厚的镍网。 如果密封材料为阳极相同材料, 用镍金属网固定后, 再利用沾取涂布的方式，预封阳极端口。 经多次烧结-涂布-烧结, 以达到完全密封。 

所述的双阳极结构, 提高了阳极的抗破坏性。内阳极的局部漏气甚至破裂, 只要外阳极安全, 都可以保证该电池的正常工作. 更甚至于在内阳极毁坏的情况下,不会降低电池的发电效率。