[发明专利]多孔阴极涂敷矩阵式的小型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，具体一种涉及多孔阴极涂敷矩阵式的小型固体氧化物燃料电池装置，尤其是适合中低温（小于650℃）操作的50 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。目前固体氧化物燃料电池的结构主要有：平板式和管式。管式的SOFCs最大优势就是容易密封。尤其对于微管式SOFCs，除了易密封外，也容易启动，可以实现数分钟启动（从室温到工作温度）。而平板式设计的SOFCs则需要数小时。此外，微管式设计还容易实现低温操作。日本产业技术综合研究所的研究员铃木俊男等，通过改善阳极的微管结构，使得电池的能量密度高达1 W cm^-2 at 600℃。相关结果详见：Science，第325期，852-855页，2009年出版。

然而，每个管式SOFC单电池的开路电压只有1 V左右，没有太多实际用途。只有将若干单体进行堆叠，才能得到实际的电压和功率需求。传统的管式SOFCs电池堆的连接，一般是通过在阳极或者阴极的表面留出一条供连接使用的“连接带”。通过该连接带对SOFC的阳极或者阴极进行串连或者并联。如西屋-西门子采用的长管电池长度和直径分别为2.2m和2.2cm。如果管太小，“连接带”的尺寸也需要随之变小。而“连接带”尺寸减小对制作技术要求非常高。如在本发明中所使用的微管直径只有1.8-2 mm，使用“连接带”进行串连将操作几乎不可能。所以，要使用微管燃料电池的连接成堆，需要另辟新径。

中国发明专利200510101487.3公开了“锥管式阳极支撑固体氧化物燃料电池单体及电池组”。是通过锥形SOFC的形状特点：阳极多孔支撑体一端开口大，一端开口小，小开口端的外缘为弧形。有效解决了，燃料电池堆密封以及连接上的困难，实现可小型化SOFC电池堆的成功组装。然而该专利所述结构也始终没有解决固体氧化物燃料电池组的快速启动问题。而快速开启对于燃料电池在移动电源和电动汽车领域的应用有非常重要。

其次，低温工作条件下，如何提高电池的能量密度也值得关注。随着工作温度的降低，会对电池带来很多问题。 其中最突出问题之一就是电极的极化电阻的增大。比如: 在低温操作下，氧气电化学还原为氧离子 (阴极材料表面) 的反应缓慢，氧离子扩散速度下降; 并由此引起电池能量密度降低, 燃料利用率不高和燃料浪费。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术难题，提供一种启动快速、燃料利用率高的小型固体氧化物燃料电池堆。

本发明提供的小型固体氧化物燃料电池装置，由若干单层电池堆叠合串联连接构成，各单层电池堆之间由金属网连接；每个单层电池堆由若干微管式固体氧化物燃料单电池置于矩阵式阴极模子中并联连接构成，矩阵式阴极模子内壁与各单电池之间设有多孔阴极涂敷层；所述微管式固体氧化物燃料单电池由内到外依次为：多孔阳极管、致密电解质膜、位于电解质膜和阴极间的保护层，最外为层阴极。

本发明中，单层电池堆的制备方法如下：矩阵式阴极模子中的空管直径略大于微管式单电池的直径，在矩阵阴极模子和阳极支撑的微管式单电池分别烧结好后，在矩阵阴极模子内壁涂敷多孔阴极层浆料，在多孔阴极层浆料未干之前，将阳极支撑的微管式单电池放置于矩阵阴极管模子中，最后在1000℃ 烧结完成电池堆制作。

本发明中，电池堆层数的大小和单电池数目的使用根据所需电源的电压和电流决定。