[发明专利]一种高输出功率密度的燃料电池系统及制备方法

说明书

本发明提供了一种高输出功率密度的燃料电池系统及制备方法，由内至外包括：进气道、阳极支撑体、电解质层和阴极，还包括阳极增强层，所述的阳极增强层位于阳极支撑体和电解质层之间；所述的阳极支撑体为三层结构，由内至外依次包括阳极多孔均匀内层、阳极指状多孔层和阳极多孔均匀外层；所述的进气道、阳极支撑体、阳极增强层、电解质层和阴极依次同轴接触布设。本发明的电池系统的三层阳极支撑体与阳极增强层协同作用，既能保障燃料有效快速输运，减少气体传输阻力的浓差极化，又能有效地改善有效反应活性区的活性点，将阳极支撑体输送的燃料快速反应，实现燃料“零库存”，协同提高电池系统的输出功率密度。

技术领域

本发明属于绿色能源/电化学领域，涉及微管固体氧化物燃料电池系统，具体涉及一种高输出功率密度的燃料电池系统及制备方法。

背景技术

固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，简称SOFC)具有高能量转换效率、全固态结构、无污染和多种燃料气体广泛适应性等优点，是一种不需要经过热循环过程将化学能直接转化成电能的高效、环保的能量转换系统。

固体氧化物燃料电池通常由阳极、电解质和阴极组成，电极(包括阳极和阴极)起着气体催化分解、电流传输的作用，薄的致密电解质层起着传导氧离子和质子，以及隔离燃料和氧化气体的作用。固体氧化物燃料电池可以表示为：阳极(燃料极)|电解质|阴极(空气极)。

固体氧化物燃料电池的支撑电极可以是阳极、阴极或电解质，支撑电极需要有一定的机械强度，因此需要一定的厚度。电解质需要避免与电极发生反应，必须结构致密，在电池系统中存在较大的欧姆内阻，所以电解质通常需要尽可能薄的厚度。因此，固体氧化物燃料电池的支撑电极通常为阳极或阴极。

对于理想的固体氧化物燃料电池，支撑电极具有非对称结构，如梯度孔构型。梯度孔结构在从远离电解质一侧的电极表面到靠近电解质表面的整个断面上电极孔隙率和孔径大小逐渐减少。这样，在靠近有效反应活性区附近的的电极孔隙率较低，可以存在更多的活性位置，而作为支撑体部分的电极孔隙率足够降低气体传输阻力，可以有效地减少由于气体传输导致的浓差极化现象。目前，梯度孔构型制备方法主要丝网印刷法、流延法、冷冻流延法和干压成型方法等，可以制备多层不同孔隙的电极结构。

固体氧化物燃料电池的构型主要可以分为平板式、管式、套管式和瓦楞式等，目前结构类型主要为平板式和管式。管式固体氧化物燃料电池(Tubular Solid Oxide FuelCell，简称T-SOFC)具有电池工作面积较大，单电池之间不需要密封，可以采用低成本的金属作为电流收集材料等优点。由于管式固体氧化物燃料电池，管径和电流通道的长度决定了电池的内阻，较长的电流通道导致了电池功率和效率的降低，因此，缩小电池单元的尺寸(“小型化”)是一种有效的增强燃料电池性能的方式，即减小电池支撑管的直径。按照管式固体氧化物燃料电池支撑管直径的大小，将管式固体氧化物燃料电池分为第一代—大管式固体氧化物燃料电池(管径≥20mm)、第二代—小管式固体氧化物燃料电池(5mm＜管径＜20mm，和第三代—微管固体氧化物燃料电池(管径≤5mm)。大管式电池由多孔电极、电解质和连接体组成，支撑体电极多为挤压成型，电解质和连接体分别采用EVD和等离子喷涂法在电极上沉积。小管式电池主要采用了低成本的挤出成型和浆料涂覆工艺制备。

微管固体氧化物燃料电池(Micro Tubular Solid Oxide Fuel Cell，简称MT-SOFC)由于具有低的运行温度，优异的抗热循环性能，快速启动能力和更高的体积功率密度等优势，成为固体氧化物燃料电池的一种未来发展方向。微管固体氧化物燃料电池在汽车、通讯、航空航天器、船舰、哨所、灯塔、医院、学校、照明和广告等领域具有广泛的用途，市场前景广阔。

随着电池直径的减小和电池数量的增加，单位体积内电极活性面积显著地增长。然而，当电池尺寸小于0.1mm以后，用于传输燃料气的压力差也急剧地增加。因此，为了获得较高的体积功率密度，微管固体氧化物燃料电池直径一般在0.5mm～5.0mm之间。