[发明专利]一种管式中温质子陶瓷燃料电池及其制造方法

说明书

本发明涉及一种管式中温质子陶瓷燃料电池及其制造方法，材料可有氧化镱稳定的二氧化锆复合氧化物等多种选择，催化材料采用镍、铜等廉价金属替代贵金属，采用一次性固态反应烧结工艺，形成由多孔阴极、致密电解质、多孔阳极组成的管状结构，由此制成的管式陶瓷质子燃料电池具有制造时间短和成本低的特点，并且可使燃料电池的电堆在中温下运行良好，能显著的延长整个电池系统的使用寿命。

技术领域

本发明属于燃料电池领域，具体涉及固体氧化物燃料电池的改进和更新，更具体的涉及一种管式中温质子陶瓷燃料电池及其制造方法。

背景技术

以氧离子传导的固体氧化物燃料电池具有高效洁净、不使用贵金属催化剂、可回收热能等优点。但是，高温固体氧化物燃料电池有其明显的缺点：

其一，固体氧化物燃料电池因其操作温度高达1000℃左右，由此带来的高温腐蚀、系统集成困难、对材料要求苛刻等局限性，阻碍了它的进一步推广和运用。因此，将固体氧化物燃料电池的工作温度从高温段(850℃-1000℃)降低至中温段(500℃-600℃)，乃是目前燃料电池行业技术攻关的重要任务。

其二，固体氧化物燃料电池又因多为氧离子传导，对燃料的要求十分严格。不同价态氧化物相互转换影响其稳定性，含碳化合物造成积碳问题，氧离子传导至阳极经常产生一系列负反应，这些都降低了燃料的利用率，而对燃料选择的苛刻和相应复杂的前处理，不仅提高了成本，也给燃料的选择增加了难度。因此，将固体氧化物燃料电池的传导机制从氧离子迁移改变成氢离子传导，是目前正在研发的重要内容。

本发明专利通过制作管式中温质子陶瓷燃料电池，实现中温陶瓷质子迁移，以克服上述高温固体氧化物燃料电池的多种不足。

发明内容

涉及一种管式质子陶瓷燃料电池的设计及制造方法。其成本可明显降低，烧结温度可降至1400℃或更低，在致密电解质，多孔阳极及多孔阴极(含支撑功能)三个环状筒体间保证紧密稳定的融合，确保各个环筒以及环筒间融合层的物理化学性质稳定，几何尺寸的稳定性，电子和质子传导的稳定性，以及输出功率的稳定性。

本发明电池工作温度为600℃以下，甚至500℃左右，仍能维持 500mw/cm²以上输出功率密度。采用一次性固态反应烧结工艺，其中包括集成单一管式电池的设计，根据应用的需要，单一管式电池可粗可细，可长可短。微型电池可成为量产的掌中宝，小型的可制成便携式电源，大型的可集成为电站。此专利未对多组集成式管式电池组作专门描述，因为并无制作难度。

本发明的管式中温质子陶瓷燃料电池，其优点是：

A.燃料不苛求，可用醇、烷、天然气、煤气、氨裂解的N2和H₂混合气等多种燃料。

B.管式单电池至多管集成电池制作难度不大，成本低，输出功率高，小到便携，大至电站皆可制作。

C.若阴极、电解质和阳极配制的管式“三明治”集成工艺合理，其输出功率不低于平板式“三明治”电池，本专利解决了管式“三明治”电池制作的工艺和量产问题。

本专利研究的电池，另行设计了如下辅助装置：

A.适应不同温度下使用强磁场活化电池反应装置，至少可提高输出功率 5-10％，并且配装简单。

B.氨裂解生产氢。因为此设计为质子迁移，无需从氢氮混合气中另增除氮装置，简化了燃料供给侧的配用装置。此装置若配以除氮分离膜，也可为固体氧化物燃料电池(SOFC)一类的氧离子迁移高温燃料电池作燃料供给配用装置。

本发明对三合一管式陶瓷质子燃料电池的质子传导进行了综合考虑：

1.对于以BCZYYb/NiOwt1％(组成见细则)为电解质，该组成可在氧化或还原气氛下保持稳定，且不易穿漏，其电子传导率和质子传导率在中温段维持较高水平。