[发明专利]一种电极支撑型柱状SOFC环绕式棋盘电池堆及制程方法

说明书

本发明公开了一种电极支撑型柱状SOFC环绕式棋盘电池堆及制程方法，本发明提供了一种创新SOFC电池堆的组装架构，提高了单位体积的电化学反应面积，提升了SOFC系统的整体空间利用率，相对降低了高温运作过程的能量损耗。具体包括柱型阴极、阳极陶瓷基材的架构设计、半电池制程中的电解质浆料配制设计与涂布技术、柱型阴极与阳极半电池陶瓷基材的组装方式、多孔集电结构材料以及装置的配方设计与制备方法、电流传输与电池单元的连接方式与架构设计。

技术领域

本发明涉及新能源装置工程领域，具体涉及一种电极支撑型柱状SOFC环绕式棋盘电池堆及制程方法。

背景技术

燃料电池发展至今已有约120年的历史，算是相当成熟的能源科技技术。公元1899年，对电化学、热力学、固态化学及光化学有所贡献的德国化学家Nernst 最早提出了固态氧化物燃料电池的概念。随后发展至1960年代，燃料电池克服材料限制，并研发出可产品化的电池系统之后，又再历经30年，直到1991年，德国西门子公司就已发展出SOFC产品雏型。此后燃料电池发展速度逐渐加快。2010年，美国Bloom Energy的ES-5000即为全球商用化的首款产品，并获得多家知名企业采用，在市场上引发广泛的注意，使得SOFC技术成为市场的焦点。2011年日本家用热电共生型燃料电池(Ene-Farm)的SOFC机型相应而生，同时将该机型纳入补助范围之中，让SOFC走入小型定置型的燃料电池市场。韩国政府由于提出再生能源占比条例（Renewable Portfolio Standard; RPS），规定发电量大于500MW的电力公司从2012年起必须至少有2%的电力来自于再生能源，到2022年将增加至10%。因此，许多用电大户以及民营电厂除了采用高发电效率的MCFC (Molten Carbonate Fuel Cells) 熔融碳酸盐燃料电池以外，也开始采购发电效率急起直追的SOFC机型。2015年NEDO (The NewEnergy and Industrial Technology Development Organization) 新能源产业技术综合开发机构进而推出氢能白皮书之后，2016年正式以「氢能社会」作为整体规划与愿景，并以2020年东京奥运作为第一个示范的氢能城市。虽然仅以新能源载具为主要补助项目，但也带动SOFC技术与各项应用的研发速度，在国家自然基金会的研发项目中，SOFC相关技术更为研发项目的大宗。

2021年初，主要围绕氢能绿色制取与规模转存体系等技术方向，启动低成本PEMFC(Proton exchange membrane fuel cells) 质子交换膜燃料电池水电解制氢电堆关键材料制备技术等19个指南任务之外，在“新能源汽车”重点专项也有两条是关于氢燃料电池汽车的，分别是鼓励固体氧化物燃料电池和70MPa储氢罐技术开发。针对不同燃料场景需求的车用燃料电池发电系统，研究SOFC (Solid oxide fuel cells) 固体氧化物燃料电池关键部件、电堆、系统设计及集成技术。开发一致性长寿命电堆组装技术，形成批量制造能力等。主要是看中SOFC的高转换效率(45%以上)、热效率的利用(热电联产)，以及工业制程上，可燃尾气回收转换电力的发展潜力。

一般SOFC电池单元为平板式，以双极板串联成电池堆，如下图8所示。平板式SOFC电池单元尺寸一般为方形10 cm x 10 cm x 400 μm。其中，方形的热应力耐受度较圆形差，若用于交通工具上，必须能承受多次升温降温的过程，因此圆形纽扣电池应较具优势。双极板上需刻画气体流道，增加零组件的制造成本；此外还需要电镀一层薄阴极层才能较稳定将电池与双极板接合；每组双极板与电池单元的组合都要进行一层一层的气密胶封装，制程工艺门槛高。电池堆中的电池单元为串联组装，因此其中若有一片毁损，则整组电池堆都无法运作；此外，图8为700瓦功率电池堆，体积约4536 cm3，依比例换算成1 kW与本发明设计对比，推估图8的对应体积约提高至6480 cm3。