[发明专利]整体固体氧化物燃料电池及其改进型

说明书

技术领域

本发明涉及发电设备，具体说是涉及该设备的固体氧化物燃料电池(SOFC)。

背景技术

SOFC是通过燃料(例如氢气、天然气、煤气，或其它碳氢化合物基的燃料)与氧化剂(如空气)的直接电化学作用产生直流电的设备。SOFC包含有传导氧离子电解质(现以稳定的氧化锆为基)，用于把空气电极(阴极)和燃料电极(阳极)分开。燃料在阳极氧化，电子释放到外部电路后被阴极吸收。阴极反应使氧化剂气体被还原成氧离子，然后穿过能传导氧离子的电解质迁移到阳极。电子在外电路中的运动产生电动力(典型的是1个单电池1伏)。在电池上加负载后，便产生电流，从而产生电流密度。其值依赖于电池的设计和所用的材料。电池通常在700～1000℃下运行。《陶瓷燃料电池科学与技术》(作者：N.Q.Minh和T.Takahashi，阿姆斯特丹Elsevier出版社，1995年)中描述了SOFC的基本反应，以及利用它们产生电力的方法。

SOFC的最大特点是转化效率高(如果包含所利用的热通常在50～90％)，放射低，废热等级高，以及集成能力高(电力从几kW到若干MW)。

利用内部连接或双极板(一般以掺杂镧的亚铬酸盐为基，或者高温金属体系)，通常把单个SOFC装在一起形成电池组系统。单电池一般产生1伏电压，但通过并联和串联的方式把单电池装在一起，便可得到想要的电压。SOFC几种现有的结构包括平板状、管状和整体设计。但是，需要强调的是，除了以上三种主要的结构外，还有其它的设计，但在所有的设计中基本原理是相同的，即传导氧离子电解质把燃料气体(在阳极)与氧化性气体(在阴极)分隔开。作为例子，请参见文章“陶瓷燃料电池”(作者：N.Q.Minh，刊登于《美国陶瓷学会会刊》1993年76卷第3期563～588页)。

为了完全地实现SOFC系统，进而完全将其商业化，其必须在很长的时期内保持可靠，不能在加热和冷却过程中产生热破裂。这个系统还必须与传统的技术(例如气体涡轮机和柴油发电机)相比具有商业竞争力，因此它必须相对便宜和易于安装。现有设计的主要不足是基本上由单电池封装而成。平板状设计使用平板状电解质，阴极和阳极分别位于它的一端，是在制造上最便宜的，但它的主要问题是密封平板时没有对陶瓷板施加过多的应力，或者是在密封剂与燃料电池之间的化学相容性。管状设计的问题是使用封口或开口管的密封。在传统的管状设计中，使用的是挤压的多孔掺杂镧的亚锰酸盐支撑管。电解质(稳定的氧化锆)用电化学气相沉积在支撑管上。阳极用稀浆喷涂电化学气相沉积在电解质上，掺杂镧的亚铬酸盐用等离子喷涂在燃料电池上用于其内部连接。接着把燃料电池捆扎成电池组系统，然后包装成SOFC系统。空气泵入管子内部，管子外部与燃料气体接触。管子的一端封闭，因此废空气能从一个环流回。而废燃料也可循环使用以回收热能。

管状的设计是很成功的，但这个设计不能进行快的热循环，因为热应力可以使燃料电池破裂。尽管已进行了改造，目前该设计的局限在于需要5小时从室温升高到1000℃的工作温度。美国专利5244752描述了使用上述技术的现有的发电机。在美国专利4374184、4395468、4664986、4729931和4751152中对这些SOFC作了较大的重整。上述制作昂贵，不能制造小型化设备(10kW以下)。上述系统的制造商通过降低原材料的花费来降低制造成本。例如，燃料电池的90％的重量在掺杂镧的亚铬酸盐空气电极上，这样通过使用便宜的原材料(高杂质含量)来大大降低成本。正如文章“固体氧化物燃料电池进展”(作者：S.C.Singhal，《固体氧化物燃料电池》第5卷，电化学学会编，新泽西，1997年37-50页)中所述。但是，该系统的这个成本对于小规模生产是不适用的。

为了克服高生产成本的问题，使用了挤压的薄壁稳定氧化锆管，参见澳大利亚专利675122。该设计的内部电极是燃料电极，而外部电极是空气电极(通常是镧亚铬酸盐)。在此设计中，管子支撑在一个隔热的容器中，通过一个通道废气可以从其中排出。由于使用了挤压技术来挤压制作混有例如聚乙烯醇缩丁醛和环己烷的稳定氧化锆，该设计降低了管子成本。上述管子排成阵列装在隔热的容器中，通过一个通道排出燃烧产物。从管子的顶端直接供入气体。当迫使空气进入时，燃烧产物从同一通道排出。该设计虽然简单，但燃料电池不能在反应器中移动，这同样也在燃料电池中产生应力积累，从而导致燃料电池损坏。