一種端口密封的雙空心陽極支撐固體氧化物燃料電池裝置制造方法及圖紙

本發明專利技術屬于固體氧化物燃料電池技術領域，具體為一種端口密封的雙空心陽極支撐固體氧化物燃料電池裝置。本發明專利技術燃料電池裝置由較小半徑的空心陽極嵌入較大半徑的空心陽極中，形成雙陽極結構；其中，小半徑陽極管的出氣口密封，大半徑陽極管的入氣口也密封，密封所用材料致密不透氣；內、外陽極間用金屬網隔開和固定。本發明專利技術顯著改善了燃料氣體在陽極管內部的流通，增加了燃料的流通路徑長度及通過陽極時間；同時有效增加陽極集電面積，增大催化劑和燃料接觸面積，提高了在中低溫工作條件下，燃料電池能量密度；由于采用雙層陽極結構,在內陽極的局部漏氣,只要外陽極安全，都可以保證該電池的正常工作。本發明專利技術結構簡單、低成本、易替換、重量輕、壽命長。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于燃料電池
，具體涉及一種端口密封空心雙陽極支撐固體氧化物燃料電池，尤其是適合中低溫(小于600°c)操作的100 W級的發電裝置。
技術介紹
隨著現代工業的發展，煤，石油，天然氣等化石燃料的短缺和它們自身帶來的環境污染等問題使得人們需要去尋找高效的能源轉換方 式和清潔的可替代新能源。通過電化學反應，燃料電池可將燃料中的化學能高效轉換為電能。其中，固體氧化物燃料電池(SOFCs)是以氫或者碳氫化合物等為燃料的高效能量轉換裝置。SOFCs具有燃料適應性強，固體電解質穩定性好，功率密度高，環境友好無污染，尺寸和發電功率的靈活縮放，可實現熱電聯供等優點。將SOFCs的操作溫度從傳統的800-1000°C，降低到500°C以下的低溫，可以實現電池的快速啟動和關閉，降低各個部件的老化速率，提高SOFCs壽命，還可以使用廉價的不銹鋼等作為連接材料，大大降低成本。為SOFCs的商業化提供有利條件。但是操作溫度的降低會帶來很多問題。其中最突出的是電阻的增加，包括電解質的歐姆電阻和電極的極化電阻。前者可以通過使用在低溫下具有高電導率的新材料和降低電解質的厚度來解決。而極化電阻增加，則是主要由于低溫操作下，離子擴散速度下降，以及電化學反應緩慢。由此引起電池能量密度降低，燃料利用率不高和燃料浪費的問題。中國專利技術專利CN201210147703. 8公開了 “一種陽極支撐固體氧化物燃料電池及其制備方法”是通過引入使用NiO+YSZ作為材料陽極功能層，來提高了單電池的功率密度及電池的機械強度。雖然有一定效果，但是，也存在較大問題一方面，該功能層材料在高溫燒結的過程中晶粒會變大，Ni作為催化劑效果會減弱。另一方面，如果使用碳氫化合物作為燃料，在高溫工作的情況下，很快會有碳析出于該功能層，不但催化能力減低，而且會阻礙燃料氣體擴散，使得發電效果變差。
技術實現思路
本專利技術的目的在于提供一種燃料利用率高，發電效能高的固體氧化物燃料電池。本專利技術提供的固體氧化物燃料電池，由較小半徑的空心陽極嵌入較大半徑的空心陽極中，形成雙陽極結構，內、外陽極等長；其中，小半徑陽極管的出氣口密封，大半徑陽極管的入氣口也密封，密封所用材料致密不透氣；內、外陽極間用金屬網隔開和固定；內陽極管采用孔隙率高的多孔材料。密封部位的密封材料如果與內陽極和外陽極相同，其燒結溫度為 12500C。本專利技術中，針對低溫燃料利用率不高，結合燃料沿著空心陽極流動的特征，把內陽極出氣口密封，讓燃料沿著內陽極的多孔壁緩慢的滲透至外空心陽極；通過密封外陽極的一端，使燃料從外陽極的出氣口流出，極大的延長了燃料氣流在陽極的通過時間，提高燃料的利用率。本專利技術所使用內、外陽極的內、外表面為波紋面、溝槽面或平滑面結構中的一種。這里的空心陽極通過預設定模子用機械擠壓的方式成形。可以隨意設計模子的形狀，使得在擠壓過程中在陽極的內外表面出現所需要的波紋面、溝槽面、平滑面結構，來引導燃料氣體沿既定路徑流動。本專利技術所使用的內陽極根據密封效果的難易可以制成圓形、方形或三角形。本專利技術所述的內陽極的材料，有極高的孔隙率。所使用原料除了納米鎳粒子，氧化釔穩定的氧化鋯(YSZ)等傳統電極材料外，加入一體積比(電極材料和發孔劑體積比)，半徑大小為5μπι的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)球形發孔劑，PMMA在煅燒過程中于4000C左右燒盡，原有體積形成微孔。控制好體積比最終可以形成孔隙率高達60%空心陽極。 所述的內、外陽極間的密封材料是固體氧化物燃料電池的陰極、陽極、電解質材料或陶瓷膠、玻璃膠。這里的內、外空心陽極是分開燒結。內陽極為了保持孔隙率，燒結溫度為1300°C，為了兼顧孔隙率和致密電解質的致密化，外陽極和電解質層的共燒結溫度為 1350°C。由于內外陽極先分別煅燒好再密封，所以可選擇密封材料很多。可以為導電的電極材料，或者為絕緣的密封劑.此外也可以選擇有催化能力的金屬材料。所述的內外陽極分割材料一般為鎳網。用內嵌入的多片圓環形金屬鎳網可以固定兩個空心陽極.不同外徑的內陽極選取不同環厚的鎳網。如果密封材料為陽極相同材料，用鎳金屬網固定后，再利用沾取涂布的方式，預封陽極端口。經多次燒結-涂布-燒結，以達到完全密封。所述的雙陽極結構，提高了陽極的抗破壞性。內陽極的局部漏氣甚至破裂，只要外陽極安全，都可以保證該電池的正常工作.更甚至于在內陽極毀壞的情況下，不會降低電池的發電效率。本專利技術通過密封小半徑陽極管一端及其大半徑陽極管的另一端，利用小半徑陽極管的極高的孔隙率(約為60%)，顯著改善了燃料氣體在陽極管內部的流通，增加了燃料的流通路徑長度及通過陽極時間。能夠有效解決燃料電池在低溫工作時，燃料利用率不高，大部分燃料非電化學反應變成電能而直接排出陽極的問題。而且有效增加陽極集電面積，增大催化劑和燃料接觸面積，提高了在中低溫工作條件下(小于600 V )，燃料電池能量密度。由于采用雙層陽極結構，在內陽極的局部漏氣甚至破裂，只要外陽極安全，都可以保證該電池的正常工作。本專利技術與單陽極支撐型電池相比，幾乎不增加成本。此外其獨特的雙層陽極大大提高了電池的抗破壞性，提高電池堆的使用壽命。在低溫工作條件下，電池輸出可觀的能量密度。本專利技術具有結構簡單、低成本、易替換、重量輕、壽命長等特點。附圖說明圖I端口密封的雙空心陽極支撐固體氧化物燃料電池示意圖。圖2單電池的側面示意圖。圖3內陽極形狀示意圖。圖4單陽極和雙陽極支撐管式固體氧化物燃料電池在不同溫度下的電流-電壓曲線。圖5不同形狀內陽極在不同溫度下，單電池的最大能量密度。圖中標號1-電池堆，2-單電池，3-燃料，4-密封體，5-外陽極壁，6-內陽極壁，7-陰極，8-電解質，9-微孔，10-鎳金屬網隔片，11-發電部位。具體實施例方式下面通過進一步描述本專利技術。實施例I : I .將NiO粉體，YSZ的粉體(氧化釔穩定氧化鋯，NiO/YSZ質量比為I :3)，PMMA小球(直徑5μπι)，分散劑，結合劑，熔劑，混合均勻。采用真空練泥技術，充分泥練，用擠壓機擠壓成陽極空心管(橫截面為圓環)。內，外陽極管的內徑分別為1.9_和8_。管長均為6cm。室溫干燥，采用浸涂方法在外陽極支撐體的外表面涂敷電解質，材料為氧化鈧穩定的氧化鋯(ScSZ)，然后，在1350°C燒結。而內陽極則另外單獨燒結，燒結溫度為1300°C .最后，在涂敷陰極之前，使用一層大約I μ m保護層，以防止氧化鋯和鈷在高溫燒結時反應，材料為氧化釓摻雜的氧化鈰(GDC)，最后，采用浸涂方法涂敷陰極材料，在1100°C燒結后，獲得整個單電池。內外陽極厚度分別為250和400 μ m左右，電解質厚度5 μ m，陰極厚度為20μπι，材料為鍶、鐵摻雜的鈷酸鑭類(La6Sa4Ca2Fa8X2 .用黏稠狀陽極泥將封住空心內陽極管的一段，1250°C燒結，以達到密封。3.將內陽極管嵌入外陽極管，用鑷網固定好。固定后的截面結構如圖2。4.密封內陽極和外陽極中間層位于內陽極入氣口的一側，密封方法如步驟2。5.在完成雙陽極密封后，為了確保不漏氣，涂敷一層玻璃膠或者陶瓷膠，以達到完美密封。6.在用燃料電池發電前，仔細檢測雙空心陽極密封處的漏氣狀況。7.測試單電池，具體的測試結果如圖4。所使用燃料為20%濃度的氫氣，流量4本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種端口密封的雙空心陽極支撐固體氧化物燃料電池裝置，其特征在于由較小半徑的空心陽極嵌入較大半徑的空心陽極中，形成雙陽極結構，內、外陽極等長；其中，小半徑陽極管的出氣口密封，大半徑陽極管的入氣口也密封，密封所用材料致密不透氣；內、外陽極間用金屬網隔開和固定；內陽極管采用孔隙率高的多孔材料。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：梁波，區瓊榮，梁榮慶，
申請(專利權)人：復旦大學，
類型：發明
國別省市：