[发明专利]内部重整型管型固体氧化物燃料电池电池堆及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种能够直接使用含烃气体的固体氧化物燃料电池电池堆，更详细地涉及一种由电池组件构成的固体氧化物燃料电池用电池堆及其制备方法，所述电池组件包括管型重整器和管型反应器。

背景技术

为了满足高温运转带来的燃料使用方面的多样性，可以用于MW级容量以上的大规模发电站，并且高温废气能够用于依靠燃气轮机的追加发电，固体氧化物燃料电池在较高温运转时比较具有竞争力，但是目前的固体氧化物燃料电池技术中，单位电池由厚度薄的陶瓷制备，最后需要经过烧制，因此难以实现单位电池面积的大面积化，并且没有在高温下运转理想的密封件，在陶瓷材料的单位电池间电连接材料（Interconnect），其金属板混合堆叠，不能避免机械应力问题和金属的高温腐蚀问题，目前只能实现20KW左右的开发。

为了避免使用如上所述的金属电连接材料，使用如下设计的分割型电池集成管的电池堆，即在管型支撑体上以长度方向形成小型单位电池，在单位电池之间使用传导性连接材料，使其电气串联连接，具有不使用金属材料，可以将价格低廉的绝缘体的陶瓷用于管支撑体的优点，但是电流会向传导性半导体的电连接材料和阳极层长度方向的薄膜层流动，电阻大，从而每单位面积的电流密度低，电池管间电气连接的问题等没有得到解决，并且不能使用小型管进行三维的大型化，此外还存在由于没有设置内部重整器，存在不容易控制大型化时的温度偏差及热控制的问题。

固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，以下称为SOFC）在750~1000℃的高温下运转，所以与其它燃料电池相比效率最高，但由于单位电池由厚度薄的陶瓷制备，并且由于最后需要经过烧制过程，所以难以实现单位电池面积的大面积化，并且没有在高温下运转理想的密封材料，而在陶瓷材料的单位电池间起到气体通道和单位电池间电气连接作用的电气连接板（Interconnect）由金属制备而成，从而无法避免因金属和陶瓷的混合堆叠导致的机械应力问题和金属的高温腐蚀问题。此外，平板型单位电池被物理地堆叠，并且仅通过电气串联连接，因此隐含有如果一个特定电池变差，整体电池堆的性能就会一同变差的问题，从而具有必须无瑕疵地制备并运转所有电池及用于电气连接的堆叠的课题，但由于堆叠的电池堆被密封材料密封，因此在特定电池的故障时，也不可能替换或修理部分电池堆。因此，为了满足高温运转带来的燃料使用方面的多样性，可以用于MW级容量以上的大规模发电站，并且高温废气能够用于依靠燃气轮机的追加发电，固体氧化物燃料电池在较高温运转时比较具有竞争力，但是由于所述列举的诸多问题，目前现实中尚无法实现单位电池的400cm²以上大面积化及电池堆的20KW级以上大规模化。

固体氧化物燃料电池的单位电池，作为电解质材料，一直在使用添加了氧化钇（yttria）并稳定了结晶结构的氧化锆。这种材料虽然具有氧离子的传导性，但具有仅在750~1000℃的高温范围内能够得到所希望的传导性的特征。因此，SOFC的运转温度通常在750℃以上，电极材料也使用能够耐受这种高温的导电性物质，例如，流入空气的空气极通常使用LaSrMnO₃，流入氢气的燃料极通常使用Ni-ZrO₂混合物（金属陶瓷，cermet）。在其它燃料电池的同样形式的平板型（planer type）SOFC中，在燃料极或电解质支撑体上涂布薄的剩余电极或电解质，最终制备1mm以下厚度的单位电解质-电极组件（Electrolyte-Electrode Assembly，以下称为“EEA”），在其上堆叠时，在EEA上下层上具备用于导入燃料气体及空气的气体通道，在相邻的EEA相反极之间插入用于电气连接的由导电性金属材料制成的电气连接板（Interconnect），从而构成单位电池。这种平板型方式具有“EEA”层的厚度薄的优点，但由于陶瓷的特性，难以调节厚度的均匀度或平板度，因此不易大型化，而且为了堆叠（stacking）单位电池而交替地堆叠陶瓷EEA和金属电气连接板，需要在电池边缘使用密封材料，以用于流入的燃料气体和空气的电池之间的密封。但是，用作密封材料的玻璃（glass）系材料的软化温度虽然始于600℃，但为了获得令人满意的效率，固体氧化物燃料电池通常需要在750℃以上的高温下运转，使得由密封材料的软化导致的气体泄漏的危险也高，而且堆叠的电池堆只是电气串联连接，所有的单位电池需要无瑕疵地运转，因此在实用化上尚存在很多技术难点。