[发明专利]可反复利用的联排结构管式直接碳固体氧化物燃料电池组

说明书

本发明公开了可反复利用的联排结构管式直接碳固体氧化物燃料电池组；该电池组由一系列管式单电池相互串联组成，管式单电池是一端封闭而另一端开口的电解质支撑型，内壁覆盖阳极膜，碳燃料盛放在管式电池中，开口端由一活动的塞子封口；多个一端封闭的管式单电池串联的方式是相邻两个管式单电池并排设置，通过多个连接孔和导电材料连接；阴极膜部分覆盖电解质管的外部面积，在电解质管支撑体开口端外周以及连接孔外周不覆盖阴极膜；导电材料设置在连接孔内、连接孔之间的阳极膜上，以及单电池外侧的连接孔与相邻管式单电池的阴极膜之间。本发明电池组具有结构简单、无需密封剂、可反复使用、转换效率高等优点，特别适合移动或备用电源应用。

技术领域

本发明涉及燃料电池，特别是涉及一种固体氧化物燃料电池组，具体是涉及一种由多个管式单电池以联排的形式相互串联的可反复利用的直接碳固体氧化物燃料电池组。

背景技术

随着人们生活水平的提高，对高能量密度的电源的需求日益增长，而传统的储能电池不能完全满足需求，因此，越来越多的研究兴趣转到具有高能量密度的燃料电池。

燃料电池是一种将燃料中的化学能通过电化学反应直接转换成电能的装置。因整个过程不受卡诺循环的限制，其具有非常高的能量转换效率。其理论效率为燃料中的吉布斯自由能△_fG与燃料所蕴含的化学能(焓)△_fH之比。因过程无需高温高压的燃烧反应，且燃料气与氧气始终被电解质分隔在电池的两极，其污染物的排放量大大减少。因此，燃料电池技术是一种高效清洁的能量转换技术。

相比其他燃料电池，固体氧化物燃料电池具有诸多优点，被认为具有最广阔的应用前景：(1)采用全固态结构，能够有效避免液态或熔盐电解质的腐蚀、封接等问题；(2)在中、高温(600-1000℃)进行工作，无需贵金属催化剂，且具有较高的电流密度和功率密度。(3)由于电解质中的载流子为氧离子，所以除氢气外，还可直接使用合成气及各种烃类、醇类等碳氢化合物作为燃料进行工作，具有极强的燃料适应性；(4)运行时产生的高质量余热可实现热电联供，有利于提高燃料利用率和整体能量转换效率；(5)易于模块化设计，适用范围广，可根据实际使用需求灵活设计、组装。

而直接碳固体氧化物燃料电池(DC-SOFC)是直接使用固体碳为燃料的SOFC，其理论发电效率△_fG/△_fH甚至略高于100％(热力学第二定律效率)，碳燃料具有广泛易得、能量密度高、安全性好等优点，因此全固态结构的DC-SOFC有望在便携式或分布式电源领域得到广泛应用。

在实际应用中，为获得更高的电压或电流输出，固体氧化物燃料电池单体往往通过串联或并联的方式组装成电池组。目前，典型的电池组结构设计包括平板式和管式。平板式固体氧化物燃料电池具有能量密度相对较高、结构灵活、制备工艺简单，且分别组装，运行质量容易控制的优点。与平板式固体氧化物燃料电池相比较，管式电池具有更好的机械和热稳定性、简单的密封技术、快速启动能力以及良好的抗热冲击性和热循环能力。

常见的管式固体氧化物燃料电池组的设计有三种，包括电极支撑长管型、基于多孔管式支撑体的全膜化带状串接型和套管串接型。这三种典型的管式固体氧化物燃料电池组设计，各有优缺点以及适用范围。电极支撑长管型的电池组单体长度很长，一般为0.5-2.2m，适用于大型电站。而全膜化带状串接式和套管串接式电池组的设计，一般适用于小型电堆和移动电源。对于电极支撑长管型和全膜化带状串接式电池组，电解质必须是薄膜，由于普遍采用的SOFC电解质材料(例如钇稳定化氧化锆，YSZ)的烧结温度较高，而电解质膜必须跟多孔支撑体共烧结，这就严重地限制了多孔支撑体材料的选择，同时过高的烧结温度还使电极支撑体的性能下降。而对于套管串接式电池组，由于涉及到的电池间密封线比较长，电池组质量较难控制。电解质支撑型管式SOFC电池具有制备容易、电极材料选择范围宽、电池性能稳定等优点，但对于长管型电解质支撑型SOFC，还没有很好的串联方式用于制备满足实际应用的便携式电池组。