[发明专利]一种新型双片一体SOFC电池单元及制程和电池堆

说明书

本发明公开了一种新型双片一体SOFC电池单元及制程和电池堆，所述电池单元包括中心支撑结构，所述中心支撑结构的前、后、左、右被阳极结构包覆，所述阳极结构的左、右两面上分别覆有电解质结构，所述电解质结构上覆有阴极结构，所述阴极结构上覆有外周支撑结构；所述电池堆包括多组电池堆单元，多组电池堆单元并行排列，每组电池堆单元包括一组由两片耐热不锈钢板并列连接的钢板组，两片耐热不锈钢板的相对应位置设有多个略大于阴极结构侧表面的方形孔，所述新型双片一体SOFC电池单元通过该方形孔安装在钢板组。本发明使固体氧化物燃料电池单元电池同时具备高机械强度,高电化学转换效率以及燃料利用率。

技术领域

本发明涉及新能源固体氧化物燃料电池单元电池结构制程技术以及创新电池堆设计领域，具体涉及一种新型双片一体SOFC电池单元及制程和电池堆。

背景技术

根据中国储能网新闻中心取得海关总署的数据显示，自2009年至今，我国煤矿、原油与天然气的进口持续上升，同时洁净能源的消费占比亦持续上升，表示国内在能源需求不断攀升的同时，国家也扩大加码洁净能源的发展。而SOFC是再生能源领域中转换效率最高的储能系统，因此，虽然技术门槛高，但依旧是新能源研究领域的热门题目之一。

虽然SOFC具有许多发展成为洁净替代能源的潜力，但是为了让SOFC的使用率更加普及化，有些部分仍然需要做进一步的改善与加强。例如(Y_0.08Zr_0.92)O_1.96(8mol％yttria-stabilized zirconia，8YSZ)为目前商业化的电解质陶瓷材料，操作温度在1000℃才有0.1S·cm^-1的导电度，但是在高温下使用SOFC的缺点有1.组成接口容易发生反应；2.高温下使用容易造成热稳定性下降；3.界面接合度受到膨胀系数的影响增加，容易因为高温热应力作用而引起电池龜裂；4.为求能在高温下稳定使用，电极和双极板部分的材料选择受到限制，而这类型的电极和双极板材料成本较高，直接影响到SOFC的造价。

以上问题的根源基本上都是因为电解质部分必须在高温下才能有好的导电性，原因在于第一代SOFC为电解质支撑型(electrolyte support cell,ESC)，其电解质的厚度约为140-200μm，虽然机械强度佳，不过因为电解质较厚，所以离子需要移动的距离较长，所以阻抗很大。解决办法之一就是将电解质的厚度降低，以降低电解质部分所造成的阻抗，但是SOFC所使用的电解质材料如果太薄，则单电池的机械稳定度就会下降，容易脆裂，造成电池堆组装较困难且抗震强度很弱。

为了克服因为电解质变薄而造成机械强度变弱的问题，于是将维持机械强度的任务转嫁到阳极或是阴极上面，因此开发出电极厚度增加的第二代SOFC(anode or cathodesupport cell,ASC or CSC)，其中电解质的厚度大幅缩减至约3-10μm，而阳极或是阴极其中之一的厚度增加到500-600μm，而另一电极的厚度则在30-60μm。此作法确实有效地降低电解质部分的阻抗值，但是多孔状的电极部分即使厚度增加，机械强度仍然不够强韧。因此，若能够直接从电解质部分加以改善，使SOFC能够在较低的温度下运作，同时维持电解质层的高机械强度，不仅能够提高电池运作的功率，且如果SOFC的操作温度降低，电极和双极板部分的材料选择性就更多元，连带SOFC的制造成本也能够下降。

SOFC单元电池的架构是将3种不同的特性陶瓷材料分别做为阴阳极与电解质,并透过制程工艺技术接合成一体化结构。然而,不同的特性陶瓷材料通常表现出不同的热膨胀系数而在烧结过程中产生不同的收缩率导致SOFC单元电池结构弯曲变形甚至破裂。目前常见的解决方法是将电解质材料掺入电极材料中,以缩小不同特性陶瓷材料之间的热膨胀系数差异。此法虽然确实降低了收缩率的差异,减轻在烧结过程中产生结构弯曲变形与破裂的问题,但仍无法完全消除。此外,该方法通常要掺入不同比例的电解质材料来渐近式地接进电解质层,因此增加制程的步骤。且将过多的电解质材料掺入电极材料中也会导致电极的阻抗上升,进而影响单元电池的输出效率。

发明内容