一種管式固體氧化物燃料電池單電池的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及燃料電池技術(shù)領(lǐng)域，更具體地說涉及一種管式固體氧化物燃料電池單電池。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展，人類面臨越來越緊迫的環(huán)境和能源問題。燃料電池是一種高效的發(fā)電裝置，它直接將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，不經(jīng)過熱機(jī)過程，從而其效率不受卡諾循環(huán)理想效率限制。燃料電池的研究有上百年的歷史，人們實(shí)用新型了多種燃料電池。其中固體氧化物燃料電池(S0FC)得到了極大的重視。目前固體氧化物燃料電池單電池的發(fā)電效率可達(dá)50%，與汽輪機(jī)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電的發(fā)電效率可達(dá)70%，進(jìn)一步合理利用余熱，其效率能夠達(dá)到80%以上。固體氧化物燃料電池的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以減小污染，降低氮氧化物和顆粒物的排放。
[0003]固體氧化物燃料電池包含陰極腔和陽極腔，陰極腔通入氧氣，陽極腔通入燃料，通常為可燃性氣體。為了產(chǎn)生電能，陰極腔和陽極腔必須分別密封，當(dāng)陰極氣體和陽極氣體發(fā)生泄漏，造成兩種氣體混合時(shí)，會(huì)使發(fā)電效率下降，較為嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生爆炸，或者引起火災(zāi)。固體氧化物燃料電池需要在較高的溫度下運(yùn)行，通常運(yùn)行溫度超過600°C，因此在高溫條件下，固體氧化物燃料電池的密封非常關(guān)鍵。由于固體氧化物燃料電池的陰極、電解質(zhì)和陽極材料都具有陶瓷性質(zhì)，陶瓷件之間不容易密封；另外，當(dāng)這些材料與金屬連接時(shí)也會(huì)出現(xiàn)密封不好，膨脹系數(shù)不匹配的問題。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0004]現(xiàn)有的固體氧化物燃料電池通常由多個(gè)部件組裝而成，多部件之間需采用各種手段保持高溫使用時(shí)密封。本實(shí)用新型克服了現(xiàn)有技術(shù)中的不足，采用陶瓷密封燒結(jié)方式把單電池所有部件密封燒結(jié)成一體，以解決固體氧化物燃料電池使用過程中存在的高溫密封困難的問題。
[0005]本實(shí)用新型的目的通過下述技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)。
[0006]—種管式固體氧化物燃料電池單電池，包括陰極外殼、陰極進(jìn)氣管、陰極出氣管、陰極接線柱、燃料電池發(fā)電管體上接頭、燃料電池發(fā)電管體、陽極接線柱以及燃料電池發(fā)電管體下接頭，在陰極外殼內(nèi)設(shè)置有燃料電池發(fā)電管體，燃料電池發(fā)電管體的長度小于陰極外殼，在陰極外殼與燃料電池發(fā)電管體之間設(shè)置有陰極進(jìn)氣管與陰極出氣管，陰極進(jìn)氣管一端設(shè)置在陰極外殼的外部，陰極進(jìn)氣管另一端伸入到陰極外殼底端附近，陰極出氣管一端設(shè)置在在所述陰極外殼的外部，陰極出氣管另一端伸入到陰極外殼頂端附近，在燃料電池發(fā)電管體上端設(shè)置有燃料電池發(fā)電管體上接頭，在燃料電池發(fā)電管體下端設(shè)置有燃料電池發(fā)電管體下接頭，在燃料電池發(fā)電管體上接頭與陰極外殼相接觸的位置上設(shè)置陰極接線柱和陽極接線柱，陰極接線柱一端設(shè)置在燃料電池發(fā)電管體上接頭與燃料電池發(fā)電管體相接觸位置的外側(cè)，且陰極接線柱的一端穿出陰極外殼；陽極接線柱一端設(shè)置在燃料電池發(fā)電管體上接頭與燃料電池發(fā)電管體相接觸位置的內(nèi)側(cè)，陽極接線柱另一端穿出燃料電池發(fā)電管體上接頭。
[0007]燃料電池發(fā)電管體由燃料電池陽極集流層、燃料電池陽極層、燃料電池電解質(zhì)層、燃料電池陰極以及燃料電池陰極集流層組成，燃料電池陽極集流層、燃料電池陽極層、燃料電池電解質(zhì)層、燃料電池陰極以及燃料電池陰極集流層由內(nèi)至外以同心圓方式依次設(shè)置以使燃料電池發(fā)電管體整體呈圓筒形狀。
[0008]燃料電池陽極集流層以及燃料電池陰極集流層采用金屬鉑或其它在燃料電池氣氛下穩(wěn)定的具有高導(dǎo)電率的金屬或合金材料。燃料電池陽極層、燃料電池電解質(zhì)層、燃料電池陰極分別選用燃料電池域的電池陽極材料、電解質(zhì)材料和電池陰極材料。
[0009]燃料電池的陰極外殼、陰極進(jìn)氣管、陰極出氣管、燃料電池發(fā)電管體上接頭、燃料電池發(fā)電管體下接頭都采用陶瓷材料，陶瓷材料為氧化鋁、氧化鋯、莫來石或者堇青石中的一種或幾種。
[0010]陰極接線柱以及陽極接線柱采用金屬鉑或其它在燃料電池氣氛下穩(wěn)定的且具有高導(dǎo)電率的金屬或合金材料。
[0011]燃料電池發(fā)電管體上接頭為圓筒形狀，橫截面為矩形，由筒壁和筒腔組成并在燃料電池發(fā)電管體上接頭的上下兩端分別形成上開口和下開口，下開口用于和燃料電池發(fā)電管體的上端相連，上開口，用作陽極出氣口。燃料電池發(fā)電管體下接頭可采用與附圖3所示相同的結(jié)構(gòu)，其上開口和燃料電池發(fā)電管體的下端相連，下開口，用作陽極進(jìn)氣口。
[0012]燃料電池發(fā)電管體上接頭由筒壁和筒腔組成，下開口與燃料電池發(fā)電管體的上端大小一致，上開口大于下開口，以形成倒“凸”結(jié)構(gòu)，即燃料電池發(fā)電管體上接頭為變徑的圓筒結(jié)構(gòu)；燃料電池發(fā)電管體下接頭可采用與附圖3所示相同的結(jié)構(gòu)，上開口與燃料電池發(fā)電管體的下端大小一致，下開口大于上開口。選擇變徑的圓筒結(jié)構(gòu)，方便上下接頭與陽極進(jìn)氣管路和出氣管路相連。同時(shí)為了便于密封，在燃料電池發(fā)電管體上接頭和燃料電池發(fā)電管體的接口處、燃料電池發(fā)電管體下接頭和燃料電池發(fā)電管體的接口處設(shè)置凹槽或卡槽。
[0013]在燃料電池發(fā)電管體上接頭外側(cè)設(shè)置冷卻夾套，冷卻夾套上設(shè)置有冷卻介質(zhì)進(jìn)口和冷卻介質(zhì)出口 ；或者在燃料電池發(fā)電管體上接頭外側(cè)設(shè)置冷卻盤管，并設(shè)置冷卻介質(zhì)進(jìn)口和冷卻介質(zhì)出口。
[0014]在整個(gè)燃料電池單電池中，所有部件(陰極外殼、陰極進(jìn)氣管、陰極出氣管、陰極接線柱、燃料電池發(fā)電管體上接頭、燃料電池發(fā)電管體、陽極接線柱以及燃料電池發(fā)電管體下接頭)通過高溫陶瓷密封膠密封并粘接成一體，具體來說，分別設(shè)計(jì)并制備各個(gè)部件(陶瓷部件)然后將各自通過高溫陶瓷密封膠密封、粘接、燒結(jié)而成型。燃料電池發(fā)電管體下端用高溫陶瓷膠與燃料電池發(fā)電管體下接頭密封粘接燒結(jié)，燃料電池發(fā)電管體上端用高溫陶瓷膠與燃料電池發(fā)電管體上接頭密封粘接燒結(jié)。燃料電池發(fā)電管體上接頭、燃料電池發(fā)電管體和燃料電池發(fā)電管體下接頭組成了陽極腔體，將陰極接線柱和陽極接線柱按圖1所示固定在陽極腔體上。燃料電池發(fā)電管體下接頭的下開口，作為陽極進(jìn)氣口，燃料電池發(fā)電管體上接頭的上開口，作為陽極出氣口。燃料電池陰極外殼、陰極進(jìn)氣管和陰極出氣管用高溫陶瓷密封膠密封粘接燒結(jié)，得到陰極腔體。燃料電池陰極腔體與陽極腔體密封粘接燒結(jié)得到燒結(jié)成一體的固體氧化物燃料電池單電池。
[0015]本實(shí)用新型的有益效果為:燃料電池發(fā)電管體兩端為陶瓷接口，陶瓷接口可以根據(jù)外氣路接口的形狀進(jìn)行設(shè)計(jì)。采用陶瓷燒結(jié)密封的方法將該燃料電池單電池的陰極外殼、陰極進(jìn)氣管、陰極出氣管、陽極腔體、兩端陶瓷接口、發(fā)電管體和電極燒結(jié)成一體，除少量金屬材質(zhì)的部件外，其余各部件均為陶瓷性質(zhì)的材料，熱膨脹系數(shù)接近，有利于密封燒結(jié)，該燃料電池單電池?zé)Y(jié)成一體的陶瓷結(jié)構(gòu)避免了固體氧化物燃料電池在高溫工作條件下密封困難的問題，使固體氧化物燃料電池的進(jìn)一步組裝和構(gòu)建更加容易。
【附圖說明】
[0016]圖1為本實(shí)用新型的整體結(jié)構(gòu)剖面示意圖，其中1為陰極外殼，2為陰極進(jìn)氣管，3為陰極出氣管，4為陰極接線柱，5為燃料電池發(fā)電管體上接頭，6為燃料電池發(fā)電管體，7為陽極接線柱，8為燃料電池發(fā)電管體下接頭。
[0017]圖2為本實(shí)用新型中燃料電池發(fā)電管體的截面結(jié)構(gòu)示意圖，其中6-1為燃料電池陽極集流層，6-2為燃料電池陽極層，6-3為燃料電池電解質(zhì)層，6-4為燃料電池陰極，6-5為燃料電池陰極集流層。
[0018]圖3是無冷卻裝置的燃料電池發(fā)電管體上接頭結(jié)構(gòu)示意圖(1)，其中5-1為上開口，5-2為下開口，5-3為筒壁，5-4為筒腔。
[0019]圖4是無冷卻裝置的燃料電池發(fā)電管體上接頭結(jié)構(gòu)示意圖(2)，其中5-1為上開口，5-2為下開口，5-3為筒壁，5-4為筒腔。
[0020]圖5是帶有冷卻夾套的燃料電池發(fā)電管體上接頭示意圖(1)，其中5為燃料電池發(fā)電管體上接頭，9為冷卻夾套，9-1為冷卻介質(zhì)進(jìn)口，9-2為冷卻介質(zhì)出口。
[0021 ]圖6是帶有冷卻夾套的燃料電池發(fā)電管體上接頭示意圖(2)，其中5為燃料電池發(fā)電管體上接頭，5-1為上開口，5-2為下開口，5-3為筒壁，5-4為筒腔，9為冷卻夾套，9_1為冷卻介質(zhì)進(jìn)口，9-2為冷卻介質(zhì)出口。
[0022]圖7是帶有冷卻盤管的燃料電池發(fā)電管體上接頭示意圖(1)，其中5為燃料電池發(fā)電管體上接頭，10為冷卻盤管。
[0023]圖8是帶有冷卻盤管的燃料電池發(fā)電管體上接頭示意圖(2)，其中5-1為上開口，5-2為下開口，5-3為筒壁，5-4為筒腔，10為冷卻盤管。
【具體實(shí)施方式】
[0024]下面通過具體的實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案作進(jìn)一步的說明。
[0025]如圖1所示，一種管式固體氧化物燃料電池單電池，1為陰極外殼，2為陰極進(jìn)氣管，3為陰極出氣管，4為陰極接線柱，5為燃料電池發(fā)電管體上接頭，6為燃料電池發(fā)電管體，7為陽極接線柱，8為燃料電池發(fā)電管體下接頭，其中:
[0026]在陰極外殼內(nèi)設(shè)置有燃料電池發(fā)電管體，燃料電池發(fā)電管體的長度小于陰極外殼，在陰極外殼與燃料電池發(fā)電管體之間設(shè)置有陰極進(jìn)氣管與陰極出氣管，陰極進(jìn)氣管一端設(shè)置在陰極外殼的外部，陰極進(jìn)氣管另一端伸入到陰極外殼底端附近，陰極出氣管一端設(shè)置在在所述陰極外殼的外部，陰極出氣管另一端伸入到陰極外殼頂端附近，在燃料電池發(fā)電管體上端設(shè)置有燃料電池發(fā)電管體上接頭，在燃料電池發(fā)電管體下端設(shè)置有燃料電池發(fā)電管體下接頭，在燃料電池發(fā)電管體上接頭與陰極外殼相接觸的位置上設(shè)置陰極接線柱和陽極接線柱，陰極接線柱一端設(shè)置在燃料電池發(fā)電管體上接頭與燃料電池發(fā)電管體相接觸