技術領域

本發(fā)明涉及燃料電池技術領域，更具體地說涉及一種管式固體氧化物燃料電池單電池及其制備方法。

背景技術：

隨著經濟和社會的發(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能轉化為電能，不經過熱機過程，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，人們發(fā)明了多種燃料電池。其中固體氧化物燃料電池(SOFC)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50％，與汽輪機聯(lián)合循環(huán)發(fā)電的發(fā)電效率可達70％，進一步合理利用余熱，其效率能夠達到80％以上。固體氧化物燃料電池的另一個優(yōu)點是可以減小污染，降低氮氧化物和顆粒物的排放。

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。為了產生電能，陰極腔和陽極腔必須分別密封，當陰極氣體和陽極氣體發(fā)生泄漏，造成兩種氣體混合時，會使發(fā)電效率下降，較為嚴重時會發(fā)生爆炸，或者引起火災。固體氧化物燃料電池需要在較高的溫度下運行，通常運行溫度超過600℃，因此在高溫條件下，固體氧化物燃料電池的密封非常關鍵。由于固體氧化物燃料電池的陰極、電解質和陽極材料都具有陶瓷性質，陶瓷件之間不容易密封；另外，當這些材料與金屬連接時也會出現(xiàn)密封不好，膨脹系數(shù)不匹配的問題。

技術實現(xiàn)要素：

現(xiàn)有的固體氧化物燃料電池通常由多個部件組裝而成，多部件之間需采用各種手段保持高溫使用時密封。本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術中的不足，采用陶瓷密封燒結方式把單電池所有部件密封燒結成一體，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。

本發(fā)明的目的通過下述技術方案予以實現(xiàn)。

一種管式固體氧化物燃料電池單電池，包括陰極外殼、陰極進氣管、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，在陰極外殼內設置有燃料電池發(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)電管體之間設置有陰極進氣管與陰極出氣管，陰極進氣管一端設置在陰極外殼的外部，陰極進氣管另一端伸入到陰極外殼底端附近，陰極出氣管一端設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置陰極接線柱和陽極接線柱，陰極接線柱一端設置在燃料電池發(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，且陰極接線柱的一端穿出陰極外殼；陽極接線柱一端設置在燃料電池發(fā)電管體上接頭與燃料電池發(fā)電管體相接觸位置的內側，陽極接線柱另一端穿出燃料電池發(fā)電管體上接頭。

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、燃料電池電解質層、燃料電池陰極以及燃料電池陰極集流層由內至外以同心圓方式依次設置以使燃料電池發(fā)電管體整體呈圓筒形狀。

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)定的具有高導電率的金屬或合金材料。燃料電池陽極層、燃料電池電解質層、燃料電池陰極分別選用燃料電池域的電池陽極材料、電解質材料和電池陰極材料。

燃料電池的陰極外殼、陰極進氣管、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。

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)定的且具有高導電率的金屬或合金材料。

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所示相同的結構，其上開口和燃料電池發(fā)電管體的下端相連，下開口，用作陽極進氣口。

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”結構，即燃料電池發(fā)電管體上接頭為變徑的圓筒結構；燃料電池發(fā)電管體下接頭可采用與附圖3所示相同的結構，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。選擇變徑的圓筒結構，方便上下接頭與陽極進氣管路和出氣管路相連。同時為了便于密封，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)電管體的接口處設置凹槽或卡槽。

在燃料電池發(fā)電管體上接頭外側設置冷卻夾套，冷卻夾套上設置有冷卻介質進口和冷卻介質出口；或者在燃料電池發(fā)電管體上接頭外側設置冷卻盤管，并設置冷卻介質進口和冷卻介質出口。

在整個燃料電池單電池中，所有部件(陰極外殼、陰極進氣管、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，分別設計并制備各個部件(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，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。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、陰極進氣管和陰極出氣管用高溫陶瓷密封膠密封粘接燒結，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得到燒結成一體的固體氧化物燃料電池單電池。

本發(fā)明的有益效果為：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行設計。采用陶瓷燒結密封的方法將該燃料電池單電池的陰極外殼、陰極進氣管、陰極出氣管、陽極腔體、兩端陶瓷接口、發(fā)電管體和電極燒結成一體，除少量金屬材質的部件外，其余各部件均為陶瓷性質的材料，熱膨脹系數(shù)接近，有利于密封燒結，該燃料電池單電池燒結成一體的陶瓷結構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一步組裝和構建更加容易。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的整體結構剖面示意圖，其中1為陰極外殼，2為陰極進氣管，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。

圖2為本發(fā)明中燃料電池發(fā)電管體的截面結構示意圖，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為燃料電池電解質層，6-4為燃料電池陰極，6-5為燃料電池陰極集流層。

圖3是無冷卻裝置的燃料電池發(fā)電管體上接頭結構示意圖(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。

圖4是無冷卻裝置的燃料電池發(fā)電管體上接頭結構示意圖(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。

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為冷卻介質進口，9-2為冷卻介質出口。

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為冷卻介質進口，9-2為冷卻介質出口。

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。

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。

具體實施方式

下面通過具體的實施例對本發(fā)明的技術方案作進一步的說明。

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：

在陰極外殼內設置有燃料電池發(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)電管體之間設置有陰極進氣管與陰極出氣管，陰極進氣管一端設置在陰極外殼的外部，陰極進氣管另一端伸入到陰極外殼底端附近，陰極出氣管一端設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置陰極接線柱和陽極接線柱，陰極接線柱一端設置在燃料電池發(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，且陰極接線柱的一端穿出陰極外殼；陽極接線柱一端設置在燃料電池發(fā)電管體上接頭與燃料電池發(fā)電管體相接觸位置的內側，陽極接線柱另一端穿出燃料電池發(fā)電管體上接頭。

具體來說，陰極接線柱的一端設置在燃料電池發(fā)電管體上開口的外表面上，陰極接線柱的本體延燃料電池發(fā)電管體外表面和與燃料電池發(fā)電管體相接觸的燃料電池發(fā)電管體上接頭外表面設置，陰極接線柱的另一端穿過陰極外殼；陽極接線柱的一端設置在燃料電池發(fā)電管體上開口的內表面上，陽極接線柱的本體延燃料電池發(fā)電管體內表面和與燃料電池發(fā)電管體相接觸的燃料電池發(fā)電管體上接頭內表面設置，陽極接線柱的另一端穿過燃料電池發(fā)電管體上接頭。

如圖2所示，6-1為燃料電池陽極集流層，6-2為燃料電池陽極層，6-3為燃料電池電解質層，6-4為燃料電池陰極，6-5為燃料電池陰極集流層，其中

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、燃料電池電解質層、燃料電池陰極以及燃料電池陰極集流層由內至外以同心圓方式依次設置以使燃料電池發(fā)電管體整體呈圓筒形狀。

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)定的具有高導電率的金屬或合金材料。燃料電池陽極層、燃料電池電解質層、燃料電池陰極分別選用燃料電池域的電池陽極材料、電解質材料和電池陰極材料。

燃料電池的陰極外殼、陰極進氣管、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。

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)定的且具有高導電率的金屬或合金材料。

在整個燃料電池單電池中，所有部件(陰極外殼、陰極進氣管、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，分別設計并制備各個部件(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，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。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、陰極進氣管和陰極出氣管按圖1所示，用高溫陶瓷密封膠密封粘接燒結，得到陰極腔體。燃料電池陰極腔體與陽極腔體按圖1所示，密封粘接燒結得到燒結成一體的固體氧化物燃料電池單電池。

如附圖3所示，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所示相同的結構，其上開口和燃料電池發(fā)電管體的下端相連，下開口，用作陽極進氣口。

如附圖4所示，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”結構，即燃料電池發(fā)電管體上接頭為變徑的圓筒結構；燃料電池發(fā)電管體下接頭可采用與附圖3所示相同的結構，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。選擇變徑的圓筒結構，方便上下接頭與陽極進氣管路和出氣管路相連。同時為了便于密封，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)電管體的接口處設置凹槽或卡槽。

由于在持續(xù)反應過程中陽極出氣口處溫度上升，在燃料電池發(fā)電管體上接頭外側設置冷卻裝置，如附圖5(外部結構示意圖)、6(剖面示意圖)所示，在燃料電池發(fā)電管體上接頭外側設置冷卻夾套，冷卻夾套上設置有冷卻介質進口和冷卻介質出口；如附圖7(外部結構示意圖)、8(剖面示意圖)所示，在燃料電池發(fā)電管體上接頭外側設置冷卻盤管，并設置冷卻介質進口和冷卻介質出口。

本發(fā)明的有益效果為：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行設計。采用陶瓷燒結密封的方法將該燃料電池單電池的陰極外殼、陰極進氣管、陰極出氣管、陽極腔體、兩端陶瓷接口、發(fā)電管體和電極燒結成一體，除少量金屬材質的部件外，其余各部件均為陶瓷性質的材料，熱膨脹系數(shù)接近，有利于密封燒結，該燃料電池單電池燒結成一體的陶瓷結構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一步組裝和構建更加容易。

以上對本發(fā)明做了示例性的描述，應該說明的是，在不脫離本發(fā)明的核心的情況下，任何簡單的變形、修改或者其他本領域技術人員能夠不花費創(chuàng)造性勞動的等同替換均落入本發(fā)明的保護范圍。