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CN1960048A - 多孔金属支撑的低温固体氧化物燃料电池的结构 - Google Patents

多孔金属支撑的低温固体氧化物燃料电池的结构 Download PDF

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CN1960048A CNA2006101186658A CN200610118665A CN1960048A CN 1960048 A CN1960048 A CN 1960048A CN A2006101186658 A CNA2006101186658 A CN A2006101186658A CN 200610118665 A CN200610118665 A CN 200610118665A CN 1960048 A CN1960048 A CN 1960048A
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CNA2006101186658A
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English (en)
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屠恒勇
余晴春
朱新坚
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Shanghai Jiao Tong University
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Shanghai Jiao Tong University
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

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Abstract

一种燃料电池技术领域的多孔金属支撑的低温固体氧化物燃料电池的结构，包括：多孔阳极薄膜、致密固体电解质薄膜、反应阻挡层、阴极活化层、阴极接触层，多孔不锈钢支撑体、重整催化剂，多孔阳极薄膜、致密固体电解质、反应阻挡层、阴极活化层、阴极接触层由下而上依次紧密连接，构成固体氧化物燃料电池的单体电池，载有重整催化剂的多孔不锈钢支撑体置于多孔阳极薄膜的下侧。本发明增加了电池结构的稳定性，提高了阳极的电催化性能；提高了整个电池温度的热均匀性，进而提高电池的性能和寿命；整个系统结构更加紧凑，效率更高。这对于解决固体氧化物燃料电池在发电系统应用方面面临的关键问题具有非常重要的意义。

Description

多孔金属支撑的低温固体氧化物燃料电池的结构
技术领域
本发明涉及的是一种燃料电池技术领域的电池，具体是一种多孔金属支撑的低温固体氧化物燃料电池的结构。
背景技术
固体氧化物燃料电池进入商业化发展的主要障碍是电池堆系统寿命和系统价格，而固体氧化物燃料电池工作温度是决定这两方面的重要因素。目前国际上许多研发单位积极发展中温固体氧化物燃料电池，即将常规的950℃左右工作温度降低到700-800℃。其中，Ni-YSZ(YSZ：钇稳定氧化锆)阳极支撑中温固体氧化物燃料电池近年来在国际上得到了广泛的重视，其工作温度为700-800℃，优良的电池堆性能也已有报道，部分研发单位具备了较大规模的生产能力，但与厚阳极支撑体相关的问题还需要得到解决。多孔阳极支撑体呈较低的机械强度，难以抵抗热和机械应力。另外，在氧化还原循环中，多孔阳极支撑体中的金属镍被氧化成NiO，继而NiO被还原成金属镍，多孔阳极支撑体经历体积变化，从而易导致电解质开裂，因此若系统出现故障导致燃料供应中断易引起因空气进入阳极室，导致Ni-YSZ阳极支撑的固体氧化物燃料电池损坏。同时，在这一温度区内，金属连接体的氧化腐蚀问题也较为严重。
经对现有技术的文献检索发现，由世界知识产权组织国际局公开的专利WO2005122300标题为“Solid Oxide Fuel Cell”(固体氧化物燃料电池)，该专利提出了用金属支撑体代替Ni-YSZ阳极支撑体的方法，认为采用金属支撑体，可以增强支撑体的机械强度，同时保证了支撑体氧化还原的稳定性。该专利提出了梯度金属陶瓷结构和用金属化合物浸渍多孔阳极的方法，有效地避免了采用金属支撑体可能会引起的问题，即在制备电极的高温烧结过程中，阳极中的金属会扩散到金属支撑体中，引起金属支撑体相结构的改变。但是，在该专利中，仅仅依赖一层很薄的活性阳极(厚度为10μm)，既要参与阳极的电化学反应，又要进行裂解碳氢化合物的反应，很可能会影响电池的电化学反应性能，同时也会造成碳在阳极表面沉积，从而影响电池的寿命。
发明内容
本发明针对上述技术的不足之处，提出了一种多孔金属支撑的低温固体氧化物燃料电池的结构。本发明采用多孔不锈钢作为支撑体，并且在该支撑体的多孔结构中加入可以催化重整各种燃料气体的催化剂，把重整催化剂和进行阳极电化学反应的催化剂分开放置，特别是把重整催化剂放置在多孔不锈钢支撑体中进行燃料的内重整，可以提高燃料处理的能力，简化系统的结构，提高电池的性能和延长电池的寿命，解决目前以电解质或阳极为支撑体结构的固体氧化物燃料电池存在的关键问题，即高的成本和低的稳定性和寿命。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明所述的多孔金属支撑的低温固体氧化物燃料电池，与一般的固体氧化物燃料电池类似之处是，电池的主要部件也是由阳极、固体电解质和阴极所组成。本发明的特色是把这些部件都进行了薄膜化处理，由薄膜部件组成的电池，能量密度可以更高，更可以耐受热的冲击。
因此，本发明以多孔阳极薄膜作为阳极，以致密固体电解质薄膜作为固体电解质，阴极由阴极活化层和阴极接触层组成，同时，在固体电解质和阴极之间，加入一层反应阻挡层，以防止高活性的阴极和固体电解质发生反应而影响了电池的寿命。
本发明把多孔阳极薄膜、致密固体电解质薄膜、反应阻挡层、阴极活化层和阴极接触层由下而上顺次叠放，当阴极通入空气，阳极通入氢气时，就发生如下的反应：
阴极：     (1)
阳极：    (2)
在上述反应式中，阴极的氧气被还原为氧离子，经固体电解质(氧离子导体)传递到阳极，和氢气发生反应，生成水，释放出的电子，经过外电路，传输到阴极。
本发明的创新之点在于在阳极的下侧，增加了多孔不锈钢支撑体，在这个多孔不锈钢支撑体的孔中，浸渍催化剂，该催化剂的作用是重整或是裂解催化各种燃料气体。当阴极气体仍然是空气，而阳极气体采用天然气、煤气、甲醇、酒精、汽油、柴油和生物质气等作为燃料气体时，阳极气体首先经过多孔金属支撑体，被存在于多孔体内的催化剂重整后，变成了富含氢气的阳极气体在进入阳极，进而在阴极和阳极上发生上述的电化学反应而发电。重整催化剂为现有成熟技术，有相关的商品出售，可以根据具体的气体成分选择。
本发明采用多孔不锈钢支撑体，一方面可以增加支撑体的机械强度，减小了阳极所受到的应力，增加了电池结构的稳定性，让阳极也可以作薄膜化的处理，提高了阳极的电催化性能；另一方面，利用金属是热的良导体的特性，可以提高整个电池温度的热均匀性，进而提高电池的性能和寿命；另外，可以在整个固体氧化物燃料电池发电系统中，减少一个外重整的装置，各种燃料气体可以直接进入电池而发电，使得整个系统结构更加紧凑，效率更高。这对于解决固体氧化物燃料电池在发电系统应用方面面临的关键问题具有非常重要的意义。
附图说明
图1为本发明的结构示意图
图中：多孔不锈钢支撑体1，重整催化剂2，多孔阳极薄膜3，致密固体电解质薄膜4，反应阻挡层5，阴极活化层6，阴极接触层7。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述的
实施例。
如图1所示，本实施例包括：多孔不锈钢支撑体1、重整催化剂2、多孔阳极薄膜3、致密固体电解质薄膜4、反应阻挡层5、阴极活化层6、阴极接触层7。
各部件的连接关系为：在多孔不锈钢支撑体1里面，浸渍重整催化剂2，用来把不同种类的燃料，催化重整成富含氢气的阳极气体，在多孔不锈钢支撑体1上面，通过喷涂或丝网印刷法沉积上多孔阳极薄膜3，接着，在多孔阳极薄膜3上喷涂或丝网印刷法沉积上致密固体电解质薄膜4，然后，在致密固体电解质薄膜4上通过喷涂或丝网印刷沉积上反应阻挡层5，继续在反应阻挡层5上喷涂或丝网印刷上阴极活化层6，最后，在阴极活化层6上喷涂或丝网印刷上阴极接触层7。这样，构成了多孔金属支撑的低温固体氧化物燃料电池的单体电池的结构。重复上述结构，就构成了多孔金属支撑的低温固体氧化物燃料电池的电堆结构。
所述的多孔不锈钢支撑体1，厚度为0.5-1mm之间，孔径5-10μm，空隙率50-70％之间，用流延法制得。在该多孔不锈钢中选择性地浸渍重整催化剂2，从而使所制得的电池具有广泛的燃料适用性，消除了外重整器，有效地降低了系统的成本，同时也因多孔不锈钢的高导热性实现电池堆的热均匀性。
所述的多孔阳极薄膜3，用NiO-ScSZ或CGO粉料通过喷涂或丝网印刷法沉积在多孔不锈钢支撑体1的表面，厚度在10-50μm之间，孔隙率30-50％之间，孔径为1-3μm，在电池工作条件下NiO原位还原成Ni，金属Ni一方面为电极提供了电子导体，另一方面是固体氧化物燃料电池阳极的电催化剂。
所述的致密固体电解质薄膜4，由ScSZ(钪掺杂氧化锆)粉料组成，通过喷涂或丝网印刷沉积在多孔阳极薄膜3表面，厚度在10-30μm之间，ScSZ为优良的氧离子导体。
所述的反应阻挡层5，由CGO(钆掺杂氧化铈)粉料组成，通过喷涂或丝网印刷沉积在致密固体电解质薄膜4表面，厚度在5-10μm之间，CGO为优良的氧离子导体，同时可阻挡高性能阴极与ScSZ电解质发生反应，从而提高电池的寿命。
所述的阴极活化层6，厚度在5-20μm之间，该阴极活化层6由50％(重量百分比)的LSFC(La0.58Sr0.4Fe0.8Co0.2O3-δ)和50％(重量百分比)的CGO的混合物所组成。
所述的阴极接触层7，是厚度在50μm左右的单相LSFC层。

Claims (8)

1、一种多孔金属支撑的低温固体氧化物燃料电池的结构，包括：多孔阳极薄膜、致密固体电解质薄膜、反应阻挡层、阴极活化层、阴极接触层，其特征在于，还包括：多孔不锈钢支撑体、重整催化剂，多孔阳极薄膜、致密固体电解质、反应阻挡层、阴极活化层、阴极接触层由下而上依次紧密连接，构成固体氧化物燃料电池的单体电池，载有重整催化剂的多孔不锈钢支撑体置于多孔阳极薄膜的下侧。
2、根据权利要求1所述的多孔金属支撑的低温固体氧化物燃料电池的结构，其特征是，所述的多孔不锈钢支撑体，厚度为0.5-1mm之间，孔径5-10μm，空隙率50-70％之间。
3、根据权利要求1所述的多孔金属支撑的低温固体氧化物燃料电池的结构，其特征是，所述的多孔阳极薄膜，厚度在10-50μm之间，孔隙率30-50％之间，孔径为1-3μm。
4、根据权利要求1所述的多孔金属支撑的低温固体氧化物燃料电池的结构，其特征是，所述的致密固体电解质薄膜，厚度在10-30μm之间。
5、根据权利要求1所述的多孔金属支撑的低温固体氧化物燃料电池的结构，其特征是，所述的反应阻挡层，厚度在5-10μm之间。
6、根据权利要求1所述的多孔金属支撑的低温固体氧化物燃料电池的结构，其特征是，所述的阴极活化层，厚度在5-20μm之间。
7、根据权利要求1所述的多孔金属支撑的低温固体氧化物燃料电池的结构，其特征是，所述的在阴极接触层，厚度为50μm。
8、根据权利要求1所述的多孔金属支撑的低温固体氧化物燃料电池的结构，其特征是，所述的重整催化剂，为天然气、煤气、甲醇、酒精、汽油、柴油和生物质气的重整催化剂。
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