固體氧化物燃料電池電流收集端子的結構設計

張秀成, 陳德強

中弗新能源科技股份有限公司 上海 200241

1 設計背景

燃料電池作為一種可以直接將化學能轉換為電能的裝置,不僅能夠最大限度減少有害氣體排放,而且可以突破傳統熱機的卡諾循環限制,獲得較高的能量轉化效率。目前,燃料電池已經成為新能源技術領域的一個重要研究熱點[1]。

美國、日本、德國在固體氧化物燃料電池的研究方面進展最為迅速,居世界領先水平[2]。從年發電量來看,能夠達到兆瓦級別的全球固體氧化物燃料電池制造企業不超過十家。相對于發達國家,國內固體氧化物燃料電池的市場應用尚未真正實現,但部分企業已具備量產能力。筆者對固體氧化物燃料電池電流收集端子進行結構設計,目的在于改善固體氧化物燃料電池電極的導電狀態,進而降低內阻。

2 固體氧化物燃料電池工作原理

固體氧化物燃料電池是一種通過電化學反應將燃料中的化學能直接轉換為電能的全固態發電裝置,不需要經過燃料化學能、熱能、機械能、電能的轉換過程,能量轉換效率高,操作方便,無腐蝕,燃料適用性廣,可廣泛采用氫氣、一氧化碳、天然氣、液化氣、煤氣、生物質氣、甲醇、乙醇、汽油、柴油等碳氫燃料[2],很容易與現有能源資源供應系統兼容。與此同時,固體氧化物燃料電池不需要貴金屬催化劑,不存在直接甲醇燃料電池的液體燃料滲透問題[3]。固體氧化物燃料電池具有環境友好、排放少、噪聲低等優點,是公認的高效綠色能源。

固體氧化物燃料電池工作原理如圖1所示。單片固體氧化物燃料電池由陰極、陽極、電解質組成。電解質將電池分隔為陽極燃料極和陰極空氣極。氧分子在陰極得到電子,被還原成氧離子。在陰陽極氧的化學位差作用下,氧離子通過電解質傳輸到陽極,并在陽極與燃料發生反應,生成水和電子。電子通過外電路的用電器做功,形成回路[4]。

圖1 固體氧化物燃料電池工作原理

陰極的電化學反應為:

O2+4e→2O2-

陽極的電化學反應為:

H2+ O2-→H2O+2e

固體氧化物燃料電池的結構主要有管式、平板式、瓦楞式三種[5-7],如圖2所示。固體氧化物燃料電池關鍵元件是單電池,若干個單電池通過串并聯構成電池堆。固體氧化物燃料電池堆目前常用管式和平板式兩種結構。管式較為成熟,每根管為一個單電池,從內到外分別為支撐管、陰極、電解質、陽極。管一端開口,直徑約為1 cm,長度為1.5 m。多根單電池管經過串并聯形成一個管束,多個管束構成一個電池堆。管式結構的優點是應力分布均勻,可以不需要密封。與管式結構相比,平板式結構制備工藝簡單,成本低,電流收集流程短,功率密度高。但是,大面積電池的應力分布均勻和氣體密封是平板式結構面臨的問題。在瓦楞式結構中,三合一電池組件設計為瓦楞式或波浪式,這樣增大了電池的反應面積,具有更高的功率密度,但是三合一電池組件的制備相對困難。采用平板式結構需要專門的密封材料和密封技術,在具備高性能單電池、合格連接體與封接材料后,需要進行能夠保證電池堆高效、可靠、穩定運行的集成設計,面臨與單電池完全不同的關鍵技術問題。例如,電池堆的發電效率正比于燃料使用率,需要優化設計氣道以保證串聯的各個單電池獲得盡可能等量的燃料分配。要研究運行條件下部件材料的結構和性能演化規律,選擇合理的電池堆結構和運行參數,盡量減緩熱應力和溫度場等因素對各部件材料及界面造成的損傷,進而保證電池堆穩定運行。由于電池堆的性能綜合體現了微觀尺度電化學反應到宏觀尺度傳熱傳質及材料微結構到電池堆宏觀結構演化等多種物理效應,因此需要定量分析各影響因素,獲得最佳平衡點,優化設計電池堆結構,促進電池堆技術的高效發展。

圖2 固體氧化物燃料電池結構

3 電流收集端子結構

電池堆是固體氧化物燃料電池發電系統的核心部件,其性能優劣直接影響整個發電系統的性能。固體氧化物燃料電池堆通常在700～800 ℃高溫封閉狀態下工作,為了使電池堆輸出盡可能多的電能,需要盡量減少電池堆的內部電耗,也就是盡量提高各零部件的導電性,降低電阻。電池堆產出的電流由電流收集端子從電極上收集并導出[8],電流收集端子由金屬導線或電子導電性佳的氧化物制成。對于導電材料的選擇問題,Coble等[9]在專利中進行了介紹。

建立電流收集端子與電池堆的連接,減少連接不當而產生的電壓損耗,在實踐中經常因忽視這一點而引起電池堆故障。平板式固體氧化物燃料電池電池堆常用的電流收集端子結構如圖3所示,電池堆的上下壓板分別有一個凸臺,鉆有安裝孔,將電流收集端子用螺釘固定在壓板的凸臺上。這一結構存在三個缺點。第一,電流收集端子與壓板之間容易出現接觸不良。第二,用于固定的螺釘在高溫下容易產生松動。第三,電流收集端子通常是導電性較好的銅棒或銀棒,銅棒高溫下易氧化,使用壽命短,銀棒雖無此缺點,但價格貴,成本高,且在高溫下容易軟化、折斷。

圖3 電流收集端子常用結構

為了克服傳統電流收集端子結構的缺點,降低電阻,提高穩定性,設計了一種電流收集端子新結構,如圖4所示。銅棒安裝在不銹鋼管內,銅棒的直徑與不銹鋼管內徑公稱尺寸相同。在電池堆端板的側面事先加工好分別與銅棒及不銹鋼管相配的盲孔與沉孔。裝配時,先在沉孔底部灌入少許銀漿,銅棒與不銹鋼管按圖紙設計要求套好、彎曲,然后插入沉孔內,頂到底,這樣銀漿受擠壓會填滿銅棒與盲孔之間的區域。在端板側面圍繞不銹鋼管圓周將不銹鋼管與電池堆端板采用氬弧焊焊接在一起,焊接形式為圓周焊,焊縫要求無缺陷,并密封。端板是固體氧化物燃料電池堆的組件,放入高溫箱內。在高溫箱外銅棒的另一端,銅棒長于不銹鋼管,在不銹鋼管端面圍繞銅棒圓周對銅棒與不銹鋼接觸處采用密封焊接,這樣空氣不能進入不銹鋼管,從而避免在高溫下空氣與銅發生氧化反應。試驗用端板材料為430不銹鋼,不銹鋼管材料為316L不銹鋼,銅棒材料為紫銅。銅棒及不銹鋼管的尺寸包括直徑、長度等,可根據實際需要確定。

圖4 電流收集端子新結構

與原有結構相比,電流收集端子新結構牢固耐用,不會在高溫環境下氧化及軟化折斷,導電性好,在測試電池或電池堆維修的過程中,不需要進行拆裝。電流收集端子新結構的關鍵點是銅棒被不銹鋼管包裹,兩端接合處縫隙被密封焊接,這樣使銅棒在高溫下與空氣隔離,可避免被氧化。另外,銅的熱膨脹系數比鋼材大,在高溫下銅棒膨脹,與電池堆壓板沉孔及不銹鋼管內壁緊密接觸。在接觸界面上還填有銀漿,使接觸界面電阻降低。

固體氧化物燃料電池電流收集端子測試箱如圖5所示。通過測試,電阻降幅達到25%,可見電流收集端子新結構效果良好。

圖5 電流收集端子測試箱

4 結束語

隨著固體氧化物燃料電池技術的日益成熟和商業化,固體氧化物燃料電池的應用越來越多。固定式和分布式熱電聯供的綜合性電站、移動式電動汽車、便攜式設備電源等,都是固體氧化物燃料電池未來的應用方向。固體氧化物燃料電池的發電功率會越來越高,對電池堆零部件的技術要求也越來越高。筆者對固體氧化物燃料電池電流收集端子結構進行了設計,改善了電極的導電狀態,降低了內阻。建議未來在電池材料開發、電池組裝技術、電池系統設計、電池管理等方面繼續進行聯合研究,實現學科交叉,以促進固體氧化物燃料電池的商業化進程[10]。