張秀成, 陳德強(qiáng)

中弗新能源科技股份有限公司 上海 200241

1 設(shè)計(jì)背景

燃料電池作為一種可以直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)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(tǒng)熱機(jī)的卡諾循環(huán)限制,獲得較高的能量轉(zhuǎn)化效率。目前,燃料電池已經(jīng)成為新能源技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)重要研究熱點(diǎn)[1]。

美國(guó)、日本、德國(guó)在固體氧化物燃料電池的研究方面進(jìn)展最為迅速,居世界領(lǐng)先水平[2]。從年發(fā)電量來(lái)看,能夠達(dá)到兆瓦級(jí)別的全球固體氧化物燃料電池制造企業(yè)不超過(guò)十家。相對(duì)于發(fā)達(dá)國(guó)家,國(guó)內(nèi)固體氧化物燃料電池的市場(chǎng)應(yīng)用尚未真正實(shí)現(xiàn),但部分企業(yè)已具備量產(chǎn)能力。筆者對(duì)固體氧化物燃料電池電流收集端子進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),目的在于改善固體氧化物燃料電池電極的導(dǎo)電狀態(tài),進(jìn)而降低內(nèi)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(guò)電化學(xué)反應(yīng)將燃料中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能的全固態(tài)發(fā)電裝置,不需要經(jīng)過(guò)燃料化學(xué)能、熱能、機(jī)械能、電能的轉(zhuǎn)換過(guò)程,能量轉(zhuǎn)換效率高,操作方便,無(wú)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(zhì)氣、甲醇、乙醇、汽油、柴油等碳?xì)淙剂蟍2],很容易與現(xiàn)有能源資源供應(yīng)系統(tǒng)兼容。與此同時(shí),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(wèn)題[3]。固體氧化物燃料電池具有環(huán)境友好、排放少、噪聲低等優(yōu)點(diǎn),是公認(rèn)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(yáng)極、電解質(zhì)組成。電解質(zhì)將電池分隔為陽(yáng)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(yáng)極氧的化學(xué)位差作用下,氧離子通過(guò)電解質(zhì)傳輸?shù)疥?yáng)極,并在陽(yáng)極與燃料發(fā)生反應(yīng),生成水和電子。電子通過(guò)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(xué)反應(yīng)為:

O2+4e→2O2-

陽(yáng)極的電化學(xué)反應(yīng)為:

H2+ O2-→H2O+2e

固體氧化物燃料電池的結(jié)構(gòu)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(guān)鍵元件是單電池,若干個(gè)單電池通過(guò)串并聯(lián)構(gòu)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(jié)構(gòu)。管式較為成熟,每根管為一個(gè)單電池,從內(nèi)到外分別為支撐管、陰極、電解質(zhì)、陽(yáng)極。管一端開(kāi)口,直徑約為1 cm,長(zhǎng)度為1.5 m。多根單電池管經(jīng)過(guò)串并聯(lián)形成一個(gè)管束,多個(gè)管束構(gòu)成一個(gè)電池堆。管式結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是應(yīng)力分布均勻,可以不需要密封。與管式結(jié)構(gòu)相比,平板式結(jié)構(gòu)制備工藝簡(jiǎn)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(yīng)力分布均勻和氣體密封是平板式結(jié)構(gòu)面臨的問(wèn)題。在瓦楞式結(jié)構(gòu)中,三合一電池組件設(shè)計(jì)為瓦楞式或波浪式,這樣增大了電池的反應(yīng)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(duì)困難。采用平板式結(jié)構(gòu)需要專(zhuān)門(mén)的密封材料和密封技術(shù),在具備高性能單電池、合格連接體與封接材料后,需要進(jìn)行能夠保證電池堆高效、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行的集成設(shè)計(jì),面臨與單電池完全不同的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。例如,電池堆的發(fā)電效率正比于燃料使用率,需要優(yōu)化設(shè)計(jì)氣道以保證串聯(lián)的各個(gè)單電池獲得盡可能等量的燃料分配。要研究運(yùn)行條件下部件材料的結(jié)構(gòu)和性能演化規(guī)律,選擇合理的電池堆結(jié)構(gòu)和運(yùn)行參數(shù),盡量減緩熱應(yīng)力和溫度場(chǎng)等因素對(duì)各部件材料及界面造成的損傷,進(jìn)而保證電池堆穩(wěn)定運(yùn)行。由于電池堆的性能綜合體現(xiàn)了微觀尺度電化學(xué)反應(yīng)到宏觀尺度傳熱傳質(zhì)及材料微結(jié)構(gòu)到電池堆宏觀結(jié)構(gòu)演化等多種物理效應(yīng),因此需要定量分析各影響因素,獲得最佳平衡點(diǎn),優(yōu)化設(shè)計(jì)電池堆結(jié)構(gòu),促進(jìn)電池堆技術(shù)的高效發(fā)展。

圖2 固體氧化物燃料電池結(jié)構(gòu)

3 電流收集端子結(jié)構(gòu)

電池堆是固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的核心部件,其性能優(yōu)劣直接影響整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)的性能。固體氧化物燃料電池堆通常在700～800 ℃高溫封閉狀態(tài)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(nèi)部電耗,也就是盡量提高各零部件的導(dǎo)電性,降低電阻。電池堆產(chǎn)出的電流由電流收集端子從電極上收集并導(dǎo)出[8],電流收集端子由金屬導(dǎo)線(xiàn)或電子導(dǎo)電性佳的氧化物制成。對(duì)于導(dǎo)電材料的選擇問(wèn)題,Coble等[9]在專(zhuān)利中進(jìn)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(dāng)而產(chǎn)生的電壓損耗,在實(shí)踐中經(jīng)常因忽視這一點(diǎn)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(jié)構(gòu)如圖3所示,電池堆的上下壓板分別有一個(gè)凸臺(tái),鉆有安裝孔,將電流收集端子用螺釘固定在壓板的凸臺(tái)上。這一結(jié)構(gòu)存在三個(gè)缺點(diǎn)。第一,電流收集端子與壓板之間容易出現(xiàn)接觸不良。第二,用于固定的螺釘在高溫下容易產(chǎn)生松動(dòng)。第三,電流收集端子通常是導(dǎo)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(wú)此缺點(diǎn),但價(jià)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(jié)構(gòu)

為了克服傳統(tǒng)電流收集端子結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn),降低電阻,提高穩(wěn)定性,設(shè)計(jì)了一種電流收集端子新結(jié)構(gòu),如圖4所示。銅棒安裝在不銹鋼管內(nèi),銅棒的直徑與不銹鋼管內(nèi)徑公稱(chēng)尺寸相同。在電池堆端板的側(cè)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(shí),先在沉孔底部灌入少許銀漿,銅棒與不銹鋼管按圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求套好、彎曲,然后插入沉孔內(nèi),頂?shù)降?這樣銀漿受擠壓會(huì)填滿(mǎn)銅棒與盲孔之間的區(qū)域。在端板側(cè)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(wú)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(nèi)。在高溫箱外銅棒的另一端,銅棒長(zhǎng)于不銹鋼管,在不銹鋼管端面圍繞銅棒圓周對(duì)銅棒與不銹鋼接觸處采用密封焊接,這樣空氣不能進(jìn)入不銹鋼管,從而避免在高溫下空氣與銅發(fā)生氧化反應(yīng)。試驗(yàn)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(zhǎng)度等,可根據(jù)實(shí)際需要確定。

圖4 電流收集端子新結(jié)構(gòu)

與原有結(jié)構(gòu)相比,電流收集端子新結(jié)構(gòu)牢固耐用,不會(huì)在高溫環(huán)境下氧化及軟化折斷,導(dǎo)電性好,在測(cè)試電池或電池堆維修的過(guò)程中,不需要進(jìn)行拆裝。電流收集端子新結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵點(diǎn)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(shù)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(nèi)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(cè)試箱如圖5所示。通過(guò)測(cè)試,電阻降幅達(dá)到25%,可見(jiàn)電流收集端子新結(jié)構(gòu)效果良好。

圖5 電流收集端子測(cè)試箱

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著固體氧化物燃料電池技術(shù)的日益成熟和商業(yè)化,固體氧化物燃料電池的應(yīng)用越來(lái)越多。固定式和分布式熱電聯(lián)供的綜合性電站、移動(dòng)式電動(dòng)汽車(chē)、便攜式設(shè)備電源等,都是固體氧化物燃料電池未來(lái)的應(yīng)用方向。固體氧化物燃料電池的發(fā)電功率會(huì)越來(lái)越高,對(duì)電池堆零部件的技術(shù)要求也越來(lái)越高。筆者對(duì)固體氧化物燃料電池電流收集端子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì),改善了電極的導(dǎo)電狀態(tài),降低了內(nèi)阻。建議未來(lái)在電池材料開(kāi)發(fā)、電池組裝技術(shù)、電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)、電池管理等方面繼續(xù)進(jìn)行聯(lián)合研究,實(shí)現(xiàn)學(xué)科交叉,以促進(jìn)固體氧化物燃料電池的商業(yè)化進(jìn)程[10]。