電池堆結(jié)構(gòu)演示教學(xué)

電池堆結(jié)構(gòu)?管式與平板式SOFC之電池堆比較?管式SOFC電池堆結(jié)構(gòu)?平板式SOFC電池堆結(jié)構(gòu)?其他型式之SOFC電池堆結(jié)構(gòu)

管式與平板式SOFC之電池堆比較由於構(gòu)成SOFC的所有元件都是固體，因此電池結(jié)構(gòu)與外型具有多樣性，可依照不同需求與環(huán)境進(jìn)行設(shè)計(jì)，目前常用的設(shè)計(jì)有管式結(jié)構(gòu)與平板式結(jié)構(gòu)兩種，兩者之製程技術(shù)、密封技術(shù)、以及電阻等特徵之比較如表

電池堆結(jié)構(gòu)(1)特徵管式SOFC平板式SOFC製程技術(shù)複雜(擠壓成型、電化學(xué)沉積、電漿噴塗、漿塗等)簡(jiǎn)單(帶鑄、燒結(jié))密封技術(shù)容易困難內(nèi)電阻高低成本高低操作溫度1000℃800℃以下平板式SOFC的主要缺點(diǎn)是高溫密封困難,熱循環(huán)差。過去幾年間,許多公司已成功開發(fā)出玻璃或陶瓷的複合無機(jī)密封材料,解決SOFC高溫密封之問題,目前全世界固態(tài)氧化物燃料電池研究有70%集中在平板式固態(tài)氧化物燃料電池的開發(fā)工作。

電池堆結(jié)構(gòu)(2)管式SOFC電池堆結(jié)構(gòu)西門子西屋公司圓管式固態(tài)氧化物燃料電池與系統(tǒng)示意圖空氣電極電解質(zhì)燃料電極雙極連結(jié)材料

電池堆結(jié)構(gòu)(3)

電池堆結(jié)構(gòu)(5)SOFC結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)重點(diǎn)一般而言,在高溫操作下的SOFC其電極極化並不大,造成電位損失主要來自於各元件的歐姆阻抗,因此,選擇高導(dǎo)電度材料以及降低各元件之厚度成為SOFC結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。SOFC的歐姆阻抗將有45%來自陰極、18%來自陽(yáng)極、12%來自電解質(zhì)、而剩下25%則來自雙極連接材料。針對(duì)圓管式SOFC高歐姆阻抗的問題,西門子西屋公司提出扁平管固態(tài)氧化物燃料電池(flat-tubeSOFC)的設(shè)計(jì),又稱作HPDSOFC,下圖所示

電池堆結(jié)構(gòu)(6)

電池堆結(jié)構(gòu)(7)傳統(tǒng)及扁平SOFC之比較:西門子西屋HPDSOFC的設(shè)計(jì)中,將傳統(tǒng)SOFC圓管扁平化,並且在空氣電極中間加裝肋條隔板,以提供電流捷徑並作為空氣流到之用,HPDSOFC的設(shè)計(jì)有以下幾項(xiàng)優(yōu)點(diǎn):1)扁平管可以縮短電流平均路徑長(zhǎng)度並同時(shí)增加電流路徑截面積,如此可以降電池歐姆阻抗、增加輸出功率。2)扁平管內(nèi)可採(cǎi)用較薄的空氣電極,以降低濃度極化提高輸出功率。

電池堆結(jié)構(gòu)(8)3)扁平管可以有效減少了管與管間的閒置空間,相同輸出功率下可以節(jié)省電池堆所需的空間,式傳統(tǒng)圓管的1/3長(zhǎng)。4)由於肋條已經(jīng)隔出空氣流道,扁平管無須供應(yīng)空氣之氧化鋁導(dǎo)管。在單位質(zhì)量的輸出功率,扁平管較傳統(tǒng)圓管SOFC高出約77%,在單位體積輸出功率的改進(jìn)程度則可達(dá)到185%;此外,在固定的輸出功率之下,扁平管SOFC所需的單電池?cái)?shù)明顯較少。

電池堆結(jié)構(gòu)(9)圓管SOFC與扁平管SOFC電流路徑及性能比較

電池堆結(jié)構(gòu)(10)特徵

種類圓管SOFC扁平管SOFCEDB/ElsamaHPD4bHPD4HPD12電池長(zhǎng)W之電池?cái)?shù)791147349單電池輸出功率(W)12688136205比功率(W/kg)113191203200單位體積輸出功率(W/L)136297409388圓管SOFC與扁平SOFC性能之比較(操作溫度:950℃,操作電壓:0.65V)a:在荷蘭EDB/Elsam運(yùn)轉(zhuǎn)之110-Kw常壓型圓管SOFC系統(tǒng)。b:HighPowerDensitySOFC,下標(biāo)表示所使用肋條數(shù)。

電池堆結(jié)構(gòu)(11)平板式SOFC電池堆結(jié)構(gòu)

電池堆結(jié)構(gòu)(12)平板式SOFC的設(shè)計(jì)是先將空氣電極、固態(tài)電解質(zhì)、以及燃料電極燒結(jié)為一體型成三合一結(jié)構(gòu)PEN(positiveelectrode-electrolyte-negativeelectrodeplate),然後在PEN板與PEN板之間以雙面皆刻有流道的雙即連接板串聯(lián),空氣和燃料氣體則分別從雙及連接板兩面的氣體流道中交叉流道。平板式SOFC之PEN板組成特徵

種類早期PEN板近代PEN板操作溫度900~1000℃700~800℃雙及連接材料特殊材料一般不銹鋼歐姆電阻高低電解質(zhì)厚薄製作成本高低早期平板式SOFCPEN板及目前PEN板之比較

電池堆結(jié)構(gòu)(13)將原先電解質(zhì)支撐設(shè)計(jì)變更為陽(yáng)極支撐厚度增加，將電解質(zhì)隔膜製作很薄以降低歐姆電阻增加功率密度。左圖堆疊SOFC操作溫度只需700~800℃，如此低溫操作環(huán)境可以直接使用金屬雙極連接材料，例如不銹鋼，金屬雙極板耐久性比陶瓷好，並作為承受結(jié)構(gòu)元件使電池堆的抗破壞及抗熱應(yīng)力增加，不僅降低成本、降低電阻，並可解決熱膨脹問題。

電池堆結(jié)構(gòu)(14)平板式SOFC之PEN板製程˙多次燒結(jié)平板SOFCPEN板製程先以帶鑄法製作陽(yáng)極為之撐層並以真空電漿噴塗上電解質(zhì)層,兩者在1400℃溫環(huán)境下進(jìn)行第一次燒結(jié),第二次燒結(jié)則是陰極層網(wǎng)印在電解質(zhì)層上後進(jìn)行。目前使用在傳統(tǒng)電力市場(chǎng)，住宅、商業(yè)用、工業(yè)用/現(xiàn)場(chǎng)型發(fā)電機(jī)及公共事業(yè)用電廠等。

電池堆結(jié)構(gòu)(15)多次燒結(jié)製程漿料製備滑鑄帶鑄網(wǎng)印漿料製備真空電漿鍍層脫模/裁切組裝燒結(jié)磨邊真空電漿鍍層電池堆組裝連接板(沖壓)成型連接板切割表面塗層(銅膜)銅鋅合金焊雙極連接板陰極陽(yáng)極電解質(zhì)燒結(jié)1400℃品管裂痕檢驗(yàn)網(wǎng)印漿塗漿料製備漿塗

電池堆結(jié)構(gòu)(16)˙單次燒結(jié)平板SOFCPEN板製程

電池堆結(jié)構(gòu)(17)先將陽(yáng)極、電解質(zhì)、以及陰極層以帶鑄法製作成帶狀薄層,然後將三種薄層依序堆疊或滾壓成PEN板,最後再以兩種不同的壓力進(jìn)行一次燒結(jié)。分析結(jié)果顯示,平板SOFC以單次燒結(jié)製程的製作成本大約較多次燒結(jié)製程低10%左右。

電池堆結(jié)構(gòu)(18)漿料製備帶鑄滑鑄漿料製備帶鑄滑鑄漿料製備帶鑄滑鑄脫模/裁切堆疊燒結(jié)品管裂痕檢驗(yàn)?zāi)ミ厺L軋脫模/裁切連接板(沖壓)成型連接板切割表面塗層(銅膜)銅鋅合金焊電池堆組裝單次燒結(jié)製程組裝雙極連接板陰極陽(yáng)極電解質(zhì)

其他型式之SOFC電池堆結(jié)構(gòu)

電池堆結(jié)構(gòu)(19)大功率的平板SOFC電池堆組合與其他類型的燃料電池樣,由PEN板與雙極連接板依序堆疊成多層三明治結(jié)構(gòu),如圖示,PEN板間以金屬雙極板連結(jié),金屬板的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)以沖壓成壓型。由於PEN板屬於陶瓷材料,質(zhì)地脆弱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足,抗拉伸強(qiáng)度一般只有抗壓強(qiáng)度的20%,不易製程大面積的PEN板,依目前技術(shù)PEN板最大面製作面積25㎝╳25㎝。

電池堆結(jié)構(gòu)(20)波浪狀PEN板固態(tài)氧化物燃料電池又稱單塊疊層結(jié)構(gòu)固態(tài)氧化物燃料電池模塊(monobloklayerbuilt,MOLB)有效工作面積大,功率密度較高,主要缺點(diǎn):製作技術(shù)困難,由於電解質(zhì)材料脆性很大,波浪狀的PEN板必須經(jīng)過共同燒結(jié)一次成型,燒結(jié)條件的控制要求十分嚴(yán)格。

電池堆結(jié)構(gòu)(21)

電池堆結(jié)構(gòu)(22)瑞士Sulzer

Hexis公司開發(fā)一種以中空?qǐng)A盤式PEN板所堆疊而成的SOFC,又稱熱交換一體成型電池堆(heatexchangeintegratedstack,HEXIS)。HEXIS的PEN板也是一種平板式結(jié)構(gòu),與傳統(tǒng)方型或矩形不同之處是PEN板的形狀是環(huán)狀圓盤。燃料氣體與空氣在圓盤式設(shè)計(jì)的電池內(nèi)的流動(dòng)方式與平板式SOFC有所不同,HEXIS的環(huán)狀圓盤不但是具有連結(jié)陰極、陽(yáng)極和分配氣體作用,而且本身也是一個(gè)熱交換器。燃料氣體從圓盤中心的燃料氣體共用管道進(jìn)入陽(yáng)極圓環(huán),放射狀地通過燃?xì)馔ǖ泪釓膱A盤外緣出口排出,然後與從空氣氣體通道出口排出的剩餘空氣混合後至後燃器內(nèi)進(jìn)行燃燒,餘熱則以熱回收系統(tǒng)回收使用。

電池堆結(jié)構(gòu)(23)

電池堆結(jié)構(gòu)(24)另一款類似HEXIS結(jié)構(gòu)之圓柱型SOFC電池堆。此圓柱型結(jié)構(gòu)的SOFC電池堆為TechnologyManagement,Inc.(TMI)所開發(fā)之新產(chǎn)品。TMI的整合型SOFC系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，將燃料重整器置於底座內(nèi)，由25個(gè)圓盤狀的電池單元堆疊而成之圓柱型電池堆，並組立於重整器上面。燃料氣體與水同時(shí)經(jīng)過燃料處理器，從圓柱上方沿著中心軸進(jìn)入燃料電池堆，以放射狀方式流過陽(yáng)極圓盤?？諝鈩t從底座進(jìn)入燃料電池，與燃料氣體方向相反，沿著圓柱中心兩側(cè)以放射方式通過陰極圓盤。未反應(yīng)燃料氣體則與圓環(huán)外空氣進(jìn)行燃燒，餘熱供燃?xì)庹魵庵卣磻?yīng)的熱源，進(jìn)口空氣用來冷卻電池堆。TMI的SOFC特色與硫化物容忍度高，使用含量300ppmH2S的氫氣燃燒時(shí)，用轉(zhuǎn)時(shí)間可超過1,000小時(shí)。

電池堆結(jié)構(gòu)(25)

電池堆結(jié)構(gòu)(26)固態(tài)氧化物燃料電池堆經(jīng)過消費(fèi)者,日新月異之需求,加上各公司之研發(fā)設(shè)計(jì)求新求變之精神,從PEN傳統(tǒng)矩形式及波浪式,一在研發(fā)改善目前已有圓盤式及圓柱型式燃料電池堆,設(shè)計(jì)者構(gòu)思回收餘熱再利用。目前科技發(fā)展迅速，固態(tài)氧化物SOFC燃料電池以慢慢進(jìn)入一般家庭生活必備,