[00882819]高温固体氧化物燃料电池(SOFC)制造技术

迄今研究已经确立了具有自主知识产权的高性能金属陶瓷支撑管状固体氧化物燃料电池单电池的热喷涂低成本制造技术，最大输出功率密度达到国际先进水平。该项目拟在该成果的基础上，通过开发高效氧化锆系电解质层等离子喷涂制造与单管电池组汇流技术，确立高效率管状SOFC电池组的高性能化与低成本制造技术，研制千瓦级示范电站，研究其运行过程特性，为数千瓦级示范电站的制造提供基础数据与技术。项目背景：高温SOFC作为发电系统，其特点为效率高，与燃气汽轮机联合发电，效率高达70％，且余热质量高，污染物接近零排放，为高效清洁的理想发电系统。因此该技术的商业化将对现有的能源转换与传输系统产生巨大的影响，甚至引起能源技术的革命。因此，发达国家极其关注SOFC的开发。面对SOFC制造成本高的瓶颈问题，热喷涂作为高效低成本制造技术倍受关注。该项目组基于20余年热喷涂技术相关基础研究积累，提出了集板块与管状结构设计的优点为一体的金属陶瓷支撑管状SOFC结构设计，确立了大气等离子喷涂(APS)与化学致密化相结合的低成本制造技术，分别获得国家发明专利。确立了高性能氧化锆电解质层APS制备技术(已申报国家发明专利)，研制的单电池最大功率密度在1000℃超过900mW/cm<'2>，达到国内外先进水平。SOFC研发处于领先的美国SWH，日本三菱重工都开始采用APS制备结构层，特别是电解质层。为此，通过政府投资，加快该项目研究开发速度，将确保课题组在高温SOFC研发的地位、取得一系列相关的知识产权，对确立领先的制造技术，具有重要的战略意义。项目的现有基础条件与进展情况：该项目已历经6年多的集中攻关，先后提出并确立了3项国际领先的核心技术，包括金属陶瓷支撑管状SOFC的结构设计，单电池低成本制造技术，同时确立了高性能电解质的APS制造技术，申报了中国发明专利。研制的单电池输出功率已达900mW/cm<'2>，远高于国际领先的SWH公司的200-250mW/cm<'2>的水平，而该研究确立的技术体系的制造成本比国际同行显著降低。该技术创新源于该项目组20余年在等离子喷涂领域的基础研究积累，具有整体上国际先进并多方面国际领先优势，并且具有完全的自主知识产权。高性能单管电池的串联汇流技术的确立将是实现该技术应用的关键。已经确定了单电池串联汇流方法，拟申报国家发明专利。实验室装备有用于SOFC关键结构层制造的火焰喷涂与等离子喷涂系统及保证涂层质量的喷涂机器人等，具备SOFC单电池性能评估与检测系统。实验室具备单电池制造、质量控制与性能表征的基本设施与手段。项目的主要研究内容，总体目标、实施方案与年度计划：总体目标：确立单管电池组串联汇流技术、高输出功率密度电池组的单管电池组设计与制造技术，阐明单管电池组的可靠性与稳定性，研制千瓦级电池堆，为数千瓦级与数十千瓦级SOFC系统的制造技术的确立提供依据。研究内容：单管电池组的串联汇流技术的确立；单管电池组串联汇流优化设计。单管电池组长期运行稳定性。千瓦级SOFC电池堆的设计与制造。千瓦级SOFC电池堆的运行可靠性与稳定性评价。该项目将在2006年至2007年的2年内完成，2006年内完成电池汇流技术的确立与优化，并完成千瓦级电池堆的设计；2007年完成千瓦级电池堆的制造与运行可行测试，并完成千瓦级电池堆的评估与5-10kW发电示范系统的设计方案。主要技术指标：单管电池长度：550mm；有效长度：260-300mm；输出功率密度：＞0.4W/cm<'2>；单管输出：＞50W。主要技术特点与创新点，关键技术内容，项目实施的技术，工艺路线，可能取得的知识产权分析：针对SOFC实用化面对的高成本关键问题，该项目主要技术特点与创新点之处在于：(1)提出了集管状与板块两种SOFC结构设计的优点为一体的金属陶瓷管支撑管状SOFC设计，获得中国发明专利，该结构的特点是以廉价的镍-氧化铝作为支撑层材料，热应力小、电池组装简单、输出功率密度高；(2)确立了基于热喷涂的低成本制造技术(获得中国发明专利授权)，(3)确立了高性能电解质层的低成本APS制备技术(申报了中国发明专利)，以上特点已被单电池的高达900mW/cm<’2>以上的最大输出功率密度所证明。该项目的关键技术涉及单管电池组的串联汇流技术。已经确立了基本方法，并拟申报中国发明专利。基本方案为以一端封闭的廉价而高性能的金属陶瓷支撑管为阳极电流传输极，采用APS制备YSZ绝缘层，在其上以一定间隔制备单电池，等离子喷涂连接层将各单电池串联构成单管电池组。单电池的各结构层与连接层分别通过APS并结合掩模技术制造。该项目的实施将在单管串联电池结构设计与汇流制备大功率电池堆等方面获得知识产权，结合迄今获得的知识产权，形成一套完整的具有自主知识产权的SOFC制备技术。项目总投资预算，资金筹措与来源渠道：总投资750万元，已经投入188万元。该项目概算562万元，需要投资450万元，自筹112万元。