CN100449846C - 可拆卸的平板式中温固体氧化物燃料电池堆 - Google Patents

Abstract

一种燃料电池技术领域的可拆卸的平板式中温固体氧化物燃料电池堆，包括二个以上相同的电池单元，各个电池单元依次垂直堆叠，每个电池单元包括单电池、不锈钢连接体和绝缘密封垫圈，绝缘密封垫圈位于不锈钢连接体的上端，单电池固定在不锈钢连接体内；不锈钢连接体底部有凸台，中央有凹槽，左右两端各有互相独立但互相平行的阴极气体和阳极气体的流道管和分配管；单电池包括阳极、电解质和阴极，阴极叠放于电解质上，电解质叠放于阳极上；绝缘密封垫圈为中间有空腔，左右两端分别开有两个孔的薄片，其厚度大于或等于不锈钢连接体的底部凸台的高度。本发明结构精简、紧凑，组装和拆卸灵活、方便，同时避免了可能存在的密封和绝缘问题。

Description

可拆卸的平板式中温固体氧化物燃料电池堆

技术领域

本发明涉及一种燃料电池技术领域的电池堆，具体涉及一种可拆卸的平板式中温固体氧化物燃料电池堆。

背景技术

固体氧化物燃料电池是一种通过电化学反应将燃料中的化学能直接转变成电能的全固态发电器件，它不需经过从燃料化学能→热能→机械能→电能的转变过程，具有许多优点，并具有广泛的应用领域。平板式固体氧化物燃料电池，尤其是中温固体氧化物燃料电池(500～800℃)，是目前国际固体氧化物燃料电池研究的前沿和热点，其最突出的优点是在保证高功率密度的同时，可使用不锈钢等合金作为连接体材料，降低了对密封等其它材料的要求，可采用低成本的陶瓷制备工艺，可望大幅降低固体氧化物燃料电池的制造成本。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。目前典型的阳极支撑中温固体氧化物燃料电池堆中采用玻璃作为密封材料，但在高温下玻璃软化并析晶而成为微晶玻璃，因而各电池堆单元间靠刚性的微晶玻璃连接，难以进行拆卸。虽然这种密封方式能达到很高的气密性能，但在电池堆运行过程中因冷热循环或热冲击，微晶玻璃很有可能产生裂缝导致气密性失效；而且如果一个或多个单电池损坏，因电池堆单元难以进行拆卸，从而导致整个电池堆报废。

经对现有技术的文献检索发现，中国专利公告号CN 1252844C、名称为“一种新型平板组装式固体氧化物燃料电池”的专利，介绍了平板组装式、可拆卸的、串并联混合的固体氧化物燃料电池，包括通过导电连接结构连接的多个单电池，其中，导电连接结构为可拆卸的导电连接结构，该专利虽然避免了由于一个单电池或某一个部件损坏而造成的整个电堆报废的风险，但是，其在密封性和绝缘性方面仍存在问题，如单电池之间虽然有导电弹性连接体连接，但是，电池四周的密封，仅仅依赖于金属体的直接机械接触，而没有弹性的物质衬垫，可能会造成漏气；同时，密封垫圈的材料也是由金属制成的，有可能造成短路，并且水平放置的电堆和垂直放置的金属配气板之间，也存在着密封的问题和电气绝缘问题。另外，整个电池堆的基本元件的个数比较多，结构复杂。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种可拆卸的平板式中温固体氧化物燃料电池堆，使其结构精简、紧凑，组装、拆卸灵活、方便，同时避免了可能存在的密封和绝缘性问题。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括两个以上相同的电池单元，各个电池单元依次垂直堆叠，每个电池单元包括不锈钢连接体、单电池和绝缘密封垫圈，绝缘密封垫圈位于不锈钢连接体的上端，单电池固定在不锈钢连接体内。

所述的单电池，包括阳极、电解质和阴极，阴极叠放于电解质上，电解质叠放于阳极上。

所述的绝缘密封垫圈中间为空腔，左右两端分别为开有两个孔的薄片。

所述的不锈钢连接体的底部有凸台，中央有凹槽，左右两侧有互相独立、互相平行的阴极气体和阳极气体的总管和分配管，使得该连接体不仅能作为单个电池之间连通的导体，而且还能作为气体的流通总管道和分配管道，把阴极气体和阳极气体分别输送和分配到电池中，并把反应后的气体再回收到阴、阳极气体的总管中，气体的流向设计为平行对流的模式，可以使进入电池较低温度的气体与经反应后的较高温度的气体，在每一个单电池中实现温度的均恒，避免由于某一点温度过高而引起的热的损伤和热应力。

单电池可采用多孔阳极支撑体结构或多孔金属支撑体结构，其中的阳极和电解质相接触的平面外形尺寸相同，而阴极和电解质相接触的平面外形尺寸要比阳极和电解质小，通过采用合金或玻璃焊料进行封接，将支撑体(即多孔基体)支撑的单电池直接固定在不锈钢连接体的中央凹槽内，在阳极气体导入、导出管和阴极气体导入、导出管之间，同时保证钎焊焊料不与阴极接触，这样，平面外形尺寸小于阳极和电解质的阴极，通过电解质这种电子绝缘体材料，在单电池中和阳极以及不锈钢连接体进行了电气绝缘。

单电池的支撑体(即多孔基体)和不锈钢连接体中央凹槽的底部，构成了阳极室；而单电池的阴极和上一个电池单元中的不锈钢连接体底部凸台，构成了阴极室。在阳极室中放置阳极高弹性导电网，与支撑体和不锈钢连接体的中央凹槽底部紧密接触；在阴极室中放置阴极导电网，与单电池的阴极和上一个电池单元中的不锈钢连接体的底部凸台紧密接触。

在阴极室和阳极室中放置的导电网，不仅起到集电极的作用，而且，导电网是网络结构的，对单电池又多了一层保护，既可以缓冲外界的机械冲击力，也可以缓冲电池释放的应力，另外还可以起到让反应气体均匀分散到电极的作用。这样，就可以免去常规气体流道必须具有的波纹结构，省略了一道加工程序，使得连接体的加工更为方便，同时还可降低对单电池平整度的要求。

阴极导电网和阳极导电网的平面外形尺寸和相对应的阴极和阳极同等大小，即阴极网的平面外形尺寸小于阳极网的尺寸，同样可以避免通过不锈钢连接体和阳极发生短路。

所述的阳极导电网由不锈钢网或镍网构成。

所述的阴极导电网由具有高导电氧化物涂层的不锈钢网或高导电性多孔陶瓷复合材料构成。

本发明中单电池在不锈钢连接体中的固定方式，使得本发明中阴极和阳极气体能够很好地被隔绝，并使得本发明的内密封问题得以解决；同时，相对比较脆弱的单电池由于和不锈钢连接体成为一体而受到了保护；另外，因采用阴、阳极导电网，封接部位的应力也可得到释放，整个电池就更能耐受热的循环和机械及热冲击。

绝缘密封垫圈部分为中间有空腔，左右两端分别开有两个孔的薄片结构，绝缘密封垫圈放在不锈钢连接体的上端，左右两端的孔和不锈钢连接体的阴、阳极进、出气管连通，绝缘密封垫圈中间的空腔正好可以容纳不锈钢连接体的底部凸台，绝缘密封垫圈的厚度和不锈钢连接体的底部凸台的高度相等或更厚，这样，上一个不锈钢连接体的底部凸台和下一个不锈钢连接体中的阴极导电网在凹槽中间直接接触，形成电流导通回路，起到导体的作用，完成单电池之间电的连接体的任务，而上一个不锈钢连接体的底部凸台四周和绝缘密封垫圈接触，一方面可以避免不锈钢连接体叠加形成的气体通道所造成的外部电气短路，另一方面，可以防止气体的外漏，起到外密封的作用。

所述的绝缘密封垫圈由表面沉积有弹性绝缘微晶玻璃薄膜的金属基板构成，在一定压力下起到气密作用。

由于单电池事先固定在不锈钢连接体内，因此，在由单电池组装成电堆的时候，就只需对绝缘密封圈和不锈钢连接体进行组装。这就使组装和拆卸本发明的工作更为灵活和方便，如果本发明中的某一部件损坏而不能正常工作的话，只要拆卸掉损坏的部件，其余部分仍旧可以正常使用，而通常的固体氧化物燃料电池堆中如果有一部分部件损害，则整个电池堆就完全报废了。

本发明柔性和实用性非常广泛，不仅表现在电池堆的核心部件——电池受到不锈钢连接体和导电网的双重保护，而且，该结构同样可用于不同类型的平板固体氧化物燃料电池的结构，如阳极支撑的，多孔金属支撑的平板固体氧化物燃料电池等。

附图说明

图1为本发明实施例中一个电池单元的结构示意图。

图2为本发明实施例中单电池的结构示意图。

图3为本发明实施例中绝缘密封垫圈的结构示意图。

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、图2所示，本实施例包括多个电池单元，多个电池单元依次垂直堆叠，其中一个电池单元包括：不锈钢连接体1，绝缘密封垫圈8和单电池12，绝缘密封垫圈8位于不锈钢连接体1的上端，单电池12固定在不锈钢连接体1内。

所述的不锈钢连接体1的底部有凸台，中央有凹槽，左右两端分别有阴极气体和阳极气体的流道管和分配管，所述的阴极气体和阳极气体的流道管和分配管包括阳极进气管2、阴极出气管3、阳极气体导入管4、阴极气体导出管7、阴极气体导入管11、阳极气体导出管16、阴极进气管19、阳极出气管20。阳极进气管2、阳极气体导入管4、阳极室17、阳极气体导出管16、阳极出气管20依次连接，构成阳极气体的流动通道；阴极进气管19、阴极气体导入管11、阴极室9、阴极气体导出管7、阴极出气管3依次连接，构成阴极气体的流动通道。阳极进气管2开在不锈钢连接体1的左侧，是自下而上是贯通的，阳极进气管2的右侧和阳极气体导入管4的左侧联通、阳极气体导入管4的右侧与阳极15和不锈钢连接体1凹槽底部的空腔形成的阳极室17左侧联通，阳极室17右侧和阳极气体导出管16的左侧联通，阳极气体导出管16的右侧再和阳极出气管20联通，阳极出气管20开在不锈钢连接体1的右侧，也是自下而上贯通的；阴极进气管19开在不锈钢连接体1的右侧，是自下而上是贯通的，阴极进气管19的左侧和阴极气体导入管11的右侧联通、阴极气体导入管11的左侧与阴极13和上一个电池单元中的不锈钢连接体1的凸台底部构成的阴极室9右侧联通，阴极室9左侧和阴极气体导出管7的右侧联通，阴极气体导出管7的左侧再和阴极出气管3联通，阴极出气管3开在不锈钢连接体的左侧，也是自下而上贯通的；阳极气体从不锈钢连接体1的左侧自下而上进入阳极进气管2，随后，顺着阳极气体导入管4进入阳极室17进行反应，反应后以及多余的阳极气体沿着阳极气体导出管16，进入阳极出气管20，自上而下排出；阴极气体的走向和上述阳极气体的走向是平行的，但方向相反，因此，阴极气体的运动路径为：从不锈钢连接体1的右侧自下而上进入阴极进气管19，沿着阴极气体导入管11进入阴极13和上一个电池单元中的不锈钢连接体1的凸台底部构成的阴极室9，反应后以及多余的阴极气体沿着在不锈钢连接体1左侧的阴极气体导出管7，进入阴极出气管3，自上而下排出。

单电池12按照阳极15、电解质14、阴极13自下而上的顺序，事先制作完成，在阳极15的下面，放置支撑体5，该支撑体5可以是阳极支撑体或是多孔结构的支撑体，由支撑体5和不锈钢连接体1的中央凹槽底部构成了阳极室17，在该阳极室17中放置阳极导电网18，与支撑体5和不锈钢连接体1的中央凹槽底部紧密接触，起到阳极集电极的作用，然后通过封接把支撑体5、阳极15和电解质14与不锈钢连接体1的中央凹槽的四周连接起来(电解质14与不锈钢连接体1连接处为钎焊部位6)，并固定在阳极导入管4、阴极气体导出管7、阴极气体导入管11、阳极气体导出管16之间，即在阴极气体导出管7和阴极气体导入管11的下方，在阳极导入管4和阳极气体导出管16的上方，单电池12的阴极13和上一个电池单元中的不锈钢连接体1的底部凸台，构成了阴极室9，在该阴极室9放置阴极导电网10，与单电池12的阴极13和上一个电池单元中的不锈钢连接体1的凸台底部紧密接触，起到阴极集电极的作用。

如图3所示，绝缘密封垫圈8为中间有空腔，左端开有阳极进气口21、阴极出气口22，右端开有阴极进气口23、阳极出气口24的片状结构，绝缘密封垫圈8放在不锈钢连接体1的上端，左右两端的开口和分别和不锈钢连接体1中对应的阳极进气管2、阴极出气管3、阴极进气管19、阳极出气管20连通，绝缘密封垫圈8中间的空腔，正好可以容纳不锈钢连接体1的底部凸台。

在制作本实施例时，首先把不锈钢加工成按上述的不锈钢连接体1的形状，即底部有凸台，中央有凹槽，左右两端分别有阴极气体和阳极气体的流道管和分配管的结构，然后按照中央凹槽的尺寸，确定单电池的尺寸大小，并在支撑体5的下方和阴极的上方，分别放置阳极导电网18和阴极导电网10，其后用合金或玻璃焊料将单电池中的支撑体5、阳极16和电解质14一起和不锈钢连接体1焊接在一起，把已经焊接好单电池的不锈钢连接体1和绝缘密封垫圈8依次叠加放置，就可以形成固体氧化物燃料电池的电堆。在拆卸电池堆的时候，也是相应地把已经焊接好单电池的不锈钢连接体1和绝缘密封垫圈8依次拆卸，并检查和抽出损坏的部件，其余部分再可以重新组装成新的电堆，可以较好的节约人力和物力。

Claims (8)

1、一种可拆卸的平板式中温固体氧化物燃料电池堆，包括两个以上相同的电池单元，各个电池单元依次垂直堆叠，每个电池单元包括单电池、不锈钢连接体和绝缘密封垫圈，其特征在于，所述的单电池中包括阳极、电解质和阴极，阴极叠放于电解质上，电解质叠放于阳极上，阳极底部具有支撑体，支撑体、阳极和电解质的平面外形尺寸相同，而阴极的平面外形尺寸比支撑体、阳极和电解质的小，阴极通过电解质这种电子绝缘体材料，在单电池中和阳极以及不锈钢连接体进行了电气绝缘；所述的绝缘密封垫圈位于不锈钢连接体的上端，单电池固定在不锈钢连接体内。

2、根据权利要求1所述可拆卸的平板式中温固体氧化物燃料电池堆，其特征是，所述的不锈钢连接体底部有凸台，中央有凹槽，左右两侧都有阴极气体和阳极气体的流道管和分配管；所述的阴极气体的流道管与阳极气体的流道管之间相互独立互相平行，阴极气体的分配管与阳极气体的分配管之间相互独立互相平行；所述的不锈钢连接体的左右两侧的阴极气体和阳极气体的流道管和分配管包括：阳极进气管、阴极出气管、阳极气体导入管、阴极气体导出管、阴极气体导入管、阳极气体导出管、阴极进气管和阳极出气管；阳极进气管、阳极气体导入管、阳极室、阳极气体导出管、阳极出气管依次连接，构成阳极气体的流动通道；阴极进气管、阴极气体导入管、阴极室、阴极气体导出管、阴极出气管依次连接，构成阴极气体的流动通道；阳极进气管、阴极出气管开在不锈钢连接体的左侧，阳极出气管、阴极进气管开在不锈钢连接体的右侧，阳极进气管、阴极出气管、阳极出气管和阴极进气管在不锈钢连接体中，都是自下而上贯通的；阳极进气管的右侧和阳极气体导入管的左侧联通、阳极气体导入管的右侧与阳极室左侧联通，阳极室右侧和阳极气体导出管的左侧联通，阳极气体导出管的右侧和阳极出气管联通，阴极进气管的左侧和阴极气体导入管的右侧联通、阴极气体导入管的左侧与阴极和阴极室右侧联通，阴极室左侧和阴极气体导出管的右侧联通，阴极气体导出管的左侧再和阴极出气管联通。

3、根据权利要求1所述的可拆卸的平板式中温固体氧化物燃料电池堆，其特征是，所述的单电池是通过合金或玻璃焊料固定在不锈钢连接体的中央凹槽内。

4、根据权利要求3所述的可拆卸的平板式中温固体氧化物燃料电池堆，其特征是，所述的支撑体和不锈钢连接体的中央凹槽底部构成了阳极室；所述的阴极和上一个电池单元中的不锈钢连接体底部凸台构成了阴极室。

5、根据权利要求4所述的可拆卸的平板式中温固体氧化物燃料电池堆，其特征是，所述的阳极室中，放置有阳极导电网，阳极导电网与支撑体和不锈钢连接体的中央凹槽底部紧密接触；所述的阴极室中放置有阴极导电网，阴极导电网与单电池的阴极和上一个电池单元中的不锈钢连接体的底部凸台紧密接触。

6、根据权利要求5所述的可拆卸的平板式中温固体氧化物燃料电池堆，其特征是，所述的阳极导电网由不锈钢网或镍网构成；所述的阴极导电网由具有导电氧化物涂层的不锈钢网或导电多孔陶瓷复合材料构成；阴极导电网和阳极导电网的平面外形尺寸，分别与相对应的阴极和阳极相同。

7、根据权利要求1所述的可拆卸的平板式中温固体氧化物燃料电池堆，其特征是，所述的绝缘密封垫圈由表面沉积有弹性绝缘微晶玻璃薄膜的金属基板构成，绝缘密封垫圈为中间有空腔、左右两端分别开有两个孔的薄片，其厚度大于或等于不锈钢连接体的底部凸台的高度。

8、根据权利要求7所述的可拆卸的平板式中温固体氧化物燃料电池堆，其特征是，所述的绝缘密封垫圈中左右两端各有两个孔，左端的两个孔分别与阳极进气管和阴极出气管连通，右端的两个孔分别与阳极出气管和阴极进气管连通，中间的空腔容纳不锈钢连接体的底部凸台。

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