CN103296301B - 一种阳极支撑平板式固体氧化物燃料电池无压电堆 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种阳极支撑平板式固体氧化物燃料电池无压电堆，该无压电堆包括多个堆叠在一起的电池单元，其中，每一电池单元均包括：由下至上顺序设置的下连接件、阳极侧金属网、阳极支撑单电池、阴极侧金属网和上连接件；且阳极侧金属网和阴极侧金属网的四周均设置有间隔板，所述阳极侧金属网四周的间隔板通过密封材料与所述下连接件的阳极侧和阳极支撑单电池的阳极相连，所述阴极侧金属网四周的间隔板通过密封材料与所述上连接件的阴极侧和阳极支撑单电池的阴极相连；相邻两个电池单元之间共用同一连接件。本发明所提供的阳极支撑平板式固体氧化物燃料电池无压电堆具有操作过程简单，方便系统集成等优点。
Description
技术领域
本发明涉及固体氧化物燃料电池技术领域，尤其涉及一种阳极支撑平板式固体氧化物燃料电池无压电堆。
背景技术
固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，SOFC)是一种通过电化学氧化过程将燃料的化学能转化为电能的全固态装置。由于其系统设计简单、能量转换效率高达70％～80％、规模弹性大、对环境友好、燃料适应性强和寿命长等优点，使得其应用非常广泛，包括：为住宅、医院等提供后备能源，为汽车提供辅助动力等。
固体氧化物燃料电池一般由多个电池堆叠而成，因此也称固体氧化物燃料电池堆或电堆。固体氧化物燃料电池堆主要有平板式和管式两大类基本模式，其中平板式电堆因功率密度高、体积小等优点，更受研究者青睐。平板式固体氧化物燃料电池堆主要由单电池、连接件及密封材料构成，根据在室温下电堆是否需要固定以施加额外压力可分为有压电堆及无压电堆两大类。
传统的阳极支撑固体氧化物燃料电池堆其阳极侧高温下为软接触，而阴极侧则为连接件与阴极直接硬接触，因此接触效果较差。且因高温下单电池与连接件的形变差异，使其在降温过程中两者热膨胀系数不匹配而发生分离，因此室温下需要用螺杆及螺母进行固定，使电堆各元部件不分散。这种有压电堆在使用前还需卸掉固定螺杆，从而使操作过程复杂化；同时有压电堆也不方便系统集成。
虽然美国Bloom Energy公司已开发出标准化电解质支撑无压电堆模块，但此无压电堆模块的制作方法对连接件要求较高，仅适用于电解质支撑电堆，要求连接件与电解质支撑电池的热膨胀系数匹配度高，因此该方法并不适用于制作阳极支撑无压电堆。阳极支撑固体氧化物燃料电池无压电堆目前在全球尚是空白。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种阳极支撑平板式固体氧化物燃料电池无压电堆，以解决现有的有压电堆操作过程复杂，不方便系统集成的问题。
为解决上述问题，本发明实施例提供了如下技术方案：
一种阳极支撑平板式固体氧化物燃料电池无压电堆，该无压电堆包括：多个堆叠在一起的电池单元，其中，每一电池单元均包括：
由下至上顺序设置的下连接件、阳极侧金属网、阳极支撑单电池、阴极侧金属网和上连接件；且阳极侧金属网和阴极侧金属网的四周均设置有间隔板，所述阳极侧金属网四周的间隔板通过密封材料与所述下连接件的阳极侧和阳极支撑单电池的阳极相连，所述阴极侧金属网四周的间隔板通过密封材料与所述上连接件的阴极侧和阳极支撑单电池的阴极相连；
相邻两个电池单元之间共用同一连接件。
优选的，上述无压电堆还包括：设置在阴极侧金属网朝向阳极支撑单电池阴极方向上的保护涂层。
优选的，上述无压电堆中，所述间隔板的厚度为0.1～2mm。
优选的，上述无压电堆中，所述下连接件和上连接件的形状相同，且所述下连接件的阳极侧为平板型，所述阳极侧金属网为波浪型或燕尾型金属网。
优选的，上述无压电堆中，所述下连接件和上连接件的形状相同，且所述下连接件的阳极侧设置有凸点式凹槽或直线型凹槽，所述阳极侧金属网为平板式金属网。
优选的，上述无压电堆中，所述下连接件和上连接件的形状相同，且所述上连接件的阴极侧为平板型，所述阴极侧金属网为波浪型或燕尾型金属网。
优选的，上述无压电堆中，所述下连接件和上连接件的形状相同，且所述上连接件的阴极侧设置有凸点式凹槽或直线型凹槽，所述阴极侧金属网为平板式金属网。
优选的，上述无压电堆还包括：设置在所述阳极支撑单电池阴极面上的阴极集流层。
优选的，上述无压电堆中，所述阴极集流层为通过喷涂工艺形成的干态集流层或通过丝网印刷工艺形成的湿态集流层。
优选的，上述无压电堆中，所述集流层的厚度为20～500μm。
从上述技术方案可以看出，本发明所提供的阳极支撑平板式固体氧化物燃料电池无压电堆，在阳极支撑单电池与上连接件之间设置有阴极侧金属网，在阳极支撑单电池与下连接件之间设置有阳极侧金属网，从而使得所述阳极支撑单电池的阳极和阴极与连接件之间均为软接触，且在阳极侧金属网和阴极侧金属网四周均设置有间隔板，通过调节所述间隔板的厚度，可调节阳极侧金属网和阴极侧金属网的厚度，从而可保证连接件与所述阳极支撑单电池充分接触；且所述间隔板也对阳极支撑单电池及连接件两者的热膨胀系数匹配起到一定的缓冲作用，使电堆元部件在室温无外加压力下能结合紧密，从而制成无压电堆，该无压电堆不仅操作过程简单，而且也方便系统的集成。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所提供的一种阳极支撑平板式固体氧化物燃料电池无压电堆中一个电池单元的结构示意图；
图2为本发明所提供的一种连接件阳极侧的结构示意图；
图3为本发明所提供的另一种连接件阳极侧的结构示意图；
图4为本发明所提供的一种阳极侧金属网的结构示意图；
图5为本发明所提供的另一种阳极侧金属网的结构示意图；
图6为本发明所提供的第三种连接件阳极侧的结构示意图；
图7为本发明所提供的一种连接件阴极侧的结构示意图；
图8为本发明所提供的一种阴极侧金属网的结构示意图；
图9为本发明所提供的阳极侧金属网四周所设置的间隔板的结构示意图；
图10为本发明所提供的阴极侧金属网四周所设置的间隔板的结构示意图；
图11为本发明所提供的由多个电池单元组装成一个阳极支撑平板式固体氧化物燃料电池堆的结构示意图；
图12为图11中所示电池堆经加热、保温并降温后所形成的阳极支撑平板式固体氧化物燃料电池无压电堆的实物图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
本发明所提供的阳极支撑平板式固体氧化物燃料电池无压电堆包括多个堆叠在一起的电池单元，其中，每一电池单元的结构均如图1所示，每一电池单元包括：由下至上顺序设置的下连接件1、阳极侧金属网2、阳极支撑单电池5、阴极侧金属网7和上连接件13；且阳极侧金属网2的四周设置有间隔板4(图1为分离后的结构示意图)，所述间隔板4为中空的结构，其中空部分正好容纳所述阳极侧金属网2，同理，所述阴极侧金属网7的四周也设置有间隔板6，所述间隔板6的中空部分正好容纳所述阴极侧金属网7；所述下连接件1和上连接件13均有两个侧面，且两个连接件中朝上的一面均为阳极侧，即朝向阳极支撑单电池5阳极的一侧，朝下的一面均为阴极侧，即朝向阳极支撑单电池5阴极的一侧，所述阳极支撑单电池5的阳极朝下，其阴极朝上；所述阳极侧金属网2四周的间隔板4上下面均设置有与其形状相同的密封材料3，所述间隔板4通过所述密封材料3与所述下连接件1的阳极侧和阳极支撑单电池5的阳极相连，同理，所述阴极侧金属网7四周的间隔板6上下面也均设置有与其形状相同的密封材料，所述间隔板6通过所述密封材料与所述上连接件13的阴极侧和阳极支撑单电池5的阴极相连。
当多个电池单元相互堆叠在一起后，通过加热、保温以及降温后即可形成阳极支撑平板式固体氧化物燃料电池无压电堆，所形成的无压电堆中相邻两个电池单元之间共用同一连接件。
本发明所提供的无压电堆具有如下优点：在阳极支撑单电池与上连接件之间设置有阴极侧金属网，在阳极支撑单电池与下连接件之间设置有阳极侧金属网，从而使得所述阳极支撑单电池双侧均为软接触，保证了连接件与电池的充分接触，提高了电堆输出功率；且在阳极侧金属网和阴极侧金属网四周均设置有间隔板，通过调节所述间隔板的厚度，可调节阳极侧金属网和阴极侧金属网的厚度，省去电池与密封材料厚度的匹配过程，简化了测试及生产工艺，增加了密封效果；且所述间隔板对阳极支撑单电池及连接件两者的热膨胀系数匹配具有一定的缓冲作用，使电堆元部件在室温无外加压力下能结合紧密，从而制成无压电堆，该无压电堆相比有压电堆来说操作时无需卸掉螺杆和螺母，因此操作过程简单，且由于所述无压电堆无需依靠螺杆和螺母来给其以外在的压力，因此所制成的无压电堆体积更小更紧凑，制作工艺更简单，更利于系统的集成。
下面详细描述本发明所提供的阳极支撑平板式固体氧化物燃料电池无压电堆的每一电池单元中各元部件的结构。
本发明所提供的阳极支撑平板式固体氧化物燃料电池无压电堆，其上的每一电池单元中均包括图1中所示结构，图1中的下连接件1和上连接件13均有两个侧面，且这两个连接件朝下的一面均为阴极侧，朝上的一面均为阳极侧，阴极侧与阴极侧金属网7之间形成空气流道，阳极侧与阳极侧金属网2之间形成燃料气流道。
参考图2和图3，图2和图3为本发明所提供的连接件阳极侧的两种结构示意图，图中相对设置的孔8和9分别为燃料气的入口及出口，燃料气流道10通过蚀刻工艺而形成，燃料气流道蚀刻深度为0.3～1.5mm，流道结构可以如图2所示的凸点式凹槽结构，也可以如图3所示的直线形凹槽结构。
所述阳极侧金属网2可改善下连接件1阳极侧与阳极支撑单电池5阳极之间的接触效果，所述阳极侧金属网2厚度在0.1～3mm之间，所述阳极侧金属网2可冲压成波浪形，参见图4，也可为平板式，参见图5。平板式阳极侧金属网一般用于图2及图3所示结构的连接件，若使用波浪形阳极侧金属网，则使用如图6所示的平板式结构连接件。将阳极侧金属网焊接于连接件的阳极侧，便形成了燃料气流道。
参考图7，图7为本发明所提供的一种连接件阴极侧的结构示意图，图中连接件阴极侧为空气半开放式结构，蚀刻成深度为0.3～1.5mm的平板，孔11为空气入口，矩形开口12为空气出口，空气由入口11经过连接件后直接排放。所述孔11与矩形开口12相对设置，所述孔11与矩形开口12所对应连接件的边不同于所述连接件阳极侧燃料气入口与出口所对应连接件的边，因此，所述燃料气流道与所述空气流道相互交叉。当然，所述连接件阴极侧也可以蚀刻成如图2或图3中所示结构，但应保证所述连接件阴极侧与阴极侧金属网之间形成空气流道。
当所述连接件阴极侧为图7中所示结构时，所述阴极侧金属网可冲压成如图8所示的波浪形结构，也可以冲压成燕尾型结构，冲压后阴极侧金属网高度为0.1～3mm。将阴极侧金属网预先焊接于连接件阴极侧上便形成了空气流道。所述阴极侧金属网为耐高温合金，如Ni-Cr合金、Hyness 230合金等。
为了防止阴极侧金属网在阳极支撑单电池阴极被空气氧化或含Cr金属网形成Cr挥发，可将已焊有阴极侧金属网的连接件在所述阴极侧金属网表面上喷涂一层保护涂层，例如采用等离子喷涂Ni-Cr/LSM复合涂层。
参考图9和图10，图9为本发明所提供的阳极侧金属网四周所设置的间隔板的结构示意图，图10为本发明所提供的阴极侧金属网四周所设置的间隔板的结构示意图，图9和图10中间隔板的厚度均应在0.1～2mm之间，所述间隔板可采用430等铁素体不锈钢为材料。间隔板的厚度可根据室温下气体流道蚀刻深度与金属网厚度进行选择。若高温下金属网易变形，则也可任意选择间隔板厚度，使金属网在高温下匹配间隔板的厚度。间隔板上下均用密封材料进行密封，形成密封复合组件，密封材料结构与对应的间隔板结构相匹配。
本发明实施例中为了增加阴极集流效果，还可以在阳极支撑单电池阴极表面涂覆一层阴极集流层，该集流层可采用喷涂法喷涂一定质量及厚度的阴极粉末，形成干态集流层；也可将阴极粉末用酒精、松油醇等有机溶剂配成阴极浆料，采用丝网印刷等方法印于电池阴极表面，形成湿态集流层。集流层厚度可在20～500μm之间。
将上述各元部件按图1所示结构排列组装即可形成一个电池单元，将多个电池单元重复组合，即构成一个阳极支撑平板式固体氧化物燃料电池堆，如图11所示。例如，采用30个电池单元组装成一个30单元标准阳极支撑电堆模块。电堆以一定的升温速率升温至合适温度，该温度应高于密封材料的软化温度，在密封材料软化温度点保温大于2小时后，施加一定压力(50～500kg)，再保温一定时间(≥4小时)，以1℃/min的速率降温至室温。卸掉残余压力，制成阳极支撑无压电堆模块。
下面结合一具体实施例详细描述本发明所提供的阳极支撑平板式固体氧化物燃料电池无压电堆的制作过程，该制作过程具体包括如下步骤：
1、将连接件阳极侧蚀刻成深度为0.3mm的凸点式凹槽结构，采用0.09mm厚泡沫镍作为阳极侧金属网，并在所述阳极侧金属网四周设置0.4mm厚的间隔板，所述间隔板与连接件及间隔板与电池间均用密封材料密封连接。
2、将连接件阴极侧蚀刻成深度为0.5mm的平板式结构，采用Ni-Cr合金网作为阴极侧金属网，并将所述阴极侧金属网冲压成高度为1.5mm的波浪形，在阴极侧金属网四周匹配0.4mm厚的间隔板，所述阴极侧金属网采用冲压焊接于所述连接件阴极侧，并在所述阴极侧金属网上采用等离子体工艺喷涂Ni-Cr/LSM复合涂层。
3、所用单电池为平板式阳极支撑NiO-Ni/YSZ/LSM电池，单电池尺寸为10cm×10cm。
4、将松油醇与LSM粉末按一定比例配制成LSM浆料，采用丝网印刷法将所述LSM浆料丝印于电池阴极表面作为阴极集流层，集流层质量为3.5～4.5g。电池在集流层湿态条件下应用于电堆组装。
5、将各电堆元部件按图1所示结构组装成30单元电堆，室温下预加压50kg，使湿态集流层与阴极侧金属网充分接触。
6、将组装后电堆置于电炉内，以1℃/min的升温速率升温至850℃，保温2小时后，加压200kg，再保温4小时，以1℃/min的速率降温至室温，卸掉电堆残余压力，制成阳极支撑无压电堆。
所制成的无压电堆如图12所示，该电堆在室温下无需固定加压，电堆各元部件之间结合紧密，电堆外围未见任何缝隙。
通过以上描述可知，本发明所提供的阳极支撑平板式固体氧化物燃料电池无压电堆，该电堆中的阳极支撑单电池为双侧全程软接触，且在连接件与阳极支撑单电池之间设置有间隔板，通过调整所述间隔板的厚度，可自由定量调节阳极侧金属网和阴极侧金属网的厚度，从而保证了连接件与电池的充分接触；且间隔板也对电池及连接件两者的热膨胀系数匹配起到缓冲作用，使电堆元部件在室温无外加压力条件下能结合紧密，制成无压电堆。
本说明书中各个部分采用递进的方式描述，每个部分重点说明的都是与其他部分的不同之处，各个部分之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种阳极支撑平板式固体氧化物燃料电池无压电堆，其特征在于，包括：多个堆叠在一起的电池单元，其中，每一电池单元均包括：
由下至上顺序设置的下连接件、阳极侧金属网、阳极支撑单电池、阴极侧金属网和上连接件；且阳极侧金属网和阴极侧金属网的四周均设置有间隔板，所述阳极侧金属网四周的间隔板通过密封材料与所述下连接件的阳极侧和阳极支撑单电池的阳极相连，所述阴极侧金属网四周的间隔板通过密封材料与所述上连接件的阴极侧和阳极支撑单电池的阴极相连；
相邻两个电池单元之间共用同一连接件；
电堆是以1℃/min的升温速率升温至850℃，保温2小时后，施加200kg的压力，再保温4小时，以1℃/min的速率降温至室温，卸掉残余压力形成的。
2.根据权利要求1所述的无压电堆，其特征在于，还包括：设置在阴极侧金属网朝向阳极支撑单电池阴极方向上的保护涂层。
3.根据权利要求1所述的无压电堆，其特征在于，所述间隔板的厚度为0.1～2mm。
4.根据权利要求1所述的无压电堆，其特征在于，所述下连接件和上连接件的形状相同，且所述下连接件的阳极侧为平板型，所述阳极侧金属网为波浪型或燕尾型金属网。
5.根据权利要求1所述的无压电堆，其特征在于，所述下连接件和上连接件的形状相同，且所述下连接件的阳极侧设置有凸点式凹槽或直线型凹槽，所述阳极侧金属网为平板式金属网。
6.根据权利要求1所述的无压电堆，其特征在于，所述下连接件和上连接件的形状相同，且所述上连接件的阴极侧为平板型，所述阴极侧金属网为波浪型或燕尾型金属网。
7.根据权利要求1所述的无压电堆，其特征在于，所述下连接件和上连接件的形状相同，且所述上连接件的阴极侧设置有凸点式凹槽或直线型凹槽，所述阴极侧金属网为平板式金属网。
8.根据权利要求1～7任一项所述的无压电堆，其特征在于，还包括：设置在所述阳极支撑单电池阴极面上的阴极集流层。
9.根据权利要求8所述的无压电堆，其特征在于，所述阴极集流层为通过喷涂工艺形成的干态集流层或通过丝网印刷工艺形成的湿态集流层。
10.根据权利要求8所述的无压电堆，其特征在于，所述集流层的厚度为20～500μm。
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