CN103545542B - 平板式固体氧化物燃料电池系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种平板式固体氧化物燃料电池系统，包括依次叠加设置的第一系统部件1、第一合金焊片2、第一电池堆3、第二合金焊片4、第二电池堆5、第三合金焊片6与第二系统部件7。本发明采用合金焊片为燃料电池的连接部件，实现了电池堆与电池堆之间、电池堆与系统部件之间以及系统部件与系统部件之间的连接，由于合金焊片来源广泛，其可以直接作为电池系统的密封件，因此制备工艺简单；同时合金焊片在电池堆之间及其与系统部件之间连接时在高温下软化，不仅可以很好的密封电池堆与系统部件的边沿、燃料口、空气口等部分，而且可以起到良好的集流和导电作用。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及平板式固体氧化物燃料电池系统。
背景技术
固体氧化物燃料电池（SOFC）是一种在中高温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地转化成电能的全固态化学发电装置。在实际应用中，单体SOFC功率有限，为了获得大功率SOFC，需要将若干个单电池以各种方式如串联、并联、混联的方式，组装成电池堆（SOFCstack）。
SOFC常用的主要构型设计为：平板式和管式，两种结构类型各具特点，其制备方法也不同，其中平板式电池堆因功率密度高，体积小等优点，其应用范围更广。平板式固体氧化物燃料电池电池堆主要由单电池、连接件及密封材料构成，电池堆的上下两个面均为金属连接件。一般单个电池堆的功率为几百瓦到上千瓦左右，而规模发电的SOFC则需更多个电池堆通过各种结构堆叠或连接而成，其功率可达到几千瓦、几十千瓦，甚至上百千瓦。电池堆之间连接时，必须要将每个电池堆本身的发电性能集成在一起，从而达到更高的整体输出功率，不至于在连接过程中增加电阻或气体泄漏，因此，电池堆与电池堆之间的连接必须兼顾密封与导电。系统部件是对电池堆其密封或导电作用的部件，根据系统部件作用的不同，系统部件的材质可为金属也可为陶瓷。
在多个电池堆连接时，涉及电池堆与电池堆、电池堆与系统部件以及系统部件与系统部件的连接，因此电池堆与电池堆之间、电池堆与系统部件之间、系统部件与系统部件之间的连接，主要包括金属与金属之间、金属与陶瓷之间、陶瓷与陶瓷之间的连接。通常，传统的平板式电池堆与系统部件间连接方法主要依靠玻璃密封材料和银网，其中密封材料用于电池堆及系统部件边沿、燃料口、空气口以达到密封效果，银网起到集流和导电作用。但是，使用传统方法需要在每部分丝印密封材料，其工艺繁琐，不方便电池堆集成；同时，银网厚度也需要根据密封材料厚度而调整，增加了工序的复杂性。
发明内容
本发明解决的技术问题制备工艺简单的平板式固体氧化物燃料电池系统。
有鉴于此，本申请提供了一种平板式固体氧化物燃料电池系统，包括：依次叠加设置的第一系统部件、第一合金焊片、第一电池堆、第二合金焊片、第二电池堆、第三合金焊片与第二系统部件。
优选的，所述第一合金焊片为银焊片、铜焊片或铝焊片；所述第二合金焊片为银焊片、铜焊片或铝焊片；所述第三合金焊片为银焊片、铜焊片或铝焊片。
优选的，所述银焊片的熔点为620℃～810℃，所述铜焊片的熔点为645℃～910℃，所述铝焊片的熔点为570℃～630℃。
优选的，所述银焊片的含银量为18wt%～40wt%。
优选的，所述合金焊片的厚度为0.2mm～0.6mm。
本发明提供了一种平板式固体氧化物燃料电池系统，包括：依次叠加设置的第一系统部件、第一合金焊片、第一电池堆、第二合金焊片、第二电池堆、第三合金焊片与第二系统部件。本发明采用合金焊片为连接部件，实现了电池堆与电池堆之间、电池堆与系统部件之间以及系统部件与系统部件之间的连接，由于合金焊片来源广泛，其可以直接作为集成电池堆的密封件，因此制备工艺简单；同时合金焊片在电池堆之间及其与系统部件之间连接时在高温下会软化，不仅可以很好的密封电池堆与系统部件的边沿、燃料口、空气口等部分，而且可以起到良好的集流和导电作用，从而连接后可将每个电池堆本身的输出功率集成在一起，保证固体氧化物燃料电池的高效、稳定运行。
附图说明
图1为本发明提供的平板式固体氧化物燃料电池系统的结构示意图；
图2为采用本发明与传统连接方法制备的燃料电池系统的I-V曲线图；
图3为本发明实施例1平板式固体氧化物燃料电池系统的V-t曲线图；
图4为本发明实施例2平板式固体氧化物燃料电池系统的V-t曲线图；
图5为本发明实施例3平板式固体氧化物燃料电池系统的V-t曲线图。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
如图1所示，图1为本发明提供的平板式固体氧化物燃料电池系统，图1中1为第一系统部件、2为第一合金焊片、3为第一电池堆、4为第二合金焊片、5为第二电池堆、6为第三合金焊片、7为第二系统部件。
本发明实施例公开了一种平板式固体氧化物燃料电池的集成电池堆装置，包括：依次叠加设置的第一系统部件1、第一合金焊片2、第一电池堆3、第二合金焊片4、第二电池堆5、第三合金焊片6与第二系统部件7。
本发明所述平板式固体氧化物燃料电池系统的连接材料，连接主体为电池堆与电池堆之间，电池堆与系统部件之间，系统部件与系统部件之间，主要包括金属与金属之间、金属与陶瓷之间、系统部件与系统部件之间。在多个电池堆连接过程中，根据平板式固体氧化物燃料电池系统用途的区别，可以在系统部件之间设置多个电池堆，本申请没有特别的限制。本发明最关键的技术是采用合金焊片作为连接材料。所述合金焊片在电池堆及其与系统部件直接连接时不仅可以很好的密封电池堆与系统部件边沿、燃料口、空气口等部分，而且可以起到良好的集流和导电作用，从而连接后可将每个电池堆本身的输出功率集成在一起。
合金焊片具有优良的工艺性能，合适的熔点、良好的润湿性和填满空隙的能力，并且强度高、塑性好，导电性和耐蚀性优良，由于平板式固体氧化物燃料电池（SOFC）主要包括金属、陶瓷等材质，因此银焊片可以应用于SOFC中。根据SOFC的工作温度为600～900℃，所以在此温度区间熔点的合金焊片都适用。根据合金成分及含量，本发明所述合金焊片优选为银焊片、铜焊片或铝焊片。上述合金焊片的熔点不同，则适用不同工作温度区间的SOFC，其中，所述银焊片是含有银、铜、锌、锡、镍元素的合金焊片，其中银的含量为18wt%～40wt%，其熔点为620～810℃，适用于中温区域；所述铜焊片是含有铜、磷、锌、锡、镍元素的合金焊片，其熔点为645～910℃，适用于偏高温区域；铝焊片是含有铝、硅、铜、锌、镁、铁元素的合金焊片，其熔点为570～630℃，适用于偏低温区域。本发明所述银焊片、铜焊片与铝焊片为现有技术中熟知的合金焊片。
在上述集成电池堆装置中，所述第一合金焊片2、第二合金焊片4与第三合金焊片6优选为同一类型的合金焊片。
本发明中所述合金焊片的厚度优选为0.2mm～0.6mm。合金焊片在电池堆中使用时，在高温下会软化，其软化后能够防止气体泄漏，达到密封效果。如果合金焊片太薄，则不足以填隙被封接的上下两个部件的表面；如果合金焊片太厚，由于其处于软化状态，容易被挤压出边沿，同时太厚也增加合金焊片的成本。
在采用合金焊片用于电池堆与系统部件之间的连接时根据电池堆及系统部件的结构及尺寸切割合金焊片的结构及尺寸，并根据需求在常温下使合金焊片将电池堆及系统部件连接在一起，同时施加100～150kg的压力，同时以一定升温速率升温至SOFC的工作温度，即可达到良好的连接效果，以保证固体氧化物燃料电池高效稳定的运行。
本发明提供了一种平板式固体氧化物燃料电池的集成电池堆装置，包括：依次叠加设置的第一系统部件1、第一合金焊片2、第一电池堆3、第二合金焊片4、第二电池堆5、第三合金焊片6与第二系统部件7。本发明采用合金焊片为连接部件，实现了电池堆与电池堆之间、电池堆与系统部件之间以及系统部件与系统部件之间的连接，由于合金焊片来源广泛，其可以直接作为集成电池堆的密封件，因此制备工艺简单。同时合金焊片在电池堆之间及其与系统部件之间连接时在高温下会软化，不仅可以很好的密封电池堆与系统部件边沿、燃料口、空气口等部分，而且可以起到良好的集流和导电作用，从而连接后可将每个电池堆本身的输出功率集成在一起，保证固体氧化物燃料电池的高效、稳定运行。
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的平板式固体氧化物燃料电池的集成电池堆装置进行详细说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。
实施例1
采用尺寸为10cm×10cm，厚度为0.2mm，含银量为25wt%的银焊片连接电池堆，在775℃、150kg的外压力下将系统部件、银焊片与电池堆连接在一起，得到平板式固体氧化物燃料电池系统。如图1所示，图1为本发明提供的平板式固体氧化物燃料电池系统的结构示意图。如图2所示，图2为采用本发明与传统连接方法制备的燃料电池系统的I-V曲线图，图中■曲线为传统连接方法的电池堆的I-V曲线，●曲线为本发明的连接方法的电池堆的I-V曲线，由图2可知，本发明采用银焊片的连接方法可以达到更好的密封和导电作用。如图3所示，图3为本发明平板式固体氧化物燃料电池系统的V-t曲线图，由图3可知，电池堆在运行过程中，其电压、功率都保持稳定，说明银焊片作为密封材料能够保证固体氧化物燃料电池的长期稳定运行。
实施例2
采用尺寸为10cm×10cm，厚度为0.3mm，含银量为18wt%的银焊片连接电池堆，并使用性能更优异的LSCF（La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ）作为阴极材料，在750℃、150kg的外压力下将系统部件、银焊片与电池堆连接在一起，得到平板式固体氧化物燃料电池系统。如图4所示，图4为本发明平板式固体氧化物燃料电池系统的V-t曲线图，由图4可知，H2:Air=6.3/18.5sccmcm-2，35A放电时，电池堆输出功率为780W，稳定运行47h。电池堆在运行过程中，其电压、功率都保持稳定，说明不同含量及不同厚度的银焊片作为密封材料能够保证固体氧化物燃料电池的长期稳定运行。
实施例3
采用尺寸为10cm×10cm，厚度为0.3mm，使用牌号为HL105的铜焊片连接两个电池堆（如图1结构），并使用性能更优异的LSCF（La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ）作为阴极材料，在750℃、150kg的外压力下将系统部件、银焊片与两个电池堆连接在一起，得到平板式固体氧化物燃料电池系统。如图5所示，图5为本发明平板式固体氧化物燃料电池系统的V-t曲线图，由图5可知，750℃，H2:Air=6.3/19sccmcm-2，33A放电时，输出功率为1477W，运行143h。两个电池堆在运行过程中，其电压、功率都保持稳定，说明使用铜焊片作为密封材料能够保证固体氧化物燃料电池的长期稳定运行。
以上实施例的说明只是电池堆与系统部件电池堆用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
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这些实施例，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 (3)
1.一种平板式固体氧化物燃料电池系统，包括：依次叠加设置的第一系统部件、第一合金焊片、第一电池堆、第二合金焊片、第二电池堆、第三合金焊片与第二系统部件；
所述第一合金焊片为银焊片、铜焊片或铝焊片；所述第二合金焊片为银焊片、铜焊片或铝焊片；所述第三合金焊片为银焊片、铜焊片或铝焊片；所述银焊片是含有银、铜、锌、锡、镍元素的合金焊片；
所述铜焊片是含有铜、磷、锌、锡、镍元素的合金焊片；铝焊片是含有铝、硅、铜、锌、镁、铁元素的合金焊片；
所述第一合金焊片的厚度为0.2mm～0.6mm；所述第二合金焊片的厚度为0.2mm～0.6mm；所述第三合金焊片的厚度为0.2mm～0.6mm。
2.根据权利要求1所述的平板式固体氧化物燃料电池系统，其特征在于，所述银焊片的熔点为620℃～810℃，所述铜焊片的熔点为645℃～910℃，所述铝焊片的熔点为570℃～630℃。
3.根据权利要求1所述的平板式固体氧化物燃料电池系统，其特征在于，所述银焊片的含银量为18wt％～40wt％。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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