CN106374120B - 一种自密封平板状固体氧化物燃料电池/电解池的结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种自密封平板状固体氧化物燃料电池的结构，包括金属连接极、多孔金属层、阳极、电解质层和阴极；金属连接极上开有气体通路；金属连接极设置于金属连接极一侧，多孔金属层与金属连接极接触的边缘通过焊接或者粘结密封固定；阳极、电解质层和阴极依次设置于多孔金属层上。本发明采用一体化结构，金属连接极、阳极、电解质层、阴极为一个整体，通过本发明的结构的设计，利用电解质的致密性和电子绝缘性来达到电池的自密封和阴阳极之间的绝缘。相比于传统的固体氧化物燃料电池，该结构的电池不需要引入密封材料，有效的简化了电池堆的制造工艺，降低了电池堆的密封工作量，有利于降低电池的制造成本，有利于固体氧化物电池的商业化推广。

Description

一种自密封平板状固体氧化物燃料电池/电解池的结构
技术领域
本发明涉及能源技术领域，特别涉及固体氧化物电池或固体氧化物电解池的结构。
背景技术
固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种能量转化效率高，环境友好的固态发电装置，它可以把燃料中的化学能直接转化为电能。SOFC常用的主要设计构型有两种：平板式和管式。近年来，平板式SOFC设计受到了人们越来越多的重视，逐渐成为SOFC技术发展的主流方向。当采用平板式结构设计时，各组元可以分开制备，还可以由传统的陶瓷工艺制备；组元分别组装，电池质量容易控制；电解质和电极的厚度可以减小到数微米的程度，缩短了离子和电子在单电池中的传输距离，从而极大地降低了电池中的内耗。但平板式SOFC的主要缺点是需要密封的面积大、高温密封困难。
一般来讲，一个单电池的电压、功率都是有限的，往往需要将其串并联起来，才能获得足够的电压和功率。对于平板式固体氧化物燃料电池，一般的做法是先将几片电池串联为一个电池堆获得一定的电压，再将电池堆进行串并联来获得足够的功率和更大的电压。传统的平板式固体氧化物燃料电池电池堆主要由单电池、连接体和密封材料组成，电池堆的上下两个面均为金属的连接体。为保证平板式SOFC正常工作，密封材料必须提供足够的气密性以保证两种工作气体不发生混合，大量的金属/金属、金属/陶瓷、陶瓷/陶瓷结构需要密封。其中金属/陶瓷之间的密封最为常见，主要是SOFC单电池和金属连接体之间的密封，并且需要密封的面积最大。由于陶瓷的脆性，金属/陶瓷、陶瓷/陶瓷之间的密封较为困难，尤其是单电池(阳极/电解质/阴极构成的多层陶瓷结构)与金属连接体之间的密封非常困难。近年来，SOFC中低温化(工作温度600～800℃)的一个主要途径是将电解质层薄膜化以降低电阻提高电池功率密度，这使得SOFC电解质层厚度通常从传统的100～200μm减小到小于20μm，一般在4～10μm。电解质层薄膜化进一步加大了平板式SOFC中单电池与金属连接体之间密封的困难程度。
因此，平板式电池结构的密封问题是本领域的一个重要的问题。如果解决，可以极大地推动本领域的发展。同样地，固体氧化物电解池也存在着类似的密封问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种自密封平板状固体氧化物燃料电池/电解池的结构，来解决电池的密封问题。
为实现上述的目的，本发明采用如下技术方案：
一种自密封平板状固体氧化物燃料电池的结构，包括金属连接极、多孔金属层、阳极、电解质层和阴极；金属连接极上开有气体通路；金属连接极设置于金属连接极一侧，多孔金属层与金属连接极接触的边缘通过焊接或者粘结密封固定；阳极、电解质层和阴极依次设置于多孔金属层上。
进一步的，阳极层覆盖多孔金属层且阳极层的面积大于多孔金属层的面积；电解质层覆盖阳极层且电解质层的面积大于阳极层的面积；电解质层的边缘和阳极层的边缘均接触金属连接极；阳极层被包裹于多孔金属层与金属连接极组成的整体与电解质层之间。致密电解质层与连接极的边缘接触，保障连接极与多孔金属内部的气体不沿着连接极四周的界面发生泄漏。
进一步的，阳极层的边缘接触金属连接极；电解质层和阴极层不接触金属连接极。
进一步的，阳极、电解质层和阴极通过喷涂或烧结的方法依次制备在多孔金属层上。
进一步的，多孔金属层上的气流通路之间有多个支撑金属连接极的支撑面，金属连接极与支撑面之间通过钎焊或浆料形式连接形成冶金结合。
进一步的，孔金属层的孔隙率为15-60％。
进一步的，多孔金属层与金属连接极连接的边缘完整，未设气孔。
进一步的，金属连接极一侧上开有凹槽，多孔金属层安装于凹槽中；或者，多孔金属层与金属连接极同尺寸。
进一步的，若采用多孔金属内嵌于连接极的方法，金属连接极凹槽边缘宽度为1-8mm。
进一步的，阳极与连接极的四周接触长度要大于阳极厚度的250倍以上。
进一步的，金属连接极为铁铬合金。
进一步的，所用的钎焊纤料为镍基纤料。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明提供了一种自密封平板状固体氧化物燃料电池/电解池的结构，采用一体化结构，金属连接极、阳极、电解质层、阴极为一个整体，通过本发明的结构的设计，利用电解质的致密性和电子绝缘性来达到电池的自密封和阴阳极之间的绝缘。相比于传统的固体氧化物燃料电池，该结构的电池不需要引入密封材料，有效的简化了电池堆的制造工艺，降低了电池堆的密封工作量，有利于降低电池的制造成本，有利于固体氧化物电池的商业化推广。
附图说明
图1为自密封平板状固体氧化物燃料电池剖面示意图。
图2为实施例2的示意图。
其中，1-1金属连接极、1-2多孔金属层、1-3阳极、1-4电解质层、1-5阴极、1-6支撑面、1-7气体通路。
具体实施方式
本发明的核心是一种自密封平板状固体氧化物燃料电池的结构，为了进一步理解本发明，下面结合具体实例对于本发明进一步进行阐述。
请参阅图1和图2所示，本发明一种自密封平板状固体氧化物燃料电池/电解池的结构，包括金属连接极1-1、多孔金属层1-2、阳极1-3、电解质层1-4和阴极1-5。
金属连接极1-1两侧开有气体通路1-7；金属连接极1-1一侧上开有凹槽，多孔金属层1-2安装于凹槽中，多孔金属层1-2与金属连接极1-1接触的边缘和支撑面1-6之间通过焊接或者粘结密封固定。多孔金属层1-2与金属连接极1-1的上表面修整出一个可供喷涂的表面；阳极1-3、电解质层1-4和阴极1-5依次设置于该表面上。
请参阅图1所述，阳极层1-3覆盖多孔金属层1-2且阳极层1-3的面积大于多孔金属层1-2的面积；电解质层1-4覆盖阳极层1-3且电解质层1-4的面积大于阳极层1-3的面积；电解质层1-4的边缘和阳极层1-3的边缘均接触金属连接极1-1；阳极层1-3被包裹于多孔金属层1-2与金属连接极1-1组成的整体与电解质层1-4之间。致密电解质层与连接极的边缘接触，保障连接极与多孔金属内部的气体不沿着连接极四周的界面发生泄漏。
请参阅图2所述，本发明另一种结构，阳极层1-3的边缘接触金属连接极1-1；电解质层1-4和阴极层1-5不接触金属连接极1-1。
本发明一种自密封平板状固体氧化物燃料电池/电解池的结构，制备时，在金属连接极1-1的一面中间加工一个凹槽，将多孔金属层1-2嵌金属连接极1-1的凹槽中，并通过钎焊技术将其连接起来，然后在多孔金属层1-2的表面制备电池功能层：可以通过大气等离子喷涂、低压等离子喷涂等热喷涂技术依次沉积阳极1-3、电解质层1-4和阴极1-5。制备后电池结构的一个剖面如图1所示，从上往下的结构依次为阴极1-5、电解质层1-4、阳极1-3、多孔金属层1-2和电池连接体1-1。本发明主要利用电解质层的致密性和电子绝缘性来达到电池的自密封和阴阳极之间的绝缘，相比之传统的其他的电池堆中的密封和绝缘，有效的简化了电池堆的制造工艺，降低了电池堆工作中的密封工作量。
实施例1
在一个20×20cm2的金属连接极1上加工一个外坡口尺寸为18.2×18.2cm2，内坡口尺寸为18×18cm2，深度与多孔金属层1-2(不锈钢)厚度相等的坡台状凹槽，置入一个18×18cm2的多孔不锈钢(多孔金属层1-2)后，采用钎焊的方法将多孔金属层与金属连接极相连接，连接部位包括多孔不锈钢与金属连接极接触的边缘及支撑面。然后将多孔不锈钢表面进行磨平，通过大气等离子喷涂的方法制备Ni/YSZ阳极，YSZ电解质层和LSCF阴极，单电池表现出了良好的电压和功率输出。
实施例2
请参阅图2所示，将10×10cm2的电池连接1-1极与相同面积的多孔金属层1-2(不锈钢)重叠放置，采用钎焊的方法将多孔金属层与金属连接极相连接，连接部位包括多孔金属层与金属连接极接触的边缘及支撑面1-6。通过控制钎焊工艺，使得多孔不锈钢边缘能够形成致密结构。然后经喷砂处理后，在不锈钢表面采用大气等离子喷涂的方法制备Ni/ScSZ阳极，ScSZ电解质层和LSCF阴极，单电池表现出了良好的电压和功率输出。
实施例3
将30×30cm2的金属连接极与相同面积的多孔不锈钢重叠放置，采用钎焊的方法将多孔金属层与金属连接极相连接，连接部位包括多孔不锈钢与金属连接极接触的边缘及支撑面。通过控制钎焊工艺，使得多孔不锈钢边缘能够形成致密结构。然后经喷砂处理后，在不锈钢表面采用大气等离子喷涂的方法制备Ni/GDC阳极，GDC过渡层，LSGM电解质层和LSCG阴极，完成单电池的制备。
实施例4
将30×30cm2的金属连接极与相同面积的多孔不锈钢重叠放置，采用钎焊的方法将多孔金属与金属连接极相连接，连接部位包括多孔不锈钢与金属连接极接触的边缘及支撑面。通过控制钎焊工艺，使得多孔不锈钢边缘能够形成致密结构。然后经喷砂处理后，在不锈钢表面采用大气等离子喷涂的方法制备Ni/ScSZ阴极，ScSZ电解质层和LSM阳极，制备的电解池表现出较高的产氢速率。
对以上实施例的表述，只是为了使本专业的人员能够更好地理解理解本发明的技术方案，本发明的范围包括但不仅限制于以上实施方案，而是要在符合本文公开的原理和新颖特点的最宽的范围内。

Claims (4)

1.一种自密封平板状固体氧化物燃料电池/电解池的结构，其特征在于，包括金属连接极(1-1)、多孔金属层(1-2)、阳极(1-3)、电解质层(1-4)和阴极(1-5)；
金属连接极(1-1)上开有气体通路(1-7)；多孔金属层(1-2)设置于金属连接极(1-1)一侧，多孔金属层(1-2)与金属连接极(1-1)接触的边缘通过焊接或者粘结密封固定；阳极(1-3)、电解质层(1-4)和阴极(1-5)依次设置于多孔金属层(1-2)上；
阳极层(1-3)覆盖多孔金属层(1-2)且阳极层(1-3)的面积大于多孔金属层(1-2)的面积；电解质层(1-4)覆盖阳极层(1-3)且电解质层(1-4)的面积大于阳极层(1-3)的面积；阳极层(1-3)位于多孔金属层(1-2)与金属连接极(1-1)组成的整体与电解质层(1-4)之间；
多孔金属层(1-2)上的气流通路之间有多个支撑金属连接极(1-1)的支撑面(1-6)，金属连接极(1-1)与支撑面(1-6)之间通过钎焊形式连接形成冶金结合；
金属连接极(1-1)一侧上开有凹槽，多孔金属层(1-2)安装于凹槽中；
金属连接极的凹槽边缘宽度为1-8mm；
阳极(1-3)与连接极(1-1)的四周接触，接触长度要大于阳极厚度的250倍以上。
2.根据权利要求1所述的一种自密封平板状固体氧化物燃料电池/电解池的结构，其特征在于，阳极(1-3)、电解质层(1-4)和阴极(1-5)通过喷涂或烧结的方法依次制备在多孔金属层(1-2)上。
3.根据权利要求1所述的一种自密封平板状固体氧化物燃料电池/电解池的结构，其特征在于，多孔金属层(1-2)的孔隙率为15-60％。
4.根据权利要求1所述的一种自密封平板状固体氧化物燃料电池/电解池的结构，其特征在于，多孔金属层(1-2)与金属连接极(1-1)连接的边缘完整，未设气孔。
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