CN107579262A - 一种平板型固体氧化物燃料电池连接部件及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种平板型固体氧化物燃料电池连接部件及其应用。所述平板型固体氧化物燃料电池连接部件由耐高温的金属或合金形成，包括双极板和电池框架。在电池框架上设置了与平板型电池单元形状和尺寸相匹配的台阶孔。在电池框架的台阶孔中放置平板型电池单元，将含有电池单元的电池框架与双极板交替层叠可形成电池堆。本发明的平板型固体氧化物燃料电池连接部件具有化学稳定性和兼容性高，布气均匀性好且密封、装配简单等优点。

Description

一种平板型固体氧化物燃料电池连接部件及其应用

技术领域

本发明涉及固体氧化物燃料电池，尤其涉及一种平板型固体氧化物燃料电池连接部件及其应用。

背景技术

固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种将燃料中的化学能清洁高效地直接转化为电能的发电装置，具有发电效率高、对多种燃料气体广泛适应以及余热利用价值高等优点。由于单电池的开路电压只有1V左右，因此在发电系统中需要将多个单电池通过并联和串联的方式形成电池堆，以满足实际的电压和功率需求。在平板型SOFC中，单电池之间的电连接是通过在相邻电池之间设置连接体来实现的。连接体不仅能实现电池之间的电连接，同时还起到分隔的燃料气和含氧气体、调控气体在电极上的分布等作用。

从功能上划分，连接体结构主要包含以下部分：(1)阳极流场组元，(2)阴极流场组元，(3)反应气隔离组元。目前SOFC的应用主要包括分布式电站和移动电源(包括便携式电源和车载电源)两大部分。根据应用领域的不同，电池堆的部件和结构有较大的差异。对于分布式电站，发电系统的长期稳定性是首要要求，因此设计的连接体较厚重，并采用阴阳极布气和隔离板一体式的设计来减少密封面的数量(专利US2007196704A1和US2012315565A1)。对于移动电源，为了提高电池堆的功率密度和抗震性能，往往采用多层金属薄板钎焊形成轻巧的卡带式结构，电池通过钎焊等方式固定在卡带式单元中，通过卡带式单元的层叠形成电池组(专利US2009004545A1和US2011223516A1)。

除了电连接以外，SOFC电池堆的设计还必须解决以下重要问题：气体分布和密封。气体分布包括在同一电池的电极平面上的分布以及在不同电池间的分布。在电极平面上的分布多采用平行流场设计，槽形流道从进气端流向出气端。然而平行流场也会存在一些问题。首先，当采用内部气体通道设计时，靠近气体通道的流道流程短、气阻较小，因此气体流量大，而远离气体通道的流道流量较小，造成电极布气不均匀。为了解决该问题，美国的Bloomenergy公司采用两套不同深度或不同宽度的流道，使双极板中部离气体通道较近的流道截面积较小，双极板边缘离气体通道较远的流道截面积较大，从而使不同位置的流量趋于均匀(专利US2012315565A1)。通过采用昂贵的粉末冶金成型技术，Bloomenergy公司可获得上述具有不同深度流道的连接体。然而，使用两套不同深度或不同宽度的流道只能一定程度上解决气体分布不均匀的问题。此外，对于连接体加工更常用且成本更低的蚀刻技术，流道深度不同将大大增加加工的成本。除了流道控制，德国的FORSCHUNGZENTRUM JUELICH公司采用双通道进气、单通道出气的设计(Fuel cells 07,204-210,2007)，而美国的Delphi公司则采用燃料和空气八孔进/出气的设计(专利US2009004545A1)，目的也是使电极平面上的流场分布更均匀。然而内部气体通道数目的增加使密封变得更复杂，也增大了密封失效的危险。

除了气体阻力和流程影响外，气体流速也有重要影响。由于气体分子动量影响，当内部进气通道中气体流速过大时，难以实现从进气通道到不同电池单元的均匀布气；同时，双极板上正对气体通道出口的流道流速和流量也偏大。另一方面，在SOFC中氧化性气体的流量远大于燃料气体。当使用氢气作为燃料气、空气作为氧化性气体的时候，空气的流量可达到氢气10-20倍左右。因此空气流速及其对流场均匀性的影响也大大超过氢气。

发明内容

针对以上问题，本发明的目的主要是提供一种平板型固体氧化物燃料电池连接部件，可以在不同的气体流速和流量情况下提高气体分布的均匀性，同时具有高的化学稳定性和兼容性。

本发明的连接部件包括双极板和电池框架，所述双极板和电池框架由板状耐热金属或耐热合金构成。在优选方案中，双极板和电池框架材料选用Cr含量大于16wt％的Fe-Cr耐热合金。

上述双极板和电池框架上，包含四个或四个以上相互对应的贯穿板体的孔洞。当双极板和电池框架用于组成电池堆时，相互对应的贯穿板体的孔洞上下连通行成内部气体通道。这些内部气体通道分别作为燃料气的进出气通道以及氧化性气体的进出气通道，电池堆发电需要的氧化性气体和燃料气体通过内部气体通道分布到不同的电池单元。为了解决氧化性气体(如空气)流量和流速大容易导致气体阻力大和以及电池间气体分布不均的问题，本发明中氧化性气体的气体通道截面积大于燃料气的气体通道，有效降低内部气体通道中氧化性气体的流速。

本发明的双极板采用阴阳极布气和隔离板一体式的设计。双极板相互平行的上下表面中，上表面和一电池单元的阴极相连接，下表面和另一电池单元的阳极相接，在双极板两侧上下表面对应电池单元电极的部位设有凹陷的气体分布腔；两侧气体分布腔由厚度为0.1-1.0mm的连续致密金属层分隔开，优选方案为0.2-0.6mm。致密隔层小于0.1mm，在SOFC高温运行过程中容易由于高温氧化导致腐蚀穿孔，引发堆内着火和爆炸等安全问题；大于1.0mm，则增加电堆重量，降低电堆的比功率密度。

所述双极板的上表面上，也就是与阴极相接的一侧，于进气通道的四周设有用于气体分布的凹陷的进气腔，进气腔与气体分布腔相连通，于出气通道的四周设有用于收集气体的凹陷的出气腔，出气腔与气体分布腔相连通；气体分布腔与氧化性气体的进出气通道相连通。所述进气腔或出气腔从内部气体通道到气体分布腔截面积逐渐增大。在进气腔和/或出气腔中，还设置了一个以上的分散性凸台，一方面可以调整流场分布，另一方面，也可以对进气腔和出气腔起支撑作用。

氧化性气体依次经过进气通道和进气腔流入气体反应腔，在气体分布腔均匀分布后参与阴极反应。为了提高阴极侧气体分布的均匀性，本发明于气体分布腔中部、进气腔和出气腔之间设有二次布气腔，于进气腔与二次布气腔之间设有两条以上相互间隔的条形凸台形成平行流场。平行流场中靠近进气通道的流道长度大于远离进气通道的流道长度，平行流场中的流道二端分别与进气腔和二次布气腔相连通；于出气腔与二次布气腔之间设有两条以上相互间隔的条形凸台形成平行流场，平行流场中靠近出气通道的流道长度大于远离出气通道的流道长度，平行流场中的流道二端分别与出气腔和二次布气腔相连通。槽形流道长度的渐变方式可以采用线性渐变，也可以采用弧形、抛物线和流线型渐变等方式。由于靠近内部气体通道的流道长度较长，离内部气体通道较远的流道长度较短，最终使得气体流经不同流道的气阻接近，使气体在电极平面上分布更均匀。

所述双极板的下表面上，也就是与阳极相接的一侧，于进气通道的四周同样设有用于气体分布的凹陷的进气腔、用于收集气体的凹陷的出气腔以及用于导流和支撑的一个以上的分散性凸台。在下表面的气体分布腔中，可以采用与上表面类似的二次布气腔和流道长度渐变的平行流场进行布气，也可以通过设置泡沫金属或金属网进行燃料气分布。

为了解决流体动量对气体分布均匀性的影响，可进一步在内部气体通道中设置C型管或其他带有出口的管道，使气体从进气通道背向槽形流道的方向流出，绕过内部气体通道后再进入进气腔。对于流量较大的氧化性气体，还可以采用较大的进/出气气体通道管径，减小气体通道内气体的流速，增加沿叠加方向上不同电池上之间的布气均匀性。

除了用于电连接和气体分布的双极板，本发明还包括用于对平板型陶瓷电池的定位、支撑和保护的电池框架。于电池框架上设置有与平板型电池单元形状和尺寸相匹配的台阶孔，所述台阶孔是指于平板状电池框架的一侧表面中部设有一凹槽，于凹槽的中部设有一通孔，台阶孔中用于放置平板型电池单元。平板型电池单元包括电解质层、以及分布在电解质层两侧的阳极和阴极，所述台阶孔的凹槽深度大于平板型电池单元的厚度，以便在电池单元两侧设置集电层或柔性接触层。电池框架上与平板型电池单元形状和尺寸相匹配的台阶孔上，通孔上边缘与凹槽的侧壁面之间距离大于等于2mm。当形成电池堆时，台阶孔对平板型电池单元起支撑和保护作用；同时，通过在电池和凹槽底面(凸出台阶)之间的接触处设置密封层，可实现电池阴阳极之间的气体密封。

将含有电池单元的电池框架与双极板交替叠加可形成电池堆，电池单元产生的电流沿垂直于电池单元和双极板方向传导。在双极板和电池框架之间设置有密封层，所述密封层由包含玻璃、微晶玻璃、陶瓷颗粒或陶瓷纤维中的一种或多种，SOFC的运行温度应在玻璃密封剂的玻璃化温度和软化温度之间。为了保证密封效果，双极板的内部气体通道之间以及气体通道和气体分布腔、进/出气腔之间预留了足够的密封距离。在本发明中，该内部气体通道之间以及气体通道和气体分布腔、进/出气腔之间的最小距离应大于等于3mm，优选为大于等于5mm。

根据工作气氛和温度的需要，可在双极板的部分或全部表面上涂敷有阻止合金高温氧化的涂层以提高端部连接部件的抗高温氧化的能力。所述涂层含有具有钙钛矿结构、尖晶石结构、萤石结构或纤锌矿结构的氧化物中的一种或二种以上，其中至少一种复合氧化物在500-900℃具有1S/cm以上的电导率。同时，该涂层还可以抑制Cr的挥发和迁移，避免阴极材料的Cr中毒以及密封玻璃和金属之间的反应。

本发明的平板型固体氧化物燃料电池连接部件具有化学稳定性和兼容性高，布气均匀性好且密封、装配简单等优点。

附图说明

图1是表示本发明平板型固体氧化物燃料电池连接部件第1个实施方式的示意图。

图2是本发明连接部件的第1个实施方式中电池框架的示意图。

图3是本发明连接部件的第1个实施方式中双极板的示意图，其中(a)为阴极侧，(b)为阳极侧。

图4是表示本发明平板型固体氧化物燃料电池连接部件的应用的示意图。

图5是表示本发明平板型固体氧化物燃料电池连接部件第2个实施方式的示意图。

图6是本发明连接部件的第3个实施方式中双极板阳极侧结构的示意图。

具体实施方式

本发明可以有多种实施方式，图中所示和下述具体描述的是本发明包含和一些实施方式和实施例，并不是用以限制本发明。

[实施例1]

如图1所示，平板型SOFC连接部件，包括由电池框架1和双极板2，平板型电池单元3设置于电池框架1中。在电池框架和双极板上设置有相互对应的的贯穿板体的孔洞4a、4b、4c和4d。当双极板和电池框架用于组成电池堆时，相互对应的的贯穿板体的孔洞上下连通行成内部气体通道，其中面积较大的孔洞4a和4b分别形成氧化性气体的进气通道和出气通道，面积较小的孔洞4c和4d形成燃料气的进气通道和出气通道。

图2是电池框架1的示意图。电池框架1上设置有与平板型电池单元形状和尺寸相匹配的台阶孔5。如图1所示，平板型电池单元3放置于台阶孔5中，台阶孔突出部6对平板型电池单元3起支撑作用。

图3是双极板2的示意图，阴极侧平面2a和平板型电池单元3的阴极相连接，阳极侧平面2b和电池单元3的阳极相接。双极板2两侧的氧化性气体和燃料气体的流向可以相同也可以相反；在本实施例中，采用了相反的流向。在双极板两侧对应电池单元电极的部位设有凹陷的气体分布腔7a和7b。

在双极板的阴极侧表面上，于形成氧化性气体进气通道的孔洞4a四周设有用于气体分布的凹陷的进气腔8a，进气腔8a与气体分布腔7a相连通，于形成氧化性气体出气通道的孔洞4b四周设有用于收集气体的凹陷的出气腔8b，出气腔8b也与气体分布腔7a相连通。在气体分布腔7a中部、进气腔8a与出气腔8b之间，设有二次布气腔9。于进气腔8a与二次布气腔9之间设有两条以上相互间隔的条形凸台10形成平行流场，所述平行流场是由在凸台之间以及凸台和气体分布腔侧壁之间形成相互平行的槽形流道11构成。平行流场中的流道11二端分别与进气腔8a和二次布气腔9相连通。平行流场中靠近进气通道的流道长度大于远离进气通道的流道长度，即从靠近进气通道4a向远离进气通道4a槽形流道11长度逐渐变短；于出气腔8b与二次布气腔9之间也设有两条以上相互间隔的条形凸台形成平行流场，平行流场中靠近出气通道4b的流道长度大于远离出气通道4b的流道长度，即从靠近出气通道向远离出气通道槽形流道长度逐渐变短。本实施例中流道长度变化采用了线性渐变的方式。

图3(b)是双极板2的阳极侧表面2b。与阴极侧表面2a不同，阳极侧的布气腔7b中没有设置平行流场，而是设置了用于布气和电连接的金属Ni或Ni合金制成的金属网、金属毡或泡沫金属(图中略)。在阳极侧的进气腔12a和出气腔12b中，还设置有小凸台13，一方面可以起到支撑作用，另一方面可以对气体流场进行调整。

本实施例中的电池框架1和双极板2由板状的SUS430合金构成(Cr含量16-18wt.％)，在双极板2的阴极侧表面上涂敷有抑制合金高温氧化的尖晶石导电涂层。

图4是表示本发明平板型固体氧化物燃料电池连接部件的应用的示意图。在电池框架1的台阶孔3中放置平板型电池单元3，电池单元3和凸出台阶6之间的接触面之间设置密封层。含有电池单元3的电池框架1与双极板2交替叠加形成电池堆。在双极板2和电池框架1之间设置有密封层(图中略)，所述密封层在双极板的内部气体通道之间以及气体通道和气体分布腔、进/出气腔之间最窄部分宽度大于等于5mm。

[实施例2]

如图5所示，与实施例1不同之处在于，在氧化性气体通道中设置了C型管14，C型管14的出气口设在气体通道远离气体分布腔的一侧，迫使气体从背向气体分布腔的方向流出或流入内部气体通道。C型管14采用陶瓷管或表面涂敷绝缘层的金属管制成。

[实施例3]

如图6所示，与实施例1不同之处在于，双极板上设置了两个用于形成氧化性气体进气通道的孔洞4a和两个用于形成氧化性气体的出气通道的孔洞4b。此外，在阳极侧表面的气体分布腔7b中部、进气腔12a与出气腔12b之间，设有二次布气腔15。于进气腔12a与二次布气腔15之间设有两条以上相互间隔的条形凸台16形成平行流场，所述平行流场是由在凸台之间以及凸台和气体分布腔侧壁之间形成相互平行的槽形流道17构成。平行流场中的流道17二端分别与进气腔12a和二次布气腔15相连通。平行流场中靠近进气通道4c的流道长度大于远离进气通道的流道长度，即从靠近进气通道4a向远离进气通道槽形流道17长度逐渐变短；于出气腔12b与二次布气腔15之间也设有两条以上相互间隔的条形凸台形成平行流场，平行流场中靠近出气通道4d的流道长度大于远离出气通道4d的流道长度，即从靠近出气通道向远离出气通道槽形流道长度逐渐变短。本实施例中流道长度变化采用了圆弧形渐变的方式。

Claims (10)

1.一种平板型固体氧化物燃料电池连接部件，包括双极板和电池框架，其特征在于：

所述双极板和电池框架上分别设置有四个以上相互对应的贯穿板体的孔洞，当双极板和电池框架用于组成电池堆时，相互对应的贯穿板体的孔洞上下连通形成内部气体通道；内部气体通道分别作为燃料气的进出气通道以及氧化性气体的进出气通道；

所述双极板相互平行的上下表面中，上表面和一电池单元的阴极相连接，下表面和另一电池单元的阳极相接，在双极板两侧上下表面对应电池单元电极的部位设有凹陷的气体分布腔；

所述双极板的上表面上，于进气通道的四周设有用于气体分布的凹陷的进气腔，进气腔与气体分布腔相连通，于出气通道的四周设有用于收集气体的凹陷的出气腔，出气腔与气体分布腔相连通；气体分布腔与氧化性气体的进出气通道相连通；

于气体分布腔中部、进气腔和出气腔之间设有二次布气腔，于进气腔与二次布气腔之间设有两条以上相互间隔的条形凸台形成平行流场，平行流场中靠近进气通道的流道长度大于远离进气通道的流道长度，平行流场中的流道二端分别与进气腔和二次布气腔相连通；于出气腔与二次布气腔之间也设有两条以上相互间隔的条形凸台形成平行流场，平行流场中靠近出气通道的流道长度大于远离出气通道的流道长度，平行流场中的流道二端分别与出气腔和二次布气腔相连通；

所述双极板的下表面上，于进气通道的四周设有用于气体分布的凹陷的进气腔，进气腔与气体分布腔相连通；于出气通道的四周设有用于收集气体的凹陷的出气腔，出气腔与气体分布腔相连通；气体分布腔与燃料气进出气通道相连通。

2.如权利要求1所述平板型固体氧化物燃料电池连接部件，其特征在于：

电池框架上设置有与平板型电池单元形状和尺寸相匹配的台阶孔，所述台阶孔是指于平板状电池框架的一侧表面中部设有一凹槽，于凹槽的中部设有一通孔，台阶孔中用于放置平板型电池单元；平板型电池单元包括电解质层、以及分布在电解质层两侧的阳极和阴极，所述台阶孔的凹槽深度大于平板型电池单元的厚度。

3.如权利要求1所述平板型固体氧化物燃料电池连接部件，其特征在于：

于进气腔与二次布气腔之间设有两条以上相互间隔的条形凸台形成平行流场，所述平行流场是由在凸台之间以及凸台和气体分布腔侧壁之间形成相互平行的槽形流道构成，槽形流道长度连续渐变，靠近进气通道的流道长度较长，远离进气通道的流道长度较短，即从靠近进气通道向远离进气通道的槽形流道长度逐渐变短；

于出气腔与二次布气腔之间也设有两条以上相互间隔的条形凸台形成平行流场，所述平行流场是由在凸台之间以及凸台和气体分布腔侧壁之间形成相互平行的槽形流道构成，槽形流道长度连续渐变，靠近出气通道的流道长度较长，远离出气通道的流道长度较短，即从靠近出气通道向远离出气通道的槽形流道长度逐渐变短。

4.如权利要求1所述平板型固体氧化物燃料电池连接部件，其特征在于：双极板和电池框架材料选用Cr含量在16wt.％以上的耐热合金，在双极板和电池框架的部分或全部表面上涂敷有抑制合金高温氧化的导电涂层。

5.如权利要求1所述平板型固体氧化物燃料电池连接部件，其特征在于：所述电池框架上与平板型电池单元形状和尺寸相匹配的台阶孔，通孔上边缘与凹槽的侧壁面之间距离大于等于2mm。

6.如权利要求1所述平板型固体氧化物燃料电池连接部件，其特征在于：氧化性气体的进出气通道截面积大于燃料气的进出气通道截面积；

进气腔从进气通道到气体分布腔截面积逐渐增大，和/或出气腔从出气通道到气体分布腔截面积逐渐增大，并且在进气腔和/或出气腔中设置有1个以上的调整气流用的导流凸台。

7.如权利要求1所述平板型固体氧化物燃料电池连接部件，其特征在于：内部气体通道中设置了C型管或其他带有局部出气口的管道，所述管道的出气口设在内部气体通道远离气体分布腔的一侧，迫使气体从背向气体分布腔的方向流出或流入内部气体通道。

8.如权利要求1或3所述平板型固体氧化物燃料电池连接部件，其特征在于：于下表面的气体分布腔中设有泡沫金属或金属网；

或，于气体分布腔中、进气腔和出气腔之间设有二次布气腔，于进气腔与二次布气腔之间设有两条以上相互间隔的条形凸台形成平行流场，平行流场中靠近进气通道的流道长度大于远离进气通道的流道长度，平行流场中的流道二端分别与进气腔和二次布气腔相连通；于出气腔与二次布气腔之间也设有两条以上相互间隔的条形凸台形成平行流场，平行流场中靠近出气通道的流道长度大于远离出气通道的流道长度，平行流场中的流道二端分别与出气腔和二次布气腔相连通。

9.一种权利要求1-8中任一项所述平板型固体氧化物燃料电池连接部件的应用，其特征在于：在电池框架的台阶孔中放置平板型电池单元，电池和凹槽底面(凸出台阶)之间的接触处设置密封层；含有电池单元的电池框架与双极板交替层叠形成电池堆。

10.如权利要求9所述平板型固体氧化物燃料电池连接部件的应用，其特征在于：在双极板和电池框架之间设置有密封层，所述密封层在双极板的内部气体通道之间以及气体通道和进出气腔之间最窄部分宽度大于等于3mm。