CN109830732A

CN109830732A - 一种不对称平板型结构高温固态燃料电池的电堆结构

Info

Publication number: CN109830732A
Application number: CN201910073519.5A
Authority: CN
Inventors: 仲政; 徐心海; 周晔欣
Original assignee: Shenzhen Graduate School Harbin Institute of Technology
Current assignee: Shenzhen Graduate School Harbin Institute of Technology
Priority date: 2019-01-25
Filing date: 2019-01-25
Publication date: 2019-05-31

Abstract

一种不对称平板型结构高温固态燃料电池的电堆结构，包括多个堆叠并串联的电池单元，每个电池单元分别包括：上金属连接板、上密封玻璃、阴极侧金属网、平板SOFC电池、阳极侧金属网、下密封玻璃和下金属连接板，其中，平板SOFC电池为厚度1000‑8300μm的全电池，其中阳极支撑体厚度为1000‑8000μm，活性阳极厚度为5‑100μm，电解质厚度为5‑80μm，阴极厚度10‑150μm；金属连接板为厚度500‑1000μm的薄金属功能板。本发明可以显著提高SOFC电池抗机械载荷、抗热失配形变、抗氧化还原形变的能力，大幅提高电池和电堆的寿命，并且提高材料利用率及电堆能量密度，减轻电堆单元重量。

Description

一种不对称平板型结构高温固态燃料电池的电堆结构

技术领域

本发明涉及固体氧化物燃料电池技术领域，尤其涉及一种不对称平板型结构高温固态燃料电池的电堆结构。

背景技术

固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell, SOFC）是一种可以直接将化学能转化为电能的能量转换装置。其基本结构包括多孔阳极，多孔阴极以及致密的电解质层。在阳极中通入燃料，同时在阴极通入氧化剂气体后，电解质和电极三相界面处会发生电化学反应产生电子，电子通过外电路形成回路，就会产生电能与热能。SOFC具有能量转化效率高，对环境友好等优点，因此受到了研究者们的广泛关注。目前，SOFC的商业化已成为世界研究的热门。美国bloom Energy公司研究生产了百千瓦级分布式发电系统，日本ToTo等公司研究生产了千瓦级的家用热电联产系统。

公告号CN101399352B的专利文献提出了一种阳极电极支撑型的平板SOFC结构，该结构易于制备，同时具有较高电池性能。公告号为CN103296301B的专利文献在上述新型的电极支撑型结构基础上提出了一种平板型电极支撑的陶瓷电解质电池堆。

尽管公告号CN103296301B的专利文献提出的一种新型平板型电极支撑的陶瓷电解质电池堆是一种优异的SOFC电池堆结构，但是考虑到该电极支撑型SOFC平板结构在实际运行中抗氧化还原弯曲、抗机械载荷的能力较弱，因此通常需要采用较厚重的金属连接板机械地限制其变形。这将会导致材料利用率及电堆能量密度下降，同时电堆单元重量反而会增加，并且电池容易出现裂纹而破坏。这是因为上述阳极支撑平板型SOFC的支撑层、电极和电解质都很薄，由于连接板的金属材料和电池的陶瓷材料存在一定程度的热膨胀系数失配，在运行过程很容易由于热应力造成电池材料产生裂纹，导致电池和电堆寿命短。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种更加高效长寿命的不对称平板型结构高温固态燃料电池的电堆结构，首先，该技术方案优化了支撑阳极结构尺寸，可以显著提高SOFC电池抗机械载荷、抗热失配形变、抗氧化还原形变的能力，大幅提高了电池和电堆的寿命；其次，在增加阳极支撑层厚度的同时可以降低金属连接板的厚度，从而优化了金属连接板的结构尺寸，提高了材料利用率及电堆能量密度，减轻了电堆单元重量。

本发明的技术方案如下：

一种不对称平板型结构高温固态燃料电池的电堆结构，包括多个堆叠并串联的电池单元，每个电池单元分别包括：上金属连接板、上密封玻璃、阴极侧金属网、平板SOFC电池、阳极侧金属网、下密封玻璃和下金属连接板，其中，上密封玻璃、下密封玻璃均为中空结构，阴极侧金属网、阳极侧金属网分别嵌合在上密封玻璃、下密封玻璃内；上金属连接板与平板SOFC电池通过上密封玻璃紧密贴合，下金属连接板与平板SOFC电池通过下密封玻璃紧密贴合；相邻的两个电池单元共用同一金属连接板：上一个电池单元的下金属连接板为下一个电池单元的上金属连接板；平板SOFC电池为厚度1000-8300μm的全电池，其中阳极支撑体厚度为1000-8000μm，活性阳极厚度为5-100μm，电解质厚度为5-80μm，阴极厚度10-150μm；金属连接板为厚度500-1000μm的薄金属功能板。

作为发明的进一步改进，各金属连接板均包括两个侧面：朝向平板SOFC电池的阳极的阳极侧面、朝向平板SOFC电池的阴极的阴极侧面；同一电池单元中，上金属连接板的阴极侧面与阴极侧金属网之间形成空气通道，下金属连接板的阳极侧面与阳极侧金属网之间形成燃料通道。

作为发明的进一步改进，同一金属连接板的阳极侧面、阴极侧面均为由多个凸台形成的矩形方阵结构，相邻凸台之间形成凹槽；同一金属连接板的四周设有空气入口、空气出口、燃料入口、燃料出口，且空气入口、空气出口相对、燃料入口、燃料出口相对；阳极侧面的矩形方阵与空气入口、空气出口联通；阴极侧面的矩形方阵与燃料入口、燃料出口联通。

作为发明的进一步改进，同一金属连接板的空气入口、空气出口的连线与燃料入口、燃料出口的连线相互垂直。

作为发明的进一步改进，同一侧面的凸台为球状凸台、正方体凸台、柱状凸台、梯形立方体凸台中的一种；同一金属连接板的两个侧面的凸台形状相同或者不相同。

作为发明的进一步改进，同一电池单元的上金属连接板、下金属连接板的凸台形状相同或者不相同。

作为发明的进一步改进，阴极侧金属网、阳极侧金属网为波浪状结构。

基于上述所提到的全部技术方案，相比现有技术，本发明：

（1）创造性地提出将阳极支撑层厚度从100-900 μm大幅增加到1000-8000 μm来提高电池的机械强度，电极和电解质厚度保持不变，通过计算验证发现该技术方案可以显著提高SOFC电池抗机械载荷、抗热失配形变、抗氧化还原形变的能力，大幅电池和电堆的寿命。

（2）由于阳极支撑层加厚后会增加燃料传递的阻力，因此本发明在增加阳极支撑层厚度的同时，将其孔隙率从传统的20%左右提高到40%以上来保证燃料的顺利传递。

（3）阳极支撑层变厚之后，在保证SOFC电池抗机械载荷、抗热失配形变、抗氧化还原形变的能力的前提下，可以采用500-1000 μm的薄金属连接板，因此优化了金属连接板的结构尺寸，从而提高了材料利用率及电堆能量密度，减轻了电堆单元重量。

附图说明

图1是本发明的电池堆结构单元的示意图。

图2-3是本发明的立方体凸台金属连接板的俯视图与剖面图。

图4-5是本发明的立式圆柱体凸台金属连接板的俯视图与剖面图。

图6-7是本发明的卧式圆柱体凸台金属连接板的俯视图与剖面图。

图8-9是本发明的棱柱凸台金属连接板的俯视图与剖面图。

图10是最大总位移随支撑电极厚度h变化曲线s1。

图11是一次还原氧化后电池最大总位移随展向特征尺寸L_x与阳极厚度h1变化云图。

图12是一次还原氧化后电池最大总位移（≤1mm区）随展向特征尺寸L_x与阳极厚度h1变化云图。

图13是一次还原氧化后电池最大应力随展向特征尺寸L_x与阳极厚度h1变化云图。

图14是一次还原氧化后电池（120mm*120mm）最大总位移随阳极厚度h1变化曲线。

图15是一次还原氧化后电池（120mm*120mm）最大应力随阳极厚度h1变化曲线。

图16是一次还原氧化后电池（120mm*120mm）最大总位移随连接件厚度hc及阳极厚度h1变化云图。

图17是一次还原氧化后电池（120mm*120mm）最大应力随连接件厚度hc及阳极厚度h1变化云图。

附图标记：1-上金属连接板，2-上密封玻璃，3-阴极侧金属网，4-平板SOFC电池，5-阳极侧金属网，6-下密封玻璃，7-下金属连接板，8-凸台，9-空气入口，10-空气出口，11-燃料入口，12-燃料出口。

具体实施方式

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面结合附图及具体实施例对本发明进一步说明，但要求保护的范围并不局限于所述，此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员对本发明所做的修改同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1

一种不对称平板型结构高温固态燃料电池的电堆结构，包括多个堆叠并串联的电池单元，如图1所示的，每个电池单元分别包括：上金属连接板1、上密封玻璃2、阴极侧金属网3、平板SOFC电池4、阳极侧金属网5、下密封玻璃6和下金属连接板7，其中，上密封玻璃2、下密封玻璃6均为中空结构，阴极侧金属网3、阳极侧金属网5分别嵌合在上密封玻璃1、下密封玻璃6内。在本发明中，阴极侧金属网3、阳极侧金属网5用以提供柔性接触，使上金属连接板1、下金属连接板7能够分别与平板SOFC电池4充分接触。

而上密封玻璃2、下密封玻璃6用以提供连接作用，如下：上金属连接板1与平板SOFC电池4通过上密封玻璃2紧密贴合，下金属连接板7与平板SOFC电池4通过下密封玻璃6紧密贴合。

相邻的两个电池单元共用同一金属连接板，即：上一个电池单元的下金属连接板7为下一个电池单元的上金属连接板1。

各金属连接板均包括两个侧面：朝向平板SOFC电池的阳极的阳极侧面、朝向平板SOFC电池的阴极的阴极侧面。即：同一电池单元中，上金属连接板1的阴极侧面与阴极侧金属网3之间形成空气通道，下金属连接板7的阳极侧面与阳极侧金属网5之间形成燃料通道。

上述技术方案构成了平板型结构高温固态燃料电池的基本电堆结构，此外，对于本发明来说最重要的是：

（1）本发明优化了支撑阳极的结构尺寸：平板SOFC电池4为厚度1000-8300μm的全电池，其中阳极支撑体厚度为1000-8000μm，活性阳极厚度为5-100μm，电解质厚度为5-80μm，阴极厚度10-150μm。

在优化了支撑阳极的结构尺寸的基础上，本发明的另外一个重要的点的优化了金属连接板的结构尺寸，分别包括：

（2）相比现有技术中采用较厚重的金属连接板来限制电池变形的做法，减少了金属连接板的厚度：金属连接板（上金属连接板和下金属连接板）为厚度500-1000μm的薄金属功能板。

（3）本发明还优化了金属连接板的结构。如图2-9所示：

同一金属连接板的阳极侧面、阴极侧面均为由多个凸台8形成的矩形方阵结构，同一侧面的凸台为球状凸台、正方体凸台、柱状凸台、梯形立方体凸台中的一种；相邻凸台之间形成凹槽，凹槽可以供空气、燃料流通。

为了使空气、燃料能够自由进入各电池单元，同一金属连接板的四周设有空气入口9、空气出口10、燃料入口11、燃料出口12，且空气入口9、空气出口相对10、燃料入口11、燃料出口12相对；阳极侧面的矩形方阵通过凹槽与空气入口9、空气出口10联通；阴极侧面的矩形方阵通过凹槽与燃料入口11、燃料出口12联通；同一金属连接板的空气入口9、空气出口10的连线与燃料入口11、燃料出口12的连线相互垂直。

同一金属连接板的两个侧面的凸台形状可以相同或者不相同；同一电池单元的上金属连接板1、下金属连接板7的凸台形状相同或者不相同，只要保证能够形成符合要求的空气、燃料通道即可。

除了上面三点之外，还可以对金属网进行结构优化，将阴极侧金属网、阳极侧金属网优选为波浪状结构，从而提高金属网的柔性，并保证空气通道、燃料通道的畅通。

实施例2

本实施例将基于实施例1所提供的一种不对称平板型结构高温固态燃料电池的电堆结构，提供一系列的理论计算和测试数据。

图10为展向尺寸为30mm*38mm的单独的平板SOFC电池4随着的支撑电极（阳极）厚度的变化，在一次还原氧化后的最大位移曲线。该图说明当支撑电极足够厚时，单纯电池自身已足以抵抗还原氧化过程所带来的弯曲变形。

图11至图17展示了基于本发明的计算结果。

其中图11为仿真计算一次还原氧化后电池最大总位移随展向特征尺寸L_x与阳极厚度h1变化云图，根据该结果，筛选最大总位移不超过1mm区域的尺寸结果，如图12所示。由该图结果可以确定针对不同展向尺寸平板型SOFC能使一次还原氧化后最大变形不超过1mm的支撑阳极最低厚度尺寸。同时于图13对应表示应力云图。由仿真结果可得结论：对于平板型燃料电池，只要选取阳极厚度足够的电池结构，则电池本身材料结构已足以很大程度上抵抗还原氧化变形。

图14与图15具体展示了电池展向尺寸为120mm*120mm时金属连接板-电池三明治结构在一次还原氧化后变形情况随阳极厚度h1的关系。二图分别说明了随着阳极厚度的适当增加，电池抵抗还原氧化变形的能力的加强。具体表现为当阳极厚度增大时，电堆单元总体最大位移逐渐减小并趋于平稳，并且，模量较高的金属连接板的最大位移值显著小于电池最大位移值；而过程中电堆单元的应力水平始终维持在一个相对较低水平，并且金属连接板最大应力显著小于电池最大应力。

作为补充说明，图16及图17给出了金属连接板厚度对还原氧化变形的影响。二图说明相同条件下，金属连接板厚度hc对变形的影响轻微，hc与最大总位移呈轻度正相关，hc与最大应力几乎无关。

基于实施例2的理论支撑和测试数据表明，

（1）本发明通过改变阳极支撑层的结构尺寸，在保留原有固态结构功能属性的前提下，可以显著提高了原有结构的抗高温热失配变形、抗机械载荷能力及抗氧化还原能力，提高了电堆寿命。

（2）同时在保证了阳极支撑层的厚度足以满足上述抗高温热失配变形、抗机械载荷能力及抗氧化还原能力的前提下，降低了金属连接板的厚度并对金属连接板的结构进行优化，金属连接板用料的减少将节约电堆单元件的质量和材料消耗，从而提高了材料利用率及电堆能量密度，减轻了电堆单元重量，得到了优化、轻质化的电堆结构。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种不对称平板型结构高温固态燃料电池的电堆结构，包括多个堆叠并串联的电池单元，其特征在于，每个电池单元分别包括：上金属连接板、上密封玻璃、阴极侧金属网、平板SOFC电池、阳极侧金属网、下密封玻璃和下金属连接板，其中，上密封玻璃、下密封玻璃均为中空结构，阴极侧金属网、阳极侧金属网分别嵌合在上密封玻璃、下密封玻璃内；上金属连接板与平板SOFC电池通过上密封玻璃紧密贴合，下金属连接板与平板SOFC电池通过下密封玻璃紧密贴合；相邻的两个电池单元共用同一金属连接板：上一个电池单元的下金属连接板为下一个电池单元的上金属连接板；平板SOFC电池为厚度1000-8300μm的全电池，其中阳极支撑体厚度为1000-8000μm，活性阳极厚度为5-100μm，电解质厚度为5-80μm，阴极厚度10-150μm；金属连接板为厚度500-1000μm的薄金属功能板。

2.根据权利要求1所述的不对称平板型结构高温固态燃料电池的电堆结构，其特征在于，各金属连接板均包括两个侧面：朝向平板SOFC电池的阳极的阳极侧面、朝向平板SOFC电池的阴极的阴极侧面；同一电池单元中，上金属连接板的阴极侧面与阴极侧金属网之间形成空气通道，下金属连接板的阳极侧面与阳极侧金属网之间形成燃料通道。

3.根据权利要求2所述的不对称平板型结构高温固态燃料电池的电堆结构，其特征在于，同一金属连接板的阳极侧面、阴极侧面均为由多个凸台形成的矩形方阵结构，相邻凸台之间形成凹槽；同一金属连接板的四周设有空气入口、空气出口、燃料入口、燃料出口，且空气入口、空气出口相对、燃料入口、燃料出口相对；阳极侧面的矩形方阵与空气入口、空气出口联通；阴极侧面的矩形方阵与燃料入口、燃料出口联通。

4.根据权利要求3所述的不对称平板型结构高温固态燃料电池的电堆结构，其特征在于，同一金属连接板的空气入口、空气出口的连线与燃料入口、燃料出口的连线相互垂直。

5.根据权利要求3所述的不对称平板型结构高温固态燃料电池的电堆结构，其特征在于，同一侧面的凸台为立方体凸台、立式圆柱体凸台、卧式圆柱体凸台、棱柱凸台中的一种；同一金属连接板的两个侧面的凸台形状相同或者不相同。

6.根据权利要求3-5任一项所述的不对称平板型结构高温固态燃料电池的电堆结构，其特征在于，同一电池单元的上金属连接板、下金属连接板的凸台形状相同或者不相同。

7.根据权利要求1所述的不对称平板型结构高温固态燃料电池的电堆结构，其特征在于，阴极侧金属网、阳极侧金属网为波浪状结构。