CN110190210B - 一种便于边缘封接的固体氧化物燃料电池结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种便于边缘封接的固体氧化物燃料电池结构，由固体氧化物燃料电池片经封接材料封接而成，过渡膜层覆盖在固体氧化物燃料电池片的外围边缘，用于连接固体氧化物燃料电池片和封接材料；过渡膜层由里至外依次为内侧膜层、中间过渡层和外侧膜层；内侧膜层的材质与支撑体层的材质相同；外侧膜层的材质与封接材料相同；中间过渡层的材质由支撑体层的材质和封装材料组成，该过渡膜层既能与固体氧化物燃料电池片有良好的连接，又便于封接时候烧结，起到衔接固体氧化物燃料电池片与封接材料、改善固体氧化物燃料电池片边缘密封性能的效果，解决了固体氧化物燃料电池漏气串气的问题。
Description
技术领域
本发明涉及电池生产领域，具体地讲，涉及一种便于边缘封接的固体氧化物燃料电池结构，用于改善平板式固体氧化物燃料电池的边缘密封性能，减少因边缘漏气或串气带来的效率下降。
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转化成电能的全固态化学发电装置。固体氧化物燃料电池因其清洁、高效、无噪音等优点，日益受到人们的关注。
目前常见的固体氧化物燃料电池基本发电单元主要有管式和平板式两大类，相比较与较为成熟的管式固体氧化物燃料电池，平板式固体氧化物燃料电池因其功率密度大，加工成本比较低，成为很有前景的发展方向，然而由于电池片和封接材料物理特性不一致，平板式固体氧化物燃料电池片存在边缘密封困难，引起串气漏气的问题。一旦边缘出现漏气串气，气体将直接走边缘，而不经过预先的气路，将会使得电池片供气不足。漏气串气问题一直制约着平板式固体氧化物燃料电池的发展，尤其在多次启停的冷热循环中，这一问题会成倍显现，造成系统发电效率明显下降。申请号为2018100237689，申请日为2018.01.10的中国专利：用于固体氧化物燃料电池的低温封接结构及其封接方法，公开了一种不锈钢连接体和电池片的封接结构，但是工序繁琐、不简便，通用性差。
综上所述，目前还没有一种可靠性高、经济性好、简便实用的方法可以解决固体氧化物燃料电池边缘封接困难及由此带来的漏气串气的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述不足，而提供一种结构设计合理、可靠性强、经济性好、简便实用、边缘封接方便的固体氧化物燃料电池，该结构形式的固体氧化物燃料电池漏气串气问题得到有效解决。
本发明解决上述问题所采用的技术方案是：一种便于边缘封接的固体氧化物燃料电池结构，由固体氧化物燃料电池片经封接材料封接而成，所述固体氧化物燃料电池片的结构为层状结构，自上而下依次为阳极层、电解质层、阴极层和支撑体层，其特征在于：所述固体氧化物燃料电池结构还包括过渡膜层，所述过渡膜层覆盖在固体氧化物燃料电池片的外围边缘，用于连接固体氧化物燃料电池片和封接材料；所述过渡膜层由里至外依次为内侧膜层、中间过渡层和外侧膜层；所述内侧膜层的材质与支撑体层的材质相同；所述外侧膜层的材质与封接材料相同；所述中间过渡层的材质由支撑体层的材质和封装材料组成， 两种材质的占比由100%支撑体层的材质逐步过渡到100%封接材料，也就是说靠近某端的材料占比逐渐递增，例如中间过渡层紧挨内侧膜层处的材质为100%支撑体层的材质，随后，支撑体层的材质占比逐步减少，封接材料占比逐步增加，直至中间过渡层紧挨外侧膜层处的材质为100%封接材料。
优选的，本发明所述内侧膜层、中间过渡层和外侧膜层通过气相沉积方法沉积在固体氧化物燃料电池片的外围边缘。气相沉积可采用物理气相沉积，也可采用化学气相沉积，具体根据固体氧化物燃料电池片的成分而定。固体氧化物燃料电池片边缘的处理方式，也因不同沉积方式而不同，如采用真空状态下的物理气相沉积，可先用高能粒子轰击，去掉边缘层后再沉积成膜；如果采用化学气相沉积，可选择合适的清洗剂进行清除，也可事先用激光切割等手段去除掉边缘，再进行清洗。
优选的，本发明所述封接材料采用硅酸盐类，例如可选用改性硼硅酸盐或铝硅酸盐。
优选的，本发明所述中间过渡层的厚度为10微米~90微米，内侧膜层和外侧膜层的厚度均为1微米~9微米。
优选的，本发明所述固体氧化物燃料电池片的外围侧面刮有锯齿状或者金字塔状凸起，能提高过渡膜层和固体氧化物燃料电池片材料的结合。
本发明中的过渡膜层既能与固体氧化物燃料电池片有良好的连接，又便于封接时候烧结，起到衔接固体氧化物燃料电池片与封接材料、改善固体氧化物燃料电池片边缘密封性能的效果。在固体氧化物燃料电池片常规生产流程中，完成固体氧化物燃料电池片制造工序后，需增加几道工序，具体工序为：先将若干片固体氧化物燃料电池片层叠起来，对固体氧化物燃料电池片边缘进行处理，去除固体氧化物燃料电池片边缘疏松的材质，然后通过气相沉积的方法在固体氧化物燃料电池片边缘上分别沉积内侧膜层、中间过渡层、外侧膜层三层薄膜。中间过渡层沉积过程中反应材料的占比逐渐变化，从最初的100%外支撑体材料逐步过渡到100%封接材料，内侧膜层和外侧膜层也需要沉积一定厚度，确保可与两端材料衔接。
本发明中，固体氧化物燃料电池片可按照所设计的发电模块进行多片层叠，再进行新工序处理，处理完后可整个模块直接利用，无需再拆成每一片电池片；如果固体氧化物燃料电池片无外支撑体，而是采用阴极层、阳极层或电解质层作为支撑层，则内侧膜层与电池片实际的支撑层一致。
本发明中，过渡膜层的材质不一定采用支撑体层和封接材料的材质，也可采用与支撑体层附着性好的材料做为内侧膜层的材料、采用便于与封接材料烧结的其他材料做外侧膜层的材料。此外，还需综合考虑材料使用气相沉积工艺的可靠性、沉积速度和成本等因素。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：本发明通过在固体氧化物燃料电池片边缘形成过渡膜层，增加了电池片与封接材料的附着性，有利于后续的烧结，提高平板式固体氧化物燃料电池边缘的气密性，防止电池堆漏气或串气的发生，这对于延长燃料电池堆寿命，减少功率和效率衰减有着积极的意义，极大提高了平板式固体氧化物燃料电池的经济性，为其商业化大发展提供了重要支持。
附图说明
图1是本发明实施例中固体氧化物燃料电池片的结构示意图。
图中：1—阴极层 ；2—电解质层 ；3—阳极层 ；4—支撑体层 ；5—内侧膜层；6—中间过渡层；7—外侧膜层。
具体实施方式
下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
参见图1。
本实施例为一种便于边缘封接的固体氧化物燃料电池结构，由固体氧化物燃料电池片经封接材料封接而成，固体氧化物燃料电池片的结构为层状结构，自上而下依次为阳极层3、电解质层2、阴极层1和支撑体层4，固体氧化物燃料电池结构还包括过渡膜层，过渡膜层覆盖在固体氧化物燃料电池片的外围边缘，用于连接固体氧化物燃料电池片和封接材料。
本实施例中，过渡膜层由里至外依次为内侧膜层5、中间过渡层6和外侧膜层7。内侧膜层5的材质与支撑体层4的材质相同；外侧膜层7的材质与封接材料相同；中间过渡层6的材质由支撑体层4的材质和封装材料组成， 两种材质的占比由100%支撑体层4的材质逐步过渡到100%封接材料，也就是说靠近某端的材料占比逐渐递增，例如中间过渡层6紧挨内侧膜层5处的材质为100%支撑体层4的材质，随后，支撑体层4的材质占比逐步减少，封接材料占比逐步增加，直至中间过渡层6紧挨外侧膜层7处的材质为100%封接材料。这种过渡膜层既与固体氧化物燃料电池片有良好的连接，又便于封接时候烧结，起到衔接固体氧化物燃料电池片与封接材料，改善固体氧化物燃料电池片边缘密封性能的效果。
本实施例中，在电池片常规生产流程中，完成固体氧化物燃料电池片制造工序后，增加几道工序，具体工序为：先将若干片固体氧化物燃料电池片层叠起来，对固体氧化物燃料电池片边缘进行处理，去除固体氧化物燃料电池片边缘疏松的材质，然后通过气相沉积的方法在固体氧化物燃料电池片边缘上分别沉积内侧膜层5、中间过渡层6、外侧膜层7三层薄膜。中间过渡层6沉积过程中反应材料的占比逐渐变化，从最初的100%外支撑体材料逐步过渡到100%封接材料，内侧膜层5和外侧膜层6也需要沉积一定厚度，确保可与两端材料衔接。
本实施例中，中间过渡层6、内侧膜层5和外侧膜层7的厚度根据实际材料而定，中间过渡层6建议在10微米级别，其厚度范围为10微米~90微米；内侧膜层5和外侧膜层7建议在微米级别。其厚度均为1微米~9微米。
本实施例中，内侧膜层5、中间过渡层6和外侧膜层7通过气相沉积方法沉积在固体氧化物燃料电池片的外围边缘。气相沉积可采用物理气相沉积，也可采用化学气相沉积，具体根据固体氧化物燃料电池片的成分而定。固体氧化物燃料电池片边缘的处理方式，也因不同沉积方式而不同，如采用真空状态下的物理气相沉积，可先用高能粒子轰击，去掉边缘层后再沉积成膜；如果采用化学气相沉积，可选择合适的清洗剂进行清除，也可事先用激光切割等手段去除掉边缘，再进行清洗。
本实施例中，封接材料采用硅酸盐类，例如可选用改性硼硅酸盐或铝硅酸盐。固体氧化物燃料电池片的外围侧面可刮有锯齿状或者金字塔状凸起，能提高过渡膜层和固体氧化物燃料电池片材料的结合。
本实施例中，固体氧化物燃料电池片可按照所设计的发电模块进行多片层叠，再进行新工序处理，处理完后可整个模块直接利用，无需再拆成每一片电池片；如果固体氧化物燃料电池片无外支撑体，而是采用阴极层、阳极层或电解质层作为支撑层，则内侧膜层与电池片实际的支撑层一致。
本发明中，过渡膜层的材质也可采用与支撑体层附着性好的材料做为内侧膜层的材料、采用便于与封接材料烧结的其他材料做外侧膜层的材料。此外，还需综合考虑材料使用气相沉积工艺的可靠性、沉积速度和成本等因素。
本说明书中所描述的具体实施例，其零部件的形状、所取名称等可以不同，本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例说明。凡依据本发明专利构思构造、特征及原理所做的等效变化或者简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种便于边缘封接的固体氧化物燃料电池结构，由固体氧化物燃料电池片经封接材料封接而成，所述固体氧化物燃料电池片的结构为层状结构，自上而下依次为阳极层（3）、电解质层（2）、阴极层（1）和支撑体层（4），其特征在于：所述固体氧化物燃料电池结构还包括过渡膜层，所述过渡膜层覆盖在固体氧化物燃料电池片的外围边缘，用于连接固体氧化物燃料电池片和封接材料；所述过渡膜层由里至外依次为内侧膜层（5）、中间过渡层（6）和外侧膜层（7）；所述内侧膜层（5）的材质与支撑体层（4）的材质相同；所述外侧膜层（7）的材质与封接材料相同；所述中间过渡层（6）的材质由支撑体层（4）的材质和封装材料组成，两种材质的占比由100%支撑体层（4）的材质逐步过渡到100%封接材料；
所述内侧膜层（5）、中间过渡层（6）和外侧膜层（7）通过气相沉积方法沉积在固体氧化物燃料电池片的外围边缘；所述封接材料采用硅酸盐类；所述固体氧化物燃料电池片的外围侧面刮有锯齿状或者金字塔状凸起。
2.根据权利要求1所述的便于边缘封接的固体氧化物燃料电池结构，其特征在于：所述中间过渡层（6）的厚度为10微米~90微米。
3.根据权利要求1所述的便于边缘封接的固体氧化物燃料电池结构，其特征在于：所述内侧膜层（5）和外侧膜层（7）的厚度均为1微米~9微米。
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