CN110854408A - 一种降低燃料电池泄漏率的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种降低燃料电池泄漏率的方法及装置，所述方法为：a、利用钣金件和密封层堆叠形成密封件；b、减小钣金件和密封层的接触面积增加密封件的面压。所述装置包括两层以上交叉堆叠的钣金件、一层以上密封材料，所述钣金件中至少有一层为高压钣金件；所述高压钣金件具有方向相反的第一面、第二面，所述第一面和/或第二面设有多层嵌套排列的凸环，所述钣金件和密封材料分别交错排列的设有第一通孔、第二通孔，高压钣金件的第一通孔外部封闭性的设有至少一层凸环；本装置在钣金件和电池片间压力不变的条件下，使钣金件作用于密封材料的压强大幅提升，降低燃料电池的泄漏率，提高燃料电池的使用效率和寿命。

Description

一种降低燃料电池泄漏率的方法和装置
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种降低燃料电池泄漏率的方法和装置。
背景技术
为确保平板式固态燃料电池在高温条件下正常工作，以阻隔阳极一侧的燃料气(氢气或碳氢化合物)和阴极一侧的氧化气体(空气)，平板式SOFC密封材料需要在650-850℃、氧化或还原气氛中工作，静态工作寿命要求高于40000h以及承受几百次的热循环，在交通运输中的工作寿命不低于5000h，所以密封材料要有足够的机械强度来满足由于热循环(启动和关闭)以及气体流动和电化学反应产生的温度梯度引起的热应力，对于密封材料的开发形成了巨大的挑战，成为制约平板式SOFC发展的技术瓶颈。
密封材料包括刚性密封和压缩密封，压缩密封材料不需要紧密地固定(或粘合)到另一SOFC组件，因此对于压缩密封材料的CTE匹配要求不高。压缩式密封材料跟SOFC其他组件固定后需要通过施加压力而达到气体密封的效果目前应用在高温燃料电池堆的密封材料主要使用云母、蛭石、滑石和石英等无机材料。这类密封材料的密封性能和密封面的压强(简称面压)有很强的关联性，如某种密封材料的泄漏率随面压变化，如图1，可以明显看到，随着面压的降低，密封材料的泄漏率直线升高。
如图2，目前高温燃料电池采用堆叠结构，即两层钣金件夹一层密封材料，利用钣金件和密封材料之间的紧密接触来实现密封，如图3，在通过钣金件和密封材料截面的开孔的交错结构实现燃料气和空气在电池片两侧接触，而不直接混合,目前钣金件和密封材料间是面接触，而受钣金件和电池片强度限制，电池堆承受的面压不能太高，一般在0.05-1MPa之间。这严重影响了密封性能，使电池性能和寿命大幅度下降。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种降低燃料电池泄漏率的方法和装置，在钣金件和电池片间压力不变的条件下，使钣金件作用于密封材料的压强大幅提升，从而提高密封性能，降低燃料电池的泄漏率，提高燃料电池的使用效率和寿命。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种降低燃料电池泄漏率的方法，包括：
a、利用钣金件和密封层堆叠形成密封件；
b、减小钣金件和密封层的接触面积增加密封件的面压。
通过这种原理，可以在不改变旧有材料、旧有钣金件压力的条件下，增加密封件所受到的压力，降低燃料电池的泄漏率。
一种降低燃料电池泄露率的结构，包括两层以上钣金件、一层以上密封材料，所述钣金件和密封材料交叉堆叠组装；
所述钣金件中至少有一层为高压钣金件；所述高压钣金件具有方向相反的第一面、第二面，所述第一面和/或第二面与密封材料面接触；所述第一面和/或第二面设有多层嵌套排列的凸环，即高压钣金件和密封材料通过凸环实现接触和压紧，通过减小接触面积的原理增加密封材料受到的面压，防止材料泄漏。
所述钣金件和密封材料分别设有第一通孔、第二通孔，第一通孔和通孔是气体通道，实现燃料气和空气在电池片两侧的接触；当钣金件和密封材料组装时，第一通孔和第二通孔呈交错排列，防止气体直接混合；高压钣金件的第一通孔外部封闭性的设有至少一层凸环，防止气体泄漏。
优选地，所述高压钣金件任一面的凸环的数量为1-20个，间隔为0-50mm，高度为0.06-0.25mm这种条件下，能够保证气体不会从凸环的侧面泄漏同时高压钣金件和密封材料比较小,当间隔为0时，多个凸环连成一体，可认为是加厚版的凸环。
优选地，所述凸环的纵截面形状包括方形、圆形、三角形、梯形，以及其他合适的形状。
优选地，所述密封材料包括云母、蛭石、滑石和石英，以及能够实现密封的其他材料。
优选地，所述密封材料包括依次粘结的第一封装层、云母层、第二封装层，所述第一封装层、第二封装层的组成为：50-60％wt的玻璃基体和40-50％wt的陶瓷纤维，利用封装层可以良好的改善云母层间产生的气流溢出通道，增强密封性能，在较高的面压下，封装层的玻璃基也会向云母内部浸润，起到更好的封闭作用。
更优选地，所述玻璃基体包括50％wtBaO、15％wtSiO2、12％wtZrO2、15％wtGeO2、8％wtAl2O3，所述陶瓷纤维为氮化硼陶瓷纤维，这样的设计下，封装层可以兼具和玻璃流动性，同时软化点也与密封环境所需要的相匹配。
优选地，所述高压钣金件仅有一面具有凸环，所述凸环的个数为3，不同凸环的环间距为2mm，高度0.08mm。
优选地，所述高压钣金件的第一面和第二面均具有凸环，所述凸环的个数为5，不同凸环的环间距为1mm，高度0.06mm。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)通过增加密封件的面压增强了密封效果，充分利用密封件，降低了燃料电池的泄漏率；(2)在不改变钣金件受到压力的情况下，通过设置凸环降低了钣金件和密封件的接触面积，即可密封件受到的面压，结构简单，效果显著；(3)多层凸环保证了气流通道中的气体不会外泄，本装置可以通用性的使用在不同规格、种类的燃料电池中，成本非常低而收效显著，可以解决固体燃料电池的重要技术瓶颈；(4)利用陶瓷纤维掺杂的玻璃复合材料夹层云母构成密封材料，避免了云母层间的漏气通道，增加了密封性。
附图说明
图1为某SOFC密封材料泄漏率曲线；
图2为现有技术中钣金件和密封材料堆叠图；
图3为现有技术中钣金件和密封材料之间的通孔图；
图4为本发明实施例1的结构示意图；
图5为本发明实施例1中钣金件和密封材料之间的通孔图；
图6为本发明实施例2的结构示意图；
图7为本发明实施例3的结构示意图；
图8为本发明实施例4的结构示意图；
图9为本发明不同形状凸环的示意图；
图中，1-高压钣金件、11-第一面、12-第二面、13-凸环、14-第一通孔、2-密封材料、21-第二通孔。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种降低燃料电池泄漏率的方法，包括：
a、利用钣金件和密封层堆叠形成密封件；
b、减小钣金件和密封层的接触面积增加密封件的面压，主要是通过设置凸齿13减少接触面积，凸齿的竖截面形状可以有多种，见图4，
通过这种原理，可以在不改变旧有材料、旧有钣金件压力的条件下，增加密封件所受到的压力，降低燃料电池的泄漏率。
实施例1:
如图4-5，采用三层钣金件和两层密封材料2交错构成密封结构，密封材料采用VM880蛭石基密封材料，三层钣金件均为具有单面凸环13的结构高压钣金件1，其中，通孔11外侧的凸环13个数为3(如图5，所述凸环个数是指的针对每一通孔11的个数，而非是凸环组的个数)，间距为2mm，凸环13的高度为0.08mm，竖截面形状为三角形；
性能检测：800℃工况下，整个电池堆面压为0.3MPa时，泄漏率为1.2ml·min-1·m-1，使用普通钣金件时泄漏率为35ml·min-1·m-1，效果提高了30倍。
实施例2：
如图6，在另一实施例中，采用三层钣金件和四层密封材料2交错构成密封结构，密封材料采用VM880蛭石基密封材料，钣金件中有一层为平滑型普通钣金件且设置在整个密封结构的最中间，其余两层采用具有双面凸环13的结构高压钣金件1，其中，通孔11外侧的凸环13个数为5，间距为1mm，凸环13的高度为0.06mm，竖截面形状为三角形；
性能检测：750℃工况下，整个电池堆面压为0.5MPa时，泄漏率为1.1ml·min-1·m-1,使用普通钣金件时泄漏率为28ml·min-1·m-1，效果提高了近30倍。
实施例3：
如图7，采用三层钣金件和两层密封材料2交错构成密封结构，其两侧的钣金件采用具有单面凸环13的结构高压钣金件1，中间层的钣金件采用具有双面凸环13的结构高压钣金件1，其中，通孔11外侧的凸环13个数为8，间距为:1.5mm，凸环13的高度为0.05mm，竖截面形状为矩形；其中，密封材料2采用第一封装层-云母层-第二封装层结构的复合材料，其中云母层采用白云母，第一、第二封装层采用50％wt的玻璃基体和50％wt的氮化硼陶瓷纤维构成，所述玻璃基体的成分为：50％wtBaO、15％wtSiO2、12％wtZrO2、15％wtGeO2、8％wtAl2O3；
性能检测：1000℃工况下，整个电池堆面压为0.3MPa时，泄漏率为0.76ml·min-1·m-1,使用普通钣金件时泄漏率为40ml·min-1·m-1，效果提高了近40倍。
实施例4：
如图8，采用三层钣金件和两层密封材料2交错构成密封结构，最外侧的钣金件采用具有光滑性钣金件，中间层的钣金件采用具有双面凸环13的结构高压钣金件1，其中，通孔11外侧的凸环13个数为8，间距为:1.5mm，凸环13的高度为0.05mm，竖截面形状为矩形；其中，密封材料采用第一封装层-云母层-第二封装层结构的复合材料，其中云母层采用白云母，第一、第二封装层采用50％wt的玻璃基体和50％wt的氮化硼陶瓷纤维构成，所述玻璃基体的成分为：50％wtBaO、15％wtSiO2、12％wtZrO2、15％wtGeO2、8％wtAl2O3；
性能检测：1000℃工况下，整个电池堆面压为0.5MPa时，泄漏率为0.62ml·min-1·m-1,使用普通钣金件时泄漏率为32ml·min-1·m-1，效果提高了近50倍。
实施例5：
实施例5与实施例1的不同之处在于，凸环13的竖截面形状为梯形。
性能检测：800℃工况下，整个电池堆面压为0.3MPa时，泄漏率为1.86ml·min-1·m-1，使用普通钣金件时泄漏率为35ml·min-1·m-1，效果提高了15倍。
实施例6：
实施例6与实施例1的不同之处在于，凸环13的竖截面形状为半圆型。
性能检测：800℃工况下，整个电池堆面压为0.3MPa时，泄漏率为1.59ml·min-1·m-1，使用普通钣金件时泄漏率为35ml·min-1·m-1，效果提高了25倍。
实施例7：
实施例7与实施例1的不同之处在于，凸环13的高度为0.12mm。
性能检测：800℃工况下，整个电池堆面压为0.3MPa时，泄漏率为1.12ml·min-1·m-1，使用普通钣金件时泄漏率为35ml·min-1·m-1，效果提高了35倍。
实施例8：
实施例8与实施例1的不同之处在于，凸环13的高度为0.25mm。
性能检测：800℃工况下，整个电池堆面压为0.3MPa时，泄漏率为1.46ml·min-1·m-1，使用普通钣金件时泄漏率为35ml·min-1·m-1，效果提高了30倍。

Claims (9)

1.一种降低燃料电池泄漏率的方法，其特征在于：包括，
a、利用钣金件和密封材料(2)堆叠形成密封件；
b、减小钣金件和密封层的接触面积增加密封件的面压。
2.一种实现权利要求1所述的降低燃料电池泄漏率方法的装置，其特征在于：包括两层以上钣金件、一层以上密封材料(2)，所述钣金件和密封材料(2)交叉堆叠组装；
所述钣金件中至少有一层为高压钣金件(1)；所述高压钣金件(1)具有方向相反的第一面(11)、第二面(12)，所述第一面(11)和/或第二面(12)与密封材料(2)面接触；所述第一面(11)和/或第二面(12)设有多层嵌套排列的凸环(13)，
所述钣金件和密封材料(2)分别设有第一通孔(14)、第二通孔(21)，当钣金件和密封材料(2)组装时，第一通孔(14)和第二通孔(21)呈交错排列；高压钣金件(1)的第一通孔(14)外部封闭性的设有至少一层凸环(13)。
3.根据权利要求2所述的降低燃料电池泄露率的装置，其特征在于：所述高压钣金件(1)任一面的凸环(13)的数量为1-20个，间隔为0-50mm，高度为0.06-0.25mm。
4.根据权利要求2所述的降低燃料电池泄露率的装置，其特征在于：所述凸环(13)的纵截面形状包括方形、圆形、三角形、梯形。
5.根据权利要求2所述的降低燃料电池泄露率的装置，其特征在于：所述密封材料(2)包括云母、蛭石、滑石和石英。
6.根据权利要求2所述的降低燃料电池泄漏率的装置，其特征在于:所述密封材料(2)包括依次粘结的第一封装层、云母层、第二封装层，所述第一封装层、第二封装层的组成为：50-60％wt的玻璃基体和40-50％wt的陶瓷纤维。
7.根据权利要求7所述的降低燃料电池泄漏率的装置，其特征在于:所述玻璃基体包括50％wtBaO、15％wtSiO2、12％wtZrO2、15％wtGeO2、8％wtAl2O3，所述陶瓷纤维为氮化硼陶瓷纤维。
8.根据权利要求2所述的降低燃料电池泄露率的装置，其特征在于：所述高压钣金件(1)仅有一面具有凸环(13)，所述凸环(13)的个数为3，不同凸环(13)的环间距为2mm，高度0.08mm。
9.根据权利要求2所述的降低燃料电池泄露率的装置，其特征在于：所述高压钣金件(1)的第一面(11)和第二面(12)均具有凸环(13)，所述凸环(13)的个数为5，不同凸环(13)的环间距为1mm，高度为0.06mm。
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