CN112139622A - 一种基于对称双阴极结构固体氧化物燃料电池电芯的阳极密封方法 - Google Patents

一种基于对称双阴极结构固体氧化物燃料电池电芯的阳极密封方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于对称双阴极结构固体氧化物燃料电池电芯的阳极密封方法。该方法采用钎焊将阳极层材料与阳极金属电极焊接密封在一起，密封性好，结构强度高，能够确保氧化气在电池内部无泄漏，提高燃料气的利用率和系统安全性；另外，钎缝具有导电性，因此无需引入其它电子集流的原件或集流方法。

Description

一种基于对称双阴极结构固体氧化物燃料电池电芯的阳极密 封方法
技术领域
本发明涉及固体氧化物燃料电池技术领域，具体涉及一种基于对称双阴极结构固体氧化物燃料电池电芯的阳极密封方法。
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。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。
SOFC的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放电回路，产生电能与热能。
专利文献CN 106033819A公开了一种以支撑电极层为中心的上下对称分布型电池结构，并且支撑电极层内部具有中空通道(或孔洞)，燃料气体与氧化剂气体分别自中空通道(或孔洞)以及平板上下两侧通入，通过电解质与电极形成氧化气体离子传导和外部电路的电子传导，形成放电回路。该结构有利于在电池烧结过程中保持电池的平整性；同时由于发生电化学反应的三相界面位于支撑电极层的上下两侧，因此产生的热应力得到有效抵消，可大幅度减小了热应力，降低电解质与电极受到损伤，从而能够有效保护电池在高温以及冷热循环等恶劣条件下的运行；另外，传统电池结构单元的厚度为400～1000μm，该中空上下分布的电极支撑型结构的厚度可增大到传统结构的10倍以上，因此具有较高的机械强度，并且易于制备大面积电池，可开展二次加工。
当阳极层为支撑层时构成上下对称双阴极结构固体氧化物燃料电池，此时，空气中的氧气经阴极在高温下发生电化学反应生成氧离子，经过氧离子导体电解质，和多空阳极中的氢离子发生电化学反应生成水，氢离子来自中空通道中的燃料气。电子则通过阴极金属电极(即，连接阴极层的金属电极)、外电路负载，以及阳极金属电极(即，连接阳极层的金属电极)产生电效能。
在实际应用中，需要将SOFC基本结构与金属或陶瓷等连接件部件组合成SOFC电芯，再进一步串并联成大功率电堆给用电设备供电。SOFC电芯中，需要将阳极金属电极与阳极层进行阳极密封，阴极金属电极与阴极层进行阴极密封，以确保燃料气在SOFC内部无泄漏，从而提高燃料气的利用率与系统的安全性。
现有的SOFC电芯中，阳极密封采用粘结技术进行表面密封，存在粘结强度不高，气密性、可靠度以及结构强度均较低的问题，容易在后续的如电池集成等工序中遭到破坏。
发明内容
针对上述技术现状，本发明提供一种基于对称双阴极结构固体氧化物燃料电池电芯的阳极密封方法，其特征是：采用钎焊将阳极层材料与阳极金属电极焊接密封在一起。
所述的阳极层材料不限，包括NiO、Ni-YSZ、LSM-YSZ、LSCF-YSZ或者Cu-CeO2等陶瓷材料。
所述的阳极金属电极具有导电性，其材料不限，包括不锈钢等。
钎焊中使用的钎料具有导电性，钎料不限，包括Ag、Cu等中的一种或者几种。
所述的钎焊过程具体法是：将阳极层与阳极金属电极预留焊缝地装配在一起；在焊缝里添加钎料后进行烧结，将阳极层与阳极金属电极焊接密封在一起。
所述钎焊的密封强度与钎料、阳极层材料以及阳极金属电极材料有关。在实际材料选择中，为了进一步提高密封强度，在钎焊过程中，可以首先对阳极层材料进行表面处理，使其表面覆盖一层表面涂层，然后将阳极层与阳极金属电极预留焊缝地装配在一起，在焊缝里添加钎料后进行焊接，将阳极层与阳极金属电极焊接密封在一起。所述涂层不限，可以是金属涂层，金属氧化物涂层等。
所述对称双阴极结构固体氧化物燃料电池以阳极为支撑层，呈上下分布结构，即，所述电池结构单元中，阳极层、电解质层以及阴极层沿厚度方向上下层叠，电解质层包括第一电解质层与第二电解质层，第一电解质层位于阳极层的上表面，第二电解质层位于阳极层的下表面；阴极层包括第一阴极层与第二阴极层，第一阴极层位于第一电解质层的上表面，第二阴极层位于第二电解质层的下表面；并且，阳极层设置用于燃料气体流通的中空通道。
与现有技术相比，本发明采用钎焊技术将阳极层材料与阳极金属电极焊接密封在一起，具有如下有益效果：
(1)钎焊是指低于焊件熔点的钎料和焊件同时加热到钎料熔化温度后，利用液态钎料填充固态焊件的缝隙使焊件连接的方法。本发明中，焊件为阳极层的陶瓷材料和金属，在钎焊过程中，钎料与阳极层材料和金属高温下互相浸润，形成分子力结合，大大提高结构强度与密封性，从而能够确保氧化气在电池内部无泄漏，提高燃料气的利用率；同时，当SOFC电芯集成为电堆，进而集成为系统时，钎焊具有一定的焊接强度，能够提高整个系统的结构强度和系统的安全性。
(2)现有采用粘结技术进行表面密封时，粘结剂一般不具有电导率，密封形成电芯后集成为电堆等结构时还需引入其它电子集流的原件或集流方法，导致成本高，结构复杂；本发明中一方面钎料具有良好的电子电导率，另一方面钎料与阳极层和阳极金属电极在焊接工作温度下有足够的浸润性可以提高电子电导率，因此钎焊密封形成电芯后集成为电堆等结构时无需引入其它电子集流的原件或集流方法，具有简单、高效的优点。
附图说明
图1中，上图是本发明实施例1中的固体氧化物燃料电池电芯的结构示意图，下图是其侧面视图。
图2是本发明实施例1中的固体氧化物燃料电池电芯的开路电压曲线图。
图3是本发明实施例1中的固体氧化物燃料电池电芯的放电图。
图1中的附图标记为：阳极层1、阳极金属电极2，焊缝3。
具体实施方式
下面结合实施例与附图对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
本实施例中，固体氧化物燃料电池呈对称双阴极结构，阳极层为支撑层，阳极层、电解质层以及阴极层沿厚度方向上下层叠，电解质层包括第一电解质层与第二电解质层，第一电解质层位于阳极的上表面，第二电解质层位于阳极的下表面；阴极层包括第一阴极层与第二阴极层，第一阴极层位于第一电解质层的上表面，第二阴极层位于第二电解质层的下表面。阳极层设置用于燃料气体流通的通道，该通道包括通道入口与通道出口。
上述固体氧化物燃料电池与金属或陶瓷等连接件部件组合成SOFC电芯。在SOFC电芯中，将阳极金属电极与阳极层进行阳极密封，阴极金属电极与阴极层进行阴极密封，以确保燃料气在电池内部无泄漏，从而提高燃料气的利用率与系统的安全性。
本实施例中，如图1所示，阳极层1为NiO陶瓷，阳极金属电极2为430/310s不锈钢，采用钎焊将阳极层与阳极金属电极焊接密封在一起，钎料为Cu。
钎焊过程具体法是：如图1所示，将阳极层与阳极金属电极预留焊缝3地装配在一起；在焊缝里添加钎料后在900摄氏度环境下进行烧结，将阳极层与阳极金属电极焊接密封在一起。
将密封后的电池电芯在电炉里升温至800℃左右，连接金属电极到电子负载上，通入燃料气如氢气，测量电芯的开路电压，如图2所示，开路电压达到1v以上，说明密封达到预期效果。
密封后的电池电芯的开路电压测量完毕后，继续通入一定量的空气，接通电子负载使电路处于通路状态，测量电芯的I-V曲线即功率，如图3所示，得到0.65V时，电流23.49A，即功率13.65w，说明该密封材料兼备集流功能并达到了预期效果。
以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于对称双阴极结构固体氧化物燃料电池电芯的阳极密封方法，其特征是：采用钎焊将阳极层材料与阳极金属电极焊接密封在一起。
2.如权利要求1所述的基于对称双阴极结构固体氧化物燃料电池电芯的阳极密封方法，其特征是：阳极层材料包括NiO陶瓷、Ni-YSZ陶瓷、LSM-YSZ陶瓷、LSCF-YSZ陶瓷、Cu-CeO2陶瓷中的一种或者几种。
3.如权利要求1所述的基于对称双阴极结构固体氧化物燃料电池电芯的阳极密封方法，其特征是：所述的阳极金属电极材料包括不锈钢。
4.如权利要求1所述的基于对称双阴极结构固体氧化物燃料电池电芯的阳极密封方法，其特征是：钎焊中使用的钎料包括Ag、Cu中的一种或者两种。
5.如权利要求1所述的基于对称双阴极结构固体氧化物燃料电池电芯的阳极密封方法，其特征是：所述的钎焊过程具体是：将阳极层与阳极金属电极预留焊缝地装配在一起；在焊缝里添加钎料后进行焊接，将阳极层与阳极金属电极焊接密封在一起。
6.如权利要求5所述的基于对称双阴极结构固体氧化物燃料电池电芯的阳极密封方法，其特征是：首先对阳极层进行表面处理，然后进行所述的钎焊过程。
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Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19841919A1 (de) * 1998-09-12 2000-03-23 Forschungszentrum Juelich Gmbh Brennstoffzellen-Modul und Verfahren zu dessen Herstellung
JP2004039574A (ja) * 2002-07-05 2004-02-05 Tokyo Gas Co Ltd 低温作動固体酸化物形燃料電池用シール材
US20070231660A1 (en) * 2006-04-04 2007-10-04 Korea Institute Of Energy Research Sealing element for anode-supported tubular solid oxide fuel cell and sealing method using the same
CN101764236A (zh) * 2010-01-12 2010-06-30 中国石油大学(华东) 平板型燃料电池柔性密封装置及其钎焊工艺
KR20100116256A (ko) * 2009-04-22 2010-11-01 주식회사 이노윌 미세금속을 이용하여 밀봉된 고체산화물 연료전지 결합체 및 그 밀봉방법
US20110287339A1 (en) * 2010-05-19 2011-11-24 Jun-Won Suh Fuel cell and method of manufacturing the same
CN102699561A (zh) * 2012-06-21 2012-10-03 上海交通大学 用于固体氧化物燃料电池封接的复合钎料及其钎焊工艺
CN105397336A (zh) * 2015-12-30 2016-03-16 哈尔滨工业大学 用于平板型固体氧化物燃料电池密封的复合钎料及其钎焊方法
CN109755622A (zh) * 2017-11-08 2019-05-14 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 一种中空对称的双阴极高温固态燃料电池堆

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19841919A1 (de) * 1998-09-12 2000-03-23 Forschungszentrum Juelich Gmbh Brennstoffzellen-Modul und Verfahren zu dessen Herstellung
JP2004039574A (ja) * 2002-07-05 2004-02-05 Tokyo Gas Co Ltd 低温作動固体酸化物形燃料電池用シール材
US20070231660A1 (en) * 2006-04-04 2007-10-04 Korea Institute Of Energy Research Sealing element for anode-supported tubular solid oxide fuel cell and sealing method using the same
KR20100116256A (ko) * 2009-04-22 2010-11-01 주식회사 이노윌 미세금속을 이용하여 밀봉된 고체산화물 연료전지 결합체 및 그 밀봉방법
CN101764236A (zh) * 2010-01-12 2010-06-30 中国石油大学(华东) 平板型燃料电池柔性密封装置及其钎焊工艺
US20110287339A1 (en) * 2010-05-19 2011-11-24 Jun-Won Suh Fuel cell and method of manufacturing the same
CN102699561A (zh) * 2012-06-21 2012-10-03 上海交通大学 用于固体氧化物燃料电池封接的复合钎料及其钎焊工艺
CN105397336A (zh) * 2015-12-30 2016-03-16 哈尔滨工业大学 用于平板型固体氧化物燃料电池密封的复合钎料及其钎焊方法
CN109755622A (zh) * 2017-11-08 2019-05-14 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 一种中空对称的双阴极高温固态燃料电池堆

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
师伟伟 谢斌: ""利用X光无损检测SOFC金属封接的实验研究"", 《中国科学技术大学学报》 *

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