CN112151829A - 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烧结密封方法 - Google Patents

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烧结密封方法。该方法将阳极金属连接件设计为阳极层的端盖与压盖形状，二者互相连接形成带有中空腔体的密封部件，可实现对阳极端部的密封，在密封过程中将密封材料置于中空腔，在紧固件的作用下，能够对密封材料施加外部压力，然后烧结固化密封材料。该方法简单，粘结强度高，密封效果好，可以提高电池电芯的可靠性和安全性。

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烧 结密封方法

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烧结密封方法。

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。

平板式结构是目前固体氧化物燃料电池的一种技术成熟应用的结构。相对于传统的由电解质、阳极与阴极构成的平板式结构，专利文献CN 106033819A公开了一种特殊的平板式结构，如图1所示，是以支撑电极层为中心的上下对称分布结构，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。结构密封是SOFC电芯的工序之一。对于传统的平板式结构，一般是将密封材料例如玻璃粉制成浆料后均匀涂敷在电池四周，然后通过施加压力将金属连接件和电池连接在一起，从而实现密封和电子收集的目的。所施加的压力一方面要保证金属连接件和电池密封连接在一起，另一方面还要兼顾电池与金属连接件的结合以使其具有相当的电子收集效率。但是，传统的平板式SOFC电池通常只有400微米左右的厚度，电池强度较小，所施加的压力不能太大，以免电池容易破裂，但是较小的压力又不能保证电子收集效率，因此，所施加的压力很难同时兼顾密封与电子收集目的。因此，对密封结构的设计和密封材料的质量提出了更高的要求。

对于对称双阴极结构固体氧化物燃料电池电芯，结构密封包括将阳极金属连接件与阳极层进行阳极密封，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。如果将大量的密封浆料涂敷在电池和阳极金属连接件之间，仅通过烧结将金属连接件与电池粘粘结在一起以实现密封目的，存在密封材料裸漏在空气中，粘结强度不高，气密性可靠度不高，结构强度容易在后续工序如电池集成时遭到破坏等问题，并且烧结后的密封材料自身密度低，孔隙率高。

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烧结密封方法，其特征是：

阳极金属连接件包括与阳极层端面形状适配、可扣盖在阳极层端面的端盖，以及与阳极层端部的外围形状适配、可环绕在阳极层端部的压盖；并且，所述端盖与压盖形成中空腔；

将密封材料置于中空腔，利用紧固件将电池、端盖与压盖装配在一起，然后加热固化密封材料。作为优选，在加热固化过程中，调节紧固件将电池、端盖与压盖紧固装配在一起。

所述密封材料可以是胶体状，也可以是干粉预压的成型体。

所述密封材料不限，包括密封玻璃等。作为一种实现方式，所述密封玻璃是高纯氧化硅和氧化铝的粉末与滑石粉按55：45的比例配制而成。

固化过程中密封玻璃成分结构发生变化，固化时间取决于把密封玻璃的配方和固化温度。

所述紧固件不限，包括螺栓组件等。

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。

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。

本发明将阳极金属连接件进行结构设计，形成阳极层的端盖与压盖，二者互相连接形成带有中空腔体的密封部件，可实现对阳极端部的密封，在密封过程中将密封材料置于中空腔，在紧固件的作用下，能够对密封材料施加外部压力。与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)与传统的由电解质、阳极与阴极构成的平板式结构的电池电芯密封所采用的将密封浆料涂敷在电池四周，然后通过施加压力将金属连接件和电池连接在一起，从而实现密封和电子收集的方法相比，本发明中由于对称双阴极结构特点电子收集与密封可分开考虑，因此二者所需压力不冲突，而且由于对称双阴极结构中电池厚度大幅度增加，可以施加的压力大幅度增高，因此大大提高了密封能力。

(2)与采用密封浆料涂敷在电池和阳极金属连接件之间，仅通过烧结将金属连接件与电池粘粘结在一起而实现对称双阴极结构的电池电芯密封的方法相比，本发明中，密封玻璃材料被置于中空腔内，利用紧固件可对中空腔内的密封材料施加压力，因此在加热固化过程中，密封材料能够形成较高的密度和较低的孔隙率，能够与陶瓷和金属高温良好浸润，粘结强度高，密封效果好，可以有效提高电池集成为电堆进而集成为系统的可靠性和安全性。

附图说明

图1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。

图2是本发明实施例1中经过630℃烧结和800℃高温运行后降温后测试密封玻璃的耐压性测试结果。

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。

图1中的附图标记为：1-紧固件；2-端盖；3-中空腔；4-压盖；5-电池；6-中空通道。

实施例1：

本实施例中，固体氧化物燃料电池5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6。

将阳极金属连接件与阳极层装配在一起形成电池电芯。如图1所示，阳极金属连接件构成端盖2与压盖4。端盖2与电池5的阳极层的一个端面形状适配，可扣盖在阳极层端面。压盖4与阳极层一个端部的外围形状适配，可环绕在阳极层端部。端盖2与压盖4连接形成带有中空腔3的密封部件，在可实现对电池5的阳极端部的密封。

将密封材料置于中空腔。密封材料选用胶体状的密封玻璃，具体是采用高纯氧化硅和氧化铝的粉末与滑石粉按55：45的比例配制成粉体，然后按照一定比例和松油醇配制成胶体状。将电池、端盖与压盖经紧固件(1)紧固装配在一起。本实施例中，紧固件为螺栓组件。然后，将密封玻璃加热烧结固化，固化过程中密封玻璃成分结构发生变化，固化时间取决于密封玻璃的配方和固化温度。

同理，阳极层的另一个端也进行相同的封装。

经过630℃烧结和800℃高温运行后降温测试密封玻璃的表观密度ρ和显孔隙率P，实验数据如下：

其中，m1指代干燥试样质量、m2指代饱和试样的表观质量、m3指代饱和试样在空气中的质量，ρ＝m1，·ρ水/(m1-m2)，P＝(m3-m1)/(m1-m2)×100％。

经过630℃烧结和800℃高温运行后降温，然后测试密封玻璃的耐压性，结果如图2所示。从图2中可以看出，通过压盖对密封材料产生压力，密封材料沿电池中空通道轴向径向受力，使密封材料自身表观密度增大，孔隙率减小；与现有密封相比，密封材料和电池、密封材料和压盖的界面结合更牢固。

实施例2：

本实施例与实施例1基本相同，所不同的是密封材料是采用高纯氧化硅和氧化铝的粉末与滑石粉按55：45的比例配制成粉体，然后预压成一定形状的成型体装配在填料腔内。

与实施例1类似，与现有密封相比，密封材料和电池、密封材料和压盖的界面结合更牢固。

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 (8)

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烧结密封方法，其特征是：所述阳极金属连接件包括与阳极层端面形状适配，可扣盖在阳极层端面的端盖，以及与阳极层端部的外围形状适配，可环绕在阳极层端部的压盖；并且，所述端盖与压盖形成中空腔；

将密封材料置于中空腔，利用紧固件将电池、端盖与压盖装配在一起，然后烧结固化密封材料。

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烧结密封方法，其特征是：烧结固化过程中，调节紧固件将电池、端盖与压盖紧固装配在一起。

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烧结密封方法，其特征是：所述密封材料是胶体状，或者是干粉预压的成型体。

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烧结密封方法，其特征是：所述密封材料包括密封玻璃。

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烧结密封方法，其特征是：所述密封玻璃是高纯氧化硅和氧化铝的粉末与滑石粉按55：45的比例配制而成。

6.如权利要求1至5中任一权利要求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烧结密封方法，其特征是：所述的阳极层材料包括陶瓷材料NiO、Ni-YSZ、LSM-YSZ、LSCF-YSZ、Cu-CeO₂中的一种或者几种。

7.如权利要求1至5中任一权利要求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烧结密封方法，其特征是：所述的阳极金属电极材料包括不锈钢。

8.如权利要求1至5中任一权利要求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烧结密封方法，其特征是：所述紧固件是螺栓组件。

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