CN113097552B - 一种连接板及固体氧化物燃料电池/电解池电堆 - Google Patents

Abstract

一种连接板及固体氧化物燃料电池/电解池电堆，属于固体氧化物燃料电池/电解池领域。连接板具有板状本体和对置分布的第一表面和第二表面。板状本体第一表面设有凹槽以放置单个燃料电池/电解池，板状本体第二表面设有多个流道以实现气体通入。通过上述凹槽和流道的配合，只需单面密封即可实现多个自密封固体氧化物燃料电池/电解池之间的串联连接，形成固体氧化物燃料电池/电解池电堆。采用该连接板有助于降低电堆的封装难度，减少电堆运行过程中的热应力，延长电堆使用寿命。

Description

一种连接板及固体氧化物燃料电池/电解池电堆

技术领域

本申请涉及固体氧化物燃料电池/电解池领域，具体而言，涉及一种连接板及固体氧化物燃料电池/电解池电堆。

背景技术

作为一种通过电化学反应将燃料中的化学能直接转变成电能的全固态发电装置，固体氧化物燃料电池具有高效率、零污染、燃料适用性广等优点，并且因此可被广泛用于分布式电站、家庭热电联供、交通运输等领域。

固体氧化物燃料电池的发电功能层包括阴极、电解质和阳极。在工作时，氧气或空气在电池阴极得到电子变成氧离子，氧离子通过固态电解质传输至阳极，与阳极的燃料气体反应生成水、二氧化碳以及电子，然后电子通过外电路传输到阴极，形成电路循环发电。

固体氧化物电解池是固体氧化物燃料电池的逆运行装置，具有与后者相同的结构形式，可用于高温电解水制取氢气、电解二氧化碳制取一氧化碳。

因此，固体氧化物燃料电池和固体氧化物电解池（简称固体氧化物燃料电池/电解池）在新能源领域均具有广阔的应用前景。

由于单片固体氧化物燃料电池的输出功率仅为几瓦到几十瓦，因此需要通过连接板将单片电池串联形成电堆，得到较高的输出电压和功率。

除了串联功能之外，连接板还起到支撑固体氧化物燃料电池/电解池、隔离固体氧化物燃料电池/电解池中的燃料气体和氧化气体的作用。

在如专利CN103700801A公开的内容中，传统的固体氧化物燃料电池/电解池电堆的连接板需要对燃料气体和氧化气体分别进行过程复杂的密封，容易造成薄片电池破裂。

而专利CN111403767A采用具有一体化结构的连接体与支撑体，只需单面密封氧化气体，简化了电池堆密封工艺。但是，电堆在高温运行时，容易因一体化连接体的热应力变形而破坏单电池结构，从而影响电堆的使用寿命。

同样，固体氧化物电解池也存在类似问题。

发明内容

本申请提供了一种连接板及固体氧化物燃料电池/电解池电堆，以使电堆的封装难度降低、电堆的运行热应力减少、电堆的寿命延长。

本申请是这样实现的：

在第一方面，本申请的示例提供了一种用于连接单个自密封固体氧化物燃料电池/电解池、以便形成电堆的连接板。

其中单个自密封固体氧化物燃料电池/电解池包括内部设有独立气体流道的支撑体和在支撑体上按需沉积的阳极层、电解质层和阴极层，并通过电解质致密结构（即电解质层）实现对支撑体内部气体流道的自密封。

对应于上述结构的固体氧化物燃料电池/电解池单体，前述的连接板包括：板状本体、凹槽和流道。

其中，板状本体定义有长度方向、宽度方向以及在厚度方向对置分布的第一表面和第二表面；凹槽是从第一表面向第二表面沿长度和宽度方向凹陷而成的，以装纳所述单个固体氧化物燃料电池/电解池；流道则是从第二表面向第一表面沿长度和宽度方向凹陷而成，同时各流道沿长度方向并排且通过凸起间隔地排布，以与所述固体氧化物燃料电池/电解池的阴极/阳极层接触。

上述用于自密封固体氧化物燃料电池/电解池单体的连接板，具有简单的结构，且可以通过诸如增材制造、精加工、粉末冶金等方式制作。同时，该连接板可方便对燃料电池/电解池单体实现稳定和牢固的“堆叠”，从而有助于提高性能，得到结构稳定的固体氧化物燃料电池/电解池电堆。

在本申请中的一些示例中，凹槽的深度大于等于所述固体氧化物燃料电池/电解池的厚度，而流道的深度在厚度方向一致，其截面形状可为正方形、长方形、梯形或弧形。

在本申请中的一些示例中，连接板的材质为Fe基合金、Ni基合金、Co基合金和Cr基合金中的任意一种；可选地，所述连接板的材质为Fe-30Cr、Fe-26Cr、Fe-22Cr、SS430、Ni、Hastelloy X。

在第二方面，本申请的示例提供了一种固体氧化物燃料电池/电解池电堆，其包括至少两个自密封固体氧化物燃料电池/电解池和两个连接板。固体氧化物燃料电池/电解池单体以下述方式与连接板配合：自密封固体氧化物燃料电池/电解池单体嵌入连接板的凹槽内；在该电池/电解池单体的阴极/阳极层上依次放置集流网和另一个连接板，所述集流网与电池/电解池单体的阴极/阳极层及另一个连接板流道的凸起紧密接触。

在本申请中的一些示例中，在所述连接体第一表面和第二表面外缘分别配置高温绝缘密封胶，以实现固体氧化物燃料电池/电解池电堆的绝缘封装连接。

本申请提供了一种连接板及固体氧化物燃料电池/电解池电堆，采用该连接板只需对固体氧化物燃料电池/电解池进行单面气道密封，即可实现多个自密封固体氧化物燃料电池/电解池之间的串联连接，并且使电堆的封装难度降低。同时，电堆在高温运行过程中，可通过电池/电解池单体与连接体之间的间隙释放热应力，有助于延长电堆的使用寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定。对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请示例中的自密封固体氧化物燃料电池/电解池单体的结构示意图；

图2示出了本申请示例中的连接板的结构示意图；

图3示出了本申请示例中的另一种连接板的结构示意图；

图4示出了本申请示例中的再一种连接板的结构示意图；

图5为基于上述图1的自密封固体氧化物燃料电池/电解池单体和图3的连接板所构造的固体氧化物燃料电池/电解池电堆的结构示意图。

图标：100-自密封固体氧化物燃料电池单体；101-支撑体；1011-致密体；1012-透气体；1013-流道；102-电池结构；1021-阳极层；1022-电解质层；1023-阴极层；200-连接板；200a-连接板；200b-连接板；201-板状本体；202-凹槽；203-流道；203a-流道；203b-流道；2031-凸起；300-固体氧化物燃料电池/电解池电堆；301-高温绝缘密封胶；302-集流网。

具体实施方式

由于固体氧化物电解池与燃料电池是一对结构型式相同、工作过程相逆的能量转化装置，因此，本申请具体实施方式以固体氧化物燃料电池为例进行阐述。

通常地，单个固体氧化物燃料电池的工作电压大约可达到0.7 V~1.1 V，因此，为了提高诸如输出电压和输出功率等电学参数，通常需要将几个、甚至几十个、几百个的固体氧化物燃料电池单体连接起来。因此，电池堆技术应运而成。

有鉴于现有电池堆技术的一些缺陷和难题—例如，其密封过程复杂、制作成本高等问题—发明人经过研究提出了一种新颖的应用于电池堆中的连接板200；该连接板200的结构如图2所示。

利用该连接板200可以实现将如图1所示的自密封固体氧化物燃料电池单体100高效、高质量连接的效果。

为了更清楚地阐释本申请的示例方案，以下将对本申请中所适用的一种自密封固体氧化物燃料电池单体100进行简述。同时也应当说明的是，本申请中的连接板200适用于多种结构形式的自密封固体氧化物燃料电池单体100，而不以下述将被提及的自密封固体氧化物燃料电池单体100为限。换言之，根据不同的自密封固体氧化物燃料电池单体100结构的适当调整，在本申请示例中的连接板200的基础上做出常规改动，也可以实现电池堆的有效制作。

参阅图1，该自密封固体氧化物燃料电池单体100，包括支撑体101以及形成在该支撑体101之上的电池结构102。

其中的支撑体101一般可以选择金属材料，其具有流道1013。支撑体101在支撑电池结构102的同时，还可以通过其中的流道1013向电池结构102提供例如，氢气、天然气等燃料气。

其中的电池结构102为自密封固体氧化物燃料电池单体100的主要构成部分，电池反应—燃料和氧气的反应—也发生在该部分中。该电池结构102包括阳极层1021、电解质层1022以及阴极层1023。

并且，电池结构102以其中的阳极层1021与透气体1012紧密连接。其中，透气体1012具备孔隙结构以使燃料气能够到达阳极层1021。

示例性地，将金属材料（如Fe基合金、Ni基合金、Co基合金或Cr基合金，或者具体且优选的SS430，或者如Fe-30Cr、Fe-26Cr、Fe-22Cr、SS430、Ni、Hastelloy X）通过增材制造的方式，制作致密体1011以及疏松（有微小的孔隙，利于气体通过）的透气体1012。因此，当燃料气注入上述的流道1013时，燃料气被致密体1011阻挡，而可以通过疏松的透气体1012向“上”输送，进而与位于电池结构102之上的阳极层1021接触。

为了将上述的自密封固体氧化物燃料电池单体100进行堆叠，形成电池堆，本申请示例中提出了一种可以使用增材制造/传统精加工/粉末冶金等方法制作的连接板200。

通常地，该连接板200可以采用导电材料（如导电金属或导电陶瓷）制作，以便在形成电池堆时，各个自密封固体氧化物燃料电池单体100可以经过该连接板200达到电性串联的效果。此外，连接板200还承担着确保自密封固体氧化物燃料电池单体100之间稳定组装以及提供氧气/空气流道的作用。

因此，参阅图2，连接板200主要包括板状本体201、凹槽202以及流道203，并且，凹槽202和流道203均依附于板状本体201而被设计和构造。

为了方便描述，板状本体201定义有长度方向（图2中X方向）、宽度方向（图2中Y方向）以及厚度方向。板状本体201还具有在厚度方向对置分布的第一表面和第二表面。

示例中，凹槽202从第一表面向第二表面沿长度和宽度方向凹陷而成。凹槽202的长度尺寸小于板状本体201的长度尺寸，以容纳自密封固体氧化物燃料电池单体100并对其限位。

在凹槽202的对立侧，流道203从第二表面向第一表面沿长度和宽度方向凹陷而成，各流道沿所述长度方向并排且通过凸起间隔排布。本申请图示结构中，板状本体201具有7个流道203。在本申请的其他示例中，流道203数量不以上述的7个为限制。

如图2、图3和图4所示，流道203截面形状可为矩形、梯形、半圆形结构。在本申请的其他示例中，流道203的截面形状还可以被构造为其他形式。

凹槽202也可以具有多种可选构造方式，本申请示例中示出了一种可选的方案，但是，这并不构成对前述的“可选构造方式”的具体限定。本领域技术人员可以根据需要或者成本、工艺复杂度等方面的考虑而进行适当调整。

除此之外，流道的具体尺寸也可以有不同选择。例如图2所示，在板状本体201厚度方向，七个流道203的深度相同。例如在图3的连接板200a中的流道203a；在图4的连接板200b中的流道203b。

在另一些示例中，流道203的各个深度可以是不同的——部分流道203的深度更大，另一部分的流道203的深度更小。

另外，部分实例中也可以对凹槽的深度进行不同构造。例如，图2中，在板状本体201厚度方向，凹槽202的深度显著大于流道203的深度。这是通常的结构选择，也是基于自密封固体氧化物燃料电池单体100的结构方式而考虑，以便能容纳自密封固体氧化物燃料电池单体100。例如，凹槽202的深度足以完全容纳燃料单电池的支撑体101，从而使支撑体101的顶表面与凹槽202的顶表面齐平，或者使支撑体101的顶表面低于凹槽202的顶表面。

作为连接板200的一种应用实例，图5公开了一种固体氧化物燃料电池/电解池电堆300。需要指出的是，图5给出了三个连接板200和三个自密封固体氧化物燃料电池单体100配合的方案，在其他的示例中，上述数量可以根据电堆需要灵活增减。

制作固体氧化物燃料电池/电解池电堆300时，可以在流道203的凸起2031和电池结构102中的阴极层1023之间设置紧密接触的如图5所示的导电网板（集流网302）。

其中的导电网板可以是不锈钢网、银网、镍网和铂网等等。选择导电网板可以提高与阴极层1023的接触面积，改善集流效果，提高固体氧化物燃料电池/电解池电堆300的串联稳定性，同时避免凸起2031与阴极层1023直接硬性接触而破坏后者结构。

由于连接板200本身是高温导电的，因此，上述连接体第一表面和第二表面外缘本身也是导电的。为了避免两个自密封固体氧化物燃料电池单体100短路，在连接体第一表面和第二表面外缘配置绝缘层。绝缘层可以在制备电解质层1022时使其涂覆支撑体101表面完成制备，也可以在利用自密封固体氧化物燃料电池单体100组装电池堆时作为独立单元额外配置。

在本申请示例中，绝缘层是独立地配置的。并且，绝缘层被选择为绝缘胶（如高温绝缘密封胶301），因此，其不仅起到绝缘的作用，还能够起到粘接相邻两个连接板200的效果。同时，这样的绝缘层还具有密封效果，可以使相邻连接板200之间形成密封的空间，从而便于向其中通入氧气或空气，而不会从两个连接板200的缝隙处泄漏。

可以理解的是，在制作能够在消费级市场使用的电池堆时，将对上述结构进行适当的封装。对此，封装工艺可以采用现有的成熟工艺，本申请中不对其进行详述。

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，上述内容结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本申请中，在不矛盾或冲突的情况下，本申请的所有实施例、实施方式以及特征可以相互组合。在本申请中，常规的设备、装置、部件等，既可以商购，也可以根据本申请公开的内容自制。在本申请中，为了突出本申请的重点，对一些常规的操作和设备、装置、部件进行了省略，或仅作简单描述。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种连接板，用于连接单个自密封固体氧化物燃料电池/电解池以形成电堆，所述自密封固体氧化物燃料电池/电解池包括内部设有独立气体流道的支撑体和在支撑体上按需沉积的阳极层、电解质层和阴极层，并通过电解质致密结构实现对支撑体内部气体流道的自密封；

其特征在于，所述连接板包括：

板状本体，定义有长度方向、宽度方向以及在厚度方向对置分布的第一表面和第二表面；

凹槽，从所述第一表面向所述第二表面沿长度和宽度方向凹陷而成，以装纳单个所述固体氧化物燃料电池/电解池；

流道，从所述第二表面向所述第一表面沿长度和宽度方向凹陷而成，各流道沿所述长度方向并排且通过凸起间隔排布，以与所述固体氧化物燃料电池/电解池的阴极/阳极层接触；

所述凹槽的长度尺寸小于所述板状本体的长度尺寸，以容纳所述固体氧化物燃料电池/电解池并对所述固体氧化物燃料电池/电解池进行限位；

所述凹槽的深度大于等于所述固体氧化物燃料电池/电解池的厚度。

2.根据权利要求1所述的连接板，其特征在于，所述流道的深度在厚度方向一致，其截面形状可为正方形、长方形、梯形或弧形。

3.根据权利要求1所述的连接板，其特征在于，所述连接板的材质为Fe基合金、Ni基合金、Co基合金和Cr基合金中的任意一种。

4. 根据权利要求3所述的连接板，其特征在于，所述连接板的材质为Fe-30Cr、Fe-26Cr、Fe-22Cr、SS430、Ni、Hastelloy X。

5.一种固体氧化物燃料电池/电解池电堆，其特征在于，包括：

至少两个自密封固体氧化物燃料电池/电解池和两个权利要求1-3中任意一项所述的连接板；

其中，所述自密封固体氧化物燃料电池/电解池单体嵌入连接板凹槽内；

并且，在该电池/电解池单体的阴极/阳极层上依次放置集流网和另一个连接板，同时，所述集流网与所述电池/电解池单体的阴极/阳极层及另一个连接板流道的凸起紧密接触。

6.根据权利要求5所述的固体氧化物燃料电池/电解池电堆，其特征在于，在所述连接板的第一表面和第二表面外缘配置绝缘密封胶，用以实现固体氧化物燃料电池/电解池电堆的绝缘封装连接。

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