CN1148825C - 一种平板式中温固体氧化物燃料电池堆模块 - Google Patents

一种平板式中温固体氧化物燃料电池堆模块 Download PDF

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Abstract

本发明提供的一种平板式中温固体氧化物燃料电池堆模块，由叠层排列的上盖、单电池片、连接板和底板构成，其内设有燃料气和氧化气通道及进、出口，所述上盖、连接板和底板上设有放置密封材料的密封槽，所述上盖、单电池片、连接板和底板为横截面形状相同的2n边形(n为大于等于2的自然数)，多边形的角伸出形成长角，该长角处开有固定孔，由多边形的边叠成的面及上盖和底板上、下面装有加热保温片；所述连接板由铁素体不锈钢制成。本发明不仅降低了制造成本，而且解决了高温密封和抗热循环问题，可在热循环情况下实现有效的压紧密封而又不产生过大的热应力。

Description

一种平板式中温固体氧化物燃料电池堆模块
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种固体氧化物燃料电池(SOFC)，特别是工作温度为中温(600～800℃)的平板式电池堆，也就是一种平板式中温固体氧化物燃料电池堆模块。
背景技术
目前关于SOFC电池堆的结构主要有四种：管式、钟带式、平板式、叠片波纹板式。高温堆主要采取管式结构，而现在中温堆已成为发展的方向，中温堆主要采用平板式结构。无论何种堆都必须解决气体(燃料气、氧化气)密封和分隔、电流收集传导、冷热循环等问题。目前的典型的平板式结构如图1所示。图1(a)是同向流电池堆，图1(b)是交叉流的电池堆。平板式SOFC堆内的气流走向和单电池(阳极/电解质/阴极)片与连接极板的排列大多采用这类方式或大致相似的方式。现有技术中连接极板的材料主要采用铬镍合金，如Inconel 600，Inconel 601，Hastelloy X，HA-230以及Cr5Fe1Y2O3，这些合金价格昂贵，往往占到电池堆成本的70％，虽然据报道使用效果较好。平板式SOFC堆的密封比管式的堆要难，但中温比高温密封要容易，现有技术最常用的密封方式是采用微晶玻璃，有各种成分，其技术手段是通过调整其配比使微晶/玻璃比例不一样从而软化温度正好在SOFC的工作温度，而在这个温度微晶玻璃又并不变为液体从而实现密封。这种密封方式往往控制复杂，重现性差，而且经冷却后再升温这样的热循环玻璃往往产生裂纹，密封性变差。整个电堆的压紧固定方式许多文献都没有提及，这一直是国外专业公司的商业秘密，国内目前只有少量实验装置，也没有紧固件高温蠕变的实验研究报道，但这方面的研究是商业装置长期运行所必须考虑的。中国实用新型专利“固体氧化物燃料电池”(申请号99205915)提出采用蛇型沟槽增大反应面积，但该专利并没有考虑高温密封和抗热循环的问题，也没有提出新的连接板材料，使得本技术仍然存在制造成本较高的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种平板式中温固体氧化物燃料电池堆模块，其不仅降低了制造成本，而且解决了高温密封和抗热循环问题，可在热循环情况下实现有效的压紧密封而又不产生过大的热应力。
为实现上述发明目的，本发明提供的一种平板式中温固体氧化物燃料电池堆模块，由叠层排列的上盖、单电池片、连接板和底板构成，其内设有燃料气和氧化气通道及进、出口，所述上盖、连接板和底板上设有放置密封材料的密封槽，所述上盖、单电池片、连接板和底板为横截面形状相同的2n边形，n为大于等于2的自然数，多边形的角伸出形成长角，该长角处开有固定孔，由多边形的边叠成的面及上盖的上面和底板的下面装有加热保温片；所述连接板由铁素体不锈钢制成。
所述铁素体不锈钢选用OCr17铁素体不锈钢技术效果更好。
所述密封槽所使用的密封材料采用柔性石墨可进一步提高密封效果。
本发明所采用的电池堆包括工作区和固定区，电池堆的平面形状为多边形，多边形的角伸出形成长角并在角上开有螺栓固定孔，在螺栓固定孔中安装螺栓以固定，形成固定区；靠多边形的边叠成的面及堆的上下两面装有加热保温片，各片连在一起围成SOFC的工作区。固定区的温度比工作区要低，可以通过加强加热保温片保温效果和增加伸出长角长度的措施确保固定区的温度低于螺栓发生高温蠕变的温度，这样就可以通过热膨胀自然实现压紧密封，而且能够经受热循环。如果发现热膨胀产生的应力过大，可以在固定螺栓上加一弹簧以松弛应力不致将单电池片压破。此外，本发明采用铁素体不锈钢作连接极板。作为中温SOFC的连接板，普通含铬镍的不锈钢和耐热钢都可以满足耐热性要求，而且价格比Inconel 600，Inconel601，Hastelloy X，HA-230以及Cr5Fe1Y2O3要低得多，但连接板除耐热性要求外，还要求热膨胀系数与单电池片尽量接近，电子电导尽量高。综合考虑这些因素，只有铁素体不锈钢最合适，优先推荐OCr17铁素体不锈钢。采用铁素体不锈钢作连接板，热膨胀系数与单电池片非常接近，这样在工作状态下产生的热应力非常小；电子电导高，而且由于主要含铬，即使在高温下氧化，铬的氧化物也能导电，这样就便于连接板收集单电池片工作时产生的电流。也可以采用表面涂铬酸锶镧的措施进一步提高其抗氧化性。
作为本发明的进一步改进，即采用低硫耐高温的柔性石墨作密封材料。SOFC工作的密封要求是高温下长期保持低的气体泄漏率、抗氧化、低硫含量、耐热循环，新型的柔性石墨可以满足这些要求。使用柔性石墨的优点是不会产生微晶玻璃那样因热循环而出现的裂纹。柔性石墨垫圈置于连接板上的沟槽中，电池堆压紧时柔性石墨被压缩，连接板/单电池片以及连接板/连接板之间的接触面密切接触，而其中可能存在的某些微小缝隙所导致的气体泄漏因柔性石墨垫圈存在而被阻止。
附图说明
图1为现有的典型的平板式结构示意图，图1(a)是同向流电池堆，图1(b)是交叉流的电池堆；图中：101为密封区，102为连接板，103为反应区，104为阴极，105为电解质，106为气流通道，107为配气通道，108为阳极，109为燃料，110为氧空气；
图2为本发明平板式中温固体氧化物燃料电池堆模块的结构结构图，图中A表示燃料进；A’表示燃料出；B表示空气进；B’表示空气出；
图3为图2中连接板的结构示意图；
图4为图2中单电池片结构示意图；
图5为图2中上盖的结构示意图；
图6为图2中底板的结构示意图；
图7为图2中加热保温片的结构示意图。
具体实施方式
如图2所示，n＝2，上盖2、单电池片3、连接板4和底板5均为四边形，其又叠层排列方式与现有技术相同，它们四角伸出形成固定孔1，固定孔1中安装螺栓以固定，形成固定区。由上盖2、单电池片3、连接板4和底板5的边叠成的面及上盖的上面和底板的下面均装有六片加热保温片6(上下两片在图中未画出)，共同围成SOFC的工作区。电池堆，固定区的温度比工作区要低，低于螺栓发生高温蠕变的温度，这样就可以通过热膨胀自然实现压紧密封。如果发现热膨胀产生的应力过大，可以在固定螺栓上加一弹簧。固定螺栓与上盖2、单电池片3、连接板4、底板5接触处要绝缘。SOFC产生的电流从上盖2和底板5引出。
图3为电池堆内连接板4的结构示意图，如图3(a)所示，其上设有密封槽7、层间气体通道8、层内气体通槽9，柔性石墨密封垫10位于密封槽7内，为清楚起见，图中将柔性石墨密封垫10单独画在图3(b)中。燃料气和氧化气通道的设计可采用现有技术，本实施例中具体包括层间气体通道8和层内气体通槽9。连接板4采用铁素体不锈钢制成，其中OCr17铁素体不锈钢效果尤佳。
图4是电池堆内单电池片3的结构示意图，单电池片上也设有层间气体通道8。
图5为是电池堆内上盖2的结构示意图，其中(a)为俯视图，(b)为A-A剖视图，(c)为仰视图，上盖2上开有进出气孔11，供氧化气和燃料气进出；上盖还设有层间气体通道8和层内气体通槽9，进出气孔11与上盖上的层间气体通道8相连通。
底板5的结构如图6所示，由于底板以下再无气体通过，不须导引气体到下层，所以层间气体通道8可只设一对未贯通的槽，否则气体往下漏掉不能返回出口。
加热保温片6的结构如图7所示，其中(a)为主视图，(b)为截面图，加热保温片上设有内装有电阻丝12的电阻丝套14和保温层，电阻丝套14靠近电池堆内，保温层13朝电池堆外布置。
上面所说明的只是本发明的一种具体实施方式，本发明的实质在于将电池堆模块分成固定区与工作区，并且采用了铁素体不锈钢制作连接板，从这二点及其实施例，本领域技术人员不难推举出许多种具体实施方式。

Claims (3)

1.一种平板式中温固体氧化物燃料电池堆模块，由叠层排列的上盖、单电池片、连接板和底板构成，其内设有燃料气和氧化气通道及进、出口，所述上盖、连接板和底板上设有放置密封材料的密封槽，其特征在于：所述上盖、单电池片、连接板和底板为横截面形状相同的2n边形，n为大于等于2的自然数，多边形的角伸出形成长角，该长角处开有固定孔，由多边形的边叠成的面及上盖的上面和底板的下面装有加热保温片；所述连接板由铁素体不锈钢制成。
2.根据权利要求1所述的平板式中温固体氧化物燃料电池堆模块，其特征在于：所述铁素体不锈钢为OCr17铁素体不锈钢。
3.根据权利要求1或2所述的平板式中温固体氧化物燃料电池堆模块，其特征在于：所述密封槽所使用的密封材料为柔性石墨。
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