CN115863726A - 电堆结构及固体氧化物燃料电池 - Google Patents

Abstract

本公开涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种电堆结构及固体氧化物燃料电池，该结构包括电堆本体，电堆本体包括多块呈片状的连接件和单电池，多块连接件和多块单电池堆叠并串联；连接件的第一面包括流道，第二面为平面，连接件的第一面与相邻的单电池的阴极面连接，连接件的第二面与相邻的单电池的阳极面连接，并且单电池的阴极面和阳极面的边缘分别通过密封材料与连接件连接；连接件的第一面和第二面的面积大于单电池的阴极面和阳极面的面积，连接件第一面位于流道两侧为密封区，密封区内设有密封材料，并且密封区的边缘及连接件第二面的边缘分别设有凸起的凸台，密封材料的边缘与凸台之间设有间隙。本公开技术方案，可避免密封材料大量溢出。

Description

电堆结构及固体氧化物燃料电池

技术领域

本公开涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种电堆结构及固体氧化物燃料电池。

背景技术

固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，简称SOFC)属于第三代燃料电池，其是一种在中高温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地转化成电能的全固态化学发电装置，是几种燃料电池中，理论能量密度最高的一种。

电堆为燃料电池的核心部件，电堆采用单电池与导电连接件串联的方式组装成型，目前，电堆中单电池尺寸与连接件尺寸一致，单电池四周与连接件通过玻璃密封材料连接。

上述密封方式在高温情况下，容易出现密封材料软化而流出密封界面，造成界面密封失效的情况。为解决该问题，可以选择使用新型的密封材料，避免高温软化流出的情况，但是，此方式材料开发成本较高，直接增加固体氧化物燃料电池的成本。

发明内容

为解决现有技术中存在的至少以上技术问题，本公开实施例提供了一种电堆结构及固体氧化物燃料电池。

本公开实施例一方面提供一种电堆结构，包括电堆本体，所述电堆本体包括多块呈片状的连接件和单电池，多块所述连接件和多块所述单电池堆叠并串联；所述连接件的第一面包括流道，第二面为平面，所述连接件的第一面与相邻的所述单电池的阴极面连接，所述连接件的第二面与相邻的所述单电池的阳极面连接，并且所述单电池的所述阴极面和所述阳极面的边缘分别通过密封材料与所述连接件连接；所述连接件的所述第一面和所述第二面的面积大于所述单电池的所述阴极面和所述阳极面的面积，所述连接件第一面位于所述流道两侧为密封区，所述密封区内设有密封材料，并且所述密封区的边缘及所述连接件第二面的边缘分别设有凸起的凸台，所述密封材料的边缘与所述凸台之间设有间隙。

在一些实施例中，所述连接件的边缘包括定位缺口；所述电堆本体还包括密封柱，多个叠加的所述连接件的所述定位缺口分别与所述密封柱的外壁抵接。

在一些实施例中，所述连接件呈长方体形，所述连接件的四角处分别设置定位缺口；所述电堆本体包括四根所述密封柱，四根所述密封柱对所述连接件的四角进行定位密封。

在一些实施例中，还包括导电板，所述电堆本体的阴极和阳极分别连接所述导电板；两块所述导电板与所述电堆本体叠加设置，并且所述导电板的侧端设有用于连接导电柱的连接孔。

在一些实施例中，还包括加压板和加压柱，位于两块所述导电板两侧分别设置所述加压板，所述加压板和所述导电板之间设有绝缘材料；所述加压板的一组对边包括延伸出所述导电板的延伸部，两块所述加压板的所述延伸部之间通过加压柱连接。

在一些实施例中，所述延伸部上设有卡槽；所述加压柱的端部包括穿接部，所述穿接部的外径小于所述加压柱的外径，并且所述穿接部的端部螺纹连接调节螺母；所述调节螺母位于所述卡槽内，并与所述卡槽的底部卡接。

在一些实施例中，所述加压板的表面设有用于连接固定装置的螺纹孔。

在一些实施例中，还包括支架和定位块；所述支架包括操作平台，所述定位块包括垂直部和连接部，所述垂直部与所述操作平台垂直，所述连接部与所述操作平台连接；所述电堆本体、所述导电板和所述加压板叠加设于所述操作平台，并且，所述电堆本体、所述导电板和所述加压板的边缘与所述定位块的垂直部抵接。

在一些实施例中，包括两个所述定位块，两个所述定位块的所述垂直部分别与所述电堆本体、所述导电板和所述加压板一组相邻的边缘抵接。

本公开实施例另一方面还提供一种固体氧化物燃料电池，包括上述电堆结构。

本公开实施例提供的一种电堆结构及固体氧化物燃料电池，电堆本体的连接件两面的边缘分别设置凸台，并且密封材料的边缘与凸台之间具有间隙，电堆结构处于高温环境下，密封材料外溢到凸台处，也即凸台对密封材料具有限位作用，进而可避免密封材料在高温软化过程中大量溢出，以免造成界面间的密封失效。

附图说明

通过参考附图阅读下文的详细描述，本公开示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本公开的若干实施方式，其中：

在附图中，相同或对应的标号表示相同或对应的部分。

图1为本公开实施例一种电堆结构的结构示意图；

图2为本公开实施例一种电堆结构中连接件的结构示意图一；

图3为本公开实施例一种电堆结构中连接件的结构示意图二；

图4为本公开实施例一种电堆结构中导电板的结构示意图；

图5为本公开实施例一种电堆结构中加压板的结构示意图；

图6为电堆结构中单电池的充电I-V曲线对比图。

图中：

1：加压板；1a：螺纹孔；1b：卡槽；2：导电板；2a：连接孔；3：加压柱；4：连接件；4a：流道；4b：密封区；4c：凸台；4d：定位缺口；5：云母板；6：密封柱；7：定位块；8：支架。

具体实施方式

为使本公开的目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开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公开一部分实施例，而非全部实施例。基于本公开中的实施例，本领域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，都属于本公开保护的范围。

如图1至图5所示，本公开实施例提供一种电堆结构，包括电堆本体，电堆本体包括多块呈片状的连接件4和单电池，多块连接件4和多块单电池堆叠并串联；连接件4的第一面包括流道4a，第二面为平面，连接件4的第一面与相邻的单电池的阴极面连接，连接件4的第二面与相邻的单电池的阳极面连接，并且单电池的阴极面和阳极面的边缘分别通过密封材料与连接件4连接；连接件4的第一面和第二面的面积大于单电池的阴极面和阳极面的面积，连接件4第一面位于流道4a两侧为密封区4b，密封区4b内设有密封材料，并且密封区4b的边缘及连接件4第二面的边缘分别设有凸起的凸台4c，密封材料的边缘与凸台4c之间设有间隙。

连接件4的第一面的流道4a用于通入空气，流道4a两侧的密封区4b设置密封材料，通过该部分的密封材料实现与单电池的阴极面的密封粘接，并且确保通入的空气不会通过此处溢出，单电池的阳极面的四周设置密封材料与连接件4的第二面实现密封连接。

例如，流道4a两侧的密封区4b域的面积相同，位于流道4a两侧对称分布。

在密封材料被高温软化后，由于密封材料的边缘分别设置凸台4c，密封材料在高温环境下外溢到凸台4c处，对密封材料具有一定的阻挡作用，进而可避免密封材料大量溢出，避免造成界面间的密封失效。

例如，凸台4c的宽度为1至3毫米，高度为0.2至1毫米。

在一些实施例中，连接件4的边缘包括定位缺口4d；电堆本体还包括密封柱6，多个叠加的连接件4的定位缺口4d分别与密封柱6的外壁抵接。

例如，定位缺口4d的形状呈长方形，定位缺口4d的长度为5至10毫米，定位定位缺口4d所形成的边与单电池的边齐平，也即连接件4设置定位缺口4d后，其宽度与单电池的宽度相同。在单电池与连接件4进行安装定位时，分别将叠加设置的单电池和连接件4的定位缺口4d与密封柱6抵接。进而解决了单电池与连接件4尺寸不一致而带来的无法定位问题。同时多个连接件4与单电池层叠后，界面在一个平面上，可以通过密封柱6实现此平面的密封，进一步确保燃料气与空气的隔绝。

例如，连接件4呈长方体形，连接件4的四角处分别设置定位缺口4d；电堆本体包括四根密封柱6，四根密封柱6对连接件4的四角进行定位密封。通过在四个方向的定位、密封，可实现对多层单电池和连接件4的精确定位及密封。

如图1和图4所示，在一些实施例中，电堆结构还包括导电板2，电堆本体的阴极和阳极分别连接导电板2；两块导电板2与电堆本体叠加设置，并且导电板2的侧端设有用于连接导电柱的连接孔2a。

本公开实施例中，导电板2由侧端进行导电，在导电板2的两个侧面各设置有两个连接孔2a，相较于在导电板2端面中间通过一个连接孔集流的方式，可以增加集流面，同时节约空间；集流操作时，可以任选两个侧面中的任一个侧面进行集流，若其中一个侧面发生损坏则，可通过另一个侧面继续使用该导电板2，无需更换，以提高部件使用寿命节约成本。

如图1和图5所示，在一些实施例中，电堆结构还包括加压板1和加压柱3，位于两块导电板2两侧分别设置加压板1，加压板1和导电板2之间设有绝缘材料，例如，绝缘材料为云母板5；加压板1的一组对边包括延伸出导电板2的延伸部，两块加压板1的延伸部之间通过加压柱3连接。

本公开实施例中，加压板1的一组对边包括沿加压板1所在面向外延伸的延伸部，该延伸部延伸出电堆本体，同侧的延伸部之间通过加压柱3连接。例如，两侧的加压柱3均匀分布，可实现均匀的加压受力。

例如，延伸部上设有卡槽1b；加压柱3的端部包括穿接部，穿接部的外径小于加压柱3的外径，并且穿接部的端部螺纹连接调节螺母；调节螺母位于卡槽1b内，并与卡槽1b的底部卡接。通过旋拧加压柱3，可调节加压柱3端部间的压力。以及通过在延伸部上设有卡槽1b，使加压柱3在保证压力的同时，加压柱3的两端不会超出加压板1的表面，不仅结构更加美观，而且电堆的上下端面为平面，可以为下一步组装系统节约空间。

例如，加压板1的表面设有用于连接固定装置的螺纹孔1a。通过螺纹孔1a可以将机械装置与电堆结构连接，进而实现电堆结构的平稳搬运。

继续参考图1，在一些实施例中，电堆结构还包括支架8和定位块7；支架8包括操作平台，定位块7包括垂直部和连接部，垂直部与操作平台垂直，连接部与操作平台连接；电堆本体、导电板2和加压板1叠加设于操作平台，并且，电堆本体、导电板2和加压板1的边缘与定位块7的垂直部抵接。

例如，电堆结构包括两个定位块7，两个定位块7的垂直部分别与电堆本体、导电板2和加压板1一组相邻的边缘抵接。

本公开实施例中，电堆结构装配完成后，将两个氢气侧气腔封装至电堆结构的两侧，氢气侧气腔通过加压板1上的四个螺纹孔1a用螺母固定，例如，氢气侧气腔的材料为SUS430、SUS441等金属，氢气侧气腔与电堆结构之间增加密封材料，用来防止燃料气体外泄。

本公开实施例提供一种固体氧化物燃料电池，包括上述电堆结构。电堆本体的连接件4两面的边缘分别设置凸台4c，并且密封材料的边缘与凸台4c之间具有间隙，电堆结构处于高温环境下，密封材料外溢到凸台4c处，也即凸台4c对密封材料具有限位作用，进而可避免密封材料在高温软化过程中大量溢出，以免造成界面间的密封失效。

以下为本公开实施例提供的电堆结构的性能测试说明：

电堆结构采用三片单电池与三片连接件4完成堆芯装配，封装好两个氢气侧气腔后进行电堆气密性检测。其中一个氢气侧气腔通入1SLM的氮气，另一个氢气侧气腔出口连接造泡流量计，监测出口数值为0.99SLM，由此可以确定电堆结构的气密性较好，可以进行下一步电化学测试。

首先，电堆结构放入电炉中升温至750°并保温30min，通过氢气侧气腔入口通入1SLM的氮气约5min用以排出电堆结构内部的空气，然后，通入0.6SLM的氢气开始还原。还原两小时后OCV逐渐趋于稳定，通入水蒸气后进行电解测试，监测电堆结构中的一片电池性能。

如图6所示，第一曲线为传统夹具装配测试的性能，第二曲线和第三曲线为采用本公开实施例电堆结构测试的性能，分别代表0.6SLM和1.0SLM两种条件下电解I-V曲线。由曲线图可知，相比于传统电堆夹具装配，本公开实施例提供的电堆结构在相同电流区间下的电解电压浮动总体较小。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一个实施例或示例中。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或隐含地包括至少一个该特征。在本公开的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

以上，仅为本公开的具体实施方式，但本公开的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本公开揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种电堆结构，其特征在于，包括电堆本体，所述电堆本体包括多块呈片状的连接件(4)和单电池，多块所述连接件(4)和多块所述单电池堆叠并串联；

所述连接件(4)的第一面包括流道(4a)，第二面为平面，所述连接件(4)的第一面与相邻的所述单电池的阴极面连接，所述连接件(4)的第二面与相邻的所述单电池的阳极面连接，并且所述单电池的所述阴极面和所述阳极面的边缘分别通过密封材料与所述连接件(4)连接；

所述连接件(4)的所述第一面和所述第二面的面积大于所述单电池的所述阴极面和所述阳极面的面积，所述连接件(4)第一面位于所述流道(4a)两侧为密封区(4b)，所述密封区(4b)内设有密封材料，并且所述密封区(4b)的边缘及所述连接件(4)第二面的边缘分别设有凸起的凸台(4c)，所述密封材料的边缘与所述凸台(4c)之间设有间隙。

2.根据权利要求1所述的电堆结构，其特征在于，所述连接件(4)的边缘包括定位缺口(4d)；

所述电堆本体还包括密封柱(6)，多个叠加的所述连接件(4)的所述定位缺口(4d)分别与所述密封柱(6)的外壁抵接。

3.根据权利要求2所述的电堆结构，其特征在于，所述连接件(4)呈长方体形，所述连接件(4)的四角处分别设置定位缺口(4d)；

所述电堆本体包括四根所述密封柱(6)，四根所述密封柱(6)对所述连接件(4)的四角进行定位密封。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的电堆结构，其特征在于，还包括导电板(2)，所述电堆本体的阴极和阳极分别连接所述导电板(2)；

两块所述导电板(2)与所述电堆本体叠加设置，并且所述导电板(2)的侧端设有用于连接导电柱的连接孔(2a)。

5.根据权利要求4所述的电堆结构，其特征在于，还包括加压板(1)和加压柱(3)，位于两块所述导电板(2)两侧分别设置所述加压板(1)，所述加压板(1)和所述导电板(2)之间设有绝缘材料；

所述加压板(1)的一组对边包括延伸出所述导电板(2)的延伸部，两块所述加压板(1)的所述延伸部之间通过加压柱(3)连接。

6.根据权利要求5所述的电堆结构，其特征在于，所述延伸部上设有卡槽(1b)；

所述加压柱(3)的端部包括穿接部，所述穿接部的外径小于所述加压柱(3)的外径，并且所述穿接部的端部螺纹连接调节螺母；

所述调节螺母位于所述卡槽(1b)内，并与所述卡槽(1b)的底部卡接。

7.根据权利要求5所述的电堆结构，其特征在于，所述加压板(1)的表面设有用于连接固定装置的螺纹孔(1a)。

8.根据权利要求5所述的电堆结构，其特征在于，还包括支架(8)和定位块(7)；

所述支架(8)包括操作平台，所述定位块(7)包括垂直部和连接部，所述垂直部与所述操作平台垂直，所述连接部与所述操作平台连接；

所述电堆本体、所述导电板(2)和所述加压板(1)叠加设于所述操作平台，并且，所述电堆本体、所述导电板(2)和所述加压板(1)的边缘与所述定位块(7)的垂直部抵接。

9.根据权利要求8所述的电堆结构，其特征在于，包括两个所述定位块(7)，两个所述定位块(7)的所述垂直部分别与所述电堆本体、所述导电板(2)和所述加压板(1)一组相邻的边缘抵接。

10.一种固体氧化物燃料电池，其特征在于，包括如权利要求1至9中任一项所述的电堆结构。

Images