CN116180116A - 一种固体氧化物电解池对称封接方法 - Google Patents

一种固体氧化物电解池对称封接方法 Download PDF

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王秀玲
刘文奇
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Abstract

本发明涉及固体氧化物电解池技术领域，尤其涉及一种固体氧化物电解池对称封接方法。该方法是将固体氧化物电解池单池的四周边缘封装在电池框上，且固体氧化物电解池单池两侧的电池框对称设置，固体氧化物电解池单池与电池框之间通过密封剂密封，形成单池单元。本发明在陶瓷电解单池上下两面形成对称的应力，能够有效缓解单面封接导致的应力集中的问题。由于电池框的保护，在电堆组装施加压力时，对电解单池不会造成破坏，从而保证了电堆的安全性和可靠性。

Description

一种固体氧化物电解池对称封接方法
技术领域
本发明涉及固体氧化物电解池技术领域，尤其涉及一种固体氧化物电解池对称封接方法。
背景技术
固体氧化物电解池(Solid Oxide Electrolysis Cell，SOEC)是将电能转化成化学能的能量转换装置，具有清洁、高效等优势。
SOEC主要有管型和平板型两种结构形式。由于单个电解池提供的电压和功率十分有限，因此，为了满足使用要求，需将多个单池以各种方式(串联、并联、混联)组装成电池堆。相较于管型结构，平板型结构具有电流流程短，内阻欧姆损失小，能量密度高等优势。但平板型结构的主要缺点是高温密封困难，这也是限制其发展的技术难点之一。
玻璃和玻璃-陶瓷是目前研究和应用最广泛的密封材料，相比柔性金属、云母基片、金属钎焊等其他形式的密封材料，玻璃具有高温封接性能好、膨胀系数(CTE)可调、制备和使用方便等显著优势。目前最常用的密封方式是在电堆组装前，将电解单池用玻璃密封胶预先封接到电池框上，电堆组装时再将电池框和金属双极板进行密封。这种密封方案首先升温至玻璃的软化温度(Ts)以上保证玻璃软化流动实现对密封部位的浸润，然后降温至Ts以下发生固化。但当温度降低后，电解池材料、密封玻璃、金属双极板之间由于膨胀系数不匹配，导致在封接界面处产生应力，特别是在后续电堆装配加压操作过程中，陶瓷材质的电解单池边缘极易产生裂纹，严重时甚至整体破碎。因此，寻求操作简单、性能可靠的密封方案，有效缓解电解单池封接区域应力集中，是本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种固体氧化物电解池对称封接方法，以克服现有技术封接过程中出现的应力集中问题，以提高电解池的密封性能。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供一种固体氧化物电解池对称封接方法，将固体氧化物电解池单池的四周边缘封装在电池框上，且固体氧化物电解池单池两侧的电池框对称设置，固体氧化物电解池单池与电池框之间通过密封剂密封，形成单池单元。
所述电池框上设置有安装槽，所述固体氧化物电解池单池设置于所述电池框的安装槽内，并且所述固体氧化物电解池单池能够暴露电极的全部区域。
所述固体氧化物电解池单池包括平行设置的电解单池第一电极和电解单池第二电极及设置于电解单池第一电极和电解单池第二电极之间的电解单池电解质。
所述电池框采用金属材质。
所述电池框上设置有与所述固体氧化物电解池单池的进出气通道对应的孔。
所述电池框包括电池框上部和电池框下部，所述固体氧化物电解池单池设置于电池框上部和电池框下部之间。
所述电池框上部和电池框下部结构相同，均设有嵌槽；在电池框上部和电池框下部的嵌槽内均涂有密封剂，所述固体氧化物电解池单池嵌设于电池框上部和电池框下部的嵌槽内，形成电池框上部-密封剂-固体氧化物电解池单池-密封剂-电池框下部的对称结构。
所述电池框下部设有嵌槽，所述固体氧化物电解池单池嵌设于所述电池框下部的嵌槽内，所述电池框上部为平框架结构，且设置于所述电池框下部的上方，所述固体氧化物电解池单池两侧的所述电池框上部和所述电池框下部的厚度相等。
所述电池框下部的三侧边框设有插槽，所述固体氧化物电解池单池插设于所述电池框下部三侧边框的插槽内；所述电池框上部为板条状，且设置于所述电池框下部没有插槽的一边框上，用于固定所述固体氧化物电解池单池。
所述密封剂为能耐受400～1000℃的耐高温密封剂。
本发明的优点及有益效果是：
1.本发明采用固封方式将电解单池封接到电池框上形成单池单元，在封接区域呈现电池框-密封剂-电解单池-密封剂-电池框的对称结构，在陶瓷电解单池上下两面形成对称的应力，能够有效缓解单面封接导致的应力集中的问题。
2.陶瓷电解单池完全包裹在金属的电池框内，对单池形成保护，在后续的电堆组装过程施加压力时，压力作用于两侧的电池框上，对电解单池不会造成破坏。
附图说明
图1是本发明实施例1的封接区域示意图；
图2是本发明实施例1的电池框和固体氧化物电解池单池的配合示意图；
图3是本发明实施例2的封接区域示意图；
图4是本发明实施例2的电池框和固体氧化物电解池单池的配合示意图；
图5是本发明实施例3的封接区域示意图；
图6是本发明实施例3的电池框和固体氧化物电解池单池的配合示意图；
图7是本发明实施例3的电池框下部的上视图；
图8是本发明实施例3的电池框下部的A-A局部剖面图；
图中：1-固体氧化物电解池单池，2-电解单池第一电极，3-电解单池电解质，4-电解单池第二电极，5-电池框，5(a)-电池框上部，5(b)-电池框下部，6-密封剂。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
如图1-2所示，本发明提供一种固体氧化物电解池对称封接方法，将固体氧化物电解池单池1的四周边缘通过固封方式封装在电池框5上，且固体氧化物电解池单池1两侧的电池框5对称设置，固体氧化物电解池单池1与电池框5之间通过密封剂6密封，形成单池单元。封接区域从上到下依次为电池框、密封剂、电解池单池、密封剂、电池框的对称结构。固体氧化物电解池单池1完全包裹在电池框5内，对单池单元形成保护，在后续的电堆组装过程施加压力时，压力作用于两侧的电池框上，对电解单池不会造成破坏。
本发明的实施例中，电池框5上设置安装槽，固体氧化物电解池单池1设置于电池框5的安装槽内，并且固体氧化物电解池单池1能够暴露电极的全部区域。
具体地，固体氧化物电解池单池1包括平行设置的电解单池第一电极2和电解单池第二电极4及设置于电解单池第一电极2和电解单池第二电极4之间的电解单池电解质。
本发明的实施例中，电池框5采用金属材质。具体地，电池框5的基材为Fe基或Ni基耐热合金中的一种或两种及以上。
进一步地，电池框5上设置有与固体氧化物电解池单池1的进出气通道对应的孔。
本发明的实施例中，密封剂6为能耐受400～1000℃的耐高温密封剂，基材可以为玻璃、玻璃-陶瓷、硅酸盐、耐高温氧化物等。在封接过程，根据所使用的密封剂6的不同，可在室温下实现，也可以升高温度实现，封接过程无需加压操作。
本发明的实施例中，电池框5包括电池框上部5(a)和电池框下部5(b)，固体氧化物电解池单池1设置于电池框上部5(a)和电池框下部5(b)之间，电池框上部5(a)和电池框下部5(b)形状可以相同，也可以不同。
实施例1
如图1-2所示，本实施例中，电池框上部5(a)和电池框下部5(b)结构相同，其相对面均设有嵌槽；在电池框上部5(a)和电池框下部5(b)的嵌槽内均涂有密封剂6，固体氧化物电解池单池1嵌设于电池框上部5(a)和电池框下部5(b)的嵌槽内，从而形成电池框上部5(a)-密封剂6-固体氧化物电解池单池1-密封剂6-电池框下部5(b)的对称结构，且暴露电解单池第一电极2的全部区域。
具体地，电池框上部5(a)和电池框下部5(b)的材质均为Fe基耐热合金。所用的密封剂6为基材为玻璃，可耐受800℃高温。
具体封接过程是：
将玻璃密封剂涂覆于电池框下部5(b)的嵌槽内待封接部位，在电池框下部5(b)上放置固体氧化物电解池单池1，在电池框上部5(a)的嵌槽内待封接部位上涂覆玻璃密封剂，将电池框上部5(a)和电池框下部5(b)合并，升温至780℃进行高温封接。封接区域，从上到下依次为电池框、密封剂、电解单池、密封剂、电池框，呈现电池框-密封剂-电解单池-密封剂-电池框的对称结构，有效缓解固体氧化物电解池单池1两侧应力不均匀。并且，由于金属电池框上、下两部的保护，在电堆装配过程中，固体氧化物电解池单池1不会受到压力的挤压，因而不会造成破坏。
实施例2
如图3-4所示，本实施例中，电池框下部5(b)设有嵌槽，电池框上部5(a)为平框架结构，电池框上部5(a)和电池框下部5(b)的材质均为Ni基耐热合金。固体氧化物电解池单池1嵌设于电池框下部5(b)的嵌槽内，电池框上部5(a)设置于电池框下部5(b)的上方，固体氧化物电解池单池1两侧的电池框上部5(a)和电池框下部5(b)的厚度相等，且固体氧化物电解池单池1暴露电解单池第一电极2的全部区域。除此以外，电池框下部5(b)上还设置有电解池进出气通道对应的孔。所用的密封剂6为基材为硅酸盐，可耐受1080℃高温。
具体封接过程为：
将玻璃密封剂涂覆于电池框下部5(b)的嵌槽待封接部位，在电池框下部5(b)的嵌槽内放置固体氧化物电解池单池1，在电池框上部5(a)的待封接部位上涂覆玻璃密封剂，将电池框上部5(a)和电池框下部5(b)合并，室温下干燥即可完成封接。
实施例3
如图5-8所示，本实施例中，电池框下部5(b)的三侧边框设有插槽，池框上部5(a)为板条状，电池框上部5(a)和电池框下部5(b)均采用Fe基耐热合金，密封剂6采用玻璃基密封剂。将固体氧化物电解池单池1插设于电池框下部5(b)三侧边框的插槽内；电池框上部5(a)设置于电池框下部5(b)没有插槽的一边框上，用于固定固体氧化物电解池单池1。
具体封接过程为：
将玻璃基密封剂涂覆于电池框下部5(b)的三侧边框的插槽内，将固体氧化物电解池单池1从一端插入至电池框下部5(b)的三侧边框的插槽内，然后将涂覆玻璃密封剂的电池框上部5(a)放置在对应区域，即放置在电池框下部5(b)没有插槽的一边框上，升温至780℃进行高温封接。
本发明采用固封方式将电解单池封接到电池框上形成单池单元，在封接区域呈现电池框-密封剂-电解单池-密封剂-电池框的对称结构，在陶瓷电解单池上下两面形成对称的应力，能够有效缓解单面封接导致的应力集中的问题。瓷电解单池完全包裹在金属的电池框内，对单池形成保护，在后续的电堆组装过程施加压力时，压力作用于两侧的电池框上，对电解单池不会造成破坏，从而保证了电堆的安全性和可靠性。
以上所述仅为本发明的实施方式，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进、扩展等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种固体氧化物电解池对称封接方法，其特征在于，将固体氧化物电解池单池的四周边缘封装在电池框上，且固体氧化物电解池单池两侧的电池框对称设置，固体氧化物电解池单池与电池框之间通过密封剂密封，形成单池单元。
2.根据权利要求1所述的固体氧化物电解池对称封接方法，其特征在于，所述电池框上设置有安装槽，所述固体氧化物电解池单池设置于所述电池框的安装槽内，并且所述固体氧化物电解池单池能够暴露电极的全部区域。
3.根据权利要求2所述的固体氧化物电解池对称封接方法，其特征在于，所述固体氧化物电解池单池包括平行设置的电解单池第一电极和电解单池第二电极及设置于电解单池第一电极和电解单池第二电极之间的电解单池电解质。
4.根据权利要求2所述的固体氧化物电解池对称封接方法，其特征在于，所述电池框采用金属材质。
5.根据权利要求2所述的固体氧化物电解池对称封接方法，其特征在于，所述电池框上设置有与所述固体氧化物电解池单池的进出气通道对应的孔。
6.根据权利要求2所述的固体氧化物电解池对称封接方法，其特征在于，所述电池框包括电池框上部和电池框下部，所述固体氧化物电解池单池设置于电池框上部和电池框下部之间。
7.根据权利要求6所述的固体氧化物电解池对称封接方法，其特征在于，所述电池框上部和电池框下部结构相同，均设有嵌槽；在电池框上部和电池框下部的嵌槽内均涂有密封剂，所述固体氧化物电解池单池嵌设于电池框上部和电池框下部的嵌槽内，形成电池框上部-密封剂-固体氧化物电解池单池-密封剂-电池框下部的对称结构。
8.根据权利要求6所述的固体氧化物电解池对称封接方法，其特征在于，所述电池框下部设有嵌槽，所述固体氧化物电解池单池嵌设于所述电池框下部的嵌槽内，所述电池框上部为平框架结构，且设置于所述电池框下部的上方，所述固体氧化物电解池单池两侧的所述电池框上部和所述电池框下部的厚度相等。
9.根据权利要求6所述的固体氧化物电解池对称封接方法，其特征在于，所述电池框下部的三侧边框设有插槽，所述固体氧化物电解池单池插设于所述电池框下部三侧边框的插槽内；所述电池框上部为板条状，且设置于所述电池框下部没有插槽的一边框上，用于固定所述固体氧化物电解池单池。
10.根据权利要求1所述的固体氧化物电解池对称封接方法，其特征在于，所述密封剂为能耐受400～1000℃的耐高温密封剂。
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