CN1302569C - 一种中温固体氧化物燃料电池双极板及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型中温固体氧化物燃料电池双极板及其应用，双极板依次由外形相同的阳极流场板、阳极通道板、分隔板、阴极通道板和阴极流场板固接而成；在每块板的四周分别设有气体通道，板与板之间对应的气体通道相互连通；阳极流场板的中部设有竖向条形孔；在阳极通道板上、下二端的气体通道内侧分别向内设有顶端封闭的竖向条形孔，竖向条形孔与阳极流场板上的竖向条形孔对应并部分重合；阴极流场板的中部设有横向条形孔：在阴极通道板左、右二端的气体通道内侧分别向内设有顶端封闭的横向条形孔，横向条形孔与阴极流场板上的横向条形孔对应并部分重合；本发明双极板具有厚度小，重量轻导电性好，耐腐蚀性强等优点。
Description
技术领域
本发明涉及固体氧化物燃料电池，具体说是一种新型中温固体氧化物燃料电池双极板及其应用。
背景技术
固体氧化物燃料电池是一种将化学能直接转化为电能的发电装置，是二十世纪80年代迅速发展起来的新型燃料电池技术。在该装置中，燃料气(H2、CH4、CO等)和氧化剂(空气，氧气)被可传导氧离子的固体电解质膜隔开，常用的固体电解质为钇稳定氧化锆(YSZ)。在一定温度下，阴极侧的O2-可穿过电解质膜到达阳极侧与燃料发生氧化反应，为了电荷平衡，阳极侧因还原反应而生成的富余电子则通过外电路到达阴极，把阴极侧的O2还原为O2-，在该过程中，由于外电路中有电子的通过，从而可向外界提供电能。为了提高上述电化学反应的活性，往往在固体电解质膜的两侧各涂敷一层多孔催化剂，在阳极侧常用催化剂为NiO/ZrO2多孔陶瓷，阴极侧为晶格结构为钙钛矿型的含La，Sr，Mn的氧化物。
在理论上，一个单电池的开路电位仅为1伏左右，很难满足人们日常生产生活的需要，为了使其成为实用型的发电技术，必需把多个单电池叠加起来串联成电池组对外供电，这就需要双极板来连接相邻单电池的阳极和阴极。双极板是燃料电池系统的一个重要部件，因其不但起到分隔相邻单电池的燃料气和氧气的作用，还起到分配气体和传导电流的作用。一般来说，作为中温固体氧化物燃料电池的双极板必须有下述特性：
1.一定的机械强度；
2.气密性好；
3.造价低廉，易加工；
4.有与电极材料相近的热膨胀系数；
5.良好的导电性；
6.在较高温度下的氧化和还原气氛中均耐腐蚀。
由于上述条件材料的限制，目前，常用的双极板材料有LCC(La1-xCaxCrO3)(美国专利：US006228520B1)和铬-镍合金材料(美国专利：US005733682A)，就LCC材料而言，虽然其抗高温氧化性强，电导率高，热膨胀系数与电极材料相近，但是其烧结性能差，很难制备成型，况且价格昂贵，双极板的造价占电池组总造价的80％。相对而言，铬-镍合金材料虽能部分克服LCC材料的不足，但其长期使用稳定性差，Cr元素在高温下易挥发，挥发出的Cr元素沉积在阳极表面使阳极催化剂中毒。
由于双极板同时是气体分隔板和气体流场分布板，其两侧均需开布复杂的气体通道，对其气密性和机械强度均有较高要求，在现有的机械加工技术和成型技术的条件下，上述材料所做的双极板体积大，重量重。一般固体电解质膜和电极材料的总厚度在1mm以下，而双极板的厚度在6-10mm，有的甚至超过10mm；双极板的重量占整个电池组重量的95％以上，大大降低了整个电池的单位重量输出功率和单位体积输出功率。
再者，对厚重的双极板而言，由于其内部应力很难消除，在高温使用过程中易变形，这就给整个电池组的高温密封带来很大困难。
发明内容
本发明的目的在于提供一种双极板厚度小，重量轻，导电性好，耐腐蚀性强的一种新型中温固体氧化物燃料电池双极板及其应用。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种新型中温固体氧化物燃料电池双极板，依次由外形相同的阳极流场板、阳极通道板、分隔板、阴极通道板和阴极流场板固接而成；在每块板的四周分别设有气体通道，上侧通道为阳极进气通道，下侧通道为阳极尾气通道，左侧通道为阴极进气通道，右侧通道为阴极尾气通道，板与板之间对应的气体通道相互连通且形状、尺寸相同；阳极流场板的中部设有不与该板气体通道相通的竖向条形孔，作用是传输并高效分布阳极气，其宽度可以相同或不同；在阳极通道板上、下二端的气体通道内侧分别向内设有顶端封闭的竖向条形孔，竖向条形孔的位置、形状与阳极流场板上的竖向条形孔对应，并部分重合；阴极流场板的中部设有不与该板气体通道相通的横向条形孔，作用是传输并高效分布阴极气，其宽度可以相同或不同；在阴极通道板左、右二端的气体通道内侧分别向内设有顶端封闭的横向条形孔，横向条形孔的位置、形状与阴极流场板上的横向条形孔对应，并部分重合。
所述阳极流场板、阳极通道板、阴极通道板和阴极流场板的厚度为0.1-1mm，其上的条形孔的宽度为0.1-10mm；所述阳极流场板与阳极通道板、阴极流场板与阴极通道板上条形孔重合部分，分别为阳极流场板和阴极流场板上条形孔长度的1～20％；阳极流场板和阴极流场板上条形孔的面积占流场板有效面积的5％-75％；在阳极通道板上下二端的气体通道上和/或阴极通道板的左右二端的气体通道上设有支撑条，用以增加双极板的整体强度，支撑条的宽度为2-15mm；分隔板的厚度为0.5-1mm，其作用是阻止单电池的阳极气与相邻单电池的阴极气相混；双极板由镍基合金材料制成，其中镍含量大于80％；所述阳极流场板、阳极通道板、分隔板、阴极通道板和阴极流场板可采用机械加工的方法制备，各部件加工好后，在其表面喷涂一层焊料，用焊接技术将其焊接在一起。
本发明双极板的使用温度范围通常为600～900℃。
本发明具有如下优点：
1.双极板厚度小，重量轻，电池的单位重量输出功率和单位体积输出功率高。本发明双极板采用多层复合法制作，把一个双极板分为五层，依次为阳极流场板，阳极通道板，分隔板，阴极通道板和，阴极流场板，每一层分别设计加工，然后再把各层焊接在一起成为一个双极板，克服了现有机械加工技术和成型技术对双极板的厚度要求，消除了由于机械加工的困难而需增加双极板厚度的缺点，使双极板厚度、重量减小，从而提高了整个电池的单位重量输出功率和单位体积输出功率。
2.导电性好，耐腐蚀性强。本发明采用金属合金材料制作双极板，特别选取性能很好的镍含量在80％以上的镍基合金材料，使双极板具有良好的导电性和耐腐蚀性等优点。
附图说明
下面通过附图，结合实例对本发明做进一步说明。
附图1为阳极流场板结构示意图(有效面积100cm2)；
附图2为阳极通道板结构示意图；
附图3为分隔板结构示意图；
附图4为阴极通道板结构示意图；
附图5为阴极流场板结构示意图(有效面积100cm2)；
附图6为本发明(各层复合)结构示意图。
具体实施方式
实施例1
一种新型中温固体氧化物燃料电池双极板，依次由外形相同的阳极流场板1、阳极通道板2、分隔板3、阴极通道板4和阴极流场板5采用机械加工的方法制备，各部件加工好后，在其表面喷涂一层焊料，用焊接技术将其焊接在一起；在每块板的四周分别设有气体通道，上侧通道为阳极进气通道6，下侧通道为阳极尾气通道7，左侧通道为阴极进气通道8，右侧通道为阴极尾气通道9，板与板之间对应的气体通道相互连通且形状、尺寸相同；阳极流场板的中部设有不与该板气体通道相通的竖向条形孔，作用是传输并高效分布阳极气，其宽度相同，在阳极通道板上、下二端的气体通道内侧分别向内设有顶端封闭的竖向条形孔，竖向条形孔的位置、形状与阳极流场板上的竖向条形孔对应，并部分重合；阴极流场板的中部设有不与该板气体通道相通的横向条形孔，作用是传输并高效分布阴极气，其宽度相同；在阴极通道板左、右二端的气体通道内侧分别向内设有顶端封闭的横向条形孔，横向条形孔的位置、形状与阴极流场板上的横向条形孔对应，并部分重合。
阳极流场板、阳极通道板、阴极通道板和阴极流场板的厚度为0.5mm，阳极流场板与阳极通道板、阴极流场板与阴极通道板上条形孔重合部分，分别为阳极流场板和阴极流场板上条形孔长度的10％，在阳极通道板上下二端的气体通道上和/或阴极通道板的左右二端的气体通道上分别设有二个支撑条，用以增加双极板的整体强度，支撑条的宽度为5mm；分隔板的厚度为1mm；双极板由镍基合金材料制成，其中镍含量为85％；
按上述设计加工，双极板的厚度为3mm，重量为0.756Kg，有效面积为100cm2，每个条形孔的宽度为3mm，条形孔总面积为50cm2，占整个双极板有效面积的50％。
实施例2
为了降低电池组的内阻，增加电极与双极板的接触面积，仿照实施例1制造出条形孔总面积为5cm2的双极板，在该双极板中，每个条形孔的宽度仅为0.3mm。
实施例3
由实施例1中的双极板组成电池组，在750℃，电池组得到最大输出功率为720W。
Claims (10)
1.一种中温固体氧化物燃料电池双极板，其特征在于：双极板依次由外形相同的阳极流场板、阳极通道板、分隔板、阴极通道板和阴极流场板焊接而成；在每块板的四周分别设有气体通道，板与板之间对应的气体通道相互连通且形状、尺寸相同；阳极流场板的中部设有竖向条形孔；在阳极通道板上、下二端的气体通道内侧分别向内设有顶端封闭的竖向条形孔，竖向条形孔与阳极流场板上的竖向条形孔对应并部分重合；阴极流场板的中部设有横向条形孔：在阴极通道板左、右二端的气体通道内侧分别向内设有顶端封闭的横向条形孔，横向条形孔与阴极流场板上的横向条形孔对应并部分重合。
2.根据权利要求1所述中温固体氧化物燃料电池双极板，其特征在于：所述阳极流场板、阳极通道板、阴极通道板和阴极流场板的厚度为0.1-1mm。
3.根据权利要求1所述中温固体氧化物燃料电池双极板，其特征在于：所述阳极流场板、阳极通道板、阴极通道板和阴极流场板上条形孔的宽度为0.1-10mm。
4.根据权利要求1所型中温固体氧化物燃料电池双极板，其特征在于：所述阳极流场板与阳极通道板、阴极流场板与阴极通道板上条形孔重合部分分别为阳极流场板和阴极流场板上条形孔长度的1～20％。
5.根据权利要求1所述中温固体氧化物燃料电池双极板，其特征在于：所述阳极流场板和阴极流场板上条形孔的面积占流场板有效面积的5％75％。
6.根据权利要求1所述中温固体氧化物燃料电池双极板，其特征在于：在阳极通道板上下二端的气体通道上和/或阴极通道板的左右二端的气体通道上设有支撑条。
7.根据权利要求6所述中温固体氧化物燃料电池双极板，其特征在于：所述支撑条的宽度为2-15mm。
8.根据权利要求1所述中温固体氧化物燃料电池双极板，其特征在于：所述分隔板的厚度为0.5-1mm。
9.根据权利要求1所述中温固体氧化物燃料电池双极板，其特征在于：双极板由镍基合金材料制成，其中镍含量大于80％。
10.一种权利要求1所述中温固体氧化物燃料电池双极板的应用，其特征在于：双极板的使用温度范围为600～900℃。
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| CX01 | Expiry of patent term |
Granted publication date: 20070228 |