CN201590440U - 平板型燃料电池柔性密封装置 - Google Patents

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平板型燃料电池柔性密封装置，属于固体氧化物燃料电池技术领域，具体涉及一种平板型燃料电池柔性密封装置。其特征在于：在PEN结构(3)和金属框架(7)之间插入Z形密封金属(5)，Z形密封金属(5)上下两平面平行，中间竖直部分为弹簧状。上平面与PEN结构(3)正对，两者之间置入银基钎料(4)，下平面与金属框架(7)正对，两者之间置入镍基钎料(6)。整体结构简单，制作成本低，可靠性好，允许密封材料在使用温度下产生一定的塑性变形，有利于吸收和消除因温度变化产生的热应力，提高SOFC电池堆运行的可靠性。

Description

平板型燃料电池柔性密封装置
技术领域
平板型燃料电池柔性密封装置，属于固体氧化物燃料电池技术领域，具体涉及一种平板型固体氧化物燃料电池柔性密封装置。
背景技术
燃料电池是一种能量转换装置，把贮存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能。燃料电池与常规电池不同，它的燃料和氧化剂不是贮存在电池内，而是贮存在电池外部的贮罐中。当它工作时，需要不间断地向电池内输入燃料和氧化剂，并同时排出反应产物。燃料电池使用的燃料和氧化剂均为流体(即气体和液体)。最常用的燃料为纯氢、各种含氢的气体和某些液体(如甲醇水溶液)。常用的氧化剂为纯氧、净化空气等气体和某些液体(如过氧化氢和硝酸的水溶液等)。根据燃料电池所用电解质情况分类，可将燃料电池分为碱性燃料电池、磷酸型燃料电池、质子交换膜燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池。
固体氧化物燃料电池(SOFC)具有能量转换效率高、环境友好、燃料适应性好等优点，是公认的绿色能源转换技术，在大型电站、分布式供电系统、交通运输、军事领域具有广阔的应用前景。SOFC通常采用的结构有管型和平板型两种。管型SOFC电池组由一端封闭的管状单电池以串联、并联方式组装而成。每个单电池从内到外由多孔支撑管、空气电极、固体电解质薄膜和金属陶瓷阳极组成。主要特点是，组装相对简单(如不涉及高温密封这一技术难题)，容易通过电池单元之间并联和串联组合成大功率的电池组。管型SOFC一般在很高的温度(900～1000℃)下进行操作，主要用于固定电站系统，但缺点是电流通过电池的路径较长，限制了SOFC的性能。
平板型SOFC是将空气电极-固体电解质-燃料电极烧结成一体，组成PEN结构，PEN结构之间通过开设导气沟槽的双极板连接，使之相互串联构成电池组。空气和燃料气在PEN结构的两侧交叉流过。PEN结构与双极板之间通常采用无机黏合材料密封，以有效隔离燃料和氧化剂。目前，最常用的电解质材料为具有立方萤石结构的Y2O3稳定的ZrO2(YSZ)。以YSZ为电解质的燃料电池能够在900～1000℃的高温下工作。
平板型SOFC的优点是PEN结构制备工艺简单，造价低。由于电流收集均匀，流经路径短，致使平板型电池的输出功率密度也较管型高。但其主要缺点是密封困难。如果密封不好，会产生两种情况，一种情况是燃料气体和氧化气体在燃料电池内部混合，在采用氢和氧运行的燃料电池中，这种混合非常危险，容易引起爆炸。另外一种情况是燃料气体或者氧化剂气体向外泄漏，对电池能量利用效率产生影响，而且燃料氢气在外界达到一定浓度，就会导致爆炸。因此，密封技术成为制约平板型燃料电池发展的主要技术难题。国内外学者进行了大量的研究，主要形成了三种密封方法。
硬密封：指密封材料与SOFC之间进行硬连接，封装后密封材料不产生塑性变形的方法。封接时，将密封材料做成所需的形状，然后置于电极之间，将温度升高到一定温度并保温一定时间，即可完成封接。硬密封采用的主要材料有铜焊、银浆、黄金、合金等，但其制造费用较高，金属材料在高温下容易氧化。常常采用玻璃、玻璃陶瓷等低成本材料作为封接材料，但是玻璃陶瓷属于脆性材料，热应力不断累积，不能够产生塑性变形，长时运行很容易产生缺陷和泄漏。
压密封：压密封采用“密封圈”的概念实现密封，通过施加一定的压力来压紧电池堆结构。密封圈采用耐高温材料制成，如云母和银线。但是采用压密封，电池堆结构紧凑型不够好，电池性能较低，不适合长时间运行。
自适应密封：自适应密封是从硬密封延伸而来，即允许密封材料在使用温度下能产生一定的塑性变形，以消除因温度变化产生的热应力。对于采用硬密封封接的SOFC电池堆，热应力是造成断裂失效的主要原因。如果热应力可因密封材料的塑性变形而耗散掉，则可大大提高SOFC电池堆运行的可靠性。Bloom等发现，当密封材料的粘度在104～106Pa·s时，能够耗散掉热膨胀系数(CTE)相差20％所产生的热应力。自适应密封是最为先进的SOFC密封概念，但是自适应密封对密封材料的粘度和化学相提出了更高的要求，粘度太低，密封材料有可能渗入电极材料的孔隙中，且SOFC其他材料间的反应与扩散更加容易；如果太高，又不能有效地消除热应力。当前自适应密封主要采用玻璃及玻璃陶瓷材料，通过玻璃的粘度来耗散热应力。但总的来说，相关研究还很不充分，尚处于探索阶段。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种可靠性好、成本较低、加工方便的平板型燃料电池柔性密封装置及其钎焊工艺。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：该平板型燃料电池柔性密封装置，包括PEN结构和金属框架，其特征在于：在PEN结构和金属框架之间插入Z形密封金属，Z形密封金属上下两平面平行，中间竖直部分为弹簧状，上平面与PEN结构正对，两者之间置入银基钎料，下平面与金属框架正对，两者之间置入镍基钎料。
Z形密封金属厚度均匀，上下两平面与中间竖直部分之间以圆弧过渡连接，连接的过渡圆弧角度为90°。采用圆弧光滑过渡，可以有效降低应力集中。
Z形密封金属厚度为120～160μm。
Z形密封金属上下两平面为具有一定宽度和长度的长方形平板。
Z形密封金属上下两平面长度为2～6mm。
Z形密封金属采用Fe-Cr-Al合金制作。由于Fe-Cr合金服役最高温度可达1300℃，且含有钇元素，能够高温长时间使用，且抗氧化性能好。
金属框架由Haynes214哈氏合金制做，厚度为0.3～0.6mm。Haynes214哈氏合金耐高温、抗蠕变、抗氧化性能好。
所置入的银基钎料为AgCuO，厚度为90～120μm。
所置入的镍基钎料为耐高温抗蠕变性能好的BNi2，厚度为70～100μm。各种材料厚度均经过优化计算，以达到最优效果。
与现有技术相比，本实用新型平板型燃料电池柔性密封装置及其钎焊工艺所具有的有益效果是：所采用Z形密封金属的中间竖直部分为弹簧状，允许密封材料在使用温度下能产生一定的塑性变形，有利于消除因温度变化产生的热应力，提高SOFC电池堆运行的可靠性。整体结构简单，制作成本低，可靠性好。
附图说明
图1是本实用新型平板型燃料电池柔性密封装置结构示意图。
其中：1、燃料通道 2、双极板 3、PEN结构 4、银基钎料 5、Z形密封金属 6、镍基钎料 7、金属框架。
图1是本实用新型平板型燃料电池柔性密封装置及其钎焊工艺的最佳实施例，下面结合附图1对本实用新型做进一步说明：
具体实施方式
实施例1
参照附图1：
平板型燃料电池柔性密封装置由双极板2、PEN结构3、Z形密封金属5和金属框架7组成。在PEN结构3和金属框架7之间插入Z形密封金属5，Z形密封金属5厚度均匀，厚度为120μm，上下两平面平行，中间竖直部分为弹簧状，上下两平面与中间竖直部分之间以圆弧过渡连接，连接的过渡圆弧角度为90°。上下两平面为具有一定宽度和长度的长方形平板，长度为2mm。上平面与PEN结构3正对，两者之间置入银基钎料4，下平面与金属框架7正对，两者之间置入镍基钎料6。银基钎料4为AgCuO，其中含有4％的CuO，厚度为90μm。镍基钎料6为BNi2，厚度为70μm。Z形密封金属5采用Fe-Cr-Al合金制作，其中Al的含量为3％。金属框架7由Haynes214哈氏合金制成，厚度为0.3mm。
钎焊时，将插接好的密封装置用夹具夹紧，放入钎焊炉，缓慢加热到1050℃，保温40min，再缓慢冷却至室温。利用钎料合金的元素扩散，实现连接。
实施例2
平板型燃料电池柔性密封装置由双极板2、PEN结构3、Z形密封金属5和金属框架7组成。在PEN结构3和金属框架7之间插入Z形密封金属5，Z形密封金属5厚度均匀，厚度为140μm，上下两平面平行，中间竖直部分为弹簧状，上下两平面与中间竖直部分之间以圆弧过渡连接，连接的过渡圆弧角度为90°。上下两平面为具有一定宽度和长度的长方形平板，长度为4mm。上平面与PEN结构3正对，两者之间置入银基钎料4，下平面与金属框架7正对，两者之间置入镍基钎料6。银基钎料4为AgCuO，其中含有4％的CuO，厚度为100μm。镍基钎料6为BNi2，厚度为90μm。Z形密封金属5采用Fe-Cr-Al合金制作，其中Al的含量为4％。金属框架7由Haynes214哈氏合金制成，厚度为0.5mm。
钎焊时，将插接好的密封装置用夹具夹紧，放入钎焊炉，缓慢加热到1050℃，保温40min，再缓慢冷却至室温。利用钎料合金的元素扩散，实现连接。
实施例3
平板型燃料电池柔性密封装置由双极板2、PEN结构3、Z形密封金属5和金属框架7组成。在PEN结构3和金属框架7之间插入Z形密封金属5，Z形密封金属5厚度均匀，厚度为160μm，上下两平面平行，中间竖直部分为弹簧状，上下两平面与中间竖直部分之间以圆弧过渡连接，连接的过渡圆弧角度为90°。上下两平面为具有一定宽度和长度的长方形平板，长度为6mm。上平面与PEN结构3正对，两者之间置入银基钎料4，下平面与金属框架7正对，两者之间置入镍基钎料6。银基钎料4为AgCuO，其中含有4％的CuO，厚度为120μm。镍基钎料6为BNi2，厚度为100μm。Z形密封金属5采用Fe-Cr-Al合金制作，其中Al的含量为5％。金属框架7由Haynes214哈氏合金制成，厚度为0.6mm。
钎焊时，将插接好的密封装置用夹具夹紧，放入钎焊炉，缓慢加热到1050℃，保温40min，再缓慢冷却至室温。利用钎料合金的元素扩散，实现连接。
以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非是对本实用新型作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本实用新型技术方案内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本实用新型技术方案的保护范围。

Claims (9)

1.平板型燃料电池柔性密封装置，包括PEN结构(3)和金属框架(7)，其特征在于：在PEN结构(3)和金属框架(7)之间插入Z形密封金属(5)，Z形密封金属(5)上下两平面平行，中间竖直部分为弹簧状，上平面与PEN结构(3)正对，两者之间置入银基钎料(4)，下平面与金属框架(7)正对，两者之间置入镍基钎料(6)。
2.根据权利要求1所述的平板型燃料电池柔性密封装置，其特征在于：Z形密封金属(5)厚度均匀，上下两平面与中间竖直部分之间以圆弧过渡连接，连接的过渡圆弧角度为90°。
3.根据权利要求2所述的平板型燃料电池柔性密封装置，其特征在于：Z形密封金属(5)厚度为120～160μm。
4.根据权利要求1所述的平板型燃料电池柔性密封装置，其特征在于：Z形密封金属(5)上下两平面为具有一定宽度和长度的长方形平板。
5.根据权利要求1或4所述的平板型燃料电池柔性密封装置，其特征在于：Z形密封金属(5)上下两平面长度为2～6mm。
6.根据权利要求1所述的平板型燃料电池柔性密封装置，其特征在于：Z形密封金属(5)采用Fe-Cr-Al合金制作。
7.根据权利要求1所述的平板型燃料电池柔性密封装置，其特征在于：金属框架(7)由Haynes214哈氏合金制成，厚度为0.3～0.6mm。
8.根据权利要求1所述的平板型燃料电池柔性密封装置，其特征在于：所置入的银基钎料(4)厚度为90～120μm。
9.根据权利要求1所述的平板型燃料电池柔性密封装置，其特征在于：所置入的镍基钎料(6)厚度为70～100μm。
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