專(zhuān)利名稱：一種平板式中溫固體氧化物燃料電池堆的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及能源領(lǐng)域，特別是涉及一種工作溫度為中溫(600 800°C)的平板式固體氧化物燃料電池堆。
背景技術(shù)：
目前關(guān)于固體氧化物燃料(SOFC)單電池的形態(tài)主要有管式、平板式和疊片波紋板式。中溫SOFC (工作溫度在600°C至800°C之間)主要采用平板式電池形態(tài)。中溫平板式固體氧化物燃料電池由陶瓷構(gòu)成，以厚度約1mm的平板陽(yáng)極為支撐體，在其一側(cè)的表面依次燒結(jié)有致密的氧化鋯電解質(zhì)和多孔的陶瓷陰極。在工作溫度環(huán)境下，向陽(yáng)極和陰極分別置于還原氣氛和氧氣氣氛下，電池便可提供電壓，接入負(fù)載，電池就可以輸出電能。單電池開(kāi)路電壓取決于工作溫度和電解質(zhì)兩側(cè)的氧分壓， 一般在1.1V左右，輸出功率主要取決于內(nèi)阻和反應(yīng)區(qū)面積。單電池存在電壓和功率不足的缺陷，因此現(xiàn)有技術(shù)提出了一種電池堆結(jié)構(gòu)，電池堆在電壓功率供應(yīng)方面具有單電池?zé)o法比擬的優(yōu)勢(shì)，但是其必須要解決燃料氣和氧化氣的密封和隔離、電流收集傳導(dǎo)等問(wèn)題。
申請(qǐng)?zhí)枮?2115884.3的中國(guó)專(zhuān)利文件"一種平板式中溫固體氧化物燃料電池堆"給出一種交叉流向的內(nèi)氣道平板SOFC電堆設(shè)計(jì)。
美國(guó)專(zhuān)利Co-flow planar SOFC fliel cell stack (申請(qǐng)?zhí)?824910)給出一種同流向的內(nèi)氣道平板SOFC電堆設(shè)計(jì)。
這兩種內(nèi)氣道設(shè)計(jì)的電堆結(jié)構(gòu)，均由電池，密封材料和金屬連接板依次層疊構(gòu)成，其氣體分配歧道由金屬連接板上的開(kāi)孔和連接板間的密封材料構(gòu)成，裝配較為簡(jiǎn)單，在實(shí)踐中已證明可以達(dá)成氣路密封和收集傳導(dǎo)電流的設(shè)計(jì)目標(biāo)。但這類(lèi)設(shè)計(jì)，其串聯(lián)各單電池的金屬連接板形狀復(fù)雜，加工難度較高。由于密封材料要構(gòu)成每層氣體流道的垂直側(cè)面，中空的面積比單電池面積大得多，因此在制備時(shí)需要裁剪比較大的面積，利用率不高。
實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是提出一種平板式中溫SOFC電池堆，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能可靠，在室溫至工作溫度范圍下均能實(shí)現(xiàn)良好的氣路密封和電流傳導(dǎo)。
一種平板式中溫固體氧化物燃料電池堆，包括工作組件和裝夾組件；工作組件包括交替層疊的金屬連接板和中溫平板式固體氧化物燃料(SOFC)電池,工作組件的最上層和最下層為金屬連接板；SOFC電池與金屬連接板接觸面的邊緣處設(shè)有條形密封墊；金屬連接板的表面開(kāi)有槽道，其與相近的密封墊和SOFC電池一起構(gòu)成電堆內(nèi)部氣道，相鄰的上下氣道方向相互垂直，從而在工作組件側(cè)面形成四組氣道口；裝夾組件包括底座、上端蓋和側(cè)蓋，工作組件放在底座和上端蓋間，側(cè)蓋與工作組件側(cè)面緊密貼合，側(cè)蓋上設(shè)有四個(gè)氣體輸送通道，每個(gè)氣體輸送通道分別與一組氣道口相連通。
所述氣體輸送通道為.*側(cè)蓋與工作組件側(cè)面相接觸的面上開(kāi)有緩沖空腔，緩沖空腔與工作組件側(cè)面的一個(gè)氣道口相連通，緩沖空腔內(nèi)壁開(kāi)有一個(gè)與外界連通的通孔，通孔出口焊接金屬管。
本實(shí)用新型的有益效果體現(xiàn)在本實(shí)用新型在保證SOFC電堆內(nèi)工作氣體之間以及工作氣體與外界環(huán)境相互隔絕的同時(shí)，使SOFC單電池之間的電路連接保持通暢。而且電堆工作組件可以隨施加在其上的壓力變化而上下滑動(dòng)，不影響氣路密封。電堆中單電池的數(shù)量可以方便地?cái)U(kuò)展，只需使用不同高度的側(cè)蓋，不需對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行重大修改。密封方式不采用圈型密封，而是采用條狀密封，大大提高了密封材料的利用率。本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，組裝方便，易于加工制作。


圖1是本實(shí)用新型的SOFC電堆結(jié)構(gòu)圖；圖2是工作組件中的金屬連接板俯視圖；圖3是裝夾組件中側(cè)蓋的立體圖。
具體實(shí)施方式
如圖l所示，平板式中溫SOFC電池堆包括工作組件和裝夾組件；工作組
件由不銹鋼連接板3和SOFC電池6交替層疊構(gòu)成，工作組件的最上層和最下層為不銹鋼連接板，SOFC電池6通過(guò)不銹鋼連接板3串聯(lián)。SOFC電池與金屬連接板接觸面的邊緣處設(shè)有條形密封墊8。不銹鋼連接板3的上下表面均開(kāi)有與外部連通的槽道5，上下槽道方向相互垂直。
在工作組件中，利用鐵素體不銹鋼連接板3將燃料電池單電池6串聯(lián)起來(lái)，并構(gòu)成相互密封隔離的陽(yáng)極和陰極的氣路。
工作組件俯視為與SOFC單電池同尺寸的正方形。電池與連接板交替堆疊，并以連接板為堆疊的起始和終了單元。連接板上下兩面有槽道，與條形密封墊8和單電池6 —起構(gòu)成有入口和出口的通道作為電堆內(nèi)部氣道，供氧化氣和燃料氣分別流過(guò)，上下槽道方向相互垂直(見(jiàn)圖2)，將氧化氣的入口、出口和燃料氣的入口、出口分別排布在電池堆的四個(gè)側(cè)面。電池邊緣和連接板的接觸面之間采用陶瓷條形密封墊8隔開(kāi)，此陶瓷條形密封墊8 —方面對(duì)氣路進(jìn)行密封，另一方面將單電池的陽(yáng)極和陰極絕緣，避免其通過(guò)連接板接觸短路。工作組件頂端和底端的連接板只需一面開(kāi)有槽道。連接板的氣道中裝填多孔波紋不銹鋼板，電池負(fù)極側(cè)的氣道可裝填泡沫鎳，其目的一方面是讓流經(jīng)氣道的氣體均勻分布到單電池的整個(gè)工作面上，另一方面是將電池陰極和陽(yáng)極分別與
連接板接觸，形成良好的電流通路，并對(duì)電池起到支撐作用，防止組裝時(shí)外加垂直壓力破壞電池。連接板槽道側(cè)壁入口和出口以一定角度收縮，減小入口和出口在工作組件側(cè)面的寬度，以擴(kuò)大連接板四角的密封面積和工作組件側(cè)面的密封面積，從而改善工作組件和側(cè)蓋間的密封性能。泡沫鎳和多孔不銹鋼波紋板的厚度略高于槽道深度和密封材料的厚度總和，如此，在外加壓力后，密封材料被壓縮，單電池兩極既可以分別與泡沫鎳和多孔不銹鋼波紋板緊密貼合，又可避免產(chǎn)生過(guò)大的壓力損壞電池。
裝夾組件分為底座4，上端蓋1和側(cè)蓋組2。工作組件被放置在底座上，上端蓋放在工作組件上，側(cè)蓋從四個(gè)側(cè)面將電堆工作組件夾住，相鄰側(cè)蓋之間以螺栓連接，使側(cè)蓋與工作組件側(cè)面緊密貼合，并在環(huán)形密封墊的作用下完成整個(gè)氣路與環(huán)境的隔絕。上端蓋為俯視尺寸與電池尺寸一致的金屬長(zhǎng)方體。底座與上端蓋不同，四周有突出的平臺(tái)，用于給側(cè)蓋在垂直方向定位。側(cè)蓋不僅起固定工作組件的作用，同時(shí)也是氧化和燃料氣體的輸送通道。為完成以上功能，側(cè)蓋兩側(cè)有與密封面成45度角的平臺(tái)，其上有垂直于平臺(tái)法線方向的通孔，螺栓通過(guò)此通孔與相鄰側(cè)蓋相連，完成鎖緊。側(cè)蓋與電堆工作組件側(cè)面接觸的一面開(kāi)有緩沖空腔，緩沖空腔中有一個(gè)與外界相連的通孔，其出口焊不銹并由密封材料隔離側(cè)蓋和工作組件，形成氧氣與燃料氣體相互隔離的氣體通道。裝夾組件將工作組件與環(huán)境隔絕，并完成與外部供氣系統(tǒng)的聯(lián)通和不同氣路的相互隔離。
圖3是側(cè)蓋圖，7是螺栓孔，螺栓用于將相鄰側(cè)蓋相互連接起來(lái)，并施加一定預(yù)緊力使側(cè)蓋與工作組件側(cè)面緊密貼合。9是氣體入口， IO是緩沖空腔，氣體從入口 9進(jìn)入緩沖空腔10，分布均勻后從空腔開(kāi)口通過(guò)工作組件側(cè)面的開(kāi)口進(jìn)入工作組件內(nèi)部，與電池表面接觸反應(yīng)。
權(quán)利要求1、一種平板式中溫固體氧化物燃料電池堆，包括工作組件和裝夾組件，其特征在于所述工作組件包括交替層疊的金屬連接板和中溫平板式固體氧化物燃料(SOFC)電池，最上層和最下層均為金屬連接板；SOFC電池與金屬連接板接觸面的邊緣處設(shè)有條形密封墊；金屬連接板的表面開(kāi)有槽道，其與相近的密封墊和SOFC電池一起構(gòu)成電堆內(nèi)部氣道；相鄰的上下氣道方向相互垂直，從而在工作組件側(cè)面形成四組氣道口；所述裝夾組件包括底座、上端蓋和側(cè)蓋，工作組件放在底座和上端蓋間，側(cè)蓋與工作組件側(cè)面緊密貼合，側(cè)蓋上設(shè)有四個(gè)氣體輸送通道，每個(gè)氣體輸送通道分別與一組氣道口相連通。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的平板式中溫固體氧化物燃料電池堆，其特征 在于，所述氣體輸送通道為側(cè)蓋與工作組件側(cè)面相接觸的面上開(kāi)有緩沖空 腔，緩沖空腔與工作組件側(cè)面的一組氣道口相連通，緩沖空腔內(nèi)壁開(kāi)有一個(gè)與 外界連通的通孔，通孔出口焊接金屬管。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的平板式中溫固體氧化物燃料電池堆，其特征 在于，所述氣道中裝填多孔波紋金屬板，氣道靠近電池負(fù)極處裝填泡沫鎳。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的平板式中溫固體氧化物燃料電池堆，其特征 在于，所述氣道口向內(nèi)收攏。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1或2或3或4所述的平板式中溫固體氧化物燃料電 池堆，其特征在于，所述金屬連接板為不銹鋼連接板。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種中溫平板式固體氧化物燃料電池堆，由具有氣路歧道的側(cè)蓋、上下端蓋及夾持中間的工作組件構(gòu)成，工作組件由金屬連接板與固體氧化物燃料電池交替層疊組成，連接板表面開(kāi)有槽道形成電堆內(nèi)部氣道。氧氣和燃料氣通過(guò)側(cè)蓋的氣路歧道進(jìn)入側(cè)面有氣道口的工作組件，與電池陽(yáng)極、陰極表面接觸反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)生的電流從頂蓋和底座引出。本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能可靠，在室溫至工作溫度范圍下均能實(shí)現(xiàn)良好的氣路密封和電流傳導(dǎo)。
文檔編號(hào)H01M8/02GK201402834SQ200920085649
公開(kāi)日2010年2月10日 申請(qǐng)日期2009年5月8日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月8日
發(fā)明者洲 戴, 箭 李, 波 池, 杰 汪, 健 蒲, 冬 顏 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)