專利名稱：一種平板式固體氧化物燃料電池的電池堆裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種中、低溫平板式固體氧化物燃料電池堆結構。
背景技術：
平板型的固體氧化物燃料電池堆中，燃料在電池堆內發生化學發應，高溫氣體的 流動和溫度分布對電池堆的燃料利用率和性能具有重要的影響作用。不盡如此，電池堆元 部件單電池與不銹鋼中間連接件、中間連接件與其他組件之間的密封對于防止燃料和氧化
氣體的泄漏，提高電池開路電壓具有重要的意義。高溫固體氧化物燃料電池在高溫運行過 程中，單電池與金屬連接件和其他組件之間的密封要求具有相近的熱膨脹系數和化學相容
性。因此，設計一種具有特殊結構的電池堆，發明一種性能穩定、熱膨脹系數與單電池相近 的復合密封方法具有重要的作用。傳統元部件尤其是中間連接件通常采用的機械加工方法 要求連接件厚度較厚(一般不低于lmm)，從而使得元部件和加工成本都大大提高。為了降 低電池堆的制造成本，元部件(如單電池和中間連接件)的制作方法也有待簡化。
在電池堆結構方面，現有公開的專利，如CN1636296, CN1636284等所描述的結構 為連接件開槽、氣體流動非等距離結構型，使得燃料利用和分布處于非最佳狀態；在電池堆 密封方面，現有公開的專利，如CN 1825672A、 CN 1649186A、 CN 1494176A、 CN 1599092A等 所描述的密封方法有采用微晶玻璃、玻璃基體和陶瓷纖維組成的混合物等為密封材料。然 而，現有的密封材料技術在固體氧化物燃料電池熱循環過程中，由于熱膨脹系數的不同和 化學穩定性的不穩定，導致燃料電池運行過程中出現密封材料與密封部件出現間隙、密封 材料表面剝落或電池開裂等問題，所以需要進一步改進和設計；在電池堆元部件制作方法 方面，文獻報道通常采用機械加工方法，使得元部件及其加工成本都較高，制作工藝有待改 善和簡化。 本申請人采用電池堆+玻璃陶瓷+熱循環+固體氧化物燃料電池 (Steck+Cer咖icglass+Thermal cycling+Solid oxide fuel cell)作為關鍵詞檢索了美國 的《金屬文摘》(MetalsAbstracts)、美國的《工程文摘索引》(EI)、我國的《中國期刊網》和 《維普中文期刊數據庫》等科技文獻索引，均沒有查到完全相關文獻。申請人還檢索了美國 專利文摘和歐洲專利文摘(EP&PCT)與《中國專利信息網》也沒有發現同類專利。
發明內容
本發明所要解決的首要技術問題是提供一種結構合理、便于堆裝、容易組裝生產 的平板式固體氧化物燃料電池的電池堆裝置。 本發明所要解決的另一個技術問題是提供一種氣體流動是等距離結構型、使得燃
料利用和分布處于最佳狀態的平板式固體氧化物燃料電池的電池堆裝置。 本發明所要解決的再一個技術問題是提供一種熱循環密封性能優良、加工制作方
便的平板式固體氧化物燃料電池的電池堆裝置。 本發明解決上述技術問題所采用的技術方案為一種平板式固體氧化物燃料電池的電池堆裝置，其包括有電池單元、燃料氣體進氣管、燃料氣體出氣管、氧化氣體進氣管、氧 化氣體出氣管，其特征在于 下蓋板是中空的，分割出左、右空腔作為燃料氣體空腔和氧化氣體空腔，分別與燃 料氣體進氣管和氧化氣體進氣管連通，對應地，上蓋板也是中空的，分割出右、左空腔作為 反應過的燃料氣體空腔和反應過的氧化氣體空腔，分別與燃料氣體出氣管和氧化氣體出氣 管連通； 與燃料氣體空腔連通、位于下蓋板側邊上的燃料氣體空腔出口依次通過側邊開孔 的密封復合組件、側邊開孔的下接線板、側邊開孔的密封復合組件、與氣道下密封組件側邊 上的延伸進口連通，而氣道下密封組件相反方向側邊上的延伸出口依次經過電池相反方向 的側邊開孔，再依次通過氣道上密封組件相反方向側邊上的開孔、相反方向側邊開孔的密 封復合組件、相反方向側邊開孔的上接線板、相反方向側邊開孔的密封復合組件，與上蓋板 對應側邊上、反應過的燃料氣體空腔連通； 與氧化氣體空腔連通、位于下蓋板側邊上的氧化氣體空腔出口依次通過側邊開孔 的密封復合組件、側邊開孔的下接線板、側邊開孔的密封復合組件、側邊開孔的氣道下密封 組件、側邊開孔的電池單元與氣道上密封組件側邊上的延伸進口連通，而氣道上密封組件 相反方向側邊上的延伸出口依次經相反方向側邊開孔的密封復合組件、相反方向側邊開孔 的上接線板、相反方向側邊開孔的密封復合組件，與上蓋板對應側邊上、反應過的氧化氣體 空腔連通； 下蓋板、密封復合組件、下接線板、密封復合組件、氣道下密封組件，電池單元、氣 道上密封組件、密封復合組件、上接線板、密封復合組件與上蓋板的角落部位用連接桿穿置 固定起來。 作為改進，所述的電池單元與氣道下密封組件和氣道上密封組件之間的間距是等 間距的，使得燃料利用和分布處于最佳狀態。 作為改進，所述的氣道下密封組件和氣道上密封組件中的連接件中間區域是采用 蜂窩板形狀，采用沖壓或蝕刻方法制備而成。以提高氣流擾動，獲得更加好的反應傳熱效 果。 作為改進，所述的連接桿的下端是帶螺母的，上部套上壓套和彈簧用螺母限位固 定，以便于組裝生產。 進一步改進，所述的密封復合組件是由不銹鋼間隔板及粘貼于不銹鋼間隔板兩側 的玻璃陶瓷非晶材料組成， 玻璃陶瓷非晶材料包括有如下重量份數配比的組分A1A10 '17 ;Si0235 - 55 ;cao28 - 38， 微量元素 0. 8 3. 8。 作為改進，所述的微量元素包括0. 5 2. 0重量份數的Zn和0. 3 1. 8重量份數 的F。 所述的玻璃陶瓷非晶材料固定于不銹鋼間隔板兩側具體條件如下置于加熱爐 中，在4 6kg的壓力下按照4 6°C /min的程序升溫到840 86(TC后保溫1. 5 2. 5小時，并進行2 4次熱循環。 最后，所述的玻璃陶瓷非晶材料的密封層厚度小于lmm。 與現有技術相比，本發明的優點在于本發明適用于中、低溫固體氧化物燃料電池 堆結構設計與元部件制作，電池堆元部件單電池與不銹鋼中間連接件、不銹鋼中間連接件 之間的可熱循環密封，如Ni-YSZ/YSZ/LSM-YSZ與430不銹鋼中間連接件、Crofer 22APU不 銹鋼等，本發明是針對中、低溫固體氧化物燃料電池堆結構設計、單電池與不銹鋼連接件、 不銹鋼連接件與其他組件之間可熱循環密封、電池堆元部件制作的新方法，形成具有等距 離氣體流道、可熱循環性能、元部件制作工藝簡單的電池堆；制作后經測試，燃料氣體從進 口到出口距離相等，密封材料元素經過高溫后未擴散進入單電池，元部件制作工藝簡單，表 明燃料經過電池表面發生化學反應的時間相等，密封材料不會對單電池性能產生破壞作 用，密封材料與SUS430不銹鋼的界面潤濕性能良好，具有優異的熱循環密封性能；由本發 明制作的電池堆結構及其密封性能測試可得到長時間穩定的電池電壓和優異的熱循環性
圖1為高溫密封氣體陰極和陽極等距離流道電池堆結構示意圖。 圖2為電池堆中間連接件示意圖。 圖3為圖2的側視圖。 圖4為圖2中A部放大圖。 圖5為圖3中B部放大圖。 圖6為電池堆密封復合組件結構示意圖。 圖7為未經過燒結的密封材料200°C高溫影像圖譜。 圖8為未經過燒結的密封材料750°C高溫影像圖譜。 圖9為未經過燒結的密封材料800°C高溫影像圖譜。 圖10為未經過燒結的密封材料850°C高溫影像圖譜。 圖11為經過燒結的密封材料20(TC高溫影像圖譜。 圖12為經過燒結的密封材料80(TC高溫影像圖譜。 圖13為經過燒結的密封材料85(TC高溫影像圖譜。 圖14為經過燒結的密封材料90(TC高溫影像圖譜。 圖15為經過熱循環燒結前、后密封材料的XRD衍射結果圖。 圖16為密封材料與Ni-YSZ/YSZ/LSM-YSZ單電池的界面形貌圖。 圖17為密封材料和Ni-YSZ/YSZ/LSM-YSZ單電池在界面的元素分布圖。 圖18為密封材料與SUS430不銹鋼中間連接件的界面形貌圖。 圖19為單元電池短堆電壓測試結果圖。 圖20為單元電池短堆熱循環測試結果圖。
具體實施例方式
以下結合附圖實施例對本發明作進一步詳細描述。 實例一
見圖1，一種電池堆裝置，其包括有電池單元1、燃料氣體進氣管2、燃料氣體出氣 管3、氧化氣體進氣管4、氧化氣體出氣管5，其中 下蓋板6是中空的，分割出左、右空腔作為燃料氣體空腔和氧化氣體空腔，分別與 燃料氣體進氣管2和氧化氣體進氣管4連通，對應地，上蓋板20也是中空的，分割出右、左 空腔作為反應過的燃料氣體空腔和反應過的氧化氣體空腔，分別與燃料氣體出氣管3和氧 化氣體出氣管5連通； 與燃料氣體空腔連通、位于下蓋板6側邊上的燃料氣體空腔出口依次通過左側邊 開孔7. 1的密封復合組件7、左側邊開孔8. 1的下接線板8、左側邊開孔9. 1的密封復合組 件9、與氣道下密封組件10左側邊上的延伸進口 10. 1連通，而氣道下密封組件10右側邊上 的延伸出口 10. 2依次經過電池單元1右側邊開孔1. 2，再依次通過氣道上密封組件11右側 邊上的開孔11. 3、右側邊開孔12. 2的密封復合組件12、右側邊開孔的上接線板13、右側邊 開孔14. 2的密封復合組件14，與上蓋板20右側邊上、反應過的燃料氣體空腔連通；
類似地，與氧化氣體空腔連通、位于下蓋板6右側邊上的氧化氣體空腔出口依次 通過右側邊開孔7. 2的密封復合組件7、右側邊開孔8. 2的下接線板8、右側邊開孔9. 2的 密封復合組件9、右側邊開孔的氣道下密封組件10、右側邊開孔1. 1的電池單元1與氣道上 密封組件11右側邊上的延伸進口 11. 2連通，而氣道上密封組件左側邊上的延伸出口 11. 1 依次經過左側邊開孔12. 1的密封復合組件12、左側邊開孔的上接線板13、左側邊開孔14. 1 的密封復合組件14，與上蓋板20左側邊上、反應過的氧化氣體空腔連通；
這樣可以使燃料氣體和氧化氣體分別在氣道上、下密封組件與電池單元構成的空 腔中流動； 下蓋板6、密封復合組件7、下接線板8、密封復合組件9、氣道下密封組件10，電池 單元1、氣道上密封組件11、密封復合組件12、上接線板13、密封復合組件14與上蓋板20 的角落部位用連接桿15穿置固定起來，連接桿15的下端是帶螺母16的，上部套上壓套17 和彈簧18用螺母19從而限位固定。 本實施例子中，電池單元1與氣道下密封組件10和氣道上密封組件11之間的間 距是等間距的。氣道下密封組件IO和氣道上密封組件11中的連接件中間區域是采用蜂窩 板形狀。氣道上、下密封組件是由兩部分組成的。 見圖6，密封復合組件是由不銹鋼間隔板2a及粘貼于不銹鋼間隔板兩側的玻璃陶 瓷非晶材料la、3a組成， 玻璃陶瓷非晶材料包括有如下重量份數配比的組分
A120310 17 ;
Si02 3 5 55 ; CaO 28 38 ; 微量元素0. 8 3. 8。其中玻璃陶瓷非晶材料中的微量元素包括0. 5 2. 0重量 份數的Zn和0. 3 1. 8重量份數的F。 玻璃陶瓷非晶材料固定于不銹鋼間隔板兩側具體條件如下置于加熱爐中，在 4 6kg的壓力下按照4 6°C /min的程序升溫到840 86(TC后保溫1. 5 2. 5小時，并 進行2 4次熱循環。使玻璃陶瓷非晶材料的密封層厚度小于lmm。
實例二
電池堆可熱循環密封材料的性能測試。密封材料的主要成分比例為14wt. %的 Al203，34. 8wt. X的Ca0，47. 9wt. %的Si02，其他微量元素3. 3wt. %，其中微量元素可以包 括Zn和F。將經過熱循環前、后的密封材料壓制成為①6X8mm的小圓柱，置放于SJY高溫 影像燒結儀內，按照5°C /min程序升溫至90(TC，對其燒結前后的軟化性能進行觀察。圖7 至圖IO為未燒結之前的高溫影像顯示圖譜，從圖中可以看出，密封材料在80(TC有軟化的 跡象，85(TC后完全軟化。圖11至圖14為經過熱循環燒結的高溫影像顯示圖譜，結果顯示 經過燒結后的密封材料在90(TC時軟化。圖15為經過85(TC燒結前、后的XRD衍射，結果顯 示均為非晶相。上述結果表明，該種密封材料在低于85(TC時具有良好的熱循環性能。本 實施例中的密封材料的主要成分比例可以擴大到如下重量百分比的組分范圍A1203 10 17% ;Si02 3 5 55% ;CaO 28 38%。
實例三 密封材料與單電池Ni-YSZ/YSZ/LSM-YSZ的界面潤濕。為了進行與密封材料與陽 極支撐平板型單電池Ni-YSZ/YSZ/LSM-YSZ的界面潤濕性能測試，將密封材料粘貼于單電 池兩側。隨后置于加熱爐中，在4 6kg的壓力下按照5°C /min的程序升溫到85(TC后保 溫2小時，并進行三次熱循環。實驗結束待加熱爐緩慢冷卻至室溫后，采用掃描電鏡對其界 面形貌進行觀察，并對其界面的元素分布進行了分析，結果如圖11、12所示。從圖中16可 以看出，經過三次熱循環后，該種密封材料與單電池的界面潤濕性能良好，表明具有優異的 熱循環密封性能。從圖17可以看出，該種密封材料元素經過高溫后未擴散進入單電池，表 明密封材料不會對單電池性能產生破壞作用，密封層厚度約為100 ym。
實例四 密封材料與SUS430不銹鋼的界面潤濕。將實例一中的密封玻璃粘貼于0. 3mm厚 的SUS430不銹鋼兩側。隨后置于加熱爐中，在4 6kg的壓力下按照5°C /min的程序升溫 到85(TC后保溫2小時，并進行三次熱循環。實驗結束待加熱爐緩慢冷卻至室溫后，采用掃 描電鏡對其界面形貌進行觀察，結果如圖18所示。從圖中可以看出，經過三次熱循環后，該 種密封材料與SUS430不銹鋼的界面潤濕性能良好，表明具有優異的熱循環密封性能。
實例五 單元電池堆重復單元熱循環密封測試。采用實例一中的電池堆結構和實例二中的 可熱循環密封材料，組裝成電池堆重復單元(包括上、下蓋板、連接件、密封復合組件和中 間連接件)，并對其開路電壓和熱循環性能進行測試，結果如圖19、20所示。從圖中可以看 出，電池堆重復單元開路電壓超過1. 1V，表明密封性能優異。電池堆重復單元經歷了 46次 熱循環，運行時間1350h ，表明熱循環性能優異。
權利要求
一種平板式固體氧化物燃料電池的電池堆裝置，其包括有電池單元、燃料氣體進氣管、燃料氣體出氣管、氧化氣體進氣管、氧化氣體出氣管，其特征在于下蓋板是中空的，分割出左、右空腔作為燃料氣體空腔和氧化氣體空腔，分別與燃料氣體進氣管和氧化氣體進氣管連通，對應地，上蓋板也是中空的，分割出右、左空腔作為反應過的燃料氣體空腔和反應過的氧化氣體空腔，分別與燃料氣體出氣管和氧化氣體出氣管連通；與燃料氣體空腔連通、位于下蓋板側邊上的燃料氣體空腔出口依次通過側邊開孔的密封復合組件、側邊開孔的下接線板、側邊開孔的密封復合組件、與氣道下密封組件側邊上的延伸進口連通，而氣道下密封組件相反方向側邊上的延伸出口依次經過電池單元相反方向的側邊開孔，再依次通過氣道上密封組件相反方向側邊上的開孔、相反方向側邊開孔的密封復合組件、相反方向側邊開孔的上接線板、相反方向側邊開孔的密封復合組件，與上蓋板對應側邊上、反應過的燃料氣體空腔連通；與氧化氣體空腔連通、位于下蓋板側邊上的氧化氣體空腔出口依次通過側邊開孔的密封復合組件、側邊開孔的下接線板、側邊開孔的密封復合組件、側邊開孔的氣道下密封組件、側邊開孔的電池單元與氣道上密封組件側邊上的延伸進口連通，而氣道上密封組件相反方向側邊上的延伸出口依次經相反方向側邊開孔的密封復合組件、相反方向側邊開孔的上接線板、相反方向側邊開孔的密封復合組件，與上蓋板對應側邊上、反應過的氧化氣體空腔連通；下蓋板、密封復合組件、下接線板、密封復合組件、氣道下密封組件，電池單元、氣道上密封組件、密封復合組件、上接線板、密封復合組件與上蓋板的角落部位用連接桿穿置固定起來。
2. 根據權利要求1所述的電池堆裝置，其特征在于所述的電池單元與氣道下密封組件和氣道上密封組件之間的間距是等間距的。
3. 根據權利要求1所述的電池堆裝置，其特征在于所述的氣道下密封組件和氣道上密封組件中的連接件中間區域是采用蜂窩板形狀，采用沖壓或蝕刻方法制備而成。
4. 根據權利要求1所述的電池堆裝置，其特征在于所述的連接桿的下端是帶螺母的，上部套上壓套和彈簧用螺母限位固定。
5. 根據權利要求1至4任意一項權利要求所述的電池堆裝置，其特征在于所述的密封復合組件是由不銹鋼間隔板及粘貼于不銹鋼間隔板兩側的玻璃陶瓷非晶材料組成，玻璃陶瓷非晶材料包括有如下重量份數配比的組分A120310 '17 ;Si0235 - 55 ;Ca028 - 38，微量元素0. 8 3. 8。
6. 根據權利要求5所述的電池堆裝置，其特征在于所述的微量元素包括0. 5 2. 0重量份數的Zn和0. 3 1. 8重量份數的F。
7. 根據權利要求6所述的電池堆裝置，其特征在于所述的玻璃陶瓷非晶材料固定于不銹鋼間隔板兩側具體條件如下置于加熱爐中，在4 6kg的壓力下按照4 6°C /min的程序升溫到840 860。C后保溫1. 5 2. 5小時，并進行2 4次熱循環。
8.根據權利要求7所述的電池堆裝置，其特征在于所述的玻璃陶瓷非晶材料的密封層厚度小于1mm 。
全文摘要
一種平板式固體氧化物燃料電池的電池堆裝置，其包括有電池單元、燃料氣體進氣管、燃料氣體出氣管、氧化氣體進氣管、氧化氣體出氣管，其特征在于下蓋板、密封復合組件、下接線板、密封復合組件、氣道下密封組件，電池單元、氣道上密封組件、密封復合組件、上接線板、密封復合組件與上蓋板的角落部位用連接桿穿置固定起來，并通過側邊的開孔使氣道上下密封組件與電池單元之間形成流道，其結構合理、便于堆裝、容易組裝生產，密封性能良好。
文檔編號H01M8/04GK101777662SQ200910095328
公開日2010年7月14日 申請日期2009年1月8日 優先權日2009年1月8日
發明者官萬兵, 李方虎, 李智, 王蔚國, 翟惠娟 申請人:中國科學院寧波材料技術與工程研究所