專利名稱：可拆卸的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：
本發(fā)明涉及一種燃料電池技術(shù)領(lǐng)域的電池堆，具體涉及一種可拆卸的平板式中溫固體氧化物燃料電池堆。
背景技術(shù)：
固體氧化物燃料電池是一種通過電化學(xué)反應(yīng)將燃料中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)變成電能的全固態(tài)發(fā)電器件，它不需經(jīng)過從燃料化學(xué)能→熱能→機(jī)械能→電能的轉(zhuǎn)變過程，具有許多優(yōu)點(diǎn)，并具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。平板式固體氧化物燃料電池，尤其是中溫固體氧化物燃料電池(500～800℃)，是目前國際固體氧化物燃料電池研究的前沿和熱點(diǎn)，其最突出的優(yōu)點(diǎn)是在保證高功率密度的同時(shí)，可使用不銹鋼等合金作為連接體材料，降低了對(duì)密封等其它材料的要求，可采用低成本的陶瓷制備工藝，可望大幅降低固體氧化物燃料電池的制造成本。其中，Ni-YSZ(YSZ釔穩(wěn)定氧化鋯)陽極支撐中溫固體氧化物燃料電池近年來在國際上得到了廣泛的重視。目前典型的陽極支撐中溫固體氧化物燃料電池堆中采用玻璃作為密封材料，但在高溫下玻璃軟化并析晶而成為微晶玻璃，因而各電池堆單元間靠剛性的微晶玻璃連接，難以進(jìn)行拆卸。雖然這種密封方式能達(dá)到很高的氣密性能，但在電池堆運(yùn)行過程中因冷熱循環(huán)或熱沖擊，微晶玻璃很有可能產(chǎn)生裂縫導(dǎo)致氣密性失效；而且如果一個(gè)或多個(gè)單電池?fù)p壞，因電池堆單元難以進(jìn)行拆卸，從而導(dǎo)致整個(gè)電池堆報(bào)廢。
經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，中國專利公告號(hào)CN1252844C、名稱為“一種新型平板組裝式固體氧化物燃料電池”的專利，介紹了平板組裝式、可拆卸的、串并聯(lián)混合的固體氧化物燃料電池，包括通過導(dǎo)電連接結(jié)構(gòu)連接的多個(gè)單電池，其中，導(dǎo)電連接結(jié)構(gòu)為可拆卸的導(dǎo)電連接結(jié)構(gòu)，該專利雖然避免了由于一個(gè)單電池或某一個(gè)部件損壞而造成的整個(gè)電堆報(bào)廢的風(fēng)險(xiǎn)，但是，其在密封性和絕緣性方面仍存在問題，如單電池之間雖然有導(dǎo)電彈性連接體連接，但是，電池四周的密封，僅僅依賴于金屬體的直接機(jī)械接觸，而沒有彈性的物質(zhì)襯墊，可能會(huì)造成漏氣；同時(shí)，密封墊圈的材料也是由金屬制成的，有可能造成短路，并且水平放置的電堆和垂直放置的金屬配氣板之間，也存在著密封的問題和電氣絕緣問題。另外，整個(gè)電池堆的基本元件的個(gè)數(shù)比較多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種可拆卸的平板式中溫固體氧化物燃料電池堆，使其結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)、緊湊，組裝、拆卸靈活、方便，同時(shí)避免了可能存在的密封和絕緣性問題。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明包括兩個(gè)以上相同的電池單元，各個(gè)電池單元依次垂直堆疊，每個(gè)電池單元包括不銹鋼連接體、單電池和絕緣密封墊圈，絕緣密封墊圈位于不銹鋼連接體的上端，單電池固定在不銹鋼連接體內(nèi)。
所述的單電池，包括陽極、電解質(zhì)和陰極，陰極疊放于電解質(zhì)上，電解質(zhì)疊放于陽極上。
所述的絕緣密封墊圈中間為空腔，左右兩端分別為開有兩個(gè)孔的薄片。
所述的不銹鋼連接體的底部有凸臺(tái)，中央有凹槽，左右兩側(cè)有互相獨(dú)立、互相平行的陰極氣體和陽極氣體的總管和分配管，使得該連接體不僅能作為單個(gè)電池之間連通的導(dǎo)體，而且還能作為氣體的流通總管道和分配管道，把陰極氣體和陽極氣體分別輸送和分配到電池中，并把反應(yīng)后的氣體再回收到陰、陽極氣體的總管中，氣體的流向設(shè)計(jì)為平行對(duì)流的模式，可以使進(jìn)入電池較低溫度的氣體與經(jīng)反應(yīng)后的較高溫度的氣體，在每一個(gè)單電池中實(shí)現(xiàn)溫度的均恒，避免由于某一點(diǎn)溫度過高而引起的熱的損傷和熱應(yīng)力。
單電池可采用多孔陽極支撐體結(jié)構(gòu)或多孔金屬支撐體結(jié)構(gòu)，其中的陽極和電解質(zhì)的外形尺寸相同，而陰極的外形尺寸要比陽極和電解質(zhì)小，通過采用合金或玻璃焊料進(jìn)行封接，將支撐體(即多孔基體)支撐的單電池直接固定在不銹鋼連接體的中央凹槽內(nèi)，在陽極氣體導(dǎo)入、導(dǎo)出管和陰極氣體導(dǎo)入、導(dǎo)出管之間，同時(shí)保證釬焊焊料不與陰極接觸，這樣，外形尺寸小于陽極和電解質(zhì)的陰極，通過電解質(zhì)這種電子絕緣體材料，在單電池中和陽極以及不銹鋼連接體進(jìn)行了電氣絕緣。
單電池的支撐體(即多孔基體)和不銹鋼連接體中央凹槽的底部，構(gòu)成了陽極室；而單電池的陰極和上一個(gè)電池單元中的不銹鋼連接體底部凸臺(tái)，構(gòu)成了陰極室。在陽極室中放置陽極高彈性導(dǎo)電網(wǎng)，與支撐體和不銹鋼連接體的中央凹槽底部緊密接觸；在陰極室中放置陰極導(dǎo)電網(wǎng)，與單電池的陰極和上一個(gè)電池單元中的不銹鋼連接體的底部凸臺(tái)緊密接觸。
在陰極室和陽極室中放置的導(dǎo)電網(wǎng)，不僅起到集電極的作用，而且，導(dǎo)電網(wǎng)是網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的，對(duì)單電池又多了一層保護(hù)，既可以緩沖外界的機(jī)械沖擊力，也可以緩沖電池釋放的應(yīng)力，另外還可以起到讓反應(yīng)氣體均勻分散到電極的作用。這樣，就可以免去常規(guī)氣體流道必須具有的波紋結(jié)構(gòu)，省略了一道加工程序，使得連接體的加工更為方便，同時(shí)還可降低對(duì)單電池平整度的要求。
陰極導(dǎo)電網(wǎng)和陽極導(dǎo)電網(wǎng)的外形尺寸和相對(duì)應(yīng)的陰極和陽極同等大小，即陰極網(wǎng)的外形尺寸小于陽極網(wǎng)的尺寸，同樣可以避免通過不銹鋼連接體和陽極發(fā)生短路。
所述的陽極導(dǎo)電網(wǎng)由不銹鋼網(wǎng)或鎳網(wǎng)構(gòu)成。
所述的陰極導(dǎo)電網(wǎng)由具有高導(dǎo)電氧化物涂層的不銹鋼網(wǎng)或高導(dǎo)電性多孔陶瓷復(fù)合材料構(gòu)成。
本發(fā)明中單電池在不銹鋼連接體中的固定方式，使得本發(fā)明中陰極和陽極氣體能夠很好地被隔絕，并使得本發(fā)明的內(nèi)密封問題得以解決；同時(shí)，相對(duì)比較脆弱的單電池由于和不銹鋼連接體成為一體而受到了保護(hù)；另外，因采用陰、陽極導(dǎo)電網(wǎng)，封接部位的應(yīng)力也可得到釋放，整個(gè)電池就更能耐受熱的循環(huán)和機(jī)械及熱沖擊。
絕緣密封墊圈部分為中間有空腔，左右兩端分別開有兩個(gè)孔的薄片結(jié)構(gòu)，絕緣密封墊圈放在不銹鋼連接體的上端，左右兩端的孔和不銹鋼連接體的陰、陽極進(jìn)、出氣管連通，中間的空腔正好可以容納不銹鋼連接體的底部凸臺(tái)，絕緣密封墊圈的厚度和不銹鋼連接體的底部凸臺(tái)的高度相等或更厚，這樣，上一個(gè)不銹鋼連接體的底部凸臺(tái)和下一個(gè)不銹鋼連接體中的陰極導(dǎo)電網(wǎng)在凹槽中間直接接觸，形成電流導(dǎo)通回路，起到導(dǎo)體的作用，完成單電池之間電的連接體的任務(wù)，而上一個(gè)不銹鋼連接體的底部凸臺(tái)四周和絕緣密封墊圈接觸，一方面可以避免不銹鋼連接體疊加形成的氣體通道所造成的外部電氣短路，另一方面，可以防止氣體的外漏，起到外密封的作用。
所述的絕緣密封墊圈由表面沉積有彈性絕緣微晶玻璃薄膜的金屬基板構(gòu)成，在一定壓力下起到氣密作用。
由于單電池事先固定在不銹鋼連接體內(nèi)，因此，在由單電池組裝成電堆的時(shí)候，就只需對(duì)絕緣密封圈和不銹鋼連接體進(jìn)行組裝。這就使組裝和拆卸本發(fā)明的工作更為靈活和方便，如果本發(fā)明中的某一部件損壞而不能正常工作的話，只要拆卸掉損壞的部件，其余部分仍舊可以正常使用，而通常的固體氧化物燃料電池堆中如果有一部分部件損害，則整個(gè)電池堆就完全報(bào)廢了。
本發(fā)明柔性和實(shí)用性非常廣泛，不僅表現(xiàn)在電池堆的核心部件——電池受到不銹鋼連接體和導(dǎo)電網(wǎng)的雙重保護(hù)，而且，該結(jié)構(gòu)同樣可用于不同類型的平板固體氧化物燃料電池的結(jié)構(gòu)，如陽極支撐的，多孔金屬支撐的平板固體氧化物燃料電池等。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例中一個(gè)電池單元的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明實(shí)施例中單電池的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為本發(fā)明實(shí)施例中絕緣密封墊圈的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。
如圖1、圖2所示，本實(shí)施例包括多個(gè)電池單元，多個(gè)電池單元依次垂直堆疊，其中一個(gè)電池單元包括不銹鋼連接體1，絕緣密封墊圈8和單電池12，絕緣密封墊圈8位于不銹鋼連接體1的上端，單電池12固定在不銹鋼連接體1內(nèi)。
所述的不銹鋼連接體1的底部有凸臺(tái)，中央有凹槽，左右兩端分別有陰極氣體和陽極氣體的流道管和分配管，所述的陰極氣體和陽極氣體的流道管和分配管包括陽極進(jìn)氣管2、陰極出氣管3、陽極氣體導(dǎo)入管4、陰極氣體導(dǎo)出管7、陰極氣體導(dǎo)入管11、陽極氣體導(dǎo)出管16、陰極進(jìn)氣管19、陽極出氣管20，陽極進(jìn)氣管2開在不銹鋼連接體1的左側(cè)，是自下而上是貫通的，陽極進(jìn)氣管2的右側(cè)和陽極氣體導(dǎo)入管4的左側(cè)聯(lián)通、右側(cè)與陽極15和不銹鋼連接體1凹槽底部的空腔形成的陽極室17左側(cè)聯(lián)通，陽極室17右側(cè)和陽極氣體導(dǎo)出管16的左側(cè)聯(lián)通，陽極氣體導(dǎo)出管16的右側(cè)再和陽極出氣管20聯(lián)通，陽極出氣管20開在不銹鋼連接體1的右側(cè)，也是自下而上貫通的；陰極進(jìn)氣管19開在不銹鋼連接體1的右側(cè)，是自下而上是貫通的，陰極進(jìn)氣管19的右側(cè)和陰極氣體導(dǎo)入管11的左側(cè)聯(lián)通、左側(cè)與陰極13和上一個(gè)電池單元中的不銹鋼連接體1的凸臺(tái)底部構(gòu)成的陰極室9右側(cè)聯(lián)通，陰極室9左側(cè)和陰極氣體導(dǎo)出管7的右側(cè)聯(lián)通，陰極氣體導(dǎo)出管7的左側(cè)再和陰極出氣管3聯(lián)通，陰極出氣管3開在不銹鋼連接體的左側(cè)，也是自下而上貫通的；陽極氣體從不銹鋼連接體1的左側(cè)自下而上進(jìn)入陽極進(jìn)氣管2，隨后，順著陽極氣體導(dǎo)入管4進(jìn)入陽極室17進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)后以及多余的陽極氣體沿著陽極氣體導(dǎo)出管16，進(jìn)入陽極出氣管20，自下而上排出；陰極氣體的走向和上述陽極氣體的走向是平行的，但方向相反，因此，陰極氣體的運(yùn)動(dòng)路徑為從不銹鋼連接體1的右側(cè)自上而下進(jìn)入陰極進(jìn)氣管19，沿著陰極氣體導(dǎo)入管11進(jìn)入陰極13和上一個(gè)電池單元中的不銹鋼連接體1的凸臺(tái)底部構(gòu)成的陰極室9，反應(yīng)后以及多余的陰極氣體沿著在不銹鋼連接體1左側(cè)的陰極氣體導(dǎo)出管7，進(jìn)入陰極出氣管3，自上而下排出。
單電池12按照陽極15、電解質(zhì)14、陰極13自下而上的順序，事先制作完成，在陽極15的下面，放置支撐體5，該支撐體5可以是陽極支撐體或是多孔結(jié)構(gòu)的支撐體，由支撐體5和不銹鋼連接體1的中央凹槽底部構(gòu)成了陽極室17，在該陽極室17中放置陽極導(dǎo)電網(wǎng)18，與支撐體5和不銹鋼連接體1的中央凹槽底部緊密接觸，起到陽極集電極的作用，然后通過封接把支撐體5、陽極15和電解質(zhì)14與不銹鋼連接體1的中央凹槽的四周連接起來(電解質(zhì)14與不銹鋼連接體1連接處為釬焊部位6)，并固定在陽極導(dǎo)入管4、陰極氣體導(dǎo)出管7、陰極氣體導(dǎo)入管11、陽極氣體導(dǎo)出管16之間，即在陰極氣體導(dǎo)出管7和陰極氣體導(dǎo)入管11的下方，在陽極導(dǎo)入管4和陽極氣體導(dǎo)出管16的上方，單電池12的陰極13和上一個(gè)電池單元中的不銹鋼連接體1的底部凸臺(tái)，構(gòu)成了陰極室9，在該陰極室9放置陰極導(dǎo)電網(wǎng)10，與單電池12的陰極13和上一個(gè)電池單元中的不銹鋼連接體1的凸臺(tái)底部緊密接觸，起到陰極集電極的作用。
如圖3所示，絕緣密封墊圈8為中間有空腔，左端開有陽極進(jìn)氣口21、陰極出氣口22，右端開有陰極進(jìn)氣口23、陽極出氣口24的片狀結(jié)構(gòu)，絕緣密封墊圈8放在不銹鋼連接體1的上端，左右兩端的開口和分別和不銹鋼連接體1中對(duì)應(yīng)的陽極進(jìn)氣管2、陰極出氣管3、陰極進(jìn)氣管19、陽極出氣管20連通，中間的空腔，正好可以容納不銹鋼連接體1的底部凸臺(tái)。
在制作本實(shí)施例時(shí)，首先把不銹鋼加工成按上述的不銹鋼連接體1的形狀，即底部有凸臺(tái)，中央有凹槽，左右兩端分別有陰極氣體和陽極氣體的流道管和分配管的結(jié)構(gòu)，然后按照中央凹槽的尺寸，確定單電池的尺寸大小，并在支撐體5的下方和陰極的上方，分別放置陽極導(dǎo)電網(wǎng)18和陰極導(dǎo)電網(wǎng)10，其后用合金或玻璃焊料將單電池中的支撐體5、陽極16和電解質(zhì)14一起和不銹鋼連接體1焊接在一起，把已經(jīng)焊接好單電池的不銹鋼連接體1和絕緣密封墊圈8依次疊加放置，就可以形成固體氧化物燃料電池的電堆。在拆卸電池堆的時(shí)候，也是相應(yīng)地把已經(jīng)焊接好單電池的不銹鋼連接體1和絕緣密封墊圈8依次拆卸并，檢查和抽出損壞的部件，其余部分再可以重新組裝成新的電堆，可以較好的節(jié)約人力和物力。
權(quán)利要求
1.一種可拆卸的平板式中溫固體氧化物燃料電池堆，包括兩個(gè)以上相同的電池單元，各個(gè)電池單元依次垂直堆疊，每個(gè)電池單元包括單電池和不銹鋼連接體，其特征在于，每個(gè)電池單元還包括絕緣密封墊圈，所述的絕緣密封墊圈位于不銹鋼連接體的上端，單電池固定在不銹鋼連接體內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述可拆卸的平板式中溫固體氧化物燃料電池堆，其特征是，所述的不銹鋼連接體底部有凸臺(tái)，中央有凹槽，左右兩側(cè)有陰極氣體和陽極氣體的流道管和分配管；所述的陰極氣體和陽極氣體的流道管和分配管是互相獨(dú)立、互相平行的，包括陽極進(jìn)氣管、陰極出氣管、陽極氣體導(dǎo)入管、陰極氣體導(dǎo)出管、陰極氣體導(dǎo)入管、陽極氣體導(dǎo)出管、陰極進(jìn)氣管、陽極出氣管，陽極進(jìn)氣管、陰極出氣管開在不銹鋼連接體的左側(cè)，陽極出氣管、陰極進(jìn)氣管開在不銹鋼連接體的右側(cè)，都是自下而上是貫通的，陽極進(jìn)氣管的右側(cè)和陽極氣體導(dǎo)入管的左側(cè)聯(lián)通、右側(cè)與陽極室左側(cè)聯(lián)通，陽極室右側(cè)和陽極氣體導(dǎo)出管的左側(cè)聯(lián)通，陽極氣體導(dǎo)出管的右側(cè)和陽極出氣管聯(lián)通，陰極進(jìn)氣管的右側(cè)和陰極氣體導(dǎo)入管的左側(cè)聯(lián)通、左側(cè)與陰極和陰極室右側(cè)聯(lián)通，陰極室左側(cè)和陰極氣體導(dǎo)出管的右側(cè)聯(lián)通，陰極氣體導(dǎo)出管的左側(cè)再和陰極出氣管聯(lián)通。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可拆卸的平板式中溫固體氧化物燃料電池堆，其特征是，所述的單電池是通過合金或玻璃焊料固定在不銹鋼連接體的中央凹槽內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的可拆卸的平板式中溫固體氧化物燃料電池堆，其特征是，所述的單電池，包括陽極、電解質(zhì)和陰極，陰極疊放于電解質(zhì)上，電解質(zhì)疊放于陽極上，陽極底部具有支撐體。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的可拆卸的平板式中溫固體氧化物燃料電池堆，其特征是，所述的支撐體、陽極和電解質(zhì)的尺寸相同，而陰極的尺寸比支撐體、陽極和電解質(zhì)小。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的可拆卸的平板式中溫固體氧化物燃料電池堆，其特征是，所述的支撐體和不銹鋼連接體的中央凹槽底部構(gòu)成了陽極室，陰極和上一個(gè)電池單元中的不銹鋼連接體底部凸臺(tái)構(gòu)成了陰極室。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的可拆卸的平板式中溫固體氧化物燃料電池堆，其特征是，所述的陽極室中，放置有陽極導(dǎo)電網(wǎng)，陽極導(dǎo)電網(wǎng)與支撐體和不銹鋼連接體的中央凹槽底部緊密接觸；所述的陰極室中放置有陰極導(dǎo)電網(wǎng)，陰極導(dǎo)電網(wǎng)與單電池的陰極和上一個(gè)電池單元中的不銹鋼連接體的底部凸臺(tái)緊密接觸。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的可拆卸的平板式中溫固體氧化物燃料電池的電堆，其特征是，所述的陽極導(dǎo)電網(wǎng)由不銹鋼網(wǎng)或鎳網(wǎng)構(gòu)成；所述的陰極導(dǎo)電網(wǎng)由具有導(dǎo)電氧化物涂層的不銹鋼網(wǎng)或?qū)щ姸嗫滋沾蓮?fù)合材料構(gòu)成；陰極導(dǎo)電網(wǎng)和陽極導(dǎo)電網(wǎng)的外形、尺寸，分別與相對(duì)應(yīng)的陰極和陽極相同。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可拆卸的平板式中溫固體氧化物燃料電池的電堆，其特征是，所述的絕緣密封墊圈由表面沉積有彈性絕緣微晶玻璃薄膜的金屬基板構(gòu)成，為中間有空腔、左右兩端分別開有兩個(gè)孔的薄片，其厚度大于或等于不銹鋼連接體的底部凸臺(tái)的高度。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的可拆卸的平板式中溫固體氧化物燃料電池的電堆，其特征是，所述的絕緣密封墊圈中左右兩端的兩個(gè)孔分別與和不銹鋼連接體中的陰極氣體和陽極氣體的流道管和分配管連通，中間的空腔容納不銹鋼連接體的底部凸臺(tái)。
全文摘要
一種燃料電池技術(shù)領(lǐng)域的可拆卸的平板式中溫固體氧化物燃料電池堆，包括二個(gè)以上相同的電池單元，各個(gè)電池單元依次垂直堆疊，每個(gè)電池單元包括單電池、不銹鋼連接體和絕緣密封墊圈，絕緣密封墊圈位于不銹鋼連接體的上端，單電池固定在不銹鋼連接體內(nèi)；不銹鋼連接體底部有凸臺(tái)，中央有凹槽，左右兩端各有互相獨(dú)立但互相平行的陰極氣體和陽極氣體的流道管和分配管；單電池包括陽極、電解質(zhì)和陰極，陰極疊放于電解質(zhì)上，電解質(zhì)疊放于陽極上；絕緣密封墊圈為中間有空腔，左右兩端分別開有兩個(gè)孔的薄片，其厚度大于或等于不銹鋼連接體的底部凸臺(tái)的高度。本發(fā)明結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)、緊湊，組裝和拆卸靈活、方便，同時(shí)避免了可能存在的密封和絕緣問題。
文檔編號(hào)H01M8/10GK101017909SQ20071003788
公開日2007年8月15日 申請(qǐng)日期2007年3月8日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月8日
發(fā)明者屠恒勇, 余晴春, 胡鳴若, 朱新堅(jiān) 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)