用于平板式固体氧化物燃料电池电堆气流腔的密封装置制造方法及图纸

本发明专利技术属于固体氧化物燃料电池领域，并具体公开了一种用于平板式固体氧化物燃料电池电堆气流腔的密封装置。包括涂覆在平板式固体氧化物燃料电池电堆气流腔表面的ZrO

Sealing device for air flow chamber of flat SOFC stack

【技术实现步骤摘要】
用于平板式固体氧化物燃料电池电堆气流腔的密封装置
本专利技术属于固体氧化物燃料电池领域，更具体地，涉及一种用于平板式固体氧化物燃料电池电堆气流腔的密封装置。
技术介绍
固体氧化物燃料电池(SolidOxideFuelCell,SOFC)是一种可将燃料(煤、石油、天然气及碳氢化合物等)中的化学能直接转化为电能的发电装置，具有广泛的应用前景。平板式固体氧化物燃料电池具有功率密度高、燃料来源广、制备成本低等优势，成为国内外燃料电池的研究重点。平板式SOFC通常有内流腔和外流腔两种电堆结构设计，其中在外流腔电堆中，电堆气流腔作为气体缓冲室与电堆堆芯分离，简化了电堆装配工艺和成本。在外流腔电堆应用中，面临的重大挑战之一就是开发性能优异的电堆气流腔密封材料，以及与之相适应的密封方法。为确保电堆气流腔和堆芯之间的密封可靠性，密封材料在600℃至1000℃的温度区间、潮湿气氛、强氧化与还原性气氛中，需要满足良好的气密性、绝缘性、与相邻组件间的热匹配性、以及长期高温化学与结构稳定性等要求。根据平板式SOFC工作的实际情况，电堆气流腔密封主要存在两种气体泄露方式，密封材料与相邻组件的界面泄露和密封材料内部的渗透泄露。平板式SOFC在高温运行时，电堆由于组件热膨胀和外部压力作用会使堆芯和电堆气流腔之间发生相对滑动。在此过程中，电堆气流腔和密封面之间由于位置滑动而出现细微的间隙和裂纹，从而形成气体泄露的通道，密封界面的破坏将导致电堆密封结构整体失效。常规的电堆气流腔用密封材料主要为陶瓷或者玻璃材料，陶瓷密封材料主要依赖于粉体的几何尺寸形成致密堆积，在恒定外力下实现相对密封，且外加压力越大，其密封效果越好，呈现典型的压密封特性。该类密封材料的优点体现在宽温域工作环境中其密封性能能够保持稳定，且制备工艺简单，易于进行密封装配；其缺点在于密封材料内部存在的孔隙会导致微量的气体泄露，同时充斥在孔隙中的水蒸气将使得电堆气流腔与堆芯之间的绝缘电阻明显下降，此外陶瓷粉体与金属气流腔的刚性接触也不利于电堆的滑动密封。玻璃是最常见的SOFC用密封材料，它可以通过充分的高温形变以满足堆芯与电堆气流腔之间的气体密封。玻璃是热力学亚稳态相，在长期高温条件下会发生析晶现象，使玻璃软化温度与热膨胀系数等特征参量发生变化。另一方面，在SOFC实际工作状态下，密封材料的性能同时受制于温度、应力和气流等多个物理场的耦合作用，对玻璃密封材料的高温结构稳定性与界面相容性提出了严苛的要求。作为电堆气流腔用密封材料除了具备常规性能要求之外，还需要满足滑动密封的特殊要求。堆芯在电堆气流腔密封面滑动的过程中，极易出现界面处的密封破坏。现有的压缩式陶瓷密封材料与玻璃基密封材料均不能满足其要求。因此，寻求一种用于平板式SOFC电堆气流腔密封装置，以及发展与之相适应的密封方法迫在眉睫。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种用于平板式固体氧化物燃料电池电堆气流腔的密封装置，其中结合平板式固体氧化物燃料电池电堆气流腔密封工艺特点，相应对两者之间的密封装置进行了改进设计，并对其关键组件如ZrO2陶瓷涂层、h-BN基密封材料和加压形成密封的方式的进行研究和设计，相应的可改善界面结合松散、不能滑动密封、长期稳定性差等问题，从而可增强堆芯和电堆气流腔之间的界面接触与密封性能。因而尤其适用于平板式固体氧化物燃料电池电堆气流腔密封的应用场合。为实现上述目的，本专利技术提出了一种用于平板式固体氧化物燃料电池电堆气流腔的密封装置，包括涂覆在平板式固体氧化物燃料电池电堆气流腔表面上的ZrO2陶瓷涂层以及设置于ZrO2陶瓷涂层与堆芯之间的h-BN基密封材料，所述h-BN基密封材料的截面形状与电堆气流腔的截面形状相适应，进而在对电堆气流腔外界施加压力压作用下，所述ZrO2陶瓷涂层、h-BN基密封材料以及平板式固体氧化物燃料电池的堆芯之间形滑动密封。作为进一步优选的，所述ZrO2陶瓷涂层的厚度为10μm～20μm，进一步的，所述ZrO2陶瓷涂层由粒径尺寸为1μm～10μm的ZrO2陶瓷粉采用热喷涂法制备而成。作为进一步优选的，所述h-BN基密封材料由h-BN基体骨架以及填充于所述h-BN基体骨架微孔中的玻璃体构成，在工作时，所述h-BN基体骨架的表面形成一层可浸润ZrO2陶瓷涂层的B2O3液膜，所述B2O3液膜均匀包裹在所述h-BN基体的表面。作为进一步优选的，所述h-BN基体骨架由多个所述h-BN基体构成，多个所述h-BN基体呈片状阵列排布，以构成层状结构的h-BN基体骨架。作为进一步优选的，所述h-BN基密封材料的厚度为200μm～800μm，所述h-BN基密封材料由质量比为9:1～6:4的h-BN粉和玻璃粉采用流延成型法制备而成。作为进一步优选的，所述h-BN粉体的粒径为1μm～10μm，所述玻璃粉的粒径为1μm～10μm，所述玻璃粉的软化温度为500℃～600℃。作为进一步优选的，还可在电堆气流腔和堆芯上设置螺栓紧固结构，以获取所述ZrO2陶瓷涂层、h-BN基密封材料与堆芯之间形滑动密封所需的压力。作为进一步优选的，所述h-BN基密封材料的热膨胀系数与制备电堆气流腔的1Cr17Ni2合金的热膨胀系数相同。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：1.本专利技术综合使用ZrO2陶瓷涂层和h-BN基密封材料以满足电堆气流腔与堆芯在滑动状态的气密性，从而在平板式固体氧化物燃料电池电堆长期工作过程中保证堆芯无损与结构完整性的要求。本专利技术适用于室温至1000℃的平板式SOFC的电堆气流腔密封。2.本专利技术充分发挥h-BN基密封材料和ZrO2陶瓷涂层的优点，基于相邻组件的热膨胀匹配性设计原则，可以有效缓解热循环过程中产生的应力集中，同时致密的ZrO2陶瓷涂层将明显改善电堆气流腔的电绝缘可靠性。3.本专利技术层状结构h-BN基体骨架在固体氧化物燃料电池工作温度下原位在其表面形成的B2O3液膜，增强了其与密封玻璃以及ZrO2陶瓷层的界面结合力。在另一方面，层状结构h-BN基体骨架表面的B2O3液膜的存在将使得ZrO2陶瓷涂层与复合密封材料之间形成良好的滑动密封，在给电堆气流腔外界施压下，可以堆芯和电堆气流腔之间的界面接触与密封性能。4.本专利技术组合式的密封材料与密封方法可以有效改善固体氧化物燃料电池堆芯与电堆气流腔之间的气密性、绝缘性、界面结合强度和高温结构稳定性。附图说明图1是本专利技术实施例涉及的一种用于平板式固体氧化物燃料电池电堆气流腔的密封装置的结构示意图；图2是本专利技术涉及的一种用于平板式固体氧化物燃料电池电堆气流腔的密封装置的作用机理图；图3是本专利技术实施例涉及的h-BN密封材料在750℃等温350h后的电子显微结构图；图4是本专利技术实施例涉及的h-BN密封材料在750℃等温350h后的电子衍射花样图；图5是本专利技术实施例涉及的h-BN基密封材料、1Cr17Ni2合金与ZrO2陶瓷涂层的热膨胀系数比较图；本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于平板式固体氧化物燃料电池电堆气流腔的密封装置，其特征在于，包括涂覆在平板式固体氧化物燃料电池电堆气流腔表面上的ZrO

【技术特征摘要】
1.一种用于平板式固体氧化物燃料电池电堆气流腔的密封装置，其特征在于，包括涂覆在平板式固体氧化物燃料电池电堆气流腔表面上的ZrO2陶瓷涂层(3)以及设置于ZrO2陶瓷涂层(3)与堆芯之间的h-BN基密封材料(2)，所述h-BN基密封材料(2)的截面形状与电堆气流腔的截面形状相适应，进而在对电堆气流腔外界施加压力作用下，所述ZrO2陶瓷涂层、h-BN基密封材料(2)以及平板式固体氧化物燃料电池的堆芯(1)之间形滑动密封。


2.根据权利要求1所述的密封装置，其特征在于，所述ZrO2陶瓷涂层(3)的厚度为10μm～20μm，进一步的，所述ZrO2陶瓷涂层(3)由粒径尺寸为1μm～10μm的ZrO2陶瓷粉采用热喷涂法制备而成。


3.根据权利要求1所述的密封装置，其特征在于，所述h-BN基密封材料(2)由h-BN基体骨架以及填充于所述h-BN基体骨架微孔中的玻璃体构成，在工作时，所述h-BN基体骨架的表面形成一层可浸润ZrO2陶瓷涂层(3)的B2O3液膜，所述B2O3液膜均匀包裹在所述h-BN基体的表面。

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【专利技术属性】
技术研发人员：蒲健，李瑞珠，杨佳军，颜冬，贾礼超，池波，李箭，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42