固体氧化物燃料电池的连接体及其制备方法、应用和电堆技术

本发明专利技术提供一种固体氧化物燃料电池的连接体及其制备方法、应用和电堆，涉及固体氧化物电池技术领域。包括连接体本体，其上开设有第一气孔和凹槽，第一气孔设置于凹槽相对的两端，且凹槽内还间隔设置有多个支撑脊，每个支撑脊包括致密段和混合段，致密段为两个，分别位于混合段的两端，混合段包括与凹槽底部连接且平行的致密区、与致密区平行的多孔区和导流槽，多孔区与致密区的交界面为扰流面，致密区两侧的表面开设有开口朝向扰流面的导流槽，相邻两个支撑脊间以及支撑脊和凹槽的壁面间形成气体流道。通过设置多孔区和导流槽利于气体流动至整个电极表面，增加了有效发电面积，避免电池局部热应力过大，造成电池损坏。造成电池损坏。造成电池损坏。

【技术实现步骤摘要】
固体氧化物燃料电池的连接体及其制备方法、应用和电堆


[0001]本专利技术涉及燃料电池
，具体而言，涉及一种固体氧化物燃料电池的连接体及其制备方法、应用和电堆。

技术介绍

[0002]连接体是固体氧化物电池堆的关键核心部件之一，其性能优劣直接影响电池堆系统的衰减和稳定性。连接体除了可将单电池串联实现电连接之外，还将燃料和氧化性气体分隔，并为电池提供机械支撑。在恶劣的高温强氧化和还原服役环境中，连接体的热膨胀系数要与电池其他部件相匹配，例如需要具有高的电子电导率和低的离子导电率、成分和微观组织结构具有较强的抗氧化还原能力、较好的气密性和高的机械强度以及与电极材料不发生反应或互扩散等能力。
[0003]在平板式固体氧化物电池中，布气是连接体的另一个重要功能，在其两侧设有可供气体流动的气道。连接体上的气道槽为电极提供燃料和氧化性气体，实体支撑脊收集电流。这些槽、脊的结构和布局强烈影响气体在整个电池面上的分布。合理的气道结构可以获得较小的流动压力损失，并能增加电池反应物分布的均匀性和反应界面的气体浓度，提高电池功率和燃料利用率。
[0004]此外，当前连接体支撑脊都具有实体特征，在支撑脊覆盖区的电极表面会产生燃料或氧化剂亏空，从而导致亏空区域的电化学反应明显弱于气道对应的电极。因发生电化学反应的位置不仅有电流通过，而且还会产生热量，这就不可避免造成亏空区域电极的局部温度偏低，从而在电池内部产生大量的微区温度梯度。而电池堆长期运行衰减的主要原因之一就是在高温循环过程中，温度分布不均产生较大的热应力，使电池电极、电解质等部件发生结构破环，从而造成电堆提前失效。
[0005]鉴于此，特提出本专利技术。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种固体氧化物燃料电池的连接体及其制备方法、应用和电堆，其能够增加电池的有效发电面积，减小电池局部热应力，降低电池破裂的风险，延长电堆的服役寿命。
[0007]本专利技术的实施例是这样实现的：
[0008]第一方面，本专利技术提供一种固体氧化物燃料电池的连接体，包括连接体本体，连接体本体上开设有第一气孔和凹槽，第一气孔设置于凹槽相对的两端，且凹槽内还间隔设置有多个支撑脊，每个支撑脊与凹槽连接两端第一气孔的壁面连线平行，且每个支撑脊包括致密段和混合段，致密段为两个，分别位于混合段的两端，混合段包括致密区、多孔区和导流槽，致密区与凹槽底部连接，致密区和多孔区轴向平行，且均与两个致密段连接，多孔区与致密区的交界面为扰流面，致密区的两侧表面开设有开口朝向扰流面的导流槽，相邻两个支撑脊之间以及支撑脊和凹槽的壁面之间形成气体流道。
[0009]可以理解的是，由于混合段的上表面为多孔区，因此气体经过致密段的布气以后，进入混合段，在混合段的多孔区和导流槽内均可以分布，因此，多孔区和导流槽内的空心结构也可以形成气体流道。
[0010]在实际应用中，连接体与电池接触，用于将每个单电池产生的电流汇集并传输，单电池的反应过程依赖于与单电池接触的气体。传统的连接体在安装到电堆内时，气体只能通过相邻两个支撑脊之间以及支撑脊和凹槽的壁面之间的空隙与电池接触，这会在电池局部区域产生过大的热应力，导致电池结构破裂。而本专利技术在连接体本体的表面开设凹槽，当连接体与电池接触时，气体进入凹槽，由于支撑脊的两端均为致密段，因此气体进入凹槽后会沿着相邻两个致密段之间或致密段与凹槽内壁之间的气体流道进行布气，气体经过一个致密段的布气后进入混合段，由于混合段凹槽内支撑脊的上表面为多孔区，气体可以在整个混合段内与连接体表面的电池接触，增加了电池发电面积，加之导流槽的设计，使得气体与电池接触的机率进一步增加，进一步提高了电池的发电效率。此外，由于混合段设置有多孔区，使得气体在混合段与电池反应时产生的热量均匀，不会出现电池局部热应力过大导致的电池破裂现象。
[0011]在可选的实施方式中，连接体本体包括相对的第一表面和第二表面。本专利技术以连接体本体的其中一个表面，例如第一表面的结构为例进行说明，另一个表面，例如第二表面的结构可参考第一表面的结构进行设计。在一些实施方式中，第一表面和第二表面的结构可以相同也可以不同，优选地，第一表面和第二表面的结构相同。例如，第一表面和第二表面的结构均设置有凹槽和凹槽内的多个支撑脊。第一表面和第二表面上的支撑脊结构数量可以相同，也可以不同。
[0012]在可选的实施方式中，导流槽型面为由平面、曲面和异形曲面中的一种或多种组合形成的斜坡面。
[0013]优选地，每个导流槽的斜向开口与扰流面之间的夹角为5～30
°
，每个导流槽的斜向开口与致密区的侧面之间的夹角为5～30
°
。
[0014]优选地，致密区同一侧相邻两个导流槽的开口之间的距离为1～10mm。
[0015]优选地，致密区两侧分别设置的导流槽可以为一一对应设置，也可以交替设置。
[0016]在可选的实施方式中，支撑脊的纵截面的形状包括梯形、正方形或长方形中的任一种。由于支撑脊能够汇集电流，而本专利技术的支撑脊上具有多孔区，因此，为了提高电流传输效率可以将支撑脊的纵截面设计成梯形，从而提高电流传输效率。
[0017]优选地，支撑脊的数量为20～50个。但支撑脊的数量不局限于上述范围，支撑脊的数量可根据连接体的大小具体设置。
[0018]优选地，相邻两个支撑脊之间的距离为1～2mm。
[0019]优选地，每条支撑脊的宽度为1～2mm，深度为0.5～1.5mm，长度基于连接体本体的尺寸按需设置。支撑脊的宽度越大，电流的汇集区域越宽，部分电子流动路径变短，欧姆极化随之减小，但这不利于燃料或氧化性气体快速扩散到支撑脊覆盖下的电极表面。然而，减小支撑脊宽度虽然可以让燃料或氧化性气体快速扩散到支撑脊下方，但同时也会造成电流的汇集区域变小，电子流动路径变长，使欧姆极化增加。因此，本专利技术将支撑脊的宽度和间距控制在上述范围内，配合本专利技术的致密区和多孔区结构，可以提高电池堆的性能。
[0020]其中，当支撑脊的纵截面的形状为梯形时，梯形中相互平行的短边与凹槽接壤，而
每条支撑脊的宽度即是梯形中相互平行的短边的宽度，相邻两个支撑脊之间的距离即是相邻两个梯形支撑脊中相互平行的短边之间的距离。
[0021]优选地，每个致密段的长度为0.5～2mm，高度为0.25～1mm；每个致密区的长度基于连接体本体的尺寸按需设置。
[0022]优选地，多孔区的孔型结构为多面体晶格单元结构。
[0023]优选地，正多面体结构的平面数量为4～32中的任一整数。例如正多面体结构可以是正八面体。
[0024]优选地，多孔区的高度为0.25～0.5mm。
[0025]在可选的实施方式中，为了提高气体与电池的接触面积，辅助气体流动，并形成朝向电池的流动趋势，扰流面为非平面扰流面。
[0026]优选地，扰流面的形状为折面形、曲面形或梯形面形中的任一种。
[0027]在可选的实施方式中，连接体本体还包括第二气孔，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种固体氧化物燃料电池的连接体，其特征在于，包括连接体本体，所述连接体本体上开设有第一气孔和凹槽，所述第一气孔设置于凹槽相对的两端，且所述凹槽内还间隔设置有多个支撑脊，每个支撑脊与凹槽连接两端第一气孔的壁面连线平行，且每个支撑脊包括致密段和混合段，所述致密段为两个，分别位于混合段的两端，所述混合段包括致密区、多孔区和导流槽，所述致密区与凹槽底部连接，且致密区和多孔区轴向平行，且均与两个致密段连接，所述多孔区与致密区的交界面为扰流面，所述致密区的两侧表面开设有开口朝向扰流面的导流槽，相邻两个支撑脊之间以及支撑脊和凹槽的壁面之间形成气体流道。2.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池的连接体，其特征在于，所述导流槽型面为由平面、曲面中的一种或多种组合形成的斜坡面；优选地，每个导流槽的斜向开口与扰流面之间的夹角为5～30
°
，每个导流槽的斜向开口与致密区的侧面之间的夹角为5～30
°
；优选地，所述致密区同一侧相邻两个导流槽的开口之间的距离为1～10mm。3.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池的连接体，其特征在于，所述支撑脊的纵截面的形状包括梯形、正方形或长方形中的任一种；优选地，相邻两个支撑脊之间的距离为1～2mm；优选地，每个支撑脊的宽度为1～2mm，深度为0.5～1.5mm；优选地，每个所述致密段的长度为0.5～2mm，高度为0.25～1mm。4.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池的连接体，其特征在于，所述多孔区的孔型结构为多面体晶格单元结构；优选地，所述多面体晶格单元结构的面数量为4～32中的任意整数，更优选为正八面体；优选地，所述多孔区的高度为支撑脊深度的20％～50％。5.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池的连接体，...

【专利技术属性】
技术研发人员：文魁，刘敏，刘太楷，宋琛，董东东，毛杰，王先彬，邓春明，邓畅光，周克崧，
申请(专利权)人：广东省科学院新材料研究所，
类型：发明
国别省市：