一种扁管型固体氧化物燃料电池组制造技术

本发明专利技术公开了一种扁管型固体氧化物燃料电池组，包括二个以上扁管型燃料电池单元，扁管型燃料电池单元通过板状合金连接部件相连。所述板状合金连接部件的基材是含Cr的Fe基或Ni基合金，表面涂覆有抑制合金高温氧化和Cr污染的导电涂层。在板状合金连接部件上设置有能与扁管型电池单元两侧弧形表面相配合的弧形凹槽或折弯曲面。形成电池组时，所述弧形凹槽或折弯曲面与燃料电池单元配合形成独立的气体流道，并固定燃料电池单元。二个以上的燃料电池单元和板状合金连接部件交替设置形成矩形截面的电池组。本发明专利技术的扁管型固体氧化物燃料电池组可将反应气体导入到扁管型燃料电池单元之间的狭小空间，并且易于通过密堆放置形成结构紧凑的燃料电池堆，具有发电性能好、结构紧凑和稳定性高等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种扁管型固体氧化物燃料电池组
本专利技术涉及固体氧化物燃料电池，尤其涉及一种扁管型固体氧化物燃料电池组。
技术介绍
固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种将燃料中的化学能清洁高效地直接转化为电能的发电装置。在工作温度环境下，向阳极和阴极分别供给燃料气和含氧气体，电池便可提供电压，接入负载后电池就可以输出电能。由于燃料电池单元的电压和功率较低，因此实际使用中往往将多个燃料电池单元按一定的方式串联或并联形成电池组以满足实际的供电要求。目前SOFC单电池的形态主要有平板式、管式和扁管式三种。平板型设计具有电流收集路径短、功率密度高、制备工艺简单等优点；然而，这种设计存在一个主要缺点:在形成电堆时需要对平板型陶瓷组件进行密封以获得所需的气密性，以避免燃料气和含氧气体直接接触。至今，密封问题仍然是限制平板型SOFC发展的主要瓶颈。与平板型SOFC相比，管型SOFC的优点是构成电池组的电池单元容易密封、电池组的抗热应力性和机械强度高。综合了平板型和管型SOFC的特点，美国西门子-西屋公司研发出一种扁管型S0FC，燃料电池单元在垂直于管轴方向的截面上具有平板部分和两侧的弧形部分。该设计保留了管型SOFC容易密封的优点，同时扁管型燃料电池单元排列形成电池组时可以有效减小各个电池之间的空隙，增大接触面积，实现提高电池组功率密度的目的。在扁管型SOFC电池组中，为了提高比功率密度，燃料电池单元的厚度只有数毫米，电池之间的间隙也尽量压缩。因此，如何在有效收集和传导电流的同时对燃料电池单元进行固定并为外部电极提供畅通的、均匀分布的气场已经成为扁管型SOFC电池组设计中的关键问题。韩国ENERGY技术研究院 公开了一种阳极支撑的扁管型SOFC电池组及其制造方法(CN 1591947A,US2005/0095483A1 )?电池组包括多个燃料电池和连接器板。连接器板包括下连接器板、一个或多个中连接器板和上连接器板，在中连接器板和下连接器板上形成多个气体流道。气体流道与管轴方向垂直，使扁管内外的反应气形成交叉流。日本的京瓷公司也公布了扁管型SOFC电池组和模块的专利，如专利JP2007-250281, JP2010-80266, JP2010-108687, JP2010-231920, JP2011-113828 等等。这些专利中都采用了管内外气体自下而上同向流动的方式，更符合加热气体的流动规律。电池组中的连接部件由耐高温金属薄板加工而成、气体可在梳齿型结构或其他类型结构的连接部件间自由流动。其缺点是连接部件与阴极以及陶瓷连接体接触的面积较小，集电效率低。此外，燃料电池单元和连接部件交替排列而形成的电池组结构稳定较低，需要加入额外的固定部件进行固定。与管型SOFC电池组类似，现有扁管型SOFC电池组的相关专利技术中各个燃料电池单元中内部电极的气路是独立的，而外部电极的气路则相互联通。当扁管型电池单元的平面部分面积较大时，由于电池间的间隙狭小，气流阻力大，电池组外相对宽阔的空间将成为气体的主要流道，只有少量气体能进入电池间的间隙并参与反应，气体利用率和电池性能显著降低。
技术实现思路
鉴于以上问题，本专利技术的目的在于提供一种扁管型氧化物燃料电池组，能够有效增大集流面积和提高外部电极上的反应气体浓度、强化传质，同时具有结构稳定性高和易于组装等优点。本专利技术的扁管型氧化物燃料电池组包括二个以上扁管型燃料电池单元。所述的管型燃料电池单元包括管型支撑电极、电解质薄膜、外部电极和陶瓷连接体。陶瓷连接体设置于扁管型支撑电极一侧的外壁面上，除陶瓷连接体所覆盖的扁管型支撑电极其余外壁面上均包裹有电解质薄膜，电解质薄膜上设置有外部电极。于管型支撑电极垂直管轴方向的截面上，具有平板部分和两侧的弧形部分，管型支撑电极内还设置了多个平行于管轴方向的气体流道。反应气体A从管内气体流道流过，与支撑电极接触参与反应，反应气体B在管外流动，与外部电极接触参与反应。当支撑电极为阳极时，反应气体A为燃料气，反应气体B为氧气、空气等含氧气体；当支撑电极为阴极时则相反。二个以上扁管型燃料电池单元通过板状合金连接部件相连，板状合金连接部件一侧与扁管型燃料电池单元的外部电极层相贴合、另一侧与陶瓷连接体相贴合。为了有效收集电流，燃料电池单元和连接部件之间需要实现良好的电连接。本专利技术中，连接部件基材是耐高温合金，优选为含Cr的铁基或镍基合金，这些合金材料具有良好的导电性和加工性能。于所述连接部件上靠近燃料电池单元外部电极的一侧设置有二个以上的凸台，凸台的上表面处于同一平面上，凸台上表面与连接部件远离凸台侧的平板平面分别构成了两组相互平行的集电平面。形成电池组时，所述两组平面分别与扁管型燃料电池单元上的外部电极和陶瓷连接体相连接。由于与陶瓷连接体相连接的平面为整体平面，其面积是陶瓷连接体面积的95%以上，可有效降低接触电阻和提高集电效率。连接部件上的凸台可由选择性地去除一部分合金基材之后形成，凸台的累计总面积应为外部电极面积的20% -90%，优选为40% -70%。为了改善连接部件和燃料电池单元之间的接触，可在板状合金连接部件的集电平面与燃料电池单元的外部电极或陶瓷连接体之间设置接触材料。所述接触材料是金属网、金属毡、多孔导电陶瓷(如钙钛矿结构的导电陶瓷)和金属粉中的至少一种。由于凸台的设置，于连接部件靠近外部电极的一侧上形成两个或两个以上方向的气体流道。气体流道方向可与管型支撑电极轴向方向平行或垂直，也可与管型支撑电极轴向方向成任意夹角或形成各种弯曲的形状。不同方向的流道形成网络状流场，保证气体能够通畅地进入电池间的狭小空间并均匀分配到阴极的各个部分，并且可对反应气体进行有效的扰动和形成湍流，有利于提高外部电极表面的反应气体浓度，强化传质。此外，前面提到的连接部件集电平面与燃料电池单元外部电极之间设置的接触材料同时还作为气体扩散层，使反应气体充分与外部电极接触并参与电池反应。沿燃料电池单元中扁管型支撑电极轴向方向，于所述板状合金连接部件的上表面两侧均设置有能与扁管型电池单元两侧弧形表面相匹配的弧形凹槽或折弯曲面，所述弧形凹槽或折弯曲面面向与其相邻的扁管型燃料电池单元的外部电极层。当连接部件和燃料电池单元交替设置形成电池组时，这些弧形凹槽或折弯与燃料电池单元配合使连接部件上形成的气体流道与两侧的外部空间分隔开，为相邻电池单元的外部电极提供独立的气体流道。所述由连接部件与燃料电池单元配合形成的相互独立的气体流道通过进气端和出气端与公共气场相连通。通过独立气体流道的设置，可以迫使气体在燃料电池单元之间的狭小空间流动，能有效解决前面提及的气体主要在电池组外相对宽阔的空间流动、只有少量气体能参与反应的问题。在板状合金连接部件的下表面两侧也可设置能与电池单元两侧弧形表面相匹配的弧形凹槽或折弯曲面。在连接部件上表面和下表面的弧形凹槽或折弯还能起到固定相邻燃料电池单元的作用，使连接部件和燃料电池单元能够通过简单的叠放形成结构稳定的电池组，并防止燃料电池单元在燃料电池安装和运输过程中脱出。为了提高电池组的结构稳定性，连接部件与燃料电池单元配合的弧形凹槽或折弯向连接部件外部略微延伸形成平面。相邻连接部件的延伸平面之间设置绝缘材料以避免连接部件之间接触发生短路。所述绝缘材料是绝缘的陶瓷板本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种扁管型固体氧化物燃料电池组，包括二个以上扁管型燃料电池单元，扁管型燃料电池单元通过板状合金连接部件相连；所述扁管型燃料电池单元包括扁管型支撑电极、电解质薄膜、外部电极和陶瓷连接体；所述陶瓷连接体设置于扁管型支撑电极的一侧外壁面上，除陶瓷连接体所覆盖的扁管型支撑电极其余外壁面上均包裹有电解质薄膜，电解质薄膜上设置有外部电极。其特征在于：扁管型燃料电池单元和板状合金连接部件交替设置，板状合金连接部件一侧与扁管型燃料电池单元的外部电极相贴合、另一侧与陶瓷连接体相贴合；所述板状合金连接部件的表面涂覆有抑制合金高温氧化的保护涂层；所述板状合金连接部件和燃料电池单元配合组装后，为燃料电池单元外部电极提供沿燃料电池单元中扁管型支撑电极轴向方向的独立气体流场。

【技术特征摘要】
1.一种扁管型固体氧化物燃料电池组，包括二个以上扁管型燃料电池单元，扁管型燃料电池单元通过板状合金连接部件相连；所述扁管型燃料电池单元包括扁管型支撑电极、电解质薄膜、外部电极和陶瓷连接体；所述陶瓷连接体设置于扁管型支撑电极的一侧外壁面上，除陶瓷连接体所覆盖的扁管型支撑电极其余外壁面上均包裹有电解质薄膜，电解质薄膜上设置有外部电极。其特征在于: 扁管型燃料电池单元和板状合金连接部件交替设置，板状合金连接部件一侧与扁管型燃料电池单元的外部电极相贴合、另一侧与陶瓷连接体相贴合； 所述板状合金连接部件的表面涂覆有抑制合金高温氧化的保护涂层； 所述板状合金连接部件和燃料电池单元配合组装后，为燃料电池单元外部电极提供沿燃料电池单元中扁管型支撑电极轴向方向的独立气体流场。2.如权利要求1所述扁管型固体氧化物燃料电池组，其特征在于:沿燃料电池单元中扁管型支撑电极轴向方向，于所述板状合金连接部件的上表面两侧均设置有能与扁管型电池单元两侧弧形表面相匹配的弧形凹槽或折弯曲面；板状合金连接部件上表面两侧的弧形凹槽或折弯曲面面向与其相邻的扁管型燃料电池单元的外部电极层； 形成电池组时，所述弧形凹槽或折弯与燃料电池单元配合形成独立的气体流道，并固定燃料电池单元。3.如权利要求2所述扁管型固体氧化物燃料电池组，其特征在于:沿燃料电池单元中扁管型支撑电极轴向方向，于所述板状合金连接部件的上表面及下表面两侧均设置有能与电池单元两侧弧形表面相匹配的弧形凹槽或折弯曲面。4.如权利要求1或2所述扁管型固体氧化物燃料电池组，其特征在于:所述连接部件与燃料电池单元配合形成的独立气体流道通过设置于连接部件二端的进气口和出气口与公共气场相连通。5.如权利要求1所述扁管型...

【专利技术属性】
技术研发人员：区定容，程谟杰，
申请(专利权)人：中国科学院大连化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：