专利名称：一种外气道式平板型固体氧化物燃料电池堆及其装配方法
技术领域：
本发明属于燃料电池领域，更具体地，涉及一种外气道式平板型固体氧化物燃料电池堆及其装配方法。
背景技术：
固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种工作在较高温度(600°C、00°C )的电化学器件，一般由多孔的阳极，致密的电解质和多孔的阴极构成。在工作温度下，使阳极和阴极分别处于还原气氛和氧化气氛中，空气将在阴极中电离生成氧离子，并在化学驱动力作用下，通过高温氧离子导体电解质向阳极定向运动，并在阳极与还原性气体反应。由于电解质为 纯氧离子导体，电子无法通过，在上述过程中，电子在阴极被从空气分子中剥离，并通过外电路达到阳极，参与还原气体的氧化反应，从而推动外电路中的负载工作。单片电池开路电压由能斯特方程限制，一般不超过I. 2V，工作电压随电流增大而下降。因此，为了获取更高的电压，需要将单片燃料电池串联成堆。由于SOFC的上述特性，其电池堆结构需要提供以下几项基本功能1，分隔燃料和氧化剂燃料电池的工作条件要求阳极和阴极分别处于不同的氧分压气氛下，因此在电堆结构中，需要将燃料气和空气分别输送到电池的阳极和阴极而不能相互混合；2，分配燃料和氧化剂在电堆中，燃料电池紧密堆叠，电堆的气路分配功能需要将燃料气和空气输送给每一片单电池；3，排除尾气燃料电池的电化学反应产物和过量的反应气需要及时排出以避免降低反应速率；4，提供电路连接电堆结构需要将从电池电极表面收集电流并传输到相邻的电池电极表面，并提供对外输出，从而完成串联电池，对外提供电能的功能。对于平板式S0FC，目前有两种基本的电堆结构无密封型和密封型电堆。密封型平板式SOFC电堆根据其结构，可以分为内气道和外气道两种基本类型。美国专利US6835486就是一种典型的内气道平板式SOFC电堆。以燃料气为例，气体通过电堆内部与电池表面垂直的通道被输送到堆叠的电池一侧，并通过水平的通道到达电池阳极表面参与反应，尾气通过与入口相对的另一侧进入垂直的出口通道被排出电池堆。空气分配方式与燃料气分配方式相同，只是水平面流向与燃料气流向垂直。电堆由电池和包含气体输送通道的双极板堆叠而成，通过对顶盖与底盖施加压力，在高温密封材料的配合下完成气路的分隔密封。这种结构存在热膨胀匹配问题，由于燃料电池的电化学反应为放热反应，而在电池表面热量会在气流方向上形成堆积，从而造成水平面气体入口和出口之间存在温度差，当电堆堆叠高度较高时，温差产生的热膨胀差别可能会引起密封压力不均，从而使密封失效，影响电堆性能衰减和长期工作的稳定性。此外由于双极板包含气流通道，加工复杂，成本较高。且垂直方向的气流通道由双极板和密封材料构成，使得电堆内部气体密封长度过长，降低了密封可靠性。外气道式SOFC电堆垂直方向的气体通道与堆芯分离，由单独的侧盖构成，与内气道式电堆相比，大幅减少了密封长度。在选用合适的密封材料情况下，堆芯与侧盖之间在垂直方向上可以产生相对滑动，从而减小由热膨胀不匹配带来的密封失效可能性。中国专利 CN200920085649. 2 以及美国专利 US4345009, US5472800, US4623596, US7291415B2等就是这ー类外气道电堆。然而，外气道电堆结构的缺点在于电堆除了需要垂直方向施力压紧堆芯以外，还需要在水平方向对侧盖施加压カ以固定侧盖，同时保证侧盖与堆芯之间的垂直密封面有足够的密封压力，现有设计未能很好地解决这个问题，其中US7291415 B2使用螺栓将侧盖固定到顶盖和底盖上，可以实现垂直面均匀可靠的施压，但限制了顶盖和侧盖的垂直移动，对保证堆芯水平面密封不利，而CN200920085649. 2的设计，通过侧盖之间的45度角拉カ压紧侧盖，在装配时难以保证四组螺栓产生均匀的拉力，侧盖容易产生垂直面和水平面的歪斜，从而影响侧盖密封可靠性。
发明内容
针对现有技术的缺陷和技术需求，本发明的目的在于提供一种外气道式平板型固体氧化物燃料电池堆及其装配方法，相应可解决现有技术中存在的供气侧盖加压方式不可靠，密封性不足的问题。
按照本发明的ー个方面，提供了一种外气道式平板型固体氧化物燃料电池堆，该电池堆包括底座；堆芯，该堆芯放置在底座上，由平板型固体氧化物燃料电池和双极板交替堆叠成立方体结构；供气侧盖，该供气侧盖总共有四个，分别与立方体结构堆芯的四个侧面相贴合，其中各个供气侧盖具有用于将燃料和空气分别导入至各个燃料电池以发生氧化-还原反应的入口、和用于将反应后的产物及剩余气体从堆芯内部输出至供气侧盖并予以排放的出Π ； 顶板，该顶板设置在立方体堆芯的顶部，并通过分布在堆芯四周的贯穿螺栓与底座相固紧；其中底座上与各个供气侧盖相对应的位置固定设置有多个定位块，所述定位块以斜面形式与供气侧盖相接触由此施加压力，顶板下方与各个供气侧盖相对应的位置设置有滑块，所述滑块通过调节螺栓固定在顶板上并可通过对调节螺栓的操作而沿着导轨上下移动，由此以斜面形式与供气侧盖相接触以施加压力。通过以上构思的外气道式平板型固体氧化物燃料电池堆，由于顶板与底座之间通过分布在堆芯四周的贯穿螺栓予以施压固紧，可以确保堆芯受到足够的压力；此外，由于供气侧盖同时受到处于其下部的定位斜块和处于其上部的滑块的接触施压，在下方接触压カ指向斜上方堆芯方向，在上方接触压カ指向斜下方堆芯方向，上下方的接触压カ在侧盖上产生指向堆芯的水平合力，由此能够确保供气侧盖与堆芯之间具备可靠的施压；尤其是，该合力的大小可以通过顶板上对滑块施加的压カ进行调节，仅需调节滑块压力，便可调节侧盖水平压カ大小，并且四个侧盖的压カ调节均为独立调节，相邻侧盖之间彼此不会相互影响。作为进ー步优选地，所述贯穿螺栓和调节螺栓由310S不锈钢材料构成，并对贯穿螺栓设置有热膨胀系数比310S不锈钢更高的垫圈。由于双极板通常会采用热膨胀系数与燃料电池较为接近的铁素体不锈钢如SUS430制成，其高温强度较低，因此不适合作为受力结构用于顶板、底座和对其施压的螺栓。通过实验研究和实践，可采用热膨胀系数较高的310S不锈钢来制作紧固件元件。然而，考虑到在堆芯内部没有其他热膨胀系数较高的部件，因此在高温下存在紧固压力松弛的可能性，为此，可以为贯穿螺栓底部放置一块热膨胀系数更高的垫圈，以弥补热膨胀失配。作为进一步优选地，在所述供气侧盖与堆芯之间、以及堆芯中燃料电池与双极板之间通过密封材料来予以密封，该密封材料包括Al2O3粉体、玻璃粉体以及作为粘结剂和增塑剂的有机添加剂，其中玻璃粉体由质量百分比为20% 25%的BaO、质量百分比为10°/Γ 5%的Β203、质量百分比为20% 25%的MgO、质量百分比为10°/Γ15%的ZnO和质量百分比为30°/Γ35%的SiO2共同组成，其颗粒尺寸约5 10 μ m ；A1203粉体的颗粒尺寸约为I 10 μ m。通过选择以上配方的Al2O3和玻璃材料作为密封材料，可实现密封颗粒的紧密堆积，明显减少密封材料的漏气率，并提高玻璃和Al2O3粒间的结合强度，相应增加材料的力学性能；而且，玻璃成分中不包含普通玻璃在高温下会挥发并毒害电极的碱金属氧化物如Na2O和K2O,因此与燃料电池电堆其他部件具有良好的化学相容性。作为进一步优选地，所述定位块和滑块与供气侧盖之间的接触面由斜面替换为圆弧面。通过将斜面被替换成圆弧面，施压块与侧盖的接触点会随着它们的相对位置变化并在圆弧面上移动，接触压力与水平面的角度也会发生相应变化。这样，对上部滑块施加的压力越大，接触点越偏离圆弧顶点，接触压力与水平面之间的角度越小，而水平分力相应越大，由此可以通过设计施压块与侧盖的初始相对距离以及调节施压块的压力，对侧盖压力作出较大幅度的调节。作为进一步优选地，相对于各个供气侧盖而言，底座上固定设置的定位块数量为2，顶板上所设置的滑块数量为1，并且该滑块位于两个定位块的上方中心线上。通过以上对定位块和滑块的位置设置，可以在各个侧盖表面形成三个施压点，这种布局方案可以保证施压点在同一个平面上，使得侧盖被均匀压紧在堆芯侧面；此外，垂直方向的压力被均匀分配到下部施压块上，且由于上部施压块只有一个，由此只需对单一零件施加压力，即可产生垂直方向固定侧盖的压力和水平方向的密封压力。作为进一步优选地，各个所述供气侧盖的面积小于其所对应的堆芯侧面的面积。通过以上设置，可以使得堆芯的四角暴露在侧盖之外，由此，可以方便地将传感器附着在双极板上。按照本发明的另一方面，提供了相应的外气道式平板式固体氧化物燃料电池堆的装配方法，该方法包括在设置有多个定位块的底板上，将由平板型固体氧化物燃料电池和双极板交替堆叠成立方体结构的堆芯放置在底座的中心位置予以固定；将供气侧盖分别放置于堆芯的侧面上，并使得底板上的定位块以斜面或圆弧面的形式与各个供气侧盖相接触由此施加压力；将顶板放置在堆芯的顶部，并通过分布在堆芯四周的贯穿螺栓使其与底座固紧，其中所述顶板的下方与各个供气侧盖相对应的位置设置有滑块，该滑块通过调节螺栓固定在顶板上并可通过对调节螺栓的操作而沿着导轨上下移动； 通过拧紧调节螺栓推动所述滑块沿着导轨向下移动，并以斜面或圆弧面的形式与各个供气侧盖相接触使得供气侧盖贴合于堆芯侧面，由此完成对电池堆的装配过程。
图I是按照本发明ー个优选实施例的外气道式平板型固体氧化物燃料电池堆的主体结构示意图；图2是按照本发明另一优选实施 例的外气道式平板型固体氧化物燃料电池堆的侧视图。在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中I、底座2定位块3堆芯4供气侧盖5导轨6滑块7贯穿螺栓8顶板9调节螺栓
具体实施例方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进ー步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。图I是按照本发明ー个优选实施例的外气道式平板型固体氧化物燃料电池堆的主体结构示意图。如图I中所示，按照本发明ー个优选实施例的外气道式平板型固体氧化物燃料电池堆主要包括底座I、堆芯3、供气侧盖4和顶板8。底座I大致例如呈圆盘状，并具备切槽以方便供气管道铺设，在每个槽道两侧有两个对称凹槽，在凹槽中通过焊接方法固定有定位块。堆芯3由正方形平板型固体氧化物燃料电池和正方形双极板交替叠合而形成立方体结构，其侧面按顺时针方向依次分布有燃料入ロ，空气入ロ，燃料出ロ，空气出口。供气侧盖4譬如呈平板状，贴合在堆芯侧面。侧盖4与底座上固定的定位块以斜面形式与侧盖边缘的斜面相接触，由此施加压力，顶板下方与各个供气侧盖相对应的位置设置有滑块6，所述滑块通过调节螺栓9固定在顶板上并可通过对调节螺栓的操作而沿着导轨上下移动，由此以斜面形式与供气侧盖相接触以施加压力。如此，底座的定位块与顶板的滑块共同向侧盖施加压カ，其合力方向为水平方向，将侧盖压紧在堆芯侧面。下面将具体描述按照本发明的外气道式平板型固体氧化物燃料电池堆的装配方法。定位块2被预先固定在底座I上，固定方式可以采取借助定位槽定位后焊接固定，或者与底座I 一起整体机械加工成型，要求同侧的ー组施压块，斜面在同一个平面上，以保证对四个侧盖施以均匀的压力。堆芯3被放置在底座I上相应的位置由电池和双极板交替堆叠成型，保证堆芯侧面平整不歪斜。随后将四个侧盖4放置于下施压块2的斜面上，并借助堆芯3的侧面固定。将顶盖8放置在堆芯顶部，并对准贯穿螺栓孔。使用外部压カ将底座I和顶盖8压紧，拧紧分布在堆芯外围的多个贯穿螺栓7固定底座I和顶板8的距离以维持主压力，随后可撤去外部压力。拧紧侧盖调节螺栓9推动滑块6向下运动，使侧盖4紧密贴合到堆芯3表面，导轨5被固定于顶板8上用于防止滑块6在施压过程中发生偏斜。图2给出另一种侧盖施压方案。其中定位块2和滑块6的施压斜面被替换成圆弧面。圆弧面的优势在于定位块2和滑块6与侧盖4的接触点随着它们的相对位置变化，会在圆弧面上移动，接触压カ与水平面的角度α也会发生相应变化。对上施压块6施加的压カ越大，接触点越偏离圆弧顶点，α角度越小。而水平分力，既侧盖密封压力f7jcT=fg *cos α越大，既可以通过设计施压块与侧盖的初始相对距离以及调节施压块出)的压力，对侧盖密封压力作出较大幅度的调节。图I和图2中所示的定位块2和滑块6在侧盖表面形成三个施压点，依靠适当的加工精度和侧盖足够的材料和结构强度，这种布局方案可以保证施压点在同一个平面上，侧盖4被均匀的压力压紧在堆芯3侧面，以保证填充在堆芯3和供气侧盖4之间的密封材料受到均匀的压力。在每个侧盖上，定位块2有两个，滑块6有一个。两个下施压块2可以在装配未完成，上施压块6压力未加载时提供足够宽度的支撑，不至于使侧盖4在未压紧时发生歪斜。而单一的上施压块6处于两个下施压块2的中心，垂直方向的压力被均匀分配到下施压块2上，且由于上施压块6只有一个，既只需对单一零件施加压力，即可产生垂直方向固定侧盖的压力和水平方向的密封压力。
如图I和图2中所示，在侧视图中，侧盖4面积小于堆芯3侧面面积，堆芯3的四角暴露在侧盖之外，因此，可以方便地将传感器附着在双极板上，如，将不锈钢导线焊接在双极板侧面以采集电压数据，或将热电偶通过侧面插入堆芯内部以采集局部温度数据，从而推算出堆芯中每一片单电池的温度和输出电压。如图I所示，侧盖4的气体入口在其底部，使用时将不锈钢管焊接在入口上，为此，在底座相应位置留有开槽，以方便装配。若侧盖4的气体入口安排在侧面，则底座不必开槽。本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种外气道式平板型固体氧化物燃料电池堆，该电池堆包括 底座； 堆芯，该堆芯放置在底座上，由平板型固体氧化物燃料电池和双极板交替堆叠成立方体结构； 供气侧盖，该供气侧盖总共有四个，分别与立方体结构堆芯的四个侧面相贴合，其中各个供气侧盖具有用于将燃料和空气分别导入至各个燃料电池以发生氧化-还原反应的入ロ、和用于将反应后的产物及剩余气体从堆芯内部输出至供气侧盖并予以排放的出ロ； 顶板，该顶板设置在立方体堆芯的顶部，并通过分布在堆芯四周的贯穿螺栓与底座相固紫；其中 底座上与各个供气侧盖相对应的位置固定设置有多个定位块，所述定位块以斜面形式 与供气侧盖相接触由此施加压力，顶板下方与各个供气侧盖相对应的位置设置有滑块，所述滑块通过调节螺栓固定在顶板上并可通过对调节螺栓的操作而沿着导轨上下移动，由此以斜面形式与供气侧盖相接触以施加压カ。
2.如权利要求I所述的外气道式平板型固体氧化物燃料电池堆，其特征在于，所述贯穿螺栓和调节螺栓由310S不锈钢材料构成，并对贯穿螺栓设置有热膨胀系数比310S不锈钢更高的垫圈。
3.如权利要求I或2所述的外气道式平板型固体氧化物燃料电池堆，其特征在于，在所述供气侧盖与堆芯之间、以及堆芯中燃料电池与双极板之间通过密封材料来予以密封，该密封材料包括Al2O3粉体、玻璃粉体以及作为粘结剂和增塑剂的有机添加剂，其中玻璃粉体由质量百分比为20% 25%的BaO、质量百分比为10% 15%的B2O3、质量百分比为20% 25%的MgO、质量百分比为10°/Γ15%的ZnO和质量百分比为30°/Γ35%的SiO2共同组成，其颗粒尺寸约5 10 μ m ；A1203粉体的颗粒尺寸约为ΓΙΟ μ m。
4.如权利要求1-3任意一项所述的外气道式平板型固体氧化物燃料电池堆，其特征在于，所述定位块和滑块与供气侧盖之间的接触面由斜面替换为圆弧面。
5.如权利要求1-4任意一项所述的外气道式平板型固体氧化物燃料电池堆，其特征在于，相对于各个供气侧盖而言，底座上固定设置的定位块数量为2，顶板上所设置的滑块数量为1，并且该滑块位于两个定位块的上方中心线上。
6.如权利要求5所述的外气道式平板型固体氧化物燃料电池堆，其特征在于，各个所述供气侧盖的面积小于其所对应的堆芯侧面的面积。
7.一种用于外气道式平板式固体氧化物燃料电池堆的装配方法，该方法包括 在设置有多个定位块的底板上，将由平板型固体氧化物燃料电池和双极板在水平方向上交替堆叠成立方体结构的堆芯放置在底座的中心位置予以固定； 将供气侧盖分别放置于堆芯的侧面上，并使得底板上的定位块以斜面或圆弧面的形式与各个供气侧盖相接触由此施加压カ； 将顶板放置在堆芯的顶部，并通过分布在堆芯四周的贯穿螺栓使其与底座固紧，其中所述顶板的下方与各个供气侧盖相对应的位置设置有滑块，该滑块通过调节螺栓固定在顶板上并可通过对调节螺栓的操作而沿着导轨上下移动； 通过拧紧调节螺栓推动所述滑块沿着导轨向下移动，并以斜面或圆弧面的形式与各个供气侧盖相接触使得供气侧盖贴合于堆芯侧面，由此完成对电池堆的装配过程。
全文摘要
本发明公开了一种外气道式平板型固体氧化物燃料电池堆及其装配方法，该电池堆包括底座、放置在底座上由平板型固体氧化物燃料电池和双极板交替堆叠成立方体结构的堆芯、分别与堆芯的侧面相贴合的外气道式供气侧盖，以及设置在堆芯顶部并通过贯穿螺栓与底座相固紧的顶板，其中底座上与各个供气侧盖相对应的位置固定设置有多个定位块，这些定位块以斜面或圆弧面形式与供气侧盖相接触由此施加压力，顶板下方与各个供气侧盖相对应的位置设置有滑块，该滑块通过调节螺栓固定在顶板上并可通过对调节螺栓的操作而沿着导轨上下移动，由此以斜面形式与供气侧盖相接触以施加压力。按照本发明，相应可解决供气侧盖加压方式不可靠，密封性不足的问题。
文档编号H01M8/24GK102723507SQ20121016049
公开日2012年10月10日 申请日期2012年5月22日 优先权日2012年5月22日
发明者方大为, 李箭, 池波, 王晓鹏, 罗军, 蒲键, 颜冬 申请人:华中科技大学