专利名称：平板式固体氧化物燃料电池堆的密封连接装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及平板式固体氧化物燃料电池的密封领域，特别涉及平板式固体氧化物燃料电池堆的密封连接装置。
背景技术：
固体氧化物燃料电池(SOFC)是由全固态材料组成的电化学发电装置，其最主要的特点是固态电解质具有一定的氧离子导电性，能隔离燃料气和氧气。由于单体电池只能产生IV左右电压，功率有限，为了使SOFC具有实际应用的可能，采用连接件将若干个单电池以串联、并联或混联的方式密封组装成电池组，以提高SOFC的电压和功率。固体氧化物燃料电池主要有四种结构，即管式、平板式、基块式和串接式结构。平板式固体氧化物燃料电池制备相对容易，功率密度较高，因此应用范围较广。平板式固体氧化物燃料电池电堆是由多个串联在一起的平板式固体氧化物燃料单电池组成。单电池之间设置有连接体，连接体为相邻单电池的阳极与阴极提供电连接。连接体和电极之间通常通过丝网印刷的方法印刷一层透气的电流收集层，以改善电极和连接体之间的接触，从而降低接触电阻。同时，为了避免阳极的燃料气直接和阴极的空气接触而产生燃烧，需要采取密封措施对燃料和空气进行隔离，因此连接体和电极之间的空间内，在电流收集层的周围还填充有密封材料。密封材料为软化点和平板式固体氧化物燃料电池工作温度相当或略高的玻璃材料，也可以采用金属或陶瓷毡，通过浸溃等方式填充到空隙中，以阻断气体通道。在升温和使用过程中，对电池堆施加一定的压力，使密封材料和电流收集层在压力作用下发生一定的形变，以改善连接体和电极的接触，并且提高密封性。但是，电流收集层和密封材料在电池工作状态下会有一定的收缩且密封材料为硬质，因此两者的收缩量不一致，容易导致两种情况，具体如图1和图2所示。图1中，连接体I和电极2之间设置有电流收集层3、密封材料4和空隙5。电流收集层3的厚度大于密封材料4，因此密封材料承受的压カ不够，密度偏低，密封不严。图2中，连接体I和电极2之间设置有电流收集层3、密封材料4和空隙5。电流收集层3的厚度小于密封材料4的厚度，电流收集层承受的压カ不够，连接体和电极之间的接触差，接触电阻大。由此可见，单电池之间的连接无法同时保证接触电阻小且密封性好。
发明内容
本发明解决的技术问题在于提供ー种平板式固体氧化物燃料电池堆的密封连接装置，接触电阻小且密封性好。本发明公开了ー种平板式固体氧化物燃料电池堆的密封连接装置，包括:连接体、电极和位于连接体及电极之间的电流收集密封层；电流收集密封层，所述电流收集密封层包括电流收集部分，环绕在所述电流收集部分外围的密封填充部分，环绕在所述密封填充部分外围的第一密封支撑部分，所述密封填充部分与电流收集部分之间有第一空隙，所述第一密封支撑部分与所述密封填充部分接触连接；所述密封填充部分在600 1000°C为可塑性变形的软化状态。优选的，所述电流收集部分与第一密封支撑部分的材料相同。优选的，所述电极为阴极，所述电流收集部分和密封支撑部分为LSM材料，LSC材料和LSCF材料中的ー种或几种。优选的，所述电极为阳极，所述电流收集部分和密封支撑部分为银、Cr-Co-Fe-Al-Y合金、镍、铜、镍的氧化物和铜的氧化物中的ー种或几种。优选的，所述密封填充部分为Si02、Al2O3, B2O3> ZnO, RO和A2O中的ー种或多种，所述 RO 为 Mg。、CaO、SrO 或 BaO, A2O 为 K20、Na2O 或 Li2O0优选的，所述密封填充部分的组成为30wt% 50wt%的SiO2,40wt% 60wt%的B2O3为，5wt% 15wt% 的 Al2O3,0wt% 10wt% 的 ZnO, 0wt% 5wt% 的 R0,0wt% 25wt% 的 A20。优选的，所述电流收集密封层还包括:环绕在电流收集部分外围的第二密封支撑部分，所述第二密封支撑部分与电流收集部分之间有第一空隙，所述第二密封支撑部分与密封填充部分之间有第二空隙。与现有技术相比，本发明的平板式固体氧化物燃料电池堆的密封连接装置，包括:连接体、电极和位于连接体及电极之间的电流收集密封层；电流收集密封层，所述电流收集密封层包括电流收集部分，环绕在所述电流收集部分外围的密封填充部分，环绕在所述密封填充部分外围的第一密封支撑部分，所述密封填充部分与电流收集部分之间有第一空隙，所述第一密封支撑部分与所述密封填充部分接触连接；所述密封填充部分在600 1000°C为可塑性变形的软化状态。由于密封填充部分为可塑性变形的软化状态，其在受到连接体和电极垂直方向的压カ时，一方面渗入第一密封支撑部分的孔隙，另ー方面向空隙扩散，使得密封填充部分与电流收集部分的厚度一致，而且电流收集部分和密封填充部分均与连接体及电极接触良好，避免了密封填充部分与电流收集部分厚度难于匹配的问题，因此，保证了电池堆不但具有良好的密封性而且接触电阻小。
图1为第一种现有技术中平板式固体氧化物燃料电池堆的密封连接装置的剖面图；图2为第二种现有技术中平板式固体氧化物燃料电池堆的密封连接装置的剖面图；图3为第一种实施方式提供的平板式固体氧化物燃料电池堆的密封连接装置的剖面图；图4为第二种实施方式提供的平板式固体氧化物燃料电池堆的密封连接装置的剖面图。
具体实施例方式为了进一歩理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进ー步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。本发明实施例公开了ー种平板式固体氧化物燃料电池堆的密封连接装置，包括:连接体、电极和位于连接体及电极之间的电流收集密封层；电流收集密封层，所述电流收集密封层包括电流收集部分，环绕在所述电流收集部分外围的密封填充部分，环绕在所述密封填充部分外围的第一密封支撑部分，所述密封填充部分与电流收集部分之间有第一空隙，所述第一密封支撑部分与所述密封填充部分接触连接；所述密封填充部分在600 1000°C为可塑性变形的软化状态。本发明的平板式固体氧化物燃料电池堆的密封连接装置，包括:连接体、电极和位于连接体及电极之间的电流收集密封层。本发明对所述连接体没有特殊限制，按照本领域技术人员熟知的方式进行选择即可。所述连接体可以与阴极连接，也可以与阳极连接。所述电极为阴极或阳极，本发明对电极的材料没有特殊限制，可以按照本领域技术人员熟知的方式进行选择。所述电流收集密封层位于连接体及电极之间，所述电流收集密封层包括电流收集部分，环绕在所述电流收集部分外围的密封填充部分，环绕在所述密封填充部分外围的第一密封支撑部分，所述密封填充部分与电流收集部分之间有第一空隙，所述第一密封支撑部分与所述密封填充部分接触连接。电流收集部分具有一定的孔隙率，可以改善电极和连接体之间的接触，从而降低接触电阻。电流收集部分的材料与电极相关，连接的电极不同，电流收集部分的材料不同。所述第一密封支撑部分起到对连接体的支撑作用。其位于电流收集密封层的最外侦牝优选的第一密封支撑部分与电流收集部分的材料相同，具有相同的厚度及相同的孔隙率，从而两者的收缩量一致，收缩后两者的厚度也一致，保证了收缩电流收集密封层具有良好的电流收集接触。当所述电极为阴极，所述电流收集部分和第一密封支撑部分优选为LSM材料，LSC材料和LSCF材料中的ー种或几种。所述LSM材料的化学式为(LahSrx)MnO3, LSC材料的化学式为LahSrxCoO3, LSCF材料的化学式La1ISrxFehCoyO3，其中0.1彡x彡0.4，
0.02 ^ y ^ 0.4。当所述电极为阳扱，所述电流收集部分和第一密封支撑部分优选为银、Cr-Co-Fe-Al-Y合金、镍、铜、镍的氧化物和铜的氧化物中的ー种或几种。在本发明中，所述密封填充层的作用为密封，避免相邻单电池阳极的燃料气直接和阴极的空气接触而产生燃烧。所述密封填充部分在600 1000°C为可塑性变形的软化状态。当受到连接体和电极垂直方向的压カ时，一方面渗入第一密封支撑部分的孔隙，另一方面向空隙扩散，从而使得密封填充部分与电流收集部分的厚度一致。软化状态的密封填充部分与连接体及电极接触性好，因此密封性能好。而且密封填充部分的厚度可以根据电流收集部分的厚度调节，保 证电流收集部分与连接体及电极接触良好。所述密封填充部分优选为Si02、A1203、B203、ZnO, RO和A2O中的ー种或多种，所述RO 为 Mg。、CaO、SrO 或 BaO, A2O 为 K20、Na2O 或 Li2O,更优选为 SiO2, Al2O3' B203、ZnO 和 CaO0优选的密封填充部分的组成为30wt% 50wt%的Si02，40wt% 60wt%的B2O3为，5wt% 15wt% 的 Al2O3, Owt% 10wt% 的 Zn0,0wt% 5wt% 的 R0,0wt% 25wt% 的 A20。所述密封填充部分在600 1000°C为可塑性变形的软化状态。
具体实施方式
參见图3或图4。图3为第一种实施方式提供的平板式固体氧化物燃料电池堆的密封连接装置的剖面图。图3中，连接体2和电极3之间设置有电流收集密封层I。电流收集密封层I包括电流收集部分11，第一空隙12，密封填充部分13和第一密封支撑部分14。密封填充部分13在固体氧化物燃料电池工作温度下呈软化状态。在受到连接件2和电极3垂直方向的压カ时，密封填充部分13向水平方向的两边扩散，渗入第一密封支撑部分14的空隙中，达到密封的作用。在固体氧化物燃料电池升温过程中，受到连接件2和电极3垂直方向的压カ时，第一密封支撑部分14和电流收集接触部分11在垂直方向收缩。由于具有一致的厚度、孔隙率、材料成分，两者的收缩量是一致的，因此收缩后两者的厚度是一致的，从而保证了良好的电流收集接触。密封填充部分12处于密封支撑部分11和第一空隙13之间。第一空隙13的作用是释放密封填充部分12的压力，使密封填充部分12在受到连接件2和电极3垂直方向的压カ下向第一空隙13扩散，使密封填充部分12的厚度和第一密封支撑部分14以及电流收集部分11的厚度一致。在本发明中，所述电流收集密封层优选还包括环绕在电流收集部分外围的第二密封支撑部分，所述第二密封支撑部分与电流收集部分之间有第一空隙，所述第二密封支撑部分与密封填充部分之间有第二空隙。具体參见图4，图4为第二种实施方式提供的平板式固体氧化物燃料电池堆的密封连接装置的剖面图。图4中，连接体2和电极3之间设置有电流收集密封层I。电流收集密封层I包括电流收集部分11，第一空隙12，第二密封支撑部分13，第二空隙14，密封填充部分15和第一密封支撑部分16。密封填充部分15在平板式固体氧化物燃料电池工作温度下呈软化状态。在受到连接体2和电极3垂直方向的压カ时，密封填充部分15相水平方向的两边扩散，渗入密封支撑部分16的孔隙中，达到密封作用。在平板式固体氧化物燃料电池升温过程中，受到连接件2和电极3垂直方向的压カ时，第一密封支撑部分16、第二密封支撑部分13和电流支撑部分11在垂直方向收缩，由于三者具有一致的孔隙率、厚度和材料组成，三者的收缩量一致，因此收缩后三者的厚度一致，从而保证了良好的电流收集接触。本发明所述平板式固体氧化物燃料电池堆的密封连接装置的制备方法为: 在单电池的阴极侧印刷电流收集层浆料，烘干后形成密封支撑部分和电流收集部分，然后再印刷ー层密封填充浆料，烘干后形成密封填充部分；在单电池的阳极印刷电流收集层浆料，烘干后形成密封支撑部分和电流收集部分，然后再印刷ー层密封填充浆料，烘干后形成密封填充部分；将多个单电池和连接体堆叠在一起，得到平板式固体氧化物燃料电池堆。为了进一歩理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的平板式固体氧化物燃料电池堆的密封连接装置进行说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。实施例1将760 克 Si02、1000 克 B203、100 克 Al203、40 克 ZnO 以及 100 克 CaO 球磨混合均匀，在1200°C下熔融，倒入冷水中形成玻璃。将玻璃破碎并过40目筛，得到玻璃密封填充剂粉末。将620克玻璃密封填充剂粉末、20克こ基纤维素、360克松油醇混合均匀并通过三辊研磨机研磨，制成玻璃密封填充剂浆料。将600克NiO粉末、20克こ基纤维素、380克松油醇混合均匀并通过三辊研磨机研磨，制成阳极电流收集层浆料。将550克LSM粉末、20克こ基纤维素、430克松油醇混合均匀并通过三辊研磨机研磨，制成阴极电流收集层浆料。在单电池阴极侧，先印刷ー层50微米厚的阴极电流收集层浆料，烘干后形成密封支撑部分和电流收集接触部分；再印刷ー层50微米厚的玻璃密封填充剂浆料，烘干后形成密封填充部分。在单电池阳极侧，先印刷ー层50微米厚的阳极电流收集层浆料，烘干后形成密封支撑部分和电流收集接触部分；再印刷ー层50微米厚的玻璃密封填充剂浆料，烘干后形成密封填充部分。将上述印刷好后的5片单电池和连接件堆叠在一起，通过高温弹簧在堆的上下两端施加200牛顿的压力。所述平板式固体氧化物燃料电池堆的密封连接装置具体如图4所
/Jn o将电池堆加热至830°C，保温5小时，然后通气测试。结果表明，密封良好，连接体与电极之间的接触电阻非常小。实施例2将760 克 Si02、1000 克 B203、100 克 Al203、40 克 ZnO 以及 100 克 CaO 球磨混合均匀，在1200°C下熔融，倒入冷水中形成玻璃。将玻璃破碎并过40目筛，得到玻璃密封填充剂粉末。将620克玻璃密封填充剂粉末、20克こ基纤维素、360克松油醇混合均匀并通过三辊研磨机研磨，制成玻璃密封填充剂浆料。将600克NiO粉末、20克こ基纤维素、380克松油醇混合均匀并通过三辊研磨机研磨，制成阳极电流收集层浆料。将550克LSM粉末、20克こ基纤维素、430克松油醇混合均匀并通过三辊研磨机研磨，制成阴极电流收集层浆料。在单电池阴极侧，先印刷ー层50微米厚的阴极电流收集层浆料，烘干后形成密封支撑部分和电流收集接触部分；再印刷ー层50微米厚的玻璃密封填充剂浆料，烘干后形成密封填充部分。在单电池阳极侧，先印刷ー层50微米厚的阳极电流收集层浆料，烘干后形成密封支撑部分和电流收集接触部分；再印刷ー层50微米厚的玻璃密封填充剂浆料，烘干后形成密封填充部分。将上述印刷好后的5片单电池和连接件堆叠在一起，通过高温弹簧在堆的上下两端施加200牛顿的压力。所述平板式固体氧化物燃料电池堆的密封连接装置具体如图4所
/Jn o将电池堆加热至830°C，保温5小时，然后通气测试。測量电池堆及每片单电池两端的OCV (开路电压)及欧姆电阻，如表I所示，表I为实施例1制备的电池堆的性能參数。
表I实施例1制备的电池堆的性能參数
权利要求
1.ー种平板式固体氧化物燃料电池堆的密封连接装置，包括:连接体、电极和位于连接体及电极之间的电流收集密封层； 电流收集密封层，所述电流收集密封层包括电流收集部分，环绕在所述电流收集部分外围的密封填充部分，环绕在所述密封填充部分外围的第一密封支撑部分，所述密封填充部分与电流收集部分之间有第一空隙，所述第一密封支撑部分与所述密封填充部分接触连接； 所述密封填充部分在600 1000°C为可塑性变形的软化状态。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电流收集部分与第一密封支撑部分的材料相同。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述电极为阴极，所述电流收集部分和密封支撑部分为LSM材料，LSC材料和LSCF材料中的ー种或几种。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述电极为阳极，所述电流收集部分和密封支撑部分为银、Cr-Co-Fe-Al-Y合金、镍、铜、镍的氧化物和铜的氧化物中的ー种或几种。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述密封填充部分为Si02、A1203、B203、ZnO, RO 和 A2O 中的ー种或多种，所述 RO 为 MgO, CaO, SrO 或 BaO, A2O 为 K20、Na2O 或 Li2O0
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在干，所述密封填充部分的组成为30wt% 50wt% 的 SiO2,40wt% 60wt% 的 B2O3, 5wt% 15wt% 的 Al2O3, Owt% 10wt% 的 ZnO, 0wt% 5wt% 的 R0,0wt% 25wt% 的 A2O。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电流收集密封层还包括:环绕在电流收集部分外围的第二密封支撑部分，所述第二密封支撑部分与电流收集部分之间有第一空隙，所述第二密封支撑部分与密封填充部分之间有第二空隙。
全文摘要
本发明提供一种平板式固体氧化物燃料电池堆的密封连接装置，包括连接体、电极和位于连接体及电极之间的电流收集密封层；电流收集密封层，所述电流收集密封层包括电流收集部分，环绕在所述电流收集部分外围的密封填充部分，环绕在所述密封填充部分外围的第一密封支撑部分，所述密封填充部分与电流收集部分之间有第一空隙，所述第一密封支撑部分与所述密封填充部分接触连接；所述密封填充部分在600～1000℃为可塑性变形的软化状态。本发明的密封连接装置中电流收集部分和密封填充部分均与连接体及电极接触良好，避免了密封填充部分与电流收集部分厚度难于匹配的问题，因此，保证了电池堆不但具有良好的密封性而且接触电阻小。
文档编号H01M8/02GK103137985SQ20131008804
公开日2013年6月5日 申请日期2013年3月19日 优先权日2013年3月19日
发明者杨成锐, 王蔚国, 朱骏, 王建新, 叶爽, 苗鹤 申请人:中国科学院宁波材料技术与工程研究所