一种固体氧化物燃料电池电堆的制作方法

本发明涉及燃料电池技术，具体是一种固体氧化物燃料电池电堆。

背景技术：

固体氧化物燃料电池(sofc)是高温燃料电池，其工作温度为500～1000℃。由于工作温度高，sofc可以把化石能源、生物质能源转化的碳氢化合物直接作为燃料，经过外部或内部重整反应，及电极内的电化学反应，把化学能高效地转化成电能。与其他燃料电池相比，sofc具有全固态装置、燃料灵活、不需要昂贵的催化剂及热电联供等优点，但也存在一些新挑战。

sofc关键元件是单元电池，若干个单电池通过串、并联构成电池堆，sofc电堆有多种结构设计，目前主要有管式和平板式两种结构。板式结构sofc具有电流采集流程短、功率密度高、制备工艺简单、制备成本低等优点，但是需要专门的密封材料和密封技术，在具备了高性能的单电池及合格的连接体和封接材料后，需要发展能够保证电池堆高效、可靠、稳定运行的集成设计，这要求解决与单电池完全不同的关键技术问题。例如，电堆的发电效率正比于燃料使用率，需要优化的气道设计以保证串联中的各个单电池获得尽可能等量的燃料分配；电堆的稳定运行则要求深刻认识运行条件下部件材料的结构和性能演化规律，选择合理的电堆结构和运行参数，以尽量减缓热应力和温度场等因素对各部件材料及其界面的损伤。由于电堆的性能综合体现了从微观尺度的电化学反应到宏观尺度的传热传质以及材料的微结构和电堆的宏结构演化等多种物理效应，需要定量分析各影响因素，才能获得最佳平衡点，提出优化的电堆结构设计，促进高效长寿的电堆技术的发展。

固体氧化物燃料电池(sofc)也是一种全固体燃料电池，电解质是复合氧化物，最常用的是氧化钇或氧化钙搀杂的氧化锆，这样的电解质材料在高温(800～1000℃)下具有氧离子导电性，因为搀杂的复合氧化物中形成了氧离子晶格空位，在电位差和浓度差的驱动下氧离子可以在陶瓷材料中迁移。所以，固体氧化物燃料电池的工作原理是：氧气在阴极被还原成氧离子，在电解质中通过氧离子空穴导电从阴极传导到阳极，氢气在阳极被氧化，结合氧离子生成水。

sofc的结构主要有管式、平板式和瓦楞式三种。管式最为成熟，每根管为一个单电池，从内到外分别为支撑管、阴极、电解质和阳极。管子为一端开口，直径1cm左右，长度可达1.5m。多根单电池管经过串并联形成一个管束，多个管束构成一个电池堆。管式电池优点是应力分布均匀，采用合适的结构可以不需要密封。与管式结构相比，平板式结构制备工艺简单，造价低；电流的流程较短，功率密度更高。但是，大面积电池的应力分布均匀和气体密封是板式结构的难题。平板式结构中，三合一电池组件是平板结构，而在瓦楞式结构的电池中，三合一电池组件是瓦楞式或波浪式，这样增加了电池反应面积，因此具有更高的功率密度，但是三合一组件的制备相对困难。

技术实现要素：

本发明要解决的问题在于提供一种固体氧化物燃料电池电堆，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种固体氧化物燃料电池电堆，包括端板和重复单元，所述端板分为前后两个，两个端板之间设有重复单元，所述重复单元由连接件、密封件、气道板和电池片组成，连接件包括分隔板、阳极支撑件、阴极支撑板和电池片支撑板，重复单元上还设有单电池电压引出点，分割板位于最上层，分割板的下层左边设有阴极气道板，分割板的右侧设有阴极密封件和阳极支撑件，分割板的下层左侧设有电池片，电池片的右侧设有电池片支撑片，电池片支撑片下部设有阳极密封件，阳极密封件下部设有阳极支撑件，阳极支撑件的左侧设有镍泡棉。

作为本发明的优选方案：所述端板上还设有导电线引出槽、测氧分压孔、固定孔和测温孔。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：1)显著提高电堆的输出功率，电堆的寿命长；

2)采用新型的密封材料及结构能够增强电堆的密封性，有效保证电堆的使用时间；

3)采用新型的结构材料及涂层，降低了电堆的衰减性，提高了电堆的热循环使用次数。

4)轻量化的设计结构，提高了电堆的功率密度；

5)丰富的接口，对电堆进行实时监控。

附图说明

图1是本发明实施方式的双极板单面流道的示意图。

图2为重复元件的结构剖视图。

图中：1-(后)端板、2-阳极密封件、3-阳极金属件、4-分割板、5-阴极密封件、6-阴极金属件、7-导电线引出槽、8-(前)端板、9-测氧分压孔、10-固定孔、11-测温孔、12-单电池电压引出点、13-阴极气道板、14-电池片、15-电池片支撑片、16-阳极支撑件、17-镍泡棉、18-阴极支撑板。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-2，一种固体氧化物燃料电池电堆，包括端板1和重复单元，所述端板分为前端板1和后端板8，两个端板之间设有重复单元，所述重复单元由连接件、密封件、气道板和电池片14组成，连接件包括分隔板4、阳极支撑件16、阴极支撑板18和电池片支撑板15，重复单元上还设有单电池电压引出点12，分割板4位于最上层，分割板4的下层左边设有阴极气道板13，分割板4的右侧设有阴极密封件5和阳极支撑件16，分割板4的下层左侧设有电池片14，电池片14的右侧设有电池片支撑片15，电池片支撑片15下部设有阳极密封件2，阳极密封件2下部设有阳极支撑件16，阳极支撑件16的左侧设有镍泡棉17。

端板上还设有导电线引出槽7、测氧分压孔9、固定孔10和测温孔11。

本发明的工作原理是：连接件主要作用为支撑；

内部电堆结构，构成电堆内气道。连接件所含气道大小与端板气道大小一致，气道内加入加强筋以减少高温下的零件变形。密封件为压实型复合材料，能够起到电堆密封和平衡电堆层片结构的作用。为了满足电池片受压均匀以及保证整个电池良好的电接触性能，对于阴极部件和阳极部件，都采用了均衡厚度的设计；在电池片阴极表面涂刷阴极接触材料。

本专利中设计的电堆中采用等比截面面积的气道，使空气进入电堆后分散均匀并预热，减少气温差，提高空气的利用率，有利于电堆反应的顺利进行。

本专利设计的电堆，采用特有的电堆加压穿孔以及特殊材质的高温等膨胀系数的弹簧，在系统内部为电堆加压，将电堆与系统配气底座结合，简化内部结构，提高电堆功率密度。

电堆结构配有测温孔、测尾气氧分压孔及电堆中单电池电压引出线孔，丰富的接口功能能够帮助实时监测电堆的性能，调整电堆的输出功率，发挥电堆的最大性能。

本专利设计的sofc电堆采用平板样式，摒弃了管式电池堆的低功率密度和制造成本问题。而针对平板样式电池堆的密封缺点和热循环性能差缺点，本专利有针对性的进行了设计改进。

对于密封缺点，本专利设计的电堆在两个方面进行设计改进：

1)在原有的密封材料基础上，研发采用新型的流延型密封件，添加新的、稳定的氧化物，减少了界面的反应量，使其热膨胀性能与电堆金属件及电池片匹配，并改善导电性及封装的表现。

2)在结构上，本电堆采用有利于机械密封的双极板下沉设计，能够大大改善由于密封件本身的材料缺陷导致的密封性能差的问题。

对于热循环性能差缺点，本专利设计的电堆在以下几个方面进行设计改进：

1)采用crofer22apu材质，热膨胀系数与电池片接近，表面喷涂锰钴尖晶石涂层，提高抗氧化性，增强导电性能；

2)对现有的电堆结构进行热力电化学耦合数值模拟，优化电堆关键尺寸，降低电堆的衰减率，提高电堆的热循环性能。