一种固态氧化电堆及其电堆密封方法与流程

1.本发明涉及到固体氧化物电池的技术领域，尤其涉及到一种固态氧化电堆及其电堆密封方法。


背景技术：

2.一般来说，固体氧化物电池(soc)是一种能量转换装置，能够将燃料中的化学能通过氧化还原反应转换为电能对外供电，也可通过电解将电能储存在化学燃料中。平板式固体氧化物燃料电池/电解池(sofc/soec)是一种典型的soc。以薄板式sofc/soec和平管式sofc/soec为例，它主要包含阳极、电解质和阴极；
3.一种为薄板式sofc/soec，约0.5mm厚的阳极支撑体上涂覆有一层致密的氧化钇稳定的氧化锆(ysz)电解质层，之上再涂覆约30μm的阴极层；
4.另一种为平管式sofc/soec，燃料气通道贯穿约5mm厚的阳极支撑体，支撑体上涂覆有一层致密的氧化钇稳定的氧化锆(ysz)电解质层，之上再涂覆约30μm的阴极层；
5.以发电模式为例，以上两类电池工作时需向其阴极(白色区域)通空气，向阳极(绿色部分)通燃料气，如氢气，故需对阴、阳极分别进行密封以保证空气与燃料气分别被限制在阴、阳极区域进行电化学反应，同时防止直接相遇发生爆炸。一般来说，由于soc为全陶瓷或金属-陶瓷复合结构，其受压形变量较小，电池及连接件的厚度、平面度、翘曲度等参数波动均会导致对阴、阳集进行面密封十分困难。
6.同时现有技术缺点主要有：
7.1、不适用于变形能力差或机械强度低的电池；
8.2、电池制造成本高，脆性大易损坏；
9.3、电池制造工艺复杂，难度大，成本高；
10.4、对集流层高温可压缩性要求高，可压缩性差的常规集流层可能导致集流接触不良。对于电堆集成来说，局部集流接触不良会导致其使用寿命缩短，甚至失效。


技术实现要素：

11.本发明的目的在于提供一种固态氧化电堆及其电堆密封方法，用于解决上述技术问题。
12.本发明采用的技术方案如下：
13.一种电堆密封方法，包括如下步骤：
14.步骤s1：制备混合液，制备将密封材料粉体中加入溶剂，所述密封材料粉体包括硅酸盐类玻璃、陶瓷及其复合材料的粉体，并将溶剂与粉体通过混合工艺制成混合液；
15.步骤s2：制备浆料，混合液加入添加剂制成浆料；添加剂可为聚乙烯醇、聚乙烯醇吡咯烷酮溶液、或为聚乙烯醇缩丁醛溶液、或为乙基纤维素溶液、或为乙二胺四乙酸溶液，所述添加剂使用比例为4～27wt％；
16.步骤s3：主体层的涂覆：以第一连接件为基底通过丝网印刷、或点胶、或悬涂、或物
理沉积、或模压涂覆主体层浆料，所述主体层的厚度50～300μ m，所述主体层的厚度与集流层在一定范围内相匹配；
17.步骤s4；主体层的制备，将涂主体层浆料的第一连接件进行风干、或烘干、或干压、或静压获得厚度50～300μm的主体层；
18.步骤s5：修饰层的制备，主体层上通过丝网印刷、或点胶、或悬涂、或物理沉积涂覆修饰层浆料；通过制备手段获得第二连接件；
19.步骤s6：电池单元的制备；将涂覆好集流层的固态氧化电池与设有第二连接件装配获得电堆集成电池单元；
20.步骤s7：电堆的集成；以电池单元为元部件根据需要进行电堆集成，电堆单元的数1～100可调；
21.步骤s8：将集成电堆在700～850℃条件下烧结2～6h获得双层密封电堆单元。
22.作为进一步的优选，所述步骤2中，修饰层涂覆形状或为直线状、或为平行线状、或为交错线状、或为s型线状层状。
23.作为进一步的优选，所述步骤s1中涂抹手段或为丝网印刷、或为点胶、或为悬涂、或为物理沉积、或为热喷涂、或为气相沉积、或为液相沉积方法。
24.作为进一步的优选，所述步骤s3中所述的制备手段为将涂抹修饰层浆料的主体层进行风干、或烘干、或干压、或静压。
25.作为进一步的优选，所述混合工艺可为滚筒式球磨、或为行星式球磨、或为机械介入式搅拌、或为离心式搅拌、或为超声波振动搅拌。
26.一种固态氧化电堆，通过上述中任一项所述的电堆密封方法制备而成。作为进一步的优选。
27.上述技术方案具有如下优点或有益效果：
28.本发明中，电池本身具有一定可变形能力，通过变形抵消元部件误差。
29.本发明中，采用200～300μm的电解质片做支撑体，实现厚度、平面度、翘曲度公差的高精度要求和严格控制。
30.本发明中，在电池生产过程中，采用电子陶瓷直接对阳极进行面密封，将燃料气流道密封在电池阳极内部，使得阴极不再需要严格密封。
31.本发明中，其结构主要包括一层常温压缩形变量可忽略的主体层和一层常温可压缩的修饰层。“主体层通过丝网印刷、悬涂、点胶等方法涂覆在电池或连接件上作为基底，厚度与集流层匹配，修饰层通过点胶、悬涂等方式涂覆于主体层上，厚度与元部件参数综合误差匹配。常温装配时，修饰层受元部件自重或外加压力作用变形抵消元部件参数误差，同时形成良好的集流接触。高温烧结后主体层致密化达到良好的密封效果，同时产生微量烧结收缩使集流接触进一步优化。
附图说明
32.图1是固体氧化物电池的电堆密封方法的流程图；
33.图2是本发明固体氧化物电池结构示意图一；
34.图3是本发明固体氧化物电池结构示意图二。
35.图4是本发明电堆的结构示意图。
36.图中：1、固态氧化电池；2、阴极层；3、燃料气通。
具体实施方式
37.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
38.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
39.术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。
40.结合图1-3所示，一种固体氧化物电池的电堆密封方法，包括如下步骤：
41.步骤s1：制备混合液，制备将密封材料粉体中加入溶剂，密封材料粉体包括硅酸盐类玻璃、陶瓷及其复合材料粉体，并将溶剂与粉体通过混合工艺制成混合液；
42.步骤s2：制备浆料，混合液加入添加剂制成浆料；添加剂可为聚乙烯醇、聚乙烯醇吡咯烷酮、聚乙烯醇缩丁醛、乙基纤维素、乙二胺四乙酸及其溶液等，添加剂使用比例为4～27wt％；
43.步骤s3：主体层的涂覆：以第一连接件为基底通过丝网印刷、或点胶、或悬涂、或物理沉积、或模压等方法涂覆主体层浆料，主体层的厚度50～300 μm，主体层的厚度与集流层在一定范围内相匹配；
44.步骤s4；主体层的制备，将涂主体层浆料的第一连接件进行风干、烘干、干压、等静压等处理方法获得厚度50～300μm的主体层
45.步骤s5：修饰层的制备，主体层上通过丝网印刷、点胶、悬涂、物理沉积(包括热喷涂、气相沉积、液相沉积)等方法涂覆修饰层浆料；通过一定的制备手段获得第二连接件；
46.步骤s6：电池单元的制备；将涂覆好集流层的固态氧化电池1与设有第二连接件装配获得电堆集成电池单元；
47.步骤s7：电堆的集成；以电池单元为元部件根据需要进行电堆集成，电堆单元的数1～100可调；
48.步骤s8：将集成电堆在700～850℃条件下烧结2～6h获得双层密封电堆单元。
49.进一步，作为一种较佳的实施方式，步骤2中，修饰层涂覆形状可为直线状、平行线状、交错线状、s型线状、层状等。
50.进一步，作为一种较佳的实施方式，步骤s主体层涂抹手段包括：丝网印刷、点胶、悬涂、物理沉积(包括热喷涂、气相沉积、液相沉积)等方法。
51.进一步，作为一种较佳的实施方式，步骤s3中的制备手段包括涂抹修饰层浆料的主体层进行风干、烘干、干压、等静压等处理方法。
52.进一步，作为一种较佳的实施方式，混合工艺可为滚筒式球磨、行星式球磨、机械介入式搅拌、离心式搅拌、超声波振动搅拌等。
53.一种固态氧化电堆，通过上述中任一项的电堆密封方法制备而成。
54.实施例一：以第一连接件为基底通过丝网印刷法涂覆主体层浆料，厚度 100μm；将主体层产品进行风干；以主体层为基底，通过悬涂法在主体层上涂覆s型线状修饰层；将涂覆好集流层的电池与涂有修饰层的第二连接件贴合装配5获得电堆集成“单元”；以“单元”为元部件根据需要进行电堆集成，“单元”数20；将5中电池或电堆在800℃条件下烧结3h获得产品。
55.实施例二、以电池为基底通过点胶法涂覆主体层浆料，厚度300μm；将主体层产品进行烘干；以主体层为基底，通过丝网印刷法在主体层上涂覆层状修饰层；将涂覆好集流层的电池与涂有修饰层的第二连接件贴合装配5获得电堆集成“单元”；以“单元”为元部件根据需要进行电堆集成，“单元”数50；将5中电池或电堆在750℃条件下烧结6h获得产品。
56.实施例三、以第一连接件为基底通过热喷涂法涂覆主体层，厚度100μm；将主体层产品进行风干；以主体层为基底，通过点胶法在主体层上涂覆平行线状修饰层；将涂覆好集流层的电池与涂有修饰层的第二连接件贴合装配5 获得电堆集成电堆单元；以电堆单元为元部件根据需要进行电堆集成，电堆单元数100；将5中电池或电堆在800℃条件下烧结2h获得产品。
57.实施例四，以电池为基底通过气相沉积法涂覆主体层，厚度60μm；
58.将主体层产品进行烘干，100mpa压力下等静压60s；以主体层为基底，通过点胶法在主体层上涂覆双s型线状修饰层；将涂覆好集流层的电池与涂有修饰层的第二连接件贴合装配5获得电堆集成电堆单元；以电堆单元为元部件根据需要进行电堆集成，电堆单元数40；将5中电池或电堆在750℃条件下烧结4h获得产品。
59.以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。