专利名称：一种固体氧化物燃料电池堆中的阳极膜－连接板结构的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种固体氧化物燃料电池(SOFC)结构的设计，更确切地说是属于SOFC堆中的阳极膜-连接板结构，属于能源领域。
因为固体氧化物燃料电池(SOFC)能把矿物的化学能直接转换成电能，能源利用率很高(＞70％)，对环境污染低，排出的氧氮化物、氧硫化物、碳氢化物和灰粉只是煤火力发电的十分之一以下，所以已被公认为是21世纪的一种绿色发电设备。而且SOFC可以使用多种燃料，除氢以外，还可以是天然气、城市煤气、烃类和CO等，SOFC也不需要用贵金属作催化剂。正因为SOFC具有以上的技术和经济优势，所以SOFC是很具有商业前途的一种发电设备。
目前开发得最多的SOFC堆有两种，一种是管式，另一种是平板式。由于平板型SOFC堆的有效工作面积大，输出电流密度高，制造工艺简单，以及制造成本低等优点，世界各国都着重于在平板型燃料电池方面的研究。为了提高电池堆的电流密度和功率密度的输出，优良的电池结构设计占据着十分重要的地位，尤其是电池堆中单电池之间的连接以及燃料气和氧化气的气道结构对于提高电流密度的输出有着重要的作用。如
图1所示，平板型电池堆中的单电池的电连接依靠连接板的凸道来完成，连接板即起着相邻两单电池之间的电流连通作用，还起着让反应气通过气道的作用。图中1为氧化锆固体电解质，如氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)；2为阴极，如掺锶的锰酸镧(La(Sr)MnO3)；3为阳极，如镍-氧化锆金属陶瓷；4为连接板，41为槽脊，42为槽底。目前常用的连接板结构均为双面槽道型，如澳大利亚陶瓷燃料电池公司(CFCL)的电池结构，其两面各有若干条槽道，其凸出部分(槽脊)与阴极膜或阳极膜的接触，起着从一个电池的电流输运串接至相邻的一个电池，其槽底作为气道。连接体一般由钙钛矿结构的铬酸镧基化合物或高温铬基合金材料组成。在电池的装配和运行中都施加压力使连接体与阴极或阳极保持良好的接触，电池产生的电流能顺利地通过串接的电池，这样电池的内阻可以降低，电池堆的输出电流密度和功率密度就能提高，由于SOFC工作在800-1000℃，用外加压力压紧连接板与(沉积在YSZ固体电解质上的)阴极膜和阳极膜，都是硬接触，YSZ与相接材料膨胀系数的不同，结果导致电池堆内部很大的应力，往往会引起YSZ固体电解质(＜200μm)和密封材料的破裂，从而导致SOFC堆工作失效。如图2所示，图中1～4与图1相同，显然连接板4与阳极、阴极的接触分别依靠连接板上下二面的槽脊41，这种结构必然引起电池内部很大应力。
本实用新型的目的在于提供一种新的阳极膜-连接板间结构，主要特征在于连接板与固体电解质上的阳极膜(燃料气)一侧用多块镍板(如海绵镍板或泡沫镍板)代替原先的槽脊和槽底的硬接触。不仅可提高阳极侧的燃料利用率，增加电流密度，还可使电池堆的热应力和机械应力得到松弛，提高电池堆的可靠性和工作寿命。
本实用新型的目的是通过下面的叙述实现的。连接板的作用仍是一个面与固体电解质上的阴极膜接触，另一个面与阳极膜接触，起着从一个电池的电流输运串联至相邻的另一个电池的作用，此外还起着让反应气通过的气道的作用。为了使固体电解质上的阳极膜与连接板间的接触通过多孔镍板，对连接板的结构进行了改进，使上下两个面具有不同的结构。在于固体电解质上的阴极膜接触的一面仍是有数条凸道，凸道与凸道之间通以空气，所不同的是原设计是通过外加压力的硬接触，而本实用新型则是与阳极膜接触的一面通过多孔镍板和密封材料替代原先的靠连接板上槽脊的硬接触实现柔性连接。
图3为经改进的特殊设计的连接板上下两个面的结构示意图，其中图3-1为与阳极膜接触的连接板结构，中间空隙用以安放多孔镍板，如海绵镍毡或泡沫镍板等，通过海绵镍毡与固体电解质上的阳极膜软接触，而与阴极膜接触的一个面，其结构如图3-2所示，图中41为数条相互平行的凸道，起着和图1的槽脊相同的作用(也可称之为槽脊)。在凸道与凸道之间作为气道通以氧化气。必须指出的是连接板与阴极膜接触的一个面上的凸道走向与安放多孔镍板与阳极膜相接触的另一个面上的凸道走向互为90度。这种构思考虑到随着电池功率的增大，固体电解质截面必须增大，连接板的截面也相应增大，这种结构对大面积连接板可以进行增强。凸道高度在1.0mm左右，宽度可为1～2mm，凸道之间放多孔镍板，其厚度比凸道的高度高0.1～0.2mm，使多孔镍板压缩到与凸道的高度相同，保证良好的接触(详见实施例3)。
图4是经阳极-连接板结构改进后的固体氧化物燃料电池(SOFC)电池堆的结构示意图。图中1为固体电解质，如Y2O3稳定的ZrO2厚膜，4为连接板，5为多孔镍板，6为密封材料，7为燃料气体行径，8为氧化气(空气)行径。固体电解质1上的阳极膜并未涂满整个面而是四周留出一个边框，边框四周各有双孔，用以通燃料气和氧化气，各不相干。在连接板与阳极膜之间放置一块密封材料和多孔镍板，连接板四周加工成突出的档道，多孔镍板的大小与固体电解质上的阳极膜面积相当，且在密封材料和连接板上也留有相应大小的面积(图3-2)；连接板与阴极膜(图中未标出，在固体电解质阳极膜的另一个面)之间也放置一块密封材料，其中间留有的孔大小也与阴极膜面积相当。如图所示的连接板-密封材料-固体电解质-多孔镍板-密封材料-连接板高温熔融后构成SOFC电池堆的一个单元，如图2所示可按输出功率要求，由数个单元甚至数十个单元构成电池堆，在密封材料高温熔融温度下(＜1000℃)加热而构成，从而保证良好的接触，连接板可用Cr基合金制作。
显然，本实用新型提出的阳极膜-连接板结构具有如下优点1.因为是多孔的镍材，燃料气可以在其中通过，而且经过阳极的途径是曲折的，增加了燃料气与阳极的接触途径，将提高燃料的利用率。
2.增加电接触面积，能使电流密度增加，改善通过连接板阳极侧电流的均匀性。
3.镍有催化活性，有可能降低阳极过电位。
4.镍的电导率高于铬酸镧基化合物或高温铬基合金。
5.松弛电池堆的内应力，由于镍毡和泡沫镍是柔性的，电池堆中不同膨胀系数的部件引起的热应力或电池工作时的机械应力，可由柔性镍毡、泡沫镍得以缓冲。
6.电池堆的制造成本低，因为镍的价格远比铬酸镧基化合物或高温铬基合金便宜。
下面结合实施例进一步阐明本实用新型的特点和进步，但决非仅限于所述的实施例。
实施例1在两单元SOFC堆中，连接板用高温Cr基合金制作，在其与阴极接触的一边，形成凸道，凸道之间的道沟用以让氧化气通过，电流由凸道与连接板接触部位通过，而其阳极边制作成平板状，与阳极膜接触的中央部位放置泡沫镍板，其四周在Cr基合金连接板加工成突出的档道，以让泡沫镍限位于其中。两单元电池堆在900-1000℃工作了约50小时，电池堆开路电压一直稳定在2.25V(H2-O2)，最大功率密度输出达120mW/cm2，证明这种阳极-连接体结构是有效的。
实施例2电池堆结构与实施例1相同，不过用镍毡代替泡沫镍，其效果与实施例1相同，都能得到稳定的电池堆的开路电压和功率密度输出。
实施例3电池堆的连接板-阴极的一边与实施例1相同，在连接板阳极的一边，根据连接板的小或大，在连接板上加工一条或数条平行的凸道，凸道的高度在1.0mm左右，宽度可为1.5mm，凸道的作用在于对大的连接板进行增强。然后在凸道之间放置多孔镍板，其厚度比凸道的高度高约0.15mm，这样电池堆在运行时，由于重量和加压的作用，使多孔镍板的厚度压缩到与凸道的高度相同，保证了连接板与阳极的良好电接触。在10个单体所组成的SOFC堆中，运用了这种阳极-连接板结构，结果在1000℃工作时，用H2作燃料、O2作氧化气，获得10.7V的开路电压，最大功率密度输出为90mW/cm2，电池堆正常运行。
权利要求1.一种固体氧化物燃料电池堆中的阳极膜-连接板结构，其特征在于(1)通过多孔镍板柔性接触；(2)连接板与阳极膜之间放置一块密封材料和多孔镍板，连接板四周加工成突出的档道；(3)多孔镍板的大小与固体电解质上的阳极膜面积相当，且在密封材料和连接板上也留有相应的面积；(4)阳极膜-多孔镍板-连接板之间，通过密封材料的高温熔融，保证良好接触。
2.按权利要求1所述的阳极膜-连接板的结构，其特征在于所述的多孔镍板可以是泡沫镍板或海绵镍毡。
3.按权利要求1所述的阳极膜-连接板的结构，其特征在于在连接板上加工一条或多条平行的凸道，凸道的高度为1.0mm，宽度可为1～2mm。
4.按权利要求1，3所述的的阳极膜-连接板结构，其特征在于所述的多孔镍板可以是一块也可以是多块，分别置于连接板上的凸道之间，其厚度比凸道的高度高0.1～0.2mm。
5.按权利要求1所述的阳极膜-连接板的结构，其特征在于所述的连接板与固体电解质上的阴极膜接触的一面上有数条凸道，凸道与凸道之间通以氧化气，且此面连接板与阴极膜之间设有一块密封材料，待高温熔融后保证良好接触。
6.按权利要求1所述的阳极膜-连接板的结构，其特征在于电池堆单元由连接板-密封材料-阴极膜-固体电解质-阳极膜-多孔镍板-密封材料-连接板在高温熔融后构成。
专利摘要一种固体氧化物燃料电池堆中的阳极膜－连接板结构,属于能源领域。其特征在于连接板与固体电解质上的阳极膜一侧用多孔镍板代替原先的槽脊和槽底硬接触,这样不仅可提高阳板一侧的燃料利用率,提高电流密度,还可使热应力和机械应力得到松弛,从而提高电池堆的可靠性和工作寿命。
文档编号H01M8/02GK2400908SQ99252050
公开日2000年10月11日 申请日期1999年12月10日 优先权日1999年12月10日
发明者温廷琏, 王大千, 陈铭, 屠恒勇, 吕之奕 申请人:中国科学院上海硅酸盐研究所