一种平板式固体氧化物燃料电池用半柔性复合双极板及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及平板式固体氧化物燃料电池(S0FC)用双极板的结构设计，还涉及所述双极板的制备方法。
【背景技术】
[0002]固体氧化物燃料电池堆所包含的组件主要包括:单电池、双极板、密封件、相关接触材料以及反应气分配管路等。其中，双极板的作用主要包括:提供相邻单电池之间的电流通路；提供反应气的分配通道；分隔相邻电池的燃料气和氧化气；提供电池堆结构稳定所必须的机械强度等。
[0003]双极板的材料迄今主要发展了合金类及陶瓷类两种。陶瓷类材料主要是指铬酸镧，其存在的问题是烧结性差，导热性差，价格昂贵以及成型困难。目前，S0FC电池堆向中温化发展，陶瓷类双极板材料将逐渐被廉价的合金材料取代。合金类材料主要是Fe基、Cr基及Ni基合金，其存在的问题是热膨胀系数比常规的钇稳定的氧化锆(YSZ)电解质材料大的多，当处于阴极侧氧化性气氛下时，易于被氧化导致接触电阻不断增大，影响电池堆的长期稳定性。通过对合金成分的调整，以确保热膨胀系数处于12?13*10 6K 1之间，从而改善其热膨胀系数不匹配的问题，(如专利CN1149892A、CN1468970A、CN101760699A等)。通过对合金材料进行表面修饰或成分调整，改善其抗氧化性能(如专利CN1222941A、CN101760699A、CN101670999A、CN1667859A 等)。
[0004]常见的双极板结构都是双面槽道型结构，也就是将双极板的两侧表面分别加工成复杂的“凹槽-凸道”的结构。“凹槽”部分起着气体传输通道的作用，“凸道”部分的作用是起电流通路。加工这种复杂结构的方法一般有化学腐蚀，机械铣槽等，这些加工方式要求双极板的厚度必须较厚(一般>1_)。这不仅阻碍了电池堆向轻量化方向的发展，也大大增加了材料成本和加工成本。针对以上问题，已有不少改进的方案被提出。专利CN1302569C提到，将双极板双面槽道结构依次划分为阳极流场板、阳极通道板、分隔板、阴极通道板和阴极流场板共五层，分别加工设计每层结构，最后固接而成实际使用的双极板。其优点是双极板厚度小，重量轻，导电性好，耐腐蚀性强。专利CN101355177B提到一种含双层连接板结构的电池堆设计，在该设计中，双层连接板不需要起阻隔相邻燃料气和氧化气的作用，只提供电流通路和气流传输通道。其设计优点是有利于气体传质。另外，反应气在双极板的双面槽道型结构中传输时，为了获得更好的气体传输均一性，针对双极板复杂的“凹槽-凸道”图案，已有相当丰富的设计方案被提出(如专利CN103700801A、CN203415644U、CN103311560A、 CN102122722A、 CN1770531A、 CN1302569C、 CN1379495A、 CN1636296A、CN1636284A、CN103515639A 等)。
[0005]但是，以上所涉所有专利中的双极板结构都存在两个共性的问题。第一:基于双极板的材料选择，双极板都为硬性结构，这种硬性结构对于双极板与相邻单电池之间保持优良的电流接触是不利的，而且不利于电池堆升降温过程中的热应力松弛，容易导致电池堆破裂。一般的解决方案是在双极板和相邻单电池之间再添加一层柔性的接触材料，接触材料的选择主要有:金属网、金属毡、多孔导电陶瓷和金属粉。专利CN2400908Y提到，在阳极膜和双极板之间添加一层多孔镍板，该方案可提高燃料利用率，提高电流密度，还可使热应力和机械应力松弛。专利CN103515639A提到，添加的接触材料还可起到气体扩散层的作用，有利于反应气充分与外部电极接触并参与电池反应。添加柔性接触材料层虽然很好地解决了以上问题，但也增加了电池堆组件成本，使得本已复杂的组件种类更加繁多，使电池堆中各组件之间的厚度匹配性更加复杂；第二:在双极板的双面槽道结构中，凹槽部分完全空白，凸道部分完全致密，这不利于反应气传输的均一性，使单电池电极表面存在较大的电流密度梯度及温度梯度，进而产生较大的热应力，容易导致电池破裂。针对这一问题，迄今尚未有针对性的改善方案被提出。
【发明内容】
[0006]基于现有技术存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种平板式固体氧化物燃料电池用复合双极板的结构设计及其制备方法，所述复合双极板为半柔性结构，以解决在制备双极板复杂双面槽道结构时工艺过于繁琐，所需双极板的厚度较厚(一般>1_)，导致加工成本和材料成本过高的问题；解决双极板与相邻单电池之间由于是硬性接触，导致接触电阻过大，不利于提供优良电流通路的问题；解决在双极板槽道结构中，“凹槽”区域和“凸道”区域之间反应气存在过大浓度梯度，容易导致较大电流密度梯度和温度梯度，产生过大的热应力，容易导致电池破裂的问题。
[0007]在此，一方面，本发明提供一种平板式固体氧化物燃料电池用复合双极板，所述复合双极板为半柔性结构，包括:中间合金层、位于所述中间合金层的一侧表面上的阳极流道层、以及位于所述中间合金层的另一侧表面上的阴极流道层，所述中间合金层为硬性致密合金平板，所述阳极流道层为具有燃料气流道的柔性多孔层，所述阴极流道层为具有氧化气流道的柔性多孔层。
[0008]本发明的双极板与单电池、密封垫等其他组件装配成电池堆时，这种“柔性多孔硬性致密I柔性多孔”的复合结构设计可有效改善燃料气及氧化气在流道层传输中的分布不均匀性问题；可有效改善在电池堆装配时，由于应力无法松弛易导致电池堆破裂的问题；可有效改善电池堆中各组件之间的热膨胀系数不匹配的问题；可有效保证电池堆各组件之间优良的电接触，既降低了成本，也简化了电池堆结构，同时大大简化了电池堆各组件之间厚度匹配性的问题。
[0009]较佳地，所述中间合金层具有相互独立的燃料气传输孔道和氧化气传输孔道，所述阳极流道层与所述中间合金层边框及氧化气传输孔道对应位置的周边留有供气体密封用的空白区域，所述阴极流道层与所述中间合金层边框及燃料气传输孔道对应位置的周边留有供气体密封用的空白区域。
[0010]较佳地，所述燃料气流道和所述阳极流道层内的气孔形成供燃料气传输的通道，其中所述燃料气流道的线宽为0.5?10mm，所述阳极流道层内的气孔的线宽为0.1?50 μ m，所述阳极流道层内的孔隙率为5%?50%之间可调。
[0011]较佳地，所述氧化气流道和所述阴极流道层内的气孔形成供氧化气传输的通道，其中所述氧化气流道的线宽为0.5?10mm，所述阴极流道层内的气孔的线宽为0.1?50 μ m，所述阴极流道层内的孔隙率为5%?50%之间可调。
[0012]较佳地，所述中间合金层的厚度为0.2?1mm，所述阳极流道层的厚度为0.2?1mm，所述阴极流道层的厚度为0.2?2mm。
[0013]较佳地，所述阳极流道层的组成材料为镍基氧化物、铜基氧化物、铬基氧化物中的至少一种。
[0014]较佳地，所述阴极流道层的组成材料为La: xSrJVInO^LaixSrxCr! yFey03和 La, xSrxC0l yFey03中的至少一种，其中 0〈x ( 0.8，0〈y ( 0.8。
[0015]另一方面，本发明还提供上述平板式固体氧化物燃料电池用复合