[发明专利]一种可拆卸的燃料密封平板式固体氧化物燃料电池堆

说明书

技术领域

本发明属于固体氧化物燃料电池领域，涉及一种可拆卸的、对燃料气体进行玻璃或玻璃陶瓷密封，对氧化剂气体不作密封或只作可拆卸压密封的平板式固体氧化物燃料电池堆。

背景技术

作为一种高效、环保的能量转化装置，固体氧化物燃料电池(SOFC)具有两种典型的结构样式：平板式和管式。其中，平板式SOFC由于结构简单、制备成本低、功率密度高等优点而颇受重视。而制约平板式SOFC发展的重要因素之一是密封问题。

现有的方法之一是采用压密封，即使用云母等耐高温的电绝缘材料，在加压机构的作用下对燃料和氧化剂气体进行密封。然而，压密封材料目前尚不够完善，密封程度、膨胀系数匹配、化学相容性均有待提高。加压机构的使用增加了电池堆的体积和组装复杂性，也加大了对电池的破坏性。其优点是可拆卸，电池及连接极可重复使用。

玻璃或玻璃陶瓷密封，即硬密封是另一种受到重视的密封方法。其优点是密封程度高，电池堆运行时原则上无需加压。缺点是电池堆不可拆卸，密封缺陷或损坏难以修补，而且一处密封不善可能导致整堆电池的报废。

为了减少或避免密封的困难，另一个重要动向是以牺牲电池堆的集成度为代价，选用外流腔结构，通过增加外接管道来减少甚至消除电池堆内部的密封界面。一个极端的例子是无密封结构。由独立管道将燃料和氧化剂气体分别送至电池的阳极和阴极侧中央或近中央部位，利用气流与环境气氛之间的压差来保证气流沿电池表面流向电池边缘，阴极和阳极尾气在电池外混合，一起排出电池堆。该结构的优点是可拆卸、无密封；缺点是流动均匀性往往不良，剩余燃料的排放危险性较大。此外，采用深达电池中部的管道，增加了连接极加工的难度和连接极厚度。

发明内容

本发明的目的是，针对目前平板式SOFC在堆结构设计方面的诸多问题，提出一种可拆卸的、对燃料气体进行玻璃或玻璃陶瓷密封，对氧化剂气体不作密封或只作可拆卸压密封的平板式SOFC堆结构。

本发明的技术方案是，一种可拆卸的、对燃料气体进行玻璃或玻璃陶瓷密封的平板式SOFC堆，其特征在于，每个电池堆包括1块顶层连接极(1)、至少1块中间连接极(2)和1块底层连接极(3)。上述连接极采用金属材料加工而成，呈平板状。上述中间连接极的两侧分别为阳极侧表面和阴极侧表面，顶层连接极的一侧为阴极侧表面，底层连接极的一侧为阳极侧表面。在连接极上焊接或封接有外接气体管路(4)。每个电池堆所具有的三合一平板式电池片(5)数量等于中间连接极的数量加上1。每个上述电池片的阳极侧通过玻璃或玻璃陶瓷材质的阳极密封条(6)与1块连接极的阳极侧表面(7)相封接，构成1个电池单元。每个上述电池片的阴极侧与1块连接极的阴极侧表面之间不作密封，或只作压密封，可以拆卸。每个电池堆包括至少两个可拆卸的电池单元。

具体而言，中间连接极和底层连接极的阳极侧表面(7)以玻璃或玻璃陶瓷材质的阳极密封条(6)，封接于电池(5)的阳极侧表面(8)。连接极的阳极侧加工有与燃料气体进口(9)和出口(10)相连通的导流槽(11)。燃料气体进口(9)可以置于与导流槽贯通的任何部位，尤以导流槽的边缘为好，这样可以缩短进气管道的长度，降低加工的难度。燃料气体出口(10)应置于导流槽的边缘，其具体位置选择应根据导流槽流道的设计，以保证燃料气体尽可能均匀、顺畅地流经电池阳极侧表面(8)的整个密封区域；当燃料气体进口(9)置于导流槽边缘时，一般将燃料气体出口(10)置于进口(9)的对面位置。导流槽(11)结构可以采用任何有利于气流均匀分布的设计样式，并保证在密封后与电池的阳极侧有良好的电接触以收集电流，这可以通过使用电流收集网(如Ni毡)，涂覆电流收集层(如Pt浆、Ag浆)，或使得导流槽(11)区域的金属表面高于封接处的金属表面(7)来实现。对于阳极支撑的电池，为阻止燃料气体由阳极支撑体内部向密封区域以外的阳极侧表面和旁侧面泄漏，以进一步提高燃料利用率和电池性能，可对其作单独的密封处理，如涂覆各种可能的材料，使其上述可能泄漏的表面致密化。燃料气体的外接管路焊接或封接于连接极的旁侧面，并与外部燃料气源相连接。不同电池单元的外接燃料气体管路之间应保持相互电绝缘，以防电池短路，这可以通过在外接管路中全部或部分地使用电绝缘材料来实现，比如在高温区使用电绝缘陶瓷管，在低温区使用塑料管或乳胶管。