[发明专利]扁管型固体氧化物燃料电池的连接部件及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及固体氧化物燃料电池，尤其涉及一种扁管型固体氧化物燃料电池的连接部件及其应用。

背景技术

固体氧化物燃料电池（SOFC）是一种将燃料中的化学能清洁高效地直接转化为电能的发电装置，具有能量转换效率高、对多种燃料气体广泛适应以及余热利用价值高等优点。

目前研究最多的是平板型SOFC和管型SOFC。平板型SOFC能实现高的功率密度和工作性能，然而，这种设计也存在一个主要缺点，它需要对平板型陶瓷组件进行密封以获得所需的气密性。至今，密封问题仍然是限制平板型SOFC发展的主要瓶颈。与平板型SOFC相比，管型SOFC的优点是构成电池堆的电池单元容易密封、电池堆的抗热应力性和机械强度高。因此，尽管管型SOFC的功率密度比平板型SOFC的低，一些国外重要的公司仍一直致力于管型SOFC的设计和开发，包括美国西门子-西屋公司，日本的三菱重工和TOTO公司，英国的阿德拉公司等等。

综合了平板型和管型SOFC的特点，美国西门子-西屋公司研发出一种扁管型SOFC，扁管型的燃料电池单元在垂直于管轴方向的截面上具有平板部分和两侧的弧形部分。该设计保留了管型SOFC容易密封的优点，同时扁管型燃料电池单元排列形成电池堆时可以有效减小各个电池之间的空隙，增大接触面积，实现提高电池组功率密度的目的。随后，日本的京瓷公司等机构也进行了扁管型SOFC的设计和开发。

不同类型的SOFC都必须解决电池堆中燃料电池单元之间相互连接的问题。一般情况下，通过在平行排布的燃料电池单元之间放置连接部件来实现电池单元的电连接。所述连接部件通常需要实现以下功能：

（1）燃料电池的电流收集和电池单元之间电连接；

（2）支撑和固定燃料电池单元；

（3）为反应气体提供流道，使反应气体可以通畅地到达外电极并参与反应。

对于扁管型SOFC，为了提高比功率密度，电池之间的间隙非常狭小，因此在扁管型SOFC中的连接部件的气体流道设计尤为重要。

针对扁管SOFC之间的连接问题，韩国ENERGY技术研究院公开了一种阳极支撑的扁管型SOFC的连接方式（CN 1591947A，US2005/0095483A1），管外气流方向与管轴方向垂直，与管内气流形成交叉流。所使用的连接器由块体金属加工而成，通过经过机械加工形成多个平行的沟槽作为气体流道。气体流道与管轴方向垂直，使扁管型燃料电池单元内部和外部的反应气形成交叉流。

日本的京瓷公司也公布了一系列涉及扁管型SOFC连接部件的专利，如专利JP2007-250281，JP2010-80266，JP2010-108687，JP2010-231920，JP2011-113828等等，其特点是连接部件均由耐高温金属薄板加工而成，气体可在梳齿型结构或其他类型结构的连接部件间自由流动，气流方向与管轴方向平行。缺点是连接部件与电池单元上的外部电极以及陶瓷连接体接触面积小，集电效率低。此外，上述连接部件主要适用于宽度较窄的扁管型SOFC。当扁管平面部分的面积较大时，由于电池间的间隙狭小，气流阻力大，电池组外相对宽阔的空间将成为气体的主要流道，只有少量气体能进入电池间的间隙并参与反应，气体利用率显著降低。

发明内容

鉴于以上问题，本发明的目的在于提供一种扁管型氧化物燃料电池堆，能够有效提高外部电极上的反应气体浓度、强化传质，同时具有集电效率高、结构稳定和易于组装等优点。

本发明的连接部件由长方形板状合金基材和基材表面涂覆的、可抑制合金高温氧化和阻止Cr扩散污染的保护涂层构成。从结构上看，长方形板状合金基材由两个以上彼此相连的长条状单元组成，长条状单元的长边即为长方形板状合金基材的宽度方向，两个以上的长条状单元沿其宽边方向依次相连；每个长条状单元的中间均为集电平面，长条状单元的端部为弯折部。下面将针对连接部件的各个结构特征和相应的功能对本发明的连接部件进行详细说明。