[发明专利]一种平板型电极支撑的陶瓷电解质电池堆

说明书

本发明提供了一种平板型电极支撑的陶瓷电解质电池堆，其电池结构单元具有中空上下分布的电极支撑型结构，在非支撑电极层表面设置金属连接件，金属连接件设置气体通路，并且金属连接件的周围与非支撑电极层密封接触、内部与非支撑电极层形成中空腔体，气体自气体通路入口进入后流通至中空腔体，自气体通路出口排出；支撑电极层侧面设置也金属连接件，该金属连接件设置气体通路连通中空通道的进出口端。该电池结构简单、紧凑、密封，实现了气体在该电池结构单元中的动态平衡，并且能够提高燃料气体与氧化剂气体的利用率，从而提高电池性能。

技术领域

本发明涉及陶瓷电解质电池技术领域，尤其涉及一种平板型电极支撑的陶瓷电解质电池堆。

背景技术

陶瓷电解质燃料电池是一种高效的能量转换装置，其基本结构单元包括致密的陶瓷电解质，多孔阳极以及多孔阴极，阳极中通入燃料，阴极中通入氧化剂气体，通过电解质与电极三相界面处的电化学反应产生电子，形成外部电子回路，最终产生电能与热能。平板型陶瓷电解质电池是目前该类电池的一种主要结构单元。根据强度支撑分类，平板型陶瓷电解质电池主要包括电解质支撑、阳极支撑以及阴极支撑三种类型。

图1是一种阴极支撑型的陶瓷电解质电池堆的组装结构示意图，该电池厚度约为400～1000μm，其中3、6分别为上、下盖板，通过3，6外连接管路的方式，通入燃料与氧化剂气体，另外，3和6兼具电子收集与气体通道作用，1、9分别为燃料气进出口， 8为氧化剂气体进口，2为阳极集流柱，7为阴极集流柱，10为起电子调控用的电子负载，11、13分别为导线，4、5分别为金属连接件，12为包括电解质、多孔阳极以及多孔阴极的电池结构单元，4、5和12之间利用密封玻璃高温烧结密封。然而，由于电池结构单元12的厚度太薄以及结构的不对称性，电池结构单元12本身存在翘曲，进而不可避免地存在弯曲应力；并且，工作温度通常在700℃以上，很难实现在该温度下电池结构单元12与金属连接件4、5的热膨胀系数的匹配和电子集流；另外，初次运行时即使实现金属连接件4、5与电池结构单元12热膨胀率、电子集流与密封压力的匹配，也很难实现该电池结构单元12、电堆循环使用时热膨胀率、电子集流和密封压力的匹配，从而易导致电池结构单元12碎裂或者密封失效，使其难于升降温循环使用和运输。

为此，申请号为CN201510104627.6的专利文献“一种平板型电极支撑的陶瓷电解质电池及其制备方法”提出将平板型电极支撑的陶瓷电解质电池的结构单元设计为以支撑电极层为中心的上下分布型，并且支撑电极层内部具有中空通道(或孔洞)，燃料气体与氧化剂气体分别自中空通道(或孔洞)以及平板上下两侧通入，通过电解质与电极形成氧化气体离子传导和外部电路的电子传导，形成放电回路。该结构具有如下优点：

(1)电池结构单元呈上下分布型，有利于在电池烧结过程中保持电池的平整性，另外电池运行时，发生电化学反应的三相界面位于支撑电极层的上下两侧，因此产生的热应力得到有效抵消，从而大幅度减小了热应力，降低了电解质与电极受到损伤，从而保护了电池，同时有利于电池在高温以及冷热循环等恶劣条件下的运行；

(2)传统电池结构单元的厚度为400～1000μm，该中空上下分布的电极支撑型结构的厚度可增大到传统结构的10倍以上，因此具有较高的机械强度，并且易于制备大面积电池，可开展二次加工，使电池具有所需的平整度与任意设计的界面形貌。

上述中空上下分布的电极支撑型结构单元中，燃料气体与氧化剂气体之间的隔绝可通过电解质实现，无需再进行额外的密封。然而，如何确保外部燃料气体与氧化剂气体顺利通入支撑电极内部的中空通道(或孔洞)以及非支撑电极的表面、高利用率地进入电解质层进行界面电化学反应，是提高气体利用率，保障电池性能的关键因素之一。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供了一种平板型电极支撑的陶瓷电解质电池堆，其电池结构单元如申请号CN201510104627.6的专利文献所述，是中空上下分布的电极支撑型结构，该电池具有燃料气体与氧化剂气体能够顺利通入电池结构单元，并且燃料气体与氧化剂气体的利用率高，从而能够提高电池性能的优点。