[实用新型]一种固体氧化物燃料电池堆中的阳极膜－连接板结构

说明书

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)。