專利名稱：平板式固體氧化物燃料電池堆的密封連接裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及平板式固體氧化物燃料電池的密封領(lǐng)域，特別涉及平板式固體氧化物燃料電池堆的密封連接裝置。
背景技術(shù)：
固體氧化物燃料電池(SOFC)是由全固態(tài)材料組成的電化學(xué)發(fā)電裝置，其最主要的特點是固態(tài)電解質(zhì)具有一定的氧離子導(dǎo)電性，能隔離燃料氣和氧氣。由于單體電池只能產(chǎn)生IV左右電壓，功率有限，為了使SOFC具有實際應(yīng)用的可能，采用連接件將若干個單電池以串聯(lián)、并聯(lián)或混聯(lián)的方式密封組裝成電池組，以提高SOFC的電壓和功率。固體氧化物燃料電池主要有四種結(jié)構(gòu)，即管式、平板式、基塊式和串接式結(jié)構(gòu)。平板式固體氧化物燃料電池制備相對容易，功率密度較高，因此應(yīng)用范圍較廣。平板式固體氧化物燃料電池電堆是由多個串聯(lián)在一起的平板式固體氧化物燃料單電池組成。單電池之間設(shè)置有連接體，連接體為相鄰單電池的陽極與陰極提供電連接。連接體和電極之間通常通過絲網(wǎng)印刷的方法印刷一層透氣的電流收集層，以改善電極和連接體之間的接觸，從而降低接觸電阻。同時，為了避免陽極的燃料氣直接和陰極的空氣接觸而產(chǎn)生燃燒，需要采取密封措施對燃料和空氣進(jìn)行隔離，因此連接體和電極之間的空間內(nèi)，在電流收集層的周圍還填充有密封材料。密封材料為軟化點和平板式固體氧化物燃料電池工作溫度相當(dāng)或略高的玻璃材料，也可以采用金屬或陶瓷氈，通過浸潰等方式填充到空隙中，以阻斷氣體通道。在升溫和使用過程中，對電池堆施加一定的壓力，使密封材料和電流收集層在壓力作用下發(fā)生一定的形變，以改善連接體和電極的接觸，并且提高密封性。但是，電流收集層和密封材料在電池工作狀態(tài)下會有一定的收縮且密封材料為硬質(zhì)，因此兩者的收縮量不一致，容易導(dǎo)致兩種情況，具體如圖1和圖2所示。圖1中，連接體I和電極2之間設(shè)置有電流收集層3、密封材料4和空隙5。電流收集層3的厚度大于密封材料4，因此密封材料承受的壓カ不夠，密度偏低，密封不嚴(yán)。圖2中，連接體I和電極2之間設(shè)置有電流收集層3、密封材料4和空隙5。電流收集層3的厚度小于密封材料4的厚度，電流收集層承受的壓カ不夠，連接體和電極之間的接觸差，接觸電阻大。由此可見，單電池之間的連接無法同時保證接觸電阻小且密封性好。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的技術(shù)問題在于提供ー種平板式固體氧化物燃料電池堆的密封連接裝置，接觸電阻小且密封性好。本發(fā)明公開了ー種平板式固體氧化物燃料電池堆的密封連接裝置，包括:連接體、電極和位于連接體及電極之間的電流收集密封層；電流收集密封層，所述電流收集密封層包括電流收集部分，環(huán)繞在所述電流收集部分外圍的密封填充部分，環(huán)繞在所述密封填充部分外圍的第一密封支撐部分，所述密封填充部分與電流收集部分之間有第一空隙，所述第一密封支撐部分與所述密封填充部分接觸連接；所述密封填充部分在600 1000°C為可塑性變形的軟化狀態(tài)。優(yōu)選的，所述電流收集部分與第一密封支撐部分的材料相同。優(yōu)選的，所述電極為陰極，所述電流收集部分和密封支撐部分為LSM材料，LSC材料和LSCF材料中的ー種或幾種。優(yōu)選的，所述電極為陽極，所述電流收集部分和密封支撐部分為銀、Cr-Co-Fe-Al-Y合金、鎳、銅、鎳的氧化物和銅的氧化物中的ー種或幾種。優(yōu)選的，所述密封填充部分為Si02、Al2O3, B2O3> ZnO, RO和A2O中的ー種或多種，所述 RO 為 Mg。、CaO、SrO 或 BaO, A2O 為 K20、Na2O 或 Li2O0優(yōu)選的，所述密封填充部分的組成為30wt% 50wt%的SiO2,40wt% 60wt%的B2O3為，5wt% 15wt% 的 Al2O3,0wt% 10wt% 的 ZnO, 0wt% 5wt% 的 R0,0wt% 25wt% 的 A20。優(yōu)選的，所述電流收集密封層還包括:環(huán)繞在電流收集部分外圍的第二密封支撐部分，所述第二密封支撐部分與電流收集部分之間有第一空隙，所述第二密封支撐部分與密封填充部分之間有第二空隙。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的平板式固體氧化物燃料電池堆的密封連接裝置，包括:連接體、電極和位于連接體及電極之間的電流收集密封層；電流收集密封層，所述電流收集密封層包括電流收集部分，環(huán)繞在所述電流收集部分外圍的密封填充部分，環(huán)繞在所述密封填充部分外圍的第一密封支撐部分，所述密封填充部分與電流收集部分之間有第一空隙，所述第一密封支撐部分與所述密封填充部分接觸連接；所述密封填充部分在600 1000°C為可塑性變形的軟化狀態(tài)。由于密封填充部分為可塑性變形的軟化狀態(tài)，其在受到連接體和電極垂直方向的壓カ時，一方面滲入第一密封支撐部分的孔隙，另ー方面向空隙擴(kuò)散，使得密封填充部分與電流收集部分的厚度一致，而且電流收集部分和密封填充部分均與連接體及電極接觸良好，避免了密封填充部分與電流收集部分厚度難于匹配的問題，因此，保證了電池堆不但具有良好的密封性而且接觸電阻小。


圖1為第一種現(xiàn)有技術(shù)中平板式固體氧化物燃料電池堆的密封連接裝置的剖面圖；圖2為第二種現(xiàn)有技術(shù)中平板式固體氧化物燃料電池堆的密封連接裝置的剖面圖；圖3為第一種實施方式提供的平板式固體氧化物燃料電池堆的密封連接裝置的剖面圖；圖4為第二種實施方式提供的平板式固體氧化物燃料電池堆的密封連接裝置的剖面圖。
具體實施例方式為了進(jìn)一歩理解本發(fā)明，下面結(jié)合實施例對本發(fā)明優(yōu)選實施方案進(jìn)行描述，但是應(yīng)當(dāng)理解，這些描述只是為進(jìn)ー步說明本發(fā)明的特征和優(yōu)點，而不是對本發(fā)明權(quán)利要求的限制。本發(fā)明實施例公開了ー種平板式固體氧化物燃料電池堆的密封連接裝置，包括:連接體、電極和位于連接體及電極之間的電流收集密封層；電流收集密封層，所述電流收集密封層包括電流收集部分，環(huán)繞在所述電流收集部分外圍的密封填充部分，環(huán)繞在所述密封填充部分外圍的第一密封支撐部分，所述密封填充部分與電流收集部分之間有第一空隙，所述第一密封支撐部分與所述密封填充部分接觸連接；所述密封填充部分在600 1000°C為可塑性變形的軟化狀態(tài)。本發(fā)明的平板式固體氧化物燃料電池堆的密封連接裝置，包括:連接體、電極和位于連接體及電極之間的電流收集密封層。本發(fā)明對所述連接體沒有特殊限制，按照本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的方式進(jìn)行選擇即可。所述連接體可以與陰極連接，也可以與陽極連接。所述電極為陰極或陽極，本發(fā)明對電極的材料沒有特殊限制，可以按照本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的方式進(jìn)行選擇。所述電流收集密封層位于連接體及電極之間，所述電流收集密封層包括電流收集部分，環(huán)繞在所述電流收集部分外圍的密封填充部分，環(huán)繞在所述密封填充部分外圍的第一密封支撐部分，所述密封填充部分與電流收集部分之間有第一空隙，所述第一密封支撐部分與所述密封填充部分接觸連接。電流收集部分具有一定的孔隙率，可以改善電極和連接體之間的接觸，從而降低接觸電阻。電流收集部分的材料與電極相關(guān)，連接的電極不同，電流收集部分的材料不同。所述第一密封支撐部分起到對連接體的支撐作用。其位于電流收集密封層的最外偵牝優(yōu)選的第一密封支撐部分與電流收集部分的材料相同，具有相同的厚度及相同的孔隙率，從而兩者的收縮量一致，收縮后兩者的厚度也一致，保證了收縮電流收集密封層具有良好的電流收集接觸。當(dāng)所述電極為陰極，所述電流收集部分和第一密封支撐部分優(yōu)選為LSM材料，LSC材料和LSCF材料中的ー種或幾種。所述LSM材料的化學(xué)式為(LahSrx)MnO3, LSC材料的化學(xué)式為LahSrxCoO3, LSCF材料的化學(xué)式La1ISrxFehCoyO3，其中0.1彡x彡0.4，
0.02 ^ y ^ 0.4。當(dāng)所述電極為陽扱，所述電流收集部分和第一密封支撐部分優(yōu)選為銀、Cr-Co-Fe-Al-Y合金、鎳、銅、鎳的氧化物和銅的氧化物中的ー種或幾種。在本發(fā)明中，所述密封填充層的作用為密封，避免相鄰單電池陽極的燃料氣直接和陰極的空氣接觸而產(chǎn)生燃燒。所述密封填充部分在600 1000°C為可塑性變形的軟化狀態(tài)。當(dāng)受到連接體和電極垂直方向的壓カ時，一方面滲入第一密封支撐部分的孔隙，另一方面向空隙擴(kuò)散，從而使得密封填充部分與電流收集部分的厚度一致。軟化狀態(tài)的密封填充部分與連接體及電極接觸性好，因此密封性能好。而且密封填充部分的厚度可以根據(jù)電流收集部分的厚度調(diào)節(jié)，保 證電流收集部分與連接體及電極接觸良好。所述密封填充部分優(yōu)選為Si02、A1203、B203、ZnO, RO和A2O中的ー種或多種，所述RO 為 Mg。、CaO、SrO 或 BaO, A2O 為 K20、Na2O 或 Li2O,更優(yōu)選為 SiO2, Al2O3' B203、ZnO 和 CaO0優(yōu)選的密封填充部分的組成為30wt% 50wt%的Si02，40wt% 60wt%的B2O3為，5wt% 15wt% 的 Al2O3, Owt% 10wt% 的 Zn0,0wt% 5wt% 的 R0,0wt% 25wt% 的 A20。所述密封填充部分在600 1000°C為可塑性變形的軟化狀態(tài)。
具體實施方式
參見圖3或圖4。圖3為第一種實施方式提供的平板式固體氧化物燃料電池堆的密封連接裝置的剖面圖。圖3中，連接體2和電極3之間設(shè)置有電流收集密封層I。電流收集密封層I包括電流收集部分11，第一空隙12，密封填充部分13和第一密封支撐部分14。密封填充部分13在固體氧化物燃料電池工作溫度下呈軟化狀態(tài)。在受到連接件2和電極3垂直方向的壓カ時，密封填充部分13向水平方向的兩邊擴(kuò)散，滲入第一密封支撐部分14的空隙中，達(dá)到密封的作用。在固體氧化物燃料電池升溫過程中，受到連接件2和電極3垂直方向的壓カ時，第一密封支撐部分14和電流收集接觸部分11在垂直方向收縮。由于具有一致的厚度、孔隙率、材料成分，兩者的收縮量是一致的，因此收縮后兩者的厚度是一致的，從而保證了良好的電流收集接觸。密封填充部分12處于密封支撐部分11和第一空隙13之間。第一空隙13的作用是釋放密封填充部分12的壓力，使密封填充部分12在受到連接件2和電極3垂直方向的壓カ下向第一空隙13擴(kuò)散，使密封填充部分12的厚度和第一密封支撐部分14以及電流收集部分11的厚度一致。在本發(fā)明中，所述電流收集密封層優(yōu)選還包括環(huán)繞在電流收集部分外圍的第二密封支撐部分，所述第二密封支撐部分與電流收集部分之間有第一空隙，所述第二密封支撐部分與密封填充部分之間有第二空隙。具體參見圖4，圖4為第二種實施方式提供的平板式固體氧化物燃料電池堆的密封連接裝置的剖面圖。圖4中，連接體2和電極3之間設(shè)置有電流收集密封層I。電流收集密封層I包括電流收集部分11，第一空隙12，第二密封支撐部分13，第二空隙14，密封填充部分15和第一密封支撐部分16。密封填充部分15在平板式固體氧化物燃料電池工作溫度下呈軟化狀態(tài)。在受到連接體2和電極3垂直方向的壓カ時，密封填充部分15相水平方向的兩邊擴(kuò)散，滲入密封支撐部分16的孔隙中，達(dá)到密封作用。在平板式固體氧化物燃料電池升溫過程中，受到連接件2和電極3垂直方向的壓カ時，第一密封支撐部分16、第二密封支撐部分13和電流支撐部分11在垂直方向收縮，由于三者具有一致的孔隙率、厚度和材料組成，三者的收縮量一致，因此收縮后三者的厚度一致，從而保證了良好的電流收集接觸。本發(fā)明所述平板式固體氧化物燃料電池堆的密封連接裝置的制備方法為: 在單電池的陰極側(cè)印刷電流收集層漿料，烘干后形成密封支撐部分和電流收集部分，然后再印刷ー層密封填充漿料，烘干后形成密封填充部分；在單電池的陽極印刷電流收集層漿料，烘干后形成密封支撐部分和電流收集部分，然后再印刷ー層密封填充漿料，烘干后形成密封填充部分；將多個單電池和連接體堆疊在一起，得到平板式固體氧化物燃料電池堆。為了進(jìn)一歩理解本發(fā)明，下面結(jié)合實施例對本發(fā)明提供的平板式固體氧化物燃料電池堆的密封連接裝置進(jìn)行說明，本發(fā)明的保護(hù)范圍不受以下實施例的限制。實施例1將760 克 Si02、1000 克 B203、100 克 Al203、40 克 ZnO 以及 100 克 CaO 球磨混合均勻，在1200°C下熔融，倒入冷水中形成玻璃。將玻璃破碎并過40目篩，得到玻璃密封填充劑粉末。將620克玻璃密封填充劑粉末、20克こ基纖維素、360克松油醇混合均勻并通過三輥研磨機(jī)研磨，制成玻璃密封填充劑漿料。將600克NiO粉末、20克こ基纖維素、380克松油醇混合均勻并通過三輥研磨機(jī)研磨，制成陽極電流收集層漿料。將550克LSM粉末、20克こ基纖維素、430克松油醇混合均勻并通過三輥研磨機(jī)研磨，制成陰極電流收集層漿料。在單電池陰極側(cè)，先印刷ー層50微米厚的陰極電流收集層漿料，烘干后形成密封支撐部分和電流收集接觸部分；再印刷ー層50微米厚的玻璃密封填充劑漿料，烘干后形成密封填充部分。在單電池陽極側(cè)，先印刷ー層50微米厚的陽極電流收集層漿料，烘干后形成密封支撐部分和電流收集接觸部分；再印刷ー層50微米厚的玻璃密封填充劑漿料，烘干后形成密封填充部分。將上述印刷好后的5片單電池和連接件堆疊在一起，通過高溫彈簧在堆的上下兩端施加200牛頓的壓力。所述平板式固體氧化物燃料電池堆的密封連接裝置具體如圖4所
/Jn o將電池堆加熱至830°C，保溫5小時，然后通氣測試。結(jié)果表明，密封良好，連接體與電極之間的接觸電阻非常小。實施例2將760 克 Si02、1000 克 B203、100 克 Al203、40 克 ZnO 以及 100 克 CaO 球磨混合均勻，在1200°C下熔融，倒入冷水中形成玻璃。將玻璃破碎并過40目篩，得到玻璃密封填充劑粉末。將620克玻璃密封填充劑粉末、20克こ基纖維素、360克松油醇混合均勻并通過三輥研磨機(jī)研磨，制成玻璃密封填充劑漿料。將600克NiO粉末、20克こ基纖維素、380克松油醇混合均勻并通過三輥研磨機(jī)研磨，制成陽極電流收集層漿料。將550克LSM粉末、20克こ基纖維素、430克松油醇混合均勻并通過三輥研磨機(jī)研磨，制成陰極電流收集層漿料。在單電池陰極側(cè)，先印刷ー層50微米厚的陰極電流收集層漿料，烘干后形成密封支撐部分和電流收集接觸部分；再印刷ー層50微米厚的玻璃密封填充劑漿料，烘干后形成密封填充部分。在單電池陽極側(cè)，先印刷ー層50微米厚的陽極電流收集層漿料，烘干后形成密封支撐部分和電流收集接觸部分；再印刷ー層50微米厚的玻璃密封填充劑漿料，烘干后形成密封填充部分。將上述印刷好后的5片單電池和連接件堆疊在一起，通過高溫彈簧在堆的上下兩端施加200牛頓的壓力。所述平板式固體氧化物燃料電池堆的密封連接裝置具體如圖4所
/Jn o將電池堆加熱至830°C，保溫5小時，然后通氣測試。測量電池堆及每片單電池兩端的OCV (開路電壓)及歐姆電阻，如表I所示，表I為實施例1制備的電池堆的性能參數(shù)。
表I實施例1制備的電池堆的性能參數(shù)
權(quán)利要求
1.ー種平板式固體氧化物燃料電池堆的密封連接裝置，包括:連接體、電極和位于連接體及電極之間的電流收集密封層； 電流收集密封層，所述電流收集密封層包括電流收集部分，環(huán)繞在所述電流收集部分外圍的密封填充部分，環(huán)繞在所述密封填充部分外圍的第一密封支撐部分，所述密封填充部分與電流收集部分之間有第一空隙，所述第一密封支撐部分與所述密封填充部分接觸連接； 所述密封填充部分在600 1000°C為可塑性變形的軟化狀態(tài)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述電流收集部分與第一密封支撐部分的材料相同。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，所述電極為陰極，所述電流收集部分和密封支撐部分為LSM材料，LSC材料和LSCF材料中的ー種或幾種。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，所述電極為陽極，所述電流收集部分和密封支撐部分為銀、Cr-Co-Fe-Al-Y合金、鎳、銅、鎳的氧化物和銅的氧化物中的ー種或幾種。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述密封填充部分為Si02、A1203、B203、ZnO, RO 和 A2O 中的ー種或多種，所述 RO 為 MgO, CaO, SrO 或 BaO, A2O 為 K20、Na2O 或 Li2O0
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在干，所述密封填充部分的組成為30wt% 50wt% 的 SiO2,40wt% 60wt% 的 B2O3, 5wt% 15wt% 的 Al2O3, Owt% 10wt% 的 ZnO, 0wt% 5wt% 的 R0,0wt% 25wt% 的 A2O。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述電流收集密封層還包括:環(huán)繞在電流收集部分外圍的第二密封支撐部分，所述第二密封支撐部分與電流收集部分之間有第一空隙，所述第二密封支撐部分與密封填充部分之間有第二空隙。
全文摘要
本發(fā)明提供一種平板式固體氧化物燃料電池堆的密封連接裝置，包括連接體、電極和位于連接體及電極之間的電流收集密封層；電流收集密封層，所述電流收集密封層包括電流收集部分，環(huán)繞在所述電流收集部分外圍的密封填充部分，環(huán)繞在所述密封填充部分外圍的第一密封支撐部分，所述密封填充部分與電流收集部分之間有第一空隙，所述第一密封支撐部分與所述密封填充部分接觸連接；所述密封填充部分在600～1000℃為可塑性變形的軟化狀態(tài)。本發(fā)明的密封連接裝置中電流收集部分和密封填充部分均與連接體及電極接觸良好，避免了密封填充部分與電流收集部分厚度難于匹配的問題，因此，保證了電池堆不但具有良好的密封性而且接觸電阻小。
文檔編號H01M8/02GK103137985SQ20131008804
公開日2013年6月5日 申請日期2013年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月19日
發(fā)明者楊成銳, 王蔚國, 朱駿, 王建新, 葉爽, 苗鶴 申請人:中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所