一种固体氧化物燃料电池连接体的制作方法

1.本发明涉及燃料电池领域，具体涉及一种固体氧化物燃料电池连接体。


背景技术：

2.固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell,sofc)是一种可以直接将化学能转化为电能的能量转换装置，sofc具有能量转化效率高，对环境友好等优点，因此受到了研究者们的广泛关注。
3.sofc的基本结构包括多孔阳极，多孔阴极以及致密的电解质层。在阳极中通入燃料，同时在阴极通入氧化剂气体后，电解质和电极三相界面处会发生电化学反应产生电子，电子通过外电路形成回路，就会产生电能与热能。传统的电解质支撑的平板型sofc的工作温度为900～1000℃，长期的高温工作必然存在化学组成及微观结构的衰减，此外还需要昂贵的连接体材料。根据固体氧化物燃料电池连接体目前存在的技术问题，文献中公开了一种具有三通道蛇形流道结构的连接体，该结构与现在已被广泛应用的z型流道结构相比，具有更高的电化学性能。但是在相同的输出功率下，三通道蛇形流道的最大第一主应力大于z型流道，且三通道蛇形流道在气体进出口处温度较高，温度分布高度不均匀，尤其是在低电压下，这可能会产生局部的热应力并引起电池的失效。


技术实现要素：

4.本发明解决的是现在技术中具有三通道蛇形流道结构的连接体在气体进出口处温度较高，温度分布高度不均匀，在低电压下可能会产生局部热应力引起电池失效的问题。
5.为解决上述问题，本发明提供一种固体氧化物燃料电池连接体，包括呈板状的本体，所述本体的上端面中部设有下凹的通气槽，所述通气槽的槽底设有贯穿本体的进气孔和出气孔；所述通气槽的槽底设有向上凸起的连接体肋包括多根长肋和多根短肋，且所有长肋和所有短肋的上端面与本体上端面齐平，所有所述长肋呈平行间隔分布，每根所述长肋的一端均与通气槽的侧壁连接，每根所述长肋的另一端均为自由端，且相邻的两根所述长肋的自由端朝向相反，使所述通气槽的侧壁与所有长肋围成一个蛇形的流道；所述长肋与相对的通气槽的侧壁之间或相邻的两根所述长肋之间均形成一个流道分区，所述每个流道分区内的相邻的两根连接体肋之间或连接体肋与相对的通气槽的侧壁之间均形成一个空气流道，每个所述流道分区内均设有至少一根所述短肋，且每个所述流道分区内的所述短肋量按照气流的流动方向逐渐减少，形成空气流道数量按照气流的流动方向逐渐减少的渐变型流道结构；所有所述短肋的两端均为自由端，每个所述流道分区内的所有所述短肋均呈平行间隔分布，且所述短肋与长肋呈平行设置，所述进气孔和出气孔分别设置于蛇形流道的两端。
6.本发明通过改进固体氧化物燃料电池连接体的结构，形成空气流道数量按照气流的流动方向逐渐减少的渐变型流道结构，该流道结构能有效增加流道内空气的流动速度，增大氧气摩尔分数，从而提高电池的功率，同时该渐变型流道结构能降低电池内部的温度，
减小电池内部所受到的热应力，在一定程度上增加电池的寿命。
7.进一步地，所述连接体由sus304不锈钢材料制成。sus304不锈钢是一种18-8系的奥氏体不锈钢，含有18％以上的铬和8％以上的镍，作为连接体材料可耐高温，韧性高且加工性能好。
8.进一步地，所述通气槽的形状为矩形。将通气槽的形状设置为矩形能够使流道分区和空气流道的大小和形状均匀，使空气在流道内部均匀流动，从而减小电池内部所受到的热应力。
9.进一步地，所有的所述长肋和短肋等间矩平行设置。所有的长肋和短肋等间矩平行排列能够使空气流道内的空气流速和流量均匀，更有利于减小电池内部所受到的热应力。
10.进一步地，所有短肋的两个自由端均齐平，所有长肋的自由端和相应流道分区内的所有短肋的其中一个自由端齐平。自由端齐平指自由端处于同一条直线上，该齐平的对齐方式使各个空气流道均匀分布，能使各个区域的空气流量更加均匀，而均匀空气流量也更有利于减小电池内部所受到的热应力。
11.进一步地，所有所述短肋和长肋为长方体形状，且高度相同，宽度相同，长度不同，所有短肋的长宽高尺寸为(24～28)mm
×
(1～1.5)mm
×
(0.8～1.2)mm，所有长肋的长宽高尺寸为(28～32)mm
×
(1～1.5)mm
×
(0.8～1.2)mm。在电堆中连接体的厚度越薄，所能叠放的电堆单元就越多，短肋和长肋长宽高的尺寸决定了所构成的空气流道的大小、形状和长度，当短肋和长肋高度相同，宽度相同时，各个空气流道的大小和形状都相同，通过选择在此限定范围内的短肋和长肋长宽高尺寸，不仅保证了空气流道具有较大且均匀的空气流量和流速，而且使连接体的厚度尽可能的薄。
12.进一步地，所述进气孔数量为两个且相邻设置，所述出气孔数量为一个。两个空气入口孔的相邻设置可以保证整个空气流道内有充足的空气流量。
13.进一步地，所述进气孔和出气孔的横截面为形状相同的正方形，所述正方形的边长为(3～5)mm。进气孔和出气孔的位置处于通气槽的连缘，其大小取受到短肋的一端与相对的通气槽侧壁之间矩离的限制，而在矩离确定的情况下，正方形横截面的面积最大，且在加工过程中采用正方形的横截面更容易被精确定位。
14.进一步地，所述本体的上端面设有螺栓孔，用于相邻连接体之间的相互连接。在每一个电堆单元中是按连接体－电池－连接体的顺序叠放的，连接体上螺栓孔的作用是通过在螺栓孔内插入螺栓将相邻连接体固定连接起来防止空气流道内的气体泄露。
15.进一步地，所述螺栓孔数量为四个，且两两分布于通气槽两侧的本体上端面上。将螺栓孔数量设置为四个且两两分布于通气槽两侧，能够以最少的螺栓数量达到最好的固定效果。
16.相较于其他现有技术，本发明具有以下有益效果：
17.(1)本发明通过改进固体氧化物燃料电池连接体的结构，形成了空气流道数量按照气流的流动方向逐渐减少的渐变型流道结构，该流道结构能有效增加流道内空气的流动速度，增大氧气摩尔分数，从而提高电池的功率。
18.(2)本发明中的固体氧化物燃料电池连接体的结构具有均匀渐变的空气流道分布，能够增加空气流动速度的同时也降低电池内部的温度，减小电池内部所受到的热应力，
能够在一定程度上增加电池的寿命。
19.(3)本发明应用sus304不锈钢材料制成固体氧化物燃料电池连接体，仅仅通过优化了电池内部的连接体结构，达到了提高电池的功率的效果，该技术路线成本低、可靠性高，工艺简单、无附加工艺流程。
附图说明
20.图1为本发明的固体氧化物燃料电池连接体的结构示意图；
21.图2为本发明的固体氧化物燃料电池的电堆单元简化模型图；
22.图3为本发明的固体氧化物燃料电池连接体中的空气流动示意图；
23.图4为实施例1中不同空气流道结构的空气流速对比图；
24.图5为实施例1中不同空气流道结构的电解质层的温度分布对比图；
25.图6为实施例1中不同空气流道结构在不同工作电压下的温度曲线分布图；
26.图7为实施例1中不同空气流道结构的最大第一主应力分布对比图；
27.图8为实施例1中不同空气流道结构在不同工作电压和电流密度下的最大第一主应力分布图。
28.附图标记说明：
29.1-本体，11-通气槽，2-连接体肋，21-短肋，22-长肋，31-进气孔，32-出气孔，4-流道分区，5-空气流道，6-螺栓孔，7-连接体，8-电池，9-电池连接件，10-螺栓。
具体实施方式
30.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
31.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
32.应注意到：相似的标记和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
33.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
34.以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
35.结合图1所示，本实施例提供一种固体氧化物燃料电池连接体，包括呈板状的本体1，在本体1的上端面中部设有下凹的通气槽11，该通气槽11的槽底设有贯穿本体1的进气孔
31和出气孔32。通气槽11的槽底设有向上凸起的连接体肋2包括多根长肋22和多根短肋21，该长肋的长度比短肋的长度要长。所有长肋22和所有短肋21的上端面与本体1上端面齐平，即所有长肋22和所有短肋21由通气槽11槽底向上凸起的高度与通气槽11向下凹陷的深度相同。多根长肋22呈平行间隔分布，每根长肋22的一端均与通气槽11的侧壁连接，而另一端均为自由端，所指的自由端为不与通气槽的任何侧壁相连的一端，相邻的两根长肋22的自由端朝向相反，使通气槽11的侧壁与所有长肋22围城一个蛇形的流道，空气沿着蛇形流道从进气孔31到出气孔32的方向流动。每一根长肋22与相对的通气槽11的侧壁之间或相邻的两根长肋22之间均形成一个流道分区4，每个流道分区4内的相邻的两根连接体肋2之间或连接体肋2与相对的通气槽11的侧壁之间均形成一个空气流道5，本发明中所表示的空气流道5只包括如图1中所示竖直方向的流道，而不包括每个流道分区内靠近通气槽11侧壁的上下两个水平方向的流道。每个流道分区4内均设有至少一根短肋21，且每个流道分区4内的短肋21数量按照气流的流动方向逐渐减少，形成空气流道5数量按照气流的流动方向逐渐减少的渐变型流道结构。所有短肋21的两端均为自由端，每个流道分区4内的所有短肋21均呈平行间隔分布，且短肋21与长肋22呈平行设置，进气孔31和出气孔32分别设置于上述蛇形流道的两端。
36.结合图2固体氧化物燃料电池的电堆单元简化模型，每一个电堆单元中都包括两个连接体7，电池8，阳极连接件9和螺栓10，按图2所示的顺序将两个连接体7对称叠放在电池8两侧，将螺栓10插入螺栓孔6中并通过阳极连接件9和连接体7和电池8固定，此时电池8的表面、连接体肋2的侧面和通气槽11的槽底面构成了每一个电堆单元中密闭的空气流道5。为了使空气流道5在电堆单元中是密闭性的通道，连接体结构中短肋21与长肋22的高度都必须和通气槽11的向下凹陷深度相同，才能保证在电堆单元中的每一个空气流道5都处于密闭状态。本发明中连接体肋2的长度表示连接体肋2沿空气流道5内空气的流动方向上的尺寸大小，连接体肋2的宽度表示连接体肋2与通气槽11的槽底相连接部分的尺寸大小，连接体肋2的高度表示连接体肋2从通气槽11的槽底向上凸起的尺寸大小。
37.每一个电堆单元在工作过程中，空气流道5内的空气流动示意图如图3所示，空气从进气孔31进入通气槽11后，在各个流道分区4内的空气流道5中流动，随着连接体长肋22和短肋21的排列变化，空气流道5的数量随之发生变化，形成空气流道5数量按照气流的流动方向逐渐减少的渐变型流道结构。与现有技术中三通道蛇形流道相比，本发明增加了空气入口端的空气流道5数目，减小了空气出口端的空气流道5数目，该渐变型流道结构可以有效的增加空气的流动速度，增大氧气摩尔分数，从而提高电池的功率。此外，该渐变型流道结构在增加空气流动速度的同时也降低了电池内部的温度，减小了电池内部所受到的热应力，能够在一定程度上增加电池的寿命。
38.进一步，作为一种较佳的实施方式，连接体所用的材料是sus304不锈钢。
39.进一步，作为一种较佳的实施方式，通气槽11的形状为矩形。
40.进一步，作为一种较佳的实施方式，所有的长肋22和短肋21等间矩平行设置。
41.进一步，作为一种较佳的实施方式，所有短肋的两个自由端均齐平，所有长肋22的自由端和相应流道分区4内的所有短肋21的其中一个自由端齐平。
42.进一步，作为一种较佳的实施方式，所有短肋21和长肋22为长方体形状，且高度相同，宽度相同，长度不同，所有短肋21的长宽高尺寸为(24～28)mm
×
(1～1.5)mm
×
(0.8～
1.2)mm，所有长肋22的长宽高尺寸为(28～32)mm
×
(1～1.5)mm
×
(0.8～1.2)mm。
43.进一步，作为一种较佳的实施方式，进气孔31数量为两个且相邻设置，出气孔32数量为一个，进气孔31和出气孔32的横截面为形状相同的正方形，该正方形的边长为(3～5)mm。
44.进一步，作为一种较佳的实施方式，本体1的上端面设有螺栓孔6，用于相邻连接体之间的相互连接；螺栓孔6数量为四个，且两两分布于通气槽11两侧的本体1上端面上。
45.以下通过具体实施例对本发明进行详细描述。
46.实施例1
47.本实施例的固体氧化物燃料电池连接体由sus304不锈钢材料制成，包括呈板状的本体1，在本体1的上端面中部设有下凹的通气槽11，该通气槽11的形状为矩形，在通气槽11的槽底设有贯穿本体1的两个进气孔31和一个出气孔32，进气孔31和出气孔32的横截面为形状相同的正方形，且正方形的边长为4mm。
48.通气槽11的槽底设有向上凸起的21根连接体肋2，其中包括5根长肋22和16根短肋21，该长肋的长度比短肋的长度要长。所有长肋22和所有短肋21的上端面与本体1上端面齐平。如图1所示，从空气进气孔5一侧开始沿着空气流动方向第6、11、15、18、20根为长肋22，其余的都为短肋21，且所有长肋22和所有短肋21均呈平行等间距排列。所有短肋21的长宽高尺寸为28mm
×
1.15mm
×
1mm，所有长肋22的长宽高尺寸为32mm
×
1.15mm
×
1mm，所有短肋21的两端均为自由端，每根长肋22的一端均与通气槽11的侧壁连接，而另一端均为自由端，相邻的两根长肋22的自由端朝向相反，使通气槽11的侧壁与所有长肋22围城一个蛇形的流道，空气沿着蛇形流道从进气孔31到出气孔32的方向流动。每一根长肋22与相对的通气槽11的侧壁之间或相邻的两根长肋22之间均形成一个流道分区4，每个流道分区4内的相邻的两根连接体肋2之间或连接体肋2与相对的通气槽11的侧壁之间均形成一个空气流道5，所有短肋的两个自由端均齐平，所有长肋22的自由端和相应流道分区4内的所有短肋21的其中一个自由端齐平，每个流道分区4内的空气流道5数量按照气流的流动方向逐渐减少，形成渐变型的流道结构。
49.本体1的上端面设有四个螺栓孔6，且两两分布于通气槽11两侧的本体1上端面上，该螺栓孔6用于相邻连接体之间的相互连接。
50.本实施例中连接体内的空气流道5为渐变型流道结构，如图4所示，在0.6v电压下，将本发明的渐变型流道结构与三通道蛇形流道结构的空气流速进行对比，三通道蛇形流道结构的空气流速的最大值为108m/s，而渐变型流道结构的空气流速的最大值达到了269m/s，该渐变型流道结构的最大空气流速大约是三通道蛇形流道结构的最大空气流速的2.5倍，且流道内平均的空气流速也明显增快了很多，因此可以有效的提高电池的电化学性能。
51.如图5所示，在0.6v电压下，将本实施例1的渐变型流道结构与三通道蛇形流道结构的电解质层的温度分布进行对比。图5中的渐变型流道结构与三通道蛇形流道结构中空气的流动方向都是从右到左，即从右边的六个空气流道逐渐减小为左边的两个空气流道，与图4空气流速对比图中的空气流动方向不同。如图5中所示，三通道蛇形流道结构的电解质层的空气入口处的温度为1046k(k表示绝对温度)，空气出口处的温度为1132k，而渐变型流道结构的电解质层的空气入口处的温度为1035k，空气出口处的温度为1039k，可见在渐变型流道结构的电解质层比三通道蛇形流道结构的电解质层的空气入口处和出口处的温
度都有降低，且在出口处的温度降低了93k，降温效果非常明显。通过计算后得到，渐变型流道结构的电解质层比三通道蛇形流道结构的电解质层的平均温度差的最大值减小了109k，且该渐变型流道结构的高温集中区域相对较小，电解质层的温度更低且分布更均匀温度梯度更小。
52.如图6所示，两种结构电解质层温度随着工作电压的降低温度都在上升，且随着工作电压的降低，渐变型流道结构的电解质层的温度变化速率要比三通道蛇形流道结构的电解质层的温度变化速率要小得多，这使得两种结构的温度差异逐渐增大，温差最大时，渐变型流道结构比三通道型结构的电解质层温度降低了8.8％，进一步说明了渐变型流道结构的流道内部温度分布更均匀。
53.燃料电池的热应力分布一般使用第一主应力描述，第一主应力是垂直于一个平面的最大应力，该应力可能会在燃料电池中引起热裂纹，通常用于预测电池热裂纹的产生及电池的寿命。如图7所示，在0.6v工作电压下，将渐变型流道结构与三通道蛇形流道结构的电解质层的第一主应力分布图进行对比。图7中的渐变型流道结构与三通道蛇形流道结构中空气的流动方向都是从右到左，即从右边的六个空气流道逐渐减小为左边的两个空气流道。如图7中所示，三通道蛇形流道结构空气出口处的电解质层的最大第一主应力值为7.117
×
107n/m2，而渐变型流道结构空气出口处的电解质层的最大第一主应力值为2.397
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107n/m2，可见两种流道结构在空气出口处都有应力集中现象其最大第一主应力值都比较大，但在空气出口处渐变型流道结构的电解质层的最大第一主应力值大约为三通道蛇形流道结构的三分之一，且在渐变型流道结构内部各处的平均最大第一主应力更是减小为三通道蛇形流道结构的25％。因此，本实验结果说明三通道蛇形流道结构能够大幅度降低电解质层的最大第一主应力值，从而起到了提高电池寿命的目的。
54.如图8所示，随着工作电压的下降以及电流密度的上升，两种流道结构的电解质层最大第一主应力均增加了，且两种流道结构的最大第一主应力差异随着工作电压的降低和电流密度的增大逐渐增大，但是渐变型流道结构的最大第一主应力增加速率明显要比三通道蛇形流道结构慢得多。当工作电压为0.3v时，相比三通道蛇形流道结构，渐变型流道结构的最大第一主应力减小了61.59％，当电流密度为8000a/m2时，相比三通道蛇形流道结构，渐变型流道结构的最大第一主应力减小了61.58％，可见渐变型的流道结构能够有效得减小燃料电池内部的最大第一主应力，从而起到了提高电池寿命的目的。
55.基于上述实验结果，本发明通过改进固体氧化物燃料电池连接体的结构，形成空气流道5数量按照气流的流动方向逐渐减少的渐变型流道结构，该流道结构能有效增加流道内空气的流动速度，增大氧气摩尔分数，从而提高电池的功率，同时该渐变型流道结构能降低电池内部的温度，减小电池内部所受到的热应力，在一定程度上增加电池的寿命。
56.最后应说明的是，以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。