一种固体氧化物电池氧电极接触件及电池堆

1.本发明涉及一种固体氧化物电池氧电极接触件及电池堆，用于固体氧化物燃料电池/电解池，属于新能源领域。


背景技术：

2.固体氧化物燃料电池和电解池sofc/soec不同于传统的卡诺热机，它可以直接实现化学能和电能之间的快速转换。固体氧化物燃料电池sofc具有燃料适用范围广、能量转换效率高，发电效率40％～60％，综合能效≥80％、全固态结构、模块化组装、零污染等优点，是我国“清洁低碳、安全高效”现代能源体系的重要组成。作为固定式或分布式发电可增强电网清洁供电的能力、安全性、可靠性和稳定性。sofc具有多种不同的结构，其发电规模覆盖几十瓦至百兆瓦，可根据不同的应用场景选择不同的结构，应用场景主要包括固定式发电、分布式供电、热冷电联供、交通车辆辅助动力电源等领域。
3.目前，广泛使用的sofc单元的组件设计形式大体分为两类，即管式设计和平板式设计。管式sofc最早是在20世纪70年代由美国西屋电气公司开发和商业应用的，管式设计由于其良好的密封性能而具有良好的长期稳定性，但是其结构原因导致长的电流路径而使输出功率偏低，因此在管式sofc基础上进行几何形状设计以提高输出功率密度成为主要的研究方向。平板式sofc设计是另一种广泛使用的sofc设计方式，平板式sofc电池堆结构与质子交换膜燃料电池电堆结构类似，这种具有双极的或平板的结构可以使电池间形成简单有效的电串联。这种双极的平板式设计与管式sofc相比具有两方面的优点。总体而言，由于平板式sofc具有更低的制造成本和更高的输出功率密度，使得平板式sofc更容易达到商业化需求，因此平板式sofc成为国际上sofc研究的热点和主流。
4.在平面sofc电堆中，通常将许多单元串联在一起以增加电压和功率输出。每个相同单元由阳极、电解质、阴极和连接体组成。其中连接体是sofc堆的重要组成部分之一，因为这些主要组件为电化学反应所需的反应气体提供了路径，其数量决定了sofc性能输出。目前常用的连接体材料主要是含cr元素的合金材料，传统的连接体设计是通过金属加工形成气体通道，用于输送/去除反应物/产品。因此，具有加工气路的连接体应具有足够的厚度，以便在加工过程中保持结构稳定性。然而，在连接体制造过程中使用厚原材料会增加电堆的制造成本、尺寸和重量，从而提高sofc系统的成本。
5.由于阴极侧接触层在电堆中处于氧化气氛中，而且由于半导体/金属(阴极-连接体)界面之间存在肖特基势垒，这与电池的面积比电阻(asr)密切相关，因此陶瓷阴极和金属连接体的界面对接触层要求更高，需要在阴极和连接体之间添加一层接触层。目前传统的添加接触层的方法是在阴极和连接体之间涂覆氧化物浆料，通过烧结形成接触层。这种连接属于刚性结构，而且存在明显缺点：一是施用量多少不易控制，过少则连接效果差，且易被多孔阴极吸收，过多则容易堵塞气体通道；二是烧结状态不易控制，温度低则烧结程度低、导电连通性差，而温度过高则结构过于致密，也阻碍气体流通。
6.现有电堆中接触材料强度差、接触层厚度不均匀、接触层易断裂、连接体材料加工
困难、成本高等问题。


技术实现要素：

7.本发明所要解决的技术问题是针对上述的技术现状而提供一种固体氧化物电池氧电极接触件及电池堆。
8.本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：
9.一种具有气体分布功能的柔性接触件的电池堆，包括至少一个模块化的电池堆基本单元，上下设有端板，每个单电池封接单元由密封件和单电池组成，单电池两侧分别设有接触件，接触件内设有气道，由中空隔板包覆，中空隔板两端设有阴极通气孔和阳极通气孔。
10.氢电极接触件，其主要成分为金属镍或铁、铜或上述金属合金，氢电极接触件同时设有气道，具有气体分布功能。
11.优选地，阳极侧采用两片接触件，分别承担集流和布气功能。
12.进一步，氧电极接触件，其主要成分为高温导电的贵金属、氧化物或二者混合物，包括但不限于金、银、铂、钙钛矿氧化物及其衍生物、尖晶石结构氧化物，其他成分为粘结剂、塑化剂和助剂。所述氧电极接触件同时设有气道，具有气体分布功能。
13.进一步，接触件可任意角度弯曲、可压缩，且可以任意形状加工。深度由包覆的中空隔板厚度决定，接触件内气体流道尺寸和形状可任意调控。
14.电池堆气道在连接体两侧，不易加工。
15.接触件加工简便，制作成本低，具有柔性。
16.接触件内气道为流线型，或表面附着有毛刺，可增加气体湍动。
17.接触件位于氧电极与连接件之间，可有效防止连接件中的铬在高温下挥发进入电极中。
18.在轴向压力作用下，所述接触件厚度被压缩减小，一侧与单电池氧电极表面贴合，另一表面与连接体表面贴合连接，从而形成电流串联。所述接触件应用于所述固体氧化物燃料电池堆中。
19.电池堆上端板两端设有阳极进气孔和阴极进气孔；所述上下端板四周均进行打孔，可用螺母和螺栓对电池堆进行密封。
20.优选地，螺母和螺栓为金属材质，上下端板内侧添加高温绝缘材料避免短路。
21.作为改进，采用陶瓷材质的螺母和螺栓。
22.上端板外气道与电堆内部气路相连。所述单电池封接单元之间通过连接件上下堆叠连接。
23.连接件为金属板，其表面纯平无沟槽。连接件的左右两侧分别设有阳极气体通气孔和阴极气体通气孔。连接件的上下两面连接氢电极接触件和氧电极接触件。
24.优选地，连接件上喷涂防氧化涂层。
25.优选地，连接件金属为银板。
26.再进一步，电堆在较高压力下密封，四周涂敷有用于密封连接的密封胶。
27.与现有技术相比，本发明的优点在于：采用新型非金属材料作为接触件，加工简单，制作成本低，使用时与单电池氧电极侧接触紧密，电池堆z方向易高度匹配，当电池堆基
本单元因高温而形变时，该接触件具有柔性，可以吸收电池堆基本单元的形变，这样，电池堆基本单元的密封性较好，不容易串气、漏气，也增强了电池堆的机械稳定性，使得电压较为稳定，有利于整个固体氧化物燃料电池堆的性能稳定性；同时接触件内的气道可自主加工，增强电池堆内的气流湍动，有利于提高电池堆的工作性能。同时，电池堆大量减少了金属材料的使用，更加轻量化且便于装配，适用于各类实验平台。
附图说明
28.图1为本发明实施例1中单电池为一片的单电池封接单元的结构示意图；
29.图2为图1的分解图；
30.图3为本发明实施例1中重复单元数为二的单电池封接单元的结构示意图；
31.图4为图3的分解图；
32.图5为波纹型气道设计图；
33.图6为折流板型气道设计图；
34.图7为带有毛刺的气道设计图。
35.其中图5～7为本发明实施例1中氧电极接触件内不同气道的设计以及气体流动情况。
36.(1)底板；(2)中空隔板一；(3)氧电极接触件；(4)单电池；(5)中空隔板二；(6)氢电极接触件；(7)中空隔板三；(8)连接件；(9)第一中空部；(10)第二中空部；(11)第三中空部；(12)阳极通气孔一；(13)阳极通气孔二；(14)阴极通气孔一；(15)阴极通气孔二；(16)阳极通气孔三；(17)阴极通气孔三。
具体实施方式
37.说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明专利所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。
38.以具体两个重复单元的电池堆为例展开说明。图4为图3的分解图，图4未按比例且以便于说明的形式呈现。该固体氧化物燃料电池堆包括两个上下堆叠的模块化的电池堆基本单元。相邻两个基本单元之间设置连接体8，并具有上下贯通的阳极通气孔三16和阴极通气孔三17。每个电池堆基本单元均具有间隔设置的阳极通气孔二13和阴极通气孔一14。电池堆基本单元的阳极通气孔二13与该连接体阳极通气孔三16上下连通，电池堆基本单元的阴极通气孔一14与该连接体阴极通气孔三17上下连通。每个单电池封接单元包括由上至下依次设置的中空隔板二5和单电池4，中空隔板二5具有上下贯通的第二中空部10，单电池4的外壁尺寸小于中空隔板二5的第二中空部10的内壁尺寸，单电池4容纳在中空隔板二5的第二中空部10并通过密封件进行密封。密封件可以是云母材料或者玻璃陶瓷复合材料等。固体氧化物燃料电池堆还包括氢电极接触件6和氧电极接触件3，氢电极接触件6的外壁尺寸小于中空隔板三7的第三中空部11的内壁尺寸，氢电极接触件6容纳在中空隔板三7的第三中空部11中，并且氢电极接触件6与单电池封接单元中的单电池4的阳极侧上下相抵，氢电极接触件6还与连接体8上下相抵。优选地，氢电极接触件6呈网状，氢电极接触件6可以是
银网，或者采用其它金属材质镍、铁等。氢电极接触件6也可以呈板状并进行内部修饰，只要呈多孔可以使气体通过就可以。氧电极接触件3的外壁尺寸小于中空隔板一2的第一中空部9的内壁尺寸，氧电极接触件3容纳在中空隔板一2的第一中空部9中，并且氧电极接触件3与单电池封接单元中的单电池4的阴极侧上下相抵，氧电极接触件3还与连接体8上下相抵。氧电极接触件主要成分为高温导电的贵金属、氧化物或二者混合物，包括但不限于金、银、铂、钙钛矿氧化物及其衍生物、尖晶石结构氧化物，其他成分为粘结剂、塑化剂和助剂。同时内部开设有气道供气流流通，并具有气体分布功能。图5～7为不同气道类型的氧电极接触件3示例，气道可任意形状设计，并可在表面雕刻毛刺来增加气体的湍动。优选地，其它所述电池堆气道在连接体两侧，采用减材制造，不易加工，且重量大。同时氧电极接触件3位于氧电极与连接件8之间，可有效防止连接体中的铬在高温下挥发进入电极中，承担着保护镀层的作用。连接体8为金属板。优选地，连接体所用材料为含铬的耐高温铁素体钢如crofer 22h、crofer 22apu和zmg 232l等。电堆在较高压力下密封，四周涂敷有用于密封连接的密封胶。