[發明專利]一種外氣道式平板型固體氧化物燃料電池堆及其裝配方法

有效

• 申請號: 201210160497.4
• 申請日: 2012-05-22
• 公開（公告）號: CN102723507A
• 公開（公告）日: 2012-10-10
• 發明（設計）人: 李箭;顏冬;王曉鵬;蒲鍵;池波;方大為;羅軍
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: H01M8/02
• 分類號: H01M8/02;H01M8/24
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 朱仁玲

技術領域

本發明屬于燃料電池領域，更具體地，涉及一種外氣道式平板型固體氧化物燃料電池堆及其裝配方法。

背景技術

固體氧化物燃料電池（SOFC）是一種工作在較高溫度（600℃~900℃）的電化學器件，一般由多孔的陽極，致密的電解質和多孔的陰極構成。在工作溫度下，使陽極和陰極分別處于還原氣氛和氧化氣氛中，空氣將在陰極中電離生成氧離子，并在化學驅動力作用下，通過高溫氧離子導體電解質向陽極定向運動，并在陽極與還原性氣體反應。由于電解質為純氧離子導體，電子無法通過，在上述過程中，電子在陰極被從空氣分子中剝離，并通過外電路達到陽極，參與還原氣體的氧化反應，從而推動外電路中的負載工作。單片電池開路電壓由能斯特方程限制，一般不超過1.2V，工作電壓隨電流增大而下降。因此，為了獲取更高的電壓，需要將單片燃料電池串聯成堆。

由于SOFC的上述特性，其電池堆結構需要提供以下幾項基本功能：1，分隔燃料和氧化劑：燃料電池的工作條件要求陽極和陰極分別處于不同的氧分壓氣氛下，因此在電堆結構中，需要將燃料氣和空氣分別輸送到電池的陽極和陰極而不能相互混合；2，分配燃料和氧化劑：在電堆中，燃料電池緊密堆疊，電堆的氣路分配功能需要將燃料氣和空氣輸送給每一片單電池；3，排除尾氣：燃料電池的電化學反應產物和過量的反應氣需要及時排出以避免降低反應速率；4，提供電路連接：電堆結構需要將從電池電極表面收集電流并傳輸到相鄰的電池電極表面，并提供對外輸出，從而完成串聯電池，對外提供電能的功能。

對于平板式SOFC，目前有兩種基本的電堆結構：無密封型和密封型電堆。密封型平板式SOFC電堆根據其結構，可以分為內氣道和外氣道兩種基本類型。美國專利US6835486就是一種典型的內氣道平板式SOFC電堆。以燃料氣為例，氣體通過電堆內部與電池表面垂直的通道被輸送到堆疊的電池一側，并通過水平的通道到達電池陽極表面參與反應，尾氣通過與入口相對的另一側進入垂直的出口通道被排出電池堆。空氣分配方式與燃料氣分配方式相同，只是水平面流向與燃料氣流向垂直。電堆由電池和包含氣體輸送通道的雙極板堆疊而成，通過對頂蓋與底蓋施加壓力，在高溫密封材料的配合下完成氣路的分隔密封。這種結構存在熱膨脹匹配問題，由于燃料電池的電化學反應為放熱反應，而在電池表面熱量會在氣流方向上形成堆積，從而造成水平面氣體入口和出口之間存在溫度差，當電堆堆疊高度較高時，溫差產生的熱膨脹差別可能會引起密封壓力不均，從而使密封失效，影響電堆性能衰減和長期工作的穩定性。此外由于雙極板包含氣流通道，加工復雜，成本較高。且垂直方向的氣流通道由雙極板和密封材料構成，使得電堆內部氣體密封長度過長，降低了密封可靠性。外氣道式SOFC電堆垂直方向的氣體通道與堆芯分離，由單獨的側蓋構成，與內氣道式電堆相比，大幅減少了密封長度。在選用合適的密封材料情況下，堆芯與側蓋之間在垂直方向上可以產生相對滑動，從而減小由熱膨脹不匹配帶來的密封失效可能性。中國專利CN200920085649.2以及美國專利US4345009,US5472800,US4623596,US7291415B2等就是這一類外氣道電堆。

然而，外氣道電堆結構的缺點在于電堆除了需要垂直方向施力壓緊堆芯以外，還需要在水平方向對側蓋施加壓力以固定側蓋，同時保證側蓋與堆芯之間的垂直密封面有足夠的密封壓力，現有設計未能很好地解決這個問題，其中US7291415?B2使用螺栓將側蓋固定到頂蓋和底蓋上，可以實現垂直面均勻可靠的施壓，但限制了頂蓋和側蓋的垂直移動，對保證堆芯水平面密封不利，而CN200920085649.2的設計，通過側蓋之間的45度角拉力壓緊側蓋，在裝配時難以保證四組螺栓產生均勻的拉力，側蓋容易產生垂直面和水平面的歪斜，從而影響側蓋密封可靠性。

發明內容

針對現有技術的缺陷和技術需求，本發明的目的在于提供一種外氣道式平板型固體氧化物燃料電池堆及其裝配方法，相應可解決現有技術中存在的供氣側蓋加壓方式不可靠，密封性不足的問題。

按照本發明的一個方面，提供了一種外氣道式平板型固體氧化物燃料電池堆，該電池堆包括：

底座；

堆芯，該堆芯放置在底座上，由平板型固體氧化物燃料電池和雙極板交替堆疊成立方體結構；

供氣側蓋，該供氣側蓋總共有四個，分別與立方體結構堆芯的四個側面相貼合，其中各個供氣側蓋具有用于將燃料和空氣分別導入至各個燃料電池以發生氧化-還原反應的入口、和用于將反應后的產物及剩余氣體從堆芯內部輸出至供氣側蓋并予以排放的出口；