[發(fā)明專利]一種基于對(duì)稱雙陰極結(jié)構(gòu)固體氧化物燃料電池電芯的陽(yáng)極燒結(jié)密封方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910563392.5
• 申請(qǐng)日: 2019-06-26
• 公開（公告）號(hào): CN112151829B
• 公開（公告）日: 2022-02-15
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王成田;楊鈞;官萬(wàn)兵;杜志廣;張華;盧連妹
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所
• 主分類號(hào): H01M8/0286
• 分類號(hào): H01M8/0286;H01M8/12
• 代理公司: 寧波元為知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 33291
• 代理人: 單英

本發(fā)明提供一種基于對(duì)稱雙陰極結(jié)構(gòu)固體氧化物燃料電池電芯的陽(yáng)極燒結(jié)密封方法。該方法將陽(yáng)極金屬連接件設(shè)計(jì)為陽(yáng)極層的端蓋與壓蓋形狀，二者互相連接形成帶有中空腔體的密封部件，可實(shí)現(xiàn)對(duì)陽(yáng)極端部的密封，在密封過程中將密封材料置于中空腔，在緊固件的作用下，能夠?qū)γ芊獠牧鲜┘油獠繅毫?，然后燒結(jié)固化密封材料。該方法簡(jiǎn)單，粘結(jié)強(qiáng)度高，密封效果好，可以提高電池電芯的可靠性和安全性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及固體氧化物燃料電池技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于對(duì)稱雙陰極結(jié)構(gòu)固體氧化物燃料電池電芯的陽(yáng)極燒結(jié)密封方法。

背景技術(shù)

固體氧化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell，SOFC)是一種可以直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)換裝置。SOFC具有能量轉(zhuǎn)化效率高，對(duì)環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，因此受到了研究者們的廣泛關(guān)注。

SOFC的基本結(jié)構(gòu)包括多孔陽(yáng)極，多孔陰極以及致密的電解質(zhì)層。在陽(yáng)極中通入燃料，同時(shí)在陰極通入氧化劑氣體后，電解質(zhì)和電極三相界面處會(huì)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電子，電子通過外電路形成放電回路，產(chǎn)生電能與熱能。

平板式結(jié)構(gòu)是目前固體氧化物燃料電池的一種技術(shù)成熟應(yīng)用的結(jié)構(gòu)。相對(duì)于傳統(tǒng)的由電解質(zhì)、陽(yáng)極與陰極構(gòu)成的平板式結(jié)構(gòu)，專利文獻(xiàn)CN 106033819A公開了一種特殊的平板式結(jié)構(gòu)，如圖1所示，是以支撐電極層為中心的上下對(duì)稱分布結(jié)構(gòu)，并且支撐電極層內(nèi)部具有中空通道(或孔洞)，燃料氣體與氧化劑氣體分別自中空通道(或孔洞)以及平板上下兩側(cè)通入，通過電解質(zhì)與電極形成氧化氣體離子傳導(dǎo)和外部電路的電子傳導(dǎo)，形成放電回路。該結(jié)構(gòu)有利于在電池?zé)Y(jié)過程中保持電池的平整性；同時(shí)由于發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的三相界面位于支撐電極層的上下兩側(cè)，因此產(chǎn)生的熱應(yīng)力得到有效抵消，可大幅度減小了熱應(yīng)力，降低電解質(zhì)與電極受到損傷，從而能夠有效保護(hù)電池在高溫以及冷熱循環(huán)等惡劣條件下的運(yùn)行；另外，傳統(tǒng)電池結(jié)構(gòu)單元的厚度為400～1000μm，該中空上下分布的電極支撐型結(jié)構(gòu)的厚度可增大到傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的10倍以上，因此具有較高的機(jī)械強(qiáng)度，并且易于制備大面積電池，可開展二次加工。

當(dāng)陽(yáng)極層為支撐層時(shí)構(gòu)成對(duì)稱雙陰極結(jié)構(gòu)固體氧化物燃料電池，此時(shí)，空氣中的氧氣經(jīng)陰極在高溫下發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)生成氧離子，經(jīng)過氧離子導(dǎo)體電解質(zhì)，和多空陽(yáng)極中的氫離子發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)生成水，氫離子來自中空通道中的燃料氣。電子則通過陰極金屬電極(即，連接陰極層的金屬電極)、外電路負(fù)載，以及陽(yáng)極金屬電極(即，連接陽(yáng)極層的金屬電極)產(chǎn)生電效能。

在實(shí)際應(yīng)用中，需要將SOFC基本結(jié)構(gòu)與金屬或陶瓷等連接件部件組合成SOFC電芯，再進(jìn)一步串并聯(lián)成大功率電堆給用電設(shè)備供電。結(jié)構(gòu)密封是SOFC電芯的工序之一。對(duì)于傳統(tǒng)的平板式結(jié)構(gòu)，一般是將密封材料例如玻璃粉制成漿料后均勻涂敷在電池四周，然后通過施加壓力將金屬連接件和電池連接在一起，從而實(shí)現(xiàn)密封和電子收集的目的。所施加的壓力一方面要保證金屬連接件和電池密封連接在一起，另一方面還要兼顧電池與金屬連接件的結(jié)合以使其具有相當(dāng)?shù)碾娮邮占?。但是，傳統(tǒng)的平板式SOFC電池通常只有400微米左右的厚度，電池強(qiáng)度較小，所施加的壓力不能太大，以免電池容易破裂，但是較小的壓力又不能保證電子收集效率，因此，所施加的壓力很難同時(shí)兼顧密封與電子收集目的。因此，對(duì)密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和密封材料的質(zhì)量提出了更高的要求。

對(duì)于對(duì)稱雙陰極結(jié)構(gòu)固體氧化物燃料電池電芯，結(jié)構(gòu)密封包括將陽(yáng)極金屬連接件與陽(yáng)極層進(jìn)行陽(yáng)極密封，以確保燃料氣在SOFC內(nèi)部無(wú)泄漏，從而提高燃料氣的利用率與系統(tǒng)的安全性。如果將大量的密封漿料涂敷在電池和陽(yáng)極金屬連接件之間，僅通過燒結(jié)將金屬連接件與電池粘粘結(jié)在一起以實(shí)現(xiàn)密封目的，存在密封材料裸漏在空氣中，粘結(jié)強(qiáng)度不高，氣密性可靠度不高，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度容易在后續(xù)工序如電池集成時(shí)遭到破壞等問題，并且燒結(jié)后的密封材料自身密度低，孔隙率高。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)上述技術(shù)現(xiàn)狀，本發(fā)明提供一種基于對(duì)稱雙陰極結(jié)構(gòu)固體氧化物燃料電池電芯的陽(yáng)極燒結(jié)密封方法，其特征是：