平板式固體氧化物燃料電池系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種平板式固體氧化物燃料電池系統(tǒng)，包括依次疊加設(shè)置的第一系統(tǒng)部件1、第一合金焊片2、第一電池堆3、第二合金焊片4、第二電池堆5、第三合金焊片6與第二系統(tǒng)部件7。本發(fā)明采用合金焊片為燃料電池的連接部件，實(shí)現(xiàn)了電池堆與電池堆之間、電池堆與系統(tǒng)部件之間以及系統(tǒng)部件與系統(tǒng)部件之間的連接，由于合金焊片來源廣泛，其可以直接作為電池系統(tǒng)的密封件，因此制備工藝簡單；同時(shí)合金焊片在電池堆之間及其與系統(tǒng)部件之間連接時(shí)在高溫下軟化，不僅可以很好的密封電池堆與系統(tǒng)部件的邊沿、燃料口、空氣口等部分，而且可以起到良好的集流和導(dǎo)電作用。
【專利說明】平板式固體氧化物燃料電池系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及燃料電池【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及平板式固體氧化物燃料電池系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]固體氧化物燃料電池(SOFC)是一種在中高溫下直接將儲存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能高效、環(huán)境友好地轉(zhuǎn)化成電能的全固態(tài)化學(xué)發(fā)電裝置。在實(shí)際應(yīng)用中，單體SOFC功率有限，為了獲得大功率S0FC，需要將若干個(gè)單電池以各種方式如串聯(lián)、并聯(lián)、混聯(lián)的方式，組裝成電池堆(SOFC stack)。
[0003]SOFC常用的主要構(gòu)型設(shè)計(jì)為:平板式和管式，兩種結(jié)構(gòu)類型各具特點(diǎn)，其制備方法也不同，其中平板式電池堆因功率密度高，體積小等優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用范圍更廣。平板式固體氧化物燃料電池電池堆主要由單電池、連接件及密封材料構(gòu)成，電池堆的上下兩個(gè)面均為金屬連接件。一般單個(gè)電池堆的功率為幾百瓦到上千瓦左右，而規(guī)模發(fā)電的SOFC則需更多個(gè)電池堆通過各種結(jié)構(gòu)堆疊或連接而成，其功率可達(dá)到幾千瓦、幾十千瓦，甚至上百千瓦。電池堆之間連接時(shí),必須要將每個(gè)電池堆本身的發(fā)電性能集成在一起,從而達(dá)到更高的整體輸出功率，不至于在連接過程中增加電阻或氣體泄漏，因此，電池堆與電池堆之間的連接必須兼顧密封與導(dǎo)電。系統(tǒng)部件是對電池堆其密封或?qū)щ娮饔玫牟考?，根?jù)系統(tǒng)部件作用的不同，系統(tǒng)部件的材質(zhì)可為金屬也可為陶瓷。
[0004]在多個(gè)電池堆連接時(shí)，涉及電池堆與電池堆、電池堆與系統(tǒng)部件以及系統(tǒng)部件與系統(tǒng)部件的連接，因此電池堆與電池堆之間、電池堆與系統(tǒng)部件之間、系統(tǒng)部件與系統(tǒng)部件之間的連接，主要包括金屬與金屬之間、金屬與陶瓷之間、陶瓷與陶瓷之間的連接。通常，傳統(tǒng)的平板式電池堆與系統(tǒng)部件間連接方法主要依靠玻璃密封材料和銀網(wǎng)，其中密封材料用于電池堆及系統(tǒng)部件邊沿、燃料口、空氣口以達(dá)到密封效果，銀網(wǎng)起到集流和導(dǎo)電作用。但是，使用傳統(tǒng)方法需要在每部分絲印密封材料，其工藝繁瑣，不方便電池堆集成；同時(shí)，銀網(wǎng)厚度也需要根據(jù)密封材料厚度而調(diào)整，增加了工序的復(fù)雜性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明解決的技術(shù)問題制備工藝簡單的平板式固體氧化物燃料電池系統(tǒng)。
[0006]有鑒于此，本申請?zhí)峁┝艘环N平板式固體氧化物燃料電池系統(tǒng)，包括:依次疊加設(shè)置的第一系統(tǒng)部件、第一合金焊片、第一電池堆、第二合金焊片、第二電池堆、第三合金焊片與第二系統(tǒng)部件。
[0007]優(yōu)選的，所述第一合金焊片為銀焊片、銅焊片或鋁焊片；所述第二合金焊片為銀焊片、銅焊片或鋁焊片；所述第三合金焊片為銀焊片、銅焊片或鋁焊片。
[0008]優(yōu)選的，所述銀焊片的熔點(diǎn)為620 °C?810 °C，所述銅焊片的熔點(diǎn)為645°C?910°C，所述鋁焊片的熔點(diǎn)為570°C?630°C。
[0009]優(yōu)選的，所述銀焊片的含銀量為18wt%?40wt%。
[0010]優(yōu)選的，所述合金焊片的厚度為0.2mm?0.6mm。[0011]本發(fā)明提供了一種平板式固體氧化物燃料電池系統(tǒng)，包括:依次疊加設(shè)置的第一系統(tǒng)部件、第一合金焊片、第一電池堆、第二合金焊片、第二電池堆、第三合金焊片與第二系統(tǒng)部件。本發(fā)明采用合金焊片為連接部件，實(shí)現(xiàn)了電池堆與電池堆之間、電池堆與系統(tǒng)部件之間以及系統(tǒng)部件與系統(tǒng)部件之間的連接，由于合金焊片來源廣泛，其可以直接作為集成電池堆的密封件，因此制備工藝簡單；同時(shí)合金焊片在電池堆之間及其與系統(tǒng)部件之間連接時(shí)在高溫下會(huì)軟化，不僅可以很好的密封電池堆與系統(tǒng)部件的邊沿、燃料口、空氣口等部分，而且可以起到良好的集流和導(dǎo)電作用，從而連接后可將每個(gè)電池堆本身的輸出功率集成在一起，保證固體氧化物燃料電池的高效、穩(wěn)定運(yùn)行。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1為本發(fā)明提供的平板式固體氧化物燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0013]圖2為采用本發(fā)明與傳統(tǒng)連接方法制備的燃料電池系統(tǒng)的1-V曲線圖；
[0014]圖3為本發(fā)明實(shí)施例1平板式固體氧化物燃料電池系統(tǒng)的V_t曲線圖；
[0015]圖4為本發(fā)明實(shí)施例2平板式固體氧化物燃料電池系統(tǒng)的V_t曲線圖；
[0016]圖5為本發(fā)明實(shí)施例3平板式固體氧化物燃料電池系統(tǒng)的V_t曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]為了進(jìn)一步理解本發(fā)明，下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明優(yōu)選實(shí)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)一步說明本發(fā)明的特征和優(yōu)點(diǎn)，而不是對本發(fā)明權(quán)利要求的限制。
[0018]如圖1所示，圖1為本發(fā)明提供的平板式固體氧化物燃料電池系統(tǒng)，圖1中I為第一系統(tǒng)部件、2為第一合金焊片、3為第一電池堆、4為第二合金焊片、5為第二電池堆、6為第三合金焊片、7為第二系統(tǒng)部件。
[0019]本發(fā)明實(shí)施例公開了一種平板式固體氧化物燃料電池的集成電池堆裝置，包括:依次疊加設(shè)置的第一系統(tǒng)部件1、第一合金焊片2、第一電池堆3、第二合金焊片4、第二電池堆5、第三合金焊片6與第二系統(tǒng)部件7。
[0020]本發(fā)明所述平板式固體氧化物燃料電池系統(tǒng)的連接材料，連接主體為電池堆與電池堆之間，電池堆與系統(tǒng)部件之間，系統(tǒng)部件與系統(tǒng)部件之間，主要包括金屬與金屬之間、金屬與陶瓷之間、系統(tǒng)部件與系統(tǒng)部件之間。在多個(gè)電池堆連接過程中，根據(jù)平板式固體氧化物燃料電池系統(tǒng)用途的區(qū)別，可以在系統(tǒng)部件之間設(shè)置多個(gè)電池堆，本申請沒有特別的限制。本發(fā)明最關(guān)鍵的技術(shù)是采用合金焊片作為連接材料。所述合金焊片在電池堆及其與系統(tǒng)部件直接連接時(shí)不僅可以很好的密封電池堆與系統(tǒng)部件邊沿、燃料口、空氣口等部分，而且可以起到良好的集流和導(dǎo)電作用，從而連接后可將每個(gè)電池堆本身的輸出功率集成在一起。
[0021]合金焊片具有優(yōu)良的工藝性能，合適的熔點(diǎn)、良好的潤濕性和填滿空隙的能力，并且強(qiáng)度高、塑性好，導(dǎo)電性和耐蝕性優(yōu)良，由于平板式固體氧化物燃料電池(SOFC)主要包括金屬、陶瓷等材質(zhì)，因此銀焊片可以應(yīng)用于SOFC中。根據(jù)SOFC的工作溫度為600?900°C，所以在此溫度區(qū)間熔點(diǎn)的合金焊片都適用。根據(jù)合金成分及含量，本發(fā)明所述合金焊片優(yōu)選為銀焊片、銅焊片或鋁焊片。上述合金焊片的熔點(diǎn)不同，則適用不同工作溫度區(qū)間的SOFC，其中，所述銀焊片是含有銀、銅、鋅、錫、鎳元素的合金焊片，其中銀的含量為18wt%~40wt%，其熔點(diǎn)為620~810°C，適用于中溫區(qū)域；所述銅焊片是含有銅、磷、鋅、錫、鎳元素的合金焊片，其熔點(diǎn)為645~910°C，適用于偏高溫區(qū)域；鋁焊片是含有鋁、硅、銅、鋅、鎂、鐵元素的合金焊片，其熔點(diǎn)為570~630°C，適用于偏低溫區(qū)域。本發(fā)明所述銀焊片、銅焊片與鋁焊片為現(xiàn)有技術(shù)中熟知的合金焊片。
[0022]在上述集成電池堆裝置中，所述第一合金焊片2、第二合金焊片4與第三合金焊片6優(yōu)選為同一類型的合金焊片。
[0023]本發(fā)明中所述合金焊片的厚度優(yōu)選為0.2mm~0.6_。合金焊片在電池堆中使用時(shí)，在高溫下會(huì)軟化，其軟化后能夠防止氣體泄漏，達(dá)到密封效果。如果合金焊片太薄，則不足以填隙被封接的上下兩個(gè)部件的表面；如果合金焊片太厚，由于其處于軟化狀態(tài)，容易被擠壓出邊沿，同時(shí)太厚也增加合金焊片的成本。
[0024]在采用合金焊片用于電池堆與系統(tǒng)部件之間的連接時(shí)根據(jù)電池堆及系統(tǒng)部件的結(jié)構(gòu)及尺寸切割合金焊片的結(jié)構(gòu)及尺寸，并根據(jù)需求在常溫下使合金焊片將電池堆及系統(tǒng)部件連接在一起，同時(shí)施加100~150kg的壓力，同時(shí)以一定升溫速率升溫至SOFC的工作溫度，即可達(dá)到良好的連接效果，以保證固體氧化物燃料電池高效穩(wěn)定的運(yùn)行。
[0025]本發(fā) 明提供了一種平板式固體氧化物燃料電池的集成電池堆裝置，包括:依次疊加設(shè)置的第一系統(tǒng)部件1、第一合金焊片2、第一電池堆3、第二合金焊片4、第二電池堆5、第三合金焊片6與第二系統(tǒng)部件7。本發(fā)明采用合金焊片為連接部件，實(shí)現(xiàn)了電池堆與電池堆之間、電池堆與系統(tǒng)部件之間以及系統(tǒng)部件與系統(tǒng)部件之間的連接，由于合金焊片來源廣泛，其可以直接作為集成電池堆的密封件，因此制備工藝簡單。同時(shí)合金焊片在電池堆之間及其與系統(tǒng)部件之間連接時(shí)在高溫下會(huì)軟化，不僅可以很好的密封電池堆與系統(tǒng)部件邊沿、燃料口、空氣口等部分，而且可以起到良好的集流和導(dǎo)電作用，從而連接后可將每個(gè)電池堆本身的輸出功率集成在一起，保證固體氧化物燃料電池的高效、穩(wěn)定運(yùn)行。
[0026]為了進(jìn)一步理解本發(fā)明，下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明提供的平板式固體氧化物燃料電池的集成電池堆裝置進(jìn)行詳細(xì)說明，本發(fā)明的保護(hù)范圍不受以下實(shí)施例的限制。
[0027]實(shí)施例1
[0028]采用尺寸為IOcmX 10cm，厚度為0.2mm，含銀量為25wt%的銀焊片連接電池堆，在775°C、150kg的外壓力下將系統(tǒng)部件、銀焊片與電池堆連接在一起，得到平板式固體氧化物燃料電池系統(tǒng)。如圖1所示，圖1為本發(fā)明提供的平板式固體氧化物燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖2所示，圖2為采用本發(fā)明與傳統(tǒng)連接方法制備的燃料電池系統(tǒng)的1-V曲線圖，圖中曲線為傳統(tǒng)連接方法的電池堆的1-V曲線，?曲線為本發(fā)明的連接方法的電池堆的1-V曲線，由圖2可知，本發(fā)明采用銀焊片的連接方法可以達(dá)到更好的密封和導(dǎo)電作用。如圖3所示，圖3為本發(fā)明平板式固體氧化物燃料電池系統(tǒng)的V-t曲線圖，由圖3可知，電池堆在運(yùn)行過程中，其電壓、功率都保持穩(wěn)定，說明銀焊片作為密封材料能夠保證固體氧化物燃料電池的長期穩(wěn)定運(yùn)行。
[0029]實(shí)施例2
[0030]采用尺寸為IOcmX 10cm，厚度為0.3mm，含銀量為18wt%的銀焊片連接電池堆，并使用性能更優(yōu)異的LSCF (Laa6Sra4Coa2Fea8CVs)作為陰極材料，在750°C、150kg的外壓力下將系統(tǒng)部件、銀焊片與電池堆連接在一起，得到平板式固體氧化物燃料電池系統(tǒng)。如圖4所示，圖4為本發(fā)明平板式固體氧化物燃料電池系統(tǒng)的V-t曲線圖，由圖4可知，H2:Air=6.3/18.5sccm cnT2，35A放電時(shí)，電池堆輸出功率為780W，穩(wěn)定運(yùn)行47h。電池堆在運(yùn)行過程中，其電壓、功率都保持穩(wěn)定，說明不同含量及不同厚度的銀焊片作為密封材料能夠保證固體氧化物燃料電池的長期穩(wěn)定運(yùn)行。
[0031]實(shí)施例3
[0032]采用尺寸為IOcmX IOcm,厚度為0.3mm,使用牌號為HL105的銅焊片連接兩個(gè)電池堆(如圖1結(jié)構(gòu))，并使用性能更優(yōu)異的LSCF (Laa6Sra4Coa2Fea8CVs)作為陰極材料，在750°C、150kg的外壓力下將系統(tǒng)部件、銀焊片與兩個(gè)電池堆連接在一起，得到平板式固體氧化物燃料電池系統(tǒng)。如圖5所示，圖5為本發(fā)明平板式固體氧化物燃料電池系統(tǒng)的V-t曲線圖，由圖 5 可知，750°C，H2:Air=6.3/19sccm cnT2，33A放電時(shí)，輸出功率為 1477W，運(yùn)行 143h。兩個(gè)電池堆在運(yùn)行過程中，其電壓、功率都保持穩(wěn)定，說明使用銅焊片作為密封材料能夠保證固體氧化物燃料電池的長期穩(wěn)定運(yùn)行。
[0033]以上實(shí)施例的說明只是電池堆與系統(tǒng)部件電池堆用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想。應(yīng)當(dāng)指出，對于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以對本發(fā)明進(jìn)行若干改進(jìn)和修飾，這些改進(jìn)和修飾也落入本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。
[0034]對所公開的實(shí)施例的上述說明，使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明。對這些實(shí)施例的多種修改對本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其它實(shí)施例中實(shí)現(xiàn)。因此，本發(fā)明將不會(huì)被限制于本文所示的這些實(shí)施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點(diǎn)相一致的最寬的范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種平板式固體氧化物燃料電池系統(tǒng)，包括:依次疊加設(shè)置的第一系統(tǒng)部件、第一合金焊片、第一電池堆、第二合金焊片、第二電池堆、第三合金焊片與第二系統(tǒng)部件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的平板式固體氧化物燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述第一合金焊片為銀焊片、銅焊片或鋁焊片；所述第二合金焊片為銀焊片、銅焊片或鋁焊片；所述第三合金焊片為銀焊片、銅焊片或鋁焊片。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的平板式固體氧化物燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述銀焊片的熔點(diǎn)為620°C?810°C，所述銅焊片的熔點(diǎn)為645°C?910°C，所述鋁焊片的熔點(diǎn)為570O?630O。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的平板式固體氧化物燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述銀焊片的含銀量為18wt%?40wt%。
5.根據(jù)權(quán)利要求1?4任一項(xiàng)所述的平板式固體氧化物燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述合金焊片的厚度為0.2mm?0.6mm。
【文檔編號】H01M8/02GK103545542SQ201310566142
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2013年11月14日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月14日
【發(fā)明者】王蔚國, 鄭益鋒, 官萬兵, 王成田, 呂新顏, 覃朝暉 申請人:中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所