[发明专利]平板型燃料电池柔性密封装置及其钎焊工艺

说明书

技术领域

平板型燃料电池柔性密封装置及其钎焊工艺，属于固体氧化物燃料电池技术领域，具体 涉及一种平板型燃料电池柔性密封装置及其钎焊工艺。

背景技术

燃料电池是一种能量转换装置，把贮存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能。燃 料电池与常规电池不同，它的燃料和氧化剂不是贮存在电池内，而是贮存在电池外部的贮罐 中。当它工作时，需要不间断地向电池内输入燃料和氧化剂，并同时排出反应产物。燃料电 池使用的燃料和氧化剂均为流体(即气体和液体)。最常用的燃料为纯氢、各种含氢的气体和 某些液体(如甲醇水溶液)。常用的氧化剂为纯氧、净化空气等气体和某些液体(如过氧化氢和 硝酸的水溶液等)。根据燃料电池所用电解质情况分类，可将燃料电池分为碱性燃料电池、磷 酸型燃料电池、质子交换膜燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池。

固体氧化物燃料电池(SOFC)具有能量转换效率高、环境友好、燃料适应性好等优点， 是公认的绿色能源转换技术，在大型电站、分布式供电系统、交通运输、军事领域具有广阔 的应用前景。SOFC通常采用的结构有管型和平板型两种。管型SOFC电池组由一端封闭的 管状单电池以串联、并联方式组装而成。每个单电池从内到外由多孔支撑管、空气电极、固 体电解质薄膜和金属陶瓷阳极组成。主要特点是，组装相对简单(如不涉及高温密封这一技 术难题)，容易通过电池单元之间并联和串联组合成大功率的电池组。管型SOFC一般在很高 的温度(900～1000℃)下进行操作，主要用于固定电站系统，但缺点是电流通过电池的路径较 长，限制了SOFC的性能。

平板型SOFC是将空气电极-固体电解质-燃料电极烧结成一体，组成PEN结构，PEN结 构之间通过开设导气沟槽的双极板连接，使之相互串联构成电池组。空气和燃料气在PEN结 构的两侧交叉流过。PEN结构与双极板之间通常采用无机黏合材料密封，以有效隔离燃料和 氧化剂。目前，最常用的电解质材料为具有立方萤石结构的Y₂O₃稳定的ZrO₂(YSZ)，以YSZ 为电解质的燃料电池能够在900～1000℃的高温下工作。

平板型SOFC的优点是PEN结构制备工艺简单，造价低。由于电流收集均匀，流经路径 短，致使平板型电池的输出功率密度也较管型高。但其主要缺点是密封困难。如果密封不好， 会产生两种情况，一种情况是燃料气体和氧化气体在燃料电池内部混合，在采用氢和氧运行 的燃料电池中，这种混合非常危险，容易引起爆炸。另外一种情况是燃料气体或者氧化剂气 体向外泄漏，对电池能量利用效率产生影响，而且燃料氢气在外界达到一定浓度，就会导致 爆炸。因此，密封技术成为制约平板型燃料电池发展的主要技术难题。国内外学者进行了大 量的研究，主要形成了三种密封方法。

硬密封：指密封材料与SOFC之间进行硬连接，封装后密封材料不产生塑性变形的方法。 封接时，将密封材料做成所需的形状，然后置于电极之间，将温度升高到一定温度并保温一 定时间，即可完成封接。硬密封采用的主要材料有铜焊、银浆、黄金、合金等，但其制造费 用较高，金属材料在高温下容易氧化。常常采用玻璃、玻璃陶瓷等低成本材料作为封接材料， 但是玻璃陶瓷属于脆性材料，热应力不断累积，不能够产生塑性变形，长时运行很容易产生 缺陷和泄漏。

压密封：压密封采用“密封圈”的概念实现密封，通过施加一定的压力来压紧电池堆结构。 密封圈采用耐高温材料制成，如云母和银线。但是采用压密封，电池堆结构紧凑型不够好， 电池性能较低，不适合长时间运行。

自适应密封：自适应密封是从硬密封延伸而来，即允许密封材料在使用温度下能产生一 定的塑性变形，以消除因温度变化产生的热应力。对于采用硬密封封接的SOFC电池堆，热 应力是造成断裂失效的主要原因。如果热应力可因密封材料的塑性变形而耗散掉，则可大大 提高SOFC电池堆运行的可靠性。Bloom等发现，当密封材料的粘度在104～106Pa·s时，能 够耗散掉热膨胀系数(CTE)相差20％所产生的热应力。自适应密封是最为先进的SOFC密 封概念，但是自适应密封对密封材料的粘度和化学相提出了更高的要求，粘度太低，密封材 料有可能渗入电极材料的孔隙中，且SOFC其他材料间的反应与扩散更加容易；如果太高， 又不能有效地消除热应力。当前自适应密封主要采用玻璃及玻璃陶瓷材料，通过玻璃的粘度 来耗散热应力。但总的来说，相关研究还很不充分，尚处于探索阶段。