[发明专利]基于外流腔的固体氧化物燃料电池的气流腔密封装置

说明书

技术领域

本发明属于气流腔密封材料设计领域，更具体地，涉及一种基于外流腔的固体氧化物燃料电池的气流腔密封装置。

背景技术

我国长期以煤炭作为主要能源，致使许多城市大气中颗粒物含量超过国家空气质量标准，严重影响城市形象和人民健康。伴随能源需求量的持续增长，化石燃料燃烧产生的温室气体给环境造成了沉重的负担。面对这种单一的能源消费模式带来的严重环境危机，开发使用新型能源已迫在眉睫。固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种将燃料的化学能直接转化为电能的发电装置。SOFC能量转化效率不受卡诺循环的效率限制，其热电联供效率可达80％以上。发电过程中噪音低，反应物主要是水蒸气等洁净气体，不污染环境。随着SOFC技术的日益成熟，根据需要可以满足毫瓦级到兆瓦级不同的用电需求。其模块化、集成化的优点，可以保障发电稳定性，拆装方便，在固定电站、移动电源等领域有着美好的应用前景。

平板式SOFC与管式SOFC相比功率密度高、制备成本低，成为当前研究与开发的主流。尽管平板式SOFC研究已经取得了很大的进展，但高温密封问题是制约其商业化应用最主要的技术障碍。可靠的高温密封材料及密封工艺在平板式SOFC的研发中居于重要地位。SOFC电堆是由单电池在垂直(高度)方向上串联而成，其中的主要部件有单电池、连接体(含气体流场)、气体流腔(manifold)和密封件。在设计中要考虑到燃料气体和空气分别能够均匀传输到多孔阳极和多孔阴极的表面上，并保持各层之间良好的接触和密封。气体流腔的作用是分别将来源于管道的气体传送到相应的电堆进气面上，并在电堆的出气面上收集流出的气体。通常有内流腔(internalmanifolding)和外流腔(externalmanifolding)之分。内流腔是电堆的一部分，通常是由连接体中的开放部分堆垛而形成的腔体；外流腔则是一个独立于电堆的盖状部件，在外力的作用下，通过密封圈分别固定在电堆的进气面和出气面上。与内流腔相比，外流腔设计有结构简单、容易密封、成本较低的优点，适合于应用常规的机械制造技术进行批量化生产，在性能上与内气流腔电堆没有差别。用于气流腔的密封材料，其使用特点为：密封面积大，依据电堆的体积尺寸；可以施加较大的压力，最大可至500kPa；密封材料的绝缘性能要求高，一般应大于10⁵Ω·cm；密封件有一定的柔性，能够便于拆装；具有良好的高温密封性能和化学稳定性。

在外流腔SOFC电堆中，不仅需要在单电池和连接体之间进行密封和绝缘，保证燃料气体和空气有效分离，还需要在堆芯外部的流腔进行密封，提高燃料利用率，防止气体泄漏发生爆炸。美国能源部SECA计划要求SOFC密封材料的漏气率低于进气量的1％。SOFC的密封形式可分为两类：压密封和硬密封。压密封是指在附加载荷作用下密封材料自身压缩并与相邻组件压紧实现密封，例如云母、陶瓷纤维密封材料；硬密封是指密封材料不发生塑性变形，与相邻组件进行硬连接，例如玻璃密封材料。不同的密封材料拥有各自的优缺点，例如压密封材料对材料热膨胀系数匹配的要求较为宽松，可以减少热循环对于电堆结构的破坏，但其漏气率随着附加载荷的变化较大，过大的附加载荷容易导致电堆内部结构的损坏；而以玻璃为代表的硬密封自身密封性好但在热应力作用下容易失效。对于SOFC气流腔往往存在温度分布不均匀，受力不均匀的情况，这对于密封工作提出了更大的难题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于外流腔的固体氧化物燃料电池的气流腔密封材料，其目的在于提出一种复合密封材料并且提出其成型的方法，由此解决固体氧化物燃料电池在复杂环境下的密封技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于外流腔的固体氧化物燃料电池的气流腔密封装置，其特征在于，该密封装置为贴紧于所述固体氧化物燃料电池侧面的盖状结构，所述盖状结构贴紧所述固体氧化物燃料电池的部分设置有密封材料层。

进一步地，所述密封材料层为包括陶瓷纤维毡与碱土金属基玻璃微粉的复合材料。

进一步地，所述碱土金属基玻璃微粉的粒径范围为5-6μm。

进一步地，所述陶瓷纤维毡具体为氧化铝-氧化硅系纤维毡或氧化铝-氧化硅-氧化锆系纤维毡。

本发明还公开了一种基于外流腔的固体氧化物燃料电池的气流腔密封材料层的制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

(1)以溶剂，分散剂按一定比例与玻璃微粉混合，通过高速球磨机球磨，制备出分散均匀流动性适中的玻璃浆料；

(2)将陶瓷纤维毡浸入流动性良好的玻璃浆料中，对浆料进行使玻璃浆料渗入陶瓷毡孔隙；