專利名稱：平板型燃料電池柔性密封裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
平板型燃料電池柔性密封裝置，屬于固體氧化物燃料電池技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種平板型固體氧化物燃料電池柔性密封裝置。
背景技術(shù)：
燃料電池是一種能量轉(zhuǎn)換裝置，把貯存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電 能。燃料電池與常規(guī)電池不同，它的燃料和氧化劑不是貯存在電池內(nèi)，而是貯存在電池外部 的貯罐中。當(dāng)它工作時(shí)，需要不間斷地向電池內(nèi)輸入燃料和氧化劑，并同時(shí)排出反應(yīng)產(chǎn)物。 燃料電池使用的燃料和氧化劑均為流體(即氣體和液體)。最常用的燃料為純氫、各種含氫 的氣體和某些液體(如甲醇水溶液)。常用的氧化劑為純氧、凈化空氣等氣體和某些液體 (如過氧化氫和硝酸的水溶液等)。根據(jù)燃料電池所用電解質(zhì)情況分類，可將燃料電池分為 堿性燃料電池、磷酸型燃料電池、質(zhì)子交換膜燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、固體氧化物 燃料電池。固體氧化物燃料電池(SOFC)具有能量轉(zhuǎn)換效率高、環(huán)境友好、燃料適應(yīng)性好等優(yōu) 點(diǎn)，是公認(rèn)的綠色能源轉(zhuǎn)換技術(shù)，在大型電站、分布式供電系統(tǒng)、交通運(yùn)輸、軍事領(lǐng)域具有廣 闊的應(yīng)用前景。SOFC通常采用的結(jié)構(gòu)有管型和平板型兩種。管型SOFC電池組由一端封閉 的管狀單電池以串聯(lián)、并聯(lián)方式組裝而成。每個(gè)單電池從內(nèi)到外由多孔支撐管、空氣電極、 固體電解質(zhì)薄膜和金屬陶瓷陽極組成。主要特點(diǎn)是，組裝相對簡單(如不涉及高溫密封這 一技術(shù)難題)，容易通過電池單元之間并聯(lián)和串聯(lián)組合成大功率的電池組。管型SOFC —般 在很高的溫度(900 1000°C )下進(jìn)行操作，主要用于固定電站系統(tǒng)，但缺點(diǎn)是電流通過電 池的路徑較長，限制了 SOFC的性能。平板型SOFC是將空氣電極_固體電解質(zhì)_燃料電極燒結(jié)成一體，組成PEN結(jié)構(gòu)， PEN結(jié)構(gòu)之間通過開設(shè)導(dǎo)氣溝槽的雙極板連接，使之相互串聯(lián)構(gòu)成電池組?？諝夂腿剂蠚庠?PEN結(jié)構(gòu)的兩側(cè)交叉流過。PEN結(jié)構(gòu)與雙極板之間通常采用無機(jī)黏合材料密封，以有效隔離 燃料和氧化劑。目前，最常用的電解質(zhì)材料為具有立方螢石結(jié)構(gòu)的Y2O3穩(wěn)定的&02(YSZ)。 以YSZ為電解質(zhì)的燃料電池能夠在900 1000°C的高溫下工作。平板型SOFC的優(yōu)點(diǎn)是PEN結(jié)構(gòu)制備工藝簡單，造價(jià)低。由于電流收集均勻，流經(jīng) 路徑短，致使平板型電池的輸出功率密度也較管型高。但其主要缺點(diǎn)是密封困難。如果密 封不好，會(huì)產(chǎn)生兩種情況，一種情況是燃料氣體和氧化氣體在燃料電池內(nèi)部混合，在采用氫 和氧運(yùn)行的燃料電池中，這種混合非常危險(xiǎn)，容易引起爆炸。另外一種情況是燃料氣體或者 氧化劑氣體向外泄漏，對電池能量利用效率產(chǎn)生影響，而且燃料氫氣在外界達(dá)到一定濃度， 就會(huì)導(dǎo)致爆炸。因此，密封技術(shù)成為制約平板型燃料電池發(fā)展的主要技術(shù)難題。國內(nèi)外學(xué) 者進(jìn)行了大量的研究，主要形成了三種密封方法。硬密封指密封材料與SOFC之間進(jìn)行硬連接，封裝后密封材料不產(chǎn)生塑性變形的 方法。封接時(shí)，將密封材料做成所需的形狀，然后置于電極之間，將溫度升高到一定溫度并 保溫一定時(shí)間，即可完成封接。硬密封采用的主要材料有銅焊、銀漿、黃金、合金等，但其制造費(fèi)用較高，金屬材料在高溫下容易氧化。常常采用玻璃、玻璃陶瓷等低成本材料作為封接材料，但是玻璃陶瓷屬于脆性材料，熱應(yīng)力不斷累積，不能夠產(chǎn)生塑性變形，長時(shí)運(yùn)行很容 易產(chǎn)生缺陷和泄漏。壓密封壓密封采用“密封圈”的概念實(shí)現(xiàn)密封，通過施加一定的壓力來壓緊電池 堆結(jié)構(gòu)。密封圈采用耐高溫材料制成，如云母和銀線。但是采用壓密封，電池堆結(jié)構(gòu)緊湊型 不夠好，電池性能較低，不適合長時(shí)間運(yùn)行。自適應(yīng)密封自適應(yīng)密封是從硬密封延伸而來，即允許密封材料在使用溫度下能 產(chǎn)生一定的塑性變形，以消除因溫度變化產(chǎn)生的熱應(yīng)力。對于采用硬密封封接的SOFC電池 堆，熱應(yīng)力是造成斷裂失效的主要原因。如果熱應(yīng)力可因密封材料的塑性變形而耗散掉，則 可大大提高SOFC電池堆運(yùn)行的可靠性。Bloom等發(fā)現(xiàn)，當(dāng)密封材料的粘度在104 106Pa-s 時(shí)，能夠耗散掉熱膨脹系數(shù)(CTE)相差20%所產(chǎn)生的熱應(yīng)力。自適應(yīng)密封是最為先進(jìn)的 SOFC密封概念，但是自適應(yīng)密封對密封材料的粘度和化學(xué)相提出了更高的要求，粘度太低， 密封材料有可能滲入電極材料的孔隙中，且SOFC其他材料間的反應(yīng)與擴(kuò)散更加容易；如果 太高，又不能有效地消除熱應(yīng)力。當(dāng)前自適應(yīng)密封主要采用玻璃及玻璃陶瓷材料，通過玻璃 的粘度來耗散熱應(yīng)力。但總的來說，相關(guān)研究還很不充分，尚處于探索階段。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種可靠性好、成本 較低、加工方便的平板型燃料電池柔性密封裝置及其釬焊工藝。本實(shí)用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是該平板型燃料電池柔性密封裝 置，包括PEN結(jié)構(gòu)和金屬框架，其特征在于在PEN結(jié)構(gòu)和金屬框架之間插入Z形密封金屬， Z形密封金屬上下兩平面平行，中間豎直部分為彈簧狀，上平面與PEN結(jié)構(gòu)正對，兩者之間 置入銀基釬料，下平面與金屬框架正對，兩者之間置入鎳基釬料。Z形密封金屬厚度均勻，上下兩平面與中間豎直部分之間以圓弧過渡連接，連接的 過渡圓弧角度為90°。采用圓弧光滑過渡，可以有效降低應(yīng)力集中。Z形密封金屬厚度為120 160 μ m。Z形密封金屬上下兩平面為具有一定寬度和長度的長方形平板。Z形密封金屬上下兩平面長度為2 6mm。Z形密封金屬采用Fe-Cr-Al合金制作。由于Fe-Cr合金服役最高溫度可達(dá) 1300°C，且含有釔元素，能夠高溫長時(shí)間使用，且抗氧化性能好。金屬框架由Haynes214哈氏合金制做，厚度為0. 3 0. 6mm。Haynes214哈氏合金 耐高溫、抗蠕變、抗氧化性能好。所置入的銀基釬料為AgCuO，厚度為90 120 μ m。所置入的鎳基釬料為耐高溫抗蠕變性能好的BNi2,厚度為70 100 μ m。各種材 料厚度均經(jīng)過優(yōu)化計(jì)算，以達(dá)到最優(yōu)效果。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型平板型燃料電池柔性密封裝置及其釬焊工藝所具有 的有益效果是所采用Z形密封金屬的中間豎直部分為彈簧狀，允許密封材料在使用溫度 下能產(chǎn)生一定的塑性變形，有利于消除因溫度變化產(chǎn)生的熱應(yīng)力，提高SOFC電池堆運(yùn)行的 可靠性。整體結(jié)構(gòu)簡單，制作成本低，可靠性好。
圖1是本實(shí)用新型平板型燃料電池柔性密封裝置結(jié)構(gòu)示意圖。 其中1、燃料通道2、雙極板3、PEN結(jié)構(gòu)4、銀基釬料5、Z形密封金屬6、鎳基釬 料7、金屬框架。圖1是本實(shí)用新型平板型燃料電池柔性密封裝置及其釬焊工藝的最佳實(shí)施例，下 面結(jié)合附圖1對本實(shí)用新型做進(jìn)一步說明
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1參照附圖1 平板型燃料電池柔性密封裝置由雙極板2、PEN結(jié)構(gòu)3、Z形密封金屬5和金屬框架 7組成。在PEN結(jié)構(gòu)3和金屬框架7之間插入Z形密封金屬5，Z形密封金屬5厚度均勻，厚 度為120 μ m，上下兩平面平行，中間豎直部分為彈簧狀，上下兩平面與中間豎直部分之間以 圓弧過渡連接，連接的過渡圓弧角度為90°。上下兩平面為具有一定寬度和長度的長方形 平板，長度為2mm。上平面與PEN結(jié)構(gòu)3正對，兩者之間置入銀基釬料4，下平面與金屬框架 7正對，兩者之間置入鎳基釬料6。銀基釬料4為AgCuO，其中含有4%的CuO，厚度為90 μ m。 鎳基釬料6為BNi2,厚度為70 μ m。Z形密封金屬5采用Fe-Cr-Al合金制作，其中Al的含 量為3%。金屬框架7由Haynes214哈氏合金制成，厚度為0. 3mm。釬焊時(shí)，將插接好的密封裝置用夾具夾緊，放入釬焊爐，緩慢加熱到1050°C，保溫 40min,再緩慢冷卻至室溫。利用釬料合金的元素?cái)U(kuò)散，實(shí)現(xiàn)連接。實(shí)施例2平板型燃料電池柔性密封裝置由雙極板2、PEN結(jié)構(gòu)3、Z形密封金屬5和金屬框架 7組成。在PEN結(jié)構(gòu)3和金屬框架7之間插入Z形密封金屬5，Z形密封金屬5厚度均勻， 厚度為140 μ m，上下兩平面平行，中間豎直部分為彈簧狀，上下兩平面與中間豎直部分之間 以圓弧過渡連接，連接的過渡圓弧角度為90°。上下兩平面為具有一定寬度和長度的長方 形平板，長度為4mm。上平面與PEN結(jié)構(gòu)3正對，兩者之間置入銀基釬料4，下平面與金屬 框架7正對，兩者之間置入鎳基釬料6。銀基釬料4為AgCuO，其中含有4%的CuO，厚度為 100 μ m。鎳基釬料6為BNi2,厚度為90 μ m。Z形密封金屬5采用Fe-Cr-Al合金制作，其中 Al的含量為4%。金屬框架7由Haynes214哈氏合金制成，厚度為0. 5mm。釬焊時(shí)，將插接好的密封裝置用夾具夾緊，放入釬焊爐，緩慢加熱到1050°C，保溫 40min,再緩慢冷卻至室溫。利用釬料合金的元素?cái)U(kuò)散，實(shí)現(xiàn)連接。實(shí)施例3平板型燃料電池柔性密封裝置由雙極板2、PEN結(jié)構(gòu)3、Z形密封金屬5和金屬框架 7組成。在PEN結(jié)構(gòu)3和金屬框架7之間插入Z形密封金屬5，Z形密封金屬5厚度均勻， 厚度為160 μ m，上下兩平面平行，中間豎直部分為彈簧狀，上下兩平面與中間豎直部分之間 以圓弧過渡連接，連接的過渡圓弧角度為90°。上下兩平面為具有一定寬度和長度的長方 形平板，長度為6mm。上平面與PEN結(jié)構(gòu)3正對，兩者之間置入銀基釬料4，下平面與金屬 框架7正對，兩者之間置入鎳基釬料6。銀基釬料4為AgCuO，其中含有4%的CuO，厚度為120 μ m。鎳基釬料6為BNi2,厚度為100 μ m。Z形密封金屬5采用Fe-Cr-Al合金制作，其中Al的含量為5%。金屬框架7由Haynes214哈氏合金制成，厚度為0.6mm。釬焊時(shí)，將插接好的密封裝置用夾具夾緊，放入釬焊爐，緩慢加熱到1050°C，保溫 40min,再緩慢冷卻至室溫。利用釬料合金的元素?cái)U(kuò)散，實(shí)現(xiàn)連接。以上所述，僅是本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例而已，并非是對本實(shí)用新型作其它形式 的限制，任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員可能利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容加以變更或改型為等同 變化的等效實(shí)施例。但是凡是未脫離本實(shí)用新型技術(shù)方案內(nèi)容，依據(jù)本實(shí)用新型的技術(shù)實(shí) 質(zhì)對以上實(shí)施例所作的任何簡單修改、等同變化與改型，仍屬于本實(shí)用新型技術(shù)方案的保 護(hù)范圍。
權(quán)利要求平板型燃料電池柔性密封裝置，包括PEN結(jié)構(gòu)(3)和金屬框架(7)，其特征在于在PEN結(jié)構(gòu)(3)和金屬框架(7)之間插入Z形密封金屬(5)，Z形密封金屬(5)上下兩平面平行，中間豎直部分為彈簧狀，上平面與PEN結(jié)構(gòu)(3)正對，兩者之間置入銀基釬料(4)，下平面與金屬框架(7)正對，兩者之間置入鎳基釬料(6)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的平板型燃料電池柔性密封裝置，其特征在于Z形密封金屬 (5)厚度均勻，上下兩平面與中間豎直部分之間以圓弧過渡連接，連接的過渡圓弧角度為 90°。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的平板型燃料電池柔性密封裝置，其特征在于Z形密封金屬 (5)厚度為 120 160 iim。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的平板型燃料電池柔性密封裝置，其特征在于Z形密封金屬 (5)上下兩平面為具有一定寬度和長度的長方形平板。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的平板型燃料電池柔性密封裝置，其特征在于Z形密封金 屬(5)上下兩平面長度為2 6mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的平板型燃料電池柔性密封裝置，其特征在于Z形密封金屬 (5)采用Fe-Cr-Al合金制作。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的平板型燃料電池柔性密封裝置，其特征在于金屬框架(7) 由Haynes214哈氏合金制成，厚度為0. 3 0. 6mm。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的平板型燃料電池柔性密封裝置，其特征在于所置入的銀基 釬料⑷厚度為90 120 iim。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的平板型燃料電池柔性密封裝置，其特征在于所置入的鎳基 釬料(6)厚度為70 100 u m。
專利摘要平板型燃料電池柔性密封裝置，屬于固體氧化物燃料電池技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種平板型燃料電池柔性密封裝置。其特征在于在PEN結(jié)構(gòu)(3)和金屬框架(7)之間插入Z形密封金屬(5)，Z形密封金屬(5)上下兩平面平行，中間豎直部分為彈簧狀。上平面與PEN結(jié)構(gòu)(3)正對，兩者之間置入銀基釬料(4)，下平面與金屬框架(7)正對，兩者之間置入鎳基釬料(6)。整體結(jié)構(gòu)簡單，制作成本低，可靠性好，允許密封材料在使用溫度下產(chǎn)生一定的塑性變形，有利于吸收和消除因溫度變化產(chǎn)生的熱應(yīng)力，提高SOFC電池堆運(yùn)行的可靠性。
文檔編號H01M2/08GK201590440SQ20102000207
公開日2010年9月22日 申請日期2010年1月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月12日
發(fā)明者馮曉亮, 孫偉松, 王振波, 蔣文春, 高嵩 申請人:中國石油大學(xué)(華東)