自密封固体氧化物燃料电池电堆及其应用

本发明涉及固体氧化物电池，具体而言，涉及一种自密封固体氧化物燃料电池电堆及其应用。

背景技术：

1、固体氧化物燃料电池是一种直接将燃料和氧化剂中的化学能转变为电能的电化学装置，其基本结构单元主要包括阳极、阴极和电解质。它的反向运行过程即为固体氧化物电解池，在外加电压和高温条件下可将h2o电解产生h2和o2，二者统称固体氧化物电池，在新能源领域涉及的用氢和制氢方面将发挥重要作用。

2、单个固体氧化物燃料电池只能产生约1v的开路电压，这需要将相邻两个单电池通过连接体串联起来，形成具有可用电压和功率输出的电池堆。由于固体氧化物燃料电池中通入的反应气之一为燃气，因此单电池与连接体之间必须要形成稳定可靠的电连接和气密性。传统的平板式固体氧化物单电池与连接体是完全分离的两个部件，需要在整个接触平面进行密封处理，密封面积大、成本高，而且稳定性也比较差。如能解决平板式固体氧化物燃料电池组成电堆的密封问题，固体氧化物燃料电池电堆的可靠性和服役寿命将得到大幅提升。

3、鉴于此，特提出本发明。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种自密封固体氧化物燃料电池电堆及其应用。

2、本发明是这样实现的：

3、第一方面，本发明提供一种自密封固体氧化物燃料电池电堆，包括电堆固定组件、第一集流板、第二集流板和电池重复单元。

4、电堆固定组件包括紧固部件以及间隔设置的第一盖板和第二盖板，第一盖板和第二盖板之间依次安装有第一集流板、电池重复单元和第二集流板，且第一盖板和第二盖板通过紧固部件定位。

5、电池重复单元包括至少两个单电池组件和设置于相邻两个单电池组件之间的连接体；每个单电池组件包括自密封单电池、电池固定件和集流网，自密封单电池包括阳极侧、阴极侧、进气端和出气端，自密封单电池的阳极侧和阴极侧均通过集流网与连接体间隔设置，自密封单电池的进气端安装在电池固定件上，自密封单电池的进气端包括进气口，与进气口相邻的壁面采用密封材料密封，电池固定件、连接体、第一集流板和第一盖板上均开设有气体入口和气体出口，气体入口之间相互贯通且与每个自密封单电池的进气口连通，气体出口之间相互贯通且与每个自密封单电池的出气端连通。

6、在本发明中，自密封单电池为自密封金属支撑单电池。具体是通过增材制造或焊接、钎焊等技术实现由阳极、电解质和阴极组成的单电池与设有燃料气路结构的金属支撑一体化的结构。

7、其中，集流网的作用是将相邻两个单电池的阴极和阳极连接，起到传递电流的作用，因此，较佳地，集流网的大小与自密封单电池的阴极侧或阳极侧的大小接近即可。当电池重复单元在组装的过程中，由于电池固定件安装于自密封单电池的侧面，因此电池固定件不会与集流网接触，而会与集流网表面的连接体接触，从而将连接体与电池固定件密封，避免燃料进气的泄漏，该结构的密封面少，可以提高电堆组装可靠性和灵活性。

8、优选地，集流网为金属网，包括银网、镍网等。

9、优选地，密封连接体与电池固定件的密封材料为陶瓷玻璃密封材料。

10、进一步地，前述记载的与进气口相邻的壁面是指上下相邻、左右相邻和前后相邻的壁面。上述所有壁面都应当进行密封，避免燃气泄漏。在一些实施方式中，可以理解为自密封单电池与电池固定件的接触面、电池固定件与连接体的接触面均需要密封。

11、较佳地，为了便于电池组装和定位，同时减少密封面积，自密封单电池的进气口为单独延伸至电池本体外的管体结构。因此，密封时，可以只对管体的周围壁面进行密封，而不需要对整个电池本体的四周均进行密封。

12、较佳地，为了更好地将自密封单电池定位，避免自密封单电池滑动错位，自密封单电池和电池固定件可以通过卡接固定。在其他的实施方式中，也可以通过在电池固定件上设置限位件的方式将自密封单电池固定。

13、在可选的实施方式中，紧固部件例如可以是螺栓和螺母的组合结构，通过在第一盖板和第二盖板之间设置第一集流板、第二集流板和电池重复单元后，利用螺栓和螺母进行紧固，从而使电池电堆形成一个紧密的集合体。在其他实施方式中，紧固部件也可以是其他现有的结构，只要能够将第一盖板、第二盖板和其间填充的材料紧固定位即可，本发明对此不做限定。

14、在可选的实施方式中，为了便于气体的引出，每个单电池组件中电池固定件为两个，两个电池固定件分别安装在自密封单电池的进气端和出气端。

15、较佳地，自密封单电池的出气端也设置有出气口，出气口可以是直接开设在自密封单电池上的开口，也可以是延伸出单电池本体的管状结构。

16、在可选的实施方式中，电池固定件、连接体、第一集流板和第一盖板上的气体入口和气体出口的数量均为至少两个。

17、也即是，电池固定件具有至少两个气体入口和至少两个气体出口，连接体具有至少两个气体入口和至少两个气体出口，第一集流板具有至少两个气体入口和至少两个气体出口，第一盖板具有至少两个气体入口和至少两个气体出口。至少两个气体入口可以分别用于通入燃气和通入氧化性气体，至少两个气体出口可以分别用于排出未反应完全的燃气和氧化性气体等尾气。

18、较佳地，所有结构的气体入口的数量、形状、大小和位置均相同，便于提高电池的进气效率。所有结构的气体出口的数量、形状、大小和位置均相同，便于提高电池的排气效率。

19、在可选的实施方式中，为了获得一定的发电效率，电池重复单元中连接体的数量为2～50个。

20、在可选的实施方式中，连接体与自密封单电池阴极侧相邻的表面设置有气体通道和支撑脊。气体通道用于供氧化气流动，支撑脊能够收集电流。较佳地，连接体相对的另一侧为平面。

21、在可选的实施方式中，为了对电堆中各结构进行定位，同时便于进气和出气，相邻两个气体入口和相邻两个气体出口之间的结构的连接均采用凹凸模嵌套连接。

22、优选地，凹凸模嵌套连接的结构中，凹模结构为外扩型凹模。

23、优选地，扩张角度为10～60°，扩张深度为0.5～1.5mm。

24、在可选的实施方式中，第一盖板、第二盖板、连接体、第二集流板、第一集流板和电池固定件的材质均为相同材质的合金。

25、在可选的实施方式中，紧固部件的材质为低热膨胀系数的合金。

26、在可选的实施方式中，第二盖板上开设有沉孔区域，用于对第二集流板和电池重复单元定位。

27、优选地，第二盖板与第二集流板之间、第一盖板与第一集流板之间均设置有绝缘材料。

28、优选地，绝缘材料包括云母板、氧化铝涂层和氧化锆涂层中的任一种。

29、在可选的实施方式中，第一集流板和第二集流板上均设有集流耳，用于与外接电路连接。

30、第二方面，本发明提供一种如前述实施方式任一项的自密封固体氧化物燃料电池电堆在电池领域的应用。

31、本发明具有以下有益效果：

32、本发明提供了一种自密封固体氧化物燃料电池电堆及其应用，通过采用自密封单电池，燃气气路在自密封单电池内部，因此极大地减小了电池电堆的密封面积，同时，在自密封单电池的进气端设置电池固定件，方便进气的同时也便于电池固定件和连接体密封，避免燃气泄漏。该结构只需要将电池固定件和连接体与进气口相邻的壁面密封即可，极大地减小了密封面积，提高了电池电堆组装的可靠性和灵活性。