CN115613063B - 一种平板式固体氧化物电解池电堆 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种平板式固体氧化物电解池电堆，属于固体氧化物电解池技术领域，解决了现有技术电堆集成度差、高温密封性能差、配气均匀性差、抗冲击性能差的问题。该电堆包括依次连接的前端板、阳极极板、重复单元、阴极极板和后端板。其中，重复单元包括多组层叠的电池组单元，每一电池组单元均设有依次连接的电池密封垫、电池、连接板、流道板。连接板采用中空的外边框结构，流道板上设有矩阵式凹凸结构的流道，连接板、流道板依次通过激光焊接密封于电池的一侧使得该电池组单元内部形成燃料气腔；电池密封垫密封于电池的另一侧并包覆电池边缘使得电池组单元外部形成空气腔。后端板上设有燃料气进出口、空气进出口。
Description
技术领域
本发明涉及固体氧化物电解池技术领域，尤其涉及一种平板式固体氧化物电解池电堆。
背景技术
氢能及燃料电池技术作为促进经济社会实现低碳环保发展的重要创新技术，是我国应对全球气候变化、保障国家能源供应安全和实现可持续发展的战略选择。
固体氧化物电解池（SOEC）电解水生成氢气，不伴随任何污染和温室气体排放。SOEC电堆在高温（600~800℃）下运行，动力学上的优势使其可使用廉价的镍电极，具有多种结构设计，目前主要采用管式和平板式两种。与管式结构相比，平板式结构制备工艺简单，造价低，电流采集流程较短，功率密度更高，更具优越性。
目前，现有平板式SOEC电堆在应用过程中存在电堆集成度差、高温密封性能差、配气均匀性差、抗冲击性能差等一系列问题。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种平板式固体氧化物电解池电堆，用以解决现有技术电堆集成度差、高温密封性能差、配气均匀性差、抗冲击性能差的问题。
本发明实施例提供了一种平板式固体氧化物电解池电堆，包括依次连接的前端板、阳极极板、重复单元、阴极极板和后端板；其中，
重复单元包括多组层叠的电池组单元，每一电池组单元均设有依次连接的电池密封垫、电池、连接板、流道板；连接板采用中空的外边框结构，流道板上设有矩阵式凹凸结构的流道，连接板、流道板依次焊接密封于电池的一侧使得该电池组单元内部形成燃料气腔；电池密封垫密封于电池的另一侧并包覆电池边缘使得该电池组单元外部形成空气腔；
后端板上设有与上述燃料气腔连通的燃料气进出口，以及与上述空气腔连通的空气进出口。
上述技术方案的有益效果如下：对固体氧化物电解池电堆进行了不同的结构设计，对重复单元进行了集成，并将阳极极板、阴极极板分别置于重复单元的两端，集成度更高，高温密封性能更好，配气均匀性也更好。由于电池组单元之间设有电池密封垫，使得抗冲击性能较好。
基于上述装置的进一步改进，该电解池电堆还包括用于对该电解池电堆进行施压密封的加压部件；其中，
加压部件进一步包括盖型螺母、螺母垫片、T型螺杆、螺杆垫片；T型螺杆经螺杆垫片与后端板结合，其杆体设置在该电解池电堆的空气腔通道中，并从前端板穿出后再依次经螺母垫片、盖型螺母加压固定。
进一步，该电解池电堆还包括前端板密封垫、后端板密封垫；其中，
前端板密封垫设于前端板、阳极极板之间，用于实现前端板、阳极极板的电气隔离；
后端板密封垫设于后端板和阴极极板之间，用于实现后端板、阴极极板的电气隔离，并在后端板、后端板密封垫之间形成通向该电解池电堆的空气腔的空气通道、燃料气腔的燃料气通道。
进一步，电池密封垫设于电池的阳极端，采用耐高温弹性绝缘材料制备而成。
进一步，电池的外周设有金属支撑结构，其阴极端依次与连接板、流道板采用激光焊接密封，形成燃料气腔；其中，
流道板上的流道尺寸与该电解池电堆的空气腔、燃料气腔体积匹配，以使得电池两侧的燃料气流量和空气流量相等。
进一步，流道板上的矩阵式凹凸结构采用耐高温刚性材料，其尺寸大小使得矩阵式凹凸结构起到加强筋作用，并使得其所在的电池组单元具有抗压性能和平整度。
进一步，重复单元内部，每一电池组单元的流道板上矩阵式凹凸结构的空气侧凸点与下一电池组单元的电池阳极端均匀接触连接，以使重复单元具有电连续性；并且，
在阳极极板的朝向重复单元的端面具有与流道板相同形状、尺寸的凸点，用于与第一级电池组单元的电池阳极端均匀接触连接。
进一步，后端板与后端板密封垫之间形成的空气通道采用将进入该电解池电堆的空气一分为二的结构。
进一步，螺母垫片和螺杆垫片均采用高温密封垫；并且，
阳极极板、阴极极板表面均涂覆有镀金层，镀金层的厚度为10～20μm，用于提升极板导电率。
进一步，后端板上的燃料气进出口、空气进出口均采用可安装三通卡套接头的管状结构，并配置有温压监测单元；
阳极极板、阴极极板均具有板状极耳，用于安装电压引出线。
与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：
1、采用成熟的焊接技术，使得电池堆易于密封，有效保证电堆的使用时间和保温性能。
2、具有良好的机械性能，并使得电堆具有更好的抗热震特性。
3、优异的热传导性能，使得电堆具有高的启停速率。
4、采用更为紧凑的体积，具有更低的制造成本。
5、采用轻量化的设计结构，提高了电堆的功率密度。
6、相对于采用玻璃密封结构的电堆来说，耐高温弹性密封垫与金属支撑体电池组单元重复叠加的结构设计使得电堆具有更好的抗热震特性。
提供发明内容部分是为了以简化的形式来介绍对概念的选择，它们在下文的具体实施方式中将被进一步描述。发明内容部分无意标识本公开的重要特征或必要特征，也无意限制本公开的范围。
附图说明
通过结合附图对本公开示例性实施例进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。
图1示出了实施例1平板式固体氧化物电解池电堆组成示意图；
图2示出了实施例2平板式固体氧化物电解池电堆组成示意图；
图3示出了实施例2电池组单元结构示意图；
图4示出了实施例2电解池电堆的外侧结构示意图一（前端板侧）；
图5示出了实施例2电解池电堆的外侧结构示意图二（后端板侧）。
附图标记：
1- 盖型螺母；2- 螺母垫片；3- 前端板；4- 前端板密封垫；5- 阳极极板；6- 电池密封垫；7- 电池；8- 连接板；9- 流道板；10- 多组重复单元；11- 极板密封垫；12- 阴极极板；13- 后端板密封垫；14- 后端板；15- 螺杆垫片；16-T型螺杆。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的实施例。虽然附图中显示了本公开的实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。
在本文中使用的术语“包括”及其变形表示开放性包括，即“包括但不限于”。除非特别申明，术语“或”表示“和/或”。术语“基于”表示“至少部分地基于”。术语“一个示例实施例”和“一个实施例”表示“至少一个示例实施例”。术语“另一实施例”表示“至少一个另外的实施例”。术语“第一”、“第二”等等可以指代不同的或相同的对象。下文还可能包括其他明确的和隐含的定义。
实施例1
本发明的一个实施例，公开了一种平板式固体氧化物电解池电堆，如图1所示，包括依次连接的前端板3、阳极极板5、重复单元10、阴极极板12和后端板14。其连接关系多样，可以是螺栓固定连接，或粘合连接，或卡接，此处可不限定。
其中，阳极极板5、阴极极板12用于与外接电源的正负极相接，是为电解池电堆运行供电的关键部件。
前端板3、后端板14，用于保护电解池电堆整体结构内的其他组件(如阳极极板5、阴极极板12)，并将预紧力均匀的分配在该其他组件上。
重复单元10包括多组层叠的电池组单元，每一电池组单元均设有依次连接的电池密封垫6、电池7、连接板8、流道板9。图1中给出了第一组电池组单元的组成，对重复单元内的后续电池组单元进行了省略，仅标识重复单元，便于理解。
连接板8采用中空的外边框结构，流道板9上设有矩阵式凹凸结构的流道，连接板8、流道板9依次通过激光焊接密封于电池7的一侧使得该电池组单元内部形成燃料气腔，以通入水蒸气和氢气混合气，作为燃料气。
电池密封垫6密封于电池7的另一侧并包覆电池7边缘，使得电池组单元外部形成空气腔，以通入空气。
电池密封垫6采用具有良好的高温密封性和绝缘性的材料制备而成，同时在多组重复单元堆叠过程中起到平衡电堆层片结构的作用。
后端板14上设有与上述燃料气腔连通的燃料气进出口（燃料气进口、燃料气出口），以及与上述空气腔连通的空气进出口（空气进口、空气出口）。
实施时，前端板3和后端板14共同作为电解池电堆的端板，阳极极板5和阴极极板12共同作为电解池电堆的极板，使得该电解池电堆仅包括端板、极板和重复单元。重复单元由电池密封垫6、电池7、连接板8、流道板9组成。
电堆运行时，燃料气腔内的高温水蒸气通过电池7时发生电化学反应产生氢气。高温燃料气（水蒸气和氢气混合气）由后端板上的燃料气进口进入电堆，通过重复单元堆叠形成的燃料气通道进入电解池电堆的各个燃料气腔在电池7上发生反应，反应后依次经过燃料气通道、后端板的燃料气出口排出电解池电堆。高温空气由后端板上的空气进口进入电堆，经由重复单元堆叠形成的空气通道进入电解池电堆的各个空气腔，反应后的富氧空气经过空气通道和后端板上的空气出口排出电解池电堆。
与现有技术相比，本实施例提供的固体氧化物电解池电堆进行了不同的结构设计，对重复单元进行了集成，并将阳极极板5、阴极极板12分别置于重复单元的两端，集成度更高，高温密封性能更好，配气均匀性也更好。由于电池组单元之间设有电池密封垫6，使得抗冲击性能较好。
实施例2
在实施例1的基础上进行改进，为了满足每一电池7受压均匀以及保证整个电池7具有良好的电接触性能，对于重复单元中的电池密封垫6、流道板9和连接板8，都采用了均衡厚度的设计。
优选地，该电解池电堆还包括用于对该电解池电堆进行施压密封的加压部件。
其中，加压部件进一步由盖型螺母1、螺母垫片2（也称螺母密封垫）、T型螺杆16、螺杆垫片15（也称螺杆密封垫）组成，如图2所示，也可以根据实际需求，增加其他构件。T型螺杆16经螺杆垫片15与后端板14结合，其杆体设置在该电解池电堆的空气腔通道（也称空气通道）中，并从前端板3穿出后再依次经螺母垫片2、盖型螺母1加压固定。简化的内部结构，减小了电堆体积，提高了电堆功率密度。
优选地，螺母垫片2和螺杆垫片15均采用高温密封垫，以保证空气腔的密封性。
优选地，该电解池电堆还包括前端板密封垫4、后端板密封垫13。其中，前端板密封垫4设于前端板3、阳极极板5之间，用于实现前端板3、阳极极板5的电气隔离，采用耐高温绝缘材料制备而成。后端板密封垫13设于后端板14和阴极极板12之间，用于实现后端板14、阴极极板12的电气隔离，并在后端板14、后端板密封垫13之间形成通向该电解池电堆的空气腔的空气通道、燃料气腔的燃料气通道，其也采用耐高温绝缘材料制备而成，并具有可形成燃料气通道的结构。
优选地，电池密封垫6设于电池7的阳极端（图3中的上侧面），采用耐高温弹性绝缘材料制备而成，例如0.5mm密封垫片，电阻值为0.5MΩ，在1MPa面压下经700℃高温4h测试，垫片压缩率为27%，回弹率为29%。耐高温弹性绝缘材料具有良好的高温密封性和绝缘性，同时，可在多组重复单元堆叠过程中起到平衡电堆层片结构的作用。
优选地，电池7的外周具有金属支撑结构（例如参见现有专利CN201110003823.6中的金属密封结构，也称金属支撑体），其阴极端依次与连接板8、流道板9采用激光焊接密封，形成燃料气腔。相比于电解质支撑结构和阳极支撑结构的电池来说，金属支撑结构的电池不受陶瓷支撑体材料的限制，金属支撑体具有优异的热传导性能，使得电堆具有较高的启停速率。
优选地，流道板9上的流道尺寸与该电解池电堆的空气腔、燃料气腔体积匹配，以使得电池7两侧的燃料气流量和空气流量相等，流道板的凹凸点设计呈网状高密度品字形排列，相互配合形成数条截面积约0.5mm2的气体通道，使反应气在腔体内与电池界面充分反应，这种特殊的流道设计保证电池7两侧燃气和空气的流体均匀性，提高了燃料气利用率。
优选地，流道板9上的矩阵式凹凸结构采用耐高温刚性材料，其尺寸大小使得矩阵式凹凸结构起到加强筋作用（即长度、厚度、宽度满足设定关系），并使得其所在的电池组单元具有设定的抗压性能和平整度（所有凸点处于同一水平面）。
激光焊接使电池组单元的金属板间具有优良的导电性。
优选地，重复单元内部，每一电池组单元的流道板9上矩阵式凹凸结构的空气侧凸点与下一电池组单元的电池7阳极端均匀接触连接，以使重复单元具有电连续性。
为了满足每一电池7受压均匀以及保证整个电池良好的电接触性能，对于重复单元中的电池密封垫6、流道板9和连接板8，都采用了均衡厚度的设计，如图3所示。
优选地，在最末一组电池组单元（最靠近阴极基板12的电池组单元）与阴极基板12之间还设有极板密封垫11。其采用中空的边框结构，如图2所示。
优选地，在阳极极板5、阴极极板12表面均涂覆有镀金层，镀金层的厚度为10～20μm，用于提升极板导电率。
优选地，在阳极极板5的后端面加工出与流道板9相同的凸点与电池7阳极端均匀接触连接，同时保证第一级电池组单元空气腔内的流体均匀性。
优选地，后端板14与后端板密封垫13之间形成的空气通道采用将进入该电解池电堆的空气一分为二的结构，即具有一个输入端、两个输出端。由重复单元堆叠形成的空气通道中贯穿了T型螺杆为电堆提供压紧力。
优选地，后端板14上的燃料气进出口、空气进出口均采用可安装三通卡套接头的管状结构，并配置有温压监测单元（包括温度传感器、压力传感器）。后端板14上的燃气进出口与重复单元之间形成燃料气通道。
优选地，阳极极板5、阴极极板12均具有板状极耳，用于方便安装电压引出线。丰富的接口功能能够帮助实时监测电堆的性能，调整电堆的功率，发挥电堆的最大性能。整个电解池电堆的外部形状如图4~5所示。
实施时，高温燃气（水蒸气和氢气混合气）由后端板14上的燃料气进口进入电堆，通过重复单元堆叠形成的燃料气通道进入电池7燃气腔在电池7上发生反应，反应后经过燃料气通道和后端板的燃料气出口排出电堆。高温空气由后端板14上的空气进口进入电堆，经由后端板14与后端板密封垫13之间形成的空气通道、重复单元堆叠形成的空气通道进入电池7空气腔，反应后的富氧空气经过空气通道和后端板14的空气出口排出电堆。
与现有技术相比，本实施例提供的固体氧化物电解池***具有如下有益效果：
1、采用成熟的焊接技术，使得电池堆易于密封，有效保证电堆的使用时间和保温性能。
2、具有良好的机械性能，并使得电堆具有更好的抗热震特性。
3、优异的热传导性能，使得电堆具有高的启停速率。
4、采用更为紧凑的体积，具有更低的制造成本。
5、采用轻量化的设计结构，提高了电堆的功率密度。
6、相对于采用玻璃密封结构的电堆来说，耐高温弹性密封垫（电池密封垫6）与金属支撑体电池组单元重复叠加的结构设计使得电堆具有更好的抗热震特性。
以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对现有技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。
Claims (8)
1.一种平板式固体氧化物电解池电堆，其特征在于，包括依次连接的前端板（3）、阳极极板（5）、重复单元（10）、阴极极板（12）和后端板（14），以及用于对电堆进行施压密封的加压部件；其中，
重复单元（10）包括多组层叠的电池组单元，每一电池组单元均设有依次连接的电池密封垫（6）、电池（7）、连接板（8）、流道板（9）；连接板（8）采用中空的外边框结构，流道板（9）上设有矩阵式凹凸结构的流道，流道板的凹凸点设计呈网状高密度品字形排列，形成多条截面积0.5mm2的气体通道，连接板（8）、流道板（9）依次焊接密封于电池（7）的一侧使得该电池组单元内部形成燃料气腔；电池密封垫（6）密封于电池（7）的另一侧并包覆电池（7）边缘使得该电池组单元外部形成空气腔；
后端板（14）上设有与上述燃料气腔连通的燃料气进出口，以及与上述空气腔连通的空气进出口；
重复单元内部，每一电池组单元的流道板（9）上矩阵式凹凸结构的空气侧凸点与下一电池组单元的电池（7）阳极端均匀接触连接，以使重复单元具有电连续性；并且，在阳极极板（5）的朝向重复单元的端面具有与流道板（9）相同形状、尺寸的凸点，用于与第一级电池组单元的电池（7）阳极端均匀接触连接；
加压部件进一步包括盖型螺母（1）、螺母垫片（2）、T型螺杆（16）、螺杆垫片（15）；T型螺杆（16）经螺杆垫片（15）与后端板（14）结合，其杆体设置在该电解池电堆的空气腔通道中，并从前端板（3）穿出后再依次经螺母垫片（2）、盖型螺母（1）加压固定。
2.根据权利要求1所述的平板式固体氧化物电解池电堆，其特征在于，还包括前端板密封垫（4）、后端板密封垫（13）；其中，
前端板密封垫（4）设于前端板（3）、阳极极板（5）之间，用于实现前端板（3）、阳极极板（5）的电气隔离；
后端板密封垫（13）设于后端板（14）和阴极极板（12）之间，用于实现后端板（14）、阴极极板（12）的电气隔离，并在后端板（14）、后端板密封垫（13）之间形成通向该电解池电堆的各空气腔的空气通道、各燃料气腔的燃料气通道。
3.根据权利要求2所述的平板式固体氧化物电解池电堆，其特征在于，电池密封垫（6）设于电池（7）的阳极端，采用耐高温弹性绝缘材料制备而成。
4.根据权利要求3所述的平板式固体氧化物电解池电堆，其特征在于，电池（7）的外周设有金属支撑结构，其阴极端依次与连接板（8）、流道板（9）采用激光焊接密封，形成燃料气腔；其中，
流道板（9）上的流道尺寸与该电解池电堆的空气腔、燃料气腔体积匹配，以使得电池（7）两侧的燃料气流量和空气流量相等。
5.根据权利要求4所述的平板式固体氧化物电解池电堆，其特征在于，流道板（9）上的矩阵式凹凸结构采用耐高温刚性材料，其尺寸大小使得矩阵式凹凸结构起到加强筋作用，并使得其所在的电池组单元具有抗压性能和平整度。
6.根据权利要求2-5任一项所述的平板式固体氧化物电解池电堆，其特征在于，后端板（14）与后端板密封垫（13）之间形成的空气通道采用将进入该电解池电堆的空气一分为二的结构。
7.根据权利要求1所述的平板式固体氧化物电解池电堆，其特征在于，螺母垫片（2）和螺杆垫片（15）均采用高温密封垫；并且，
阳极极板（5）、阴极极板（12）表面均涂覆有镀金层，镀金层的厚度为10～20μm，用于提升极板导电率。
8.根据权利要求1、2、3、4、5、7任一项所述的平板式固体氧化物电解池电堆，其特征在于，后端板（14）上的燃料气进出口、空气进出口均采用可安装三通卡套接头的管状结构，并在进口、出口处分别配置温压监测单元；并且，
阳极极板（5）、阴极极板（12）均具有板状极耳，用于安装电压引出线。
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