基于外流腔的固體氧化物燃料電池的氣流腔密封裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于氣流腔密封材料設(shè)計領(lǐng)域，更具體地，涉及一種基于外流腔的固體氧化物燃料電池的氣流腔密封裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]我國長期以煤炭作為主要能源，致使許多城市大氣中顆粒物含量超過國家空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)重影響城市形象和人民健康。伴隨能源需求量的持續(xù)增長，化石燃料燃燒產(chǎn)生的溫室氣體給環(huán)境造成了沉重的負(fù)擔(dān)。面對這種單一的能源消費模式帶來的嚴(yán)重環(huán)境危機(jī)，開發(fā)使用新型能源已迫在眉睫。固體氧化物燃料電池(SOFC)是一種將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。SOFC能量轉(zhuǎn)化效率不受卡諾循環(huán)的效率限制，其熱電聯(lián)供效率可達(dá)80%以上。發(fā)電過程中噪音低，反應(yīng)物主要是水蒸氣等潔凈氣體，不污染環(huán)境。隨著SOFC技術(shù)的日益成熟，根據(jù)需要可以滿足毫瓦級到兆瓦級不同的用電需求。其模塊化、集成化的優(yōu)點，可以保障發(fā)電穩(wěn)定性，拆裝方便，在固定電站、移動電源等領(lǐng)域有著美好的應(yīng)用前景。
[0003]平板式SOFC與管式SOFC相比功率密度高、制備成本低，成為當(dāng)前研究與開發(fā)的主流。盡管平板式SOFC研究已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展，但高溫密封問題是制約其商業(yè)化應(yīng)用最主要的技術(shù)障礙?？煽康母邷孛芊獠牧霞懊芊夤に囋谄桨迨絊OFC的研發(fā)中居于重要地位。SOFC電堆是由單電池在垂直(高度)方向上串聯(lián)而成，其中的主要部件有單電池、連接體(含氣體流場)、氣體流腔(manifold)和密封件。在設(shè)計中要考慮到燃料氣體和空氣分別能夠均勻傳輸?shù)蕉嗫钻枠O和多孔陰極的表面上，并保持各層之間良好的接觸和密封。氣體流腔的作用是分別將來源于管道的氣體傳送到相應(yīng)的電堆進(jìn)氣面上，并在電堆的出氣面上收集流出的氣體。通常有內(nèi)流腔(internal manifolding)和外流腔(externalmanifolding)之分。內(nèi)流腔是電堆的一部分，通常是由連接體中的開放部分堆垛而形成的腔體；外流腔則是一個獨立于電堆的蓋狀部件，在外力的作用下，通過密封圈分別固定在電堆的進(jìn)氣面和出氣面上。與內(nèi)流腔相比，外流腔設(shè)計有結(jié)構(gòu)簡單、容易密封、成本較低的優(yōu)點，適合于應(yīng)用常規(guī)的機(jī)械制造技術(shù)進(jìn)行批量化生產(chǎn)，在性能上與內(nèi)氣流腔電堆沒有差別。用于氣流腔的密封材料，其使用特點為:密封面積大，依據(jù)電堆的體積尺寸；可以施加較大的壓力，最大可至500kPa ;密封材料的絕緣性能要求高，一般應(yīng)大于15 Ω ?cm ;密封件有一定的柔性，能夠便于拆裝；具有良好的高溫密封性能和化學(xué)穩(wěn)定性。
[0004]在外流腔SOFC電堆中，不僅需要在單電池和連接體之間進(jìn)行密封和絕緣，保證燃料氣體和空氣有效分離，還需要在堆芯外部的流腔進(jìn)行密封，提高燃料利用率，防止氣體泄漏發(fā)生爆炸。美國能源部SECA計劃要求SOFC密封材料的漏氣率低于進(jìn)氣量的I %。SOFC的密封形式可分為兩類:壓密封和硬密封。壓密封是指在附加載荷作用下密封材料自身壓縮并與相鄰組件壓緊實現(xiàn)密封，例如云母、陶瓷纖維密封材料；硬密封是指密封材料不發(fā)生塑性變形，與相鄰組件進(jìn)行硬連接，例如玻璃密封材料。不同的密封材料擁有各自的優(yōu)缺點，例如壓密封材料對材料熱膨脹系數(shù)匹配的要求較為寬松，可以減少熱循環(huán)對于電堆結(jié)構(gòu)的破壞，但其漏氣率隨著附加載荷的變化較大，過大的附加載荷容易導(dǎo)致電堆內(nèi)部結(jié)構(gòu)的損壞；而以玻璃為代表的硬密封自身密封性好但在熱應(yīng)力作用下容易失效。對于SOFC氣流腔往往存在溫度分布不均勻，受力不均勻的情況，這對于密封工作提出了更大的難題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種基于外流腔的固體氧化物燃料電池的氣流腔密封材料，其目的在于提出一種復(fù)合密封材料并且提出其成型的方法，由此解決固體氧化物燃料電池在復(fù)雜環(huán)境下的密封技術(shù)問題。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個方面，提供了一種基于外流腔的固體氧化物燃料電池的氣流腔密封裝置，其特征在于，該密封裝置為貼緊于所述固體氧化物燃料電池側(cè)面的蓋狀結(jié)構(gòu)，所述蓋狀結(jié)構(gòu)貼緊所述固體氧化物燃料電池的部分設(shè)置有密封材料層。
[0007]進(jìn)一步地，所述密封材料層為包括陶瓷纖維氈與堿土金屬基玻璃微粉的復(fù)合材料。
[0008]進(jìn)一步地，所述堿土金屬基玻璃微粉的粒徑范圍為5-6 μ m。
[0009]進(jìn)一步地，所述陶瓷纖維氈具體為氧化鋁-氧化硅系纖維氈或氧化鋁-氧化硅-氧化鋯系纖維氈。
[0010]本發(fā)明還公開了一種基于外流腔的固體氧化物燃料電池的氣流腔密封材料層的制備方法，其特征在于，該方法包括如下步驟:
[0011 ] (1)以溶劑，分散劑按一定比例與玻璃微粉混合，通過高速球磨機(jī)球磨，制備出分散均勻流動性適中的玻璃漿料；
[0012](2)將陶瓷纖維氈浸入流動性良好的玻璃漿料中，對漿料進(jìn)行使玻璃漿料滲入陶瓷氈孔隙；
[0013](3)提拉出浸漬好的陶瓷纖維氈烘干；
[0014](4)將所述步驟(3)中所制備出的陶瓷纖維氈通過有機(jī)溶劑浸潤，多層疊加輥壓烘干，由此完成所述密封材料層的制備。
[0015]進(jìn)一步地，所述步驟(1)中的溶劑、分散劑及玻璃微粉三種材料的制備比例為:33:1:55ο
[0016]本發(fā)明還公開了一種基于外流腔的固體氧化物燃料電池的氣流腔密封材料層的制備方法，其特征在于，該方法包括如下步驟:
[0017](1)將陶瓷氈放入玻璃微粉中，通過震蕩使玻璃微粉進(jìn)入到陶瓷氈孔隙中，取出充分復(fù)合均勾的陶瓷租;
[0018](2)將步驟(1)所制備的陶瓷氈通過有機(jī)溶劑浸潤，多層疊加輥壓烘干，由此完成所述密封材料層的制備。
[0019]進(jìn)一步地，所述步驟(1)中的震蕩時間范圍為15-30min。
[0020]總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，能夠取得下列有益效果:
[0021](1)本發(fā)明采用的密封材料由陶瓷纖維和玻璃微粉復(fù)合，S0FC工作溫度玻璃完全軟化流動性好，便于浸潤陶瓷纖維骨架和相鄰界面，通過毛細(xì)現(xiàn)象填堵纖維孔隙，增加迂曲度達(dá)到密封效果，而陶瓷纖維保證密封結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，耐熱循環(huán)、熱應(yīng)力；
[0022](2)按照本發(fā)明使用的密封材料，密封厚度可以根據(jù)實際需要，通過陶瓷氈界面有機(jī)浸潤輥壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以達(dá)到理想的精度；
[0023](3)按照本發(fā)明使用的密封材料的制備方法，簡單易行，制備周期短，可以批量生產(chǎn)并保證產(chǎn)品的質(zhì)量，有利于固體氧化物燃料電池生產(chǎn)的普及化和規(guī)?；?。
【附圖說明】
[0024]圖1是按照本發(fā)明實現(xiàn)的高溫后復(fù)合陶瓷氈的微觀形貌圖；
[0025]圖2是按照本發(fā)明實現(xiàn)的陶瓷纖維-玻璃復(fù)合密封材料的整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖3是按照本發(fā)明實現(xiàn)的外流腔電堆所需密封結(jié)構(gòu)的示意圖；
[0027]圖4是按照本發(fā)明實現(xiàn)的玻璃微粉復(fù)合前后陶瓷氈漏氣率隨外加載荷變化的對比圖。
[0028]在所有附圖中，相同的附圖標(biāo)記用來表示相同的元件或結(jié)構(gòu)，其中:
[0029]1-玻璃微粉 2-陶瓷纖維 3-氣流腔側(cè)蓋 4-氣流腔密封材料 5-單電池6-金屬連接體7-堆芯密封8-電堆底座9-電堆頂蓋
【具體實施方式】
[0030]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0031]如圖1所示，是按照本發(fā)明實現(xiàn)的氣流腔密封材料所針對的固體氧化物燃料電池的整體結(jié)構(gòu)示意圖，該固體氧化物燃料電池的結(jié)構(gòu)依次