集成雙極板和電池片支撐板的固體氧化物燃料電池金屬板

□ 陳德強

中弗新能源科技股份有限公司 上海 200241

1 雙板概述

固體氧化物燃料電池單電池間的連接板一般為雙極板,安放固體氧化物燃料電池單電池片的板為電池片支撐板,兩者通稱為雙板。受制于加工技術工藝及材料成本,雙極板和電池片支撐板一直是高溫燃料電池電堆制造技術中的難點。雙極板和電池片支撐板又是燃料電池電堆系統的核心部件,質量約占整個電堆系統的80%,制造成本約占整個電堆系統總制造成本的45%。雙極板和電池片支撐板主要包括基板和流場兩部分,其中,基板的主要功能是導電、集電,流場的主要功能是阻隔陰陽兩極氣體,并引導氣體流動[1]。

2 國內外研究水平

燃料電池電堆雙極板和電池片支撐板的制造技術是燃料電池發電部分的兩大核心技術之一。目前,世界各國對于雙極板和電池片支撐板材料的研究都投入了巨大力量,以尋求在提升雙極板和電池片支撐板性能的同時既能拓寬選材范圍,又能最大限度降低制造成本和加工難度的燃料電池雙極板和電池片支撐板制造方法。

固體氧化物燃料電池工作時,內部溫度一般在700 ℃以上,雙極板和電池片支撐板暴露在氧化或還原氣氛下。導電、集電是雙極板和電池片支撐板的基本功能,所以在選擇制造雙極板和電池片支撐板的材料時,應考慮同時具備良好導電性、導熱性、氣密性、化學穩定性,并且還應考慮在氧化和還原氣氛下穩定,具有一定結構強度,與電池組件的熱膨脹系數匹配等性質。需要優先滿足導電性的功能需求,選擇導電性好的材料。一般而言,導電性好的材料導熱性也較好,而燃料電池電堆只有達到700 ℃以上高溫才能工作,因此導電、導熱是電堆系統工作的基本條件。所以,在制造燃料電池電堆雙極板和電池片支撐板時,通常選擇同時具備導電性和導熱性的材料,并且材料的導電性和導熱性都應該達到美國能源部規定的雙極板和電池片支撐板的基本工作條件。

匯總而言,對雙極板和電池片支撐板的材料,有八方面要求:

(1) 有足夠的電導率,一般大于1 S/cm;

(2) 有足夠的高溫抗氧化性;

(3) 有合適的熱膨脹系數,一般為10×10-6～12×10-6K-1;

(4) 在一到三個標準大氣壓下具有足夠的機械強度[2];

(5) 有優良的抗腐蝕性,因為燃料中含有磷、砷、銻、釩、硫等雜質,會與雙極板和電池片支撐板表面起反應,生成不良表層,無法穩定長期保護雙極板和電池片支撐板;

(6) 在操作溫度下有低蠕變率;

(7) 單電池各組件的傳熱系數為1.5～2.0 W/(m·K),雙極板和電池片支撐板需采用高熱傳導系數材料,這樣容易使溫度均勻化;

(8) 容易制造,價格低廉。

雙極板和電池片支撐板目前常用的材料為鈣鈦礦型材料,如滲鈣鉻酸鑭、滲鍶鉻酸鑭、鉻鎳合金等。傳統高溫固體氧化物燃料電池采用摻雜的鉻酸鑭材料作為雙極板和電池片支撐板的基板[3]。近年來,隨著固體氧化物燃料電池片制作技術的進步,固體氧化物燃料電池的工作溫度趨于中低溫化,使合金作為雙極板和電池片支撐板材料成為可能[4-5]。當固體氧化物燃料電池的工作溫度降到低于700 ℃時,可以使用廉價且容易加工的鐵素體不銹鋼[6],熱膨脹系數約為12.5×10-6K-1,與電池組件的熱膨脹系數極為接近。不銹鋼的組分需要優化,或在不銹鋼表面噴涂保護層,以保持與其它部件之間的接觸電阻在40 000 h長時間內小于20 mΩ·cm2。

由此可見,雙極板和電池片支撐板需要具備的性能比較多,能夠全面滿足雙極板和電池片支撐板各種性能需求的可選材料少之又少。因此,目前大多數情況是將雙極板和電池片支撐板分為幾塊單獨制造,分別滿足高溫氧化物燃料電池對雙極板和電池片支撐板的不同需求。這樣會降低燃料電池的制造效率,同時對燃料電池的性能也會產生一定影響,還會增大燃料電池的體積、質量,提高制造難度和制造成本,成為技術瓶頸,在多方面嚴重阻礙燃料電池的發展。

3 固體氧化物燃料電池電堆結構

固體氧化物燃料電池電堆是固體氧化物燃料電池發電系統的核心部件,相當于計算機的中央處理器。固體氧化物燃料電池電堆性能的優劣直接決定整個固體氧化物燃料電池發電系統的性能優劣,如何對固體氧化物燃料電池電堆結構、性能等進行優化,滿足單電池間的接合需求[7-8]、各層疊件的氣密性及熱絕緣性需求等,是固體氧化物燃料電池行業的一個重要研究課題。傳統固體氧化物燃料電池電堆結構如圖1所示。

圖1 傳統固體氧化物燃料電池電堆結構

電池片裝在電池片支撐板的方形沉腔內,電池片四周用高溫膠水密封,在電池片支撐板的上下表面層疊密封件,緊貼密封件再分別層疊雙極板,這樣在電池片的上下表面分別形成一個片狀腔體。電池片的上表面是陰極,下表面是陽極,將上表面形成的片狀腔體稱為陰極腔,下表面形成的片狀腔體稱為陽極腔。

按照雙極板、密封件、電池支撐板、電池片、密封件裝配順序形成固體氧化物燃料電池發電單元,按此順序重復層疊,層疊數量根據發電設備輸出功率的大小和要求來決定,最后形成固體氧化物燃料電池電堆,如圖2所示。

圖2 固體氧化物燃料電池電堆

電池片的陽極腔經由雙極板左側的三眼長腰孔及相鄰的上表面導氣槽導入氫氣,再從另一側的導氣槽及三眼長腰孔導出。電池片的陰極腔經由雙極板前側的四眼長腰孔及相鄰的下表面導氣槽導入空氣,再從另一側的導氣槽及四眼長腰孔導出。在高溫條件下,陰極腔導入的空氣中氧分子被氧化為帶電子的氧離子,滲入到電池片的陰極層內部,再經過電解質層進入陽極層,與陽極腔導入而滲入到陽極層的氫氣在電池片內部的三相界面發生電化學反應,生成水,釋放出電子,整個電化學反應過程如圖3所示。

圖3 電化學反應過程

4 雙板集成

集成雙極板與電池片支撐板的固體氧化物燃料電池金屬板將傳統固體氧化物燃料電池電堆結構裝配的雙極板和電池片支撐板集成為一個整體,模型如圖4所示。這種新結構件代替傳統固體氧化物燃料電池電堆結構件中的雙極板、密封件和電池片支撐板,厚度也由原來總厚度3.35 mm減小到2 mm。電池片放置在沉腔內,這樣組成一個固體氧化物燃料電池發電單元。固體氧化物燃料電池發電單元依次疊加,每層之間放置一片密封件,形成功能強大的固體氧化物燃料電池電堆[9],兩單元的右半部分如圖5所示。電池片底部氣腔為陽極,進出來自流道的空氣流。電池片上部與上層疊加的另一發電單元形成的氣腔為陰極,與陽極成垂直交叉,進出由發電單元導氣槽導入的氫氣。這樣,陽極的氫氣與陰極空氣中的氧氣分別滲入電池片內部,在電池片內部發生電化學反應,從而實現發電功能。

圖4 集成雙極板和電池片支撐板的固體氧化物燃料電池金屬板模型

這一設計將傳統固體氧化物燃料電池電堆多組件集成為一體,不僅便于固體氧化物燃料電池電堆的裝配,適應規?；a,而且降低了固體氧化物燃料電池電堆的高度,節省了空間。由于減少了固體氧化物燃料電池電堆的組件,使固體氧化物燃料電池電堆結構更緊湊,物理剛性、穩定性等更強,避免了因結構件多而需要考慮的件與件之間界面的接合、氣密性、電絕緣性需求等問題。集成雙極板和電池片支撐板的固體氧化物燃料電池金屬板實物如圖6所示。

5 結構比較

固體氧化物燃料電池電堆通常在700～800 ℃高溫封閉狀態下工作,為了使固體氧化物燃料電池電堆輸出盡可能高的電能,對固體氧化物燃料電池電堆有三方面要求。

(1) 絕緣性。電池片陰陽兩極邊的零部件之間必須絕緣,即雙極板和電池片支撐板之間是不能接觸的,密封件不僅起到密封作用,而且隔離金屬板之間的接觸,起到絕緣的作用。

圖5 固體氧化物燃料電池電堆兩單元右半部分

圖6 集成雙極板和電池片支撐板的固體氧化物燃料電池金屬板實物

(2) 導電性。要盡量減少固體氧化物燃料電池電堆內部電耗,也就是盡量提高各結構件的導電性,盡量減少接觸界面,減小電阻。

(3) 封裝性。封裝應力要小于35 kPa,在使用期間泄漏率低于1%[10]。

在固體氧化物燃料電池電堆組裝時,為了提高固體氧化物燃料電池電堆的性能,實現以上三方面要求,通常會對固體氧化物燃料電池電堆在豎直方向上施加一定的壓力,這對固體氧化物燃料電池電堆各結構件的平整度提出了極高的要求。試驗表明,不同材料間的接觸電阻受夾緊壓力的影響,固體氧化物燃料電池電堆的夾緊壓力如果在不損傷內部結構的情況下增大10%,會使固體氧化物燃料電池電堆內部的接觸電阻降低10%～50%,同時也會提高密封件的密封性能。

對照上述固體氧化物燃料電池電堆要求,對比傳統結構固體氧化物燃料電池電堆和集成雙極板和電池片支撐板的優缺點,見表1。

表1 固體氧化物燃料電池電堆對比

6 結束語

目前在國際上,從幾十瓦的便攜式固體氧化物燃料電池電源到千瓦級的固體氧化物燃料電池家庭熱電聯供系統,再到數百千瓦級的分布式固體氧化物燃料電池電源系統,均已實現了市場化。固體氧化物燃料電池的功能性和適應性越來越強,在發展中進入降低成本、提高功能性的新階段。除了輔助部件外,發電系統的核心部件固體氧化物燃料電池電堆的成本也有大幅下降空間。除了筆者所述通過集成減少組件制備數量的措施外,在材料選用、封裝集成、工藝改善等方面都有可挖掘的潛力。