一种新型中温固体氧化物燃料电池双极板及其应用 【技术领域】
本发明涉及固体氧化物燃料电池，具体说是一种新型中温固体氧化物燃料电池双极板及其应用。
背景技术
固体氧化物燃料电池是一种将化学能直接转化为电能的发电装置，是二十世纪80年代迅速发展起来的新型燃料电池技术。在该装置中，燃料气(H2、CH4、CO等)和氧化剂(空气，氧气)被可传导氧离子的固体电解质膜隔开，常用的固体电解质为钇稳定氧化锆(YSZ)。在一定温度下，阴极侧的O2-可穿过电解质膜到达阳极侧与燃料发生氧化反应，为了电荷平衡，阳极侧因还原反应而生成的富余电子则通过外电路到达阴极，把阴极侧的O2还原为O2-，在该过程中，由于外电路中有电子的通过，从而可向外界提供电能。为了提高上述电化学反应的活性，往往在固体电解质膜的两侧各涂敷一层多孔催化剂，在阳极侧常用催化剂为NiO/ZrO2多孔陶瓷，阴极侧为晶格结构为钙钛矿型的含La，Sr，Mn的氧化物。
在理论上，一个单电池的开路电位仅为1伏左右，很难满足人们日常生产生活的需要，为了使其成为实用型的发电技术，必需把多个单电池叠加起来串联成电池组对外供电，这就需要双极板来连接相邻单电池的阳极和阴极。双极板是燃料电池系统的一个重要部件，因其不但起到分隔相邻单电池的燃料气和氧气的作用，还起到分配气体和传导电流地作用。一般来说，作为中温固体氧化物燃料电池的双极板必须有下述特性：
1.一定的机械强度；
2.气密性好；
3.造价低廉，易加工；
4.有与电极材料相近的热膨胀系数；
5.良好的导电性；
6.在较高温度下的氧化和还原气氛中均耐腐蚀。
由于上述条件材料的限制，目前，常用的双极板材料有LCC(La1-xCaxCrO3)(美国专利：US006228520B1)和铬-镍合金材料(美国专利：US005733682A)，就LCC材料而言，虽然其抗高温氧化性强，电导率高，热膨胀系数与电极材料相近，但是其烧结性能差，很难制备成型，况且价格昂贵，双极板的造价占电池组总造价的80％。相对而言，铬-镍合金材料虽能部分克服LCC材料的不足，但其长期使用稳定性差，Cr元素在高温下易挥发，挥发出的Cr元素沉积在阳极表面使阳极催化剂中毒。
由于双极板同时是气体分隔板和气体流场分布板，其两侧均需开布复杂的气体通道，对其气密性和机械强度均有较高要求，在现有的机械加工技术和成型技术的条件下，上述材料所做的双极板体积大，重量重。一般固体电解质膜和电极材料的总厚度在1mm以下，而双极板的厚度在6-10mm，有的甚至超过10mm；双极板的重量占整个电池组重量的95％以上，大大降低了整个电池的单位重量输出功率和单位体积输出功率。
再者，对厚重的双极板而言，由于其内部应力很难消除，在高温使用过程中易变形，这就给整个电池组的高温密封带来很大困难。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种双极板厚度小，重量轻，导电性好，耐腐蚀性强的一种新型中温固体氧化物燃料电池双极板及其应用。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种新型中温固体氧化物燃料电池双极板，依次由形状、尺寸相同的阳极流场板、阳极通道板、分隔板、阴极通道板和阴极流场板固接而成；在每块板的四周分别设有气体通道，上侧通道为阳极进气通道，下侧通道为阳极尾气通道，左侧通道为阴极进气通道，右侧通道为阴极尾气通道，板与板之间对应的气体通道相互连通且形状、尺寸相同；阳极流场板的中部设有不与该板气体通道相通的竖向条形孔，作用是传输并高效分布阳极气，其宽度可以相同或不同；在阳极通道板上、下二端的气体通道内侧分别向内设有顶端封闭的竖向条形孔，竖向条形孔的位置、形状与阳极流场板上的竖向条形孔对应，并部分重合；阴极流场板的中部设有不与该板气体通道相通的横向条形孔，作用是传输并高效分布阴极气，其宽度可以相同或不同；在阴极通道板左、右二端的气体通道内侧分别向内设有顶端封闭的横向条形孔，横向条形孔的位置、形状与阴极流场板上的横向条形孔对应，并部分重合。
所述阳极流场板、阳极通道板、阴极通道板和阴极流场板的厚度为0.1-1mm，其上的条形孔的宽度为0.1-10mm；所述阳极流场板与阳极通道板、阴极流场板与阴极通道板上条形孔重合部分，分别为阳极流场板和阴极流场板上条形孔长度的1～20％；阳极流场板和阴极流场板上条形孔的面积占流场板有效面积的5％-75％；在阳极通道板上下二端的气体通道上和/或阴极通道板的左右二端的气体通道上设有支撑条，用以增加双极板的整体强度，支撑条的宽度为2-15mm；分隔板的厚度为0.5-1mm，其作用是阻止单电池的阳极气与相邻单电池的阴极气相混；双极板由镍基合金材料制成，其中镍含量大于80％；所述阳极流场板、阳极通道板、分隔板、阴极通道板和阴极流场板可采用机械加工的方法制备，各部件加工好后，在其表面喷涂一层焊料，用焊接技术将其焊接在一起。
本发明双极板的使用温度范围通常为600～900℃。
本发明具有如下优点：
1.双极板厚度小，重量轻，电池的单位重量输出功率和单位体积输出功率高。本发明双极板采用多层复合法制作，把一个双极板分为五层，依次为阳极流场板，阳极通道板，分隔板，阴极通道板和，阴极流场板，每一层分别设计加工，然后再把各层焊接在一起成为一个双极板，克服了现有机械加工技术和成型技术对双极板的厚度要求，消除了由于机械加工的困难而需增加双极板厚度的缺点，使双极板厚度、重量减小，从而提高了整个电池的单位重量输出功率和单位体积输出功率。
2.导电性好，耐腐蚀性强。本发明采用金属合金材料制作双极板，特别选取性能很好的镍含量在80％以上的镍基合金材料，使双极板具有良好的导电性和耐腐蚀性等优点。
【附图说明】
下面通过附图，结合实例对本发明做进一步说明。
附图1为阳极流场板结构示意图(有效面积100cm2)；
附图2为阳极通道板结构示意图；
附图3为分隔板结构示意图；
附图4为阴极通道板结构示意图；
附图5为阴极流场板结构示意图(有效面积100cm2)；
附图6为本发明(各层复合)结构示意图。
【具体实施方式】
实施例1
一种新型中温固体氧化物燃料电池双极板，依次由形状、尺寸相同的阳极流场板1、阳极通道板2、分隔板3、阴极通道板4和阴极流场板5采用机械加工的方法制备，各部件加工好后，在其表面喷涂一层焊料，用焊接技术将其焊接在一起；在每块板的四周分别设有气体通道，上侧通道为阳极进气通道6，下侧通道为阳极尾气通道7，左侧通道为阴极进气通道8，右侧通道为阴极尾气通道9，板与板之间对应的气体通道相互连通且形状、尺寸相同；阳极流场板的中部设有不与该板气体通道相通的竖向条形孔，作用是传输并高效分布阳极气，其宽度相同，在阳极通道板上、下二端的气体通道内侧分别向内设有顶端封闭的竖向条形孔，竖向条形孔的位置、形状与阳极流场板上的竖向条形孔对应，并部分重合；阴极流场板的中部设有不与该板气体通道相通的横向条形孔，作用是传输并高效分布阴极气，其宽度相同；在阴极通道板左、右二端的气体通道内侧分别向内设有顶端封闭的横向条形孔，横向条形孔的位置、形状与阴极流场板上的横向条形孔对应，并部分重合。
阳极流场板、阳极通道板、阴极通道板和阴极流场板的厚度为0.5mm，阳极流场板与阳极通道板、阴极流场板与阴极通道板上条形孔重合部分，分别为阳极流场板和阴极流场板上条形孔长度的10％，在阳极通道板上下二端的气体通道上和/或阴极通道板的左右二端的气体通道上分别设有二个支撑条，用以增加双极板的整体强度，支撑条的宽度为5mm；分隔板的厚度为1mm；双极板由镍基合金材料制成，其中镍含量为85％；
按上述设计加工，双极板的厚度为3mm，重量为0.756Kg，有效面积为100cm2，每个条形孔的宽度为3mm，条形孔总面积为50cm2，占整个双极板有效面积的50％。
实施例2
为了降低电池组的内阻，增加电极与双极板的接触面积，仿照实施例1制造出条形孔总面积为5cm2的双极板，在该双极板中，每个条形孔的宽度仅为0.3mm。
实施例3
由实施例1中的双极板组成电池组，在750℃，电池组得到最大输出功率为720W。