CN101006598A - 固体氧化物燃料电池（sofc）堆构思 - Google Patents

Abstract

一种包括简单组件的燃料电池。该燃料电池优选地被构造为阳极支撑固体氧化物燃料电池，但也可以用于电解质支撑和金属支撑固体氧化物燃料电池。阳极和电解质比阴极大，并且突出到阴极外的阳极/电解质部分具有***密封装置。阳极/电解质/阴极组合在阳极和阴极侧都具有流动/气体分配栅格。包括流动/气体分配栅格的阳极/阴极组合被封闭在两个隔板、辅助板和定位架之间。存在***密封装置。辅助板被设计为外部流入和流出阴极气体，而隔板和辅助板具有用于内部流入/流出阳极气体的孔。辅助板和定位架到隔板的连接是通过焊接起作用的。其它两个密封装置是受诸如银线等金属密封装置作用。这样，可以使用简单获得的组件，例如通过冲压的片，构造包括至少二十五个以这种方式制造的燃料电池的电池堆。优选地使用阳极气体的内部分配和阴极气体的外部分配执行本发明，结果，获得紧凑、安全的电池堆。

Description

固体氧化物燃料电池（SOFC）堆构思

技术领域

本发明涉及燃料电池单元，其包括在一侧具有阳极而在另一侧具有阴极的电解质，给每一极提供气体流入/流出的流动/气体分配栅格，其中隔板靠近每个栅格以及作用于该隔板的密封装置。燃料电池单元被理解为是与集电器等以及隔板相关联的燃料电池。实际的燃料电池包括阴极、电解质和阳极。

背景技术

在US6 777 126中公开了一种燃料电池堆，其中阴极的气体流入/流出包括从阴极延伸超出隔板的***边界的通道。如其所选择的布置的结果，US6 777 126中所描述的构思仅仅适用于诸如固态聚合体、熔融碳酸盐和电解质支撑的固体氧化物的燃料电池等具有连续电解质的电池。因为就电解质支撑固体氧化物燃料电池的陶瓷电解质的破裂的弱点而言，该构思下的这类电池的适用性是难以想象的；专利US6777 126的构思中没有提及固体氧化物燃料电池的应用。

US2003/0203267公开了一种燃料电池，其中关于隔板的密封装置包括与诸如非常薄的银箔等金属箔相结合的绝缘体。

发明内容

堆由这样的燃料电池单元制成，以产生足够的电压。为了接受这样的燃料电池单元，这些电池单元生产便宜、可靠、高效并且紧凑是必须的。本发明的目的在于提供满足这些条件的，用来生产燃料电池堆的燃料电池单元。

可以实现就燃料电池单元而言的目的，是因为阳极的气体流入/流出包括贯穿隔板延伸的通道，因为阴极的气体流入/流出包括从阴极延伸超出隔板的***边界的通道，其中阴极和阳极气体的气体流入和气体流出被安放在电池单元的同一侧上，并且其中所述密封装置包括金属线，其中在与所述金属线接触的点有绝缘体。

使用金属线的结果是，在堆上用相对小的力，可以在线的位置施加相对高的比压，这样做的结果是其准确地适合该条件并且可以保证良好的密封。也就是说，为电接触维持足够的触点力(没有超过该堆的机械强度)。作为金属线的变形的可估计概率的结果，可以以简单方式容许厚度公差，其结果是对所涉及的组件的要求不严格。

采用本发明，使用相对便宜的材料是可能的。作为实施例，提及了铁素体不锈钢(ferritic stainless steel)，所述铁素体不锈钢在最高达约800℃的温度确定非常有效。尽可能限制费用的进一步骤是使用相对平的组件，其可以通过冲压制造。使用多孔金属网(expanded metal)也具有降低费用的效果。此外，采用所讨论的结构，有可能以相对大的制造公差工作，其结果是生产费用进一步降低。

原则上，对于根据本发明的结构，两个密封装置是足够的。借助该双密封装置，防止了阳极和阴极气体以不期望的方式泄漏。此外，这种由金属线构成的密封装置提供了某种弹性。诸如银等金属材料特别好地粘附到所涉及的材料上。此外，即使在经历几个热循环后，该弹性仍被基本保持，其结果是进一步增强了可靠性。

本发明利用燃料气体的内部歧管和密封装置。结果，尽可能地防止了燃料气体的泄漏，这促成高电压并因而高效率。根据本发明的构造的结果是，在堆中的电池上和电池单元之间的良好气流分配是可能的，其还进一步提升电压以及有助于燃料气体的高利用。气体并行流经过阳极和阴极的结果是，与交叉流(cross-current)和反向电流相比，获得更好的温度与电流密度分布，这有助于对高电压的高利用。

通过外部流入含氧阴极气体，与使用歧管的情况相比，能够获得电池堆中空间的明显节约。

使用上述的结合，一方面，以可能的最佳方式使用燃料气体是可能的，而另一方面，以尽可能紧凑的方式执行包含空气的气体的供给也是可能的。

根据本发明的电池装置可以包括阳极支撑、电解质支撑以及金属支撑固体氧化物燃料电池。诸如银线等密封线的厚度优选是约0.8mm。通过向燃料电池堆施加压力，该燃料电池堆由与柔性密封装置相结合的燃料电池单元组成，可以容许显著的厚度偏差。作为实施例，提及了要密封的两个邻近面之间的约50μm的值。由于堆的各种元件具有某种弹性，所以在相对轻微变形的情况下不会立即产生泄漏。

在密封装置和邻近板之间有电绝缘体。这样的绝缘体可以是分离的部件(诸如云母片)或者是涂敷到板上的具有电绝缘作用的涂层。这样的涂层的厚度优选是约100μm，更具体而言是约200μm厚。

如上所述，根据本发明的燃料电池单元特别适合在***中使用。这种情况下，根据本发明的有利实施方案，若干堆彼此并排使用。作为一个实施例，三个堆依次并排放置。源于第一堆的阴极气体直接流入到下一个堆，如果必要则在冷却后。优选地通过增加小量冷空气而发生这样的冷却。

这样，燃料气体能够从一个堆直接地移动(通过绝缘材料)到其它堆。收集气体并接着再次分配它是不必要的。如果必要，通过增加冷却空气，可以避免使用热交换器，并将氧气浓度维持到最后的堆。这样，只需要在第一堆中加热空气，其结果是可以限制热交换器的数目以及其尺寸。

可以依据所期望生成的电流选择电池的尺寸。作为实施例，提及了10×10或20×20cm。

本发明还涉及包括若干如上所述的燃料电池的燃料电池堆。可以以上述方式内部执行阳极气体的流入/流出，而阴极气体可以外部流入/流出。电池所处的空间可以被绝缘，并且这样的绝缘可以同时起气流的内部控制的作用。如果绝缘材料提供了防漏封闭装置，则不必完全密封电池堆和绝缘材料。堆上的空气流动也可能促成所涉及的堆的冷却。通过热交换器可以输入从最后堆流出的所有剩余空气流，以加热进入***的气体。

附图说明

下面将参考附图中所示的图解的实施方案更详细地解释本发明，其中：

图1示出了燃料电池的各种组件；

图2示出了部分裸露的燃料电池堆的视图；以及

图3示出了完整的燃料电池堆。

具体实施方式

在图1中，SOFC燃料电池单元由1表示。这在底部和顶部是由隔板3划界的，隔板3是燃料电池单元的一部分，其可以是由诸如铁素体不锈钢等不锈钢制成的简单冲压件。该板设有在其中划界的孔4，以在一侧流入阳极气体而在另一侧使其流出。第一和第二阳极栅格板5和6分别安放在图中的底隔板3上。这些板之所以这样定位，是为了生成将孔4连接到下面要描述的阳极的通道。箭头7示出了作为实施例的气体路径。该路径可以具有任何其它模式，此外，其可以以另一方式实现。此外，这些栅格板起“集电器”的作用。也就是说，通过第一和第二阳极栅格板向隔板传送源自阳极表面的流。这两个板5、6可以用单一板替换。除了所示简单冲压件，这样的板可以由例如多孔金属网制成。

本实施例涉及阳极支撑电池。也就是说，阳极8被制作地相对厚。阳极具有100和2000μm之间的厚度，并且由镍制成，所述镍可以加入YSZ。电解质的相对薄层(5-10μm)，其可以(部分)由相同材料制成，被涂敷到阳极8。薄(15-50μm)阴极10又被涂敷到电解质。必须理解本发明不限于阳极支撑电池。可以使用电解质支撑燃料电池和金属支撑电池。

从附图中可以看出，阴极10具有比阳极/电解质组合8、9明显较小的尺寸，从而存在残留的***边缘。诸如银线等的***密封装置11作用在所述的***边缘上，该密封装置在另一侧支撑下面将描述的辅助板16。

定位架(spacer)12被安放在隔板3的外部。该固定可以包括诸如通过将焊箔放在定位架和隔板之间而实现的焊接。刚描述的由阳极-电解质-阴极和相关的第一与第二阳极栅格板构成并且第一和第二阴极栅格板14和15分别放在阴极上的实际燃料电池被限定在其内。第一和第二阴极板可以用能实现气体分配器、集电器和力分配器功能的任何其它结构替换。

诸如银线等***密封装置13被安放在定位架12上。除了银线和定位架12，诸如中空O-型圈或C-型圈等任何其它密封装置可以用于***密封装置13。

在板16和板3之间必须没有电接触，在本实施例中其是通过在板16的底部和密封线13之间使用的云母实现的。

辅助板16被放置在定位架12上，在它们之间具有密封装置13。辅助板16有孔19，该孔19正确定位的情况下与孔4成一直线，并且现在也用作阳极气体的无阻碍传输。此外，辅助板有从***延伸到第一和第二阴极栅格板14、15的通道17。第一和第二阴极栅格板基本与阴极的尺寸相同，也就是说比阳极的尺寸小。结果，通道17的孔位于相对于阴极突出的电解质/阳极组件，也就是说在由***密封装置形成的空间内。结果，阴极气体不能泄露到阳极。流入气体的路径由18表示。

板16直接粘附于板3，例如用焊接(箔)。这种直接连接形成简单但完美的密封，一方面将阴极气体和阳极气体与内部阳极歧管分开，另一方面使阴极气体朝向堆的周围。

电池单元因而被完成，并且定位架12和随后电池单元的阳极栅格板接着被放置在隔板13上。由于辅助板16和电解质9之间的密封装置11，要流入/流出的阳极气体永远不会与阴极接触。只有在定位架12处，隔板3和辅助板16之间有一缝隙。在该缝隙中，阳极气体可以经由第一和第二阳极栅格板到达阳极，并且接着可以再从其流出。***密封装置11将辅助板16与该缝隙密封起来。此外，密封发生在***密封装置13。如果必要，可以流出气体的临界区域因而被完全密封起来。应该理解，通过辅助板16中的通道17提供“外部歧管”。

在图2中，电池堆由7表示。图2是部分裸露的，而图3示出了完整的结构。这由若干个诸如上述的燃料电池单元组成，例如六十个上述燃料电池单元。这些燃料电池是在支架20上。阳极气体流入由22表示，而阳极气体流出由21表示。这些与上述的在燃料电池的任一侧的孔4相邻，以分别提供阳极气体的流入和流出。如上所述，阴极气体的流入发生在外部歧管，也就是说电池堆1放置在封闭的腔室中，并且诸如空气之类的含氧气体流入到一侧，并接着在另一侧流出。该封闭优选地使用不漏气绝缘材料板26来实现。吸纳电流由25表示，而压板由27表示。23表示空气流入通道。

可以使用容易生产的组件组装上述的电池单元。例如，可以通过冲压制造各种板。替代地，尤其适用于气体分配板的是使用可便宜获得的多孔金属网。因为不必关闭所有侧的通道17，这些通道可以以简单方式制作在辅助板16中。阳极支撑燃料电池的制造是现有技术状态的一部分，并且可以以简单方式获得。

阅读完上文后，包括使用具有上述燃料电池/燃料电池堆的已知结构的更改对于本领域的普通技术人员是显而易见的。这样的变体落在附属的权利要求的范围内。

Claims (14)

1.固体氧化物燃料电池单元(1)，包括在一侧具有阳极(8)而在另一侧具有阴极(10)的电解质(9)，给每一极提供气体流入/流出(21、22；23、24)的流动/气体分配栅格(5、6；14、15)，其中隔板(3)靠近每个栅格以及作用于该栅格的密封装置，其特征在于阳极的气体流入/流出包括贯穿隔板延伸的通道；阴极的气体流入/流出包括从阴极延伸超出隔板的***边界的通道，其中阴极和阳极气体的气体流入和气体流出被设置在电池装置的同一侧上，并且其中所述密封装置包括金属线，其中在与所述金属线接触的点有绝缘体。

2.根据权利要求1的燃料电池单元，具有基本与所述隔板相同尺寸的辅助板(16)，该辅助板安放在所述隔板之间，该辅助板具有其内容纳阴极栅格的孔。

3.根据权利要求2的燃料电池单元，其中所述辅助板具有槽(17)，其界定阴极气体的气体流入/流出。

4.根据权利要求2或3的燃料电池单元，其中辅助板(16)和隔板(3)之间的焊接一方面形成阴极气体和来自内部阳极歧管的阳极气体之间的密封装置，另一方面形成阴极气体和周围之间的密封装置。

5.根据前面的权利要求之一的燃料电池单元，具有安放在隔板(3)上的定位架，其中所述定位架(12)和隔板(3)之间的焊接形成阳极气体到周围的部分密封装置。

6.根据前面的权利要求之一的燃料电池单元，其中阴极的流动/气体分配栅格具有分别比阳极/电解质和阳极的流动/气体分配栅格的尺寸小的尺寸。

7.根据前面的权利要求之一与权利要求3结合的燃料电池单元，其中在所述辅助板和安放在所述阳极(支撑)上的电解质之间有***密封装置(11)，该辅助板和该电解质彼此电绝缘。

8.根据前面的权利要求之一的燃料电池单元，其中所述阴极是在阳极的***边界内，并且金属***密封装置(11)被安放在所述阳极的***和所述隔板之间。

9.根据前面的权利要求之一的燃料电池单元，其中所述隔板和辅助板是冲压件。

10.根据前面的权利要求之一的燃料电池单元，其中所述金属线是银.。

11.根据前面的权利要求之一的燃料电池单元，其中定位架(12)被安放在所述辅助板和所述隔板之间。

12.根据前面的权利要求之一的燃料电池单元，其中所述绝缘体由云母制成。

13.包括至少二十五个彼此叠置并在每种情况下都使用共用隔板(3)的根据前面权利要求之一所述的燃料电池单元的电池堆。

14.根据权利要求10的电池堆，具有作用于垂直于隔板表面的方向的压力装置(27)。

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