CN105393394A

CN105393394A - 用于soc单元的气体入口

Info

Publication number: CN105393394A
Application number: CN201380076287.XA
Authority: CN
Inventors: T·海雷达-克劳森; C·霍尔茨弗雷德里克森
Original assignee: Haldor Topsoe AS
Current assignee: Topsoe AS
Priority date: 2013-05-02
Filing date: 2013-05-02
Publication date: 2016-03-09
Also published as: EP2992564A1; WO2014177213A1; KR20160008213A; US20160049669A1

Abstract

通过具有开孔的堆叠层提供用于SOC单元的多气体入口或出口，其中该切出用于重叠的气体通道。

Description

用于SOC单元的气体入口

技术领域

本发明涉及一种用于固体氧化物电池(SOC)单元、特别是固体氧化物燃料电池(SOFC)单元或固体氧化物电解电池(SOEC)单元、特别是用于包含在SOC堆中的SOC单元的气体入口。

背景技术

固体氧化物燃料电池(SOFC)包括能够传导氧离子的固体电解质、在其位置处氧被还原为氧离子的阴极以及在其位置处氢被氧化的阳极。在SOFC中总的反应是氢和氧电化学反应以产生电、热和水。为了产生所需氢气，该阳极通常具有催化活性以用于烃类，尤其是天然气的蒸汽重组，由此产生氢气、二氧化碳和一氧化碳。可以通过下列反应式来描述天然气的主要成分甲烷的蒸汽重组：

CH₄+H₂O→CO+3H₂

CH₄+CO₂→2CO+2H₂

CO+H₂O→CO₂+H₂

在操作期间将诸如空气的氧化剂供应给阴极区域中的固体氧化物燃料电池。将诸如氢的燃料供应到燃料电池的阳极区域中。替代地，将诸如甲烷的烃类燃料供应至阳极区域中，在阳极区域中通过上述反应转化为氢气和碳氧化物。氢气穿过多孔阳极并在阳极/-电解质界面处与在阴极侧上产生的已扩散穿过该电解质的氧离子反应。随着来自电池的外部电路的电子的输入，在阴极侧产生氧离子。

为了增加电压，组装几个电池单元以形成堆并且通过相互连接连接在一起。相互连接作为气体屏障以分离相邻电池单元的阳极(燃料)和阴极(空气/氧)侧，并且在同时，它们使得电流能够在相邻电池之间传导，即在一个电池的电子过剩的阳极与邻近电池的需要电子用于还原过程的阴极之间传导。此外，相互连接通常提供有多个流动通路(flowpath)，该流动通路用于在该相互连接的一侧上的燃料气体以及在相对侧上的氧化气体通过。为了优化SOFC堆的性能，应当最大化正值的范围而在应当被最小化的相关负值的另一范围上没有不可接受的结果。这些值中的一些如下：

待被最大化的值待被最小化的值

-燃料利用率-价格

-电效率-尺寸

-寿命-(温度，达到某一点)

-生产时间

-不良率

-部件的数量

-附加损耗(加热、冷却、鼓风机......)

上面所列的几乎所有值都是相互关连的，这意味着改变一个值将会影响其它值。这里会提及上述值与该燃料电池中的气流的特征之间的一些关系：

燃料利用率：

应当设计成在该相互连接的燃料侧上的流动通路以针对堆中的每个电池寻找相等数量的燃料，即不应当有穿过该堆的燃料侧的流的“捷径(short-cuts)”。

附加损耗：

在该SOFC堆及其燃料电池单元中工艺气体流动通路的设计应寻求至少在相互连接的空气侧以及潜在地燃料侧上实现每一流量的低压力损耗，这将减少到达鼓风机的附加损耗。

电效率：

该相互连接引导相邻电池的阳极和阴极层之间的电流。因此，为了降低内部电阻，应当设计该相互连接的导电接触点(下文仅称作“接触点”)以建立至电极(阳极和阴极)的良好电接触，并且该接触点不应在各处相距太远，这会迫使电流通过电极的较长距离从而导致较高的内部电阻。

寿命：

与相互连接、几个部件甚至尤其是材料上的保护涂层等等有关，取决于在该相互连接的燃料和空气侧两者上的均匀流动分布。

价格：

通过不使用昂贵材料、减少相互连接的生产时间以及最小化材料损耗可以减少相互连接价格的贡献。

尺寸：

当该相互连接设计确保活性电池区域的高利用率时，降低了燃料堆的总尺寸。应当减小具有低燃料或气流的死区(dead-areas)并且应当最小化用于密封表面的非活性区域。

温度：

该温度应当是足够高的以确保该电池中的催化反应，还要足够低以避免该电池部件的加速退化。因此该相互连接应当贡献一均匀的温度分布，该温度分布给予高的平均温度而不超过最大温度。

生产时间：

应当最小化相互连接其自身的生产时间并且该相互连接的设计还应当有助于整个堆的快速组装。通常，由于存在生产时间上的增加，因此对于每个部件来说，该相互连接的设计呈现不必要性。

不良率：

该相互连接的生产方法和材料应当允许低的相互连接不良率(例如相互连接气体屏障中的不希望的孔洞、不均匀的材料厚度或特性)。此外，当该相互连接设计降低被组装的部件的总数量并降低密封表面的长度时，可以降低组装的电池堆的不良率。

部件的数量：

除了如已提及的最小化错误和组装时间之外，部件数量的减少也会引起价格的降低。

该阳极和阴极气流在SOFC堆中分布的方式是借由具有用于两种工艺气体的每一种的共同歧管而实现的。该歧管可以是内部的或者外部的。该歧管通过到每层的通道的手段向该SOFC堆中的单个层供应工艺气体。该通道通常位于重复元件的一层中，该重复元件包含在该SOFC堆，即垫片(spacer)中或相互连接中。

垫片或相互连接通常具有一个入口通道，该通道是被压印(stamp)、切割或刻蚀的一直穿过材料。对于仅具有一个入口通道的原因在于该垫片必须是一体部件。因为可控的尺寸给予可控的压力下降，因此该解决方案允许廉价并可控的制造该垫片或相互连接通道。

允许用于多通道的制造工艺气体通道的另一种方式是通过刻蚀、冲压、压制或部分地穿过垫片或相互连接而制造通道的其它方式。这意味着该垫片可以是一体部件，但是部分地穿过材料而制造该通道的方法是不精确的，其在气体通道中给予不确定且不可控的压力下降。

如果将密封材料施加为横跨那些仅部分地穿过垫片或相互连接的材料而形成的气体通道，那么在该气体通道中将会出现更多的不确定且不可控的压力下降。当然可以丝网印刷该密封材料以使得仅匹配期望的表面、或者胶合该密封材料并从气体通道切离，其将会降低不确定的压力下降的风险，但是这是昂贵且费时的。

US6492053公开了一种包括相互连接和垫片的燃料电池堆。该相互连接和该垫片都具有用于氧燃料的流动的入口和出口歧管。该入口和出口歧管具有在其表面上的沟槽/通路以用于沿着该阳极和阴极分配氧/燃料。然而，该相互连接和垫片的沟槽/通路彼此不对准并且因此它们的几何结构无法结合起来以实现多个入口点。还有，由于该沟槽/通路在该相互连接和垫片二者的表面上，因而多入口点的形成是不可行的。

US2010297535公开了一种具有流动通道的燃料电池的双极板。流动板具有多通道以用于在该燃料电池的活性区域之间均匀地分配流体。该文献未描述在其内部的第二层及类似通道。

US2005016729公开了一种陶瓷燃料电池，其被支撑于热传导相互连接板中，并且多个板形成称为堆的导电加热器。连接多个堆形成燃料电池棒。通过首尾相连地连接多个棒，形成燃料电池串。该串的长度可以是一千英尺或更多，其尺寸确定成可以穿透地下资源层，例如石油层。预加热器使该串达到超过700℃的操作温度，并且然后该燃料电池通过供应燃料电池燃料和氧化剂并向地球表面转移废气的多个导管而保持那个温度。在该串和该地球表面之间可以使用歧管以延续该多个导管并作为废气和氧化剂/燃料之间的热交换器。

对于上述问题，上述公知技术没有提供简单、高效并且故障安全的解决方案。

因此，参考上述所列的考虑，需要耐用的、简单的、廉价的并且易于生产和操纵的多通道气体入口解决方案的需要以提供用于SOFC单元的高效和失败最小化的气体入口。由于相应的电池单元还可以用于固体氧化物电解作用，因此该气体入口解决方案还可以用于SOEC单元，因此寻求一解决方案以用于SOC单元。

通过本发明实现这些以及其它目的，描述如下。

发明内容

一种燃料电池或电解电池堆包括位于每个电池中的重复元件。通过使用在电池堆中的重复元件的两层以制造用于该电池的入口通道，制造具有多通道入口的简单的、连贯一致的部件是可能的。

本发明在两层中具有不同的通道，该两层以如下的方式重叠：将流从一个部件中的通道指引到其它部件中的一个或者有利地尤其是指引到多个通道，并且之后指引进入该堆中的电池的活性区域中。根据这一原理，使多个通道进入到具有易于操纵的连贯一致部件的电池堆中的每个重复元件中是可能的。

本发明的特征

1.固体氧化物电池堆，包括多个堆叠的电池单元，每个单元包括电池层和相互连接层，其中一个相互连接层将该电池堆中的一个电池单元与相邻电池单元分离，其中在至少一个电池单元中的至少一个所述层具有至少一个主气体入口开口，并且其中在同一电池单元中的至少一个相邻层具有至少一个次气体入口开口，其中所述主气体入口开口和所述次气体入口开口部分重叠，该重叠限定了公共的气体入口区域，其中入口气体从该主气体入口开口流向该次气体入口开口。

2.根据特征1的固体氧化物电池堆，其中包括至少一个主气体入口开口的层和包括至少一个次气体入口开口的层是连贯一致的。

3.根据前述任一特征的固体氧化物电池堆，其中包括至少一个次气体入口开口的层还包括形成至少一个气体进口流动导引的至少一个突出。

4.根据特征3的固体氧化物电池堆，其中所述至少一个气体进口流动导引至少部分地重叠于所述至少一个主气体入口开口的一部分并且由此形成至少一个多通道气体入口。

5.根据前述任一特征的固体氧化物电池堆，其中在至少一个电池单元中的至少一个所述层具有至少一个主气体出口开口并且其中在同一电池单元中的至少一个相邻层具有至少一个次气体出口开口，其中所述主气体出口开口和所述次气体出口开口部分重叠，该重叠限定了公共的气体出口区域，其中出口气体从该主气体出口开口流向该次气体出口开口。

6.根据特征5的固体氧化物电池堆，其中包括至少一个次气体出口开口的层还包括形成至少一个气体出口流动导引的至少一个突出。

7.根据特征6的固体氧化物电池堆，其中所述至少一个气体出口流动导引至少部分地重叠于所述至少一个主气体出口开口的一部分并且由此形成至少一个多通道气体出口。

8.根据前述任一特征的固体氧化物电池堆，其中所述单元还包括至少一个垫片层。

9.根据前述任一特征的固体氧化物电池堆，其中至少一个主气体入口开口或至少一个主气体出口开口是切过孔、切过开口、凹口或者它们的组合。

10.根据前述任一特征的固体氧化物电池堆，其中至少一个次气体入口开口或至少一个次气体出口开口是穿过孔的切口、穿过开口的切口、凹口或者它们的组合。

11.根据前述任一特征的固体氧化物电池堆，其中至少一个主气体入口开口或至少一个主气体出口开口位于该相互连接层中。

12.根据前述任一特征的固体氧化物电池堆，其中至少一个次气体入口开口或至少一个次气体出口开口位于至少一个垫片层中。

13.用于将入口气体引导至固体氧化物电池堆中的电池单元的方法，该电池堆包括多个堆叠的电池单元，每个单元包括电池层和相互连接层，其中一个相互连接层将该电池堆中的一个电池单元与相邻电池单元分离，其中在至少一个电池单元中的至少一个所述层具有至少一个主气体入口开口，并且在同一电池单元中的至少一个相邻层具有至少一个次气体入口开口，其中所述主气体入口开口和所述次气体入口开口部分重叠，该重叠限定了公共的气体入口区域，该方法包括如下步骤：

·向至少一个主气体入口开口提供入口气体

·使该入口气体在第一方向上流过所述主气体入口开口

·使该入口气体在第二方向上流过公共的气体入口区域

·使该入口气体在第三方向上流过至少一个次入口气体开口。

14.根据特征13的方法，其中该第二方向整体上不同于该第一和该第三方向。

15.根据特征13或14的方法，其中该第三方向整体上在与至少一个电池层相同的二维平面中。

16.根据特征13-15的任一个的方法，其中该第二方向整体上与至少一个电池层之间的角度是至少5°、优选是至少30°。

17.根据特征13-16的任一个的方法，其中该至少一个主气体入口开口位于该相互连接层中。

18.根据特征13-17的任一个的方法，其中所述单元还包括至少一个垫片层。

19.根据特征18的方法，其中该至少一个次气体入口开口位于至少一个垫片层中。

20.根据特征13-19的任一个的方法，其中该至少一个主气体入口开口是切过孔、切过开口、凹口或者它们的组合。

21.根据特征13-20的任一个的方法，其中该入口气体是阳极气体或阴极气体。

附图说明

通过示出了本发明实施例的实例的附图进一步示出本发明。

图1示出了组装的固体氧化物电池的重复元件的仰视图，其中切除了底层的一部分，

图2示出了等距视图中的图1的重复元件，

图3示出了图1的重复元件的一部分的侧切A-A，

图4示出了图1的重复元件的部分(B)的放大图，

图5示出了图1的重复元件的部分(C)的放大图，以及

图6示出了图2的重复元件的部分(D)的放大图。

具体实施方式

在本发明的实施例中，在层、垫片、相互连接和电池中的气体通道一直穿过并且将成为一个连贯一致的部件。

图1示出了组装的固体氧化物电池的重复元件的仰视图，其中切除了底层的一部分。相同的视图示于图2上，只不过是等距的。该底层可以是电池，该电池包括电解质和电极，如可以看出，存在用于气体通道的六个开孔，其可以是气体入口或出口或两者。该底层顶部上的层，在本实施例中的垫片，具有与顶层不同的通道。在该垫片中的六个气体通道开孔的每一个都小于在该底层中的连贯一致的开孔，但是关于该垫片中的每个开孔，存在“翼部”(wings)，其部分地重叠于底层中的较大开孔并且由此当将各层组装在该电池堆中时形成多通道入口或出口。

在图1中，透过五个开孔的每一个，重叠于该底层中的开孔的多通道的第一部分是可见的(在图5中放大视图“C”中能更清楚地看到)，并且由于底层的一部分切离，因而在称作“B”的图的一部分中的第六个开孔上面，一些多通道的全部是可见的。这在图4中的放大视图“B”中更清楚地示出。

在图3中，这种多通道类型的气体入口示出为气流，该气流显示为箭头。该气流的主要部分通过该多通道入口并进一步地到该电池堆的紧接着的重复元件(未示出)上流动。但是由于该堆的压力分布，通过由如上所述垫片中形成的翼部提供的多通道，该气流的一部分进入所示的元件。在图6中，视图“D”更清楚地示出了气流路径，该气流路径到达所示的重复元件并且进一步地到紧接着的重复元件(未示出)上。在图6中清楚的是，多入口如何将气流分配到多方向上的活性区域中以提供有效的和均匀的分配。还会清楚地看出，各层的重叠如何提供多个入口，而没有作为浮动元件的翼部，即使每层都是完全被切过的，其还提供了简单并且廉价的制造和组装，尽管获得了多入口的益处。

Claims

2.根据权利要求1所述的固体氧化物电池堆，其中包括至少一个主气体入口开口的层和包括至少一个次气体入口开口的层是连贯一致的。

3.根据前述权利要求的任一项所述的固体氧化物电池堆，其中包括至少一个次气体入口开口的层还包括形成至少一个气体进口流动导引的至少一个突出。

4.根据权利要求3所述的固体氧化物电池堆，其中所述至少一个气体进口流动导引至少部分地重叠于所述至少一个主气体入口开口的一部分并且由此形成至少一个多通道气体入口。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的固体氧化物电池堆，其中在至少一个电池单元中的至少一个所述层具有至少一个主气体出口开口并且其中在同一电池单元中的至少一个相邻层具有至少一个次气体出口开口，其中所述主气体出口开口和所述次气体出口开口部分重叠，该重叠限定了公共的气体出口区域，其中出口气体从该主气体出口开口流向该次气体出口开口。

6.根据权利要求5所述的固体氧化物电池堆，其中包括至少一个次气体出口开口的层还包括形成至少一个气体出口流动导引的至少一个突出。

7.根据权利要求6所述的固体氧化物电池堆，其中所述至少一个气体出口流动导引至少部分地重叠于所述至少一个主气体出口开口的一部分并且由此形成至少一个多通道气体出口。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的固体氧化物电池堆，其中所述单元还包括至少一个垫片层。

9.根据前述权利要求中的任一项所述的固体氧化物电池堆，其中至少一个主气体入口开口或至少一个主气体出口开口是切过孔、切过开口、凹口或者它们的组合。

10.根据前述权利要求中的任一项所述的固体氧化物电池堆，其中至少一个次气体入口开口或至少一个次气体出口开口是切过孔、切过开口、凹口或者它们的组合。

11.根据前述权利要求中的任一项所述的固体氧化物电池堆，其中至少一个主气体入口开口或至少一个主气体出口开口位于该相互连接层中。

12.根据前述权利要求中的任一项所述的固体氧化物电池堆，其中至少一个次气体入口开口或至少一个次气体出口开口位于至少一个垫片层中。

·向至少一个主气体入口开口提供入口气体

·使该入口气体在第一方向上流过所述主气体入口开口

·使该入口气体在第二方向上流过公共的气体入口区域

14.根据权利要求13所述的方法，其中该第二方向整体上不同于该第一和该第三方向。

15.根据权利要求13或14所述的方法，其中该第三方向整体上在与至少一个电池层相同的二维平面中。

16.根据权利要求13-15中的任一项所述的方法，其中该第二方向整体上与至少一个电池层之间的角度是至少5°、优选是至少30°。

17.根据权利要求13-16中的任一项所述的方法，其中该至少一个主气体入口开口位于该相互连接层中。

18.根据权利要求13-17中的任一项所述的方法，其中所述单元还包括至少一个垫片层。

19.根据权利要求18所述的方法，其中该至少一个次气体入口开口位于至少一个垫片层中。

20.根据权利要求13-19中的任一项所述的方法，其中该至少一个主气体入口开口是切过孔、切过开口、凹口或者它们的组合。

21.根据权利要求13-20中的任一项所述的方法，其中该入口气体是阳极气体或阴极气体。