CN100570941C - 电化学电池组系统 - Google Patents

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Abstract

多个管式电化学电池组平行地安置在压制成的导电连接板或套圈上，其中电池包含置于阴极和阳极之间、优选沉积成薄膜形式的致密电解质。此电池组允许其中一个或几个电化学电池发生故障，而不会使整个电池组失效。电池组的效率通过简化气道、气体循环、降低工作温度以及改善热量分布而得到增强。

Description

电化学电池组系统
相关申请的交叉参考
本申请要求美国临时申请系列号60/378701(2002年5月7日)的优先权，在此引入作为参考。
技术领域
本发明一般地涉及固态电化学设备组件，更具体地说涉及串联电池组形式的模块化并行电化学电池。
背景技术
稳定增长的电力需求和上升的大气温室效应以及其它燃烧废气已经刺激了使用可替代能源产生电力的发展。例如燃料电池据称是一种有效而低污染的产生电力的技术。由于燃料电池工作过程中燃料不会燃烧，因此燃料电池不会产生任何传统的通过蒸气机、燃烧室和蒸汽驱动涡轮发电的设备所排放的污染物。
遗憾的是，目前用燃料电池发电的成本几倍于用化石燃料生产相同电能的成本。每千瓦发电量的高投资成本和运行成本已经推迟了燃料电池发电系统进入商业运行的时间。
传统燃料电池是一种将来自与燃料发生化学反应的化学能直接转化成电能的电化学设备。燃料电池中通过发生在一种燃料(典型的是从重整甲烷生产的氢)和一种氧化剂(典型的是空气中的氧)之间的电化学反应而产生电力。净电化学反应包括电荷转移步骤，它发生在离子导电电解质膜、电子导电电极与燃料或氧的气相之间的界面上。一种设计以氢气作为燃料的燃料电池系统仅产生水、热和电力。也开发了其它类型的燃料电池，包括：熔融碳酸盐燃料电池、磷酸燃料电池、碱性燃料电池和质子交换膜燃料电池。由于燃料电池在将燃料转化为电能的过程中仅仅依赖于电化学过程而不是热力学过程，所以燃料电池的效率不会象传统机械发电那样受限于卡诺循环效率。
固态电化学设备通常是包括两个多孔电极，一个阳极和一个阴极，和安置在电极之间的致密固体电解质膜的电池。在一种典型的固体氧化物燃料电池例子中，由于会与氢燃料发生放热反应，故阳极和阴极分别在相互隔离的密闭系统中暴露在燃料和氧化剂中以避免燃料和氧化剂直接混合。
固体氧化物燃料电池应用的电解质膜一般含有陶瓷氧离子导体。在其它设备中，如气体分离设备，固体膜可能包括离子电子混合导电材料(MIEC)。多孔阳极可能是一层陶瓷、金属或更常见的金属陶瓷复合物(CERMET)，它与电池燃料侧的电解质膜接触。典型的多孔阴极是一层离子电子混合导电金属氧化物或电子导电金属氧化物(或MIEC金属氧化物)与离子导电金属氧化物的混合物。
固体氧化物燃料电池通常工作温度在大约900～1000℃以使电解质膜的离子导电性最大化。在合适的温度下氧离子可以容易地通过电解质晶格迁移。然而，大部分金属在传统燃料电池的高工作温度和氧化气氛下是不稳定的，并会转化为脆性的金属氧化物。因此，固态电化学设备通常由耐热的陶瓷材料制造。然而，这些材料过于昂贵，同时在高温和高氧化性条件下寿命依然有限。此外，使用的材料必须有可靠的化学、热和物理特性以避免由于热应力、燃料和氧化剂渗透过电解质以及电池工作中的其它相似问题而发生分层。
因为每个燃料电池只能产生相对较小的电压，所以可以将几个燃料电池连接起来以提高系统的容量。这样的阵列或堆栈常常采用管式或平面设计。典型的平面式设计是将平面的阳极一电解质-阴极安置于导电连接件上并串联堆叠起来。不过，由于单元封装和叠加平面堆栈的复杂性，平面设计通常被认为要更多地考虑其安全性和可靠性。
此外，传统的平面式燃料电池组在大约1000℃的高温下工作，其电解质层与应用在电解质两侧的多孔阳极和阴极层相比要厚，并且要提供对整个电池的结构支撑。但是，为了将工作温度降到低于800℃，电解质层的厚度已经从50-500微米以上减少到5-50微米。在整个结构中如此薄的电解质层已不再是负重层。当然，相对较脆弱的多孔阳极和阴极层就必须成为电池的负重部件。由不牢固的阳极或阴极支撑的平面式燃料电池组可能很容易在荷载下崩塌。
管式设计采用多孔支撑长管，电极和电解质层置于支撑管上，从而减少系统需要的封装件的数量。燃料或氧化剂直接通过管内通道或环绕管外。但是，管式设计提供的能量密度较低，这是因为整个管子的电流汇集仅发生在管子周围的一小部分区域，导致电极上的电流路径相对较长。这种对内部阻抗损失的贡献限制了能量密度。
另外，当容量不足的反应物定向通过装置时，反应物浓度会随着气体在管内通道流动的长度增加而降低。例如，取决于电池单元在电池组中位置的不同，阳极气体浓度的下降会导致电池电流输出减少。增加流过装置的燃料或氧化剂的体积可能会导致过量的反应物随电化学设备的反应产物一起排出系统。在传统设备中，过量的反应物通常进行燃烧为固体燃料电池提供操作热。过量反应物被排出系统并被烧掉将进一步降低装置的效率。
由重复电池单元组成的平面式电池组遇到的另一个重要问题是当其中一个电池单元失效时可能导致整个电池组瘫痪。在目前的设计中，电池故障时可能需要将整个电池组冷却并离线后方可更换其中的单一电池单元。
因此，目前传统设计的固态电化学装置不仅制造成本昂贵，而且可能遭遇安全性、可靠性、和/或效率问题。
因此，需要提供一种能够有效工作在更低温度下，并且使用较为便宜的材料和生产技术的电化学设备堆栈或阵列，如固体氧化物燃料电池。在降低材料和制造成本的同时能够提高燃料电池和其它固态电化学设备可靠性的堆栈设计，将可以允许目前过于昂贵、低效和使用不可靠的此类装置进入商业化。本发明满足了这些要求，以及其它一些要求，从而广泛地克服了传统装置的缺陷。
发明内容
提供了一种管式电化学电池组装置，与现有技术相比，该装置能够在更低的工作温度下工作并且改善了燃料效率和发电量。例如根据本发明的一个方面，但不限于此，提供了一种平行连接于连接板的管式固态电化学电池阵列的电池组，并且该阵列为串连连接。
根据本发明的另一方面，电化学装置中的阴极、阳极或电解质支撑管优选垂直定位于连接板。
根据本发明的另一方面，连接板规定为连接到一组管式电池的阳极和第二组管式电池的阴极。
根据本发明的另一方面，顶端和底端电化学电池密封到套圈上，该套圈可以与连接板或组内同一行的电化学电池相连接。
根据本发明的一个实施方案，电化学电池层具有第一电极层，所述电极层可通过多种方法成型为管状，如挤出、注塑、心轴沉积、压制以及带状浇铸等。第一电极可由提供阳极或阴极的材料制成。一种优选的离子导电材料制成的电解质层薄膜应用于管式电极，此电解质层基本不透气。第二电极层随后应用在电解质的外表面上。
在本发明的另一个实施方案中，电解质层被设计成支撑层，同时第一电极层应用在管内侧而第二电极应用在电解质管外侧。
在本发明的一个实施方案中，金属连接板上冲压出许多开孔和成型接点。管式电化学设备连接并密封在连接孔的两端，以在管中央形成一个连续的、优选气密的通道。连接板使一根管式电池的阳极与另一根管式电池的阴极形成电接触。
本发明的一个目的是提供具有薄膜型电解质和电极层的管式电化学设备的平行阵列，该设备可以组合成平行阵列的电池组并串联连接。
本发明的另一个目的是提供一种在结构上可以避免由于阵列中某一个电化学设备故障而导致整个阵列失效的电化学设备阵列。
本发明的另一个目的是提供一种工作温度低于大约800℃的固体氧化物燃料电池。
本发明的另一个目的是提供一种长效、可靠和容易制造的电化学电池。
本发明的另一个目的是提供一种长时间稳定且成本降低的电化学电池组。
本发明的另一个目的是提供一种抗热冲击的电化学电池组。
本发明更深入的情况和目的将在本说明书的后续部分进行说明，在此，详细描述的目的是为了充分公开本发明的优选实施方案，而不是对本发明施加限制。
附图说明
参考以下附图将能更充分地理解本发明，附图目的仅为说明。
图1是根据本发明的电化学电池组的侧视图。
图2是图1中根据本发明的电化学电池组的一种管式电化学电池实施方案的详细侧视图。
图3是图1中电化学电池组实施方案的一个金属连接板的俯视图。
图4是根据本发明的一种管式电化学电池的透视图。
图5是一个管式燃料电池实施方案的剖视图，沿图4中的5-5线。
图6是根据本发明的一个顶端电化学电池与一个底端电化学电池通过金属连接板连接的一个实施方案的侧剖视图。
图7是根据本发明的一个顶端电化学电池与一个底端电化学电池通过金属连接板连接的另一种可选实施方案的侧剖视图。
图8是根据本发明的一个顶端电化学电池与一个底端电化学电池通过金属连接板连接的另一种可选实施方案的侧剖视图。
图9是根据本发明的一个顶端电化学电池与一个底端电化学电池通过金属连接板连接的另一种可选实施方案的侧剖视图。
图10是根据本发明的一个顶端电化学电池与一个底端电化学电池通过金属连接板连接的另一种可选实施方案的侧剖视图。
图11是在本发明的一个可选择实施方案中用来连接顶端和底端电化学电池的套圈的透视图。
图12是图11中的套圈沿12-12线的剖视图。
图13是通过套圈连接顶端和底端电化学电池的详细剖视图。
图14是顶端和底端电化学电池进行套圈连接时一个密封实施方案的详细剖视图。
图15是根据本发明使用套圈和连接板的电化学电池组的一个可选实施方案。
具体实施方案
更具体地参考附图，为了说明的目的，本发明的实施方式一般性地示于图1-15。可以理解，此装置可在不偏离所公开的基本原则的情况下，对于结构和部件细节进行适当的改变。
图1示出一个电池组10的实施方案，由具有平面连接板的电化学电池18的平行阵列构成。图1所示的实施方案中，50根管式电池的阵列堆成10层。显然，本发明事实上可以设计成使用任意数量的管式电池，且这些管式电池可以被堆叠成任意数量的层数。虽然这里的管式电化学电池被画成圆柱型，但是可以理解这些管式电化学电池能够具有任何形式的截面形状，以便优选地最大化电池组的安装密度和效率。例如，这些电化学电池的截面形状可以为正方形、八角形、椭圆形或优选的矩形，而且可以有一个或多个通道轴向贯通电池。
参照图2和图3，电化学电池组10具有管式电化学电池的行12，它被安置在连接板14上。连接板或盘14的优选厚度大约在50-5000微米之间，更优选的厚度在大约100-1000微米(0.1-1.0mm)之间。
连接板14优选用金属制造并且具有多个开孔16。开孔16的周围优选设计有垫圈，以便定位单个电化学电池18并且固定电池，电池装入后可以密封防止泄漏。电化学电池18的阵列的行12互相堆叠起来就形成了基本气密的电化学电池延长管20，如图1所示。形成的管20可连接到歧管22、24以连接气源。气源可以是燃料或氧化剂，这取决于电化学电池的构造。
歧管22、24允许燃料或氧化剂进行循环，使得燃料的阈值浓度最大化，从而可以优化在阳极上的燃料浓度。类似地，氧化剂也可通过循环来优化在阴极上的浓度并改善系统效率。在一个实施方案中，电池组的过量燃料排出气中的水、污染物、部分反应燃料和其它反应产物得到分离，分离的燃料又重新回到装置的供气端。因此，由于电化学设备的燃料被充分利用来发电从而使整个系统的效率得到提高。例如，没有象传统燃料电池组那样燃烧排出气而导致燃料损失。
可以看到电化学电池的行12的阵列与导电金属连接板14平行连接。连接板14为串联连接以提高装置的容量。如图所示的串联阵列设计可以使电池组的电力输出比相同有效面积的单个电池提高10％。
连接板14所使用的金属包括但不限于：Ni、Cu、含Ni合金、Ni基超合金、含Cu合金、含Fe合金、不锈钢、含Cr的铁基合金、含有活性元素如Y或La的Fe-Cr合金、奥氏体钢如AISI304或316、普通钢如AISI430或446、含Al合金、含Al和一种活性元素如Y的Fe-Cr合金、含0.1-3.0wt％Mn的Fe-Cr合金、含12-30wt％Cr的Fe-Cr合金、含16-26wt％Cr的Fe-Cr合金、含18-22wt％Cr和0.5-2.0wt％Mn和0.1-1.0wt％Y的Fe基合金。对部分或全部金属进行表面改性的方法有溶胶-凝胶沉积、气相沉积、等离子体喷涂、电镀或其它本领域已知的技术。也考虑在连接板14的部分或全部金属表面涂覆催化剂，如用来对含燃料的碳氢化合物进行催化重整的重整催化剂。
每个电化学电池18与连接板14的平行连接也将提高整个电池组的可靠性。传统燃料电池组设计被发现的一个缺陷是只有当所有电池被装配成整体电池组并启动设备时，才能发现单个燃料电池在制造过程中产生的缺陷和运输、操作过程中造成的损坏。单个电池的故障会表现为整个电池组发电量下降。有缺陷的电池还可以影响相邻电池的性能。此外，在传统电池组中大量燃料电池串联的物理堆叠不允许用一个新电池来替换故障电池。因此，由于单个电池的故障或缺陷可能导致整个电池组需要被更换。
本发明中的管式电化学电池设计将不会由于单个电化学电池18的故障或缺陷而导致整个电池组出现灾难性的崩溃。一个电池的低效或失灵仅会轻微地降低电池行12的总输出但不会影响行内附近的电化学电池18或相邻电池行的工作。借助于连接板的冗余度设计可让电流被导过电池行12里许多其它平行电池中的一个。
另外，因为小的管式电池是相互独立的，因此装置10能够适应大的热梯度而不会置单个电池18于损坏的危险中。燃料电池的化学反应的产物之一可以是热量，从而会在电池组中制造热梯度。可以通过向电池组吹入空气或其它控温方法来移除过量的热。本发明的一个实施方案中电池组产生的热可以通过类似散热片的金属连接板14来移除，这里连接板的面积扩展到比包含圆筒形燃料电池行12所需的还要大，如图2所示。这个实施方案减少了为散热所需的吹过电池组的过量空气量。由此可见，大量金属传热板的存在可以帮助平衡电池组内的热量分布。一些盘片的就地冷却可以使整个电池组的工作温度正常化。
通常如图2所示，电化学电池18组成的电池组10优选容纳在一个绝缘且气密的壳体26里，此壳体能够根据电化学电池18的构造充入燃料或氧化剂。在如图2所示的实施方案中，热量从金属连接板14传导到热交换器28，用来预热尚未加入电池组中的燃料气或氧化剂以提高效率。
此外，陶瓷所能承受的压缩力远比拉伸力要大。传统燃料电池组在工作和冷却阶段施加的不均匀板和拉伸力会引起电解质裂开和断裂，最终破坏单个电池。因此，即使在板的制造公差很小的情况下，施加在电化学电池的薄电解质层上的不均匀或过大负载也会导致电池脱层或断裂。可以理解，管式电化学电池18具有均一尺寸以及主要承受相邻的电池行和连接板的压缩力。因此，管式电化学电池18能够持久抵抗热冲击。
还可以看到，电池组10中的电化学电池18的分布可以进行更改以优化电池组的效率和解决电池组中可能的热量差异。电池组的行12中的单元电池18不需要有相同的尺寸或含有相同的电解质、阴极、阳极和/或支撑材料。例如，在一个燃料电池组中，二氧化铈基的电解质电池可以用于低温区或靠近燃料进出电池组的区域，和/或质子导电电解质电池(如掺杂SrCeO3或BaZrO3)可被用在内部区域，和/或以掺杂的氧化锆为基的电解质电池可用在高温阳极气体出口附近。通过使用更高导电性的电解质、减少进气口附近的蒸汽需求和从阳极室除去H2以降低燃料侧的水分压并提高燃料利用率的设计改善了进气口附近的电池性能，从而改善了整个电池组的性能。单个电池18的最优分布取决于具体的燃料选择和电池组构造。因此，本发明的电化学电池组装置在结构设计上有很大的灵活性。
根据本发明的一个实施方案，单个电化学电池18示于图4和图5。在燃料电池应用中，电化学电池18通常包括夹在一对多孔的阴极34和阳极32中间的离子导电电解质30。虽然为了说明的目的以燃料电池作为电化学电池的例子，但是应该理解到电化学电池还可以是氧发生器、合成气发生器或氢气分离器及相似设备。
电化学电池18可以是阳极支撑或阴极支撑或电解质支撑的。电极支撑电化学电池18可以包含电极支撑件，可由陶瓷、金属陶瓷复合材料(cermet)或合金制成。在一个实施方案中，电池由两层材料制成，如Ni-YSZ/YSZ或LSM/YSZ，在这两层经高温烧结后加上相反电极。在另一个实施方案中，施加所有三层材料并在一个高温步骤中烧结。如，LSM/YSZ/LSM或LSM/YSZ/Ni-YSZ的三层材料可一步烧结。
此外，可以理解电极支撑结构也可以是由不同的材料和/或微结构组成的多层结构或梯度结构，并不是简单的均质电极。例如，一种阴极支撑设计可以包括挤出或注塑的多孔LSM支撑件，其上加一层多孔LSM+YSZ，这上面再加上YSZ电解质膜和相反电极。还可以选择在多孔合金层(如普通钢)和电解质层如YSZ之间加入一层多孔催化层(如Ni-YSZ)。
图4和图5所示的实施方案是一个阴极支撑的电化学电池18。在这个实施方案中，通过注塑、离心浇铸、粉浆浇铸、带状浇铸、挤出、共挤出、均衡冲压、电泳沉积、浸渍涂布、气溶胶喷涂以及陶瓷加工和粉末冶金技术中可用来制造适于薄膜沉积的多孔基底的其它已知方法，将阴极材料加工成一根细管。挤出或注塑是支撑结构制造的优选方法。阳极支撑的电化学电池18以相似的方式制作。在另一个实施方案中，阳极、电解质和阴极均被置于一个管状多孔支撑物上，此支撑物优选用粉末金属或金属陶瓷复合物制造。阳极、电解质和阴极优选以薄膜的形式置于多孔金属支撑物上。
电化学电池18的优选高度由电极层的导电性决定。对于陶瓷支撑结构，电化学电池18的高度优选为大约1-5cm。对于金属支撑电化学电池结构，电池18的高度优选为大约2-10cm。
在阴极支撑的实施方案中，阴极电极34优选为圆柱形或长方形管，其厚度范围为大约100-3000μm。不过，阴极层厚度范围特别优选为大约150-2000μm。在阳极支撑的电化学电池中，阴极34优选作为一层薄膜与电解质30的一侧表面结合，以提供厚度范围为大约50-1500μm的阴极电极34。应该理解选择的电极管和电解质的厚度可以根据电极和电解质材料的热膨胀性质、电子导电性和离子导电性进行更改。
根据本发明，适用作阴极的材料包括金属陶瓷复合物和陶瓷。例如，其它合适的陶瓷成分包括：La1-xSrxMnyO3-δ(1≥x≥0.05)(0.95≤y≤1.15)(“LSM”)(δ定义为表示与理想化学计量的微小偏差的数值)，La1-xSrxCoO3-δ(1≥x≥0.10)(“LSC”)，La1-xSrxFeyO3-δ(1≥x≥0.05)(0.95≤y≤1.15)(“LSF”)，SrCo1-xFexO3-δ(0.30≥x≥0.20)，La0.6Sr0.4Co0.6Fe0.4O3-δ，Sr0.7Ce0.3MnO3-δ，LaNi0.6Fe0.4O3-δ，Sm0.5Sr0.5CoO3-δ，氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)，氧化钪稳定的氧化锆(SSZ)，(CeO2)0.8(Gd2O3)0.2(CGO)，La0.8Sr0.2Ga0.85Mg0.15O2.825(LSGM20-15)，(Bi2O3)0.75(Y2O3)0.25，和氧化铝。
优选的LSM材料包括La0.8Sr0.2MnO3，La0.65Sr0.30MnO3.δ和La0.45Sr0.55MnO3-δ。对于金属陶瓷复合物，适合的金属成分是过渡金属，Cr、Fe、Ag和/或合金，如低铬普通钢，型号405和409(11-15％Cr)；中铬普通钢，型号430和434(16-18％Cr)；高铬普通钢，型号442、446和E-Brite(19-30％Cr)，铬基合金如Cr5Fe1Y以及含铬的镍基合金如Ni20Cr和铬镍铁合金如Incone1600(Ni76％，Cr15.5％，Fe8％，Cu0.2％，Si0.2％，Mn0.5％和C0.08％)。
极薄的电解质层30优选用在阴极管34上。已经表明由于沉积成薄膜的离子和离子-电子导电材料的欧姆损失减少，以致使用薄膜型陶瓷电解质和电极的电化学电池的工作温度能够降低。在一个实施方案中，这两层随后被共烧结生成良好结合在多孔结构电极上的无孔致密电解质膜。在选择电解质和电极材料时应该考虑膜和基底材料的烧结性质。例如，第二电极的烧结温度与给予电解质足够密度以防止气体透过电解质层的温度或加工第一电极的温度各不相同可能是必要的，这取决于所选的电极材料的性质。
本领域已知的制造薄膜的方法包括：物理气相沉积技术、带状压延、溶胶-凝胶沉积、溅射、胶体沉积、离心浇铸、粉浆浇铸、带状浇铸、挤出、丝网印刷、刷涂、带转移、共挤出、电泳沉积、浸渍涂布、气溶胶喷涂、真空渗透、等离子体沉积、电化学沉积以及其它本领域已知技术方法。优选浸渍涂布、气溶胶喷涂和丝网印刷技术。典型地，需要加热至足够的温度以保证和多孔支撑层充分结合并且使电解质致密化。
虽然有许多方法制作薄膜，但优选以胶体沉积法来沉积薄膜。在此实施方案中，电解质材料通常制成在液体介质中分散的粉末材料悬浮液，使用的液体介质如水、异丙醇和其它合适的有机溶剂。此悬浮液可通过不同的方法涂布于电极层表面，如通过气溶胶喷涂、浸渍涂布、电泳沉积、真空渗透或带状浇铸的方法。典型地是以胶体沉积方法将期望的氧化物膜沉积到未烧或部分烧结的基底上。此外，膜与基底表面应充分结合并且不过量渗透到电极孔隙里，同时应使电解质和电极间界面上的极化作用最小。
优选胶体方法是因为这种方法既便宜又可调节，以及能够生产出高性能和低工作温度的装置。但是，在多孔基底上胶体沉积致密电解质层需要二者的材料在加工温度下是化学相容的，并且层间的热膨胀必须配合适当。
在高孔隙率的电极基底上的无孔和无裂纹的致密电解质层30的厚度范围为大约1-50μm，并且优选具有合适的微结构以确保设备工作期间的低过电压。对于典型的燃料电池应用，优选的电解质层厚度范围为大约10-30μm。
电解质材料优选包括金属氧化物(陶瓷)粉末薄层，如氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)，例如，(ZrO2)x(Y2O3)y，其中(0.88≥x≥0.97)和(0.03≤y≤0.12)。在商业上可行的优选材料为(ZrO2)0.92(Y2O3)0.08或(ZrO2)0.90(Y2O3)0.10。其它可能的电解质材料包括(ZrO2)0.90(Sc2O3)0.1，氧化钪稳定的氧化锆(SSZ)、(CeO2)0.8(Gd2O3)0.2(CGO)、La0.8Sr0.2Ga0.85Mg0.15O2.825(LSGM20-15)和(Bi2O3)0.75(Y2O3)0.25。做为选择，电解质材料还可以是混合的离子电子导体，例如SrCo1-xFexO3-δ(0.30≥x≥0.20)、La0.6Sr0.4Co0.6Fe0.4O3-δ、Sm0.5Sr0.5CoO3-δ和LaNi0.6Fe0.4O3-δ。例如，此结构也可以用在氧分离装置中。
在阴极支撑的电化学电池18上的阳极32优选是厚度范围为大约50-500μm的薄膜。不过，优选电极层厚度范围为大约150-300μm。在阳极支撑的电化学电池18中，阳极管优选厚度范围为大约250-2500μm。
电极和电解质材料优选是相匹配的，而且使用的材料厚度可基于电极和电解质材料以及连接材料的热膨胀、电子传导率和离子传导率特性来选择。此外，电解质膜30的厚度取决于电解质材料的不透气和保持力学完整的能力，如暴露在一定范围的工作和停止温度下的抗裂纹能力。
连接板14可由廉价的普通钢材料制造，其热膨胀性可与典型的电极和电解质材料匹配。可以理解金属连接板14可利用低成本技术进行打孔和冲压，以提供在电化学电池18的行12的顶部和底部与连接板14之间的合适连接。
参考图6至图10，在顶部电化学电池36和底部电化学电池38以及设计于连接板14中的冲压孔16的截面中示出冲压连接设计的几个实施方案。在图6中，可见经过打孔和冲压，连接板14为顶部和底部电化学电池36、38提供了支座。在所示的实施方案中，电化学电池36、38由阴极34支撑并装有薄电解质30和外部阳极32。顶部电化学电池36优选用金属使连接板14的顶部垂直套环44和电池36的阳极32进行电极压力接触，并且提供电池18和连接板14的电接触。在一个实施方案中，套环40通过密封材料42密封到阳极上。
在示于图6的实施方案中，底部管式电化学电池34的内部接收连接板14的垂直套环40且该套环与阴极30相接触。底部电化学电池34的顶端优选以金属、玻璃或陶瓷密封材料42与连接板密封。
单个电化学电池18与优选的金属连接板14的密封可以用陶瓷、玻璃、玻璃陶瓷、金属陶瓷、合金铜焊或焊接来完成。电绝缘密封材料优选是含氧化铝、二氧化硅或二氧化钛的陶瓷浆料或金属陶瓷。导电密封材料优选是基于银、铜或镍的铜焊合金，或混有如氧化铝、二氧化硅或二氧化钛的陶瓷的铜焊合金。铜焊可用作箔或漆。典型的上漆方式为喷涂、刷涂、辊涂或丝网印刷。
注意底部电化学电池38的阳极32或电解质30并未与连接板14接触。底部电化学电池38与连接板14的唯一接触部分是环44与阴极34之间的接触。也要注意顶部电化学电池36与连接板14优选的唯一接触部分是与阳极32接触。底部电化学电池38的阴极34和电解质30优选以玻璃或陶瓷密封材料48与连接板14密封。
图7和图8是压制成的连接板14的可选择实施方案，它提供与管式电化学电池36、38一侧的阳极的电接触。阳极-连接板的接缝可用上述密封材料密封。
图9和图10是使用弹簧封边的压制成的连接板14的可选择实施方案，在此实施方案中，冲孔16的冲压边缘与支座偏心，并且将顶部和底部电化学电池36、38密封。如果此压缩密封不充分，那么可以在图9和图10所示的实施方案中的阳极连接接缝处应用上述密封材料。
再看图11至图15，示出一般的连接件-电化学电池接头的可选择实施方案。在此实施方案中，顶部和底部电化学电池50、52可以被分别插入到套圈58的顶部和底部环套54、56中并密封。然后，将套圈58、顶部电化学电池50和底部电化学电池52插入到连接板14的孔16中，并且通过环绕套圈58周围的平面边缘(planar lip)60连接到板14上。套圈58的外缘60可以不仅用来连接金属板，也可提供在电池组内的平行连接。
参见图13，示出套圈58与顶部和底部电化学电池50、52的接头的实施方案细节。在此实施方案中，底部电化学电池52的阴极64利用导电密封剂62密封在套圈58的环套56中。在此实施方案中，阳极68和电解质66均不和套圈58接触。顶部电化学电池50以底端插入套圈58的顶部环套54中以及利用非导电密封剂70将阴极64与环套密封。在图13所示的实施方案中，电化学电池50的阳极68通过导电密封剂72连接到套圈58的环套54的壁上。
密封顶部和底部电化学电池50、52到套圈58的接头的可选择实施方案被示出。在此实施方案中，将顶部电化学电池50的底部边缘装入套圈58的环套54中，并通过非导电密封剂74进行密封。相似地，将底部电化学电池52装入套圈58的环套56中，并通过非导电密封剂74进行密封。
顶部电化学电池50的阳极68还通过导电浆料76或相似的导电密封剂或连接材料与套圈58连接并密封。导电浆料76优选为电子从阳极68移动提供良好的接触。同样，底部电化学电池52的阴极64使用导电浆料78或类似材料使阴极64与套圈58接触。
参见图15，示出本发明的一个可选择实施方案，该方案具有使用套圈和连接板14的成对多个电池组。在此实施方案中，单个电化学电池可以在平行的连接板之间与N个电池串联连接，此处N＝1-100，优选＝2-10。图15所示的是两行平行管，每一行含有3个串联的电化学电池(N＝3)。
可以看到，装置在断路或短路的情况下会导致电流输送失败。关于装置故障模式的信息可用来进一步优化电池组的设计。单个电池的短路故障不会使装在平行连接板之间的所有电池短路。
在此实施方案中，底部电化学电池80安装并密封于套圈58，该套圈随后密封连接到上述基底连接板14上。第二套圈58密封在电化学电池80的远端。中间电化学电池82与第二套圈58和电池82远端的第三套圈密封连接。第三电池84一端密封到第三套圈和另一端密封到第四套圈。第四套圈安装到连接板14。
因此，电化学电池可以直接密封到连接板14，或电池可以先连接到套圈58然后再插入到连接板14中。套圈58可以应用在电化学设备重复单元(单个电池)的一端或两端。在另一个实施方案中，套圈58可以设计为以凸/凹连接形式(未示出)来配合连接第二个套圈或金属板。
随着利用套圈58的模件来安装电化学电池，套圈58的组成可与连接板14的组成不同，而且制造条件也可改变。例如，铜焊或粘结套圈58到管式电化学电池50、52上可以与粘结或连接套圈58到连接板14上分开，而且允许使用氧化铝或二氧化硅形成的合金作为连接板14而不用形成高电阻界面。
图15中的单个管式电池或一组电化学电池可以被铜焊到镍、铜或不锈钢套圈58上，例如，使用AgCuTi铜焊合金在套圈和电池支撑电极之间形成导电密封。浆料、密封剂和铜焊合金可以涂布在连接板14或套圈58或电化学电池80、82、84以及这些组件的组合上，这取决于使用的沉积技术(如：浸涂、丝网印刷、辊涂、刷涂等)。
在图15所示的实施方案中，氧化铝浆料可用来在第二套圈和电池之间进行非导电密封；AgCuTi铜焊合金可随后用来电连接第二套圈与相反的电极，以建立从第一套圈到支撑电极、从电解质到第二反电极，再到第二套圈的电通路。
在此结构中的套圈可以随后点焊到氧化铝形成的合金连接板14上(典型的是含铬、铝和钇的铁基合金，一般表示为FeCrAlY)。可以理解在焊接的内部不易氧化，因此能保持金属连接板14和套圈58之间的电接触。这允许形成电绝缘范围的高温合金通过焊接或相似的方法电连接到电池或电池系列上。
类似地，氧化铝形成的合金(如FeCrAlY)能够使金属垫圈，如镍或铜环，被定位在气体流向管式电池的开口周围，并焊接在FeCrAlY板上。套圈或电池粘结或铜焊到非FeCrAlY的金属上。这再次允许将通过非导电区域形成高粘附的合金用作连接板。
虽然以上描述含有许多细节，但是这不应被认作对发明范围的限制，而仅仅是提供本发明的一些现有优选的实施方案的说明。因此，可以理解本发明的范围完全包括对于本领域的熟练人员来说很明显的其它实施方案，因而本发明的范围仅受到所附的权利要求的限制，其中以单数形式指称一个要素并非意指“一个且仅有一个”，除非明确指出，否则就是“一个或多个”的意思。所有在结构上、化学上和功能上与上述优选实施方案的要素和本领域已有的普通技术的要素的等同物通过引用被清晰地引入并且意图被本权利要求所包括。此外，不需要为设备或方法指明本发明寻求解决的单个或每个问题，因为其已被本权利要求所包括。并非本发明公开的所有要素、成分或方法步骤都需要为公众指明，无论这些要素、成分或方法步骤是否在权利要求中有明确叙述。此处未要求的要素将依35U.S.C.112第六节的规定解释，除非该要素被使用短语“意味着”来明确叙述。

Claims (89)

1.一种电化学电池组装置，包括：
多个导电连接板；
每个所述连接板具有多个开孔；和
多个管式电化学电池被安装并密封在所述连接板之间；
其中所述管式电化学电池定向穿过相应的所述开孔，以形成气体通路。
2.权利要求1所述电化学电池组装置，其中所述管式电化学电池包括：
多孔阴极；
不透气的离子导电电解质；和
多孔阳极。
3.权利要求2所述电化学电池组装置，其中所述管式电化学电池的多孔阴极被设计来支撑电解质层和阳极层。
4.权利要求3所述电化学电池组装置，其中所述阴极包括厚度为100-3000μm的多孔支撑体。
5.权利要求3所述电化学电池组装置，其中所述阴极包括厚度为150-2000μm的多孔支撑体。
6.权利要求2所述电化学电池组装置，其中所述阴极包含一种选自LSM、LSC、LSF和镧锶钴铁氧体的材料。
7.权利要求2所述电化学电池组装置，其中所述管式电化学电池的电解质被设计来支撑阴极层和阳极层。
8.权利要求3所述电化学电池组装置，其中所述电解质包括应用在所述多孔阴极上的厚度为1-50μm的电解质薄膜。
9.权利要求2所述电化学电池组装置，其中所述电解质包含一种选自掺杂氧化锆、掺杂二氧化铈和掺杂镓酸镧的材料。
10.权利要求8所述电化学电池组装置，其中所述阳极包括应用在所述电解质薄膜上的薄膜，所述阳极厚度为50-500μm。
11.权利要求8所述电化学电池组装置，其中所述阳极包括应用在所述电解质层上的厚度为150-300μm的薄膜。
12.权利要求2所述电化学电池组装置，其中所述管式电化学电池的多孔阳极被设计来支撑电解质层和阴极层。
13.权利要求12所述电化学电池组装置，其中所述阳极包括厚度为250-2500μm的多孔支撑体。
14.权利要求2所述电化学电池组装置，其中所述阳极包含一种选自Ni-YSZ和Ni-CGO的材料。
15.权利要求1所述电化学电池组装置，其中所述管式电化学电池的长度为1-10cm。
16.权利要求2所述电化学电池组装置，其中所述电化学电池还包括：
多孔金属支撑件；
其中所述阴极、电解质和阳极均安装在所述多孔金属支撑件上。
17.权利要求1所述电化学电池组装置，其中每个所述连接板均包括一种金属板。
18.权利要求1所述电化学电池组装置：
其中每个所述连接板还包括在所述连接板的每个开口周边的多个压制成的隆起；和
其中所述隆起被成形用来咬合所述相应电化学电池。
19.权利要求1所述电化学电池组装置，还包括至少一个密封材料，位于所述管式电化学电池与所述连接板之间。
20.权利要求19所述电化学电池组装置，其中位于所述电化学电池与所述连接板之间的所述密封材料包括一种导电密封材料。
21.权利要求19所述电化学电池组装置，其中位于所述电化学电池与所述连接板之间的所述密封材料包括一种电绝缘密封材料。
22.权利要求19所述电化学电池组装置，其中所述的密封材料包含一种选自焊接、陶瓷、玻璃陶瓷、陶瓷-金属复合物以及金属的材料。
23.权利要求19所述电化学电池组装置，其中所述的密封材料包含铜焊材料。
24.权利要求1所述电化学电池组装置，还包括一种导气歧管，其结构使得引导气体通过堆叠电化学电池的所述通路。
25.权利要求24所述电化学电池组装置，还包括
在进入所述第一歧管前对气体进行预热的装置。
26.权利要求24所述电化学电池组装置，还包括第二导气歧管，其结构使得从堆叠电化学电池的所述通路中接收气体。
27.权利要求26所述电化学电池组装置，其中所述第二导气歧管可操作地连接到气体净化器中，用来从未反应气体中分离反应产物。
28.权利要求1所述电化学电池组装置，还包括：
从电池组中移除多余热量的装置。
29.权利要求28所述电化学电池组装置，其中所述从电池组中移除多余热量的装置包括可操作地连接到所述连接板上的热交换器。
30.一种电化学电池组装置，包括
具有多个开孔的导电基板；
第一行管式电化学电池，每个所述电池都具有定向穿过所述基板的相应开孔和第一导电连接板的相应开孔的中心通道，所述第一行管式电池电连接并且密封到所述基板和所述的第一导电连接板上；和
第二行管式电化学电池，具有定向穿过所述第一导电板的相应开孔的中心通道，所述电池电连接并且密封到所述第一导电连接板上，所述第二行管式电池定向穿过顶部导电板的相应开孔并密封到所述顶部导电板上。
其中所述第一和第二行管式电化学电池的中心通道形成气体通路。
31.权利要求30所述电化学电池组装置，其中每个所述管式电化学电池包括：
多孔阴极；
不透气的离子导电电解质；和
多孔阳极。
32.权利要求31所述电化学电池组装置，其中每个所述电化学电池还包括：
多孔金属支撑件；
所述阴极、电解质和阳极均安装在所述多孔金属支撑件上。
33.权利要求32所述电化学电池组装置，其中所述多孔金属支撑件包括一种烧结的粉末金属。
34.权利要求31所述电化学电池组装置，其中所述管式电化学电池的多孔阴极被设计来支撑电解质层和阳极层。
35.权利要求31所述电化学电池组装置，其中所述管式电化学电池的多孔阳极被设计来支撑电解质层和阴极层。
36.权利要求30所述电化学电池组装置，其中所述基板、连接板和顶板均包括金属板。
37.权利要求30所述电化学电池组装置：
其中所述基板、连接板和顶板还包括所述开孔周围的压制成的隆起；和
其中所述隆起被成形用来咬合所述多个电化学电池。
38.权利要求30所述电化学电池组装置，还包括至少一个密封材料，位于所述管式电化学电池和基板、连接板或顶板之间。
39.权利要求38所述电化学电池组装置，其中位于所述电化学电池与所述板之间的所述密封材料包括一种导电密封材料。
40.权利要求38所述电化学电池组装置，其中位于所述电化学电池与所述连接板之间的所述密封材料包括一种电绝缘密封材料。
41.权利要求38所述电化学电池组装置，其中所述的密封材料包含一种选自焊接、陶瓷、玻璃陶瓷、陶瓷-金属复合物以及金属的材料。
42.权利要求38所述电化学电池组装置，其中所述的密封材料包含铜焊材料。
43.权利要求31所述电化学电池组装置，其中所述第一行电化学电池的阴极电连接到所述连接板上，所述第二行电化学电池的阳极电连接到所述连接板上。
44.权利要求31所述电化学电池组装置，其中所述第一行电化学电池的阳极电连接到所述连接板上，所述第二行电化学电池的阴极电连接到所述连接板上。
45.一种电化学电池组装置，包括：
多个管式电化学电池，每个所述电池具有一个阳极接触端和一个阴极接触端；
多个套圈，每个所述套圈配置来电连接第一电化学电池相应的阳极接触端和第二电化学电池相应的阴极接触端；和
多个连接板；
每个所述连接板具有多个开孔；
其中所述多个套圈和所述多个电化学电池定向穿过所述开孔并安装在所述连接板上。
46.权利要求45所述电化学电池组装置，其中所述套圈包含一种选自Ni、Cu、Au、和不锈钢的材料。
47.权利要求45所述电化学电池组装置，其中所述多个套圈和所述多个连接板由不同的导电材料组成。
48.权利要求47所述电化学电池组装置，其中所述多个套圈和所述多个连接板由热膨胀性质相匹配的不同的导电材料组成。
49.权利要求45所述电化学电池组装置，其中每个所述管式电化学电池包括：
多孔阴极；
不透气的离子导电电解质；和
多孔阳极。
50.权利要求49所述电化学电池组装置，其中每个所述电化学电池还包括：
多孔金属支撑件；
所述阴极、电解质和阳极均安装在所述多孔金属支撑件上。
51.权利要求50所述电化学电池组装置，其中所述多孔金属支撑件包括烧结的粉末金属。
52.权利要求49所述电化学电池组装置，其中所述管式电化学电池的多孔阴极被设计来支撑电解质层和阳极层。
53.权利要求52所述电化学电池组装置，其中所述阴极包括厚度为100-3000μm的多孔支撑体。
54.权利要求52所述电化学电池组装置，其中所述阴极包括厚度为150-2000μm的多孔支撑体。
55.权利要求49所述电化学电池组装置，其中所述阴极包含一种选自LSM、LSC、LSF和镧锶钴铁氧体的材料。
56.权利要求49所述电化学电池组装置，其中所述管式电化学电池的电解质被设计来支撑阴极层和阳极层。
57.权利要求49所述电化学电池组装置，其中所述电解质包括应用在所述阴极支撑体上的厚度为1-50μm的电解质薄膜。
58.权利要求49所述电化学电池组装置，其中所述电解质包含一种选自掺杂氧化锆、掺杂二氧化铈和掺杂镓酸镧的材料。
59.权利要求57所述电化学电池组装置，其中所述阳极包括应用在所述电解质薄膜上的薄膜，所述阳极厚度为50-500μm。
60.权利要求57所述电化学电池组装置，其中所述阳极包括应用在所述电解质层上的厚度为150-300μm的薄膜。
61.权利要求49所述电化学电池组装置，其中所述管式电化学电池的多孔阳极被设计来支撑电解质层和阴极层。
62.权利要求61所述电化学电池组装置，其中所述阳极包括厚度为250-2500μm的多孔支撑体。
63.权利要求49所述电化学电池组装置，其中所述阳极包含一种选自Ni-YSZ和Ni-CGO的材料。
64.权利要求45所述电化学电池组装置，其中所述管式电化学电池的长度为1-10cm。
65.权利要求45所述电化学电池组装置，其中每个所述连接板均包括一种金属板。
66.权利要求45所述电化学电池组装置：
其中每个所述连接板还包括在所述连接板的每个开口周边的多个压制成的隆起；和
其中所述隆起被成形用来咬合所述多个电化学电池。
67.权利要求45所述电化学电池组装置，还包括至少一个密封材料，位于所述管式电化学电池与所述连接板之间。
68.权利要求67所述电化学电池组装置，其中位于所述电化学电池与所述连接板之间的所述密封材料包括一种导电密封材料。
69.权利要求67所述电化学电池组装置，其中位于所述电化学电池与所述连接板之间的所述密封材料包括一种电绝缘密封材料。
70.权利要求67所述电化学电池组装置，其中所述的密封材料包含一种选自焊接、陶瓷、玻璃陶瓷、陶瓷-金属复合物以及金属的材料。
71.权利要求67所述电化学电池组装置，其中所述的密封材料包含铜焊材料。
72.权利要求45所述电化学电池组装置，还包括一种导气歧管，其结构使得引导气体通过堆叠电化学电池的所述通路。
73.权利要求72所述电化学电池组装置，还包括
在进入所述第一歧管前对气体进行预热的装置。
74.权利要求72所述电化学电池组装置，还包括第二导气歧管，其结构使得从堆叠电化学电池的所述通路中接收气体。
75.权利要求74所述电化学电池组装置，其中所述第二导气歧管可操作地连接到气体净化器中，用来从未反应气体中分离反应产物。
76.权利要求45所述电化学电池组装置，还包括：
从电池组中移除多余热量的装置。
77.权利要求76所述电化学电池组装置，其中所述从电池组中移除多余热量的装置包括可操作地连接到所述连接板上的热交换器。
78.用于模块化组装电化学电池的模件，包括：
第一组管式电化学电池，每个所述电池具有一个阳极接触端和一个阴极接触端；
第二组管式电化学电池，每个所述电池具有一个阳极接触端和一个阴极接触端；和
具有多个开孔以及顶部和底部的导电连接板，装配所述连接板的顶部以与所述第一组电化学电池的阳极接触端电连接，装配所述连接板的底部以与所述第二组电化学电池的阴极接触端电连接；
其中所述第一和第二组电化学电池被排列穿过连接板的开孔，以形成通过所述电化学电池和连接板的气体通路。
79.权利要求78所述模件，还包括：
第三组管式电化学电池，所述第三组管式电化学电池采用套圈与所述第一组电化学电池连接。
80.权利要求78所述模件，还包括：
第四组管式电化学电池，所述第四组管式电化学电池采用套圈与所述第一组电化学电池连接。
81.权利要求78所述模件，还包括至少一个密封材料，位于每个所述管式电化学电池与所述连接板之间。
82.权利要求81所述模件，其中位于所述电化学电池与所述连接板之间的所述密封材料包括一种导电密封材料。
83.权利要求81所述模件，其中位于所述电化学电池与所述连接板之间的所述密封材料包括一种电绝缘密封材料。
84.权利要求81所述模件，其中所述的密封材料包含一种选自焊接、陶瓷、玻璃陶瓷、陶瓷-金属复合物以及金属的材料。
85.权利要求81所述模件，其中所述的密封材料包含铜焊材料。
86.权利要求78所述模件，还包括：
多个套圈，每个所述套圈连接到电化学电池上相应的阳极接触端和相应的阴极接触端。
87.权利要求86所述模件，还包括至少一个密封材料，位于每个所述管式电化学电池和所述套圈之间。
88.权利要求87所述模件，其中位于所述管式电化学电池和所述套圈之间的所述密封材料包括一种导电密封材料。
89.权利要求87所述模件，其中位于所述管式电化学电池和所述套圈之间的所述密封材料包括一种电绝缘密封材料。
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