CN101404335A - 用于燃料电池支承件的密封件 - Google Patents

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Abstract

一种用于燃料电池堆中的单元，所述单元包括具有密封件的多孔金属支承件，所述密封件是通过局部熔化而制成的且具有从所述多孔金属支承件的上表面至少延伸至所述多孔金属支承件的底表面的密封深度，且其中所述密封件沿所述多孔金属支承件的周部被定位，所述密封件对于在所述多孔金属支承件的平面中被输运的气体而言是不可透过的。

Description

用于燃料电池支承件的密封件
技术领域
本发明涉及一种用于燃料电池堆的单元，特别地，本发明涉及一种用于固体氧化物燃料电池堆的单元，所述单元包括具有密封件的多孔金属支承件，其中所述密封件从所述多孔金属支承件的上表面延伸至所述多孔金属支承件的底表面，从而使得在使用过程中通过所述密封件阻止了在所述多孔金属支承件中进行不希望的气体输运。
背景技术
气体由燃料电池堆向外部发生的泄漏是由于陶瓷部件中的裂纹、失效的密封件或者通过多孔层的气体输运而造成的。
在包括多个电池的燃料电池堆中，每个电池包括具有气密性且具有氧离子传导性的电解质以及多孔阴极和多孔阳极。反应剂可扩散通过该多孔层从而因此发生反应。当氢被输运至阳极且氧被输运至阴极，由此允许来自阴极的氧离子借助于电解质被输运至阳极以使得阳极上的氢与氧反应从而形成H2O并输运电子的时候，就发生了电化学过程。
多孔阳极和阴极可由陶瓷粉末制成。此外，用于例如阳极的多孔支承件也是已公知的，其中该多孔支承件是基于粉末冶金而制成的。例如在EP专利申请No.1122806中描述了多孔支承件的一个实例，其中气体供应通道与电池支承件和阳极层被整合在一起。由于支承件是多孔的，因此一部分气体扩散通过支承件而到达电解质，而另一部分气体则被输运至支承件的边缘。为了避免气体向环境泄漏，该边缘是气体不可透过的。
气体不可透过的边缘可通过利用玻璃作为密封材料来获得，正如EP专利申请No.1010675中所披露地那样。利用玻璃的缺点在于玻璃是易碎的且其热性质与金属的热性质差别较大，当燃料电池堆在运行过程中受到加热或冷却时，这种缺点会带来困难。
此外，由于玻璃熔融物的高粘性，因此玻璃熔融物难以浸渍进入到多孔层内。
WO 2007080518披露了一种燃料电池单元，所述燃料电池单元在外部上通过注射成型被密封。
本发明的一个目的是提供一种防止气体向环境泄漏的用于燃料电池堆的单元。
本发明的另一目的是提供减少燃料电池堆中的元件数量的另一种可选方式。
本发明的进一步的目的是提供一种更耐受使用过程中产生的热应力的燃料电池。
发明内容
这些和其它目的中的一些目的是根据本发明的第一方面通过一种用于燃料电池堆的单元来实现的，所述单元包括具有密封件的多孔金属支承件，所述密封件具有从所述多孔金属支承件的上表面至少延伸至所述多孔金属支承件的底表面的密封深度，其中所述密封件沿所述多孔金属支承件的周部被定位，所述密封件对于在所述多孔金属支承件的平面中被输运的气体而言是不可透过的。
本发明还涉及一种制造用于燃料电池堆的单元的方法，所述方法包括的步骤有：沿多孔金属支承件的周部在接触区域中使该多孔金属支承件的一部分熔化成具有密封深度的气体不可透过的密封件，所述密封深度从所述多孔金属支承件的上表面延伸出来且至少延伸通过所述多孔金属支承件而到达所述多孔金属支承件的底部。
附图说明
图1示出了具有多个单元的固体氧化物燃料电池堆；
图2示出了固体氧化物燃料电池堆的剖面；
图3示出了用于固体氧化物燃料电池的单元的一个实例；
图4示出了多孔金属支承件中的密封件；
图5示出了与互连装置密封在一起的多孔金属支承件；
图6示出了用于固体氧化物燃料电池的不同单元；
图7示出了彼此相邻布置的两个单元；和
图8和图9示出了准备通过钎焊(brazing)而进行密封的多孔金属支承件。
具体实施方式
本发明提供了一种用于燃料电池堆的单元，所述单元包括具有密封件的多孔金属支承件，由此使得防止了气体向环境泄漏。
当该单元被叠置在燃料电池中时，所述密封件可进一步被定位在介于多孔金属支承件与互连装置之间的接触区域中。通过这种方式，所述密封件阻止了在所述多孔金属支承件中进行不希望的气体输运。
用于燃料电池堆的单元包括一个或多个部件。
所述部件例如为多孔金属支承件、互连装置、阳极、阴极、电解质、密封材料或间隔构件(distance member)。
所述接触区域是当该多孔金属支承件被叠置在燃料电池堆中时该支承件的表面的一部分与燃料电池堆中的另一元件的表面的一部分进行接触所处的区域。
气体是在运行过程中在燃料电池堆中所使用的气体。
术语上表面和下表面应该被理解为当用于燃料电池的元件被置于图中所示的水平位置处时分别面朝上和面朝下的表面。
所述多孔金属支承件具有允许气体扩散至阳极或阴极的孔隙率。所述多孔金属支承件的孔隙率可为20％(体积百分含量)至90％(体积百分含量)，且优选介于30％(体积百分含量)至70％(体积百分含量)之间。多孔金属支承件的平均孔隙尺寸优选处在0.1μm至100μm的范围内。
在本发明的一个实施例中，该多孔金属支承件是多孔金属箔片，该箔片例如由铁素体不锈钢如Thyssen Krupp Crofer 22APU制成。该多孔金属箔片例如可具有介于0.05mm与0.3mm之间的厚度。
利用薄的多孔箔片来提高向阳极或阴极的扩散速率是有利的，且进一步地这样就提供了更为紧凑的燃料电池堆。
多孔金属支承件还可以是包含多个穿孔、腔体和/或提供了气体扩散路径的小孔的箔片。该多孔金属支承件例如可采用化学蚀刻法制备而成且可对穿孔、腔体和/或小孔进行定位以便在多孔金属支承件中形成受控图案。
多孔金属支承件可由烧结金属粉末制成，由此提供多孔金属箔片。金属互连装置也可由铁素体不锈钢制成且其厚度例如可介于0.1mm与8mm之间。金属互连装置可由金属箔片制成，在这种情况下，可通过对金属箔片进行压制而形成包括流场的互连装置。
在本发明的一个实施例中，密封件是通过使多孔金属支承件中的晶粒产生局部熔化而制成的。与例如在使用过程中可能出现裂纹从而使得气体可能泄漏到环境中的外部玻璃涂覆密封件相比，这种密封件更耐受使用过程中燃料电池堆中所产生的热应力。所述局部熔化优选是通过选自激光加热、电阻加热、电子束加热和钎焊的工艺来实现的。
在本发明的一个实施例中，密封件是通过用填料材料填充多孔金属支承件的孔隙来制成的，例如在加热后进行钎焊来形成该密封件。
在本发明的另一实施例中，密封件的至少一部分沿气体通道的周部被定位，通过这种方式使得避免了不同气体在使用过程中产生混合。气体通道例如可以是氧化剂入口、氧化剂出口、燃料入口或燃料出口。
在本发明的又一实施例中，该多孔金属支承件是金属箔片。
在本发明的另一实施例中，密封件被定位在介于部件与多孔金属支承件之间的接触区域中。该部件优选是互连装置。密封深度可进一步延伸进入互连装置内，由此进一步在多孔金属支承件之间提供了不可透过气体的密封件。通过这种方式，使得不必在互连装置与多孔金属支承件之间设置密封材料，由此使得减少了燃料电池堆中的部件数量。
所述互连装置具有通道系统，所述通道系统具有一条或多条气体通道，从而使得当所述通道系统在燃料电池堆中处于使用状态时，气体被分布在电化学活性的区域上。该电化学活性的区域是燃料电池堆中的发生电化学反应所处的电池区域。电池包括阳极、电极和阴极。互连装置例如可通过粉末冶金、锻造、轧制或蚀刻来形成。
在本发明的一个实施例中，在单元剖面中，多孔金属支承件的底表面处的密封宽度与剖面中的接触区域的接触区域宽度之比小于1。该比值优选小于0.3。密封宽度例如可介于0.1mm与3.0mm之间，例如介于0.5mm与1.5mm之间，优选为1mm。
在另一实施例中，阳极被施加在多孔结构内部。阳极可由镍晶体制成。使单元取向成使得还原气体接近多孔金属支承件是有利的，原因在于氧化条件会对金属产生损害或导致氧化物蒸发。
在本发明的又一实施例中，多孔金属支承件被定位在阴极侧上而与电化学活性阴极紧密接触。
该单元可进一步包括电解质、阴极和阴极侧密封材料，以使得当单元处于使用状态时，燃料和空气与环境密封隔离开来。阴极侧密封材料例如可为玻璃、金属钎焊材料或云母。
在本发明的又一实施例中，该单元被用于高温燃料电池中，高温燃料电池的运行温度通常高于500℃，例如固体氧化物燃料电池堆。
本发明还提供了一种燃料电池堆，特别是固体氧化物燃料电池堆，所述燃料电池堆包括一个或多个根据上述实施例中的任一实施例的单元。
在本发明的第二方面中，提供了一种制造用于燃料电池堆的单元的方法，所述方法包括的步骤有：沿多孔金属支承件的周部使该多孔金属支承件的一部分熔化成具有密封深度的气体不可透过的密封件，所述密封深度从所述多孔金属支承件的上表面延伸出来且至少延伸通过所述多孔金属支承件而到达所述多孔金属支承件的底表面。
当单元在燃料电池堆中处于使用状态时，通过密封件阻止了在多孔金属支承件的平面中朝向周部被输运的气体。通过这种方式，使得避免了气体向环境泄漏。
在本发明的一个实施例中，燃料电池的电化学活性区域被分段成位于支承结构上的更多数量的更小的单独的电化学活性部段。每个部段包括电化学活性电解质、阳极和阴极。当燃料电池通过这种方式被分段时，则通过使位于所述部段的区域中的多孔金属支承件的一部分熔化而在对应于各个部段的单独的周部的位置处对每个电化学活性部段处的多孔金属箔片的部分进行密封。通过这种方式，可在部段的所有侧部上在每个部段的周部处对每个部段进行完全密封。
在本发明的另一实施例中，使多孔金属支承件的一部分熔化的步骤进一步包括同时使互连装置的一部分熔化，从而使得密封深度进一步延伸进入互连装置内，从而使得当单元在燃料电池堆中处于使用状态时，阻止了在互连装置与多孔金属支承件之间进行气体输运。
在本发明的又一实施例中，通过激光束实施熔化密封件的步骤。
在本发明的另一实施例中，对密封件进行钎焊，由此使得多孔金属支承件的孔隙被填料材料填充且被加热从而形成密封件。
在本发明的另一实施例中，所述方法进一步包括将阳极施加在多孔金属支承件中的多孔结构内部的步骤。
所述方法还可包括通过等离子喷涂来施加电解质的步骤和通过例如绢网印刷、等离子喷涂或湿法喷涂等工艺来施加阴极的又一步骤。
所述方法还可包括施加阴极侧密封材料的步骤，从而使得当燃料电池堆处于使用状态时，阴极气体与环境密封隔离开来。
图1中的图1A和图1B示出了具有多个单元的固体氧化物燃料电池堆。图1A示出了固体氧化物燃料电池堆的分解视图。燃料电池堆包括一个或多个重复单元8，每个重复单元具有多孔金属支承件。该燃料电池堆具有燃料入口9和氧化剂入口10。在运行过程中，燃料从燃料入口9被供应且被散布在重复单元8中的每个电池上。同样地，氧化剂从氧化剂入口10被供应至重复单元8中的每个电池。
图1B示出了重复单元8的角的近视图。密封件1是连续的气体不可透过的区域，所述区域沿重复单元8的周部在接触区域中延伸从而使得阻止了燃料向环境泄漏。密封件1的一个部分与重复单元8的外周11A平行地且沿所述外周进行延伸。密封件的另一部分与重复单元8的外周11A平行地且沿所述外周进行延伸，且该另一部分还与构成了燃料出口9B的周边的内周11B的一部分平行地且沿所述内周的该部分进行延伸。密封件的这两个部分通过弯曲部1A相连。通过这种方式，使得阻止了燃料向环境泄漏。
图2示出了本发明的一个实施例，且固体氧化物燃料电池堆的垂直剖面与图1所示的固体氧化物燃料电池堆的垂直剖面是相似的。在图2A和图2B中示出了是如何通过多个重复单元8(如图2B所示)构建固体氧化物燃料电池的，每个重复单元具有透过多孔金属支承件2且进入互连装置3(如图2A所示)内的密封件1。密封件1被定位在接触区域中。
图3是用于图1A所示的固体氧化物燃料电池堆的单元8的分解视图。在该实施例中，互连装置3具有位于其上表面上的燃料通道4的系统。燃料通道4被形成于柱12之间。通道4是细长的且通道在互连装置3的区域上延伸从而覆盖互连装置3的电化学活性区域。同样地，互连装置3具有位于其下表面上的通道系统(图中未示出)以便分布氧化剂。利用具有各种几何形状的通道系统是本领域中众所周知的，只要所述通道系统覆盖互连装置的中心区域从而使得燃料和氧化剂被散布在该电化学区域上即可。
互连装置3具有燃料入口9A和燃料出口9B，进一步地，其具有氧化剂入口10A和氧化剂出口10B。同样地，多孔金属支承件2具有燃料入口9A和燃料出口9B以及氧化剂入口10A和氧化剂出口10B。因此，当重复单元8在固体氧化物燃料电池堆中被定位在彼此上时，燃料入口导管由多个燃料入口9A形成且燃料出口导管由多个燃料出口9B形成，同样地，氧化剂入口导管由多个氧化剂入口10A形成且氧化剂出口导管由多个氧化剂出口10B形成。
图3进一步示出了密封件1在多孔金属支承件2中的位置。密封件1的一部分包封住多孔金属支承板2且沿该多孔金属支承板的周部11A进行延伸，从而使得在固体氧化物燃料电池堆中的使用过程中，通过密封件1阻止了燃料在多孔金属支承件2的平面中扩散，由此避免了从固体氧化物燃料电池向环境的泄漏。密封件1B的其它部分包封住氧化剂入口10A和氧化剂出口10B并且沿其周部11C在接触区域中进行延伸，从而使得在使用过程中，避免了气体从氧化剂入口10A扩散进入多孔金属支承件2的燃料侧内。同样地，避免了燃料从多孔金属支承件2扩散进入氧化剂入口10A或氧化剂出口10B内。
因此，当如图3所示的具有多孔金属支承件2和互连装置3的重复单元8在固体氧化物燃料电池堆中处于使用过程中时，来自燃料入口9A的燃料借助于位于互连装置3的燃料侧上的通道4的系统被散布在燃料电池的整个电化学活性区域上且燃料扩散进入多孔金属支承件2内。燃料借助于燃料出口9B被排出燃料电池。
在使用过程中，来自氧化剂入口10A的气体借助于位于互连装置3的氧化剂侧上的通道系统被散布在电化学活性区域上，且借助于燃料出口10B被传递出燃料电池。密封件1B阻止了氧化剂与燃料混合，即，密封件1B阻止了来自氧化剂入口10A的气体与多孔金属支承件2中的燃料混合且密封件1B阻止了来自电化学区域的燃料被引入氧化剂出口10B内。
图4中的图4A和图4B示出了多孔金属支承件中的密封件。图4A示出了具有密封件1的多孔金属支承件2的本发明的实施例。密封件1是通过热源，例如激光束，而制成的，所述热源使多孔金属支承件的局部熔化成不可透过气体的块状隔障。该图还示出了从上表面18延伸通过多孔金属支承件2到达该支承件的底表面19的密封件1的密封深度16。该密封件进一步具有位于多孔金属支承件的底表面19处的密封宽度17。
在图4B中，通过密封材料15将图4A中的多孔金属支承件2密封到互连装置3上。从图中看出，多孔金属支承件2中的密封件1被定位在多孔金属支承件2与互连装置3之间的接触区域13中。从该图中进一步看出，密封材料15也被定位在接触区域13中。密封材料15在剖面上延伸达接触区域的接触区域宽度13，而密封件1具有位于底表面18处的密封宽度17，所述宽度17小于接触区域宽度13。接触区域13从互连装置3的周部11A延伸至通道系统11D的周部或气体通道的周部。
互连装置3例如由金属箔片制成，所述金属箔片具有在燃料侧上形成通道系统的多条通道4和在互连装置3的氧化剂侧上形成通道系统的多条通道14。
图5中的图5A和图5B示出了与互连装置被密封在一起的多孔金属支承件。图5A示出了本发明的优选实施例，其中多孔金属支承件2中的密封件1进一步透入互连装置3内，由此在多孔金属支承件2与互连装置3之间形成密封件。
图5B示出了该实施例的展开图，其中透过深度16从多孔金属支承件2的上表面18延伸进入互连装置3内。此外，在该实施例中，位于多孔金属支承件19的底表面19处的密封宽度17小于接触区域13的剖面中的接触区域宽度。密封件1被定位成与周部隔开一定距离。
多孔金属支承件2中的密封件1可例如通过热工艺制成，例如通过钎焊、电阻加热或通过激光束进行的加热而制成。通过这种方式，使得形成了密封件1，从而使得当单元在燃料电池堆中处于使用状态时，密封件1阻挡住了在多孔金属支承件2内沿朝向边界的方向扩散的气体(如箭头15所示)。因而防止了气体流出燃料电池堆。
对于所有实施例而言，通过使多孔金属支承件的晶粒熔化而形成局部块状隔障从而制成密封件1，由此使得形成了具有至少从多孔金属支承件2的上表面延伸至多孔金属支承件2的底表面的密封深度16的密封件1。在一些实施例中，该熔化部可进一步透入用于固体氧化物燃料电池的其它金属元件如互连装置内，从而使密封深度16延伸进入其它金属元件内，由此形成了防止在多孔金属支承件与其它金属元件之间进行气体输运的密封件。
互连装置3和多孔金属支承件2都可以由金属合金如铁素体不锈钢或其它铁素体钢，或者镍基或铬基合金制成。金属箔片的孔隙率可介于30％(体积百分含量)至70％(体积百分含量)之间且多孔金属支承件的平均孔隙尺寸处在从0.1μm至100μm的范围内。
多孔金属支承件2例如可由烧结金属粉末制成，由此提供多孔金属箔片。该箔片例如可具有介于0.05mm与0.3mm之间的厚度。金属互连装置3例如可介于0.5mm与8mm之间。
多孔金属支承件2位于被施加有阳极的燃料侧上，所述阳极例如以镍晶体的形式存在。其后，电解质5例如通过等离子喷射或喷涂、浸渍模塑、多层堆焊或电泳沉积被施加在阳极表面上。
图6中的图6A和图6B示出了用于固体氧化物燃料电池的不同单元。在一个实施例中，电解质不仅被施加在多孔金属支承件上而且还被施加在与多孔金属支承件的上表面和底表面和互连装置3垂直的侧部上，如图6A所示。
在电解质5的表面上施加了阴极7，这例如是通过绢网印刷来实现的。这如图6B所示，该图还示出了阴极气体密封件6，所述密封件在燃料电池堆中的使用过程中阻止了阴极气体从固体氧化物燃料电池堆流向环境。氧化剂密封件6例如可由玻璃或金属钎焊材料或另一种密封材料如云母制成。通过这种方式使得形成了包括电池、互连装置和密封件的重复单元8。
图7示出了彼此相邻叠置在一起的两个重复单元8。通过这种方式，可通过彼此相邻地叠置一个或多个重复单元8而制造出如图1所示的燃料电池堆。
图8和图9示出了准备通过钎焊而进行密封的多孔金属支承件2。图8示出了被置于多孔金属支承件2的上表面18上的填料材料20。多孔金属支承件2随后被加热且填料材料20进入多孔金属支承件2的孔隙从而形成密封件1，如图9所示。
实例1
在0.3mm厚的多孔金属支承件中制成密封件，该密封件延伸进入0.8mm厚的互连装置内。该互连装置由含22％的铬的铁素体不锈钢制成且多孔金属支承件由多孔铁素体烧结金属箔片制成。
通过用激光器以在800至1400mm/min的范围内变化的熔化速度和在350与400W之间的范围内变化的激光器功率进行熔化使得可能获得从多孔金属支承件的上表面延伸通过该支承件而到达多孔金属支承件的底表面且进一步延伸到互连装置内0.3-0.5mm的密封深度。

Claims (15)

1、一种用于燃料电池堆中的单元，所述单元包括具有密封件的多孔金属支承件，所述密封件具有从所述多孔金属支承件的上表面至少延伸至所述多孔金属支承件的底表面的密封深度，所述密封件沿所述多孔金属支承件的周部被定位，所述密封件对于在所述多孔金属支承件的平面中被输运的气体而言是不可透过的，其中所述密封件是通过局部熔化而制成的。
2、根据权利要求1所述的单元，其中所述局部熔化是通过选自激光加热、电阻加热、电子束加热和钎焊的工艺来实现的。
3、根据权利要求1或2所述的单元，其中所述密封件的至少一部分沿气体通道的周部被定位。
4、根据权利要求1或3所述的单元，其中所述燃料电池堆中的每个燃料电池的电化学活性区域被分段成位于支承结构上的多个更小的单独的电化学活性部段，且所述密封件沿每个电化学活性部段的单独的周部被定位。
5、根据权利要求1所述的单元，其中所述多孔金属支承件是金属箔片。
6、根据权利要求1所述的单元，其中所述密封件被定位在介于互连装置与所述多孔金属支承件之间的接触区域中。
7、根据前述权利要求中任一项所述的单元，其中所述密封深度进一步延伸进入互连装置内。
8、根据前述权利要求中任一项所述的单元，其中所述多孔金属支承件包括被施加在所述多孔金属支承件中的多孔结构内部的阳极。
9、根据前述权利要求中任一项所述的单元，其中所述多孔金属支承件包括电解质和被施加到所述多孔金属支承件上的阴极。
10、根据前述权利要求中任一项所述的单元，其中所述单元被用于高温燃料电池中。
11、根据权利要求8所述的单元，其中所述单元被用于固体氧化物燃料电池中。
12、一种燃料电池堆，所述燃料电池堆包括根据权利要求1-11中任一项所述的单元。
13、一种制造用于燃料电池堆的单元的方法，所述方法包括的步骤有：沿多孔金属支承件的周部在接触区域中使该多孔金属支承件的一部分熔化成具有密封深度的气体不可透过的密封件，所述密封深度从所述多孔金属支承件的上表面延伸出来且至少延伸通过所述多孔金属支承件而到达所述多孔金属支承件的底部。
14、根据权利要求13所述的方法，其中所述使多孔金属支承件的一部分熔化的步骤进一步包括同时使互连装置的一部分熔化，从而使得所述密封深度进一步延伸进入所述连装置内。
15、根据权利要求13-14中任一项所述的方法，其中通过激光束进行的加热来实施所述使所述密封件熔化的步骤。
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