CN101842928A - 同轴式燃料电池或具有球形互连件的电解装置模块 - Google Patents

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Abstract

根据本发明的模块由于不包含任何弹性部件，因而其寿命更长。工作堆栈具有管状同轴式构造。基本电化学电池(15)以及首先由气体隔离管(22)、其次由多个球(20)构成的互连件由此被交替地插入，所述球占据这些气体隔离管(22)与基本电池(15)之间的空间。球(20)使得气体能够在电池的工作表面上均匀分布，并使隔离管(22)与基本电池(15)之间的电触点的数量增多。本发明应用于SOFC型燃料电池以及SOEC型电解装置。

Description

同轴式燃料电池或具有球形互连件的电解装置模块
技术领域
本发明涉及燃料电池和电解装置，更具体而言，涉及在高温下运行的燃料电池，例如SOFC(Solid Oxide Fuel Cell；固体氧化物燃料电池)型燃料电池，以及SOEC(Solid Oxide Electrolyser Cell；固体氧化物电解池)型电解装置。
然而，本发明也可应用于其它种类的燃料电池和电解装置。
背景技术
SOFC型燃料电池是以氧气作为氧化剂并以氢气作为燃料、或者是使用例如甲烷等另外一种可燃气体，在500℃至1000℃的温度下运行。这些燃料电池是由多个基本电池的堆栈构成，所述多个基本电池通过例如互连件或双极板等连接组件相连。基本电池是由阴极、电解质及阳极的堆栈构成。高温是为在O2离子中获得足够的电解质传导率所需要的。SOEC型电解装置的功能类似于反置的SOFC型燃料电池。其利用蒸汽和电能产生氢气。
在燃料电池的设计中使用了多种类型的结构。存在四种主要类型：
—管式或轴向式结构；
—单片式结构；
—条带式结构；
—平面式结构。
固体氧化物电化学电池所用材料的进步使得这些设备的运行温度降低且不会牺牲现有的性能。在这些条件下，对互连件使用金属组件是可行的并会降低构造成本。此外，由同一申请人提出的法国专利申请案FR 2 877 498描述了一种轴向式燃料电池结构，其提供了一种用于将电化学电池相互电性串联的解决方案。图1显示此种类型的燃料电池构造。燃料电池主要由中央堆栈2构成，中央堆栈2是由通过互连件1相互隔开的多个基本燃料电池形成。这些互连件是由配备有挠性圆齿状套环的中央金属隔板构成。箱体是由基座5及法兰4构成，基座5及法兰4二者将堆栈2夹紧在一起并用于分配及回收可燃气体及其残留物。
图2显示所用互连件类型的细节。实际上，该图显示互连件的一半。该互连件主要由中央隔板13构成，中央隔板13则由半圆柱形金属板构成。各套环11彼此间隔地固定于其每一表面上，从而以倾斜方式在密封的隔板13的每一侧上突出。密封的隔板13呈管状，被设计为用于隔开所用的两种气体并参与将不同电池相互串联。套环11的功能是使各个电化学电池通过接触而相互串联。套环11在吸收电池与互连件之间的膨胀差的同时，还能实现组装，从而在热态下保持接触。
此种带有套环或条带的互连件的制造成本相当高昂，这是因为其需要使用具有高的蠕变耐受性的合金以保持长期接触。此外，各个接触点相互间隔较远，这样使得电子在电极中循环期间造成电阻性损耗。本发明的目的是通过不再需要依赖于形成互连件的材料的弹性而延长此种类型设备的寿命并降低其制造成本。
发明内容
为此，本发明的主要目的是提供一种具有轴向结构的SOFC(固体氧化物燃料电池)模块和一种SOEC(固体氧化物电解池)，所述轴向结构由具有管状几何形状的基本电池构成，其中每一电池均由包括阳极、电解质及阴极的同心堆栈构成，其中每一电池均被两个互连件环绕，所述模块由多个同心电池的同心堆栈构成并在每一侧上配备有一分配及排放装置(即基座及法兰)。
根据本发明，每一互连件均由压紧在各个电池之间的多个金属球以及与电池同轴地并交替地叠置的隔离管构成。
在本发明的较佳构造形式中，模块的截面是圆柱形的。
在本发明的较佳实施例中，在基座与堆栈之间使用圆环，以用于关闭各个隔离管，从而打破通过基座进入电池与隔离管之间间隔中的气流。
在此种情形中，在圆环上提供具有斜坡的肩部比较有利，以便在间隔中被填充有球时使球360°环绕分布。
本发明的一个变型包括根据操作条件以及球沿模块的整个长度所处的位置而将球涂以不同的涂层，以形成球保护梯度。
在基座的上表面上使用密封件也比较有利，以保持密封件与堆栈之间的密封。该密封件可以是玻璃—陶瓷或泥釉玻璃(slip glass)。
附图说明
参照附图阅读下文说明，可更佳地理解本发明及其不同的技术特征，附图中：
图1显示根据现有技术的具有轴向构造形式的燃料电池；
图2显示图1所示类型的燃料电池中所用的条带式互连件；
图3显示根据本发明的模块中所用的球形互连件的设计；
图4显示根据本发明的模块中基座接合点(junction)以及堆栈中的两个级的细节；
图5显示根据本发明的具有两级电池的整个模块的半截面；以及
图6显示根据本发明的模块中所用的基座和单板的分解图。
具体实施方式
参见图3，根据本发明的互连件主要包括一管状隔离管22，管状隔离管22是由铁素体不锈钢或任何其它热膨胀系数较低的金属合金制成。管状隔离管22的功能是将所用的球保持在适当位置，使电化学电池相互电性串联连接以及用于分隔气体。上述材料比基于镍的材料廉价得多，并且其可加工性与传统不锈钢的可加工性相当。如果在形成隔离管22的材料上观察到氧化，而使该隔离管的表面保持良好的导电性并形成防止铬挥发的有效屏障，可通过制作涂层来实现一样的功能。
第二功能组件是由放置于隔离管22每一侧上的多个球20构成，球20还应接触与互连件相邻的两个电池中的一个。因此，球20的功能是使各电化学电池通过隔离管22相互电性串联，尽管在这些不同组件之间可能存在膨胀差。球20还具有气体扩散作用，且能够无需依赖于材料的弹性便能够实现总成的安装。
图3还显示在该互连件上存在圆环24，圆环24紧位于基座28上方。圆环24可通过焊接来加设，或者其可机加工于本体中。圆环24的功能是使与其接触的底部的球保持于适当位置，防止气体入口被这些球堵塞，且通过打破从下面进入的气体射流(gas jet)而使气体分布均匀，并引导气体遍布模块的整个周边。在圆环24中机加工有凹槽(图未示出)，这些凹槽与气体入口垂直地对齐，以使气体能够从中穿过。
在圆环24的上表面上可以看到微倾的斜坡，以使球在填充期间能够良好地分布，从而使球可填充隔离管22与两个相邻电池之间的整个空间。可装设一个或多个水平隔板26，以将所用的大量球分区，从而实现更佳的分布并减小球之间的磨擦。在后一种情形中，使用漏斗形工具通过在各个室中填满球时，使管降低而在所有空间中填充球。
在铬不在模块的整个长度上均匀挥发的情形中，提供涂层以保持电子传导性将会有所帮助，从而提供防止铬挥发的屏障作用。
还可根据所存在的气体以及气体在所考虑的区域中的浓度而叠置具有不同涂层的多层球20，以形成保护梯度。例如，在具有穿过底部的氢气入口的SOFC型燃料电池中，可在蒸汽浓度足够低的区域中堆栈未经涂覆的球，然后堆栈经过涂覆的球或具有形成有导电氧化物的球。
在底部附近具有蒸汽入口的SOEC型电解设备中，此种类型的堆栈可反置。
图4显示根据本发明的模块的堆栈中基座的细节。图中仅显示两个电池15和三个互连件，但是也可设想在所述堆栈的整个半径上具有大量的这些组件。
因此，电化学电池15是管状的，具有增大的半径并相互嵌套地安装。对于互连件22，应注意，球20填充于在隔离管22与电池15之间留出的整个环形空间中。
模块具有基座50，基座50的作用类似于气体分配箱。可设想，基座可由铁素体不锈钢或由膨胀系数较低的任何其它金属合金制成。基座50设置有两个通用气体供应管，这两个通用气体供应管连接至外部供应源或连接至另一电池或另一电解装置。一单板52设置于基座50与模块堆栈之间。所述单板可由锆制成，并且其有助于气体在阳极和阴极室中的分布。单板还对总成进行电性隔离，以避免燃料电池短路。单板与电池以相同的方式膨胀，以在热瞬态阶段(thermal transient phases)中缓解所述单板。
基座50与单板52之间的密封通过玻璃—陶瓷接合形成，所述玻璃—陶瓷接合可通过等离子体焰矩或通过泥釉玻璃密封来设置。
图5中示出了模块总成的截面。该图显示基座50以及用于支撑由互连件及电池15构成的堆栈的单板52，基座50及单板52均支撑用于收集气体及其残留物的法兰40。应注意，支撑管54环绕由电池15及互连件构成的堆栈。最后，该图5还显示堆栈底部的球20，球20置于隔离管22与电池15之间。
图6显示相互分离的上述基座50与单板52。基座50的上表面被密封件覆盖，密封件可由玻璃—陶瓷或泥釉玻璃制成。
该图6显示气体分配通道53，这些气体分配通道53在所有电池与其对应的互连件之间围绕堆栈的整个半径。向上的箭头表示当模块垂直定位时，在总成中将存在向上的气流。单板52在邻近每一隔离管22的圆环24处配备有孔，孔中设置有毛细管56，毛细管56穿透入如图4所示的槽30中。这些毛细管56可防止馈送通道被分布于单板52的整个上表面上的密封件的玻璃堵塞。
可以看出，需要使用夹紧装置来支撑构成该模块的总成。然而，图中未示出该装置。
全局气体循环是轴向的，为同向流动或逆流流动形式。上文仅说明了轴向的同向流动形式。应理解，气体向上通入环形通道55以及中央圆柱形室57中，中央圆柱形室57提供径向通道53。因此，气体通过单板52中所形成的设置有毛细管56的孔传递入其对应的操作室中。如在本申请第一部分中所揭露，沿着容纳有球的室，气体与电极接触而发生反应。用过的或经过转化的气体被法兰40(图5)收集并被导向出口或另一燃料电池或另一电解装置。
电能是在模块端子处，换句话说，在内部及外部互连件处收集。
本发明的优点
球的存在使电池与气体隔离管之间的接触点明显增多。
由于球的存在，气体在操作室中以及因而在电极表面上的分布得到显著的改善。
与在现有技术中所揭露的制造成本相比，该模块的制造成本相对较低。最后，显然该总成的使用寿命长于弹性解决方案。

Claims (18)

1.一种具有轴向构造的SOFC(固体氧化物燃料电池)型燃料电池模块，其由多个基本电池(15)构成，所述基本电池(15)具有管状几何形状，每一电池(15)均由包括阳极、电解质及阴极的基本同心堆栈构成，每一电池均被两个互连件环绕，所述模块由多个电池(15)形成的同心堆栈构成并在每一侧上补充设置分配及排放装置，所述分配及排放装置是基座(50)及法兰(40)，
其特征在于，各所述互连件均由多个金属球(20)构成，所述金属球(20)在隔离管(22)的每一侧上被压紧于各个电池(15)之间，所述隔离管(22)在所述电池(15)之间同轴地并交替地堆栈。
2.如权利要求1所述的模块，其特征在于，所述模块的截面是圆柱形的。
3.如权利要求1所述的模块，其特征在于，所述隔离管(22)的基座设置有圆环(24)，以利于分配通过所述基座(50)进入由所述电池(15)及所述隔离管(22)形成的间隔中的气体流。
4.如权利要求3所述的模块，其特征在于，所述圆环(24)具有带微倾斜坡的肩部，以支撑和分配所述球(20)。
5.如权利要求1所述的模块，其特征在于，所述球(20)被涂以不同的涂层。
6.如权利要求1所述的模块，其特征在于，所述模块具有被插入于所述基座(50)与所述堆栈之间的单板(52)，密封件设置于所述基座的上表面上。
7.如权利要求6所述的模块，其特征在于，所述密封件是玻璃—陶瓷密封件。
8.如权利要求6所述的模块，其特征在于，所述基座的所述密封件是泥釉玻璃密封件。
9.如权利要求6所述的模块，其特征在于，玻璃密封件装设于所述单板(52)的上表面上。
10.一种具有轴向构造的SOEC(固体氧化物燃料电池)型电解装置模块，其由多个基本电池(15)构成，所述基本电池(15)具有管状几何形状，每一电池(15)均由包括阳极、电解质及阴极的基本同心堆栈构成，每一电池均被两个互连件环绕，所述模块由多个电池(15)形成的同心堆栈构成并在每一侧上补充设置分配及排放装置，所述分配及排放装置是基座(50)及法兰(40)，
其特征在于，各所述互连件均由多个金属球(20)构成，所述金属球(20)在隔离管(22)的每一侧上被压紧于各个电池(15)之间，所述隔离管(22)在所述电池(15)之间同轴地并交替地堆栈。
11.如权利要求10所述的模块，其特征在于，所述模块具有圆柱形截面。
12.如权利要求10所述的模块，其特征在于，所述隔离管(22)的基座设置有圆环(24)，以利于分配通过所述基座(50)进入由所述电池(15)及所述隔离管(22)形成的间隔中的气体流。
13.如权利要求12所述的模块，其特征在于，所述圆环(24)具有带微倾斜坡的肩部，以支撑和分配所述球(20)。
14.如权利要求10所述的模块，其特征在于，所述球(20)被涂以不同的涂层。
15.如权利要求10所述的模块，其特征在于，所述模块具有被插入于所述基座(50)与所述堆栈之间的单板(52)，密封件设置于所述基座的上表面上。
16.如权利要求15所述的模块，其特征在于，所述密封件是玻璃—陶瓷密封件。
17.如权利要求15所述的模块，其特征在于，所述基座的所述密封件是泥釉玻璃密封件。
18.如权利要求15所述的模块，其特征在于，玻璃密封件装设于所述单板(52)的上表面上。
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