CN101953008B - 管状电化学电池 - Google Patents

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Abstract

本教导涉及具有封闭的费马螺线形状的电化学电池。电化学电池包括阳极、阴极、电解质、燃料通道、氧化剂通道以及可选地重整层。可以通过挤压成型、凝胶注模成型或者3-D压印来制造电化学电池。电化学电池可以是固态氧化物燃料电池。

Description

管状电化学电池
技术领域
本发明涉及管状化学电池。
背景技术
电化学装置(诸如燃料电池、氧气泵、传感器等)通常提供将化学能以最小的污染有效地转换为电能的机会。电化学装置通常包括可以实现平面、管状或单片设计的电化学电池。各种设计有各种劣势，例如，平面固态氧化物燃料电池(“SOFC”)的慢启动以及管状SOFC的较低的体积功率密度。
虽然管状电池设计已经证实了具有足够的热冲击耐受性以及高机械强度，但是它们相对于其他电池设计能具有低的体积功率封装密度。例如，为了产生等量的功率，管状电化学电池通常比平面或单片电化学电池的尺寸大得多。增加电化学电池的尺寸(即，直径或长度)以产生更大量的功率的一个缺点是较低的体积功率密度。然而，减小管状电池的尺寸可以增加含有许多管状电池的电化学电池堆栈的体积功率密度。不幸地，堆栈中太多的电池可能使得操作变得复杂并且增加制造成本。
因此，需要改善管状电化学电池的功率和电压性能。
发明内容
为了满足这些和其他需要，本教导涉及电化学电池，其包括阳极层、阴极层、电解质层、由阳极层限制的燃料通道以及由阴极层限制的氧化剂通道，其中，该电解质层与阳极层和阴极层中的一者进行离子或者质子传递，阳极层、电解质层和阴极层一同基本形成封闭的费马螺线。
本教导的另一个实施例涉及电化学电池，其包括置于阳极层与阴极层之间以形成多层构件的电解质层，多层构件基本可以形成包括燃料通道和氧化剂通道的封闭的费马螺线。阳极层、阴极层以及电解质层都可以具有基本平面的尺寸并且阳极层和阴极层中的一者与电解质层进行离子和质子传递中的至少一者。燃料通道包括由阳极层形成的内边界以及由阳极层形成的外边界。氧化剂通道包括由阴极层形成的内边界以及由阴极层形成的外边界。
在一些实施例中，阳极层也可以具有重整层。阳极层、电解质层和阴极层都具有约5μm到约2mm之间的宽度。电化学电池可以是阳极支撑的电化学电池、阴极支撑的电化学电池、电解质支撑的电化学电池、金属支撑的电化学电池或者衬底支撑的电化学电池。燃料通道和氧化剂通道都可以具有约0.1mm到约5mm之间的宽度。电解质层可以包括离子导体或质子导体。在特定实施例中，电化学电池是固态氧化物燃料电池。
本教导的另一方面涉及制造电化学电池的方法。该方法包括：将第一层基本形成为封闭的费马螺线，其中，第一层具有第一侧和第二侧；将第二层与第一层的第一侧的至少一部分相结合；以及将第三层与第二层的至少一部分相结合。在一些实施例中，可以对第一层进行预烧制。在一些实施例中，可以对第一层和第二层进行烧制。在一些实施例中，可以对整个电化学电池进行烧制。可以通过挤压成型、凝胶注模成型、3-D压印或者滚压预形成的带来形成第一层。可以通过浸渍涂布或凝胶注模成型来将第二层与第一层相结合。可以通过浸渍涂布或凝胶注模成型将第三层与第二层相结合。第一层的第二侧可以被掩盖以有助于涂布第二层和第三层。在一些实施例中，第一层和第三层都可以包括电极材料，并且第二层可以包括电解质材料。在一些实施例中，重整催化剂可以与第一层的第二侧或者第三层的暴露侧相结合。在一些实施例中，第四层可以与第三层的至少一部分相结合，其中，第一层是支撑件，第二层和第四层是电极，并且第三层是电解质。
在特定实施例中，制造电化学电池的方法包括将电解质层基本形成为封闭的费马螺线，其中，电解质层具有第一侧和第二侧；将阴极层与电解质层的第一侧的至少一部分相结合；以及将阳极层与电解质层的第二侧的至少一部分相结合。
本教导的另一方面涉及操作电化学电池的方法。在一些实施例中，操作基本圆柱体的电化学电池的方法包括使得燃料流动经过电化学电池，其中，燃料以第一平均燃料半径进入电化学电池并且以第二平均燃料半径离开；以及使得氧化剂流动经过电化学电池，其中，氧化剂以第一平均氧化剂半径进入电化学电池并且以第二平均氧化剂半径离开。在一些实施例中，燃料和氧化剂沿着相同的轴向方向流动。在某些实施例中，燃料和氧化剂沿着相反的轴向方向流动。在一些实施例中，其中，第一平均燃料半径小于第二平均燃料半径，并且第一平均氧化剂半径小于第二平均氧化剂半径。
在各种实施例中，操作电化学电池的方法包括：将流体引导经过电化学电池，其中，电化学电池基本是圆柱体的并且具有轴向长度，并且其中流体具有浓度；以及沿着电化学电池的轴向长度的至少一部分径向地改变流体的浓度。
在某些实施例中，操作基本圆柱体的电化学电池的方法包括：将燃料流大致沿着电化学电池的轴线引导进入电化学电池；以及沿着电化学电池的轴向长度的至少一部分将电化学电池中的燃料流暴露到增加的阳极表面面积。
附图说明
应该理解，附图没有必要按照比例而是主要强调示出本教导的原理。附图不是为了以任何方式限制本教导的范围。
图1是费马螺线的示意图。
图2是封闭的费马螺线的示意图。
图3是根据本教导的电化学电池的实施例的示意立体图。
图4是图3中示出的实施例的3A-3B处的截面图。
图5是制造本教导的电化学电池的制造方法的实施例的高等级流程图。
图6是操作本教导的电化学电池的方法的实施例的高等级流程图。
具体实施方式
本教导可以提供具有改善的功率和电压性能以及燃料利用而不增加电化学电池的外部尺寸的电化学电池。例如，本教导包括具有表现为费马螺线的内部结构的管状电化学电池。在实施例中，内部结构是表现为封闭的费马螺线形状的基本平面的多层构件(包括阴极、阳极和电解质)，使得燃料通道和氧化剂通道形成在多层构件的任一侧上。本教导可以用来设计相比于具有相同外部尺寸的现有技术的管状电化学电池具有较高体积功率密度的电化学电池。
在说明书通篇中，在将装置或组件描述为具有、包括或包含特定部件时或者将过程描述为具有、包括或包含特定的处理步骤时，可以预料到本教导的组件也由所列举的部件组成或基本由其组成，并且本教导的过程也由所列举的处理步骤组成或基本由其组成。应该理解，步骤的顺序或执行特定动作的顺序是不重要的，只要该方法保持可操作。此外，可以同时进行两个以上的步骤或动作。
在应用中，在元件或部件包括在所列举的元件或部件表中和/或从其中选择时，应该理解元件或部件可以是所列举的元件或部件中的任何一者并且可以从所列举的元件或部件中的两者以上中选择。此外，应该理解，无论是明确的还是暗示的，可以在不超出本教导的精神和范围的情况下以各种方式结合这里描述的组件、设备或方法的元件和/或者特征。
可以理解，为了清楚，已经将本发明的附图和描述简化了，以在省略其他元件的同时示出与清楚地理解本教导相关的元件。例如，这里没有描述涉及挤压成型、凝胶注模成型或者3-D压印的特定细节。然而，本领域技术人员将会理解到，这些和其他的制造技术可以用于产生复杂的形状。因为这些技术是本领域公知的并且因为它们不能有助于更好地理解本教导，所以不提供这些技术的详细讨论。
除非特别说明，术语“包括”或“具有”的使用应当理解为开放的和非限制性的。
除非特别说明，这里使用的单数形式包括多个(反之亦然)。此外，除非特别说明，当在定量值之前使用术语“约”时，本教导也包括特定定量值自身。
在以下讨论的示意性实施例中，术语“费马螺线”通常指的是抛物线螺线，诸如图1中示出的螺线50。螺线50是按照以下极坐标公式的费马螺线(一种类型的阿基米德螺线)
r＝±θ1/2
(更一般的费马螺线按照r＝a2θ)。本领域的技术人员将会认识到可以在不超出本教导的原理的情况下使用费马螺线的变形。
术语“封闭的费马螺线”指的是其中螺线自身封闭的费马螺线，诸如如图2所示的方式。图2示出了其中第一端4和第二端6封闭的示例性封闭费马螺线2。
图3是根据本教导的具有一般的圆柱体形状的示例性电化学电池10的示意性立体图以及表示封闭费马螺线的截面图。如图所示，电化学电池10包括第一端32、中点34和第二端36。
电化学电池可以是本领域中公知的任何类型的电化学电池，例如包括燃料电池或电解电池。本教导包含在大范围温度下工作的燃料电池，包括高温电池(例如，固态氧化物燃料电池和熔融碳酸盐燃料电池)以及低温电池(例如，磷酸燃料电池和质子交换膜燃料电池。)
图4是图3中示出的实施例的3A-3B的截面图。电化学电池10可以包括阳极12、电解质14、阴极16、燃料通道18(由阳极12限制)以及氧化剂通道20(由阴极16限制)。在图示实施例中，电解质14置于阳极12与阴极16之间，使得阳极12、电解质14和阴极16一同形成多层构件19。多层构件19转而具有基本圆柱体形状并且展现出封闭费马螺线的截面。如所示，电化学电池10也包括径向中心26、半半径位置28和半径30。在操作中，氧化剂(诸如空气)流动经过氧化剂通道20，并且燃料以相同或相反的轴向方向流动经过燃料通道18。氧化剂通道20中的氧化剂分子透过阴极16并且接触电解质14，在离子导体的情况下，在该位置处形成氧离子。氧离子扩散到电解质14中并且迁移到多层构件19的另一侧，在该位置处氧离子与阳极12和流动经过燃料通道18的燃料相遇。
阳极层(即，阳极)可以具有基本平面的尺寸，具有范围从约5μm到约2000μm的宽度。由于阳极是载荷支承结构，例如，在阳极、阴极和电解质之中具有最大的机械强度，所以电化学电池可以是阳极支撑的。在阳极支撑实施例中，阳极可以具有在约0.5mm到约2mm的范围内的宽度。根据这种实施例，电解质可以具有约5μm到约50μm的宽度，并且阴极可以具有约10μm到约100μm的宽度。
在成分上，阳极可以由本领域公知的任何适合的多孔电极制成。例如，阳极可以由陶瓷材料或金属陶瓷材料制成。陶瓷材料或金属陶瓷材料的金属陶瓷成分例如可以包括基于氧化锆的材料或基于氧化铈的材料。示例性材料包括但不限于稳定的氧化锆(例如，氧化钇稳定的氧化锆，特别地为(ZrO2)0.92(Y2O3)0.08)以及掺杂的氧化铈(例如，掺杂钆的氧化铈(Ce0.90Gd0.10)O1.95)。在金属陶瓷的情况下，金属成分可以包括一种以上的过渡金属、它们的合金和/或物理混合物。可以以氧化物或盐(例如，NiO、Ni(NO3)2)的形式来引入金属成分(例如，Ni、Co、Cu、Ag和W)，并且基于金属陶瓷材料的总体积，该金属成分可以存在于从约30.0vol.％到约80.0vol.％的范围内。例如，阳极可以是具有氧化钇稳定的氧化锆的多孔镍金属陶瓷。其他合适的电极材料包括可以包括金属成分也可以不包括金属成分的基于氧化铝和/或氧化钛的金属陶瓷。
在各种实施例中，如共同未决美国申请No.11/880,105中所公开的(通过引用将其全部结合在这里)，阳极层也包括重整层。重整层可以包括局部氧化重整催化剂、蒸汽重整催化剂和/或自热重整催化剂。重整层和电解质层可以与阳极的相反侧整体或部分地相结合。本领域技术人员将会认识到重整层可以与电化学电池的阳极层相结合，无论电池是阳极支撑的、阴极支撑的、电解质支撑的还是衬底支撑的。
阴极层(即，阴极)可以具有基本平面的尺寸，具有范围从约5μm到约2mm的宽度。电化学电池可以是阴极支撑的。对于阴极支撑的电化学电池，阴极可以具有在约0.5mm到约2mm的范围内的宽度。在阴极支撑的电化学电池中，电解质可以具有约5μm到约50μm的宽度，并且阳极可以具有约5μm到约100μm的宽度。阴极可以是本领域公知的任何导电多孔材料。合适的阴极材料的示例包括各种钙钛矿，例如但不限于亚锰酸镧钙钛矿陶瓷、铁酸镧钙钛矿陶瓷、亚锰酸镨钙钛矿陶瓷和铁酸镨钙钛矿陶瓷。
电解质层(即，电解质)可以具有基本平面的尺寸，具有从约5μm到约2000μm的范围的宽度。电化学电池可以是电解质支撑的。对于电解质支撑的电化学电池，电解质可以具有约0.1mm到约2mm的范围的宽度。在电解质支撑的电化学电池中，阳极可以具有约5μm到约100μm的宽度，并且阴极可以具有约5μm到约100μm的宽度。
电解质层(即，电解质)可以是任何离子的或者质子导电材料。在一些实施例中，电解质可以由陶瓷或金属陶瓷材料制成。
离子导体允许将离子传递通过电解质层。由于离子穿过导体晶格中的空隙空间的运动，所以离子导体是导电性的固态电导体。合适的离子导体材料包括萤石构造的电解质、基于氧化锆的氧化物离子导体、基于氧化铈的氧化物离子导体、钙钛矿构造的电解质和钙铁石。
质子导体允许质子传递经过电解质层。质子导体是其中可移动的氢离子(质子)是主要电荷载流子的电解质(诸如固态电解质的)。质子导体可以包括聚合物或陶瓷。合适的质子导体材料包括基于BaCeO3的化合物；基于SrZrO3的化合物；基于CaZrO3的化合物；掺杂有Gd的BaThO3和BaTbO3；BaTH0.9Ga0.1O3，Sr2Gd2O5；以及Sr2Dy2O5。在各种实施例中，电解质层可以由掺杂的陶瓷(诸如掺杂的氧化锆的薄的致密层)制成。
燃料通道允许将燃料输送到阳极。如图4所示，燃料通道可以具有由阳极层之间的间隔所限定的约0.1mm到约5mm之间的宽度。以此方式，燃料通道具有由阳极层形成的内边界和由阳极层形成的外边界。本领域技术人员将会理解到燃料通道可以构造为在电化学电池的任一端处接收燃料。
氧化剂通道允许将氧化剂输送到阴极。如图4所示，氧化剂通道可以具有由阴极层之间的间隔所限定的约0.1mm到约5mm之间的宽度。以此方式，氧化剂层具有由阴极层形成的内边界和由阴极层形成的外边界。本领域技术人员将会认识到氧化剂通道可以构造为在电化学电池的任一端处接收氧化剂。
除了阳极、阴极和电解质之外，电化学电池也可以包括用于机械支撑电池的支撑层。示例性支撑材料包括金属陶瓷、陶瓷(例如氧化铝、氧化锆和亚铬酸镧)以及金属。
图5描绘了根据本教导的制造电化学电池的示例性方法500的流程图。在步骤502中，使用本领域中公知的技术(例如，挤压成型、凝胶注模成型、3-D压印)将支撑结构或第一层形成为费马螺线。步骤502也包括在适当的温度下对第一层进行烧制，以制造固态支撑件。
挤压成型是用于制造具有固定的截面轮廓的物体的制造过程。第一层可以被挤压和/或牵引经过具有期望轮廓形状(即，封闭的费马螺线)的模子。
凝胶注模成型是与用于制造复杂的形状的注浆成型类似的形成过程。在凝胶注模成型中，陶瓷粉末的粘土与有机单体的溶液相结合并且被引入模子中。模子的内容物可以聚合以形成坚固的、交联的结构。模子可以有包括金属和有机材料(即，蜡、聚合物和石墨)的任何材料制成。通过有机模子，没有必要脱模，因为有机模子可以在热处理过程中烧掉。根据本教导，模子可以是费马螺线的形状。
三维压印(3-D压印)指的是分层建造期望的形状。使用形状或期望的部件的计算机模型，分层算法产生每层的详细信息。每层开始于将粉末的薄分布散布在粉末床的表面上。使用与喷墨印刷类似的技术，粘合剂材料选择性地将粉末颗粒结合到将要形成层的位置处。对粉末床和正在进行处理的部分进行支撑的活塞下降，使得可以散布并选择性地结合下一个粉末层。这种一层接一层的过程重复，直到该部件完成。在移除未粘合的粉末之后，有必要进行热处理以烧掉粘合剂、增加部件强度和/或为接下来的处理步骤产生期望的结构。
在步骤504中，在形成(并且在一些实施例中烧制)第一层之后，使第二层与第一层的第一侧(即，与涂布重整层的那一侧相反的一侧)的至少一部分或者整个第一层相结合。第二层可以通过浸渍涂布、凝胶注模成型或其他薄膜涂布手段而与第一层相结合。
浸渍涂布包括制备第二层材料的溶液以及将第一层浸渍到溶液中，利用第二层涂布阳极。第一层的某些区域被掩盖以限制到该特定区域的涂布。掩模可以是胶带、腊或者本领域技术人员所公知的保护被掩盖的区域使其不暴露到溶液中的任何其他材料或者方法。例如，如果第一层将要在第一层的第一侧上涂布第二层，那么第一层的第二侧可以被掩盖以使得溶液将会仅暴露第一层的第一侧。在第二层已经与第一层的第一侧结合之后，可以移除掩模并且可以烧制第一层和第二层两者。
在步骤506中，将第三层与第二层相结合。第三层可以与第二层的至少一部分或者整个第二层相结合。第三层可以以与上述将第二层与第一层相结合的方式相同的方式(浸渍涂布、凝胶注模成型或其他薄膜涂布手段)与第二层相结合。在第三层已经与第二结合之后，可以对整个电化学电池进行烧制。
如果第一层是具有第一侧和第二侧的基本平面的阳极层，那么可以以与上述将第二层与第一层相结合的方式相同的方式将重整层涂布在阳极的第二侧上。
在各种实施例中，第一层和第三层可以是电极并且第二层可以是电解质。在一些实施例中，第一层可以是阳极，第三层可以是阴极并且第二层可以是电解质，从而制造阳极支撑的电化学电池。在一些实施例中，第一层可以是阴极，第三层可以是阳极并且第二层可以是电解质，从而制造阴极支撑的电化学电池。在阴极支撑的电化学电池中，重整层可以与第三层(即，上述阳极层)相结合。
在一些实施例中，第一层是电解质并且第二和第三层是都与第一层相结合的电极，从而制造电解质支撑的电化学电池。如上所述，可以使用浸渍涂布、凝胶注模成型或其他薄膜涂布手段将第二层和第三层与第一层相结合。如果第三层是阳极层，那么第四重整层可以与阳极相结合。
在各种实施例中，包括与第三层的至少一部分相结合的第四层的电化学电池可以是衬底支撑的。在这些实施例中，第一层可以是衬底，第二和第四层可以是电极并且第三层可以是电解质，从而制造衬底支撑的电化学电池。衬底可以由陶瓷、金属陶瓷或金属制成。此外，第五层可以与第四层相结合，例如，第五层可以是与阳极层相结合的重整层。此外，全部重整或部分重整的材料可以注入支撑层中。全部重整意味着引入的燃料可以在位于支撑层中的重整层处被完全地重整。部分重整意味着位于支撑层中的重整层仅能够对于引入燃料的一部分执行重整。在一些实施例中，引入的燃料的剩余部分可以在燃料电池的阳极重整。
在一些实施例中，可以使用上述的挤压成型、凝胶注模成型或3-D压印过程来形成燃料通道和氧化剂通道。在一些实施例中，可以使用多孔前驱物制作通道。多孔前驱物是可以破坏性地移除以在物体中制造空隙通道的材料。示例性多孔前驱物包括但不限于：基于碳的材料、麦秆或纺织品(包括机织的、针织的、打结的、栽绒的、系住的或无纺的纤维或织物材料)。可以通过燃烧、使用溶剂溶解或者本领域技术人员公知的、用来从陶瓷或金属陶瓷中移除多孔前驱物而不伤害陶瓷或金属陶瓷的结构的任何其他手段，来破坏性地移除碳、石墨或者其他材料。
本教导的另一个方面涉及操作电化学电池的方法。该方法包括使得燃料进入电化学电池的燃料通道并且将氧化剂引入电化学电池的氧化剂通道。燃料可以是氢(当阳极不具有重整层时)或者燃料可以是在阳极重整层上重整的碳氢化合物的混合物。根据涂布到阳极层上的重整物的类型，碳氢化合物的混合物可以是任何形式的气体或液体碳氢化合物以及可以与空气(部分氧化重整)或蒸汽(蒸汽或自热重整)混合的碳氢化合物。
图6是本教导的操作电化学电池的示例性方法600的高等级的流程图。参照图4和图6，随着燃料例如在第一端32处进入电化学电池，方法600在步骤602中开始。可以沿着电化学电池的整个截面稍微均匀地将燃料引导到燃料通道18中。在另一个实施例中，可以在小于电化学电池的整个截面处(诸如，仅在电化学电池的径向中心26的附近)将燃料引导到燃料通道18中。在另一个示例中，可以在径向中心26与半半径位置28之间或者在电化学电池的径向截面的某个其他点处将燃料均匀地引导到电化学电池中。本领域技术人员将会明白，在小于电池的整个截面处引导燃料可以使得燃料随着其纵向穿过电池而径向向外扩散。例如，在第一端32处引入径向中心26与半半径位置28之间的燃料可以朝向半径位置30径向向外扩散，使其以比在第一端32处更大的平均燃料半径离开第二端36。本领域技术人员将会认识到，这种径向扩散可以使得燃料浓度沿着电化学电池的长度变化。虽然步骤602已经按照将燃料引入第一端32进行了描述，但是本领域技术人员将会认识到，可以将燃料引入第二端36。
燃料可以经由本领域技术人员公知的输送机构输送到电化学电池。例如，可以经由燃料泵或者使用容纳在燃料容器中的压力而将燃料输送到电化学电池中。
方法600的步骤604包括使得氧化剂流动经过电化学电池，其中，氧化剂以第一平均氧化剂半径进入并以第二平均氧化剂半径离开。可以以与上述参照燃料描述的方式基本相同的方式，但是通常通过费马螺线的氧化剂通道将氧化剂引入电化学电池中。
可以在电化学电池的相同端或者可以在电化学电池的相反端引导燃料和氧化剂的每个。例如，可以在电化学电池的第一端处将燃料引导到燃料通道中，并且在第二端处将氧化剂引导到氧化剂通道中。
在特定实施例中，操作电化学电池的方法包括将具有浓度的流体引导通过本教导的基本圆柱体的电化学电池。因为电化学电池的结构，所以流体的浓度至少沿着电化学电池的轴向长度的一部分径向地变化。流体可以是燃料、氧化剂或废气。
参照图4，本领域技术人员将会认识到，使燃料流(即，燃料)如上所述地偏向径向中心26可以沿着电池的纵轴的至少一部分将燃料流暴露到增加的阳极表面面积。例如，如果在第一端32处将燃料流引导到费马螺线形的电化学电池的径向中心中，燃料流可以沿着电池的纵轴径向地扩散，并且遭遇更多的与其反应的阳极表面面积。在这点上，本领域技术人员也可以理解，在径向中心26处引导燃料流可以使得电池的功率轮廓变得平坦。
此外，相比于相等尺寸的标准管状电化学电池，电化学电池的费马螺线设计可以调节温度。例如，如果在电化学电池的径向中心处将燃料和氧化剂引入电化学电池，那么燃料和氧化剂的最高浓度将会在电池的径向中心处。相比于在电池的径向边缘处，燃料和氧化剂也将会在电化学电池的径向中心处以更高的速度移动。因为燃料和氧化剂的相对高的速度，所以尽管有高浓度，但是一些燃料和氧化剂将不会在电池的中心处反应。因此，电池的中心将会到达过高温度的可能性降低，因此减小了对于电化学电池的热冲击的可能性。因为氧化剂和燃料沿着螺线向外径向移动，所以它们各自的速度降低。这种速度的降低使得燃料和氧化剂必须与阳极和阴极反应的驻留时间增加。此外，随着燃料和氧化剂径向地分散，它们都暴露到与其反应的、更具有电化学活性的表面区域。因此，在电池的中心的反应速率不会显著地高于电池的外侧边缘。因为反应速率直接与电化学电池的工作温度相关，所以，电化学电池的径向温度轮廓可以比标准管状电池略微平坦。此外，在电池的温度在工作期间上升时，电化学电池的螺线形状可以适应电池的径向膨胀。
本教导的实施例也可以相对于类似外部尺寸的标准管状电池显著地增加电池和堆栈体积功率密度。因为在与具有类似外部尺寸的电池相比时，燃料和氧化剂具有在其上反应的、增大的电化学活性表面，所以更大比例的燃料将会反应，因此利用相同外部尺寸的电化学电池产生更多电力。例如，根据设计，本教导的电化学电池可以在相同的工作条件下(即，燃料和氧化剂流动速率、温度、电负载和压力)产生在约50％到约300％功率增加的范围内的增加的功率输出。
其他实施例
本教导可以实施为上文中没有描述的其他特定形式，而不背离其精神或基本特征。上述实施例因此在所有方面都被认为是示意性的而不是限制这里描述的本教导。本发明的范围因此由权利要求而不是上述描述所表明，并且在权利要求的含义和等同范围内的所有改变都包括在其中。

Claims (16)

1.一种电化学电池，包括：
阳极层；
阴极层；以及
电解质层，
其中，所述电解质层置于所述阳极层与所述阴极层之间以形成包括轴向长度和径向长度的螺旋多层构件，并且所述阳极层和所述阴极层中的一者与所述电解质层进行离子或质子传递；所述电池的特征在于：
所述螺旋多层构件形成自身封闭并包括由所述阳极层限制的燃料通道和由所述阴极层限制的氧化剂通道的封闭的费马螺线，并且所述燃料通道和所述氧化剂通道各从第一端沿着所述螺旋多层构件的轴向长度延伸到第二端，并包括螺旋横截面。
2.根据权利要求1所述的电化学电池，其中，所述阳极层还包括重整层。
3.根据权利要求1或2所述的电化学电池，其中，所述阳极层、所述电解质层和所述阴极层都具有约5μm到约2000μm之间的宽度。
4.根据权利要求1或2所述的电化学电池，其中，所述电化学电池是阳极支撑的电化学电池、阴极支撑的电化学电池、电解质支撑的电化学电池、金属支撑的电化学电池或者衬底支撑的电化学电池。
5.根据权利要求1或2所述的电化学电池，其中，所述燃料通道和所述氧化剂通道都具有约0.1mm到约5mm之间的宽度。
6.根据权利要求1或2所述的电化学电池，其中，所述电解质层包括离子导体或质子导体。
7.根据权利要求1或2所述的电化学电池，其中，所述电化学电池是固态氧化物燃料电池。
8.一种制造权利要求1所述的电化学电池的方法，所述方法包括：
将所述阳极层基本形成为自身封闭的封闭的费马螺线，其中，所述阳极层具有第一侧和第二侧；
将所述电解质层与所述阳极层的所述第一侧的至少一部分相结合；并且
将所述阴极层与所述电解质层的至少一部分相结合。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，形成所述阳极层包括挤压成型、凝胶注模成型或3-D压印。
10.根据权利要求8所述的方法，其中，所述方法包括使用多孔前驱物来在所述电化学电池中制造空隙。
11.根据权利要求8或9所述的方法，其中，将所述电解质层与所述阳极层的所述第一侧的至少一部分相结合包括浸渍涂布或凝胶注模成型，并掩盖所述阳极层的所述第二侧。
12.根据权利要求11所述的方法，包括掩盖所述阳极层的所述第二侧并将重整催化剂与所述阳极层的所述第二侧相结合。
13.根据权利要求8或9所述的方法，其中，将所述阴极层结合包括浸渍涂布或凝胶注模成型。
14.一种操作权利要求1所述的电化学电池的方法，所述方法包括：
使得燃料从所述第一端沿着所述电化学电池的轴向方向流到所述第二端，其中，所述燃料在所述螺旋多层构件的径向中心附近进入所述燃料通道；并且
使得氧化剂流动经过所述电化学电池，其中，所述氧化剂在所述螺旋多层构件的径向中心附近进入所述氧化剂通道。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述燃料和所述氧化剂沿着相同的轴向方向流动。
16.根据权利要求14所述的方法，其中，所述燃料和所述氧化剂沿着相反的轴向方向流动。
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