CN103828106B - 具有带整体的气体分配管的薄端板的燃料电池堆 - Google Patents
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Abstract
一种燃料电池堆，包括薄过程气体连接端板，其具有与多个燃料电池和形成燃料电池堆的互连件的温度膨胀系数基本上相同的温度膨胀系数，薄过程气体连接端板的长度和宽度匹配燃料电池和互连件的长度和宽度，并且过程气体连接端板密封到电池堆和互连件使得过程气体连接端板、电池和互连件形成一个整体单元，其中，过程气体分配管固定地连接例如焊接或硬钎焊到过程气体连接端板。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有至少一个过程气体连接端板的燃料电池堆，其较薄并且具有的长度和宽度和热膨胀系数匹配燃料电池堆的长度和宽度和热膨胀系数并且其包括至少一个过程气体分配管。
背景技术
在下文中，将围绕固体氧化物燃料电池解释本发明。但是，根据本发明的互连件也可用于其它类型的燃料电池，诸如聚合物电解质燃料电池（PEM）或直接甲醇燃料电池（DMFC）。固体氧化物燃料电池(SOFC)包括能传导阳离子的固体电解质，将氧气还原为阳离子的阴极以及氧化氢气的阴极。在SOFC中的总反应为氢气和氧气电化学反应以产生电、热和水。为了产生所需的氢气，阳极通常具备用于烃特别是天然气的蒸汽重整的催化活性，由此生成氢气、二氧化碳和一氧化碳。作为天然气的主要成分的甲烷的蒸汽重整可以通过以下方式描述：
CH4 + H2O —► CO + 3H2
CH4 + CO2 —► 2CO + 2H2
CO + H2O —► CO2 + H。
在操作期间，诸如空气的氧化剂被供应到固体氧化物燃料电池的阴极区域。诸如氢气的燃料被供应到燃料电池的阳极区域。可选地，诸如甲烷的烃燃料被供应到阳极区域，在阳极区域中，烃燃料通过上述反应转化为氢气和碳氧化物。氢气通过多孔阳极并且在阳极/电解质界面处与在阴极侧上生成、已扩散通过电解质的氧离子起反应。利用来自电池的外部电路的电子输入，氧离子形成于阴极侧。
为了提高电压，组装若干电池单元以形成堆并且通过互连件而连接在一起。互连件用作气体屏障以隔开相邻电池单元的阳极（燃料）侧和阴极（空气/氧气）侧，并且同时，互连件允许在相邻电池，即在具有过剩电子的一个电池的阳极与需要用于还原过程的电子的相邻电池的阴极之间的电流传导。另外，互连件通常具备用于互连件的一侧上的燃料气体和在相反侧上的氧化剂气体流通的多个流动通路。
固体氧化物燃料电池(SOFC)堆因此为包括陶瓷燃料电池和金属互连件和间隔件的夹层结构。这些不同的材料在高温下用玻璃密封件胶合在一起以形成刚性结构。使用这种不同材料使得不能避免热膨胀系数（TEC）的一些差异。在操作期间，堆可能经受高达大约1000摄氏度的高温，在堆中造成温度梯度和因此造成堆的不同部件的不同热膨胀。所造成的热膨胀可导致在堆的不同层之间的电接触减小。热膨胀也可导致在不同层之间的气体密封件中的裂缝和泄露，导致堆较差的功能和减小的功率输出。
当该堆从密封温度或操作温度冷却时，TEC值的失配导致热机械应力和引起裂缝的能量。当端板与堆分层时可释放的潜在能量近似与端板厚度成比例并且与堆TEC和端板TEC之间的差的平方成比例。因此，TEC值和端板厚度的匹配对于电池堆的完整性而言都是重要的。在厚端板与堆端部一体的情况下，引起裂缝的能量会导致堆分层和完整性损失，除非该堆受到压缩系统保护。
在PCT/EP201/001938中公开了这个问题的解决方案，其中试图将端板的厚度和TEC值与电池堆匹配。但是，薄端板仅部分地解决了这个问题：如果具有不同TEC值的另外的部件施加到电池堆上，那么TEC的值的失配将成为问题，即使是对于薄端板而言。这是现有技术电池堆的情况，其中过程气体到电池堆的连接利用厚金属板进行。因此，需要到燃料电池堆的过程气体连接方案，其解决了过程气体连接的TEC值不匹配电池堆的TEC值的问题。
EP0408104公开了过程气体供应装置，其连接到薄分隔板。但是，分隔板在实际电池堆的区域外侧延伸，因此需要很大的额外空间量，并且过度地增加了电池堆布置的总共尺寸（图3）。另外EP0408104公开了一种从过程气体供应装置到堆中的每个电池用来补偿电极的收缩的弹簧加载的气体通路，这是相当昂贵的解决方案，因为电池堆包括大量电池。
WO02075893还公开了一种解决方案，其中过程气体供应装置布置于电池堆的活性区外侧并且气体供应装置中的至少某些连接到相当厚的板。
类似的解决方案可见于WO2008023879中，其中过程气体供应装置连接到相对较厚的端板。
发明内容
本发明的目的在于提供一种燃料电池堆，其包括过程气体连接方案，其最小化电池堆内的引起裂缝的能量。
本发明的再一目的为提供一种燃料电池堆，其包括过程气体连接方案，与已知的方案相比，这是紧凑的并且降低成本的。
本发明的再一目的在于提供一种过程气体连接装置，其有助于燃料电池堆的高电效率。
本发明的又一目的在于提供一种过程气体连接装置，其节省材料并且降低了燃料电池堆的热质量。
本发明的目的还在于减小过程气体连接装置和电池堆的尺寸、生产时间和故障率。
本发明的另一目的在于提供一种过程气体连接装置，其减小了燃料电池堆中的部件数量和密封件数量和表面积。
由本发明实现的这些和其它目的如下文所描述。
因此，提供一种过程气体连接端板，其特别用于固体氧化物燃料电池堆，但也可能用于其它燃料电池堆，诸如PEM和DMFC。在任何情况下，燃料电池堆包括多个堆叠的燃料电池，其中的每一个燃料电池至少包括阳极、电解质和阴极。相邻的燃料电池由互连件分开。该堆还包括至少一个过程气体连接端板，其长度和宽度对应于多个燃料电池的长度和宽度。应了解包括（多个）过程气体连接端板的燃料电池堆因此具有规则的基本上盒状（例如，角部可被倒圆或倒角）的形式，这是节省空间的并且易于构建到布置内并且易于热绝缘。
过程气体连接端板的材料和厚度适于提供过程气体连接端板的TEC值，其基本上匹配多个电池的温度膨胀系数。应了解“基本上”表示过程气体连接端板的TEC值与多个燃料电池的TEC值不必是完全相同的数值，而是大约相同。过程气体连接端板的TEC值与燃料电池的TEC值相等的程度可为若干因素的设计折衷，但重要的是应了解过程气体连接端板的厚度与已知技术的厚端板相差较远，已知技术厚端板可为8-10mm（或甚至更厚），其因此相对于燃料电池具有较大热质量和较大引起裂缝能量的可能性。
至少一个过程气体连接端板和多个燃料电池由密封件连接到彼此使得它们在组装后形成单个整体单元并且如之前所提到的那样为规则的基本上盒状单元，易于处置并且布置于系统或模块中。但是，需要到燃料电池堆的一些连接件，并且因此盒状特别具有某些附加的特征：
过程气体连接端板包括至少一个过程气体分配管，至少一个过程气体分配管永久固定连接到所述过程气体连接端板的第一面。应了解管到过程气体连接端板的固定连接表示过程气体连接端板和至少一个过程气体分配管形成整体单元。因此，在端板与至少一个过程气体管之间无需任何密封件。由于密封件为可能的故障点，因此其为本发明的重要特征。
在所描述的本发明的一实施例中，具体地存在固定连接到过程气体端板的两个过程气体分配管：第一过程气体分配管、入口和第二过程气体分配管、出口。这两个过程气体分配管可适于向多个堆叠的燃料电池分配阳极气体或阴极气体或从多个堆叠的燃料电池分配阳极气体或阴极气体。本发明的此实施例可适用于燃料电池堆，其具有内部和外部过程气体歧管装置。即，所提到的两个过程气体分配管适于在燃料电池的内歧管装置侧上提供过程气体，而外歧管装置向燃料电池的外歧管装置侧提供过程气体。通过内歧管装置表示从气体入口或出口向燃料电池堆中燃料电池中每一个或从燃料电池堆中燃料电池中每一个的过程气体分配由在物理上位于和/或整体形成于基本上盒状燃料电池堆内的歧管提供，而外歧管装置表示从气体入口或出口到燃料电池堆中燃料电池中每一个或从燃料电池堆中燃料电池中每一个的过程气体分配由在物理地位于基本上盒状燃料电池堆外侧邻近处的歧管提供。
在本发明的再一实施例中，过程气体连接端板仅具备一个过程气体分配管，阳极气体分配管和入口。并不存在用于阳极气体的出口管。替代地当从燃料电池排出气体时，阳极气体与阴极气体混合，并且当混合部分地反应的阳极气体与阴极气体时，燃烧阳极气体。
在本发明的再一实施例中，至少一个过程气体分配管包括柔性构件，其适于补偿附连到管上的构件相对于燃料电池堆的振动或移动。燃料电池堆并不生成振动，因为其并无移动的零件，但燃料电池堆的变化的温度可生成移动。周围的设备和环境因此也可成为振动和移动的原因。由于振动和移动可以造成燃料电池堆的泄露或损坏，所以重要的是弥补这些挑战。柔性构件可为已知技术中的任何类型，其具有所需的柔性以及能耐受过程环境的能力。例如，柔性构件可为波纹管。
在本发明的另一实施例中，过程气体连接端板的第二面（与过程气体连接端板的第一面相对）包括整体形成到过程气体连接端板内的流动通路。流动通路适于从第一过程气体分配管、入口分配过程气体，并且均匀地经过多个燃料电池中的第一个的活性区，并且到达第二过程气体分配管、出口。在本发明的此实施例中，过程气体连接端板的流动通路可对应于在燃料电池堆中互连件的流动通路。
在本发明的实施例中，过程气体连接端板由金属制成并且至少一个过程气体分配管焊接到过程气体连接端板上。金属可为铬钢或镍合金。此也可为被选择用于燃料电池堆中互连件的金属，由此过程气体连接端板的TEC值可非常接近互连件的TEC值。
在本发明的一实施例中，过程气体连接端板的厚度在0.2mm至2.0mm的范围内，优选地在0.4mm至1.2mm的范围内。此厚度可与互连件的厚度匹配。如之前所提到的那样，过程气体连接端板的长度和宽度与燃料电池的长度和宽度基本上相同。在本发明的实施例中，其可在40mm-300mm的范围内，并且优选地在100mm-200mm的范围内。
因此，在与现有技术过程气体连接装置相比时，本发明的主要优点在于：
- 减轻了由于电池堆的不均匀和没有柔性的热膨胀造成的泄露和故障。
- 降低了过程气体连接装置的材料成本，
- 缩短了燃料电池堆的组装时间。
- 防止由于错误组装造成的燃料电池故障。
- 减少了部件数量。
- 由于允许更高热梯度而不损害电池或密封件的低质量和柔性几何形状，因此缩短了启动时间。
本发明的特征
1. 一种燃料电池堆（100），包括：多个堆叠的燃料电池（101），每个电池至少包括阳极（102），电解质（103）以及阴极（104），并且相邻的燃料电池各由互连件（105）分开，所述堆还包括至少一个过程气体连接端板（106），其长度和宽度对应于所述多个电池的长度和宽度，所述过程气体连接端板的材料和厚度适于提供具有基本上匹配所述多个电池的温度膨胀系数的温度膨胀系数的所述过程气体连接端板；所述至少一个过程气体连接端板和所述多个燃料电池利用密封件连接到彼此以形成单个整体单元，其中所述过程气体连接端板包括至少一个过程气体分配管（107），所述至少一个过程气体分配管（107）固定连接到过程气体连接端板的第一面，由此过程气体连接端板和所述至少一个过程气体分配管形成整体单元并且在过程气体连接端板与至少一个过程气体分配管之间无需密封件。
2. 根据特征1所述的燃料电池堆，其中，所述过程气体连接端板具备两个过程气体分配管：第一过程气体分配管、入口（108）和第二过程气体分配管、出口（109），用于向多个堆叠的燃料电池分配阳极气体或阴极气体或从多个堆叠的燃料电池分配阳极气体或阴极气体。
3. 根据特征1所述的燃料电池堆，其中，所述过程气体连接端板具备一个过程气体分配管：阳极气体分配管、入口（108），并且其中阳极气体从所述阳极气体分配管、入口分配，均匀地经过所述多个燃料电池的活性区，并且之后被排出，与阴极出口气体混合并且燃烧。
4. 根据前述特征中任一项所述的燃料电池堆，其中，所述至少一个过程气体分配管包括适于补偿振动和移动的柔性构件（110）。
5. 根据特征4所述的燃料电池堆，其中所述柔性构件为波纹管。
6. 根据前述特征中任一项所述的燃料电池堆，其中，所述过程气体连接端板包括整体形成于与过程气体连接端板的第一面相对的第二面中的过程气体流动通路，所述过程气体流动通路适于从第一过程气体分配管、入口分配过程气体，均匀地经过所述多个燃料电池中的第一个的活性区，并且到达第二过程气体分配管、出口。
7. 根据前述特征中任一项所述的燃料电池堆，其中，所述过程气体连接端板由金属制成并且所述至少一个过程气体分配管焊接或硬钎焊到过程气体连接端板。
8. 根据特征7所述的燃料电池堆，其中，所述金属为铬钢或镍合金。
9. 根据前述特征中任一项所述的燃料电池堆，其中，所述过程气体连接端板的厚度在0.2mm至2.0mm的范围内，优选地在0.4mm至1.2mm的范围。
10. 根据前述特征中任一项所述的燃料电池堆，其中，所述过程气体连接端板和所述多个燃料电池的长度和宽度在40mm-300mm的范围内，优选地在80mm-200mm的范围内。
11. 根据前述特征中任一项所述的燃料电池堆，其中，所述多个燃料电池为固体氧化物燃料电池。
附图说明
本发明还由附图示出，附图示出了本发明的某些实施例的示例。
图1示出了根据本发明的实施例包括过程气体连接端板的燃料电池堆的剖视侧视图。
位置编号概述：
100. 燃料电池堆
101. 燃料电池
102. 阳极
103. 电解质
104. 阴极
105. 互连件
106. 过程气体连接端板
107. 过程气体分配管
108. 第一过程气体分配管、入口
109. 第二过程气体分配管、出口
110. 柔性构件。
具体实施方式
图1示出了燃料电池堆100，其由一个堆叠在另一个顶部以形成整个堆的多个燃料电池101组成。
电池中每一个至少包括阳极102、电解质103和阴极104。并且在堆中的每个燃料电池之间放置互连件105，互连件105用来分开阳极气体与阳极气体，互连件用于通过互连件的每个面上的流动通路（未图示）使阳极气体和阴极气体均匀地流动经过阳极区域和阴极区域并且它们用来从堆中的一个燃料电池向下一个燃料电池传导电流。
根据本发明，燃料电池堆具备至少一个薄端板，过程气体分配端板106。如在图1中部分地看出，过程气体分配端板的尺寸与燃料电池堆的尺寸和互连件的厚度匹配，作为本发明的此实施例的重要特点。
本发明的另一重要特点在于过程气体分配端板具备至少一个过程气体分配管107。利用这个管，过程气体可被分配到燃料电池堆或从燃料电池堆分配。在根据图1的实施例中，过程气体分配端板具备两个过程气体分配管，第一过程气体分配管、入口108，其提供到堆的燃料电池的流动，和第二过程气体分配管、出口109，其提供从燃料电池的流动。
为了补偿连接的过程气体设备相对于燃料电池堆的振动和移动，每个过程气体分配管可具备柔性构件110。
在根据图2的另一实施例中，过程气体分配端板具备一个过程气体分配管，阳极气体分配管、入口108，其提供到该堆的燃料电池的阳极气体流动。并不存在第二过程气体分配管、出口。替代地，阳极气体在其流过燃料电池的活性区后排出并且当排出时，其与阴极出口气体混合并且燃烧。
Claims (13)
1.一种燃料电池堆（100），包括：多个堆叠的燃料电池（101），每个电池至少包括阳极（102），电解质（103）以及阴极（104），并且相邻的燃料电池各由互连件（105）分开，所述堆还包括至少一个过程气体连接端板（106），至少一个过程气体连接端板（106）具有的长度和宽度对应于所述多个电池的长度和宽度，所述过程气体连接端板的材料和厚度适于提供具有匹配所述多个电池的温度膨胀系数的温度膨胀系数的所述过程气体连接端板；所述至少一个过程气体连接端板和所述多个燃料电池利用密封件连接到彼此以形成单个整体单元，其中所述过程气体连接端板包括至少一个过程气体分配管（107），所述至少一个过程气体分配管（107）固定连接到过程气体连接端板的第一面，由此过程气体连接端板和所述至少一个过程气体分配管形成整体单元并且在过程气体连接端板与至少一个过程气体分配管之间无需密封件。
2.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其中，所述过程气体连接端板具备两个过程气体分配管：第一过程气体分配管、入口（108）和第二过程气体分配管、出口（109），用于向多个堆叠的燃料电池分配阳极气体或阴极气体或从多个堆叠的燃料电池分配阳极气体或阴极气体。
3.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其中，所述过程气体连接端板具备一个过程气体分配管：阳极气体分配管、入口（108），并且其中阳极气体从所述阳极气体分配管、入口分配，均匀地经过所述多个燃料电池的活性区，并且之后被排出，与阴极出口气体混合并且燃烧。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的燃料电池堆，其中，所述至少一个过程气体分配管包括适于补偿振动和移动的柔性构件（110）。
5.根据权利要求4所述的燃料电池堆，其中，所述柔性构件为波纹管。
6.根据权利要求1至3和5中任一项所述的燃料电池堆，其中，所述过程气体连接端板包括整体形成于与过程气体连接端板的第一面相对的第二面中的过程气体流动通路，所述过程气体流动通路适于从第一过程气体分配管、入口分配过程气体，均匀地经过所述多个燃料电池中的第一个的活性区，并且到达第二过程气体分配管、出口。
7.根据权利要求1至3和5中任一项所述的燃料电池堆，其中，所述过程气体连接端板由金属制成并且所述至少一个过程气体分配管焊接或硬钎焊到过程气体连接端板。
8.根据权利要求7所述的燃料电池堆，其中，所述金属为铬钢或镍合金。
9.根据权利要求1至3、5和8中任一项所述的燃料电池堆，其中，所述过程气体连接端板的厚度在0.2mm至2.0mm的范围内。
10.根据权利要求1至3、5和8中任一项所述的燃料电池堆，其中，所述过程气体连接端板的厚度在0.4mm至1.2mm的范围内。
11.根据权利要求1至3、5和8中任一项所述的燃料电池堆，其中，所述过程气体连接端板和所述多个燃料电池的长度和宽度在40mm-300mm的范围内。
12.根据权利要求1至3、5和8中任一项所述的燃料电池堆，其中，所述过程气体连接端板和所述多个燃料电池的长度和宽度在80mm-200mm的范围内。
13.根据权利要求1至3、5和8中任一项所述的燃料电池堆，其中，所述多个燃料电池为固体氧化物燃料电池。
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