CN104412434B - 用于燃料电池的气体分布元件 - Google Patents

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Abstract

一种用于燃料电池或电解装置的气体分布元件(10)包括第一层(2)和第二层(3)，所述第一层(2)和第二层(3)设置有形成用于第一反应物流体的流体流的图案的气体分布结构(11)。第二层(3)是均匀化元件，其具有第一孔(15)，其中，第一孔(15)中的至少一些具有长度(28)和宽度(29)，长度(28)大于宽度(29)，以及长度(28)在与流体流(9)的主方向垂直的方向上延伸。

Description

用于燃料电池的气体分布元件
技术领域
本发明涉及用于燃料电池或电解装置的气体分布元件，特别地用于将反应物流体分布至燃料电池或电解装置的电极的气体分布元件。
背景技术
燃料电池是用于通过进行电化学反应将存储在燃料中的化学能直接转换成电能的电化学装置。在大多数情况下，氧气或氧离子与氢气、CO或其他燃料反应，由此生成电子流并最终提供电流和热量。
反应利用还原剂和氧化剂作为反应物，其被持续供给至燃料电池，通常使用氢气作为还原剂，并且使用氧气或包含氧气的空气作为氧化剂。
在大多数情况下，燃料电池可以被反向使用以进行电解反应，其中，电流以及可能地还有热量需要被提供。为了简单，以下仅描述了燃料电池操作模式。
燃料电池电力系统一般地包括以下部件：一个或多个燃料电池堆、以及也被称为电厂配套设施的辅助设备。燃料电池堆由单独的重复单元制造，所述重复单元被模块化组合并电连接。单独的重复单元包含一个或几个电池薄膜，其中发生如上所述的电化学反应。重复单元还包含供给反应物的部件，从而允许电接触或密封等。
辅助设备提供原料流的调节，由此以合适的温度和压力条件提供空气或氧气和燃料，以及提供可选的燃料处理器或燃料转化器。此外，辅助设备可以包括热交换器，其用于适当地控制燃料电池堆的温度并且利用通过电化学反应生成的热能来预热燃料或氧化剂原料流，并且将有用的热量输送至用户。这种热交换器的例子在WO2006/048429 A1中公开。
辅助设备还可以包括电能管理系统。
电池薄膜通常由在其任一侧与阳极和阴极接触的电解质组成。电解质是离子导体，但是电绝缘体。在作为燃料电池操作时，燃料被持续供给至阳极，由此负电极，氧化剂被持续供给至阴极，由此正电极。电化学反应在电极处发生以在电流被允许经由外部电路流出/流入相应电极时产生通过电解质的离子电流，由此允许对负载做功。
如上所述包括电池薄膜的单元电池可以具有不同的形状，诸如板或管状结构。每个电池薄膜必须被电接触。另外，反应气体必须被适当地分布在电极的表面上以最大化反应的效率。这例如通过创建与电极的表面接触的特定几何结构的气体分布层来实现。因此，电传导和气体分布通常在特定部件中组合。与电池薄膜和另外的单独部件一起，该子组件表示燃料电池堆的一个重复单元。
对于平面电池薄膜，单独的重复单元通常相互放置在另一个的顶部以形成堆。
在该情况下，在重复单元中，气体分布层不仅用于将反应物传输至电极，还将电流从第一电池薄膜的一个电极传导至另一电池薄膜的第二电极，由此串联连接几个电池。
在单元电池中，致密电解质提供物理屏障以防止燃料和氧化剂气体流直接混合。在平面堆中，双极板通常确保相邻重复单元之间的气体的相同隔离，还提供经由气体分布层的电接触。
大量的催化剂点设置在电解质层和电极之间的界面处，由此提供具有针对电子和离子的混合电导率的区域。燃料电池薄膜的性能通过增大电解质的电导率、发展更优的电极催化活性和反应物传输，并扩大电池可以操作的温度范围而持续改进。
电极通常是多孔的并且由导电并且可能离子导电的材料制成。在低温下，仅一些相对稀少和昂贵的材料提供充分的电催化活性，由此在这些情况下，少量的催化剂沉积在多孔电极和电解质之间的界面处。在高温燃料电池中，较大量的材料由于其电催化活性的提高而能够用作电极材料。
多孔电极由此具有提供用于发生电化学反应的表面的主要功能。另外，它们的功能是传导电子离开或者进入三相界面，并提供电流采集和与其他电池或负载的连接。
尽管电池薄膜的性能主要归因于材料的选择、它们的大小或微结构以及它们组合在一起的方式，但燃料电池堆的性能在很大程度上还取决于反应物在电池薄膜上的分布的特征、电极的电接触、以及不同重复单元之间的反应物流和温度的均匀性。最后同样重要的是，燃料处理和操作点的选择对燃料电池的性能和寿命具有重要的影响。
已经开发了各种燃料电池并且其当前处于商业化的各个阶段。燃料电池的最常用分类与所使用电解质的类型有关，诸如，固态氧化物燃料电池(SOFC)、聚合物电解质燃料电池(PEFC)、碱性燃料电池(AFC)、磷酸燃料电池(PAFC)或熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)。
聚合物电解质燃料电池(PEFC)具有电极，其被配置为离子交换薄膜，特别地氟磺酸聚合物，其具有作为良好的质子导体的特性。燃料电池中仅存的液体是水，因为燃料通常是提供氢离子的碳氢燃料，并且氧化剂是提供用于进行电化学反应的氧气的空气。操作温度通常小于100℃，因为薄膜必须与水化合，并且因此这种水不应该比化合更快地蒸发。由此，优选地，操作温度在大约60℃至80℃。通常，针对阳极和阴极都使用具有铂电催化剂的碳电极。双极或隔离板由碳或金属制成。燃料不应该包含任何CO，因为阳极容易被微量的CO的污染。对于PEFC的重要的商业应用是燃料电池车辆、以及电解器。
碱性燃料电池(AFC)具有KOH电解质，其保持在例如由石棉制造的基质中，并且可以使用宽范围的电催化剂，例如Ni、Ag、金属氧化物、尖晶石、贵金属。电解质中的电荷载体是OH-离子。
如果使用大约85重量％的浓度的KOH，则操作温度通常为大约250℃，以及如果使用浓度为35％～50％的KOH，则操作温度可以低于120℃。燃料可以不包含任何CO或任何CO2，其将与电解质反应为K2CO3，由此改变它。由此，优选地，使用纯氢气作为AFC的燃料。通常，由过渡金属组成的电极与铂电催化剂一起使用，其针对阳极和阴极使用；双极板由金属制成。
磷酸燃料电池(PAFC)使用高浓度的磷酸作为电解质，其包含在例如由碳化硅制成的基质中，并且铂通常用作电催化剂。在电解质中传输的离子是质子。PAFC的通常操作温度在150℃和220℃之间，这是由于浓缩的磷酸甚至在这些相对高的温度下也具有高稳定性。在较低的温度下，磷酸是弱离子导体，并且发生铂电催化剂的CO污染。在较高的操作温度下，作为稀释剂的高达1％的CO含量是可接受的。通常，针对阳极和阴极都使用由碳组成的电极；双极板由石墨制成。由于磷酸的腐蚀性质，必须使用诸如石墨的昂贵材料。PAFC的使用的主要领域是静态应用。
熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)使用碱金属碳酸盐的组合作为电解质，其保持在LiAlO2的基质中。MCFC的通常操作温度是大约600℃和700℃，其中，碱金属碳酸盐形成高导电熔融盐，其中碳离子提供离子导电。阳极通常由镍组成，阴极由氧化镍组成，相连物由不锈钢或镍制成。镍/氧化镍电极提供在高操作温度下的足够的活性，由此不需要电催化剂。燃料可以包括CO和碳氢化合物；此外，在阴极处需要CO2的源，其可以由来自阳极的废料提供。MCFC的使用的主要领域是静态应用。
固态氧化物燃料电池(SOFC)使用固态电解质，其是无孔金属氧化物，诸如3％-10％的氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)(其是由Y2O3稳定的ZrO2)、或者Sm2O3掺杂的CeO2(SDC)或者GdO2掺杂的CeO2(GDC)。SOFC的通常操作温度取决于电解质材料并且是大约500℃直到1100℃，其中氧离子提供离子导电。阳极和阴极通常还包括陶瓷材料。燃料电极通常由形成金属陶瓷的金属和陶瓷的组合物制成，例如，主要是Ni-YSZ金属陶瓷。氧电极通常包括导电掺杂的钙钛矿、或者钙钛矿和诸如YSZ或GDC的离子导电陶瓷的组合。通常用作阴极的钙钛矿包括La、Sr、Co、Fe、Mn的组合。双极板通常由不锈钢制成。
关于用于阴极、阳极和电解质的可能成分以及可选的中间层和催化剂的另外信息可以在通过引用包含的US 7 632 586 B2中找到。
燃料在氢气之外可以包括CO和其他碳氢化合物，诸如甲烷或氨气，而仅H2和CO容易被电化学转换。其他燃料被间接消耗或在被转换之前需要分解步骤。此外，SOFC可以容许由诸如N2、CO2的惰性气体或流稀释的燃料。在碳氢化合物中，其可以是天然气、汽油、柴油或沼气。然而，这种类型的燃料电池对包含在燃料中的一些有害元素保持敏感，诸如硫磺，特别是H2S和COS，其在1ppm以上的浓度被认为是抑制剂。
电池薄膜的阴极-阳极-电解质单元由把电解质夹在中间的两个多孔电极构成。空气沿着阴极流动，由此将氧气分子传输至阴极。当氧气分子接触阴极/电解质界面时，其需要来自阴极的电子。氧气离子扩散至电解质材料中并且移动至电池的它们接触阳极的另一侧。氧气离子在阳极/电解质界面处遇到燃料，并且催化地反应，由此产生水、二氧化碳、热量和电子。电子被供给至用于提供电能的外部电路。
SOFC的使用的主要领域是静态应用，诸如静态发电、移动电源、车辆辅助电源、专门应用。通常由SOFC实现的功率密度对于固定应用来说在200-500mW/cm2的范围中。
SOFC是始于20世纪50年代后期的经历了最长持续发展时期的燃料电池。由于固态电解质被预见的事实，电池薄膜可以形成为各种形状，诸如管状、平面或整块形状。电效率很大程度上取决于所使用的燃料。通过使用氢气作为燃料，可以实现处于45％-55％(LHV)的范围的电效率，在重复单元的水平最大接近60％。通过使用甲烷作为燃料，由于接近70％的堆电效率可以实现60％的系统电效率。此外，酸性气体或任何固体的排放是可忽略的。
在WO2006/048429中公开了固态氧化物燃料电池系统的配置，其用于通过氧气和反应气体的组合(即燃料气体)来生成电力。固态氧化物燃料电池包括堆配置，其包括夹在两个电极之间的电解质层。在大约500℃至大约1100℃的操作温度下，电极中的一个与氧气或空气接触而工作，另一个电极与燃料气体接触。通常，在电池的生产期间，使用支撑层来包含电极层并提供电池的另外的机械稳定性。支撑层还可以用作集电器。
阴极包括钙钛矿、镧或锶锰酸盐、或者氧化钇稳定的氧化锆。氧离子由在阴极处提供的氧气形成，其迁移通过电解质层以与在阳极处提供的氢气组合。阳极包括镍和/或氧化钇稳定的氧化锆。在阳极处，形成水并提供电子，电子在集电器处收集。
燃料电池系统的一个特性是它们的效率几乎不受尺寸影响。这意味着可以发展小的相对高效率的电厂，从用于家庭电联产单元的几kW至低MW容量的电厂。
通常与燃料电池有关的问题是单电池薄膜仅生成约1V的DC电势，其对于用于住宅或汽车应用来说太小。为此，多个电池薄膜被组合成串联电连接的电池薄膜的堆以提供足够大小的电压来被有效转换成AC电流并在大部分商业应用中使用。
通常的堆由部分地串联和并联的几十至几百个电池薄膜制造，一些设计甚至包括几千个电池。
因此，重复单元的堆的组装应该一方面需要尽可能少的组装步骤，以及另一方面保证对于每个电池薄膜的适当操作条件。
由于重复单元的串联连接，对单个电池薄膜的任何性能限制可能对堆的整体性能具有重要的影响，因为其会限制可以被驱动的整体电流，以及因此所产生的电功率。
堆构造取决于所使用的电池薄膜的类型。第一主要类别的堆使用诸如在WO01/91218 A2中提出的管状电池薄膜。
第二类堆使用可以通过堆起而互相连接的平面电池薄膜。其中，主要的差异涉及燃料和氧化剂供给的类型和几何形状、或者在电极上的气体分布的设计以及它们的电接触。
例如在EP 1 864 347 B1中提出的第一个设想是圆柱形的堆。由此，电池薄膜是盘状陶瓷三层薄膜，其由正电极、电解质和负电极组成(CAE单元)。燃料在中央通道中供给并径向向外引导，包含氧气的气体从外部朝中央通道供给。
在US2011/0269048A1中，示出了基于矩形电池薄膜的堆设想，其中，所述薄膜被附接至提供燃料入口和出口的气体分布单元，以及其中，氧化剂在所述气体分布单元的圆周处被供给和提取。为了改进在电池薄膜的表面上流动的气体的气体分布，气体通道是弯曲的。先前，在电池薄膜的气体进入和离开部分处的管状分支对气体流造成障碍，其导致在电池薄膜上流动的气体的不均匀的流动场。根据US2011/0269048A1，提出了弯曲的气体通道，其将障碍周围的气体引导至障碍后面的区域。由此，可以获得气体流的更均匀的分布，并且障碍对气体流的负面影响被补偿。
在EP 1 864 347 B1中提出的解决方案的反应物供给和排放根据US 7 632 586B2需要用于互连板的相对复杂的制造程序。为了避免这个，平面CAE单元一个叠一个地放置，且互连层形成为在相邻CAE单元之间配置的平面金属板。用于燃料和氧化剂的相应通道在阳极和阴极层中形成。
此外，CAE单元的膨胀的影响和用于向CAE单元供给反应物并将反应物从其引导出的结构需要被考虑。
此外，电极和界面在达到过度的温度时趋于退化。
由于放热反应，需要单元电池的主动冷却，其可以主要通过空气冷却来实现。为了限制CAE单元和气体分布结构中的温度梯度和过度温度差异，需要在单元电池中适当分布冷却空气。为了限制温度差异，相对于电化学反应本身需要的量，需要过量的冷却空气。该过量空气意味着电厂配套设施中的额外损失，特别是由于鼓风机的消耗。然而，在堆中的压力降很小的情况下，即，在堆中用于空气的气体分布结构对空气流呈现低阻力的情况下，这些损失可以减少。
使用过量空气的另外的缺点是将有毒物质传输至空气电极。特别地，挥发性的铬已知为通过位于堆的上游的金属组件释放并通过空气流传输至堆。挥发性的铬趋于通过电化学和化学反应沉积在空气电极中。特别地，挥发性的铬自然地与包含在电极中的锶反应。此外，其可以在电极/电极界面处电化学地沉积为氧化铬，因此减少反应部位的数量。不仅铬，还有硅、硫和其他种类已知会进一步影响空气电极的耐用性。
与现有技术的燃料电池堆有关的问题是在通常形成平面层的电极的表面上发展的局部温度峰值。
如果这种局部温度峰值发生，反应动力学可能改变并且可能形成局部热点。这种热点是不期望的，因为其涉及通过使得局部热膨胀而导致的材料上的高应变，其可能导致所影响的层材料的扭曲或变形。由于电极或电解质的陶瓷材料是易碎的，它们可能在经过程度大的局部温度变化的情况下裂缝并最终破裂。
这种热点的发生可以通过增加冷却空气流并通过空气分布结构的适当设计而急剧减少，空气分布结构接触CAE单元并因此可以用作散热结构。
热应变的影响可以基本上通过具有与在US 6 670068 B1所示类似的构造的堆进一步缓和。由此，多个CAE单元与接触板进行导电接触，流体引导元件形成为有形的片金属部件，并通过熔接或焊接以不漏流体的方式连接至接触板。由此，接触板限定流体室，易燃气体或氧化剂在燃料电池单元的操作期间流经流体室。有形的片金属部件设置有多个波纹，从而给出波状结构。这样的波状结构可以在操作中补偿CAE单元以及流体引导元件的一些热膨胀中。然而，由于波峰或波谷与相应电极的局部接触，流体引导元件必须跟随电极的热膨胀。如果流体引导元件不具有足够的弹性，则由于热膨胀引起的应变被引入电极中。电极由固态的易碎的陶瓷形成。由此，如果高应变被引入电极中，可能形成裂缝，其将最终损坏电极。另外，在流体引导元件和阳极之间提供的熔接或焊接还有助于结构的硬度。特别地，如果使用具有不同热膨胀系数的材料，应变可能最终导致电极的损坏并可能损坏有关的电池薄膜。特别地，如果电池薄膜损坏，反应物的流可能改变，或者它们的直接混合可能发生，从而导致自发的燃烧。由此，热点可能局部上形成，其可能引起局部热膨胀并由此局部应力的进一步发展。
在WO2004/021488中提供了用于缓和热应变和热膨胀的影响的另外的解决方案。该解决方案预见了包围燃料通道的第一和第二箔式元件的框架。CAE单元附接至第一箔式元件，阳极在燃料通道的相反侧紧邻第一箔式元件配置。燃料通过穿过第一箔式元件到达阳极，第一箔式元件为此目的而设置有穿孔。第二箔式元件是不漏流体的并用作分隔元件，以将燃料流与包含诸如空气的气体的氧化物的流分隔。通过在燃料通道中提供线网并通过在燃料通道的相反侧在第二箔式元件上提供另一线网来确保好的电接触。WO2004/021488的支撑结构可以由此弯曲自由地膨胀，并且CAE单元至箔式元件的紧密结合起到散热结构的作用。
文献EP1742285A1、WO96/34421、US2008/0280177A1和EP1830426A1公开了气体分布元件。这种气体分布元件的一个优点是气体的分布是不均匀的，从而燃料的缺乏可能发生在阴极-阳极-电解质单元上的特定区域上，并且局部过热的风险增加。
由此，本发明的目标是改进现有的燃料电池，以使得它们更可靠并允许更便宜的制造。
发明内容
本发明的目标通过具有性能增加的用于燃料电池或电解装置的气体分布元件来实现，特别地通过具有气体分布元件的固态氧化物燃料电池(进一步被称为SOFC)或固态氧化物电解装置(进一步被称为SOEC)来实现。特别地，本发明允许提供反应气体至负燃料电极的均匀分布，其对于燃料电池(特别是SOFC或SOEC)的性能是有利的。此外，其改进了电极上以及最终包括阴极-电解质-阳极单元的单元电池上的温度分布。
本发明提供了一种用于燃料电池或电解装置的气体分布元件(10)，顺次包括基底层(1)、第一层(2)和第二层(3)，其中，所述第一层(2)和所述第二层(3)设置有形成作为易燃气体的第一反应物流体的流体流(9)的图案的气体分布结构(11)，其中，所述第二层(3)是均匀化元件，其具有第一孔(15)，其中，所述第一孔(15)具有长度(28)和宽度(29)，所述长度(28)大于所述宽度(29)，其特征在于，所述第一层(2)包括燃料入口(2b)和燃料出口(2c)，其中所述流体流(9)的主方向在所述燃料入口(2b)和所述燃料出口(2c)之间在直线方向上延伸，
所述第一层(2)的气体分布结构(11)由并列排列、在所述流体流(9)的主方向上直线延伸并将所述燃料入口(2b)与所述燃料出口(2c)连接的多个通道(13)构成，
在所述通道(13)的垂直方向上延伸的所述第一孔(15)具有所述长度(28)并且被配置为使得并列排列的至少两个通道(13)通过所述第一孔(15)流体连接，
以及所述第二层(3)包括接触阴极-阳极-电解质单元(5)的接触表面(3c)，其中，所述第一孔(15)配置在所述接触表面(3c)内，以及其中，所有第一孔(15)的总表面是所述接触表面(3c)的至少20％，更优选地至少30％，以及最优选地在40％至50％之间。
根据本发明的气体分布元件(10)，优选地，所述通道(13)相互平行延伸，以及其中，所述第一孔(15)垂直于所述通道(13)延伸。
根据本发明的气体分布元件(10)，优选地，所述第一层(2)具有圆形，所述通道(13)在所述圆形的径向方向上延伸，以及所述第一孔(15)在所述圆形的圆周方向上延伸。
根据本发明的气体分布元件(10)，优选地，所述第一层(2)的通道(13)中的至少一些被条元件(23)阻塞，所述条元件(23)连接相互分隔并在其间形成所述通道(13)的至少两个条(2a)，其中，所述第二层(3)包括多个第二孔(6)，其中所述第二孔(6)在所述流体流(9)的主方向上具有大于所述条元件(23)的宽度的长度(7)，以及所述第二孔(6)配置在所述条元件(23)旁边以流体连接所述通道(13)并绕开所述条元件(23)。
根据本发明的气体分布元件(10)，优选地，还包括配置在所述基底层(1)一侧的支撑层(4)。
根据本发明的气体分布元件(10)，优选地，所述支撑层(4)包括在直线方向上延伸的多个通道(20)，所述支撑层(4)的通道(20)引导第二反应物流体，所述第二反应物流体是氧化剂。
根据本发明的气体分布元件(10)，优选地，所述支撑层(4)是在两侧具有通道(20,20a,20b)的波纹状薄板，其中，面向所述第一层(2)的通道(20b)的目的是通过所述第二反应物流体冷却所述第一层(2)，以及在相反侧的通道(20a)的目的是向燃料电池单元提供所述第二反应物流体。
根据本发明的气体分布元件(10)，优选地，所述基底层(1)和/或所述第一层(2)和/或所述第二层(3)和/或所述支撑层(4)通过盖印、压花、冲压或蚀刻或者通过热压来制造。
根据本发明的气体分布元件(10)，优选地，所述基底层(1)和所述第一层(2)或者所述第一层(2)和所述第二层(3)通过焊接在一起形成单片。
根据本发明的气体分布元件(10)，优选地，所述支撑层(4)与所述基底层(1)或者所述基底层(1)和所述第一层(2)形成单片。
根据本发明的气体分布元件(10)，优选地，所有第一孔(15)的总面积是位于所述接触表面(3c)内的所有孔(15，6)的总面积的至少20％，更优选地至少50％，以及最优选地在60％至80％之间。
根据本发明的另一方面，还提供了一种包括前述气体分布元件(10)的燃料电池或电解装置，特别地固态氧化物燃料电池或固态氧化物电解装置。
根据本发明的又一方面，还提供了一种用于在燃料电池的气体分布元件(10)中均匀化易燃气体的方法，所述气体分布元件(10)顺次包括基底层(1)、第一层(2)和第二层(3)，所述第一层(2)包括具有通道(13)的气体分布结构(11)，所述第二层(3)包括第一孔(15)，其中，流经相应通道(13)的易燃气体进入所述第一孔(15)以使得所述相应通道(13)的易燃气体在所述第一孔(15)内被均匀化，以及其中，所述第一孔(15)在接触表面(3c)处接触阴极-阳极-电解质单元(5)，以及其中，所述第一孔(15)配置在所述接触表面(3c)内，以使得来自所述第一孔(15)内的易燃气体被提供至所述阴极-阳极-电解质单元(5)，其特征在于，
所述气体分布结构(11)由并列排列并将燃料入口(2b)与燃料出口(2c)连接的多个直线延伸的通道(13)构成，以使得燃料在直线方向上在所述通道(13)内在流体流(9)的方向上流动，
所述第一孔(15)在所述流体流(9)的方向的垂直方向上延伸并流体连接并列排列的至少两个通道(13)，在所述第一孔(15)内被均匀化的易燃气体中的至少一些流回至所述第一层(2)的相应通道(13)或者在所述第一层(2)的相应通道(13)之间交换，
以及所述易燃气体被提供至所述阴极-阳极-电解质单元(5)所经过的所有第一孔(15)的总表面是所述接触表面(3c)的至少20％，更优选地至少30％，以及最优选地在所述接触表面(3c)的40％至50％之间。
根据本发明的用于在燃料电池的气体分布元件(10)中均匀化易燃气体的方法，优选地，所述第一孔(15)中的至少一些垂直于所述流体流(9)的方向延伸，以使得在相应第一孔(15)中的易燃气体的压力被均等化，以及在所述第一孔(15)下面的相应通道(13)中的易燃气体的压力被局部均等化。
用于燃料电池或电解装置的气体分布元件能实现反应气体在燃料电池的燃料电极上的适当分布以及与燃料电极适当电接触。本发明由此涉及气体分布元件及其在燃料电池或电解装置堆中的构造。
燃料电池通常被配置为由多个单元电池组成的燃料电池堆。由此，单元电池以模块化方式组成这种燃料电池堆以实现应用所需的电压和功率输出水平。堆叠由此涉及经由导电互连或双极板串联连接多个单元电池。
由此，用于燃料电池(特别地固态氧化物燃料电池)或电解装置的气体分布元件包括第一层和第二层，所述第一和第二层设置有气体分布结构，其形成用于第一反应物流体、以及最终地第二反应物流体的流体流的图案。
第二层是均匀化元件，其具有第一孔，其中，第一孔中的至少一些具有长度和宽度，长度大于宽度并且长度在与流体流的主方向的垂直方向上延伸。由此，所述图案特别地包括多个通道，其中第二层包含孔，其具有与流的主方向垂直延伸的长度。气体分布结构还包括孔，其形成通道结构或通道系统的图案。
在本申请中如果用表达“或”来连接两个替代物，将理解为两个替代物的组合以及仅一个替代物的存在。如果其不特别指燃料电池，则特征可以应用至燃料电池或电解装置。
如果气体分布元件在燃料电池中操作，则第一电极是阴极，第二电极是阳极，反应物流体流被引导至阴极。对于燃料电池或电解装置，可以使用多个反应物流体，至少第一反应物流体和第二反应物流体。第一反应物流体是可以在燃料电池操作模式中在放热反应中与O2反应的流体，或者是可以在电解模式中在形成O2的同时在吸热反应中被分解的流体。其通常是H2、N2、H2O、CO、CO2、氨气、CH4和任何其他烃气的任何混合物。根据作为燃料电池或电解装置的操作以及燃料电池的类型，气体混合物是变化的。第二反应物流体是包含O2的气体，优选地空气。在电解装置的情况下，注意，不必须需要该包含O2的气体的外部供给。
对于固态氧化物燃料电池或电解装置，必要的是，反应物流体被均匀分布至并遍及相应电极，以最大化效率并保证可靠的操作。实际上，这需要形成为通道系统或多孔结构的气体分布结构呈现对气体流的均匀阻力，由此呈现均等的压力下降。针对通道系统，这通常需要非常精确的几何形状，涉及非常紧密的制造公差并因此发生高成本。
均匀化元件可以包括第二孔。特别地，第二孔具有长度和宽度，长度大于宽度并且宽度在与流体的主方向的垂直方向上延伸。这些第一或第二孔可以形成通道状结构，其特别地矩形配置或倾斜至在第一层中配置的通道。这具有以下优点：在特别地在第一层中形成孔的气体分布结构内流动的流体可以通过配置在第一层上的气体分布结构而被引导至第二层的孔。第一和第二层的孔提供用于流体的通路，以及由此流体通路在气体分布结构上或跨越气体分布结构形成。当相应反应物流体在第一层的气体分布结构上或跨越气体分布结构流动时，其进入第一层的气体分布结构之上的第二层的孔，及，其进入第一层的气体分布结构之上的第二层的孔并被分布至第一层的在该气体分布结构之后继续的通道以及第一层的相邻孔中，这由于以下事实：第一孔预期具有长度和宽度并且它们的长度大于宽度，长度在与流体流的主方向的垂直方向上延伸。
第二层中的第一或第二孔可以特别地形成为洞，其具有矩形、正方形或圆形的横截面。气体分布结构形成用于第一层的流体流的图案，其可以包括通道、断续通道、三维结构中的至少之一，三维结构特别地是突出物，诸如针、格子结构或泡沫结构(诸如连续或断续的泡沫结构)。这些结构可以由固态或多孔金属或导电陶瓷制造。有利地，期望由单一薄板或一对薄板组成的通道结构，其形成气体分布元件以及第二层或均匀化层。
气体分布元件的不同层之间的电接触可通过机械接触、焊接、钎焊或薄接触层获得。
第一或第二层中的每一个可以用作阴极或阳极。它们的功能可以根据用于燃料电池或电解装置的电解质的性质或者气体分布元件的操作而反转。第一反应物富含氧气，例如空气。第二反应物包括元素H2、CO、CO2、H2O、氨气或含碳气体中至少之一。
可以提供第三层，其特别地是基底层。另外，可以提供支撑层，其特别地用作用于氧气电极的气体分布层。
气体分布元件具有以下优点：均匀化元件允许校正存在于第一层的气体分布结构中的几何缺陷。因此，低成本生产处理可应用于第一和第二层，同时维持高质量的气体分布。另外，堆可以以具有各种封装的不同的构造生产。燃料电池系统或电解装置可以根据需要适于各种用途。燃料电池堆的基底的整体长度和宽度尺寸被理解为在封装下。
在实施例中，在瑞士联邦理工学院(EPFL)的测试中在堆模块上获得基于燃料的较低加热值的65％的电效率。堆以甲烷重整的蒸汽(蒸汽与碳的比率为2)为燃料，并且以250mW/cm2的功率密度在750℃下操作。
利用这种效率，使用SOFC技术的kW大小的单元的电力的分布式生成比使用可用的最好的燃气轮机联合循环(CCGT)的MW大小的电厂的集中式发电更高效。
陶瓷气体扩散层置于固态氧化物燃料电池的任一侧上，固态氧化物燃料电池转而夹在两个金属互连之间，这降低了整个堆的成本，因为就材料而言使得其制造不那么复杂并且更便宜。由此，单元用作用于向房屋供电的电能的替换源，其涉及至少0.5kW的堆和优选地2.5kW的堆。
根据实施例，第一层的气体分布结构至少部分地由至少条元件阻碍。条元件被认为是流经第一层的气体分布结构的流体的阻碍。条元件可以是任意类型的屏障或节流元件，其迫使流体流从在流体流的主方向上行进偏离，或者创建对流体通道的水力直径的局部限制。
第二层的第一或第二孔中的至少一些可以成形为穿孔，特别地洞。第一和第二层由此形成气体分布元件，其由至少一个薄板金属构成。在气体分布元件中，该至少一个薄板金属层形成面向穿孔层的通道结构。穿孔层的特殊性是呈现一系列细长洞，其基本垂直于燃料分布通道延伸并允许混合附近环境中沿着流方向的规则间隔的几个通道的气体。
有利地，穿孔的长度大于条元件的宽度。第一或第二反应物流体可以由此通过由条元件形成的障碍，因此，流从流的主方向偏离，从而允许穿过一个通道的流与穿过相邻通道的流的混合。根据实施例，孔(特别地成形为穿孔)的一部分具有大于宽度的长度，并且长度或宽度在流体流的主方向上延伸。特别地，第一孔的宽度在流体流的主方向上延伸，或者第二孔的长度在流体流的主方向上延伸。配置在第一层上的气体分布结构与第一孔和第二孔中至少之一流体接触。
形成附加层的支撑层可以提供用于第一或第二反应物流体之一至电极上的均匀分布。根据实施例，在第一和第二层中至少之一上设置用于相应反应物流体的多个入口。通过设置多个入口，可以获得流体流的更均匀的分布。进一步的优点是热量的更均匀的分布，由此允许更高效地利用由CAE单元提供的整个反应表面。
此外，形成用于流体流的图案的气体分布结构，特别地第一或第二孔中的至少一些可以通过盖印或蚀刻制造。根据可替换实施例，支撑层与第一层形成单片。根据实施例，第一层包括包含穿孔的第一薄板以及形成基底层的第二薄板。支撑层可以配置在基底层或第一层的相反侧上。
此外，本发明涉及燃料电池或电解装置，其包括根据前述实施例中任一个的气体分布元件。
特别地，第一孔的总开口面积是阴极-阳极-电解质单元的负电极的总接触表面的至少20％，优选地总接触表面的至少约30％，最优选地总接触表面的至少约50％。由此，获得流经气体分布元件的气体的横向分布，其允许更均匀的流体分布以及最终更均匀的流体温度。
用于操作燃料电池或电解装置的气体分布元件的方法包括以下步骤：第一反应物流体沿着气体分布元件的第一侧流动，第二反应物流体沿着气体分布元件的第二侧流动，并且第一或第二反应物流体在其任一侧向阴极-阳极-电解质单元提供反应物、带电离子和电子，以使得带电离子可以穿过电解质以进行电化学反应。气体分布元件包括第一层和第二层，第一和第二层设置有形成用于流体流的图案的气体分布结构，其中，第二层是均匀化元件，其包括具有长度和宽度的第一孔或第二孔，长度大于宽度并且第一孔中的至少一些的长度在与流体流的主方向垂直的方向上延伸以使得穿过均匀化元件的流均匀地分布在第二层的表面上。由此，反应表面大部分对应于气体分布元件的表面，并且电化学反应在均匀化元件的整个表面上均匀地进行。
SOFC的主要应用是以下领域：远程供电、分布式发电、热电联产(CHP)、用于卡车、公共汽车和轮船的辅助供电装置(APU)、便携式能源以及高效的沼气转换。
附图说明
通过以下结合附图的本发明的特定示例性实施例的描述，本发明的这些以及其他特征和优点将更全面地明白和理解，其中，相同的数字表示相似的组合物。结合燃料电池详细描述本发明。明显的是，本发明还涉及电解装置。
图1是SOFC系统的示意图。
图2是根据本发明第一实施例的气体分布元件的等距视图。
图3是根据本发明第二实施例的单元电池的截面图。
图4是本发明第三实施例的单元电池的分解视图。
图4A是支撑层的放大视图。
图4B是气体分布元件的另一实施例的分解视图。
图4C是气体分布元件的另一实施例的分解视图。
图4D是第二层、均匀化层的另一实施例。
图4E是第二层、均匀化层的另一实施例。
图5是气体分布元件的两个相邻层的部分顶视图。
图6A是气体分布元件的穿孔层的部分顶视图。
图6B是图6A的沿线A-A的截面。
图6C是图6A的沿线B-B的截面。
图6D是图4的没有支撑层的沿线C-C的理想气体分布元件的放大截面。
图6E是没有均匀化层的气体分布元件的截面。
图6F是包括均匀化层的气体分布元件的图4的沿线C-C的放大截面。
图6G是穿过气体分布元件的易燃气体的流的理想情况的示意图。
图6H是穿过气体分布元件的易燃气体的流的真实情况的示意图。
图6I是穿过另一气体分布元件的易燃气体的流的真实情况的示意图。
图6K是没有均匀化层的气体分布元件的截面。
图6L是如图6K所示的类似气体分布元件的截面，其中气体分布元件包括均匀化层。
图7A是示出穿过燃料电池单元的气体分布层的易燃气体的流的理想情况的示意图。
图7B是示出穿过燃料电池单元的易燃气体的流的最佳设计的真实情况的示意图。
图7C是示出根据现有技术的穿过燃料电池单元的易燃气体的流的情况的示意图。
图7D是具有根据图7B所示的情况的流的燃料电池单元的堆上的视图。
图7E是具有根据图7C所示的情况的流的燃料电池单元的堆上的视图。
图8是堆的燃料电池单元的多个连续层的截面。
图8A是图8的详细截面图。
图8B是燃料电池堆的示意侧视图的截面。
具体实施方式
图1示出根据本发明的固态氧化物燃料电池(SOFC)系统100。固态氧化物燃料电池系统包括外壳101，其包含由多个燃料电池单元50组成的燃料电池堆103，其中，燃料电池单元在此也被称为单元电池50。外壳位于基底102上。燃料电池系统或电厂的配套设施包括用于加热反应物的热交换器106、以及用于以正确的组分和正确的流速将反应物提供至燃料电池的反应物制备单元，其在图中未示出。堆设置有反应物排放元件104、105。
堆可以如US 7632586 B2所示配置，其中，应用特定电极接触和气体分布结构。在现有技术中，基于该技术的堆已经被开发用于约1kW的远程和微型热电联产(CHP)应用。其特征是低压力降并且可以实现1kW/l或400mW/cm2的功率密度，电效率在45％以上。堆可以用改良的天然气、重整气体或氢气做燃料。该堆在外部集流(manifold)空气并且在内部集流燃料，并且恢复燃料废气流。废气流可以在后部燃料中使用或者被回收用于重整(电厂的给定适应平衡)。US 7632586 B2的使用改进了堆的热循环公差，避免由于热循环引起的另外的性能退化。
利用将本发明与US 7632586 B2公开的技术结合的两个最近的原型，测量了改进的性能。利用使用氢气作为燃料达到61％的效率，使用甲烷达到69％的效率，实现了94％的最大燃料转换。此外，在没有对该组合类型的短的堆造成重大损坏的情况下，实现高达50个热循环。这远高于基于US 7632586 B2公开的反应物流的单独处理的早期结果。
对于反应物的分布，预期了气体分布元件10，其在图2中详细示出。气体分布元件被配置在两个相邻的阴极-阳极电解质单元5中。对于单元电池50，理解为由阴极-阳极-电解质单元5和气体分布元件10组成的单元。
气体分布元件10用于将至少易燃气体提供至相应电极。
在另一有利实施例中，气体分布元件10也用于将包含氧气的反应物(指氧化剂)和燃料(指易燃气体)提供至相应电极。在该实施例中，气体分布元件10用于将第一反应物流体(富含氧气)和第二反应物流体(包含燃料)提供至相应电极。图2中公开的气体分布元件10包括燃料入口16和燃料出口18，以使得由入口16提供的燃料在从入口16至出口18的流9的直线方向上在气体分布元件10内流动。在图2中，第一层2被配置在第二层3下方。
对于作为燃料电池单元50(其在此也称为单元电池50)的操作，将包含氧气的反应物供给至用作阴极的正氧气电极51。
对于作为电解装置的单元电池50的操作，将包含氧气的反应物供给至相同的用作阳极的正氧气电极51。
在有利实施例中，气体分布元件10用于将包含氧气的反应物提供至CAE阴极-阳极-电解质单元5的正氧气电极51，并将包括燃料的第二反应物提供至其负电极53。这种气体分布元件10优选地包括支撑层，支撑层4包括用于包含氧气的反应物的流体传导通道。
在大多数情况下，包含氧气的反应物是空气，然而也可以将纯氧气或包含氧气的气体供给至气体分布元件10。第二反应物(易燃气体)包含H2、CO、H2O、CO2、甲烷、氨气、其他碳氢化合物或可选的稀释剂的任意混合。
在优选实施例中，第二反应物(燃料)分布在气体分布元件10内部。ACE阴极-阳极-电解质单元5的负电极53由此面向气体分布元件10的第二层3。
气体分布元件10可以预期用于PEFC、AFC或MCFC燃料电池，由此，其应用决不限于SOFC。气体分布元件10也可以用于以相反方式操作的电解装置。
气体分布元件10将燃料电池堆103的三个主要功能组合：其实现来自电极51、53的电流收集；其在电池之间和之上集流了反应物、特别是燃料以及优选地还有包含氧气的气体；以及其包括基底元件1，其目的是相互密封反应物通道并密封于环境。基底元件1也被称为双极板。
气体分布元件10由此允许集成单元电池50的气体分布，允许薄的未加工的金属板的使用，如附图标记1、2、3和/或4所示，其例如可以通过盖印、冲压、压花或蚀刻来制造，这意味着便宜的制造，以代替昂贵的结构化的双极板。基底层1和/或第一层2和/或第二层3和/或支撑层4可以通过盖印、压花、冲压或蚀刻，或者通过热压诸如石墨、模塑或粉末冶金来制造。气体分布元件10可以被制造以使得基底层1、第一层2、第二层3或它们的任意组合通过任意合适的结合技术，诸如焊接、硬焊、胶合或反应键合、或它们的任何组合，结合在一起以用于电接触和/或密封。
所提出的燃料电池堆103根据优选应用包括1-100个单元电池50，对应于16-5000W标称电功率。
图3所示的实施例示出根据本发明第二实施例的单元电池50的配置的截面图，其包括阴极-阳极-电解质单元5和气体分布元件10。在图3所示的根据第二实施例的气体分布元件10由基底层1、第二层3和第一层2组成。第一层2还包含孔；然而截面以以下方式放置：孔的开孔部分在图3中不可见。阴极-阳极-电解质单元5由第一电极51、第二电极53、以及夹在第一电极51和第二电极53之间的电解质52组成。单元电池50还包括侧部密封件31，其提供对阴极-阳极-电解质单元5和接触层55的边缘以及气体分布元件10的气密密封。在另一实施例中，单元电池50还可以包括支撑层4，用于将包含氧气的第一反应物流体供给至第一电极51。将包括燃料的第二反应物流体供给至第一层2(相应地第二层3)之上的第二电极53。
图4示出根据本发明第三实施例的气体分布元件10和阴极-阳极-电解质单元5的分解视图。阴极-阳极-电解质单元5由第一电极51、第二电极53、以及夹在第一电极51和第二电极53之间的电解质52组成。通常，陶瓷气体扩散层54、55配置在电极51、53的两侧上，其在图4中未示出，但其例如在图8A中示出。
用于燃料电池50或电解装置的气体分布元件10包括基底层1、第一层2和第二层3；第一层2和第二层3设置有形成用于流体流的图案的气体分布结构11。图4中公开的第一层2通过相互邻近放置的许多通道13限定流图案，以使得进入第一层2的易燃气体可以在流的主方向9上流动。通道13在直线方向上延伸。通道13优选地在也称为入口的进入侧2b处在第一层2的一侧开始，并且通道13优选地在也称为出口的离开侧2c处在第一层2的另一层结束，其中，进入侧2b与易燃气体供给9a连接，以及其中出口2c流体连接至废气出口9b。在图3中，可以看到气体分布元件10沿线C-C的截面图。第一层2包括多个分隔的通道条2a，其间形成通道13。如图4所公开的，第一层2可以包括在直线方向上延伸的另外的通道12、14，其将通道13与入口2b(相应地出口2c)流体连接。
第二层3是均匀化元件，包括流体连接相邻放置的至少两个通道13的孔15，以补偿和均匀化相应通道13中流体的量。在图3中，孔15被公开为流体连接三个通道13。第二层3具有第一孔15，其被配置为具有长度28和宽度29的矩形开口。长度大于宽度。长度28横向延伸至流体流9的主方向；宽度29在流体流9的主方向上延伸。第二层3还可以具有第二孔6，其具有长度7和宽度8，长度7大于宽度8，并且宽度8在与流体流9的主方向垂直的方向上延伸。
也称为通道层的第一层2具有多个入口通道12、多个连续通道13和多个出口通道14。连续通道12和13由条元件23分隔。连续通道13和14也通过条元件23分隔。条元件23对于连接条2a是必要的。
第二层3的这些第二孔6形成通道状结构，其配置为尤其是矩形的或者倾斜至在第一层2中配置的入口通道12。这具有优点，在第一层2的通道12、13、14内流动的流体可以通过在第一层上配置的作为第一层2的一部分的条元件23引导至第二层3的孔6，如图2所公开的。孔6由此通过将条元件23横穿孔6形成连续通道12和13之间、或者连续通道13和13、或者连续通道13和14之间的流体通路。当流体在条元件23上流动时，其进入条元件23之上的孔6并且其分布至连续通道13，相应地14。该实施例的一个优点是第一层2和第二层3可以通过使用薄金属板非常便宜地制造。
有利地，每个入口通道12接续连续通道13和出口通道14。这些通道12、13、14可以具有相同的横截面并且可以接续地配置。有利地，多个入口通道12、连续通道13和出口通道14期望如图4所示公开的。每个入口通道12可以与相应相邻入口通道12平行地配置，这同样也适用于连续通道13或出口通道14。
第一层2和第二层3可以形成在分隔的薄板上，如图4所示；然而，它们也可以组合至单个薄板中。此外，第一层2可以制造为以下薄板，其具有与通道12、13、14相对应的穿孔并且被配置在形成用于通道12、13、14的基底的基底薄板1旁边。该解决方案对于通道的制造可以是有利的。此外，对于穿孔可以使用各种形状。穿孔可以常规地从薄板冲压出、激光切割或者蚀刻或形成为丢失的嵌件，其在铸造或模制层之后被移除。由此预期，作为分隔的薄板的基底层1和第二层3可以提供制造的简单化或应用更多的制造方法以制造层1、2、3。
此外，两个入口16、17被提供以用于包含燃料(易燃气体)的反应物进入气体分布元件10。另外，两个出口18、19可以被提供用于流体反应产物(废气)离开气体分布元件10。
在另一实施例中，支撑层4可以被配置在基底层1的一侧上，或者可以与基底层1连接。在优选实施例中，支撑层4具有第二气体分布元件的形状。图4示出氧化剂O的流动路径、具有通道20的支撑层。图4A示出支撑层4的优选结构的放大视图，其中氧化剂O的流动路径被分成两个流动路径O1、O2，以使得每个路径沿着支撑层4的一侧在通道20中流动。
图4B示出气体分布元件10的另一实施例。限定流图案的基底层1和第一层2由一个单一部件制成。在该实施例中，不需要保持条2a的条元件23，因为条2a与基底层1连接，以使得多个通道13在直线方向上相互并列地延伸，其中，通道13在进入侧2b处开始，并且在离开侧2c处结束，以使得通道将进入侧2b与离开侧2c流体连接。因为不需要条元件23，流体连接连续通道12、13、14的孔6在第二层3中也不需要，如图4B所示。
图4C示出气体分布元件10的另一实施例。第一层2包括多孔结构2d，诸如一片金属泡沫或金属网，其中，多孔结构被配置在基底层1中。第二层2限定在进入侧2b处开始并在离开侧2c处结束的流动路径，以使得多孔结构将进入侧2b与离开侧2c流体连接，以使得限定流动路径的多孔结构在直线方向上延伸。
图4D示出第二层3、一均匀化元件的另一实施例。相比于图4B所公开的示出矩形的第二层3的实施例，图4D示出圆形的第二层3。相比于图4B中示出具有平行延伸通道13的矩形的第一层2的实施例，图4D所公开的适配于第二层3的第一层具有圆形并包括在径向上直线延伸的通道13，通道13在燃料入口2b处(其处于与燃料入口开口16相同的位置处)在中心开始并在外围结束，其中，燃料出口2c被配置为优选地围绕第一层2和第二层3，以使得气体分布元件10内的易燃气体9a在径向上流动。仅在图4D中示出了几个通道13。第二层3包括在圆周方向上延伸的多个孔15，孔15横向穿过第一层2的通道13，以使得相邻通道13中的一些通过相应孔15流体连接。如图4D所示包括第一层2和第二层3的气体分布元件10因此是圆形的。为了建立圆形燃料电池单元50，圆形的阴极-阳极-电解质单元5可以布置在第二层3的顶部，以及支撑层4可以布置在第一层2下方，以实现与图4所示类似的燃料电池单元50，但其在第一层2中具有径向延伸的通道13，并且在支撑层4中具有径向延伸的通道20。在第二层3下方布置的第一层2也可以是三维结构，诸如针、格子、网结构或泡沫结构，第一层2具有圆形，流体流9a、9b、9c的方向在径向上延伸，特别地在从入口2b至出口2c的直线方向上延伸，并且第二层3的第一孔15在圆周方向上延伸。在有利实施例中，在泡沫结构内不存在通道，但是泡沫的多孔结构允许流体在泡沫内流动以使得流体在第一层2内流体流9a、9b、9c的方向上流动。
图4E示出矩形的第二层3的另一实施例，其包括在圆形方向上延伸的孔15。与图4D公开的第二层3不同，图4E所公开的第二层3的孔15布置成类似尺寸的孔15的三个组9x，其中，这些组9x在圆周方向上相比于彼此位移。孔15的这种配置增大了对经过通道13的燃料的通量的均匀化效果。图4E中公开的第二层3包括圆周燃料出口2c，其收集至燃料出口端口18/19的废气，以使得第一层2中的燃料可以首先在径向9u上流动并且之后在方向9v上流至燃料出口2c。
图5示出第三实施例的气体分布元件10的第一层2和第二层3的部分顶视图，其中部分从气体分布元件10的顶部切割出。第一层2的一部分的横截面视图示出通过通道条2a分隔的并列的通道13中的一些、以及通过条元件23而与通道13分隔的连续出口通道14中的一些。第一层2布置在第二层3后面。第二层3包含具有长度28和宽度29的第一孔15，长度28横向延伸，在该实施例中垂直于流体流9的主方向。
图6A示出根据本发明第一、第二或第三实施例中任一个的气体分布层10的穿孔的第二层3的部分顶视图，其包括第一孔15和下面的通道条2a。图6B是图6A的沿线A-A的截面，示出阴极-阳极-电解质单元5、包括通道条2a的第一层2、第二层3和基底层1。基底层1和第一层2由不同的薄板制造。图6C示出图6A的沿线B-B的截面。与图6B不同的是，截面横穿一行孔15，因此第二层3被孔15中断。此外，示出了在第一层2中平行延伸的通道13。
图6D详细示出图4的沿线C-C的截面，其中没有支撑层4。气体分布元件10由三个层组成，基底层1、在其上部配置的第一层2，第一层2限定了包括多个通道13的流图案，通道13由在流方向9上平行延伸的条2a分隔。第二层3是均匀化层，配置在第一层2的顶部。第二层3包括垂直于流方向9延伸的第一孔15。在所示实施例中，第一孔15在三个通道13上延伸以流体连接三个通道13，以使得流体交换9z可以在三个易燃气体流9a、9b、9c；9d、9e、9f之间并通过第一孔15发生。图6D示出理想的气体分布元件10，其中每个通道13,K1…K6具有相同的宽度和相同高度以及相同的流动阻力，以使得每个易燃气体流9a、9b、9c、9d、9e、9f具有大致相同的流速以及大致相同的气体组成，以及所产生的至阴极-阳极-电解质单元5的反应物和反应产物的扩散通量，以使得气体流9a、9b、9c；9d、9e、9f之间的流体交换9z很少或不在第一孔15内发生。除了所述三个易燃气体流9a、9b、9c；9d、9e、9f之间的流体交换9z以外，第一孔15还具有以下效果，在面向阴极-阳极-电解质单元5的第一孔15内，离开流9a、9b、9c；9d、9e、9f的气体组分在进入阴极-阳极-电解质单元5之前被混合和均匀化。因此，气体组分在进入阴极-阳极-电解质单元5之前被均匀化，其保证了单元5被提供足够量的反应气体，即使气体流9a、9b、9c；9d、9e、9f中的一个或甚至两个提供不足的气体。仅示意性地示出配置在第二层3的顶部上的阴极-阳极-电解质单元5以及第二气体接触和气体扩散层55。
图6F详细示出图4的沿线C-C的截面。与示出理想气体分布元件10的图6D不同，图6F示出一种共同的配置，其中，通道K1…K6具有略微不同的形状，例如不同的宽度，以及因此不同的流动阻力，其导致以下效果：气体流9a、9b、9c、9d、9e、9f具有不同的流速。第二层3(均匀化层)的优点是由于第一孔15流体连接通道K1,K2,K3；K4,K5,K6中的一些，流体交换9z在气体流9a、9b、9c、9d、9e、9f之间发生，以使得气体流9a、9b、9c、9d、9e、9f之间的流速的差异减小，其意味着气体流被均匀化，以使得沿阴极-阳极-电解质单元5的易燃气体F的气体组分以及所产生的反应物和反应产物的扩散通量被调和。
图6E示出根据图6F的实施例，但没有第二层3。在没有均匀化层的情况下，沿阴极-阳极-电解质单元5的易燃气体F的气体组分以及所产生的反应物和反应产物的扩散通量可以根据通道K1…K6的不同形状强烈变化。第二层3(均匀化层)的一个优点因此是第一层2可以以更便宜的方式制造，因为气体流9a、9b、9c、9d、9e、9f的通道宽度和/或通道高度的变化的影响可以通过均匀化层补偿，由此允许制造便宜和可靠的气体分布元件10。
图6G示出图6D中公开的气体分布元件10的顶视图，示出在平行方向上延伸的六个通道K1…K6，通过孔15流体连接的三个通道K1,K2,K3；K4,K5,K6，其中，气体流9a、9b、9c、9d、9e、9f中的每一个具有相同的流速。多个孔15在流方向9上被配置并间隔开。
图6H示出图6F所公开的气体分布元件10的顶视图，示出在平行方向上延伸的六个通道K1…K6，三个通道K1,K2,K3；K4,K5,K6通过孔15流体连接，其中，进入气体分布元件9的气体流9a、9b、9c、9d、9e、9f具有不同的流速。多个孔15在流方向9上被配置并间隔开，其中在孔15的每一个中，流体交换9z可以在气体流9a,9b,9c；9d,9e,9f之间发生，以使得气体流9a,9b,9c；9d,9e,9f之间的流速的差异减小。气体分布元件10包括孔15，因此确保了通道K1…K6都没有丧失气体，阴极-阳极-电解质单元5将不遭受燃料的局部损耗。因此，均匀化层3具有以下效果：避免了由于燃料电池单元50的一些区域中易燃气体的缺乏而导致的燃料电池单元50的损坏。此外，在孔15中组分的均匀化通过扩散和对流发生。这进一步减少了单元的一个区域被易燃气体的局部损耗损坏的风险，甚至在通道K1…K6中的一个例如被任何不想要的残留物堵塞的情况下。在该情况下，气体可以经由孔15绕过通道的堵塞部分，并且气体经由孔15从堵塞部分之上扩散至电极。
图6I示出气体分布元件10的另一实施例的顶视图，示出在平行方向上延伸的六个通道K1…K6，通道K1,K2,K3；K4,K5,K6通过孔15流体连接，其中，进入气体分布元件9的气体流9a、9b、9c、9d、9e、9f具有不同的流速。与图6H中公开的实施例不同，根据图6I的实施例中的孔15具有不同的长度28，并且因此可以流体连接两个、三个、四个或者甚至更多个平行延伸的通道K1…K6。另外，在流方向9上间隔开的连续孔15可以在垂直于流9的方向上移位和/或可以具有不同的长度28，因此连接不同的通道K1…K6。
图6L详细示出图4C的沿线C-C的截面，第一层2包括易燃气体9流动通过的多孔结构2d。相比于图6F公开的包括通道K1…K6的气体分布元件10，气体流在图6L所公开的多孔层中更扩散，因此图6L公开的气体流9a、9b、9c、9d、9e、9f仅示出在流方向9上流动的燃料流强度(大小)。第二层3(均匀化层)的效果类似于图6F公开的效果，即如果气体流具有不同的气体组分，第二层3引起在气体流9a、9b、9c、9d、9e、9f之间的流体交换9z。因此，第二层3均匀化第一层2的多孔结构中各种气体流9a、9b、9c、9d、9e、9f的流速。因此，沿阴极-阳极-电解质单元5的易燃气体F的气体组分以及所产生的反应物和反应产物的扩散通量被调和。
图6K示出根据图6L的实施例，但没有第二层3。在没有均匀化层3的情况下，沿阴极-阳极-电解质单元5的易燃气体F的气体组分以及所产生的反应物的扩散通量会根据多孔第一层2中的流动阻力强烈变化，类似于图6E所公开的效果。
图7A是示出穿过燃料电池单元50的气体分布层的易燃气体的流的理想情况的示意图，其中，燃料电池单元50在该示例中包括并列排列的十二个通道13，以及其中箭头指示相应通道13中易燃气体的通量。坐标系统的x轴示出相应通道13在流9的主方向上的通量。y轴示出十二个通道K1–K12的通道数量，通道并列排列，如图3所示。图7D示出十个燃料电池单元50的堆，每个燃料电池单元50具有十二个通道13，图7A、7B中公开的通道数量对应于图7D的燃料电池堆中所示的通道。图7B是示出穿过燃料电池单元50的易燃气体的流的最佳真实情况的示意图，其中，由于构造折衷了气体集流，易燃气体的通量在接近外壳的外侧通道1和12中较低，由此接近燃料电池单元50的外壳的流速具有最低值。
图7D是燃料电池单元50的堆的视图，每个燃料电池单元50具有根据图7B所示的情况的相同流。因此，十个燃料电池单元50中的每一个的平均通量F1～F10是相同的。
图7C是示出根据现有技术的穿过燃料电池单元的易燃气体的流、由此流速的非常不均匀的分布的真实情况的示意图。流速的不均匀分布例如从制造燃料电池单元50时的生产公差发生。图7C示出与图7B相同设计的流动场，但是具有由于例如制造公差而与设计的重大偏差。这在现有技术中是通常的问题。偏差在分布元件之间根据其制造而不同。在图7C公开的示例中，具有最低气体通量的通道是数字5，但是其可以是另一分布元件中的任何其他通道。该最小通量可能导致局部燃料匮乏并最终导致性能限制，燃料电池堆的局部过热，或者电解质、阳极或阴极中的破裂，可能导致CAE单元5的破裂以及可能地燃料和氧化剂混合以及寄生燃烧，由此导致堆或其至少一部分的过早的严重损坏。
图7E是如图7C公开包括十个燃料电池单元50的燃料电池堆的视图。各个燃料电池单元50呈现随机偏差，最小通道流的位置彼此之间变化，因此由箭头F1...F10的长度表示的燃料电池单元50中每一个的平均流速随机分布。这些随机偏差具有两方面的效果：首先，每个燃料电池单元的总通量由于对液体流的不同阻力而在单元50之间变化，第二，与每个通道的平均通量(7A，理想情况)的累积偏差最终变得更重要。为此，在现有技术中，必须通过以下引入补偿：校正单元电池集流处的进入流、挑出具有窄压力降的一批单元电池、增大公差的规范、或者进一步减小燃料转换率以降低操作风险。所有这些都对堆的生产的成本和系统的效率有影响。此外，图7E示出在根据现有技术的燃料电池堆中，相邻燃料电池单元50中的流情况、相应地相邻气体分布元件10中的流情况可以显著变化。
对固态氧化物燃料电池的建模和实验工作示出了燃料分布的均匀性和流的配置对于燃料电池的性能和可靠性如何重要。图7A表示在相同或相反方向上流动的空气和燃料的理想情况。由于制造处理，通常需要一些折衷，其导致略微不同于图7B所示的理想情况的气体分布。最近的研究包括制造公差或不理想组件性质对性能和可靠性的影响的研究，由此允许评估工业处理或特定设计对于期望性能和可靠性的适用性。
由Cornu和Wuillemin进行的工作(Impact of random geometric distortionson the performance and reliability of an SOFC(2011)Fuel Cells,11(4),pp.553-564)特别示出燃料分布的特性如何取决于气体分布结构中通道的深度的公差。通道的深度的范围通常从0.2mm至1-2mm标度，以及它们的宽度更通常从1至2mm变化。0.5mm范围的深度最常见。在这些情况下，在目标值附近的0.05mm的深度变化已经对流分布具有非常重要的影响。这种偏差的例子在图7C中给出。即使可以通过合适的制造技术实现0.05的深度变化，阴极-阳极-电解质单元5和气体分布元件10之间的空间也会根据在之间使用的接触层而变化。因此，针对有效通道片段的累积深度变化非常难以维持在上述偏差范围中。最后，同样重要的是，接触层或通道可能随时间缓慢移动，其将在任何情况下导致随时间的差的燃料分布。
因为单元电池50相互堆叠，各个元件的缺陷将累积，导致如图7E的情况所示的操作中流的更加增大的偏差。
因为在燃料电池堆的所有单元电池50中转换燃料的完全相同的量，由此获得共同的电流流动，以使得单元电池50的呈现低燃料流的区域在燃料转换增加时面临燃料匮乏的风险。因为需要大的转换以实现高性能，因而差的燃料分布将导致一个单元电池由于燃料匮乏而引起的性能限制或损坏。
因为对于操作者来说几乎没有关于燃料电池堆的一部分经受匮乏的任何标志，除非已经太晚了，这种问题从工业和操作视角来说非常重要。
图8是根据如图4所示的实施例的形成燃料电池堆103的多个连续燃料电池单元50的截面，每个燃料电池单元50包括气体分布元件10和支撑层4。
由此，燃料通道13的横截面通过第一层2和作为穿孔板的第二层3的通道结构的几何形状被给出并确定。第二层3用作均匀化元件。在第三层3和阴极-阳极-电解质单元5之间使用的任何可选的另外接触层将对流没有影响。此外，在穿孔板(第二层3)上的孔15的几何形状允许沿几个通道13的流体路径的流体交换和流体的混合，通道13沿着燃料路径并列排列，因此在这些位置创建了通道之间的附近隔离条，并且因此创建了通道13之间的合适的平均通量。由于这个原因，任何通道13沿着气体分布元件10内易燃气体的流体流动路径的几何形状的任何偏差通过允许易燃气体在相邻通道13之间流动来校正，因此使用平均化效果来均匀化相应的反应物，相应地易燃气体流体流。
图8A是图8的详细截面图，其详细示出具有相应支撑层4的两个气体分布元件10。一个阴极-阳极-电解质单元5可以在图8A的中部可见，其中支撑层4接触在阴极-阳极-电解质单元5的顶部的第一气体接触和气体扩散层54，以及其中第二层3(均匀化层)接触在阴极-阳极-电解质单元5的底部的第二气体接触和气体扩散层55。第二层3提供在三个通道13上延伸的第一孔15以流体连接三个通道13，以使得流体交换9z均匀化进入阴极-阳极-电解质单元5的易燃气体F。
支撑层4具有波纹的形状，其允许将氧化剂的流路径O分离成两个单独的流路径O1、O2，流路径O1是向阴极-阳极-电解质单元5提供氧化剂O3的氧化剂。流路径O2用作冷却基底层1和/或阴极-阳极-电解质单元5的冷却剂。
图8B在截面图中示出燃料电池堆103的示意侧视图，其包括四个气体分布元件10和三个阴极-阳极-电解质单元5以及它们之间的相应的支撑层4。氧化剂O在一侧被提供至全部支撑层4，氧化剂O之后被分离以形成沿支撑层4的两个单独流路径O1、O2，两个单独的流路径O1、O2在离开支撑层4之后被组合，所有支撑层4的流路径也组合成离开燃料电池堆103的一个单一流路径。
图4示出具有长度3a和宽度3b的阴极-阳极-电解质单元5，其限定接触表面3c，阴极-阳极-电解质单元5经由接触表面3c接触第二层3。第二层3包括同样的接触表面3c。第二层3的第一孔15配置在接触表面3c内。在优选实施例中，所有第一孔15的总面积是孔15、6的总面积的至少20％，其他的位于表面3c内。为了提供易燃气体沿着接触表面3c的更均匀的同等分布，所有第一层15的总面积是接触表面3c的至少20％，以及最优选地大约30％，以及最优选地在40％至50％之间。
所公开的第一孔15被示出具有矩形。第一孔15还可以具有其他形状，诸如椭圆形。第二层3也可以包括在同一第二层3上的不同形状的多个第一孔15，诸如矩形和椭圆形。
用于在燃料电池的气体分布元件10均匀化易燃气体的有利方法是气体分布元件10包括将燃料入口2b与燃料出口2c连接的第一层2，其中，燃料在第一层2内特别地在直线方向上在流9的方向上流动，以及气体分布元件10包括第二层3，第二层3包括第一孔15，第一孔15在相对于流9的方向的垂直方向上延伸，其中，流经第一层2的易燃气体进入第一孔15，以使得易燃气体在第一孔15内被均匀化，以及其中，第一孔15接触阴极-阳极-电解质单元5，以使得来自第一孔15内的易燃气体被提供至阴极-阳极-电解质单元5。
在有利的方法步骤中，在第一孔15内均匀化的易燃气体中的至少一些流回至第一层2中。
在另一有利的方法步骤中，第一层2包括多个通道13，通道13并列排列并将燃料入口2b与燃料出口2c连接，第一孔15在关于通道13的垂直方向上延伸并且流体连接并列排列的至少两个通道13，其中，流经相应通道13的易燃气体进入第一孔15，以使得相应通道13的易燃气体在第一孔15内被均匀化。
在有利的方法步骤中，在第一孔15内被均匀化的易燃气体中的至少一些流回至第一层2的相应通道13中或在第一层2的相应通道13之间交换。
在另一有利的方法步骤中，第一孔15中的至少一些垂直于流9的方向延伸，以使得易燃气体在流经第一孔15时改变流方向。在有利的方法步骤中，第一孔15中的至少一些垂直于流9的方向延伸，以使得相应的第一孔15中的易燃气体的压力被均等化，以使得在下面的第一层2或在下面的相应通道13中的易燃气体的压力被局部均等化。
该结构在根据US 7 632 586 B2的两个堆设计中实现并且在操作中有效。实现了94％的最大燃料转换，在使用氢气作为燃料时达到61％的效率，以及使用甲烷时达到69％的效率。这远高于基于US 7 632 586 B2所公开的反应物流的处理的早期结果。

Claims (23)

1.一种用于燃料电池或电解装置的气体分布元件(10)，顺次包括基底层(1)、第一层(2)和第二层(3)，其中，所述第一层(2)和所述第二层(3)设置有形成作为易燃气体的第一反应物流体的流体流(9)的图案的气体分布结构(11)，其中，所述第二层(3)是均匀化元件，其具有第一孔(15)，其中，所述第一孔(15)具有长度(28)和宽度(29)，所述长度(28)大于所述宽度(29)，其特征在于，所述第一层(2)包括燃料入口(2b)和燃料出口(2c)，其中所述流体流(9)的主方向在所述燃料入口(2b)和所述燃料出口(2c)之间在直线方向上延伸，
所述第一层(2)的气体分布结构(11)由并列排列、在所述流体流(9)的主方向上直线延伸并将所述燃料入口(2b)与所述燃料出口(2c)连接的多个通道(13)构成，
在所述通道(13)的垂直方向上延伸的所述第一孔(15)具有所述长度(28)并且被配置为使得并列排列的至少两个通道(13)通过所述第一孔(15)流体连接，
以及所述第二层(3)包括接触阴极-阳极-电解质单元(5)的接触表面(3c)，其中，所述第一孔(15)配置在所述接触表面(3c)内，以及其中，所有第一孔(15)的总表面是所述接触表面(3c)的至少20％。
2.根据权利要求1所述的气体分布元件(10)，其中，所述通道(13)相互平行延伸，以及其中，所述第一孔(15)垂直于所述通道(13)延伸。
3.根据权利要求1所述的气体分布元件(10)，其中，所述第一层(2)具有圆形，所述通道(13)在所述圆形的径向方向上延伸，以及所述第一孔(15)在所述圆形的圆周方向上延伸。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的气体分布元件(10)，其中，所述第一层(2)的通道(13)中的至少一些被条元件(23)阻塞，所述条元件(23)连接相互分隔并在其间形成所述通道(13)的至少两个条(2a)，其中，所述第二层(3)包括多个第二孔(6)，其中所述第二孔(6)在所述流体流(9)的主方向上具有大于所述条元件(23)的宽度的长度(7)，以及所述第二孔(6)配置在所述条元件(23)旁边以流体连接所述通道(13)并绕开所述条元件(23)。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的气体分布元件(10)，还包括配置在所述基底层(1)一侧的支撑层(4)。
6.根据权利要求5所述的气体分布元件(10)，其中，所述支撑层(4)包括在直线方向上延伸的多个通道(20)，所述支撑层(4)的通道(20)引导第二反应物流体，所述第二反应物流体是氧化剂。
7.根据权利要求6所述的气体分布元件(10)，其中，所述支撑层(4)是在两侧具有通道(20,20a,20b)的波纹状薄板，其中，面向所述第一层(2)的通道(20b)的目的是通过所述第二反应物流体冷却所述第一层(2)，以及在相反侧的通道(20a)的目的是向燃料电池单元提供所述第二反应物流体。
8.根据权利要求5所述的气体分布元件(10)，其中，所述基底层(1)和/或所述第一层(2)和/或所述第二层(3)和/或所述支撑层(4)通过盖印、压花、冲压或蚀刻或者通过热压来制造。
9.根据权利要求1-3中任一项所述的气体分布元件(10)，其中，所述基底层(1)和所述第一层(2)或者所述第一层(2)和所述第二层(3)通过焊接在一起形成单片。
10.根据权利要求5所述的气体分布元件(10)，其中，所述支撑层(4)与所述基底层(1)形成单片或者所述支撑层(4)与所述基底层(1)和所述第一层(2)形成单片。
11.根据权利要求1-3中任一项所述的气体分布元件(10)，其中，所有第一孔(15)的总面积是位于所述接触表面(3c)内的所有孔(15，6)的总面积的至少20％。
12.根据权利要求1所述的气体分布元件(10)，其中，所有第一孔(15)的总表面是所述接触表面(3c)的至少30％。
13.根据权利要求12所述的气体分布元件(10)，其中，所有第一孔(15)的总表面是所述接触表面(3c)的40％至50％。
14.根据权利要求11所述的气体分布元件(10)，其中，所有第一孔(15)的总面积是位于所述接触表面(3c)内的所有孔(15，6)的总面积的至少50％。
15.根据权利要求14所述的气体分布元件(10)，其中，所有第一孔(15)的总面积是位于所述接触表面(3c)内的所有孔(15，6)的总面积的60％至80％。
16.一种包括根据前述权利要求中任一项所述的气体分布元件(10)的燃料电池。
17.一种包括根据权利要求1-15中任一项所述的气体分布元件(10)的电解装置。
18.一种包括根据权利要求1-15中任一项所述的气体分布元件(10)的固态氧化物燃料电池。
19.一种包括根据权利要求1-15中任一项所述的气体分布元件(10)的固态氧化物电解装置。
20.一种用于在燃料电池的气体分布元件(10)中均匀化易燃气体的方法，所述气体分布元件(10)顺次包括基底层(1)、第一层(2)和第二层(3)，所述第一层(2)包括具有通道(13)的气体分布结构(11)，所述第二层(3)包括第一孔(15)，其中，流经相应通道(13)的易燃气体进入所述第一孔(15)以使得所述相应通道(13)的易燃气体在所述第一孔(15)内被均匀化，以及其中，所述第一孔(15)在接触表面(3c)处接触阴极-阳极-电解质单元(5)，以及其中，所述第一孔(15)配置在所述接触表面(3c)内，以使得来自所述第一孔(15)内的易燃气体被提供至所述阴极-阳极-电解质单元(5)，其特征在于，
所述气体分布结构(11)由并列排列并将燃料入口(2b)与燃料出口(2c)连接的多个直线延伸的通道(13)构成，以使得燃料在直线方向上在所述通道(13)内在流体流(9)的方向上流动，
所述第一孔(15)在所述流体流(9)的方向的垂直方向上延伸并流体连接并列排列的至少两个通道(13)，在所述第一孔(15)内被均匀化的易燃气体中的至少一些流回至所述第一层(2)的相应通道(13)或者在所述第一层(2)的相应通道(13)之间交换，
以及所述易燃气体被提供至所述阴极-阳极-电解质单元(5)所经过的所有第一孔(15)的总表面是所述接触表面(3c)的至少20％。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述第一孔(15)中的至少一些垂直于所述流体流(9)的方向延伸，以使得在相应第一孔(15)中的易燃气体的压力被均等化，以及在所述第一孔(15)下面的相应通道(13)中的易燃气体的压力被局部均等化。
22.根据权利要求20所述的方法，其中，所述易燃气体被提供至所述阴极-阳极-电解质单元(5)所经过的所有第一孔(15)的总表面是所述接触表面(3c)的至少30％。
23.根据权利要求22所述的方法，其中，所述易燃气体被提供至所述阴极-阳极-电解质单元(5)所经过的所有第一孔(15)的总表面是所述接触表面(3c)的40％至50％。
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