CN104813528B - 具有纵向通道和横向通道的固态氧化物燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种在电子隔板上形成纵向通道和横向通道的固态氧化物燃料电池。根据本发明优选实施例的固态氧化物燃料电池包括：将阳极、电解质和阴极层压形成的电池单元；在两个表面上形成通道以使反应气体能够流动的隔板，所述通道由与反应气体流动方向平行的纵向通道以及与反应气体流动方向交叉的横向通道形成；以及介于电池单元与隔板之间的收集器。纵向通道的宽度从反应气体流入口朝着反应气体流出口的方向增大。

Description

具有纵向通道和横向通道的固态氧化物燃料电池
技术领域
本发明涉及具有纵向通道和横向通道的固态氧化物燃料电池，更具体地，涉及这样一种固态氧化物燃料电池，在构成该固态氧化物燃料电池的隔板内所述固态氧化物燃料电池具有纵向通道和横向通道。
背景技术
本申请要求于2012年12月18日提交至韩国知识产权局的专利申请No.10-2012-0148194的优先权，该专利公开的全部内容以引用方式并入本文中。
燃料电池是利用了具有氧化剂的燃料的电化学反应的能量转换器件，其将燃料的化学能转化为电能，而不将化学能转化为热机械能。因此，燃料电池的发电效率高于传统发电系统，并且燃料电池是环保的，并作为一种未来能源得到积极的研究。
燃料电池可以根据其中使用的电解质和燃料分类为：磷酸燃料电池(PAFC)、聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、直接甲醇燃料电池(DMFC)以及固态氧化物燃料电池(SOFC)。燃料电池具有不同的工作温度，用于燃料电池的材料取决于工作温度。PEMFC具有约80℃的工作温度。PAFC具有约200℃的工作温度。MCFC具有约650℃的工作温度。SOFC具有约800℃的工作温度。
在这些燃料电池中，仅由诸如陶瓷或金属之类的固态材料形成的SOFC具有最高的能量效率，提供了较宽的固态材料的选择范围，并且适应于回收废热。
例如，日本专利公布No.2011-210568公开了一种固态氧化物燃料电池的燃料电极收集器单元。
图1是示出现有技术中构成固态氧化物燃料电池的主要部件的分解透视图。参照图1，现有技术中的固态氧化物燃料电池包括：通过顺序堆叠阴极、电解质和阳极而形成的电池单元；置于阴极之上的隔板；以及置于阳极之上的隔板。
在隔板的两个表面中形成通道。尽管没有在图1中示出，阴极收集器放置在阴极与置于阴极之上的隔板之间，阳极收集器放置在阳极与置于阳极之上的隔板之间。
空气流过阴极与隔板之间的通道，燃料气体流过阳极与隔板之间的通道。反应气体(空气和燃料气体)的流动诱发电解质层中氧离子或氢离子传导，并且电化学反应在电极(阴极和阳极)上产生，从而生成电动势。
空气或燃料气体被引入至所述通道的一侧，并从通道的另一侧排出。换言之，燃料电池具有通过其引入反应气体的流入口、以及通过其排出反应气体的流出口。
理想的是，在反应气体穿过燃料电池的区域上均匀发生电化学反应。但是实际上，反应气体汇集至流入口，而流出口附近的反应气体浓度较低。因此，电力在收集器的整个区域上并不是均匀地产生，大量电力产生于靠近流入口的收集器部分，少量电力产生于靠近流出口的收集器部分。
这降低了燃料电池的电流收集效率。另外，由于反应更加集中地发生在流入口处，因此流入口比流出口更加显著地劣化。
因此，虽然流出口较轻地劣化，但是流入口的显著劣化会大大降低燃料电池的使用寿命。
发明内容
技术问题
相应地，本发明的目的在于提供一种固态氧化物燃料电池，其配置为在反应气体通过该燃料电池的区域之上均匀发生电化学反应。
另外，本发明的目的在于提供一种具有这样的结构的固态氧化物燃料电池，其使得反应气体流入口和反应气体流出口均匀地劣化。
另外，本发明的目的在于提供一种具有延长的使用寿命的固态氧化物燃料电池。
技术方案
根据本发明的一方面，提供了一种固态氧化物燃料电池，其包括：通过堆叠阴极、电解质和阳极形成的电池单元；两个表面均具有通道的隔板，其中反应气体流过所述通道，并且所述通过包括与反应气体的流动方向平行的纵向通道以及与反应气体的流动方向交叉的横向通道；以及置于电池单元与隔板之间的收集器，其中纵向通道的宽度从反应气体流入口至反应气体流出口增大。
隔板的两个表面可以提供有由纵向通道和横向通道分隔的并具有梯形形状的突起部分。
隔板的两个表面可以提供有由纵向通道和横向通道分隔的并具有六边形形状的突起部分。
横向通道的宽度可以从反应气体流入口至反应气体流出口增大。
与反应气体流出口末端邻近的纵向通道的宽度可以是与反应气体流入口末端邻近的纵向通道的宽度的1.5至3倍。
隔板的两个表面可以提供有由纵向通道和横向通道分隔的突起部分，并且收集器可以覆盖纵向通道、横向通道和突起部分。
在隔板的一个表面中形成的任何一个纵向通道可以置于在隔板的另一个表面中形成的相邻的纵向通道之间。
固态氧化物燃料电池还可以包括端板，其中仅在端板的一个表面中形成与反应气体的流动方向平行的通道以及与反应气体的流动方向交叉的通道。
有益效果
根据本发明，提供了一种固态氧化物燃料电池，其配置为在反应气体通过该燃料电池的区域之上均匀发生电化学反应。
另外，提供了一种具有这样的结构的固态氧化物燃料电池，其使得反应气体流入口和反应气体流出口均匀地劣化。
另外，提供了一种具有延长的使用寿命的固态氧化物燃料电池。
附图说明
附图示出了本发明的优选实施例，并且与说明书一起提供了对本发明技术精神的进一步理解。因此，本发明并不限于附图中示出的特征，在附图中：
图1是示出现有技术中构成固态氧化物燃料电池的主要部件的分解透视图；
图2是示出根据本发明优选实施例的固态氧化物燃料电池的一部分的分解透视图；
图3是示出在根据图2中的实施例的固态氧化物燃料电池中使用的隔板的平面图；
图4是示出在根据图2中的实施例的固态氧化物燃料电池中使用的隔板的变型例的平面图；以及
图5是示出根据本发明另一优选实施例的固态氧化物燃料电池的垂直截面图。
具体实施方式
下文将参照附图对根据本发明优选实施例的具有纵向通道和横向通道的固态氧化物燃料电池进行详细描述。
下文和权利要求书的范围中使用的术语不限于字典中的术语，并且仅用于解释特定的示例性实施例，而非限定本发明。因此，本文中提出的实施例和附图只是仅用于说明目的的优选示例，并非旨在限定本发明的技术精神，所以应当理解，在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以对其做出其他等效物和对其进行修改。
为了便于描述以及清楚起见，在附图中对各元件或组成元件特定部分的尺寸进行了放大、省略或示意性表示。因此，各元件的尺寸不能完全反映其实际尺寸。此外，为了避免对本发明主题的不必要的混淆，本文将排除与众所周知的功能或配置相关的详细描述。
图2是示出根据本发明优选实施例的固态氧化物燃料电池中的一部分的分解透视图。图3是示出在根据当前实施例的固态氧化物燃料电池中使用的隔板的平面图。
参照图2和图3，将根据当前实施例详细描述固态氧化物燃料电池(下文称作“燃料电池”)。
根据当前实施例的燃料电池100包括电池单元10、隔板20和各收集器。
通过堆叠阴极13、电解质12和阳极11形成电池单元10。
用于阴极13(空气电极)的材料可以是钙钛矿基化合物，例如LaSrMnO3(LSM)或LaSrCoFeO3(LSCF)。用于电解质12的材料可以是包括了基于以下一种或多种材料的粉末：氧化锆(一种稀土元素，诸如YSZ或Sc2O3+ZrO2(ScSZ))、二氧化铈(CeO2)、三氧化二铋(Bi2O3)以及钙钛矿。用于阳极11(燃料电极)的材料可以是金属陶瓷、氧化钇稳定的氧化锆(ZrO2+8Y2O3，YSZ)与诸如Ni的金属的混合物。电池单元10至少具有阴极13、电解质12和阳极11三层。
反应气体流过的通道形成在隔板20的两个表面中。反应气体为燃料气体和空气，燃料气体可以是纯氢气、纯甲烷、纯丙烷、纯丁烷、改性氢气、改性甲烷、改性丙烷或改性丁烷。空气不仅可以是典型空气，也可以是与氧气混合的气体。
参照图2，反应气体在方向X上被引入至燃料电池100中，并在方向Y上从燃料电池100中排出。因此，在方向X上将反应气体引入其中的燃料电池100的一侧被称作流入部分，并且在方向Y上将反应气体从其中排出的燃料电池100的一侧被称作流出部分。
通道包括与反应气体的流动方向平行的纵向通道22、以及与反应气体的流动方向交叉的横向通道24。因此，由纵向通道22和横向通道24分隔的各突起部分26形成在隔板20的外表面中。为了便于描述，放大了图2中示出的纵向通道22和横向通道24的宽度，因此可以减小所述宽度，并可以增加纵向通道22和横向通道24的数量。
形成在隔板20的上表面中的纵向通道22设置在与形成在隔板20的下表面中的纵向通道22相对应的位置中。也就是说，在隔板20的厚度方向上，在隔板20的上表面和下表面中均形成了纵向通道22或突起部分26。
然而，隔板20并不限于这种顶部与底部对称的图形。例如，在隔板20的一个表面中形成的任何一个纵向通道22可以置于在隔板的另一个表面中形成的相邻的纵向通道之间。也就是说，在隔板20具有顶部与底部不对称的图形的情况下，当纵向通道22在隔板20的厚度方向上形成在隔板20的上表面的一部分中时，突起部分26可以在隔板20的厚度方向上形成在隔板20的下表面的该部分中。反之，当突起部分26在隔板20的厚度方向上形成在隔板20的上表面的一部分中时，纵向通道22可以在隔板20的厚度方向上形成在隔板20的下表面的该部分中。换言之，在隔板20的上表面中形成的纵向通道22与在隔板20的下表面中形成的纵向通道22可以交替地设置。
虽然如图2所示，在相同的方向上设置形成在隔板20的上表面和下表面中的纵向通道22，并且在相同的方向上设置形成在隔板20的上表面和下表面中的横向通道24，但是本发明不限于这种布置。例如，形成在隔板20的上表面中的纵向通道22可以与形成在隔板20的下表面中的纵向通道22交叉，并且形成在隔板20的上表面中的横向通道24可以与形成在隔板20的下表面中的横向通道24交叉。
稍后将对隔板20进行更详细的描述。
收集器设置在电池单元10和隔板20之间。各收集器(为简便起见，图2中没有其附图标记)应用于隔板20的上表面和下表面。由于隔板20的上表面和下表面由纵向通道22、横向通道24以及突起部分26(其占据了隔板20的上、下表面的除了被纵向通道22和横向通道24所占据的区域以外的区域)构成，因此收集器可以覆盖纵向通道22、横向通道24以及突起部分26。
例如，收集器可以由导电性钙钛矿基化合物形成。
图3是示出在根据当前实施例的固态氧化物燃料电池中使用的隔板20的平面图。
下面将参照图3详细描述隔板20。
参照图3，纵向通道22的宽度从反应气体流入口至反应气体流出口增大。也就是说，接近反应气体流出口的纵向通道22部分的宽度DY大于接近反应气体流入口的纵向通道22部分的宽度DX。因此，突起部分26具有梯形形状。
然而，突起部分26的形状不限于梯形形状。图4是示出根据优选实施例的在燃料电池100中使用的隔板20的变型例的平面图。参照图4，突起部分26可以具有六边形形状。也就是说，根据当前实施例的突起部分26可以具有类似蜂巢的形状。
另外，在当前实施例中，接近反应气体流出口的纵向通道22部分的宽度DY大于接近反应气体流入口的纵向通道22部分的宽度DX。
横向通道24的宽度也可以从反应气体流入口至反应气体流出口增大。也就是说，接近反应气体流出口的横向通道24部分的宽度WY可大于接近反应气体流入口的横向通道24部分的宽度WX。
因此，纵向通道22的宽度朝着反应气体流出口增大，或者横向通道24的宽度朝着反应气体流出口增大，从而显著缓解了现有技术中的如下问题：反应气体汇集至反应气体流入口；以及反应气体流出口附近的反应气体浓度下降。反应气体倾向于从小空间向大空间散布，而纵向通道22和横向通道24的宽度朝着反应气体流出口增大。因此，反应气体在从反应气体流入口到反应气体流出口的区域内均匀散布。相应地，在反应气体穿过燃料电池100的区域之上均匀发生电化学反应。
应用于纵向通道22和横向通道24的收集器的一部分不与阴极13或阳极11接触，而只有应用于突起部分26的收集器的一部分与阴极13或阳极11接触。当与阴极13或阳极11接触的收集器面积增加时，会提高收集器的电流收集效率。因而，当突起部分26占据的区域增大时，会提高收集器的电流收集效率。
也就是说，纵向通道22和横向通道24的流出宽度的增加改进了反应气体的均匀散布，但是减小了突起部分26的面积。因此，需要针对这一权衡进行适当的调整。
本发明的发明人通过实验发现，当与反应气体流出口末端邻近的纵向通道22的宽度是与反应气体流入口末端邻近的纵向通道22的宽度的1.5至3倍时，反应气体均匀扩散至燃料电池100的整个区域，并且突起部分26具有足够大的面积。在这种条件下，电流收集效率最高。
另外，由于反应气体均匀扩散至燃料电池100的整个区域，因而反应气体流入口与反应气体流出口均匀地劣化。因此防止了反应气体流入口首先劣化，由此改进了燃料电池100的使用寿命。
图5是示出根据本发明优选实施例的燃料电池的垂直截面图。
纵向通道22和横向通道24可以不暴露于完整燃料电池100的外面。因此，可以在燃料电池100的最上部表面和最下部表面设置端板30。相应地，只在端板30的一个表面中形成纵向通道22或横向通道24。
燃料电池100可以具有通过顺序堆叠端板30、电池单元10、隔板20、电池单元10、隔板20、电池单元10和端板30而形成的结构。可以为燃料电池100提供附加的电池单元10和附加的隔板20以增加其电容量，并且附加的电池单元10的数量可以等于附加的隔板20的数量。
虽然没有在图5中示出，但是收集器设置在末端平板30与电池单元10之间以及隔板20与电池单元10之间。
虽然已经参照示例性实施例及其附图特定地示出并说明了本发明，但是所属技术领域的普通技术人员应当理解，可以对这些示例性实施例在形式和细节方面做出许多不同的修改和变化而不脱离由权利要求书所限定的本发明的精神和范围。

Claims (7)

1.一种固态氧化物燃料电池，包括：
通过堆叠阴极、电解质和阳极形成的电池单元；
两个表面均具有通道的隔板，其中反应气体流过所述通道，并且所述通道包括与反应气体的流动方向平行的纵向通道以及与反应气体的流动方向交叉的横向通道；以及
置于电池单元与隔板之间的收集器，
其中纵向通道的宽度从反应气体流入口至反应气体流出口增大，并且横向通道的宽度从反应气体流入口至反应气体流出口增大。
2.根据权利要求1所述的固态氧化物燃料电池，其中隔板的两个表面提供有由纵向通道和横向通道分隔的并具有梯形形状的突起部分。
3.根据权利要求1所述的固态氧化物燃料电池，其中隔板的两个表面提供有由纵向通道和横向通道分隔的并具有六边形形状的突起部分。
4.根据权利要求1所述的固态氧化物燃料电池，其中与反应气体流出口末端邻近的纵向通道的宽度是与反应气体流入口末端邻近的纵向通道的宽度的1.5至3倍。
5.根据权利要求1所述的固态氧化物燃料电池，其中隔板的两个表面提供有由纵向通道和横向通道分隔的突起部分，并且收集器覆盖纵向通道、横向通道和突起部分。
6.根据权利要求1所述的固态氧化物燃料电池，其中在隔板的一个表面中形成的任何一个纵向通道置于在隔板的另一个表面中形成的相邻的纵向通道之间。
7.根据权利要求1所述的固态氧化物燃料电池，还包括端板，其中仅在端板的一个表面中形成与反应气体的流动方向平行的通道以及与反应气体的流动方向交叉的通道。
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