CN106537671A - 燃料电池装置 - Google Patents

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Abstract

本发明从具有燃料电池单元（10）的燃料电池装置出发，所述燃料电池单元包括至少两个燃料电池（12、14）和至少一个互连单元（16），所述互连单元被设置用于将所述至少两个燃料电池（12、14）彼此串联。提出：所述至少一个互连单元（16）具有至少两层（18、20），所述至少两层由彼此不同的材料构成。

Description

燃料电池装置
技术领域
本发明涉及一种根据专利权利要求1的前序部分所述的燃料电池装置。
背景技术
已经提出一种具有燃料电池单元的燃料电池装置，所述燃料电池单元包括多个燃料电池。所述燃料电池借助于互连单元（Interkonnektoreinheit）串联。在此，所述互连单元仅仅由一种材料构成。
发明内容
本发明从具有燃料电池单元的燃料电池装置出发，所述燃料电池单元包括至少两个燃料电池和至少一个互连单元，所述互连单元被设置用于将所述至少两个燃料电池彼此串联。
提出：所述至少一个互连单元具有至少两层，所述至少两层由彼此不同的材料构成。
在该上下文中，“燃料电池装置”尤其是应该被理解为用于在使用至少一个燃料电池单元的情况下来静止地和/或移动地获得尤其是电能和/或热能的装置。在该上下文中，“燃料电池单元”尤其应该被理解为具有多个彼此接线的燃料电池的单元，所述燃料电池被设置用于将至少一种可燃气体（尤其是氢和/或一氧化碳）和至少一种氧化剂（尤其是氧）的至少一种化学能尤其是转换成电能。优选地，所述燃料电池被构造为固体氧化物燃料电池（SOFC）。“被设置”尤其是应该被理解为特定地被编程、被设计和/或被构建。“一个对象被设置用于一个确定的功能”尤其是应该被理解为：所述对象在至少一个应用状态和/或运行状态下执行和/或实施所述确定的功能。在该上下文中，“互连单元”尤其是应该被理解为如下单元，所述单元被设置用于在所述至少两个燃料电池之间建立导电连接，以便将所述至少两个燃料电池彼此串联。
所述至少一个互连单元尤其是由彼此不同的材料构成，所述材料逐层地来相互布置。构成互连单元的材料尤其是具有互补的和/或补充性的功能特性、尤其是在传导能力和/或烧结特性方面的互补的和/或补充性的功能特性。优选地，所述互连单元的材料分别具有钙钛矿结构（Perowskit-Struktur）。
通过这种构建方案，可以提供按照前序部分的具有经改善的运行特性的燃料电池装置。尤其是可以通过由彼此不同的材料来构造所述互连单元来有利地组合材料特性。由此，可以有利地将所述互连单元与对燃料电池装置的要求相适配，由此尤其是可以有利地提高所述燃料电池装置的功能性和/或寿命。
此外还提出：所述互连单元具有至少一个第一层，所述第一层由锰基钙钛矿构成。所述锰基钙钛矿尤其是具有通用化学式La1-xSrxAyMn1-yO3，其中0.05<x<0.6，0.05<y<0.6并且A=钪（Sc）、钛（Ti）、铌（Nb）或者钽（Ta）。由此可以实现的是：所述至少一个第一层尤其是在正在减小的气氛（例如阳极气氛）下具有高导电性。优选地，所述互连单元具有至少一个第二层，所述第二层由镍基钙钛矿构成。所述镍基钙钛矿尤其是具有通用化学式LaNixFe1- xO3，其中0.05<x<0.6。由此可以提供有利地气密的第二层，由此可以有利地提高所述燃料电池装置的气密性。此外，还可以在阴极气氛下实现所述至少一个第二层的有利地高的传导能力。因此，通过将所述至少一个第一层与所述至少一个第二层组合成互连单元，可以有利地降低欧姆损耗，因为不仅在阳极气氛下而且在阴极气氛下都可以实现有利地高的传导能力。
此外还提出，所述燃料电池单元包括：至少一个阴极层，所述阴极层被设置用于构造所述至少两个燃料电池的阴极；至少一个阳极层，所述阳极层被设置用于构造所述至少两个燃料电池的阳极；和至少一个电解质层，所述电解质层被设置用于构造所述至少两个燃料电池的电解质。所述至少一个阴极层尤其可以由镧锶锰氧化物和/或镧锶钪锰氧化物和/或镧锶钴铁氧化物和/或镧镍铁氧化物构成。优选地，所述阴极层由镧锶锰氧化物、镧锶钪锰氧化物或者它们的混合物构成。优选地，所述至少一个阴极层的材料具有钙钛矿结构。所述至少一个阳极层尤其可以由镍和包括钇稳定氧化锆的金属陶瓷和/或镧锶钛氧化物和/或镧锶钪锰氧化物构成。所述至少一个电解质层尤其可以由钇稳定氧化锆和/或钪稳定氧化锆来构成。所述至少一个电解质层尤其是被布置在所述至少一个阳极层与所述至少一个阴极层之间。所述至少一个阴极层分别构成所述至少两个燃料电池的阴极，其中所述至少两个燃料电池的阴极优选地通过电气的和离子的隔离器来彼此分离。所述至少一个阳极层分别构成所述至少两个燃料电池的阳极，其中所述至少两个燃料电池的阳极优选地通过电气的和离子的隔离器来彼此分离。由此可以实现所述至少两个燃料电池的有利的结构。
此外还提出：所述至少两个燃料电池被布置在所述燃料电池单元之内，使得第一燃料电池的阴极与第二燃料电池的阳极至少部分地重叠。由此可以实现所述燃料电池单元的有利地紧凑的结构。
此外还提出：所述互连单元被布置在所述燃料电池单元的电解质层之内。尤其是，所述互连单元被设置用于将第一燃料电池的阴极与第二燃料电池的阳极串联。所述互连单元尤其是被布置在所述燃料电池单元的电解质层之内，使得所述互连单元将第一燃料电池的电解质与第二燃料电池的电解质尤其是以离子隔离的方式来分离。尤其是，所述互连单元被布置在所述电解质层的如下区域中，在所述区域中第一燃料电池的阴极和第二燃料电池的阳极至少部分地重叠。由此，可以实现具有有利地大的电化学活性面的燃料电池单元。
此外还提出：互连单元的至少一个第一层指向所述至少一个阳极层的方向上，而所述互连单元的至少一个第二层指向所述至少一个阴极层的方向上。由此可以在燃料电池单元之内实现互连单元的层的尤其关于互连单元的材料的定向的有利的布置。
此外还提出：所述燃料电池装置包括至少一个载体本体，在所述载体本体上布置有燃料电池单元。“载体本体”应当在该上下文中尤其理解为如下元件，所述元件被设置用于使所述至少一个燃料电池单元尤其在机械上去负荷和/或稳定化。这尤其实现燃料电池单元的有利地薄的构建方案。尤其是可以通过降低所述至少一个电解质层的厚度来有利地改进所述至少两个燃料电池的电解质的传导能力以及因此可以有利地提高燃料电池的效率。载体本体尤其可以被构建为管形的。载体本体例如可以在至少一个打开的管端部处具有尤其气密性的固定区段来将所述载体本体固定在载体衬底处。在另一管端部处，载体本体可以具有另一这样的固定区段或者尤其是通过尤其气密性的罩区段来密封。燃料电池单元尤其是被布置在载体本体处，使得所述至少一个阴极层优选地与载体本体邻接。在燃料电池单元与载体本体邻接的区域中，载体本体优选地被构造为透气的并且例如具有透气的孔和/或开口。载体本体尤其可以由一种或多种陶瓷材料和/或玻璃类材料构成。载体本体例如可以由镁橄榄石和/或二氧化锆和/或氧化铝构成。由此可以实现燃料电池装置的有利地机械稳定性和热稳定性。
此外还提出用于制造根据本发明的燃料电池装置的方法。尤其是可以在至少一个方法步骤中借助于丝网印刷来制造互连单元以及优选地整个燃料电池单元。尤其是可以在至少另一方法步骤中共同烧结互连单元的和/或燃料电池单元的和/或载体本体的材料。由此可以实现根据本发明的燃料电池装置的有利地简单的和/或成本低的制造。
在这种情况下，根据本发明的燃料电池装置不应限于上面所描述的应用和实施方式。根据本发明的燃料电池装置尤其可以为了执行本文中所描述的工作方式而具有各个元件、构件和单元的与本文中所提到的数量不同的数量。
附图说明
另外的优点从下面的附图描述中得出。在附图中示出了本发明的一个实施例。附图、说明书和权利要求书包含大量相互组合的特征。本领域技术人员还将适宜地单独地看待所述特征并且将所述特征联合为有意义的另外的组合。
图1示出具有燃料电池单元的燃料电池装置的示意性横截面，所述燃料电池单元包括至少两个燃料电池，所述至少两个燃料电池借助于被构造为两层的互连单元来相互串联。
具体实施方式
图1示出这里仅仅部分地示出的燃料电池装置46的示意性横截面。燃料电池装置46包括燃料电池单元10，所述燃料电池单元这里示例性地包括两个串联的燃料电池12、14。燃料电池12、14通过互连单元16来串联。
如图1所示出的那样，燃料电池单元10以多层的层系统的形式来构造，其中燃料电池12、14基本上并排地构造。燃料电池单元10在此包括阴极层22、电解质层34和阳极层28。阴极层22在此构成燃料电池12、14的阴极24、26。阳极层28在此构成燃料电池12、14的阳极30、32。电解质层34在此构成燃料电池12、14的电解质36、38。
互连单元16完全地布置在电解质层34之内。互连单元16尤其被布置为使得通过互连单元16来将第一燃料电池12的阴极24与第二燃料电池14的阳极32串联。在此，第一燃料电池12的电解质36通过互连单元16尤其是以离子隔离的方式与第二燃料电池14的电解质38分离。
图1进一步说明：燃料电池12、14的阴极24、26通过电绝缘的以及离子隔离的区域42相互分离以及燃料电池12、14的阳极30、32通过至少一个电绝缘的以及离子隔离的区域44相互分离。此外，在图1中所示出的实施方式中，燃料电池12、14的阴极24、26和阳极30、32通过阴极层22或者阳极层28来构造，使得第一燃料电池12的阴极24与第二燃料电池14的阳极32部分地重叠。在重叠的区域中，互连单元16在此布置在电解质层34中。然而，替代地，可以省去阴极和阳极的重叠。
图1进一步示出：燃料电池装置46具有载体本体40。载体本体40例如可以由一种或多种陶瓷材料和/或玻璃类的材料构成。原则上，载体本体40不仅可以是管状地或者软管状（tubular）地构造的载体本体，而且可以是平面地被构造的载体本体。因此，燃料电池装置46不仅可以被构造为平面的燃料电池装置，而且优选地可以被构造为软管状的燃料电池装置。在此，燃料电池单元10尤其可以被施加在所述载体本体40的内侧或外侧上，然而优选地如这里所示出的那样被施加在所述载体本体40的内侧上。图1阐明：燃料电池12、14的阴极24、26或者燃料电池单元10的阴极层22在此与载体本体40邻接。燃料电池12、14的阳极30、32或者燃料电池单元10的阳极层28在此开放或者能够自由地到达。载体本体40在与燃料电池12、14邻接的区段中具有透气的孔和/或开口。
互连单元16被构造为两层的。互连单元16的第一层18至少基本上由锰基钙钛矿来构成。锰基钙钛矿具有通用化学式La1-xSrxAyMn1-yO3，其中0.05<x<0.6，0.05<y<0.6并且A =钪（Sr）、钛（Ti）、铌（Nb）或者钽（Ta）。互连单元16的第二层20至少基本上由镍基钙钛矿来构成。镍基钙钛矿具有通用化学式LaNixFe1-xO3，其中0.05<x<0.6。互连单元16的层18、20被布置为使得所述互连单元16的第一层18指向阳极层28的方向上，而互连单元16的第二层20指向所述至少一个阴极层22的方向上。
由于至少基本上由锰基钙钛矿构成的第一层18，互连单元16尤其在阳极气氛中具有足够高的传导能力（在850℃下5 S/cm）。同时，第一层18保护位于其下的第二层20免于由阳极气氛引起的有害影响，所述第二层至少基本上由镍基钙钛矿构成。第二层20由于镍基钙钛矿的良好的烧结特性而有利地被构造为气密性的，由此可以有利地防止可燃气体从燃料电池装置46中排出。通过互连单元16的两层式构造，第一层18的锰基钙钛矿的正面材料特性以及第二层20的镍基钙钛矿的正面材料特性可以有利地相互组合。

Claims (9)

1.具有燃料电池单元（10）的燃料电池装置，所述燃料电池单元包括至少两个燃料电池（12、14）和至少一个互连单元（16），所述互连单元被设置用于将所述至少两个燃料电池（12、14）彼此串联，其特征在于，所述至少一个互连单元（16）具有至少两层（18、20），所述至少两层由彼此不同的材料构成。
2.根据权利要求1所述的燃料电池装置，其特征在于，所述互连单元（16）具有至少一个第一层（18），所述第一层由锰基钙钛矿构成。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池装置，其特征在于，所述互连单元（16）具有至少一个第二层（20），所述第二层由镍基钙钛矿构成。
4.根据前述权利要求之一所述的燃料电池装置，其特征在于，所述燃料电池单元（10）包括：至少一个阴极层（22），其被设置用于构造所述至少两个燃料电池（12、14）的阴极（24、26）；至少一个阳极层（28），其被设置用于构造所述至少两个燃料电池（12、14）的阳极（30、32）；以及至少一个电解质层（34），其被设置用于构造所述至少两个燃料电池（12、14）的电解质（36、38）。
5.根据权利要求4所述的燃料电池装置，其特征在于，所述至少两个燃料电池（12、14）被布置在所述燃料电池单元（10）之内，使得第一燃料电池（12）的阴极（24）与第二燃料电池（14）的阳极（32）至少部分地重叠。
6.至少根据权利要求4所述的燃料电池装置，其特征在于，所述互连单元（16）被布置在所述燃料电池单元（10）的电解质层（34）之内。
7.根据权利要求6所述的燃料电池装置，其特征在于，所述互连单元（16）的至少一个第一层（18）指向所述至少一个阳极层（28）的方向上，并且所述互连单元（16）的至少一个第二层（20）指向所述至少一个阴极层（22）的方向上。
8.根据前述权利要求之一所述的燃料电池装置，其特征在于至少一个载体本体（40），在所述载体本体上布置有所述燃料电池单元（10）。
9.用于制造根据权利要求1至8之一所述的燃料电池装置（46）的方法。
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