CN109075363B - 固体氧化物燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及固体氧化物燃料电池，并且更特别地，涉及薄且轻的固体氧化物燃料电池，其中在密封剂层中形成有燃料和空气可以通过其流入和流出的通道，并且引导件位于通道的内壁上以防止由于在高温下密封剂层产生的流动而引起的通道阻塞，并且省略了窗框以简化配置。

Description

固体氧化物燃料电池
技术领域
本申请要求于2016年8月16日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2016-0103733号的优先权和权益，其全部内容通过引用并入本文。
本发明涉及一种固体氧化物燃料电池，并且更特别地，涉及一种薄且轻的固体氧化物燃料电池，其中在密封剂层中形成有燃料和空气可以通过其流入和流出的通道并且支撑体位于通道的内壁上以防止由于高温下密封剂层中产生的流动而引起的通道阻塞，并且省略了窗框以简化配置。
背景技术
燃料电池是通过氢和空气中的氧的电化学反应直接产生电的装置，是通过技术开发而生态友好、具有高能量效率并且具有高附加值的能源。具体地，与其他燃料电池相比，作为第三代燃料电池的固体氧化物燃料电池不需要复杂的外重整系统，不使用贵金属电极催化剂例如铂，并且不会由于液体电解质而被侵蚀，因此，固体氧化物燃料电池具有这样的优点：其可以使在低温燃料电池中引起的各种运行问题最小化，在高温运行时通过适当的隔离来保持运行温度，并且可以使用各种燃料。
固体氧化物燃料电池的配置由包括燃料电极、电解质和空气电极的单元电池以及连接单元电池的连接材料形成。其中，密封材料根据平板型固体氧化物燃料电池的运行条件和结构而具有不同要求的条件，因此密封材料是最重要的配置。
固体氧化物燃料电池的平稳运行所需的密封材料的基本条件汇总如下：第一，密封材料需要令人满意地结合至固体氧化物燃料电池的其他部件以与其物理接触，并且需要所结合的部分不因在燃料电池运行期间进行的热循环而被弱化。第二，密封材料需要与其他部件的热膨胀系数的差异小，使得即使进行热循环，密封材料也不应由于热应力而被破坏。第三，需要密封材料不渗透至与密封材料接触的多孔电极中。第四，密封材料需要是稳定的材料，使得在燃料电池运行温度下不会引起与其他部件的化学反应。第五，需要密封材料在使用时在燃料和氧化气体的两个极端氧分压条件下不会化学分解和蒸发。最后，密封材料需要在燃料电池运行温度下具有高电阻率，从而保持电绝缘。
作为满足密封材料的基本条件的组合物，主要研究和开发了玻璃或结晶玻璃。然而，玻璃和结晶玻璃在高温下具有流动性，使得玻璃和结晶玻璃可能阻塞形成在密封剂层中以使燃料和反应气体通过其流动的通道。
因此，为了抑制配置在相关技术的固体氧化物燃料电池中的密封材料的流动性，在配置密封材料的玻璃或结晶玻璃组合物中包含诸如纤维或陶瓷的材料，使得密封材料可以由两种或更多种组合物形成。当密封材料由两种或更多种材料形成时，如果密封材料通过固体氧化物燃料电池的运行暴露于高温，则存在长期耐久性降低以及燃料电池由于机械破坏和化学反应而不稳定的问题。
此外，陶瓷毡或纤维毡位于两种或更多种密封材料之间以提高固体氧化物燃料电池的强度并确保结构稳定性，但是存在的问题是：除了在密封过程中的加压之外，在燃料电池的所有制造过程(例如，加热过程、运行过程、保持过程、冷却过程和商业化过程)期间都另外需要外部加压。
发明内容
技术问题
本发明是为了解决上述问题而设计的，并且本发明的一个目的是提供一种固体氧化物燃料电池，其包括这样的密封剂层：所述密封剂层由单一组合物形成以提高长期耐久性和在化学反应中的稳定性并且通过一次压缩密封燃料电池。
此外，本发明的一个目的是提供一种固体氧化物燃料电池，其中支撑体位于形成在密封剂层中的通道的内壁上以省略窗框并控制密封剂层的厚度。
技术方案
根据本发明的固体氧化物燃料电池包括：单元电池；包围单元电池的周边的密封剂层；以及多个连接体(interconnect)，所述多个连接体位于密封剂层的上方和下方并且具有一个或更多个燃料歧管和一个或更多个气体歧管，其中在密封剂层中，形成有一个或更多个燃料通道和一个或更多个气体通道，并且密封剂层包括支撑在燃料通道和气体通道的内侧的至少一部分中的支撑体。
支撑体可以由具有高电阻率的陶瓷形成。
陶瓷的实例可以包括以下的任一者或更多者：氮化硅陶瓷、碳化硅陶瓷、赛隆陶瓷、氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷、生物陶瓷、二氧化钛陶瓷、BaTiO3陶瓷、SrTiO3陶瓷、二氧化硅陶瓷、堇青石陶瓷、云母陶瓷、SiO陶瓷和SiAu4陶瓷。
支撑体可以在上方向和下方向上延伸。
支撑体可以包括：位于燃料通道内的燃料支撑体；和位于气体通道的内壁上的气体支撑体，并且燃料支撑体和气体支撑体可以具有不同的形状。
燃料支撑体可以具有包围燃料通道的内侧的环形。
气体支撑体可以具有包围气体通道的内侧的“U”形。
密封剂层可以由玻璃或结晶玻璃形成。
密封剂层的厚度可以调节。
连接体可以包括：空气电极连接体，其中供应反应气体并且形成有与单元电池的尺寸相对应的流动通道；和燃料电极连接体，其中供应燃料并且形成有与单元电池的尺寸相对应的流动通道。
固体氧化物燃料电池还可以包括：在密封剂层与连接体之间的集电体。
有益效果
根据本发明，密封剂层由单一组合物形成，使得燃料电池的长期耐久性和化学稳定性提高，并且可以仅通过在密封过程期间进行加压来密封燃料电池，使得可以简化制造过程并且可以实现经济效应。
根据本发明，支撑体位于形成在密封剂层中的燃料通道和气体通道的内壁上，从而防止了由在高温下具有流动性的密封剂层的特性引起的燃料通道和气体通道的阻塞，并且不需要处理单元电池。
此外，可以省略窗框，减小固体氧化物燃料电池的体积和重量，并且增加层合在一个堆叠结构中的单元电池的数目，从而可以形成高电压堆叠结构。
附图说明
图1是根据本发明的一个示例性实施方案的固体氧化物燃料电池的分解透视图。
图2是根据本发明的一个示例性实施方案的固体氧化物燃料电池的截面视图。
图3是根据本发明的另一个示例性实施方案的密封剂层和支撑体的截面视图。
具体实施方式
以下将参照附图详细地描述本发明。在本文中，将省略重复的描述和可能使本发明的主旨不必要地模糊的公知功能和配置的详细描述。提供本发明的示例性实施方案以向本领域技术人员完整地说明本发明。因此，附图中的元件的形状、尺寸等可以被放大以更清楚地说明。
在整个说明书中，除非明确地相反描述，否则词语“包括(comprise)”和变体例如“包括(comprise)"或“包括(comprising)”将被理解为意指包括所述元件但不排除任何其他元件。
下文中，将提出优选的示例性实施方案以更好地理解本发明。然而，提供以下示例性实施方案仅用于更好地理解本发明，因此本发明并不限于此。
<固体氧化物燃料电池>
图1是根据本发明的一个示例性实施方案的固体氧化物燃料电池100的分解透视图，图2是根据本发明的一个示例性实施方案的固体氧化物燃料电池100的截面视图。将参照图1和图2详细地描述根据本发明的一个示例性实施方案的固体氧化物燃料电池100。
固体氧化物燃料电池100可以包括：单元电池10；包围单元电池10的周边的密封剂层20；以及多个连接体40和50，所述连接体位于密封剂层20的上方和下方并且具有一个或更多个燃料歧管3和一个或更多个气体歧管4。在密封剂层20中，形成有一个或更多个燃料通道1和一个或更多个气体通道2，并且密封剂层包括支撑在燃料通道1和气体通道2的内侧的至少一部分中的支撑体30。
单元电池10被配置为燃料电极支撑型，其中燃料电极充当支撑体，并且电解质层的尺寸可以等于或小于燃料电极的尺寸。此外，空气电极被配置成具有比燃料电极的尺寸小的尺寸，并且在这种情况下，燃料电极的面积大于空气电极的面积使得燃料电极的极化电阻可以最小化。
在燃料电极支撑结构中，电解质层可以形成为厚度为5μm至10μm的薄膜，使得电解质层的薄层电阻可以最小化。因此，包括燃料电极支撑结构的固体氧化物燃料电池可以在比电解质支撑结构和空气电极支撑结构的温度更低的温度下运行。此外，燃料电极和空气电极形成为厚的，使得固体氧化物燃料电池100的机械强度可以提高。
密封剂层20通常可以作用燃料电池中的偶联剂，并且还用作减小施加至固体氧化物燃料电池100的冲击的缓冲体。此外，密封剂层20用于阻挡内部空间和外部空间使得燃料不会泄露到燃料电池100的外部，并且其耦接至窗框(或隔离件)以用于防止在运行燃料电池100时燃料和反应气体彼此混合。
此外，密封剂层20通过包围单元电池10的周边来形成。密封剂层通过包围单元电池10的四个侧面来包围单元电池10的周边，以用于减小施加至单元电池10的冲击并密封单元电池10和多个连接体40和50。
此外，密封剂层20可以形成有燃料和反应气体通过其流动的通道，并且在根据本发明的一个示例性实施方案的密封剂层20中，可以形成有一个或更多个燃料通道1和一个或更多个气体通道2。
例如，当形成有两个燃料通道1和两个气体通道2时，燃料通道1可以位于密封剂层20的左边缘和右边缘以彼此相对，并且气体通道2可以位于密封剂层20的上边缘和下边缘以彼此相对。此外，当形成有四个燃料通道1时，两个可以位于密封剂层20的左侧，并且两个形成在密封剂层20的右侧。此外，当形成有四个气体通道2时，两个可以位于密封剂层20的上侧，并且两个位于密封剂层20的下侧。然而，应注意，根据本发明的燃料通道1和气体通道2的数目、尺寸和形状不限于此。
此外，燃料通道1可以形成为与形成在密封剂层20中以安置单元电池的座槽(未示出)间隔开，并且气体通道2可以形成为结合至座槽的两侧。气体通道2形成为连接至座槽，使得供应至空气电极连接体40的反应气体可以在垂直方向上从上侧移动至下侧。
此外，密封剂层20可以由玻璃或结晶玻璃形成。主要地，密封剂层20需要被密封并结合至待结合的材料并且满足所有物理特性(例如，热膨胀系数和耐热性)。因此，玻璃或结晶玻璃材料可以是合适的。作为玻璃材料，可以包括以下的任一者或更多者：钠钙硅酸盐、碱金属硅酸盐、碱土金属硅酸盐和碱金属硼硅酸盐玻璃。此外，作为结晶玻璃，可以包括以下的任一者或更多者：基于SrO-La2O3-Al2O3-B2O3-SiO2的玻璃、基于BaO-Al2O3-SiO2-B2O3的玻璃、基于MgO-Al2O3-P2O5的玻璃、基于BaO-Al2O3-SiO2-ZnO的玻璃和基于CaO-TiO2-SiO2的玻璃。
密封剂层20由单一组合物(例如，玻璃或结晶玻璃)形成，使得可以提高燃料电池的长期耐久性和化学稳定性。此外，燃料电池100可以仅通过在固体氧化物燃料电池100的制造过程中的密封过程期间进行加压来密封，使得可以简化制造过程并且可以实现经济效应。
支撑体30位于形成在密封剂层20中的燃料通道1和气体通道2的内侧以防止由在高温下具有粘性和流动性的玻璃或结晶玻璃材料引起的密封剂层20的形状改变或者燃料通道1和气体通道2被阻塞。支撑体可以由具有高电阻率的陶瓷形成。
应注意，具有高电阻率的陶瓷的实例包括以下的任一者或更多者：氮化硅陶瓷、碳化硅陶瓷、赛隆陶瓷、氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷、生物陶瓷、二氧化钛陶瓷、BaTiO3陶瓷、SrTiO3陶瓷、二氧化硅陶瓷、堇青石陶瓷、云母陶瓷、SiO陶瓷和SiAu4陶瓷。
此外，应注意，支撑体30可以包括位于燃料通道1内的燃料支撑体31和位于气体通道2的内壁上的气体支撑体32，并且燃料支撑体31和气体支撑体32可以具有不同的形状。更具体地，燃料支撑体31包围燃料通道1的内侧以形成环形，并且气体支撑体32包围气体通道2的内侧以形成“U”形。
图3是根据另一个示例性实施方案的耦接至支撑体30的密封剂层20的截面视图。如果气体支撑体32包围气体通道2的内侧，则气体支撑体32的形状不限于“U”形。气体通道2与座槽接触以具有其中一个内壁是开放的形状，使得燃料支撑体31和位于气体通道2内侧的气体支撑体32可以具有不同的形状。
然而，应注意，根据本发明的燃料支撑体31和气体支撑体32的数目、尺寸和形状不限于此。
支撑体30可以用作在燃料电池100的运行期间防止燃料和反应气体彼此混合并且防止燃料或反应气体渗透至单元电池10中的窗框，从而可以省略燃料电池100的配置中的窗框。因此，可以简化燃料电池100的配置，减小固体氧化物燃料电池100的体积和重量，并且增加层合在一个堆叠结构中的单元电池的数目，从而可以形成高电压堆叠结构。
此外，可以防止由在高温下具有流动性的密封剂层20的特性引起的燃料通道和气体通道的阻塞。此外，由于不需要进行在单元电池10中形成用于燃料和反应气体在燃料电池100中流动的通孔的附加过程，因此可以使用现有的制造设备，从而可以实现经济效应。
此外，支撑体30可以在上方向和下方向上延伸以调节厚度。更具体地，由于支撑体30在高温下具有低应变率，因此可以通过调节支撑体30的高度来调节由支撑体30支撑的密封剂层20的厚度，并且可以调节配置密封剂层20的所使用的密封材料的量。
即，支撑体30的厚度越小，所使用的密封材料的量越少，并且固体氧化物燃料电池100的重量通过燃料电池100的元件的减少和所使用的密封材料的量的减少而减少，从而可以提高能量效率。
多个连接体40和50可以包括：空气电极连接体40，其中供应反应气体并且形成有与单元电池10的尺寸相对应的流动通道；和燃料电极连接体50，其中供应燃料并且形成有与单元电池10的尺寸相对应的流动通道。此外，应注意，形成在空气电极连接体40和燃料电极连接体50中的燃料歧管3和气体歧管4可以形成在对应于形成在密封剂层20中的燃料通道1和气体通道2的位置处。
当层合多个固体氧化物燃料电池100以形成堆叠结构时，空气电极连接体40和燃料电极连接体50可以用于电连接多个经层合的单元电池10，并且可以形成流动通道，使得供应至燃料电极和空气电极的两种类型的气体均匀地供应至单元电池10而不被混合。
形成在空气电极连接体40和燃料电极连接体50中的流动通道可以具有不平坦的结构，并且形成在空气电极连接体40和燃料电极连接体50的上表面和下表面的任一者或更多者上。此外，应注意，形成在空气电极连接体40中的流动通道和形成在燃料电极连接体50中的流动通道形成为彼此垂直使得流动通道彼此不连通。可以通过形成在空气电极连接体40中的流动通道供应空气，并且可以通过形成在燃料电极连接体50中的流动通道供应燃料气体。
根据本发明的一个示例性实施方案的固体氧化物燃料电池100还可以包括在密封剂层20与连接体之间的集电体(未示出)。具体地，空气电极集电体可以位于密封剂层20与空气电极连接体40之间，并且燃料电极集电体可以位于密封剂层20与燃料电极连接体50之间。
通常，集电体用于帮助燃料电极或空气电极与空气电极连接体和燃料电极连接体40和50均匀地电接触。此外，使用多孔金属板、金属网或导电陶瓷糊料形成空气电极集电体，并且主要使用镍泡沫形成燃料电极集电体。
由于空气电极集电体和燃料电极集电体使用公知技术，因此将省略其详细描述。

Claims (8)

1.一种固体氧化物燃料电池，包括：
单元电池；
包围所述单元电池的周边的密封剂层；以及
多个连接体，所述多个连接体位于所述密封剂层的上方和下方并且具有一个或更多个燃料歧管和一个或更多个气体歧管，
其中在所述密封剂层中，形成有一个或更多个燃料通道和一个或更多个气体通道，并且所述密封剂层包括支撑在所述燃料通道和所述气体通道的内侧的至少一部分中的支撑体，
其中所述支撑体由具有高电阻率的陶瓷形成，以及
其中所述密封剂层由玻璃或结晶玻璃形成。
2.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池，其中陶瓷的实例包括以下的任一者或更多者：氮化硅陶瓷、碳化硅陶瓷、赛隆陶瓷、氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷、生物陶瓷、二氧化钛陶瓷、BaTiO3陶瓷、SrTiO3陶瓷、二氧化硅陶瓷、堇青石陶瓷、云母陶瓷、SiO陶瓷和SiAu4陶瓷。
3.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池，其中所述支撑体能够在上方向和下方向上延伸。
4.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池，其中所述支撑体包括：
位于所述燃料通道内的燃料支撑体；和
位于所述气体通道的内壁上的气体支撑体，并且
所述燃料支撑体和所述气体支撑体具有不同的形状。
5.根据权利要求4所述的固体氧化物燃料电池，其中所述燃料支撑体具有包围所述燃料通道的内侧的环形。
6.根据权利要求4所述的固体氧化物燃料电池，其中所述气体支撑体具有包围所述气体通道的内侧的“U”形。
7.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池，其中所述连接体包括：
空气电极连接体，其中供应反应气体并且形成有与所述单元电池的尺寸相对应的流动通道；和
燃料电极连接体，其中供应燃料并且形成有与所述单元电池的尺寸相对应的流动通道。
8.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池，还包括：
在所述密封剂层与所述连接体之间的集电体。
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