CN1226754A - 用于高温燃料电池的互接装置 - Google Patents
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Abstract
用于高温燃料电池的互接装置(1)被设置于两个具有电化学活性的平面元件(2,2′),即所谓的PEN之间。这样上述互接装置就将一装有燃烧气的腔室(41)与一装有氧化的腔室(51,53)分隔开来。互接装置的多孔燃结主体(10)含有一些孔眼(101),这些孔眼至少一部分由一介质(11′)密封。通过这种孔眼的密封可以阻止上述腔室(41,51)之间的气体流通。
Description
本发明涉及的是一种用于高温燃料电池的互接装置,同时涉及一种燃料电池组。
本发明的燃料电池组的燃料电池每一个都包括(参阅EP-A0714147)-所谓的PEN,(具有电化学活性的平面型元件)以及一互接装置,这一互接装置把邻近PEN的电池以导电的形式连接起来,同时它还把燃烧气体(尤其是一氧化碳及氢气的混合气)与氧气载体(特别是空气)分隔开来。PEN有一平面三层结构,也就是它由一固体电解质(E),一正极(P)以及一负极(N)构成。在PEN中,燃料与氧气载体中的氧气的电化学反应是在大约900℃下进行的。
由于操作温度很高,所以用于互接装置的材料的热膨胀系数应与固体电解质的大致相等。已知的适合于制造互接装置的有一种用粉末冶金术制造的合金。这种材料主要由铬构成(铬的质量百分比大约为95%)。它是通过高温高压烧结制成的,因而非常昂贵。生产出来的合金是板材,因而如要把它做成具有适合发挥互接装置功能的外型,就必须通过复杂而昂贵的工序对其进一步进行加工,而且材料还会损失。
本发明的目的就是提供一种能够相当节省成本的互接装置。这一目的可通过下述的互接装置得以实现:它被设置在两个具有电化学活性的平面元件(即所谓的PEN)之间,在此互接装置把含有燃烧气的腔室与含有氧气的腔室分隔开来,其特征在于:一多孔烧结主体,其孔眼至少部分被一介质所密封从而使得上述腔室之间的气体无法流通。
用于高温燃料电池的互接装置被设置于第一和第二平面型电化学活性元件(即所谓的PEN)之间。这样,它就把装有燃烧气体的腔室与装有氧气的腔室分隔开来。互接装置的带孔烧结主体上的孔眼至少被介质部分地密封。孔眼的密封可以阻止上述两个腔室之间气体的流通。
根据本发明的互接装置包括一烧结主体,它可阻止反应物的混合。烧结主体是多孔的,它的孔眼由一种另外的介质充填以实现密封。这种多孔性允许使用多种经济的生产方法来实现。也可用其他的粉末混合物。例如可以使用那些在很大程度上是由具有较低的热膨胀系数并且不会被做成严实的无孔的固态主体的陶瓷材料构成的混合物。特别是,可以用一模具压制成型工序把这一粉末混合物进行压制以使其大致具有成品元件的外型。
铬是已知互接装置的一种重要组分,因为这一金属的热膨胀系数较低而且其氧化物是导电性的。然而,在燃料电池的操作温度下,氧化铬升华并经气相传送到电极上从而导致电极的活性被削减。因此,必须在互接装置的表面上涂覆一层材料充当氧化铬的隔离层(这一点可参照EP-A0714147=P.6651)。
对于可充当氧化铬隔绝层的涂覆层的材料来说是陶瓷(尤其是Perowskite)或者珐琅都是可以考虑的。珐琅,例如组成是(质量百分比):MgO(5-15),Al2O3(15-30),B2O3(10-15),SiO2(35-55),MnO(15-30)的珐琅的软化点大约是1000℃,其热膨胀系数与固体电解质的在800℃时(大约为8 10-6K-1)大致相同,它可以很好地湿润富含铬的合金。这种珐琅不仅适合于充当氧化铬的隔绝层,而且也适合于充当一种密封烧结主体上的孔眼的介质。
以下结合附图对本发明进行解析。附图中:
图1.是根据本发明的互接装置的一个中心对称部分的径向横截面图;
图2.一多孔烧结主体的横截面的局部放大图;
图3.在一燃料电池中气体和空气流通的一个示意图;
图4.根据本发明的互接装置的斜视图;
图5.一贯穿图4中的互接装置及两个相关联的PEN的横截面图;
图6.图4所示互接装置的一个详图;以及
图7.根据本发明的互接装置的另一实施例。
图1中所示的是一个由两个烧结主体10组装而成的互接装置1。烧结主体10的内侧都用珐琅处理,珐琅封闭了孔眼从而形成一气密的边界区域11。另外珐琅也阻止了氧化铬的传送。
烧结主体10的外侧分别有覆盖层12及12′,它们都由Perowskite做成并充当一个氧化铬的隔绝层,而且它们是导电的。两个烧结主体10一方面通过导电的焊接薄片B相互连接,另一方面通过覆盖层12,12′连接到第一个PEN2及第二个PEN2′上,这样互接装置1使两个PEN之间实现电连接。
空气50充当一氧气载体通过一供气点5进入互接装置1的一个腔51,于此空气被加热。预先经过加热的空气通过一出口52进入一紧挨着PEN2的腔53。当空气把氧气供给PEN2之后,它又离开燃料电池(箭头502)。
燃料电池大致呈中心对称,它们沿着轴线3成垛设置。燃烧气体401是通过一轴向通道4供给电池的。在腔41中,向外流的气体40被分布在PEN2′的表面上,其成分在电极上发生反应并产生水和二氧化碳,形成废气。废气402沿着边缘离开电池。
图2中所示的主体10包括粉末颗粒100,它们是被烧结在一起的,它们之间的孔眼101由介质11′所填充。粉末颗粒100是由,例如,金属,特别是铬组成,这一种金属与另一种金属,最好是铁一起,在烧结过程中熔结成合金。别的材料,例如搪瓷,可以在成型压制的过程中掺到粉末混合物中去,它们可产生有利的作用。粉末颗粒100也可以是涂覆有金属的搪瓷材料的颗粒。
在互接装置的通道中相邻的两个PEN2及2′之间流动的空气50及燃烧气40有利地被呈螺旋形或渐开线形状的通道所引导。图3中示意地画出了在一组此类通道41,51及53中的气流的引导情况。预热过的新鲜的空气501是由导入管5送入互接装置1的外周的。在流过通道51并进一步被加热之后,空气50由中心向上流经开口52并于此由一通道53导回外周,在外周它作为废气502离开电池。新鲜的燃烧气401是被从轴线通道4沿中心导入的,并由通道51引导到外周,在外周它作为废气402离开电池。
图4的斜视图及图5的横截面图示出的是根据本发明的互接装置的一个特别有利的实施例。烧结体10把相关联的PEN2及2′的导电接触面120及120′整体式地连接起来(看图5)。一成型的薄片15于平行的通道51及53之间充当隔板。在上述的薄片上有安排得很合适的开孔以适配烧结主体10之上的梳状体16(参照图3)。薄片15不必具有导电性,它可以由不合铬的合金构成,例如它可以是由含有铝及硅的合金构成。在这种合金上反应形成的氧化物层是由氧化铝或氧化硅(不具导电性)构成。由此种合金做成的薄片不必涂覆氧化铬隔绝层。
图5所示的是PEN2的三层结构:在燃气侧是阳极2a,在空气侧是阴极2c,其间是一固体电解质2b,它在工作温度下对氧离子具通透性。空气50′沿着径向通过由梳状突起部16形成的空隙从一个通道15流到与其相毗邻的通道53′。类似地,在气体侧也同样设置一些梳状突起部14以便使燃烧气40可作径向流动40′。
烧结主体10的孔眼至少是部分地被密封的,这种密封可由从空气侧施加的珐琅方便地形成(例如可以把珐琅颗粒的悬浊液喷洒在其上,然后把珐琅干燥并熔化,这样,熔融的珐琅就可靠毛细管力的作用渗入孔眼之中)。如图6所示,空气侧的一个边界区域10′可由珐琅来密封,而烧结主体10的剩余部分10″中的孔眼则仍保持敞开状态。空气侧的珐琅还可阻止氧化铬的释放。
与薄片15相比,烧结主体10的壁被设计得较厚。因此,互接装置的热膨胀实际上是仅由烧结主体10的性质所决定的。因此,薄片15的热膨胀系数可以与电解质26的有所不同。就这一点而言,本发明与EP A0749171中的互接装置类似。
图7所示的是根据本发明的互接装置1的一个实施例,它由两层,即一烧结主体10及一模压而成的薄片15′,组装而成。薄片15′的实例被公开于专利申请第96810723.5号(=P.6766)中。与本发明的上述示范实施例中的薄片15不同的是,这一薄片15′必须是导电性的。因此,必须采用含有铬的合金。这样,因为会产生氧化铬,所以必须设置覆盖层。
烧结主体的孔隙率大约介于5%至25%之间。优选的孔隙率是大约20至30%。
Claims (10)
1.用于高温燃料电池的互接装置(1),它被设置在两个具有电化学活性的平面元件(2,2′)(即所谓的PEN)之间,在此互接装置把含有燃烧气的腔室(41)与含有氧气的腔室(51,53)分隔开来,其特征在于:一多孔烧结主体(10),其孔眼(101)至少部分被一介质(11′)所密封从而使得上述腔室(41,51)之间的气体无法流通。
2.根据权利要求1的互接装置,其特征在于:烧结主体(10)是由一粉末混合物(100)做成的;而且在生产过程中可以通过压制方法,使上述粉末混合物加工成大致具有成品元件的外型。
3.根据权利要求1或2的互接装置,其特征在于:用于封闭孔眼的介质(11′)可形成一无定形相,而且特别是可形成这样的珐琅,其热膨胀系数与烧结主体(10)的非常接近并且在熔融状态时湿润烧结主体,特别是湿润烧结主体的孔壁。
4.根据权利要求1至3中的其中之一,其特征在于:烧结主体(10)是氧气载体(50)的热交换装置的一部分;而且,与第二部分(15,15′)一起,在供气点(5)及一出气口(52)之间至少为氧气载体形成了一个通道;同时,氧气载体可以在开口处被提供给PEN(2)。
5.根据权利要求1至4的其中之一的互接装置,其特征在于:烧结主体(10)在相关联的PEN(2,2′)的导电接触表面(120,120′)之间形成一整体式连接。
6.根据权利要求1至5的其中之一的互接装置,其特征在于:烧结主体(10)含有铬;主体与氧气接触的表面有一涂覆层(11,12),这涂覆层可以阻止氧化铬释放进入容纳氧气的腔室(51,53);以及,涂覆层至少部分是由封闭孔眼的介质(11′)形成的。
7.根据权利要求6的互接装置,其特征在于:烧结主体(10)与PEN接触的表面部分用一种导电性的,并且可形成氧化铬的隔绝层的材料涂覆。
8.根据权利要求1至7的其中之一的互接装置,其特征在于:烧结主体(10)的孔隙率大约介于5%至35%之间,最好是介于20%至30%之间。
9.由很多带有根据权利要求1至7所述的互接装置1的电池组成的燃料电池组,其特征在于:这些电池大致呈中心对称;燃气(401)可通过一分配装置(4)沿着电池组的轴线(3)注入;以及,在电池组的外周为氧气载体设置有导入点(5),为燃烧气(402)及氧气载体(502)设置有流经电池之后的排出点。
10.根据权利要求9的燃料电池组,其特征在于:在各种情形中构成互接装置结构的元件都是由一烧结主体(10)和一成型的金属薄片(15,15′)组成的。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |