CN1360740A - 用于固体氧化燃料电池叠堆的改进设计 - Google Patents

Abstract

一种固体氧化燃料电池叠堆包括一组互相并列设置的固体氧化燃料,至少两个电池具有大体平的构型;各上述两电池具有一阳极层、一电解液层和一阴极层。燃料叠堆还包括至少一置于组电池间的互联,该互联能够提供电池间的电连接,该互联包括互联的第一表面的一组第一延伸和互联的第二表面的一组第二凹陷。第一延伸和第二凹陷互相整体地形成以提供一组氧化剂通道和燃料通道。

Description

用于固体氧化燃料电池叠堆的改进设计

发明背景

本发明一般地涉及固体氧化物燃料电池，更具体地讲，涉及改进的固体氧化燃料电池叠堆，其允许燃料和氧化剂的横流、协流、逆流和径流。

燃料电池基本上是一电流转换装置，其电化学地在催化剂界限内将燃料与氧化剂反应以产生直流电流。燃料电池典型地包括一限定氧化剂通道的阴极材料和一限定燃料通道的阳极材料。电解液夹于其中并将阴极和阳极材料隔开。一个单独的电化学电池通常产生一较小的电压。这样，为获得有用的较高的电压，单独的电化学电池串联在一起以形成叠堆。通过使邻接电池的阴极和阳极的电互联，实现电池间的电连接。一般地，叠堆还包括有以将燃料和氧化剂导出和导入叠堆的管道或支管。

燃料和氧化剂流体往往是气体并连续地通过单独的电池通道。电化学转换发生在电极(阴极和阳极)与电解液的三相边界处或附近。燃料是电化学地与氧化剂反应以产生DC电输出。阳极或燃料电极提高了燃料侧的电化学反应速率。阴极或氧化剂电极在氧化剂侧功能相似。

具体而言，在固体氧化物燃料电池(SOFC)中，燃料与阳极的氧化物离子反应以产生电子和水，将其中的后者从燃料流中去除。氧与阴极表面的电子反应以形成穿过电解液弥漫至阳极的氧化离子。电子从阳极流过一外部回路，然后回到阴极，而通过氧化离子穿过电解液的输送使该回路内部地闭合。

在SOFC中，电解液是固体形式。一般地，电解液由非金属陶瓷制成，如密度稳定氧化钇氧化锆陶瓷，其是电子的非导体并保证电子必须穿过外部回路做有用功。这样，电解液在其相对侧提供电压积累，并将燃料和氧化剂气体互相分离。阳极和阴极往往是孔状，阳极时常是由镍/YSZ金属陶瓷制成而阴极时常由掺杂镧亚锰酸盐制成。在固体氧化燃料电池中，氢或碳氢化合物一般用作燃料而氧或空气用作氧化剂。

已有各种设计用于燃料电池叠堆的电互联。同样，不同的装置已用于构造燃料/氧化剂支管或通道。美国专利5,460,897有一互联设计，其中互联组件不仅提供阳极和阴极之间的电连接，还提供用于燃料/氧化剂通路。互联组件具有一带有两凹槽的支管板，该两凹槽限定互相正交运行的横向流动槽路。一个槽路用于流动燃料，另一个用于氧化剂。一环状波纹管位于中央开口，并正交地延伸穿过支管板。该波纹管容纳支管板和互联板之间的径向尺寸差。互联板置于波纹管内并在两侧具有凸台用于在邻接电池间形成电接触，还为邻接电池间的燃料和氧化剂流动提供空间。然而，此种设计的缺点是，结构较复杂、互联板的多重装配步骤、互联板的总厚及燃料和氧化剂的横流限制。

与运用互联来提供燃料/氧化剂通道的美国专利5,460,897相比，美国专利5,256,499公开不同形状的提供不同燃料/氧化剂通道的阳极和阴极。一个平的互联元件连接邻接电池。阳极/阴极的一些形状包括锯齿形、细长肋和矩形柱。平层阳极和阴极材料分别添加于电解液和成型的阳极与阴极之间，以辅助粘接于电解液并为化学反应提供表面区域。然而，使用环绕燃料/氧化剂通道的垫圈元件限制横流的应用。另外，使阳极和阴极成型为别的构造而不是平的构造会增加叠堆的总厚度，还需要多重装配步骤。

与美国专利5,256,499类似的样式，美国专利5,162,167示出锯齿形阳极和阴极，其间带有平的三层电解液壁(或互联壁)。三层壁包括阳极、电解液(或互联)和阴极材料。可以一协流或逆流形式获得燃料和氧化剂流。另外，非平的阳极和阴极构造会增加叠堆厚度并需要多重装配步骤。

美国专利4,913,982示出一用于由阳极和阴极形成的燃料和氧化剂通道的细长圆形构造。一平的互联置于邻接电池之间。可以协流或逆流的样式获得燃料和氧化剂流。如过去的设计，另一个限制是叠堆的总厚度，其由阳极和阴极的的形状表示并需要多重装配步骤。

可看出，需要一种改进的固体氧化燃料电池叠堆，其设计简单并将叠堆的总厚度减小。另外，还需要一种允许燃料和氧化剂的流动挠性。具体而言，还需要一种叠堆，其允许燃料和氧化剂的横流、协流、逆流和径流而不需要叠堆设计用于任何特定流动样式。还需要一种叠堆设计，其允许外部和内部支管以增加叠堆使用的挠性。另一需要是一种辅助实现固体氧化燃料叠堆的上述需要的互联。此外，另一种需要是为了互联，其要求在制造时较少的材料和较少的加工步骤。

发明概述

固体氧化燃料电池包括一组互相平行设置的固体氧化燃料电池和至少一个置于电池间的互联，该互联能够提供至少两电池间的电连接，并被构形成提供一组在互联的相对表面的互相整体地形成的槽路。

用于固体氧化燃料电池叠堆的互联包括一组由互联的第一表面描述的第一凹陷、一组由第一凹陷描述的第一槽路，其描述一穿过互联的氧化剂路径、一组由互联的第二表面描述的第二凹陷，第二表面与第一表面对置和一组由第二凹陷描述的槽路，其与第一槽路整体地形成并描述与氧化剂路径整体地形成的燃料路径。

参照附图、说明书和权利要求书，将会更好地理解本发明的这些及其他特点、方面和优点。

附图简述

图1是根据本发明的实施例的固体氧化燃料电池叠堆的立面透视图。

图2是根据本发明的实施例的互联的局部立面透视图，其可用于图1所示的固体氧化燃料电池叠堆；

图3是根据本发明的一实施例的互联的侧剖面图，并置于两固体氧化燃料之间；

图4是根据本发明的第二实施例的互联侧剖面图，并置于两固体燃料之间；和

图5是根据本发明的实施例的一组固体氧化燃料电池叠堆的侧剖面图，其互相导电地连接。

本发明详述

参照图1，固体氧化燃料电池叠堆10的优选实施例包括一组相似地构造燃料电池11，其间带有一组相似地构型的互联12。具体而言，燃料电池叠堆10包括一系列带有单个互联12的单个变替电池11。尽管如此，本发明认为，不同构造的燃料电池11可用于燃料叠堆10。类似地，本发明认为，不同构型的互联12可用于燃料叠堆10。

如图3所示，各燃料电池11包括较平的阴极层17、阳极层19和其间的电解液层18。将阴极层17、阳极层19和电解液层18组合在现有技术中是公知的元件。例如，阴极层可由掺杂镧亚锰酸盐制成而阳极层19可由镍/YSZ金属陶瓷制成。电解液层18可由密度稳定氧化钇氧化锆制成。

同样，制作阴极层17、阳极层19和电解液层18的方法可以是本领域实践的任何公知的方法，如胶带碾压。美国专利5,286,322和5,162,167描述了此种胶带碾压。阴极层17、阳极层19和电解液层18的厚度可以变化。实践中，阴极层17和阳极层19的厚度变化可为约1至100密尔。

直接邻接燃料电池11互相并列设置成基本平行取向。这样，一个电池11具有其反向地面向直接邻接(即第二)电池11的阴极层17的阳极层19，如图1和图3所示。从而，此种直接邻接(即第二)电池11的阳极层19会反向地面向下一个直接邻接(即第三)电池11的阴极层17。通过电池11的此种设置，各阴极层17置于邻接沿由互联12提供氧化剂路径的氧化剂的流动，如下所述。同样，各阳极层19置于邻接由互联12提供燃料路径12的燃料流动，也如下所述。

最好，互联12是一单件结构并由抗氧化金属如铬基镍或铁铬基镍制成。利用优选的单件结构，可用任何公知的方法如模压制成互联12的构型。在本发明的特定实施例中，互联12一般具有可被描述为鸡蛋筐的构型。进一步，尽管附图中描述的互联12的整个形状是矩形，本发明还考虑了其他有用的形状，如圆形。

不考虑特定的整体形状，互联12包括一第一表面或侧20和一反向地设置的第二表面或侧21(如图2所示)。第一和第二表面20、21具有各自的提供如下所述的氧化剂通道14和燃料通道23的第一与第二构型。在一实施例(图2)中，第一和第二构型大体相同。在另一实施例(图4)中，构型是不同的。

在任一实施例中(图2和4)，第一和第二构型是彼此的反映。具体而言，第一构型整体地形成或限定第二构型，反之亦然。换言之，制造其中两个之一的构型必然提供另一构型，而无须另外制造另一个构型。因此，氧化剂通道14和燃料通道23整体地互相形成。用各套通道14、23形成或限定另一个有别于过去的SOFC设计。如上所述的现有设计一般提供非整体的或单独形成的通道。

在图2所示的实施例中，第一表面20的第一构型局部地由一组均匀地间隔的延伸13a限定。另外，还在该实施例中，延伸13a尺寸相等且形状为锥体。延伸13a(图2和3)一般垂直地延伸离开会成为第一表面20的平面区域。尽管图2和3的描述，延伸13a不必都是相同尺寸。除了锥体，也可以采用其他形状如矩形和柱体。

对于该第一实施例，延伸13a设置成均匀地间隔的行(如图2)，并且将行互相偏移(如图3)。最好，延伸13a的行覆盖整个第一表面20。然而，行没有必要均匀地间隔，也没有必要覆盖整个第一表面20。如果延伸13a的行均匀地间隔，从而均匀地间隔的凹陷22a形成于延伸13a使得延伸13a和凹陷22a交替。

依次，凹陷22a形成一组穿过第一表面的第一槽路或氧化剂通道14。可以理解，由于延伸13a的行互相偏移，如凹陷22a一样，第一槽路14跟随波状路径。此外，延伸13a和凹陷22a最好覆盖整个第一表面20，同样第一槽路14延伸覆盖整个第一表面20。反过来，整个第一槽路或氧化剂通道14限定一氧化剂可流过的氧化剂路径16，如图1所示。

本质上，第二表面21的第二构型是第一表面20的第一构型的相对侧。换言之，如果第一构型可由其组延伸13a和凹陷22a描述，那么第二构型可由其组延伸13b和凹陷22b描述。进一步，如图3所示，第二表面21的各延伸13b和并由第一表面20的直接相对凹陷22a整体地形成。同样，第二表面21的各凹陷22b和并由第一表面20的直接相对延伸13a整体地形成。因此，在本发明中，由于延伸13a，b是锥体，凹陷22a，b也是锥体。

延伸13a处于偏移行，可以理解，延伸13b和凹陷22b形成于偏移行。也如凹陷22a，凹陷22b描述一组第二槽路或燃料通道23，其延伸穿过渡状路径的第二表面21。凹陷22b覆盖整个第二表面21，同样第二槽路23在整个第二表面21上延伸。

依次，整个第二槽路23限定一燃料可从其流过的燃料路径15，如图1所示。况且，燃料路径15仅仅穿过互联12的一侧(即第二表面21)延伸而氧化剂路径16仅仅穿过相对侧(即第一表面20)延伸。从而，当燃料和氧化剂沿着其各自的路径15、16移动时，互相可保持物理地隔开。

如上所述，互联12可在其整个形状上是非对称的(即第一和第二表面20、21具有不同构型)。在该例中，如互联12′包括第一表面20′的延伸13a′和凹陷22a′，以及第二表面21′(图4)的延伸13b′和凹陷22b′。凹陷22a′描述槽路14′，凹陷22b′描述槽路23′。然而，对于图4所示的实施例，可看出，延伸13a′的区域小于延伸13b′。这样做使槽路14′是第一构型而槽路23′是第二构型。具体而言，槽路14′的区域大于槽路23′。例如，希望较大尺寸的槽路14′以增大氧化剂的流速/流量用于更好的燃料叠堆10的冷却容量。

回看图3，也可以理解，各互联12的燃料路径15和氧化剂路径16分别置于邻接一个电池11的阳极层19和另一个电池11的阴极层17。这允许燃料沿着燃料路径15流动并允许燃料和阳极层19间的反应。氧化剂可相似地沿着氧化剂路径16流动用于与阴极层17的反应。由于互联12是与邻接电池11(图3)电接触，当一电池11产生电流时，互联12可将电流带入邻接电池11。依次，下一个互联12可电流从该邻接电池11带入下一个邻接电池11。

进一步，可看出，互联12的整个构型提供不被限制于单向流动的燃料路径15和氧化剂路径16。相反，除了从互联12的中央径流外，燃料路径15在一范围内是四个方向，如氧化剂路径16一样。流动的多方向的能力来源于成行的延伸13a和凹陷22a。由于多方向的能力，而燃料和氧化剂物理地互相保持分离，可用单个叠堆10设计实现包括协流、横流、逆流和径流的流动样式。换言之，不必改变互联12的构型来容纳一特定的流动样式。也不需要改变阳极或阴极层17、19的构型或叠堆的其他部件用于任何一个流动样式。

可以看出，本发明较过去的典型设计实现了叠堆厚度的降低，特别是那些具有提供燃料/氧化剂通道的分立地成型的阳极和阴极。实际上，本发明降低整个叠堆10厚度的约二分之一。通过使一体的燃料和氧化剂路径15、16，从而一个路径形成或限定另一个实现上述降低。一体的路径15、16区别于采用两个分立的成型路径的现有设计。因此，省去现有技术中使用的两个分立地构型的通道。另外，与过去的设计相比，互联12的一体路径15、16可降低用以产生路径15、16的制造步骤。在本发明中，使一套通道整体地形成或限定另一套通道来源于采用的制造方法。

本发明的互联12的制造/成型涉及第一表面20构型的同时，第二表面21也在构型。这种共同制造/成型不同于现有的将互联(或阳极/阴极)的相对表面单独地制造/成型的方法。但是，用共同构型，如本发明，制造步骤的数目会降低一半。

本发明还认为，一组燃料电池叠堆10可结合，如图5所示，以增大获得的整个电压。另外，用多叠堆10可实现特定的电压而降低单个叠堆10需要的空间。如图5所示，可用绝缘元件24如氧化锆或氧化铝将两个叠堆10结合。类似绝缘元件24的绝缘元件25可用以结合邻接互联12。两叠堆10可用来代替特定尺寸并实现一特定电压的单个叠堆10。这样，如将单个叠堆10切成两个叠堆10，两个叠堆10总共可和单个叠堆10的尺寸相等但电压增大到两倍。可选地，如果使用两个叠堆10，他们的尺寸可能较小但提供和单个叠堆10相同的电压。

本发明还实现了支管的挠性。外支管或内支管可与燃料电池叠堆10一起使用。对于外支管，如支管部段可连接于叠堆10的边缘用于将气体导出和导入叠堆10。作为例子，在N。Minh等人的《陶瓷燃料电池的科学与技术》，pp.284，Elsevier(1995)示出该支管。对于内部支管，互联12和电池11的中央钻有一孔。作为例子，该孔可用来插入一气体分配柱体。柱体可具有开口以向互联12提供气体。例如，这种结构示于N.Minh等人的上文的pp.286和美国专利5,549,983。

当然，可以明白，上文涉及本发明的优选实施例并且可作更改而不超出如后附的权利要求所述的本发明的精神和范围。

Claims (25)

1.一种固体氧化燃料电池叠堆，包括：

一组互相并列设置的固体氧化燃料电池；和

至少一个置于上述电池间的互联，上述互联能够提供至少两上述电池间的电连接，上述互联构型成以提供一组在上述互联的相对表面的互相形成的槽路。

2.如权利要求1所述的叠堆，其特征在于，各上述电池具有一大体平的构型。

3.如权利要求1所述的叠堆，还包括一组上述互联，各上述互联置于上述电池间使得上述叠堆包括可选电池和互联。

4.如权利要求1所述的叠堆，其特征在于，上述互联还包括一组各上述相对表面的延伸和凹陷。

5.如权利要求1所述的叠堆，其特征在于，上述槽路包括第一槽路和第二槽路，上述第一槽路具有第一构型而上述第二槽路具有不同于上述第一构型的第二构型。

6.一种固体氧化燃料电池叠堆，包括：

一组互相并列设置的固体氧化燃料电池，至少上述两个电池具有大体平的构型；各上述两电池包括一阳极层、一电解液层和一阴极层；和

至少一个置于上述组电池间的互联，上述互联能够提供上述电池间的电连接，上述互联包括上述互联的第一表面的一组第一凹陷和上述互联的第二表面的一组第二凹陷，上述第一延伸和第二凹陷互相整体地形成以提供一组氧化剂通道和燃料通道。

7.如权利要求6所述的叠堆，其特征在于，各上述组电池具有一大体平的构型。

8.如权利要求6所述的叠堆，还包括一组上述互联，各上述互联置于上述电池间使得上述叠堆包括可选电池和互联。

9.如权利要求7所述的叠堆，其特征在于，直接邻接电池并列设置使得一电池的阳极层反向地面向另一电池的阴极层。

10.如权利要求6所述的叠堆，其特征在于，上述氧化剂和燃料通道互相整体地形成。

11.如权利要求6所述的叠堆，其特征在于，上述第一表面还包括一组第一凹陷和上述第二表面还包括一组第二延伸。

12.一种固体氧化燃料电池叠堆，包括：

一组互相并列设置的固体氧化燃料电池；和

一组置于上述电池间的互联，至少一个上述互联包括一第一表面和一相对第二表面，上述第一表面构型成提供一氧化剂路径，上述第二表面构型成提供与上述氧化剂路径整体地形成的燃料路径，上述燃料和氧化剂路径能够使燃料和氧化剂以横流样式、协流样式和逆流样式穿过上述叠堆。

13.如权利要求12所述的叠堆，其特征在于，上述互联置于上述电池间使得一单一互联与一单一电池交替。

14.如权利要求12所述的叠堆，其特征在于，各上述互联包括上述第一和第二表面。

15.如权利要求12所述的叠堆，其特征在于，上述氧化剂路径具有不同于上述燃料路径的构型。

16.如权利要求12所述的叠堆，其特征在于，上述氧化剂路径具有大体于上述燃料路径相同的构型。

17.如权利要求12所述的叠堆，其特征在于，上述第一和第二表面包括和一组凹陷整体地形成的一组延伸。

18.如权利要求17所述的叠堆，其特征在于，上述延伸是锥体形状。

19.在具有一组大体平的燃料电池的固体氧化燃料电池叠堆中，一改进的互联用于在上述电池间提供电连接还在没有改变上述叠堆时能使协流、横流、逆流和径流，上述改进的互联包括：

一组由上述互联的第一表面描述的第一凹陷；

一组由上述第一凹陷描述的第一槽路，上述第一槽路描述一穿过上述互联的氧化剂路径；

一组由上述互联的第二表面描述的第二凹陷，上述第二表面与上述第一表面对置；和

一组由上述第二凹陷描述的第二槽路，上述第二槽路整体地和上述第一槽路形成，上述槽路描述与上述氧化剂路径整体地形成的燃料路径。

20.如权利要求19所述的改进，其特征在于，上述第一和第二槽路具有波状构型。

21.如权利要求19所述的改进，其特征在于，上述第一槽路设置成平行并与上述第二槽路正交。

22.如权利要求19所述的改进，其特征在于，上述第一和第二凹陷设置成一组行。

23.如权利要求19所述的改进，其特征在于，上述第一和第二凹陷分别描述上述第二表面的第二延伸和上述第一表面的第一延伸。

24.如权利要求23所述的改进，其特征在于，上述第一和第二延伸是锥体形状。

25.如权利要求19所述的改进，其特征在于，上述互联是一单件结构。

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