CN1555586A - 固体氧化物燃料电池堆 - Google Patents

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Abstract

一种固体氧化物燃料电池堆(10)，包括多个组件(12)。各组件(12)包括细长的中空构件(14)。各中空构件(14)具有至少一条贯穿中空构件(14)纵向延伸的通道(32)用于反应物的流动。各中空构件(14)具有两个平行的平面(16，18)。至少一个组件(12A，12B，12C)包括多个固体氧化物燃料电池(20)。固体氧化物燃料电池(20)设置在组件(12A，12B，12C)的平面(16，18)上。各组件(12)的至少一个端部(34)连接到相邻组件(12)的端部(36)以使反应物顺序流过各组件(12)。组件(12)的布局提供了在固体氧化物燃料电池堆(10)中的柔量，减小了在固体氧化物燃料电池堆(10)中的热和机械应力。

Description

固体氧化物燃料电池堆
本发明涉及固体氧化物燃料电池堆。
固体氧化物燃料电池的主要变型是管状固体氧化物燃料电池(T-SOFC)、平面固体氧化物燃料电池(P-SOFC)和单片固体氧化物燃料电池(M-SOFC)。
管状固体氧化物燃料电池包括管状固体氧化物电解质构件，该电解质构件具有内部和外部电极。
单片固体氧化物燃料电池有两种变型。第一种变型具有平面固体氧化物电解质构件，在该电解质构件的两个主表面上具有电极。第二种变型具有波纹状的固体氧化物电解质构件，在该电解质构件的两个主表面上具有电极。
我们的欧洲专利EP0668622B1公开了一种新型固体氧化物燃料电池，该电池包括多个组件。这些组件中的一些包括中空构件，该中空构件具有两个平行的平面，固体氧化物燃料电池设置在上述平面上。通过顺从的波纹管连接将各组件的相对端连接到反应物歧管上。
然而，这种布局没有在固体氧化物燃料电池堆中提供充分的热和机械柔量以使在固体氧化物燃料电池堆中的机械和热应力最小化。
因此，本发明寻求提供一种新型固体氧化物燃料电池堆，它减少了、优选克服了上述问题。
因此，本发明提供一种固体氧化物燃料电池堆，该电池堆包括多个组件，各组件包括细长的中空构件，各中空构件具有至少一条贯穿中空构件纵向延伸的通道用于反应物的流动，各中空构件具有两个平行的平面，至少一个组件包括多个固体氧化物燃料电池，固体氧化物燃料电池设置在至少一个组件的至少一个平面上，相邻组件的平面基本上平行且间隔开设置，各组件的至少一个端部连接到相邻组件的端部以使反应物连续地流过各组件，减小了在固体氧化物燃料电池堆中的热和机械应力。
作为优选，固体氧化物燃料电池堆包括用于提供反应物的歧管和用于去除反应物的歧管，各组件具有第一端和第二端，第一个组件的第一端连接到用于向第一个组件提供反应物的歧管，第二个组件的第二端连接到用于从第二个组件去除反应物的歧管，第一个组件的第二端连接到相邻组件的第一端，第二个组件的第一端连接到相邻组件的第二端。
第一个组件的第二端可连接到第二个组件的第一端。
作为优选，各中空构件具有多条通道。
至少一个中空构件可具有与其余中空构件不同的长度。
作为优选，至少一个组件包括在该组件的两个平面上的多个燃料电池。
各组件可包括多个固体氧化物燃料电池。
至少一个组件可包括热交换器。
至少一个组件可包括燃料重整装置。至少一个组件可具有在贯穿中空构件的至少一条通道中设置的催化剂。催化剂可设置在贯穿中空构件的至少一条通道的表面上。
可在贯穿中空构件的至少一条通道中设置一构件。该构件可以是线圈。可设置并构造该构件以与中空构件限定贯穿该通道的螺旋流动通路。催化剂可设置在该构件上。
各组件可通过端盖连接到相邻组件。
各组件可通过隔套连接到相邻组件。隔套可包括陶瓷衬垫或金属衬垫。
作为优选，固体氧化物燃料电池堆包括高达20个组件。作为优选，组件具有50mm-2000mm的长度。作为优选，组件具有20mm-300mm的宽度。作为优选，组件具有达到30mm的厚度，更优选，组件具有达到10mm的厚度。
可将相邻组件的中心线基本上设置在同一平面上，从而形成组件的波状设置。
作为选择，可将相邻组件的中心线设置在不同平面上，从而形成组件的螺旋状设置。相邻组件的中心线可垂直地设置。相邻组件的中心线可以45°、52°或60°的角度进行设置。
作为优选，在相邻组件之间设置至少一个减震构件。该减震构件可以是弹性波纹状构件或者该减震构件可以是弹性C形构件。
作为优选，各固体氧化物燃料电池包括阳极、阴极和固体氧化物电解质。
作为优选，在细长中空构件的平面上设置阳极。
至少一个细长中空构件的至少一条通道可具有贯穿其长度的变化的横截面积。至少一条通道可以是汇聚通道或发散通道。
下面将参考附图借助实施例更详细地描述本发明，其中：
图1是根据本发明的固体氧化物燃料电池堆的局部切除透视图。
图2是图1所示的固体氧化物燃料电池堆的一个组件的侧视图；
图3是图2所示的组件的局部横截面图。
图4是两个相邻组件的端部和连接器的放大横截面图。
图5是两个相邻组件的端部和另一种连接器的放大横截面图。
图6是两个相邻组件的端部和另一种连接器的放大横截面图。
图7是根据本发明的另一种固体氧化物燃料电池堆的局部切除透视图。
图8是根据本发明的另一固体氧化物燃料电池堆的局部切除透视图。
图9是根据本发明的另一固体氧化物燃料电池堆的局部切除透视图。
根据本发明的固体氧化物燃料电池堆10示于图1至5中。固体氧化物燃料电池堆10包括在壳体13中设置的多个组件12。各组件12包括细长的中空构件14。中空构件14由全部或部分稳定的氧化锆、氧化铝、碳化硅、氧化镁掺杂的铝酸镁或其它合适的陶瓷材料制成。各中空构件14有两个平行的表面16和18，在这两个表面上设置固体氧化物燃料电池20。中空构件14是多孔的以使燃料流到固体氧化物燃料电池20。
如图2和3所示，固体氧化物燃料电池20沿着表面16和18纵向地隔开，在各表面16和18上的固体氧化物燃料电池20以串联方式电连接。
如图3所示，各固体氧化物燃料电池20包括阳极22、固体氧化物电解质24和阴极26。在各个表面16和18上，除了一个燃料电池20之外的其它所有燃料电池20的阳极22通过多个互连件28的相应一个电连接到相邻燃料电池18的阴极26。
各中空构件14具有贯穿中空构件14纵向延伸的通道32，以便向固体氧化物燃料电池20提供燃料。燃料通过中空构件14扩散到燃料电池20的阳极22。在各中空构件14中的通道32贯穿其长度具有均匀的横截面积。
各组件12具有第一端34和第二端36，设置组件12使得第一个组件12A的第一端34连接到燃料供应歧管38。第二个组件12B的第二端36连接到燃料去除歧管40，如图1所示。各组件12C和组件12B的第一端34通过多个连接器42的相应一个连接到相邻的一个组件12C和12A的第二端36。连接器42由与中空构件14的热膨胀系数相似、优选相同的金属或陶瓷形成，如图1所示。
因此，设置各组件12，使得中空构件14的表面16和18基本上平行并间隔开。设置组件12，使得相邻组件12的表面16和18基本上平行并间隔开。此外，应注意，对组件12进行设置以形成组件12的波状设置。因此很显然，燃料从燃料供应歧管38通过如图1所示的蜿蜒流动通道顺序流过组件12A、12C和12B直至燃料去除管路40。
此外，空气或氧以垂直于组件12纵向的方向流过组件12之间的空间。作为优选，在相邻组件12之间的适当位置设置一个或多个减震构件37A、37B或37C。
各减震构件37A由弹性的弹簧材料如金属制成并形成为波纹状。将各减震构件37A设置为紧靠相邻组件12的表面。如果将减震构件37A设置为紧靠燃料电池20，那么它设置有电绝缘涂层。减震构件37A还具有其它优点，因为它起到导流器的作用，从而引导空气或氧穿过燃料电池20的阴极26在所需方向上流动。
各减震构件37B由弹性的弹簧材料如金属制成并形成为C形。将各减震构件37B设置为紧靠相邻组件12的表面。如果将减震构件37B设置为紧靠燃料电池20，那么它设置有电绝缘涂层。
各减震构件37C由弹性的弹簧材料如编织陶瓷绳制成。将各减震构件37C设置为紧靠相邻组件12的表面。即使将减震构件37C设置为紧靠燃料电池20，它也不需要电绝缘涂层。
通过在互连件30之间设置电连接，在各组件12的表面16和18上的固体氧化物燃料电池20之间设置了电连接。在图3中，燃料电池20对称地设置在各组件12上，在各组件12的第一端34处的表面16上的一个燃料电池20的阴极26通过互连件30电连接到在各组件12的第一端34处的表面18上的一个燃料电池20的阴极26。电互连包括在组件12周围卷绕的导电带33，导电带33优选含铂。同样，在各组件12的第二端36处的表面16上的一个燃料电池20的阳极22通过互连件30电连接到在各组件12的第二端36处的表面18上的另一个燃料电池20的阳极22。电互连件也包括在组件12周围卷绕的导电带。在此设置中，在各组件12的表面16和18上的固体氧化物燃料电池20利用在组件12的第一端34和第二端36处的互连件30以电并联的方式进行电连接。相邻组件12则通过电连接互连件30以电串联的方式连接。
在未示出的另一种设置中，在各组件12的各表面16和18上的一个燃料电池20的阳极22通过相应的一个互连件30电连接到相邻组件12的一个表面18和16上的一个燃料电池20的阴极26。在这种设置中，在相邻组件12的表面16和18上固体氧化物燃料电池20利用在组件12的第一端34和第二端36处的互连件30以电串联的方式进行电连接。
一个组件12的第一端34、另一个组件12的第二端36和一连接器42示于图4中。一个组件12的第一端34设置有一个或多个孔44，这些孔贯穿中空构件14向相邻组件12延伸。另一个组件12的第二端36设置有一个或多个孔46。在一个组件12的第二端36设置的孔46的数量可以与在另一个组件12的第一端34中设置的孔44的数量相同或不同。孔46贯穿中空构件14向相邻组件12延伸。在组件12中孔44和46对齐。
连接器42基本上是T形构件48，它包括杆50和在杆50一端的凸缘52和54。T形构件48可包括一个、两个或三个部件。例如，杆50和凸缘52和54可以是三个单独的部件。这样设置构件48，使得构件48的杆50位于组件12的端部34和36之间。构件48具有贯穿杆50延伸的多个孔56。在构件48中设置的孔56的数量可以与在另一组件12的第一端34和第二端36中设置的孔44和46的数量相同或不同。
构件48分开相邻组件12的端部34和36并将相邻组件12的端部34和36结合并密封在一起。孔44、46和56使燃料从在一个组件12中的通道32顺序经过孔44、56和46流到相邻组件12中的通道32。在杆50端部的凸缘52和54提供了对组件12的附加支撑，并可密封组件12的端部34和36。孔44、46和56为任何合适的形状或尺寸，例如圆形孔或狭槽。
在连接器42的杆50的端部的凸缘52和54可以不是共线的，这样组件12的端部不是完全地对齐。
导电体31贯穿杆50延伸，以对与在一个组件12上的固体氧化物燃料电池20相连的互连件30和与相邻组件12上的固体氧化物燃料电池20相连的互连件30进行互连。
一个组件12的第一端34、另一个组件12的第二端36和可选择的一个连接器42示于图5中。一个组件12的第一端34延伸到连接器42，另一个组件12的第二端36延伸到连接器42。端部34和36密封到连接器42。
该连接器42包括中空构件60，该构件60具有两个平行的狭槽62和64，一个组件12的第一端34和另一个组件12的第二端36位于狭缝中。组件12的端部34和36是打开的，以使燃料从一个组件12中的通道32流过组件12的端部36、在连接器42中反转180度、并经过相邻组件12的端部34流入相邻组件12的通道32。
导电体31沿着连接器42的内表面延伸，以对与在一个组件12上的固体氧化物燃料电池20相连的互连件30和与相邻组件12上的固体氧化物燃料电池20相连的互连件30进行互连。在图4所示的连接器42中的电连接也可以应用于图5所示的连接器42。图5所示的连接器42可具有一个或两个图4和图5所示的电连接。
一个组件12的第一端34、另一个组件12的第二端36和另外一个连接器42示于图6中。
该连接器42包括基本上呈T形的构件70，该构件70包括杆72和在杆72一端的凸缘74和76。对构件70进行设置使得构件70的杆72位于组件12的端部34和36之间。凸缘74和76在邻接杆72的位置具有最大的厚度，并从杆72开始厚度逐渐减小，从而形成锥形表面。该锥形表面可以任何适当的角度，优选为在30°至60°范围内的角度，例如45°。组件12的端部34和36同样具有以任何适当角度呈锥形的表面以紧靠凸缘74和76。一个或多个孔78贯穿在凸缘74和76的锥形表面之间的构件70延伸。如果粘结材料能够承载剪切应力，那么这种设置使得构件70和细长的中空构件14具有不同的热膨胀系数。
构件70分开相邻组件12的端部34和36并且将相邻组件12的端部34和36结合并密封在一起。孔78使燃料从一个组件12中的通道32经过孔78流到相邻组件12中的通道32。在杆72端部的凸缘74和76提供了对组件12的附加支撑并密封组件12的端部34和36。孔78具有任何适当的形状或尺寸，例如圆形孔或狭槽。
在连接器42的杆72的端部的凸缘74和76可以不是共线的，这样组件12的端部不是完全地对齐。
电连接器31贯穿杆72延伸，以对与在一个组件12上的固体氧化物燃料电池20相连的互连件30和与相邻组件12上的固体氧化物燃料电池20相连的互连件30进行互连。
中空构件14的横截面优选呈矩形，具有矩形或圆形端部。中空构件14的数量在2和20个之间。中空构件14具有在50mm和2000mm之间的长度，20mm至300mm之间的宽度，以及高达30mm的厚度。最大厚度优选为10mm，最小厚度优选为1mm，更优选最小厚度为3mm，但更小的厚度也是可行的。
组件的这种设置的主要优点在于，减小了在固体氧化物燃料电池堆中的热和机械应力，优选使之最小化。特别是，它通过容许在组件12之间的柔量或柔性、使得由固体氧化物燃料电池堆10中的热梯度和热循环引起的制造公差和热应力增加。通过组件之间的连接和组件自身分散了这些应力。改善了固体氧化物燃料电池堆的耐久性。还可以使组件/固体氧化物燃料电池具有比较高的存储密度。
作为选择，电连接器30可沿着连接器42的外表面延伸。
如图7所示，另一种固体氧化物燃料电池堆110与图1所示的固体氧化物燃料电池堆10基本上相同。该固体氧化物燃料电池堆110包括多个组件112。各组件112包括细长的中空构件114。中空构件114由全部或部分稳定的氧化锆、氧化铝、碳化硅或其它合适的陶瓷材料制成。各中空构件114有两个平行的表面116和118。中空构件114是多孔的以使燃料流到固体氧化物燃料电池。
一些组件112D具有在所有的两个表面116和118上设置的固体氧化物燃料电池120。一些组件112E具有在组件112E的一半的两个表面116和118上设置的固体氧化物燃料电池120。在组件112E的剩余一半上的两个表面116和118用作热交换器121以驱散热量。一些组件112F具有在组件112F的一半的两个表面116和118上设置的固体氧化物燃料电池120。剩余一半的组件112F具有在通道132中设置的催化剂144以当作用于重整燃料的重整装置123。一些组件112G没有固体氧化物燃料电池，该组件112G用作热交换器121。一些组件112H没有固体氧化物燃料电池，该组件112H具有在通道132中设置的催化剂144以当作用于重整燃料的重整装置123。
组件112F和组件112H的通道132可具有提供到通道132表面的催化剂144，或者催化剂144可提供给在通道132中设置的构件146。构件146可以是螺旋卷绕的线圈。作为选择，可设置并构成构件146，以与中空构件114限定贯穿相应通道132的螺旋流动通道。例如，通过缠绕细长弹性构件的端部以形成螺旋通道的方法制造构件146。该构件146还有助于热量和物质的转移。
如图8所示，另一种固体氧化物燃料电池堆210基本上与图1所示的固体氧化物燃料电池堆10相同。固体氧化物燃料电池堆210包括多个组件212。设置组件212使得相邻的组件212A和212B具有不同的长度，交替的组件212A或组件212B具有相同的长度，以产生台阶状的布局。
如图9所示，另一种固体氧化物燃料电池堆310类似于图1所示的固体氧化物燃料电池堆10。固体氧化物燃料电池堆310包括多个组件312。设置组件312，使得组件312A和312B的相邻组件不同于图1所示的设置。
在图1中，相邻组件12A和12B的表面16和18基本上彼此平行地设置，相邻组件12A和12B的中心线X在基本上相同的方向和同一平面上纵向延伸。这样，在相邻的组件12A和12C中，燃料以相反方向但处于平行的平面内的方式流动，在连接器中燃料反转180度流动。
在图9中，相邻组件312A和312B的表面316和318基本上彼此平行地设置，相邻组件312A和312B的中心线X在不同方向上或以不同角度纵向延伸。在图9中，将相邻的组件312A和312B设置成彼此垂直地纵向延伸，将交替的组件312A或312B设置成以基本上相同的方向纵向延伸，以形成矩形布局的组件312。因此，在相邻组件312A和312B中，燃料以垂直方向在平行平面上延伸，在连接器中燃料反转90度流动。
同样可以将相邻的组件设置成任何其它合适的角度，例如72°以形成组件的五边形布局，60°以形成组件的六边形布局，45°以形成组件的八边形布局。因此，在相邻的组件中，燃料以适当的角度、但在平行的平面上流动。
因此，对组件312进行设置以形成螺旋状布局。也可以设置为两个螺旋状布局的组件，从而围绕同一轴设置并相互交错。
虽然参考在这些组件的细长中空构件的表面上串联设置的多个固体氧化物燃料电池描述了本发明，但固体氧化物燃料电池的其它适当设置也是可行的。
虽然本发明描述了固体氧化物燃料电池的阳极设置在组件的细长中空构件的表面上，但同样可以将固体氧化物燃料电池的阴极设置在组件的细长中空构件的表面上。
虽然本发明描述了贯穿其长度具有均匀横截面积的各细长中空构件中的通道，但是对于一个或多个细长中空构件贯穿其长度也可以具有变化的横截面积、不均匀的横截面积。不均匀的通道可以是汇聚通道或发散通道。汇聚通道加速在反应物的流动方向上的流动，发散通道使在反应物的流动方向上流动扩散。

Claims (26)

1.一种固体氧化物燃料电池堆(10)，包括多个组件(12)，各组件(12)包括细长的中空构件(14)，各中空构件(14)具有至少一条贯穿中空构件(14)纵向延伸的通道(32)用于反应物的流动，各中空构件(14)具有两个平行的平面(16，18)，至少一个组件(12A，12B，12C)包括多个固体氧化物燃料电池(20)，固体氧化物燃料电池(20)设置在至少一个组件(12A，12B，12C)的至少一个平面(16，18)上，相邻组件(12A，12B，12C)的平面(16，18)基本上平行且间隔开设置，其特征在于，各组件(12)的至少一个端部(34)连接到相邻组件(12)的端部(36)以使反应物顺序地流过各组件(12)，从而减小了在固体氧化物燃料电池堆(10)中的热和机械应力。
2.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池堆，包括用于提供反应物的歧管(38)和用于去除反应物的歧管(40)，各组件(12)具有第一端(34)和第二端(36)，第一个组件(12A)的第一端(34)连接到用于向第一个组件(12A)提供反应物的歧管(38)，第二个组件(12B)的第二端(36)连接到用于从第二个组件(12B)去除反应物的歧管(40)，第一个组件(12A)的第二端(36)连接到相邻组件(12C)的第一端(34)，第二个组件(12B)的第一端(34)连接到相邻组件(12C)的第二端(36)。
3.根据权利要求2所述的固体氧化物燃料电池堆，其中第一个组件(12A)的第二端(36)连接到第二个组件(12C)的第一端(34)。
4.根据权利要求1、2或3所述的固体氧化物燃料电池堆，其中各中空构件(14)具有多条通道(32)。
5.根据权利要求1至4任意一项所述的固体氧化物燃料电池堆，其中至少一个中空构件(14)具有与其余中空构件(14)不同的长度。
6.根据权利要求1至5任意一项所述的固体氧化物燃料电池堆，其中至少一个组件(12)包括在该组件(12)的两个平面(16，18)上的多个燃料电池(20)。
7.根据权利要求1至6任意一项所述的固体氧化物燃料电池堆，其中各组件(12)包括多个固体氧化物燃料电池(20)。
8.根据权利要求1至7任意一项所述的固体氧化物燃料电池堆，其中至少一个组件(112E)包括热交换器(121)。
9.根据权利要求1至7任意一项所述的固体氧化物燃料电池堆，其中至少一个组件(112F)包括燃料重整装置(123)。
10.根据权利要求9所述的固体氧化物燃料电池堆，其中至少一个组件(112F)具有在贯穿中空构件(114)的至少一条通道(132)中设置的催化剂(144)。
11.根据权利要求10所述的固体氧化物燃料电池堆，其中催化剂(144)设置在贯穿中空构件(114)的至少一条通道(132)的表面上。
12.根据权利要求1至11任意一项所述的固体氧化物燃料电池堆，其中在贯穿中空构件(114)的至少一条通道(132)中设置构件(146)。
13.根据权利要求12所述的固体氧化物燃料电池堆，其中该构件(146)是线圈。
14.根据权利要求12所述的固体氧化物燃料电池堆，其中设置并构造构件(146)以与中空构件(114)限定贯穿通道(132)的螺旋流动通路。
15.根据权利要求12、13或14所述的固体氧化物燃料电池堆，其中催化剂(144)设置在构件(146)上。
16.根据权利要求1至15任意一项所述的固体氧化物燃料电池堆，其中各组件(12)通过端盖或通过隔套连接到相邻组件(12)。
17.根据权利要求1至16任意一项所述的固体氧化物燃料电池堆，其中将相邻组件(12A，12B)的中心线(x)基本上设置在同一平面上，从而形成组件(12)的波状布局。
18.根据权利要求1至16任意一项所述的固体氧化物燃料电池堆，其中将相邻组件(312A，312B)的中心线(x)设置在不同平面上，从而形成组件(312)的螺旋状布局。
19.根据权利要求18的固体氧化物燃料电池堆，其中相邻组件(312A，312B)的中心线(x)以45°、60°、72°或90°的角度设置。
20.根据权利要求1至19任意一项所述的固体氧化物燃料电池堆，其中在相邻组件(12)之间设置至少一个减震构件(37A，37B，37C)。
21.根据权利要求20所述的固体氧化物燃料电池堆，其中减震构件(37A，37B，37C)是弹性波纹状构件(37A)或者弹性C形构件(37B)。
22.根据权利要求20或21所述的固体氧化物燃料电池堆，其中减震构件(37A，37B，37C)是金属件(37A，37B)。
23.根据权利要求22所述的固体氧化物燃料电池堆，其中减震构件(37A，37B)具有电绝缘涂层。
24.根据权利要求1至23任意一项所述的固体氧化物燃料电池堆，其中各固体氧化物燃料电池(20)包括阳极(22)、阴极(26)和固体氧化物电解质(24)。
25.根据权利要求24所述的固体氧化物燃料电池堆，其中在细长中空构件(14)的平面(16，18)上设置阳极(22)。
26.根据权利要求1至25任意一项所述的固体氧化物燃料电池堆，其中至少一个细长中空构件(14)的至少一条通道(32)具有贯穿其长度的变化的横截面积。
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