CN216903018U - 一种铝钛复合电化学装置 - Google Patents

Abstract

一种铝钛复合电化学装置，包括电化学电池，电化学电池包括接触第一气体的第一电极、固体电解质层和接触第二气体的第二电极；用于支撑电化学电池以形成用于第一气体的流动路径的金属支撑构件，金属支撑构件为铝钛金属基复合材料；以及用于支撑金属支撑构件的金属歧管构件，金属歧管构件包括在金属歧管构件内形成的气体供给孔和气体排放孔，气体供给孔和气体排放孔均与第一气体的流动路径连通；本实用新型采用铝钛金属基复合材料作为支撑电化学电池的金属支撑构件，能够避免在每个电化学电池上的过度负载和电池的破裂，实现了多个电池的堆叠，避免堆叠电池的断裂，并且简化了密封结构，从而减少了必要部件的数量。

Description

一种铝钛复合电化学装置

技术领域

本实用新型涉及电化学装置，具体涉及一种铝钛复合电化学装置。

背景技术

单个固体氧化物燃料电池获得的电动势约为1伏。因此需要层叠(堆叠)多个电池以获得大的输出功率。问题是如何以更小的尺寸增加堆叠单元的数量以获得更大的输出功率。固体氧化物燃料电池一般分为两类：平面型和管状型；管状型的固体氧化物燃料电池，在相邻电池之间形成死空间，单位体积的发电效率低，在结构上限制了发电量的提高；平面型的固体氧化物燃料电池，许多平面型单电池在垂直方向上层叠并且相邻的电池分别用隔板隔开，燃料或氧化气体分别流过单电池和隔板之间的空间，气体的温度可高达800～1000℃，因此，难以用歧管密封许多气体流动路径以使燃料和氧化气体彼此不接触，根据实际组装工艺，需要在垂直方向上层压多个平面型单体电池并对其施加压力，该过程需要技术人员参与且生产率低，此外，电池容易断裂，因此在实用的观点上难以堆叠许多电池。

铝钛金属基复合材料，是一种以铝为基体，外层包覆钛的双金属，它是将铝的高质量导电性能、低成本的资源与钛的高化学稳定性，较低的接触电阻复合为一体，集中了钛、铝各自的优点，广泛应用于军工、航空航天、电子计算机、电子元器件等高科技领域及电力、高低压电器、自动化、建筑行业等。

实用新型内容

针对现有技术中存在的上述缺陷，本实用新型的目的在于提供一种铝钛复合电化学装置，采用铝钛金属基复合材料作为支撑所述电化学电池的金属支撑构件，实现多个电池的堆叠，避免堆叠电池的断裂，简化密封结构，从而减少必要部件的数量。

本实用新型是这样实现的，本实用新型一种铝钛复合电化学装置所采用的技术方案是：一种铝钛复合电化学装置，包括电化学电池，所述电化学电池包括接触第一气体的第一电极、固态电解质膜和接触第二气体的第二电极；用于支撑所述电化学电池以形成用于所述第一气体的流动路径的金属支撑构件，所述金属支撑构件为铝钛金属基复合材料；以及用于支撑所述金属支撑构件的金属歧管构件，所述金属歧管构件包括在所述金属歧管构件内形成的气体供给孔和气体排放孔，所述气体供给孔和所述气体排放孔均与所述第一气体的所述流动路径连通。

进一步地，所述金属支撑构件为多个，多个所述金属支撑构件由所述金属歧管构件支撑。

进一步地，所述电化学装置还包括在多个所述金属支撑构件之间形成的用于所述第二气体的流动路径。

进一步地，所述电化学装置还包括设置在多个所述金属支撑构件之间的互连器，所述互连器和所述电化学电池之间形成用于所述第二气体的流动路径。

进一步地，所述电化学装置还包括用于电连接相邻所述电化学电池的集电构件。

进一步地，所述电化学装置还包括用于以气密方式密封所述互连器和所述金属支撑构件的密封构件。

具体地，所述电化学电池由所述金属支撑构件支撑，并且在所述金属支撑构件和所述电化学电池之间形成气体流动路径，所述气体供给孔和所述气体排出孔形成在所述金属歧管构件中，使得所述气体供给孔和所述气体排出孔与所述气体流动路径连通；因此，能够向所述金属歧管构件进行气体的供给和气体的排出；此外，每个所述电化学电池由装配到所述金属歧管构件的所述金属支撑构件支撑，从而可以堆叠多个所述金属支撑构件和所述电化学电池。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于，本实用新型提供的一种铝钛复合电化学装置，包括电化学电池，电化学电池包括接触第一气体的第一电极、固态电解质膜和接触第二气体的第二电极；用于支撑电化学电池以形成用于第一气体的流动路径的金属支撑构件，金属支撑构件为铝钛金属基复合材料；以及用于支撑金属支撑构件的金属歧管构件，金属歧管构件包括在金属歧管构件内形成的气体供给孔和气体排放孔，气体供给孔和气体排放孔均与第一气体的流动路径连通；本实用新型采用铝钛金属基复合材料作为支撑电化学电池的金属支撑构件，能够避免在每个电化学电池上的过度负载和电池的破裂，实现了多个电池的堆叠，避免堆叠电池的断裂，并且简化了密封结构，从而减少了必要部件的数量。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型实施例提供的一种铝钛复合电化学装置的金属支撑构件的正视图。

图2是本实用新型实施例提供的一种铝钛复合电化学装置的金属支撑构件的仰视图。

图3是本实用新型实施例提供的一种铝钛复合电化学装置的金属支撑构件的侧视图。

图4是本实用新型实施例提供的一种铝钛复合电化学装置的电化学电池的透视图。

图5是本实用新型实施例提供的一种铝钛复合电化学装置的密封构件的立体图。

图6是本实用新型实施例提供的一种铝钛复合电化学装置的互连器的透视图。

图7是本实用新型实施例提供的一种铝钛复合电化学装置的分解透视图。

图8是本实用新型实施例提供的一种铝钛复合电化学装置的金属支撑构件和电化学电池的剖视图。

图9是本实用新型实施例提供的一种铝钛复合电化学装置的金属支撑构件、电化学电池和密封构件的剖视图。

图10是本实用新型实施例提供的一种铝钛复合电化学装置的金属支撑构件、电化学电池、密封构件和互连器的横截面图。

图11是本实用新型实施例提供的一种铝钛复合电化学装置的金属歧管构件的正视图。

图12是本实用新型实施例提供的一种铝钛复合电化学装置的金属歧管构件的侧视图。

图13是本实用新型实施例提供的一种铝钛复合电化学装置的安装在金属歧管构件上的组件透视图。

图14是本实用新型实施例提供的一种铝钛复合电化学装置的集电构件彼此电连接示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

本实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本实用新型的描述中，需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

以下结合附图与具体实施例，对本实用新型的技术方案做详细的说明。

本实用新型提供的一种铝钛复合电化学装置，包括电化学电池，电化学电池包括接触第一气体的第一电极、固态电解质膜和接触第二气体的第二电极；用于支撑电化学电池以形成用于第一气体的流动路径的金属支撑构件，金属支撑构件为铝钛金属基复合材料；以及用于支撑金属支撑构件的金属歧管构件，金属歧管构件包括在金属歧管构件内形成的气体供给孔和气体排放孔，气体供给孔和气体排放孔均与第一气体的流动路径连通。

上述提供的一种铝钛复合电化学装置，包括电化学电池，电化学电池包括接触第一气体的第一电极、固体电解质层和接触第二气体的第二电极；用于支撑电化学电池以形成用于第一气体的流动路径的金属支撑构件，金属支撑构件为铝钛金属基复合材料；以及用于支撑金属支撑构件的金属歧管构件，金属歧管构件包括在金属歧管构件内形成的气体供给孔和气体排放孔，气体供给孔和气体排放孔均与第一气体的流动路径连通；本实用新型采用铝钛金属基复合材料作为支撑电化学电池的金属支撑构件，能够避免在每个电化学电池上的过度负载和电池的破裂，实现了多个电池的堆叠，避免堆叠电池的断裂，并且简化了密封结构，从而减少了必要部件的数量。

在本实用新型中，电化学电池具有平面形状，其不限于平板并且包括弯曲片和弧形片。根据本实用新型，电化学电池具有接触第一气体的第一电极、固态电解质膜和接触第二气体的第二电极；

第一电极和第二电极为阳极或阴极，例如，第一电极为阳极则第二电极为阴极，第一电极为阴极则第二电极为阳极；

第一气体和第二气体为氧化气体或还原气体，氧化气体没有特别限制，只要可以将氧离子从该气体供应到固体电解质膜即可；气体包括空气、稀释空气、氧气和稀释氧气；还原气体包括氢气、一氧化碳、甲烷或它们的混合物。

在本实用新型中，电化学电池是指进行电化学反应的电池；例如，电化学电池包括氧气泵和高温蒸汽电解质电池；高温蒸汽电解质电池可作为制氢装置，也可作为水蒸气的去除系统；此外，电化学电池可用作NO_X、SO_X的分解电池，该分解池可用作汽车、发电设备等的废气净化装置，在这种情况下，放电气体中的氧通过固体电解质膜被去除，同时NO_X被电解成N₂和O₂ ^-，并且由此分解产生的氧也可以被去除；此外，通过该过程，放电气体中的蒸汽被电解以产生氢气和氧气，并且产生的氢气将NO_X还原为N₂；进一步地，在一个优选实施例中，电化学电池为固体氧化物燃料电池。

用于固体电解质的材料没有特别限制，并且包括任何氧化物离子导体；例如，它可以是氧化钇稳定的氧化锆或氧化钇部分稳定的氧化锆；在NO_X分解电池的情况下，氧化铈也是优选的。

正极材料优选为含镧钙钛矿型复合氧化物，更优选为锰酸镧或钴酸镧，最优选为锰酸镧；在钴酸镧和锰酸镧中，可以掺杂锶、钙、铬、钴(在锰酸镧的情况下)、铁、镍、铝等。

阴极材料可以是钯、铂、钌、铂-氧化锆金属陶瓷、钯-氧化锆金属陶瓷、钌-氧化锆金属陶瓷、铂-铈氧化物金属陶瓷、钯-铈氧化物金属陶瓷和钌-铈氧化物金属陶瓷，阴极材料优选铂-氧化锆金属陶瓷、铂、镍、镍-氧化锆金属陶瓷、铂-铈氧化物金属陶瓷、镍-铈氧化物金属陶瓷、钌、钌-氧化锆金属陶瓷等。

每个电化学电池的构造没有特别限制。电化学电池可由阳极、阴极和固体电解质层的三层组成。或者，除了阳极、阴极和固体电解质层之外，电化学电池还可具有例如多孔层。

支撑电化学电池的金属支撑构件的构造没有特别限制，优选地，金属支撑构件为铝钛金属基复合材料。

支撑金属支撑构件的金属歧管构件的形状没有特别限制，尽管形状可以优选地是平板，但是平面形状没有特别限制，与第一气体的流路连通的气体供给孔和气体排出孔设置在金属歧管构件中，气体供给孔和气体排出孔的数量、尺寸和位置没有特别限制；此外，形成金属歧管构件的金属不受限制，只要它在电化学电池的工作温度下抗氧化和还原即可，金属可以是纯金属或合金。

作为本实用新型的一种实施方式，多个金属支撑构件设置在单个金属歧管构件上；用于第二气体的流动路径形成在金属支撑构件之间，从而可以进一步简化气密结构。

作为本实用新型的一种实施方式，在多个金属支撑构件之间设置互连器，并且在互连器和电化学电池之间形成用于第二气体的流动路径；互连器和邻接的支撑构件通过集电构件彼此电连接，从而使得多个电化学电池可以容易地串联连接。

本实用新型提供了用于以气密方式密封互连器和金属支撑构件的密封构件，密封构件的材质没有特别限定，但需要在电化学电池的工作温度下具有耐氧化还原性，具体地，可以为以二氧化硅为主要成分的玻璃、结晶玻璃、金属焊料等，还可以为O型圈、C型圈、E型圈，或者金属护套垫圈、云母垫圈等压缩密封件。

参照图1至图14，为本实用新型提出的一种铝钛复合电化学装置的一个实施例：

如图1至图3所示，图1是金属支撑构件1的正视图，图2是金属支撑构件1的仰视图，图3是示出金属支撑构件1的侧视图；金属支撑构件1具有平板形状的主体1b和从主体1b向下突出的凸缘部1a，在主体1b中形成空间6，用于形成第一气体的第一流动路径；在空间6中形成一对凹槽4和5，凹槽4和5分别与气体供给孔2和气体排出孔3连通，气体供给孔2和气体排出孔3开口于凸缘部1a的底面1c处；金属歧管构件供给的气体，首先如箭头A所示通过气体供给孔2供给，再如箭头B所示在槽4中流动，接着如箭头C所示从槽4流向槽5，然后如箭头D所示在凹槽5中流动，最后如箭头E所示通过气体排出孔3排放到金属歧管构件中。

图4是表示本实施例中使用的电化学电池11的透视图，电化学电池11具有第一电极12、固态电解质膜13和第二电极14，电化学电池11可以具有附加部分，例如多孔基材。

图5是表示本实施例中使用的密封构件8的立体图，在密封构件8中形成空间8a，用于在空间8a中容纳和包围电化学电池11；图6是互连器9的透视图，互连器9具有外框架9c和从外框架9c向内延伸的内框架9b，在它们之间形成空间9a，用于使第二气体通过。

图7是金属支撑构件1、渗透性和导电材料10、电化学电池11、密封构件8和互连器9的分解透视图，将这些部件组合以形成组件30。

如图8所示，电化学电池11容纳并固定在金属支撑构件1的空间6中，第一气体的流动路径形成在电化学电池11和金属支撑构件1之间，第一气体流入该空间中，气体流动路线如图1至图3所示。

根据本实施例，可渗透和导电材料10包含在第一气体的流动路径中，使得金属支撑构件1被传导至电化学电池11的第一电极12；可渗透和导电材料10不是必须的，在不提供可渗透和导电材料10的情况下，例如，电化学电池11的第一电极12直接与金属支撑构件1接触以进行电连接，在这种情况下，可以在电化学电池11的第一电极12或金属支撑构件1的空间6上形成用于流动第一气体的凹槽，此外，电化学电池11的第一电极12和金属支撑构件1可以彼此电连接。

可渗透和导电材料10包括镍等金属以及镍基合金、不锈钢等铁基合金、亚铬酸镧等导电陶瓷；此外，可渗透和导电材料10的形状包括毡、多孔烧结体、网眼等。

如图9所示，在金属支撑构件1的端面设置密封构件8；此时，密封构件8包围电化学电池11的全周；如图9和图10所示，互连器9被设置并定位在密封构件8上以形成组件30，密封构件8被制成绝缘以将互连器9、金属支撑构件1和第一电极12电绝缘，在互连器9内部的流路31中包含渗透性和导电材料使得第二电极14和互连器9彼此电连接。

图11是表示金属歧管构件20的正视图，图11是表示金属歧管构件20的俯视图，图12是表示金属歧管构件20的侧视图；用于第二气体的气体供应孔25和气体排出孔26设于金属歧管构件20的侧面处，供应管部27从气体供应孔25延伸，并且预定数量的气体供应孔23是从供给管部27向上延伸，排出管部28从气体排出孔26延伸，并且从排出管部28向上形成预定数量的气体排出孔24。

在金属歧管构件20上固定图7和图10所示的装置如图13所示，组件30为图1和图5所示的部件，尽管固定方法没有特别限定，但是由于金属支撑构件1和金属歧管构件20由金属制成，因此可以采用适当的机械固定方法；如图14所示，相邻的金属支撑构件1和互连器9通过集电构件35彼此电连接，相邻的电化学电池11通过串联方式彼此电连接。

例如，假设使用SOFC作为电池，氧化气体在支撑构件之间的空间中流动并且燃料气体分别流入金属支撑构件和电化学电池之间的流动路径中；在这种情况下，如图1至图3所示，电子(在固体电解质层中作为氧离子携带)流过第一电极12(阴极)和固态电解质膜13，然后电子流过第二电极14(阳极)、可渗透导电材料和金属支撑构件1，然后通过集电构件35流入第一电极12和相邻组件的互连器9。

根据本实施例，电化学电池11由金属支撑构件1支撑，并且气体流动路径形成在金属支撑构件1和电化学电池11之间；气体供给孔23和气体排放孔24设于金属歧管构件20中，使得气体供给孔23和气体排放孔24与气体流动路径连通；因此，可以执行向金属歧管构件20中的气体供应和从金属歧管构件20的气体排放；并且，每个电化学电池11的电极由金属支撑构件1支撑并且金属支撑构件1装配到金属歧管构件20，因此可以堆叠多个金属支撑构件和电化学电池，可以避免在每个电化学电池11上的过度负载和电池的破裂，能够将多个电化学电池11堆叠在一起；同时，在相邻的电化学电池11和金属支撑构件1之间形成第一气体的流动路径，金属歧管构件20和金属支撑构件1相互连接以提供金属歧管结构，用于将气体供应到电化学电池11和金属支撑构件1之间，从第一气体的流动路径排出气体，从而可以简化气密结构。

如上所述，根据本实用新型，可以防止由整个电池的层叠引起的应力的不平衡和局部集中，并且通过防止电池的破裂来提供具有优异可靠性的堆叠。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种铝钛复合电化学装置，其特征在于，包括电化学电池，所述电化学电池包括接触第一气体的第一电极、固态电解质膜和接触第二气体的第二电极；用于支撑所述电化学电池以形成用于所述第一气体的流动路径的金属支撑构件，所述金属支撑构件为铝钛金属基复合材料；以及用于支撑所述金属支撑构件的金属歧管构件，所述金属歧管构件包括在所述金属歧管构件内形成的气体供给孔和气体排放孔，所述气体供给孔和所述气体排放孔均与所述第一气体的所述流动路径连通。

2.根据权利要求1所述的一种铝钛复合电化学装置，其特征在于，所述金属支撑构件为多个，多个所述金属支撑构件由所述金属歧管构件支撑。

3.根据权利要求2所述的一种铝钛复合电化学装置，其特征在于，所述电化学装置还包括在多个所述金属支撑构件之间形成的用于所述第二气体的流动路径。

4.根据权利要求3所述的一种铝钛复合电化学装置，其特征在于，所述电化学装置还包括设置在多个所述金属支撑构件之间的互连器，所述互连器和所述电化学电池之间形成用于所述第二气体的流动路径。

5.根据权利要求2所述的一种铝钛复合电化学装置，其特征在于，所述电化学装置还包括用于电连接相邻所述电化学电池的集电构件。

6.根据权利要求4所述的一种铝钛复合电化学装置，其特征在于，所述电化学装置还包括用于以气密方式密封所述互连器和所述金属支撑构件的密封构件。

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