用于soec單元的氣體入口的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及用于固體氧化物電池（S0C)單元的氣體入口，特別是固體氧化物燃料 電池（S0FC)單元或者固體氧化物電解電池（S0EC)單元，特別是用于包含在S0C堆中的S0C 單元。
【背景技術(shù)】
[0002] 固體氧化物燃料電池（S0FC)包括能使氧離子傳導(dǎo)的固體電解質(zhì)，氧被還原為氧 離子的陰極以及氫被氧化的陽極。S0FC中的總反應(yīng)是氫和氧電化學(xué)地反應(yīng)以生成電、熱和 水。為了生成所需的氫，陽極通常具有催化活性以用于碳?xì)浠衔铮ㄌ貏e是天然氣）的蒸 汽轉(zhuǎn)化，由此產(chǎn)生氫、二氧化碳和一氧化碳。甲烷（天然氣的主要成分）的蒸汽轉(zhuǎn)化可以通 過以下方程式描述： CH4 + H20 - CO + 3H2 CH4 + C02 - 2C0 + 2H2 CO + H20 - C02 +h2 在操作過程期間，將氧化劑（諸如空氣）供給到陰極區(qū)域中的固體氧化物燃料電池。 將燃料（諸如氫）供給到燃料電池的陽極區(qū)域中。作為備選，在陽極區(qū)域中供給碳?xì)淙剂?(諸如甲烷），它在陽極區(qū)域通過上述反應(yīng)轉(zhuǎn)變成氫和碳氧化物。氫通過多孔陽極，并且在 陽極/_電解質(zhì)界面與已經(jīng)通過電解質(zhì)擴散的產(chǎn)生于陽極側(cè)上的氧離子反應(yīng)。利用來自電 池的外部電路的電子的輸入在陰極側(cè)中形成氧離子。
[0003] 為了增加電壓，將若干電池單元組裝以形成堆疊，并且通過互連件鏈接在一起?；?連件用作氣體屏障以分離相鄰電池單元的陽極（燃料）側(cè)和陰極（空氣/氧）側(cè)，并且同 時，它們?nèi)菰S相鄰電池之間的電流傳導(dǎo)，即，在一個電池的具有過剩電子的陽極以及鄰近電 池的需要電子的用于還原過程的陰極之間。此外，互連件通常設(shè)置有多個流路以用于互連 件的一側(cè)的燃料氣體和相反側(cè)的氧化劑氣體的通路。為了優(yōu)化S0FC堆的性能，應(yīng)當(dāng)使正值 的范圍最大化而在應(yīng)當(dāng)最小化的相關(guān)負(fù)值的另一范圍上無不可接受的后果。這些值中的一 些是：
幾乎所有上述列出的值是相互關(guān)聯(lián)的，這意味著改變一個值將影響其他值。燃料電池 中的氣流的特征和上述值之間的一些關(guān)系在這里提到： 燃料利用率： 互連件的燃料側(cè)上的流路應(yīng)當(dāng)被設(shè)計為尋求到堆中的每個電池相等量的燃料，即，應(yīng) 當(dāng)不存在穿過堆的燃料側(cè)的流-"短路"。
[0004] 附加損失： S0FC堆中的處理氣體流路的設(shè)計和其燃料電池單元應(yīng)當(dāng)尋求至少在空氣側(cè)上和潛在 地在互連件的燃料側(cè)上實現(xiàn)對于每流量的低壓力損失，這將降低到鼓風(fēng)機的附加損失。
[0005] 電效率： 互連件導(dǎo)致陽極和相鄰電池層的陰極之間的電流。因此，為了減小內(nèi)部電阻，互連件的 導(dǎo)電接觸點（以下僅稱為"接觸點"）應(yīng)被設(shè)計為建立到電極（陽極和陰極）的良好電接觸 并且該接觸點不應(yīng)當(dāng)相隔很遠(yuǎn)，接觸點相隔很遠(yuǎn)將迫使電流通過電極的較長距離，從而導(dǎo) 致較高的內(nèi)部電阻。
[0006] 使用期限： 關(guān)于互連件，取決于互連件的燃料和空氣側(cè)兩者上均勻的流分布、很少的構(gòu)件和材料 上均勻的保護涂層等等。
[0007] 價格： 互連件價格貢獻(xiàn)可通過不使用貴金屬材料、通過減少互連件的生產(chǎn)時間和盡可能減少 材料損耗而降低。
[0008] 尺寸： 當(dāng)互連件設(shè)計確保活性電池區(qū)域的高利用率時，減小燃料堆的總體尺寸。應(yīng)當(dāng)減少具 有低燃料或者空氣流的死區(qū)，并且應(yīng)當(dāng)盡可能減小用于密封表面的非活性區(qū)域。
[0009]溫度： 溫度應(yīng)當(dāng)足夠高以確保電池中的催化反應(yīng)，但足夠低以避免電池構(gòu)件的加速退化。互 連件因此應(yīng)該有助于在不超過最大溫度的情況下給出高的平均溫度的均勻溫度分布。
[0010] 生產(chǎn)時間? 互連件本身的生產(chǎn)時間應(yīng)盡可能減少且互連件設(shè)計也應(yīng)有助于整個堆的快速組裝。一 般而言，對于互連件設(shè)計并非必需的每個構(gòu)件而言，在生產(chǎn)時間上存在增益。
[0011] 失效率. 互連件生產(chǎn)方法和材料應(yīng)當(dāng)允許低的互連件失效率（諸如互連氣體屏障中的不希望 的孔、不均勻的材料厚度或者特征）。此外，當(dāng)互連件設(shè)計減少待組裝的構(gòu)件的總數(shù)并且減 小密封表面的長度時，可降低組裝電池堆的失效率。
[0012] 構(gòu)件數(shù)量. 除了如已經(jīng)提到的最小化錯誤和組裝時間，構(gòu)件數(shù)量的減少導(dǎo)致降低的價格。
[0013] 陽極和陰極氣流在S0FC堆中分布的方式是通過對于兩種過程氣體中的每種氣體 具有共同的歧管。歧管可以是內(nèi)部的或者是外部的。歧管借助于通向每個層的通道將過程 氣體供給到S0FC堆中的各個層。該通道通常位于被包括在S0FC堆中的重復(fù)元件的一個層 中，即，在間隔件中或互連件中。
[0014] 間隔件或互連件通常具有貫穿材料壓制、切割或者蝕刻的一個入口通道。僅僅具 有一個入口通道的原因在于，間隔件必須是整體構(gòu)件。該解決方案容許間隔件或者互連件 通道的廉價和可控制造，因為可控的尺寸給出可控的壓降。
[0015] 制造過程氣體通道（其容許多個通道）的另一種方式是通過蝕刻、壓印、沖壓或以 其它方式使通道部分地穿過間隔件或者連接件。這意味著該間隔件可以是整體構(gòu)件，但是 使通道部分地穿過材料的方法并不準(zhǔn)確，其引起氣體通道中不確定和不可控的壓降。
[0016] 如果跨過僅僅部分地穿過間隔件或者連接件的材料形成的氣體通道應(yīng)用密封材 料，則氣體通道中將出現(xiàn)更加不確定和不可控的壓降。當(dāng)然，密封材料可為絲網(wǎng)印刷的以匹 配僅所需的表面，或者膠合的且從氣體通道切去，這將降低不確定壓降的風(fēng)險，但這是昂貴 且耗時的。
[0017] US6492053公開了一種包括互連件和間隔件的燃料電池堆?；ミB件和間隔件兩者 均具有用于氧/燃料的流的入口歧管和出口歧管。入口歧管和出口歧管具有在其表面上的 用于沿陽極和陰極分布氧/燃料的凹槽/通路。然而，互連件和間隔件的凹槽/通路彼此 不對齊，并且因此它們的幾何形狀不能被組合以實現(xiàn)多個入口點。而且，由于凹槽/通路在 連接件和間隔件兩者的表面上，多個入口點的形成是不可行的。
[0018] US2010297535公開了具有流動通道的燃料電池的雙極板。流動板具有多個通道以 用于在燃料電池的活性區(qū)域之間均勻地分布流體。該文獻(xiàn)沒有描述第二層以及在其內(nèi)的類 似通道。
[0019] US2005016729公開了一種支撐在導(dǎo)熱互連板中的陶瓷燃料電池，并且多個板形成 名為堆疊的傳導(dǎo)加熱器。連接多個堆疊形成燃料電池的棒。通過將多個棒端對端地連接， 形成燃料電池串。串的長度可為一千英尺或更多，大小形成為穿透地下資源層，例如油。預(yù) 加熱器使串達(dá)到超過700°C的操作溫度，并且然后經(jīng)由多個進(jìn)給燃料電池燃料和氧化劑的 管道將燃料電池維持在此溫度，并且將排氣傳送到行星表面。歧管可在串與行星表面之間 使用以繼續(xù)該多個管道并且用作排氣和氧化劑/燃料之間的熱交換器。
[0020] 上述描述的已知技術(shù)都不提供對上述問題的簡單、高效和故障安全的解決方案。
[0021] 因此，參照上面列出的要考慮的事項，存在對于牢靠、簡單、廉價并且易于生產(chǎn)和 處理的多通道氣體入口解決方案的需要以提供用于S0FC單元的高效和最小化失效的氣 體入口。由于相應(yīng)的電池單元也可用于固體氧化物電解，該氣體入口解決方案還可被用于 S0EC單元，因此，尋求了用于S0C單元的解決方案。
[0022] 這些和其它目的通過如下所述的本發(fā)明實現(xiàn)。
[0023] 本發(fā)明的概要 燃料電池或者電解電池堆包括在每個電池中的重復(fù)元件。通過使用電池堆中的重復(fù)元 件的兩個層來產(chǎn)生用于電池的入口通道，有可能產(chǎn)生具有多通道入口的簡單的連貫構(gòu)件。
[0024] 本發(fā)明是在兩個層中具有不同的通道，它們以這樣的方式重疊，使得引導(dǎo)來自一 個構(gòu)件中的通道的流到其他構(gòu)件中的一個通道或者有利地尤其是多個通道，并且然后進(jìn)入 堆中的電池的活性區(qū)域。根據(jù)這個原理，有可能在電池堆中的每個重復(fù)元件中形成多通道， 其中具有容易處理的連貫構(gòu)件。
[0025] 本發(fā)明的特征 1.固體氧化物電解電池堆，其包括多個堆疊的電池單元，每個單元包括電池層和互連 件層，其中一個互連件層分隔所述電池堆中的一個電池單元與相鄰電池單元，其中，至少一 個電池單元中的所述層中的至少一個層具有至少一個第一氣體入口開口，并且其中，相同 電池單元中的至少一個相鄰層具有至少一個第二氣體入口開口，其中，所述第一氣體入口 開口和所述第二氣體入口開口部分地重疊，所述重疊限定其中入口氣體從所述第一氣體入 口開口流到所述第二氣體入口開口的共同的氣體入口區(qū)域。
[0026] 2.根據(jù)特征1所述的固體氧化物電解電池堆，其特征在于，包括所述至少一個第 一氣體入口開口的所述層與包括所述至少一個第二氣體入口開口的所述層是連貫的。
[0027] 3.根據(jù)前述特征中任一項所述的固體氧化物電解電池堆，其特征在于，包括所述 至少一個第二氣體入口開口的所述層還包括形成至少一個氣體入口流引導(dǎo)部的至少一個 突出物。
[0028] 4.根據(jù)特征3所述的固體氧化物電解電池堆，其特征在于，所述至少一個氣體入 口流引導(dǎo)部與所述至少一個第一氣體入口開口的一部分至少部分地重疊并且因此形成至 少一個多通道氣體入口。
[0029] 5.根據(jù)前述特征中任一項所述的固體氧化物電解電池堆，其特征在于，至少一個 電池單元中的所述層中的至少一個層具有至少一個第一氣體出口開口，并且其中，相同電 池單元中的至少一個相鄰層具有至少一個第二氣體出口開口，其中，所述第一氣體出口開 口和所述第二氣體出口開口部分地重疊，所述重疊限定其中出口氣體從所述第一氣體出口 開口流到所述第二氣體出口開口的共同的氣體出口區(qū)域。
[0030] 6.根據(jù)特征5所述的固體氧化物電解電池堆，其特征在于，包括所述至少一個第 二氣體出口開口的所述層還包括形成至少一個氣體出口流引導(dǎo)部的至少一個突出物。
[0031] 7.根據(jù)特征6所述的固體氧化物電解電池堆，其特征在于，所述至少一個氣體出 口流引導(dǎo)部與所述至少一個第一氣體出口開口的一部分至少部分地重疊并且因此形成至 少一個多通道氣體出口。
[0032] 8.根據(jù)前述特征中任一項所述的固體氧化物電解電池堆，其特征在于，所述單元 還包括至少一個間隔件層。
[0033] 9.根據(jù)前述特征中任一項所述的固體氧化物電解電池堆，其特征在于，所述至少 一個第一氣體入口開口或者所述至少一個第一氣體出口開口是切通的孔、切通的開口、凹 口或其組合。
[0034] 10.根據(jù)前述特征中任一項所述的固體氧化物電解電池