用于soc單元的氣體入口的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于固體氧化物電池(S0C)單元、特別是固體氧化物燃料電池(S0FC)單元或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單元的氣體入口。
【背景技術(shù)】
[0002]固體氧化物燃料電池(S0FC)包括能夠傳導(dǎo)氧離子的固體電解質(zhì)、在其位置處氧被還原為氧離子的陰極以及在其位置處氫被氧化的陽(yáng)極。在S0FC中總的反應(yīng)是氫和氧電化學(xué)反應(yīng)以產(chǎn)生電、熱和水。為了產(chǎn)生所需氫氣，該陽(yáng)極通常具有催化活性以用于烴類，尤其是天然氣的蒸汽重組，由此產(chǎn)生氫氣、二氧化碳和一氧化碳?？梢酝ㄟ^(guò)下列反應(yīng)式來(lái)描述天然氣的主要成分甲烷的蒸汽重組:
[0003]CH4+H20 — C0+3H2
[0004]CH4+C02— 2C0+2H 2
[0005]C0+H20 — C02+H2
[0006]在操作期間將諸如空氣的氧化劑供應(yīng)給陰極區(qū)域中的固體氧化物燃料電池。將諸如氫的燃料供應(yīng)到燃料電池的陽(yáng)極區(qū)域中。替代地，將諸如甲烷的烴類燃料供應(yīng)至陽(yáng)極區(qū)域中，在陽(yáng)極區(qū)域中通過(guò)上述反應(yīng)轉(zhuǎn)化為氫氣和碳氧化物。氫氣穿過(guò)多孔陽(yáng)極并在陽(yáng)極/-電解質(zhì)界面處與在陰極側(cè)上產(chǎn)生的已擴(kuò)散穿過(guò)該電解質(zhì)的氧離子反應(yīng)。隨著來(lái)自電池的外部電路的電子的輸入，在陰極側(cè)產(chǎn)生氧離子。
[0007]為了增加電壓，組裝幾個(gè)電池單元以形成堆并且通過(guò)相互連接連接在一起。相互連接作為氣體屏障以分離相鄰電池單元的陽(yáng)極(燃料)和陰極(空氣/氧)側(cè)，并且在同時(shí)，它們使得電流能夠在相鄰電池之間傳導(dǎo)，即在一個(gè)電池的電子過(guò)剩的陽(yáng)極與鄰近電池的需要電子用于還原過(guò)程的陰極之間傳導(dǎo)。此外，相互連接通常提供有多個(gè)流動(dòng)通路(flowpath)，該流動(dòng)通路用于在該相互連接的一側(cè)上的燃料氣體以及在相對(duì)側(cè)上的氧化氣體通過(guò)。為了優(yōu)化S0FC堆的性能，應(yīng)當(dāng)最大化正值的范圍而在應(yīng)當(dāng)被最小化的相關(guān)負(fù)值的另一范圍上沒(méi)有不可接受的結(jié)果。這些值中的一些如下:
[0008]待被最大化的值待被最小化的值
[0009]-燃料利用率-價(jià)格
[0010]-電效率-尺寸
[0011]-壽命_(溫度，達(dá)到某一點(diǎn))
[0012]-生產(chǎn)時(shí)間
[0013]_不良率
[0014]-部件的數(shù)量
[0015]-附加損耗(加熱、冷卻、鼓風(fēng)機(jī)......)
[0016]上面所列的幾乎所有值都是相互關(guān)連的，這意味著改變一個(gè)值將會(huì)影響其它值。這里會(huì)提及上述值與該燃料電池中的氣流的特征之間的一些關(guān)系:
[0017]燃料利用率:
[0018]應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)成在該相互連接的燃料側(cè)上的流動(dòng)通路以針對(duì)堆中的每個(gè)電池尋找相等數(shù)量的燃料，即不應(yīng)當(dāng)有穿過(guò)該堆的燃料側(cè)的流的“捷徑(short-cuts) ”。
[0019]附加損耗:
[0020]在該S0FC堆及其燃料電池單元中工藝氣體流動(dòng)通路的設(shè)計(jì)應(yīng)尋求至少在相互連接的空氣側(cè)以及潛在地燃料側(cè)上實(shí)現(xiàn)每一流量的低壓力損耗，這將減少到達(dá)鼓風(fēng)機(jī)的附加損耗。
[0021]電效率:
[0022]該相互連接引導(dǎo)相鄰電池的陽(yáng)極和陰極層之間的電流。因此，為了降低內(nèi)部電阻，應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)該相互連接的導(dǎo)電接觸點(diǎn)(下文僅稱作“接觸點(diǎn)”)以建立至電極(陽(yáng)極和陰極)的良好電接觸，并且該接觸點(diǎn)不應(yīng)在各處相距太遠(yuǎn)，這會(huì)迫使電流通過(guò)電極的較長(zhǎng)距離從而導(dǎo)致較高的內(nèi)部電阻。
[0023]壽命:
[0024]與相互連接、幾個(gè)部件甚至尤其是材料上的保護(hù)涂層等等有關(guān)，取決于在該相互連接的燃料和空氣側(cè)兩者上的均勻流動(dòng)分布。
[0025]價(jià)格:
[0026]通過(guò)不使用昂貴材料、減少相互連接的生產(chǎn)時(shí)間以及最小化材料損耗可以減少相互連接價(jià)格的貢獻(xiàn)。
[0027]尺寸:
[0028]當(dāng)該相互連接設(shè)計(jì)確?；钚噪姵貐^(qū)域的高利用率時(shí)，降低了燃料堆的總尺寸。應(yīng)當(dāng)減小具有低燃料或氣流的死區(qū)(dead-areas)并且應(yīng)當(dāng)最小化用于密封表面的非活性區(qū)域。
[0029]溫度:
[0030]該溫度應(yīng)當(dāng)是足夠高的以確保該電池中的催化反應(yīng)，還要足夠低以避免該電池部件的加速退化。因此該相互連接應(yīng)當(dāng)貢獻(xiàn)一均勻的溫度分布，該溫度分布給予高的平均溫度而不超過(guò)最大溫度。
[0031]生產(chǎn)時(shí)間:
[0032]應(yīng)當(dāng)最小化相互連接其自身的生產(chǎn)時(shí)間并且該相互連接的設(shè)計(jì)還應(yīng)當(dāng)有助于整個(gè)堆的快速組裝。通常，由于存在生產(chǎn)時(shí)間上的增加，因此對(duì)于每個(gè)部件來(lái)說(shuō)，該相互連接的設(shè)計(jì)呈現(xiàn)不必要性。
[0033]不良率:
[0034]該相互連接的生產(chǎn)方法和材料應(yīng)當(dāng)允許低的相互連接不良率(例如相互連接氣體屏障中的不希望的孔洞、不均勻的材料厚度或特性)。此外，當(dāng)該相互連接設(shè)計(jì)降低被組裝的部件的總數(shù)量并降低密封表面的長(zhǎng)度時(shí)，可以降低組裝的電池堆的不良率。
[0035]部件的數(shù)量:
[0036]除了如已提及的最小化錯(cuò)誤和組裝時(shí)間之外，部件數(shù)量的減少也會(huì)引起價(jià)格的降低。
[0037]該陽(yáng)極和陰極氣流在S0FC堆中分布的方式是借由具有用于兩種工藝氣體的每一種的共同歧管而實(shí)現(xiàn)的。該歧管可以是內(nèi)部的或者外部的。該歧管通過(guò)到每層的通道的手段向該SOFC堆中的單個(gè)層供應(yīng)工藝氣體。該通道通常位于重復(fù)元件的一層中，該重復(fù)元件包含在該S0FC堆，即墊片(spacer)中或相互連接中。
[0038]墊片或相互連接通常具有一個(gè)入口通道，該通道是被壓印(stamp)、切割或刻蝕的一直穿過(guò)材料。對(duì)于僅具有一個(gè)入口通道的原因在于該墊片必須是一體部件。因?yàn)榭煽氐某叽缃o予可控的壓力下降，因此該解決方案允許廉價(jià)并可控的制造該墊片或相互連接通道。
[0039]允許用于多通道的制造工藝氣體通道的另一種方式是通過(guò)刻蝕、沖壓、壓制或部分地穿過(guò)墊片或相互連接而制造通道的其它方式。這意味著該墊片可以是一體部件，但是部分地穿過(guò)材料而制造該通道的方法是不精確的，其在氣體通道中給予不確定且不可控的壓力下降。
[0040]如果將密封材料施加為橫跨那些僅部分地穿過(guò)墊片或相互連接的材料而形成的氣體通道，那么在該氣體通道中將會(huì)出現(xiàn)更多的不確定且不可控的壓力下降。當(dāng)然可以絲網(wǎng)印刷該密封材料以使得僅匹配期望的表面、或者膠合該密封材料并從氣體通道切離，其將會(huì)降低不確定的壓力下降的風(fēng)險(xiǎn)，但是這是昂貴且費(fèi)時(shí)的。
[0041]US6492053公開(kāi)了一種包括相互連接和墊片的燃料電池堆。該相互連接和該墊片都具有用于氧燃料的流動(dòng)的入口和出口歧管。該入口和出口歧管具有在其表面上的溝槽/通路以用于沿著該陽(yáng)極和陰極分配氧/燃料。然而，該相互連接和墊片的溝槽/通路彼此不對(duì)準(zhǔn)并且因此它們的幾何結(jié)構(gòu)無(wú)法結(jié)合起來(lái)以實(shí)現(xiàn)多個(gè)入口點(diǎn)。還有，由于該溝槽/通路在該相互連接和墊片二者的表面上，因而多入口點(diǎn)的形成是不可行的。
[0042]US2010297535公開(kāi)了一種具有流動(dòng)通道的燃料電池的雙極板。流動(dòng)板具有多通道以用于在該燃料電池的活性區(qū)域之間均勻地分配流體。該文獻(xiàn)未描述在其內(nèi)部的第二層及類似通道。
[0043]US2005016729公開(kāi)了一種陶瓷燃料電池，其被支撐于熱傳導(dǎo)相互連接板中，并且多個(gè)板形成稱為堆的導(dǎo)電加熱器。連接多個(gè)堆形成燃料電池棒。通過(guò)首尾相連地連接多個(gè)棒，形成燃料電池串。該串的長(zhǎng)度可以是一千英尺或更多，其尺寸確定成可以穿透地下資源層，例如石油層。預(yù)加熱器使該串達(dá)到超過(guò)700°C的操作溫度，并且然后該燃料電池通過(guò)供應(yīng)燃料電池燃料和氧化劑并向地球表面轉(zhuǎn)移廢氣的多個(gè)導(dǎo)管而保持那個(gè)溫度。在該串和該地球表面之間可以使用歧管以延續(xù)該多個(gè)導(dǎo)管并作為廢氣和氧化劑/燃料之間的熱交換器。
[0044]對(duì)于上述問(wèn)題，上述公知技術(shù)沒(méi)有提供簡(jiǎn)單、高效并且故障安全的解決方案。
[0045]因此，參考上述所列的考慮，需要耐用的、簡(jiǎn)單的、廉價(jià)的并且易于生產(chǎn)和操縱的多通道氣體入口解決方案的需要以提供用于S0FC單元的高效和失敗最小化的氣體入口。由于相應(yīng)的電池單元還可以用于固體氧化物電解作用，因此該氣體入口解決方案還可以用于S0EC單元，因此尋求一解決方案以用于S0C單元。
[0046]通過(guò)本發(fā)明實(shí)現(xiàn)這些以及其它目的，描述如下。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0047]一種燃料電池或電解電池堆包括位于每個(gè)電池中的重復(fù)元件。通過(guò)使用在電池堆中的重復(fù)元件的兩層以制造用于該電池的入口通道，制造具有多通道入口的簡(jiǎn)單的、連貫一致的部件是可能的。
[0048]本發(fā)明在兩層中具有不同的通道，該兩層以如下的方式重疊:將流從一個(gè)部件中的通道指引到其它部件中的一個(gè)或者有利地尤其是指引到多個(gè)通道，并且之后指引進(jìn)入該堆中的電池的活性區(qū)域中。根據(jù)這一原理，使多個(gè)通道進(jìn)入到具有易于操縱的連貫一致部件的電池堆中的每個(gè)重復(fù)元件中是可能的。
[0049]本發(fā)明的特征
[0050]1.固體氧化物電池堆，包括多個(gè)堆疊的電池單元，每個(gè)單元包括電池層和相互連接層，其中一個(gè)相互連接層將該電池堆中的一個(gè)電池單元與相鄰電池單元分離，其中在至少一個(gè)電池單元中的至少一個(gè)所述層具有至少一個(gè)主氣體入口開(kāi)口，并且其中在同一電池單元中的至少一個(gè)相鄰層具有至少一個(gè)次氣體入口開(kāi)口，其中所述主氣體入口開(kāi)口和所述次氣體入口開(kāi)口部分重疊，該重疊限定了公共的氣體入口區(qū)域，其中入口氣體從該主氣體入口開(kāi)口流向該次氣體入口開(kāi)口。
[0051]2.根據(jù)特征1的固體氧化物電池堆，其中包括至少一個(gè)主氣體入口開(kāi)口的層和包括至少一個(gè)次氣體入口開(kāi)口的層是連貫一致的。
[0052]3.根據(jù)前述任一特征的固體氧化物電池堆，其中包括至少一個(gè)次氣體入口開(kāi)口的層還包括形成至少一個(gè)氣體進(jìn)口流動(dòng)導(dǎo)引的至少一個(gè)突出。
[0053]4.根據(jù)特征3的固體氧化物電池堆，其中所述至少一個(gè)氣體進(jìn)口流動(dòng)導(dǎo)引至少部分地重疊于所述至少一個(gè)主氣體入口開(kāi)口的一部分并且由此形成至少一個(gè)多通道氣體入
□ο
[0054]5.根據(jù)前述任一特征的固體氧化物電池堆，其中在至少一個(gè)電池單元中的至少一個(gè)所述層具有至少一個(gè)主氣體出口開(kāi)口并且其中在同一電池單元中的至少一個(gè)相鄰層具有至少一個(gè)次氣體出口開(kāi)口，其中所述主氣體出口開(kāi)口和所述次氣體出口開(kāi)口部分重疊，該重疊限定了公共的氣體出口區(qū)域，其中出口氣體從該主氣體出口開(kāi)口流向該次氣體出口開(kāi)口。
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