具有帶整體的氣體分配管的薄端板的燃料電池堆的制作方法
【專利摘要】一種燃料電池堆，包括薄過程氣體連接端板，其具有與多個燃料電池和形成燃料電池堆的互連件的溫度膨脹系數(shù)基本上相同的溫度膨脹系數(shù)，薄過程氣體連接端板的長度和寬度匹配燃料電池和互連件的長度和寬度，并且過程氣體連接端板密封到電池堆和互連件使得過程氣體連接端板、電池和互連件形成一個整體單元，其中，過程氣體分配管固定地連接例如焊接或硬釬焊到過程氣體連接端板。
【專利說明】具有帶整體的氣體分配管的薄端板的燃料電池堆
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種具有至少一個過程氣體連接端板的燃料電池堆，其較薄并且具有的長度和寬度和熱膨脹系數(shù)匹配燃料電池堆的長度和寬度和熱膨脹系數(shù)并且其包括至少一個過程氣體分配管。
【背景技術(shù)】
[0002]在下文中，將圍繞固體氧化物燃料電池解釋本發(fā)明。但是，根據(jù)本發(fā)明的互連件也可用于其它類型的燃料電池，諸如聚合物電解質(zhì)燃料電池(PEM)或直接甲醇燃料電池(DMFC)。固體氧化物燃料電池(SOFC)包括能傳導(dǎo)陽離子的固體電解質(zhì)，將氧氣還原為陽離子的陰極以及氧化氫氣的陰極。在SOFC中的總反應(yīng)為氫氣和氧氣電化學(xué)反應(yīng)以產(chǎn)生電、熱和水。為了產(chǎn)生所需的氫氣，陽極通常具備用于烴特別是天然氣的蒸汽重整的催化活性，由此生成氫氣、二氧化碳和一氧化碳。作為天然氣的主要成分的甲烷的蒸汽重整可以通過以下方式描述:
CH4 + H2O — CO + 3H2 CH4 + CO2 — 2C0 + 2H2 CO + H2O — CO2 + H。
[0003]在操作期間，諸如空氣的氧化劑被供應(yīng)到固體氧化物燃料電池的陰極區(qū)域。諸如氫氣的燃料被供應(yīng)到燃料電池的陽極區(qū)域。可選地，諸如甲烷的烴燃料被供應(yīng)到陽極區(qū)域，在陽極區(qū)域中，烴燃料通過上述反應(yīng)轉(zhuǎn)化為氫氣和碳氧化物。氫氣通過多孔陽極并且在陽極/電解質(zhì)界面處與在陰極側(cè)上生成、已擴(kuò)散通過電解質(zhì)的氧離子起反應(yīng)。利用來自電池的外部電路的電子輸入，氧離子形成于陰極側(cè)。
[0004]為了提高電壓，組裝若干電池單元以形成堆并且通過互連件而連接在一起?；ミB件用作氣體屏障以隔開相鄰電池單元的陽極(燃料)側(cè)和陰極(空氣/氧氣)側(cè)，并且同時，互連件允許在相鄰電池，即在具有過剩電子的一個電池的陽極與需要用于還原過程的電子的相鄰電池的陰極之間的電流傳導(dǎo)。另外，互連件通常具備用于互連件的一側(cè)上的燃料氣體和在相反側(cè)上的氧化劑氣體流通的多個流動通路。
[0005]固體氧化物燃料電池(SOFC)堆因此為包括陶瓷燃料電池和金屬互連件和間隔件的夾層結(jié)構(gòu)。這些不同的材料在高溫下用玻璃密封件膠合在一起以形成剛性結(jié)構(gòu)。使用這種不同材料使得不能避免熱膨脹系數(shù)(TEC)的一些差異。在操作期間，堆可能經(jīng)受高達(dá)大約1000攝氏度的高溫，在堆中造成溫度梯度和因此造成堆的不同部件的不同熱膨脹。所造成的熱膨脹可導(dǎo)致在堆的不同層之間的電接觸減小。熱膨脹也可導(dǎo)致在不同層之間的氣體密封件中的裂縫和泄露，導(dǎo)致堆較差的功能和減小的功率輸出。
[0006]當(dāng)該堆從密封溫度或操作溫度冷卻時，TEC值的失配導(dǎo)致熱機(jī)械應(yīng)力和引起裂縫的能量。當(dāng)端板與堆分層時可釋放的潛在能量近似與端板厚度成比例并且與堆TEC和端板TEC之間的差的平方成比例。因此，TEC值和端板厚度的匹配對于電池堆的完整性而言都是重要的。在厚端板與堆端部一體的情況下，引起裂縫的能量會導(dǎo)致堆分層和完整性損失，除非該堆受到壓縮系統(tǒng)保護(hù)。
[0007]在PCT/EP201/001938中公開了這個問題的解決方案，其中試圖將端板的厚度和TEC值與電池堆匹配。但是，薄端板僅部分地解決了這個問題:如果具有不同TEC值的另外的部件施加到電池堆上，那么TEC的值的失配將成為問題，即使是對于薄端板而言。這是現(xiàn)有技術(shù)電池堆的情況，其中過程氣體到電池堆的連接利用厚金屬板進(jìn)行。因此，需要到燃料電池堆的過程氣體連接方案，其解決了過程氣體連接的TEC值不匹配電池堆的TEC值的問題。
[0008]EP0408104公開了過程氣體供應(yīng)裝置，其連接到薄分隔板。但是，分隔板在實(shí)際電池堆的區(qū)域外側(cè)延伸，因此需要很大的額外空間量，并且過度地增加了電池堆布置的總共尺寸(圖3)。另外EP0408104公開了一種從過程氣體供應(yīng)裝置到堆中的每個電池用來補(bǔ)償電極的收縮的彈簧加載的氣體通路，這是相當(dāng)昂貴的解決方案，因?yàn)殡姵囟寻ù罅侩姵亍?br> [0009]W002075893還公開了一種解決方案，其中過程氣體供應(yīng)裝置布置于電池堆的活性區(qū)外側(cè)并且氣體供應(yīng)裝置中的至少某些連接到相當(dāng)厚的板。
[0010]類似的解決方案可見于W02008023879中，其中過程氣體供應(yīng)裝置連接到相對較厚的端板。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明的目的在于提供一種燃料電池堆，其包括過程氣體連接方案，其最小化電池堆內(nèi)的引起裂縫的能量。
[0012]本發(fā)明的再一目的為提供一種燃料電池堆，其包括過程氣體連接方案，與已知的方案相比，這是緊湊的并且降低成本的。
[0013]本發(fā)明的再一目的在于提供一種過程氣體連接裝置，其有助于燃料電池堆的高電效率。
[0014]本發(fā)明的又一目的在于提供一種過程氣體連接裝置，其節(jié)省材料并且降低了燃料電池堆的熱質(zhì)量。
[0015]本發(fā)明的目的還在于減小過程氣體連接裝置和電池堆的尺寸、生產(chǎn)時間和故障率。
[0016]本發(fā)明的另一目的在于提供一種過程氣體連接裝置，其減小了燃料電池堆中的部件數(shù)量和密封件數(shù)量和表面積。
[0017]由本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的這些和其它目的如下文所描述。
[0018]因此，提供一種過程氣體連接端板，其特別用于固體氧化物燃料電池堆，但也可能用于其它燃料電池堆，諸如PEM和DMFC。在任何情況下，燃料電池堆包括多個堆疊的燃料電池，其中的每一個燃料電池至少包括陽極、電解質(zhì)和陰極。相鄰的燃料電池由互連件分開。該堆還包括至少一個過程氣體連接端板，其長度和寬度對應(yīng)于多個燃料電池的長度和寬度。應(yīng)了解包括(多個)過程氣體連接端板的燃料電池堆因此具有規(guī)則的基本上盒狀(例如，角部可被倒圓或倒角)的形式，這是節(jié)省空間的并且易于構(gòu)建到布置內(nèi)并且易于熱絕緣。
[0019]過程氣體連接端板的材料和厚度適于提供過程氣體連接端板的TEC值，其基本上匹配多個電池的溫度膨脹系數(shù)。應(yīng)了解“基本上”表示過程氣體連接端板的TEC值與多個燃料電池的TEC值不必是完全相同的數(shù)值，而是大約相同。過程氣體連接端板的TEC值與燃料電池的TEC值相等的程度可為若干因素的設(shè)計折衷，但重要的是應(yīng)了解過程氣體連接端板的厚度與已知技術(shù)的厚端板相差較遠(yuǎn)，已知技術(shù)厚端板可為8-10mm (或甚至更厚),其因此相對于燃料電池具有較大熱質(zhì)量和較大引起裂縫能量的可能性。
[0020]至少一個過程氣體連接端板和多個燃料電池由密封件連接到彼此使得它們在組裝后形成單個整體單元并且如之前所提到的那樣為規(guī)則的基本上盒狀單元，易于處置并且布置于系統(tǒng)或模塊中。但是，需要到燃料電池堆的一些連接件，并且因此盒狀特別具有某些附加的特征:
過程氣體連接端板包括至少一個過程氣體分配管，至少一個過程氣體分配管永久固定連接到所述過程氣體連接端板的第一面。應(yīng)了解管到過程氣體連接端板的固定連接表示過程氣體連接端板和至少一個過程氣體分配管形成整體單元。因此，在端板與至少一個過程氣體管之間無需任何密封件。由于密封件為可能的故障點(diǎn)，因此其為本發(fā)明的重要特征。
[0021]在所描述的本發(fā)明的一實(shí)施例中，具體地存在固定連接到過程氣體端板的兩個過程氣體分配管:第一過程氣體分配管、入口和第二過程氣體分配管、出口。這兩個過程氣體分配管可適于向多個堆疊的燃料電池分配陽極氣體或陰極氣體或從多個堆疊的燃料電池分配陽極氣體或陰極氣體。本發(fā)明的此實(shí)施例可適用于燃料電池堆，其具有內(nèi)部和外部過程氣體歧管裝置。即，所提到的兩個過程氣體分配管適于在燃料電池的內(nèi)歧管裝置側(cè)上提供過程氣體，而外歧管裝置向燃料電池的外歧管裝置側(cè)提供過程氣體。通過內(nèi)歧管裝置表示從氣體入口或出口向燃料電池堆中燃料電池中每一個或從燃料電池堆中燃料電池中每一個的過程氣體分配由在物理上位于和/或整體形成于基本上盒狀燃料電池堆內(nèi)的歧管提供，而外歧管裝置表示從氣體入口或出口到燃料電池堆中燃料電池中每一個或從燃料電池堆中燃料電池中每一個的過程氣體分配由在物理地位于基本上盒狀燃料電池堆外側(cè)鄰近處的歧管提供。
[0022]在本發(fā)明的再一實(shí)施例中，過程氣體連接端板僅具備一個過程氣體分配管，陽極氣體分配管和入口。并不存在用于陽極氣體的出口管。替代地當(dāng)從燃料電池排出氣體時，陽極氣體與陰極氣體混合，并且當(dāng)混合部分地反應(yīng)的陽極氣體與陰極氣體時，燃燒陽極氣體。
[0023]在本發(fā)明的再一實(shí)施例中，至少一個過程氣體分配管包括柔性構(gòu)件，其適于補(bǔ)償附連到管上的構(gòu)件相對于燃料電池堆的振動或移動。燃料電池堆并不生成振動，因?yàn)槠洳o移動的零件，但燃料電池堆的變化的溫度可生成移動。周圍的設(shè)備和環(huán)境因此也可成為振動和移動的原因。由于振動和移動可以造成燃料電池堆的泄露或損壞，所以重要的是彌補(bǔ)這些挑戰(zhàn)。柔性構(gòu)件可為已知技術(shù)中的任何類型，其具有所需的柔性以及能耐受過程環(huán)境的能力。例如，柔性構(gòu)件可為波紋管。
[0024]在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，過程氣體連接端板的第二面(與過程氣體連接端板的第一面相對)包括整體形成到過程氣體連接端板內(nèi)的流動通路。流動通路適于從第一過程氣體分配管、入口分配過程氣體，并且均勻地經(jīng)過多個燃料電池中的第一個的活性區(qū)，并且到達(dá)第二過程氣體分配管、出口。在本發(fā)明的此實(shí)施例中，過程氣體連接端板的流動通路可對應(yīng)于在燃料電池堆中互連件的流動通路。
[0025]在本發(fā)明的實(shí)施例中，過程氣體連接端板由金屬制成并且至少一個過程氣體分配管焊接到過程氣體連接端板上。金屬可為鉻鋼或鎳合金。此也可為被選擇用于燃料電池堆中互連件的金屬，由此過程氣體連接端板的TEC值可非常接近互連件的TEC值。[0026]在本發(fā)明的一實(shí)施例中，過程氣體連接端板的厚度在0.2mm至2.0mm的范圍內(nèi)，優(yōu)選地在0.4mm至1.2mm的范圍內(nèi)。此厚度可與互連件的厚度匹配。如之前所提到的那樣，過程氣體連接端板的長度和寬度與燃料電池的長度和寬度基本上相同。在本發(fā)明的實(shí)施例中，其可在40mm-300mm的范圍內(nèi)，并且優(yōu)選地在100mm-200mm的范圍內(nèi)。
[0027]因此，在與現(xiàn)有技術(shù)過程氣體連接裝置相比時，本發(fā)明的主要優(yōu)點(diǎn)在于:
-減輕了由于電池堆的不均勻和沒有柔性的熱膨脹造成的泄露和故障。
[0028]-降低了過程氣體連接裝置的材料成本，
-縮短了燃料電池堆的組裝時間。
[0029]-防止由于錯誤組裝造成的燃料電池故障。
[0030]-減少了部件數(shù)量。
[0031]-由于允許更高熱梯度而不損害電池或密封件的低質(zhì)量和柔性幾何形狀，因此縮短了啟動時間。
[0032]本發(fā)明的特征
1.一種燃料電池堆(100)，包括:多個堆疊的燃料電池(101)，每個電池至少包括陽極
(102)，電解質(zhì)(103)以及陰極(104)，并且相鄰的燃料電池各由互連件(105)分開，所述堆還包括至少一個過程氣體連接端板(106)，其長度和寬度對應(yīng)于所述多個電池的長度和寬度，所述過程氣體連接端板的材料和厚度適于提供具有基本上匹配所述多個電池的溫度膨脹系數(shù)的溫度膨脹系數(shù)的所述過程氣體連接端板；所述至少一個過程氣體連接端板和所述多個燃料電池利用密封件連接到彼此以形成單個整體單元，其中所述過程氣體連接端板包括至少一個過程氣體分配管(107)，所述至少一個過程氣體分配管(107)固定連接到過程氣體連接端板的第一面，由此過程氣體連接端板和所述至少一個過程氣體分配管形成整體單元并且在過程氣體連接端板與至少一個過程氣體分配管之間無需密封件。
[0033]2.根據(jù)特征I所述的燃料電池堆，其中，所述過程氣體連接端板具備兩個過程氣體分配管:第一過程氣體分配管、入口(108)和第二過程氣體分配管、出口(109)，用于向多個堆疊的燃料電池分配陽極氣體或陰極氣體或從多個堆疊的燃料電池分配陽極氣體或陰極氣體。
[0034]3.根據(jù)特征I所述的燃料電池堆，其中，所述過程氣體連接端板具備一個過程氣體分配管:陽極氣體分配管、入口(108)，并且其中陽極氣體從所述陽極氣體分配管、入口分配，均勻地經(jīng)過所述多個燃料電池的活性區(qū)，并且之后被排出，與陰極出口氣體混合并且燃燒。
[0035]4.根據(jù)前述特征中任一項(xiàng)所述的燃料電池堆，其中，所述至少一個過程氣體分配管包括適于補(bǔ)償振動和移動的柔性構(gòu)件(110)。
[0036]5.根據(jù)特征4所述的燃料電池堆，其中所述柔性構(gòu)件為波紋管。
[0037]6.根據(jù)前述特征中任一項(xiàng)所述的燃料電池堆，其中，所述過程氣體連接端板包括整體形成于與過程氣體連接端板的第一面相對的第二面中的過程氣體流動通路，所述過程氣體流動通路適于從第一過程氣體分配管、入口分配過程氣體，均勻地經(jīng)過所述多個燃料電池中的第一個的活性區(qū)，并且到達(dá)第二過程氣體分配管、出口。
[0038]7.根據(jù)前述特征中任一項(xiàng)所述的燃料電池堆，其中，所述過程氣體連接端板由金屬制成并且所述至少一個過程氣體分配管焊接或硬釬焊到過程氣體連接端板。[0039]8.根據(jù)特征7所述的燃料電池堆，其中，所述金屬為鉻鋼或鎳合金。
[0040]9.根據(jù)前述特征中任一項(xiàng)所述的燃料電池堆，其中，所述過程氣體連接端板的厚度在0.2mm至2.0mm的范圍內(nèi)，優(yōu)選地在0.4mm至1.2mm的范圍。
[0041]10.根據(jù)前述特征中任一項(xiàng)所述的燃料電池堆，其中，所述過程氣體連接端板和所述多個燃料電池的長度和寬度在40mm-300mm的范圍內(nèi)，優(yōu)選地在80mm-200mm的范圍內(nèi)。
[0042]11.根據(jù)前述特征中任一項(xiàng)所述的燃料電池堆，其中，所述多個燃料電池為固體氧化物燃料電池。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0043]本發(fā)明還由附圖示出，附圖示出了本發(fā)明的某些實(shí)施例的示例。
[0044]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例包括過程氣體連接端板的燃料電池堆的剖視側(cè)視圖。
[0045]位置編號概述:
100.燃料電池堆
101.燃料電池
102.陽極
103.電解質(zhì)
104.陰極
105.互連件
106.過程氣體連接端板
107.過程氣體分配管
108.第一過程氣體分配管、入口
109.第二過程氣體分配管、出口
110.柔性構(gòu)件。
【具體實(shí)施方式】
[0046]圖1示出了燃料電池堆100，其由一個堆疊在另一個頂部以形成整個堆的多個燃料電池101組成。
[0047]電池中每一個至少包括陽極102、電解質(zhì)103和陰極104。并且在堆中的每個燃料電池之間放置互連件105，互連件105用來分開陽極氣體與陽極氣體，互連件用于通過互連件的每個面上的流動通路(未圖示)使陽極氣體和陰極氣體均勻地流動經(jīng)過陽極區(qū)域和陰極區(qū)域并且它們用來從堆中的一個燃料電池向下一個燃料電池傳導(dǎo)電流。
[0048]根據(jù)本發(fā)明，燃料電池堆具備至少一個薄端板，過程氣體分配端板106。如在圖1中部分地看出，過程氣體分配端板的尺寸與燃料電池堆的尺寸和互連件的厚度匹配，作為本發(fā)明的此實(shí)施例的重要特點(diǎn)。
[0049]本發(fā)明的另一重要特點(diǎn)在于過程氣體分配端板具備至少一個過程氣體分配管107。利用這個管，過程氣體可被分配到燃料電池堆或從燃料電池堆分配。在根據(jù)圖1的實(shí)施例中，過程氣體分配端板具備兩個過程氣體分配管，第一過程氣體分配管、入口 108，其提供到堆的燃料電池的流動，和第二過程氣體分配管、出口 109，其提供從燃料電池的流動。[0050]為了補(bǔ)償連接的過程氣體設(shè)備相對于燃料電池堆的振動和移動，每個過程氣體分配管可具備柔性構(gòu)件110。
[0051]在根據(jù)圖2的另一實(shí)施例中，過程氣體分配端板具備一個過程氣體分配管，陽極氣體分配管、入口 108，其提供到該堆的燃料電池的陽極氣體流動。并不存在第二過程氣體分配管、出口。替代地，陽極氣體在其流過燃料電池的活性區(qū)后排出并且當(dāng)排出時，其與陰極出口氣體混合并且燃燒。
【權(quán)利要求】
1.一種燃料電池堆(100)，包括:多個堆疊的燃料電池(101)，每個電池至少包括陽極(102)，電解質(zhì)(103)以及陰極(104)，并且相鄰的燃料電池各由互連件(105)分開，所述堆還包括至少一個過程氣體連接端板(106)，至少一個過程氣體連接端板(106)具有的長度和寬度對應(yīng)于所述多個電池的長度和寬度，所述過程氣體連接端板的材料和厚度適于提供具有基本上匹配所述多個電池的溫度膨脹系數(shù)的溫度膨脹系數(shù)的所述過程氣體連接端板；所述至少一個過程氣體連接端板和所述多個燃料電池利用密封件連接到彼此以形成單個整體單元，其中所述過程氣體連接端板包括至少一個過程氣體分配管(107)，所述至少一個過程氣體分配管(107)固定連接到過程氣體連接端板的第一面，由此過程氣體連接端板和所述至少一個過程氣體分配管形成整體單元并且在過程氣體連接端板與至少一個過程氣體分配管之間無需密封件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池堆，其中，所述過程氣體連接端板具備兩個過程氣體分配管:第一過程氣體分配管、入口(108)和第二過程氣體分配管、出口(109)，用于向多個堆疊的燃料電池分配陽極氣體或陰極氣體或從多個堆疊的燃料電池分配陽極氣體或陰極氣體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池堆，其中，所述過程氣體連接端板具備一個過程氣體分配管:陽極氣體分配管、入口(108)，并且其中陽極氣體從所述陽極氣體分配管、入口分配，均勻地經(jīng)過所述多個燃料電池的活性區(qū)，并且之后被排出，與陰極出口氣體混合并且燃燒。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的燃料電池堆，其中，所述至少一個過程氣體分配管包括適于補(bǔ)償振動和移動的柔性構(gòu)件(110)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的燃料電池堆，其中，所述柔性構(gòu)件為波紋管。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的燃料電池堆，其中，所述過程氣體連接端板包括整體形成于與過程氣體連接端板的第一面相對的第二面中的過程氣體流動通路，所述過程氣體流動通路適于從第一過程氣體分配管、入口分配過程氣體，均勻地經(jīng)過所述多個燃料電池中的第一個的活性區(qū)，并且到達(dá)第二過程氣體分配管、出口。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的燃料電池堆，其中，所述過程氣體連接端板由金屬制成并且所述至少一個過程氣體分配管焊接或硬釬焊到過程氣體連接端板。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的燃料電池堆，其中，所述金屬為鉻鋼或鎳合金。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的燃料電池堆，其中，所述過程氣體連接端板的厚度在0.2mm至2.0mm的范圍內(nèi)，優(yōu)選地在0.4mm至1.2mm的范圍。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的燃料電池堆，其中，所述過程氣體連接端板和所述多個燃料電池的長度和寬度在40mm-300mm的范圍內(nèi)，優(yōu)選地在80mm-200mm的范圍內(nèi)。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的燃料電池堆，其中，所述多個燃料電池為固體氧化物燃料電池。
【文檔編號】H01M8/02GK103828106SQ201180073345
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2011年9月7日 優(yōu)先權(quán)日:2011年9月7日
【發(fā)明者】N.埃里克斯特魯普 申請人:托普索燃料電池股份有限公司