热管理改进的高温或燃料电池式电化学系统技术方案

本发明专利技术涉及一种包括在纵轴(X)上具有交替的陶瓷电池(2)和互连体(4)的堆叠体并且还包括并入堆叠体中的热管理元件的电化学系统，所述热管理元件包括具有结构化横向表面的板(6)，通过该结构化横向表面朝向堆叠体外部以辐射方式进行热传递。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】【专利摘要】本专利技术涉及一种包括在纵轴(X)上具有交替的陶瓷电池(2)和互连体(4)的堆叠体并且还包括并入堆叠体中的热管理元件的电化学系统，所述热管理元件包括具有结构化横向表面的板(6)，通过该结构化横向表面朝向堆叠体外部以辐射方式进行热传递。【专利说明】热管理改进的高温或燃料电池式电化学系统
本专利技术涉及在高温下操作的热管理改进的电解器和燃料电池堆叠体。
技术介绍
高温电解器通常被称为SOEC (固体氧化物电解池)。它们实现从电能和热能到化学能的电化学转化。术语共电解是指蒸汽和二氧化碳的混合物(H20/C02)被供入电解器的操作。蒸汽转变成作为能量载体的氢气，而二氧化碳被转变成作为能量载体的一氧化碳。根据需求，这些H2/C0可燃气体可随后例如通过S0FC(固体氧化物燃料电池)堆叠体而转化成热，并转化成电。SOEC电解器和SOFC燃料电池堆叠体代表相同电化学系统的相反操作。应注意的是，这些系统具有较高的电效率。此外，在SOFC模式中可获得与燃料性质有关的很大灵活性。例如，该堆叠体可以直接供应天然气。在这种情况下，在该系统的电池内直接将甲烷重整为氢气。所讨论的SOEC电解器和SOFC燃料电池堆叠体由很多发生电化学反应的扁平陶瓷电池的堆叠体和通常插入在每对陶瓷电池之间的金属互连板形成。电池在其各面上具有构成电极(阳极或阴极)的陶瓷层，其中，给定电池的两个电极被用作电解质的陶瓷膜绝缘并隔开。互连板分配气体并收集电池的两个电极中的每一个电极中的电流。在堆叠体中，互连板被构造在两侧上，从而实现用于彼此面向安置的两个相邻电池的相反电极的收集和分配的功能。一个电池与两个围绕它的互连板之间的组件形成了所定义的基本单元。具体地，基本单元含有阴极室(还原化学物类的位置)和阳极室(氧化反应的位置)，它们是两个密封且电绝缘的空间。通过气体以及堆叠体的边缘与绝缘护套之间的热交换进行部分热传递。那么，应理解的是，尽可能厚的基本单元能够增加交换表面，并且促进系统的热管理。然而，为了增加电化学转换器的密实度并限制成本，互连板通常由尽可能薄的压缩板制成。因此，找到强制小体积的密实度约束和需要大面积的热交换之间的折中似乎很重要。对于稳态操作，通过改变传送至阴极的空气的流动速率而部分进行SOFC堆叠体的热管理。此外，由于使甲烷转化成氢气的化学反应的吸热性趋于平衡氢气的电化学氧化所引起的热量释放，内部重整促进堆叠体的热控制。然而，在负载瞬变期间或在系统接通/关闭时的阶段中，出现温度梯度并且可能对堆叠体造成机械损伤。至于SOEC的热管理，已表明，取决于操作电压，操作反向电池保护所释放的热量可以小于、等于或大于蒸汽电解所吸收的热量。在高蒸汽转化率的情况中，电解器的温度可以非常迅速地改变到对于系统的长期操作不可接受的水平。事实上，以放热模式操作时所产生的氢气含有极少的热量。因此，电解器所放出的氢气流不能够排空大量的热量。还应提到的是，在吸热操作的情况中，证明了难以为了最佳操作而向堆叠体提供热量。
技术实现思路
因此，本专利技术的一个目的是提供一种电化学系统，诸如热管理改进的高温电解器或燃料电池，无论是稳态控制还是瞬态操作期间，该电化学系统对该系统的热管理提供了很大灵活性。通过将具有以相比互连体明显更大的辐射的方式进行热传递的表面的板插入到由陶瓷电池和互连体形成基本单元的堆叠体中以提供堆叠体和例如热化护套之间的辐射表面来实现上文所述的目的。这种明显更大的辐射表面通过辐射板或各板的横向表面的结构化来得到。这些板优选周期性地分布在堆叠体中。它们可以以(在提供电池的气体供应的方式进行生产的情况中)作为某些互连体的替代品的方式或者以邻近互连体的方式进行安置。术语“结构化”应理解为是指在板的表面上产生浮雕(relief)，以增大它们的热交换表面，因而，该浮雕例如是形成翼片的凸缘形式。此外，本申请中的术语“热传递”应理解为是指热量从堆叠体传递到外部，但在吸热操作模式中，热量从堆叠体的外部传递到堆叠体中。由于辐射流与T4成正比，根据本专利技术，以辐射流的方式进行的热交换越大，温度越高。因此，这种热传递方式在环境温度下是低的，并且在SOEC型或SOFC型的电解器的操作温度下变成主导。它特别适合于SOEC型的电解器和SOFC堆叠体。在特别有利的实施方式中，辐射板包括从堆叠体突出的横向脊；因而，除了横向表面之外，与堆叠体的轴垂直的脊表面可以被结构化。这些板优选比互连体厚，从而提供了甚至更大的辐射横向交换表面。然后，该堆叠体被分成由板围绕并隔开的电池子单元，上述板有效地引起辐射方式的传递。这些板用于以辐射作用进行的传递。在本领域的现有技术中的电解器和电池堆叠体中，在互连体的边缘处发生了辐射方式的传递，而且这些边缘非常薄。这些板对堆叠体的热管理特别有效，由于辐射方式的热传递是热传递的主要方法，且在电解器和燃料电池的电池堆叠体中是最有效的方法。此外，它们特别适用于例如在可逆性、瞬态操作、输入气体的可变性等方面要求更大灵活性的系统的热管理。因而，本专利技术的一个主题是一种包括在纵轴上具有交替的陶瓷电池和互连体的堆叠体并且还包括并入所述堆叠体中的热管理元件的电化学系统，其特征在于，所述热管理元件包括至少一个板，所述板安置在所述堆叠体中，具有至少一个横向边缘，被称为“辐射板”，所述横向边缘具有通过辐射与所述堆叠体外部发生热交换的表面，所述表面被至少部分结构化。福射板有利地比互连体厚,所述互连体可以为0.1mm?15mm厚,且至少一个福射板为5_?50mm厚。在特别有利的示例性实施方式中，辐射板相比电池和互连体具有更大的横截面，使得它具有从堆叠体突出的外周脊，所述脊具有其表面被至少部分结构化的横向边缘。所述脊具有两个纵面，两个纵面的至少一个纵面被部分结构化。所述横向边缘的表面和/或至少一个纵面有利地覆盖有辐射率接近I的材料，例如 Pr2NiO4+δ ο电化学系统可以包括遍及所述堆叠体分布的若干辐射板。辐射板优选周期性地分布在堆叠体中，例如每隔4?12个基本单元分布在堆叠体中，其中，基本单元由陶瓷电池和两个互连体形成。根据有利特征，周期性地分布在堆叠体中的辐射板代替位于被其隔开的基本单元的组件的端部处的互连体。电化学系统可以包括对陶瓷电池供给电解气体的回路。辐射板可以还包括以对流方式进行热传递的元件。以对流方式进行热传递的元件可以由在辐射板内制成并且大致在板的平面内延伸的通道形成，流体在通道内流动。流体可以是与电化学系统的电解反应中使用的流体不同的流体，或者是电化学系统的至少一种电解反应中使用的电解气体，其中，所述系统包括使所述通道连接到电解气体供给回路的元件。根据本专利技术的电化学系统可以是通过重整天然气进行操作的燃料电池，其中，通道覆盖有蒸汽重整催化剂，其中，所述流体是天然气。辐射板也可以包括以传导方式进行热传递的元件。辐射板也可以包括在系统所需的操作温度下发生相变的材料。相变材料被放置在例如空腔中。相变材料可以是固相线温度接近800°C且液相线温度接近850°C的共晶材料。或者，相变材料可以是熔融盐，例如NaCl。在有利的实施例中，至少两个辐射板具有能够使位于所述两个辐射板之间的电池电绝缘的电连接件。根据本专利技术的电化学系统可以是高温电解器，例如用于产生氢气的高温电解器。根据本本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电化学系统，所述电化学系统包括在纵轴(X)上具有交替的陶瓷电池(2)和互连体(4)的堆叠体，并且还包括并入所述堆叠体中的热管理元件，其特征在于，所述热管理元件包括至少一个板(6，106，206，306)，所述板被称为“辐射板”，安置在所述堆叠体中，具有至少一个横向边缘，所述横向边缘具有通过辐射与所述堆叠体外部发生热交换的表面，所述表面被至少部分结构化。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：热罗姆·劳伦辛，杰拉德·蒂列特，马嘉利·瑞提尔，
申请(专利权)人：原子能和替代能源委员会，
类型：发明
国别省市：法国;FR