固态氧化物燃料电池制造技术

一种固态氧化物燃料电池或固态氧化物电解电池，包括：a)多个阴极-阳极-电解质单元(5)，每个CAE单元(5)包括-用于氧化剂的第一电极(51)，-用于易燃气体的第二电极(53)，-以及在第一电极(51)和第二电极(53)之间的固态电解质(52)；以及b)CAE单元(5)之间的互连件(40)，互连件(40)包括：-限定氧化剂流的氧化剂流方向(40c)的氧化剂入口侧(40a)和氧化剂出口侧(40b)，-第一气体分布元件(10)，包括用于易燃气体的气体分布结构(11)，其中第一气体分布元件(10)与CAE单元(5)的第二电极(53)接触，以及-第二气体分布元件(4)，包括用于氧化剂的通道(20)，通道(20)将氧化剂入口侧(40a)与氧化剂出口侧(40b)连接，其中，用于氧化剂的通道(20)与相邻CAE单元(5)的第一电极(51)接触，以及-用于氧化剂流的至少一个旁路通道(35)，在氧化剂流方向(40a)上延伸并且被配置为使得旁路通道(35)不与第一电极(51)接触。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及固态氧化物燃料电池。
技术介绍
燃料电池通过化学反应生成电力的装置。在各种燃料电池中，固态氧化物燃料电池(SOFC)使用硬的金属(例如钙或锆)氧化物的陶瓷化合物作为电解质。通常，在固态氧化物燃料电池中，诸如O2的氧化剂在阴极处被还原为氧离子(O2-)，并且诸如H2气体的易燃气体在阳极处被氧离子氧化以形成水。SOFC燃料电池包括燃料电池单元的堆。SOFC燃料电池单元由两个主要部件组成：阴极-阳极-电解质单元，也称为CAE单元；以及互连件，其在一些情况下具有盒子的形式。互连件用于将一个燃料电池单元的CAE单元电连接至另一燃料电池单元的CAE单元，以使得每个CAE单元生成的电力可以组合。这种互连件在平面高温燃料电池(SOFC)中具有电连接CAE单元以及将易燃气体和氧化剂传输至CAE单元的相应电极的功能。因为互连件在大约500℃直到1100℃的极高温下被暴露至CAE单元的氧化侧和还原侧，互连件是固态氧化物燃料电池的关键问题之一。为此，陶瓷作为互连材料长期以来比金属更成功。然而，陶瓷互连材料与金属相比，非常昂贵。尽管金属互连件相对容易制造和处理，但它们一般在操作期间在互连件-阳极/阴极界面处部分由于诸如Cr2O3的金属氧化物的形成而遭受高功率劣化率。基于镍和钢铁的合金随着低温(600–800℃)SOFC的发展而变得更有前途。US 7 632 586 B2公开了用于易燃气体和氧化剂的互连件。平面CAE单元一个叠一个的放置，互连层形成为在相邻CAE单元之间配置的平面金属板。用于燃料和氧化剂的各个通道在阳极和阴极层中形成。由于SOFC燃料电池堆的非常高的操作温度，CAE单元的热膨胀和热机械行为的影响和用于向CAE单元供给反应物并引导反应物从其离开的互连结构需要被考虑。特别地，气体分布结构可能经历一定的蠕变，其影响燃料电池中流的分布。此外，电极和界面在达到过度的温度时趋于退化。此外，污染物在固态氧化物燃料电池的操作期间被释放。因此，需要开发一种用于固态氧化物燃料电池的改进的互连件，其解决上述问题中的一个或多个，以使得实现更可靠和高效的固态氧化物燃料电池。与燃料电池堆有关的问题是空气电极被在氧化剂中传输的污染物污染。针对固态氧化物燃料电池和电解槽，这些污染物已知大部分源于密封部件，特别地在堆中的那些，并源于放置在燃料电池的上游的诸如热交换器、管道、阀、密封材料等的其他部件(Cr、Si、S、B、碱金属等)，它们通过空气流被传输至燃料电池。此外，一些污染物可以直接源于周围空气(诸如，Si、S、碱)。
技术实现思路
由此，本专利技术的目标是避免氧气-电极被通过诸如空气的氧化剂传输的污染物污染。根据本专利技术的解决方案是权利要求1的主题。从属权利要求2-23进一步涉及本专利技术的有利结构或实施例。该问题特别地通过固态氧化物燃料电池或固态氧化物电解电池来解决，包括：a)多个阴极-阳极-电解质单元，每个CAE单元包括-用于氧化剂的第一电极，-用于易燃气体的第二电极，-以及在第一电极和第二电极之间的固态电解质，以及b)CAE单元之间的互连件，互连件包括：-限定氧化剂流的氧化剂流方向的氧化剂入口侧和氧化剂出口侧，-第一气体分布元件，包括用于易燃气体的气体分布结构，其中第一气体分布元件与CAE单元的第二电极接触，以及-第二气体分布元件，包括用于氧化剂的通道，通道将氧化剂入口侧与氧化剂出口侧连接，其中，用于氧化剂的通道与相邻CAE单元的第一电极接触，以及-用于氧化剂流的至少一个旁路通道，在氧化剂流方向上延伸并且被配置为使得旁路通道不与第一电极接触。包含氧气的反应物流体，特别是空气，在燃料电池中一方面用于电化学反应，并且另一方面用于冷却和加热目的。因此，反应物流体的一部分不必须在氧气接收电极上流动。用于燃料电池或电解装置的气体流分割元件包括设置有用于流体流的图案的第二气体分布元件和阴极-阳极-电解质单元。阴极-阳极-电解质单元由第一电极、第二电极和夹在第一电极和第二电极之间的电解质组成。第二气体分布元件以与第一电极的接触关系配置，其中反应物流体通道通过用于流体流的图案形成，用于利用第一电极接触反应物流体。第二气体分布元件包括分离元件以形成气体分布结构，用于将反应物流体分割成接触第一电极的反应物流体的第一部分和不接触第一电极的反应物流体的第二部分。在本申请中如果用表达“或”来连接两个替代物，将理解为两个替代物的组合以及仅一个替代物的存在。如果其不特别指燃料电池，则特征可以应用至燃料电池或电解装置。如果气体流分割元件在燃料电池中操作，则第一电极是阴极，第二电极是阳极，反应物流体流被引导至阴极。在气体流分割元件在电解装置中操作的情况下，第一电极是阳极并且第二电极是阴极。对于燃料电池或电解装置，可以使用多个反应物流体，至少第一反应物流体和第二反应物流体。第一反应物流体是可以在燃料电池操作模式中在放热反应中与O2反应的流体，或者可以在电解模式中在形成O2的同时在吸热反应中被分解的流体。其通常是H2、N2、H2O、CO、CO2、氨气、CH4和任何其他烃气的任何混合物。根据作为燃料电池或电解装置的操作以及燃料电池的类型，气体混合物是变化的。第二反应物流体是包含O2的气体，优选地空气。在电解装置的情况下，注意，不必须需要该包含O2的气体的外部供给。这种气体流分割元件最有利地应用于SOFC。其他燃料电池和SOFC之间的重要差异是操作温度，其通常在500-950℃的范围内，优选地，650-850℃。在该温度下，空气电极对在空气中找到的挥发性化合物高度敏感。常见的挥发性污染物是在存在氧气和水(气态)(针对第二种)的情况下在金属部件的表面处生成的CrO3或CrO2(OH)2。在位于堆的上游的诸如管道或交换器的部件中生成的这些挥发性化合物通过空气流传输并且与空气电极接触。在与其接触时，这些挥发性化合物可以与其构成化合物(诸如氧化锶)进行化学反应，或者在电化学活性部位处电化学地沉积在电极中。结果是电极的失效，导致随时间的劣化性能。其他污染物质可以在供给空气中找到，其由于环境污染或灰尘产生。电极的通常的污染物是包含硫、硅和碱的挥发性化合物。这些挥发性化合物中任一者可以导致同一电极的劣化，特别是Si(OH)4，其已知可能在与包含Si的密封材料接触时生成。这种密封材料还可以生成包含碱的挥发性物质本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种固态氧化物燃料电池或固态氧化物电解电池，包括：a)多个阴极‑阳极‑电解质单元(5)，每个CAE单元(5)包括‑用于氧化剂的第一电极(51)，‑用于易燃气体的第二电极(53)，‑以及在所述第一电极(51)和所述第二电极(52)之间的固态电解质(52)，以及b)所述CAE单元(5)之间的互连件(40)，所述互连件(40)包括：‑限定氧化剂流的氧化剂流方向(40c)的氧化剂入口侧(40a)和氧化剂出口侧(40b)，‑第一气体分布元件(10)，包括用于所述易燃气体的气体分布结构(11)，其中所述第一气体分布元件(10)与所述CAE单元(5)的第二电极(53)接触，以及‑第二气体分布元件(4)，包括用于所述氧化剂的通道(20)，所述通道(20)将所述氧化剂入口侧(40a)与所述氧化剂出口侧(40b)连接，其中，用于所述氧化剂的通道(20)与相邻CAE单元(5)的第一电极(51)接触，以及‑用于所述氧化剂流的至少一个旁路通道(35)，在氧化剂流方向(40a)上延伸并且被配置为使得所述旁路通道(35)不与所述第一电极(51)接触。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.06.11 EP 12171566.81.一种固态氧化物燃料电池或固态氧化物电解电池，包括：
a)多个阴极-阳极-电解质单元(5)，每个CAE单元(5)包括
-用于氧化剂的第一电极(51)，
-用于易燃气体的第二电极(53)，
-以及在所述第一电极(51)和所述第二电极(52)之间的固态电解
质(52)，以及
b)所述CAE单元(5)之间的互连件(40)，所述互连件(40)包括：
-限定氧化剂流的氧化剂流方向(40c)的氧化剂入口侧(40a)和氧
化剂出口侧(40b)，
-第一气体分布元件(10)，包括用于所述易燃气体的气体分布结构
(11)，其中所述第一气体分布元件(10)与所述CAE单元(5)
的第二电极(53)接触，以及
-第二气体分布元件(4)，包括用于所述氧化剂的通道(20)，所述
通道(20)将所述氧化剂入口侧(40a)与所述氧化剂出口侧(40b)
连接，其中，用于所述氧化剂的通道(20)与相邻CAE单元(5)
的第一电极(51)接触，以及
-用于所述氧化剂流的至少一个旁路通道(35)，在氧化剂流方向
(40a)上延伸并且被配置为使得所述旁路通道(35)不与所述第
一电极(51)接触。
2.根据权利要求1所述的固态氧化物燃料电池，其中，所述第二气
体分布元件(4)包括形成所述旁路通道(35)的分离元件(32)，用于将
所述氧化剂流分割成接触所述第一电极(51)的氧化剂流的第一部分和不
接触所述第一电极(51)的氧化剂流的第二部分。
3.根据前述权利要求中任一项所述的固态氧化物燃料电池，包括横
向密封件(31)，其配置在所述CAE单元(5)的两侧并在所述氧化剂流
方向(40c)上延伸，其中所述旁路通道(35)沿着所述横向密封件(31)
延伸。
4.根据权利要求3所述的固态氧化物燃料电池，其中，所述横向密
封件(31)是所述旁路通道(35)的外侧壁。
5.根据权利要求3或4所述的固态氧化物燃料电池，其中，附加旁

\t路通道(35a)在所述横向密封件(31)内延伸。
6.根据权利要求3或4所述的固态氧化物燃料电池，其中，所述附
加旁路通道(35a)在所述横向密封件(31)与相邻第一气体分布元件(10)
的至少一个之间的界面处延伸。
7.根据权利要求3或4所述的固态氧化物燃料电池，其中，不流体
接触所述第一电极(51)的附加旁路通道(35a)在所述氧化剂流方向(40c)
上延伸，并且通过所述第二气体分布元件(4)与所述横向密封件(31)
和/或相邻第一气体分布元件(10)中之一的任意组合来限定。
8.根据权利要求3-7所述的固态氧化物燃料电池，其中，所述附加旁
路通道(35g)沿着所述横向密封件(31)但在所述横向密封件(31)外
侧延伸。
9.根据权利要求6所述的固态氧化物燃料电池，其中，所述旁路通
道(35)和所述附加旁路通道(35,35g)中至少之一以流体传导方式连接。
10.根据前述权利要求中任一项所述的固态氧化物燃料电池，所述固
态氧化物燃料电池包括集流部密封件，并且所述旁路通道(35,35...

【专利技术属性】
技术研发人员：Z·维勒明，
申请(专利权)人：HT切拉米克斯有限公司，
类型：发明
国别省市：瑞士;CH