燃料电池堆构造制造技术

本发明专利技术涉及一种改进的燃料电池堆组件构造。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种改进的燃料电池堆组件构造。专利技术的背景本领域技术人员已经熟知燃料电池、燃料电池堆、燃料电池堆组件和热交换系统、排列和方法的教导，特别是包括WO02/35628，WO03/07582，WI2004/089848，WO2005/078843，WO2006/079800，WO2006/106334，WO2007/085863，WO2007/110587，WO2008/001119，WO2008/003976，WO2008/015461，WO2008/053213，WO2008/104760，WO2008/132493，WO2009/090419，WO2010/020797，WO2010/061190和WO2015/004419。在此引用的所有这些出版物的和它们的参考文献通过引用整体并入本文中。必要时，本文所使用的术语的定义可见于上述出版物。特别是，本专利技术的目的是改进在WO2007/085863和WO2008/104760中公开的系统和方法。燃料电池的温度变化，启动和关闭在设计固体氧化物燃料电池(solidoxidefuelcell，SOFC)堆时，会遇到机械、电子和热设计方面的很大挑战，特别是中温固体氧化物燃料电池(intermediatetemperaturesolidoxidefuelcell，IT-SOFC)堆，其需要以有效的、满足启动、动态工作和关闭的方式工作。所有SOFC堆的一个特征是，它们的工作性能受所工作所在温度的影响，因此SOFC受所工作所处环境温度的影响很大。这主要是因为温度是一个决定SOFC发生电化学反应的速率的重要因素，进而会影响输出电压，电流和效率。在平面SOFC堆构造中，通常电池堆沿从所述堆的一端(例如从基板端)向另一端(例如到端板端)的堆叠方向布置。在这种构造中，燃料电池或位于某一端的燃料电池堆重复层的工作性能受SOFC堆端头温度的影响。对于SOFC，工作温度与周围的温度不同是普便的。在燃料电池堆中，燃料电池的平面构造意味着燃料电池的工作温度受当前层和相邻层的影响。在典型的启动过程中作为热槽的以及在典型的关闭过程中作为热源的基板和端板具有相对较大的热量，与燃料电池的工作过程中相比，热动态更慢。因此，相邻燃料电池的工作温度也会相应的降低或增加。当燃料电池堆在启动后开始工作时，对于燃料电池堆在高于相邻组件的温度下工作是普遍的，因此端板和基板可以作为散热片，降低燃料电池堆端部电池的工作温度。这样可以降低燃料电池堆端部的几个燃料电池层的温度。因此，在燃料电池堆中心的燃料电池的工作环境温度与燃料电池堆端部的燃料电池的温度不同是可能的。这种“端部效应”会导致与那些不在所述堆端部的燃料电池相比，所述堆端部的燃料电池的电化学工作性能出现下降(尤其是电压的下降)。这反过来会降低所述堆的总效率。燃料电池堆不同部分的燃料电池的温度变化(例如(a)在顶部和底部，(b)在中部)，也会使控制所述堆的温度变的困难，这是由于它会导致在燃料电池堆中单个燃料电池的温度差别很大。因此，优化温度以得到最好的总效率变的困难。在金属支撑的SOFC设计中，其中金属层是电流和热能高效导体，这种端部效应是相当大的。因此，举个例子，在IT-SOFC中，在中心电池和两端电池的工作温度会出现80℃的变化。例如，由100层组成的金属支撑的IT-SOFC堆，且中心电池处在一个稳定工作点，中心电池和端部电池温度的不同会导致中心电池和端部电池工作电压的差值超过150mV(在下面的实验中，高达345mV)。燃料电池堆中单个燃料电池间温度的差异也会导致燃料电池堆电压和功率输出的问题的同时，还会遇到“热滞后”形式的问题，其中燃料电池堆元件(例如基板和端板)热量(即，热容量)导致热滞后，并因此在与燃料电池组件相邻的燃料电池和在燃料电池堆内部(例如中心)的燃料电池间的性能出现滞后。这种热滞后会抑制快速启动(和关闭，以及工作动态变化)，因此是非期望的，尤其是在例如需要频繁功率循环的国内集中供热/CHP系统中。类似的问题在辅助电源单元和应急备用发电机中也会遇到，其中快速启动是非常期望的，由于其可以降低替代电能供给(例如电池)的需求，并因此降低相关的系统成本。在US2003/0211379中，认识到燃料电池堆中存在热滞后的问题，并进行了论述，该专利建议提供轻质燃料电池堆的压力板和集电板，还有固定在集电器和压力板之间的热绝缘体。WO2013/164573也指出燃料电池中存在的热滞后问题，并教导使用高功率加热器，以使燃料电池堆中初始电池和终止电池能一致地工作而没有过度的热滞后。附加这种加热器需要额外的部件，额外的措施和控制，增加的成本，以及由额外的加热器功率消耗导致的系统效率的降低。因此，非常期望具有允许在堆高度上更均匀的电池工作温度的堆设计，这允许在堆上具有更均匀的电池性能，不依赖于电池位置(例如，从堆的一端到另一端，例如，从堆的基板到堆的端板)，并因此降低了电池位置和电池性能的耦合(例如，之间的关系)，特别是在堆的启动和关闭中。通过降低堆中单个燃料电池间的温度差异，并因此减小输出电压和/或功率水平的变化，通过随着堆的升温、动态工作和冷却过程中，使在整个堆上能实现更快的热平衡而不会显著地影响性能(尤其是稳定状态的性能)或成本，允许更快的燃料电池堆的启动和关闭是可能的。其它出版物包括JPS62241267，JPH0722049，CA2428959，US2004265667，US2009148746，US2006110649，US2010233564，US2009004532，JP2007213882，JP2007250338，JP2008130350，JP2008226713，EP2426772，DE102007061061，JP2010073448，CN102468512，KR20130075992，EP2775557，JPH10228918和US2003/215693。EP2426772公开了一种燃料电池堆构造，其在堆的一端具有单个虚设层86，意欲(第[0012]段)吸收负载，并减少对其它燃料电池堆层的电解质电极组件的损坏，并改善堆的活性层与相邻的改善层16间的热绝缘。穿过虚设层的燃料流动受阻，并且功率从端板88a，88b提取(图8)。很明显，虚设层包括虚设电解质电极组件。电流以表面对表面金属接触的方式，流向和流经虚设电解质电极组件。在产品的使用寿命中，相关的金属表面遭受明显氧化和/或腐蚀，从而使它们之间的电阻会显著或大幅度增加。因此，在产品的使用寿命中，会经历整个虚设层电阻的明显增加，这会导致效率和输出功率的下降。本专利技术旨在改进现有技术，和/或解决、克服或减轻现有技术的至少一个缺陷。
技术实现思路
根据本专利技术提供了一种中温固体氧化物燃料电池(SOFC)堆组件，包括：(i)基板；(ii)安装在所述基板上的至少一个中温固体氧化物燃料电池堆；(iii)端板；和(iv)适于在所述基板和所述端板之间的所述至少一个燃料电池堆上施加压力的夹紧装置，每个燃料电池堆具有第一端和第二端，每个燃料电池堆布置在所述基板和所述端板之间，并且包括至少一个电化学活性燃料电池堆重复层和以下的至少一种：(a)本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种中温固体氧化物燃料电池堆组件，包括：(i)基板；(ii)安装在所述衬底上的至少一个中温固体氧化物燃料电池堆；(iii)端板；和(iv)适于在所述基板和所述端板之间在所述至少一个燃料电池堆上施加压力的夹紧装置，每个燃料电池堆具有第一端和第二端，每个燃料电池堆布置在所述基板和所述端板之间，并包括至少一个电化学活性燃料电池堆重复层和以下的至少一个：(a)位于所述基板和所述至少一个电化学活性燃料电池堆重复层之间的至少一个电化学惰性燃料电池堆重复层；(b)位于所述端板和所述至少一个所述电化学活性燃料电池堆重复层之间的至少一个电化学惰性燃料电池堆重复层；每个电化学活性燃料电池堆重复层包括金属衬底，安装在所述金属衬底上的阳极层、电解质层和阴极层，以及金属互连板，位于所述金属衬底和所述金属互连板之间的金属间隔件，并限定从氧化剂入口到氧化剂排出口的氧化剂流动路径和从燃料入口到燃料排出口的燃料流动路径，每个电化学惰性燃料电池堆重复层适于使自身不能执行电化学功能，并包括金属衬底和金属互连板，位于所述金属衬底和所述金属互连板之间的金属间隔件，且限定从氧化剂入口到氧化剂排出口之间的氧化剂流动路径。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.03.12 GB 1404373.1;2014.04.11 GB 1406586.61.一种中温固体氧化物燃料电池堆组件，包括：(i)基板；(ii)安装在所述衬底上的至少一个中温固体氧化物燃料电池堆；(iii)端板；和(iv)适于在所述基板和所述端板之间在所述至少一个燃料电池堆上施加压力的夹紧装置，每个燃料电池堆具有第一端和第二端，每个燃料电池堆布置在所述基板和所述端板之间，并包括至少一个电化学活性燃料电池堆重复层和以下的至少一个：(a)位于所述基板和所述至少一个电化学活性燃料电池堆重复层之间的至少一个电化学惰性燃料电池堆重复层；(b)位于所述端板和所述至少一个所述电化学活性燃料电池堆重复层之间的至少一个电化学惰性燃料电池堆重复层；每个电化学活性燃料电池堆重复层包括金属衬底，安装在所述金属衬底上的阳极层、电解质层和阴极层，以及金属互连板，位于所述金属衬底和所述金属互连板之间的金属间隔件，并限定从氧化剂入口到氧化剂排出口的氧化剂流动路径和从燃料入口到燃料排出口的燃料流动路径，每个电化学惰性燃料电池堆重复层适于使自身不能执行电化学功能，并包括金属衬底和金属互连板，位于所述金属衬底和所述金属互连板之间的金属间隔件，且限定从氧化剂入口到氧化剂排出口之间的氧化剂流动路径。2.根据权利要求1所述的中温固体氧化物燃料电池堆组件，其中每个燃料电池堆包括至少一个电化学活性燃料电池堆重复层和以下二者：(a)位于所述基板和所述至少一个电化学活性燃料电池堆重复层之间的至少一个电化学惰性燃料电池堆重复层；和(b)位于所述端板和所述至少一个电化学活性燃料电池堆重复层之间的至少一个电化学惰性燃料电池堆重复层。3.根据权利要求2所述的中温固体氧化物燃料电池堆组件，其中每个燃料电池堆包括沿从所述基板到所述端板方向布置的：(A)第一至少一个电化学惰性燃料电池堆重复层；(B)所述至少一个电化学活性燃料电池堆重复层；和(C)第二至少一个电化学惰性燃料电池堆重复层。4.根据以上权利要求之一所述的中温固体氧化物燃料电池堆组件，其中所述金属衬底是由板或箔形成的。5.根据权利要求4所述的中温固体氧化物燃料电池堆组件，其中至少一个电化学惰性燃料电池堆重复层包括配置为阻止燃料从所述燃料入口流到所述燃料排出口的金属间隔件。6.根据以上权利要求之一所述的中温固体氧化物燃料电池堆组件，其中至少一个燃料电池堆重复层有相邻的燃料电池堆重复层，所述至少一个燃料电池堆重复层还包括在它和所述相...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗伯特·利亚，亚当·博恩，利·里斯，
申请(专利权)人：塞瑞斯知识产权有限公司，
类型：发明
国别省市：英国;GB