固態氧化物燃料電池的製作方法

2023-08-22 23:15:21

固態氧化物燃料電池的製作方法
【專利摘要】一種固態氧化物燃料電池或固態氧化物電解電池，包括：a)多個陰極-陽極-電解質單元(5)，每個CAE單元(5)包括-用於氧化劑的第一電極(51)，-用於易燃氣體的第二電極(53)，-以及在第一電極(51)和第二電極(53)之間的固態電解質(52)；以及b)CAE單元(5)之間的互連件(40)，互連件(40)包括：-限定氧化劑流的氧化劑流方向(40c)的氧化劑入口側(40a)和氧化劑出口側(40b)，-第一氣體分布元件(10)，包括用於易燃氣體的氣體分布結構(11)，其中第一氣體分布元件(10)與CAE單元(5)的第二電極(53)接觸，以及-第二氣體分布元件(4)，包括用於氧化劑的通道(20)，通道(20)將氧化劑入口側(40a)與氧化劑出口側(40b)連接，其中，用於氧化劑的通道(20)與相鄰CAE單元(5)的第一電極(51)接觸，以及-用於氧化劑流的至少一個旁路通道(35)，在氧化劑流方向(40a)上延伸並且被配置為使得旁路通道(35)不與第一電極(51)接觸。
【專利說明】固態氧化物燃料電池

【技術領域】
[0001]本發明涉及固態氧化物燃料電池。

【背景技術】
[0002]燃料電池通過化學反應生成電力的裝置。在各種燃料電池中，固態氧化物燃料電池(S0FC)使用硬的金屬(例如鈣或鋯)氧化物的陶瓷化合物作為電解質。通常，在固態氧化物燃料電池中，諸如02的氧化劑在陰極處被還原為氧離子(02_)，並且諸如H2氣體的易燃氣體在陽極處被氧離子氧化以形成水。
[0003]S0FC燃料電池包括燃料電池單元的堆。S0FC燃料電池單元由兩個主要部件組成:陰極-陽極-電解質單元，也稱為CAE單元；以及互連件，其在一些情況下具有盒子的形式。互連件用於將一個燃料電池單元的CAE單元電連接至另一燃料電池單元的CAE單元，以使得每個CAE單元生成的電力可以組合。這種互連件在平面高溫燃料電池(S0FC)中具有電連接CAE單元以及將易燃氣體和氧化劑傳輸至CAE單元的相應電極的功能。
[0004]因為互連件在大約500°C直到1100°C的極高溫下被暴露至CAE單元的氧化側和還原側，互連件是固態氧化物燃料電池的關鍵問題之一。為此，陶瓷作為互連材料長期以來比金屬更成功。然而，陶瓷互連材料與金屬相比，非常昂貴。儘管金屬互連件相對容易製造和處理，但它們一般在操作期間在互連件-陽極/陰極界面處部分由於諸如Cr203的金屬氧化物的形成而遭受高功率劣化率。基於鎳和鋼鐵的合金隨著低溫￠00 - 800°C )S0FC的發展而變得更有前途。
[0005]US 7 632 586 B2公開了用於易燃氣體和氧化劑的互連件。平面CAE單元一個疊一個的放置，互連層形成為在相鄰CAE單元之間配置的平面金屬板。用於燃料和氧化劑的各個通道在陽極和陰極層中形成。
[0006]由於S0FC燃料電池堆的非常高的操作溫度，CAE單元的熱膨脹和熱機械行為的影響和用於向CAE單元供給反應物並引導反應物從其離開的互連結構需要被考慮。特別地，氣體分布結構可能經歷一定的蠕變，其影響燃料電池中流的分布。此外，電極和界面在達到過度的溫度時趨於退化。此外，汙染物在固態氧化物燃料電池的操作期間被釋放。
[0007]因此，需要開發一種用於固態氧化物燃料電池的改進的互連件，其解決上述問題中的一個或多個，以使得實現更可靠和高效的固態氧化物燃料電池。
[0008]與燃料電池堆有關的問題是空氣電極被在氧化劑中傳輸的汙染物汙染。針對固態氧化物燃料電池和電解槽，這些汙染物已知大部分源於密封部件，特別地在堆中的那些，並源於放置在燃料電池的上遊的諸如熱交換器、管道、閥、密封材料等的其他部件(Cr、S1、S、B、鹼金屬等)，它們通過空氣流被傳輸至燃料電池。此外，一些汙染物可以直接源於周圍空氣(諸如，s1、sjjn。


【發明內容】

[0009]由此，本發明的目標是避免氧氣-電極被通過諸如空氣的氧化劑傳輸的汙染物汙染。
[0010]根據本發明的解決方案是權利要求1的主題。從屬權利要求2-23進一步涉及本發明的有利結構或實施例。
[0011]該問題特別地通過固態氧化物燃料電池或固態氧化物電解電池來解決，包括:
[0012]a)多個陰極-陽極-電解質單元，每個CAE單元包括
[0013]-用於氧化劑的第一電極，
[0014]-用於易燃氣體的第二電極，
[0015]-以及在第一電極和第二電極之間的固態電解質，以及
[0016]b) CAE單元之間的互連件，互連件包括:
[0017]-限定氧化劑流的氧化劑流方向的氧化劑入口側和氧化劑出口側，
[0018]-第一氣體分布元件，包括用於易燃氣體的氣體分布結構，其中第一氣體分布元件與CAE單元的第二電極接觸，以及
[0019]-第二氣體分布元件，包括用於氧化劑的通道，通道將氧化劑入口側與氧化劑出口偵璉接，其中，用於氧化劑的通道與相鄰CAE單元的第一電極接觸，以及
[0020]-用於氧化劑流的至少一個旁路通道，在氧化劑流方向上延伸並且被配置為使得旁路通道不與第一電極接觸。
[0021]包含氧氣的反應物流體，特別是空氣，在燃料電池中一方面用於電化學反應，並且另一方面用於冷卻和加熱目的。因此，反應物流體的一部分不必須在氧氣接收電極上流動。
[0022]用於燃料電池或電解裝置的氣體流分割元件包括設置有用於流體流的圖案的第二氣體分布元件和陰極-陽極-電解質單元。陰極-陽極-電解質單元由第一電極、第二電極和夾在第一電極和第二電極之間的電解質組成。第二氣體分布元件以與第一電極的接觸關係配置，其中反應物流體通道通過用於流體流的圖案形成，用於利用第一電極接觸反應物流體。第二氣體分布元件包括分離元件以形成氣體分布結構，用於將反應物流體分割成接觸第一電極的反應物流體的第一部分和不接觸第一電極的反應物流體的第二部分。在本申請中如果用表達「或」來連接兩個替代物，將理解為兩個替代物的組合以及僅一個替代物的存在。如果其不特別指燃料電池，則特徵可以應用至燃料電池或電解裝置。
[0023]如果氣體流分割元件在燃料電池中操作，則第一電極是陰極，第二電極是陽極，反應物流體流被引導至陰極。在氣體流分割元件在電解裝置中操作的情況下，第一電極是陽極並且第二電極是陰極。對於燃料電池或電解裝置，可以使用多個反應物流體，至少第一反應物流體和第二反應物流體。第一反應物流體是可以在燃料電池操作模式中在放熱反應中與02反應的流體，或者可以在電解模式中在形成02的同時在吸熱反應中被分解的流體。其通常是h2、n2、h2o、CO、co2、氨氣、ch4和任何其他烴氣的任何混合物。根據作為燃料電池或電解裝置的操作以及燃料電池的類型，氣體混合物是變化的。第二反應物流體是包含02的氣體，優選地空氣。在電解裝置的情況下，注意，不必須需要該包含02的氣體的外部供給。
[0024]這種氣體流分割元件最有利地應用於S0FC。其他燃料電池和S0FC之間的重要差異是操作溫度，其通常在500-950°C的範圍內，優選地，650-850°C。在該溫度下，空氣電極對在空氣中找到的揮發性化合物高度敏感。常見的揮發性汙染物是在存在氧氣和水(氣態)(針對第二種)的情況下在金屬部件的表面處生成的Cr03或Cr02(0H)2。在位於堆的上遊的諸如管道或交換器的部件中生成的這些揮發性化合物通過空氣流傳輸並且與空氣電極接觸。在與其接觸時，這些揮發性化合物可以與其構成化合物(諸如氧化鍶)進行化學反應，或者在電化學活性部位處電化學地沉積在電極中。結果是電極的失效，導致隨時間的劣化性能。
[0025]其他汙染物質可以在供給空氣中找到，其由於環境汙染或灰塵產生。電極的通常的汙染物是包含硫、矽和鹼的揮發性化合物。這些揮發性化合物中任一者可以導致同一電極的劣化，特別是Si(0H)4，其已知可能在與包含Si的密封材料接觸時生成。這種密封材料還可以生成包含鹼的揮發性物質，其也可能改變空氣電極。
[0026]這些密封材料在S0FC本身中使用，並構成汙染物的內部源。因此，感興趣的是，儘可能限制這些物質與空氣電極的接觸。為此，根據權利要求1的主題的氣體流分割元件有利地用在S0FC中。
[0027]與其他類型的燃料的一個重要的差異是與空氣汙染物的反應通過高操作溫度高度激活。
[0028]此外，在S0FC中，與其他燃料電池相反，空氣通常相對於所需反應氧氣過量使用，並且這用於冷卻目的。在諸如PEMFC的其他燃料電池類型中，水通常用作冷卻介質。
[0029]因此，本發明的限制空氣電極的汙染的目的通過將空氣流分離成反應空氣和冷卻空氣來實現。由此，降低了汙染物從空氣流至空氣電極的大量傳輸。空氣流的一部分在不接觸電極的情況下穿過堆。由此，電極的汙染率降低，並且提高了系統的壽命。
[0030]根據實施例，分離元件是使得氣體分布結構被配置為旁路流體通道的分離壁元件或使得氣體分布結構被配置為分離流體通道的分離元件。分離元件可以被配置為附接有用於分布冷卻流體的氣體分布結構的分離元件或者集成或附接有用於分布冷卻流體的氣體分布結構的基底層中之一。分離元件可以是至少分段連續的薄板元件或包含用於流的部分混合的開口的薄板元件中至少之一。
[0031]根據實施例，密封元件被設置用於相對於環境密封用於第二氣體分布元件的流體流的圖案。氣體分布結構有利地形成分割流體通道，其被配置在密封元件內或鄰近密封元件或在密封元件和用於反應物流體的第二部分的分離元件之間。特別地，密封元件是配置在第二氣體分布元件的周圍處的橫向密封元件。
[0032]根據實施例，基底層設置在第二氣體分布元件的與陰極-陽極-電解質單元相對的側面上。基底層可以包含形成冷卻流體通道的氣體分布結構。
[0033]根據可替換實施例，分離元件形成為波紋狀薄板。波紋狀薄板可以具有波形、曲折輪廓或梯形輪廓中之一。波紋狀薄板有利地由金屬材料製成。特別地，波紋狀薄板提供對密封元件的支撐。由此，附加旁路流體通道可以被提供。分離元件可以在該情況下具有氣體分布結構，其具有面向陰極-陽極-電解質單元以形成反應物流體通道的第一表面和面向基底層以形成分離流體通道的第二表面。
[0034]燃料電池或電解裝置包括根據前述實施例中任一個的氣體流分割元件並且可以進一步包括具有第一層和第二層的氣體分布元件，第一和第二層設置有形成用於流體流的圖案的氣體分布結構，第二層是均勻化元件，其具有第一孔或第二孔，其中，第一孔中至少一些具有長度和寬度，長度大於寬度並且長度在與流體流的主方向垂直的方向上延伸。有利地，基底層將氣體分布7Π件與第二氣體分布7Π件分離。氣體分布7Π件的各種有利實施例將在隨後描述。
[0035]燃料電池或電解裝置包括根據前述實施例中任一個的氣體流分割元件。
[0036]一種用於操作用於燃料電池或電解裝置的氣體流分割元件的方法，包括步驟:提供用於第一反應物流體沿著陰極-陽極-電解質單元的第一側流動的部件。第二反應物流體沿著陰極-陽極-電解質單元的第二側流動。第一或第二反應物流體在其任一側向陰極-陽極-電解質單元提供反應物、承載電荷的離子和電子，以使得承載電荷的離子可以穿過電解質以進行電化學反應，其中，第一或第二反應物流體中的僅一者流經第二氣體分布元件，其設置有用於流體流的圖案。反應物流體通道通過用於流體流的圖案形成以使得第一或第二反應物流體中之一接觸第一電極。第二氣體分布元件包括形成分割流體通道的分離元件，其中第一或第二反應物流體中僅一個被分割成接觸第一電極的反應物流體的第一部分和不接觸第一電極的反應物流體的第二部分。
[0037]由此，根據第一方面，期望一汙染流的旁路。汙染空氣流和汙染物的特定源的存在可以通過仿真或實驗來估計。特別地，之前研究特別地顯示，沿著氣體流放置的燃料集流部和密封材料是汙染物的主要來源，其不僅生成針對空氣電極的揮發性汙染物(S1、鹼、B、Ba等)，還在剩餘流生成的情況下生成來自相鄰金屬部件的增加的揮發性Cr。假設汙染物的主要可能來源是已知的，則旁路流體通道是期望的，其特別地是引導汙染空氣並避免汙染的反應物流體流到達並汙染空氣電極的通道。
[0038]氣體流分割元件可以特別地用於避免來自燃料集流部的密封件的汙染物和剩餘流在燃料電池的空氣電極上傳輸。因此，在密封件的下遊創建空氣旁路通道。根據特定優選實施例，反應物流體通道是燃料集流部，其優選地橫向於空氣流地放置在至少堆的空氣入口側處。通路通道在流的主方向上沿著氣體流分割元件放置在燃料集流部的下遊。
[0039]這些通道可以通過第二氣體分布元件或基底層(其可以特別地是雙極板)的適當成形來形成，通過用作旁路管道的另外專用成形的或中空部件形成，或優選地與第二氣體分布元件組合或一體化。
[0040]作為替代方式，空氣電極汙染的限制可以通過將空氣流分離成反應空氣和冷卻或加熱空氣，從而降低與電極接觸的有效空氣流來實現。第二主汙染源，由此的進入空氣，的影響通過以下來降低:將空氣流分離成在空氣電極上流動的用於電化學反應的一個流以及與電極足夠分離以允許燃料電池的適當冷卻和加熱的第二流。兩個流有利地在平行方向上流動並從同一集流部進給。
[0041]空氣流的分離通過使用由一個合適材料的薄層製成的分離層來完成，合適材料特別地可以是導電的，其創建用於電化學反應的來自空氣的冷卻或加熱空氣流的部分或全部分離。該分離層可以是全部連續或分段連續的。其可以是部分多孔的並且甚至呈現一些洞，從而允許特定位置的空氣的從一側至另一側的部分混合。
[0042]針對兩個流，由此接觸第一電極的反應物流體的第一部分和不接觸第一電極的反應物流體的第二部分，結構化流場被建立以諸如允許氣體的適當分布和電傳導，由此允許在空氣電極和例如基底層的基底層之間傳輸電流。兩個流場可以通過提供通道狀結構或諸如針或翅的任意三維結構來獲得。
[0043]一般地，當其被稱為旁路時，氣體的流沿著活性區域發生，同時在活性區域上完成分離以能夠靠近熱源冷卻。在作為燃料電池的操作中，活性區域是空氣電極。
[0044]用於燃料電池的空氣分布層元件由此還可以包括汙染物旁路通道、密封表面以及用於冷卻和反應目的的空氣流的分離件的組合，以限制空氣電極汙染。汙染物旁路功能通過形成一個通道或一系列通道獲得，其創建了遠離空氣電極的可控旁路流。作為優選選擇，旁路通道由成形的薄金屬板製成。此外，如果沿著元件的側部放置，其可以成形以允許組件與任何密封材料的組合的橫向密封，從而避免空氣從氣體流分割元件橫向洩漏。
[0045]根據優選實施例，所創建的用於將空氣提供至空氣電極的通道的一半用於電化學反應，以及通道的與基底層接觸的另一半僅用於冷卻和加熱目的。
[0046]用於燃料電池、特別地固態氧化物燃料電池(S0FC)或電解裝置的氣體分布元件能夠實現反應氣體在燃料電池的燃料電極上的適當分布以及與後者的適當電接觸。以下通道由此涉及燃料電池或電解裝置堆中的氣體分布元件及其構造。燃料電池通常被配置為由多個單元電池組成的燃料電池堆。由此，單元電池以模塊化方式組成燃料電池堆以實現應用所需的電壓和功率輸出水平。堆疊由此涉及經由導電互連件或雙極板串聯多個單元電池。
[0047]根據本發明，互連件或隔離板是氣體分布元件的一部分。由此，用於燃料電池(特別地固態氧化物燃料電池)或電解裝置的氣體分布元件包括第一層和第二層，第一和第二層設置有氣體分布結構，其形成用於第一反應物流體以及最終第二反應物流體的流體流的圖案。
[0048]第二層是均勻化元件，其具有第一孔或第二孔，其中，第一孔中至少一些具有長度和寬度，長度大於寬度並且長度在與流體流的主方向垂直的方向上延伸。由此，氣體分布結構特別地包括多個通道，其中第二層包含孔，其具有與流的主方向垂直延伸的長度。氣體分布結構由此有利地包括孔，其可以形成通道結構或通道系統的圖案。對於固態氧化物燃料電池或電解裝置，必要的是，反應氣體被均勻分布在燃料電極上，以最大化其效率並保證可靠的操作。實際上，這需要氣體分布層的通道或多孔結構呈現對氣體流的均勻阻力，由此呈現均等的壓力下降。針對通道系統，這通常需要非常精確的幾何形狀，涉及非常嚴格的製造公差並因此發生高成本。
[0049]特別地，第二孔具有長度和寬度，長度大於寬度並且寬度在與流體的主方向的垂直方向上延伸。第一或第二孔可以形成通道狀結構，其特別地矩形配置或傾斜至在第一層中配置的通道。這具有以下優點:在第一層的孔內流動的流體可以通過配置在第一層上的氣體分布結構引導至第二層的孔。第一和第二層的孔提供用於流體的通路，以及由此流體通路在氣體分布結構上或跨越氣體分布結構形成。當相應反應物流體在第一層的氣體分布結構上或跨越氣體分布結構流動時，其進入第一層的氣體分布結構之上的第二層的孔，及，其進入第一層的氣體分布結構之上的第二層的孔並被分布至第一層的在該氣體分布結構之後繼續的通道以及第一層的相鄰孔中，由於以下事實:第一孔預期具有長度和寬度並且它們的長度大於寬度，長度在與流體流的主方向的垂直方向上延伸。
[0050]第二層中的第一或第二孔可以特別地形成為洞，其具有矩形、正方形或圓形的橫截面。氣體分布形成用於第一層的流體流的圖案，其可以包括通道、斷續通道、三維結構中的至少之一，三維結構特別地是突出物，諸如針、格子結構或泡沫結構。這些氣體分布結構可以由固態或多孔金屬或導電陶瓷製造。有利地，期望由單一薄板或一對薄板組成的通道結構，其與第二層或均勻化層一起形成單元電池。
[0051 ] 單元電池的不同層之間的電接觸可通過機械接觸、焊接、釺焊或薄接觸層獲得。
[0052]第一或第二層中的每一個可以用作陰極或陽極。它們的功能可以根據用於燃料電池或電解裝置的電解質的性質或者氣體分布元件的操作而反轉。第一反應物富含氧氣，例如空氣。第二反應物包括元素h2、CO、C02、H20、氨氣或含碳氣體中至少之一。
[0053]可以提供第三層，其特別地用作用於氧電極的氣體分布層。
[0054]氣體分布層具有以下優點:均勻化元件允許校正存在於第一層的氣體分布結構中的幾何缺陷。因此，低成本生產處理可應用於第一和第二層，同時維持高質量的氣體分布。另外，堆可以以具有各種封裝的不同的構造生產。燃料電池系統或電解裝置可以根據需要適於各種用途。燃料電池堆的基底的整體長度和寬度尺寸被理解為在封裝下。
[0055]在實施例中，在瑞士聯邦理工學院(EPFL)的測試中在堆模塊上獲得基於燃料的較低加熱值的65%的電效率。堆以甲烷重整的蒸汽(蒸汽與碳的比率為2)為燃料，並且以250mff/cm2的功率密度在750°C下操作。
[0056]利用這種效率，使用S0FC技術的kW大小的單元的電力的分布式生成比使用可用的最好的燃氣輪機聯合循環(CCGT)的MW大小的電廠的集中式發電更高效。
[0057]陶瓷氣體擴散層置於固態氧化物燃料電池的任一側上，固態氧化物燃料電池轉而夾在兩個金屬互連之間，這降低了整個堆的成本，因為就材料而言使得其製造不那麼複雜並且更便宜來降低整個堆的成本。由此，單元用作用於向房屋供電的電能的替換源，其涉及至少0.5kff的堆和優選地2.5kff的堆。
[0058]根據實施例，在第一層的氣體分布結構上，至少部分地由至少條元件阻礙。條元件被認為是流經第一層的氣體分布結構的流體的阻礙。氣體分布結構可以是任意類型的屏障或節流元件，其迫使流體流從在流體流的主方向上行進偏離，或者創建對流體通道的水力直徑的局部限制。
[0059]第二層的第一或第二孔中的至少一些可以成形為穿孔，特別地洞。第一和第二層由此形成氣體分布元件，其由至少一個薄板金屬構成。該至少一個薄板金屬層形成面向穿孔層的通道結構。穿孔層的特殊性是呈現一系列細長洞，其基本垂直於燃料分布通道延伸並允許混合附近環境中沿著流方向的規則間隔的幾個通道的氣體。
[0060]有利地，穿孔的長度大於條元件的寬度。第一或第二反應物流體可以由此通過由條元件形成的障礙，因此，流從流的主方向偏離，從而允許穿過一個通道的流與穿過相鄰通道的流的混合。根據實施例，孔(特別地成形為穿孔)的一部分具有大於寬度的長度，並且長度或寬度在流體流的主方向上延伸。特別地，第一孔的寬度在流體流的主方向上延伸，或者第二孔的長度在流體流的主方向上延伸。配置在第一層上的氣體分布結構與第一孔和第二孔中至少之一流體接觸。
[0061]形成第三層的第二氣體分布元件可以提供用於第一或第二反應物流體之一至電極上的均勻分布。根據實施例，在第一和第二層中至少之一上設置用於相應反應物流體的多個入口。通過設置多個入口，可以獲得流體流的更均勻的分布。進一步的優點是熱量的更均勻的分布，由此允許利用由CAE單元提供的整個反應表面。
[0062]此外，形成用於流體流的圖案的氣體分布結構，特別地第一或第二孔中的至少一些可以通過衝壓或壓花來製造。根據可替換實施例，第二氣體分布元件與第一層形成單片。根據實施例，第一層包括包含穿孔的第一薄板以及形成基底層的第二薄板。第二氣體分布元件可以配置在第一層的基底元件的相反側上。
[0063]此外，本發明涉及燃料電池或電解裝置，其包括根據前述實施例中任一個的氣體分布元件。
[0064]S0FC的主要應用是以下領域:遠程供電、分布式發電、熱電聯產(CHP)、用於卡車、公共汽車和輪船的輔助供電裝置(APU)、可攜式能源以及高效的沼氣轉換。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0065]通過以下結合附圖的本發明的特定示例性實施例的描述，本發明的這些以及其他特徵和優點將更全面地明白和理解，其中，相同的數字表示相似的組合物。特別地在以下示出:
[0066]圖1是S0FC系統的示意圖。
[0067]圖2是第一氣體分布元件的等距視圖。
[0068]圖3是根據本發明第一實施例的單元電池的截面圖。
[0069]圖4是圖3的單元電池的分解視圖。
[0070]圖4A是第二氣體分布元件的放大視圖。
[0071]圖4B是第一氣體分布元件的另一實施例的分解視圖。
[0072]圖4C是第一氣體分布元件的另一實施例的分解視圖。
[0073]圖4D是第二層、均勻化層的另一實施例。
[0074]圖4E是第二層、均勻化層的另一實施例。
[0075]圖4F是包括第一和第二氣體分布元件的單元電池的另一實施例。
[0076]圖4G是第二氣體分布元件的截面。
[0077]圖4H是第二氣體分布元件的另一實施例。
[0078]圖5是氣體分布元件的兩個相鄰層的部分頂視圖。
[0079]圖6A是氣體分布元件的穿孔層的部分頂視圖。
[0080]圖6B是圖6A的沿線A-A的截面。
[0081]圖6C是圖6A的沿線B-B的截面。
[0082]圖6D是圖4的沒有支撐層的沿線C-C的理想氣體分布元件的放大截面。
[0083]圖6E是沒有均勻化層的氣體分布元件的截面。
[0084]圖6F是包括均勻化層的氣體分布元件的圖4的沿線C-C的放大截面。
[0085]圖6G是穿過氣體分布元件的易燃氣體的流的理想情況的示意圖。
[0086]圖6H是穿過氣體分布元件的易燃氣體的流的真實情況的示意圖。
[0087]圖61是穿過另一氣體分布元件的易燃氣體的流的真實情況的示意圖。
[0088]圖6K是沒有均勻化層的氣體分布元件的截面。
[0089]圖6L是如圖6K所示的類似氣體分布元件的截面，其中氣體分布元件包括均勻化層。
[0090]圖7A是示出穿過燃料電池單元的氣體分布層的易燃氣體的流的理想情況的示意圖。
[0091]圖7B是示出穿過燃料電池單元的易燃氣體的流的最佳設計的真實情況的示意圖。
[0092]圖7C是示出根據現有技術的穿過燃料電池單元的易燃氣體的流的情況的示意圖。
[0093]圖7D是具有根據圖7B所示的情況的流的燃料電池單元的堆上的視圖。
[0094]圖7E是具有根據圖7C所示的情況的流的燃料電池單元的堆上的視圖。
[0095]圖8是堆的燃料電池單元的多個連續層的截面。
[0096]圖8A是圖8的詳細截面圖。
[0097]圖8B是燃料電池堆的示意側視圖的截面。
[0098]圖8C是燃料電池堆的另一實施例的示意側視圖。
[0099]圖9是氣體流分割元件的第一實施例。
[0100]圖10是氣體流分割元件的第二實施例。
[0101]圖10C是氣體流分割元件的另一實施例。
[0102]圖11是氣體流分割元件的第三實施例。
[0103]圖12是氣體流分割元件的第四實施例。
[0104]圖13是氣體流分割元件的第五實施例。
[0105]圖14是氣體流分割元件的第六實施例。
[0106]圖15、15a示出氣體流分割元件的第七實施例。
[0107]圖16、16a示出氣體流分割元件的第八實施例。
[0108]圖16B是兩個單元電池的分解視圖。

【具體實施方式】
[0109]圖1示出根據本發明的固態氧化物燃料電池(S0FC)系統100。固態氧化物燃料電池系統包括外殼101，其包含由多個燃料電池單元50組成的燃料電池堆103，其中，燃料電池單元在此也被稱為單元電池50。外殼位於基底102上。燃料電池系統或電廠的配套設施包括用於加熱反應物的熱交換器106、以及用於以正確的組分和正確的流速將反應物提供至燃料電池的反應物製備單元，其在圖中未示出。堆設置有反應物排放元件104、105。
[0110]堆可以如US 7632586 B2所示配置，其中，應用特定電極接觸和氣體分布結構。在現有技術中，基於該技術的堆已經被開發用於約lkw的遠程和微型熱電聯產(CHP)應用。其特徵是低壓力降並且可以實現lkW/Ι或400mW/cm2的功率密度，電效率在45%以上。堆可以用改良的天然氣、重整氣體或氫氣做燃料。該堆在外部集流(manifold)空氣並且在內部集流燃料，並且恢復燃料廢氣流。廢氣流可以在後部燃料中使用或者被回收用於重整(電廠的給定適應平衡)。US 7632586 B2的使用改進了堆的熱循環公差，避免由於熱循環引起的另外的性能退化。
[0111]利用將本發明與US 7632586 B2公開的技術結合的兩個最近的原型，測量了改進的性能。利用使用氫氣作為燃料達到61%的效率，使用甲烷達到69%的效率，實現了 94%的最大燃料轉換。此外，在沒有對該組合類型的短的堆造成重大損壞的情況下，實現高達50個熱循環。這遠高於基於US 7632586 B2公開的反應物流的單獨處理的早期結果。
[0112]對於易燃氣體的分布，預期了第一氣體分布元件10，其在圖2中詳細示出。互連件40包括第一氣體分布兀件10和第二氣體分布兀件4。互連件40通常被配置在兩個相鄰的陰極-陽極電解質單元5中。對於單元電池50，理解為包括陰極-陽極-電解質單元5和互連件40的單元。
[0113]第一氣體分布元件10用於將至少易燃氣體提供至相應電極。
[0114]第二氣體分布元件4被用於將包含氧氣的反應物(指氧化劑)提供至相應電極。圖2中公開的第一氣體分布元件10包括燃料入口 16和燃料出口 18，以使得由入口 16提供的燃料在從入口 16至出口 18的流9的直線方向上在第一氣體分布元件10內流動。在圖2中，第一層2被配置在第二層3下方。
[0115]對於作為燃料電池的操作，將包含氧氣的反應物供給至用作陽極的正氧電極51。
[0116]對於作為電解裝置的單元電池50的操作，將包含氧氣的反應物供給至相同的用作陽極的正氧電極51。
[0117]在有利實施例中，氣體分布元件10用於將易燃氣體提供至CAE陰極-陽極-電解質單元5的負電極53。互連件40還包括第二氣體分布元件4，其包括用於包含氧氣的反應物的流體傳導通道，允許包含氧氣的反應物與相鄰CAE陰極-陽極-電解質單元5的正氧電極51接觸。
[0118]在大多數情況下，包含氧氣的反應物是空氣，然而也可以將純氧氣或包含氧氣的氣體供給至互連件40。第二反應物(易燃氣體)通常包含H2、C0、H20、C02、甲烷、氨氣、其他碳氫化合物或可選的稀釋劑的任意混合。
[0119]在優選實施例中，易燃氣體分布在氣體分布元件10內部。ACE陰極-陽極-電解質單元5的負電極53由此面向氣體分布元件10的第二層3。
[0120]第一氣體分布元件10也可以用於以相反方式操作的電解裝置。針對作為燃料電池的操作，包含氧氣的反應物被供給至用作陰極的正氧電極。
[0121 ] 針對作為電解裝置的單元電池的操作，包含氧氣的反應物被供給至用作陽極的正氧電極。
[0122]互連件40將燃料電池堆103的兩個主要功能組合:其實現來自電極51、53的電流收集並且在ACE陰極-陽極-電解質單元5之間和之上集流了反應物、特別是燃料以及還有包含氧氣的氣體。
[0123]如圖3所公開的，互連件40由此允許集成單元電池50的氣體分布，允許薄的未加工的金屬板的使用，如附圖標記1、2、3和/或4所示，其例如可以通過蓋印、衝壓、輥軋成形、壓花或蝕刻來製造，這意味著便宜的製造，以代替昂貴的結構化的雙極板。基底層1和/或第一層2和/或第二層3和/或支撐層4可以通過蓋印、壓花、衝壓或蝕刻，或者通過熱壓或諸如粉末冶金的其他處理來製造。第一氣體分布元件10可以被製造以使得基底層1、第一層2、第二層3或它們的任意組合通過任意合適的結合技術，諸如焊接、硬焊或反應鍵合、或它們的任何組合，結合在一起以用於電接觸和/或密封。以類似的方式，第二氣體分布元件4可以通過形成支撐層或通過將支撐層與基底層1組合來製造。
[0124]所提出的燃料電池堆103根據優選應用包括1-100個單元電池50，對應於16-5000W額定電功率。
[0125]圖3所示的實施例示出根據本發明第二實施例的單元電池50的配置的截面圖，其包括陰極-陽極-電解質單元5和互連件40，互連件包括第一氣體分布元件10和第二氣體分布元件4。在圖3所示的根據實施例的第一氣體分布元件10由基底層1、第二層3和第一層2組成。陰極-陽極-電解質單元5包括第一電極51、第二電極53、以及夾在第一電極51和第二電極53之間的電解質52。單元電池50還包括側部密封件31，其提供對陰極-陽極-電解質單元5和接觸層55的邊緣以及氣體分布元件10的氣密密封。單元電池50還包括第二氣體分布元件4，用於將包含氧氣的第一反應物流體供給至第一電極51。將包括燃料的第二反應物流體供給至在第一層2 (相應地第二層3)之上的第二電極53。
[0126]圖4示出包括CAE單元5和互連件40的燃料電池單元50的分解視圖。CAE單元5包括第一電極51、第二電極53、以及夾在第一電極51和第二電極53之間的電解質52。通常，陶瓷和/或金屬氣體擴散層54、55配置在電極51、53的兩側上，其在圖4中未示出，但其例如在圖8A中示出。
[0127]圖4所示的第一氣體分布元件10的示例包括基底層1、第一層2和第二層3 ;第一層2和第二層3設置有形成用於流體流的圖案的氣體分布結構11。圖4中公開的第一層2通過相互鄰近放置的許多通道13限定流圖案，以使得進入第一層2的易燃氣體可以在流的主方向9上流動。通道13在直線方向上延伸。通道13優選地在也稱為入口的進入側2b處在第一層2的一側開始，並且通道13優選地在也稱為出口的離開側2c處在第一層2的另一層結束，其中，進入側2b與易燃氣體供給9a連接，以及其中出口 2c流體連接至廢氣出口%。圖4還示出第二氣體分布元件4，其在所示例子中是波紋狀金屬薄板，其具有通道20，如圖4A所示。在圖3中，可以看到燃料電池單元50沿線C-C的截面圖。描述了第一氣體分布元件10。第一層2包括多個分隔的通道條2a，其間形成通道13。如圖4所公開的，第一層2可以包括在直線方向上延伸的另外的通道12、14，其將通道13與入口 2b (相應地出口 2c)流體連接。
[0128]第二層3是均勻化元件，包括流體連接相鄰放置的至少兩個通道13的孔15，以補償和均勻化相應通道13中流體的量。在圖3中，孔15被公開為流體連接三個通道13。第二層3具有第一孔15，其被配置為具有長度28和寬度29的矩形開口。長度大於寬度。長度28橫向延伸至流體流9的主方向；寬度29在流體流9的主方向上延伸。第二層3還可以具有第二孔6，其具有長度7和寬度8，長度7大於寬度8，並且寬度8在與流體流9的主方向垂直的方向上延伸。
[0129]也稱為通道層的第一層2具有多個入口通道12、多個連續通道13和多個出口通道14。連續通道12和13由條元件23分隔。連續通道13和14也通過條元件23分隔。條元件23對於連接條2a是必要的。
[0130]第二層3的這些第二孔6形成通道狀結構，其配置為尤其是矩形的或者傾斜至在第一層2中配置的入口通道12。這具有優點，在第一層2的通道12、13、14內流動的流體可以通過在第一層上配置的作為第一層2的一部分的條元件23引導至第二層3的孔6，如圖2所公開的。孔6由此通過將條元件23橫穿孔6形成連續通道12和13之間、或者連續通道13和13、或者連續通道13和14之間的流體通路。當流體在條元件23上流動時，其進入條元件23之上的孔6並且其分布至連續通道13，相應地14。該實施例的一個優點是第一層2和第二層3可以通過使用薄金屬板非常便宜地製造。
[0131]有利地，每個入口通道12接續以連續通道13和出口通道14。這些通道12、13、14可以具有相同的橫截面並且可以接續地配置。有利地，多個入口通道12、連續通道13和出口通道14期望如圖4所示公開的。每個入口通道12可以與相應相鄰入口通道12平行地配置，這同樣也適用於連續通道13或出口通道14。
[0132]第一層2和第二層3可以形成在分隔的薄板上，如圖4所示；然而，它們也可以組合至單個薄板中。此外，第一層2可以製造為以下薄板，其具有與通道12、13、14相對應的穿孔並且被配置在形成用於通道12、13、14的基底的基底薄板1旁邊。該解決方案對於通道的製造可以是有利的。此外，對於穿孔可以使用各種形狀。穿孔可以常規地從薄板衝壓出、雷射切割或者蝕刻或形成為丟失的嵌件，其在鑄造或模製層之後被移除。由此預期，作為分隔的薄板的基底層1和第二層3可以提供製造的簡單化或應用更多的製造方法以製造層 1、2、3。
[0133]此外，兩個入口 16、17被提供以用於包含燃料(易燃氣體)的反應物進入氣體分布元件10。另外，兩個出口 18、19可以被提供用於流體反應產物(廢氣)離開氣體分布元件10。
[0134]在優選實施例中，第二氣體分布元件4被配置在基底層1的側面上並且與基底層1連接。圖4示出氧化劑0的流動路徑、在兩側上具有通道20(通道20a、20b)的支撐層。圖4A示出支撐層4的優選結構的放大視圖，其中氧化劑0的流動路徑被分成兩個流動路徑01、02中的通道20a、20b，以使得每個路徑沿著支撐層4的一側在通道20中流動。
[0135]圖4B示出氣體分布元件10的另一實施例。限定流圖案的基底層1和第一層2由一個單一部件製成。在該實施例中，不需要保持條2a的條元件23，因為條2a與基底層1連接，以使得多個通道13在直線方向上相互並列地延伸，其中，通道13在進入側2b處開始，並且在離開側2c處結束，以使得通道將進入側2b與離開側2c流體連接。因為不需要條元件23，流體連接連續通道12、13、14的孔6在第二層3中也不需要，如圖4B所示。
[0136]圖4C示出氣體分布元件10的另一實施例。第一層2包括多孔結構2d，諸如一片金屬泡沫或金屬網，其中，多孔結構被配置在基底層1中。第二層2限定在進入側2b處開始並在離開側2c處結束的流動路徑，以使得多孔結構將進入側2b與離開側2c流體連接，以使得限定流動路徑的多孔結構在直線方向上延伸。
[0137]圖4D示出第二層3、一均勻化元件的另一實施例。相比於圖4B所公開的示出矩形的第二層3的實施例，圖4D示出圓形的第二層3。相比於圖4B中示出具有平行延伸通道13的矩形的第一層2的實施例，圖4D所公開的適配於第二層3的第一層具有圓形並包括在徑向上直線延伸的通道13，通道13在燃料入口 2b處(其處於與燃料入口開口 16相同的位置處)在中心開始並在外圍結束，其中，燃料出口 2c被配置為優選地圍繞第一層2和第二層3，以使得第一氣體分布元件10內的易燃氣體9a在徑向上流動。僅在圖4D中示出了幾個通道13。第二層3包括在圓周方向上延伸的多個孔15，孔15橫向穿過第一層2的通道13，以使得相鄰通道13中的一些通過相應孔15流體連接。如圖4D所示包括第一層2和第二層3的第一氣體分布元件10因此是圓形的。為了建立圓形燃料電池單元50，圓形的陰極-陽極-電解質單元5可以布置在第二層3的頂部，以及支撐層4可以布置在第一層2下方，以實現與圖4所示類似的燃料電池單元50，但其在第一層2中具有徑向延伸的通道13，並且在支撐層4中具有徑向延伸的通道20。在第二層3下方布置的第一層2也可以是三維結構，諸如針、格子、網結構或泡沫結構，第一層2具有圓形，流體流9a、9b、9c的方向在徑向上延伸，特別地在從入口 2b至出口 2c的直線方向上延伸，並且第二層3的第一孔15在圓周方向上延伸。在有利實施例中，在泡沫結構內不存在通道，但是泡沫的多孔結構允許流體在泡沫內流動以使得流體在第一層2內流體流9a、9b、9c的方向上流動。
[0138]圖4E示出矩形的第二層3的另一實施例，其包括在圓形方向上延伸的孔15。與圖4D公開的第二層3不同，圖4E所公開的第二層3的孔15布置成類似尺寸的孔15的三個組9x，其中，這些組9x在圓周方向上相比於彼此位移。孔15的這種配置增大了對經過通道13的燃料的通量的均勻化效果。圖4E中公開的第二層3包括圓周燃料出口 2c，其收集至燃料出口埠 18/19的廢氣，以使得第一層2中的燃料可以首先在徑向9u上流動並且之後在方向9v上流至燃料出口 2c。
[0139]圖4F示出包括CAE單元5和互連件40的燃料電池單元50的另一實施例。互連件40包括第一氣體分布兀件10和第二氣體分布兀件4。第一氣體分布兀件10包括其上安裝有通道13的基底板1，以及具有孔3e的密封層3d。孔3e適於CAE單元5的大小，以使得CAE單元可以被引入至孔3e中，CAE單元5可以被正好配置在通道13之上。第二分布元件4如圖4所公開的被建立。相比於圖4、4B和4C中所公開的實施例，圖4F中公開的第一氣體分布兀件10不包括第二層3,其意味著不包括均勻化層3。
[0140]圖4G詳細示出圖4F的沿線D-D的截面，其中圖4G還包括配置在第二氣體分布元件4之下的CAE單元5，其在圖4F中未示出。圖4G詳細示出波紋狀金屬薄板，其被配置在CAE單元5和基底層1之間。第二氣體分布元件4通過連接件4c與基底層1連接，電力可以在第二氣體分布元件4和基底層1之間流動。它們例如可以在連接件4c處焊接在一起。波紋狀薄板具有波狀輪廓、曲折輪廓或梯形橫截面的輪廓。波紋具有間距20g，間距20g在2mm至8mm的範圍內。小間距20g具有以下優點:在波紋狀薄板和電解質52處發生電化學反應的位置之間流動的電力經歷了較低的歐姆阻力，因為在波紋狀薄板和CAE單元5之間存在較高密度的接觸點。另一方面，小間距使得通道20、20a、20b非常小，其增大了在通道20中流動的流體的流動阻力。
[0141]元件4的金屬薄板厚度在0.3-lmm的範圍內，更優選地在0.3-0.6mm的範圍內，並且最優選地0.5mm。
[0142]在優選實施例中，用於氧化劑的通道20a具有橫截面積20f，以及用於淬火流體的通道20b具有橫截面積20e。兩個橫截面積20e、20f的比例在1:2至2:1的範圍內，優選地1:1。
[0143]在優選實施例中，用於氧化劑的通道20a和用於淬火流體的通道20b具有範圍在l-5mm之間的高度。
[0144]在優選實施例中，波紋具有至少45°的梯度角(α)，更優選地大於60°。
[0145]在優選實施例中，第一氣體分布元件10的通道13從燃料入口側2a延伸至燃料出口側2b,從而限定在第一氣體分布兀件10內的易燃氣體的流9的方向,其中,第二氣體分布元件4的通道20a、20b大致沿著流9的主方向延伸或者大致垂直於流9的主方向延伸。如圖4G所公開的，在優選實施例中，用於淬火流體的通道20b與第一氣體分布元件10接觸，其意味著通道20b面向第一氣體分布元件10，相應地基底層1，以使得在通道20b中流動的淬火流體與基底層1直接接觸。
[0146]在優選實施例中，波紋形成相互平行延伸的多個通道20a、20b。
[0147]在優選實施例中，第二氣體分布元件4以以下方式連接至第一氣體分布元件10:用於淬火流體的通道20b成形為封閉通道，僅包括進入端20c和離開端20d。這通過以以下方式將波紋狀薄板與基底層1連接來實現:每個通道20b在其進入端20c和其離開端20d之間形成氣密通道。
[0148]在有利實施例中，第二氣體分布元件4由至少兩個部件組成，該至少兩個部件通過分離部4b相互隔離，分離部4b具有至少0.3mm的間隙寬度。圖4H公開由四個部件組成並具有兩個分離部4b的第二氣體分布元件4。圖5示出第三實施例的第一氣體分布元件10的第一層2和第二層3的部分頂視圖，其中部分從氣體分布元件10的頂部切割出。第一層2的一部分的橫截面視圖示出通過通道條2a分隔的並列的通道13中的一些、以及通過條元件23而與通道13分隔的連續出口通道14中的一些。第一層2布置在第二層3後面。第二層3包含具有長度28和寬度29的第一孔15，長度28橫向延伸，在該實施例中垂直於流體流9的主方向。
[0149]圖6A示出根據本發明第一、第二或第三實施例中任一個的氣體分布層10的穿孔的第二層3的部分頂視圖，其包括第一孔15和下面的通道條2a。圖6B是圖6A的沿線A-A的截面，示出陰極-陽極-電解質單元5、包括通道條2a的第一層2、第二層3和基底層1。基底層1和第一層2由不同的薄板製造。圖6C示出圖6A的沿線B-B的截面。與圖6B不同的是，截面橫穿一行孔15，因此第二層3被孔15中斷。此外，示出了在第一層2中平行延伸的通道13。
[0150]圖6D詳細示出圖4的沿線C-C的截面，其中沒有支撐層4。第一氣體分布元件10由三個層組成，基底層1的上部配置了第一層2，第一層2限定了包括多個通道13的流圖案，通道13由在流方向9上平行延伸的條2a分隔。第二層3是均勻化層，配置在第一層2的頂部。第二層3包括垂直於流方向9延伸的第一孔15。在所示實施例中，第一孔15在三個通道13上延伸以流體連接三個通道13，以使得流體交換9z可以在三個易燃氣體流9a、9b,9c ;9d、9e、9f之間並通過第一孔15發生。圖6D示出理想的第一氣體分布元件10，其中每個通道13，ΚΡ..Κ6具有相同的寬度和相同高度以及相同的流動阻力，以使得每個易燃氣體流9a、9b、9c、9d、9e、9f具有大致相同的流速以及大致相同的氣體組成，以及所產生的至陰極-陽極-電解質單元5的反應物和反應產物的擴散通量，以使得氣體流9a、9b、9c ;9d、9e、9f之間的流體交換9z很少或不在第一孔15內發生。除了所述三個易燃氣體流9a、9b、9c ;9d、9e、9f之間的流體交換9z以外，第一孔15還具有以下效果，在面向陰極-陽極-電解質單元5的第一孔15內，離開流9a、9b、9c ;9d、9e、9f的氣體組分在進入陰極-陽極-電解質單元5之前被混合和均勻化。因此，氣體組分在進入陰極-陽極-電解質單元5之前被均勻化，其保證了單元5被提供足夠量的反應氣體，即使氣體流9a、9b、9c ;9d、9e、9f中的一個或甚至兩個提供不足的氣體。僅示意性地示出配置在第二層3的頂部上的陰極-陽極-電解質單元5以及第二氣體接觸和氣體擴散層55。
[0151]圖6F詳細示出圖4的沿線C-C的截面。與示出理想氣體分布元件10的圖6D不同，圖6F示出一種共同的配置，其中，通道ΚΡ..Κ6具有略微不同的形狀，例如不同的寬度，以及因此不同的流動阻力，其導致以下效果:氣體流9a、9b、9c、9d、9e、9f具有不同的流速。第二層3 (均勻化層)的優點是由於第一孔15流體連接通道K1，K2，K3 ;Κ4，Κ5，Κ6中的一些，流體交換9ζ在氣體流9a、9b、9c、9d、9e、9f之間發生，以使得氣體流9a、9b、9c、9d、9e、9f之間的流速的差異減小，其意味著氣體流被均勻化，以使得沿陰極-陽極-電解質單元5的易燃氣體F的氣體組分以及所產生的反應物和反應產物的擴散通量被調和。
[0152]圖6E示出根據圖6F的實施例，但沒有第二層3。在沒有均勻化層的情況下，沿陰極-陽極-電解質單元5的易燃氣體F的氣體組分以及所產生的反應物和反應產物的擴散通量可以根據通道ΚΡ..Κ6的不同形狀強烈變化。第二層3(均勻化層)的一個優點因此是第一層2可以以更便宜的方式製造，因為氣體流9a、9b、9c、9d、9e、9f的通道寬度和/或通道高度的變化的影響可以通過均勻化層補償，由此允許製造便宜和可靠的氣體分布元件10。
[0153]圖6G示出圖6D中公開的第一氣體分布元件10的頂視圖，示出在平行方向上延伸的六個通道ΚΡ..Κ6，通過孔15流體連接的三個通道Κ1，Κ2, Κ3 ；Κ4, Κ5，Κ6，其中，氣體流9a、9b、9c、9d、9e、9f中的每一個具有相同的流速。多個孔15在流方向9上被配置並間隔開。
[0154]圖6H示出圖6F所公開的第一氣體分布元件10的頂視圖，示出在平行方向上延伸的六個通道KL...K6，三個通道Kl，K2, K3 ；K4, Κ5, Κ6通過孔15流體連接，其中，進入氣體分布元件9的氣體流9a、9b、9c、9d、9e、9f具有不同的流速。多個孔15在流方向9上被配置並間隔開，其中在孔15的每一個中，流體交換9z可以在氣體流9a，9b, 9c ；9d, 9e, 9f之間發生，以使得氣體流9a，9b, 9c ；9d, 9e, 9f之間的流速的差異減小。第一氣體分布元件10包括孔15，因此確保了通道ΚΡ..Κ6都沒有喪失氣體，陰極-陽極-電解質單元5將不遭受燃料的局部損耗。因此，均勻化層3具有以下效果:避免了由於燃料電池單元50的一些區域中易燃氣體的缺乏而導致的燃料電池單元50的損壞。此外，在孔15中組分的均勻化通過擴散和對流發生。這進一步減少了單元的一個區域被易燃氣體的局部損耗損壞的風險，甚至在通道ΚΡ..Κ6中的一個例如被任何不想要的殘留物堵塞的情況下。在該情況下，氣體可以經由孔15包圍通道的堵塞部分，並且氣體經由孔15從堵塞部分之上擴散至電極。
[0155]圖61示出氣體分布元件10的另一實施例的頂視圖，示出在平行方向上延伸的六個通道Κ1...Κ6，通道Κ1，Κ2, Κ3 ；Κ4, Κ5, Κ6通過孔15流體連接，其中，進入氣體分布元件9的氣體流9a、9b、9c、9d、9e、9f具有不同的流速。相比於圖6H中公開的實施例，根據圖61的實施例中的孔15具有不同的長度28，並且因此可以流體連接兩個、三個、四個或者甚至更多個平行延伸的通道ΚΡ..Κ6。另外，在流方向9上間隔開的連續孔15可以在垂直於流9的方向上移位和/或可以具有不同的長度28，因此連接不同的通道ΚΡ..Κ6。
[0156]圖6L詳細示出圖4C的沿線C-C的截面，第一層2包括易燃氣體9流動通過的多孔結構2d。相比於圖6F公開的包括通道ΚΡ..Κ6的第一氣體分布元件10，氣體流在圖6L所公開的多孔層中更擴散，因此圖6L公開的氣體流9a、9b、9c、9d、9e、9f僅示出在流方向9上流動的燃料流強度(大小)。第二層3 (均勻化層)的效果類似於圖6F公開的效果，即如果氣體流具有不同的氣體組分，第二層3引起在氣體流9a、9b、9c、9d、9e、9f之間的流體交換9z。因此，第二層3均勻化第一層2的多孔結構中各種氣體流9a、9b、9c、9d、9e、9f的流速。因此，沿陰極-陽極-電解質單元5的易燃氣體F的氣體組分以及所產生的反應物和反應產物的擴散通量被調和。
[0157]圖6K示出根據圖6L的實施例，但沒有第二層3。在沒有均勻化層3的情況下，沿陰極-陽極-電解質單元5的易燃氣體F的氣體組分以及所產生的反應物的擴散通量會根據多孔第一層2中的流動阻力強烈變化，類似於圖6E所公開的效果。
[0158]圖7A是示出穿過燃料電池單元50的氣體分布層的易燃氣體的流的理想情況的示意圖，其中，燃料電池單元50在該示例中包括並列排列的十二個通道13，以及其中箭頭指示相應通道13中易燃氣體的通量。坐標系統的X軸示出相應通道13在流9的主方向上的通量。y軸示出十二個通道K1-K12的通道數量，通道並列排列，如圖3所示。圖7D示出十個燃料電池單元50的堆，每個燃料電池單元50具有十二個通道13，圖7A、7B中公開的通道數量對應於圖7D的燃料電池堆中所示的通道。圖7B是示出穿過燃料電池單元50的易燃氣體的流的最佳真實情況的示意圖，其中，由於構造折衷了在氣體集流，易燃氣體的通量在接近外殼的外側通道1和12中較低，由此接近燃料電池單元50的外殼的流速具有最低值。
[0159]圖7D是燃料電池單元50的堆的視圖，每個燃料電池單元50具有根據圖7B所示的情況的相同流。因此，十個燃料電池單元50中的每一個的平均通量F1?F10是相同的。
[0160]圖7C是示出根據現有技術的穿過燃料電池單元的易燃氣體的流、由此流速的非常不均勻的分布的真實情況的示意圖。流速的不均勻分布例如從製造燃料電池單元50時的生產公差發生。圖7C示出與圖7B相同設計的流動場，但是具有由於例如製造公差而與設計的重大偏差。這在現有技術中是通常的問題。偏差在分布元件之間根據其製造而不同。在圖7C公開的示例中，具有最低氣體通量的通道是數字5，但是其可以是另一分布元件中的任何其他通道。該最小通量可能導致局部燃料匱乏並最終導致性能限制，燃料電池堆的局部過熱，或者電解質、陽極或陰極中的破裂，可能導致CAE單元5的破裂以及可能地燃料和氧化劑混合以及寄生燃燒，由此導致堆或其至少一部分的過早的嚴重損壞。
[0161]圖7E是如圖7C公開包括十個燃料電池單元50的燃料電池堆的視圖。各個燃料電池單元50呈現隨機偏差，最小通道流的位置彼此之間變化，因此由箭頭F1...F10的長度表示的燃料電池單元50中每一個的平均流速隨機分布。這些隨機偏差具有兩方面的效果:首先，每個燃料電池單元的總通量由於對液體流的不同阻力而在單元50之間變化，第二，與每個通道的平均通量(7A，理想情況)的累積偏差最終變得更重要。為此，在現有技術中，必須通過以下引入補償:校正單元電池集流處的進入流、挑出具有窄壓力降的一批單元電池、增大公差的規範、或者進一步減小燃料轉換率以降低操作風險。所有這些都對堆的生產的成本和系統的效率有影響。此外，圖7E示出在根據現有技術的燃料電池堆中，相鄰燃料電池單元50中的流情況、相應地相鄰氣體分布元件10中的流情況可以顯著變化。
[0162]對固態氧化物燃料電池的建模和實驗工作示出了燃料分布的均勻性和流的配置對於燃料電池的性能和可靠性如何重要。圖7A表示在相同或相反方向上流動的空氣和燃料的理想情況。由於製造處理，通常需要一些折衷，其導致略微不同於圖7B所示的理想情況的氣體分布。最近的研究包括製造公差或不理想組件性質對性能和可靠性的影響的研究，由此允許評估工業處理或特定設計對於期望性能和可靠性的適用性。
[0163]由 Cornu 和 Wuillemin 進行的工作(Impact of random geometric distort1nson the performance and reliability of an S0FC (2011)Fuel Cells, 11(4), pp.553-564)特別示出燃料分布的特性如何取決於氣體分布結構中通道的深度的公差。通道的深度的範圍通常從0.2mm至l-2mm標度，以及它們的寬度更通常從1至2mm變化。0.5mm範圍的深度最常見。在這些情況下，在目標值附近的0.05mm的深度變化已經對流分布具有非常重要的影響。這種偏差的例子在圖7C中給出。即使可以通過合適的製造技術實現0.05的深度變化，陰極-陽極-電解質單元5和第一氣體分布元件10之間的空間也會根據在之間使用的接觸層而變化。因此，針對有效通道片段的累積深度變化非常難以維持在上述偏差範圍中。最後，同樣重要的是，接觸層或通道可能隨時間緩慢移動，其將在任何情況下導致隨時間的差的燃料分布。
[0164]因為單元電池50相互堆疊，各個元件的缺陷將累積，導致如圖7E的情況所示的操作中流的更加增大的偏差。
[0165]因為在燃料電池堆的所有單元電池50中轉換燃料的完全相同的量，由此獲得共同的電流流動，以使得單元電池50的呈現低燃料流的區域在燃料轉換增加時面臨燃料匱乏的風險。因為需要大的轉換以實現高性能，因而差的燃料分布將導致一個單元電池由於燃料匱乏而引起的性能限制或損壞。
[0166]因為對於操作者來說幾乎沒有關於燃料電池堆的一部分經受匱乏的任何標誌，除非已經太晚了，這種問題從工業和操作視角來說非常重要。
[0167]圖8是根據如圖4所示的實施例的形成燃料電池堆103的多個連續燃料電池單元50的截面，每個燃料電池單元50包括CAE單元5和互連件40，互連件40包括第一氣體分布元件10和第二氣體分布元件4。
[0168]由此，燃料通道13的橫截面通過第一層2和作為穿孔板的第二層3的通道結構的幾何形狀被給出並確定。第二層3用作均勻化元件。在第三層3和陰極-陽極-電解質單元5之間使用的任何可選的另外接觸層將對流沒有影響。此外，在穿孔板(第二層3)上的孔15的幾何形狀允許沿幾個通道13的流體路徑的流體交換和流體的混合，通道13沿著燃料路徑並列排列，因此在這些位置創建了通道之間的附近隔離條，並且因此創建了通道13之間的合適的平均通量。由於這個原因，任何通道13沿著第一氣體分布元件10內易燃氣體的流體流動路徑的幾何形狀的任何偏差通過允許易燃氣體在相鄰通道13之間流動來校正，因此使用平均化效果來均勻化相應的反應物，相應地易燃氣體流體流。
[0169]圖8A是圖8的詳細截面圖，其詳細示出具有相應支撐層4的兩個氣體分布元件10。一個陰極-陽極-電解質單元5可以在圖8A的中部可見，其中支撐層4接觸在陰極-陽極-電解質單元5的頂部的第一氣體接觸和氣體擴散層54，以及其中第二層3 (均勻化層)接觸在陰極-陽極-電解質單元5的底部的第二氣體接觸和氣體擴散層55。第二層3提供在三個通道13上延伸的第一孔15以流體連接三個通道13，以使得流體交換9z均勻化進入陰極-陽極-電解質單元5的易燃氣體F。
[0170]支撐層4具有波紋的形狀，其允許利用通道20b、20a將氧化劑的流路徑0分離成兩個單獨的流路徑01、02，通道20b的流路徑01是向陰極-陽極-電解質單元5提供氧化劑03的氧化劑。通道20a的流路徑02用作冷卻或加熱基底層1和/或陰極_陽極_電解質單元5的淬火劑。
[0171]圖8B在截面圖中示出燃料電池堆103的示意側視圖，其包括三個燃料電池單元50，每個包括互連件40和CAE單元5，並且每個互連件40包括第一氣體分布元件10和第二氣體分布元件4。氧化劑0在一側被提供至全部第二氣體分布元件4，氧化劑0之後被分離以形成沿第二氣體分布元件4的兩個單獨流路徑01、02，兩個單獨的流路徑01、02在離開第二氣體分布元件4之後被組合，所有第二氣體分布元件4的流路徑也組合成離開燃料電池堆103的一個單一流路徑。圖8B還公開了進給氧化劑0的鼓風機或壓縮機21，測量進入、相應地離開互連件40的氧化劑0的溫度的溫度傳感器22a、22b。鼓風機或壓縮機21以及溫度傳感器22a、22b通過電纜23與控制單元23 (其僅示意性示出)連接。另外的溫度傳感器或者其他傳感器或致動器可以被配置並且可以與控制單元23連接以控制燃料電池堆的操作。
[0172]圖8C在截面圖中示出燃料電池堆103的另一實施例的示意側視圖，燃料電池堆103包括三個燃料電池單元50，每個包括互連件40和CAE單元5，並且每個互連件40包括第一氣體分布兀件10和第二氣體分布兀件4。流路徑01、02完全分離，並且氧化劑0在一側僅提供至限定氧化劑的流路徑01的通道20a。淬火流體04在一側僅被提供至限定淬火流體的流路徑02的通道20b。流路徑01、02還作為分離的路徑離開第二氣體分布元件4。圖8C還公開進給淬火流體04的鼓風機或壓縮機21，以及測量進入、相應地離開互連件40的淬火流體路徑02的溫度的溫度傳感器22a、22b。鼓風機或壓縮機21以及溫度傳感器22a、22b通過電纜23與控制單元23 (其僅示意性示出)連接。另外的溫度傳感器或者其他傳感器或致動器可以被配置並且可以與控制單元23連接以控制燃料電池堆的操作。
[0173]圖8B或8C所公開的燃料電池堆103可以通過各種方法操作。現在進一步詳細描述一些有利方法。
[0174]燃料電池堆103可以通過用於操作固態氧化物燃料電池或固態氧化物電解電池的方法來操作，固態氧化物燃料電池包括:
[0175]a)多個陰極-陽極-電解質單元5，以及
[0176]b)CAE單元5之間的金屬互連件40，
[0177]互連件40包括:
[0178]-第一氣體分布元件10，包括用於易燃氣體的氣體分布結構11，以及
[0179]-第二氣體分布元件4，包括用於氧化劑的通道20a並包括用於淬火流體的單獨通道 20b,
[0180]其中，至少第一和第二控制溫度ΤΙ、T2被測量，
[0181]-第一溫度T1是進入第二氣體分布元件4的淬火流體的溫度或在燃料電池的淬火流體入口側測量的任何代表性溫度，
[0182]-以及第二溫度T2是離開第二氣體分布元件4的淬火流體的出口溫度、燃料電池堆的溫度或在燃料電池的淬火流體出口側測量的任何代表性溫度中之一的溫度，
[0183]其中，供給至第二氣體分布元件4的淬火流體的量基於第一和第二溫度ΤΙ、T2的溫度差來控制。
[0184]在用於操作固態氧化物燃料電池或固態氧化物電解電池的優選方法步驟中，淬火流體的量被供給至第二氣體分布元件4並基於第一和第二溫度ΤΙ、T2的最大、最小或額定溫度差來控制。
[0185]在用於操作固態氧化物燃料電池或固態氧化物電解電池的另一優選方法步驟中，供給至第二氣體分布元件4的淬火流體的量和溫度T1被控制以使得第一和第二控制溫度T1、T2維持在限定的最大和最小值內。
[0186]在用於操作固態氧化物燃料電池的另一優選方法步驟中，氧化劑的流速以以下方式維持在超出電化學反應所需的化學計量流:在通道20a的出口處的氧化劑的氧氣部分壓力大於氧化劑的總壓力的5%，以及優選地大於10%。
[0187]在用於操作固態氧化物燃料電池或固態氧化物電解電池的另一優選方法步驟中，氧化劑和淬火流體在完全分離的流路徑01、02中循環。
[0188]在用於操作固態氧化物電解電池的另一優選方法步驟中，淬火流體加熱第二氣體分布元件4。
[0189]在用於操作固態氧化物電解電池的另一優選方法步驟中，承載氣體被添加至氧化劑的流路路徑01中以收集所生成的氧氣，而承載氣體的流速被控制以諸如將離開互連件40的承載氣體的氧氣含量維持在給定範圍內。
[0190]在用於操作固態氧化物電解電池的另一優選方法步驟中，承載氣體被循環並且氧氣從離開互連件40的承載氣體中提取，以單獨地收集富含氧氣的氣體。
[0191]在用於操作固態氧化物電解電池的另一優選方法步驟中，純氧氣在其離開互連件40時被單獨收集。
[0192]圖4示出具有長度3a和寬度3b的陰極-陽極-電解質單元5，其限定接觸表面3c,陰極-陽極-電解質單元5經由接觸表面3c接觸第二層3。第二層3包括同樣的接觸表面3c。第二層3的第一孔15配置在接觸表面3c內。在優選實施例中，所有第一孔15的總面積是孔15、6的總面積的至少20%，其他的位於表面3c內。為了提供易燃氣體沿著接觸表面3c的更均勻的同等分布，所有第一層15的總面積是接觸表面3c的至少20%，以及最優選地大約30%，以及最優選地在40%至50%之間。
[0193]在優選實施例中，CAE單元5具有沿著流9的方向的長度3a並具有寬度(3b)，其中，長度3a與寬度3b的比例優選地大於1,更優選地大於1.5並且最優選地大於2。
[0194]所公開的第一孔15被示出具有矩形。第一孔15還可以具有其他形狀，諸如橢圓形。第二層3也可以包括在同一第二層3上的不同形狀的多個第一孔15，諸如矩形和橢圓形。
[0195]用於在燃料電池的第一氣體分布元件10均勻化易燃氣體的有利方法是第一氣體分布元件10包括將燃料入口 2b與燃料出口 2c連接的第一層2，其中，燃料在第一層2內特別地在直線方向上在流9的方向上流動，以及第一氣體分布元件10包括第二層3，第二層3包括第一孔15，第一孔15在相對於流9的方向的垂直方向上延伸，其中，流經第一層2的易燃氣體進入第一孔15，以使得易燃氣體在第一孔15內被均勻化，以及其中，第一孔15接觸陰極-陽極-電解質單元5，以使得來自第一孔15內的易燃氣體被提供至陰極-陽極-電解質單元5。
[0196]在有利的方法步驟中，在第一孔15內均勻化的易燃氣體中的至少一些流回至第一層2中。
[0197]在另一有利的方法步驟中，第一層2包括多個通道13，通道13並列排列並將燃料入口 2b與燃料出口 2c連接，第一孔15在關於通道13的垂直方向上延伸並且流體連接並列排列的至少兩個通道13，其中，流經相應通道13的易燃氣體進入第一孔15，以使得相應通道13的易燃氣體在第一孔15內被均勻化。
[0198]在有利的方法步驟中，在第一孔15內被均勻化的易燃氣體中的至少一些流回至第一層2的相應通道13中或在第一層2的相應通道13之間交換。
[0199]在有利的方法步驟中，第一孔15中的至少一些垂直於流9的方向延伸，以使得相應的第一孔15中的易燃氣體的壓力被均等化，以使得在下面的第一層2或在下面的相應通道13中的易燃氣體的壓力被局部均等化。
[0200]該結構在根據US 7 632 586 B2的兩個堆設計中實現並且在操作中有效。實現了94%的最大燃料轉換，在使用氫氣作為燃料時達到61%的效率，以及使用甲烷時達到69%的效率。這遠高於基於US 7 632 586 B2所公開的反應物流的處理的早期結果。
[0201]由於燃料電池單元中的放熱反應，因此需要燃料電池單元50的主動冷卻，特別地在轉變階段，其可以原理上通過空氣冷卻、或者通過空氣冷卻和在燃料側通過使用甲烷的吸熱蒸汽轉換反應(SMR)的內部冷卻的組合實現。然而，這限於使用蒸汽轉化甲烷作為燃料的系統的類別。
[0202]為了限制CAE單元5和氣體分布結構中的溫度梯度和過量的溫度差，需要單元電池50中冷卻空氣的適當分布。為了限制溫度差，相對於電化學反應本身原本所必須的量需要過量的冷卻空氣。該過量空氣意味著電廠配套設施中的另外損失，特別是由於空氣鼓風機的電力消耗。然而，如果堆中的壓力降很低，這意味著，如果堆中用於空氣的氣體分布結構對空氣流呈現低阻力，則這些損失可以降低。因此，燃料電池以其氧化劑蒸汽入口和出口之間的標稱壓力差操作，標稱壓力差優選地小於50mbar,相應地20,相應地lOmbar。
[0203]利用燃料電池堆應該避免的問題是在電極的通常形成平面層的表面上發展的局部溫度峰。如果這種局部溫度峰發生，則反應動力學可以被改變並且可以形成局部熱點。這種熱點是不期望的，因為其通過使得局部熱膨脹而涉及材料上的高應變，這可能導致所影響的層材料的熱應力、翹曲、褶皺或變形。由於電極或電解質的陶瓷材料是易碎的，它們在經受大量的局部溫度變化的情況下可能裂縫並最終斷裂。這種熱點的發生可以通過增加冷卻空氣流並且通過空氣分布結構的適當設計而急劇下降，空氣分布結構接觸CAE單元並且因此可以用作熱耗散結構。
[0204]此外，燃料電池單元內的溫度梯度可能在CAE單元之外的其他關鍵位置導致不合適的熱應力，諸如在圍繞單元的密封件中以及將燃料分布於堆中的燃料集流部中。這可能導緻密封件的剝離以及有害的洩漏，這都可能導致CAE單元的局部或完全斷裂。
[0205]可以以降低的空氣流操作燃料電池，但是後果是實現空氣入口和出口之間較大的溫度差。該情形的缺點是冷側將遭受低效率的電化學反應，因為大多數電化學處理是被熱激活的。已知一些電極類型，特別地一些陰極材料在這種情況下將隨時間更嚴重地劣化。另一方面，燃料電池的較熱端將經歷被熱激活的其他類型的劣化，例如金屬部件上氧化膜的生長。
[0206]對於燃料電池的性能的另一重要的點是與燃料流的主方向9垂直的、溫度的均勻性。其看起來具有垂直於燃料流的空氣流(所謂的交叉流配置)的堆呈現垂直於燃料流的重要的溫度差，導致由於降低的電化學性能引起的在較冷側的沿著電池的燃料消耗的缺乏。這導致不能以高的燃料轉換率來操作堆，並且因此降低效率。該問題可以通過使用厚互連件來增強內部熱傳送而部分避免，但是以重量和額外成本為代價。
[0207]因此，優選的是在燃料和空氣流平行或在相反方向上流動的情況下操作電池。然而，熱梯度會發生在堆的邊界的附近、燃料流的橫向側上，這是由於利用系統的剩餘部分的熱交換。性能限制的類似問題可以因此在這種情況下發生。因此，感興趣的是以過量的空氣操作燃料電池，這將有助於降低這種類型的梯度。為了相同的目的，感興趣的是以以下方式建立燃料電池:電池的沿燃料流的反應區域的長度大於寬度，即，具有大於1的長寬比。在優選構造中，該長寬比大於1.2，優選地大於1.5，以及優選地大於2。
[0208]因此，感興趣的是降低燃料電池內的熱梯度以及溫度差以提高性能並限制劣化。
[0209]此外，在低冷卻劑流，在堆的芯及其邊界(例如，第一和最後一個燃料電池單元)之間期望較大的溫度差。這不僅因為熱機械原因是有害的，而且由於電化學性能將從一個位置至類似設置在堆中的另一位置變化。因為最大溫度在堆內通常需要被考慮以例如保護密封材料，燃料電池的一些部件將必須以比需要的更低的溫度操作，結果是較冷的元件將以較低的效率操作並且整體性能將降低。
[0210]最終，燃料電池的動態控制在使用較大的冷卻流時增強，因為可以獲得更快的響應並且改善了可控制性。
[0211]然而，使用過量空氣的一個缺點是將有毒物質傳輸至空氣電極。特別地，揮發性鉻已知通過位於堆的上遊的金屬組件釋放並通過空氣流傳輸至堆中。揮發性鉻趨於通過電化學和化學反應沉積在空氣電極中。特別地，揮發性鉻自發地與電極中包含的鍶反應。此外，其可以電化學地在電極/電極界面處沉積為氧化鉻，因此降低了反應部位的數量。不僅鉻，而且矽、硫磺和其他物質已知進一步影響空氣電極的耐用性。
[0212]因此，特別的優點是可以以增大的空氣流操作燃料電池以均勻淬火，同時在氧化劑流上具有低壓力下降以降低附加損失，並且由此僅空氣的一部分與空氣電極接觸以避免汙染。
[0213]此外，有利的是可以改變冷卻空氣和反應空氣之間的比例，諸如以最佳的性能和空氣電極的減少的汙染來操作燃料電池。
[0214]在電解模式中，進一步的優點可以是將從電解反應獲得的富含氧氣的氣體與淬火流分離，以使得能存儲富含氧氣的氣體作為反應產物。在電解模式中，淬火流用於加熱堆以在需要時將熱量提供至吸熱電解反應，並且最終移除整體操作可以變得放熱的相同操作點處的熱量。
[0215]該分離對於將來的燃料電池可以在發電機和電解模式中可逆地使用的應用進一步有利，例如用於在最高產量期間存儲可再生能源並且稍後在發電機模式中重新使用反應產物，包括富含氧氣的氣體作為氧化劑。
[0216]圖9示出包括旁路流體通道35的氣體流分割元件的第一實施例。第二氣體分布元件4配置在CAE單元5和第一氣體分布元件10之間，其中僅示出基底板1。第二氣體分布元件4放置在陰極-陽極電解質單元5上。元件的順序或次序可以反向，此外配置不需要如圖9所示是水平的，其還可以是垂直的或者與水平面以一定角度配置。此外，基底層1、第二氣體分布元件4和陰極-陽極-電解質單元5中的每一個可以是平面堆的一部分或者可以是彎曲的，諸如以形成管狀堆。基底層1給氣體分布元件10提供氣密密封件。
[0217]由此，用於燃料電池或電解裝置的氣體流分割元件包括第二氣體分布元件4，其在圖4的實施例中示出。第二氣體分布元件4包括用於流體流的圖案。流體流的圖案在此示出為矩形橫截面的多個通道20。這些通道是反應物流體通道20的實施例，其意味著用於氧化劑的通道。在圖9中，第二氣體分布元件4包含多個這種反應物流體通道20。
[0218]陰極-陽極-電解質單元5由第一電極51和第二電極53以及夾在第一和第二電極之間的電解質52組成。由用於流體流的圖案形成的反應物流體通道20朝向第一電極51開口。由此，反應物流體可以直接接觸第一電極51的表面。橫向密封元件31配置在第二氣體分布元件4的周圍。如圖3所示，這種橫向密封元件31通常沿著CAE單元5或第二氣體分布元件4的側面配置。形成為旁路流體通道35的氣體分布結構形成在橫向密封元件31之間，並且分離壁元件32提供為用於旁路流體通道35的第二側壁，以允許旁路反應物流體流。橫向密封元件31確保反應物流體，特別是空氣或另一包含氧氣的氣體僅通過反應物流體通道20以及旁路流體通路35。注意，圖9至16僅示出氣體流分割元件的一部分，其剩餘部分優選地是圖9-16所示的部分的鏡像對稱副本。
[0219]如果裝置被操作為燃料電池，則第一電極51是陰極，以及第二電極是陽極53，空氣流被引導至陰極51。氣體流分割元件可以形成燃料電池的單位元件。
[0220]通過旁路通道35和分離元件32，電極汙染可以降低，因為僅進行電化學反應所需的氣體流被引導至電極51。任何多餘的氣體流可以特別地利用分離元件32繞開通過旁路通道35。旁路可以進行冷卻功能，由此旁路流體可以用作冷卻流體。這通過引導汙染氣體通過旁路通道35來實現，以使得氣體流的受汙染的部分可以流動通過通道35。流經第二氣體分布元件4的氧化劑被分離成與第一電極51直接接觸的第一氣體流部分以及形成旁路的第二部分，以限制汙染物在第一電極51上的沉積速度。旁路流體通道35通過分離壁元件32、密封元件31和電極52限制邊界。
[0221]圖10示出氣體流分割元件的第二實施例，其中公開了第二氣體分布元件4，其包括用於淬火流體的多個通道20b和用於氧化劑的多個通道20a，通道20a通過分離元件34分隔開。第二氣體分布元件4夾在基底層1和陰極-陽極-電解質單元5之間，其由第一電極51、第二電極53和電解質52組成。
[0222]圖10的左側角部示出了氣體流分割元件的橫向端部。橫向密封件31設置用於提供氣密密封件，以使得反應物流體可以不被釋放至環境中。此外，分離元件32設置用於提供旁路流體通道35，以用於將反應物流體分割成接觸第一電極51的氧化劑的第一部分以及不接觸第一電極51的氧化劑的第二部分。由此，剩餘的氧化劑繞開通過旁路流體通道35。由此，可以避免電極的不必要的汙染。
[0223]氧化劑的第三部分可以流經氣體分布通道20b。由此，氧化劑的第三部分可以用作冷卻流體。由此，通過電化學反應生成的任何熱量可以從陰極-陽極-電解質單元5傳導出去，以提供穩定的反應條件。
[0224]另外的旁路通道可以期望在第二氣體分布元件4的面向基底層1的側面上。另外的旁路通道35a通過密封件31的內表面、基底層1、第二氣體分布元件4的最外部分離壁元件32和形成分割元件的分離元件34來限定。
[0225]圖10C示出另一實施例，其中，附加的旁路通道35g沿著橫向密封件31但在橫向密封件31外側延伸。存在連接通道35、35g的流體傳導通道35f。附加旁路通道35、35g的至少一個以流體傳導方式連接。
[0226]圖11示出空氣流分割元件的第三實施例，圖12示出空氣流分割元件的第四實施例。圖11和圖12的實施例具有與圖10相同的構造並因此參考圖10。
[0227]根據第三和第四實施例，密封元件31包含旁路流體通道35b。旁路流體通道35b可以完全集成至密封元件31中，如圖11所示。可替換地，旁路流體通道35b可以通過上側的基底層1限制並且形成為密封元件31中的槽，如圖12所示。旁路流體通道可以在密封元件31中被蝕刻、衝壓或壓花。
[0228]圖13示出氣體流分割元件的第五實施例。再次，氣體流分割元件的構造示出與圖10-12相同的元件。然而，根據圖13，基底層1包含旁路流體通道35b。該旁路流體通道35b形成為基底層1中的槽。旁路流體通道35b可以在基底層中被蝕刻或壓花。在其下端部，該旁路流體通道35b通過密封元件31限定。
[0229]圖14示出氣體分割元件第六實施例。
[0230]根據圖14所示的實施例，多個氣體分布結構36期望在基底層1中。這些氣體分布結構36可以被配置為多個分離流體通道，特別地氣體流通道36。通道可以被成形為圓形或矩形橫截面的管。可替換地，基底層可以包含槽。類似於根據圖11、12或13的實施例的分離元件34的分離元件可以被添加，然而其未在圖中示出。
[0231]圖15和圖5a不出氣體流分割兀件的第七實施例。第二氣體分布兀件4根據本實施例被成形為具有波紋的薄板，由此波紋狀薄板。這些波紋形成由一系列波峰和波谷組成的結構。波谷之上的開放空間和波峰之下的開放空間形成與電解質51接觸時的氧化劑通道20以及與基底層1接觸時的冷卻流體通道36。波紋狀薄板由此形成分隔元件38。分隔元件38包括氣體分布結構37，其具有面向陰極-陽極-電解質單元5以形成反應物流體通道20的第一表面39以及面向基底層1的第二表面39a。由此，形成分離流體通道。分離流體通道用於循環冷卻流體，特別地冷卻空氣。最外部通道是旁路通道35。旁路通道35以陰極-陽極-電解質單元5、密封元件31和分離元件32為邊界，分離元件32由分隔元件38的波谷的一部分形成。根據本實施例，分離元件32和分離元件38由單一片形成。
[0232]圖16和16a示出氣體流分割元件的第八實施例，其不同於圖15和15a所示的實施例之處在於，分離元件38的分離元件部分32提供對於密封元件31的支撐。附加旁路通道35由形成分離元件部分32的波谷形成。形成反應物流體通道20或分離流體通道37或旁路流體通道35的通道的尺寸可以變化，由此，波紋的形狀可以變化，以及由波谷或波峰中任一者形成的獨立通道的橫截面可以變化。
[0233]根據前述實施例中任一個的氣體流分割元件可以包括具有第一層2和第二層3的氣體分布元件10。第一層2和第二層3設置有用於流體流的圖案，以及第二層3是均勻化元件，其具有孔6，孔6具有長度7和寬度8。長度7大於寬度8，並且寬度8在與流體流9的主方向的垂直方向上延伸，如圖2-8所不。基底層1將氣體分布兀件10與第二氣體分布元件4分隔開。燃料電池和電解裝置可以包括根據前述實施例中任一個的氣體流分割元件。
[0234]圖16B示出固態氧化物燃料電池或固態氧化物電解電池，包括:
[0235]a)多個陰極-陽極-電解質單元5，每個CAE單元5包括
[0236]-用於氧化劑的第一電極51，
[0237]-用於易燃氣體的未示出的第二電極53，
[0238]-以及在第一電極51和第二電極53之間的固態電解質52，以及
[0239]b) CAE單元5之間的互連件40，互連件40包括:
[0240]-限定氧化劑流的氧化劑流方向40c的氧化劑入口側40a和氧化劑出口側40b,
[0241]-第一氣體分布元件10，包括用於易燃氣體的內側的氣體分布結構，其中第一氣體分布元件10與CAE單元5的第二電極53接觸，以及
[0242]-第二氣體分布元件4，包括用於氧化劑的通道20，通道20將氧化劑入口側40a與氧化劑出口側40b連接，其中，用於氧化劑的通道20與相鄰CAE單元5的第一電極51接觸，以及
[0243]-用於氧化劑流的至少一個旁路通道35，在氧化劑流方向40a上延伸並且被配置為使得旁路通道35不與第一電極51接觸。密封材料200釋放汙染物201以使得產生包括汙染物201的流202。存在幾個釋放汙染物201的部位204。
【權利要求】
1.一種固態氧化物燃料電池或固態氧化物電解電池，包括: a)多個陰極-陽極-電解質單元(5)，每個CAE單元(5)包括 -用於氧化劑的第一電極(51)， -用於易燃氣體的第二電極(53), -以及在所述第一電極(51)和所述第二電極(52)之間的固態電解質(52)，以及 b)所述CAE單元(5)之間的互連件(40),所述互連件(40)包括: -限定氧化劑流的氧化劑流方向(40c)的氧化劑入口側(40a)和氧化劑出口側(40b)， -第一氣體分布元件(10)，包括用於所述易燃氣體的氣體分布結構(11)，其中所述第一氣體分布元件(10)與所述CAE單元(5)的第二電極(53)接觸，以及 -第二氣體分布元件(4)，包括用於所述氧化劑的通道(20)，所述通道(20)將所述氧化劑入口側(40a)與所述氧化劑出口側(40b)連接，其中，用於所述氧化劑的通道(20)與相鄰CAE單元(5)的第一電極(51)接觸，以及 -用於所述氧化劑流的至少一個旁路通道(35)，在氧化劑流方向(40a)上延伸並且被配置為使得所述旁路通道(35)不與所述第一電極(51)接觸。
2.根據權利要求1所述的固態氧化物燃料電池，其中，所述第二氣體分布元件(4)包括形成所述旁路通道(35)的分離元件(32)，用於將所述氧化劑流分割成接觸所述第一電極(51)的氧化劑流的第一部分和不接觸所述第一電極(51)的氧化劑流的第二部分。
3.根據前述權利要求中任一項所述的固態氧化物燃料電池，包括橫向密封件(31)，其配置在所述CAE單元(5)的兩側並在所述氧化劑流方向(40c)上延伸，其中所述旁路通道(35)沿著所述橫向密封件(31)延伸。
4.根據權利要求3所述的固態氧化物燃料電池，其中，所述橫向密封件(31)是所述旁路通道(35)的外側壁。
5.根據權利要求3或4所述的固態氧化物燃料電池，其中，附加旁路通道(35a)在所述橫向密封件(31)內延伸。
6.根據權利要求3或4所述的固態氧化物燃料電池，其中，所述附加旁路通道(35a)在所述橫向密封件(31)與相鄰第一氣體分布元件(10)的至少一個之間的界面處延伸。
7.根據權利要求3或4所述的固態氧化物燃料電池，其中，不流體接觸所述第一電極(51)的附加旁路通道(35a)在所述氧化劑流方向(40c)上延伸，並且通過所述第二氣體分布元件(4)與所述橫向密封件(31)和/或相鄰第一氣體分布元件(10)中之一的任意組合來限定。
8.根據權利要求3-7所述的固態氧化物燃料電池，其中，所述附加旁路通道(35g)沿著所述橫向密封件(31)但在所述橫向密封件(31)外側延伸。
9.根據權利要求6所述的固態氧化物燃料電池，其中，所述旁路通道(35)和所述附加旁路通道(35，35g)中至少之一以流體傳導方式連接。
10.根據前述權利要求中任一項所述的固態氧化物燃料電池，所述固態氧化物燃料電池包括集流部密封件，並且所述旁路通道(35，35a，35g)中至少之一以以下方式配置在所述集流部密封件的下遊:從密封材料釋放的汙染物進入所述旁路通道(35，35a，35g)中至少之一。
11.根據前述權利要求中任一項所述的固態氧化物燃料電池，其中，所述第二氣體分布元件(4)包括與所述第一氣體分布元件(10)接觸的通道(20b)，以使得從所述氧化劑入口側(40a)流動至所述氧化劑出口側(40b)的氧化劑被分離出第三部分，所述第三部分流動通過通管道(20b)而不接觸所述CAE單元(5)的第一電極(51)。
12.根據前述權利要求中任一項所述的固態氧化物燃料電池，其中，所述第二氣體分布元件(4)是波紋狀金屬薄板。
13.根據前述權利要求中任一項所述的固態氧化物燃料電池，其中，所述分離元件(32，34，38)具有使得所述氣體分布結構(35)被配置為旁路流體通道的分離壁元件(32)或使得所述氣體分布結構(33，36，37)被配置為分離流體通道的分隔元件(34，38)。
14.根據前述權利要求中任一項所述的固態氧化物燃料電池，其中，所述分離元件(32，34，38)被配置為附接有用於分布冷卻流體的氣體分布結構(34，37)的分隔元件(34，38)或者集成或附接有用於分布冷卻流體的氣體分布結構(36)的基底層中之一。
15.根據前述權利要求中任一項所述的固態氧化物燃料電池，其中，所述分離元件(32，34，38)是至少分段連續的薄板元件或包含用於流的部分混合的開口的薄板元件中的至少之一。
16.根據前述權利要求中任一項所述的固態氧化物燃料電池，其中，設置密封元件(31)以用於相對於環境密封用於所述第二氣體分布元件(4)的流體流的圖案。
17.根據權利要求16所述的固態氧化物燃料電池，其中，形成分割流體通道(35)的氣體分布結構被配置在所述密封元件(31)內或鄰近所述密封元件(31)或在所述密封元件(31)和用於反應物流體的第二部分的分離元件(32，34，38)之間。
18.根據權利要求17所述的固態氧化物燃料電池，其中，所述密封元件(31)是配置在所述第二氣體分布元件(4)的周圍處的橫向密封元件。
19.根據權利要求14-18中任一項所述的固態氧化物燃料電池，其中，所述基底層(I)設置在所述第二氣體分布元件(4)的與所述陰極-陽極-電解質單元(5)相對的側面上。
20.根據權利要求19所述的固態氧化物燃料電池，其中，所述基底層(I)包含形成冷卻流體通道的氣體分布結構(36)。
21.根據前述權利要求中任一項所述的固態氧化物燃料電池，其中，所述分離元件(32，38)形成為波紋狀薄板。
22.根據權利要求21所述的固態氧化物燃料電池，其中，所述波紋狀薄板提供用於所述密封元件(31)的支撐。
23.根據權利要求21或22所述的固態氧化物燃料電池，其中，所述分離元件(38)包括氣體分布結構(37)，所述氣體分布結構(37)具有面向所述陰極-陽極-電解質單元(5)以形成所述反應物流體通道(20)的第一表面(39)以及面向所述基底層(I)以形成所述分離流體通道的第二表面(40)。
【文檔編號】H01M8/24GK104396069SQ201380030623
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2013年6月11日 優先權日:2012年6月11日
【發明者】Z·維勒明 申請人:Ht切拉米克斯有限公司