用於燃料電池的氣體分布元件的製作方法

2023-10-04 18:28:59 1

用於燃料電池的氣體分布元件的製作方法
【專利摘要】一種用於燃料電池或電解裝置的氣體分布元件(10)包括第一層(2)和第二層(3)，所述第一層(2)和第二層(3)設置有形成用於第一反應物流體的流體流的圖案的氣體分布結構(11)。第二層(3)是均勻化元件，其具有第一孔(15)，其中，第一孔(15)中的至少一些具有長度(28)和寬度(29)，長度(28)大於寬度(29)，以及長度(28)在與流體流(9)的主方向垂直的方向上延伸。
【專利說明】用於燃料電池的氣體分布元件

【技術領域】
[0001]本發明涉及用於燃料電池或電解裝置的氣體分布元件，特別地用於將反應物流體分布至燃料電池或電解裝置的電極的氣體分布元件。

【背景技術】
[0002]燃料電池是用於通過進行電化學反應將存儲在燃料中的化學能直接轉換成電能的電化學裝置。在大多數情況下，氧氣或氧離子與氫氣、⑶或其他燃料反應，由此生成電子流並最終提供電流和熱量。
[0003]反應利用還原劑和氧化劑作為反應物，其被持續供給至燃料電池，通常使用氫氣作為還原劑，並且使用氧氣或包含氧氣的空氣作為氧化劑。
[0004]在大多數情況下，燃料電池可以被反向使用以進行電解反應，其中，電流以及可能地還有熱量需要被提供。為了簡單，以下僅描述了燃料電池操作模式。
[0005]燃料電池電力系統一般地包括以下部件:一個或多個燃料電池堆、以及也被稱為電廠配套設施的輔助設備。燃料電池堆由單獨的重複單元製造，所述重複單元被模塊化組合併電連接。單獨的重複單元包含一個或幾個電池薄膜，其中發生如上所述的電化學反應。重複單元還包含供給反應物的部件，從而允許電接觸或密封等。
[0006]輔助設備提供原料流的調節，由此以合適的溫度和壓力條件提供空氣或氧氣和燃料，以及提供可選的燃料處理器或燃料轉化器。此外，輔助設備可以包括熱交換器，其用於適當地控制燃料電池堆的溫度並且利用通過電化學反應生成的熱能來預熱燃料或氧化劑原料流，並且將有用的熱量輸送至用戶。這種熱交換器的例子在肌)2006/04842941中公開。
[0007]輔助設備還可以包括電能管理系統。
[0008]電池薄膜通常由在其任一側與陽極和陰極接觸的電解質組成。電解質是離子導體，但是電絕緣體。在作為燃料電池操作時，燃料被持續供給至陽極，由此負電極，氧化劑被持續供給至陰極，由此正電極。電化學反應在電極處發生以在電流被允許經由外部電路流出/流入相應電極時產生通過電解質的離子電流，由此允許對負載做功。
[0009]如上所述包括電池薄膜的單元電池可以具有不同的形狀，諸如板或管狀結構。每個電池薄膜必須被電接觸。另外，反應氣體必須被適當地分布在電極的表面上以最大化反應的效率。這例如通過創建與電極的表面接觸的特定幾何結構的氣體分布層來實現。因此，電傳導和氣體分布通常在特定部件中組合。與電池薄膜和另外的單獨部件一起，該子組件表示燃料電池堆的一個重複單元。
[0010]對於平面電池薄膜，單獨的重複單元通常相互放置在另一個的頂部以形成堆。
[0011]在該情況下，在重複單元中，氣體分布層不僅用於將反應物傳輸至電極，還將電流從第一電池薄膜的一個電極傳導至另一電池薄膜的第二電極，由此串聯連接幾個電池。
[0012]在單元電池中，緻密電解質提供物理屏障以防止燃料和氧化劑氣體流直接混合。在平面堆中，雙極板通常確保相鄰重複單元之間的氣體的相同隔離，還提供經由氣體分布層的電接觸。
[0013]大量的催化劑點設置在電解質層和電極之間的界面處，由此提供具有針對電子和離子的混合電導率的區域。燃料電池薄膜的性能通過增大電解質的電導率、發展更優的電極催化活性和反應物傳輸，並擴大電池可以操作的溫度範圍而持續改進。
[0014]電極通常是多孔的並且由導電並且可能離子導電的材料製成。在低溫下，僅一些相對稀少和昂貴的材料提供充分的電催化活性，由此在這些情況下，少量的催化劑沉積在多孔電極和電解質之間的界面處。在高溫燃料電池中，較大量的材料由於其電催化活性的提高而能夠用作電極材料。
[0015]多孔電極由此具有提供用於發生電化學反應的表面的主要功能。另外，它們的功能是傳導電子離開或者進入三相界面，並提供電流採集和與其他電池或負載的連接。
[0016]儘管電池薄膜的性能主要歸因於材料的選擇、它們的大小或微結構以及它們組合在一起的方式，但燃料電池堆的性能在很大程度上還取決於反應物在電池薄膜上的分布的特徵、電極的電接觸、以及不同重複單元之間的反應物流和溫度的均勻性。最後同樣重要的是，燃料處理和操作點的選擇對燃料電池的性能和壽命具有重要的影響。
[0017]已經開發了各種燃料電池並且其當前處於商業化的各個階段。燃料電池的最常用分類與所使用電解質的類型有關，諸如，固態氧化物燃料電池(30%)、聚合物電解質燃料電池、鹼性燃料電池磷酸燃料電池八?0或熔融碳酸鹽燃料電池(1(:%)。
[0018]聚合物電解質燃料電池$2%)具有電極，其被配置為離子交換薄膜，特別地氟磺酸聚合物，其具有作為良好的質子導體的特性。燃料電池中僅存的液體是水，因為燃料通常是提供氫離子的碳氫燃料，並且氧化劑是提供用於進行電化學反應的氧氣的空氣。操作溫度通常小於1001，因為薄膜必須與水化合，並且因此這種水不應該比化合更快地蒸發。由此，優選地，操作溫度在大約601至801。通常，針對陽極和陰極都使用具有鉬電催化劑的碳電極。雙極或隔離板由碳或金屬製成。燃料不應該包含任何⑶，因為陽極容易被微量的00的汙染。對於的重要的商業應用是燃料電池車輛、以及電解器。
[0019]鹼性燃料電池0%)具有1(0?電解質，其保持在例如由石棉製造的基質中，並且可以使用寬範圍的電催化劑，例如附、八8、金屬氧化物、尖晶石、貴金屬。電解質中的電荷載體是離子。
[0020]如果使用大約85重量％的濃度的1(0！！，則操作溫度通常為大約2501，以及如果使用濃度為35%?50%的1(0?，則操作溫度可以低於1201。燃料可以不包含任何⑶或任何(?，其將與電解質反應為以03，由此改變它。由此，優選地，使用純氫氣作為他的燃料。通常，由過渡金屬組成的電極與鉬電催化劑一起使用，其針對陽極和陰極使用；雙極板由金屬製成。
[0021]磷酸燃料電池八?0使用高濃度的磷酸作為電解質，其包含在例如由碳化矽製成的基質中，並且鉬通常用作電催化劑。在電解質中傳輸的離子是質子。？八?的通常操作溫度在1501和2201之間，這是由於濃縮的磷酸甚至在這些相對高的溫度下也具有高穩定性。在較低的溫度下，磷酸是弱離子導體，並且發生鉬電催化劑的(?汙染。在較高的操作溫度下，作為稀釋劑的高達1%的⑶含量是可接受的。通常，針對陽極和陰極都使用由碳組成的電極；雙極板由石墨製成。由於磷酸的腐蝕性質，必須使用諸如石墨的昂貴材料。
的使用的主要領域是靜態應用。
[0022]熔融碳酸鹽燃料電池使用鹼金屬碳酸鹽的組合作為電解質，其保持在11八102的基質中。1(:%的通常操作溫度是大約6001和7001，其中，鹼金屬碳酸鹽形成高導電熔融鹽，其中碳離子提供離子導電。陽極通常由鎳組成，陰極由氧化鎳組成，相連物由不鏽鋼或鎳製成。鎳/氧化鎳電極提供在高操作溫度下的足夠的活性，由此不需要電催化齊0。燃料可以包括⑶和碳氫化合物；此外，在陰極處需要(?的源，其可以由來自陽極的廢料提供。的使用的主要領域是靜態應用。
[0023]固態氧化物燃料電池(30%)使用固態電解質，其是無孔金屬氧化物，諸如3 % -10 %的氧化釔穩定的氧化鋯(132)(其是由1203穩定的21^)、或者&11203摻雜的0002 (800或者％02摻雜的仏02 (⑶0。30%的通常操作溫度取決於電解質材料並且是大約5001直到11001，其中氧離子提供離子導電。陽極和陰極通常還包括陶瓷材料。燃料電極通常由形成金屬陶瓷的金屬和陶瓷的組合物製成，例如，主要是附432金屬陶瓷。氧電極通常包括導電摻雜的鈣鈦礦、或者鈣鈦礦和諸如132或0)(:的離子導電陶瓷的組合。通常用作陰極的鈣鈦礦包括匕、&'、的組合。雙極板通常由不鏽鋼製成。
[0024]關於用於陰極、陽極和電解質的可能成分以及可選的中間層和催化劑的另外信息可以在通過引用包含的…7 632 586 82中找到。
[0025]燃料在氫氣之外可以包括⑶和其他碳氫化合物，諸如甲烷或氨氣，而僅％和⑶容易被電化學轉換。其他燃料被間接消耗或在被轉換之前需要分解步驟。此外，30%可以容許由諸如的惰性氣體或流稀釋的燃料。在碳氫化合物中，其可以是天然氣、汽油、柴油或沼氣。然而，這種類型的燃料電池對包含在燃料中的一些有害元素保持敏感，諸如硫磺，特別是和⑶義其在1卯III以上的濃度被認為是抑制劑。
[0026]電池薄膜的陰極-陽極-電解質單元由把電解質夾在中間的兩個多孔電極構成。空氣沿著陰極流動，由此將氧氣分子傳輸至陰極。當氧氣分子接觸陰極/電解質界面時，其需要來自陰極的電子。氧氣離子擴散至電解質材料中並且移動至電池的它們接觸陽極的另一側。氧氣離子在陽極/電解質界面處遇到燃料，並且催化地反應，由此產生水、二氧化碳、熱量和電子。電子被供給至用於提供電能的外部電路。
[0027]30%的使用的主要領域是靜態應用，諸如靜態發電、移動電源、車輛輔助電源、專門應用。通常由30%實現的功率密度對於固定應用來說在200-50001/(^2的範圍中。
[0028]80？0是始於20世紀50年代後期的經歷了最長持續發展時期的燃料電池。由於固態電解質被預見的事實，電池薄膜可以形成為各種形狀，諸如管狀、平面或整塊形狀。電效率很大程度上取決於所使用的燃料。通過使用氫氣作為燃料，可以實現處於45% -55%(1^)的範圍的電效率，在重複單元的水平最大接近60%。通過使用甲烷作為燃料，由於接近70%的堆電效率可以實現60%的系統電效率。此外，酸性氣體或任何固體的排放是可忽略的。
[0029]在冊2006/048429中公開了固態氧化物燃料電池系統的配置，其用於通過氧氣和反應氣體的組合(即燃料氣體)來生成電力。固態氧化物燃料電池包括堆配置，其包括夾在兩個電極之間的電解質層。在大約5001至大約11001的操作溫度下，電極中的一個與氧氣或空氣接觸而工作，另一個電極與燃料氣體接觸。通常，在電池的生產期間，使用支撐層來包含電極層並提供電池的另外的機械穩定性。支撐層還可以用作集電器。
[0030]陰極包括鈣鈦礦、鑭或鍶錳酸鹽、或者氧化釔穩定的氧化鋯。氧離子由在陰極處提供的氧氣形成，其遷移通過電解質層以與在陽極處提供的氫氣組合。陽極包括鎳和/或氧化釔穩定的氧化鋯。在陽極處，形成水並提供電子，電子在集電器處收集。
[0031]燃料電池系統的一個特性是它們的效率幾乎不受尺寸影響。這意味著可以發展小的相對高效率的電廠，從用於家庭電聯產單元的幾欣至低麗容量的電廠。
[0032]通常與燃料電池有關的問題是單電池薄膜僅生成約IV的IX:電勢，其對於用於住宅或汽車應用來說太小。為此，多個電池薄膜被組合成串聯電連接的電池薄膜的堆以提供足夠大小的電壓來被有效轉換成⑷電流並在大部分商業應用中使用。
[0033]通常的堆由部分地串聯和並聯的幾十至幾百個電池薄膜製造，一些設計甚至包括幾千個電池。
[0034]因此，重複單元的堆的組裝應該一方面需要儘可能少的組裝步驟，以及另一方面保證對於每個電池薄膜的適當操作條件。
[0035]由於重複單元的串聯連接，對單個電池薄膜的任何性能限制可能對堆的整體性能具有重要的影響，因為其會限制可以被驅動的整體電流，以及因此所產生的電功率。
[0036]堆構造取決於所使用的電池薄膜的類型。第一主要類別的堆使用諸如在冊01/91218八2中提出的管狀電池薄膜。
[0037]第二類堆使用可以通過堆起而互相連接的平面電池薄膜。其中，主要的差異涉及燃料和氧化劑供給的類型和幾何形狀、或者在電極上的氣體分布的設計以及它們的電接觸。
[0038]例如在2？ 1 864 347 81中提出的第一個設想是圓柱形的堆。由此，電池薄膜是盤狀陶瓷三層薄膜，其由正電極、電解質和負電極組成單元)。燃料在中央通道中供給並徑向向外引導，包含氧氣的氣體從外部朝中央通道供給。
[0039]在…2011/0269048「中，示出了基於矩形電池薄膜的堆設想，其中，所述薄膜被附接至提供燃料入口和出口的氣體分布單元，以及其中，氧化劑在所述氣體分布單元的圓周處被供給和提取。為了改進在電池薄膜的表面上流動的氣體的氣體分布，氣體通道是彎曲的。先前，在電池薄膜的氣體進入和離開部分處的管狀分支對氣體流造成障礙，其導致在電池薄膜上流動的氣體的不均勻的流動場。根據口32011/0269048「，提出了彎曲的氣體通道，其將障礙周圍的氣體引導至障礙後面的區域。由此，可以獲得氣體流的更均勻的分布，並且障礙對氣體流的負面影響被補償。
[0040]在2？ 1 864 347 81中提出的解決方案的反應物供給和排放根據…7 632 58682需要用於互連板的相對複雜的製造程序。為了避免這個，平面單元一個疊一個地放置，且互連層形成為在相鄰「2單元之間配置的平面金屬板。用於燃料和氧化劑的相應通道在陽極和陰極層中形成。
[0041]此外，0^2單元的膨脹的影響和用於向012單元供給反應物並將反應物從其引導出的結構需要被考慮。
[0042]此外，電極和界面在達到過度的溫度時趨於退化。
[0043]由於放熱反應，需要單元電池的主動冷卻，其可以主要通過空氣冷卻來實現。為了限制單元和氣體分布結構中的溫度梯度和過度溫度差異，需要在單元電池中適當分布冷卻空氣。為了限制溫度差異，相對於電化學反應本身需要的量，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額外損失，特別是由於鼓風機的消耗。然而，在堆中的壓力降很小的情況下，即，在堆中用於空氣的氣體分布結構對空氣流呈現低阻力的情況下，這些損失可以減少。
[0044]使用過量空氣的另外的缺點是將有毒物質傳輸至空氣電極。特別地，揮發性的鉻已知為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。揮發性的鉻趨於通過電化學和化學反應沉積在空氣電極中。特別地，揮發性的鉻自然地與包含在電極中的鍶反應。此外，其可以在電極/電極界面處電化學地沉積為氧化鉻，因此減少反應部位的數量。不僅鉻，還有矽、硫和其他種類已知會進一步影響空氣電極的耐用性。
[0045]與現有技術的燃料電池堆有關的問題是在通常形成平面層的電極的表面上發展的局部溫度峰值。
[0046]如果這種局部溫度峰值發生，反應動力學可能改變並且可能形成局部熱點。這種熱點是不期望的，因為其涉及通過使得局部熱膨脹而導致的材料上的高應變，其可能導致所影響的層材料的扭曲或變形。由於電極或電解質的陶瓷材料是易碎的，它們可能在經過程度大的局部溫度變化的情況下裂縫並最終破裂。
[0047]這種熱點的發生可以通過增加冷卻空氣流並通過空氣分布結構的適當設計而急劇減少，空氣分布結構接觸「2單元並因此可以用作散熱結構。
[0048]熱應變的影響可以基本上通過具有與在…6 670068 81所示類似的構造的堆進一步緩和。由此，多個「2單元與接觸板進行導電接觸，流體引導元件形成為有形的片金屬部件，並通過熔接或焊接以不漏流體的方式連接至接觸板。由此，接觸板限定流體室，易燃氣體或氧化劑在燃料電池單元的操作期間流經流體室。有形的片金屬部件設置有多個波紋，從而給出波狀結構。這樣的波狀結構可以在操作中補償單元以及流體引導元件的一些熱膨脹中。然而，由于波峰或波谷與相應電極的局部接觸，流體引導元件必須跟隨電極的熱膨脹。如果流體引導元件不具有足夠的彈性，則由於熱膨脹引起的應變被引入電極中。電極由固態的易碎的陶瓷形成。由此，如果高應變被引入電極中，可能形成裂縫，其將最終損壞電極。另外，在流體引導元件和陽極之間提供的熔接或焊接還有助於結構的硬度。特別地，如果使用具有不同熱膨脹係數的材料，應變可能最終導致電極的損壞並可能損壞有關的電池薄膜。特別地，如果電池薄膜損壞，反應物的流可能改變，或者它們的直接混合可能發生，從而導致自發的燃燒。由此，熱點可能局部上形成，其可能引起局部熱膨脹並由此局部應力的進一步發展。
[0049]在冊2004/021488中提供了用於緩和熱應變和熱膨脹的影響的另外的解決方案。該解決方案預見了包圍燃料通道的第一和第二箔式元件的框架。「2單元附接至第一箔式元件，陽極在燃料通道的相反側緊鄰第一箔式元件配置。燃料通過穿過第一箔式元件到達陽極，第一箔式元件為此目的而設置有穿孔。第二箔式元件是不漏流體的並用作分隔元件，以將燃料流與包含諸如空氣的氣體的氧化物的流分隔。通過在燃料通道中提供線網並通過在燃料通道的相反側在第二箔式元件上提供另一線網來確保好的電接觸。肌)2004/021488的支撐結構可以由此彎曲自由地膨脹，並且「2單元至箔式元件的緊密結合起到散熱結構的作用。
[0050]由此，本發明的目標是改進現有的燃料電池，以使得它們更可靠並允許更便宜的製造。


【發明內容】

[0051]本發明的目標通過具有性能增加的用於燃料電池或電解裝置的氣體分布元件來實現，特別地通過具有氣體分布元件的固態氧化物燃料電池(進一步被稱為或固態氧化物電解裝置(進一步被稱為3020來實現。特別地，本發明允許提供反應氣體至負燃料電極的均勻分布，其對於燃料電池(特別是30%或3020的性能是有利的。此外，其改進了電極上以及最終包括陰極-電解質-陽極單元的單元電池上的溫度分布。
[0052]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2-13進一步涉及本發明的有利結構或實施例。權利要求14涉及燃料電池或電解裝置。權利要求15涉及操作燃料電池或電解裝置的氣體分布元件的方法。
[0053]用於燃料電池或電解裝置的氣體分布元件能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燃料電極適當電接觸。本發明由此涉及氣體分布元件及其在燃料電池或電解裝置堆中的構造。
[0054]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這種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或雙極板串聯連接多個單元電池。
[0055]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，所述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、以及最終地第二反應物流體的流體流的圖案。
[0056]第二層是均勻化元件，其具有第一孔，其中，第一孔中的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的垂直方向上延伸。由此，所述圖案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。氣體分布結構還包括孔，其形成通道結構或通道系統的圖案。
[0057]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。
[0058]如果氣體分布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。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，或者是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4、~2、40、00, (?、氨氣、(?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。
[0059]對於固態氧化物燃料電池或電解裝置，必要的是，反應物流體被均勻分布至並遍及相應電極，以最大化效率並保證可靠的操作。實際上，這需要形成為通道系統或多孔結構的氣體分布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，涉及非常緊密的製造公差並因此發生高成本。
[0060]均勻化元件可以包括第二孔。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。這些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:在特別地在第一層中形成孔的氣體分布結構內流動的流體可以通過配置在第一層上的氣體分布結構而被引導至第二層的孔。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，這由於以下事實: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。
[0061]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。氣體分布結構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(諸如連續或斷續的泡沫結構這些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，其形成氣體分布元件以及第二層或均勻化層。
[0062]氣體分布元件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。
[0063]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氏、00, 002、40、氨氣或含碳氣體中至少之一。
[0064]可以提供第三層，其特別地是基底層。另外，可以提供支撐層，其特別地用作用於氧氣電極的氣體分布層。
[0065]氣體分布元件具有以下優點: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。
[0066]在實施例中，在瑞士聯邦理工學院伍？？0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2501111/01112的功率密度在7501下操作。
[0067]利用這種效率，使用30%技術的欣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的麗大小的電廠的集中式發電更高效。
[0068]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。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0.51^1的堆和優選地2.5砑的堆。
[0069]根據實施例，第一層的氣體分布結構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。條元件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。
[0070]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。在氣體分布元件中，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。
[0071]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。
[0072]形成附加層的支撐層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，由此允許更高效地利用由單元提供的整個反應表面。
[0073]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蓋印或蝕刻製造。根據可替換實施例，支撐層與第一層形成單片。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。支撐層可以配置在基底層或第一層的相反側上。
[0074]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。
[0075]特別地，第一孔的總開口面積是陰極-陽極-電解質單元的負電極的總接觸表面的至少20 %，優選地總接觸表面的至少約30 %，最優選地總接觸表面的至少約50 %。由此，獲得流經氣體分布元件的氣體的橫向分布，其允許更均勻的流體分布以及最終更均勻的流體溫度。
[0076]用於操作燃料電池或電解裝置的氣體分布元件的方法包括以下步驟:第一反應物流體沿著氣體分布元件的第一側流動，第二反應物流體沿著氣體分布元件的第二側流動，並且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、帶電離子和電子，以使得帶電離子可以穿過電解質以進行電化學反應。氣體分布元件包括第一層和第二層，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，其中，第二層是均勻化元件，其包括具有長度和寬度的第一孔或第二孔，長度大於寬度並且第一孔中的至少一些的長度在與流體流的主方向垂直的方向上延伸以使得穿過均勻化元件的流均勻地分布在第二層的表面上。由此，反應表面大部分對應於氣體分布兀件的表面，並且電化學反應在均勻化元件的整個表面上均勻地進行。
[0077]80？0的主要應用是以下領域:遠程供電、分布式發電、熱電聯產(⑶?)、用於卡車、公共汽車和輪船的輔助供電裝置、可攜式能源以及高效的沼氣轉換。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0078]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。結合燃料電池詳細描述本發明。明顯的是，本發明還涉及電解裝置。
[0079]圖1是系統的示意圖。
[0080]圖2是根據本發明第一實施例的氣體分布元件的等距視圖。
[0081]圖3是根據本發明第二實施例的單元電池的截面圖。
[0082]圖4是本發明第三實施例的單元電池的分解視圖。
[0083]圖4八是支撐層的放大視圖。
[0084]圖48是氣體分布元件的另一實施例的分解視圖。
[0085]圖4(:是氣體分布元件的另一實施例的分解視圖。
[0086]圖40是第二層、均勻化層的另一實施例。
[0087]圖42是第二層、均勻化層的另一實施例。
[0088]圖5是氣體分布元件的兩個相鄰層的部分頂視圖。
[0089]圖6八是氣體分布元件的穿孔層的部分頂視圖。
[0090]圖68是圖6八的沿線六-八的截面。
[0091]圖6(:是圖6八的沿線8-8的截面。
[0092]圖60是圖4的沒有支撐層的沿線的理想氣體分布元件的放大截面。
[0093]圖62是沒有均勻化層的氣體分布元件的截面。
[0094]圖6？是包括均勻化層的氣體分布元件的圖4的沿線0(:的放大截面。
[0095]圖6(}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。
[0096]圖6?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。
[0097]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。
[0098]圖61(是沒有均勻化層的氣體分布元件的截面。
[0099]圖61是如圖61(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。
[0100]圖7八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。
[0101]圖78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。
[0102]圖7(: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。
[0103]圖70是具有根據圖78所示的情況的流的燃料電池單元的堆上的視圖。
[0104]圖72是具有根據圖7(:所示的情況的流的燃料電池單元的堆上的視圖。
[0105]圖8是堆的燃料電池單元的多個連續層的截面。
[0106]圖8八是圖8的詳細截面圖。
[0107]圖88是燃料電池堆的示意側視圖的截面。

【具體實施方式】
[0108]圖1示出根據本發明的固態氧化物燃料電池(30%)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。
[0109]堆可以如…763258682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1欣的遠程和微型熱電聯產(⑶?)應用。其特徵是低壓力降並且可以實現1&1/1或4001111/(^12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^8 763258682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。
[0110]利用將本發明與…763258682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…763258682公開的反應物流的單獨處理的早期結果。
[0111]對於反應物的分布，預期了氣體分布元件10，其在圖2中詳細示出。氣體分布元件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，理解為由陰極-陽極-電解質單元5和氣體分布元件10組成的單元。
[0112]氣體分布元件10用於將至少易燃氣體提供至相應電極。
[0113]在另一有利實施例中，氣體分布元件10也用於將包含氧氣的反應物(指氧化劑)和燃料(指易燃氣體)提供至相應電極。在該實施例中，氣體分布元件10用於將第一反應物流體(富含氧氣)和第二反應物流體(包含燃料)提供至相應電極。圖2中公開的氣體分布元件10包括燃料入口 26和燃料出口 2(3，以使得由入口 26提供的燃料在從入口 26至出口 2^的流9的直線方向上在氣體分布元件10內流動。在圖2中，第一層2被配置在第二層3下方。
[0114]對於作為燃料電池單元50(其在此也稱為單元電池50)的操作，將包含氧氣的反應物供給至用作陰極的正氧氣電極51。
[0115]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氣電極51。
[0116]在有利實施例中，氣體分布元件10用於將包含氧氣的反應物提供至陰極-陽極-電解質單元5的正氧氣電極51，並將包括燃料的第二反應物提供至其負電極53。這種氣體分布元件10優選地包括支撐層，支撐層4包括用於包含氧氣的反應物的流體傳導通道。
[0117]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氣體分布元件10。第二反應物(易燃氣體)包含、甲烷、氨氣、其他碳氫化合物或可選的稀釋劑的任意混合。
[0118]在優選實施例中，第二反應物(燃料)分布在氣體分布元件10內部。八⑶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。
[0119]氣體分布元件10可以預期用於四扣、他或1(:%燃料電池，由此，其應用決不限於30%。氣體分布元件10也可以用於以相反方式操作的電解裝置。
[0120]氣體分布元件10將燃料電池堆103的三個主要功能組合:其實現來自電極51、53的電流收集；其在電池之間和之上集流了反應物、特別是燃料以及優選地還有包含氧氣的氣體；以及其包括基底元件1，其目的是相互密封反應物通道並密封於環境。基底元件1也被稱為雙極板。
[0121]氣體分布元件10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、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和丨或第一層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，或者通過熱壓諸如石墨、模塑或粉末冶金來製造。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、膠合或反應鍵合、或它們的任何組合，結合在一起以用於電接觸和/或密封。
[0122]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16-50001標稱電功率。
[0123]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和氣體分布元件10。在圖3所示的根據第二實施例的氣體分布元件10由基底層1、第二層3和第一層2組成。第一層2還包含孔；然而截面以以下方式放置:孔的開孔部分在圖3中不可見。陰極-陽極-電解質單元5由第一電極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組成。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。在另一實施例中，單元電池50還可以包括支撐層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第一層2(相應地第二層3)之上的第二電極53。
[0124]圖4示出根據本發明第三實施例的氣體分布元件10和陰極-陽極-電解質單元5的分解視圖。陰極-陽極-電解質單元5由第一電極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組成。通常，陶瓷氣體擴散層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8八中示出。
[0125]用於燃料電池50或電解裝置的氣體分布元件10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26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2。處在第一層2的另一層結束，其中，進入側26與易燃氣體供給如連接，以及其中出口 2(3流體連接至廢氣出口 ％。在圖3中，可以看到氣體分布元件10沿線0(:的截面圖。第一層2包括多個分隔的通道條23，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 2「相應地出口 20流體連接。
[0126]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。
[0127]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23是必要的。
[0128]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。
[0129]有利地，每個入口通道12接續連續通道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。
[0130]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。
[0131]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。
[0132]在另一實施例中，支撐層4可以被配置在基底層1的一側上，或者可以與基底層1連接。在優選實施例中，支撐層4具有第二氣體分布元件的形狀。圖4示出氧化劑0的流動路徑、具有通道20的支撐層。圖4八示出支撐層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，以使得每個路徑沿著支撐層4的一側在通道20中流動。
[0133]圖48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23的條元件23，因為條23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26處開始，並且在離開側2。處結束，以使得通道將進入側26與離開側2。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48所示。
[0134]圖扣示出氣體分布元件10的另一實施例。第一層2包括多孔結構2(1，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26處開始並在離開側1處結束的流動路徑，以使得多孔結構將進入側26與離開側1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。
[0135]圖40示出第二層3、一均勻化元件的另一實施例。相比於圖48所公開的示出矩形的第二層3的實施例，圖40示出圓形的第二層3。相比於圖48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40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 26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 2(3被配置為優選地圍繞第一層2和第二層3，以使得氣體分布元件10內的易燃氣體％在徑向上流動。僅在圖40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40所示包括第一層2和第二層3的氣體分布元件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％、％、％的方向在徑向上延伸，特別地在從入口 26至出口 2。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％、％、％的方向上流動。
[0136]圖42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40公開的第二層3不同，圖42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I其中，這些組％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42中公開的第二層3包括圓周燃料出口 2(3，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911上流動並且之後在方向如上流至燃料出口 2匕
[0137]圖5示出第三實施例的氣體分布元件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23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。
[0138]圖6八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23。圖68是圖6八的沿線八-八的截面，示出陰極-陽極-電解質單元5、包括通道條23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6(:示出圖6八的沿線8-8的截面。與圖68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。
[0139]圖60詳細示出圖4的沿線0(:的截面，其中沒有支撐層4。氣體分布元件10由三個層組成，基底層1、在其上部配置的第一層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23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92可以在三個易燃氣體流93、%、9。；901、96、9？之間並通過第一孔15發生。圖60示出理想的氣體分布元件10，其中每個通道13，1(1…1(6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9^9^9(^9(^9^91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，以使得氣體流如、％、90 ；901、96、9？之間的流體交換92很少或不在第一孔15內發生。除了所述三個易燃氣體流％、％、％ ；9己、96、9？之間的流體交換92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9；1、913、90:9(1^96^9^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，即使氣體流如、％、90 ；901、96、9？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。
[0140]圖6？詳細示出圖4的沿線0(:的截面。與示出理想氣體分布元件10的圖60不同，圖6？示出一種共同的配置，其中，通道1(1…1(6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…、^、…、^、…、葉具有不同的流速。第二層3(均勻化層)的優點是由於第一孔15流體連接通道1(1，1(2，1(3 ^4,1(5,1(6中的一些，流體交換92在氣體流9^91^9(^9(^96,9？之間發生，以使得氣體流9^9^9(^9^96,91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？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。
[0141]圖62示出根據圖6？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？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XI…1(6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9^9^9(^9^96,91的通道寬度和丨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。
[0142]圖6(}示出圖60中公開的氣體分布元件10的頂視圖，示出在平行方向上延伸的六個通道1(1...1(6,通過孔15流體連接的三個通道1(1，1(2，1(3在4，1(5，1(6，其中，氣體流如、％、90,9(1,96,9？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。
[0143]圖6?示出圖6？所公開的氣體分布元件10的頂視圖，示出在平行方向上延伸的六個通道1(1…1(6，三個通道1(1，1(2，1(3 ^4，1(5，1(6通過孔15流體連接，其中，進入氣體分布元件9的氣體流9^9^9(^9(^96,9？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92可以在氣體流如，913,90:9(1, 96，9？之間發生，以使得氣體流9? %，90 ^9(1, 96，9？之間的流速的差異減小。氣體分布元件10包括孔15，因此確保了通道1(1…1(6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1(1…1(6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繞過通道的堵塞部分，並且氣體經由孔15從堵塞部分之上擴散至電極。
[0144]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1(1…1(6，通道1(1，1(2，1(3在4，1(5，1(6通過孔15流體連接，其中，進入氣體分布元件9的氣體流9^919(^9(^96,9？具有不同的流速。與圖6?中公開的實施例不同，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XI…肪。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1(1…1(6。
[0145]圖61詳細示出圖扣的沿線0(:的截面，第一層2包括易燃氣體9流動通過的多孔結構2(1。相比於圖6？公開的包括通道1(1…1(6的氣體分布元件10，氣體流在圖6[所公開的多孔層中更擴散，因此圖61公開的氣體流9^9^9(^9(^9^91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6？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9^919(^9(^9^91之間的流體交換92。因此，第二層3均勻化第一層2的多孔結構中各種氣體流9^9^9(^9^96,91的流速。因此，沿陰極-陽極-電解質單元5的易燃氣體？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。
[0146]圖61(示出根據圖61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？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62所公開的效果。
[0147]圖7八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。7軸示出十二個通道0-1(12的通道數量，通道並列排列，如圖3所示。圖70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7八、78中公開的通道數量對應於圖70的燃料電池堆中所示的通道。圖78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。
[0148]圖70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78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？1?？10是相同的。
[0149]圖7(: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7(:示出與圖78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7(: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「2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。
[0150]圖72是如圖7(: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，因此由箭頭打...？10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(7八，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72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。
[0151]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7八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78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。
[0152]由 0)11111 和 1111110111111 進行的工作(工即已。!: 0？ 1^11(10111 ^6011161:1~10 (1110118011 1:116 ^61-^01-11181106 811(1 1~611&131111:7 0？ 811 80？0 (2011)^1161 06118, 11 (4) , 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0.2臟至1-2111111標度，以及它們的寬度更通常從1至2111111變化。0.5臟範圍的深度最常見。在這些情況下，在目標值附近的0.05皿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7(: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。
[0153]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72的情況所示的操作中流的更加增大的偏差。
[0154]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。
[0155]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。
[0156]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包括氣體分布元件10和支撐層4。
[0157]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。
[0158]圖8八是圖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8八的中部可見，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92均勻化進入陰極-陽極-電解質單元5的易燃氣體
[0159]支撐層4具有波紋的形狀，其允許將氧化劑的流路徑0分離成兩個單獨的流路徑01、02，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。流路徑02用作冷卻基底層1和丨或陰極-陽極-電解質單元5的冷卻劑。
[0160]圖88在截面圖中示出燃料電池堆103的示意側視圖，其包括四個氣體分布元件10和三個陰極-陽極-電解質單元5以及它們之間的相應的支撐層4。氧化劑0在一側被提供至全部支撐層4，氧化劑0之後被分離以形成沿支撐層4的兩個單獨流路徑01、02，兩個單獨的流路徑01、02在離開支撐層4之後被組合，所有支撐層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。
[0161]圖4示出具有長度33和寬度36的陰極-陽極-電解質單元5，其限定接觸表面30,陰極-陽極-電解質單元5經由接觸表面3^接觸第二層3。第二層3包括同樣的接觸表面3(3。第二層3的第一孔15配置在接觸表面3^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3^內。為了提供易燃氣體沿著接觸表面3。的更均勻的同等分布，所有第一層15的總面積是接觸表面3。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。
[0162]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。
[0163]用於在燃料電池的氣體分布兀件10均勻化易燃氣體的有利方法是氣體分布兀件10包括將燃料入口 26與燃料出口 2^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。
[0164]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。
[0165]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 26與燃料出口 20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。
[0166]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。
[0167]在另一有利的方法步驟中，第一孔15中的至少一些垂直於流9的方向延伸，以使得易燃氣體在流經第一孔15時改變流方向。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。
[0168]該結構在根據…7 632 586 82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…7 632 586 82所公開的反應物流的處理的早期結果。
【權利要求】
1.一種用於燃料電池或電解裝置的氣體分布元件(10)，包括基底層(I)、第一層(2)和第二層(3)，其中，所述第一層(2)和所述第二層(3)設置有形成作為易燃氣體的第一反應物流體的流體流的圖案的氣體分布結構(11)，其特徵在於，所述第二層(3)是均勻化元件，其具有第一孔(15)，其中，所述第一孔(15)具有長度(28)和寬度(29)，所述長度(28)大於所述寬度(29)，以及所述長度(28)在與流體流(9)的主方向垂直的方向上延伸。
2.根據權利要求1所述的氣體分布元件(10)，其中，所述第一層(2)包括燃料入口(2b)和燃料出口(2c)，其中所述流體流(9)的主方向在所述燃料入口(2b)和所述燃料出口(2c)之間在直線方向上延伸，其中所述第一層(2)的氣體分布結構(11)包括多個通道(13)中的至少一個，諸如針、格子或網結構、泡沫結構的三維結構。
3.根據權利要求2所述的氣體分布元件(10)，其中，所述第一層(2)的氣體分布結構(11)包括並列排列並將所述燃料入口(2b)與所述燃料出口(2c)連接的多個通道(13)，其中，在關於所述通道(13)的垂直方向上延伸的所述第一孔(15)具有這樣的長度(28)以使得並列排列的至少兩個通道(13)通過所述第一孔(15)流體連接。
4.根據權利要求3所述的氣體分布元件(10)，其中，所述通道(13)相互平行延伸，以及其中，所述第一孔(15)垂直於所述通道(13)延伸。
5.根據權利要求3所述的氣體分布元件(10)，其中，所述通道(13)在徑向方向上延伸，以及所述第一孔(15)在圓周方向上延伸。
6.根據權利要求2所述的氣體分布元件(10)，其中，所述第一層(2)包括諸如針、格子、網結構、或泡沫結構的三維結構，所述第一層(2)具有圓形，所述流體流(9)的主方向在徑向方向上延伸，以及所述第一孔(15)在圓周方向上延伸。
7.根據權利要求3-5中任一項所述的氣體分布元件(10)，其中，所述第一層(2)的通道(13)中的至少一些被條元件(23)阻塞，所述條元件(23)連接相互分隔並在其間形成所述通道(13)的至少兩個條(2a)，其中，所述第二層(3)包括多個第二孔￠)，其中所述第二孔(6)在所述流體流(9)的主方向上具有大於所述條元件(23)的寬度的長度(7)，以及所述第二孔(6)配置在所述條元件(23)旁邊以流體連接所述通道(13)並繞開所述條元件(23)。
8.根據權利要求2-7中任一項所述的氣體分布元件(10)，還包括配置在所述基底層(I)旁邊的支撐層⑷。
9.根據權利要求8所述的氣體分布元件(10)，其中，所述支撐層(4)包括在直線方向上延伸的多個通道(20)，所述通道(20)引導第二反應物流體，所述第二反應物流體是氧化劑。
10.根據權利要求9所述的氣體分布元件(10)，其中，所述支撐層(4)是在兩側具有通道(20，20a，20b)的波紋狀薄板，其中，面向所述第一層(I)的通道(20b)的目的是通過所述第二反應物流體冷卻所述第一層(I)，以及在相反側的通道(20a)的目的是向燃料電池單元提供所述第二反應物流體。
11.根據權利要求2-10中任一項所述的氣體分布元件(10)，其中，所述基底層(I)和/或所述第一層(2)和/或所述第二層(3)和/或所述支撐層(4)通過蓋印、壓花、衝壓或蝕刻或者通過熱壓來製造。
12.根據前述權利要求中任一項所述的氣體分布元件(10)，其中，所述基底層(I)和所述第一層(2)或者所述第一層(2)和所述第二層(3)特別地通過焊接在一起形成單片。
13.根據權利要求7-12中任一項所述的氣體分布元件(10)，其中，所述支撐層(4)與所述基底層(I)或者所述基底層(I)和所述第一層(2)形成單片。
14.根據前述權利要求中任一項所述的氣體分布元件(10)，其中，所述第二層(3)包括接觸陰極-陽極-電解質單元(5)的接觸表面(3c)，其中，所述第一孔(15)配置在所述接觸表面(3c)內，以及其中，所有第一孔(15)的總表面是所述接觸表面(3c)的至少20%，更優選地至少30%，以及最優選地在40%至50%之間。
15.根據權利要求1-13中任一項所述的氣體分布元件(10)，其中，所述第二層(3)包括接觸陰極-陽極-電解質單元(5)的接觸表面(3c)，其中，所述第一孔(15)配置在所述接觸表面(3c)內， 以及其中，所有第一孔(15)的總面積是位於所述接觸表面(3c)內的所有孔(15，6)的總面積的至少20%，更優選地至少50%，以及最優選地在60%至80%之間。
16.—種包括根據前述權利要求中任一項所述的氣體分布兀件(10)的燃料電池或電解裝置，特別地固態氧化物燃料電池或固態氧化物電解裝置。
17.一種用於在燃料電池的氣體分布元件(10)中均勻化易燃氣體的方法，所述氣體分布元件(10)包括將燃料入口(2b)與燃料出口(2c)連接的第一層(2)，其中，燃料在所述第一層(2)內在所述流(9)的方向上、特別地在直線方向上流動，並且所述氣體分布元件(10)包括具有第一孔(15)的第二層(3)，所述第一孔(15)在關於所述流(9)的方向的垂直方向上延伸，其中，流經所述第一層(2)的易燃氣體進入所述第一孔(15)以使得所述易燃氣體在所述第一孔(15)內被均勻化，以及其中，所述第一孔(15)接觸陰極-陽極-電解質單元(5)，以使得來自所述第一孔(15)內的易燃氣體被提供至所述陰極-陽極-電解質單元(5)。
18.根據權利要求17所述的方法，其中，在所述第一孔(15)內被均勻化的易燃氣體中的至少一些流回至所述第一層(2)。
19.根據權利要求17或18所述的方法，其中，所述第一層(2)包括並列排列並將所述燃料入口(2b)與所述燃料出口(2c)連接的多個通道(13)，所述第一孔(15)在關於所述通道(13)的垂直方向上延伸並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)的易燃氣體進入所述第一孔(15)，以使得所述相應通道(13)的易燃氣體在所述第一孔(15)內被均勻化。
20.根據權利要求19所述的方法，其中，在所述第一孔(15)內被均勻化的易燃氣體中的至少一些流回至所述第一層(2)的相應通道(13)或者在所述第一層(2)的相應通道(13)之間交換。
21.根據權利要求17-20中任一項所述的方法，其中，所述第一孔(15)中的至少一些垂直於所述流(9)的方向延伸，以使得在相應第一孔(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。
【文檔編號】C25B9/20GK104412434SQ201380030634
【公開日】2015年3月11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