[發明專利]管狀電化學電池

有效

• 申請號: 200780102166.2
• 申請日: 2007-11-06
• 公開（公告）號: CN101953008A
• 公開（公告）日: 2011-01-19
• 發明（設計）人: 彥海·杜;凱納·芬納蒂
• 申請（專利權）人: 納諾CP有限責任公司
• 主分類號: H01M8/04
• 分類號: H01M8/04;H01M8/10;H01M8/12;H01M8/24
• 代理公司: 北京東方億思知識產權代理有限責任公司 11258
• 代理人: 柳春雷;南霆

技術領域

本發明涉及管狀化學電池。

背景技術

電化學裝置(諸如燃料電池、氧氣泵、傳感器等)通常提供將化學能以最小的污染有效地轉換為電能的機會。電化學裝置通常包括可以實現平面、管狀或單片設計的電化學電池。各種設計有各種劣勢，例如，平面固態氧化物燃料電池(“SOFC”)的慢啟動以及管狀SOFC的較低的體積功率密度。

雖然管狀電池設計已經證實了具有足夠的熱沖擊耐受性以及高機械強度，但是它們相對于其他電池設計能具有低的體積功率封裝密度。例如，為了產生等量的功率，管狀電化學電池通常比平面或單片電化學電池的尺寸大得多。增加電化學電池的尺寸(即，直徑或長度)以產生更大量的功率的一個缺點是較低的體積功率密度。然而，減小管狀電池的尺寸可以增加含有許多管狀電池的電化學電池堆棧的體積功率密度。不幸地，堆棧中太多的電池可能使得操作變得復雜并且增加制造成本。

因此，需要改善管狀電化學電池的功率和電壓性能。

發明內容

為了滿足這些和其他需要，本教導涉及電化學電池，其包括陽極層、陰極層、電解質層、由陽極層限制的燃料通道以及由陰極層限制的氧化劑通道，其中，該電解質層與陽極層和陰極層中的一者進行離子或者質子傳遞，陽極層、電解質層和陰極層一同基本形成封閉的費馬螺線。

本教導的另一個實施例涉及電化學電池，其包括置于陽極層與陰極層之間以形成多層構件的電解質層，多層構件基本可以形成包括燃料通道和氧化劑通道的封閉的費馬螺線。陽極層、陰極層以及電解質層都可以具有基本平面的尺寸并且陽極層和陰極層中的一者與電解質層進行離子和質子傳遞中的至少一者。燃料通道包括由陽極層形成的內邊界以及由陽極層形成的外邊界。氧化劑通道包括由陰極層形成的內邊界以及由陰極層形成的外邊界。

在一些實施例中，陽極層也可以具有重整層。陽極層、電解質層和陰極層都具有約5μm到約2mm之間的寬度。電化學電池可以是陽極支撐的電化學電池、陰極支撐的電化學電池、電解質支撐的電化學電池、金屬支撐的電化學電池或者襯底支撐的電化學電池。燃料通道和氧化劑通道都可以具有約0.1mm到約5mm之間的寬度。電解質層可以包括離子導體或質子導體。在特定實施例中，電化學電池是固態氧化物燃料電池。

本教導的另一方面涉及制造電化學電池的方法。該方法包括：將第一層基本形成為封閉的費馬螺線，其中，第一層具有第一側和第二側；將第二層與第一層的第一側的至少一部分相結合；以及將第三層與第二層的至少一部分相結合。在一些實施例中，可以對第一層進行預燒制。在一些實施例中，可以對第一層和第二層進行燒制。在一些實施例中，可以對整個電化學電池進行燒制。可以通過擠壓成型、凝膠注模成型、3-D壓印或者滾壓預形成的帶來形成第一層。可以通過浸漬涂布或凝膠注模成型來將第二層與第一層相結合。可以通過浸漬涂布或凝膠注模成型將第三層與第二層相結合。第一層的第二側可以被掩蓋以有助于涂布第二層和第三層。在一些實施例中，第一層和第三層都可以包括電極材料，并且第二層可以包括電解質材料。在一些實施例中，重整催化劑可以與第一層的第二側或者第三層的暴露側相結合。在一些實施例中，第四層可以與第三層的至少一部分相結合，其中，第一層是支撐件，第二層和第四層是電極，并且第三層是電解質。

在特定實施例中，制造電化學電池的方法包括將電解質層基本形成為封閉的費馬螺線，其中，電解質層具有第一側和第二側；將陰極層與電解質層的第一側的至少一部分相結合；以及將陽極層與電解質層的第二側的至少一部分相結合。

本教導的另一方面涉及操作電化學電池的方法。在一些實施例中，操作基本圓柱體的電化學電池的方法包括使得燃料流動經過電化學電池，其中，燃料以第一平均燃料半徑進入電化學電池并且以第二平均燃料半徑離開；以及使得氧化劑流動經過電化學電池，其中，氧化劑以第一平均氧化劑半徑進入電化學電池并且以第二平均氧化劑半徑離開。在一些實施例中，燃料和氧化劑沿著相同的軸向方向流動。在某些實施例中，燃料和氧化劑沿著相反的軸向方向流動。在一些實施例中，其中，第一平均燃料半徑小于第二平均燃料半徑，并且第一平均氧化劑半徑小于第二平均氧化劑半徑。

在各種實施例中，操作電化學電池的方法包括：將流體引導經過電化學電池，其中，電化學電池基本是圓柱體的并且具有軸向長度，并且其中流體具有濃度；以及沿著電化學電池的軸向長度的至少一部分徑向地改變流體的濃度。