[發(fā)明專利]同向流動(dòng)/逆向流動(dòng)燃料電池或電解池

無效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201080069300.5
• 申請(qǐng)日: 2010-09-28
• 公開（公告）號(hào): CN103262321A
• 公開（公告）日: 2013-08-21
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: K.J.N.L.詹森;S.魏切爾
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 托普索燃料電池股份有限公司
• 主分類號(hào): H01M8/04
• 分類號(hào): H01M8/04;H01M8/24
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 趙蘇林;李進(jìn)

本發(fā)明涉及電池組，特別涉及固體氧化物燃料電池（SOFC）組或固體氧化物電解池（SOEC）組，其中在各電池內(nèi)部陰極氣體相對(duì)于陽極氣體的流動(dòng)方向是組合的，使得各電池既具有逆向流動(dòng)也具有同向流動(dòng)。此外，在通過各電池的第一部分之后多股氣流可以合并，然后將該氣流再次分割開(split)并運(yùn)送到各電池的第二部分。

下面參照SOFC解釋本發(fā)明。因此，在SOFC中，陰極氣體是氧化氣體，而陽極氣體是燃料氣體。然而，本發(fā)明也能夠用于其他類型的電池，例如已經(jīng)提到過的SOEC或者甚至聚合物電解質(zhì)燃料電池（PEM）或直接甲醇燃料電池（DMFC）。

SOFC包括氧離子傳導(dǎo)性電解質(zhì)、使氧氣還原的陰極和使氫氣氧化的陽極。SOFC中的總反應(yīng)是氫氣和氧氣電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電、熱和水。SOFC的操作溫度在550-1000℃范圍內(nèi)，優(yōu)選約650-850℃。SOFC在普通操作中傳遞出約0.8V的電壓。為了提高總電壓輸出，將燃料電池組裝成組，其中燃料電池通過互連板電連接。

為了制備所需的氫氣，陽極通常對(duì)烴（特別是天然氣）的蒸汽重整具有催化活性，由此生成氫氣、二氧化碳和一氧化碳。天然氣的主要成分甲烷的蒸汽重整能夠由以下方程描述：

在操作過程中，將氧化劑（例如空氣）供給到固體氧化物燃料電池的陰極區(qū)域中。將燃料（例如氫氣）供給到燃料電池的陽極區(qū)域中。可選擇地，將烴燃料（例如甲烷）供給到陽極區(qū)域中，在此處通過上述反應(yīng)使其轉(zhuǎn)化為氫氣和碳氧化物。氫氣通過多孔陽極并在陽極/電解質(zhì)界面處與陰極側(cè)上產(chǎn)生并傳導(dǎo)通過電解質(zhì)的氧離子反應(yīng)。氧離子是由于接收了來自電池外電路的電子而在陰極側(cè)中產(chǎn)生的。

互連件用于隔開相鄰電池單元的陽極和陰極側(cè)并同時(shí)能使電流在陽極和陰極之間傳導(dǎo)。互連件通常設(shè)有多個(gè)槽，用于在互連件的一側(cè)上通過陽極氣體（燃料），并在另一側(cè)上通過陰極氣體（氧化劑氣體）。陽極氣體的流動(dòng)方向定義為基本上從電池單元的陽極氣體入口區(qū)域到陽極氣體出口區(qū)域的方向。同樣地，陰極氣體的流動(dòng)方向定義為基本上從電池單元的陰極氣體入口區(qū)域到陰極氣體出口區(qū)域的方向。因此，在內(nèi)部如果陽極氣體流動(dòng)方向與陰極氣體流動(dòng)方向基本上相同，那么電池可具有同向流動(dòng)；如果陽極氣體流動(dòng)方向與陰極氣體流動(dòng)方向基本上垂直，那么電池可具有交錯(cuò)流動(dòng)；如果陽極氣體流動(dòng)方向與陰極氣體流動(dòng)方向基本上相反，那么電池可具有逆向流動(dòng)。

常規(guī)上，各電池相互疊置并完全重疊得到具有例如同向流動(dòng)的電池組，其中所有陽極氣體和陰極氣體入口位于電池組的一側(cè)，而所有陽極氣體和陰極氣體出口位于另一側(cè)。由于所述電化學(xué)過程總體是放熱的，因此出口氣體以比入口溫度更高的溫度離開。當(dāng)組合在以例如750℃操作的SOFC電池組中時(shí)，橫貫(across)該電池組產(chǎn)生顯著的溫度梯度。這些橫貫電池組的溫度梯度在一定程度上是電池組冷卻所必需的，因?yàn)榭諝饫鋮s與溫度梯度成正比，但較大的溫度梯度在電池組中導(dǎo)致熱應(yīng)力，而熱應(yīng)力是非常不期望的并且會(huì)導(dǎo)致電流密度和電阻的差異。因此，SOFC電池組存在熱管理問題：將溫度梯度降低到足以避免不可接受的應(yīng)力但具有足夠大的溫度梯度使得能夠用所述氣體冷卻電池組。

冷卻電池組所需的熱梯度為電池組能夠得到的電效應(yīng)設(shè)定了限制。對(duì)于電效應(yīng)而言，較高的平均電池溫度是有利的，且平均電池溫度應(yīng)當(dāng)接近于電池材料和電池組材料的最大極限。但是因?yàn)殡姵亟M的冷卻需要溫度梯度，因此平均電池溫度事實(shí)上低于該最大極限溫度。平均電池溫度越低，電池的面積比電阻（ASR）越高，因此平均電池溫度的降低也降低了電效應(yīng)。

US?6,830,844描述了用于在燃料電池組件中進(jìn)行熱管理的系統(tǒng)，特別是通過周期性反轉(zhuǎn)橫貫陰極的空氣流動(dòng)方向由此使陰極的供給緣和排出緣交替來防止橫貫陰極的溫度梯度超過200℃。

US?6,803,136描述了在構(gòu)成電池組的電池之間具有部分重疊的燃料電池組，得到總體螺旋形的電池構(gòu)造。各電池以一定角度彼此偏置，這提供了歧管設(shè)置(manifolding)和熱管理的方便性。

本發(fā)明的目的是提供具有高平均電池溫度的電池組、特別是固體氧化物燃料電池組，該高平均電池溫度導(dǎo)致最小化的ASR并由此相比現(xiàn)有技術(shù)的電池組提高了電池和電池組的電效應(yīng)。

本發(fā)明的另一目的是提供電池組、特別是固體氧化物燃料電池組，其中電池出口溫度接近或等于對(duì)于電池和電池組組件的耐久性而言最大的溫度，由此提高陰極氣體和陽極氣體的冷卻效能。