[發明專利]用于SOC單元的氣體入口

在審

• 申請號: 201380076287.X
• 申請日: 2013-05-02
• 公開（公告）號: CN105393394A
• 公開（公告）日: 2016-03-09
• 發明（設計）人: T·海雷達-克勞森;C·霍爾茨弗雷德里克森
• 申請（專利權）人: 托普索公司
• 主分類號: H01M8/2425
• 分類號: H01M8/2425;H01M8/0258
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 李晨;譚祐祥

技術領域

本發明涉及一種用于固體氧化物電池(SOC)單元、特別是固體氧化物燃料電池(SOFC)單元或固體氧化物電解電池(SOEC)單元、特別是用于包含在SOC堆中的SOC單元的氣體入口。

背景技術

固體氧化物燃料電池(SOFC)包括能夠傳導氧離子的固體電解質、在其位置處氧被還原為氧離子的陰極以及在其位置處氫被氧化的陽極。在SOFC中總的反應是氫和氧電化學反應以產生電、熱和水。為了產生所需氫氣，該陽極通常具有催化活性以用于烴類，尤其是天然氣的蒸汽重組，由此產生氫氣、二氧化碳和一氧化碳。可以通過下列反應式來描述天然氣的主要成分甲烷的蒸汽重組：

CH₄+H₂O→CO+3H₂

CH₄+CO₂→2CO+2H₂

CO+H₂O→CO₂+H₂

在操作期間將諸如空氣的氧化劑供應給陰極區域中的固體氧化物燃料電池。將諸如氫的燃料供應到燃料電池的陽極區域中。替代地，將諸如甲烷的烴類燃料供應至陽極區域中，在陽極區域中通過上述反應轉化為氫氣和碳氧化物。氫氣穿過多孔陽極并在陽極/-電解質界面處與在陰極側上產生的已擴散穿過該電解質的氧離子反應。隨著來自電池的外部電路的電子的輸入，在陰極側產生氧離子。

為了增加電壓，組裝幾個電池單元以形成堆并且通過相互連接連接在一起。相互連接作為氣體屏障以分離相鄰電池單元的陽極(燃料)和陰極(空氣/氧)側，并且在同時，它們使得電流能夠在相鄰電池之間傳導，即在一個電池的電子過剩的陽極與鄰近電池的需要電子用于還原過程的陰極之間傳導。此外，相互連接通常提供有多個流動通路(flowpath)，該流動通路用于在該相互連接的一側上的燃料氣體以及在相對側上的氧化氣體通過。為了優化SOFC堆的性能，應當最大化正值的范圍而在應當被最小化的相關負值的另一范圍上沒有不可接受的結果。這些值中的一些如下：

待被最大化的值待被最小化的值

-燃料利用率-價格

-電效率-尺寸

-壽命-(溫度，達到某一點)

-生產時間

-不良率

-部件的數量

-附加損耗(加熱、冷卻、鼓風機......)

上面所列的幾乎所有值都是相互關連的，這意味著改變一個值將會影響其它值。這里會提及上述值與該燃料電池中的氣流的特征之間的一些關系：

燃料利用率：

應當設計成在該相互連接的燃料側上的流動通路以針對堆中的每個電池尋找相等數量的燃料，即不應當有穿過該堆的燃料側的流的“捷徑(short-cuts)”。

附加損耗：

在該SOFC堆及其燃料電池單元中工藝氣體流動通路的設計應尋求至少在相互連接的空氣側以及潛在地燃料側上實現每一流量的低壓力損耗，這將減少到達鼓風機的附加損耗。

電效率：

該相互連接引導相鄰電池的陽極和陰極層之間的電流。因此，為了降低內部電阻，應當設計該相互連接的導電接觸點(下文僅稱作“接觸點”)以建立至電極(陽極和陰極)的良好電接觸，并且該接觸點不應在各處相距太遠，這會迫使電流通過電極的較長距離從而導致較高的內部電阻。

壽命：

與相互連接、幾個部件甚至尤其是材料上的保護涂層等等有關，取決于在該相互連接的燃料和空氣側兩者上的均勻流動分布。

價格：

通過不使用昂貴材料、減少相互連接的生產時間以及最小化材料損耗可以減少相互連接價格的貢獻。

尺寸：

當該相互連接設計確保活性電池區域的高利用率時，降低了燃料堆的總尺寸。應當減小具有低燃料或氣流的死區(dead-areas)并且應當最小化用于密封表面的非活性區域。

溫度：

該溫度應當是足夠高的以確保該電池中的催化反應，還要足夠低以避免該電池部件的加速退化。因此該相互連接應當貢獻一均勻的溫度分布，該溫度分布給予高的平均溫度而不超過最大溫度。

生產時間：

應當最小化相互連接其自身的生產時間并且該相互連接的設計還應當有助于整個堆的快速組裝。通常，由于存在生產時間上的增加，因此對于每個部件來說，該相互連接的設計呈現不必要性。

不良率：