[發明專利]用于內部歧管式固體氧化物燃料電池堆疊的互連件以及相關方法和電力系統

有效

• 申請號: 201710907102.5
• 申請日: 2017-09-29
• 公開（公告）號: CN107887623B
• 公開（公告）日: 2023-06-30
• 發明（設計）人: K.G.布朗
• 申請（專利權）人: 通用電氣公司
• 主分類號: H01M8/0258
• 分類號: H01M8/0258;H01M8/0297;H01M8/2455;H01M8/2465;H01M8/2483
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 肖日松;譚祐祥

本公開描述一種內部歧管式固體氧化物燃料電池(SOFC)堆疊，其包括與陰極互連結構集成的陽極互連結構。所述陽極互連結構包括燃料流場；且所述陰極互連結構包括空氣流場。所述兩個結構被配置成允許空氣和燃料跨越所述互連件的平面的平行流動，而用于所述燃料的歧管開口跨越所述互連結構的平面布置于交叉流定向上。還描述相關過程以及一種發電系統，所述發電系統包括并入有此類型互連件的SOFC，所述SOFC直接或間接地附接到例如內燃機等至少一個動力塊。

技術領域

本發明大體上涉及固體氧化物燃料電池的領域。

背景技術

類似于其它燃料電池，固體氧化物燃料電池(SOFC)是通過跨越離子導電層以電化學方式組合燃料與氧化劑而產生電的能量轉換裝置。合意地，并入有高溫燃料電池的發電系統具有較高的效率和電力輸出的可能。示范性高溫燃料電池具有高于約600℃的操作溫度；且SOFC通常在約600℃與850℃之間的范圍內操作。燃料電池通過分別在陽極和陰極處將燃料和氧化劑催化為電離的原子氫和氧而產生電。在陽極的電離過程中從氫移除的電子傳導到陰極，在陰極處所述電子電離氧。

在固體氧化物燃料電池的情況下，氧離子傳導通過電解質，在電解質處所述氧離子與電離氫組合以形成水作為廢產物且完成過程。電解質另外對燃料和氧化劑均不可滲透，且僅傳導氧離子。此系列的電化學反應是在燃料電池內產生電力的僅有方式。因此希望減少或消除反應物的任何混合。否則，可能發生不產生電力的不同結果，例如燃燒，并且因此降低燃料電池的效率。

典型燃料電池在小于約一伏特的電位處操作。為了實現用于發電應用的足夠電壓，將若干個別燃料電池集成為較大的組件。為了產生燃料堆疊，使用互連部件或“互連件”將鄰近的燃料電池電串聯連接在一起，其方式為使得鄰近單元的燃料和氧化劑不會混合在一起。互連件在SOFC堆疊中起到關鍵作用。它們必須展現優良導電性，以及強度和在高溫下的熱及尺寸穩定性。所述互連件還應當對氧氣和氫氣不可滲透，以便防止它們在電池操作期間的接觸。它們還應當根據允許高效電池組裝的配置以及通過電池的空氣和燃料流動而相對容易制造。

用于平面電池的SOFC堆疊極經常依賴于內部歧管通道，以用于經由一個或多個互連件將燃料和空氣輸送到電池的活性區域。這些氣態反應物在歧管和互連件內的路徑和分布已經是多年來大量研究的主題，因為這對堆疊操作具有此關鍵影響。例如參考J.Jewulski等人的“在電負載條件下固體氧化物燃料電池堆疊的流動分布分析(FlowDistribution?Analysis?of?the?Solid?Oxide?Fuel?Cell?Stack?under?ElectricalLoad?Conditions)”，B07-SOFC；電池與組件3，2009。除確保通過電池中的通道的恰當氣流之外，互連結構還必須有效地提供歧管開口周圍的密封件，即可承受電池的高溫操作的密封件。

在典型的SOFC互連件設計中，燃料和空氣的平行流動(常常為反向流動布置)對于燃料電池的最佳性能是優選的，部分是由于由燃料再形成及能量產生帶來的大量的熱。然而，反向流動布置通常要求燃料和空氣端口(歧管開口)緊靠彼此。在一些情況下，它們的鄰近位置會不合需要地減少歧管對電池的流動面積的接入，且也會增加燃料到空氣滲漏的可能性。

相比之下，交叉流設計，即燃料流和空氣流以90°交叉的情況，常常是有利的，因為歧管開口例如在平面互連件的相對側面上可以彼此隔開。這允許制造的容易，且使空氣與燃料之間的過早接觸的可能性最小化。然而，交叉流設計出于其它原因有時候是不利的，例如在燃料電池操作期間形成大溫度梯度的傾向。

謹記這些一般考慮，此項技術中將歡迎用于固體氧化物燃料電池的改進的互連件。增強燃料和空氣通過燃料電池結構的流動的互連件配置將是特別合意的，可能組合交叉流設計和反向流動(平行)設計的優點。互連件還應當能夠提供其中必須緊密地控制或阻止空氣和燃料流動的任何歧管開口或其它通路周圍的密封結構。此外，互連件應當相對容易制造并按工業規模組裝成完整的SOFC電力堆疊。

發明內容