[發明專利]燃料電池單元和燃料電池堆

在審

• 申請號: 201980084826.1
• 申請日: 2019-12-03
• 公開（公告）號: CN113195790A
• 公開（公告）日: 2021-07-30
• 發明（設計）人: 李大衛·里斯;尤安·諾曼·哈維·弗里曼;托馬斯·多曼斯基;克里斯托弗·詹姆斯·諾布斯
• 申請（專利權）人: 賽瑞斯知識產權有限公司
• 主分類號: C25B1/04
• 分類號: C25B1/04;C25B9/77;H01M8/0254;H01M8/2432;H01M8/0232;H01M8/0273;H01M8/2483;H01M8/1286;H01M8/021;H01M8/0228;H01M8/124;H01M8/0245;H01M8/0282
• 代理公司: 長沙正奇專利事務所有限責任公司 43113
• 代理人: 盧宏;羅蘭

一種金屬支撐的SOEC或SOFC燃料電池單元(10)，包括分隔板(12)和具有化學層(50)的金屬支撐板(14)，分隔板與金屬支撐板相互重疊以形成重復單元，至少一個板具有通過壓制該板形成的凸緣外周特征(18)，這些板在凸緣外周特征處直接相接，在它們之間形成流體體積(20)，每個板具有至少一個流體端口(22)，其中，這些端口對齊并與流體體積連通，而且至少有一塊板具有壓制形成的成型端口特征(24)，圍繞其端口向另一塊板延伸，并包括相互間隔的元件以限定流體通道，從而使流體能夠從端口進入流體體積。突起構件(120)可以接收墊圈(34)作為硬止擋件表面或作為密封承載表面。

本發明涉及一種改進的電化學燃料電池單元和包括多個這種電化學燃料電池單元的電池堆，以及制造它們的方法。本發明更具體地涉及金屬支撐的燃料電池，特別是氧化劑類型(MS-SOFC)或電解槽類型(MS-SOEC)的金屬支撐的固體氧化物燃料電池單元，以及它們的電池堆。

一些燃料電池單元可以通過使用電化學轉換過程(使燃料氧化)來產生電力。一些燃料電池單元也可以或替代地作為再生燃料電池(或反向燃料電池)單元運行，通常被稱為固體氧化物電解槽燃料電池單元，例如從水中分離氫氣和氧氣，或從二氧化碳中分離出一氧化碳和氧氣。它們可以具有管狀或平面構造。平面燃料電池單元可以以堆疊的方式相互重疊，例如，100-200個燃料電池單元為一個堆疊，各個燃料電池單元以電串聯方式排列。

產生電力的固體氧化物燃料電池基于固體氧化物電解質，該固體氧化物電解質將負氧離子從陰極傳導到位于電解質相對側的陽極。為此，燃料或重整燃料與陽極(燃料電極)接觸，氧化劑(如空氣或富氧液體)與陰極(空氣電極)接觸。傳統的陶瓷支撐的(如陽極支撐的)SOFC的機械強度低并且容易斷裂。因此，最近研發了活性燃料電池部件層被支撐在金屬基底上的金屬支撐的SOFC。在這些電池中，陶瓷層可以很薄，因為它們只執行電化學功能：也就是說，陶瓷層不是自我支撐的，而是鋪在金屬基底上并由其支撐的薄涂層/薄膜。這種金屬支撐的SOFC電池堆疊比陶瓷支撐的SOFC電池堆疊更堅固，成本更低，具有更好的熱性能，并且可以使用傳統的金屬焊接技術來制造。

申請人早期的WO2015/136295公開了金屬支撐的SOFC，其中電化學活性層(或活性燃料電池元件層)包括分別沉積(例如作為薄涂層/薄膜)在金屬支撐板110(例如箔)上并由其支撐的相應的陽極、電解質和陰極層。金屬支撐板具有多孔區，多孔區周圍是無孔區，活性層沉積在多孔區上，使得氣體可以從金屬支撐板的一側通過孔到達另一側以接近涂覆在上面的活性層。如圖42所示，燃料電池單元90包括三塊板或三層—金屬支撐板110、分隔板150和夾在它們之間的間隔板152。它還有流體端口180、200(用于氧化劑或燃料)，這三塊板相互堆疊在一起，通過間隔板152焊接(融合在一起)以形成單個金屬支撐的固體氧化物燃料電池單元，中間的流體體積由間隔板152中提供的大空間160限定。燃料電池堆重復層的金屬部件彼此電接觸，它們之間的電子流主要通過融合/焊接路徑，從而避免了表面到表面的接觸電阻損失。

如WO2015/136295所討論的，在金屬支撐板110上，通過金屬支撐板110在覆蓋陽極(或陰極，取決于電化學活性層的極性方向)的位置處提供小孔(未示出)，該陽極位于金屬支撐板110下方。它們位于由間隔板152限定的大空間或小孔160中，以便允許流體體積通過小孔與支撐板110底面的電化學活性層實現流體連通。

在分隔板150中，上下波紋150A被設置用于向上延伸至堆疊在該燃料電池單元上的后續燃料電池單元的陰極(或陽極，取決于電化學活性層的極性方向)，并向下延伸至其自身燃料電池單元的金屬支撐板110。這樣在堆疊的相鄰燃料電池單元之間實現電連接，使堆疊的電化學活性層(通常每個燃料電池單元上有一個)相互串聯。

固體氧化物電解槽(SOEC)可能具有與SOFC相同的結構，但本質上是SOFC以反向或再生模式運行，通過使用固體氧化物電解質產生氫氣和/或一氧化碳和氧氣來實現水和/或二氧化碳的電解。