专利名称：燃料电池模块、其制造方法及包含若干燃料电池模块的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池，具体而言，涉及那些工作于高温且为固态氧燃料电池(SOFC)类型的燃料电池，本发明也可以适用于其他种类的燃料电池。
本发明还涉及此类电池的制造及其组装以形成有若干这些电池的装置。
背景技术：
SOFC类型的电池以氧作为氧化剂且以氢，或者另一种可燃气体，例如甲烷类型的可燃气体为燃料在500至1000℃之间的温度下工作。这些电池包括通过连接元件，如互连体或双极板连接的若干单电池堆。所述单电池由阴极、电解质以及阳极的叠层构成。需要高温以获得电解质的O2-离子的充分传导性。
几种结构类型支配着这些燃料电池的设计，主要有如下四种-管状结构；-单片结构；-带状结构；-平面结构。
参考图1A、1B和1C，管状结构已众所周知。其外观显示为一端闭合或未闭合的管(见图1B)。如图1C所示，若干电池6被设置于室7内且串联连接和/或并联连接。反过来参考图1A，在每个电池的底部，通过内部管(未示出)注入氧，并沿阴极3向前流动同时流经其上放置阴极的支撑管5。燃料注入到电池外的主室7内(见图1C)，并因此与位于电解质2的外表面上的阳极1接触，由于电解质2放置于阴极3上，因此其本身为管型。后者连接到在电解质2的外表面上向外开口的连接器4上。残余气体排出并可能在燃烧室中进行混合，以提供对流入的氧的预热。
在这种结构中，不需要进行密封处理。电池的机械强度由支撑管5提供，该支撑管是多孔的，从而第一燃料可以穿过它并向阴极3扩散。然后，可预期去除(suppress)该支撑管5并使阴极3提供该组件的机械强度。
利用所述电池，一旦它们被串联连接在一起，就可能在集电板之间获得期望的电压。图1C中的电池6的连接是并联连接，且由此可获得期望的功率。
这种管状结构涉及的几个缺点如下-电流线路长，这是由于电流须沿圆周流过半管，因此欧姆损耗高；-管的制造复杂且昂贵；-考虑到电池之间的损失空间，所以容积效率低；以及-由于反应气体的损耗，管长度方向上的热梯度对后者(管)的机械强度有严重有害。
该管状结构的机械强度可通过如下的几种技术来改进-减小管的尺寸以减小应力；-通过以不同水平注入气体来减小热梯度；以及-加强支撑管；另一方面，还可以通过以下措施获得电路线路长度的减小-减小电池的内部电阻，其意味着更高功率；-由于桥的存在，使得可通过使阳极变薄来减小电极中的极化损失；-由于变平的圆柱型而导致的更好的紧凑性；以及-移除供气管。
然而，所有这些结构只是部分地提供了针对主要缺点即由于电流线路的长度而导致的差的紧凑性以及高的欧姆损耗的解决方案。
参考图2，所述平面结构是普遍使用的。叠层，由此该平面堆是由中间夹着叠层的两个双极板14组成，该中间叠层由阳极11、电解质12以及阴极13依次组成。双极板14用作集电极，且具有定向流动通路15，例如为垂直地以便于组织两种燃料的横向流动。气体供应和排出通过置于所述堆的四个侧面上的外壳(未示出)进行。
由于电流只需要流过层的厚度，因此电流线路减小。另外，该结构的紧凑性使其具有一定的优点。另一方面，密封问题比在管状结构的情况下更为显著，且需要在电池堆的四个侧面上进行处理，以确保在入口和出口面之间的每种气体的流动，以及它们的隔离。这是由于电极是多孔的这一事实。另外，密封应在四个外壳周围提供。
总而言之，平面结构具有良好的紧凑性以及大大减少的电流线路，但在密封方面需要付出很多努力。
发明内容
为了避免涉及这两种类型的燃料电池结构的前述缺点，本发明的第一主要目的是具有管状结构电池的燃料电池模块，每个管状结构电池由同心的基础叠层组成，所述基础叠层包含阴极、电解质以及阳极，这些电池通过互连体进行连接。所述模块包括具有若干同心电池的同心堆，且包括在每侧上的分配外壳。
根据本发明，分配外壳具有供应两种气体，即燃料和氧化剂的装置以及在堆侧表面上开口向外的径向通路。
主实施例设置所述模块的截面应为圆柱状的。
该实施例有利地包括在除分配口处之外的外壳和叠层之间分配的密封衬垫。
根据本发明，所述模块的特性在于阳极和阴极是多孔的以允许对燃料进行分配。
所述模块的主实施例提供在堆的任一侧上穿孔的分配板的使用，所述孔与待供应气体的电极相对，分配所述电极的互连体具有纵向的、错位的以及交替的入口和出口燃料分配通路。
当期望向所述现象(phenomenon)提供螺旋分量(helicoidalcomponent)的情况下，如果互连体具有螺旋型是有利的。
本发明的另一主要目的是一种用于制造模块，如刚刚概述的模块的方法，其目的是所述堆应该是单片的。
根据本发明，所述制造由自具有互连体功能的中央管的等离子体喷涂来完成，不同的连续阶段如下-以多孔材料喷涂阳极和阴极中的任何一个；-喷涂稠密的电解质；-喷涂阳极和阴极中的另一个；-喷涂互连体。
对于电池堆，该过程可以如所期望地被重复许多次。
该方法通过下述事实被有利地完成，即当互连体必须被开槽以形成纵向的燃料分配通路的情况下，在喷涂下一层之前，这些通路被阻塞。
在用于获得模块的该方法的情况下，所述外壳以氧化锆提供以抵抗腐蚀。
通过结合附图阅读下面的详细说明，将对本发明的不同特征和实施例有更好的理解，所述附图包括-图1A、1B和1C，示出根据现有技术的用于燃料电池的第一类型的基本结构；-图2示出根据现有技术的燃料电池的第二类型的基本结构；-图3以后视图和顶视图示出根据本发明的燃料电池模块的基本结构原理；-图4以分解的后视图和顶视图示出根据本发明的燃料电池模块的第一实施例；-图5以后视图和顶视图示出本发明的该第一实施例中使用的外壳，以及-图6以示意性的截面图示出使用根据本发明的模块的燃料电池装置。
具体实施例方式
参考图3，根据本发明的基本燃料电池模块包括具有通过互连体连接的至少两个同心的单电池的同心堆(stack)。每个单电池自身由阳极21、电解质22以及阴极23组成。这样，在图3中，图示了通过两个互连体连接的三个单电池，加上在由此形成的管的内部和外部的两个附加互连体24。
更为具体地，中央管包括第一互连体24，所述中央管在起着集电器作用同时起着机械支撑的作用。它形成所述燃料电池的第一极。在该中央管上，设有电极(这里是阳极21)，紧接着是电解质22和第二电极(阴极23)。互连体24将提供与下一单电池的接触，在这两个单电池之间没有保留空隙。每个单电池由相同叠层构成。
在该组件的外围，附加的互连体24被用作集电器并形成电池的第二极。
由第一互连体24形成的内部管的直径可在5至1000mm之间。由此而层叠的单电池的数量可以在2至100之间。所述堆的外部尺寸依赖于电池的数量以及形成电池的各层的厚度。管的长度可以在10至1000mm之间。不是所有同心的单电池都具有相同的表面，这使得一个电池和另一个电池的工作点不同。如果需要，应准备将定位到所述组件外围的电池的表面减小，以减小不同的相继表面之间的空隙。这可以通过随着半径增加减小管的高度来实现，或者通过屏蔽电极表面的一部分，使得其不再起作用来实现。
本说明中选择柱状的管式几何形状作为示例。不过，也可以设想非柱状的其它类型的管截面，如正方形、四边形或多边形的截面，这些形状的截面将落入本发明的范围内。
参考图4，根据本发明的完整的燃料电池模块因此主要包括放置于中央的结构20，如之前所描述并参考图3所示。它由旨在确保气体流动的两个分配或回收外壳31所包围。可以看到，在右分配或回收罩31上，其表面上提供有两个孔37。它们用于使气体，即以气体形式存在的氢和氧进入。利用环形通路36和径向通路35，这两种气体可以朝向设置于基本结构20的任一侧上的分配板33上的许多一连串的孔进行传送。由于后者(基本结构20)由整个标记为30的许多层组成，所述层形成基本燃料电池的若干单电池堆，因此分配板33的孔朝向将供应气体的元件、这些电池的各自的多孔阴极和阳极进行设置。在左分配或回收外壳31中设置有相同的环形通路36和径向通路35，利用其进行各种气体的收集，所述气体由电流的产生而产生。利用设置于第二分配外壳31上的至少一个排气孔38，可将这些残余气体排出模块外。分配板33用作衬垫，这是因为它们被用于提供外壳31和结构20之间的密封。
由于图4是剖开图，可示出互连体的可能的结构。实际上，纵向分配通路39朝着分配板33的每个孔设置。在同一互连体中，这些纵向的分配通路39被交替地植入到两个分配板33上。因此，由于电极是多孔的，所引入的气体燃料可以以两个斜箭头所图示的方式扩散到构成这些电极的每个的材料内部。
还可以预期在另一结构中，与图4中所示的不同，用于向板33供应气体的单孔应该针对每个电极设置。
在后者所图示的情况下，气体的流动主要发生在轴向上，这通过互连体中提供的纵向分配通路39来促成。然而，可以考虑使这些互连体具有螺旋形状以向电极中气体的一般流动提供轻微的螺旋分量。
在图4的情况下，这些气体的流动平行地且在相同方向上发生。在同一时间同一地点残余气体可由此被排放到单回收外壳31中。然而，当然可以预期到反向流动，即两种气体的交叉流，残余气体在两个分配外壳31中分别被回收。
这种结构具有两个主要优点，它们是关于欧姆损耗的显著增益以及利于密封。实际上，由于电流线路是径向的，电流以与图2中所示的平面结构同样的方式沿其厚度方向流经各层，。这避免了利用图1A、1B和1C所描述的管状结构中的半圆周的行程。利用这点，叠层中的欧姆损耗的显著减小可因此实现。另外，密封问题被带到在面对分配板33的分配外壳31的两个内面上。
图5以略微容易的方式示出了分配外壳31的内面。实际上，图4的径向通路35和环形通路36在图5中被再次呈现。这种分配外壳应以其膨胀系数接近于电池的其它组件的膨胀系数的材料来提供。另外，它还应抵抗腐蚀。这种分配外壳31的示例性实施例包括加工氧化锆块并且可以以绝缘且抗腐蚀材料对其进行涂覆。
使用标准材料来制造金属互连体，即基于镍的类型的合金。多孔阳极是陶瓷金属，即所谓的“金属陶瓷”(典型地为氧化钇锆(yttriatedzirconia)+镍)。氧化钇锆可用于形成电解质，而掺锶的亚锰酸镧可用于制造阴极。这只是示例性的实施例，也可以使用其它材料。
用于制造如图3所示的堆的可预期的方法包括依次制造各层以获得单片模块。
该方法使用等离子喷涂。互连体材料的中央管用作支撑。如果需要，可在其外表面上开槽，并用于建立纵向分配通路，如图4所示。在这种情况下，这些通路应被阻塞以喷涂接下来的层。然后，应准备相继喷涂不同层。第一层是以多孔材料形成阳极或阴极的层。该层的厚度在10至1000μm之间。使末端区域致密化是有益的，其目的是简化密封和可燃气体的供应。这可以通过调整喷涂参数来实现。
接下来，喷涂密集材料的电解质层。该层的厚度在10至500μm之间。当然该层应该是气密的。
然后，多孔材料的阴极或阳极层在与第一电极的相同条件下进行沉积。
最后，互连体始终通过喷涂进行沉积。如果后者必须包括通路，例如纵向的分配通路，则在前一层上要沉积防护罩(mask)。由此在互连体的内侧上获得通路。继续进行喷涂直到获得有足够厚度的连续且密集的层。防护罩被再次沉积以在互连体的外侧上制造通路。
这四个操作被重复一定数量的次数，直到达到期望的层数。
由此获得的叠层是单片的，其提供所有单电池的机械支撑而不管它们的厚度如何。
参考图6，燃料电池的若干基本模块60组装在隔热的室61内，以使得这些模块保持工作温度。该室61应包含用于入口和出口的使气体通过的通道，残余气体单独地或混合地排出。
规定为气体应通过足够长度的管道被带入到模块内，使得在这些气体在使用前进行预加热。从模块中排出的残余气体可以进行混合并在室61内燃烧，或者通过管道带出到后者的外部。在一个示例中，残余气体在出口处分别被回收，而用于气体流入的准入管道横过电池的中心，从而使得气体在其中进行预加热。
在模块之间提供电连接，已知模块的内面是电池的电极之一，外面是另一个电极。
此类组件的工作温度是750℃。因此可获得包括若干模块的组件的完整电池，以获得期望的电压和功率。与现有方案相比，其整体限制于一体积内，同时损失大大减小。
权利要求
1.一种燃料电池模块，包括具有管状结构并通过互连体(24，34，44)连接的电池，每个电池由包括阳极(21)、电解质(22)和阴极(23)的同心的基本叠层组成，特征在于，所述燃料电池模块包括由所述互连体分隔的若干同心电池的同心堆以及在每侧上的分配外壳，所述分配外壳具有两种气体供应装置，所述装置包含在所述堆侧(31)的每个表面上的开口向外的径向通路(35)。
2.根据权利要求1所述的模块，特征在于每个模块的截面是圆柱状的。
3.根据权利要求1所述的模块，特征在于其包括除在所述分配口处之外的在每个外壳(31)和所述堆之间的密封衬垫分配。
4.根据权利要求1所述的模块，特征在于所述阳极(21)和所述阴极(23)是多孔的。
5.根据权利要求1所述的模块，特征在于其包括在所述堆的任一侧上的被穿孔的分配板(33)，所述孔面对将被供应气体的所述电极；所述电极的互连体(34)具有纵向的、错位的以及交替的入口和出口气体分配通路(39)分配。
6.根据权利要求1所述的模块，特征在于所述互连体具有螺旋形状。
7.根据权利要求1所述的模块，特征在于所述外壳(31)的材料是氧化锆。
8.一种用于制造任意权利要求1至6的模块的方法，该模块是单片的，特征在于从具有互连体功能的中央管通过等离子体喷涂进行制造，所述喷涂的不同的连续阶段如下-以多孔材料在互连体(24，34，44)上喷涂所述阳极(21)和阴极(23)中的任一个；-喷涂稠密的电解质(22)；-喷涂所述阳极(21)和阴极(23)中的另一个；以及-喷涂互连体(24)；重复所述过程达堆叠所述电池所需要的次数。
9.根据权利要求8所述的方法，特征在于，由于所述互连体(39)应被开槽以能够形成纵向的燃料分配通路(39)，在喷涂下一层之前，这些通路被阻塞。
10.一种包括任意权利要求1至7中的若干模块(60)的燃料电池装置，其限制在热绝缘的室(61)内，并至少具有用于可燃气体的入口和出口通道。
全文摘要
一种燃料电池基本模块层叠结构，其结构紧凑，具有极小的欧姆损耗且易于实现组件的密封。所述结构包括若干燃料电池单电池的同心叠层，每个单电池在任一侧上包括中间夹着阳极(21)、电解质(22)以及阴极(23)的互连体(24)，由此每个电池设置于彼此之上。所述模块包括用于分配可燃气体的两个外壳。本发明适用于SOFC类型的气体燃料电池。
文档编号H01M8/04GK101048908SQ200580036293
公开日2007年10月3日 申请日期2005年10月27日 优先权日2004年11月2日
发明者达米安·加莱, 弗兰克·布兰, 让-吕克·萨罗 申请人:原子能委员会