专利名称：燃料电池的管形模块及其密封装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池，特别是在高温下运行的燃料电池，如SOFC (固体氧化物燃料电池)，还涉及SOEC (固体氧化物电解电池)类型的 电解装置。
现有技术和存在问题
SOFC类型的燃料电池用氧和氢或其它可燃气体例如甲烷作为燃 料，并在500-1000。C的温度下工作。这些电池由多个单元电池的堆积构 成，这些单元电池通过连接元件如互连件或双 1连接起来。每个单元电 池本身由阴极、电解质和阳极堆叠构成。为了使02离子电解质得到足够 的导电性，需要4艮高的温度。
在同轴结构中，燃料电池的不同单元电池的堆积是同心的，每个单 元电池本身通过互连件与另 一单元电池连接。
图l图示了管形结构，该结构主要包括燃料电池的多个单元电池6 的同心堆积2，这些单元电池6与互连件1相间。在同心堆积的每一端有 压板4或5，该压板4或5或者具有氧和氢的分配网，如底部下压板5， 或者具有残余气收集网，如上压板4。另外，在堆积2的上部与上压板4 之间使用被压在这两个部分之间的陶瓷棉盘构成的密封垫3。因此在可燃 气体管路的不同室之间产生压头损失，并且还具有吸收堆积的不同构成零 件特别是电池单元与;i金属的互连件之间的膨胀差的功能。
但是，已经发现，该密封垫不能保证完全密封。实际上， 一部分气 体混合并燃烧。但是该缺点也可被利用，以便必要时重新加热进入的气体。 相反，在某些运行条件下，所述加热可能显得是多余的。则这种在装置出 口的泄漏会成为对燃料电,块的效率有害的缺陷。
本发明的目的M服这些缺点，以便在装置的出口回收有价值的气 体，因此提高装置的效率。对SOFC燃料电池，存在的气体是从阳极室 出来的没有消耗的氢和从阴极室出来的氧，而对于SOEC类型的电解装置，存在的气体为阴极室出口产生的氢和从阳极室出来的氧加上栽气。
在SOFC燃料电池方面，与SOEC电解装置一样，本发明的目的 在于减少由于两种气体混合的失控燃烧产生破坏的危险，并且还吸收不同 组成部件之间的膨胀差。
发明内容
为此，本发明的主要目标是一种燃料电J^块，该模块由与互连件 相间的单元电池的管形堆积构成，并且，对于每个与一个单元电池相关的 层，该模块包括
—互连件；
—阳极室；
一单元电池；
—阴极室；
该模块在堆积的两端由两个分配和收集盒(其中 一个为上盒， 一个为下盒) 以及在堆积与上盒之间的由上密封垫构成的密封装置来结束。值得注意的 是，玻璃在工作温度下处于骨状。上盒的管形"陷在"玻璃中，但不压缩 玻璃。
根据本发明，密封装置以上盒的下表面结束，该上盒具有同心管状 壁，即对每个与一个单元电池相关的层有两个陷在上密封垫中的壁，阳极 室和阴极室的末端是储存器，每个储存器由管形内套管和管形外套管构 成，外套管包含上密封垫，并且成对通向在上的盒的腔内。
在本发明优选实施例中，密封垫是玻璃的。
同样，在本发明主要实施例中，模块的管形结构为柱形。
在符合本发明的模块的第一版本中，下盒是分配盒，下密封垫位于 堆积的底部与下盒的上表面之间，上盒为气体收集盒。
在这种情况下，分配盒的分配装置由至少两个环形通道构成，这两 个环形通道通过通路通向至少两个径向通道，并且通it^身通过分配通路 通向堆积的一个表面，所述分配通路用于通过阳极室和阴极室供给电极。
在这种情况下，收集盒的收集装置由至少两个径向通道构成，这两 个径向通道通过收集通路通向与堆积相对的表面，并通过环形通道通向外表面，以便排出残余气。
在符合本发明的模块的第二版本中，下盒和上盒中的每一个对两种 可燃气的其中一种的分配和收集都是有效的。
在该第二种情况下，两个盒中每个盒的分配装置由至少一个径向通 道构成，该径向通道通过分配孔通向堆积的表面，所述分配孔用于通过阳 极室和阴极室供给电极。
同样，在该情况下，两个盒的收集装置由至少一个在与堆积相对的 表面上的环形通道和外表面上的排出孔构成，排出孔通到环形通道中，以 便排出残余气。
最好在堆积的中心使用保证上盒的对中和支撑的支撑管。
阅读下面的详细描述并参照以下附图可以更好地了解本发明和它
的各种技术特征。附图中
一图1为已经描述的根据现有技术的燃料电池元件的剖面—图2为根据本发明的燃料电池元件的剖面—图3为根据本发明的燃料电^块密封装置的剖面图。
具体实施方式
的详细描述
参照图2，根据本发明的模块主要包括分配盒20和收集盒30，这 里分配盒是作为单元电池IO的同心堆积的底部的下盒，收集盒30这里是 罩在单元电池10的堆积上的上盒。整个组件由位于单元电池10的同心堆 积的中心的支撑和对中管40完成。该支撑和对中管40位于分配盒30的 凹槽29和收集盒30的凹槽39中。单元电池10的堆积位于分配盒20的 沟槽21中，并带有互补的玻璃下密封垫27。单元电池10的堆积的上部 位于在收集盒30的下表面上形成的腔37中。更确切地说，在其上部，每 个单元电池10和每个互连件具有构成储存器43的喇叭口 ，每个喇叭口位 于构成腔37的两个壁之间。该设备的细节将参照图3进行描述。
分配盒20具有可燃气体输入管22和23,这些输入管通过两个环形 通道24穿过分配盒，通路27通到至少一个径向通道25中。通路26可以把气体分配到位于每个单元电池10两侧的阳极室和阴极室中。
在互连件12的延长线上设置毛细管41。它们装配在锪孔中，以避 免供应通5^ML玻璃的下密封垫28阻塞。单元电池11的下表面和互连件 12与位于分配盒20的沟槽21中的玻璃下密封垫28接触。
类似地，在收集盒30中，与阳极室和阴极室的出口相对，设置有 通路36。因此残余气被至少一个径向通道35俘获，并通过通路37和环 形通道34送往输出管32和33。
如箭头的流向所示，气体的流动整体上是垂直上升或下降的。在图 2所示的实施例中，气体的流动以同向流(co-courante)的方式进行，但 也可考虑逆向流(contre courante )。
对于该模块专用的密封装置，在图3中看到的是收集盒30，更确切 地说是它的下部，以及同心壁38形成的腔37。还可看到交替的内套管44 和外套管45形成的储存器43，它们的端部稍^t错开，以形成这些喇叭口。 每个储存器的内套管44和套管45的每一个位于两个相邻的腔37中。换 句话说，围绕每个单元电池10的阳极室和阴极室14中的每一个通向其中 一个腔37。图3中还图示了同心设置并且夹在也是同心的单元电池10之 间的互连件12。
通it4储存器43处深入到由单元电池10的堆积和互连件12构成 的整体中的玻璃上密封垫50保证该模块在此处的密封性。因此该上密封 垫50在足够大的厚度上堵塞互连件12和单元电池10的端部。另外注意 到，形成腔37的壁38也深入到密封垫50中。
利用轧制或焊接的例如镍基合金或铁基合金的金属带得到内套管 44和外套管45。更确切地说，軍在互连件12上的内套管44和外套管45 由与互连件12相同的材料形成，嵌套或焊接在管子端部。在嵌套的情况 下，它们具有作为轴向阻挡的额外的形状。罩在单元电池10上的内套管 44和外套管45由一种膨胀系数尽可能接近单元电池11的材料形成。它 们被嵌套，并具有作为轴向阻挡的形状。
关于单元电池10端部的密封性，内套管44和外套管45的冷直径 的确定使得，无论温度如何，每个单元电池ll与它们的内、外套管44和 45之间具有间隙。该间隙的尺寸应祐^确定为消除导致单元电池10损坏危 险的径向力，同时又保证对构成密封垫50的玻璃的约束。
为了限制腐蚀问题和短路问题，可以用一种耐腐蚀的电绝缘材料例如氧化锆覆盖内套管44和外套管45。
收集盒30是金属的或陶瓷的。该盒由一种膨胀系数尽可能接近单 元电池10的材料构成，以便对于在构成密封垫50的玻璃的玻璃态转换温 度以下的温度限制热转换期间的力。
通过等离子体沉积或任何其它陶瓷零件制造方法形成管形单元电 池。因为它们的半径是逐步增加的，将它们中的一些安装到另一些当中。 需要明确的是，它们的轴线在工作位置是垂直的。
互连件12也是管形的和金属的。它们保证气体的分离，并借助于 通过焊接或钎焊附加在互连件上的薄片串联单元电池IO。
权利要求
1.一种燃料电池模块，包括单元电池(10)的管形堆积，单元电池(10)与互连件(12)相间，对每个与一个单元电池(10)相关的层，该模块包括互连件(12)；阳极室(14)；单元电池(10)；阴极室；设于所述堆积的两端的两个分配和收集盒(20、30)，其中一个盒(30是)上盒，一个盒(20)是下盒；由上密封垫(50)构成并位于所述堆积与上盒(30)之间的密封装置，其特征在于，密封装置以上盒(30)的下表面结束，对每个与一个单元电池相关的层，该密封装置具有两个陷在上密封垫(50)中的同心管形壁(38)，阳极室(14)和阴极室(14)以储存器(43)结束，每个储存器(43)由管形内套管(44)和管形外套管(45)构成，储存器(43)包含上密封垫(50)并成对通到上盒(30)的腔(37)内。
2. 如权利要求1所述的模块，其特征在于，上密封垫(50)由玻 璃制成。
3. 如权利要求1或2所述的模块，其特征在于，所述模块的结构 为柱形。
4. 如权利要求l所述的模块，其特征在于，下盒是以下密封垫(27) 结束的分配盒(20),下密封垫(27)位于所述堆积与分配盒之间，并且 上盒和收集盒(30)以上密封垫(50)结束。
5. 如权利要求1所述的模块，其特征在于，下盒和上盒分别构成 第一气体的分配盒和第二气体的收集盒。
6. 如权利要求4所述的模块，其特征在于，该模块包括分配盒(20) 的分配装置，所述分配装置由至少两个环形通道(24)构成，环形通道(24) 通向至少两个径向通道(25)，径向通道(25)本身通过分配通路(26) 通向所述堆积的一个表面，所述分配通路(26)用于通过阳极室和阴极室(14)供给单元电池(10)的电极。
7. 如权利要求4所述的模块，其特征在于，该模块包括收集盒(30) 的收集装置，收集装置由至少两个径向通道(35)构成，径向通道(35) 通过收集通路(36)通向与所述堆积相对的表面，并通过环形通道(34) 和输出通路(37)通向收集盒(30)的外表面，用于排出残余气。
8. 如权利要求1所述的模块，其特征在于，该模块包括位于所述 堆积的中心的支撑和对中管(40)。
全文摘要
模块具有陷入堆积的单元电池(10)出口的密封装置。该模块主要包括分配盒(20)、收集盒(30)和与互连件(12)相间的单元电池(10)的同心堆积。上密封垫(50)位于单元电池(10)的出口，收集盒(30)的壁(38)陷入到密封垫(50)中。内套管(44)和外套管(45)在室的出口构成储存器，并且内、外套管本身通到壁(38)形成的腔(37)内。本发明用于SOFC型燃料电池和SOEC型电解装置。
文档编号H01M8/24GK101292382SQ200680038758
公开日2008年10月22日 申请日期2006年10月17日 优先权日2005年10月19日
发明者让-吕克·萨罗 申请人:原子能委员会