專利名稱:電化學電池裝置的制作方法
本發(fā)明涉及一種電化學電池裝置。高溫固體電解質(zhì)燃料電池，用一種薄層固體電解質(zhì)(約40μm)，主要是穩(wěn)定的氧化鋯，在800℃或800℃以上溫度把未提煉的燃料如一氧化碳-氫混合物的化學能轉(zhuǎn)換成直流電能。為了使固體電解質(zhì)充分導電，使歐姆損失降至最小，這樣的高溫是需要的。
燃料電池單體產(chǎn)生0.5到1.0伏之間的電壓，把許多這樣的電池互相以“串”和“并”連接，以獲得希望的輸出電壓和電流。另外，為了不損壞電極，燃料電池組的正常工作需要在電池內(nèi)把反應(yīng)物隔開。另外，必須把進來的氧化劑予先加熱到接近工作的溫度。
在美國書№4，395，468，中所描述的燃料電池裝置，給出了一個滿足上面要求的結(jié)構(gòu)。用美國未決專利申請№323461中公開的電池互連的方法，把一些燃料電池單體遂個以“串”和“並”進行電連接，以降低歐姆損失並得到所需要的輸出電壓和電流。保持燃料電池的反應(yīng)物分開不是用密封電極室的方法，而是通過在這種電極室中的受控壓力差來實現(xiàn)的，讓用過的氧化劑和燃料在燃燒室化合，把它用作予熱伸到管形電池去的空氣輸送管內(nèi)進來的氧化劑。
在美國書№43954681的設(shè)計中存在某些缺點。在電池堆外圍的一些單體電池是與隔離壁或者與外殼接觸的。按照接觸的緊密程度，沒有經(jīng)過電化學氧化的燃料會沿著電池漏泄到壁的接觸區(qū)。必須考慮準確的公差，仔細估算尺寸和適當?shù)母綦x支撐來限制沿著表面的燃料漏泄，使之達到最小的程度。
在先有技術(shù)中所公開的其它單體燃料電池裝置，都不是環(huán)形類的電池裝置。美國書3717506，4175165和4248941，都屬于固體電解質(zhì)燃料電池，其中含有許多堆成平面的燃料電池單體。這些設(shè)計是用連接的平板電池而不是用環(huán)形電池來形成電池陣。
因此，本發(fā)明屬于一種高溫，固體氧化物電化學電池結(jié)構(gòu)，包含許多環(huán)形電池單體，每個電池單體具有內(nèi)和外環(huán)形電極，內(nèi)外電極之間為電解質(zhì)，其特征在于把所述電池排列成一個網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)包括若干個電池平面，在各個平面上彼此相鄰的電池都是平行排列的，把所述電池平面安置在彼此相鄰的一些平面的表面，彼此相鄰的平面的電池都是互相垂直的;位于共同平面里的電池，通過連接電池的外電極的導電互連，把所述互相平行的相鄰電池遂個進行並聯(lián)，電池互相垂直的相鄰平面通過一個電池的外電極和所述電解質(zhì)的不連續(xù)處進行電連接而串聯(lián)起來，即把所述內(nèi)電極的選擇角扇片(angular Segment)連接到另一個正交電池的外電極的一個選擇軸向扇片(axial Segment)上。
本發(fā)明還包括這樣一種高溫，固體氧化物電化學電池結(jié)構(gòu)，其中包括許多環(huán)形電池，每個電池具有內(nèi)和外環(huán)形電極，內(nèi)、外電極之間為電解質(zhì)。其特征在于把所述電池排列成一個網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)包括若干個電池平面，在各個平面上彼此相鄰的電池都是平行排列的，把所述電池平面安裝在彼此相鄰的一些平面的表面，彼此相鄰平面的電池都是互相垂直的，位于共同平面里的電池通過一個電池的外電極和所述電解質(zhì)的不連續(xù)處進行串聯(lián)，即把所述內(nèi)電極的選擇角扇片連到另一個電池的外電極上，以此把平面上的電池遂個串聯(lián)起來;而電池互相垂直的電池平面，通過它們之間的導電互連進行並聯(lián)，即把所述電池的外電極連接到另一個正交電池的外電極的一個選擇軸扇片上。
于是，環(huán)形燃料電池堆通過把環(huán)形燃料電池單體，安排成彼此成直角的十字交叉電池網(wǎng)克服了上述障礙。在一個水平平面里的單體電池設(shè)置成彼此平行。然后把這些平面以交替的直角位置垂直地放置。輸送管從電池的開口端伸出，經(jīng)由電池穿過作為空氣預熱燃燒室的第一室。然后進入接受空氣的進氣增壓室(plenum)。管形燃料電池的封閉端外面，形成了第二室，把燃料氣體供給該室。這個結(jié)構(gòu)保留了美國書№4895468，的非密封設(shè)計概念，它運用了等速和受控的反應(yīng)物流，以防止在進入空氣預熱燃燒室之前反應(yīng)物的相互作用。
在工作期間，氧化劑即空氣(氧)從電池的內(nèi)部電極上經(jīng)過之同時，燃燒從燃料電池的外部電極通過，兩種反應(yīng)物經(jīng)過電化學消耗，把化學能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。在?jīng)過消耗的氣體中剩下的燃料和氧化劑在預熱燃燒的第一室化合，通過燃燒進行反應(yīng)，從而加熱了在輸送管中進來的空氣。
在一種新的管形燃料電池堆排列中把燃料電池排列為正方形，在正方形的每一面垂直安置空氣輸送管。在燃料電池堆的周圍是作為空氣預熱器的第一室和一個接受空氣的進氣增壓室。在方形排列的角落附近的燃料電池延伸到大約方形邊長度之半，而在方形中心附近的燃料電池稍微短些，從而在燃料電池堆的中間形成了一個中心通路。這個中心通路形成了第二室，把燃料氣體輸送到該室中。
為了控制燃料氣體對燃料電池的穿透率可以把電池選得更短些，以形成一個通路，或者把一個預定孔隙率的鈍態(tài)管置于短電池所留下的通路中。
可以把這類電池堆做成具有支撐柱的積木型式。這些支撐柱安置在第一室、進氣增壓室的角落和第二室內(nèi)部;支撐梁以一個預定的高度跨在選擇的支撐柱之間;還有供給在中間進行電的和氣體連接的裝置。
為了能更清楚地了解本發(fā)明，現(xiàn)在將以一些適宜的實施方案為例，通過參考附圖來進行描述。
圖1是先有技術(shù)中的一個燃料電池裝置的橫截面示意圖，圖2是一個電化學電池結(jié)構(gòu)的截面平面圖;
圖3是一些單個管形燃料電池的截面圖，表示各個電池的串聯(lián)和並聯(lián)。
美國書№，4395468的燃料電池堆表示了沿著管軸所做的從電池到電池的電連接。在一個電池單串中，一旦一個電池不能工作，整串的電源將失效，除非有較多的電池同時並聯(lián)。這種電池堆的另一個可能的缺點是為了可靠的電連接要求燃料電池單體排成筆直，并具有準確的公差，并且機械緊密性是由沿著管串的電連接帶鍵的機械強度來決定的。如圖1所述，故障可能發(fā)生在并聯(lián)方向9;串聯(lián)方向10或穿過管梱的對角線方向11。
參考圖2，示出了一種電化學電池結(jié)構(gòu)，比如一種燃料電池，把多個高溫的固體電化學環(huán)形電池12和13排列成平面網(wǎng)絡(luò)，在這個網(wǎng)絡(luò)中，彼此相鄰的電池是平行排列的，形成一個平面。把多層這種平面疊起來成為一個平面堆。每個平面都對著相鄰平面的電池方向轉(zhuǎn)動90。
參考圖3，固體電解質(zhì)燃料電池有一個外環(huán)形電極14和一個內(nèi)環(huán)形電極16，在二者之間是固體電解質(zhì)18。一個穩(wěn)定的氧化鋯的多孔陶瓷支撐管20裝在電池內(nèi)，鄰接內(nèi)電極，此管基本上等于電池的長度。
再來參考圖2，每個環(huán)形電池具有一個開口端22。每個電池的另一端24是封閉的。電池的開口端有一個輸送管26，把一種反應(yīng)劑氣體供到支撐管內(nèi)。
把兩種氣體供給燃料電池，第一種氣體和第二種氣體。一種氣體是燃料氣體，比如氫或一氧化碳;另一種氣體是含氧的氣體，比如空氣。含氧氣體在電池上反應(yīng)之前，必須把它加熱到接近工作溫度(約800℃)經(jīng)過輸送管26和支撐管20，使第一種氣體通向電池的內(nèi)電極，沿著從電池的封閉端到其開口端的方向把第二種氣體送向電池的外電極14，即電池外壁。多孔支撐管20用作為第一種氣體流過的通道。空氣通過輸輸送管26進入，在每個電池的封閉端反轉(zhuǎn)，在電池開口端22排出，此時已耗盡了氧氣。
在第一種和第二種氣體彼此並行時，它們分別穿過外和內(nèi)電極，進行電化學反應(yīng)，產(chǎn)生電流和熱。常用的第一種氣體是含氧氣體，而第二種氣體是燃料氣體。
這種裝置消除了未用燃料沿電池堆邊界和在電池之間的漏泄。十字連接電池管之間的摩擦，在保持電池堆網(wǎng)絡(luò)交叉點上電接觸的同時改善了單體電池間的機械內(nèi)聚性。
為了有效地利用每一電池產(chǎn)生的約在0.5～1.0伏間的直流電流，在該最佳實施方案中，把各個單體電池在一個電池平面中並聯(lián)，而把電池平面串聯(lián)起來，如圖3所示。
通過金屬纖維氈帶27這樣的接觸裝置進行電連接，來連接電池電極。如美國未決專利申請№，323641所描述的，從一個平面里電池的外電極到下一個平面的電池內(nèi)電極的串聯(lián)，是把下一個平面的電池外部的導電互連片28，通到電池的外電極和電解質(zhì)中一個選擇角扇片的不連續(xù)處來完成的。從一個電池的外部電極到另一個電池的互連片28也是通過金屬纖維氈帶27來完成的。
對電池內(nèi)部供給空氣的輸送管，從電池的封閉端延伸，穿過第一室29，進入到一個接受空氣的裝置(比如一個進氣增壓室30)。把空氣送入進氣增壓室30，從此通過輸送管26進入電池12和13。在第一室29，已消耗到10%至15%的燃料和消耗到15%氧的氧化劑混合並進行化學燃燒，使反應(yīng)趨向完成。這種燃料使從輸送管26進來的空氣，在進到電池12和13之前得到預熱。然后燃燒產(chǎn)物通過第一室的排氣裝置32排出。
第二室34位于電池的封閉端附近，並具有一個接受燃料氣體的入口(未示出)。把供給第二室的燃料直接引向電池12和13的外電極，在這里消耗了一部分然后流入第一室29，而第一室29，剩下的燃燒與剩下空氣的氧進行反應(yīng)，然后排出去。
該最佳實施方案具有電池開口端22和沿著電池裝置的徑向周邊向外延伸的輸送管26，電池平面最好是方陣，輸送管沿法線向方陣的四邊延伸，第一室29沿著電池結(jié)構(gòu)的徑向周邊包圍了該電池結(jié)構(gòu)。
在這個最佳實施方案中，第二室34位于該燃料電池結(jié)構(gòu)的內(nèi)部，第二室最好在有兩種長度的單體電池間形成。第一種電池12的長度大約為方陣結(jié)構(gòu)邊長的一半，而第二種電池13比第一長度短的量，為所要求的第二室邊長的一半。
把第一種長度的電池12置于方陣裝置的角落附近，而把第二種長度電池13置于邊緣的中心附近，從而形成了一個穿過結(jié)構(gòu)中間的第二室。輸送管26所取的尺寸使之通過不同尺寸的電池時達到近于相同的壓力降。
用上述方法把電池堆起到一個預定的高度以形成一個模塊。模塊結(jié)構(gòu)是由支撐裝置確立的，比如，由氧化鋁做成的垂直支撐部件36，安置在第一室29或進氣增壓室30里的模塊角落上，以及在第二室34里。並通過氧化鋁的支撐模梁38以一個預定的高度跨接在選擇的柱36上。利用通常的電和機械的連接裝置在所要求的模塊之間進行電接觸，在各個模塊的第一和第二室之間進行氣體連接。電源對電池的連接是以平面的方式，在這里，可能是連接一個電池平面的單一連接板，或者是連接一個電池設(shè)備的連接板組，它代表電池堆的正端，另一個，負電連接端也是以同樣的方式由電池堆的相對電池平面來做的。本發(fā)明者在美國書№4431715中給出了電池的電連接裝置。通過把把一個模塊里最后的電池平面的金屬集電極連接到下一個模塊里第一個電池平面的金屬集電極來進行模塊間的電連接。
從堆成模塊的頂或底把燃料氣體供給第二室?？梢詮亩殉赡K的各個方位供給空氣。
從內(nèi)到外穿過電池網(wǎng)的燃料氣體有一個減低的流速。由于在電極上較長的存在時間，從而促進了堆周邊的低流密度區(qū)的燃料消耗，而富燃料氣體都以更快的速度通過近于中心的高流密度區(qū)。
燃料的消耗可能是不均勻的，特別是沿著燃料電池堆的對角線。然而，由于電池電壓是不變的，所以電流將以這樣的方式改變，即是沿著電池堆的對角線到堆的角落，燃料的消耗將趨向于均勻。
可以通過電池堆的修改來促進整個電池模塊的燃料消耗的一致和電輸出密度的一致。所選擇的電池比如電池40，比多數(shù)更自由更深的燃料穿透電池都短一個確定的量。由于縮短電池產(chǎn)生空白的結(jié)果，燃料的彌散和流入燃料電池堆的量，可以通過把一個預定孔隙率的同樣尺寸的管(比如管子42)插入空白空間來進一步控制。
權(quán)利要求
1.一種高溫的固體氧化物電化學電池結(jié)構(gòu)，包括許多環(huán)形單體電池，每一電池具有內(nèi)和外環(huán)形電極，內(nèi)外電極之間為電解質(zhì)，其特征在于把所述的電池排列成網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)包括若干個電池平面，在各個電池平面上彼此相鄰的電池都是平行的，把所述的電池平面安置在彼此相鄰的一些平面的表面，彼此相鄰的平面上的電池都是互相垂直的；位于共同平面里的電池通過連接電池外部電極的導電接片逐個進行並聯(lián)，其電池互相垂直的相鄰平面通過一個電池的外電極和所述電解質(zhì)的不連續(xù)處進行電連接而串聯(lián)起來，即把所述內(nèi)電極的選擇角扇片連接到另一個正交電池的外電池的一個選擇軸向扇片上。
2.一種高溫的固體氧化物電化學電池結(jié)構(gòu)，包括許多環(huán)形單體電池，每一個電池具有內(nèi)和外環(huán)形電極，內(nèi)外電極之間為電解質(zhì)，其特征在于把所述的電池排列成網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)包括若干個電池平面，在各個電池平面上彼此相鄰的電池都是互相平行的。把所述的電池平面安置在彼此相鄰的一些平面的表面，彼此相鄰的平面上的電池一般來說是互相垂直的;位于公同平面里的電池通過一個電池的外電極和所述電解質(zhì)的不連續(xù)處進行串聯(lián)即把所述內(nèi)電極的選擇角扇片連接到另一個電池的外部電極上。據(jù)此把平面上的電池遂個串連起來;而電池互相垂直的電池平面，通過它們之間的導電互連進行並聯(lián)，把所述電池的外部電極連接到另一個正交電池的外部電極的一個選擇軸扇片上。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1的電化學電池結(jié)構(gòu)。其特征在于輸送管通過電池的一端延伸到電池之內(nèi)，而電池的另一端是封閉的，第一室位于輸送管周圍。第二室位于所述電池的封閉端附近，所述的第一室具有一個用于接受第一種氣體的裝置，一部分第一種氣體通過輸送管送到內(nèi)電極，第一種氣體的剩余部分通過輸送管直接送到第一室的排氣裝置。第二室有一個入口，用于接受第二種氣體，把這種氣體送過外電極並進入第一室，與第一種氣體混合並反應(yīng)，然后通過第一室排氣裝置排出。
4.根據(jù)權(quán)利要求
3的電化學電池結(jié)構(gòu)，其特征在于所述電池結(jié)構(gòu)帶有一些輸送管，從電池的開口端向電池結(jié)構(gòu)外面伸展，第一室沿著徑向周邊包圍電池結(jié)構(gòu);第二室位于由所述電池的封閉端所框定的電池裝置的內(nèi)部。
5.根據(jù)權(quán)利4的電化學電池結(jié)構(gòu)，其特征在于，把電池排列成方陣結(jié)構(gòu)，含有相等數(shù)目的電池，輸送管是從方陣四面的每一面垂直延伸，所述的電池有兩種長度第一種長度近似等于所述方陣結(jié)構(gòu)邊長的一半，第一種長度的電池位于所述方陣結(jié)構(gòu)的角落附近;第二種長度比所述第一種長度短一個預定的量，所述的預定量等于方形的第二室邊長之半，第二種長度的電池位于方陣結(jié)構(gòu)的邊的中心附近，占據(jù)的是第一種長度電池之間的位置。
6.根據(jù)權(quán)利要求
4的電化學電池結(jié)構(gòu)，在該結(jié)構(gòu)中，把電池堆到一個預定的高度，形成了一個模塊，在模塊中包括置在第一室或者進氣氣增壓室以及第二室中的支撐柱裝置;以預定的高度跨接支撐柱裝置上的梁;在模塊之間建立電連接的裝置;在毗連著的模塊的各個第一室和各各個第二室之間形成連接的裝置。
7.根據(jù)權(quán)利要求
3、4，5或6的電化學電池結(jié)構(gòu)，其特征在于，所選擇的電池為一個預定較短的長度，以允許所述第二種氣體通入電池結(jié)構(gòu)可穿透得更深。
8.根據(jù)權(quán)利要求
7的電化學電池結(jié)構(gòu)，其特征在于，一個預定孔隙率的管子占據(jù)了由所迭短電池騰出來的空白空間。
9.根據(jù)權(quán)利要求
1或2的電化學電池結(jié)構(gòu)，其特征在于，把一些環(huán)形支撐管置在內(nèi)部電極的內(nèi)側(cè)。
專利摘要
一種燃料電池裝置，在該裝置中，把固體氧化物電解質(zhì)的圓柱電池排成平面陣，一個電池平面內(nèi)的電池是平行排列的。以相鄰的電池平面的電池互相垂直的方式把電池平面堆起來。由穿過預熱室的輸送管把空氣供到電池的內(nèi)部。通過在電池堆中心的通道把燃料供到燃料電池，然后穿過電池的內(nèi)部，在預熱室與已消耗了部分氧的空氣化合。
文檔編號H01M8/12GK85105685SQ85105685
公開日1986年10月8日 申請日期1985年7月26日
發(fā)明者阿諾爾德·奧托·伊森伯格 申請人:西屋電氣公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan