[发明专利]具有带整体的气体分配管的薄端板的燃料电池堆

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有至少一个过程气体连接端板的燃料电池堆，其较薄并且具有的长度和宽度和热膨胀系数匹配燃料电池堆的长度和宽度和热膨胀系数并且其包括至少一个过程气体分配管。

背景技术

在下文中，将围绕固体氧化物燃料电池解释本发明。但是，根据本发明的互连件也可用于其它类型的燃料电池，诸如聚合物电解质燃料电池（PEM）或直接甲醇燃料电池（DMFC）。固体氧化物燃料电池(SOFC)包括能传导阳离子的固体电解质，将氧气还原为阳离子的阴极以及氧化氢气的阴极。在SOFC中的总反应为氢气和氧气电化学反应以产生电、热和水。为了产生所需的氢气，阳极通常具备用于烃特别是天然气的蒸汽重整的催化活性，由此生成氢气、二氧化碳和一氧化碳。作为天然气的主要成分的甲烷的蒸汽重整可以通过以下方式描述：

CH₄ + H₂O —? CO + 3H₂

CH₄ + CO₂ —? 2CO + 2H₂

CO + H₂O —? CO₂ + H。

在操作期间，诸如空气的氧化剂被供应到固体氧化物燃料电池的阴极区域。诸如氢气的燃料被供应到燃料电池的阳极区域。可选地，诸如甲烷的烃燃料被供应到阳极区域，在阳极区域中，烃燃料通过上述反应转化为氢气和碳氧化物。氢气通过多孔阳极并且在阳极/电解质界面处与在阴极侧上生成、已扩散通过电解质的氧离子起反应。利用来自电池的外部电路的电子输入，氧离子形成于阴极侧。

为了提高电压，组装若干电池单元以形成堆并且通过互连件而连接在一起。互连件用作气体屏障以隔开相邻电池单元的阳极（燃料）侧和阴极（空气/氧气）侧，并且同时，互连件允许在相邻电池，即在具有过剩电子的一个电池的阳极与需要用于还原过程的电子的相邻电池的阴极之间的电流传导。另外，互连件通常具备用于互连件的一侧上的燃料气体和在相反侧上的氧化剂气体流通的多个流动通路。

固体氧化物燃料电池(SOFC)堆因此为包括陶瓷燃料电池和金属互连件和间隔件的夹层结构。这些不同的材料在高温下用玻璃密封件胶合在一起以形成刚性结构。使用这种不同材料使得不能避免热膨胀系数（TEC）的一些差异。在操作期间，堆可能经受高达大约1000摄氏度的高温，在堆中造成温度梯度和因此造成堆的不同部件的不同热膨胀。所造成的热膨胀可导致在堆的不同层之间的电接触减小。热膨胀也可导致在不同层之间的气体密封件中的裂缝和泄露，导致堆较差的功能和减小的功率输出。

当该堆从密封温度或操作温度冷却时，TEC值的失配导致热机械应力和引起裂缝的能量。当端板与堆分层时可释放的潜在能量近似与端板厚度成比例并且与堆TEC和端板TEC之间的差的平方成比例。因此，TEC值和端板厚度的匹配对于电池堆的完整性而言都是重要的。在厚端板与堆端部一体的情况下，引起裂缝的能量会导致堆分层和完整性损失，除非该堆受到压缩系统保护。

在PCT/EP201/001938中公开了这个问题的解决方案，其中试图将端板的厚度和TEC值与电池堆匹配。但是，薄端板仅部分地解决了这个问题：如果具有不同TEC值的另外的部件施加到电池堆上，那么TEC的值的失配将成为问题，即使是对于薄端板而言。这是现有技术电池堆的情况，其中过程气体到电池堆的连接利用厚金属板进行。因此，需要到燃料电池堆的过程气体连接方案，其解决了过程气体连接的TEC值不匹配电池堆的TEC值的问题。

EP0408104公开了过程气体供应装置，其连接到薄分隔板。但是，分隔板在实际电池堆的区域外侧延伸，因此需要很大的额外空间量，并且过度地增加了电池堆布置的总共尺寸（图3）。另外EP0408104公开了一种从过程气体供应装置到堆中的每个电池用来补偿电极的收缩的弹簧加载的气体通路，这是相当昂贵的解决方案，因为电池堆包括大量电池。

WO02075893还公开了一种解决方案，其中过程气体供应装置布置于电池堆的活性区外侧并且气体供应装置中的至少某些连接到相当厚的板。

类似的解决方案可见于WO2008023879中，其中过程气体供应装置连接到相对较厚的端板。

发明内容

本发明的目的在于提供一种燃料电池堆，其包括过程气体连接方案，其最小化电池堆内的引起裂缝的能量。

本发明的再一目的为提供一种燃料电池堆，其包括过程气体连接方案，与已知的方案相比，这是紧凑的并且降低成本的。