[发明专利]用于SOC单元的气体入口

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于固体氧化物电池(SOC)单元、特别是固体氧化物燃料电池(SOFC)单元或固体氧化物电解电池(SOEC)单元、特别是用于包含在SOC堆中的SOC单元的气体入口。

背景技术

固体氧化物燃料电池(SOFC)包括能够传导氧离子的固体电解质、在其位置处氧被还原为氧离子的阴极以及在其位置处氢被氧化的阳极。在SOFC中总的反应是氢和氧电化学反应以产生电、热和水。为了产生所需氢气，该阳极通常具有催化活性以用于烃类，尤其是天然气的蒸汽重组，由此产生氢气、二氧化碳和一氧化碳。可以通过下列反应式来描述天然气的主要成分甲烷的蒸汽重组：

CH₄+H₂O→CO+3H₂

CH₄+CO₂→2CO+2H₂

CO+H₂O→CO₂+H₂

在操作期间将诸如空气的氧化剂供应给阴极区域中的固体氧化物燃料电池。将诸如氢的燃料供应到燃料电池的阳极区域中。替代地，将诸如甲烷的烃类燃料供应至阳极区域中，在阳极区域中通过上述反应转化为氢气和碳氧化物。氢气穿过多孔阳极并在阳极/-电解质界面处与在阴极侧上产生的已扩散穿过该电解质的氧离子反应。随着来自电池的外部电路的电子的输入，在阴极侧产生氧离子。

为了增加电压，组装几个电池单元以形成堆并且通过相互连接连接在一起。相互连接作为气体屏障以分离相邻电池单元的阳极(燃料)和阴极(空气/氧)侧，并且在同时，它们使得电流能够在相邻电池之间传导，即在一个电池的电子过剩的阳极与邻近电池的需要电子用于还原过程的阴极之间传导。此外，相互连接通常提供有多个流动通路(flowpath)，该流动通路用于在该相互连接的一侧上的燃料气体以及在相对侧上的氧化气体通过。为了优化SOFC堆的性能，应当最大化正值的范围而在应当被最小化的相关负值的另一范围上没有不可接受的结果。这些值中的一些如下：

待被最大化的值待被最小化的值

-燃料利用率-价格

-电效率-尺寸

-寿命-(温度，达到某一点)

-生产时间

-不良率

-部件的数量

-附加损耗(加热、冷却、鼓风机......)

上面所列的几乎所有值都是相互关连的，这意味着改变一个值将会影响其它值。这里会提及上述值与该燃料电池中的气流的特征之间的一些关系：

燃料利用率：

应当设计成在该相互连接的燃料侧上的流动通路以针对堆中的每个电池寻找相等数量的燃料，即不应当有穿过该堆的燃料侧的流的“捷径(short-cuts)”。

附加损耗：

在该SOFC堆及其燃料电池单元中工艺气体流动通路的设计应寻求至少在相互连接的空气侧以及潜在地燃料侧上实现每一流量的低压力损耗，这将减少到达鼓风机的附加损耗。

电效率：

该相互连接引导相邻电池的阳极和阴极层之间的电流。因此，为了降低内部电阻，应当设计该相互连接的导电接触点(下文仅称作“接触点”)以建立至电极(阳极和阴极)的良好电接触，并且该接触点不应在各处相距太远，这会迫使电流通过电极的较长距离从而导致较高的内部电阻。

寿命：

与相互连接、几个部件甚至尤其是材料上的保护涂层等等有关，取决于在该相互连接的燃料和空气侧两者上的均匀流动分布。

价格：

通过不使用昂贵材料、减少相互连接的生产时间以及最小化材料损耗可以减少相互连接价格的贡献。

尺寸：

当该相互连接设计确保活性电池区域的高利用率时，降低了燃料堆的总尺寸。应当减小具有低燃料或气流的死区(dead-areas)并且应当最小化用于密封表面的非活性区域。

温度：

该温度应当是足够高的以确保该电池中的催化反应，还要足够低以避免该电池部件的加速退化。因此该相互连接应当贡献一均匀的温度分布，该温度分布给予高的平均温度而不超过最大温度。

生产时间：

应当最小化相互连接其自身的生产时间并且该相互连接的设计还应当有助于整个堆的快速组装。通常，由于存在生产时间上的增加，因此对于每个部件来说，该相互连接的设计呈现不必要性。

不良率：