[发明专利]金属支撑式电池单元

说明书

一种金属支撑式平面电池布置(200)，包括至少一对电池(110a,110b)，每电池(110a,110b)包括金属基板(120a,120b)，具有第一面和第二面以及在各面之间提供流体连通的多孔区域(124),平面电池化学层(111,112,113)包括燃料电极、电解质以及空气电极层，所述燃料电极、电解质以及空气电极层被涂覆或沉积在第一面上的多孔区域(124)上并由第一面上的多孔区域(124)支撑，所述复数个金属基板(120)以堆叠式布置它们的电池化学层(111,112,113)，使得两个第一面或两个第二面以间隔开、相对的关系朝向内部，所述朝向内的面由此限定了用于燃料或氧化剂中之一的公共第一流体体积(140)。

技术领域

本发明涉及一种改进的电池单元和包括多个这类电池单元的电池堆叠，以及它们的制造方法。更具体地，本发明涉及金属支撑式电池单元及其电池堆叠，并且再更具体地，涉及金属支撑式固体氧化物燃料电池(MS-SOFC)单元及其电池堆叠，以及金属支撑式固体氧化物电解电池(MS-SOEC)单元及其电池堆叠。

背景技术

固体氧化物燃料电池

燃料电池单元使用电化学转化工艺，将燃料氧化来发电。所述燃料电池单元可以是管状的或平面的结构。固体氧化物燃料电池(SOFC)基于固体氧化物电解质，该固体氧化物电解质将负氧离子从阴极传导到位于电解质的相对两侧的阳极。为此，燃料或改良燃料与阳极(燃料电极)接触，氧化剂(例如空气或富氧流体)与阴极(空气电极)接触。

当设计SOFC堆叠时，会遇到机械、电气以及热设计方面的重大挑战。例如，在平面SOFC堆叠布置中，电池堆叠通常按照从堆叠的一个末端(例如从基板末端)到另一末端(例如到端板末端)的堆叠方向布置。燃料电池/燃料电池堆叠重复层的工作性能受温度和其他因素的影响。

金属支撑式固体氧化物燃料电池

传统的陶瓷支撑式(例如阳极支撑式)SOFC的机械强度较低，并且易于断裂。近来已研发出金属支撑式SOFC(MS-SOFC)，其具有支撑在金属基板上的活性燃料电池组件层。在这些电池中，陶瓷层可以非常薄，因为它们仅执行电化学功能(即它们不是自支撑的)。这类金属支撑式SOFC堆叠比较稳固、成本更低，并且还表现出更好的热特性。它们也可以使用传统的金属焊接技术来制造。

WO2015/136295描述了金属支撑式SOFC，其中电化学活性层(或活性燃料电池组件层)包括分别沉积在金属支撑板120(例如箔)上并由所述金属支撑板120支撑的阳极、电解质以及阴极层。如图1a到图1c所示，燃料电池重复单元90包括三个板或平面组件——金属支撑板120、分隔板(或互连板)150以及夹置在它们之间的间隔板130。它还具有用于氧化剂或燃料的流体端口188、200。这三个板彼此上下堆叠，并且通过间隔板130焊接(熔合在一起)以形成单个金属支撑式固体氧化物燃料电池单元90，其中中间的流体体积140由间隔板130中所提供的空间来限定。燃料电池堆叠重复层90的金属组件相互之间是电接触的，电子在它们之间的流动主要通过熔融/焊接路径，由此避免表面对表面接触的电阻损耗。

在MS-SOFC中，金属基板可以是由粉末金属前体(例如，通过流延成型)形成的多孔金属基板，或更优选地，由金属支撑板形成，该金属支撑板具有以通孔或小孔径的形式存在的多孔区域，该多孔区域由非多孔(固体)区域环绕。多孔区域124通过金属支撑板120提供，并且阳极层113(或阴极111，取决于电化学活性层110的极性取向)被涂覆在该区域上，然后连续的层被涂覆在顶部，因此这些层由金属支撑板120支撑。如图所示，电解质层通常涂覆在最内电极的面边缘上，并且延伸到金属基板，由此将气体密封在多孔区域和最内电极内。多孔区域允许流体体积140(由相邻板120、150和间隔板130限定)通过小孔与支撑板120上的电化学活性层110流体连通。如图所示，电解质层通常被涂覆在最内电极的面边缘上，并且延伸到金属基板(作为延伸层123)，由此将气体密封在多孔区域和最内电极内。