[发明专利]电化学电池堆

说明书

本发明涉及一种电化学电池组件(1400)，其包括底板(308)和顶板(303)，在底板(308)与顶板(303)之间，平面电池单元(306)堆叠以及至少一个电端板(1402，1407)被设置成处于压缩状态。电端板(1402，1407)包括两层结构，其中由不同的相应材料形成的第一层(1416，1419)和第二层(1417，1420)永久地连接在一起，以形成单导电体。电端板(1402，1407)的第一层(1416，1419)与电池组件的外部电端子(301，505)电连接，并且电端板(1402，1407)的第二层(1417，1420)具有朝外的侧面，所述侧面上接合有第一导电陶瓷层(1418，1824)，所述电端板与相邻的电池单元(306)面对面邻接，并与之电接触。

技术领域

本发明涉及电化学电池堆，具体而言，涉及燃料电池堆和电解器电池堆及其电端板的设计。本发明的电池堆包括固态氧化物、聚合物电解质膜以及熔融碳酸盐类型的电池。本发明更具体地涉及固态氧化物燃料电池(SOFC)和固态氧化物电解电池(SOEC)堆，且可以包括金属支撑式固态氧化物燃料电池(MS-SOFC)或电解电池堆(MS-SOEC)。

背景技术

一些燃料电池单元可以通过使用电化学转换过程将燃料氧化来产生电力。一些燃料电池单元也可以作为再生燃料电池(或反向燃料电池)单元运行，这些单元通常被称为电解燃料电池单元，例如，从水中分离出氢气和氧气，或从二氧化碳中分离出一氧化碳和氧气。它们可以呈管状或平面状。平面燃料电池单元可以以堆叠布置的方式相互叠置，例如，100-200个燃料电池单元组成一个堆叠，其中各个燃料电池单元电串联布置。

产生电力的固态氧化物燃料电池(SOFC)以固态氧化物电解质为基础，将负氧离子从阴极传导到位于电解质相对一侧的阳极。为此，燃料或重整后的燃料与阳极(燃料电极)接触，且氧化剂(例如，空气或富氧流体)与阴极(空气电极)接触。常规的陶瓷支撑式(例如，阳极支撑式)SOFC的机械强度低，且容易断裂。因此，近来开发了金属支撑式SOFC，其活性燃料电池部件层被支撑在金属基板上。在这些电池中，陶瓷层可以很薄，因为它们只执行电化学功能：也就是说，陶瓷层不是自支撑的，而是铺设在金属基板上并由其支撑的薄涂层/薄膜。此类金属支撑式SOFC堆叠比陶瓷支撑式SOFC更坚固，成本更低，具有更好的热性能，并且可以使用常规的金属焊接技术进行制造。

固态氧化物电解电池(SOEC)可以具有与SOFC相同的结构，但本质上是SOFC以反向或再生模式运行，通过输入电能并利用固态氧化物电解质产生氢气和/或一氧化碳和氧气实现水和/或二氧化碳的电解。

本发明针对的是重复的电化学电池单元的堆叠，且涉及它们的电端板(电力输出或输送)的设计。因此，适用于各种类型的燃料电池和电解电池，例如，基于固态氧化物电解质、聚合物电解质膜或熔融电解质的电池。出于方便起见，“电池单元”用于指代“电化学电池单元”，包括燃料或电解电池单元。

燃料电池产生的电能(或输入到电解电池的电能)可以通过电池单元堆叠传输，并通过两个电螺柱(电极性相反)和相关的电端板使螺柱和堆叠的两端之间形成电接触从堆叠传输(或传输到所述堆叠)。电螺柱和电端板也可以被称为正极“电力输出器(power takeoff)”和负极“电力输出器(power take off)”，出于方便起见，不管电力是被输出(如燃料电池)还是被输送(如电解电池)，都使用此术语。

堆叠通常被封闭在容器中，以形成流体体积，从而保留其中一种流体(燃料或空气和/或排气)供堆叠使用或从堆叠排出。电螺柱通常会穿过容器，以便电能在堆叠与堆叠外部的负载或源之间传输(电螺柱或螺栓穿过容器中的开口用于外部连接，螺柱在容器外部的(远端)部分可以形成端子)。通常需要使电力输出器与容器之间保持流体密封，以使容器所包围的流体体积保持完整性。操作燃料电池(例如，SOFC)系统，其中电池堆在450-650摄氏度范围内运行(例如，中温固态氧化物燃料电池IT-SOFC)，在保持流体密封的同时将电能传输到堆叠/从堆叠中传输电能时会遇到一系列挑战性的技术问题。