固体氧化物燃料电池堆制造技术

本发明专利技术涉及一种固体氧化物燃料电池堆，具有一些双极板（５），所述双极板用于连接两个相邻燃料电池的电极（３，４），所述燃料电池具有陶瓷电解质，其中，这些双极板（５）各具有一个基板（６）并且与此相关地在该基板（６）的一侧或两侧具有一个或多个接触件（７）。双极板的特征在于，基板（６）是刚性的和气密的，接触件（７）可弹性地或塑性地变形并且这样安置或构造，使得这些接触件（７）垂直于基板（６）的平面可透气。双极板（５）使固体氧化物电池堆机械稳定并且确保电极（３，４）可靠接触，电极（３，４）的加工公差和堆部件之间由于热膨胀或蠕动过程引起的相对移动被补偿。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种如权利要求1前序部分所述的固体氧化物燃料电池堆(SOFC燃料电池堆)。技术背景多个平行燃料电池组成的装置被称为燃料电池堆。燃料电池由 离子导电电解质、电极和用于电极的触点接触以及用于将燃料分配 到电极表面上的元件组成。燃料电池一般根据所使用电解质的材料划分，该电解质也确定 工作条件，特别是工作温度。在此所使用的固体氧化物燃料电池 (SOFC — Solid Oxide Fuel Cell)在温度800摄氏度以上的温度工作。 使用陶瓷作为离子导电电解质，该电解质在两侧通过两个电极，即 阳极和阴极相接触，该陶瓷能导02'离子，但具有电绝缘性。这种陶 瓷例如为氧化钇稳定氧化锆，YSZ。由于陶瓷的弱导电性而优选薄 的电解质(<5(Him)或者以自承载形式、或者以非自承载形式例如 作为所谓ASE (anode supported electrolyte,阳极支承的电解质)使 用。也可使用陶瓷涂层作为电解质，有时与金属混合。由电解质和 电极构成的单元称为MEA(膜电极装置)并且构成燃料电池的基础。在燃料电池堆中，多个单个的燃料电池电串联。为了这一目的， 在每两个MEA之间各设置一个元件，该元件将一个MEA的阳极与 下一个MEA的阴极电连接，其中要求在整个电极表面上分布的尽可能好的接触。这些元件称为双极板、内部连接器或集电器。对燃料电池的阳极导送还原的、通常含氢的燃料，对阴极导送氧化剂，例如空气。除了两个MEA的电连接外，双极板还用于分 离这些气体、将燃料和氧化剂导送和分布到电极表面上。为了这一 目的，通常在双极板的每一侧构造用于引导气体的通道。在燃料电 池的边缘区域，这些通道典型地成束过渡到外部气体导送装置中并 相对于外部环境密封。在燃料电池堆的两端部使用所谓的端部板。为了机械上更稳定 并且为了能够平行于电极平面导出电流，端部板通常比双极板厚， 并且仅在一侧制备用于引导气体的通道。在其它方面，端部板在构 造和功能上与双极板相似，因此，下面关于双极板的描述也同样适 用于端部板。现有技术来公开了由陶瓷材料或金属构成的双极板。例如使用 LaCr03作为陶瓷材料，因为它在固体氧化物燃料电池的高运行温度 下具有足够的导电能力并且可良好地适应电解质的热膨胀特性。缺 点是由于这种大表面陶瓷板的加工存在问题，导致制造成本高。作 为用于双极板的金属材料可以使用铁合金，这些铁合金在表面上形 成一个氧化层，通过该氧化层达到金属的必要的耐腐蚀性，而不会 过分影响其导电性能。例如出版物DE 197 05 874A1 (Al氧化层和/ 或Cr氧化层)或出版物DE 100 50 010 Al (Mn氧化层和/或Co氧 化层)公开了这种用于双极板的合金。在这两种情况下(陶瓷材料/ 金属材料)，根据现有技术的用于固体氧化物燃料电池堆的双极板 构造得刚性并且具有给定的厚度。燃料电池堆的其它部件是密封装置，借助它们使电池堆对外密 封。密封装置典型地与双极板处于同一平面中。因此，为了将单个部件(燃料电池，双极板和端部板)组合成 一个电池堆，常用的是两种不同的方案。一方面可进行堆的材料锁合的连接。其中，各个电池在其边缘 上设置一种固化密封膏，例如玻璃焊剂，它涂敷在双极板周围。该 密封膏在电池堆加热时、即所谓接合时硬化并将这些电池相互连接。 为了改善电极的接触，己知，双极板附加设置一个陶瓷膏层，优选设置与所接触的电极相应的化合物。例如DE 199 41 282 Al公开了 此种膏。这种固定接合的燃料电池的缺点是，密封装置的事后收縮 或变形或双极板的烧结或蠕变或者导致堆的接触损失、或者导致堆 的不密封。原因在于，没有对密封装置或双极板的厚度变化给与补 偿的元件。另一方面，堆可设有柔性密封装置并且可压縮，其中设置有外 部补偿元件。DE 19645111 C2给出了 一种用于固体氧化物燃料电池 堆的装置，其中，在堆外部在预张紧力路径上设置了起弹簧作用的 缓冲件。通过这些缓冲件，在宽的温度范围上达到几乎恒定的挤压 力。US 2002/0142204 Al介绍了一种杆形压縮件用于固体氧化物燃 料电池堆的预张紧，其中，通过所使用材料的组合获得与堆适配的 热膨胀系数。通过这种方法可以使接触力或者在宽的温度范围上保 持恒定，或者甚至根据温度控制以给定方式变化。该解决方案的缺 点在于，弹性件或补偿件总是安装在外部，从而既不能补偿双极板 和电极的加工公差，也不能在密封装置非永久性弹性情况下保证可 靠的接触。低温燃料电池例如PEMFC (聚合物电解质膜燃料电池)在约 100摄氏度运行，对于这种燃料电池已知另一种用于组合堆的方案。 其中，在堆中使用弹性补偿件。这种弹性补偿件例如为由石墨纤维构成的网，它用在电极和双极板之间以改善接触，或者是弹性的双 极板。此外，作为电解质使用的聚合物膜也是弹性的。在这种方案 中通过接触件既可以补偿加工公差也可以补偿热膨胀，这导致电极 的可靠接触。同时可以去省去外部补偿件，从而可实现堆的紧凑结 构。对于固体氧化物燃料电池的高工作温度，只有少量材料具有持久弹性因而适合用作内部补偿件。此外，与PEMFC的可变形聚合 物膜相反，固体氧化物燃料电池的陶瓷MEA是易碎的。因此，对 于固体氧化物燃料电池堆，至今尚未满意地实现带有内部补偿件的 方案。
技术实现思路
因此，本专利技术的目的是，提供一种具有内部补偿件的固体氧化 物燃料电池堆，这些补偿件满足上述要求并且不会对SOFC堆的紧 凑结构和加工成本产生负面影响。根据本专利技术，该目的通过一种带有双极板的固体氧化物燃料电 池堆实现，这些双极板各具有一个基板并且与此相关在基板的一侧 或两侧上具有一个或多个接触件，其特征在于，这些基板是刚性的 和气密的，接触件可弹性地或塑性地变形并且这样设置或构成，使 得它们垂直于基板平面是透气的。根据本专利技术，双极板的接触件实现了内部补偿件。 一方面，双 极板由于其基板而是刚性的，由此它们使电池堆稳定并且防止MEA 破裂。另一方面，双极板通过接触件而能够补偿由于电极制造公差 或由于热膨胀或蠕动过程而导致的局部厚度差。接触件的透气性用于将反应气体导送给电极。气体的侧向分布可在基板和接触件之间进行，必要时借助附加的、加工到基板中的通道o通过内部补偿件集成于双极板中达到无需在堆中使用附加部 件。由此既不会使堆的接合复杂化，也不会影响其紧凑的结构形式。有利实施方式是从属权利要求的主题，例如涉及几何形状和材 料选择。具体实施方式下面借助在附图中示出的实施例对本专利技术进行详细说明。 附图以示意性横剖面图示出了本专利技术固体氧化物燃料电池堆的 一个实施例。仅示出了该固体氧化物燃料电池堆的一个局部。图中示出了两个燃料电池的MEA 1。这些MEA l各具有一电解质2和 两个电极(阴极3和阳极4)。在这些MEA 1之间或者说MEA 1 的上半部和下半部有一些双极板5,这些双极板由基板6和接触板7 组成。在外部的双极板5的上半部和下半部连接着固体氧化物燃料 电池堆中的其它未示出的MEA 1。环绕双极板5在各个MEA l之 间设置有刚性的密封装置8。在这一实施例中，接触件7用拉伸金属板网制成。作为材料使 用掺有精细分布的高分散的稀土金属氧化物的铁素体金属。这种金 属合金的特点是在高温时本文档来自技高网...

【技术保护点】
固体氧化物燃料电池堆，具有一些双极板（５），所述双极板用于连接两个相邻燃料电池的电极（３，４），所述燃料电池具有陶瓷电解质，其中，这些双极板（５）各具有一个基板（６）并且与此相关地在该基板（６）的一侧或两侧具有一个或多个接触件（７），其特征在于，该基板（６）是刚性的和气密的，并且，接触件（７）可弹性地或塑性地变形并且这样安置或构造，使得这些接触件（７）垂直于基板（６）的平面可透气。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：M罗祖梅克，M施特尔特，A赖纳特，
申请(专利权)人：施泰克赛拉有限责任公司，
类型：发明
国别省市：DE[德国]