金属支撑式电池单元制造技术

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)。氧化剂中之一的公共第一流体体积(140)。氧化剂中之一的公共第一流体体积(140)。

Metal supported battery unit

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】金属支撑式电池单元


[0001]本专利技术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，本专利技术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
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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
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SOEC)单元及其电池堆叠。

技术介绍

[0002]固体氧化物燃料电池
[0003]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。
[0004]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。
[0005]金属支撑式固体氧化物燃料电池
[0006]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
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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。
[0007]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。
[0008]在MS
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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。
[0009]在分隔板150中，提供上下波纹以向上延伸到堆叠在该燃料电池单元上的后续燃料电池单元90的阴极111(或阳极113，这取决于电化学活性层110的极性取向)，并且向下延伸到其自身燃料电池单元的金属支撑板120。这在堆叠的相邻燃料电池单元90之间形成电连接，以使堆叠的电化学活性层110(通常每一燃料电池单元上的一个)彼此串联。其他压制的三维特征，诸如，从每一面延伸的圆形或狭长凹坑(或槽部和峰部)，也适用于提供电接触和结构支撑(抵抗堆叠压缩力)。
[0010]有关燃料电池、燃料电池堆叠、燃料电池堆叠组件，以及热交换器系统、布置和方法的其他教导可在WO2002/35628、WO2003/07582、WO2004/089848、WO2005/078843、WO2006/079800、WO2006/106334、WO2007/085863、WO2007/110587、WO2008/001119、WO2008/003976、WO2008/015461、WO2008/053213、WO2008/104760、WO2008/132493、WO2009/090419、WO2010/020797、WO2010/061190以及WO2015/004419中找到。
[0011]固体氧化物电解电池(SOEC)可以与SOFC具有相同的结构，但本质上是一种以再生模式运行的固体氧化物燃料电池，通过使用固体氧化物电解质产生氢气和/或一氧化碳和氧气，来实现水和/或二氧化碳的电解。在SOFC中，燃料(例如氢气)由燃料端口提供并供电池使用，而在SOEC中，电池产生例如氢气，所述氢气在燃料端口处收集。
[0012]本专利技术针对适合用作SOEC或SOFC的结构的堆叠重复式固体氧化物电池单元。为方便起见，在下文中SOEC或SOFC电池单元都将称为“电池单元”(即表示SOEC或SOFC电池单元)。
[0013]对提高燃料电池的成本效益存在持续的需求，也就是说，降低燃料电池的制造成本将对降低燃料电池能源生产的进入成本产生显著益处。

技术实现思路

[0014]根据一方面，描述了一种金属支撑式的平面电池布置，所述金属支撑式的平面电池布置包括：至少一对电池，每电池包括：金属基板，所述金属基板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；平面电池化学层，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的多孔区域上，并由第一面的多孔区域支撑；其中：所述复数个金属基板以堆叠式布置它们的电池化学层，使得它们的两个第一面或两个第二面以间隔开的、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。
[0015]本专利技术涉及一种金属支撑式平面电池布置，也就是说，一种电池布置，其电池化学层是平面的(仅在单个平面中延伸)且非自支撑的，即，电池化学层仅作为薄涂层或薄膜分别沉积在多孔金属基板上和(整体)支撑在多孔金属基板上。这与阳极支撑式、阴极支撑式或电解质支撑式的电池形成了对照，在这些电池中，电池化学层形成刚性的、自支撑的片状材料，可单独存在并安装或连接到其他支撑结构上。本专利技术尤其涉及金属支撑式固体氧化物燃料电池“MS
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SOFC”或固体氧化物电解电池“MS
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SOEC”。
[0016]多孔金属基板仅在其第一面上支撑电池化学层；每个基板的第二面并不支撑任何
电池化学层，而是第二面彼此面对并且暴露于它们之间的公共体积或空本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种金属支撑式平面电池布置，包括：至少一对电池，每电池包括：金属基板，所述金属基板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；平面电池化学层，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的多孔区域上，并由第一面上的多孔区域支撑；其特征在于：所述复数个金属基板以堆叠式布置它们的电池化学层，使得它们的两个第一面或两个第二面以间隔开的、相对的关系朝向内部，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。2.根据权利要求1所述的电池布置，其特征在于，所述复数个金属基板包括两个独立金属板，两个独立金属板直接或间接连接在一起以形成所述堆叠式布置。3.根据权利要求2所述的电池布置，其特征在于，所述两个金属板间接连接在一起以形成所述堆叠式布置，可选地，所述两个金属板之间设置有金属间隔板。4.根据权利要求2所述的电池布置，其特征在于，所述两个金属板直接连接在一起，使得它们彼此邻接以形成所述堆叠式布置，其中一个或两个所述金属板具有在金属板之间形成所述第一流体体积的成型特征。5.根据权利要求1所述的电池布置，其特征在于，所述复数个金属基板形成为具有第一面的一连续金属基板，电池化学层对分别被涂覆或沉积在所述第一面的多孔区域上，所述连续金属基板在所述电池化学层之间折叠，以使得它们相互叠置以形成一对折叠电池，该折叠电池对限定用于燃料或氧化剂中之一的第一流体体积。6.根据权利要求5所述的电池布置，其特征在于，包括多对折叠电池，所述多对折叠电池相互邻接地堆叠在电池组中。7.根据权利要求6所述的电池布置，其特征在于，在所述电池组中，每对折叠电池由独立的相应金属基板形成，所述基板被折叠一次以使其仅具有一个封闭所述第一流体体积的折叠端。8.根据权利要求5或6所述的电池布置，其特征在于，在所述组中，相邻的折叠电池对由同一连续金属基板形成，所述基板被多次折叠以使其具有多个相对折叠端，并限定了用于燃料或氧化剂中之一的多个相应的第一流体体积。9.根据前述权利要求中任一项所述的电池布置，其特征在于，至少一个所述金属基板包括法兰外周特征，且所述金属基板围绕所述法兰外周特征密封在一起，以在其间形成所述公共第一流体体积。10.根据前述权利要求中任一项所述的电池布置，其特征在于，至少一个流体端口提供为穿过每个所述金属基板中的开口，相应的所述流体端口在堆叠方向上互相对齐并与所述公共第一流体体积相连通。11.根据权利要求10所述的电池布置，其特征在于，至少一个所述金属基板包括围绕其端口形成的成型端口特征，所述成型端口特征在所述公共第一流体体积中向内延伸，所述成型端口特征的元件彼此横向间隔开，以限定端口的所述元件之间的流体路径，以便实现流体从所述端口到所述公共第一流体体积的通路。
12.根据权利要求10或11所述的电池布置，其特征在于，至少一个所述金属基板包括围绕其端口形成的成型端口特征，所述成型端口特征远离所述公共第一流体体积向外延伸。13.根据前述权利要求中任一项所述的电池布置，其特征在于，所述朝向内的面限定用于燃料的第一流体体积。14.根据前述权利要求中任一项所述的电池布置，其特征在于，所述朝向内的面是所述金属基板的所述第二面。15.根据前述权利要求中任一项所述的电池布置，其特征在于，多个电池对彼此相邻地堆叠以形成一组电池，由此至少一个第二流体体积限定于相邻的电池对之间，并且至少一个所述第二燃料体积用于燃...

【专利技术属性】
技术研发人员：马克，
申请(专利权)人：赛瑞斯知识产权有限公司，
类型：发明
国别省市：