[发明专利]一种用于固体氧化物燃料电池的填充通孔的内部连接件

说明书

技术领域

本发明大体上涉及能源生产领域，尤其涉及一种改进的用于固体氧化物燃料电池的内部连接件。

背景技术

全世界在未来20年的能源生产的需求估计要增长2百万MW，其中490000MW将计划由天然气供能。美国已解除了对公用事业的管制，考虑到与电能的传输与分配有关的健康问题和资金成本，很可能至少30％的天然气发电量由接近终端用户的模块化的发电厂来提供。

固体氧化燃料电池是一个非常有吸引力的解决方法，它能满足电能发送过程中高效节能和低噪音的需求。固体氧化物燃料电池提供一个模块，它与气体涡轮机和柴油发电机相比具有更高的燃料利用率，低散热和低噪音和振动。模块的测试数据显示，NOx的产生被大大地降低，在燃料电池中基本不存在。同时，经测试，燃料电池测试模块的工作效率提高了50％。

为了能以高效及低噪音的传送能量的方式被广泛接受，固体氧化物燃料电池必须能够在生产电和热时费用低廉。固体氧化物燃料电池的成本和运行费用必须与发送能源的其它可替代来源如：内燃机和气体涡轮机相比具有较好的优越性。

内部连接件的功能和成本是生产具有市场竞争力的固体氧化物燃料电池电机的两个最大障碍，其内部连接件必须能使反应物气体各自分离并密封，并且能提供对电池的机械支持，还能提供一个低电阻的电路，该连接电池的电路为串联和/或并联连接。满足了这些条件是一个很大的挑战，由亚铬酸镧盐和高铬合金制成的单片内部连接件使用已经取得了一定的成功。然而，这两种型号都非常昂贵而且削弱内部连接件的各个功能。

采用传统的单片内部连接件的设计的亚铬酸镧盐和高铬合金的商业产品的生产现在已经被禁止。使用网络形状的陶瓷工艺或金属成型工艺的大量生产，它的成本计划可能潜在低地足以使它的边际成本对固体氧化物燃料电池来说具有很大的竞争力。然而，横亘于所需要的启动资金和最初的市场大小之间的鸿沟，对固体氧化物燃料电池的商业化来说是一个决定性的障碍。

气体的隔离需要一种严密的不能渗透的材料，该材料不能有显著的离子电导率，改进后的合金的内部连接件满足了这一要求。陶瓷工艺发展了生产具有很高的严密性的内部连接件的能力，但是许多种合成物具有不能被接受的高离子电导率。具有低离子电导率的已知的这种陶瓷合成物，同样也会有小于可接受的电子传导率或与电池的热膨胀系数(CTE)不匹配。

电池和内部连接件的匹配的热膨胀系数能使电池与内部连接件密封，从而使气体密封。合金内部连接件一般比电池的CTE要高，陶瓷内部连接件的CTE比合金内部连接件的CTE相比更匹配，但仍然低于电池的CTE。后果是，如果不能有效地限制反应物向它们原定的流通线路上走的话，电池的那些部分区域将会被不利地取代掉，进而对整个组合件的功效产生不利影响。当工作电池和操作温度之间的变化产生了最大的热量替代时，在作为反应物的组合件和流通的流程的温度变化不同时，也会引起不必要的有害的替代。

相异的热膨胀特性也能造成由热膨胀而引起的相对运动，从而使电极和内部连接件之间的电路中断。在这种情况下产生的接触电阻显著地降低了组合件的性能和效率。在使用合金内部连接件的情况下，这种相对运动能够移掉一个具有保护作用氧化表皮层，使得下面的未受保护的物质暴露出来。那些未被保护物质的氧化增加整个氧化表皮层的厚度，而且由于表皮层的导电性相对较弱，表皮层的增长直接引起了性能的退化。

由氧化层的传导率和生长所带来的问题，是所有金属内部连接件研究者所必须面对的问题中最具有挑战性的问题。氧化层的电阻是一个与氧化物导电性、厚度和连接性相关的功能。多孔渗水的薄片状的氧化层在减少穿过局部区域的电流有效性的的同时增加了流通电路的长度。

氧化层的传导性和生长的机理是相关的，该氧化层生长速率与氧化层的传导性同时增长。一般来说，高生长速率的氧化层严密性小，黏附性差。任何合金(不同于稀有或半稀有金属)不得不牺牲氧化层的传导性，以控制由于氧化层增长而带来的性能的退化。在内部连接件上涂上一个具有传导性的氧化物涂层将更好的控制氧化层的组成和微观结构，但并不能改变问题的基本本质。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于固体氧化物燃料电池的内部连接件，使电池和内部连接件之间的热膨胀系数最充分地匹配。

本发明的进一步目的在于提供一个内部连接区域，它是这样制成的，它使用了一些通孔，这些通孔是用于填装在电池阳极和阴极之间的内部连接件的空间，从而使材质的热膨胀系数能够相互匹配。