[发明专利]固体氧化物燃料电池堆

说明书

技术领域

本发明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)。

背景技术

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O^2-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(＜50μm)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LaCrO₃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 05 874 A1(A1氧化层和/或Cr氧化层)或出版物DE 100 50 010 A1(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，已知，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 A1公开了此种膏。这种固定接合的燃料电池的缺点是，密封装置的事后收缩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缩，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 A1介绍了一种杆形压缩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。