固态氧化物燃料电池的制作方法

固态氧化物燃料电池的制作方法
【专利摘要】一种固态氧化物燃料电池或固态氧化物电解电池，包括：a)多个阴极-阳极-电解质单元(5)，每个CAE单元(5)包括-用于氧化剂的第一电极(51)，-用于易燃气体的第二电极(53)，-以及在第一电极(51)和第二电极(53)之间的固态电解质(52)；以及b)CAE单元(5)之间的互连件(40)，互连件(40)包括：-限定氧化剂流的氧化剂流方向(40c)的氧化剂入口侧(40a)和氧化剂出口侧(40b)，-第一气体分布元件(10)，包括用于易燃气体的气体分布结构(11)，其中第一气体分布元件(10)与CAE单元(5)的第二电极(53)接触，以及-第二气体分布元件(4)，包括用于氧化剂的通道(20)，通道(20)将氧化剂入口侧(40a)与氧化剂出口侧(40b)连接，其中，用于氧化剂的通道(20)与相邻CAE单元(5)的第一电极(51)接触，以及-用于氧化剂流的至少一个旁路通道(35)，在氧化剂流方向(40a)上延伸并且被配置为使得旁路通道(35)不与第一电极(51)接触。
【专利说明】固态氧化物燃料电池

【技术领域】
[0001]本发明涉及固态氧化物燃料电池。

【背景技术】
[0002]燃料电池通过化学反应生成电力的装置。在各种燃料电池中，固态氧化物燃料电池(S0FC)使用硬的金属(例如钙或锆)氧化物的陶瓷化合物作为电解质。通常，在固态氧化物燃料电池中，诸如02的氧化剂在阴极处被还原为氧离子(02_)，并且诸如H2气体的易燃气体在阳极处被氧离子氧化以形成水。
[0003]S0FC燃料电池包括燃料电池单元的堆。S0FC燃料电池单元由两个主要部件组成:阴极-阳极-电解质单元，也称为CAE单元；以及互连件，其在一些情况下具有盒子的形式。互连件用于将一个燃料电池单元的CAE单元电连接至另一燃料电池单元的CAE单元，以使得每个CAE单元生成的电力可以组合。这种互连件在平面高温燃料电池(S0FC)中具有电连接CAE单元以及将易燃气体和氧化剂传输至CAE单元的相应电极的功能。
[0004]因为互连件在大约500°C直到1100°C的极高温下被暴露至CAE单元的氧化侧和还原侧，互连件是固态氧化物燃料电池的关键问题之一。为此，陶瓷作为互连材料长期以来比金属更成功。然而，陶瓷互连材料与金属相比，非常昂贵。尽管金属互连件相对容易制造和处理，但它们一般在操作期间在互连件-阳极/阴极界面处部分由于诸如Cr203的金属氧化物的形成而遭受高功率劣化率。基于镍和钢铁的合金随着低温￠00 - 800°C )S0FC的发展而变得更有前途。
[0005]US 7 632 586 B2公开了用于易燃气体和氧化剂的互连件。平面CAE单元一个叠一个的放置，互连层形成为在相邻CAE单元之间配置的平面金属板。用于燃料和氧化剂的各个通道在阳极和阴极层中形成。
[0006]由于S0FC燃料电池堆的非常高的操作温度，CAE单元的热膨胀和热机械行为的影响和用于向CAE单元供给反应物并引导反应物从其离开的互连结构需要被考虑。特别地，气体分布结构可能经历一定的蠕变，其影响燃料电池中流的分布。此外，电极和界面在达到过度的温度时趋于退化。此外，污染物在固态氧化物燃料电池的操作期间被释放。
[0007]因此，需要开发一种用于固态氧化物燃料电池的改进的互连件，其解决上述问题中的一个或多个，以使得实现更可靠和高效的固态氧化物燃料电池。
[0008]与燃料电池堆有关的问题是空气电极被在氧化剂中传输的污染物污染。针对固态氧化物燃料电池和电解槽，这些污染物已知大部分源于密封部件，特别地在堆中的那些，并源于放置在燃料电池的上游的诸如热交换器、管道、阀、密封材料等的其他部件(Cr、S1、S、B、碱金属等)，它们通过空气流被传输至燃料电池。此外，一些污染物可以直接源于周围空气(诸如，s1、sjjn。


【发明内容】

[0009]由此，本发明的目标是避免氧气-电极被通过诸如空气的氧化剂传输的污染物污染。
[0010]根据本发明的解决方案是权利要求1的主题。从属权利要求2-23进一步涉及本发明的有利结构或实施例。
[0011]该问题特别地通过固态氧化物燃料电池或固态氧化物电解电池来解决，包括:
[0012]a)多个阴极-阳极-电解质单元，每个CAE单元包括
[0013]-用于氧化剂的第一电极，
[0014]-用于易燃气体的第二电极，
[0015]-以及在第一电极和第二电极之间的固态电解质，以及
[0016]b) CAE单元之间的互连件，互连件包括:
[0017]-限定氧化剂流的氧化剂流方向的氧化剂入口侧和氧化剂出口侧，
[0018]-第一气体分布元件，包括用于易燃气体的气体分布结构，其中第一气体分布元件与CAE单元的第二电极接触，以及
[0019]-第二气体分布元件，包括用于氧化剂的通道，通道将氧化剂入口侧与氧化剂出口侦琏接，其中，用于氧化剂的通道与相邻CAE单元的第一电极接触，以及
[0020]-用于氧化剂流的至少一个旁路通道，在氧化剂流方向上延伸并且被配置为使得旁路通道不与第一电极接触。
[0021]包含氧气的反应物流体，特别是空气，在燃料电池中一方面用于电化学反应，并且另一方面用于冷却和加热目的。因此，反应物流体的一部分不必须在氧气接收电极上流动。
[0022]用于燃料电池或电解装置的气体流分割元件包括设置有用于流体流的图案的第二气体分布元件和阴极-阳极-电解质单元。阴极-阳极-电解质单元由第一电极、第二电极和夹在第一电极和第二电极之间的电解质组成。第二气体分布元件以与第一电极的接触关系配置，其中反应物流体通道通过用于流体流的图案形成，用于利用第一电极接触反应物流体。第二气体分布元件包括分离元件以形成气体分布结构，用于将反应物流体分割成接触第一电极的反应物流体的第一部分和不接触第一电极的反应物流体的第二部分。在本申请中如果用表达“或”来连接两个替代物，将理解为两个替代物的组合以及仅一个替代物的存在。如果其不特别指燃料电池，则特征可以应用至燃料电池或电解装置。
[0023]如果气体流分割元件在燃料电池中操作，则第一电极是阴极，第二电极是阳极，反应物流体流被引导至阴极。在气体流分割元件在电解装置中操作的情况下，第一电极是阳极并且第二电极是阴极。对于燃料电池或电解装置，可以使用多个反应物流体，至少第一反应物流体和第二反应物流体。第一反应物流体是可以在燃料电池操作模式中在放热反应中与02反应的流体，或者可以在电解模式中在形成02的同时在吸热反应中被分解的流体。其通常是h2、n2、h2o、CO、co2、氨气、ch4和任何其他烃气的任何混合物。根据作为燃料电池或电解装置的操作以及燃料电池的类型，气体混合物是变化的。第二反应物流体是包含02的气体，优选地空气。在电解装置的情况下，注意，不必须需要该包含02的气体的外部供给。
[0024]这种气体流分割元件最有利地应用于S0FC。其他燃料电池和S0FC之间的重要差异是操作温度，其通常在500-950°C的范围内，优选地，650-850°C。在该温度下，空气电极对在空气中找到的挥发性化合物高度敏感。常见的挥发性污染物是在存在氧气和水(气态)(针对第二种)的情况下在金属部件的表面处生成的Cr03或Cr02(0H)2。在位于堆的上游的诸如管道或交换器的部件中生成的这些挥发性化合物通过空气流传输并且与空气电极接触。在与其接触时，这些挥发性化合物可以与其构成化合物(诸如氧化锶)进行化学反应，或者在电化学活性部位处电化学地沉积在电极中。结果是电极的失效，导致随时间的劣化性能。
[0025]其他污染物质可以在供给空气中找到，其由于环境污染或灰尘产生。电极的通常的污染物是包含硫、硅和碱的挥发性化合物。这些挥发性化合物中任一者可以导致同一电极的劣化，特别是Si(0H)4，其已知可能在与包含Si的密封材料接触时生成。这种密封材料还可以生成包含碱的挥发性物质，其也可能改变空气电极。
[0026]这些密封材料在S0FC本身中使用，并构成污染物的内部源。因此，感兴趣的是，尽可能限制这些物质与空气电极的接触。为此，根据权利要求1的主题的气体流分割元件有利地用在S0FC中。
[0027]与其他类型的燃料的一个重要的差异是与空气污染物的反应通过高操作温度高度激活。
[0028]此外，在S0FC中，与其他燃料电池相反，空气通常相对于所需反应氧气过量使用，并且这用于冷却目的。在诸如PEMFC的其他燃料电池类型中，水通常用作冷却介质。
[0029]因此，本发明的限制空气电极的污染的目的通过将空气流分离成反应空气和冷却空气来实现。由此，降低了污染物从空气流至空气电极的大量传输。空气流的一部分在不接触电极的情况下穿过堆。由此，电极的污染率降低，并且提高了系统的寿命。
[0030]根据实施例，分离元件是使得气体分布结构被配置为旁路流体通道的分离壁元件或使得气体分布结构被配置为分离流体通道的分离元件。分离元件可以被配置为附接有用于分布冷却流体的气体分布结构的分离元件或者集成或附接有用于分布冷却流体的气体分布结构的基底层中之一。分离元件可以是至少分段连续的薄板元件或包含用于流的部分混合的开口的薄板元件中至少之一。
[0031]根据实施例，密封元件被设置用于相对于环境密封用于第二气体分布元件的流体流的图案。气体分布结构有利地形成分割流体通道，其被配置在密封元件内或邻近密封元件或在密封元件和用于反应物流体的第二部分的分离元件之间。特别地，密封元件是配置在第二气体分布元件的周围处的横向密封元件。
[0032]根据实施例，基底层设置在第二气体分布元件的与阴极-阳极-电解质单元相对的侧面上。基底层可以包含形成冷却流体通道的气体分布结构。
[0033]根据可替换实施例，分离元件形成为波纹状薄板。波纹状薄板可以具有波形、曲折轮廓或梯形轮廓中之一。波纹状薄板有利地由金属材料制成。特别地，波纹状薄板提供对密封元件的支撑。由此，附加旁路流体通道可以被提供。分离元件可以在该情况下具有气体分布结构，其具有面向阴极-阳极-电解质单元以形成反应物流体通道的第一表面和面向基底层以形成分离流体通道的第二表面。
[0034]燃料电池或电解装置包括根据前述实施例中任一个的气体流分割元件并且可以进一步包括具有第一层和第二层的气体分布元件，第一和第二层设置有形成用于流体流的图案的气体分布结构，第二层是均匀化元件，其具有第一孔或第二孔，其中，第一孔中至少一些具有长度和宽度，长度大于宽度并且长度在与流体流的主方向垂直的方向上延伸。有利地，基底层将气体分布7Π件与第二气体分布7Π件分离。气体分布7Π件的各种有利实施例将在随后描述。
[0035]燃料电池或电解装置包括根据前述实施例中任一个的气体流分割元件。
[0036]一种用于操作用于燃料电池或电解装置的气体流分割元件的方法，包括步骤:提供用于第一反应物流体沿着阴极-阳极-电解质单元的第一侧流动的部件。第二反应物流体沿着阴极-阳极-电解质单元的第二侧流动。第一或第二反应物流体在其任一侧向阴极-阳极-电解质单元提供反应物、承载电荷的离子和电子，以使得承载电荷的离子可以穿过电解质以进行电化学反应，其中，第一或第二反应物流体中的仅一者流经第二气体分布元件，其设置有用于流体流的图案。反应物流体通道通过用于流体流的图案形成以使得第一或第二反应物流体中之一接触第一电极。第二气体分布元件包括形成分割流体通道的分离元件，其中第一或第二反应物流体中仅一个被分割成接触第一电极的反应物流体的第一部分和不接触第一电极的反应物流体的第二部分。
[0037]由此，根据第一方面，期望一污染流的旁路。污染空气流和污染物的特定源的存在可以通过仿真或实验来估计。特别地，之前研究特别地显示，沿着气体流放置的燃料集流部和密封材料是污染物的主要来源，其不仅生成针对空气电极的挥发性污染物(S1、碱、B、Ba等)，还在剩余流生成的情况下生成来自相邻金属部件的增加的挥发性Cr。假设污染物的主要可能来源是已知的，则旁路流体通道是期望的，其特别地是引导污染空气并避免污染的反应物流体流到达并污染空气电极的通道。
[0038]气体流分割元件可以特别地用于避免来自燃料集流部的密封件的污染物和剩余流在燃料电池的空气电极上传输。因此，在密封件的下游创建空气旁路通道。根据特定优选实施例，反应物流体通道是燃料集流部，其优选地横向于空气流地放置在至少堆的空气入口侧处。通路通道在流的主方向上沿着气体流分割元件放置在燃料集流部的下游。
[0039]这些通道可以通过第二气体分布元件或基底层(其可以特别地是双极板)的适当成形来形成，通过用作旁路管道的另外专用成形的或中空部件形成，或优选地与第二气体分布元件组合或一体化。
[0040]作为替代方式，空气电极污染的限制可以通过将空气流分离成反应空气和冷却或加热空气，从而降低与电极接触的有效空气流来实现。第二主污染源，由此的进入空气，的影响通过以下来降低:将空气流分离成在空气电极上流动的用于电化学反应的一个流以及与电极足够分离以允许燃料电池的适当冷却和加热的第二流。两个流有利地在平行方向上流动并从同一集流部进给。
[0041]空气流的分离通过使用由一个合适材料的薄层制成的分离层来完成，合适材料特别地可以是导电的，其创建用于电化学反应的来自空气的冷却或加热空气流的部分或全部分离。该分离层可以是全部连续或分段连续的。其可以是部分多孔的并且甚至呈现一些洞，从而允许特定位置的空气的从一侧至另一侧的部分混合。
[0042]针对两个流，由此接触第一电极的反应物流体的第一部分和不接触第一电极的反应物流体的第二部分，结构化流场被建立以诸如允许气体的适当分布和电传导，由此允许在空气电极和例如基底层的基底层之间传输电流。两个流场可以通过提供通道状结构或诸如针或翅的任意三维结构来获得。
[0043]一般地，当其被称为旁路时，气体的流沿着活性区域发生，同时在活性区域上完成分离以能够靠近热源冷却。在作为燃料电池的操作中，活性区域是空气电极。
[0044]用于燃料电池的空气分布层元件由此还可以包括污染物旁路通道、密封表面以及用于冷却和反应目的的空气流的分离件的组合，以限制空气电极污染。污染物旁路功能通过形成一个通道或一系列通道获得，其创建了远离空气电极的可控旁路流。作为优选选择，旁路通道由成形的薄金属板制成。此外，如果沿着元件的侧部放置，其可以成形以允许组件与任何密封材料的组合的横向密封，从而避免空气从气体流分割元件横向泄漏。
[0045]根据优选实施例，所创建的用于将空气提供至空气电极的通道的一半用于电化学反应，以及通道的与基底层接触的另一半仅用于冷却和加热目的。
[0046]用于燃料电池、特别地固态氧化物燃料电池(S0FC)或电解装置的气体分布元件能够实现反应气体在燃料电池的燃料电极上的适当分布以及与后者的适当电接触。以下通道由此涉及燃料电池或电解装置堆中的气体分布元件及其构造。燃料电池通常被配置为由多个单元电池组成的燃料电池堆。由此，单元电池以模块化方式组成燃料电池堆以实现应用所需的电压和功率输出水平。堆叠由此涉及经由导电互连件或双极板串联多个单元电池。
[0047]根据本发明，互连件或隔离板是气体分布元件的一部分。由此，用于燃料电池(特别地固态氧化物燃料电池)或电解装置的气体分布元件包括第一层和第二层，第一和第二层设置有气体分布结构，其形成用于第一反应物流体以及最终第二反应物流体的流体流的图案。
[0048]第二层是均匀化元件，其具有第一孔或第二孔，其中，第一孔中至少一些具有长度和宽度，长度大于宽度并且长度在与流体流的主方向垂直的方向上延伸。由此，气体分布结构特别地包括多个通道，其中第二层包含孔，其具有与流的主方向垂直延伸的长度。气体分布结构由此有利地包括孔，其可以形成通道结构或通道系统的图案。对于固态氧化物燃料电池或电解装置，必要的是，反应气体被均匀分布在燃料电极上，以最大化其效率并保证可靠的操作。实际上，这需要气体分布层的通道或多孔结构呈现对气体流的均匀阻力，由此呈现均等的压力下降。针对通道系统，这通常需要非常精确的几何形状，涉及非常严格的制造公差并因此发生高成本。
[0049]特别地，第二孔具有长度和宽度，长度大于宽度并且宽度在与流体的主方向的垂直方向上延伸。第一或第二孔可以形成通道状结构，其特别地矩形配置或倾斜至在第一层中配置的通道。这具有以下优点:在第一层的孔内流动的流体可以通过配置在第一层上的气体分布结构引导至第二层的孔。第一和第二层的孔提供用于流体的通路，以及由此流体通路在气体分布结构上或跨越气体分布结构形成。当相应反应物流体在第一层的气体分布结构上或跨越气体分布结构流动时，其进入第一层的气体分布结构之上的第二层的孔，及，其进入第一层的气体分布结构之上的第二层的孔并被分布至第一层的在该气体分布结构之后继续的通道以及第一层的相邻孔中，由于以下事实:第一孔预期具有长度和宽度并且它们的长度大于宽度，长度在与流体流的主方向的垂直方向上延伸。
[0050]第二层中的第一或第二孔可以特别地形成为洞，其具有矩形、正方形或圆形的横截面。气体分布形成用于第一层的流体流的图案，其可以包括通道、断续通道、三维结构中的至少之一，三维结构特别地是突出物，诸如针、格子结构或泡沫结构。这些气体分布结构可以由固态或多孔金属或导电陶瓷制造。有利地，期望由单一薄板或一对薄板组成的通道结构，其与第二层或均匀化层一起形成单元电池。
[0051 ] 单元电池的不同层之间的电接触可通过机械接触、焊接、钎焊或薄接触层获得。
[0052]第一或第二层中的每一个可以用作阴极或阳极。它们的功能可以根据用于燃料电池或电解装置的电解质的性质或者气体分布元件的操作而反转。第一反应物富含氧气，例如空气。第二反应物包括元素h2、CO、C02、H20、氨气或含碳气体中至少之一。
[0053]可以提供第三层，其特别地用作用于氧电极的气体分布层。
[0054]气体分布层具有以下优点:均匀化元件允许校正存在于第一层的气体分布结构中的几何缺陷。因此，低成本生产处理可应用于第一和第二层，同时维持高质量的气体分布。另外，堆可以以具有各种封装的不同的构造生产。燃料电池系统或电解装置可以根据需要适于各种用途。燃料电池堆的基底的整体长度和宽度尺寸被理解为在封装下。
[0055]在实施例中，在瑞士联邦理工学院(EPFL)的测试中在堆模块上获得基于燃料的较低加热值的65%的电效率。堆以甲烷重整的蒸汽(蒸汽与碳的比率为2)为燃料，并且以250mff/cm2的功率密度在750°C下操作。
[0056]利用这种效率，使用S0FC技术的kW大小的单元的电力的分布式生成比使用可用的最好的燃气轮机联合循环(CCGT)的MW大小的电厂的集中式发电更高效。
[0057]陶瓷气体扩散层置于固态氧化物燃料电池的任一侧上，固态氧化物燃料电池转而夹在两个金属互连之间，这降低了整个堆的成本，因为就材料而言使得其制造不那么复杂并且更便宜来降低整个堆的成本。由此，单元用作用于向房屋供电的电能的替换源，其涉及至少0.5kff的堆和优选地2.5kff的堆。
[0058]根据实施例，在第一层的气体分布结构上，至少部分地由至少条元件阻碍。条元件被认为是流经第一层的气体分布结构的流体的阻碍。气体分布结构可以是任意类型的屏障或节流元件，其迫使流体流从在流体流的主方向上行进偏离，或者创建对流体通道的水力直径的局部限制。
[0059]第二层的第一或第二孔中的至少一些可以成形为穿孔，特别地洞。第一和第二层由此形成气体分布元件，其由至少一个薄板金属构成。该至少一个薄板金属层形成面向穿孔层的通道结构。穿孔层的特殊性是呈现一系列细长洞，其基本垂直于燃料分布通道延伸并允许混合附近环境中沿着流方向的规则间隔的几个通道的气体。
[0060]有利地，穿孔的长度大于条元件的宽度。第一或第二反应物流体可以由此通过由条元件形成的障碍，因此，流从流的主方向偏离，从而允许穿过一个通道的流与穿过相邻通道的流的混合。根据实施例，孔(特别地成形为穿孔)的一部分具有大于宽度的长度，并且长度或宽度在流体流的主方向上延伸。特别地，第一孔的宽度在流体流的主方向上延伸，或者第二孔的长度在流体流的主方向上延伸。配置在第一层上的气体分布结构与第一孔和第二孔中至少之一流体接触。
[0061]形成第三层的第二气体分布元件可以提供用于第一或第二反应物流体之一至电极上的均匀分布。根据实施例，在第一和第二层中至少之一上设置用于相应反应物流体的多个入口。通过设置多个入口，可以获得流体流的更均匀的分布。进一步的优点是热量的更均匀的分布，由此允许利用由CAE单元提供的整个反应表面。
[0062]此外，形成用于流体流的图案的气体分布结构，特别地第一或第二孔中的至少一些可以通过冲压或压花来制造。根据可替换实施例，第二气体分布元件与第一层形成单片。根据实施例，第一层包括包含穿孔的第一薄板以及形成基底层的第二薄板。第二气体分布元件可以配置在第一层的基底元件的相反侧上。
[0063]此外，本发明涉及燃料电池或电解装置，其包括根据前述实施例中任一个的气体分布元件。
[0064]S0FC的主要应用是以下领域:远程供电、分布式发电、热电联产(CHP)、用于卡车、公共汽车和轮船的辅助供电装置(APU)、便携式能源以及高效的沼气转换。

【专利附图】

【附图说明】
[0065]通过以下结合附图的本发明的特定示例性实施例的描述，本发明的这些以及其他特征和优点将更全面地明白和理解，其中，相同的数字表示相似的组合物。特别地在以下示出:
[0066]图1是S0FC系统的示意图。
[0067]图2是第一气体分布元件的等距视图。
[0068]图3是根据本发明第一实施例的单元电池的截面图。
[0069]图4是图3的单元电池的分解视图。
[0070]图4A是第二气体分布元件的放大视图。
[0071]图4B是第一气体分布元件的另一实施例的分解视图。
[0072]图4C是第一气体分布元件的另一实施例的分解视图。
[0073]图4D是第二层、均匀化层的另一实施例。
[0074]图4E是第二层、均匀化层的另一实施例。
[0075]图4F是包括第一和第二气体分布元件的单元电池的另一实施例。
[0076]图4G是第二气体分布元件的截面。
[0077]图4H是第二气体分布元件的另一实施例。
[0078]图5是气体分布元件的两个相邻层的部分顶视图。
[0079]图6A是气体分布元件的穿孔层的部分顶视图。
[0080]图6B是图6A的沿线A-A的截面。
[0081]图6C是图6A的沿线B-B的截面。
[0082]图6D是图4的没有支撑层的沿线C-C的理想气体分布元件的放大截面。
[0083]图6E是没有均匀化层的气体分布元件的截面。
[0084]图6F是包括均匀化层的气体分布元件的图4的沿线C-C的放大截面。
[0085]图6G是穿过气体分布元件的易燃气体的流的理想情况的示意图。
[0086]图6H是穿过气体分布元件的易燃气体的流的真实情况的示意图。
[0087]图61是穿过另一气体分布元件的易燃气体的流的真实情况的示意图。
[0088]图6K是没有均匀化层的气体分布元件的截面。
[0089]图6L是如图6K所示的类似气体分布元件的截面，其中气体分布元件包括均匀化层。
[0090]图7A是示出穿过燃料电池单元的气体分布层的易燃气体的流的理想情况的示意图。
[0091]图7B是示出穿过燃料电池单元的易燃气体的流的最佳设计的真实情况的示意图。
[0092]图7C是示出根据现有技术的穿过燃料电池单元的易燃气体的流的情况的示意图。
[0093]图7D是具有根据图7B所示的情况的流的燃料电池单元的堆上的视图。
[0094]图7E是具有根据图7C所示的情况的流的燃料电池单元的堆上的视图。
[0095]图8是堆的燃料电池单元的多个连续层的截面。
[0096]图8A是图8的详细截面图。
[0097]图8B是燃料电池堆的示意侧视图的截面。
[0098]图8C是燃料电池堆的另一实施例的示意侧视图。
[0099]图9是气体流分割元件的第一实施例。
[0100]图10是气体流分割元件的第二实施例。
[0101]图10C是气体流分割元件的另一实施例。
[0102]图11是气体流分割元件的第三实施例。
[0103]图12是气体流分割元件的第四实施例。
[0104]图13是气体流分割元件的第五实施例。
[0105]图14是气体流分割元件的第六实施例。
[0106]图15、15a示出气体流分割元件的第七实施例。
[0107]图16、16a示出气体流分割元件的第八实施例。
[0108]图16B是两个单元电池的分解视图。

【具体实施方式】
[0109]图1示出根据本发明的固态氧化物燃料电池(S0FC)系统100。固态氧化物燃料电池系统包括外壳101，其包含由多个燃料电池单元50组成的燃料电池堆103，其中，燃料电池单元在此也被称为单元电池50。外壳位于基底102上。燃料电池系统或电厂的配套设施包括用于加热反应物的热交换器106、以及用于以正确的组分和正确的流速将反应物提供至燃料电池的反应物制备单元，其在图中未示出。堆设置有反应物排放元件104、105。
[0110]堆可以如US 7632586 B2所示配置，其中，应用特定电极接触和气体分布结构。在现有技术中，基于该技术的堆已经被开发用于约lkw的远程和微型热电联产(CHP)应用。其特征是低压力降并且可以实现lkW/Ι或400mW/cm2的功率密度，电效率在45%以上。堆可以用改良的天然气、重整气体或氢气做燃料。该堆在外部集流(manifold)空气并且在内部集流燃料，并且恢复燃料废气流。废气流可以在后部燃料中使用或者被回收用于重整(电厂的给定适应平衡)。US 7632586 B2的使用改进了堆的热循环公差，避免由于热循环引起的另外的性能退化。
[0111]利用将本发明与US 7632586 B2公开的技术结合的两个最近的原型，测量了改进的性能。利用使用氢气作为燃料达到61%的效率，使用甲烷达到69%的效率，实现了 94%的最大燃料转换。此外，在没有对该组合类型的短的堆造成重大损坏的情况下，实现高达50个热循环。这远高于基于US 7632586 B2公开的反应物流的单独处理的早期结果。
[0112]对于易燃气体的分布，预期了第一气体分布元件10，其在图2中详细示出。互连件40包括第一气体分布兀件10和第二气体分布兀件4。互连件40通常被配置在两个相邻的阴极-阳极电解质单元5中。对于单元电池50，理解为包括阴极-阳极-电解质单元5和互连件40的单元。
[0113]第一气体分布元件10用于将至少易燃气体提供至相应电极。
[0114]第二气体分布元件4被用于将包含氧气的反应物(指氧化剂)提供至相应电极。图2中公开的第一气体分布元件10包括燃料入口 16和燃料出口 18，以使得由入口 16提供的燃料在从入口 16至出口 18的流9的直线方向上在第一气体分布元件10内流动。在图2中，第一层2被配置在第二层3下方。
[0115]对于作为燃料电池的操作，将包含氧气的反应物供给至用作阳极的正氧电极51。
[0116]对于作为电解装置的单元电池50的操作，将包含氧气的反应物供给至相同的用作阳极的正氧电极51。
[0117]在有利实施例中，气体分布元件10用于将易燃气体提供至CAE阴极-阳极-电解质单元5的负电极53。互连件40还包括第二气体分布元件4，其包括用于包含氧气的反应物的流体传导通道，允许包含氧气的反应物与相邻CAE阴极-阳极-电解质单元5的正氧电极51接触。
[0118]在大多数情况下，包含氧气的反应物是空气，然而也可以将纯氧气或包含氧气的气体供给至互连件40。第二反应物(易燃气体)通常包含H2、C0、H20、C02、甲烷、氨气、其他碳氢化合物或可选的稀释剂的任意混合。
[0119]在优选实施例中，易燃气体分布在气体分布元件10内部。ACE阴极-阳极-电解质单元5的负电极53由此面向气体分布元件10的第二层3。
[0120]第一气体分布元件10也可以用于以相反方式操作的电解装置。针对作为燃料电池的操作，包含氧气的反应物被供给至用作阴极的正氧电极。
[0121 ] 针对作为电解装置的单元电池的操作，包含氧气的反应物被供给至用作阳极的正氧电极。
[0122]互连件40将燃料电池堆103的两个主要功能组合:其实现来自电极51、53的电流收集并且在ACE阴极-阳极-电解质单元5之间和之上集流了反应物、特别是燃料以及还有包含氧气的气体。
[0123]如图3所公开的，互连件40由此允许集成单元电池50的气体分布，允许薄的未加工的金属板的使用，如附图标记1、2、3和/或4所示，其例如可以通过盖印、冲压、辊轧成形、压花或蚀刻来制造，这意味着便宜的制造，以代替昂贵的结构化的双极板。基底层1和/或第一层2和/或第二层3和/或支撑层4可以通过盖印、压花、冲压或蚀刻，或者通过热压或诸如粉末冶金的其他处理来制造。第一气体分布元件10可以被制造以使得基底层1、第一层2、第二层3或它们的任意组合通过任意合适的结合技术，诸如焊接、硬焊或反应键合、或它们的任何组合，结合在一起以用于电接触和/或密封。以类似的方式，第二气体分布元件4可以通过形成支撑层或通过将支撑层与基底层1组合来制造。
[0124]所提出的燃料电池堆103根据优选应用包括1-100个单元电池50，对应于16-5000W额定电功率。
[0125]图3所示的实施例示出根据本发明第二实施例的单元电池50的配置的截面图，其包括阴极-阳极-电解质单元5和互连件40，互连件包括第一气体分布元件10和第二气体分布元件4。在图3所示的根据实施例的第一气体分布元件10由基底层1、第二层3和第一层2组成。阴极-阳极-电解质单元5包括第一电极51、第二电极53、以及夹在第一电极51和第二电极53之间的电解质52。单元电池50还包括侧部密封件31，其提供对阴极-阳极-电解质单元5和接触层55的边缘以及气体分布元件10的气密密封。单元电池50还包括第二气体分布元件4，用于将包含氧气的第一反应物流体供给至第一电极51。将包括燃料的第二反应物流体供给至在第一层2 (相应地第二层3)之上的第二电极53。
[0126]图4示出包括CAE单元5和互连件40的燃料电池单元50的分解视图。CAE单元5包括第一电极51、第二电极53、以及夹在第一电极51和第二电极53之间的电解质52。通常，陶瓷和/或金属气体扩散层54、55配置在电极51、53的两侧上，其在图4中未示出，但其例如在图8A中示出。
[0127]图4所示的第一气体分布元件10的示例包括基底层1、第一层2和第二层3 ;第一层2和第二层3设置有形成用于流体流的图案的气体分布结构11。图4中公开的第一层2通过相互邻近放置的许多通道13限定流图案，以使得进入第一层2的易燃气体可以在流的主方向9上流动。通道13在直线方向上延伸。通道13优选地在也称为入口的进入侧2b处在第一层2的一侧开始，并且通道13优选地在也称为出口的离开侧2c处在第一层2的另一层结束，其中，进入侧2b与易燃气体供给9a连接，以及其中出口 2c流体连接至废气出口%。图4还示出第二气体分布元件4，其在所示例子中是波纹状金属薄板，其具有通道20，如图4A所示。在图3中，可以看到燃料电池单元50沿线C-C的截面图。描述了第一气体分布元件10。第一层2包括多个分隔的通道条2a，其间形成通道13。如图4所公开的，第一层2可以包括在直线方向上延伸的另外的通道12、14，其将通道13与入口 2b (相应地出口 2c)流体连接。
[0128]第二层3是均匀化元件，包括流体连接相邻放置的至少两个通道13的孔15，以补偿和均匀化相应通道13中流体的量。在图3中，孔15被公开为流体连接三个通道13。第二层3具有第一孔15，其被配置为具有长度28和宽度29的矩形开口。长度大于宽度。长度28横向延伸至流体流9的主方向；宽度29在流体流9的主方向上延伸。第二层3还可以具有第二孔6，其具有长度7和宽度8，长度7大于宽度8，并且宽度8在与流体流9的主方向垂直的方向上延伸。
[0129]也称为通道层的第一层2具有多个入口通道12、多个连续通道13和多个出口通道14。连续通道12和13由条元件23分隔。连续通道13和14也通过条元件23分隔。条元件23对于连接条2a是必要的。
[0130]第二层3的这些第二孔6形成通道状结构，其配置为尤其是矩形的或者倾斜至在第一层2中配置的入口通道12。这具有优点，在第一层2的通道12、13、14内流动的流体可以通过在第一层上配置的作为第一层2的一部分的条元件23引导至第二层3的孔6，如图2所公开的。孔6由此通过将条元件23横穿孔6形成连续通道12和13之间、或者连续通道13和13、或者连续通道13和14之间的流体通路。当流体在条元件23上流动时，其进入条元件23之上的孔6并且其分布至连续通道13，相应地14。该实施例的一个优点是第一层2和第二层3可以通过使用薄金属板非常便宜地制造。
[0131]有利地，每个入口通道12接续以连续通道13和出口通道14。这些通道12、13、14可以具有相同的横截面并且可以接续地配置。有利地，多个入口通道12、连续通道13和出口通道14期望如图4所示公开的。每个入口通道12可以与相应相邻入口通道12平行地配置，这同样也适用于连续通道13或出口通道14。
[0132]第一层2和第二层3可以形成在分隔的薄板上，如图4所示；然而，它们也可以组合至单个薄板中。此外，第一层2可以制造为以下薄板，其具有与通道12、13、14相对应的穿孔并且被配置在形成用于通道12、13、14的基底的基底薄板1旁边。该解决方案对于通道的制造可以是有利的。此外，对于穿孔可以使用各种形状。穿孔可以常规地从薄板冲压出、激光切割或者蚀刻或形成为丢失的嵌件，其在铸造或模制层之后被移除。由此预期，作为分隔的薄板的基底层1和第二层3可以提供制造的简单化或应用更多的制造方法以制造层 1、2、3。
[0133]此外，两个入口 16、17被提供以用于包含燃料(易燃气体)的反应物进入气体分布元件10。另外，两个出口 18、19可以被提供用于流体反应产物(废气)离开气体分布元件10。
[0134]在优选实施例中，第二气体分布元件4被配置在基底层1的侧面上并且与基底层1连接。图4示出氧化剂0的流动路径、在两侧上具有通道20(通道20a、20b)的支撑层。图4A示出支撑层4的优选结构的放大视图，其中氧化剂0的流动路径被分成两个流动路径01、02中的通道20a、20b，以使得每个路径沿着支撑层4的一侧在通道20中流动。
[0135]图4B示出气体分布元件10的另一实施例。限定流图案的基底层1和第一层2由一个单一部件制成。在该实施例中，不需要保持条2a的条元件23，因为条2a与基底层1连接，以使得多个通道13在直线方向上相互并列地延伸，其中，通道13在进入侧2b处开始，并且在离开侧2c处结束，以使得通道将进入侧2b与离开侧2c流体连接。因为不需要条元件23，流体连接连续通道12、13、14的孔6在第二层3中也不需要，如图4B所示。
[0136]图4C示出气体分布元件10的另一实施例。第一层2包括多孔结构2d，诸如一片金属泡沫或金属网，其中，多孔结构被配置在基底层1中。第二层2限定在进入侧2b处开始并在离开侧2c处结束的流动路径，以使得多孔结构将进入侧2b与离开侧2c流体连接，以使得限定流动路径的多孔结构在直线方向上延伸。
[0137]图4D示出第二层3、一均匀化元件的另一实施例。相比于图4B所公开的示出矩形的第二层3的实施例，图4D示出圆形的第二层3。相比于图4B中示出具有平行延伸通道13的矩形的第一层2的实施例，图4D所公开的适配于第二层3的第一层具有圆形并包括在径向上直线延伸的通道13，通道13在燃料入口 2b处(其处于与燃料入口开口 16相同的位置处)在中心开始并在外围结束，其中，燃料出口 2c被配置为优选地围绕第一层2和第二层3，以使得第一气体分布元件10内的易燃气体9a在径向上流动。仅在图4D中示出了几个通道13。第二层3包括在圆周方向上延伸的多个孔15，孔15横向穿过第一层2的通道13，以使得相邻通道13中的一些通过相应孔15流体连接。如图4D所示包括第一层2和第二层3的第一气体分布元件10因此是圆形的。为了建立圆形燃料电池单元50，圆形的阴极-阳极-电解质单元5可以布置在第二层3的顶部，以及支撑层4可以布置在第一层2下方，以实现与图4所示类似的燃料电池单元50，但其在第一层2中具有径向延伸的通道13，并且在支撑层4中具有径向延伸的通道20。在第二层3下方布置的第一层2也可以是三维结构，诸如针、格子、网结构或泡沫结构，第一层2具有圆形，流体流9a、9b、9c的方向在径向上延伸，特别地在从入口 2b至出口 2c的直线方向上延伸，并且第二层3的第一孔15在圆周方向上延伸。在有利实施例中，在泡沫结构内不存在通道，但是泡沫的多孔结构允许流体在泡沫内流动以使得流体在第一层2内流体流9a、9b、9c的方向上流动。
[0138]图4E示出矩形的第二层3的另一实施例，其包括在圆形方向上延伸的孔15。与图4D公开的第二层3不同，图4E所公开的第二层3的孔15布置成类似尺寸的孔15的三个组9x，其中，这些组9x在圆周方向上相比于彼此位移。孔15的这种配置增大了对经过通道13的燃料的通量的均匀化效果。图4E中公开的第二层3包括圆周燃料出口 2c，其收集至燃料出口端口 18/19的废气，以使得第一层2中的燃料可以首先在径向9u上流动并且之后在方向9v上流至燃料出口 2c。
[0139]图4F示出包括CAE单元5和互连件40的燃料电池单元50的另一实施例。互连件40包括第一气体分布兀件10和第二气体分布兀件4。第一气体分布兀件10包括其上安装有通道13的基底板1，以及具有孔3e的密封层3d。孔3e适于CAE单元5的大小，以使得CAE单元可以被引入至孔3e中，CAE单元5可以被正好配置在通道13之上。第二分布元件4如图4所公开的被建立。相比于图4、4B和4C中所公开的实施例，图4F中公开的第一气体分布兀件10不包括第二层3,其意味着不包括均勻化层3。
[0140]图4G详细示出图4F的沿线D-D的截面，其中图4G还包括配置在第二气体分布元件4之下的CAE单元5，其在图4F中未示出。图4G详细示出波纹状金属薄板，其被配置在CAE单元5和基底层1之间。第二气体分布元件4通过连接件4c与基底层1连接，电力可以在第二气体分布元件4和基底层1之间流动。它们例如可以在连接件4c处焊接在一起。波纹状薄板具有波状轮廓、曲折轮廓或梯形横截面的轮廓。波纹具有间距20g，间距20g在2mm至8mm的范围内。小间距20g具有以下优点:在波纹状薄板和电解质52处发生电化学反应的位置之间流动的电力经历了较低的欧姆阻力，因为在波纹状薄板和CAE单元5之间存在较高密度的接触点。另一方面，小间距使得通道20、20a、20b非常小，其增大了在通道20中流动的流体的流动阻力。
[0141]元件4的金属薄板厚度在0.3-lmm的范围内，更优选地在0.3-0.6mm的范围内，并且最优选地0.5mm。
[0142]在优选实施例中，用于氧化剂的通道20a具有横截面积20f，以及用于淬火流体的通道20b具有横截面积20e。两个横截面积20e、20f的比例在1:2至2:1的范围内，优选地1:1。
[0143]在优选实施例中，用于氧化剂的通道20a和用于淬火流体的通道20b具有范围在l-5mm之间的高度。
[0144]在优选实施例中，波纹具有至少45°的梯度角(α)，更优选地大于60°。
[0145]在优选实施例中，第一气体分布元件10的通道13从燃料入口侧2a延伸至燃料出口侧2b,从而限定在第一气体分布兀件10内的易燃气体的流9的方向,其中,第二气体分布元件4的通道20a、20b大致沿着流9的主方向延伸或者大致垂直于流9的主方向延伸。如图4G所公开的，在优选实施例中，用于淬火流体的通道20b与第一气体分布元件10接触，其意味着通道20b面向第一气体分布元件10，相应地基底层1，以使得在通道20b中流动的淬火流体与基底层1直接接触。
[0146]在优选实施例中，波纹形成相互平行延伸的多个通道20a、20b。
[0147]在优选实施例中，第二气体分布元件4以以下方式连接至第一气体分布元件10:用于淬火流体的通道20b成形为封闭通道，仅包括进入端20c和离开端20d。这通过以以下方式将波纹状薄板与基底层1连接来实现:每个通道20b在其进入端20c和其离开端20d之间形成气密通道。
[0148]在有利实施例中，第二气体分布元件4由至少两个部件组成，该至少两个部件通过分离部4b相互隔离，分离部4b具有至少0.3mm的间隙宽度。图4H公开由四个部件组成并具有两个分离部4b的第二气体分布元件4。图5示出第三实施例的第一气体分布元件10的第一层2和第二层3的部分顶视图，其中部分从气体分布元件10的顶部切割出。第一层2的一部分的横截面视图示出通过通道条2a分隔的并列的通道13中的一些、以及通过条元件23而与通道13分隔的连续出口通道14中的一些。第一层2布置在第二层3后面。第二层3包含具有长度28和宽度29的第一孔15，长度28横向延伸，在该实施例中垂直于流体流9的主方向。
[0149]图6A示出根据本发明第一、第二或第三实施例中任一个的气体分布层10的穿孔的第二层3的部分顶视图，其包括第一孔15和下面的通道条2a。图6B是图6A的沿线A-A的截面，示出阴极-阳极-电解质单元5、包括通道条2a的第一层2、第二层3和基底层1。基底层1和第一层2由不同的薄板制造。图6C示出图6A的沿线B-B的截面。与图6B不同的是，截面横穿一行孔15，因此第二层3被孔15中断。此外，示出了在第一层2中平行延伸的通道13。
[0150]图6D详细示出图4的沿线C-C的截面，其中没有支撑层4。第一气体分布元件10由三个层组成，基底层1的上部配置了第一层2，第一层2限定了包括多个通道13的流图案，通道13由在流方向9上平行延伸的条2a分隔。第二层3是均匀化层，配置在第一层2的顶部。第二层3包括垂直于流方向9延伸的第一孔15。在所示实施例中，第一孔15在三个通道13上延伸以流体连接三个通道13，以使得流体交换9z可以在三个易燃气体流9a、9b,9c ;9d、9e、9f之间并通过第一孔15发生。图6D示出理想的第一气体分布元件10，其中每个通道13，ΚΡ..Κ6具有相同的宽度和相同高度以及相同的流动阻力，以使得每个易燃气体流9a、9b、9c、9d、9e、9f具有大致相同的流速以及大致相同的气体组成，以及所产生的至阴极-阳极-电解质单元5的反应物和反应产物的扩散通量，以使得气体流9a、9b、9c ;9d、9e、9f之间的流体交换9z很少或不在第一孔15内发生。除了所述三个易燃气体流9a、9b、9c ;9d、9e、9f之间的流体交换9z以外，第一孔15还具有以下效果，在面向阴极-阳极-电解质单元5的第一孔15内，离开流9a、9b、9c ;9d、9e、9f的气体组分在进入阴极-阳极-电解质单元5之前被混合和均匀化。因此，气体组分在进入阴极-阳极-电解质单元5之前被均匀化，其保证了单元5被提供足够量的反应气体，即使气体流9a、9b、9c ;9d、9e、9f中的一个或甚至两个提供不足的气体。仅示意性地示出配置在第二层3的顶部上的阴极-阳极-电解质单元5以及第二气体接触和气体扩散层55。
[0151]图6F详细示出图4的沿线C-C的截面。与示出理想气体分布元件10的图6D不同，图6F示出一种共同的配置，其中，通道ΚΡ..Κ6具有略微不同的形状，例如不同的宽度，以及因此不同的流动阻力，其导致以下效果:气体流9a、9b、9c、9d、9e、9f具有不同的流速。第二层3 (均匀化层)的优点是由于第一孔15流体连接通道K1，K2，K3 ;Κ4，Κ5，Κ6中的一些，流体交换9ζ在气体流9a、9b、9c、9d、9e、9f之间发生，以使得气体流9a、9b、9c、9d、9e、9f之间的流速的差异减小，其意味着气体流被均匀化，以使得沿阴极-阳极-电解质单元5的易燃气体F的气体组分以及所产生的反应物和反应产物的扩散通量被调和。
[0152]图6E示出根据图6F的实施例，但没有第二层3。在没有均匀化层的情况下，沿阴极-阳极-电解质单元5的易燃气体F的气体组分以及所产生的反应物和反应产物的扩散通量可以根据通道ΚΡ..Κ6的不同形状强烈变化。第二层3(均匀化层)的一个优点因此是第一层2可以以更便宜的方式制造，因为气体流9a、9b、9c、9d、9e、9f的通道宽度和/或通道高度的变化的影响可以通过均匀化层补偿，由此允许制造便宜和可靠的气体分布元件10。
[0153]图6G示出图6D中公开的第一气体分布元件10的顶视图，示出在平行方向上延伸的六个通道ΚΡ..Κ6，通过孔15流体连接的三个通道Κ1，Κ2, Κ3 ；Κ4, Κ5，Κ6，其中，气体流9a、9b、9c、9d、9e、9f中的每一个具有相同的流速。多个孔15在流方向9上被配置并间隔开。
[0154]图6H示出图6F所公开的第一气体分布元件10的顶视图，示出在平行方向上延伸的六个通道KL...K6，三个通道Kl，K2, K3 ；K4, Κ5, Κ6通过孔15流体连接，其中，进入气体分布元件9的气体流9a、9b、9c、9d、9e、9f具有不同的流速。多个孔15在流方向9上被配置并间隔开，其中在孔15的每一个中，流体交换9z可以在气体流9a，9b, 9c ；9d, 9e, 9f之间发生，以使得气体流9a，9b, 9c ；9d, 9e, 9f之间的流速的差异减小。第一气体分布元件10包括孔15，因此确保了通道ΚΡ..Κ6都没有丧失气体，阴极-阳极-电解质单元5将不遭受燃料的局部损耗。因此，均匀化层3具有以下效果:避免了由于燃料电池单元50的一些区域中易燃气体的缺乏而导致的燃料电池单元50的损坏。此外，在孔15中组分的均匀化通过扩散和对流发生。这进一步减少了单元的一个区域被易燃气体的局部损耗损坏的风险，甚至在通道ΚΡ..Κ6中的一个例如被任何不想要的残留物堵塞的情况下。在该情况下，气体可以经由孔15包围通道的堵塞部分，并且气体经由孔15从堵塞部分之上扩散至电极。
[0155]图61示出气体分布元件10的另一实施例的顶视图，示出在平行方向上延伸的六个通道Κ1...Κ6，通道Κ1，Κ2, Κ3 ；Κ4, Κ5, Κ6通过孔15流体连接，其中，进入气体分布元件9的气体流9a、9b、9c、9d、9e、9f具有不同的流速。相比于图6H中公开的实施例，根据图61的实施例中的孔15具有不同的长度28，并且因此可以流体连接两个、三个、四个或者甚至更多个平行延伸的通道ΚΡ..Κ6。另外，在流方向9上间隔开的连续孔15可以在垂直于流9的方向上移位和/或可以具有不同的长度28，因此连接不同的通道ΚΡ..Κ6。
[0156]图6L详细示出图4C的沿线C-C的截面，第一层2包括易燃气体9流动通过的多孔结构2d。相比于图6F公开的包括通道ΚΡ..Κ6的第一气体分布元件10，气体流在图6L所公开的多孔层中更扩散，因此图6L公开的气体流9a、9b、9c、9d、9e、9f仅示出在流方向9上流动的燃料流强度(大小)。第二层3 (均匀化层)的效果类似于图6F公开的效果，即如果气体流具有不同的气体组分，第二层3引起在气体流9a、9b、9c、9d、9e、9f之间的流体交换9z。因此，第二层3均匀化第一层2的多孔结构中各种气体流9a、9b、9c、9d、9e、9f的流速。因此，沿阴极-阳极-电解质单元5的易燃气体F的气体组分以及所产生的反应物和反应产物的扩散通量被调和。
[0157]图6K示出根据图6L的实施例，但没有第二层3。在没有均匀化层3的情况下，沿阴极-阳极-电解质单元5的易燃气体F的气体组分以及所产生的反应物的扩散通量会根据多孔第一层2中的流动阻力强烈变化，类似于图6E所公开的效果。
[0158]图7A是示出穿过燃料电池单元50的气体分布层的易燃气体的流的理想情况的示意图，其中，燃料电池单元50在该示例中包括并列排列的十二个通道13，以及其中箭头指示相应通道13中易燃气体的通量。坐标系统的X轴示出相应通道13在流9的主方向上的通量。y轴示出十二个通道K1-K12的通道数量，通道并列排列，如图3所示。图7D示出十个燃料电池单元50的堆，每个燃料电池单元50具有十二个通道13，图7A、7B中公开的通道数量对应于图7D的燃料电池堆中所示的通道。图7B是示出穿过燃料电池单元50的易燃气体的流的最佳真实情况的示意图，其中，由于构造折衷了在气体集流，易燃气体的通量在接近外壳的外侧通道1和12中较低，由此接近燃料电池单元50的外壳的流速具有最低值。
[0159]图7D是燃料电池单元50的堆的视图，每个燃料电池单元50具有根据图7B所示的情况的相同流。因此，十个燃料电池单元50中的每一个的平均通量F1?F10是相同的。
[0160]图7C是示出根据现有技术的穿过燃料电池单元的易燃气体的流、由此流速的非常不均匀的分布的真实情况的示意图。流速的不均匀分布例如从制造燃料电池单元50时的生产公差发生。图7C示出与图7B相同设计的流动场，但是具有由于例如制造公差而与设计的重大偏差。这在现有技术中是通常的问题。偏差在分布元件之间根据其制造而不同。在图7C公开的示例中，具有最低气体通量的通道是数字5，但是其可以是另一分布元件中的任何其他通道。该最小通量可能导致局部燃料匮乏并最终导致性能限制，燃料电池堆的局部过热，或者电解质、阳极或阴极中的破裂，可能导致CAE单元5的破裂以及可能地燃料和氧化剂混合以及寄生燃烧，由此导致堆或其至少一部分的过早的严重损坏。
[0161]图7E是如图7C公开包括十个燃料电池单元50的燃料电池堆的视图。各个燃料电池单元50呈现随机偏差，最小通道流的位置彼此之间变化，因此由箭头F1...F10的长度表示的燃料电池单元50中每一个的平均流速随机分布。这些随机偏差具有两方面的效果:首先，每个燃料电池单元的总通量由于对液体流的不同阻力而在单元50之间变化，第二，与每个通道的平均通量(7A，理想情况)的累积偏差最终变得更重要。为此，在现有技术中，必须通过以下引入补偿:校正单元电池集流处的进入流、挑出具有窄压力降的一批单元电池、增大公差的规范、或者进一步减小燃料转换率以降低操作风险。所有这些都对堆的生产的成本和系统的效率有影响。此外，图7E示出在根据现有技术的燃料电池堆中，相邻燃料电池单元50中的流情况、相应地相邻气体分布元件10中的流情况可以显著变化。
[0162]对固态氧化物燃料电池的建模和实验工作示出了燃料分布的均匀性和流的配置对于燃料电池的性能和可靠性如何重要。图7A表示在相同或相反方向上流动的空气和燃料的理想情况。由于制造处理，通常需要一些折衷，其导致略微不同于图7B所示的理想情况的气体分布。最近的研究包括制造公差或不理想组件性质对性能和可靠性的影响的研究，由此允许评估工业处理或特定设计对于期望性能和可靠性的适用性。
[0163]由 Cornu 和 Wuillemin 进行的工作(Impact of random geometric distort1nson the performance and reliability of an S0FC (2011)Fuel Cells, 11(4), pp.553-564)特别示出燃料分布的特性如何取决于气体分布结构中通道的深度的公差。通道的深度的范围通常从0.2mm至l-2mm标度，以及它们的宽度更通常从1至2mm变化。0.5mm范围的深度最常见。在这些情况下，在目标值附近的0.05mm的深度变化已经对流分布具有非常重要的影响。这种偏差的例子在图7C中给出。即使可以通过合适的制造技术实现0.05的深度变化，阴极-阳极-电解质单元5和第一气体分布元件10之间的空间也会根据在之间使用的接触层而变化。因此，针对有效通道片段的累积深度变化非常难以维持在上述偏差范围中。最后，同样重要的是，接触层或通道可能随时间缓慢移动，其将在任何情况下导致随时间的差的燃料分布。
[0164]因为单元电池50相互堆叠，各个元件的缺陷将累积，导致如图7E的情况所示的操作中流的更加增大的偏差。
[0165]因为在燃料电池堆的所有单元电池50中转换燃料的完全相同的量，由此获得共同的电流流动，以使得单元电池50的呈现低燃料流的区域在燃料转换增加时面临燃料匮乏的风险。因为需要大的转换以实现高性能，因而差的燃料分布将导致一个单元电池由于燃料匮乏而引起的性能限制或损坏。
[0166]因为对于操作者来说几乎没有关于燃料电池堆的一部分经受匮乏的任何标志，除非已经太晚了，这种问题从工业和操作视角来说非常重要。
[0167]图8是根据如图4所示的实施例的形成燃料电池堆103的多个连续燃料电池单元50的截面，每个燃料电池单元50包括CAE单元5和互连件40，互连件40包括第一气体分布元件10和第二气体分布元件4。
[0168]由此，燃料通道13的横截面通过第一层2和作为穿孔板的第二层3的通道结构的几何形状被给出并确定。第二层3用作均匀化元件。在第三层3和阴极-阳极-电解质单元5之间使用的任何可选的另外接触层将对流没有影响。此外，在穿孔板(第二层3)上的孔15的几何形状允许沿几个通道13的流体路径的流体交换和流体的混合，通道13沿着燃料路径并列排列，因此在这些位置创建了通道之间的附近隔离条，并且因此创建了通道13之间的合适的平均通量。由于这个原因，任何通道13沿着第一气体分布元件10内易燃气体的流体流动路径的几何形状的任何偏差通过允许易燃气体在相邻通道13之间流动来校正，因此使用平均化效果来均匀化相应的反应物，相应地易燃气体流体流。
[0169]图8A是图8的详细截面图，其详细示出具有相应支撑层4的两个气体分布元件10。一个阴极-阳极-电解质单元5可以在图8A的中部可见，其中支撑层4接触在阴极-阳极-电解质单元5的顶部的第一气体接触和气体扩散层54，以及其中第二层3 (均匀化层)接触在阴极-阳极-电解质单元5的底部的第二气体接触和气体扩散层55。第二层3提供在三个通道13上延伸的第一孔15以流体连接三个通道13，以使得流体交换9z均匀化进入阴极-阳极-电解质单元5的易燃气体F。
[0170]支撑层4具有波纹的形状，其允许利用通道20b、20a将氧化剂的流路径0分离成两个单独的流路径01、02，通道20b的流路径01是向阴极-阳极-电解质单元5提供氧化剂03的氧化剂。通道20a的流路径02用作冷却或加热基底层1和/或阴极_阳极_电解质单元5的淬火剂。
[0171]图8B在截面图中示出燃料电池堆103的示意侧视图，其包括三个燃料电池单元50，每个包括互连件40和CAE单元5，并且每个互连件40包括第一气体分布元件10和第二气体分布元件4。氧化剂0在一侧被提供至全部第二气体分布元件4，氧化剂0之后被分离以形成沿第二气体分布元件4的两个单独流路径01、02，两个单独的流路径01、02在离开第二气体分布元件4之后被组合，所有第二气体分布元件4的流路径也组合成离开燃料电池堆103的一个单一流路径。图8B还公开了进给氧化剂0的鼓风机或压缩机21，测量进入、相应地离开互连件40的氧化剂0的温度的温度传感器22a、22b。鼓风机或压缩机21以及温度传感器22a、22b通过电缆23与控制单元23 (其仅示意性示出)连接。另外的温度传感器或者其他传感器或致动器可以被配置并且可以与控制单元23连接以控制燃料电池堆的操作。
[0172]图8C在截面图中示出燃料电池堆103的另一实施例的示意侧视图，燃料电池堆103包括三个燃料电池单元50，每个包括互连件40和CAE单元5，并且每个互连件40包括第一气体分布兀件10和第二气体分布兀件4。流路径01、02完全分离，并且氧化剂0在一侧仅提供至限定氧化剂的流路径01的通道20a。淬火流体04在一侧仅被提供至限定淬火流体的流路径02的通道20b。流路径01、02还作为分离的路径离开第二气体分布元件4。图8C还公开进给淬火流体04的鼓风机或压缩机21，以及测量进入、相应地离开互连件40的淬火流体路径02的温度的温度传感器22a、22b。鼓风机或压缩机21以及温度传感器22a、22b通过电缆23与控制单元23 (其仅示意性示出)连接。另外的温度传感器或者其他传感器或致动器可以被配置并且可以与控制单元23连接以控制燃料电池堆的操作。
[0173]图8B或8C所公开的燃料电池堆103可以通过各种方法操作。现在进一步详细描述一些有利方法。
[0174]燃料电池堆103可以通过用于操作固态氧化物燃料电池或固态氧化物电解电池的方法来操作，固态氧化物燃料电池包括:
[0175]a)多个阴极-阳极-电解质单元5，以及
[0176]b)CAE单元5之间的金属互连件40，
[0177]互连件40包括:
[0178]-第一气体分布元件10，包括用于易燃气体的气体分布结构11，以及
[0179]-第二气体分布元件4，包括用于氧化剂的通道20a并包括用于淬火流体的单独通道 20b,
[0180]其中，至少第一和第二控制温度ΤΙ、T2被测量，
[0181]-第一温度T1是进入第二气体分布元件4的淬火流体的温度或在燃料电池的淬火流体入口侧测量的任何代表性温度，
[0182]-以及第二温度T2是离开第二气体分布元件4的淬火流体的出口温度、燃料电池堆的温度或在燃料电池的淬火流体出口侧测量的任何代表性温度中之一的温度，
[0183]其中，供给至第二气体分布元件4的淬火流体的量基于第一和第二温度ΤΙ、T2的温度差来控制。
[0184]在用于操作固态氧化物燃料电池或固态氧化物电解电池的优选方法步骤中，淬火流体的量被供给至第二气体分布元件4并基于第一和第二温度ΤΙ、T2的最大、最小或额定温度差来控制。
[0185]在用于操作固态氧化物燃料电池或固态氧化物电解电池的另一优选方法步骤中，供给至第二气体分布元件4的淬火流体的量和温度T1被控制以使得第一和第二控制温度T1、T2维持在限定的最大和最小值内。
[0186]在用于操作固态氧化物燃料电池的另一优选方法步骤中，氧化剂的流速以以下方式维持在超出电化学反应所需的化学计量流:在通道20a的出口处的氧化剂的氧气部分压力大于氧化剂的总压力的5%，以及优选地大于10%。
[0187]在用于操作固态氧化物燃料电池或固态氧化物电解电池的另一优选方法步骤中，氧化剂和淬火流体在完全分离的流路径01、02中循环。
[0188]在用于操作固态氧化物电解电池的另一优选方法步骤中，淬火流体加热第二气体分布元件4。
[0189]在用于操作固态氧化物电解电池的另一优选方法步骤中，承载气体被添加至氧化剂的流路路径01中以收集所生成的氧气，而承载气体的流速被控制以诸如将离开互连件40的承载气体的氧气含量维持在给定范围内。
[0190]在用于操作固态氧化物电解电池的另一优选方法步骤中，承载气体被循环并且氧气从离开互连件40的承载气体中提取，以单独地收集富含氧气的气体。
[0191]在用于操作固态氧化物电解电池的另一优选方法步骤中，纯氧气在其离开互连件40时被单独收集。
[0192]图4示出具有长度3a和宽度3b的阴极-阳极-电解质单元5，其限定接触表面3c,阴极-阳极-电解质单元5经由接触表面3c接触第二层3。第二层3包括同样的接触表面3c。第二层3的第一孔15配置在接触表面3c内。在优选实施例中，所有第一孔15的总面积是孔15、6的总面积的至少20%，其他的位于表面3c内。为了提供易燃气体沿着接触表面3c的更均匀的同等分布，所有第一层15的总面积是接触表面3c的至少20%，以及最优选地大约30%，以及最优选地在40%至50%之间。
[0193]在优选实施例中，CAE单元5具有沿着流9的方向的长度3a并具有宽度(3b)，其中，长度3a与宽度3b的比例优选地大于1,更优选地大于1.5并且最优选地大于2。
[0194]所公开的第一孔15被示出具有矩形。第一孔15还可以具有其他形状，诸如椭圆形。第二层3也可以包括在同一第二层3上的不同形状的多个第一孔15，诸如矩形和椭圆形。
[0195]用于在燃料电池的第一气体分布元件10均匀化易燃气体的有利方法是第一气体分布元件10包括将燃料入口 2b与燃料出口 2c连接的第一层2，其中，燃料在第一层2内特别地在直线方向上在流9的方向上流动，以及第一气体分布元件10包括第二层3，第二层3包括第一孔15，第一孔15在相对于流9的方向的垂直方向上延伸，其中，流经第一层2的易燃气体进入第一孔15，以使得易燃气体在第一孔15内被均匀化，以及其中，第一孔15接触阴极-阳极-电解质单元5，以使得来自第一孔15内的易燃气体被提供至阴极-阳极-电解质单元5。
[0196]在有利的方法步骤中，在第一孔15内均匀化的易燃气体中的至少一些流回至第一层2中。
[0197]在另一有利的方法步骤中，第一层2包括多个通道13，通道13并列排列并将燃料入口 2b与燃料出口 2c连接，第一孔15在关于通道13的垂直方向上延伸并且流体连接并列排列的至少两个通道13，其中，流经相应通道13的易燃气体进入第一孔15，以使得相应通道13的易燃气体在第一孔15内被均匀化。
[0198]在有利的方法步骤中，在第一孔15内被均匀化的易燃气体中的至少一些流回至第一层2的相应通道13中或在第一层2的相应通道13之间交换。
[0199]在有利的方法步骤中，第一孔15中的至少一些垂直于流9的方向延伸，以使得相应的第一孔15中的易燃气体的压力被均等化，以使得在下面的第一层2或在下面的相应通道13中的易燃气体的压力被局部均等化。
[0200]该结构在根据US 7 632 586 B2的两个堆设计中实现并且在操作中有效。实现了94%的最大燃料转换，在使用氢气作为燃料时达到61%的效率，以及使用甲烷时达到69%的效率。这远高于基于US 7 632 586 B2所公开的反应物流的处理的早期结果。
[0201]由于燃料电池单元中的放热反应，因此需要燃料电池单元50的主动冷却，特别地在转变阶段，其可以原理上通过空气冷却、或者通过空气冷却和在燃料侧通过使用甲烷的吸热蒸汽转换反应(SMR)的内部冷却的组合实现。然而，这限于使用蒸汽转化甲烷作为燃料的系统的类别。
[0202]为了限制CAE单元5和气体分布结构中的温度梯度和过量的温度差，需要单元电池50中冷却空气的适当分布。为了限制温度差，相对于电化学反应本身原本所必须的量需要过量的冷却空气。该过量空气意味着电厂配套设施中的另外损失，特别是由于空气鼓风机的电力消耗。然而，如果堆中的压力降很低，这意味着，如果堆中用于空气的气体分布结构对空气流呈现低阻力，则这些损失可以降低。因此，燃料电池以其氧化剂蒸汽入口和出口之间的标称压力差操作，标称压力差优选地小于50mbar,相应地20,相应地lOmbar。
[0203]利用燃料电池堆应该避免的问题是在电极的通常形成平面层的表面上发展的局部温度峰。如果这种局部温度峰发生，则反应动力学可以被改变并且可以形成局部热点。这种热点是不期望的，因为其通过使得局部热膨胀而涉及材料上的高应变，这可能导致所影响的层材料的热应力、翘曲、褶皱或变形。由于电极或电解质的陶瓷材料是易碎的，它们在经受大量的局部温度变化的情况下可能裂缝并最终断裂。这种热点的发生可以通过增加冷却空气流并且通过空气分布结构的适当设计而急剧下降，空气分布结构接触CAE单元并且因此可以用作热耗散结构。
[0204]此外，燃料电池单元内的温度梯度可能在CAE单元之外的其他关键位置导致不合适的热应力，诸如在围绕单元的密封件中以及将燃料分布于堆中的燃料集流部中。这可能导致密封件的剥离以及有害的泄漏，这都可能导致CAE单元的局部或完全断裂。
[0205]可以以降低的空气流操作燃料电池，但是后果是实现空气入口和出口之间较大的温度差。该情形的缺点是冷侧将遭受低效率的电化学反应，因为大多数电化学处理是被热激活的。已知一些电极类型，特别地一些阴极材料在这种情况下将随时间更严重地劣化。另一方面，燃料电池的较热端将经历被热激活的其他类型的劣化，例如金属部件上氧化膜的生长。
[0206]对于燃料电池的性能的另一重要的点是与燃料流的主方向9垂直的、温度的均匀性。其看起来具有垂直于燃料流的空气流(所谓的交叉流配置)的堆呈现垂直于燃料流的重要的温度差，导致由于降低的电化学性能引起的在较冷侧的沿着电池的燃料消耗的缺乏。这导致不能以高的燃料转换率来操作堆，并且因此降低效率。该问题可以通过使用厚互连件来增强内部热传送而部分避免，但是以重量和额外成本为代价。
[0207]因此，优选的是在燃料和空气流平行或在相反方向上流动的情况下操作电池。然而，热梯度会发生在堆的边界的附近、燃料流的横向侧上，这是由于利用系统的剩余部分的热交换。性能限制的类似问题可以因此在这种情况下发生。因此，感兴趣的是以过量的空气操作燃料电池，这将有助于降低这种类型的梯度。为了相同的目的，感兴趣的是以以下方式建立燃料电池:电池的沿燃料流的反应区域的长度大于宽度，即，具有大于1的长宽比。在优选构造中，该长宽比大于1.2，优选地大于1.5，以及优选地大于2。
[0208]因此，感兴趣的是降低燃料电池内的热梯度以及温度差以提高性能并限制劣化。
[0209]此外，在低冷却剂流，在堆的芯及其边界(例如，第一和最后一个燃料电池单元)之间期望较大的温度差。这不仅因为热机械原因是有害的，而且由于电化学性能将从一个位置至类似设置在堆中的另一位置变化。因为最大温度在堆内通常需要被考虑以例如保护密封材料，燃料电池的一些部件将必须以比需要的更低的温度操作，结果是较冷的元件将以较低的效率操作并且整体性能将降低。
[0210]最终，燃料电池的动态控制在使用较大的冷却流时增强，因为可以获得更快的响应并且改善了可控制性。
[0211]然而，使用过量空气的一个缺点是将有毒物质传输至空气电极。特别地，挥发性铬已知通过位于堆的上游的金属组件释放并通过空气流传输至堆中。挥发性铬趋于通过电化学和化学反应沉积在空气电极中。特别地，挥发性铬自发地与电极中包含的锶反应。此外，其可以电化学地在电极/电极界面处沉积为氧化铬，因此降低了反应部位的数量。不仅铬，而且硅、硫磺和其他物质已知进一步影响空气电极的耐用性。
[0212]因此，特别的优点是可以以增大的空气流操作燃料电池以均匀淬火，同时在氧化剂流上具有低压力下降以降低附加损失，并且由此仅空气的一部分与空气电极接触以避免污染。
[0213]此外，有利的是可以改变冷却空气和反应空气之间的比例，诸如以最佳的性能和空气电极的减少的污染来操作燃料电池。
[0214]在电解模式中，进一步的优点可以是将从电解反应获得的富含氧气的气体与淬火流分离，以使得能存储富含氧气的气体作为反应产物。在电解模式中，淬火流用于加热堆以在需要时将热量提供至吸热电解反应，并且最终移除整体操作可以变得放热的相同操作点处的热量。
[0215]该分离对于将来的燃料电池可以在发电机和电解模式中可逆地使用的应用进一步有利，例如用于在最高产量期间存储可再生能源并且稍后在发电机模式中重新使用反应产物，包括富含氧气的气体作为氧化剂。
[0216]图9示出包括旁路流体通道35的气体流分割元件的第一实施例。第二气体分布元件4配置在CAE单元5和第一气体分布元件10之间，其中仅示出基底板1。第二气体分布元件4放置在阴极-阳极电解质单元5上。元件的顺序或次序可以反向，此外配置不需要如图9所示是水平的，其还可以是垂直的或者与水平面以一定角度配置。此外，基底层1、第二气体分布元件4和阴极-阳极-电解质单元5中的每一个可以是平面堆的一部分或者可以是弯曲的，诸如以形成管状堆。基底层1给气体分布元件10提供气密密封件。
[0217]由此，用于燃料电池或电解装置的气体流分割元件包括第二气体分布元件4，其在图4的实施例中示出。第二气体分布元件4包括用于流体流的图案。流体流的图案在此示出为矩形横截面的多个通道20。这些通道是反应物流体通道20的实施例，其意味着用于氧化剂的通道。在图9中，第二气体分布元件4包含多个这种反应物流体通道20。
[0218]阴极-阳极-电解质单元5由第一电极51和第二电极53以及夹在第一和第二电极之间的电解质52组成。由用于流体流的图案形成的反应物流体通道20朝向第一电极51开口。由此，反应物流体可以直接接触第一电极51的表面。横向密封元件31配置在第二气体分布元件4的周围。如图3所示，这种横向密封元件31通常沿着CAE单元5或第二气体分布元件4的侧面配置。形成为旁路流体通道35的气体分布结构形成在横向密封元件31之间，并且分离壁元件32提供为用于旁路流体通道35的第二侧壁，以允许旁路反应物流体流。横向密封元件31确保反应物流体，特别是空气或另一包含氧气的气体仅通过反应物流体通道20以及旁路流体通路35。注意，图9至16仅示出气体流分割元件的一部分，其剩余部分优选地是图9-16所示的部分的镜像对称副本。
[0219]如果装置被操作为燃料电池，则第一电极51是阴极，以及第二电极是阳极53，空气流被引导至阴极51。气体流分割元件可以形成燃料电池的单位元件。
[0220]通过旁路通道35和分离元件32，电极污染可以降低，因为仅进行电化学反应所需的气体流被引导至电极51。任何多余的气体流可以特别地利用分离元件32绕开通过旁路通道35。旁路可以进行冷却功能，由此旁路流体可以用作冷却流体。这通过引导污染气体通过旁路通道35来实现，以使得气体流的受污染的部分可以流动通过通道35。流经第二气体分布元件4的氧化剂被分离成与第一电极51直接接触的第一气体流部分以及形成旁路的第二部分，以限制污染物在第一电极51上的沉积速度。旁路流体通道35通过分离壁元件32、密封元件31和电极52限制边界。
[0221]图10示出气体流分割元件的第二实施例，其中公开了第二气体分布元件4，其包括用于淬火流体的多个通道20b和用于氧化剂的多个通道20a，通道20a通过分离元件34分隔开。第二气体分布元件4夹在基底层1和阴极-阳极-电解质单元5之间，其由第一电极51、第二电极53和电解质52组成。
[0222]图10的左侧角部示出了气体流分割元件的横向端部。横向密封件31设置用于提供气密密封件，以使得反应物流体可以不被释放至环境中。此外，分离元件32设置用于提供旁路流体通道35，以用于将反应物流体分割成接触第一电极51的氧化剂的第一部分以及不接触第一电极51的氧化剂的第二部分。由此，剩余的氧化剂绕开通过旁路流体通道35。由此，可以避免电极的不必要的污染。
[0223]氧化剂的第三部分可以流经气体分布通道20b。由此，氧化剂的第三部分可以用作冷却流体。由此，通过电化学反应生成的任何热量可以从阴极-阳极-电解质单元5传导出去，以提供稳定的反应条件。
[0224]另外的旁路通道可以期望在第二气体分布元件4的面向基底层1的侧面上。另外的旁路通道35a通过密封件31的内表面、基底层1、第二气体分布元件4的最外部分离壁元件32和形成分割元件的分离元件34来限定。
[0225]图10C示出另一实施例，其中，附加的旁路通道35g沿着横向密封件31但在横向密封件31外侧延伸。存在连接通道35、35g的流体传导通道35f。附加旁路通道35、35g的至少一个以流体传导方式连接。
[0226]图11示出空气流分割元件的第三实施例，图12示出空气流分割元件的第四实施例。图11和图12的实施例具有与图10相同的构造并因此参考图10。
[0227]根据第三和第四实施例，密封元件31包含旁路流体通道35b。旁路流体通道35b可以完全集成至密封元件31中，如图11所示。可替换地，旁路流体通道35b可以通过上侧的基底层1限制并且形成为密封元件31中的槽，如图12所示。旁路流体通道可以在密封元件31中被蚀刻、冲压或压花。
[0228]图13示出气体流分割元件的第五实施例。再次，气体流分割元件的构造示出与图10-12相同的元件。然而，根据图13，基底层1包含旁路流体通道35b。该旁路流体通道35b形成为基底层1中的槽。旁路流体通道35b可以在基底层中被蚀刻或压花。在其下端部，该旁路流体通道35b通过密封元件31限定。
[0229]图14示出气体分割元件第六实施例。
[0230]根据图14所示的实施例，多个气体分布结构36期望在基底层1中。这些气体分布结构36可以被配置为多个分离流体通道，特别地气体流通道36。通道可以被成形为圆形或矩形横截面的管。可替换地，基底层可以包含槽。类似于根据图11、12或13的实施例的分离元件34的分离元件可以被添加，然而其未在图中示出。
[0231]图15和图5a不出气体流分割兀件的第七实施例。第二气体分布兀件4根据本实施例被成形为具有波纹的薄板，由此波纹状薄板。这些波纹形成由一系列波峰和波谷组成的结构。波谷之上的开放空间和波峰之下的开放空间形成与电解质51接触时的氧化剂通道20以及与基底层1接触时的冷却流体通道36。波纹状薄板由此形成分隔元件38。分隔元件38包括气体分布结构37，其具有面向阴极-阳极-电解质单元5以形成反应物流体通道20的第一表面39以及面向基底层1的第二表面39a。由此，形成分离流体通道。分离流体通道用于循环冷却流体，特别地冷却空气。最外部通道是旁路通道35。旁路通道35以阴极-阳极-电解质单元5、密封元件31和分离元件32为边界，分离元件32由分隔元件38的波谷的一部分形成。根据本实施例，分离元件32和分离元件38由单一片形成。
[0232]图16和16a示出气体流分割元件的第八实施例，其不同于图15和15a所示的实施例之处在于，分离元件38的分离元件部分32提供对于密封元件31的支撑。附加旁路通道35由形成分离元件部分32的波谷形成。形成反应物流体通道20或分离流体通道37或旁路流体通道35的通道的尺寸可以变化，由此，波纹的形状可以变化，以及由波谷或波峰中任一者形成的独立通道的横截面可以变化。
[0233]根据前述实施例中任一个的气体流分割元件可以包括具有第一层2和第二层3的气体分布元件10。第一层2和第二层3设置有用于流体流的图案，以及第二层3是均匀化元件，其具有孔6，孔6具有长度7和宽度8。长度7大于宽度8，并且宽度8在与流体流9的主方向的垂直方向上延伸，如图2-8所不。基底层1将气体分布兀件10与第二气体分布元件4分隔开。燃料电池和电解装置可以包括根据前述实施例中任一个的气体流分割元件。
[0234]图16B示出固态氧化物燃料电池或固态氧化物电解电池，包括:
[0235]a)多个阴极-阳极-电解质单元5，每个CAE单元5包括
[0236]-用于氧化剂的第一电极51，
[0237]-用于易燃气体的未示出的第二电极53，
[0238]-以及在第一电极51和第二电极53之间的固态电解质52，以及
[0239]b) CAE单元5之间的互连件40，互连件40包括:
[0240]-限定氧化剂流的氧化剂流方向40c的氧化剂入口侧40a和氧化剂出口侧40b,
[0241]-第一气体分布元件10，包括用于易燃气体的内侧的气体分布结构，其中第一气体分布元件10与CAE单元5的第二电极53接触，以及
[0242]-第二气体分布元件4，包括用于氧化剂的通道20，通道20将氧化剂入口侧40a与氧化剂出口侧40b连接，其中，用于氧化剂的通道20与相邻CAE单元5的第一电极51接触，以及
[0243]-用于氧化剂流的至少一个旁路通道35，在氧化剂流方向40a上延伸并且被配置为使得旁路通道35不与第一电极51接触。密封材料200释放污染物201以使得产生包括污染物201的流202。存在几个释放污染物201的部位204。
【权利要求】
1.一种固态氧化物燃料电池或固态氧化物电解电池，包括: a)多个阴极-阳极-电解质单元(5)，每个CAE单元(5)包括 -用于氧化剂的第一电极(51)， -用于易燃气体的第二电极(53), -以及在所述第一电极(51)和所述第二电极(52)之间的固态电解质(52)，以及 b)所述CAE单元(5)之间的互连件(40),所述互连件(40)包括: -限定氧化剂流的氧化剂流方向(40c)的氧化剂入口侧(40a)和氧化剂出口侧(40b)， -第一气体分布元件(10)，包括用于所述易燃气体的气体分布结构(11)，其中所述第一气体分布元件(10)与所述CAE单元(5)的第二电极(53)接触，以及 -第二气体分布元件(4)，包括用于所述氧化剂的通道(20)，所述通道(20)将所述氧化剂入口侧(40a)与所述氧化剂出口侧(40b)连接，其中，用于所述氧化剂的通道(20)与相邻CAE单元(5)的第一电极(51)接触，以及 -用于所述氧化剂流的至少一个旁路通道(35)，在氧化剂流方向(40a)上延伸并且被配置为使得所述旁路通道(35)不与所述第一电极(51)接触。
2.根据权利要求1所述的固态氧化物燃料电池，其中，所述第二气体分布元件(4)包括形成所述旁路通道(35)的分离元件(32)，用于将所述氧化剂流分割成接触所述第一电极(51)的氧化剂流的第一部分和不接触所述第一电极(51)的氧化剂流的第二部分。
3.根据前述权利要求中任一项所述的固态氧化物燃料电池，包括横向密封件(31)，其配置在所述CAE单元(5)的两侧并在所述氧化剂流方向(40c)上延伸，其中所述旁路通道(35)沿着所述横向密封件(31)延伸。
4.根据权利要求3所述的固态氧化物燃料电池，其中，所述横向密封件(31)是所述旁路通道(35)的外侧壁。
5.根据权利要求3或4所述的固态氧化物燃料电池，其中，附加旁路通道(35a)在所述横向密封件(31)内延伸。
6.根据权利要求3或4所述的固态氧化物燃料电池，其中，所述附加旁路通道(35a)在所述横向密封件(31)与相邻第一气体分布元件(10)的至少一个之间的界面处延伸。
7.根据权利要求3或4所述的固态氧化物燃料电池，其中，不流体接触所述第一电极(51)的附加旁路通道(35a)在所述氧化剂流方向(40c)上延伸，并且通过所述第二气体分布元件(4)与所述横向密封件(31)和/或相邻第一气体分布元件(10)中之一的任意组合来限定。
8.根据权利要求3-7所述的固态氧化物燃料电池，其中，所述附加旁路通道(35g)沿着所述横向密封件(31)但在所述横向密封件(31)外侧延伸。
9.根据权利要求6所述的固态氧化物燃料电池，其中，所述旁路通道(35)和所述附加旁路通道(35，35g)中至少之一以流体传导方式连接。
10.根据前述权利要求中任一项所述的固态氧化物燃料电池，所述固态氧化物燃料电池包括集流部密封件，并且所述旁路通道(35，35a，35g)中至少之一以以下方式配置在所述集流部密封件的下游:从密封材料释放的污染物进入所述旁路通道(35，35a，35g)中至少之一。
11.根据前述权利要求中任一项所述的固态氧化物燃料电池，其中，所述第二气体分布元件(4)包括与所述第一气体分布元件(10)接触的通道(20b)，以使得从所述氧化剂入口侧(40a)流动至所述氧化剂出口侧(40b)的氧化剂被分离出第三部分，所述第三部分流动通过通管道(20b)而不接触所述CAE单元(5)的第一电极(51)。
12.根据前述权利要求中任一项所述的固态氧化物燃料电池，其中，所述第二气体分布元件(4)是波纹状金属薄板。
13.根据前述权利要求中任一项所述的固态氧化物燃料电池，其中，所述分离元件(32，34，38)具有使得所述气体分布结构(35)被配置为旁路流体通道的分离壁元件(32)或使得所述气体分布结构(33，36，37)被配置为分离流体通道的分隔元件(34，38)。
14.根据前述权利要求中任一项所述的固态氧化物燃料电池，其中，所述分离元件(32，34，38)被配置为附接有用于分布冷却流体的气体分布结构(34，37)的分隔元件(34，38)或者集成或附接有用于分布冷却流体的气体分布结构(36)的基底层中之一。
15.根据前述权利要求中任一项所述的固态氧化物燃料电池，其中，所述分离元件(32，34，38)是至少分段连续的薄板元件或包含用于流的部分混合的开口的薄板元件中的至少之一。
16.根据前述权利要求中任一项所述的固态氧化物燃料电池，其中，设置密封元件(31)以用于相对于环境密封用于所述第二气体分布元件(4)的流体流的图案。
17.根据权利要求16所述的固态氧化物燃料电池，其中，形成分割流体通道(35)的气体分布结构被配置在所述密封元件(31)内或邻近所述密封元件(31)或在所述密封元件(31)和用于反应物流体的第二部分的分离元件(32，34，38)之间。
18.根据权利要求17所述的固态氧化物燃料电池，其中，所述密封元件(31)是配置在所述第二气体分布元件(4)的周围处的横向密封元件。
19.根据权利要求14-18中任一项所述的固态氧化物燃料电池，其中，所述基底层(I)设置在所述第二气体分布元件(4)的与所述阴极-阳极-电解质单元(5)相对的侧面上。
20.根据权利要求19所述的固态氧化物燃料电池，其中，所述基底层(I)包含形成冷却流体通道的气体分布结构(36)。
21.根据前述权利要求中任一项所述的固态氧化物燃料电池，其中，所述分离元件(32，38)形成为波纹状薄板。
22.根据权利要求21所述的固态氧化物燃料电池，其中，所述波纹状薄板提供用于所述密封元件(31)的支撑。
23.根据权利要求21或22所述的固态氧化物燃料电池，其中，所述分离元件(38)包括气体分布结构(37)，所述气体分布结构(37)具有面向所述阴极-阳极-电解质单元(5)以形成所述反应物流体通道(20)的第一表面(39)以及面向所述基底层(I)以形成所述分离流体通道的第二表面(40)。
【文档编号】H01M8/24GK104396069SQ201380030623
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2013年6月11日 优先权日:2012年6月11日
【发明者】Z·维勒明 申请人:Ht切拉米克斯有限公司