电力传输系统的制作方法

本发明涉及一种如权利要求1所述的电力传输系统。

背景技术：

该电力传输系统用于由电化学模块构成的堆叠的电接触，电化学模块为例如高温燃料电池或固体氧化物燃料电池(sofc)、固体氧化物电解电池(soec)或可逆固体氧化物燃料电池(r-sofc)。电化学模块与适当的部件(互连件、壳体部件、气体导管等)结合布置在彼此上方以形成堆叠且串联电接触。电化学模块通常配置为平坦的单独元件，并且包括布置在可透气阳极和可透气阴极之间的气密固体电解质。

在电化学模块作为sofc的操作中，将燃料(例如氢气或常规碳氢化合物，例如甲烷、天然气、生物气等，可选地完全地或部分地预重整)供应到阳极并在那里催化地氧化，同时释放电子。将电子导出燃料电池并经由电负载流到阴极。在阴极，通过吸收电子还原已经引入的氧化剂(例如纯氧气，但通常为空气)。电路由在阴极形成的氧离子(质子)流经电解质至阳极并在对应界面处与燃料反应而闭合，该电解质可传导氧离子(或者在最近一代sofc的情况下，可传导质子)。

在电化学模块作为固体氧化物电解电池(soec)的操作中，使用电力引发氧化还原反应，例如将水转化为氢气和氧气。soec的结构基本上对应于上述sofc的结构，其中阴极和阳极的作用互换。可逆固体氧化物燃料电池(r-sofc)可以作为soec和sofc两者操作。

本发明涉及这种堆叠布置的电接触。尽管经由所谓的互连件实现堆叠内的电化学模块之间的电连接，但是在设备中的堆叠的端面处设置导电电力传输板(基板和盖板)，用于电力从一个堆叠到相邻堆叠或外部电力线上的进一步传输。这些使得能够从堆叠中分接电力或向堆叠供应电力，并且另外机械地增强堆叠。这些堆叠侧电力传输板通常粉末冶金地制造，并因此难以经受机械后加工并且难以电接触。已知，为了实现这种电接触，电力出口接片或板可以例如借助于导电玻璃(de4307666c1)焊接或钎焊到基板或盖板上，或者可以通过施加导电陶瓷涂层来建立电连接。在de102004008060a1中，经由绞合电缆实现电力连接，将该绞合电缆的绞合线冲压到堆叠的基板或盖板上的孔中。由于电化学模块在高达1000℃的操作温度下操作，因此堆叠的电接触是有挑战性的，并且电接触装置因此在氧化气氛(通常为环境空气)中经受对应的高温。此外，在相对低的电压下，相对高的电流流动(单个sofc提供1v数量级的电压以及出现高达500ma/cm²的电流密度，通常使用具有面积为100cm²数量级或更大的电化学活性层的sofc)。因为由于电化学模块领域的进一步发展，比刚才描述的那些显著更高的电流密度是期待的，所以电接触的问题在将来将变得更加重要。

技术实现要素：

本发明的目的是进一步开发一种用于由电化学模块构成的堆叠的电力传输系统，其可以廉价地实施并可靠地允许在堆叠的高达1000℃的高操作温度下堆叠的几乎无损耗的电接触。电力传输系统应当允许堆叠与相邻堆叠的直接电接触以及堆叠与设备中的外部电力线的电接触。

该目的由具有权利要求1的特征的电力传输系统来解决。本发明的有利实施方式显示在从属权利要求中。

本发明的电力传输系统用于使堆叠与电力线，特别是电缆状电力线，例如与外部电力电缆电接触，或者用于使堆叠与相邻堆叠直接电接触。在此，待接触的堆叠在每种情况下呈由至少一个平面电化学模块构成的堆叠的形式，特别是固体氧化物燃料电池(sofc)、固体氧化物电解电池(soec)或可逆固体氧化物燃料电池(r-sofc)。这种堆叠通常由多个电化学模块组成。在每种情况下，堆叠在其端面处由堆叠侧电力传输板封闭，堆叠侧电力传输板也描述或称为基板或盖板，并且除了其电功能之外，通常还引起堆叠的通常许多的单独电化学模块的机械结合。在堆叠与电力线接触的情况下，电力线的端部与线路侧电力传输板电连接。电力传输板是导电的，并且特别是金属的。尽管堆叠侧电力传输板通常粉末冶金地制造，但是线路侧电力传输板可以熔融冶金地制造，例如由耐高温的钢制成。与直接接触粉末冶金地制造的堆叠侧电力传输板相比，电缆状电力线可以明显更容易地且更可靠地与熔融冶金地制造的电力传输板连接，例如借助于焊接连接。

该电力传输系统包括至少一个多孔金属主体，如果两个堆叠彼此直接接触，则该多孔金属主体布置在待接触的第一堆叠的堆叠侧电力传输板和待接触的相邻第二堆叠的堆叠侧电力传输板之间，或者如果接触电力线，则该多孔金属主体布置在待接触的堆叠的堆叠侧电力传输板和待接触的电力线的线路侧电力传输板之间。多孔金属主体电连接到相应的电力传输板，并且由封闭的周向密封件以气密方式密封，特别是相对于例如环境空气的氧化环境密封。多孔金属主体因此用于在待接触的电力传输板之间传送电力。多孔金属主体优选地配置成与待接触的电力传输板分离的部件。特别地，它是具有与电力传输板匹配的表面的片状。因为在从堆叠到堆叠或从堆叠到电力线的给定电流下出现的电流密度较小，所以片状接触是有利的。为了本公开的目的，多孔金属主体不必一定是多孔的、粉末冶金地制造的金属主体。术语多孔性在这里应当概括地解释，并且包括不是由固体材料构成的任何主体，并且其结构因此具有一些空隙或中空空间。多孔金属主体可以例如具有网状、非织造或海绵状结构。特别地，多孔主体可以是由金属网、网纱、织造织物、成环针织物、拉圈针织物、非织造物、海绵等制成的插入物。

作为替代，多孔金属主体可以是粉末冶金地制造的部件。尽管在粉末冶金地制造的主体中的空隙例如孔隙，但多孔主体的结构具有在待接触的电力传输板之间的至少一个导电路径；非常大量的导电路径显然是有利的。因此，在粉末冶金地制造的主体的情况下，主体的结构在其导电性方面是渗透的。

与由实心材料制成的主体相比，多孔性提供了额外的空间，当温度升高时材料可以在该空间中膨胀，使得由于不同的热膨胀系数而产生的热应力可以在电力传输系统中消散，并且气密性不会受到热致应力的危害，借助于该气密性保护多孔主体免受其氧化环境的影响。

多孔主体相对于氧化环境(例如环境空气)的气密密封是由环绕并包围多孔金属主体的密封件产生的。该密封件优选在待接触的电力传输板之间延伸，并且在每种情况下形成与待接触的电力传输板的材料对材料的结合，由此同时建立待接触的电力传输板之间的机械连接。用于密封件的合适材料尤其是玻璃焊料、云母或高温黏合剂，其足够耐热并且在高达计划的操作温度时保持其粘合性能。密封材料，例如玻璃焊料，可以以粘性形式借助于分配器施加到其中一个待接触的电力传输板的表面上，或者施加到待接触的电力传输板的两个表面上。在部分或完全结晶的玻璃焊料的情况下，密封材料在待接触的电力传输板的两个表面之间的结合过程之后硬化。因此，除了与环境气密地分离之外，还实现了两个电力传输板的机械连接。密封件也可以以固体形式(例如作为由玻璃焊料片组成的冲压周向框架)放置在待接触的电力传输板的表面上，并且随后结合到待接触的第二电力传输板的表面。根据所使用的密封材料，在结合过程期间和/或之后，施加机械负载可以是有利的，其中机械负载由电力传输板施加在密封件上。这种机械负载可以借助于例如气动活塞、重物或堆叠的固有重量来产生或施加。由于密封，用于电力传导元件，即多孔金属主体，的材料选择并不限于昂贵的贵金属或其它特别耐腐蚀或耐氧化的材料，而是也可能使用较不昂贵的材料，这些材料在氧化气氛中(例如环境空气)在高达1000℃的操作温度下，没有保护地在其表面氧化，以形成电绝缘层。作为用于多孔主体的合适金属，可以提及：镍、铜、铬、铁、钼和钨。镍的使用是特别优选的，因为镍在任何情况下都用在堆叠的其它部件中，并且还仅在相对高的分压下氧化，并且氧化镍层不是完全电绝缘的。当然也可以使用基于上述金属之一的合金、基于锌、锡或铅的耐高温合金或其他耐高温钢，例如具有高铬合金含量(≥20重量％的铬)的钢或具有高镍合金含量(≥20重量％的镍)的钢。

所提出的电力传输系统的一个很大的优点是，在电力电缆的材料或线路侧电力传输板和堆叠侧电力传输板的材料之间的热膨胀行为的不可避免的差异可以更容易地由位于其间作为缓冲器的部件来补偿。借助于本发明，如在现有技术中在钎焊或焊接电力出口接片或板的情况下可能发生的裂纹形成等的风险显著降低。

已经发现有利的是，在两个待接触的电力传输板的结合期间和之后，待接触的电力传输板由至少一个间隔件彼此分离，该至少一个间隔件优选地布置在待接触的电力传输板之间。该至少一个间隔件即使在相对高的温度下也应当确保结合的电力传输板的限定的间隔，和特别是平行取向。此外，已经发现有利的是，间隔件不具有完全刚性的行为，而是在垂直于两个电力传输板的平面的方向上展示出一定的弹性。作为间隔件，可以使用陶瓷或金属板、销、毡、非织造物等。间隔件不必一定配置为单独的部件，而是也可配置为两个电力传输板中的一个的整体部分。多孔金属主体、间隔件和密封件的尺寸显然必须彼此匹配。间隔件的高度(在电连接的方向上)通常为mm的数量级。

在有利的实施方式中，尤其是当配置为网状、非织造或海绵状结构时，多孔金属主体是可压缩的，并且在压力下放置或夹紧在待接触的两个电力传输板之间。多孔主体的压缩和施加在多孔金属主体和电力传输板之间的对应力可以在多孔主体的整个接触区域上建立与电力传输板的低欧姆电接触。

密封材料的热膨胀系数应与多孔金属主体的材料的热膨胀系数相匹配，其中两个热膨胀系数优选地相差不超过10×10^-6k^-1，特别优选地相差不超过6×10^-6k^-1。如果不能避免热膨胀系数之间的差异，则有利的是，当温度升高时，多孔金属主体的材料比密封材料膨胀得稍微更大，而不是相反，使得即使在相对高的温度下，电接触也不会由多孔主体的相对小的膨胀中断。密封材料的任何稍微更大的热膨胀可以由上述多孔主体上的机械压力而在一定温度范围内得到补偿。

为了在电连接方向上实现所需的高度，多个多孔金属主体可以在电连接方向上堆叠在彼此上方。堆叠可以松散地实现，或者可以借助于材料对材料的结合，例如借助于点焊实现。作为一个示例，可以提及由金属网、网纱、非织造物、海绵等组成的插入物，它们堆叠在彼此上方并在待接触的电力传输板之间轻微压缩，并且可选地借助于点焊彼此结合。

为了在更大的横截面积上分布电流，在有利的实施方式中，多个多孔金属主体可以沿着电力传输板的主延伸平面在空间上彼此分离地布置于待电接触的两个电力传输板之间。在每种情况下，各个多孔金属主体借助于封闭的周向密封件以气密方式密封，从而形成并联电连接的独立电力传输单元。以这种方式，电流密度减小，并且同时对于各个电力传输单元获得更高欧姆电阻或故障的情况实现冗余。

在有利的实施方式中，具有多孔金属主体的密封内部空间穿过待接触的堆叠侧电力传输板通向相邻电化学模块的燃料气体空间，使得与燃料气体空间的还原气氛的气体交换成为可能。这防止了例如由于制造电力传输系统而残留在密封内部空间中的残余氧气随着时间的推移而氧化多孔金属主体。

为了向电化学模块供应处理气体，例如为了进料燃料气体或排出废气，在堆叠内设置管道。在有利的实施方式中，这些穿过堆叠侧或线路侧电力传输板。为此目的，在堆叠侧电力传输板和/或线路侧电力传输板中集成有通孔。

总之，本发明的电力传输系统提供了一种将设备中的堆叠连接到外部电力电缆的廉价且可靠的解决方案。此外，该电力传输系统使得可以将两个相邻堆叠直接连接到堆叠侧电力传输板。相邻堆叠自然也可以经由连接在其间的电力电缆间接接触，其中电力电缆在每一端处连接到线路侧电力传输板，然后线路侧电力传输板与对应的堆叠侧电力传输板接触。

附图说明

本发明的进一步优点可从以下参考附图的工作示例的描述中得到，其中，为了说明本发明的目的，尺寸比例不总是按真实比例尺示出。在各个附图中，相同的附图标记用于对应的部件。

附图示出：

图1a：根据本发明的第一实施方式的电力传输系统的示意性立体图；

图1b：图1a的电力传输系统的爆炸图；

图1c：图1a的电力传输系统沿线i-ii的示意性横截面图；

图2：根据本发明的第二实施方式的电力传输系统的示意性横截面图；

图3a：根据本发明的第三实施方式的电力传输系统的示意性立体图；

图3b：图3a的电力传输系统的爆炸图；

图3c：图3a的电力传输系统沿线i-ii的示意性横截面图。

具体实施方式

图1至图3分别示出了本发明的电力传输系统的第一、第二和第三实施方式的立体图或对应的横截面图。图1a、图1b、图1c和图2示意性地示出了包括电力传输系统的堆叠，经由该电力传输系统连接电力电缆(电力电缆未示出并且可以经由孔21与线路侧电力传输板15电接触)，而图3a、图3b和图3c示出了其中直接相邻的堆叠直接彼此电连接的电力传输系统。所示的堆叠11、11'分别由电化学模块12(例如sofc)组成，电化学模块堆叠在彼此上方并且串联电连接，并且该堆叠在两个端面的每一处由堆叠侧电力传输板(基板或盖板)13、13'、13”、13”'封闭。堆叠侧电力传输板由粉末批次粉末冶金地制造，该粉末批次由95重量％的元素铬粉末和5重量％的预合金粉末组成，该预合金粉末由铁和0.8重量％的钇组成。

为了与电缆状电力线接触，将电力线(未示出)的端部推入到线路侧电力传输板15的孔21中并且与其电连接。线路侧电力传输板15由耐高温、熔融冶金地制造的钢组成，例如x1crwnbtila22-2(可以商品名22h获得)或x1crtila22(可以22apu获得)，并因此同样是导电的。线路侧电力传输板15经由位于其间的镍网纱、多孔金属主体16，与堆叠侧电力传输板13电连接。为了在金属网纱16的整个接触区域上与电力传输板13、15产生可靠且低欧姆的接触，金属网纱16位于两个待接触以及待轻微地压在一起的电力传输板13、15之间，并且在结合过程中，放置在顶部的线路侧电力传输板15加载有重物。代替单个网纱，也可以将多个网纱堆叠在彼此上方。电力传导元件16不必一定配置成网纱，而是也可以使用由金属网、织造织物、成环针织物、拉圈针织物、非织造物、海绵等组成的插入物或者粉末冶金地制造的多孔部件。金属网16或多个放置在彼此上方的网纱的堆叠通过闭合的周向密封件17以气密方式与周围环境密封。作为密封件17的材料，使用玻璃焊料，该玻璃焊料以粘性形式借助于分配器施加到两个电力传输板中的一个的表面或两个电力传输板的表面。在两个待接触的电力传输板13、15结合之后，玻璃焊料硬化，并且通过材料对材料的结合还在待接触的两个电力传输板13、15之间建立机械连接。所用玻璃焊料的热膨胀系数α(20-950)约为8×10^–6k^–1，因此稍低于镍的热膨胀系数(在20℃：13.4×10^–6k^–1)。由于密封件17，电力传导元件16不必一定由昂贵的贵金属或其它特别耐腐蚀或耐氧化的材料制成，并且可以依靠廉价的材料，例如镍。可选的间隔件18确保了结合的电力传输板13、15的平行取向。已经发现陶瓷或金属板、销、毡等可用作间隔件18。以这种方式实现的电力传输系统节省空间并且还可以非常廉价地实现，因为首先可以使用廉价的材料，并且另外制造仅用几个工作步骤。当然，也可以考虑使用多个并联电连接的电力传输单元来代替一个电力传输单元，以进一步从或向电力传输板传导电力。这为各个电力传输单元获得较高欧姆电阻或故障情况产生了冗余。

与第一实施方式相比，图2所示的实施方式稍作修改：具有网纱16的密封空间借助于穿过堆叠侧电力传输板13的孔20通向相邻电化学模块的燃料气体空间，使得与燃料气体空间的还原气氛的气体交换成为可能。这具有的优点是，在两个电力传输板13、15的结合时残留在密封内部空间中的残余氧气在第一操作的过程期间被转移。

图3a、图3b和图3c示出了其中堆叠11不与电力电缆接触而是直接与直接相邻的堆叠11'接触的电力传输系统。片状多孔金属主体16夹紧在相邻堆叠的两个堆叠侧电力传输板13、13"之间。在图3a中也可以看到堆叠侧电力传输板13中的气体通道开口19，通过这些气体通道开口将处理气体(燃料气体或废气)从一个堆叠11输送到相邻堆叠11'中。这些气体通道开口19同样借助于玻璃焊料与环境密封。相邻堆叠11、11'当然也可以借助于位于其间的电力电缆以类似于工作示例1的方式间接接触。