专利名称:电化学电池装置的制作方法
本发明涉及一种电化学电池装置。高温固体电解质燃料电池，用一种薄层固体电解质(约40μm)，主要是稳定的氧化锆，在800℃或800℃以上温度把未提炼的燃料如一氧化碳-氢混合物的化学能转换成直流电能。为了使固体电解质充分导电，使欧姆损失降至最小，这样的高温是需要的。
燃料电池单体产生0.5到1.0伏之间的电压，把许多这样的电池互相以“串”和“并”连接，以获得希望的输出电压和电流。另外，为了不损坏电极，燃料电池组的正常工作需要在电池内把反应物隔开。另外，必须把进来的氧化剂予先加热到接近工作的温度。
在美国书№4，395，468，中所描述的燃料电池装置，给出了一个满足上面要求的结构。用美国未决专利申请№323461中公开的电池互连的方法，把一些燃料电池单体遂个以“串”和“並”进行电连接，以降低欧姆损失並得到所需要的输出电压和电流。保持燃料电池的反应物分开不是用密封电极室的方法，而是通过在这种电极室中的受控压力差来实现的，让用过的氧化剂和燃料在燃烧室化合，把它用作予热伸到管形电池去的空气输送管内进来的氧化剂。
在美国书№43954681的设计中存在某些缺点。在电池堆外围的一些单体电池是与隔离壁或者与外壳接触的。按照接触的紧密程度，没有经过电化学氧化的燃料会沿着电池漏泄到壁的接触区。必须考虑准确的公差，仔细估算尺寸和适当的隔离支撑来限制沿着表面的燃料漏泄，使之达到最小的程度。
在先有技术中所公开的其它单体燃料电池装置，都不是环形类的电池装置。美国书3717506，4175165和4248941，都属于固体电解质燃料电池，其中含有许多堆成平面的燃料电池单体。这些设计是用连接的平板电池而不是用环形电池来形成电池阵。
因此，本发明属于一种高温，固体氧化物电化学电池结构，包含许多环形电池单体，每个电池单体具有内和外环形电极，内外电极之间为电解质，其特征在于把所述电池排列成一个网络，该网络包括若干个电池平面，在各个平面上彼此相邻的电池都是平行排列的，把所述电池平面安置在彼此相邻的一些平面的表面，彼此相邻的平面的电池都是互相垂直的;位于共同平面里的电池，通过连接电池的外电极的导电互连，把所述互相平行的相邻电池遂个进行並联，电池互相垂直的相邻平面通过一个电池的外电极和所述电解质的不连续处进行电连接而串联起来，即把所述内电极的选择角扇片(angular Segment)连接到另一个正交电池的外电极的一个选择轴向扇片(axial Segment)上。
本发明还包括这样一种高温，固体氧化物电化学电池结构，其中包括许多环形电池，每个电池具有内和外环形电极，内、外电极之间为电解质。其特征在于把所述电池排列成一个网络，该网络包括若干个电池平面，在各个平面上彼此相邻的电池都是平行排列的，把所述电池平面安装在彼此相邻的一些平面的表面，彼此相邻平面的电池都是互相垂直的，位于共同平面里的电池通过一个电池的外电极和所述电解质的不连续处进行串联，即把所述内电极的选择角扇片连到另一个电池的外电极上，以此把平面上的电池遂个串联起来;而电池互相垂直的电池平面，通过它们之间的导电互连进行並联，即把所述电池的外电极连接到另一个正交电池的外电极的一个选择轴扇片上。
于是，环形燃料电池堆通过把环形燃料电池单体，安排成彼此成直角的十字交叉电池网克服了上述障碍。在一个水平平面里的单体电池设置成彼此平行。然后把这些平面以交替的直角位置垂直地放置。输送管从电池的开口端伸出，经由电池穿过作为空气预热燃烧室的第一室。然后进入接受空气的进气增压室(plenum)。管形燃料电池的封闭端外面，形成了第二室，把燃料气体供给该室。这个结构保留了美国书№4895468，的非密封设计概念，它运用了等速和受控的反应物流，以防止在进入空气预热燃烧室之前反应物的相互作用。
在工作期间，氧化剂即空气(氧)从电池的内部电极上经过之同时，燃烧从燃料电池的外部电极通过，两种反应物经过电化学消耗，把化学能转变为电能。在经过消耗的气体中剩下的燃料和氧化剂在预热燃烧的第一室化合，通过燃烧进行反应，从而加热了在输送管中进来的空气。
在一种新的管形燃料电池堆排列中把燃料电池排列为正方形，在正方形的每一面垂直安置空气输送管。在燃料电池堆的周围是作为空气预热器的第一室和一个接受空气的进气增压室。在方形排列的角落附近的燃料电池延伸到大约方形边长度之半，而在方形中心附近的燃料电池稍微短些，从而在燃料电池堆的中间形成了一个中心通路。这个中心通路形成了第二室，把燃料气体输送到该室中。
为了控制燃料气体对燃料电池的穿透率可以把电池选得更短些，以形成一个通路，或者把一个预定孔隙率的钝态管置于短电池所留下的通路中。
可以把这类电池堆做成具有支撑柱的积木型式。这些支撑柱安置在第一室、进气增压室的角落和第二室内部;支撑梁以一个预定的高度跨在选择的支撑柱之间;还有供给在中间进行电的和气体连接的装置。
为了能更清楚地了解本发明，现在将以一些适宜的实施方案为例，通过参考附图来进行描述。
图1是先有技术中的一个燃料电池装置的横截面示意图，图2是一个电化学电池结构的截面平面图;
图3是一些单个管形燃料电池的截面图，表示各个电池的串联和並联。
美国书№，4395468的燃料电池堆表示了沿着管轴所做的从电池到电池的电连接。在一个电池单串中，一旦一个电池不能工作，整串的电源将失效，除非有较多的电池同时並联。这种电池堆的另一个可能的缺点是为了可靠的电连接要求燃料电池单体排成笔直，并具有准确的公差，并且机械紧密性是由沿着管串的电连接带键的机械强度来决定的。如图1所述，故障可能发生在并联方向9;串联方向10或穿过管梱的对角线方向11。
参考图2，示出了一种电化学电池结构，比如一种燃料电池，把多个高温的固体电化学环形电池12和13排列成平面网络，在这个网络中，彼此相邻的电池是平行排列的，形成一个平面。把多层这种平面叠起来成为一个平面堆。每个平面都对着相邻平面的电池方向转动90。
参考图3，固体电解质燃料电池有一个外环形电极14和一个内环形电极16，在二者之间是固体电解质18。一个稳定的氧化锆的多孔陶瓷支撑管20装在电池内，邻接内电极，此管基本上等于电池的长度。
再来参考图2，每个环形电池具有一个开口端22。每个电池的另一端24是封闭的。电池的开口端有一个输送管26，把一种反应剂气体供到支撑管内。
把两种气体供给燃料电池，第一种气体和第二种气体。一种气体是燃料气体，比如氢或一氧化碳;另一种气体是含氧的气体，比如空气。含氧气体在电池上反应之前，必须把它加热到接近工作温度(约800℃)经过输送管26和支撑管20，使第一种气体通向电池的内电极，沿着从电池的封闭端到其开口端的方向把第二种气体送向电池的外电极14，即电池外壁。多孔支撑管20用作为第一种气体流过的通道。空气通过输输送管26进入，在每个电池的封闭端反转，在电池开口端22排出，此时已耗尽了氧气。
在第一种和第二种气体彼此並行时，它们分别穿过外和内电极，进行电化学反应，产生电流和热。常用的第一种气体是含氧气体，而第二种气体是燃料气体。
这种装置消除了未用燃料沿电池堆边界和在电池之间的漏泄。十字连接电池管之间的摩擦，在保持电池堆网络交叉点上电接触的同时改善了单体电池间的机械内聚性。
为了有效地利用每一电池产生的约在0.5～1.0伏间的直流电流，在该最佳实施方案中，把各个单体电池在一个电池平面中並联，而把电池平面串联起来，如图3所示。
通过金属纤维毡带27这样的接触装置进行电连接，来连接电池电极。如美国未决专利申请№，323641所描述的，从一个平面里电池的外电极到下一个平面的电池内电极的串联，是把下一个平面的电池外部的导电互连片28，通到电池的外电极和电解质中一个选择角扇片的不连续处来完成的。从一个电池的外部电极到另一个电池的互连片28也是通过金属纤维毡带27来完成的。
对电池内部供给空气的输送管，从电池的封闭端延伸，穿过第一室29，进入到一个接受空气的装置(比如一个进气增压室30)。把空气送入进气增压室30，从此通过输送管26进入电池12和13。在第一室29，已消耗到10%至15%的燃料和消耗到15%氧的氧化剂混合並进行化学燃烧，使反应趋向完成。这种燃料使从输送管26进来的空气，在进到电池12和13之前得到预热。然后燃烧产物通过第一室的排气装置32排出。
第二室34位于电池的封闭端附近，並具有一个接受燃料气体的入口(未示出)。把供给第二室的燃料直接引向电池12和13的外电极，在这里消耗了一部分然后流入第一室29，而第一室29，剩下的燃烧与剩下空气的氧进行反应，然后排出去。
该最佳实施方案具有电池开口端22和沿着电池装置的径向周边向外延伸的输送管26，电池平面最好是方阵，输送管沿法线向方阵的四边延伸，第一室29沿着电池结构的径向周边包围了该电池结构。
在这个最佳实施方案中，第二室34位于该燃料电池结构的内部，第二室最好在有两种长度的单体电池间形成。第一种电池12的长度大约为方阵结构边长的一半，而第二种电池13比第一长度短的量，为所要求的第二室边长的一半。
把第一种长度的电池12置于方阵装置的角落附近，而把第二种长度电池13置于边缘的中心附近，从而形成了一个穿过结构中间的第二室。输送管26所取的尺寸使之通过不同尺寸的电池时达到近于相同的压力降。
用上述方法把电池堆起到一个预定的高度以形成一个模块。模块结构是由支撑装置确立的，比如，由氧化铝做成的垂直支撑部件36，安置在第一室29或进气增压室30里的模块角落上，以及在第二室34里。並通过氧化铝的支撑模梁38以一个预定的高度跨接在选择的柱36上。利用通常的电和机械的连接装置在所要求的模块之间进行电接触，在各个模块的第一和第二室之间进行气体连接。电源对电池的连接是以平面的方式，在这里，可能是连接一个电池平面的单一连接板，或者是连接一个电池设备的连接板组，它代表电池堆的正端，另一个，负电连接端也是以同样的方式由电池堆的相对电池平面来做的。本发明者在美国书№4431715中给出了电池的电连接装置。通过把把一个模块里最后的电池平面的金属集电极连接到下一个模块里第一个电池平面的金属集电极来进行模块间的电连接。
从堆成模块的顶或底把燃料气体供给第二室。可以从堆成模块的各个方位供给空气。
从内到外穿过电池网的燃料气体有一个减低的流速。由于在电极上较长的存在时间，从而促进了堆周边的低流密度区的燃料消耗，而富燃料气体都以更快的速度通过近于中心的高流密度区。
燃料的消耗可能是不均匀的，特别是沿着燃料电池堆的对角线。然而，由于电池电压是不变的，所以电流将以这样的方式改变，即是沿着电池堆的对角线到堆的角落，燃料的消耗将趋向于均匀。
可以通过电池堆的修改来促进整个电池模块的燃料消耗的一致和电输出密度的一致。所选择的电池比如电池40，比多数更自由更深的燃料穿透电池都短一个确定的量。由于缩短电池产生空白的结果，燃料的弥散和流入燃料电池堆的量，可以通过把一个预定孔隙率的同样尺寸的管(比如管子42)插入空白空间来进一步控制。
权利要求
1.一种高温的固体氧化物电化学电池结构，包括许多环形单体电池，每一电池具有内和外环形电极，内外电极之间为电解质，其特征在于把所述的电池排列成网络，该网络包括若干个电池平面，在各个电池平面上彼此相邻的电池都是平行的，把所述的电池平面安置在彼此相邻的一些平面的表面，彼此相邻的平面上的电池都是互相垂直的；位于共同平面里的电池通过连接电池外部电极的导电接片逐个进行並联，其电池互相垂直的相邻平面通过一个电池的外电极和所述电解质的不连续处进行电连接而串联起来，即把所述内电极的选择角扇片连接到另一个正交电池的外电池的一个选择轴向扇片上。
2.一种高温的固体氧化物电化学电池结构，包括许多环形单体电池，每一个电池具有内和外环形电极，内外电极之间为电解质，其特征在于把所述的电池排列成网络。该网络包括若干个电池平面，在各个电池平面上彼此相邻的电池都是互相平行的。把所述的电池平面安置在彼此相邻的一些平面的表面，彼此相邻的平面上的电池一般来说是互相垂直的;位于公同平面里的电池通过一个电池的外电极和所述电解质的不连续处进行串联即把所述内电极的选择角扇片连接到另一个电池的外部电极上。据此把平面上的电池遂个串连起来;而电池互相垂直的电池平面，通过它们之间的导电互连进行並联，把所述电池的外部电极连接到另一个正交电池的外部电极的一个选择轴扇片上。
3.根据权利要求
1的电化学电池结构。其特征在于输送管通过电池的一端延伸到电池之内，而电池的另一端是封闭的，第一室位于输送管周围。第二室位于所述电池的封闭端附近，所述的第一室具有一个用于接受第一种气体的装置，一部分第一种气体通过输送管送到内电极，第一种气体的剩余部分通过输送管直接送到第一室的排气装置。第二室有一个入口，用于接受第二种气体，把这种气体送过外电极並进入第一室，与第一种气体混合並反应，然后通过第一室排气装置排出。
4.根据权利要求
3的电化学电池结构，其特征在于所述电池结构带有一些输送管，从电池的开口端向电池结构外面伸展，第一室沿着径向周边包围电池结构;第二室位于由所述电池的封闭端所框定的电池装置的内部。
5.根据权利4的电化学电池结构，其特征在于，把电池排列成方阵结构，含有相等数目的电池，输送管是从方阵四面的每一面垂直延伸，所述的电池有两种长度第一种长度近似等于所述方阵结构边长的一半，第一种长度的电池位于所述方阵结构的角落附近;第二种长度比所述第一种长度短一个预定的量，所述的预定量等于方形的第二室边长之半，第二种长度的电池位于方阵结构的边的中心附近，占据的是第一种长度电池之间的位置。
6.根据权利要求
4的电化学电池结构，在该结构中，把电池堆到一个预定的高度，形成了一个模块，在模块中包括置在第一室或者进气气增压室以及第二室中的支撑柱装置;以预定的高度跨接支撑柱装置上的梁;在模块之间建立电连接的装置;在毗连着的模块的各个第一室和各各个第二室之间形成连接的装置。
7.根据权利要求
3、4，5或6的电化学电池结构，其特征在于，所选择的电池为一个预定较短的长度，以允许所述第二种气体通入电池结构可穿透得更深。
8.根据权利要求
7的电化学电池结构，其特征在于，一个预定孔隙率的管子占据了由所迭短电池腾出来的空白空间。
9.根据权利要求
1或2的电化学电池结构，其特征在于，把一些环形支撑管置在内部电极的内侧。
专利摘要
一种燃料电池装置，在该装置中，把固体氧化物电解质的圆柱电池排成平面阵，一个电池平面内的电池是平行排列的。以相邻的电池平面的电池互相垂直的方式把电池平面堆起来。由穿过预热室的输送管把空气供到电池的内部。通过在电池堆中心的通道把燃料供到燃料电池，然后穿过电池的内部，在预热室与已消耗了部分氧的空气化合。
文档编号H01M8/12GK85105685SQ85105685
公开日1986年10月8日 申请日期1985年7月26日
发明者阿诺尔德·奥托·伊森伯格 申请人:西屋电气公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan