专利名称：固体氧化物燃料电池组件、使用其的燃料电池系统及其制造方法
技术领域：
本发明涉及固体氧化物燃料电池及其制造方法。更加具体地，本发明涉及固体氧化物燃料电池组件，其具有单元燃料电池组件，所述单元燃料电池组件具有彼此构成整体的电极和气流通道，以及垂直堆叠的多个组件，并因此由于不需要分开的气流通道层和多个集电板而易于制造、经济、易于密封且电流密度高，还涉及使用它的燃料电池系统及其制造方法。
背景技术：
固体氧化物燃料电池(在下文中，“SOFC”)被突出作为使用高效低污染发电方法的第三代燃料电池。固体氧化物燃料电池采用热化学稳定的氧化锆作为电解质，同时燃料和空气电极附着到其上。固体氧化物燃料电池使用诸如氢、甲烷或甲醇之类的燃料气体而没有革新，并且使用空气或氧作为氧化剂。
SOFC使用氧化锆做为电解质，并且使用氧化钇稳定的氧化锆(在下文中，YSZ)以稳定其电解质的晶体结构。这种材料表现出特有地由温度支配的氧离子电导率，并且用于燃料电池的期望电导率在900℃到1000℃的温度下可得到。因此，SOFC典型地在900℃到1000℃的温度下操作，并因此采用陶瓷用于电极材料以承受这样的高温。通常，燃料电池组件全部由陶瓷制成。
然而，YSZ电解质的离子电导率甚至在1000℃的温度下也至多为0.1S/cm。这样，在制造燃料电池中，就应当涂覆无孔高密度薄膜(10μm到30μm)电解质层，以使YSZ导致的内阻最小化。
传统的平面SOFC使用电解质板作为支持物，以分别用空气电极和燃料电极涂覆所述板的前面和后面。在构造平面燃料电池组件中，燃料和气流通道形成在互连中，所述互连在空气和燃料电极之间连接。这样的平面燃料电池组件应当展示足够的机械强度，以确保YSZ充当空气和燃料电极之间的支持物。注意，8-YSZ(具有以8mol％的量添加的氧化钇的氧化锆)机械强度弱。
因此，平面SOFC需要支持物、亦即电解质层较厚。这增加了来自电解质内部的内阻所造成的电压下降，损坏了燃料电池组件的性能。此外，平面SOFC应当在其所有边缘部分中密封，以防止气体在电池的上下部分中混合。
传统来说，玻璃主要用作密封材料。然而，玻璃材料从600℃的温度开始软化，并且随后温升期间的热膨胀在各个燃料电池组件之间施加应变。这增加了气体泄漏的风险，潜在地破坏了燃料电池组件。因此，用于密封的玻璃材料需要改进以在商业上可行。
为了补偿平面燃料电池的不足机械强度，在美国专利号US6207311 B1和US 6248468 B1中提出了圆管状电池类型。
这样的传统圆管状电池在自身堆叠的电流密度方面稍微劣于平面电池结构，但是在强度和气体密封方面显著优越。这种结构具有空气电极、固体电解质、燃料电极和集电层，它们按照其顺序堆叠在由氧化锆氧化物制成的多孔支撑管上，从而形成单元燃料电池。
因此，气体密封材料不需要布置在电极之间，从而免于在平面电池中引发的与陶瓷密封相关联的问题。同样，燃料电池自身具有坚固的陶瓷结构，其具有形成在稳固支持物上的各个单元电池。这样一来，燃料电池就极好地抵抗热膨胀。此外，由于还原气氛中的单元电池之间的接触而能够使用金属互连。
然而，燃料电池组件中的一个单独组件不能提高容量。燃料电池组件彼此串联或并联连接以形成堆。但是，如刚刚描述的那样的具有相互连接的燃料电池组件的圆管状电池，具有延长的电流路径以允许生成的电流沿着薄电极表面流动，从而潜在地提高了整个燃料电池的内阻。
另外，燃料电池组件1堆叠时在圆管状电池内外导致不必要的空间，从而限制了每容积的电流密度。
近来，为了利用平面电池和圆管状电池类型SOFC克服问题，燃料电池组件1以平面电池结构和圆管状电池结构两者为特征，从而解决了平面电池的密封问题。并且，正在开发平面管(flat tube)型结构及其堆叠以增强电流密度，如韩国专利公布申请号10-2005-0021027、美国专利号US 6416897和美国专利号6429051中指出的那样。
但是平面管型结构在堆叠时也使用于电气通道和气流通道的电气互连材料成为必要，以使气体能够流向空气或燃料电极。这增加了堆叠的机械强度，并且扩大了燃料电池组件之间的接触面积以提高电流密度。尽管如此，金属互连特有地在高温下操作时可能由于与陶瓷燃料电池组件在热膨胀上的不同而遭受热应力。此外，对使用互连材料的需要，所述互连材料甚至在高温下的长期操作期间也具有对热与电性能的良好稳定性，增加了价格、还有堆叠的体积和重量。
发明内容
已进行了本发明以解决现有技术的前述问题，因此根据本发明的一定实施例的目标就是要提供易于制造、易于密封并且电流密度高的固体氧化物燃料电池组件、使用它的燃料电池系统及其制造方法。
根据本发明的一定实施例的另一个目标是提供这样的固体氧化物燃料电池组件、使用它的燃料电池系统及其制造方法，所述固体氧化物燃料电池组件排除了对分开的气流通道层或用于电气连接的集电层的需要，并因此结构简单、易于制造、方便而且可大规模生产。
根据本发明的一定实施例的进一步的另一个目标是提供这样的固体氧化物燃料电池组件、使用它的燃料电池系统及其制造方法，所述固体氧化物燃料电池组件显著降低制造成本，并且由于电极的小内阻而显著地增加电流密度，而且能够以大尺寸和大容量制造。
为了实现所述目标，根据本发明的一方面，提供了用于使用燃料气体和空气来发电的固体氧化物燃料电池组件，其包括支持物，其由第一催化材料制成；第一流体流动部分，其具有形成在所述支持物内部的流动通道；第二流体流动部分，其具有多个从所述支持物的外表面突出的柱和形成在所述柱之间的流动通道；电解质层，其涂覆在所述支持物除了所述柱的顶面之外的外表面上；涂覆层，其由第二催化材料制成，并且形成在所述电解质层除了所述柱之外的顶面上；以及集电层，其涂覆在所述柱的顶面上。
为了实现所述目标，根据本发明的另一个方面，提供了用于使用燃料气体和空气来发电的固体氧化物燃料电池系统，其包括中空壳体；多个燃料电池组件，其堆叠在所述壳体里面，所述燃料电池组件中的每一个都包括由第一催化材料制成的支持物、形成在所述支持物内部的第一流体流动部分、形成在所述支持物外部的第二流体流动部分，并且包括电解质层、第二催化材料的涂覆层和形成在所述支持物外表面上的集电层；第一流体供应部分，其具有连接到所述燃料电池组件的室，以将第一流体供应到所述燃料电池组件的所述第一流体部分；第二流体供应部分，其具有连接到所述燃料电池组件的室，以将第二流体供应到所述第二流体部分；其中，所述第一流体是燃料气体和空气中的一种，并且所述第二流体是燃料气体和空气中的另一种。
优选地，为了实现所述目标，根据本发明的又一个方面，提供了用于制造固体氧化物燃料电池组件的方法，其包含以下步骤制备支持物，其由惰性物质或第一催化材料制成，并且在其中具有第一流体流动部分的流动通道；在所述支持物的外表面上形成多个柱，并且在所述柱之间形成第二流体流动部分的流动通道；所述第一催化支持物除了所述柱的顶面之外的外表面上涂覆电解质层；在所述电解质层除了所述柱之外的顶面上形成第二催化材料的涂覆层；以及在所述柱的顶面上涂覆集电层。
在固体氧化物燃料电池组件中，支持物在其中具有多个隔壁以形成多个流动通道，并且在其顶面上具有多个柱，所述组件进一步包含多个支持物，其堆叠以在柱之间形成流动通道。这里，支持物具有延长的矩形横截面。
通过在挤压机中挤压模塑和烧结形成阳极或阴极的催化材料，来容易地制备支持物。
支持物在其上设置有薄涂层，所述薄涂层包括电解质层、由具有与支持物相反的极性的催化材料制成的涂覆层、以及集电层的金属材料。
在固体氧化物燃料电池组件中，多个燃料电池组件堆叠在壳体里面，所述燃料电池组件中的每一个都包括由第一催化材料制成的支持物、形成在所述支持物内部的第一流体流动部分、形成在所述支持物外部的第二流体流动部分，并且包括电解质层、第二催化材料的涂覆层和形成在所述支持物外表面上的集电层。这里，堆叠的燃料电池组件的第一流体部分和第二流体部分布置得彼此交叉，以使气体流动成为可能。
同样，在本发明的固体氧化物燃料电池组件中，具有形成在内部隔壁之间的流动通道的第一流体流动部分充当用于空气或燃料电极的气流通道。与此同时，具有形成在支持物顶面上的柱之间的流动通道的第二流体流动部分，在堆叠燃料电池组件时充当用于相反电极的气流通道。这排除了对分开的气流通道的需要，并且使集电层的薄涂层成为可能，从而容易地制造对热应力较不敏感的燃料电池组件的堆叠。
结合附图，从以下详细描述中将会更加清楚地理解本发明的上述以及其他目标、特征和其他优点，其中图1是显示用于制造根据本发明的固体氧化物燃料电池组件的支持物的透视图；图2是显示具有形成在其顶面上的方柱以制造固体氧化物燃料电池组件的支持物的透视图；图3是显示具有形成在其顶面上的细长柱以制造根据本发明的固体氧化物燃料电池组件的支持物的透视图；图4是显示根据本发明的固体氧化物燃料电池组件的透视图；图5是显示根据本发明的固体氧化物燃料电池组件的截面图；图6是显示根据本发明的固体氧化物燃料电池组件的堆叠的透视图；图7是显示根据本发明的固体氧化物燃料电池的部分打破(partially broken)的透视图；图8是显示根据本发明的固体氧化物燃料电池的操作原理的解释性视图；
图9是显示根据本发明的固体氧化物燃料电池的截面图；图10是显示根据本发明的固体氧化物燃料电池的截面图；以及图11是显示根据本发明的固体氧化物燃料电池的截面图。
具体实施例方式
现在参考附图来详细地描述本发明的优选实施例。
本发明的固体氧化物燃料电池组件1包括由第一催化材料制成的支持物5。如图1和2所示，支持物5属于燃料电池的结构。用形成空气电极(阳极)或燃料电极(阴极)的催化材料来挤压模塑支持物5。
对于催化材料，空气电极(阳极)采用例如LSM(LaSrMnO3)，而燃料电极(阴极)则使用例如Ni/YSZ(金属陶瓷)。这里，YSZ是氧化钇稳定的氧化锆。
用于空气和燃料电极的催化材料是示意性的而不是本发明的限制，并且可以改变。
支持物5在其中具有多个隔壁7，以形成多个流动通道12，从而形成第一流体流动部分10。由空气电极的催化材料制成的支持物5允许空气在第一流体流动部分10的流动通道12中流动，而由燃料电极的催化材料制成的支持物5则允许燃料气体在第一流体流动部分10的流动通道12中流动。
支持物主体5的流动通道12呈蜂巢状，但是能够在它们的形状方面进行修改，只要气体能够在其中均匀地流动。优选地，气流通道12为规则的方形或矩形。同样，气流通道12每个具有0.1mm到10mm、更加优选地1mm到3mm的内径，并且流动通道12之间的隔壁7每个具有0.1mm到5mm、更加优选地1mm到3mm的厚度。
支持物5里面形成的第一流体流动部分10的流动通道12具有规则的方形或矩形横截面，如刚才描述的那样。但是本发明并不限于此。亦即，如果支持物5为长管状，并且具有形成在其中的第一流体流动部分10的气流通道12，则可以在它们的形状方面修改第一流体流动部分10的流动通道12。本发明包括第一流体流动部分10的流动通道12的各种构造。
如图2所示，支持物5包括第二流体流动部分20，其具有从其外表面突出的多个柱24和形成在柱24之间的流动通道22。为了形成用于形成第二流体流动部分20的柱24，如在图2中所示，支持物5顶面上的细长突起26能够被抛光(polish)并适当地去除。
柱24充当电气互连，用于当堆叠多个支持物5时电气连接叠加的燃料电池组件1。同样，柱24构成第二流体流动部分20的流动通道22，以确保燃料供应到柱24之间。
与此同时，支持物5具有密集布置在其顶面中心部分的柱24，在其相对边缘处留下无柱区28。
柱24每个分别具有0.1mm到10mm、优选地1mm到3mm的高度和0.1mm到10mm、优选地1mm到3mm的宽度。柱24以0.1mm到10mm、优选地1mm到5mm的距离相互隔开。
如图2所示，支持物5顶面的相对边缘处的无柱区28位于稍后描述的燃料电池系统100的加热器外面。
支持物5的相对边缘处的无柱区28有利于气体密封和气体供应。如图3所示，可以布置另外的密封材料30a和30b以密封流过第二流体流动部分20的气体的侧面。
当形成并操作单元燃料电池组件1的支持物5时，支持物5的柱24通过在高温炉、亦即加热器中的氧化和还原而电化学地生成电流。
从支持物5突出的柱24可以被构造为具有如图2所示的方形横截面的六面体。然而，柱24可以在形状、尺寸和高度方面改变，只要柱24执行它们的功能。
图3显示的柱24的修改。亦即，代替如图2所示短的柱24，多个柱32在支持物5的顶面上相互平行地延长。细长柱32提供在其流入孔34的一侧处以及其排出孔36的相对侧处。流入孔34和排出孔36通过细长柱32构成细长流动通道38。
细长流动通道38如此形成，以致于从流入孔34到排出孔36的方向垂直于第一流体流动部分10的流动通道12的流动方向。
细长柱32仅仅在形状方面不同于图2中描述的较短的柱24，而功能则等同。现在来更加详细地解释较短的柱24。但是描述的细节适用于细长柱32。
本发明的固体氧化物燃料电池组件包括电解质层40，其涂覆在支持物5除了柱24的顶面之外的外表面上。
如上所述，根据本发明，在完成支持物5之后，构成燃料电池系统100的电解质层40的氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)均匀地涂覆在支持物5的外表面上，如图4和5所示。这里，电解质层40彻底地涂覆在支持物5的外表面上，除了充当电气路径的柱24的顶面之外。
进而，在电解质层40除了柱24之外的顶面上形成由第二催化材料制成的涂覆层50。涂覆层50由具有与支持物5的催化材料相反的极性的催化材料制成。涂覆层50涂覆在电解质层40除了柱24的顶面和一些侧面部分之外的外表面上。
亦即，如果支持物5由空气电极的催化材料制成，则涂覆层50由燃料电极的催化材料制成。同样地，如果支持物5由燃料电极的催化材料制成，则涂覆层50由空气电极的催化材料制成。
此外，根据本发明，集电层60涂覆在柱24的顶面上。集电层60尽可能薄地彻底涂覆在柱24的顶面上，以便不泄漏气体。集电层60是用于涂覆互连的区域，所述互连对堆叠多个燃料电池组件1是必要的。
因此，集电层60用金属微粒涂覆，然后热烧结。随意地，使用金属化合物经由化学气相沉积(CVD)涂覆集电层60。这里，集电层60连接到电解质层40，并且彻底地涂覆以防止气体在电解质层40和集电层60之间泄漏。
用于集电层60的材料是导电的，并且在燃料电池系统100的操作温度下长时间保持热稳定。同样，用于集电层60的材料不是气体可渗透的，从而有利于多个燃料电池组件1的堆叠。
此外，用于集电层60的材料能够改变，而不管其成分只要所述材料确保如刚才所述那样堆叠。
同样，电解质层40、涂覆层50和集电层60每个具有直到1000μm、更加优选地直到200μm的厚度。
电解质层40和集电层60没有如此相互邻接或重叠，以致于不同类型的两种气体、亦即空气和燃料气体没有混合在一起。进而，集电层60和涂覆层50在涂覆时没有相互邻接以电气绝缘。
与此同时，本发明的燃料电池组件1，如图6所示，以具有堆叠垛(stack bundle)以形成燃料电池的堆叠结构为特征。在图6显示的结构中，多个燃料电池组件1水平地平行排列以形成更大尺寸的堆叠。
位于堆叠的燃料电池组件1之间的支撑杆65加固从水平方向垂直堆叠的燃料电池组件1。同样，支撑杆65水平地彼此隔离垂直堆叠的燃料电池组件1，从而充当隔离物以电气绝缘燃料电池组件1。
因此，这样的支撑杆65可以由在高温下没有导电性但具有机械强度的材料制成。支撑杆65可以不同地构造和组成，只要它们执行如刚才所述的功能。
根据本发明的具有堆叠在其中的燃料电池组件1的固体氧化物燃料电池系统100使用燃料气体和空气来发电。
本发明的固体氧化物燃料电池系统100包括中空壳体105。如图7所示，中空壳体105包括第一盖，其包围形成有柱24的堆叠燃料电池组件的中心部分，以从外面遮盖所述中心部分；以及第二和第三盖120a和120b，其在第一盖的两侧包围燃料电池组件1的端部，以从外面遮盖所述端部。
第一盖110具有位于燃料电池组件1的密封材料30a和30b处的两侧。第一盖110在其一侧设置有入口112，以向第二流体流动部分20供应燃料气体或空气，并且在其相对侧设置有出口114。
同样，第二盖120a和第三盖120b被构造为密封结构，用于包围燃料电池组件1的端部。这里，第二和第三盖120a和120b中的一个设置有入口122，以向燃料电池组件1的第一流体流动部分10供应空气或燃料气体，并且第二和第三盖120a和120b中的另一个设置有出口124。
堆叠在壳体里面的燃料电池组件1的每一个都包括由第一催化材料制成的支持物5、形成在支持物5内部的第一流体流动部分10、形成在支持物5外部的第二流体流动部分20，并且包括形成在支持物5的外表面上的电解质层40、涂覆层50和集电层60。
堆叠在壳体105里面的燃料电池组件1包括集电板140a和140b，它们布置在壳体的顶部和下侧表面上，以从燃料电池组件1收集电流。上集电板140a电气连接到燃料电池组件1的最上一个的集电层60。与此同时，下集电板140b电气连接到燃料电池组件1的最下一个的涂覆层50。集电板140a和140b通过线路将直流电提取到外面。
同样，本发明的固体氧化物燃料电池系统100包括第一流体供应部分150，其具有连接到燃料电池组件的室，以向燃料电池组件1的第一流体流动部分10供应第一流体。如图7所示，第一流体供应部分150包括第二和第三盖120a和120b，它们布置在堆叠的燃料电池组件1的两侧。
这样的第一流体供应部分150被构造为如此的密封结构，以致于构成壳体105的部分的第二和第三盖120a和120b包围燃料电池组件1的端部，其中，内部的室通过燃料电池组件1的第一流体流动部分相互连通。
因此，第二和第三盖120a和120b中的一个设置有入口122，以向内部的室供应空气或燃料气体，并且第二和第三盖120a和120b中的另一个设置有出口。如图8所示，如果第二盖120a装备有用于第一流体供应部分150的入口122，则第一流体、亦即空气或燃料气体从第二盖120a的入口通过堆叠的燃料电池组件1的第一流体流动部分10流向第三盖120b的出口124。相反地，如果第三盖120b设置有用于第一流体供应部分150的入口，则第一流体、亦即空气或燃料气体从第三盖120b流向第二盖120a。
这里，在第一流体为空气的情况下，第二流体为燃料气体，反之亦然。
本发明的固体氧化物燃料电池系统100包括第二流体供应部分170，其具有连接到燃料电池组件1的室，用于向燃料电池组件1的第二流体流动部分20供应第二流体。
如图7所示，第二流体供应部分170包括第一盖110，其包围形成柱24的堆叠燃料电池组件1的中心部分，以从外面遮盖所述中心部分。
第二流体供应部分170的第一盖110构成壳体105的部分，并且具有位于燃料电池组件1的密封材料30a和30b处的两侧。第一盖110在其一侧设置有入口112，以向堆叠的燃料电池组件的第二流体流动部分20供应燃料气体或空气，并且在其相对侧设置有出口114。
如刚才所述的第二流体供应部分170被构造为如此的密封结构，以致于第一盖110包围堆叠的燃料电池组件1的柱24，其中，入口112和出口114处的室通过堆叠的燃料电池组件1的第二流体流动部分20相互连通。
因此，如果将燃料气体或空气引导到入口112处的室，则第二流体、亦即燃料气体或空气通过堆叠的燃料电池组件1的第二流体流动部分20流向出口114。
这里，在第二流体为空气的情况下，第一流体为燃料气体，反之亦然。
在这个过程中，第一流体供应部分150的入口122处的室和第二流体供应部分170的入口112处的室充当分配区，用于分别通过第一流体流动部分10和第二流体流动部分20均匀地供应和排出空气或燃料气体。
此外，本发明包括加热器180，用于将燃料电池组件1加热到反应温度。加热器180具有位于壳体105的第一盖110的外围上的热源，并且通过第一盖110将其内部空间加热到1000℃的反应温度。
为了获得如上所述构造的本发明的燃料电池系统100，应当制造本发明的燃料电池组件1。
首先，为了制造根据本发明的燃料电池组件1，制备支持物5，其由第一催化材料制成，并且在其中具有第一流体流动部分10的流动通道12。
结果(to this end)，在细长矩形平面管内部形成多个隔壁7，以形成具有形状为蜂巢状的流动通道12的第一流体部分10。然后，如图1所示，在支持物5的外表面上沿着长度方向平行地形成具有一致宽度和高度的突起26。
使用典型的挤压机，经由挤压模塑或烧结，可以容易地制造这种突起类型的支持物5。
下一步，根据本发明，机械加工支持物5的突起26，以形成多个柱24和所述柱24之间的第二流体流动部分20的流动通道22。
为此目的，沿着长度方向去除突起26两侧末端预定长度，以形成密封材料30a和30b所位于的平面部分或区域28。然后附着密封材料30a和30b以形成气体密封部分。同样，用预定的图案去除支持物5的中心部分中的突起26，以在其间形成第二流体流动部分20。关于流过第一流体流动部分10的第一流体垂直地、亦即以直角引导流过第二流体流动部分20的第二流体。这从根本上抑制了第一和第二流体混合在一起。
随后，在支持物除了柱24的顶面之外的外表面上涂覆电解质层40。在除了柱24的顶面之外的整个外表面上涂覆并烧结电解质层40。
此后，在电解质层40除了柱24之外的顶面上形成第二催化材料的涂覆层50。在这个过程中，在电解质层40除了柱24的顶面和侧面的一些侧面部分之外的外表面上涂覆并烧结与支持物5相反极性的催化材料。
其后，在柱的顶面上涂覆集电层60。为了形成集电层60，在柱24的顶面上尽可能薄和彻底地涂覆金属材料，从而完成多个单元燃料电池组件1。
制造的单元燃料电池组件1以单元堆叠结构为特征，其中组成部分只是垂直堆叠，而没有进一步使用多个集电金属或气流通道12。同样，这样的堆叠结构能够平行地布置，以构造大容量的燃料电池系统100。
如图10和11所示，根据本发明的燃料电池组件1和燃料电池系统100具有通过第一流体供应部分150供应的第一流体和通过第二流体供应部分170供应的第二流体。这里，垂直于第二流体供应第一流体。
通过第一流体供应部分150引导的第一流体是空气和燃料气体中的一种。在第一流体是空气的情况下，支持物5形成空气电极或阳极，并且由具有化学式LSM(LaSrMnO3)的催化材料制成。在第一流体是燃料气体的情况下，支持物5形成燃料电极或阴极，并且由具有化学式Ni/YSZ(金属陶瓷)的催化材料制成。
同样，通过第二流体供应部分170提供的第二流体是空气或燃料气体中的另一种。亦即，在第一流体是空气的情况下，第二流体为燃料气体，反之亦然。在第二流体为燃料气体的情况下，涂覆层50由燃料电极或阴极的催化材料形成，如Ni/YSZ(金属陶瓷)所示范的那样。与此同时，在第二流体为空气的情况下，涂覆层50由空气电极或阳极的催化材料形成，如LSM(LaSrMnO3)所示范的那样。
本发明的固体氧化物燃料电池系统100需要通过加热器180加热到大约1000℃以发电。加热器180布置在第一盖110的外围，并且加热第一盖110的内部。这里，第一盖110充当炉子，并且经历燃料电池系统100的氧化和还原。
加热器180可以使用电阻线圈作为热源。可选择地，加热器可以采用诸如燃烧器之类的直接火焰作为热源，以从外面加热第一盖110。这样的加热方法是描述性的，而不是本发明的限制。
第一盖110处经历的化学反应如下。
在空气流过第一流体流动部分10并且燃料气体流过第二流体流动部分20的情况下，空气中的氧由于支持物5的催化反应而分解成氧离子O2--和电子2e--。这里，氧离子单独选择性地穿过固体氧化物电解质膜和涂覆层50，并且被传送到氢亦即第二流体流动部分20的燃料气体以起反应。第二流体流动部分20排出水汽和一些未反应的燃料气体。与此同时，从氧分解的电子流过上下集电层60，从而生成电流。在第二流体流动部分20中，水汽生成反应附带伴随热。生成的电流为直流电，其可以用于供电直流电动机，或者可以通过换流器转换成交流电。
这样的化学反应允许电流在各个燃料电池组件1中设置的集电层60中流动。在堆叠的燃料电池组件1中，电子沿着垂直堆叠方向移动，好像电池是串联连接的一样。这样一来，就能够从堆叠的燃料电池组件1的上下部分中布置的集电板140a和140b提取直流电。
这里，如图9所示，在空气流过第一流体供应部分150的流动通道12并且燃料气体流过第二流体供应部分170的情况下，支持物5充当空气电极，这样上集电板140a形成阳极端子，并且下集电板140b形成阴极端子。
相反地，在燃料气体流过第一流体供应部分150的流动通道12并且空气流过第二流体供应部分170的情况下，支持物5充当燃料电极，所以上集电板140a形成阴极端子，并且下集电板140b形成阳极端子。
与此同时，在本发明的固体氧化物燃料电池系统100中，如图11所示，当堆叠多个单元燃料电池组件1时，第二流体供应部分170的第二和第三盖120a和120b位于安装加热器180的第一盖110的两个外侧处。第二和第三盖120a和120b能够维持在比第一盖110的反应区中维持的高温更低的温度处。如图10所示，通过密封材料30a和30b执行密封，从而实现比传统平面结构更好的气体密封。
在本发明的固体氧化物燃料电池系统100中，成直角地布置第一流体供应部分150和第二流体供应部分170，以允许气体通过不同的侧面提供，从而完全并有效地阻止气体混合在一起。这里，在第一流体供应部分150充当空气供应端口的情况下，则第二流体供应部分170充当燃料供应端口，反之亦然。
此外，空气或燃料气体不需要根据流动通道或单元燃料电池组件分开地供应。代替地，通过使用组成被构造为简单盒子的壳体105的第一、第二和第三盖110、120a和120b，能够共同(collectively)地向第一和第二流体流动部分10和20供应气体。这确保了固体氧化物燃料电池易于制造，并且允许气体均匀地提供到各个燃料电池组件1，从而使电流生成最大化。
与此同时，根据本发明，第一、第二和第三盖110、120a和120b可以不同地成形，如果第一和第二流体供应部分150和170中布置的第一、第二和第三盖110、120a和120b起到如刚才所述共同地供应空气或燃料气体的作用的话。这里，在第一流体供应部分150充当空气供应端口的情况下，第二流体供应部分170充当燃料供应端口，反之亦然。
如上所述，根据本发明的优选实施例，多个燃料电池组件如此堆叠，以致于第一流体流动部分形成在其内，并且第二流体流动部分形成在其外。这样一来，形成在内部的气流通道就成形为蜂巢，从而在结构上坚固、电流密度高并且与圆管状电池一样有利。
这些燃料电池组件垂直堆叠，并且堆叠能够平行地排列。同样，能够通过壳体在内部配置燃料电池组件。这确保了燃料电池组件易于制造、经济且易于密封。
此外，根据本发明，能够使用堆叠的燃料电池组件的上下部分中布置的集电板提取生成的电流，而不使用分开的用于平稳地供应燃料或空气的气体供应系统或用于电气连接的多个集电结构。这允许整个燃料电池系统结构简化、易于制造且便于使用。
本发明被构造为堆叠的燃料电池组件，其能够大规模生产并且显著降低制造成本，从而实现其具有成本效率的生产。
另外，如此构造本发明，以致于堆叠燃料电池组件，并且彼此邻接地布置大尺寸的集电层和涂覆层。这减少了电极的内阻，显著增加了电流密度。此外，能够在宽度和长度方面扩展支持物，并且能够平行地布置燃料电池组件的堆叠，从而生产大尺寸和大容量的燃料电池系统，而不减少电流密度。
尽管已结合优选实施例显示并描述了本发明，但是对于本领域技术人员显而易见的是，能够进行修改和变化，而不脱离如附加的权利要求所限定的本发明的精神和范围。
权利要求
1.一种用于使用燃料气体和空气来发电的固体氧化物燃料电池组件，其包括支持物，其由第一催化材料制成；第一流体流动部分，其具有形成在所述支持物内部的流动通道；第二流体流动部分，其具有多个从所述支持物的外表面突出的柱和形成在所述柱之间的流动通道；电解质层，其涂覆在除了所述柱的顶面之外的所述支持物的外表面上；涂覆层，其由第二催化材料制成，并且形成在除了所述柱之外的所述电解质层的顶面上；以及集电层，其涂覆在所述柱的顶面上。
2.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池组件，其中，所述支持物由空气电极的催化材料或燃料电极的催化材料制成，其中，由空气电极的催化材料制成的所述支持物允许空气在所述第一流体流动部分的所述流动通道中流动，而且允许燃料气体在所述第二流体流动部分中流动，并且由燃料电极的催化材料制成的所述支持物允许燃料气体在所述第一流体流动部分中流动，而且允许空气在所述第二流体流动部分中流动。
3.根据权利要求2所述的固体氧化物燃料电池组件，其中，所述支持物具有邻近其顶面的相对边缘的密封区域，其中没有形成柱，并且布置密封材料以利于气体密封。
4.根据权利要求2所述的固体氧化物燃料电池组件，其中，所述支持物在其中具有多个隔壁以形成多个所述流动通道，并且在其顶面上具有所述多个柱，所述组件进一步包括多个所述支持物，其堆叠以在所述柱之间形成所述流动通道。
5.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池组件，其中，所述支持物在其上装备有薄膜，所述薄膜包括所述电解质层、由具有与所述支持物相反极性的催化材料制成的所述涂覆层、以及所述集电层的金属材料。
6.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池组件，其中，所述支持物的所述流动通道呈蜂巢状，并且每个具有从0.1mm到10mm变动的内径。
7.根据权利要求6所述的固体氧化物燃料电池组件，其中，所述支持物在所述流动通道之间具有隔壁，其每个具有0.1mm到5mm的厚度。
8.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池组件，其中，所述支持物的顶面上的所述柱具有方形横截面。
9.根据权利要求8所述的固体氧化物燃料电池组件，其中，所述柱以0.1mm到10mm的距离相互间隔，并且每个具有0.1mm到10mm的高度和0.1mm到10mm的宽度。
10.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池组件，其中，所述支持物主体的顶面上的所述柱相互平行地延长，以在其间形成流动通道，其中，所述流动通道中的每一个在一侧设置有流入孔，而且在另一侧设置有排出孔，并且构成所述第二流体流动部分。
11.根据权利要求5所述的固体氧化物燃料电池组件，其中，在除了所述柱的顶面之外的所述支持物的整个表面上充分地涂覆有所述电解质层。
12.根据权利要求5所述的固体氧化物燃料电池组件，其中，所述涂覆层由与用于形成所述支持物的所述催化材料相反极性的催化材料制成，并且涂覆在除了所述柱的顶面和部分侧面之外的所述电解质层的整个外表面上。
13.根据权利要求5所述的固体氧化物燃料电池组件，其中，所述电解质层、所述涂覆层和所述集电层每个都具有等于1000μm的厚度。
14.一种用于使用燃料气体和空气来发电的固体氧化物燃料电池系统，其包括中空壳体；多个燃料电池组件，其堆叠在所述壳体里面，所述燃料电池组件中的每一个都包括由第一催化材料制成的支持物、形成在所述支持物内部的第一流体流动部分、形成在所述支持物外部的第二流体流动部分，并且包括电解质层、第二催化材料的涂覆层和形成在所述支持物的外表面上的集电层；第一流体供应部分，其具有连接到所述燃料电池组件的室，以将第一流体供应到所述燃料电池组件的所述第一流体流动部分；第二流体供应部分，其具有连接到所述燃料电池组件的室，以将第二流体供应到所述第二流体部分；以及加热器，用于将所述燃料电池组件加热到反应温度，其中，所述第一流体是燃料气体和空气中的一种，并且所述第二流体是燃料气体和空气中的另一种。
15.根据权利要求14所述的固体氧化物燃料电池系统，其中，所述堆叠的燃料电池组件的所述第一流体部分和所述第二流体部分布置得彼此交叉，以使气体流动成为可能。
16.根据权利要求14所述的固体氧化物燃料电池系统，进一步包括多个支撑杆，其布置在所述燃料电池组件的垂直堆叠之间，并且其中，所述支撑杆适合于从所述各个堆叠的左右侧固定所述燃料电池组件的所述垂直堆叠，并且充当隔离物，用于水平地彼此隔离所述燃料电池组件的所述垂直堆叠以电气绝缘。
17.根据权利要求16所述的固体氧化物燃料电池系统，其中，所述支撑杆由在高温下没有导电性和具有机械强度的材料制成。
18.根据权利要求16所述的固体氧化物燃料电池系统，进一步包括集电板，其布置在所述壳体的顶部和下侧表面上，以从所述燃料电池组件收集电流，并且其中所述集电板通过线路将直流电提取到外面。
19.根据权利要求18所述的固体氧化物燃料电池系统，其中，上集电板电气连接到所述燃料电池组件的最上一个的所述集电层。
20.根据权利要求18所述的固体氧化物燃料电池系统，其中，下集电板电气连接到所述燃料电池组件的最下一个的所述涂覆层。
21.根据权利要求14所述的固体氧化物燃料电池系统，其中，所述壳体包括第一盖，其包围形成所述柱的所述堆叠燃料电池组件的中心部分，以从外面遮盖所述中心部分；以及第二和第三盖，其在所述第一盖的两侧包围所述燃料电池组件的端部，以从外面遮盖所述端部。
22.根据权利要求21所述的固体氧化物燃料电池系统，其中所述第一盖具有位于所述燃料电池组件的密封材料处的两侧，并且其中所述第一盖在其一侧设置有入口，以向所述第二流体流动部分供应燃料气体或空气，并且在其相对侧设置有出口。
23.根据权利要求21所述的固体氧化物燃料电池系统，其中所述第二和第三盖包括密封结构，用于包围所述燃料电池组件的端部，其中里面的所述室通过所述燃料电池组件的所述第一流体流动部分相互连通，并且其中所述第二和第三盖中的一个设置有入口，以向所述里面的室供应空气或燃料气体，而且所述第二和第三盖中的另一个设置有出口。
24.根据权利要求14所述的固体氧化物燃料电池系统，其中，所述第一流体供应部分的所述入口处的所述室中的任何一个形成分配区，用于通过所述燃料电池组件的所述第一和第二流体流动部分供应并排出空气或燃料气体，并且所述第二流体供应部分的所述出口处的所述室中的另一个形成分配区，用于通过所述燃料电池组件的所述第二流体流动部分供应并排出燃料气体或空气。
25.根据权利要求14所述的固体氧化物燃料电池系统，其中，所述加热器的热源包括电阻线圈或使用直接火焰的燃烧器。
26.一种用于制造固体氧化物燃料电池组件的方法，其包括以下步骤制备支持物，其由第一催化材料制成，并且在其中具有第一流体流动部分的流动通道；在所述支持物的外表面上形成多个柱，并且在所述柱之间形成第二流体流动部分的流动通道；在除了所述柱的顶面之外的所述支持物的外表面上涂覆电解质层；在除了所述柱之外的所述电解质层的顶面上形成第二催化材料的涂覆层；以及在所述柱的顶面上涂覆集电层。
27.根据权利要求26所述的方法，其中，通过在挤压机中挤压模塑和烧结形成阳极或阴极的催化材料，来制备所述支持物。
28.根据权利要求26所述的方法，其中，通过抛光并去除所述支持物的顶面上的细长突起，来形成所述第二流体流动部分的所述柱。
29.根据权利要求26所述的方法，其中，所述集电层用要被热烧结的金属微粒涂覆，或者使用金属化合物经由化学气相沉积涂覆。
30.根据权利要求26所述的方法，其中，在引导通过所述第一流体供应部分的所述第一流体是空气的情况下，所述支持物形成空气电极或阳极，而且由具有化学式LSM(LaSrMnO3)的催化材料制成，而在所述第一流体是燃料气体的情况下，所述支持物形成燃料电极或阴极，并且由具有化学式Ni/YSZ(金属陶瓷)的催化材料制成。
全文摘要
提供了本发明的固体氧化物燃料电池组件、使用它的燃料电池及其制造方法。固体氧化物燃料电池组件易于制造、经济、易于密封并且电流密度高。支持物由第一催化材料制成。第一流体流动部分具有形成在支持物内部的流动通道。第二流体流动部分具有从支持物的外表面突出的多个柱和形成在所述柱之间的流动通道。在除了柱的顶面之外的支持物的外表面上涂覆有电解质层。涂覆层由第二催化材料制成，并且形成在除了柱之外的电解质层的顶面上。并且，在柱的顶面上涂覆有集电层。
文档编号H01M8/10GK1979938SQ20061015313
公开日2007年6月13日 申请日期2006年12月8日 优先权日2005年12月8日
发明者郑钟植, 郭富镐, 成容旭, 金林 申请人:学校法人浦项工科大学校