专利名称：串联燃料电池堆模块组件的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池堆的模块连接，特别涉及通过阴极气体入口和出口串联连接 的电池堆模块，更特别涉及每一个都具有一个入口和一个出口的堆模块共同的阴极气体， 更特别地涉及一种电池堆模块，其中每一个模块都具有为模块中所有的燃料电池使用的入 口和出口公用阴极气体侧歧管，特别是用于固体氧化物燃料电池(SOFC)堆。
背景技术：
燃料电池的电化学反应和功能不是本发明的要素，因此在这里不做详细描述，而 是认为这对本领域技术人员来说是熟知的。为了增加SOFC所产生的电压，几个电池单元组装在一起形成电池堆，并通过内部 连接将其连接在一起。这些电池堆的层通过气密的和保温的密封材料，如玻璃，沿着某些或 者所有的边缘密封在一起。对电池堆的大小，对每个电池的面积以及对组装在一起的电池 的数量都有适当的限制。增加燃料电池堆中电池的数量和每个电池的尺寸会增加电池堆失 败的风险。因此，为了增加SOFC产生的效果，人们知道应该将几个电池堆连接在一起而不 是简单地增加一个单独的电池堆中的电池大小和电池数量。电池堆可以同时在其电的侧和 阳极气体以及阴极气体的侧以串联和并联的方式实现连接。US20060172176A1和US6033794示出了串联连接的燃料电池堆的示例，但是并没 有解释如何实现连接。US6403247描述了共用气体输入腔的燃料电池堆，但是不是那种通过 公共的腔室将一个电池堆或者电池堆组件的出口与另一个的入口连接的串联连接方式。尽管有这些现有的公知的几个燃料电池堆连接问题的解决方案，但是所有这些都 存在一些固有的问题-虽然几个电池堆连接成了单独的模块，然而阴极气体的歧管组件并没有相应地简化。-当几个电池堆或者几个模块串联连接时，需要一个大范围的通道/管道来连接 阴极和阳极气体。-将几个电池堆连接在一起增加功效的同时也增加了供应系统的需求(用来冷却 和预热的热交换器)。-相对高温的燃料电池，如固体氧化物燃料电池堆具有相对长的启动和关闭周期。-包含多个电池堆的SOFC组件具有相对大的功效输出，对于改变功效输出方面具 有低的机动性。
发明内容
本发明的一个目的是通过提供一种使用至少两个或者更多燃料电池堆的新型 SOFC组件解决上述的问题。特别地，本发明的一个目的是提供一种SOFC电池堆组件，包含串联的电池堆模 块，每个模块包含至少一个电池堆，对串联的模块使用一种简化的连接方式，不需要使用大范围的额外的通道和管路。本发明的另一个目的是提供一种SOFC电池堆组件，其降低用于冷却和加热的热 交换器的必要性。本发明还有一个重要的目的是提供一种SOFC电池堆组件，其具有可增加的功效 机动性，允许其快速地增加或者降低能量的输出而不必经过长的启动或者关闭的程序。本发明的另一个目的是提供一种SOFC电池堆组件，其具有位于电池堆模块内的 所有的电池堆所公用的简化的阴极气体侧的歧管系统。本发明的另一个目的是提供一种SOFC电池堆组件，其相对于功效输出来说结构 紧凑的，并且对组件中贯穿电池堆的压力损失的改变来说相对不敏感。本发明的另一个目的是提供一种SOFC电池堆组件，其可根本上为工艺气体或者 流体的剩余的喷射实现简单连接的。这些以及其它的目的通过下文中描述的发明得以实现。本发明是一种在阴极气体侧实现燃料电池堆的串联连接的特别简单的方法。燃料电池堆具有空气侧歧管，也就是通向电池堆中的每个电池的阴极入口和出口 都朝着电池堆侧开口。多个电池堆并排地排列，组装成电池堆模块，其中阴极入口在模块的 一面而阴极出口在模块的另一面。电池组模块通过一种简单的方式串联在一起，即将电池 堆模块一个接着一个的放置，使第一个模块的出口面朝向第二个模块的入口面，等等。在两 个电池堆模块中间的空腔中，通过例如加入冷的骤冷空气或者通过热交换器冷却空气。另外，本发明提供一种部分满负荷操作燃料电池系统的方便的方法。当SOFC电池 组组件在满负荷下运转时，组件中所有的电池堆模块都通过公共的阴极气体侧的歧管向每 个模块提供阴极气体，通过阳极气体入口向每个模块提供阳极气体。但是如果只需要部分 负荷时，只向必要的电池堆模块提供足够体积的阳极气体，用来提供这些电池堆的相当的 电效能的生产。对于那些在部分负荷模式下不需要的电池堆，阳极气体的供应完全关闭或 者调节到足够保护待命状态的电池堆不被损坏的最小的流量。这样带来的重大的好处是因 为产生效能的电池堆和待命的电池堆都提供了热的阴极气体，待命的电池堆可一直加热处 于希望的操作温度。这样当阳极气体重新供应给这些电池堆时，它们就可以迅速地从待命 模式切换到操作模式。这就提供了一种SOFC电池堆组件目前为止从未有过的功效输出的 机动性。本发明提供了一系列的优点，下面将列出其中的一部分1、一种非常简单的机械结构较少的管道和高度紧凑的结构。例如，每个模块具有 四个电池堆的四个电池堆模块提供了包含16个电池堆的单元，该单元具有一个阴极入口 串，一个阴极出口串，一个燃料入口串和一个燃料出口串。而且，需要三个用于骤冷冷却的 冷却串。2、电池堆模块的布置允许部分负载状态的操作而不会引起电池堆变得太冷不能 用于高效操作的问题。3、当许多的电池堆通过气体供应装置并联在一起时，为了使所有的电池堆都在合 适的操作点上运转，则单个电池堆的压力损失必须很精密的匹配。为此需要很高质量的控 制方法并且造成这样的电池堆的生产成本很高。可通过在电池堆模块中装配小数量的电池 堆以及通过将它们在阴极侧串联的方式显著提高不同压力损失的容限。
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4、设备平衡部件，如用于阴极空气预热的高温热交换器，可集成在通过串联电池 堆而形成的管道的末端，进一步增加机械结构的紧凑度并且降低成本。本发明与下文中详细记载的特征相关。1、一种固体氧化物燃料电池堆组件，包括设置在至少两个阴极气体串联连接的 电池堆模块内的多个燃料电池，并且在每个模块内至少包括一个电池堆，其中从第一初级 电池堆模块排放(exhaust)出的阴极气体被输送到邻近的至少一个次级串联连接的电池 堆模块的阴极气体入口，其中每个电池堆模块具有所述模块中所有的电池堆公用的第一阴 极气体入口侧歧管和所述模块中所有的电池堆公用的第二阴极气体出口侧歧管，并且其中 阴极气体从第一初级电池堆模块通过所述的公用侧歧管串联连接到邻近的串联连接的至 少一个次级电池堆模块。2、根据特征1所述的固体氧化物燃料电池堆组件，其中所述的第一初级电池堆模 块的出口侧歧管直接或者通过中间通道连接到邻近的串联连接的至少一个次级电池堆模 块的入口侧歧管。3、根据特征1或2所述的固体氧化物燃料电池堆组件，其中两个串联连接的电池 堆之间的连接包括冷却介质入口或者热交换器。4、根据特征3所述的固体氧化物燃料电池堆组件，其中冷却介质是空气。5、根据上述任意特征所述的固体氧化物燃料电池堆组件，其中组件包括两个串联 连接的电池堆模块，第一初级电池堆模块和一个次级电池堆模块。6、根据上述任意特征所述的固体氧化物燃料电池堆组件，其中组件包括四个串联 连接的电池堆模块，第一初级电池堆模块和三个次级电池堆模块。7、根据上述任意特征所述的固体氧化物燃料电池堆组件，其中每个电池堆模块包 括四个电池堆，其设置为一个正方形，高度为两个电池堆，宽度为两个电池堆。8、运转如特征1-7中任意所述的固体氧化物燃料电池堆组件的方法，包括以下步 骤-提供至少两个阴极气体串联连接的电池堆模块，一个初级电池堆模块和至少一 个次级电池堆模块-至少提供与阳极气体串联的第一电池堆模块-提供与预热的阴极气体串联的第一初级电池堆模块的阴极气体入口-提供至少一个次级电池堆模块的阴极气体入口，其与来自于之前的电池堆模块 的阴极气体出口排出的热的排放阴极气体串联。9、如特征7中适于部分负荷运转组件的方法，其中阳极气体输送到初级电池堆， 所述阳极气体不输送给组件中的次级电池堆模块或者只输送给组件中的某些次级电池堆 模块，并且其中只有那些排放的阴极气体通过热交换器或者通过加入另外的冷的阴极气体 而得到冷却，这些排放的阴极气体是提供到供给了阳极气体的次级电池堆模块的阴极气体 入口的。10、根据前述任意特征所述的方法，其中所述组件包括两个电池堆模块。11、根据前述任意特征所述的方法，其中所述组件包括四个电池堆模块。12、根据特征9中适于在大约25 %、50 %、75 %或100 %负荷下运转的方法，也就是当在25%负荷下运转时，只向串联的第一电池堆模块提供阳极气体，
当在50%负荷下运转时，只向串联的第一和第二电池堆模块提供阳极气体，并且 只有向第二电池堆模块提供的阴极气体是冷却的，当在75%负荷下运转时，只向串联的第一、第二和第三电池堆模块提供阳极气体， 并且只有向第二和第三电池堆模块提供的阴极气体是冷却的，当在100%负荷下运转时，串联的所有电池堆模块都被提供阳极气体，并且向第 二、第三和第四电池堆模块提供的阴极气体是冷却的。
本发明将在下文中结合示出了本发明的实施例的示例的附图进一步的说明。图1示出了根据本发明的实施例的三个阴极气体串联连接的燃料电池堆模块的 示意图。图2示出了根据本发明的实施例的四个阴极气体串联连接的燃料电池堆模块并 且其在四种不同的负荷情况下的示意图。图3为串联燃料电池堆模块组件的示意图。附图标记概述101 第一初级电池堆模块的燃料电池堆。102 第二次级电池堆模块的燃料电池堆。103 第三次级电池堆模块的燃料电池堆。111，211 第一初级燃料电池堆模块。112，212 第二次级燃料电池堆模块。113，213 第三次级燃料电池堆模块。214 第四次级燃料电池堆模块。121，221 第一中间通道。122，222 第二中间通道。223:第三中间通道。131，231 :(第一电池堆模块的)第一公用阴极气体入口侧的歧管。132，232 :(第三/四电池堆模块的)第二公用阴极气体出口侧的歧管。181，281 第一、初级电池堆模块的入口阴极气体。182，282:从第一、初级电池堆模块流向第二、次级电池堆模块的阴极气体流。183，283:从第二、次级电池堆模块流向第三、次级电池堆模块的阴极气体流。284:从第三、次级电池堆模块流向第四、次级电池堆模块的阴极气体流。191，291 在第一和第二电池堆模块之间加入的额外冷阴极气体。192，292 在第二和第三电池堆模块之间计入的额外冷阴极气体。293 在第三和第四模块之间加入的额外冷阴极气体。
具体实施例方式图1示出了一个SOFC燃料电池堆组件的实施例，其中包括三个阴极气体串联连接 的电池堆模块111、112和113。每个电池堆模块包括四个分离的具有一个阴极气体侧歧管 装置的SOFC电池堆101、102、103。四个模块装配成正方形，也就是高为两层电池堆以及宽
7为两层电池堆。在模块中的电池堆之间和每个电池堆与包围模块的模块盒子之间都填充有 密封剂，这些密封剂提供充分的气密连接。与第一初级模块111中所有四个电池堆公用的 单独的侧歧管131实现阴极气体的供应181，即第一模块中所有四个电池堆的公用气体供 应。这里使用初级的意思是指串联的模块中接收“新鲜的”预热过的阴极气体的第一个模 块，而不是首先通过该电池堆模块运转。所有的燃料电池都通过一个为每个电池堆模块配置的分离的阳极气体供应装置 提供了阳极气体输入(未示出)。紧接着的两个次级模块112、113可通过将电池堆模块的 阴极气体出口侧的歧管与相邻的电池堆模块的阴极气体入口侧的歧管直接以串联的方式 实现阴极气体的串联连接，或者如图1中所示的那样通过中间通道121、122将一个电池堆 模块的阴极气体出口侧的歧管与相邻的电池堆模块的阴极气体入口侧的歧管以串联的方 式实现连接。这里使用次级模块的含义是指接收那些至少通过串联的在先的电池堆模块部 分运行过的阴极气体的电池堆模块。在任意情况下，在串联连接的电池堆模块之间提供有 额外的相对冷的阴极气体输入191、192。所提供的这些额外的冷的阴极气体用来确保向每 个次级电池堆模块提供合适操作温度的阴极气体供应。这样，只有初级电池堆模块需要辅 助的阴极气体预热(未示出)。在部分负荷状态下运行时，将第一 112或者第二 113或者两个次级电池堆模块 112、113所供应的阳极气体调节到最小或者完全关闭。为了确保待命状态的电池堆的合适 的待命温度，相应的额外供应的冷的阴极空气也要调节或者关闭。在组件的末端，参照附图，提供了公用的阴极气体出口侧的歧管。在图示的实施例 中，该歧管是所有串联在最末端的次级模块113中的四个电池堆所公用的。图2示出了阴极气体串联连接的SOFC电池堆模块组件，其中包括四个模块211、 212,213和214，一个初级模块211接收“新鲜的”阴极气体，三个次级模块212,213和214 的每个都接收来自于所串联的之前的电池堆模块的部分使用过的阴极气体。图2的结构与图1中描述的结构类似。示出了四种负荷状态，S卩25%，50%、75% 和100%负荷。可以看出，在25%负荷条件下，所有的电池堆模块只接收来自于第一公用阴 极气体入口侧的歧管的阴极气体281，并且只有初级电池堆模块接收操作阳极气体(未示 出)。次级模块接收热的、部分使用过的阴极气体282、283、284，来确保三个待命状态的电 池堆模块212、213和214的合适的待命温度。在50%、75%和100%负荷条件下，更多的电池堆模块接收操作阳极气体(未示 出)，并且因此那些在操作状态下的电池堆模块接收额外数量的冷的阴极气体291、292、 293。因为待命的电池堆通过上游的在操作状态下的电池堆的阴极输出来保持温度，因 此在四种负荷配置下，操作状态的电池堆的热量损失都相同。因此，部分负荷状态的效率就 等于全负荷状态的效率。待命状态的电池堆需要阳极保护，可以是电保护的形式也可以是 安全气体的形式或者来自于工作状态的电池堆的阳极排出气体。系统计算示例ρ = 50kff, Uf = 70%，18 X 18cm2 反流电池堆
权利要求
一种固体氧化物燃料电池堆组件，包括设置在至少两个阴极气体串联连接的电池堆模块内的多个燃料电池，并且在每个模块内至少包括一个电池堆，其中从第一初级电池堆模块排放出的阴极气体被输送到邻近的至少一个次级串联连接的电池堆模块的阴极气体入口，其中每个电池堆模块具有所述模块中所有的电池堆公用的第一阴极气体入口侧的歧管和所述模块中所有的电池堆公用的第二阴极气体出口侧的歧管，并且其中阴极气体从第一初级电池堆模块通过所述的公用侧的歧管串联连接到邻近的串联连接的至少一个次级电池堆模块。
2.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池堆组件，其中所述的第一初级电池堆模 块的出口侧的歧管直接或者通过中间通道连接到邻近的串联连接的至少一个次级电池堆 模块的入口侧的歧管。
3.根据权利要求1或2所述的固体氧化物燃料电池堆组件，其中两个串联连接的电池 堆之间的连接包括冷却介质入口或者热交换器。
4.根据权利要求3所述的固体氧化物燃料电池堆组件，其中冷却介质是空气。
5.根据上述权利要求任意一项所述的固体氧化物燃料电池堆组件，其中组件包括两个 串联连接的电池堆模块，第一初级电池堆模块和次级电池堆模块。
6.根据上述权利要求任意一项所述的固体氧化物燃料电池堆组件，其中组件包括四个 串联连接的电池堆模块，第一初级电池堆模块和三个次级电池堆模块。
7.根据上述权利要求任意一项所述的固体氧化物燃料电池堆组件，其中每个电池堆模 块包括四个电池堆，其设置为一个正方形，高度为两个电池堆，宽度为两个电池堆。
8.运转如权利要求1-7中任意一项所述的固体氧化物燃料电池堆组件的方法，包括以 下步骤-提供至少两个阴极气体串联连接的电池堆模块，一个初级电池堆模块和至少一个次 级电池堆模块-至少提供与阳极气体串联的第一电池堆模块-提供与预热的阴极气体串联的第一初级电池堆模块的阴极气体入口-提供至少一个次级电池堆模块的阴极气体入口，其与来自于之前的电池堆模块的阴 极气体出口排出的热的排放阴极气体串联。
9.如权利要求7中适于部分负荷运转组件的方法，其中阳极气体输送到初级电池堆， 所述阳极气体不输送给组件中的次级电池堆模块或者只输送给组件中的某些次级电池堆 模块，并且其中只有那些排放的阴极气体通过热交换器或者通过加入另外的冷的阴极气体 而得到冷却，所述排放的阴极气体是提供到供给了阳极气体的次级电池堆模块的阴极气体 入口的。
10.根据前述权利要求任意一项所述的方法，其中所述组件包括两个电池堆模块。
11.根据前述权利要求任意一项所述的方法，其中所述组件包括四个电池堆模块。
12.根据权利要求9所述的方法，其适于在大约25%、50 %、75 %、100 %负荷下运转，也就是当在25%负荷下运转时，只向串联的第一电池堆模块提供阳极气体，当在50%负荷下运转时，只向串联的第一和第二电池堆模块提供阳极气体，并且只有 向第二电池堆模块供给的阴极气体是冷却的，当在75%负荷下运转时，只向串联的第一、第二和第三电池堆模块提供阳极气体，并且 只有向第二和第三电池堆模块提供的阴极气体是冷却的，当在100%负荷下运转时，串联的所有电池堆模块都被提供阳极气体，并且向第二、第 三和第四电池堆模块提供的阴极气体是冷却的。
全文摘要
本发明涉及串联燃料电池堆模块组件，具体地涉及一种基于模块的大的可升级的SOFC系统，其可在阴极气体侧以串联连接。该系统可提供紧凑、简单的电池堆/系统界面，并提高系统的性能。模块设计成可制造的、高度平衡的热管理以及高的燃料利用率。
文档编号H01M8/24GK101944627SQ20101022548
公开日2011年1月12日 申请日期2010年5月21日 优先权日2009年5月22日
发明者H·乌斯特鲁德, N·埃里克斯特鲁普, S·达诺 申请人:托普索燃料电池股份有限公司