专利名称：应用了平管型结构体的固体氧化物燃料电池堆的制作方法
技术领域：
本发明涉及固体氧化物燃料电池堆及其制作方法，更详细地涉及可以通过串并联结构来产电的新型固体氧化物燃料电池堆及其制作方法。
背景技术：
可称作为第三代燃料电池的固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，以下称作SOFC)添加有用作电解质的氧化钇(yttria)并使用稳定结晶结构的氧化锆。该材料尽管具备氧离子的导电性，但还具备可以在800 1000°C的高温范围获得作为燃料电池所期望的导电性能。因此，SOFC的工作温度通常在800°C以上，电极材料也使用导电性能够经受这样的高温的物质，比如流入空气的空气极通常使用LaSrMnO3，流入氢气的燃料极通常使用NiIrO2混合物。现有的平板型(planer type) SOFC中，燃料极或电解质支撑体上薄薄地披覆结合其余的电极或者电解质，从而制造出最终的单位电解质-电极组合板 (Electrolyte-Electrode Assembly，以下命名为‘EEA，)，此处，进行堆叠时，对上下单位电池的空气极与燃料极进行电连接，并在各自的电极中，插入两面上形成用于导入燃料和空气的气体通道的、由导电性金属材料制得的电连接板(Intercormector)而构成单位电池。 这样的平板型方式具备‘EEA’层的厚度薄的优点，但从陶瓷的特性上看，其厚度的均勻度或平坦度难以调节，使得不易于大型化。并且，为了进行单位电池的堆叠(stacking) JfEEA 与电连接板交替堆叠时，电池边缘处使用气体密封件以对流入气体进行密封。但是，作为密封材料使用的玻璃(glass)材料的软化温度尽管始于600°C左右，但固体氧化物燃料电池为了获得期望的效率，通常处于800°C以上的高温下进行工作，由密封剂的软化引起的气体泄露危险度高，在实用化过程中仍然存在着很多技术上的难关。为了弥补这样的平板型电池(cell)的缺点，应用平管型(flat tube type)支撑体的单位电池及堆的开发公开于美国专利(US 6416897及US 6429051)中。但是，为了进行堆叠，这样的方案依然另外使用了气体流路和用于进行电连接的电连接板，其中，该气体流路用于向平管型电池外部导入空气或者燃料极气体。其尽管通过增加堆的机械强度，并使单位电池间接触面积变大，进而增加功率密度，但电连接板的材料为金属的特性上看，存在当高温运转时会出现陶瓷材料的EEA层之间产生机械应力以及热应力等问题。为了弥补这样的金属电连接板的缺点，目前公开有，在单位电池支撑体自身上或者支撑体堆叠时形成两种气体的通道，从而省略掉电连接件的气体通道功能并薄膜化的单块(monolith)形态的单位电池。代表性的公开有，按照在平管上沿长度方向分割电池并电串联连接的平管分割型(美国专利5486428)的单块形态制作的单位电池制作的堆。但是， 这样的电池为了形成空气流路，必须另外使用空气通道陶瓷板，从而存在电连接及气体导入部的结构复杂，不易于堆的大型化的缺点。并且，截止目前的燃料电池堆中，仅开发了将单位电池电串联连接的方式，其公开于韩国专利申请第10-2008-10176号、韩国专利申请第10-2008-30004号等中。这样的方式中内含有当一个特定电池性能劣化时，堆整体性能立刻同样地劣化的问题，这样就具有在制造上或者运转上存在必须将所有电池制作完美并进行工作的难题。
发明内容
(一)技术问题本发明要解决的问题在于，提供一种新型的堆及其制造方法，其可以解决现有的固体氧化物燃料电池在单位电池制造过程中，由于结构翘曲的现象，难以使电池大面积化的问题，由于单位电池与电连接件的双重结构的堆叠，使得热性能方面与机械性能方面不一致的问题，以及因为单位电池仅通过电串联连接，使得必须将堆内所有的单位电池制造完美并进行工作的制造及管理方面的难题。本发明所要解决的另一个问题在于，提供一种可以解决上述问题的新型单位电池模块及其制造方法。本发明所要解决的又一问题在于，提供一种不存在上述问题的高功率且一体式结构的固体氧化物燃料电池堆及其制造方法。(二)技术方案为了达到上述目的，本发明的固体氧化物燃料电池堆，其特征在于，在平管型支撑体的外部面上形 成一个以上的单位电池，在前端面与外部面的至少一部分上形成与第一电极相连接的第一电连接件，在后端面与外部面的至少一部分上形成与第二电极相连接的第二电连接件所形成的单位电池模块，将该单位电池模块堆叠为外部面的同极性相连接，并且制造出电并联连接的单位堆模块，将所述堆模块的前后面串联连接，制造出串并联混合式固体氧化物燃料电池一体式堆。本发明中，所述平管型支撑体使用内部沿长度方向存在多个第一气体流动通道 (以下称之为‘第一气体通道’)的平管型态的多孔性结构体，所述结构体的外部面上形成有第二气体流动通道(以下称之为‘第二气体通道’)。本发明中，所述第二气体通道优选为，以一定深度挖出外部面中央部，S卩外部面两侧边缘以外的部分，在堆叠时，在平管型结构体之间形成第二气体通道。本发明的实施过程中，所述燃料电池的电极形成于第二气体通道的表面，优选为支撑体的中央部上部面及下部面上，并与支撑体的前后端面及外部面的两侧上形成的电连接件相连接。本发明中，支撑体的外部面中央部上形成的第二气体通道的表面上形成有一个以上的单位电池，该单位电池由第一气体电极层(以下称之为“第一电极层”)、电解质层及第二气体电极层(以下称之为“第二电极层”)所构成的电极-电解质组件(EEA， Electrolyte-Electrode Assembly)所形成。本发明的实施过程中，为了在所述第二气体通道上形成一个单位电池，在第二气体通道上披覆第一电极层、电解质层及第二电极层，第一电极层与第二电极层披覆为各自连接至电连接件层，电连接件除了在第二气体通道上披覆以外，还在包含两末端的前后端面以及外部面整个面上进行披覆。本发明的另一个实施过程中，所述单位电池形成为多个的情况下，将单位电池间的异性极通过电连接件反复连接，最终披覆为使第一电极层及第二电极层从两末端相反侧上露出并连接到电连接 件，电连接件除了在第二气体通道上披覆以外，还在包含两末端的前后端面以及外部面整面上进行披覆。本发明的一个实施过程中，可以构成为，为了在第二气体通道上形成所述多个单位电池，沿长度方向以一定间距反复形成由第一气体电极层、电解质层及第二气体电极层构成的反应部(EEA，Electrolyte -Electrode Assembly)，在反应部之间将第一电极层与第二电极层用电连接件层进行连接，将第二气体通道的一端上形成的反应部的第一电极层与另一端上形成的反应部的第二电极层分别连接到支撑体前后端面及外部面两侧上形成的电连接件。本发明中，利用以单个或者多个单位电池形成的所述单位电池模块来制造堆时， 首先，沿作为端面方向的上下左右(X-Y)方向来反复堆叠电池模块，电池模块上的同性极相接触，所有模块进行电并联连接，制造反应面积大面积化的单位堆模块，将所述堆模块在异性极之间电串联连接的同时，沿长度(Z)方向再次反复堆叠，最终沿三维方向堆叠。经过最终的烧结过程后，电池模块相互粘着一体化，结构上坚固，功率密度高的同时，所堆叠的堆内电池模块复合进行电并联及串联连接，在制造及运转上具备高度的可靠性。并且，朝向堆内的气体导入则为，第一气体沿堆的长度方向内部通道导入，第二气体则沿与堆的长度方向呈90度角的方向并向堆叠的平管电池模块之间流入，从而提供了不存在气体密封问题或混入问题的新型一体式堆。本发明在一方面上来说，其特征在于，其由单位电池模块堆叠而成，所述单位电池模块包括燃料电池堆的平管内部通道作为第一气体通道、平管外部面中央部上形成的槽作为第二气体通道来形成的支撑体；具备一个以上的由所述第二气体通道上形成的第一电极层、电解质层及第二电极层所构成的单位电池的电池模块；披覆于所述支撑体的前端面及外部面一部分上并与电池模块上一端的第一电极层相连接的第一电连接件；以及披覆于所述支撑体的后端面及外部面一部分上并与电池模块上另一端的第二电极层相连接的第二电连接件。本发明中，形成单位堆模块，其中所述单位电池模块沿上下左右方向堆叠，且通过外部面两侧上形成的电连接件使同性极相连接，并进行电并联连接；通过前后面上形成的电连接件使异性极相连接，并进行电串联连接，最终形成串并联混合方式的燃料电池一体式堆。本发明在一方面上来说，其特征在于，形成有构成燃料电池堆的单位电池模块的内部通道作为第一气体通道来形成，外部面中央部上形成的槽作为第二气体通道来形成的平管型支撑体上，所述第二气体通道上形成一个以上的单位电池，并且形成披覆于所述支撑体的前端面及外部面一侧上并与单位电池相连接的第一电极连接件；以及披覆于所述支撑体的后端面及外部面一侧上并与单位电池相连接的第二电极连接件。(三)有益效果本发明的固体氧化物燃料电池一体式堆，以一定深度挖出平管型结构体的外部中央部，在其表面上披覆一个以上的电极/电解质/电连接件层，依靠将所形成的电池单元沿上下左右方向堆叠的方法来制造电流产生面积增大了的堆模块，然后再次将所述堆模块沿长度方向堆叠，从而完成可以增大电压的最终沿三维方向堆叠而成的堆。这样制造的堆中， 电池模块在堆内相互紧贴一体化，结构上牢固，功率密度高的同时形成为电并联及串联的复合结构，在制造及运转中堆的技术可靠性非常高。并且，在运转时，沿第一气体沿堆长度方向存在的平管结构体的内部通道流入及流出，第二气体沿堆叠的平管之间存在的外部通道并以与堆长度方向呈90度角的方向流入及流出。因此，提供了一种容易进行气体密封， 不存在不同气体混合问题，技术上更进步的新型堆的设计、制造及运转的方法。
图1为本发明的在具有内部通道的平管型结构体的外部面上以一定深度挖出中央部而制造的电池模块制造支撑体的立体图。图2为本发明的电池模块制造支撑体的被挖出的中央部上形成单位电池的长度方向的剖视图。图3为本发明的电池模块制造支撑体的被挖出的中央部上沿长度方向形成多个电池的剖视图。图4为为了堆叠本发明图3的电池，对电极层、电解质层及电连接件层的披覆方法进行展现的截面图。图5为示出了本发明的将固体氧化物燃料电池电池模块沿上下左右反复堆叠后， 电并联连接的单位堆模块的立体图。图6为示出了本发明的固体氧化物燃料电池单位堆模块沿长度方向堆叠后的一体式堆的立体图。图7为示出了将本发明的固体氧化物燃料电池堆与用于气体导入、流出及电连接的装置部沿堆长度方向剖开的部分的剖视图。图8为示出了在本发明的图7的固体氧化物燃料电池堆的两末端上再堆叠电连接堆模块并装载了反应腔和用于气体流入及流出的腔体的长度方向剖视图。图9为示出了单位电池模块的制造方法的平管型结构体的长度方向截面图，其中，该单位电池模块用于将本发明的由平管型结构体制造的单位电池模块沿上下左右方向堆叠而制造图8的电连接堆模块。图10为示出了本发明的在反应腔体内堆放24个堆来使堆系统大型化的方法的截面图，为长度中间部分的截面图。图11为示出了本发明的在反应腔内堆放24个堆来使堆系统大型化的方法的截面图，为第一气体导入部的堆末端截面图。图12为示出了本发明的在反应腔内堆放24个堆来使堆系统大型化的方法的截面图，为第一气体流出部的堆末端截面图。<附图主要部件的标记说明>1.固体氧化物燃料电池平管型结构体内部第一气体流动通道2.连接在第一气体电极层上的电连接件被披覆的平管型结构体的长度方向末端截面部3.连接在第二气体电极层上的电连接件被披覆的平管型结构体的长度方向末端截面部4.连接在第一气体电极层上的电连接件被延长并披覆的外部面披覆部分5.连接在第二气体电极层上的电连接件被延长并披覆的外部面披覆部分
6.为了在平管型结构体的外部面上形成第二气体通道层及单位电池而以一定深度挖出来的部分7.平管型结构体沿上下方向堆叠时所形成的第二气体流动通道部8.将以一定深度挖出中央部6而制造的支撑体进行堆叠时，支撑体之间形成的冷却气体流动外部通道部11.固体氧化物燃料电池支撑体的外部通道上反复披覆的第一气体电极层12.固体氧化物燃料电池支撑体外部通道上反复披覆的电解质层 13.固体氧化物燃料电池支撑体外部通道上反复披覆的第二气体电极层15.在固体氧化物燃料电池支撑体外部通道上披覆时，第一气体电极层与电解质层之间的界面连接部位16.在固体氧化物燃料电池支撑体外部通道上披覆时，第二气体电极层与电解质层之间的界面连接部位19.在固体氧化物燃料电池支撑体外部通道上披覆时，插入到电解质层之间而披覆的电连接件层31.涂敷于外壳内部的电绝缘层32.用于固定堆内沿上下左右方向堆叠的单位电池模块的外部四角外壳33.用于堆末端端面的电集电的电集电板36.第一气体流入及流出管道37.电集电板38.第一气体流入及流出腔体39.绝缘气体垫圈41.堆内堆叠的平管结构体上的第一气体导入部的内部通道42.堆内堆叠的平管结构体上的第一气体流出部的内部通道43.堆内堆叠的支撑体之间形成的第二气体流入及流出外部通道51.堆中央部的第二气体流入、流出及反应腔体52.堆末端的第一气体导入腔体53.堆末端的第一气体流出腔体54.堆末端的阴极侧的电集电体55.堆末端的阴极侧的电集电体71.平管支撑体末端上披覆的第一气体电极层72.平管支撑体末端上披覆的第二气体电极层73.与平管支撑体末端的第一气体电极层相连接披覆的电连接件层74.与平管支撑体末端的第二气体电极层相连接披覆的电连接件层81.堆放多个堆的系统的外壳82.沿上下方向堆放的堆之间用于避免第二气体流动的防气体流动插入层83.第二气体导入腔体84.第二气体分配及堆固定格板85.第二气体排出腔体86.第二气体流入、排出管道
87.第二气体反应炉88.第一气体流入、排出腔体91.堆的阴极末端部92.堆的阳极末端部95.堆间电连接件96.串联连接的堆的末端阴极部97.串联连接的堆的末端阳极部100.平管结构体101.挖出平管结构体的中央部而形成了外部通道部的支撑体102.利用平管支撑体而制造的固体氧化物燃料电池模块103.利用平管结构体而制造的电连接单位电池105将电池模块沿上下左右方向进行堆叠的堆模块106.将堆模块沿长度方向进行堆叠的堆
具体实施例方式以下，参照附图对本发明的优选实施例进行更详细的说明。但是，其仅为实施例， 无论任何情况下都不对本发明的范围造成限制。为了制造本发明所用的固体氧化物燃料电池堆而被使用的平管型结构体，可以使用能够透过气体且具有高温下稳定的普通材料。其外形如图1所示，形成为扁平的直六面体的形态且内部沿长度方向存在多个第一气体流动通道1。为了在堆叠时形成第二气体通道，以一定的深度挖出所述结构体的长度方向上除两末端的一部分4、5以外的中央部6的至少上下两面，从而完成支撑体101。在将所述支撑体101并非沿长度方向而是沿上下左右方向堆叠时，挖出的中央部 6在支撑体之间形成第二气体通道7，并且，可以避免由所述中央部表面上形成的电极及电解质所构成的单位电池因不必要的电接触而导致的短路(shortage)现象。利用了所述支撑体101的固体氧化物燃料电池单位电池模块102的制造，支撑体上挖出的中央部的表面上沿长度方向适当地薄膜披覆电极、电解质及电连接件层之后，经过烧结过程，从而可以制造出如图2所示的一个单位电池，以及如图3所示的多个单位电池。如图2所示，在中央部上按顺序披覆第一电极层71、电解质层12及第二电极层72 而形成一个单位电池，第一电极层71除了披覆所述中央部以外还披覆至外部面一侧为止， 第二电极层72除了披覆所述中央部以外还披覆至外部面另一侧为止，外部面一侧上披覆的第一电极层71与外部面另一侧上披覆的第二电极层72上披覆电连接件层73、74。如图1及图3所示，多个单位电池沿长度方向分别依次薄膜披覆第一电极层11、电解质层12、第二电极层13，单位电池间的异性极通过电连接件进行连接并堆叠，将堆叠后的电池的两末端上露出的第一电极层71与第二电极层72分别连接到电连接件层73、74，电连接件层的披覆部位包含两末端的端面2、3与外部面两侧4、5，所述支撑体101在沿上下、 左右或者沿长度方向堆叠时，通过外部侧面4、5或者端面2、3来实现电池模块间的电连接。另一方面，如图3，支撑体101的外部面中央部6上形成多个单位电池时，对单位电池间的异性极进行电连接，为了避免平管内外部间不同气体的混入，需要使用电解质12及电连接件19的致密膜结构，为达到这样的条件的披覆方法，将图3中的反复披覆部分M放大显示在图4。参照图4，支撑体中央部表面上构成的第一披覆层A上，第一气体电极层11之间插入电解质层12来避免电气接触，其上披覆的第二披覆层B上，电解质层12之间插入电连接件层19，通过该电连接件层来实现下部A层与上部C层的异性电极之间的电连接。此时，为了避免从下部A层的不同材料接触部位15的细缝之间泄露出第一气体，将上部B层的不同材料间接触部位与下部A层的不同材料间接触部位形成为不一致且位置错开，这样进行披覆是很重要的。最后，披覆的层C上，第二气体电极层13之间插入电解质层12进行披覆，将不同材料之间接触部位16定位于下部B层的电连接件层19中间位置处，且还试图进行电连接， 通过可以避免第二气体从C层的电解质与第二电极层接触部位16的缝隙向下部B层泄露的方法，从而提供多个单位电池串联堆叠的用于制造单位电池模块102的电极、电解质及电连接件的披覆方法。所述支撑体上，为了利用图2中的形成有一个单位电池或者图3中的形成有多个单位电池的电池模块而最终制造出堆，首先，将所述电池模块沿上下左右(X-Y)方向进行反复堆叠来制造如图5所示的单位堆模块105，进行堆叠使得电池模块102的末端电连接件4、5的同性极相接触，通过在电池模块102之间形成电并联连接，可以使堆内反应面积大面积化；然后，对所述堆模块105沿长度方向(Z)进行堆叠使得末端电连接件4、5的异性极相连接，堆模块间电串联连接，通过提高堆电压的方法来最终完成沿三维方向堆叠的堆106。这样堆叠后的堆，施加适当的机械压力的同时并经过最终的烧结过程后，所有电池模块之间通过电连接件层进行电连接并进行机械贴合，具备牢固且一体式的单块结构体 (monolith type)的形态。作为参照，图6中示出了沿三维方向堆叠的堆106的立体图，图7为串联堆叠η个单位堆模块105而形成的堆，并紧固有辅助装置的情况下，将该堆沿长度方向剖开后的截面图，其中，该辅助装置用于提取供给该堆的气体与电。最终制造而成的一体式堆106，其内部涂布绝缘体31，两末端装载于开放式的直六面体形态的外壳32内，堆的两末端上装载电集电板33，然后将用于使第一气体通过堆内平管支撑体内部的通道进行供给或排出的管道36与包含有电集电板37的第一气体流入及排出腔体38和外壳32紧固。产生的电从两侧电集电板37之间或者从与电集电板相连接的腔体38之间提取出来。此时，为了避免两侧腔体之间通电，腔体与外壳之间插入绝缘气体垫圈39之后进行紧固。堆内第一气体的供给是随着平管的长度方向，向附图上左边腔体38内供给，通过在堆内的单位堆模块上并联连接的平管电池模块的内部通道41进行分散流入，未反应气体通过最终通道出口 42排出。 第二气体随着与平管的长度方向呈直角的方向，通过附着于外壳32左右(附图上正面及后面的方向)的第二气体供给及排出腔体，以与堆长度方向呈90度的角度进行供给，然后通过堆叠而成的平管电池模块之间形成的外部通道43流入并排出。固体氧化物燃料电池在堆大型化时，由于反应热的积蓄，使得堆内部特定部位 (比如中心部)的温度增加，同时产生的热应力(thermal stress)会对陶瓷材料构成的电池造成不良影响，因此，难以进行大型化的问题随之而来。
本发明的固体氧化物燃料电池堆在三维方向紧贴机械性能稳定的平管型结构体， 按一体式单块(monolith)形态堆叠，较之以另外的结构形成的堆模块更为稳定。并且，作为第二气体使用空气的情况下，可以沿与长的长度方向呈90度角度而流入，在需要时，将第二气体供给腔体沿长度方向进行分配，以不同的流量流入，从而具有可以使长度方向的温度梯度平均化的优点。按平管型(flat tube type)制造的燃料电池堆的另外的优点中的一项为，由于流入的气体在堆末端被密封，与平板型(Planer type)相比较容易密封。本发明的堆还可以更优选地制造为，如图8所示，在堆末端上另外形成电集电堆模块，以形成为比在流入的第一气体的堆的末端部进行密封更为安全，并且在源头上截断两种气体之间的堆内反应腔体界面上的混入问题。图8中使用的电集电末端堆模块，如图9所示，不产生第二气体流动外部通道的原始平管结构体100外部面上制造仅披覆电解质层12与电连接件层75的电集电模块103或者由包含第一电极层材质的材料制得的电集电模块，与反应电池模块一样，上下左右堆叠该模块来进行制造。参照图8，在堆的两侧末端阴极部108与阳极部109上再装载所述电集电堆模块时，在高温的反应腔体部分51外使第一气体导入部或者流出部的密封紧固，从而易于密封，并且，在第一气体导入52及排出腔体53与第二气体导入及排出腔体51 (附图上存在于前后部分上)的堆内部的界面上容易进行隔离，从而可以完全防止两种气体的混入。并且，在需要时，与第一气体腔52、53分离后，可以设置电集电体54、55并且提取电，因此接下来在所设计的堆间还可以进行堆叠。如上所述，本发明的堆依靠三维方向上的堆叠，可以进行大型化，将沿与堆的长度方向呈直角的方向导入的第二气体的量按长度方向进行适当的分配，从而提供了可以控制长度方向温度梯度并使之平均化的优点。但是，沿上下左右方向大量进行堆叠，并且单位堆模块105内电池模块102数量增加的话，最终沿堆的截面方向的体积也会增大，会出现因热量积蓄而导致堆截面中心部处的温度增加。因此，优选为，使截面积的尺寸尽可能小，但在该情况下，并联的电池个数减少，使得反应面积变小。但是，本发明中，依靠将尽可能维持小的所述截面积而制造的堆也在导入第二气体的反应腔体内再次沿上下左右方向平行地以一定间距进行反复堆放的方法，避免了堆内温度偏差问题的同时，通过使堆电并联、串联或串并联混合连接的单位堆的组合，可以提供能够制造出更为大型化的固体氧化物燃料电池堆系统的新型且进步的方法。作为一个例子，请参照图10至图12中的单位堆在反应腔体中通过并联_串联复合连接而成的燃料电池堆系统。图10为在反应腔体内，由总共24个堆105沿上下左右方向以一定间距堆叠而成的堆系统的长度方向中间部分的截面被剖开后的图，堆装载于四角形的外壳81中，向外壳内部流入的第二气体沿着位于各个堆内堆叠的平管电池模块之间的外部通道通过。为此，需要通过将沿上下方向堆叠的堆上的空间塞满由绝缘体形成的气体密封件82的方法，避免第二气体不发生反应而从堆105之间通过。第二气体朝附着有流入管82的流入腔体83流入之后，通过气体分配格板84来经过外部通道7，该外部通道7存在于由各个堆内部堆叠的平管支撑体构成的电池模块102之间。通过堆的气体最终经过流出腔体85，并聚集到排出管86之后排出。图11为流入第一气体的腔体部分内堆的末端截面图。图12为排出第一气体的腔体部分内堆的末端截面图。从图11的截面图上的正面方向导入，向腔体88内流入的第一气体顺着沿上下左右方向堆叠的很多的平管电池模块102 上的内部通道1分散流入，沿长度方向经过，最终经过图12的堆末端部内的第一气体排出腔体来排出。此处，作为一个例子，给出了按相同的电极方向堆放四个堆(a_d，e-h, h-k， l-o，p-s或者t-w)，电捆扎后形成并联连接的堆组，然后所述由四个形成的堆组以阴极91 及阳极92极性交替变化地堆放，堆组间电串联连接。更具体地，并联连接的堆组a_d，在图 11中形成阴极末端，然后，在图12中第一气体排出腔体侧，堆组a_d的阳极与堆组e-h阴极串联连接。然后，图11中第一气体流入腔体内的堆组e-h的阳极与堆组i-1的阴极、图12 中堆组i-Ι的阳极与堆组o-n的阴极、图11中堆组o-n的阳极与堆组q_t的阴极、然后还是图12中堆组q_t的阳极与堆组u-x的阴极相连接，最终图11的堆组u-x提供出阳极末端。因此，图11中，在堆组a_d的阴极末端与堆组u-x的阳极末端之间加电力负载，并提取电力。总共24个堆，将四个并联连接，从而可以增大电流产生面积，然后并联连接的堆组经过6次串联连接，可以使电压升高。如上述内容，本发明所设计的燃料电池系统，使用平管型支撑体来制造单位电池模块，将其沿三维方向堆叠，从而可以制造出串联并联混合的一体式堆。并且，在反应腔体内，将这样的堆平行堆放多个后，可以制造出再以并联、串联或者串并联混合的状态形成的堆系统，因此具备可以获得期望的电流以及电压的优点。
权利要求
1.一种固体氧化物燃料电池堆的制造方法，其特征在于，其包括如下步骤制造单位电池模块的步骤，在平管型支撑体的外部面上形成一个以上的单位电池，在平管型支撑体的前端面与外部面的至少一部分上形成与单位电池的第一电极相连接的第一电连接件，在平管型支撑体的后端面与外部面的至少一部分上形成与单位电池的第二电极相连接的第二电连接件；以及对单位电池模块进行堆叠以使所述电连接件连接的步骤。
2.如权利要求1所述的固体氧化物燃料电池堆的制造方法，其特征在于，在平管型支撑体内部形成第一气体通道，在外部面中央部上形成第二气体通道及单位电池，在外部面两侧上形成电连 接件。
3.如权利要求2所述的固体氧化物燃料电池堆的制造方法，其特征在于，以一定深度挖出所述支撑体外部面的中央部并进行堆叠，从而形成第二气体通道。
4.如权利要求2或3所述的固体氧化物燃料电池堆的制造方法，其特征在于，所述第二气体通道上形成一个以上的单位电池，所述单位电池由第一电极层、电解质层及第二电极层所构成。
5.如权利要求1所述的固体氧化物燃料电池堆的制造方法，其特征在于，对单位电池模块进行堆叠，以使得通过外部面两侧上形成的电连接件来使同性极相互连接，从而进行电并联连接。
6.如权利要求1所述的固体氧化物燃料电池堆的制造方法，其特征在于，对单位电池模块进行堆叠，以使得通过前后面上形成的电连接件来使异性极相互连接，从而进行电串联连接。
7.一种固体氧化物燃料电池堆的制造方法，在注入燃料气体与空气来进行电化学氧化反应，从而产生电的固体氧化物燃料电池堆的制造方法中，其特征在于，其包括如下步骤支撑体的制造步骤，以一定深度挖出内部沿长度方向存在多个第一气体流动通道的多孔性平管结构体的长度方向上除两末端一部分以外的中央部的外表面，从而在堆叠时，在结构体之间形成第二气体流动外部通道；单位电池模块的制造步骤在形成了第二气体通道的支撑体中央部表面上，以一定间距形成多个沿长度方向交替披覆了第一气体电极层、电解质层及第二气体电极层的单位电池之后，将单位电池之间的异性极通过电连接件连接，最终，将两末端的相反侧上露出的第一气体电极层与第二气体电极层通过电连接件各自连接披覆，披覆部位按包含了第二气体流动通道部以外的各自的两末端面的外部面的整个面的范围来进行披覆；制造堆的步骤将所述电池模块沿上下方向或者上下左右方向反复堆叠来制造单位堆模块，所述堆模块沿长度方向反复堆叠，最终制造出沿二维方向或三维方向进行堆叠的堆。
8.如权利要求7所述的固体氧化物燃料电池堆的制造方法，其特征在于，通过在所述第一披覆层中的第一气体电极层之间插入电解质层，在第二披覆层中的电解质层中插入电连接件层，最后在第三披覆层中的第二气体电极层中插入电解质层来进行披覆。
9.如权利要求7所述的固体氧化物燃料电池堆的制造方法，其特征在于，所述第二披覆层的电连接件层位于第一披覆层的电解质与第一气体电极层的接触部位上，第三披覆层的电解质层与第二气体电极层之间的接触部位位于第二披覆层的电连接层上，第一气体电极层与第二气体电极层披覆置于电连接件层的相反侧。
10.如权利要求7所述的固体氧化物燃料电池堆的制造方法，其特征在于，所述第一气体电极层与第二气体电极层烧结后形成为多孔性的，电解质与电连接件层形成为气体无法透过的致密膜。
11.如权利要求7所述的固体氧化物燃料电池堆的制造方法，其特征在于，并非沿平管的长度方向，而是沿上下或者左右方向对所述单位电池模块进行堆叠时，使单位电池模块的同性极相接触，以使其电并联连接，从而制造单位堆模块；沿长度方向堆叠所述单位堆模块时，各模块间相互的异性极相连接并进行堆叠，以使其电串联连接。
12.如权利要求7所述的固体氧化物燃料电池堆的制造方法，其特征在于，由单位电池模块堆叠而成的堆，在机械加压的状态下经过烧结过程后，单位电池模块间的端面或者外部面上披覆的电连接件层之间进行物理结合。
13.一种固体氧化物燃料电池堆，其特征在于，其由单位电池模块堆叠而成，所述单位电池模块包括平管型支撑体，其在平管型结构体内部形成第一气体通道，在平管型结构体外部面中央部上形成作为第二气体通道的槽；一个以上的单位电池，其由形成于所述第二气体通道上的第一电极层、电解质层、第二电极层所构成；第一电极连接件，其披覆于所述平管型支撑体的前端面及外部面一侧上，并与第一电极相连接；以及第二电极连接件，其披覆于所述支撑体的后端面及外部面另一侧上，并与第二电极相连接。
14.如权利要求13所述的固体氧化物燃料电池堆，其特征在于，所述单位电池模块堆叠为与外部面及/或前后端面相连接，形成串并联混合式堆。
15.如权利要求13所述的固体氧化物燃料电池堆，其特征在于，所述第一气体沿着内部通道并朝着平管型支撑体的长度方向流动，第二气体在堆叠时沿着连接的槽并以与第一气体流动的方向呈直角的方向流动。
16.如权利要求13所述的固体氧化物燃料电池堆，其特征在于，在第二气体通道上形成有第一气体电极层、电解质层及第二气体电极层，将第一气体电极层与第二气体电极层分别连接到形成于支撑体的前后端面上的电连接件。
17.如权利要求13所述的固体氧化物燃料电池堆，其特征在于，在第二气体通道上沿长度方向以一定间距反复形成由第一气体电极层、电解质层及第二气体电极层构成的反应部(EEA，Electrolyte -Electrode Assembly)，在反应部之间的第一电极层与第二电极层连接至电连接件层，将第二气体通道的一侧末端上形成的第一电极层与另一侧末端上形成的第二电极层分别连接到支撑体前后面上形成的电连接件。
18.如权利要求14所述的固体氧化物燃料电池堆，其特征在于，堆的前端及/或后端上还连接有集电堆模块。
19.如权利要求18所述的固体氧化物燃料电池堆，其特征在于，所述集电堆模块为，在平管型结构体的外部面整个面上按顺序披覆电解质层与电连接件层而制造出集电支撑体， 由所制造的集电支撑体沿上下方向或者上下左右方向堆叠而成的堆模块。
20.如权利要求18所述的固体氧化物燃料电池堆，其特征在于，所述集电堆模块是使用含有第一电极材料的材料来制造的，是由所制造的不泄露气体的集电平管型结构体沿上下方向或者上下左右方向堆叠而成的堆模块。
21.—种固体氧化物燃料电池系统，其特征在于，其由以下部件构成装载有权利要求13、19或20中任一项所述的固体氧化物燃料电池堆的外壳； 所述堆的两末端上装载的电集电板；第一气体腔体，其包括用于通过所述堆内平管支撑体内部的通道供给或排出第一气体的管道，以及电集电板；以及由用于通过所述堆内外部通道供给或排出第二气体的管道所形成的第二气体导入腔体。
22.如权利要求21所述的固体氧化物燃料电池系统，其特征在于，将第二气体导入腔体沿长度方向分割为多个，对长度方向上的冷却气体的流量进行适当的分配并进行供给， 从而使长度方向上的温度梯度最小化。
23.一种固体氧化物燃料电池堆系统的制造方法，其特征在于，在第二气体反应腔体内，将权利要求13、19或20中任一项所述的多个固体氧化物燃料电池堆沿上下方向或者上下左右方向以一定间距堆放，堆的两侧末端部朝向腔体外露出并各自装载至第一气体流入及流出腔体内，从而对堆进行集成化。
24.如权利要求23所述的固体氧化物燃料电池堆系统的制造方法，其特征在于，按同性极方向堆放的堆合并后电并联连接；将按极性相反堆放的堆的异性极之间按顺序连接， 最后使其电串联连接。
25.如权利要求23或24所述的固体氧化物燃料电池堆系统的制造方法，其特征在于， 沿上下方向堆叠的堆依靠绝缘体的气体密封件来将堆之间密封，以使得仅通过平管型电池模块之间的外部通道流入气体，并防止向堆之间流入气体。
全文摘要
本发明涉及固体氧化物燃料电池堆及其制作方法，更详细地涉及可以通过串并联结构来产电的固体氧化物燃料电池堆及其制作方法。本发明的固体氧化物燃料电池堆的特征在于，制造出在平管型支撑体的前端面及外部面一侧上形成有与第一电极连接的第一电连接件、在后端面及外部面一侧上形成有与第二电极连接的第二电连接件的单位电池模块，制造出通过堆叠使得所述电池模块的外侧面的同性极相连接而电并联连接的单位堆模块，将所述堆模块的前后面串联连接，制造出串并联混合式固体氧化物燃料电池一体式(monolithic)堆。本发明的固体氧化物燃料电池堆，可以解决其制作方法中作为最大弱点的单位电池的大面积化困难、仅依靠串联连接的堆性能的单位电池的直接依赖性、以及依靠堆叠难以制造大型的堆等困难。
文档编号H01M8/12GK102439775SQ201080017670
公开日2012年5月2日 申请日期2010年4月15日 优先权日2009年4月20日
发明者尹铉箕, 朴重德, 郑钟植, 郭富镐 申请人:普斯比公司, 浦项工科大学校产学协力团