專利名稱：電化學(xué)電池組系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及固態(tài)電化學(xué)設(shè)備組件，更具體地說涉及串聯(lián)電池組形式的模塊化并行電化學(xué)電池。
背景技術(shù)：
穩(wěn)定增長的電力需求和上升的大氣溫室效應(yīng)以及其它燃燒廢氣已經(jīng)刺激了使用可替代能源產(chǎn)生電力的發(fā)展。例如燃料電池?fù)?jù)稱是一種有效而低污染的產(chǎn)生電力的技術(shù)。由于燃料電池工作過程中燃料不會燃燒，因此燃料電池不會產(chǎn)生任何傳統(tǒng)的通過蒸氣機(jī)、燃燒室和蒸汽驅(qū)動渦輪發(fā)電的設(shè)備所排放的污染物。
遺憾的是，目前用燃料電池發(fā)電的成本幾倍于用化石燃料生產(chǎn)相同電能的成本。每千瓦發(fā)電量的高投資成本和運(yùn)行成本已經(jīng)推遲了燃料電池發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)入商業(yè)運(yùn)行的時間。
傳統(tǒng)燃料電池是一種將來自與燃料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能的電化學(xué)設(shè)備。燃料電池中通過發(fā)生在一種燃料(典型的是從重整甲烷生產(chǎn)的氫)和一種氧化劑(典型的是空氣中的氧)之間的電化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生電力。凈電化學(xué)反應(yīng)包括電荷轉(zhuǎn)移步驟，它發(fā)生在離子導(dǎo)電電解質(zhì)膜、電子導(dǎo)電電極與燃料或氧的氣相之間的界面上。一種設(shè)計以氫氣作為燃料的燃料電池系統(tǒng)僅產(chǎn)生水、熱和電力。也開發(fā)了其它類型的燃料電池，包括熔融碳酸鹽燃料電池、磷酸燃料電池、堿性燃料電池和質(zhì)子交換膜燃料電池。由于燃料電池在將燃料轉(zhuǎn)化為電能的過程中僅僅依賴于電化學(xué)過程而不是熱力學(xué)過程，所以燃料電池的效率不會象傳統(tǒng)機(jī)械發(fā)電那樣受限于卡諾循環(huán)效率。
固態(tài)電化學(xué)設(shè)備通常是包括兩個多孔電極，一個陽極和一個陰極，和安置在電極之間的致密固體電解質(zhì)膜的電池。在一種典型的固體氧化物燃料電池例子中，由于會與氫燃料發(fā)生放熱反應(yīng)，故陽極和陰極分別在相互隔離的密閉系統(tǒng)中暴露在燃料和氧化劑中以避免燃料和氧化劑直接混合。
固體氧化物燃料電池應(yīng)用的電解質(zhì)膜一般含有陶瓷氧離子導(dǎo)體。在其它設(shè)備中，如氣體分離設(shè)備，固體膜可能包括離子電子混合導(dǎo)電材料(MIEC)。多孔陽極可能是一層陶瓷、金屬或更常見的金屬陶瓷復(fù)合物(CERMET)，它與電池燃料側(cè)的電解質(zhì)膜接觸。典型的多孔陰極是一層離子電子混合導(dǎo)電金屬氧化物或電子導(dǎo)電金屬氧化物(或MIEC金屬氧化物)與離子導(dǎo)電金屬氧化物的混合物。
固體氧化物燃料電池通常工作溫度在大約900～1000℃以使電解質(zhì)膜的離子導(dǎo)電性最大化。在合適的溫度下氧離子可以容易地通過電解質(zhì)晶格遷移。然而，大部分金屬在傳統(tǒng)燃料電池的高工作溫度和氧化氣氛下是不穩(wěn)定的，并會轉(zhuǎn)化為脆性的金屬氧化物。因此，固態(tài)電化學(xué)設(shè)備通常由耐熱的陶瓷材料制造。然而，這些材料過于昂貴，同時在高溫和高氧化性條件下壽命依然有限。此外，使用的材料必須有可靠的化學(xué)、熱和物理特性以避免由于熱應(yīng)力、燃料和氧化劑滲透過電解質(zhì)以及電池工作中的其它相似問題而發(fā)生分層。
因?yàn)槊總€燃料電池只能產(chǎn)生相對較小的電壓，所以可以將幾個燃料電池連接起來以提高系統(tǒng)的容量。這樣的陣列或堆棧常常采用管式或平面設(shè)計。典型的平面式設(shè)計是將平面的陽極-電解質(zhì)-陰極安置于導(dǎo)電連接件上并串聯(lián)堆疊起來。不過，由于單元封裝和疊加平面堆棧的復(fù)雜性，平面設(shè)計通常被認(rèn)為要更多地考慮其安全性和可靠性。
此外，傳統(tǒng)的平面式燃料電池組在大約1000℃的高溫下工作，其電解質(zhì)層與應(yīng)用在電解質(zhì)兩側(cè)的多孔陽極和陰極層相比要厚，并且要提供對整個電池的結(jié)構(gòu)支撐。但是，為了將工作溫度降到低于800℃，電解質(zhì)層的厚度已經(jīng)從50-500微米以上減少到5-50微米。在整個結(jié)構(gòu)中如此薄的電解質(zhì)層已不再是負(fù)重層。當(dāng)然，相對較脆弱的多孔陽極和陰極層就必須成為電池的負(fù)重部件。由不牢固的陽極或陰極支撐的平面式燃料電池組可能很容易在荷載下崩塌。
管式設(shè)計采用多孔支撐長管，電極和電解質(zhì)層置于支撐管上，從而減少系統(tǒng)需要的封裝件的數(shù)量。燃料或氧化劑直接通過管內(nèi)通道或環(huán)繞管外。但是，管式設(shè)計提供的能量密度較低，這是因?yàn)檎麄€管子的電流匯集僅發(fā)生在管子周圍的一小部分區(qū)域，導(dǎo)致電極上的電流路徑相對較長。這種對內(nèi)部阻抗損失的貢獻(xiàn)限制了能量密度。
另外，當(dāng)容量不足的反應(yīng)物定向通過裝置時，反應(yīng)物濃度會隨著氣體在管內(nèi)通道流動的長度增加而降低。例如，取決于電池單元在電池組中位置的不同，陽極氣體濃度的下降會導(dǎo)致電池電流輸出減少。增加流過裝置的燃料或氧化劑的體積可能會導(dǎo)致過量的反應(yīng)物隨電化學(xué)設(shè)備的反應(yīng)產(chǎn)物一起排出系統(tǒng)。在傳統(tǒng)設(shè)備中，過量的反應(yīng)物通常進(jìn)行燃燒為固體燃料電池提供操作熱。過量反應(yīng)物被排出系統(tǒng)并被燒掉將進(jìn)一步降低裝置的效率。
由重復(fù)電池單元組成的平面式電池組遇到的另一個重要問題是當(dāng)其中一個電池單元失效時可能導(dǎo)致整個電池組癱瘓。在目前的設(shè)計中，電池故障時可能需要將整個電池組冷卻并離線后方可更換其中的單一電池單元。
因此，目前傳統(tǒng)設(shè)計的固態(tài)電化學(xué)裝置不僅制造成本昂貴，而且可能遭遇安全性、可靠性、和/或效率問題。
因此，需要提供一種能夠有效工作在更低溫度下，并且使用較為便宜的材料和生產(chǎn)技術(shù)的電化學(xué)設(shè)備堆棧或陣列，如固體氧化物燃料電池。在降低材料和制造成本的同時能夠提高燃料電池和其它固態(tài)電化學(xué)設(shè)備可靠性的堆棧設(shè)計，將可以允許目前過于昂貴、低效和使用不可靠的此類裝置進(jìn)入商業(yè)化。本發(fā)明滿足了這些要求，以及其它一些要求，從而廣泛地克服了傳統(tǒng)裝置的缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
提供了一種管式電化學(xué)電池組裝置，與現(xiàn)有技術(shù)相比，該裝置能夠在更低的工作溫度下工作并且改善了燃料效率和發(fā)電量。例如根據(jù)本發(fā)明的一個方面，但不限于此，提供了一種平行連接于連接板的管式固態(tài)電化學(xué)電池陣列的電池組，并且該陣列為串連連接。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，電化學(xué)裝置中的陰極、陽極或電解質(zhì)支撐管優(yōu)選垂直定位于連接板。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，連接板規(guī)定為連接到一組管式電池的陽極和第二組管式電池的陰極。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，頂端和底端電化學(xué)電池密封到套圈上，該套圈可以與連接板或組內(nèi)同一行的電化學(xué)電池相連接。
根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施方案，電化學(xué)電池層具有第一電極層，所述電極層可通過多種方法成型為管狀，如擠出、注塑、心軸沉積、壓制以及帶狀澆鑄等。第一電極可由提供陽極或陰極的材料制成。一種優(yōu)選的離子導(dǎo)電材料制成的電解質(zhì)層薄膜應(yīng)用于管式電極，此電解質(zhì)層基本不透氣。第二電極層隨后應(yīng)用在電解質(zhì)的外表面上。
在本發(fā)明的另一個實(shí)施方案中，電解質(zhì)層被設(shè)計成支撐層，同時第一電極層應(yīng)用在管內(nèi)側(cè)而第二電極應(yīng)用在電解質(zhì)管外側(cè)。
在本發(fā)明的一個實(shí)施方案中，金屬連接板上沖壓出許多開孔和成型接點(diǎn)。管式電化學(xué)設(shè)備連接并密封在連接孔的兩端，以在管中央形成一個連續(xù)的、優(yōu)選氣密的通道。連接板使一根管式電池的陽極與另一根管式電池的陰極形成電接觸。
本發(fā)明的一個目的是提供具有薄膜型電解質(zhì)和電極層的管式電化學(xué)設(shè)備的平行陣列，該設(shè)備可以組合成平行陣列的電池組并串聯(lián)連接。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種在結(jié)構(gòu)上可以避免由于陣列中某一個電化學(xué)設(shè)備故障而導(dǎo)致整個陣列失效的電化學(xué)設(shè)備陣列。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種工作溫度低于大約800℃的固體氧化物燃料電池。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種長效、可靠和容易制造的電化學(xué)電池。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種長時間穩(wěn)定且成本降低的電化學(xué)電池組。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種抗熱沖擊的電化學(xué)電池組。
本發(fā)明更深入的情況和目的將在本說明書的后續(xù)部分進(jìn)行說明，在此，詳細(xì)描述的目的是為了充分公開本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案，而不是對本發(fā)明施加限制。


參考以下附圖將能更充分地理解本發(fā)明，附圖目的僅為說明。
圖1是根據(jù)本發(fā)明的電化學(xué)電池組的側(cè)視圖。
圖2是圖1中根據(jù)本發(fā)明的電化學(xué)電池組的一種管式電化學(xué)電池實(shí)施方案的詳細(xì)側(cè)視圖。
圖3是圖1中電化學(xué)電池組實(shí)施方案的一個金屬連接板的俯視圖。
圖4是根據(jù)本發(fā)明的一種管式電化學(xué)電池的透視圖。
圖5是一個管式燃料電池實(shí)施方案的剖視圖，沿圖4中的5-5線。
圖6是根據(jù)本發(fā)明的一個頂端電化學(xué)電池與一個底端電化學(xué)電池通過金屬連接板連接的一個實(shí)施方案的側(cè)剖視圖。
圖7是根據(jù)本發(fā)明的一個頂端電化學(xué)電池與一個底端電化學(xué)電池通過金屬連接板連接的另一種可選實(shí)施方案的側(cè)剖視圖。
圖8是根據(jù)本發(fā)明的一個頂端電化學(xué)電池與一個底端電化學(xué)電池通過金屬連接板連接的另一種可選實(shí)施方案的側(cè)剖視圖。
圖9是根據(jù)本發(fā)明的一個頂端電化學(xué)電池與一個底端電化學(xué)電池通過金屬連接板連接的另一種可選實(shí)施方案的側(cè)剖視圖。
圖10是根據(jù)本發(fā)明的一個頂端電化學(xué)電池與一個底端電化學(xué)電池通過金屬連接板連接的另一種可選實(shí)施方案的側(cè)剖視圖。
圖11是在本發(fā)明的一個可選擇實(shí)施方案中用來連接頂端和底端電化學(xué)電池的套圈的透視圖。
圖12是圖11中的套圈沿12-12線的剖視圖。
圖13是通過套圈連接頂端和底端電化學(xué)電池的詳細(xì)剖視圖。
圖14是頂端和底端電化學(xué)電池進(jìn)行套圈連接時一個密封實(shí)施方案的詳細(xì)剖視圖。
圖15是根據(jù)本發(fā)明使用套圈和連接板的電化學(xué)電池組的一個可選實(shí)施方案。
具體實(shí)施方案更具體地參考附圖，為了說明的目的，本發(fā)明的實(shí)施方式一般性地示于圖1-15。可以理解，此裝置可在不偏離所公開的基本原則的情況下，對于結(jié)構(gòu)和部件細(xì)節(jié)進(jìn)行適當(dāng)?shù)母淖儭?br> 圖1示出一個電池組10的實(shí)施方案，由具有平面連接板的電化學(xué)電池18的平行陣列構(gòu)成。圖1所示的實(shí)施方案中，50根管式電池的陣列堆成10層。顯然，本發(fā)明事實(shí)上可以設(shè)計成使用任意數(shù)量的管式電池，且這些管式電池可以被堆疊成任意數(shù)量的層數(shù)。雖然這里的管式電化學(xué)電池被畫成圓柱型，但是可以理解這些管式電化學(xué)電池能夠具有任何形式的截面形狀，以便優(yōu)選地最大化電池組的安裝密度和效率。例如，這些電化學(xué)電池的截面形狀可以為正方形、八角形、橢圓形或優(yōu)選的矩形，而且可以有一個或多個通道軸向貫通電池。
參照圖2和圖3，電化學(xué)電池組10具有管式電化學(xué)電池的行12，它被安置在連接板14上。連接板或盤14的優(yōu)選厚度大約在50-5000微米之間，更優(yōu)選的厚度在大約100-1000微米(0.1-1.0mm)之間。
連接板14優(yōu)選用金屬制造并且具有多個開孔16。開孔16的周圍優(yōu)選設(shè)計有墊圈，以便定位單個電化學(xué)電池18并且固定電池，電池裝入后可以密封防止泄漏。電化學(xué)電池18的陣列的行12互相堆疊起來就形成了基本氣密的電化學(xué)電池延長管20，如圖1所示。形成的管20可連接到歧管22、24以連接氣源。氣源可以是燃料或氧化劑，這取決于電化學(xué)電池的構(gòu)造。
歧管22、24允許燃料或氧化劑進(jìn)行循環(huán)，使得燃料的閾值濃度最大化，從而可以優(yōu)化在陽極上的燃料濃度。類似地，氧化劑也可通過循環(huán)來優(yōu)化在陰極上的濃度并改善系統(tǒng)效率。在一個實(shí)施方案中，電池組的過量燃料排出氣中的水、污染物、部分反應(yīng)燃料和其它反應(yīng)產(chǎn)物得到分離，分離的燃料又重新回到裝置的供氣端。因此，由于電化學(xué)設(shè)備的燃料被充分利用來發(fā)電從而使整個系統(tǒng)的效率得到提高。例如，沒有象傳統(tǒng)燃料電池組那樣燃燒排出氣而導(dǎo)致燃料損失。
可以看到電化學(xué)電池的行12的陣列與導(dǎo)電金屬連接板14平行連接。連接板14為串聯(lián)連接以提高裝置的容量。如圖所示的串聯(lián)陣列設(shè)計可以使電池組的電力輸出比相同有效面積的單個電池提高10％。
連接板14所使用的金屬包括但不限于Ni、Cu、含Ni合金、Ni基超合金、含Cu合金、含F(xiàn)e合金、不銹鋼、含Cr的鐵基合金、含有活性元素如Y或La的Fe-Cr合金、奧氏體鋼如AISI304或316、普通鋼如AISI430或446、含Al合金、含Al和一種活性元素如Y的Fe-Cr合金、含0.1-3.0wt％Mn的Fe-Cr合金、含12-30wt％Cr的Fe-Cr合金、含16-26wt％Cr的Fe-Cr合金、含18-22wt％Cr和0.5-2.0wt％Mn和0.1-1.0wt％Y的Fe基合金。對部分或全部金屬進(jìn)行表面改性的方法有溶膠-凝膠沉積、氣相沉積、等離子體噴涂、電鍍或其它本領(lǐng)域已知的技術(shù)。也考慮在連接板14的部分或全部金屬表面涂覆催化劑，如用來對含燃料的碳?xì)浠衔镞M(jìn)行催化重整的重整催化劑。
每個電化學(xué)電池18與連接板14的平行連接也將提高整個電池組的可靠性。傳統(tǒng)燃料電池組設(shè)計被發(fā)現(xiàn)的一個缺陷是只有當(dāng)所有電池被裝配成整體電池組并啟動設(shè)備時，才能發(fā)現(xiàn)單個燃料電池在制造過程中產(chǎn)生的缺陷和運(yùn)輸、操作過程中造成的損壞。單個電池的故障會表現(xiàn)為整個電池組發(fā)電量下降。有缺陷的電池還可以影響相鄰電池的性能。此外，在傳統(tǒng)電池組中大量燃料電池串聯(lián)的物理堆疊不允許用一個新電池來替換故障電池。因此，由于單個電池的故障或缺陷可能導(dǎo)致整個電池組需要被更換。
本發(fā)明中的管式電化學(xué)電池設(shè)計將不會由于單個電化學(xué)電池18的故障或缺陷而導(dǎo)致整個電池組出現(xiàn)災(zāi)難性的崩潰。一個電池的低效或失靈僅會輕微地降低電池行12的總輸出但不會影響行內(nèi)附近的電化學(xué)電池18或相鄰電池行的工作。借助于連接板的冗余度設(shè)計可讓電流被導(dǎo)過電池行12里許多其它平行電池中的一個。
另外，因?yàn)樾〉墓苁诫姵厥窍嗷オ?dú)立的，因此裝置10能夠適應(yīng)大的熱梯度而不會置單個電池18于損壞的危險中。燃料電池的化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物之一可以是熱量，從而會在電池組中制造熱梯度?？梢酝ㄟ^向電池組吹入空氣或其它控溫方法來移除過量的熱。本發(fā)明的一個實(shí)施方案中電池組產(chǎn)生的熱可以通過類似散熱片的金屬連接板14來移除，這里連接板的面積擴(kuò)展到比包含圓筒形燃料電池行12所需的還要大，如圖2所示。這個實(shí)施方案減少了為散熱所需的吹過電池組的過量空氣量。由此可見，大量金屬傳熱板的存在可以幫助平衡電池組內(nèi)的熱量分布。一些盤片的就地冷卻可以使整個電池組的工作溫度正?；?。
通常如圖2所示，電化學(xué)電池18組成的電池組10優(yōu)選容納在一個絕緣且氣密的殼體26里，此殼體能夠根據(jù)電化學(xué)電池18的構(gòu)造充入燃料或氧化劑。在如圖2所示的實(shí)施方案中，熱量從金屬連接板14傳導(dǎo)到熱交換器28，用來預(yù)熱尚未加入電池組中的燃料氣或氧化劑以提高效率。
此外，陶瓷所能承受的壓縮力遠(yuǎn)比拉伸力要大。傳統(tǒng)燃料電池組在工作和冷卻階段施加的不均勻板和拉伸力會引起電解質(zhì)裂開和斷裂，最終破壞單個電池。因此，即使在板的制造公差很小的情況下，施加在電化學(xué)電池的薄電解質(zhì)層上的不均勻或過大負(fù)載也會導(dǎo)致電池脫層或斷裂?？梢岳斫猓苁诫娀瘜W(xué)電池18具有均一尺寸以及主要承受相鄰的電池行和連接板的壓縮力。因此，管式電化學(xué)電池18能夠持久抵抗熱沖擊。
還可以看到，電池組10中的電化學(xué)電池18的分布可以進(jìn)行更改以優(yōu)化電池組的效率和解決電池組中可能的熱量差異。電池組的行12中的單元電池18不需要有相同的尺寸或含有相同的電解質(zhì)、陰極、陽極和/或支撐材料。例如，在一個燃料電池組中，二氧化鈰基的電解質(zhì)電池可以用于低溫區(qū)或靠近燃料進(jìn)出電池組的區(qū)域，和/或質(zhì)子導(dǎo)電電解質(zhì)電池(如摻雜SrCeO3或BaZrO3)可被用在內(nèi)部區(qū)域，和/或以摻雜的氧化鋯為基的電解質(zhì)電池可用在高溫陽極氣體出口附近。通過使用更高導(dǎo)電性的電解質(zhì)、減少進(jìn)氣口附近的蒸汽需求和從陽極室除去H2以降低燃料側(cè)的水分壓并提高燃料利用率的設(shè)計改善了進(jìn)氣口附近的電池性能，從而改善了整個電池組的性能。單個電池18的最優(yōu)分布取決于具體的燃料選擇和電池組構(gòu)造。因此，本發(fā)明的電化學(xué)電池組裝置在結(jié)構(gòu)設(shè)計上有很大的靈活性。
根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施方案，單個電化學(xué)電池18示于圖4和圖5。在燃料電池應(yīng)用中，電化學(xué)電池18通常包括夾在一對多孔的陰極34和陽極32中間的離子導(dǎo)電電解質(zhì)30。雖然為了說明的目的以燃料電池作為電化學(xué)電池的例子，但是應(yīng)該理解到電化學(xué)電池還可以是氧發(fā)生器、合成氣發(fā)生器或氫氣分離器及相似設(shè)備。
電化學(xué)電池18可以是陽極支撐或陰極支撐或電解質(zhì)支撐的。電極支撐電化學(xué)電池18可以包含電極支撐件，可由陶瓷、金屬陶瓷復(fù)合材料(cermet)或合金制成。在一個實(shí)施方案中，電池由兩層材料制成，如Ni-YSZ/YSZ或LSM/YSZ，在這兩層經(jīng)高溫?zé)Y(jié)后加上相反電極。在另一個實(shí)施方案中，施加所有三層材料并在一個高溫步驟中燒結(jié)。如，LSM/YSZ/LSM或LSM/YSZ/Ni-YSZ的三層材料可一步燒結(jié)。
此外，可以理解電極支撐結(jié)構(gòu)也可以是由不同的材料和/或微結(jié)構(gòu)組成的多層結(jié)構(gòu)或梯度結(jié)構(gòu)，并不是簡單的均質(zhì)電極。例如，一種陰極支撐設(shè)計可以包括擠出或注塑的多孔LSM支撐件，其上加一層多孔LSM+YSZ，這上面再加上YSZ電解質(zhì)膜和相反電極。還可以選擇在多孔合金層(如普通鋼)和電解質(zhì)層如YSZ之間加入一層多孔催化層(如Ni-YSZ)。
圖4和圖5所示的實(shí)施方案是一個陰極支撐的電化學(xué)電池18。在這個實(shí)施方案中，通過注塑、離心澆鑄、粉漿澆鑄、帶狀澆鑄、擠出、共擠出、均衡沖壓、電泳沉積、浸漬涂布、氣溶膠噴涂以及陶瓷加工和粉末冶金技術(shù)中可用來制造適于薄膜沉積的多孔基底的其它已知方法，將陰極材料加工成一根細(xì)管。擠出或注塑是支撐結(jié)構(gòu)制造的優(yōu)選方法。陽極支撐的電化學(xué)電池18以相似的方式制作。在另一個實(shí)施方案中，陽極、電解質(zhì)和陰極均被置于一個管狀多孔支撐物上，此支撐物優(yōu)選用粉末金屬或金屬陶瓷復(fù)合物制造。陽極、電解質(zhì)和陰極優(yōu)選以薄膜的形式置于多孔金屬支撐物上。
電化學(xué)電池18的優(yōu)選高度由電極層的導(dǎo)電性決定。對于陶瓷支撐結(jié)構(gòu)，電化學(xué)電池18的高度優(yōu)選為大約1-5cm。對于金屬支撐電化學(xué)電池結(jié)構(gòu)，電池18的高度優(yōu)選為大約2-10cm。
在陰極支撐的實(shí)施方案中，陰極電極34優(yōu)選為圓柱形或長方形管，其厚度范圍為大約100-3000μm。不過，陰極層厚度范圍特別優(yōu)選為大約150-2000μm。在陽極支撐的電化學(xué)電池中，陰極34優(yōu)選作為一層薄膜與電解質(zhì)30的一側(cè)表面結(jié)合，以提供厚度范圍為大約50-1500μm的陰極電極34。應(yīng)該理解選擇的電極管和電解質(zhì)的厚度可以根據(jù)電極和電解質(zhì)材料的熱膨脹性質(zhì)、電子導(dǎo)電性和離子導(dǎo)電性進(jìn)行更改。
根據(jù)本發(fā)明，適用作陰極的材料包括金屬陶瓷復(fù)合物和陶瓷。例如，其它合適的陶瓷成分包括La1-xSrxMnyO3-δ(1≥x≥0.05)(0.95≤y≤1.15)(“LSM”)(δ定義為表示與理想化學(xué)計量的微小偏差的數(shù)值)，La1-xSrxCoO3-δ(1≥x≥0.10)(“LSC”)，La1-xSrxFeyO3-δ(1≥x≥0.05)(0.95≤y≤1.15)(“LSF”)，SrCo1-xFexO3-δ(0.30≥x≥0.20)，La0.6Sr0.4Co0.6Fe0.4O3-δ，Sr0.7Ce0.3MnO3-δ，LaNi0.6Fe0.4O3-δ，Sm0.5Sr0.5CoO3-δ，氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯(YSZ)，氧化鈧穩(wěn)定的氧化鋯(SSZ)，(CeO2)0.8(Gd2O3)0.2(CGO)，La0.8Sr0.2Ga0.85Mg0.15O2.825(LSGM20-15)，(Bi2O3)0.75(Y2O3)0.25，和氧化鋁。
優(yōu)選的LSM材料包括La0.8Sr0.2MnO3，La0.65Sr0.30MnO3-δ和La0.45Sr0.55MnO3-δ。對于金屬陶瓷復(fù)合物，適合的金屬成分是過渡金屬，Cr、Fe、Ag和/或合金，如低鉻普通鋼，型號405和409(11-15％Cr)；中鉻普通鋼，型號430和434(16-18％Cr)；高鉻普通鋼，型號442、446和E-Brite(19-30％Cr)，鉻基合金如Cr5Fe1Y以及含鉻的鎳基合金如Ni20Cr和鉻鎳鐵合金如Inconel600(Ni76％，Cr15.5％，F(xiàn)e8％，Cu0.2％，Si0.2％，Mn0.5％和C0.08％)。
極薄的電解質(zhì)層30優(yōu)選用在陰極管34上。已經(jīng)表明由于沉積成薄膜的離子和離子-電子導(dǎo)電材料的歐姆損失減少，以致使用薄膜型陶瓷電解質(zhì)和電極的電化學(xué)電池的工作溫度能夠降低。在一個實(shí)施方案中，這兩層隨后被共燒結(jié)生成良好結(jié)合在多孔結(jié)構(gòu)電極上的無孔致密電解質(zhì)膜。在選擇電解質(zhì)和電極材料時應(yīng)該考慮膜和基底材料的燒結(jié)性質(zhì)。例如，第二電極的燒結(jié)溫度與給予電解質(zhì)足夠密度以防止氣體透過電解質(zhì)層的溫度或加工第一電極的溫度各不相同可能是必要的，這取決于所選的電極材料的性質(zhì)。
本領(lǐng)域已知的制造薄膜的方法包括物理氣相沉積技術(shù)、帶狀壓延、溶膠-凝膠沉積、濺射、膠體沉積、離心澆鑄、粉漿澆鑄、帶狀澆鑄、擠出、絲網(wǎng)印刷、刷涂、帶轉(zhuǎn)移、共擠出、電泳沉積、浸漬涂布、氣溶膠噴涂、真空滲透、等離子體沉積、電化學(xué)沉積以及其它本領(lǐng)域已知技術(shù)方法。優(yōu)選浸漬涂布、氣溶膠噴涂和絲網(wǎng)印刷技術(shù)。典型地，需要加熱至足夠的溫度以保證和多孔支撐層充分結(jié)合并且使電解質(zhì)致密化。
雖然有許多方法制作薄膜，但優(yōu)選以膠體沉積法來沉積薄膜。在此實(shí)施方案中，電解質(zhì)材料通常制成在液體介質(zhì)中分散的粉末材料懸浮液，使用的液體介質(zhì)如水、異丙醇和其它合適的有機(jī)溶劑。此懸浮液可通過不同的方法涂布于電極層表面，如通過氣溶膠噴涂、浸漬涂布、電泳沉積、真空滲透或帶狀澆鑄的方法。典型地是以膠體沉積方法將期望的氧化物膜沉積到未燒或部分燒結(jié)的基底上。此外，膜與基底表面應(yīng)充分結(jié)合并且不過量滲透到電極孔隙里，同時應(yīng)使電解質(zhì)和電極間界面上的極化作用最小。
優(yōu)選膠體方法是因?yàn)檫@種方法既便宜又可調(diào)節(jié)，以及能夠生產(chǎn)出高性能和低工作溫度的裝置。但是，在多孔基底上膠體沉積致密電解質(zhì)層需要二者的材料在加工溫度下是化學(xué)相容的，并且層間的熱膨脹必須配合適當(dāng)。
在高孔隙率的電極基底上的無孔和無裂紋的致密電解質(zhì)層30的厚度范圍為大約1-50μm，并且優(yōu)選具有合適的微結(jié)構(gòu)以確保設(shè)備工作期間的低過電壓。對于典型的燃料電池應(yīng)用，優(yōu)選的電解質(zhì)層厚度范圍為大約10-30μm。
電解質(zhì)材料優(yōu)選包括金屬氧化物(陶瓷)粉末薄層，如氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯(YSZ)，例如，(ZrO2)x(Y2O3)y，其中(0.88≥x≥0.97)和(0.03≤y≤0.12)。在商業(yè)上可行的優(yōu)選材料為(ZrO2)0.92(Y2O3)0.08或(ZrO2)0.90(Y2O3)0.10。其它可能的電解質(zhì)材料包括(ZrO2)0.90(Sc2O3)0.1，氧化鈧穩(wěn)定的氧化鋯(SSZ)、(CeO2)0.8(Gd2O3)0.2(CGO)、La0.8Sr0.2Ga0.85Mg0.15O2.825(LSGM20-15)和(Bi2O3)0.75(Y2O3)0.25。做為選擇，電解質(zhì)材料還可以是混合的離子電子導(dǎo)體，例如SrCo1-xFexO3-δ(0.30≥x≥0.20)、La0.6Sr0.4Co0.6Fe0.4O3-δ、Sm0.5Sr0.5CoO3-δ和LaNi0.6Fe0.4O3-δ。例如，此結(jié)構(gòu)也可以用在氧分離裝置中。
在陰極支撐的電化學(xué)電池18上的陽極32優(yōu)選是厚度范圍為大約50-500μm的薄膜。不過，優(yōu)選電極層厚度范圍為大約150-300μm。在陽極支撐的電化學(xué)電池18中，陽極管優(yōu)選厚度范圍為大約250-2500μm。
電極和電解質(zhì)材料優(yōu)選是相匹配的，而且使用的材料厚度可基于電極和電解質(zhì)材料以及連接材料的熱膨脹、電子傳導(dǎo)率和離子傳導(dǎo)率特性來選擇。此外，電解質(zhì)膜30的厚度取決于電解質(zhì)材料的不透氣和保持力學(xué)完整的能力，如暴露在一定范圍的工作和停止溫度下的抗裂紋能力。
連接板14可由廉價的普通鋼材料制造，其熱膨脹性可與典型的電極和電解質(zhì)材料匹配?？梢岳斫饨饘龠B接板14可利用低成本技術(shù)進(jìn)行打孔和沖壓，以提供在電化學(xué)電池18的行12的頂部和底部與連接板14之間的合適連接。
參考圖6至圖10，在頂部電化學(xué)電池36和底部電化學(xué)電池38以及設(shè)計于連接板14中的沖壓孔16的截面中示出沖壓連接設(shè)計的幾個實(shí)施方案。在圖6中，可見經(jīng)過打孔和沖壓，連接板14為頂部和底部電化學(xué)電池36、38提供了支座。在所示的實(shí)施方案中，電化學(xué)電池36、38由陰極34支撐并裝有薄電解質(zhì)30和外部陽極32。頂部電化學(xué)電池36優(yōu)選用金屬使連接板14的頂部垂直套環(huán)44和電池36的陽極32進(jìn)行電極壓力接觸，并且提供電池18和連接板14的電接觸。在一個實(shí)施方案中，套環(huán)40通過密封材料42密封到陽極上。
在示于圖6的實(shí)施方案中，底部管式電化學(xué)電池34的內(nèi)部接收連接板14的垂直套環(huán)40且該套環(huán)與陰極30相接觸。底部電化學(xué)電池34的頂端優(yōu)選以金屬、玻璃或陶瓷密封材料42與連接板密封。
單個電化學(xué)電池18與優(yōu)選的金屬連接板14的密封可以用陶瓷、玻璃、玻璃陶瓷、金屬陶瓷、合金銅焊或焊接來完成。電絕緣密封材料優(yōu)選是含氧化鋁、二氧化硅或二氧化鈦的陶瓷漿料或金屬陶瓷。導(dǎo)電密封材料優(yōu)選是基于銀、銅或鎳的銅焊合金，或混有如氧化鋁、二氧化硅或二氧化鈦的陶瓷的銅焊合金。銅焊可用作箔或漆。典型的上漆方式為噴涂、刷涂、輥涂或絲網(wǎng)印刷。
注意底部電化學(xué)電池38的陽極32或電解質(zhì)30并未與連接板14接觸。底部電化學(xué)電池38與連接板14的唯一接觸部分是環(huán)44與陰極34之間的接觸。也要注意頂部電化學(xué)電池36與連接板14優(yōu)選的唯一接觸部分是與陽極32接觸。底部電化學(xué)電池38的陰極34和電解質(zhì)30優(yōu)選以玻璃或陶瓷密封材料48與連接板14密封。
圖7和圖8是壓制成的連接板14的可選擇實(shí)施方案，它提供與管式電化學(xué)電池36、38一側(cè)的陽極的電接觸。陽極-連接板的接縫可用上述密封材料密封。
圖9和圖10是使用彈簧封邊的壓制成的連接板14的可選擇實(shí)施方案，在此實(shí)施方案中，沖孔16的沖壓邊緣與支座偏心，并且將頂部和底部電化學(xué)電池36、38密封。如果此壓縮密封不充分，那么可以在圖9和圖10所示的實(shí)施方案中的陽極連接接縫處應(yīng)用上述密封材料。
再看圖11至圖15，示出一般的連接件-電化學(xué)電池接頭的可選擇實(shí)施方案。在此實(shí)施方案中，頂部和底部電化學(xué)電池50、52可以被分別插入到套圈58的頂部和底部環(huán)套54、56中并密封。然后，將套圈58、頂部電化學(xué)電池50和底部電化學(xué)電池52插入到連接板14的孔16中，并且通過環(huán)繞套圈58周圍的平面邊緣(planar lip)60連接到板14上。套圈58的外緣60可以不僅用來連接金屬板，也可提供在電池組內(nèi)的平行連接。
參見圖13，示出套圈58與頂部和底部電化學(xué)電池50、52的接頭的實(shí)施方案細(xì)節(jié)。在此實(shí)施方案中，底部電化學(xué)電池52的陰極64利用導(dǎo)電密封劑62密封在套圈58的環(huán)套56中。在此實(shí)施方案中，陽極68和電解質(zhì)66均不和套圈58接觸。頂部電化學(xué)電池50以底端插入套圈58的頂部環(huán)套54中以及利用非導(dǎo)電密封劑70將陰極64與環(huán)套密封。在圖13所示的實(shí)施方案中，電化學(xué)電池50的陽極68通過導(dǎo)電密封劑72連接到套圈58的環(huán)套54的壁上。
密封頂部和底部電化學(xué)電池50、52到套圈58的接頭的可選擇實(shí)施方案被示出。在此實(shí)施方案中，將頂部電化學(xué)電池50的底部邊緣裝入套圈58的環(huán)套54中，并通過非導(dǎo)電密封劑74進(jìn)行密封。相似地，將底部電化學(xué)電池52裝入套圈58的環(huán)套56中，并通過非導(dǎo)電密封劑74進(jìn)行密封。
頂部電化學(xué)電池50的陽極68還通過導(dǎo)電漿料76或相似的導(dǎo)電密封劑或連接材料與套圈58連接并密封。導(dǎo)電漿料76優(yōu)選為電子從陽極68移動提供良好的接觸。同樣，底部電化學(xué)電池52的陰極64使用導(dǎo)電漿料78或類似材料使陰極64與套圈58接觸。
參見圖15，示出本發(fā)明的一個可選擇實(shí)施方案，該方案具有使用套圈和連接板14的成對多個電池組。在此實(shí)施方案中，單個電化學(xué)電池可以在平行的連接板之間與N個電池串聯(lián)連接，此處N＝1-100，優(yōu)選＝2-10。圖15所示的是兩行平行管，每一行含有3個串聯(lián)的電化學(xué)電池(N＝3)。
可以看到，裝置在斷路或短路的情況下會導(dǎo)致電流輸送失敗。關(guān)于裝置故障模式的信息可用來進(jìn)一步優(yōu)化電池組的設(shè)計。單個電池的短路故障不會使裝在平行連接板之間的所有電池短路。
在此實(shí)施方案中，底部電化學(xué)電池80安裝并密封于套圈58，該套圈隨后密封連接到上述基底連接板14上。第二套圈58密封在電化學(xué)電池80的遠(yuǎn)端。中間電化學(xué)電池82與第二套圈58和電池82遠(yuǎn)端的第三套圈密封連接。第三電池84一端密封到第三套圈和另一端密封到第四套圈。第四套圈安裝到連接板14。
因此，電化學(xué)電池可以直接密封到連接板14，或電池可以先連接到套圈58然后再插入到連接板14中。套圈58可以應(yīng)用在電化學(xué)設(shè)備重復(fù)單元(單個電池)的一端或兩端。在另一個實(shí)施方案中，套圈58可以設(shè)計為以凸/凹連接形式(未示出)來配合連接第二個套圈或金屬板。
隨著利用套圈58的模件來安裝電化學(xué)電池，套圈58的組成可與連接板14的組成不同，而且制造條件也可改變。例如，銅焊或粘結(jié)套圈58到管式電化學(xué)電池50、52上可以與粘結(jié)或連接套圈58到連接板14上分開，而且允許使用氧化鋁或二氧化硅形成的合金作為連接板14而不用形成高電阻界面。
圖15中的單個管式電池或一組電化學(xué)電池可以被銅焊到鎳、銅或不銹鋼套圈58上，例如，使用AgCuTi銅焊合金在套圈和電池支撐電極之間形成導(dǎo)電密封。漿料、密封劑和銅焊合金可以涂布在連接板14或套圈58或電化學(xué)電池80、82、84以及這些組件的組合上，這取決于使用的沉積技術(shù)(如浸涂、絲網(wǎng)印刷、輥涂、刷涂等)。
在圖15所示的實(shí)施方案中，氧化鋁漿料可用來在第二套圈和電池之間進(jìn)行非導(dǎo)電密封；AgCuTi銅焊合金可隨后用來電連接第二套圈與相反的電極，以建立從第一套圈到支撐電極、從電解質(zhì)到第二反電極，再到第二套圈的電通路。
在此結(jié)構(gòu)中的套圈可以隨后點(diǎn)焊到氧化鋁形成的合金連接板14上(典型的是含鉻、鋁和釔的鐵基合金，一般表示為FeCrAlY)?？梢岳斫庠诤附拥膬?nèi)部不易氧化，因此能保持金屬連接板14和套圈58之間的電接觸。這允許形成電絕緣范圍的高溫合金通過焊接或相似的方法電連接到電池或電池系列上。
類似地，氧化鋁形成的合金(如FeCrAlY)能夠使金屬墊圈，如鎳或銅環(huán)，被定位在氣體流向管式電池的開口周圍，并焊接在FeCrAlY板上。套圈或電池粘結(jié)或銅焊到非FeCrAlY的金屬上。這再次允許將通過非導(dǎo)電區(qū)域形成高粘附的合金用作連接板。
雖然以上描述含有許多細(xì)節(jié)，但是這不應(yīng)被認(rèn)作對發(fā)明范圍的限制，而僅僅是提供本發(fā)明的一些現(xiàn)有優(yōu)選的實(shí)施方案的說明。因此，可以理解本發(fā)明的范圍完全包括對于本領(lǐng)域的熟練人員來說很明顯的其它實(shí)施方案，因而本發(fā)明的范圍僅受到所附的權(quán)利要求的限制，其中以單數(shù)形式指稱一個要素并非意指“一個且僅有一個”，除非明確指出，否則就是“一個或多個”的意思。所有在結(jié)構(gòu)上、化學(xué)上和功能上與上述優(yōu)選實(shí)施方案的要素和本領(lǐng)域已有的普通技術(shù)的要素的等同物通過引用被清晰地引入并且意圖被本權(quán)利要求所包括。此外，不需要為設(shè)備或方法指明本發(fā)明尋求解決的單個或每個問題，因?yàn)槠湟驯槐緳?quán)利要求所包括。并非本發(fā)明公開的所有要素、成分或方法步驟都需要為公眾指明，無論這些要素、成分或方法步驟是否在權(quán)利要求中有明確敘述。此處未要求的要素將依35U.S.C.112第六節(jié)的規(guī)定解釋，除非該要素被使用短語“意味著”來明確敘述。
權(quán)利要求
1.一種電化學(xué)電池組裝置，包括多個導(dǎo)電連接板；每個所述連接板具有多個開孔；和多個管式電化學(xué)電池被安裝并密封在所述連接板之間；其中所述管式電化學(xué)電池定向穿過相應(yīng)的所述開孔，以形成氣體通路。
2.權(quán)利要求1所述電化學(xué)電池組裝置，其中所述管式電化學(xué)電池包括多孔陰極；基本不透氣的離子導(dǎo)電電解質(zhì)；和多孔陽極。
3.權(quán)利要求2所述電化學(xué)電池組裝置，其中所述管式電化學(xué)電池的多孔陰極被設(shè)計來支撐電解質(zhì)層和陽極層。
4.權(quán)利要求3所述電化學(xué)電池組裝置，其中所述陰極包括厚度為約100-3000μm的多孔支撐體。
5.權(quán)利要求3所述電化學(xué)電池組裝置，其中所述陰極包括厚度為約150-2000μm的多孔支撐體。
6.權(quán)利要求2所述電化學(xué)電池組裝置，其中所述陰極包含一種選自LSM、LSC、LSF和鑭鍶鈷鐵氧體的材料。
7.權(quán)利要求2所述電化學(xué)電池組裝置，其中所述管式電化學(xué)電池的電解質(zhì)被設(shè)計來支撐陰極層和陽極層。
8.權(quán)利要求3所述電化學(xué)電池組裝置，其中所述電解質(zhì)包括應(yīng)用在所述陰極支撐體上的厚度為約1-50μm的電解質(zhì)薄膜。
9.權(quán)利要求2所述電化學(xué)電池組裝置，其中所述電解質(zhì)包含一種選自摻雜氧化鋯、摻雜二氧化鈰和摻雜鎵酸鑭的材料。
10.權(quán)利要求8所述電化學(xué)電池組裝置，其中所述陽極包括應(yīng)用在所述電解質(zhì)薄膜上的薄膜，所述陽極厚度為約50-500μm。
11.權(quán)利要求8所述電化學(xué)電池組裝置，其中所述陽極包括應(yīng)用在所述電解質(zhì)層上的厚度為約150-300μm的薄膜。
12.權(quán)利要求2所述電化學(xué)電池組裝置，其中所述管式電化學(xué)電池的多孔陽極被設(shè)計來支撐電解質(zhì)層和陰極層。
13.權(quán)利要求12所述電化學(xué)電池組裝置，其中所述陽極包括厚度為約250-2500μm的多孔支撐體。
14.權(quán)利要求2所述電化學(xué)電池組裝置，其中所述陽極包含一種選自Ni-YSZ和Ni-CGO的材料。
15.權(quán)利要求1所述電化學(xué)電池組裝置，其中所述管式電化學(xué)電池的長度為約1-10cm。
16.權(quán)利要求2所述電化學(xué)電池組裝置，其中所述電化學(xué)電池還包括多孔金屬支撐件；其中所述陰極、電解質(zhì)和陽極均安裝在所述多孔金屬支撐件上。
17.權(quán)利要求1所述電化學(xué)電池組裝置，其中每個所述連接板均包括一種金屬板。
18.權(quán)利要求1所述電化學(xué)電池組裝置其中每個所述連接板還包括在所述連接板的每個開口周邊的多個壓制成的隆起；和其中所述隆起被成形用來咬合所述相應(yīng)電化學(xué)電池。
19.權(quán)利要求1所述電化學(xué)電池組裝置，還包括至少一個密封材料，位于所述管式電化學(xué)電池與所述連接板之間。
20.權(quán)利要求19所述電化學(xué)電池組裝置，其中位于所述電化學(xué)電池與所述連接板之間的所述密封材料包括一種導(dǎo)電密封材料。
21.權(quán)利要求19所述電化學(xué)電池組裝置，其中位于所述電化學(xué)電池與所述連接板之間的所述密封材料包括一種電絕緣密封材料。
22.權(quán)利要求19所述電化學(xué)電池組裝置，其中所述的密封材料包含一種選自銅焊、焊接、陶瓷、玻璃陶瓷、陶瓷-金屬復(fù)合物以及金屬的材料。
23.權(quán)利要求1所述電化學(xué)電池組裝置，還包括一種導(dǎo)氣歧管，其結(jié)構(gòu)使得引導(dǎo)氣體通過堆疊電化學(xué)電池的所述通路。
24.權(quán)利要求23所述電化學(xué)電池組裝置，還包括在進(jìn)入所述第一歧管前對氣體進(jìn)行預(yù)熱的裝置。
25.權(quán)利要求23所述電化學(xué)電池組裝置，還包括第二導(dǎo)氣歧管，其結(jié)構(gòu)使得從堆疊電化學(xué)電池的所述通路中接收氣體。
26.權(quán)利要求25所述電化學(xué)電池組裝置，其中所述第二導(dǎo)氣歧管可操作地連接到氣體凈化器中，用來從未反應(yīng)氣體中分離反應(yīng)產(chǎn)物。
27.權(quán)利要求1所述電化學(xué)電池組裝置，還包括從電池組中移除多余熱量的裝置。
28.權(quán)利要求27所述電化學(xué)電池組裝置，其中所述從電池組中移除多余熱量的裝置包括可操作地連接到所述連接板上的熱交換器。
29.一種電化學(xué)電池組裝置，包括具有多個開孔的導(dǎo)電基板；第一行管式電化學(xué)電池，每個所述電池都具有定向穿過所述基板的相應(yīng)開孔和第一導(dǎo)電連接板的相應(yīng)開孔的中心通道，所述第一行管式電池電連接并且密封到所述基板和所述的第一導(dǎo)電連接板上；和第二行管式電化學(xué)電池，具有定向穿過所述第一導(dǎo)電板的相應(yīng)開孔的中心通道，所述電池電連接并且密封到所述第一導(dǎo)電連接板上，所述第二行管式電池定向穿過頂部導(dǎo)電板的相應(yīng)開孔并密封到所述頂部導(dǎo)電板上。其中所述第一和第二行管式電化學(xué)電池的中心通道形成氣體通路。
30.權(quán)利要求29所述電化學(xué)電池組裝置，其中每個所述管式電化學(xué)電池包括多孔陰極；基本不透氣的離子導(dǎo)電電解質(zhì)；和多孔陽極。
31.權(quán)利要求30所述電化學(xué)電池組裝置，其中每個所述電化學(xué)電池還包括多孔金屬支撐件；所述陰極、電解質(zhì)和陽極均安裝在所述多孔金屬支撐件上。
32.權(quán)利要求31所述電化學(xué)電池組裝置，其中所述多孔金屬支撐件包括一種燒結(jié)的粉末金屬。
33.權(quán)利要求30所述電化學(xué)電池組裝置，其中所述管式電化學(xué)電池的多孔陰極被設(shè)計來支撐電解質(zhì)層和陽極層。
34.權(quán)利要求30所述電化學(xué)電池組裝置，其中所述管式電化學(xué)電池的多孔陽極被設(shè)計來支撐電解質(zhì)層和陰極層。
35.權(quán)利要求29所述電化學(xué)電池組裝置，其中所述基板、連接板和頂板均包括金屬板。
36.權(quán)利要求29所述電化學(xué)電池組裝置其中所述基板、連接板和頂板還包括所述開孔周圍的壓制成的隆起；和其中所述隆起被成形用來咬合所述多個電化學(xué)電池。
37.權(quán)利要求29所述電化學(xué)電池組裝置，還包括至少一個密封材料，位于所述管式電化學(xué)電池和基板、連接板或頂板之間。
38.權(quán)利要求37所述電化學(xué)電池組裝置，其中位于所述電化學(xué)電池與所述板之間的所述密封材料包括一種導(dǎo)電密封材料。
39.權(quán)利要求37所述電化學(xué)電池組裝置，其中位于所述電化學(xué)電池與所述連接板之間的所述密封材料包括一種電絕緣密封材料。
40.權(quán)利要求37所述電化學(xué)電池組裝置，其中所述的密封材料包含一種選自銅焊、焊接、陶瓷、玻璃陶瓷、陶瓷-金屬復(fù)合物以及金屬的材料。
41.權(quán)利要求30所述電化學(xué)電池組裝置，其中所述第一行電化學(xué)電池的陰極電連接到所述連接板上，所述第二行電化學(xué)電池的陽極電連接到所述連接板上。
42.權(quán)利要求30所述電化學(xué)電池組裝置，其中所述第一行電化學(xué)電池的陽極電連接到所述連接板上，所述第二行電化學(xué)電池的陰極電連接到所述連接板上。
43.一種電化學(xué)電池組裝置，包括多個管式電化學(xué)電池，每個所述電池具有一個陽極接觸端和一個陰極接觸端；多個套圈，每個所述套圈配置來電連接第一電化學(xué)電池相應(yīng)的陽極接觸端和第二電化學(xué)電池相應(yīng)的陰極接觸端；和多個連接板；每個所述連接板具有多個開孔；其中所述多個套圈和所述多個電化學(xué)電池定向穿過所述開孔并安裝在所述連接板上。
44.權(quán)利要求43所述電化學(xué)電池組裝置，其中所述套圈包含一種選自Ni、Cu、Au、和不銹鋼的材料。
45.權(quán)利要求43所述電化學(xué)電池組裝置，其中所述多個套圈和所述多個連接板由不同的導(dǎo)電材料組成。
46.權(quán)利要求45所述電化學(xué)電池組裝置，其中所述多個套圈和所述多個連接板由熱膨脹性質(zhì)相匹配的不同的導(dǎo)電材料組成。
47.權(quán)利要求43所述電化學(xué)電池組裝置，其中每個所述管式電化學(xué)電池包括多孔陰極；基本不透氣的離子導(dǎo)電電解質(zhì)；和多孔陽極。
48.權(quán)利要求47所述電化學(xué)電池組裝置，其中每個所述電化學(xué)電池還包括多孔金屬支撐件；所述陰極、電解質(zhì)和陽極均安裝在所述多孔金屬支撐件上。
49.權(quán)利要求48所述電化學(xué)電池組裝置，其中所述多孔金屬支撐件包括燒結(jié)的粉末金屬。
50.權(quán)利要求47所述電化學(xué)電池組裝置，其中所述管式電化學(xué)電池的多孔陰極被設(shè)計來支撐電解質(zhì)層和陽極層。
51.權(quán)利要求50所述電化學(xué)電池組裝置，其中所述陰極包括厚度為約100-3000μm的多孔支撐體。
52.權(quán)利要求50所述電化學(xué)電池組裝置，其中所述陰極包括厚度為約150-2000μm的多孔支撐體。
53.權(quán)利要求47所述電化學(xué)電池組裝置，其中所述陰極包含一種選自LSM、LSC、LSF和鑭鍶鈷鐵氧體的材料。
54.權(quán)利要求47所述電化學(xué)電池組裝置，其中所述管式電化學(xué)電池的電解質(zhì)被設(shè)計來支撐陰極層和陽極層。
55.權(quán)利要求47所述電化學(xué)電池組裝置，其中所述電解質(zhì)包括應(yīng)用在所述陰極支撐體上的厚度為約1-50μm的電解質(zhì)薄膜。
56.權(quán)利要求47所述電化學(xué)電池組裝置，其中所述電解質(zhì)包含一種選自摻雜氧化鋯、摻雜二氧化鈰和摻雜鎵酸鑭的材料。
57.權(quán)利要求55所述電化學(xué)電池組裝置，其中所述陽極包括應(yīng)用在所述電解質(zhì)薄膜上的薄膜，所述陽極厚度為約50-500μm。
58.權(quán)利要求55所述電化學(xué)電池組裝置，其中所述陽極包括應(yīng)用在所述電解質(zhì)層上的厚度為約150-300μm的薄膜。
59.權(quán)利要求47所述電化學(xué)電池組裝置，其中所述管式電化學(xué)電池的多孔陽極被設(shè)計來支撐電解質(zhì)層和陰極層。
60.權(quán)利要求59所述電化學(xué)電池組裝置，其中所述陽極包括厚度為約250-2500μm的多孔支撐體。
61.權(quán)利要求47所述電化學(xué)電池組裝置，其中所述陽極包含一種選自Ni-YSZ和Ni-CGO的材料。
62.權(quán)利要求43所述電化學(xué)電池組裝置，其中所述管式電化學(xué)電池的長度為約1-10cm。
63.權(quán)利要求43所述電化學(xué)電池組裝置，其中每個所述連接板均包括一種金屬板。
64.權(quán)利要求43所述電化學(xué)電池組裝置其中每個所述連接板還包括在所述連接板的每個開口周邊的多個壓制成的隆起；和其中所述隆起被成形用來咬合所述多個電化學(xué)電池。
65.權(quán)利要求43所述電化學(xué)電池組裝置，還包括至少一個密封材料，位于所述管式電化學(xué)電池與所述連接板之間。
66.權(quán)利要求65所述電化學(xué)電池組裝置，其中位于所述電化學(xué)電池與所述連接板之間的所述密封材料包括一種導(dǎo)電密封材料。
67.權(quán)利要求65所述電化學(xué)電池組裝置，其中位于所述電化學(xué)電池與所述連接板之間的所述密封材料包括一種電絕緣密封材料。
68.權(quán)利要求65所述電化學(xué)電池組裝置，其中所述的密封材料包含一種選自銅焊、焊接、陶瓷、玻璃陶瓷、陶瓷-金屬復(fù)合物以及金屬的材料。
69.權(quán)利要求43所述電化學(xué)電池組裝置，還包括一種導(dǎo)氣歧管，其結(jié)構(gòu)使得引導(dǎo)氣體通過堆疊電化學(xué)電池的所述通路。
70.權(quán)利要求69所述電化學(xué)電池組裝置，還包括在進(jìn)入所述第一歧管前對氣體進(jìn)行預(yù)熱的裝置。
71.權(quán)利要求69所述電化學(xué)電池組裝置，還包括第二導(dǎo)氣歧管，其結(jié)構(gòu)使得從堆疊電化學(xué)電池的所述通路中接收氣體。
72.權(quán)利要求71所述電化學(xué)電池組裝置，其中所述第二導(dǎo)氣歧管可操作地連接到氣體凈化器中，用來從未反應(yīng)氣體中分離反應(yīng)產(chǎn)物。
73.權(quán)利要求43所述電化學(xué)電池組裝置，還包括從電池組中移除多余熱量的裝置。
74.權(quán)利要求73所述電化學(xué)電池組裝置，其中所述從電池組中移除多余熱量的裝置包括可操作地連接到所述連接板上的熱交換器。
75.用于模塊化組裝電化學(xué)電池的模件，包括第一組管式電化學(xué)電池，每個所述電池具有一個陽極接觸端和一個陰極接觸端；第二組管式電化學(xué)電池，每個所述電池具有一個陽極接觸端和一個陰極接觸端；和具有多個開孔以及頂部和底部的導(dǎo)電連接板，裝配所述連接板的頂部以與所述第一組電化學(xué)電池的陽極接觸端電連接，裝配所述連接板的底部以與所述第二組電化學(xué)電池的陰極接觸端電連接；其中所述第一和第二組電化學(xué)電池被排列穿過連接板的開孔，以形成通過所述電化學(xué)電池和連接板的氣體通路。
76.權(quán)利要求75所述模件，還包括第三組管式電化學(xué)電池，所述電池采用套圈與所述第一組電化學(xué)電池連接。
77.權(quán)利要求75所述模件，還包括第四組管式電化學(xué)電池，所述電池采用套圈與所述第一組電化學(xué)電池連接。
78.權(quán)利要求75所述模件，還包括至少一個密封材料，位于每個所述管式電化學(xué)電池與所述連接板之間。
79.權(quán)利要求78所述模件，其中位于所述電化學(xué)電池與所述連接板之間的所述密封材料包括一種導(dǎo)電密封材料。
80.權(quán)利要求78所述模件，其中位于所述電化學(xué)電池與所述連接板之間的所述密封材料包括一種電絕緣密封材料。
81.權(quán)利要求78所述模件，其中所述的密封材料包含一種選自銅焊、焊接、陶瓷、玻璃陶瓷、陶瓷-金屬復(fù)合物以及金屬的材料。
82.權(quán)利要求75所述模件，還包括多個套圈，每個所述套圈連接到電化學(xué)電池上相應(yīng)的陽極接觸端和相應(yīng)的陰極接觸端。
83.權(quán)利要求82所述模件，還包括至少一個密封材料，位于每個所述管式電化學(xué)電池和所述套圈之間。
84.權(quán)利要求83所述模件，其中位于所述管式電化學(xué)電池和所述套圈之間的所述密封材料包括一種導(dǎo)電密封材料。
85.權(quán)利要求83所述模件，其中位于所述管式電化學(xué)電池和所述套圈之間的所述密封材料包括一種電絕緣密封材料。
全文摘要
多個管式電化學(xué)電池組平行地安置在壓制成的導(dǎo)電連接板或套圈上，其中電池包含置于陰極和陽極之間、優(yōu)選沉積成薄膜形式的致密電解質(zhì)。此電池組允許其中一個或幾個電化學(xué)電池發(fā)生故障，而不會使整個電池組失效。電池組的效率通過簡化氣道、氣體循環(huán)、降低工作溫度以及改善熱量分布而得到增強(qiáng)。
文檔編號H01M4/90GK1653638SQ03810230
公開日2005年8月10日 申請日期2003年5月7日 優(yōu)先權(quán)日2002年5月7日
發(fā)明者克雷格·P·雅各布森, 史蒂文·J·維斯科, 盧特加德·C·德容格 申請人:加利福尼亞大學(xué)董事會