專利名稱：帶有平面高溫燃料電池的蓄電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及帶有按照權(quán)利要求1前敘部分所述的平面高溫燃料電池的蓄電池。
從歐洲專利申請(qǐng)9581039.5(＝P.6678)中已知該類型的蓄電池，該專利在下文中命名為EP-Axy。蓄電池的電池在所有情況下都包括一個(gè)電化學(xué)活性板極和一個(gè)成為空氣熱交換器的三層互連器?；ミB器的中間層由一個(gè)板極組成，該板極的熱膨脹系數(shù)大致與電化學(xué)活性板極的熱膨脹系數(shù)相同；這些橫向的層由大致比中間層板極薄的金屬片構(gòu)成。金屬片以浮雕方式構(gòu)成，并且通過(guò)大量的接觸點(diǎn)安全地連接到中間板極。形成橫向的金屬片以與電化學(xué)活性板極和相鄰電池的相應(yīng)板極直接接觸。
由于操作溫度高以及由于在互連器表面形成金屬氧化物，因此必須使用由至少含有25％的鉻并且形成氧化鉻保護(hù)層的合金。由于氧化鋁與氧化鉻相反，是不導(dǎo)電的，因此使用也可以在高溫下使用的鋁化物是不可能的。然而，氧化鉻的出現(xiàn)伴隨著以下缺點(diǎn)該化合物在燃料電池操作溫度下表現(xiàn)出一定的揮發(fā)性，并由此沉積在電化學(xué)活性板極的電極上；這導(dǎo)致這些板極的老化，即以連續(xù)降低效率的形式老化。該問(wèn)題可以用適當(dāng)?shù)耐繉拥咒N，可參見EP-A0714147(＝P.6651)。
上述互連器的中間層必須由較昂貴的合金制造，因此，本發(fā)明的目的是提供帶有平面高溫燃料電池的蓄電池，其互連器可以由更經(jīng)濟(jì)的材料制造。權(quán)利要求1定義的蓄電池滿足了這一目的。
帶有平面高溫燃料電池的蓄電池包括疊層狀交替布置的電化學(xué)活性板極和互連器。互連器形成空氣熱交換器，而每個(gè)互連器具有一個(gè)基體?；ミB器的熱膨脹主要由基體決定。每個(gè)基體將空氣端與氣體端分開。在所有情況下，在基體兩端放置一個(gè)結(jié)構(gòu)層即用于導(dǎo)電和熱傳遞以及空氣和燃燒氣體沿電化學(xué)活性板極運(yùn)輸?shù)慕Y(jié)構(gòu)層?；w的熱膨脹大致相當(dāng)于電化學(xué)活性板極的熱膨脹。每個(gè)基體形成一個(gè)空氣熱交換器，并由這樣一種材料構(gòu)成，該材料在蓄電池的操作溫度下和氧氣存在下，在其表面上形成永久性氧化層。在基體的空氣端，結(jié)構(gòu)層連接到基體上，使得保護(hù)基體不在連接點(diǎn)上形成氧化物。
也可以使用在所有情況下都在布置在氣體端的結(jié)構(gòu)層上固定的元件，以代替代表懸臂式元件的電化學(xué)活性板極；這些元件用PVD法或VPS法生產(chǎn)。在EP-A0653896(＝P.6583)中描述了用VPS(真空-等離子體噴霧)法的生產(chǎn)。在該方法中，將噴涂層例如涂到金屬氈基片上。在EP-A0722193(＝P.6658)中描述了使用PVD(物理蒸汽沉積)法的生產(chǎn)。最好將導(dǎo)電陶瓷泡沫結(jié)構(gòu)用作該方法的基片。
考慮的基體材料是諸如權(quán)利要求2和特別是權(quán)利要求10中詳細(xì)說(shuō)明的那些合金。從屬的權(quán)利要求3-9涉及按照本發(fā)明的蓄電池的優(yōu)選實(shí)施方案。
由于形成氧化鋁和/或氧化硅保護(hù)層，基體不需要涂布。互連器空氣端的結(jié)構(gòu)層必須由薄的韌性金屬片生產(chǎn)。在EP-Axy中描述了該類型結(jié)構(gòu)層的實(shí)例。這些結(jié)構(gòu)層由含有鉻并在氧環(huán)境中形成揮發(fā)性氧化鉻的鎳基合金構(gòu)成；因此該表面必須涂上保護(hù)層，例如陶瓷、導(dǎo)電材料、特別是亞錳酸鹽(La、Ca、Sr)MnO3、鉻鐵礦(La、Sr)CrO3或輝鈷礦(La、Sr)CoO3保護(hù)層。在氣體端可以使用同空氣端一樣的金屬片；然而在這里由于氣體的還原性環(huán)境，不需要保護(hù)涂層。
參考下面的附圖解釋本發(fā)明。


圖1是按照本發(fā)明的燃料電池蓄電池的互連器的截面，圖2是通過(guò)本發(fā)明蓄電池燃料電池的截面，圖3是互連器氣體端結(jié)構(gòu)層的一個(gè)實(shí)施例。
圖1的互連器包括基體3、布置在空氣端的結(jié)構(gòu)層4和布置在氣體端的結(jié)構(gòu)層5。圖1沒有顯示結(jié)構(gòu)層5；僅僅以虛線表明其外部邊界的表面5’。層4和層5兩層(參見圖2)以相似方式形成。在基體3的空氣端，結(jié)構(gòu)層4連接到基體3上，使得保護(hù)后者在接觸點(diǎn)43不形成氧化物。
圖1的結(jié)構(gòu)層4由薄金屬片構(gòu)成，金屬片具有通過(guò)深度拉伸產(chǎn)生的浮雕結(jié)構(gòu)。浮雕結(jié)構(gòu)包括疙瘩狀結(jié)構(gòu)元件43和梳狀結(jié)構(gòu)元件42，每個(gè)梳狀元件在中間平面的兩端形成規(guī)則布置的突緣。從上述EP-Axy中已知適宜的浮雕結(jié)構(gòu)的另一實(shí)例。
金屬片4在疙瘩狀結(jié)構(gòu)元件43上固定到、最好是焊到基體3上。焊接接縫必須沒有氧化鋁或氧化硅，并必須保持狀態(tài)良好，使得在基體3和突緣43之間的連接是導(dǎo)電的。
具有側(cè)壁31、32和空腔30的基體3形成送入燃料電池中的空氣的熱交換器。空腔30可以關(guān)在室內(nèi)和/或具有通道體系。按照本發(fā)明，基體3由在蓄電池的操作條件下和氧氣存在下、在其表面上形成永久性氧化層的材料構(gòu)成。
按照本發(fā)明的帶有平面燃料電池的蓄電池包括疊層狀交替布置的互連器1和電化學(xué)活性板極2，即所謂的“PEN元件”(PositiveElectrode/Solid Electrolyte/Negative Electrode)。圖2的剖視圖顯示一個(gè)PEN元件2以及在它之下布置的一個(gè)互連器1，其結(jié)構(gòu)層4和5具有圖1所示的浮雕結(jié)構(gòu)。
結(jié)構(gòu)層4和5一方面允許導(dǎo)電和主要在疊層軸方法進(jìn)行熱傳遞，另一方面，允許空氣(箭頭61、反應(yīng)室64)和燃料氣體(箭頭71，反應(yīng)室75)沿PEN元件2進(jìn)行傳遞。
在由升高部分42產(chǎn)生的接觸點(diǎn)上進(jìn)行PEN元件2和互連器1之間的導(dǎo)電。熱交換通過(guò)輻射和熱傳導(dǎo)進(jìn)行。空氣通過(guò)大量的小管6送入基體的空腔30內(nèi)。燃燒氣體通過(guò)分配器7和孔70進(jìn)入位于相反端的燃料電池的氣體反應(yīng)室75。通過(guò)空腔30(箭頭60)流動(dòng)并同時(shí)吸收熱后，空氣通過(guò)氣體分配器7壁上的孔34到達(dá)燃料電池的空氣反應(yīng)室64中?？諝夂蜌怏w以相同的方向流到PEN元件2表面，同時(shí)驅(qū)動(dòng)能量供應(yīng)過(guò)程，最后出到普通通道8(箭頭62、72)中。普通通道8的氣體混合物可以供應(yīng)給補(bǔ)燃器；或在通道8本身內(nèi)發(fā)生補(bǔ)燃。
互連器1的熱膨脹主要由基體3決定，而基體的熱膨脹大致相當(dāng)于電化學(xué)活性板極2的熱膨脹，即大致與電化學(xué)活性板極2的熱膨脹相同。
布置在空氣端的結(jié)構(gòu)層4在其外面必須具有導(dǎo)電保護(hù)層，形成氧化鉻釋放的阻擋層。布置在氣體端的層5不需要該類型的保護(hù)層。該層5也具有孔。它可以具有例如柵板狀結(jié)構(gòu)，或具有多孔結(jié)構(gòu)，特別是由金屬氈或金屬氈部件組成。圖3顯示了另一實(shí)施例金屬片具有通過(guò)打孔形成的孔50，而舌片51和52在兩面彎出，借助于它們分別產(chǎn)生與基體3和PEN元件2的接觸。
蓄電池可以具有大致中心對(duì)稱的結(jié)構(gòu)在疊層中心為中心軸的燃燒氣體分配器7，而供應(yīng)點(diǎn)6在基體3的外周。
蓄電池也可以基本上為平行六面體形在布置的一端為燃燒氣體分配器7，而空氣供應(yīng)點(diǎn)6位于與氣體分配器7相對(duì)的位置，這樣布置使得空氣60以與氣體7l流動(dòng)的相反方向流入基體3中。從例如DE-A 4431510中已知具有平行六面體形結(jié)構(gòu)的該類型蓄電池。
基體3的材料最好由鐵素體合金組成，鐵素體合金含有鋁、鉻以及鐵，或含有硅、鉻和鐵，其組成為(以重量百分比表示)a)22％Cr/5-8％Al/其余為Fe，b)13-15％Cr/3.5-5％Al/其余為Fe，c)3-5％Si/3-5％Cr/其余為Fe，或d)2-4％Si/8-12Cr/其余為Fe。
基體3材料的熱膨脹與電化學(xué)活性板極2的熱膨脹之差應(yīng)該至多為3×10-6K-1。
權(quán)利要求
1.帶有平面高溫燃料電池的蓄電池，包含疊層狀交替布置的電化學(xué)活性元件(2)和互連器(1)，互連器形成空氣熱交換器，每個(gè)互連器具有基體(3)和主要由基體決定的熱膨脹，而每個(gè)基體將空氣端與氣體端分開，在基體的每一端布置相應(yīng)的結(jié)構(gòu)層(4、5)----即用于導(dǎo)電和熱傳遞以及用來(lái)將空氣和燃燒氣體分別沿電化學(xué)活性元件傳遞的結(jié)構(gòu)層---基體的熱膨脹大致對(duì)應(yīng)于電化學(xué)活性元件的熱膨脹，其特征在于，每個(gè)基體形成空氣熱交換器，并由在蓄電池操作條件下和氧氣存在下在其表面上形成永久性氧化層的材料構(gòu)成；結(jié)構(gòu)層(4)在基體的空氣端與基體連接，以保護(hù)基體使其在接觸點(diǎn)(43)上不形成氧化物。
2.按照權(quán)利要求1的蓄電池，其特征在于，基體(3)的材料為耐高溫并含有鋁和/或硅的合金；形成的氧化層由氧化鋁或氧化硅組成。
3.按照權(quán)利要求1或2的蓄電池，其特征在于，將布置在空氣端的結(jié)構(gòu)層(4)焊到基體(3)上。
4.按照權(quán)利要求1-3其中之一的蓄電池，其特征在于，布置在空氣端的結(jié)構(gòu)層(4)和最好也布置在氣體端的結(jié)構(gòu)層(5)在所有情況下都由具有浮雕結(jié)構(gòu)的薄金屬片構(gòu)成；浮雕結(jié)構(gòu)的結(jié)果是，金屬片基本上不影響互連器(1)的熱膨脹。
5.按照權(quán)利要求4的蓄電池，其特征在于，浮雕結(jié)構(gòu)包括疙瘩狀結(jié)構(gòu)元件和/或梳狀結(jié)構(gòu)元件，每個(gè)元件在中心平面兩面形成規(guī)則布置的突緣(42、43)。
6.按照權(quán)利要求4或5的蓄電池，其特征在于，布置在空氣端的結(jié)構(gòu)層(4)在其外面具有導(dǎo)電保護(hù)層，特別是該保護(hù)層形成對(duì)抗氧化硅釋放的阻擋層。
7.按照權(quán)利要求1-6其中之一的蓄電池，其特征在于，布置在氣體端的結(jié)構(gòu)層(5)為柵板狀結(jié)構(gòu)，或具有多孔結(jié)構(gòu)，特別是由金屬氈或金屬氈部件或由導(dǎo)電陶瓷泡沫結(jié)構(gòu)組成。
8.按照權(quán)利要求7的蓄電池，其特征在于，電化學(xué)活性元件在所有情況下都附著在布置在氣體端的結(jié)構(gòu)層上，并用PVD法或VPS法制造。
9，按照權(quán)利要求1-8其中之一的蓄電池，其特征在于，疊層狀布置具有大致中心對(duì)稱的結(jié)構(gòu)；為燃燒氣體提供一個(gè)中心軸的分配器7，而在基體(3)外周提供空氣供應(yīng)點(diǎn)(6)。
10.按照權(quán)利要求1-8其中之一的蓄電池，其特征在于，疊層狀布置大致為平行六面體形；在布置的一端為燃燒氣體提供分配器(7)；而空氣供應(yīng)點(diǎn)(6)布置在氣體分配器(7)對(duì)面的位置，使得空氣(60)以與氣體流71相反的方向流入基體(3)中。
11.按照權(quán)利要求1-10其中之一的蓄電池，其特征在于，基體(3)的材料為鐵素體合金，含有鋁、鉻和鐵，或含有硅、鉻和鐵，其組成為(重量百分比)a)22％Cr/5-8％Al/其余為Fe，b)13-15％Cr/3.5-5％Al/其余為Fe，c)3-5％Si/3-5％Cr/其余為Fe，或d)2-4％Si/8-12Cr/其余為Fe。
12.按照權(quán)利要求1-10其中之一的蓄電池，其特征在于，基體(3)材料的熱膨脹系數(shù)與電化學(xué)活性板極(2)的熱膨脹系數(shù)之差應(yīng)該至多為3×10-6K-1。
全文摘要
帶有平面高溫燃料電池的蓄電池,它包括疊層狀交替布置的電化學(xué)活性元件(2)和互連器(1)?；ミB器形成空氣熱交換器,每個(gè)互連器具有一個(gè)基體(3)。互連器的熱膨脹主要由基體決定。每具基體將空氣端與氣體端分開。
文檔編號(hào)H01M8/02GK1191398SQ9712158
公開日1998年8月26日 申請(qǐng)日期1997年10月29日 優(yōu)先權(quán)日1996年10月30日
發(fā)明者E·巴塔維 申請(qǐng)人:蘇舍赫克希斯公司