TW200537732A - Solid oxide fuel cell with sealed structure - Google Patents

Description

200537732 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 發明領域 本發明概有關於SOFC型燃料電池，即有關固態氧化物 5 燃料電池之技術。 【先前技術】 發明背景

燃料電池係為一種可藉觸媒反應而由氫、氧和電解質 來產生電的系統；該電解質會分開陽極和陰極，而可移轉 10 傳輸離子化物。 燃料電池可分為數種類型，主要分別在於它們之電解 質的本質特性(液體、聚合物或其它物等）。其中，該固態氧 化物燃料電池或SOFC會具有許多優點，包括其只會呈現兩 種相態，即固態和氣態。其操作溫度（約9〇〇°C左右）和加熱 15時間會使該電池主要適合於固定的器材用途。 如第1圖所示，有一陽極12與一陰極14會在該SOFC中 被一固態電解質16分開，由該陰極所產生而為陽極所需要 的〇2-離子將會穿過該電解質16來循環。 叫+去〇2 —H20+能量 ~〇2 +2e~ H2 +02~ ->H20 + 2e~ 該組合總成會以高效率來產生丨乂左右的電壓。 為能獲得可供商業性使用的較高功率，多數個電池將 會被串聯或並聯組合。此組合總成需使各元件的造型和整 體結構皆能最佳化，特別是有關氣體的分佈及電力的回復 5 200537732 等。 一種可行的造型係為管狀結構：有一管體會被用來作 為一支撐物以供撐持被電解質及一陽極層所包圍的陰極 (在中心）。但是，其所產生的電流線長度將會因焦耳(joule) 5 效應而造成甚大的損耗，故會限制其功率輸出。 一較佳的實施例係為一平面結構。該等電池會具有至 少二氣體入口，而由一疊平面電池所組成，該各平面電池 皆包含陽極/電解質/陰極等三層，並會被一能收集電流 及分佈氣體的雙極板所分開。 10 於一燃料電池中，各陽極必須被供應氫，而各陰極必 須被供應氧，尤其若為SOFC時，其可為純化或混合性的， 例如在空氣或在多含乳的空氣中所含帶者。相反地，氧和 氫的接觸則必須避免，因它們會產生燃料導致減低該電池 的性能，尤其當混合時將會爆炸。 15 雖在一單獨的電池中能夠容易地避免該二種氣體的混 合，例如可利用一密封的電解質來阻止氣體的傳輸移轉， 但在以多個電池來堆疊組成的SOFC電池總成中，須確保不 同電池之間的止洩氣密性之極為重要，不論其溫度高低。 習知的密封物在此型電池所產生的高溫下將不能適用，故 20 玻璃密封物曾為此目的而被特別地裝設。但是，其所達到 的高溫亦會令該玻璃密封物變成糊狀，結果在冷却之後， 它們即不能在該電池内為第二次的溫度循環（若有的話）來 提供止洩氣密效果。 故，乃有需研發不需要密封物的電池結構，該等新電 6 200537732 池總成的性質會在SOFC型燃料電池之操作所產生的不同 溫度中皆能最佳化。 【發明内容】 發明概要 5 本發明係提供可選擇材料的物理特性來克服使用燃料 電池所造成之問題的裝置。 本發明亦可供解決使用於平面結構的SOFC中各不同 元件之間所產生的止洩氣密問題。 依據其一態樣，本發明係在一多孔電極層中形成“密 10 實”區域，該等“密實”區域實際上會比該電極層的其它 部份更為質密或較低透孔性，或甚至完全不能透氣。事實 上，在一燃料電池中，該陽極和陰極必須能夠對該電解質 傳輸氣體，因此它們是可透氣的；造成一不能透氣或只能 稍微透氣的區域，然後例如藉鑽孔來使其形成一通道或氣 15 體入口，將能令其達到氣密效果。 緣是，本發明尤係有關一種三層結構，其包含二透氣 電極層可傳轉氣體，該二層具有一第一多孔性和一第二多 孔性，及一固體電解質層；該等電極層之一者會包含至少 一區域其具有第三多孔性小於該第一和第二多孔性，此區 20 域在本說明書中係被稱為“密實區。最好該第三多孔性僅 能使該區域非常輕微地透氣，換言之，該第三多孔性會比 第一多孔性更低甚多。 在該電極層中的密實區，其只能稍微或甚少地透氣， 係可被設在第一氣體的入口周圍，該第一氣體並非供用於 7 200537732 此電極者(例如設在陽極的氧氣入口周圍），此將可防止在該 電極中令第一氣體與一在該電極内循環的第二氣體混合而 • 來觸發觸媒反應。 具言之，該不透氣或只稍微透氣的區域乃可藉密質化 5该電極的多孔材料而來製成，及/或在該電極層中以該電 解質之一凸出部來形成，其係密質且氣密的。 本發明亦有關於一種燃料電池，其中各電極層皆具有 • 一不透氣或僅稍微透氣的區域，譬如其所對應的電解質層 會被加厚，及/或在該處的電極材料會被密質化。 .1〇 這些基本元件可被組合於一平面結構的電池中。在一 車又佳貫知例中，本發明係為一燃料電池而由一組電池總成 所構成，該各電池的空氣或氣體入口會鄰接於稍微透氣或 不透氣的區域，如陽極和氫氣或空氣入口會在該等只能夠 稍微透氣或完全不透氣的區域來鄰接於陰極。 μ依據另-態樣，本發明係有關一種雙極板與一電極或 • 冑解貝之間的特定接合法’其可絲克服該電極與雙極板 ^間’或該電解質與雙極板之間，因氣體滲透所造成的問 題俾使其能具有良好的密封者。此類型的總成亦能提供 加種增加剪力阻抗的裝置，尤其是在溫度提高時。 /亥三層之不同離子變換元件（通常係由喊製成）的熱 脹係數’會比該雙極板(通f是金屬）的熱脹係數更低。當节 電池操作而溫度升高時，此差異可能會使該板與電池之間 ^械連結喪失。在該料與金屬之間造成接合將可提供 衣置，其能抑制造成可供氣體通過的通道。 8 200537732 該接合最好是將該雙極板之一凸部套抵於一設在該陶 瓷結構中之一凹穴内而來完成。藉著令該凸部的尺寸對應 於該凹穴，則其乃可在常溫下來輕易完成組裝，並在電池 操作溫度下來接合。較好是，為增進機械強度，該凹穴會 5如前所述地被設在該電極層中之一不透氣或稍微透氣的區 域中，即例如在該電解質的添加厚度或該電極之一密質化 區域中。 圖式簡單說明 第1圖係示出在一燃料電池的基本單元中發生的反應。 10 第2圖示出一依本發明製成之一燃料電池的圓型平面 造型之例。 第3a、3b及3c圖示在本發明的電極層中之不透氣或稍 微透氣的區域之例。 第4圖示出在一燃料電池的基本單元内之另一密封瑕 15 疵^ 〇 第5圖示出在常溫（第5ag|)及在9〇(rc (第％圖）時一圍 繞該雙極板和電_之氣體人口來接合的較佳實施例。 第6圖示出一具有多部接頭的平面燃料電池之實施 例，其中係整合兩種所提供的密封概念。 2〇【實施方式】 較佳實施例之詳細說明 第1圖係概略地示出一燃料電池的操作原理。如圖所 示’氧會被陰極Μ用來產生〇2·離子，其會與陽極12的氮反 應。該氧的輸入係被示為一化學元件〇2其會被陰極所用， 9 200537732 但該電池内的氣體輸入4乃可例如為一空氣或多含氧的空 氣輸入。或為鈍氧輸入或為氧與任何其它氣體混合的輸入。 該等電極12、14係為可透氣（多孔性）的，因此氣體能夠 擴散並反應。相反地，該電解質16只能供02_離子擴散，故 5 係為密質而氣密的。所釋出的能量會在雙極板20處回復， 其通常是由金屬製成。又，該等雙極板通常能使氣體穿過 其結構中已被造成的通道來散佈，並排出反應所形成的水。 第1圖中亦示出一作用於燃料電池1之平面結構的基本 單元5 ·· —傳統的燃料電池會包含一疊多個第1圖中的單元 10 形成並聯或串聯而來增加所產生的能量。 如第2圖所示，有一種可能性即該圓形平面造型的電池 1具有一疊多個單元5。其中之氣體（空氣及氧)入口 2會形成 貫穿各單元5的通道，或會鄰接於各單元而達到不同的電極 層12、14等來造成反應。因此，在第1及2圖中乃可看到該 15 空氣通道亦會穿過一區域，其中會有一陽極層存在並會有 氫氧循環。故在該空氣入口 4和陽極12之間，及陰極14和氫 入口 3之間具有止Ά氣密性乃是極為重要的’換言之在該電 極相鄰於非供其所用之氣體入口的區域是需要氣密止洩 的。 20 為消減空氣（即氧)與氫混合的風險，本發明乃建議使用 一種電極層10，其中會形成某些區域11僅能稍微地透氣或 不透氣，即會比該電極層的其它部份更不透氣。對可透氣 層的孔隙率係建議為30%左右，而密質區的孔隙率則低於 10 •200537732 6%，即其理論上的密度高於94%。 因此本發明亦特別有關於一種電極/電解質的雙合 層’其中該電極層係被局部地選設或被製成具較低透氣 性，如第3圖所示。僅有一電極層和該電解質層被示於第3 5至5圖中，因考慮該陽極與陰極之間是對稱的，且能使圖式 較為清楚；顯然地，另一電極與/雙極層亦可被添加於該 各圖中。當使用於SOFC電池時，最好具有一可稍微透氣或 不可透氣的區域，其在該等電極10、12、14的整個厚度中 會有數毫米左右的尺寸。有可能該密實區11的孔隙率不會 10 在該電極的整個厚度中保持固定，而會造成一孔隙率梯度。 例如，該稍可透氣或不可透氣的區域11係藉密質化該 電極層而來製成，第3a圖即示出其一實施例。該電極之多 孔性材料的密質化區13(在本例中是為陽極12)，乃可例如藉 雷射來製成。在本例中，如前所述’其亦可能在構成該電 15 極的材料層中沿離子化物移動的方向具有一孔隙率梯度。 其乃可有利地利用下列事實，即該電解質本身係由一 無孔隙而氣密的密質層所製成。故其將可造成一電解質凸 部17插入該電極層中（在第3b圖中即為陰極14)。該凸部π 係可藉洗鑄在一熱壓模内的凹紋，或以罩體配合電漿投射 20 而來製成。最好是，該凸部17能與雙極板20接觸。 不同的實施例亦可被組合，例如藉伸出該電解質層16 之一凸部17來密質化該電極層10，如第3c圖所示。 該等稍可透氣或不能透氣的區域將可被作為一支撐物 來固定該雙極板20，如後所述。該等密實區最好被用來鄰 11 200537732 接亂體入口2 ’它們可被製成包圍氣體人口2，尤其是在構 成該電極之材料被密質化的情況下，或氣體入口會在一電 池所需的不同各層組合之後才被開孔的情況下。此二方法 亦月匕使用在同-電池中。不同於有時被使用的管狀接件， 5該等密實區並不會被添設在一氣體入口周圍。 故謂極12可在包圍或鄰接空氣入口 4的區域被密質 化（見第3a圖）；而該陰極14可藉圍繞氮入口3的電解質凸部 17來保護㈣3b圖）。該兩财能皆僅為舉例朗，應請瞭 解裝成,玄等不可或稍可透氣的區域（例如藉密質化及/或 1〇製成凸部），皆可同樣地應用於各電極層1〇，且它們亦可被 組合在同一電池疊!中，或甚至用在同一個別的電池5中， 例如陰極係藉密質化來保護，而陽極則以電解質凸部來保 護。 因此，使用本發明所推薦的方法將可改善該等電池内 15 部的止洩氣密性。 又，其亦可修正該電極與雙極板之間的排列方式而來 改善該氣密性，尤其是在_電池疊中：於一習知的電池疊 中，個別的電池5會互相鄰接，但雖然在垂直堆疊的情況 下，重力亦不足以使二接續的單元充分密合而完全消除氣 20體滲漏。此問題特別可能發生在該雙極板20與電極1〇及/ 或電解質16之間的接面6處，見第4圖。 如前所述’該雙極板20會收集釋出的能量並可導電， 故其通常是為金屬；而該電極1〇係由多孔材料製成，通常 為陶瓷，其亦為使用於該電解質16的材料。 12 200537732 具言之，該兩種材料在受熱時會有不同的應變，而在 SOFC電池内的溫度很高。一般習知之電解質的熱脹係數約 為10χ10_6/Κ左右，而雙極板則約為15.7xlO_6/K，且已知該 溫度會達到900°C。由於該雙極板20的熱膨脹會比該等電極 5 10或電解質16更大，故在該雙極板與其支撐物之間的接面6 處會造成剪力，這些剪力將會造成破裂。 其乃可藉一公/母式的佈局設計來接合而獲取此膨脹 差異的優點，即在該雙極板20與底下的陶瓷層10、16之間 形成套合密接的設計。 10 故，該凸部22可被設在該雙極板面對陶瓷的表面上。 且凹槽18將會例如藉機械加工來製設在陶瓷層10、16中， 而使該雙極板的凸部能夠套合卡入，見第5圖。該雙極板的 凸部22能藉機械加工來製成，或亦可藉澆鑄結合於熱壓模 中的凹紋，或配合阻罩之電漿投射等而來製成。 15 最好是，該等凹槽18在常溫下其寬度及/或長度係比 對應凸部的尺寸稍大，而會留下一組合容隙（見第5a圖）。以 此方式，在當溫度提高時，則該雙極板比電解質16及/或 電極20更大的熱膨脹，將會使該雙極板的凸部22錨定於該 凹槽18内（見第5b圖），故可確保氣密止洩而不會造成任何添 20 加的應力。因此，此原理更能改善該電池在高溫時的機械 應變。 較好是，如第5a與5b圖所示，該組合18與22會沿著該 燃料電池1之各單元5的各層中之氣體入口2,或空氣或氫入 口等來製成。 13 200537732 最好能將凹槽18製設在該電極1〇之一或多個不透氣或 稍可透氣的密實區U中，如先前之一實施例所述者。 具言之，若該電極10具有一密實區11對應於電解質16 的凸部17，則最好能將該凹槽18製設於此凸部中，而不必 5 改變該電極10的其餘部份俾可保持最佳效率。凹槽亦可被 製設來供組合於電極層中，即使其並未密質化。 上述對該組合總成的修正例’即是在該電極層中造成 不玎透氣或稍可透氣的區域’且利用該不大透氣的區域， 或/圜繞氣體入口的電解質凸部而來形成接合，將能提高 土沒氟密效果並改善其在南溫度時的機械應變。它們可被 典用於如第2圖所系的圓形平面造型，亦可供用於矩形或方 形設計譬如堆疊板片’或使用於被外部接頭圍繞的結構中 (參見第6圖）。饋入的氣體可通過一外部接頭，或該接頭亦 <由該疊板片來形成。 15【圖式簡單說明】 第1圖係示出在一燃料電池的基本單元中發生的反應。 第2圖示出—依本發明製成之一燃料電池的圓型平面 造犁之例。 第3a、3b及3C圖示在本發明的電極層中之不透氣或稍 2〇微透氟的區域之例。 第4圖示出在一燃料電池的基本單元内之另一密封瑕 疵。 第5圖示出在常溫（第5a圖）及在90(rc(第北圖）時一圍 繞該雙極板和電極間之氣體入口來接合的較佳實施例。 200537732 第6圖示出一具有多部接頭的平面燃料電池之實施 例，其中係整合兩種所提供的密封概念。 【主要元件符號說明】 1…燃料電池 12…陽極 2···氣體入口 13···密質化*區 3…氮入口 14···陰極 4···氣體入口 16…電解質 5…基本單元 17···凸部 6…接面 18···凹槽 10…電極層 20…雙極板 ll···密實區 22···凸部 15

Claims (1)

1. ，200537732 十、申請專利範圍： 1·::可用於一燃料電池的個別電池單元，包一盘 二電極層能夠傳輸氣體’而分別具有-第—及一第 4隙率’—關電解f層設在該二電層層 電極層包含一陽極與一陰極 ：：一 第-密實區具有率,二:極=至少- 第-孔隙m 千且°亥第二孔隙率會低於 質層之_、凸邱在於··有—第—密實區係、為該電解 邛，及/或由包含該密實區 以密質化來構成者。 的材枓加 10 15 20 單申^利㈣第1項之可用於—燃料電池的個別電池 中該第-電極層具有一第一厚度，且一第一密 實區亦具有一厚度相同於該第一厚度。 3· ”請專利範圍第1項之可用於一燃;;電池的個別電池 早P其中該第二電極層包含至少一第二密實區具有一 第四孔隙率’該第四孔隙率係低於第二孔隙率。 4· Μ請專利範圍第！項之可用於_燃料電池的個別電池 早疋，其中該第二電極層具有一第二厚度，且一第二密 實區亦具有一厚度相同於該第二厚度。 • ^申睛專利範圍第4項之可用於—燃料電池的個別電池 早凡，其中該第一電極層具有一第一厚度，且一第一密 實區亦具有-厚度相同於該第一厚度。 。申π專和範圍第3項之可用於一燃料電池的個別電池 早凡，其中有一第二密實區係為該電解質層之一凸部， /或由包3 e亥第二密實區之電極的材料加以密質化 16 •200537732 來構成者。 7.=申請專職’丨項之可用於—燃料電池的個別電池 單元，亦包含至少一個雙極板鄰接於一電極層。 8· ^申請專利第7項之可用於—燃料電池的個別電池 單元’乃包含二個雙極板鄰接於各電極層。 9·:申請專利範圍第7項之可用於一燃料電池的個別電池 Μ ’其中該雙極板的熱脹係數會比所鄰接之電極層和 該電解質層的熱脹係數更高。 10·^申請專利範圍第9項之可用於—燃料電池的個別電池 單元其中该雙極板係藉嵌套卡合來連接於相鄰的電極 層。 u.如：請專利範圍第1G項之可用於—燃料電池的個別電 池單7L ’其中該雙極板包含至少一凸部，而相鄰的電極 層包含一凹槽，且該雙極板的凸部與該凹槽能互相套 合。 12.如申請專利範圍第n項之可用於—燃料電池的個別電 池單元，其中該凹槽係設在該電極層之一密實區中。 13·如申請專利範圍第12項之可用於一燃料電池的個別電 池單元，其中該凹槽係設在該電解質層之一凸部中。 14·如申請專利範圍第丨丨項之可用於—燃料電池的個別電 池單元，其中该凹槽的寬度及/或深度係大於該雙極板 之凸部的寬度及/或高度。 15·如申請專利範圍第u項之可用於一燃料電池的個別電 池單元，係包含多數的凹槽。 17 w 200537732 16. 如申請專利範圍第1項之可用於一燃料電池的個別電池 單元，亦包含至少一第一氣體入口設在陰極上，而該陽 極相鄰於各第一氣體入口的區域皆為該陽極之一密實 區，及/或至少有一第二氣體入口設在陽極上，而該陰 5 極相鄰於各第二氣體入口的區域皆為該陰極之一密實 區。 17. —種燃料電池，包含一疊數個如申請專利範圍第16項之 單池單元，其中各單池單元係藉一個雙極板來與相鄰者 分開。 10 18.如申請專利範圍第17項之燃料電池，係具有一圓形平面 造型。

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