[发明专利]电化学电池装置

说明书

本发明涉及一种电化学电池装置。高温固体电解质燃料电池，用一种薄层固体电解质（约40μm），主要是稳定的氧化锆，在800℃或800℃以上温度把未提炼的燃料如一氧化碳-氢混合物的化学能转换成直流电能。为了使固体电解质充分导电，使欧姆损失降至最小，这样的高温是需要的。

燃料电池单体产生0.5到1.0伏之间的电压，把许多这样的电池互相以“串”和“并”连接，以获得希望的输出电压和电流。另外，为了不损坏电极，燃料电池组的正常工作需要在电池内把反应物隔开。另外，必须把进来的氧化剂预先加热到接近工作的温度。

在美国专利说明书No4，395，468，中所描述的燃料电池装置，给出了一个满足上面要求的结构。用美国未决专利申请No323461中公开的电池互连的方法，把一些燃料电池单体遂个以“串”和“并”进行电连接，以降低欧姆损失并得到所需要的输出电压和电流。保持燃料电池的反应物分开不是用密封电极室的方法，而是通过在这种电极室中的受控压力差来实现的，让用过的氧化剂和燃料在燃烧室化合，把它用作预热伸到管形电池去的空气输送管内进来的氧化剂。

在美国专利说明书No43954681的设计中存在某些缺点。在电池堆外围的一些单体电池是与隔离壁或者与外壳接触的。按照接触的紧密程度，没有经过电化学氧化的燃料会沿着电池漏泄到壁的接触区。必须考虑准确的公差，仔细估算尺寸和适当的隔离支撑来限制沿着表面的燃料漏泄，使之达到最小的程度。

在先有技术中所公开的其它单体燃料电池装置，都不是环形类的电池装置。美国专利说明书3717506，4175165和4248941，都属于固体电解质燃料电池，其中含有许多堆成平面的燃料电池单体。这些设计是用连接的平板电池而不是用环形电池来形成电池阵。

因此，本发明属于一种高温，固体氧化物电化学电池结构，包含许多环形电池单体，每个电池单体具有内和外环形电极，内外电极之间为电解质，其特征在于：把所述电池排列成一个网络，该网络包括若干个电池平面，在各个平面上彼此相邻的电池都是平行排列的，把所述电池平面安置在彼此相邻的一些平面的表面，彼此相邻的平面的电池都是互相垂直的;位于共同平面里的电池，通过连接电池的外电极的导电互连，把所述互相平行的相邻电池遂个进行并联，电池互相垂直的相邻平面通过一个电池的外电极和所述电解质的不连续处进行电连接而串联起来，即把所述内电极的选择角扇片（angular    segment）连接到另一个正交电池的外电极的一个选择轴向扇片（axial    segment）上。

本发明还包括这样一种高温，固体氧化物电化学电池结构，其中包括许多环形电池，每个电池具有内和外环形电极，内、外电极之间为电解质。其特征在于：把所述电池排列成一个网络，该网络包括若干个电池平面，在各个平面上彼此相邻的电池都是平行排列的，把所述电池平面安装在彼此相邻的一些平面的表面，彼此相邻平面的电池都是互相垂直的，位于共同平面里的电池通过一个电池的外电极和所述电解质的不连续处进行串联，即把所述内电极的选择角扇片连到另一个电池的外电极上，以此把平面上的电池遂个串联起来;而电池互相垂直的电池平面，通过它们之间的导电互连进行并联，即把所述电池的外电极连接到另一个正交电池的外电极的一个选择轴扇片上。

于是，环形燃料电池堆通过把环形燃料电池单体，安排成彼此成直角的十字交叉电池网克服了上述障碍。在一个水平平面里的单体电池设置成彼此平行。然后把这些平面以交替的直角位置垂直地放置。输送管从电池的开口端伸出，经由电池穿过作为空气预热燃烧室的第一室。然后进入接受空气的进气增压室（plenum）。管形燃料电池的封闭端外面，形成了第二室，把燃料气体供给该室。这个结构保留了美国专利说明书No4895468，的非密封设计概念，它运用了等速和受控的反应物流，以防止在进入空气预热燃烧室之前反应物的相互作用。

在工作期间，氧化剂即空气（氧）从电池的内部电极上经过之同时，燃烧从燃料电池的外部电极通过，两种反应物经过电化学消耗，把化学能转变为电能。在经过消耗的气体中剩下的燃料和氧化剂在预热燃烧的第一室化合，通过燃烧进行反应，从而加热了在输送管中进来的空气。

在一种新的管形燃料电池堆排列中把燃料电池排列为正方形，在正方形的每一面垂直安置空气输送管。在燃料电池堆的周围是作为空气预热器的第一室和一个接受空气的进气增压室。在方形排列的角落附近的燃料电池延伸到大约方形边长度之半，而在方形中心附近的燃料电池稍微短些，从而在燃料电池堆的中间形成了一个中心通路。这个中心通路形成了第二室，把燃料气体输送到该室中。