專利名稱：應用了平管型結構體的固體氧化物燃料電池堆的制作方法
技術領域：
本發明涉及固體氧化物燃料電池堆及其制作方法，更詳細地涉及可以通過串并聯結構來產電的新型固體氧化物燃料電池堆及其制作方法。
背景技術：
可稱作為第三代燃料電池的固體氧化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell，以下稱作SOFC)添加有用作電解質的氧化釔(yttria)并使用穩定結晶結構的氧化鋯。該材料盡管具備氧離子的導電性，但還具備可以在800 1000°C的高溫范圍獲得作為燃料電池所期望的導電性能。因此，SOFC的工作溫度通常在800°C以上，電極材料也使用導電性能夠經受這樣的高溫的物質，比如流入空氣的空氣極通常使用LaSrMnO3，流入氫氣的燃料極通常使用NiIrO2混合物。現有的平板型(planer type) SOFC中，燃料極或電解質支撐體上薄薄地披覆結合其余的電極或者電解質，從而制造出最終的單位電解質-電極組合板 (Electrolyte-Electrode Assembly，以下命名為‘EEA，)，此處，進行堆疊時，對上下單位電池的空氣極與燃料極進行電連接，并在各自的電極中，插入兩面上形成用于導入燃料和空氣的氣體通道的、由導電性金屬材料制得的電連接板(Intercormector)而構成單位電池。 這樣的平板型方式具備‘EEA’層的厚度薄的優點，但從陶瓷的特性上看，其厚度的均勻度或平坦度難以調節，使得不易于大型化。并且，為了進行單位電池的堆疊(stacking) JfEEA 與電連接板交替堆疊時，電池邊緣處使用氣體密封件以對流入氣體進行密封。但是，作為密封材料使用的玻璃(glass)材料的軟化溫度盡管始于600°C左右，但固體氧化物燃料電池為了獲得期望的效率，通常處于800°C以上的高溫下進行工作，由密封劑的軟化引起的氣體泄露危險度高，在實用化過程中仍然存在著很多技術上的難關。為了彌補這樣的平板型電池(cell)的缺點，應用平管型(flat tube type)支撐體的單位電池及堆的開發公開于美國專利(US 6416897及US 6429051)中。但是，為了進行堆疊，這樣的方案依然另外使用了氣體流路和用于進行電連接的電連接板，其中，該氣體流路用于向平管型電池外部導入空氣或者燃料極氣體。其盡管通過增加堆的機械強度，并使單位電池間接觸面積變大，進而增加功率密度，但電連接板的材料為金屬的特性上看，存在當高溫運轉時會出現陶瓷材料的EEA層之間產生機械應力以及熱應力等問題。為了彌補這樣的金屬電連接板的缺點，目前公開有，在單位電池支撐體自身上或者支撐體堆疊時形成兩種氣體的通道，從而省略掉電連接件的氣體通道功能并薄膜化的單塊(monolith)形態的單位電池。代表性的公開有，按照在平管上沿長度方向分割電池并電串聯連接的平管分割型(美國專利5486428)的單塊形態制作的單位電池制作的堆。但是， 這樣的電池為了形成空氣流路，必須另外使用空氣通道陶瓷板，從而存在電連接及氣體導入部的結構復雜，不易于堆的大型化的缺點。并且，截止目前的燃料電池堆中，僅開發了將單位電池電串聯連接的方式，其公開于韓國專利申請第10-2008-10176號、韓國專利申請第10-2008-30004號等中。這樣的方式中內含有當一個特定電池性能劣化時，堆整體性能立刻同樣地劣化的問題，這樣就具有在制造上或者運轉上存在必須將所有電池制作完美并進行工作的難題。
發明內容
(一)技術問題本發明要解決的問題在于，提供一種新型的堆及其制造方法，其可以解決現有的固體氧化物燃料電池在單位電池制造過程中，由于結構翹曲的現象，難以使電池大面積化的問題，由于單位電池與電連接件的雙重結構的堆疊，使得熱性能方面與機械性能方面不一致的問題，以及因為單位電池僅通過電串聯連接，使得必須將堆內所有的單位電池制造完美并進行工作的制造及管理方面的難題。本發明所要解決的另一個問題在于，提供一種可以解決上述問題的新型單位電池模塊及其制造方法。本發明所要解決的又一問題在于，提供一種不存在上述問題的高功率且一體式結構的固體氧化物燃料電池堆及其制造方法。(二)技術方案為了達到上述目的，本發明的固體氧化物燃料電池堆，其特征在于，在平管型支撐體的外部面上形 成一個以上的單位電池，在前端面與外部面的至少一部分上形成與第一電極相連接的第一電連接件，在后端面與外部面的至少一部分上形成與第二電極相連接的第二電連接件所形成的單位電池模塊，將該單位電池模塊堆疊為外部面的同極性相連接，并且制造出電并聯連接的單位堆模塊，將所述堆模塊的前后面串聯連接，制造出串并聯混合式固體氧化物燃料電池一體式堆。本發明中，所述平管型支撐體使用內部沿長度方向存在多個第一氣體流動通道 (以下稱之為‘第一氣體通道’)的平管型態的多孔性結構體，所述結構體的外部面上形成有第二氣體流動通道(以下稱之為‘第二氣體通道’)。本發明中，所述第二氣體通道優選為，以一定深度挖出外部面中央部，S卩外部面兩側邊緣以外的部分，在堆疊時，在平管型結構體之間形成第二氣體通道。本發明的實施過程中，所述燃料電池的電極形成于第二氣體通道的表面，優選為支撐體的中央部上部面及下部面上，并與支撐體的前后端面及外部面的兩側上形成的電連接件相連接。本發明中，支撐體的外部面中央部上形成的第二氣體通道的表面上形成有一個以上的單位電池，該單位電池由第一氣體電極層(以下稱之為“第一電極層”)、電解質層及第二氣體電極層(以下稱之為“第二電極層”)所構成的電極-電解質組件(EEA， Electrolyte-Electrode Assembly)所形成。本發明的實施過程中，為了在所述第二氣體通道上形成一個單位電池，在第二氣體通道上披覆第一電極層、電解質層及第二電極層，第一電極層與第二電極層披覆為各自連接至電連接件層，電連接件除了在第二氣體通道上披覆以外，還在包含兩末端的前后端面以及外部面整個面上進行披覆。本發明的另一個實施過程中，所述單位電池形成為多個的情況下，將單位電池間的異性極通過電連接件反復連接，最終披覆為使第一電極層及第二電極層從兩末端相反側上露出并連接到電連接 件，電連接件除了在第二氣體通道上披覆以外，還在包含兩末端的前后端面以及外部面整面上進行披覆。本發明的一個實施過程中，可以構成為，為了在第二氣體通道上形成所述多個單位電池，沿長度方向以一定間距反復形成由第一氣體電極層、電解質層及第二氣體電極層構成的反應部(EEA，Electrolyte -Electrode Assembly)，在反應部之間將第一電極層與第二電極層用電連接件層進行連接，將第二氣體通道的一端上形成的反應部的第一電極層與另一端上形成的反應部的第二電極層分別連接到支撐體前后端面及外部面兩側上形成的電連接件。本發明中，利用以單個或者多個單位電池形成的所述單位電池模塊來制造堆時， 首先，沿作為端面方向的上下左右(X-Y)方向來反復堆疊電池模塊，電池模塊上的同性極相接觸，所有模塊進行電并聯連接，制造反應面積大面積化的單位堆模塊，將所述堆模塊在異性極之間電串聯連接的同時，沿長度(Z)方向再次反復堆疊，最終沿三維方向堆疊。經過最終的燒結過程后，電池模塊相互粘著一體化，結構上堅固，功率密度高的同時，所堆疊的堆內電池模塊復合進行電并聯及串聯連接，在制造及運轉上具備高度的可靠性。并且，朝向堆內的氣體導入則為，第一氣體沿堆的長度方向內部通道導入，第二氣體則沿與堆的長度方向呈90度角的方向并向堆疊的平管電池模塊之間流入，從而提供了不存在氣體密封問題或混入問題的新型一體式堆。本發明在一方面上來說，其特征在于，其由單位電池模塊堆疊而成，所述單位電池模塊包括燃料電池堆的平管內部通道作為第一氣體通道、平管外部面中央部上形成的槽作為第二氣體通道來形成的支撐體；具備一個以上的由所述第二氣體通道上形成的第一電極層、電解質層及第二電極層所構成的單位電池的電池模塊；披覆于所述支撐體的前端面及外部面一部分上并與電池模塊上一端的第一電極層相連接的第一電連接件；以及披覆于所述支撐體的后端面及外部面一部分上并與電池模塊上另一端的第二電極層相連接的第二電連接件。本發明中，形成單位堆模塊，其中所述單位電池模塊沿上下左右方向堆疊，且通過外部面兩側上形成的電連接件使同性極相連接，并進行電并聯連接；通過前后面上形成的電連接件使異性極相連接，并進行電串聯連接，最終形成串并聯混合方式的燃料電池一體式堆。本發明在一方面上來說，其特征在于，形成有構成燃料電池堆的單位電池模塊的內部通道作為第一氣體通道來形成，外部面中央部上形成的槽作為第二氣體通道來形成的平管型支撐體上，所述第二氣體通道上形成一個以上的單位電池，并且形成披覆于所述支撐體的前端面及外部面一側上并與單位電池相連接的第一電極連接件；以及披覆于所述支撐體的后端面及外部面一側上并與單位電池相連接的第二電極連接件。(三)有益效果本發明的固體氧化物燃料電池一體式堆，以一定深度挖出平管型結構體的外部中央部，在其表面上披覆一個以上的電極/電解質/電連接件層，依靠將所形成的電池單元沿上下左右方向堆疊的方法來制造電流產生面積增大了的堆模塊，然后再次將所述堆模塊沿長度方向堆疊，從而完成可以增大電壓的最終沿三維方向堆疊而成的堆。這樣制造的堆中， 電池模塊在堆內相互緊貼一體化，結構上牢固，功率密度高的同時形成為電并聯及串聯的復合結構，在制造及運轉中堆的技術可靠性非常高。并且，在運轉時，沿第一氣體沿堆長度方向存在的平管結構體的內部通道流入及流出，第二氣體沿堆疊的平管之間存在的外部通道并以與堆長度方向呈90度角的方向流入及流出。因此，提供了一種容易進行氣體密封， 不存在不同氣體混合問題，技術上更進步的新型堆的設計、制造及運轉的方法。
圖1為本發明的在具有內部通道的平管型結構體的外部面上以一定深度挖出中央部而制造的電池模塊制造支撐體的立體圖。圖2為本發明的電池模塊制造支撐體的被挖出的中央部上形成單位電池的長度方向的剖視圖。圖3為本發明的電池模塊制造支撐體的被挖出的中央部上沿長度方向形成多個電池的剖視圖。圖4為為了堆疊本發明圖3的電池，對電極層、電解質層及電連接件層的披覆方法進行展現的截面圖。圖5為示出了本發明的將固體氧化物燃料電池電池模塊沿上下左右反復堆疊后， 電并聯連接的單位堆模塊的立體圖。圖6為示出了本發明的固體氧化物燃料電池單位堆模塊沿長度方向堆疊后的一體式堆的立體圖。圖7為示出了將本發明的固體氧化物燃料電池堆與用于氣體導入、流出及電連接的裝置部沿堆長度方向剖開的部分的剖視圖。圖8為示出了在本發明的圖7的固體氧化物燃料電池堆的兩末端上再堆疊電連接堆模塊并裝載了反應腔和用于氣體流入及流出的腔體的長度方向剖視圖。圖9為示出了單位電池模塊的制造方法的平管型結構體的長度方向截面圖，其中，該單位電池模塊用于將本發明的由平管型結構體制造的單位電池模塊沿上下左右方向堆疊而制造圖8的電連接堆模塊。圖10為示出了本發明的在反應腔體內堆放24個堆來使堆系統大型化的方法的截面圖，為長度中間部分的截面圖。圖11為示出了本發明的在反應腔內堆放24個堆來使堆系統大型化的方法的截面圖，為第一氣體導入部的堆末端截面圖。圖12為示出了本發明的在反應腔內堆放24個堆來使堆系統大型化的方法的截面圖，為第一氣體流出部的堆末端截面圖。<附圖主要部件的標記說明>1.固體氧化物燃料電池平管型結構體內部第一氣體流動通道2.連接在第一氣體電極層上的電連接件被披覆的平管型結構體的長度方向末端截面部3.連接在第二氣體電極層上的電連接件被披覆的平管型結構體的長度方向末端截面部4.連接在第一氣體電極層上的電連接件被延長并披覆的外部面披覆部分5.連接在第二氣體電極層上的電連接件被延長并披覆的外部面披覆部分
6.為了在平管型結構體的外部面上形成第二氣體通道層及單位電池而以一定深度挖出來的部分7.平管型結構體沿上下方向堆疊時所形成的第二氣體流動通道部8.將以一定深度挖出中央部6而制造的支撐體進行堆疊時，支撐體之間形成的冷卻氣體流動外部通道部11.固體氧化物燃料電池支撐體的外部通道上反復披覆的第一氣體電極層12.固體氧化物燃料電池支撐體外部通道上反復披覆的電解質層 13.固體氧化物燃料電池支撐體外部通道上反復披覆的第二氣體電極層15.在固體氧化物燃料電池支撐體外部通道上披覆時，第一氣體電極層與電解質層之間的界面連接部位16.在固體氧化物燃料電池支撐體外部通道上披覆時，第二氣體電極層與電解質層之間的界面連接部位19.在固體氧化物燃料電池支撐體外部通道上披覆時，插入到電解質層之間而披覆的電連接件層31.涂敷于外殼內部的電絕緣層32.用于固定堆內沿上下左右方向堆疊的單位電池模塊的外部四角外殼33.用于堆末端端面的電集電的電集電板36.第一氣體流入及流出管道37.電集電板38.第一氣體流入及流出腔體39.絕緣氣體墊圈41.堆內堆疊的平管結構體上的第一氣體導入部的內部通道42.堆內堆疊的平管結構體上的第一氣體流出部的內部通道43.堆內堆疊的支撐體之間形成的第二氣體流入及流出外部通道51.堆中央部的第二氣體流入、流出及反應腔體52.堆末端的第一氣體導入腔體53.堆末端的第一氣體流出腔體54.堆末端的陰極側的電集電體55.堆末端的陰極側的電集電體71.平管支撐體末端上披覆的第一氣體電極層72.平管支撐體末端上披覆的第二氣體電極層73.與平管支撐體末端的第一氣體電極層相連接披覆的電連接件層74.與平管支撐體末端的第二氣體電極層相連接披覆的電連接件層81.堆放多個堆的系統的外殼82.沿上下方向堆放的堆之間用于避免第二氣體流動的防氣體流動插入層83.第二氣體導入腔體84.第二氣體分配及堆固定格板85.第二氣體排出腔體86.第二氣體流入、排出管道
87.第二氣體反應爐88.第一氣體流入、排出腔體91.堆的陰極末端部92.堆的陽極末端部95.堆間電連接件96.串聯連接的堆的末端陰極部97.串聯連接的堆的末端陽極部100.平管結構體101.挖出平管結構體的中央部而形成了外部通道部的支撐體102.利用平管支撐體而制造的固體氧化物燃料電池模塊103.利用平管結構體而制造的電連接單位電池105將電池模塊沿上下左右方向進行堆疊的堆模塊106.將堆模塊沿長度方向進行堆疊的堆
具體實施例方式以下，參照附圖對本發明的優選實施例進行更詳細的說明。但是，其僅為實施例， 無論任何情況下都不對本發明的范圍造成限制。為了制造本發明所用的固體氧化物燃料電池堆而被使用的平管型結構體，可以使用能夠透過氣體且具有高溫下穩定的普通材料。其外形如圖1所示，形成為扁平的直六面體的形態且內部沿長度方向存在多個第一氣體流動通道1。為了在堆疊時形成第二氣體通道，以一定的深度挖出所述結構體的長度方向上除兩末端的一部分4、5以外的中央部6的至少上下兩面，從而完成支撐體101。在將所述支撐體101并非沿長度方向而是沿上下左右方向堆疊時，挖出的中央部 6在支撐體之間形成第二氣體通道7，并且，可以避免由所述中央部表面上形成的電極及電解質所構成的單位電池因不必要的電接觸而導致的短路(shortage)現象。利用了所述支撐體101的固體氧化物燃料電池單位電池模塊102的制造，支撐體上挖出的中央部的表面上沿長度方向適當地薄膜披覆電極、電解質及電連接件層之后，經過燒結過程，從而可以制造出如圖2所示的一個單位電池，以及如圖3所示的多個單位電池。如圖2所示，在中央部上按順序披覆第一電極層71、電解質層12及第二電極層72 而形成一個單位電池，第一電極層71除了披覆所述中央部以外還披覆至外部面一側為止， 第二電極層72除了披覆所述中央部以外還披覆至外部面另一側為止，外部面一側上披覆的第一電極層71與外部面另一側上披覆的第二電極層72上披覆電連接件層73、74。如圖1及圖3所示，多個單位電池沿長度方向分別依次薄膜披覆第一電極層11、電解質層12、第二電極層13，單位電池間的異性極通過電連接件進行連接并堆疊，將堆疊后的電池的兩末端上露出的第一電極層71與第二電極層72分別連接到電連接件層73、74，電連接件層的披覆部位包含兩末端的端面2、3與外部面兩側4、5，所述支撐體101在沿上下、 左右或者沿長度方向堆疊時，通過外部側面4、5或者端面2、3來實現電池模塊間的電連接。另一方面，如圖3，支撐體101的外部面中央部6上形成多個單位電池時，對單位電池間的異性極進行電連接，為了避免平管內外部間不同氣體的混入，需要使用電解質12及電連接件19的致密膜結構，為達到這樣的條件的披覆方法，將圖3中的反復披覆部分M放大顯示在圖4。參照圖4，支撐體中央部表面上構成的第一披覆層A上，第一氣體電極層11之間插入電解質層12來避免電氣接觸，其上披覆的第二披覆層B上，電解質層12之間插入電連接件層19，通過該電連接件層來實現下部A層與上部C層的異性電極之間的電連接。此時，為了避免從下部A層的不同材料接觸部位15的細縫之間泄露出第一氣體，將上部B層的不同材料間接觸部位與下部A層的不同材料間接觸部位形成為不一致且位置錯開，這樣進行披覆是很重要的。最后，披覆的層C上，第二氣體電極層13之間插入電解質層12進行披覆，將不同材料之間接觸部位16定位于下部B層的電連接件層19中間位置處，且還試圖進行電連接， 通過可以避免第二氣體從C層的電解質與第二電極層接觸部位16的縫隙向下部B層泄露的方法，從而提供多個單位電池串聯堆疊的用于制造單位電池模塊102的電極、電解質及電連接件的披覆方法。所述支撐體上，為了利用圖2中的形成有一個單位電池或者圖3中的形成有多個單位電池的電池模塊而最終制造出堆，首先，將所述電池模塊沿上下左右(X-Y)方向進行反復堆疊來制造如圖5所示的單位堆模塊105，進行堆疊使得電池模塊102的末端電連接件4、5的同性極相接觸，通過在電池模塊102之間形成電并聯連接，可以使堆內反應面積大面積化；然后，對所述堆模塊105沿長度方向(Z)進行堆疊使得末端電連接件4、5的異性極相連接，堆模塊間電串聯連接，通過提高堆電壓的方法來最終完成沿三維方向堆疊的堆106。這樣堆疊后的堆，施加適當的機械壓力的同時并經過最終的燒結過程后，所有電池模塊之間通過電連接件層進行電連接并進行機械貼合，具備牢固且一體式的單塊結構體 (monolith type)的形態。作為參照，圖6中示出了沿三維方向堆疊的堆106的立體圖，圖7為串聯堆疊η個單位堆模塊105而形成的堆，并緊固有輔助裝置的情況下，將該堆沿長度方向剖開后的截面圖，其中，該輔助裝置用于提取供給該堆的氣體與電。最終制造而成的一體式堆106，其內部涂布絕緣體31，兩末端裝載于開放式的直六面體形態的外殼32內，堆的兩末端上裝載電集電板33，然后將用于使第一氣體通過堆內平管支撐體內部的通道進行供給或排出的管道36與包含有電集電板37的第一氣體流入及排出腔體38和外殼32緊固。產生的電從兩側電集電板37之間或者從與電集電板相連接的腔體38之間提取出來。此時，為了避免兩側腔體之間通電，腔體與外殼之間插入絕緣氣體墊圈39之后進行緊固。堆內第一氣體的供給是隨著平管的長度方向，向附圖上左邊腔體38內供給，通過在堆內的單位堆模塊上并聯連接的平管電池模塊的內部通道41進行分散流入，未反應氣體通過最終通道出口 42排出。 第二氣體隨著與平管的長度方向呈直角的方向，通過附著于外殼32左右(附圖上正面及后面的方向)的第二氣體供給及排出腔體，以與堆長度方向呈90度的角度進行供給，然后通過堆疊而成的平管電池模塊之間形成的外部通道43流入并排出。固體氧化物燃料電池在堆大型化時，由于反應熱的積蓄，使得堆內部特定部位 (比如中心部)的溫度增加，同時產生的熱應力(thermal stress)會對陶瓷材料構成的電池造成不良影響，因此，難以進行大型化的問題隨之而來。
本發明的固體氧化物燃料電池堆在三維方向緊貼機械性能穩定的平管型結構體， 按一體式單塊(monolith)形態堆疊，較之以另外的結構形成的堆模塊更為穩定。并且，作為第二氣體使用空氣的情況下，可以沿與長的長度方向呈90度角度而流入，在需要時，將第二氣體供給腔體沿長度方向進行分配，以不同的流量流入，從而具有可以使長度方向的溫度梯度平均化的優點。按平管型(flat tube type)制造的燃料電池堆的另外的優點中的一項為，由于流入的氣體在堆末端被密封，與平板型(Planer type)相比較容易密封。本發明的堆還可以更優選地制造為，如圖8所示，在堆末端上另外形成電集電堆模塊，以形成為比在流入的第一氣體的堆的末端部進行密封更為安全，并且在源頭上截斷兩種氣體之間的堆內反應腔體界面上的混入問題。圖8中使用的電集電末端堆模塊，如圖9所示，不產生第二氣體流動外部通道的原始平管結構體100外部面上制造僅披覆電解質層12與電連接件層75的電集電模塊103或者由包含第一電極層材質的材料制得的電集電模塊，與反應電池模塊一樣，上下左右堆疊該模塊來進行制造。參照圖8，在堆的兩側末端陰極部108與陽極部109上再裝載所述電集電堆模塊時，在高溫的反應腔體部分51外使第一氣體導入部或者流出部的密封緊固，從而易于密封，并且，在第一氣體導入52及排出腔體53與第二氣體導入及排出腔體51 (附圖上存在于前后部分上)的堆內部的界面上容易進行隔離，從而可以完全防止兩種氣體的混入。并且，在需要時，與第一氣體腔52、53分離后，可以設置電集電體54、55并且提取電，因此接下來在所設計的堆間還可以進行堆疊。如上所述，本發明的堆依靠三維方向上的堆疊，可以進行大型化，將沿與堆的長度方向呈直角的方向導入的第二氣體的量按長度方向進行適當的分配，從而提供了可以控制長度方向溫度梯度并使之平均化的優點。但是，沿上下左右方向大量進行堆疊，并且單位堆模塊105內電池模塊102數量增加的話，最終沿堆的截面方向的體積也會增大，會出現因熱量積蓄而導致堆截面中心部處的溫度增加。因此，優選為，使截面積的尺寸盡可能小，但在該情況下，并聯的電池個數減少，使得反應面積變小。但是，本發明中，依靠將盡可能維持小的所述截面積而制造的堆也在導入第二氣體的反應腔體內再次沿上下左右方向平行地以一定間距進行反復堆放的方法，避免了堆內溫度偏差問題的同時，通過使堆電并聯、串聯或串并聯混合連接的單位堆的組合，可以提供能夠制造出更為大型化的固體氧化物燃料電池堆系統的新型且進步的方法。作為一個例子，請參照圖10至圖12中的單位堆在反應腔體中通過并聯_串聯復合連接而成的燃料電池堆系統。圖10為在反應腔體內，由總共24個堆105沿上下左右方向以一定間距堆疊而成的堆系統的長度方向中間部分的截面被剖開后的圖，堆裝載于四角形的外殼81中，向外殼內部流入的第二氣體沿著位于各個堆內堆疊的平管電池模塊之間的外部通道通過。為此，需要通過將沿上下方向堆疊的堆上的空間塞滿由絕緣體形成的氣體密封件82的方法，避免第二氣體不發生反應而從堆105之間通過。第二氣體朝附著有流入管82的流入腔體83流入之后，通過氣體分配格板84來經過外部通道7，該外部通道7存在于由各個堆內部堆疊的平管支撐體構成的電池模塊102之間。通過堆的氣體最終經過流出腔體85，并聚集到排出管86之后排出。圖11為流入第一氣體的腔體部分內堆的末端截面圖。圖12為排出第一氣體的腔體部分內堆的末端截面圖。從圖11的截面圖上的正面方向導入，向腔體88內流入的第一氣體順著沿上下左右方向堆疊的很多的平管電池模塊102 上的內部通道1分散流入，沿長度方向經過，最終經過圖12的堆末端部內的第一氣體排出腔體來排出。此處，作為一個例子，給出了按相同的電極方向堆放四個堆(a_d，e-h, h-k， l-o，p-s或者t-w)，電捆扎后形成并聯連接的堆組，然后所述由四個形成的堆組以陰極91 及陽極92極性交替變化地堆放，堆組間電串聯連接。更具體地，并聯連接的堆組a_d，在圖 11中形成陰極末端，然后，在圖12中第一氣體排出腔體側，堆組a_d的陽極與堆組e-h陰極串聯連接。然后，圖11中第一氣體流入腔體內的堆組e-h的陽極與堆組i-1的陰極、圖12 中堆組i-Ι的陽極與堆組o-n的陰極、圖11中堆組o-n的陽極與堆組q_t的陰極、然后還是圖12中堆組q_t的陽極與堆組u-x的陰極相連接，最終圖11的堆組u-x提供出陽極末端。因此，圖11中，在堆組a_d的陰極末端與堆組u-x的陽極末端之間加電力負載，并提取電力。總共24個堆，將四個并聯連接，從而可以增大電流產生面積，然后并聯連接的堆組經過6次串聯連接，可以使電壓升高。如上述內容，本發明所設計的燃料電池系統，使用平管型支撐體來制造單位電池模塊，將其沿三維方向堆疊，從而可以制造出串聯并聯混合的一體式堆。并且，在反應腔體內，將這樣的堆平行堆放多個后，可以制造出再以并聯、串聯或者串并聯混合的狀態形成的堆系統，因此具備可以獲得期望的電流以及電壓的優點。
權利要求
1.一種固體氧化物燃料電池堆的制造方法，其特征在于，其包括如下步驟制造單位電池模塊的步驟，在平管型支撐體的外部面上形成一個以上的單位電池，在平管型支撐體的前端面與外部面的至少一部分上形成與單位電池的第一電極相連接的第一電連接件，在平管型支撐體的后端面與外部面的至少一部分上形成與單位電池的第二電極相連接的第二電連接件；以及對單位電池模塊進行堆疊以使所述電連接件連接的步驟。
2.如權利要求1所述的固體氧化物燃料電池堆的制造方法，其特征在于，在平管型支撐體內部形成第一氣體通道，在外部面中央部上形成第二氣體通道及單位電池，在外部面兩側上形成電連 接件。
3.如權利要求2所述的固體氧化物燃料電池堆的制造方法，其特征在于，以一定深度挖出所述支撐體外部面的中央部并進行堆疊，從而形成第二氣體通道。
4.如權利要求2或3所述的固體氧化物燃料電池堆的制造方法，其特征在于，所述第二氣體通道上形成一個以上的單位電池，所述單位電池由第一電極層、電解質層及第二電極層所構成。
5.如權利要求1所述的固體氧化物燃料電池堆的制造方法，其特征在于，對單位電池模塊進行堆疊，以使得通過外部面兩側上形成的電連接件來使同性極相互連接，從而進行電并聯連接。
6.如權利要求1所述的固體氧化物燃料電池堆的制造方法，其特征在于，對單位電池模塊進行堆疊，以使得通過前后面上形成的電連接件來使異性極相互連接，從而進行電串聯連接。
7.一種固體氧化物燃料電池堆的制造方法，在注入燃料氣體與空氣來進行電化學氧化反應，從而產生電的固體氧化物燃料電池堆的制造方法中，其特征在于，其包括如下步驟支撐體的制造步驟，以一定深度挖出內部沿長度方向存在多個第一氣體流動通道的多孔性平管結構體的長度方向上除兩末端一部分以外的中央部的外表面，從而在堆疊時，在結構體之間形成第二氣體流動外部通道；單位電池模塊的制造步驟在形成了第二氣體通道的支撐體中央部表面上，以一定間距形成多個沿長度方向交替披覆了第一氣體電極層、電解質層及第二氣體電極層的單位電池之后，將單位電池之間的異性極通過電連接件連接，最終，將兩末端的相反側上露出的第一氣體電極層與第二氣體電極層通過電連接件各自連接披覆，披覆部位按包含了第二氣體流動通道部以外的各自的兩末端面的外部面的整個面的范圍來進行披覆；制造堆的步驟將所述電池模塊沿上下方向或者上下左右方向反復堆疊來制造單位堆模塊，所述堆模塊沿長度方向反復堆疊，最終制造出沿二維方向或三維方向進行堆疊的堆。
8.如權利要求7所述的固體氧化物燃料電池堆的制造方法，其特征在于，通過在所述第一披覆層中的第一氣體電極層之間插入電解質層，在第二披覆層中的電解質層中插入電連接件層，最后在第三披覆層中的第二氣體電極層中插入電解質層來進行披覆。
9.如權利要求7所述的固體氧化物燃料電池堆的制造方法，其特征在于，所述第二披覆層的電連接件層位于第一披覆層的電解質與第一氣體電極層的接觸部位上，第三披覆層的電解質層與第二氣體電極層之間的接觸部位位于第二披覆層的電連接層上，第一氣體電極層與第二氣體電極層披覆置于電連接件層的相反側。
10.如權利要求7所述的固體氧化物燃料電池堆的制造方法，其特征在于，所述第一氣體電極層與第二氣體電極層燒結后形成為多孔性的，電解質與電連接件層形成為氣體無法透過的致密膜。
11.如權利要求7所述的固體氧化物燃料電池堆的制造方法，其特征在于，并非沿平管的長度方向，而是沿上下或者左右方向對所述單位電池模塊進行堆疊時，使單位電池模塊的同性極相接觸，以使其電并聯連接，從而制造單位堆模塊；沿長度方向堆疊所述單位堆模塊時，各模塊間相互的異性極相連接并進行堆疊，以使其電串聯連接。
12.如權利要求7所述的固體氧化物燃料電池堆的制造方法，其特征在于，由單位電池模塊堆疊而成的堆，在機械加壓的狀態下經過燒結過程后，單位電池模塊間的端面或者外部面上披覆的電連接件層之間進行物理結合。
13.一種固體氧化物燃料電池堆，其特征在于，其由單位電池模塊堆疊而成，所述單位電池模塊包括平管型支撐體，其在平管型結構體內部形成第一氣體通道，在平管型結構體外部面中央部上形成作為第二氣體通道的槽；一個以上的單位電池，其由形成于所述第二氣體通道上的第一電極層、電解質層、第二電極層所構成；第一電極連接件，其披覆于所述平管型支撐體的前端面及外部面一側上，并與第一電極相連接；以及第二電極連接件，其披覆于所述支撐體的后端面及外部面另一側上，并與第二電極相連接。
14.如權利要求13所述的固體氧化物燃料電池堆，其特征在于，所述單位電池模塊堆疊為與外部面及/或前后端面相連接，形成串并聯混合式堆。
15.如權利要求13所述的固體氧化物燃料電池堆，其特征在于，所述第一氣體沿著內部通道并朝著平管型支撐體的長度方向流動，第二氣體在堆疊時沿著連接的槽并以與第一氣體流動的方向呈直角的方向流動。
16.如權利要求13所述的固體氧化物燃料電池堆，其特征在于，在第二氣體通道上形成有第一氣體電極層、電解質層及第二氣體電極層，將第一氣體電極層與第二氣體電極層分別連接到形成于支撐體的前后端面上的電連接件。
17.如權利要求13所述的固體氧化物燃料電池堆，其特征在于，在第二氣體通道上沿長度方向以一定間距反復形成由第一氣體電極層、電解質層及第二氣體電極層構成的反應部(EEA，Electrolyte -Electrode Assembly)，在反應部之間的第一電極層與第二電極層連接至電連接件層，將第二氣體通道的一側末端上形成的第一電極層與另一側末端上形成的第二電極層分別連接到支撐體前后面上形成的電連接件。
18.如權利要求14所述的固體氧化物燃料電池堆，其特征在于，堆的前端及/或后端上還連接有集電堆模塊。
19.如權利要求18所述的固體氧化物燃料電池堆，其特征在于，所述集電堆模塊為，在平管型結構體的外部面整個面上按順序披覆電解質層與電連接件層而制造出集電支撐體， 由所制造的集電支撐體沿上下方向或者上下左右方向堆疊而成的堆模塊。
20.如權利要求18所述的固體氧化物燃料電池堆，其特征在于，所述集電堆模塊是使用含有第一電極材料的材料來制造的，是由所制造的不泄露氣體的集電平管型結構體沿上下方向或者上下左右方向堆疊而成的堆模塊。
21.—種固體氧化物燃料電池系統，其特征在于，其由以下部件構成裝載有權利要求13、19或20中任一項所述的固體氧化物燃料電池堆的外殼； 所述堆的兩末端上裝載的電集電板；第一氣體腔體，其包括用于通過所述堆內平管支撐體內部的通道供給或排出第一氣體的管道，以及電集電板；以及由用于通過所述堆內外部通道供給或排出第二氣體的管道所形成的第二氣體導入腔體。
22.如權利要求21所述的固體氧化物燃料電池系統，其特征在于，將第二氣體導入腔體沿長度方向分割為多個，對長度方向上的冷卻氣體的流量進行適當的分配并進行供給， 從而使長度方向上的溫度梯度最小化。
23.一種固體氧化物燃料電池堆系統的制造方法，其特征在于，在第二氣體反應腔體內，將權利要求13、19或20中任一項所述的多個固體氧化物燃料電池堆沿上下方向或者上下左右方向以一定間距堆放，堆的兩側末端部朝向腔體外露出并各自裝載至第一氣體流入及流出腔體內，從而對堆進行集成化。
24.如權利要求23所述的固體氧化物燃料電池堆系統的制造方法，其特征在于，按同性極方向堆放的堆合并后電并聯連接；將按極性相反堆放的堆的異性極之間按順序連接， 最后使其電串聯連接。
25.如權利要求23或24所述的固體氧化物燃料電池堆系統的制造方法，其特征在于， 沿上下方向堆疊的堆依靠絕緣體的氣體密封件來將堆之間密封，以使得僅通過平管型電池模塊之間的外部通道流入氣體，并防止向堆之間流入氣體。
全文摘要
本發明涉及固體氧化物燃料電池堆及其制作方法，更詳細地涉及可以通過串并聯結構來產電的固體氧化物燃料電池堆及其制作方法。本發明的固體氧化物燃料電池堆的特征在于，制造出在平管型支撐體的前端面及外部面一側上形成有與第一電極連接的第一電連接件、在后端面及外部面一側上形成有與第二電極連接的第二電連接件的單位電池模塊，制造出通過堆疊使得所述電池模塊的外側面的同性極相連接而電并聯連接的單位堆模塊，將所述堆模塊的前后面串聯連接，制造出串并聯混合式固體氧化物燃料電池一體式(monolithic)堆。本發明的固體氧化物燃料電池堆，可以解決其制作方法中作為最大弱點的單位電池的大面積化困難、僅依靠串聯連接的堆性能的單位電池的直接依賴性、以及依靠堆疊難以制造大型的堆等困難。
文檔編號H01M8/12GK102439775SQ201080017670
公開日2012年5月2日 申請日期2010年4月15日 優先權日2009年4月20日
發明者尹鉉箕, 樸重德, 鄭鐘植, 郭富鎬 申請人:普斯比公司, 浦項工科大學校產學協力團