熱管理改進的高溫或燃料電池式電化學系統的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種包括在縱軸(X)上具有交替的陶瓷電池(2)和互連體(4)的堆疊體并且還包括并入堆疊體中的熱管理元件的電化學系統，所述熱管理元件包括具有結構化橫向表面的板(6)，通過該結構化橫向表面朝向堆疊體外部以輻射方式進行熱傳遞。
【專利說明】熱管理改進的高溫或燃料電池式電化學系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及在高溫下操作的熱管理改進的電解器和燃料電池堆疊體。
【背景技術】
[0002]高溫電解器通常被稱為SOEC (固體氧化物電解池)。它們實現從電能和熱能到化學能的電化學轉化。術語共電解是指蒸汽和二氧化碳的混合物(H20/C02)被供入電解器的操作。蒸汽轉變成作為能量載體的氫氣，而二氧化碳被轉變成作為能量載體的一氧化碳。根據需求，這些H2/C0可燃氣體可隨后例如通過S0FC(固體氧化物燃料電池)堆疊體而轉化成熱，并轉化成電。
[0003]SOEC電解器和SOFC燃料電池堆疊體代表相同電化學系統的相反操作。應注意的是，這些系統具有較高的電效率。此外，在SOFC模式中可獲得與燃料性質有關的很大靈活性。例如，該堆疊體可以直接供應天然氣。在這種情況下，在該系統的電池內直接將甲烷重整為氫氣。
[0004]所討論的SOEC電解器和SOFC燃料電池堆疊體由很多發生電化學反應的扁平陶瓷電池的堆疊體和通常插入在每對陶瓷電池之間的金屬互連板形成。電池在其各面上具有構成電極(陽極或陰極)的陶瓷層，其中，給定電池的兩個電極被用作電解質的陶瓷膜絕緣并隔開。
[0005]互連板分配氣體并收集電池的兩個電極中的每一個電極中的電流。在堆疊體中，互連板被構造在兩側上，從而實現用于彼此面向安置的兩個相鄰電池的相反電極的收集和分配的功能。
[0006]一個電池與兩個圍繞它的互連板之間的組件形成了所定義的基本單元。具體地，基本單元含有陰極室(還原化學物類的位置)和陽極室(氧化反應的位置)，它們是兩個密封且電絕緣的空間。
[0007]通過氣體以及堆疊體的邊緣與絕緣護套之間的熱交換進行部分熱傳遞。那么，應理解的是，盡可能厚的基本單元能夠增加交換表面，并且促進系統的熱管理。然而，為了增加電化學轉換器的密實度并限制成本，互連板通常由盡可能薄的壓縮板制成。因此，找到強制小體積的密實度約束和需要大面積的熱交換之間的折中似乎很重要。
[0008]對于穩態操作，通過改變傳送至陰極的空氣的流動速率而部分進行SOFC堆疊體的熱管理。此外，由于使甲烷轉化成氫氣的化學反應的吸熱性趨于平衡氫氣的電化學氧化所引起的熱量釋放，內部重整促進堆疊體的熱控制。然而，在負載瞬變期間或在系統接通/關閉時的階段中，出現溫度梯度并且可能對堆疊體造成機械損傷。
[0009]至于SOEC的熱管理，已表明，取決于操作電壓，操作反向電池保護所釋放的熱量可以小于、等于或大于蒸汽電解所吸收的熱量。在高蒸汽轉化率的情況中，電解器的溫度可以非常迅速地改變到對于系統的長期操作不可接受的水平。事實上，以放熱模式操作時所產生的氫氣含有極少的熱量。因此，電解器所放出的氫氣流不能夠排空大量的熱量。還應提到的是，在吸熱操作的情況中，證明了難以為了最佳操作而向堆疊體提供熱量。
【發明內容】

[0010]因此，本發明的一個目的是提供一種電化學系統，諸如熱管理改進的高溫電解器或燃料電池，無論是穩態控制還是瞬態操作期間，該電化學系統對該系統的熱管理提供了很大靈活性。
[0011]通過將具有以相比互連體明顯更大的輻射的方式進行熱傳遞的表面的板插入到由陶瓷電池和互連體形成基本單元的堆疊體中以提供堆疊體和例如熱化護套之間的輻射表面來實現上文所述的目的。
[0012]這種明顯更大的輻射表面通過輻射板或各板的橫向表面的結構化來得到。這些板優選周期性地分布在堆疊體中。它們可以以(在提供電池的氣體供應的方式進行生產的情況中)作為某些互連體的替代品的方式或者以鄰近互連體的方式進行安置。
[0013]術語“結構化”應理解為是指在板的表面上產生浮雕(relief)，以增大它們的熱交換表面，因而，該浮雕例如是形成翼片的凸緣形式。此外，本申請中的術語“熱傳遞”應理解為是指熱量從堆疊體傳遞到外部，但在吸熱操作模式中，熱量從堆疊體的外部傳遞到堆疊體中。
[0014]由于輻射流與T4成正比，根據本發明，以輻射流的方式進行的熱交換越大，溫度越高。因此，這種熱傳遞方式在環境溫度下是低的，并且在SOEC型或SOFC型的電解器的操作溫度下變成主導。它特別適合于SOEC型的電解器和SOFC堆疊體。
[0015]在特別有利的實施方式中，輻射板包括從堆疊體突出的橫向脊；因而，除了橫向表面之外，與堆疊體的軸垂直的脊表面可以被結構化。
[0016]這些板優選比互連體厚，從而提供了甚至更大的輻射橫向交換表面。
[0017]然后，該堆疊體被分成由板圍繞并隔開的電池子單元，上述板有效地引起輻射方式的傳遞。這些板用于以輻射作用進行的傳遞。在本領域的現有技術中的電解器和電池堆疊體中，在互連體的邊緣處發生了輻射方式的傳遞，而且這些邊緣非常薄。
[0018]這些板對堆疊體的熱管理特別有效，由于輻射方式的熱傳遞是熱傳遞的主要方法，且在電解器和燃料電池的電池堆疊體中是最有效的方法。
[0019]此外，它們特別適用于例如在可逆性、瞬態操作、輸入氣體的可變性等方面要求更大靈活性的系統的熱管理。
[0020]因而，本發明的一個主題是一種包括在縱軸上具有交替的陶瓷電池和互連體的堆疊體并且還包括并入所述堆疊體中的熱管理元件的電化學系統，其特征在于，所述熱管理元件包括至少一個板，所述板安置在所述堆疊體中，具有至少一個橫向邊緣，被稱為“輻射板”，所述橫向邊緣具有通過輻射與所述堆疊體外部發生熱交換的表面，所述表面被至少部分結構化。
[0021]福射板有利地比互連體厚,所述互連體可以為0.1mm?15mm厚,且至少一個福射板為5_?50mm厚。
[0022]在特別有利的示例性實施方式中，輻射板相比電池和互連體具有更大的橫截面，使得它具有從堆疊體突出的外周脊，所述脊具有其表面被至少部分結構化的橫向邊緣。
[0023]所述脊具有兩個縱面，兩個縱面的至少一個縱面被部分結構化。
[0024]所述橫向邊緣的表面和/或至少一個縱面有利地覆蓋有輻射率接近I的材料，例如 Pr2NiO4+δ ο
[0025]電化學系統可以包括遍及所述堆疊體分布的若干輻射板。輻射板優選周期性地分布在堆疊體中，例如每隔4?12個基本單元分布在堆疊體中，其中，基本單元由陶瓷電池和兩個互連體形成。根據有利特征，周期性地分布在堆疊體中的輻射板代替位于被其隔開的基本單元的組件的端部處的互連體。
[0026]電化學系統可以包括對陶瓷電池供給電解氣體的回路。
[0027]輻射板可以還包括以對流方式進行熱傳遞的元件。以對流方式進行熱傳遞的元件可以由在輻射板內制成并且大致在板的平面內延伸的通道形成，流體在通道內流動。流體可以是與電化學系統的電解反應中使用的流體不同的流體，或者是電化學系統的至少一種電解反應中使用的電解氣體，其中，所述系統包括使所述通道連接到電解氣體供給回路的元件。
[0028]根據本發明的電化學系統可以是通過重整天然氣進行操作的燃料電池，其中，通道覆蓋有蒸汽重整催化劑，其中，所述流體是天然氣。
[0029]輻射板也可以包括以傳導方式進行熱傳遞的元件。
[0030]輻射板也可以包括在系統所需的操作溫度下發生相變的材料。相變材料被放置在例如空腔中。
[0031]相變材料可以是固相線溫度接近800°C且液相線溫度接近850°C的共晶材料。
[0032]或者，相變材料可以是熔融鹽，例如NaCl。
[0033]在有利的實施例中，至少兩個輻射板具有能夠使位于所述兩個輻射板之間的電池電絕緣的電連接件。
[0034]根據本發明的電化學系統可以是高溫電解器，例如用于產生氫氣的高溫電解器。
[0035]根據本發明的電化學系統可以是燃料電池，在燃料電池中，消耗的氫氣能夠通過天然氣的蒸汽重整來產生。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0036]通過利用下面的描述和附圖將會更好地理解本發明，其中:
[0037]圖1A是熱管理板的第一示例性實施方式的透視俯視圖，
[0038]圖1B是圖1A的輻射板的橫向邊緣的詳細視圖，
[0039]圖1C是包括圖1A的熱管理板的堆疊體的示例性實施方式的正視圖，
[0040]圖2A是熱管理板的第一示例性實施方式的變型實施方式的透視側視圖，
[0041 ]圖2B是圖2A的輻射板沿著面A-A的剖視圖，
[0042]圖2C是包括圖2A的熱管理板的堆疊體的示例性實施方式的正視圖，
[0043]圖3A是根據包括對流型傳遞的第二示例性實施方式的兩個熱管理板的透視俯視圖，
[0044]圖3B是圖3A的上板沿著面B-B的剖視圖，
[0045]圖4A是根據第二示例性實施方式的變型的兩個熱管理板的透視俯視圖，
[0046]圖4B是從位于圖4A中的基底中的橫向邊緣看到的圖4A的上板沿著面C-C的剖視圖，
[0047]圖5是根據本發明包括根據第二示例性實施方式的另一變型的熱管理板的高溫電解器的堆疊體的一部分的透視俯視圖，
[0048]圖6A是根據第二示例性實施方式的另一變型的熱管理板的透視俯視圖，
[0049]圖6B是圖6A的板沿著面D-D的剖視圖，
[0050]圖7A是根據使用相變材料的第三示例性實施方式的熱管理板的透視俯視圖，
[0051]圖7B是圖7A的板沿著面E-E的剖視圖；
[0052]圖8A是包括根據變型實施方式的熱管理板的堆疊體的透視圖，
[0053]圖8B是圖8A的堆疊體沿著面F-F的剖視圖；
[0054]圖9A是包括根據變型實施方式的熱管理板的堆疊體的透視圖，
[0055]圖9B是圖9A的堆疊體沿著面H-H的剖視圖。
【具體實施方式】
[0056]在圖1C中，可以看到根據本發明用于諸如高溫電解器或燃料電池的電化學系統的堆疊體的示例性實施方式。
[0057]堆疊體沿著縱軸X延伸，并且包括由互連板4或互連體分開的陶瓷電池2。由電池2和兩個圍繞它的 互連體形成的組件A形成了基本單元。電池可以是例如包括兩個電極圍繞的電解質(通常生產為氧化釔摻雜的氧化鋯，或氧化釔穩定的氧化鋯(YSZ))，其中，一個電極由鈣鈦礦結構材料(鑭鍶錳氧化物，或LSM)制成，而且另一個電極由陶瓷-金屬復合材料(YSZ和鎳的共混物，或N1-YSZ)制成。互連體通常由Crofer? 22APU合金(鐵素體鋼)、Haynes 230?或鎳基合金制成。
[0058]作為例子，Crofer⑩22APU和Haynes 230?的組成列于下表。
[0059]
— 合金———Mo [ Ni ].....................................Fe......................................1 Mn Cr Al W Ti———La—
'Croicr?22APU 0,002 [ 0,32 平衡量(Bal) I 0.45 22,33 0,13 <0,001 ?Π —^θΤ.........................Hayncs..........................................................................................................132........[.....豐.砸....................................................QJ4.................................j.....0:49..........2232.....[0.42...............14.53..............0.025..........涵—
[0060]上述堆疊體一般還包括另外的板。板6是由導電材料(優選金屬，例如Crofer22 APU?鐵素體鋼、FlSTNb等)制成。這些板6通過對電化學系統運行時所產生的熱量以輻射方式進行熱傳遞來提供電化學系統的熱管理。板6將在下面定名為“輻射板”。
[0061]板6優選周期性地分布在堆疊體中。例如，兩個輻射板被4~12個基本單元所分開。選擇使兩個輻射板6分開的基本單元的數目以限制堆疊體方向上(即電流方向上)的溫度梯度。
[0062]根據本發明的堆疊體包括由陶瓷電池和互連體組成的基本單元和輻射板；正如我們將在下面看到的，輻射板也可以作為互連體；然而輻射板僅代替互連體的一部分。
[0063]示例性板6示于圖1A，并且它的詳細視圖示于圖1B。
[0064]在所示出的實例中，輻射板6的形狀是正方形，從而具有形成交換或熱傳遞表面的四個橫向邊緣8。
[0065]板6具有用于以福射方式進行熱傳遞的表面,該表面大于互連體的表面。板6具有至少部分地結構化的橫向邊緣8，以增加輻射表面。在圖2A中，可以看出具有此結構化的板6的實例。在圖1B中，可以看到圖1A的板的橫向邊緣8的放大圖。在此實例中，邊緣8具有與輻射板的縱面平行的肋9，并且肋具有V形截面。肋的取向不是限制性的。特別是，肋相對于板的縱面垂直或傾斜地延伸的情況沒有超出本發明的范圍。此外，結構化單元可以是任何類型，并且一個邊緣可以不同于另一個邊緣。
[0066]板的橫向邊緣可以在與堆疊體的橫向邊緣相同的豎直平面中，而肋的頂部位于這些豎直平面內。作為變型，結構化的橫向邊緣突出，從而肋的頂部從堆疊體的邊緣的豎直平面中突出。
[0067]輻射板優選具有相比互連體的厚度更大或相等的厚度(即沿縱軸X的尺寸)。然后，在橫向表面的結構化之前，它們相比互連體具有更大的熱交換表面。
[0068]我們現在將給出互連板的有利厚度值和輻射板的有利厚度值。
[0069]在(例如由壓縮板制成的)“薄的”互連板的情況下，該板可以為0.1mm?Imm厚；福射板有利地為IOmm?50mm厚，并且優選為40mm厚。
[0070]在“厚的”互連板的情況下，它可以為5mm?IOmm厚；福射板有利地為5mm?20mm厚，并且優選為IOmm厚。
[0071]圖1A的板6相比互連體4和電池2具有大致相等的表面，即，它的邊緣大致對準互連體的邊緣和電池的邊緣。
[0072]在所示出的實例中，輻射板6代替了位于基本單元的連續堆疊體的末端的互連體；而輻射板的縱面10中的一個縱面具有供給可燃氣體和氧化性氣體到電池的通道。這種配置使得堆疊體得以簡化，并且減少了電阻和密封問題。
[0073]或者，板6可以安置在電池2和互連體之間，然后進行鉆探以使流體連接件通過堆疊體。
[0074]在圖2A和圖2B中，可以看到根據本發明輻射板106的特別有利的變型實施方式，其中，板206在其橫向邊緣8上和在其縱面10的外周上具有結構化體。
[0075]板106相比電池和互連體具有更大的橫截面，使得它具有從堆疊體的中間橫向表面中突出的外周脊111。在圖2C中，可以看到包括板106的堆疊體；福射板106的突出脊111形成了熱交換翼片。
[0076]以與板6類似的方式，脊111的縱面具有其橫向邊緣108的結構化體，并且有利地具有其縱面的外邊緣112的結構化體113。如在圖2B中可以看出的，這種結構化體113 (在剖視圖中可見)具有鋸齒形剖面。齒的最大面113.1有利地面對堆疊體外側,而最大表面面對外側并且熱輻射主要向外。
[0077]或者，可確定，只有縱面具有結構化體，并且橫向邊緣是平滑的；或者相反地，只有橫向邊緣被結構化，并且縱面是平滑的。也可想到部分結構化的橫向邊緣和/或縱面。
[0078]此外，板以及更普遍的堆疊體的元件的正方形形狀不是限制性的，而例如圓盤形狀也沒有超出本發明的范圍。
[0079]作為例子，我們將給出板的尺寸。
[0080]在假設1.5伏/電池的施加電壓下，電池的活性表面為77.44cm2，輻射板以每隔五個電池的方式進行安置，互連體為Imm厚，氣體入口溫度和圍繞堆疊體的護套的熱化溫度為800°C,結構化的福射板6為44mm厚。在互連體為IOmm厚的情況下,結構化的福射板為11mm 厚。
[0081]輻射板的厚度取決于其橫向邊緣的結構化水平，并可能取決于縱面的結構化水平。
[0082]輻射板的縱面的橫向邊緣和/或外邊緣可以有利地涂覆有輻射率接近I的材料。例如，涂層可以是通過高溫溶膠法得到的Pr2Ni04+s。
[0083]還可想到增加輻射損耗，并且通過這種方式，通過控制堆疊體外部(例如，圍繞堆疊體的護套)的環境溫度來冷卻堆疊體。在這些情況下，可以得到電解器或燃料電池的溫度的動態控制。類似地，在吸熱模式中，通過控制外部護套的溫度將促進輻射方式的熱傳遞。
[0084]在示出中間平面的實施例中，橫向邊緣與堆疊體的縱軸X大致平行；然而，這些平面可以相對于縱軸X傾斜。
[0085]作為變型，可確定，使輻射板的外橫向脊比中心部分厚，從而通過這種方式也能增加輻射損耗；這種增厚的脊也可以被結構化。
[0086]在圖8A和圖SB中，可以看到輻射板506的變型實施方式。在該變型中，輻射板包括突出的外周脊511，外周脊的橫向邊緣508具有波浪形509。在所示出的實施例中，這些波浪形509具有與堆疊體的軸平行的軸。通過這種方式增大輻射表面。
[0087]在圖9A和圖9B中，可以看到輻射板606的另一種變型實施方式，其中，這些輻射板不同于圖8A和圖SB的輻射板，它們的外周脊611比位于堆疊體中的輻射板的部分的橫截面更厚。如在圖9B中可以看到，輻射板的外周脊611具有大致T形的剖面。橫向邊緣608也具有波浪形609。輻射表面被進一步增大。可想到其它產生增大輻射表面的剖面，例如L形的剖面。
[0088]在圖3A和圖3B中，可以看到根據本發明的輻射板的第二示例性實施方式，其中，除以輻射傳遞方式進行的冷卻之外，它結合了以對流方式進行的冷卻。相反地，在吸熱模式中，通過對流進行的這些交換將能夠將熱量傳遞到堆疊體。
[0089]在圖3A和圖3B中所示的板206也用于形成互連體。在圖3A中，電池和互連體已被省略。
[0090]在圖3B中，可以看到沿板206的剖面C-C的剖視圖。輻射板206與板6和106 —樣，具有其橫向邊緣208的至少一部分的結構化體，以通過輻射傳遞提供冷卻；和引起熱傳遞流體在其內流動的元件214,以通過對流進行排熱。在所示出的實施例中,通過在板206的兩個平行邊緣208之間延伸的彼此平行的通道216形成引流元件。通道216在第一端部連接到供給連接器218，并且在第二端部連接到真空連接器220。在此示例性實施方式中，通道216以平行的方式提供，并且所有板206通過連接到供給所有板206的連接器218的管222以平行的方式得到供給，并且通過連接到用于對所有板206進行排空的連接器220的管224以平行的方式進行排空。熱傳遞流通道可以以任何方式進行布置。
[0091]在此實施例中，熱傳遞流體是與電池堆疊體或電解器運行時電解中使用的氣體不同的氣體。這種氣體是例如在輻射板206中流動的回收所產生的任何余熱的中性氣體。
[0092]輻射板206之間電絕緣。例如，電絕緣例如通過使用云母密封件而形成在管222與供給連接器218的接合處。
[0093]在圖4A和圖4B中，可以看到圖3A和圖3B的系統的變型，其中，熱傳遞流通道216以串聯方式連接。熱傳遞流體供給管222對堆疊體的第一板206.1的供給連接器218.1進行供給，第一板206.1的排空連接器(看不到)連接到下面的板206.2的供給連接器218.2等等，使得熱傳遞流體流經所有板。
[0094]在所示出的實施例中，板206用于代替互連體；因此，它們在它們的中心部中也具有用于供給氧化性氣體和燃料氣體的通道226。通道226通過在板的邊緣上安置的分支連接件230和在板206內部形成的通道而自供給。
[0095]在施加電壓為1.5伏/電池(電池的活性表面為77.44cm2 ;福射板206以每隔五個電池的方式進行安置；堆疊體溫度不超過840°C;蒸汽在800°C下以21/分鐘的流速引入；并且互連體為Imm厚)的系統中，確定輻射板206的厚度為約42mm。然后，在堆疊體中消散的熱量的分布如下所示:約70.5%的熱量通過輻射損耗而排空；27%的熱量通過陰極流體和陽極流體而排空；并且2.5%的熱量通過熱傳遞流體而排空。因此，對流冷卻使得堆疊體的熱管理通過額外的輻射傳遞冷卻而得以提高。例如通過提高流體的流速或者通過選擇更有效的熱傳遞流體能夠提高對流方式的排熱量。
[0096]在圖5中，可以看到圖3A至圖4B的板的變型實施方式，其中，對流冷卻元件使用了陽極或陰極電解氣體。
[0097]在圖5中，示出了輻射板206.1’、206.2’、206.3’和電池2的堆疊體。輻射板206.1' ,206.2' ,206.3’類似于圖3A至4B的輻射板206 ;在以串聯方式示出的實施例中，管222將電解氣體供給到輻射板206.1' ,206.2’，206.3’。在板206.3’的出口處，所收集的電解氣體由管234通過第一板206.1的橫向分支連接件而注入到電池2中。箭頭表示氣體的流動。電解氣體例如是蒸汽。連接兩個輻射板的流體連接件具有例如通過云母密封件所實現的電絕緣。
[0098]在通過直接使用接近電池處中所產生的熱量預熱電解氣體的同時，堆疊體由于這種布置而通過對流進行冷卻。
[0099]根據另一個變型，可想到使氣體在也位于其護套中的堆疊體的周圍以促進對流交換。
[0100]在圖6A和圖6B所示出的另一個變型中，在甲烷以重整模式進行操作的SOFC電池堆疊體的情況下，輻射板306的通道316覆蓋有例如Ru-、Rh-(或其它金屬)摻雜的鈰土類型的蒸汽重整催化劑336。通過這種方式，在天然氣被引入燃料電池的電池中之前，天然氣進行預重整。由于該反應是吸熱的，它通過對流冷卻堆疊體。
[0101]在操作期間，電化學系統可能會經歷電壓和溫度循環。這些轉換會引起不利于電池的機械完整性的溫度梯度。此外，超過850°c的非常高的溫度，即使是暫時的，也可能會損壞堆疊體的金屬材料。
[0102]圖7A和圖7B中所示的示例性輻射板實施方式有利地允許堆疊體內溫度的突然變化并限制溫度超過850°C。
[0103]如在第二示例性實施方式中，輻射板406包括彼此平行的、在板406的兩個平行邊緣之間延伸的通道416。然而，這些通道含有在電解器和高溫燃料電池堆疊體的操作溫度范圍中的800°C和850°C之間發生相變的相變材料438。通過電解器所產生的熱量來供給轉化相變材料438所需的潛熱；因此，通過相變材料438來吸收該熱量，從而限制了溫度上升至高于對堆疊體有危險的閾值。
[0104]相變材料438可以是共晶體(eutectic)，使得它在恒定的溫度下熔化，從而使得堆疊體在該相變期間保持在恒定的溫度下。例如，它可以是固相線溫度接近800°C且液相線溫度接近850°C的合金。例如，這種共晶體材料可以是熔點為835°C的Ag(96.9% )_Si合金。或者，它可以是熔點為802 °C的Cu-Si (85% )，或者是熔點為848°C的LiF，以及對于較低溫度應用的熔融點為780°C的Ag-Cu (28% )。可以期望其它合金，諸如Ag58-Cu32-Pdl0(853°C ?824°C )、Au60-Cu20_Ag20 (845°C ?835°C ),或者，在較低溫度下，Ag95-A15(830°C?780°C )或 Ag68-Cu27_Pd5 (814°C?794°C )。在括號之間分別給出固相線溫度和液相線溫度。
[0105]相變材料438也可以是成本較低的熔融鹽。如果使用了熔融鹽，那么必須用例如氮化硼保護輻射板免受腐蝕。例如，可以使用熔點為800°C的NaCl或備選的熔點為850°C的Na2Co3作為熔融鹽。通過每隔五個組合部件(module)的根據本發明的輻射板中使用NaCl作為相變材料，通過填充測量為直徑10mm、長度200mm的10個通道可以在1.5V下保證800°C的溫度30分鐘。為了計算排空100W的功率，472kJ/kg的NaCl潛熱和2160kg/m3的NaCl密度被考慮在內。
[0106]由于相變材料的使用，上閾值和下閾值可以被引入到堆疊體溫度中以便限制被稱為瞬態的較大瞬間溫度變化。
[0107]根據電力的成本尋求最佳氫氣產生中，可確定，當電的價格低時，該系統在高電勢(1.5V)下運行并且利用所釋放的熱量熔化該合金。而當電的價格高時，電解器在1.3V的較低電壓下以吸熱模式運行。然后，當相變材料凝固時，相變材料所存儲的熱量返回到堆疊體中，并形成提高電解效率的可用熱源。
[0108]在圖3A至圖7B中所示的實施例中，通道是線性的，并且彼此平行的，但是這種配置絕非限制性的，并且是在若干層中分布和/或在板中以非均勻方式分布的彎曲通道或任何其它形狀的通道都沒有超出本發明的范圍。
[0109]具有通道的輻射板可以通過使用熱等靜壓(HIP)工藝的粉末冶金法來生產。
[0110]在這種情況下，通過由最初以粉末形式引入的形成板的材料所圍繞的彎曲金屬管來獲得形成分配通道的組件。在高溫下壓縮該組件以得到致密部件，通過機械加工可以使致密部件的外表面良好以獲得最終尺寸。作為變型，可確定，通過制造第一系列的平行鉆孔來形成通道，然后制造與第一系列的鉆孔垂直的第二系列的兩個鉆孔，使得第一系列的鉆孔處于彼此連通。然后，通過焊接塞(例如具有鉆孔尺寸的圓筒形焊接塞)來封閉出口區域。該變型相比HIP法具有低成本價格的優勢。
[0111]根據另一個未示出的示例性實施方式，傳導方式的冷卻與輻射傳遞方式的冷卻相結合。例如，堆疊體被容納在導熱護套中，并且輻射板相比電池和互連體具有更大的橫截面，以使得它們與護套進行接觸；然后它們與護套熱連接。堆疊體中產生的一部分熱量以傳導方式通過輻射板和護套而被排空，可以控制輻射板和護套的溫度。在該示例性實施方式中，在輻射板和護套之間提供電絕緣以防止輻射板之間短路。
[0112]上述變型實施方式的組合沒有超出本發明的范圍。例如，包括中性氣體流動的通道從而提供額外的對流冷卻的輻射板、加熱電解氣從而也提供額外的對流冷卻的通道以及含有相變材料的通道沒有超出本發明的范圍。可想到任何其它組合。
[0113]除了簡化堆疊體的熱管理之外，如果電池的部分失效，則輻射板還能夠使該堆疊體的其余部分隔離。要做到這一點，輻射板可以配備有單獨的電連接。然后，能夠在任何時間通過連接位于該部分的各端部處的兩塊板來建立電橋。這種簡單的操作使得其中一個電池損壞的堆疊體的該區域得以電絕緣。然后，該堆疊體可以在防止電流免于穿過受損電池的同時繼續運行。
[0114]最后，即使不存在相變材料，輻射板在堆疊體中也引起一定的熱惰性，通過這種方式限制高瞬態溫度梯度的出現。
[0115]在高溫電解器的情況中，本發明使電解器免于經受很大的熱量，從而以高蒸汽轉化率運行。
[0116]根據本發明，可以相對簡單地有效管理高溫電解器和燃料電池堆疊體的熱性能。所使用的元件，即輻射板，也具有很大的操作安全性，且在可以實施的冷卻模式方面上具有很大靈活性。同樣地，這些板可以被用來提供吸熱操作模式所需的熱量。
【權利要求】
1.一種電化學系統，所述電化學系統包括在縱軸(X)上具有交替的陶瓷電池(2)和互連體(4)的堆疊體，并且還包括并入所述堆疊體中的熱管理元件，其特征在于，所述熱管理元件包括至少一個板(6，106，206，306)，所述板被稱為“輻射板”，安置在所述堆疊體中，具有至少一個橫向邊緣，所述橫向邊緣具有通過輻射與所述堆疊體外部發生熱交換的表面，所述表面被至少部分結構化。
2.根據權利要求1所述的電化學系統，其中，所述輻射板出，106，206，306)比所述互連體厚，其中，所述互連體⑷為0.1mm~15mm厚,且至少一個福射板(6,106,206,306)為5mm ~50mm 厚。
3.根據權利要求1或2所述的電化學系統，其中，所述輻射板(106)具有比所述電池(2)和所述互連體(4)大的橫截面，使得所述輻射板具有從所述堆疊體突出的外周脊(11)。
4.根據權利要求3所述的電化學系統，其中，所述外周脊(11)包括橫向邊緣和兩個縱面(10)，所述橫向邊緣的表面被至少部分結構化，所述兩個縱面中的至少一個縱面被至少部分結構化。
5.根據權利要求4所述的電化學系統，其中，所述橫向邊緣的表面和/或至少一個縱面覆蓋有輻射率接近I的材料，例如Pr2Ni04+s。
6.根據權利要求1~5中任意一項所述的電化學系統,所述電化學系統包括分布在所述堆疊體中的若干輻射板(6，106，206，306)。
7.根據權利要 求6所述的電化學系統，其中，所述輻射板(6，106，206，306)周期性地分布在所述堆疊體中，例如每隔4~12個基本單元分布在所述堆疊體中,所述基本單元由陶瓷電池⑵和兩個互連體⑷形成。
8.根據權利要求7所述的電化學系統，其中，至少一個所述輻射板(6，106，206，306)代替了互連體。
9.根據權利要求1~8中任意一項所述的電化學系統，其中，所述橫向邊緣具有波浪形。
10.根據權利要求3與權利要求1~9中任意一項的組合所述的電化學系統，其中，所述外周脊比所述輻射板的安置在所述堆疊體內部的部分厚。
11.根據權利要求1~10中任意一項所述的電化學系統，其中，所述輻射板(206)包括以對流方式進行熱傳遞的元件，所述以對流方式進行熱傳遞的元件由在所述輻射板(206)內制成并且大致在所述輻射板的平面內延伸的通道(216)形成，流體在所述通道中流動。
12.根據權利要求11所述的電化學系統，其中，所述流體不同于所述電化學系統的電解反應中使用的流體。
13.根據權利要求11所述的電化學系統，其中，所述流體至少是所述電化學系統的電解反應中使用的電解氣體，所述系統包括使所述通道(216)連接到電解氣體供給回路的元件。
14.根據權利要求1~13中任意一項所述的電化學系統，其中，所述輻射板(406)包括至少一個空腔(416)，所述空腔包含在所述系統所需的操作溫度下發生相變的材料(438)。
15.根據權利要求14所述的電化學系統，其中，相變材料(438)是固相線溫度接近800°C且液相線溫度接近850°C的共晶材料。
16.根據權利要求14所述的電化學系統，其中，所述相變材料是熔融鹽，例如NaCl。
17.根據權利要求1~16中任意一項與權利要求6或7的組合所述的電化學系統,其中，至少兩個輻射板包括電連接件，以能夠使位于所述兩個輻射板之間的電池電絕緣。
【文檔編號】H01M8/04GK103988354SQ201280059370
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2012年10月26日 優先權日:2011年10月28日
【發明者】熱羅姆·勞倫辛, 杰拉德·蒂列特, 馬嘉利·瑞提爾 申請人:原子能和替代能源委員會