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改型平面电池和基于其的电化学装置堆，平面电池和堆的生产方法及平面电池生产模具

阅读：11发布：2022-01-14

专利汇可以提供改型平面电池和基于其的电化学装置堆，平面电池和堆的生产方法及平面电池生产模具专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及改型平面电池，其具有固体氧化物固体电解质、气体扩散阳极、阴极、金属或氧化物电流通道以及电流-气体供应。所述电池的支撑固体电解质为包括波纹的波纹形板的形式。在横截面中，所述板的各波纹构成具有孔的没有较大下底的等腰的、相同高度的梯形。所述孔在每个波纹的上部部分中在一侧上被形成，以用于供应各试剂之一，例如在燃料电池的情况下的燃料。各波纹在它们的底处被连接至彼此以便形成所述电池的气体空间通道。所述气体空间通道为没有较大上底的翻转的等腰梯形的形式，并且在它们的较小底处的夹角 α为0.1到89.9°。所述波纹形板被连接至两个相反的壁，前壁和后壁。所述后壁被布置成垂直于所述板的各波纹并且于是具有相等的高度，并设置有孔。一个壁中的各孔被用于将第二试剂引入电极周围的以没有较大上底的翻转的等腰梯形形式的每个通道中，其中所述第二试剂例如在燃料电池的情况下的空气，并且另一个相反的壁的各孔用于排出缺氧性混合物。在在横截面中构成没有较大下底的等腰梯形的各气体空间通道的一侧上，所述支撑固体电极的波纹形板被涂覆有电极，例如在燃料电池的情况下的镍- 金属陶瓷阳极。在电极周围的以没有较大上底的翻转的等腰的梯形的形式被成形的各气体空间通道另一侧上，所述板被涂覆有第二相反电极，例如基于锰酸镧锶的阴极。具有一系列孔的金属盒状气体供应管道确保了各试剂的供应和各反应产物的排出。所述气体供应管道的宽度和长度与所述电池的宽度和长度一致。这些孔对应于所述电池的在横截面中构成没有较大下底的等腰梯形的波纹的上部部分中的各孔，并且以气密方式连接至各孔的外周。气密空间在所述平面电池中被形成，以用于经管道引入的试剂、用于其经过各气体空间通道的均匀分配、并用于各废气穿过类似的排出气体总管的离开。所述排出气体总管被相对于竖直轴线旋转180°并且在周边处以气密方式被连接至陶瓷部分。设置有孔的各气体总管的平坦表面被连接至各电极。它们同时被用作集电器并且各管道被用作所述平面电池的电流端子。，下面是改型平面电池和基于其的电化学装置堆，平面电池和堆的生产方法及平面电池生产模具专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种改型平面电池，其具有固体电解质(1)、阳极(3)和阴极(2)，其中固体电解质(1)、阳极(3)和阴极(2)形成波状板(4)，
其特征在于，
所述波状板(4)包括波(5)，所述波形成用于一种试剂的以没有较大下底的相等高度的等腰梯形的形式的复数个通道、和用于其它试剂的以没有较大上底的翻转的等腰梯形的形式的复数个通道。
2.如其它权利要求之一所述的改型平面电池，
其特征在于，
各所述通道梯形的至少之一的侧边与相应的底之间的夹角在大约0.1°和大约
89.9°之间。
3.如其它权利要求之一所述的改型平面电池，
其特征在于，
所述波状板的各构件的至少之一是自支撑的。
4.如其它权利要求之一所述的改型平面电池，
其特征在于，
所述波状板(4)的各通道由横向壁(7)和/或上部表面(16，18)和/或下部表面(16，
18)覆盖，这种情况下各横向壁、各上部表面、各下部表面和/或各通道优选具有孔口(8，9，
19，20)。
5.如其它权利要求之一所述的改型平面电池，
其特征在于，
所述波状板(4)的各通道的至少之一在所述梯形的较大底处敞开。
6.如其它权利要求之一所述的改型平面电池，
其特征在于，
其包含金属或氧化物电流通道和/或优选地电子导电的电流/气体引线。
7.如其它权利要求之一所述的改型平面电池，
其特征在于，
各所述通道用于剩余燃料的移除，这种情况下，存在输出气体总管(16)和输入气体总管(16)，它们优选相对于竖直轴线和彼此被旋转180°。
8.如权利要求7所述的改型平面电池，
其特征在于，
各所述气体总管(16)的面对电化学部分的平坦表面被与电极连接并且同时起所述平面电池的集流总管和集流夹钳作用。
9.如其它权利要求之一所述的改型平面电池，
其特征在于，
所述阳极(3)和/或所述阴极(2)是气体扩散的。
10.如其它权利要求之一所述的改型平面电池，其具有固体氧化物电解质(1)、气体扩散阳极(3)、阴极(2)、金属或氧化物电流通道以及电流/气体引线，
其特征在于，
所述电池的支撑固体电解质(1)以包括波(5)的波状板(4)的形式被实现，所述板(4)的各波(5)在截面中具有相等高度的没有较大下底(6)的等腰梯形的形状，并具有孔口(9)，这种情况下各所述孔口(9)在每个波(5)的顶部处在一侧上被形成，以便供给各试剂之一，例如，在燃料电池的情况下的燃料，
各所述波(5)在它们的底处被互连以便形成所述电池的气体空间/通道(14)，所述气体空间/通道以没有较大上底的翻转的等腰梯形的形式被实现，同时在它们的较小底处的夹角α在0.1和89.9°之间，
所述波状板(4)与两个相反的(前和后)壁(7)结合，所述壁被布置成垂直于所述板(4)的各波(5)，各所述壁具有与所述波相同的高度并具有孔口(8)，
一个壁(7)的各孔口(8)被计划用于供应第二试剂至近电极空间的以没有较大上底的翻转的等腰梯形形式的每个通道中，所述第二试剂例如在燃料电池的情况下的空气，同时另一个相反的壁(7)的各孔口(8)被计划用于缺氧性混合物的移除，
支撑固体电解质(1)的所述波状板(4)从在截面中表现为没有较大下底的等腰梯形的各气体空间/通道(14)的那侧被覆盖有一个电极，例如在燃料电池的情况下的镍-金属陶瓷阳极(3)，
从近电极空间的以没有较大上底的翻转的等腰梯形的形式被实现的各气体空间/通道(14)的那侧，所述板(4)被覆盖有第二相反电极，例如，基于锰酸镧锶的阴极(2)，具有一组孔口(20)的盒状金属气体引线(17)供给各试剂并移除各反应产物，这种情况下所述气体引线的宽度和长度与所述电池的宽度和长度一致，
这些孔口(20)与所述电池的在截面中具有没有较大下底的等腰梯形的形状的波(5)的顶部处的各孔口(9)对齐，并且沿着各孔口(20)的周边与它们气密地连接，气密空间在所述平面电池中被形成，以用于穿过管道(17)的试剂、用于其通过各空间/通道(14)的均匀分配、并用于穿过类似的输出气体总管(16)出来的废气，所述输出气体总管被相对于竖直轴线旋转180°，并沿着周边与陶瓷部分气密地连接，并且这种情况下，具有孔口(20)的各气体总管(16)的平坦表面被与各电极连接并且同时起集流总管的作用，同时各管道(17)为所述平面电池的集流夹钳。
11.如其它权利要求之一所述的改型平面电池，其具有固体氧化物电解质(1)、气体扩散阳极(3)、气体扩散阴极(2)、金属或氧化物电流通道以及电流/气体引线，其特征在于，
所述平面电池的支撑多孔阳极(3)以由波(5)构成的波状板(4)的形式被实现，各所述波(5)在截面中具有相等高度的没有较大下底(6)的等腰梯形的形状，
各所述波(5)在每个波(5)的顶部处在一侧上具有孔口(9)，以便供给各试剂之一，例如，在燃料电池的情况下的燃料，
各所述波(5)在底处被互连以便形成所述平面电池的以没有较大上底的翻转的等腰梯形形式的气体空间，
在较小底处的夹角α为从0.1到89.9°，
这种情况下所述波状板(4)与两个相反的(前和后)壁(7)结合，所述壁由与其它构件相容的材料制成，
这些壁(7)被布置成垂直于各波(5)，它们具有与所述波相同的高度并具有孔口(8)，这种情况下一个壁(7)被计划用于供应第二试剂至以没有较大上底的翻转的等腰梯形形式的每个通道中，所述第二试剂例如在燃料电池的情况下的空气，
所述近电极空间和所述相反的(后)壁(7)被计划用于缺氧性混合物的移除，这种情况下所述多孔阳极(3)的所述支撑板(4)在构成通道的波(5)的在截面中具有没有较大下底的等腰梯形的形状的那侧上，以与输入气体总管(16)的围绕各波(5)的所述孔口(8)的气密连接和密封、并与输出气体总管(16)的沿着所述电化学部分的周边的气密连接和密封的可能性，被覆盖有至少两个层，也就是：首先被覆盖有气密固体电解质(1)的薄层，并且然后被覆盖有其它的多孔气体扩散电极，例如在燃料电池的情况下的基于锰酸镧锶的阴极(2)，
具有一组孔口的盒状金属气体引线供给各试剂并移除各反应产物，这种情况下所述气体引线的宽度和长度与所述平面电池的宽度和长度一致，并且其各孔口被与所述平面电池的各波的顶部处的孔口对齐，
所述电池包括在截面中具有没有较大下底的等腰梯形的形状的通道，这种情况下所述气体引线的各孔口在所述平面电池中形成气密的近电极空间，以用于穿过所述管道(17)的燃料、用于其通过各通道的均匀分配、以及用于穿过类似的输出气体总管(16)出来的各反应产物，
所述输出气体总管(16)被相对于所述输入气体总管(16)和竖直轴线旋转180°，具有孔口(20)的各气体总管(16)的平坦表面被与各电极连接并且同时起集流总管的作用，并且各管道(17)被用作所述平面电池的集流夹钳。
12.如其它权利要求之一所述的改型平面电池，其具有固体氧化物电解质(1)、气体扩散阳极(3)、气体扩散阴极(2)、金属或氧化物电流通道以及电流/气体引线，其特征在于，
所述平面电池的支撑多孔阴极(2)以波状板(4)的形式被实现，
所述板(4)包括波(5)，所述波(5)形成在截面中表现为相等高度的没有较大下底(6)的等腰梯形的各通道，并在每个波的顶部处在一侧上具有孔口，以便供给各试剂之一，例如，在燃料电池的情况下的空气，
各所述波(5)在底处被互连，以便由以没有较大上底的翻转的等腰梯形形式的各通道形成所述平面电池的近电极气体空间，
在较小下底处的夹角α为从0.1到89.9°，
这种情况下所述波状板(4)与两个相反的(前和后)壁(7)结合，这些壁垂直于各波(5)、具有与所述波相同的高度、并具有孔口，
所述前壁被用来供应第二试剂至所述近电极空间中的以没有较大上底的翻转的等腰梯形形式的每个通道中，所述第二试剂例如在燃料电池的情况下的燃料，而另一个相反的后壁被用来移除各反应产物，
这种情况下在波(5)侧面上的所述支撑多孔阴极(2)的所述波状板(4)包括在截面中具有没有较大下底的等腰梯形的形状的通道，所述波状板以与输入气体总管(16)的围绕各波(5)的所述孔口(8)的气密连接和密封、并与输出气体总管(16)的沿着所述电化学部分的周边的气密连接和密封的可能性，首先被覆盖有气密固体电解质(1)的薄层，并且然后被覆盖有其它的多孔气体扩散电极，例如在燃料电池的情况下的镍-金属陶瓷阳极，具有一组孔口的盒状金属气体引线供给各试剂并移除各反应产物，
它们从在截面中具有没有较大下底的等腰梯形的形状的各通道中被移除，所述气体引线的宽度和长度与所述平面电池的宽度和长度一致，同时各所述孔口被与所述平面电池的各波(5)的底部处的孔口对齐，
气密空间在所述平面电池中被形成，
其确保了从所述管道(17)出来的空气和穿过所述输出气体总管(16)进来的缺氧性混合物通过各通道的均匀分配，
所述输出气体总管(16)被围绕所述竖直轴线旋转180°，
这种情况下具有孔口(20)的各气体总管(16)的平坦表面被与各电极连接并且同时起集流总管作用，并且
各管道(17)被用作所述平面电池的集流夹钳。
13.如其它权利要求之一所述的改型平面电池，其具有固体氧化物电解质(1)、气体扩散阳极(3)、气体扩散阴极(2)、金属或氧化物电流通道以及电流/气体引线，其特征在于，
例如支撑多孔阳极集流总管以在截面中具有相等高度的没有较大下底的等腰梯形的形状的通道产生的波状板(4)的形式被实现，
在每个波(5)的顶部处在一侧上存在孔口，
各所述通道被设置成供给各试剂之一，例如，在燃料电池的情况下的燃料，各所述波(5)在底处被互连，以便由以没有较大底的翻转的等腰梯形形式的各通道形成所述平面电池的近电极气体空间，
在较小底处的夹角α为从0.1到89.9°，
在这方面所述波状板(4)与两个相反的(前和后)壁(7)结合，所述壁由与其它构件相容的材料制成，这种情况下这些壁(7)垂直于所述板(4)的各波(5)、具有与各波相同的高度、并具有孔口(8)，
所述前壁被计划用于供给第二试剂至近电极空间的以没有较大上底的翻转的等腰梯形形式的每个通道中，所述第二试剂例如在燃料电池的情况下的空气，而所述相反的壁被计划用于缺氧性混合物的移除，
这种情况下在波(5)侧面上的所述支撑多孔阳极集流总管的所述波状板(4)包括在截面中具有没有较大下底等腰梯形的形状的通道，并且被覆盖有至少三个层：首先被覆盖有气体扩散阳极材料的薄层、气密固体电解质(1)的薄层，并且然后被覆盖有其它的多孔气体扩散电极的层，例如，在燃料电池的情况下的基于锰酸镧锶的阴极(3)，同时这提供了与输入气体总管(16)的围绕各所述波(5)的所述孔口的、以及与输出气体总管(16)的沿着所述电化学部分的周边的气密连接和密封，
具有一组孔口的盒状金属气体引线供给各试剂并移除各反应产物，
所述气体引线的宽度和长度与所述平面电池的宽度和长度一致，
所述气体引线的各孔口被与各所述波(5)的顶部处的孔口对齐，
各所述通道在截面中表现为没有较大下底的等腰梯形，
这些孔口在所述平面电池中形成气密的近电极空间，以用于穿过所述管道(17)进来的燃料、其通过各通道的均匀分配以及穿过围绕所述竖直轴线被旋转180°的类似的输出气体总管(16)出来的各反应产物，
这种情况下具有孔口(20)的各气体总管(16)的平坦表面被与各电极连接，其同时起集流总管的作用，并且
各管道(17)被用作所述平面电池的集流夹钳。
14.如其它权利要求之一所述的改型平面电池，其具有固体氧化物电解质(1)、气体扩散阳极(3)、气体扩散阴极(2)、金属或氧化物电流通道以及电子导电的电流/气体引线，其特征在于，
用于减少损耗和改善所述电池的电流集取均匀性的所述电流/气体引线以具有宽度和长度等于所述电池的宽度和长度的厚的电子导电板的形式被实现，
这种情况下所述板沿着各侧面之一具有公共孔口，其被与一组孔口连接，所述一组孔口与所述电池各波的顶部处的各孔口对齐、并且沿着周边与这些孔口气密地连接，这种情况下各所述波(5)的顶部在截面中表现为没有较大下底(6)的等腰梯形以用于输入各试剂之一，
用于各反应产物移除的所述电流/气体引线被相对于所述竖直轴线预先旋转180°，并被沿着所述电池的下部电化学部分的周边气密地连接，
所述输入总管(16)的面对所述电池的电化学部分的表面具有例如由锰-钴尖晶石形成的保护性涂层，并且通过阴极触点材料与所述阴极(3)连接，
所述输出总管(16)的面对所述电化学部分的表面通过阳极触点材料与所述阳极(3)连接，并且起集电器的作用，并且
用于各所述总管(16)内的试剂供应和移除的、被与公共孔口连接的各管道(17)被布置在任一侧边上或在所述电池的前侧或后侧上。
15.如其它权利要求之一所述的改型平面电池，其具有固体电解质(1)、阳极(3)、阴极(2)、金属或氧化物电流通道以及电流/气体引线，
其特征在于，
为确保阳极气体空间和阴极气体空间之间的最小空间压降，所述电池中的具有构件的薄功能层的波状板(4)包括用于一种试剂的以相等高度的没有较大下底(6)的等腰梯形形式的通道和用于其它试剂的以没有较大上底的翻转的等腰梯形形式的通道，这种情况下所述通道横截面与所述电化学装置的运行期间的气体试剂流成比例。
16.如其它权利要求之一所述的改型平面电池，
其特征在于，
所述电池的电化学部分由被布置有移位的一对、两对或多对相反的电极形成，以便确保所述电池的串联电连接。
17.一种电池组，其由至少两个如以上权利要求所述的改型平面电池形成。
18.如权利要求17所述的电池组，其由具有固体氧化物电解质(1)、气体扩散阳极(3)、气体扩散阴极(2)、金属或氧化物电流通道以及电流/气体引线的平面电池形成，其特征在于，
各所述电池以通过所述电流通道的平板由电流串联的方式由波状工作部分的上表面和下表面连接，
所述平板的宽度和长度与所述电池的宽度和长度相同，
各所述孔口被与所述电池的各所述波(5)的顶部处的各孔口(20)对齐，所述波在截面中具有没有较大下底(6)的等腰梯形的形状，而在组装期间气密空间在每个电池中被形成，以用于穿过所述输入气体总管(16)沿着组件轴线进入所述电池组中的试剂，各废气在每个电池内部垂直于所述组件轴线以及沿着所述组件轴线穿过所述输出气体总管(16)出来，
确保这种流动的输入气体总管(16)通过各小孔口与在截面中具有没有较大下底的等腰梯形的形状的各波中的孔口、及上部电池的上表面连接，并且从各所述波(5)的顶部被气密地连接，
在截面中具有没有较大下底的等腰梯形的形状的各电池壁被布置成与各孔口相反并且沿着上部电池底部的周边与所述电流通道板气密地连接，这种情况下所述板沿着所述电池组组件轴线相对于所述上部电池的各小孔口被旋转180°，
然后每个随后的电池和电流通道也沿着所述电池组组件轴线相对于在前的电池被旋转180°，这种情况下每个电流通道在一侧沿着每个小孔口的周边被气密地连接，并且在相反侧未被气密地连接，而另一侧沿着周边被与所述电池周边气密地连接，末端的下部电池以相同方式与用于废气的输出气体总管(16)连接，这种情况下第二试剂流沿着所述电池组的所有电池中的以没有较大上底的翻转的等腰梯形形式的所有气体通道以平行流的形式被分配，
每个盒状气体总管中的管道(17)具有确保均匀的气流分配的孔口，并且被与气体分配板和气体总管盒电连接，并且
有效的电流集取从所述管道(17)外部通过所述发电电池组被实现。
19.如其它权利要求之一所述的电池组，其包括至少两个改型平面电池，所述平面电池具有固体氧化物电解质(1)、气体扩散阳极(3)、气体扩散阴极(2)、金属或氧化物电流通道以及电流/气体引线，
其特征在于，
为改善电流分配并减少通过它们的阻抗的损耗，各集流总管以厚平板的形式被实现，所述平板具有的宽度和长度等于所述电池的宽度和长度，并且
所述电池组具有确保气体试剂在所述板内均匀供应的节点，或位于横向表面上。
20.改型平面电池的陶瓷毛坯的形成方法，特别是如权利要求1-16的至少之一所述的改型平面电池的陶瓷毛坯，所述改型平面电池具有例如基于二氧化锆–YSZ的支撑固体电解质(1)、通过热粉浆金属模具浇铸的例如基于石蜡的气体扩散阳极(3)和气体扩散阴极(2)
其特征在于，
为形成具有足够机械强度的、100-150μm厚的固体电解质层，包含YSZ粉末的所需量的粉浆在小于0.2秒以内无损于浇铸流的层流性要求地被注射至所述模具中。
21.改型平面电池的陶瓷毛坯的形成方法，特别是如权利要求1-16的至少之一所述的改型平面电池的陶瓷毛坯，所述改型平面电池具有例如基于二氧化锆–YSZ的固体电解质(1)、气体扩散阳极(3)、阴极(2)和集流总管，这种情况下阳极(3)和/或阴极(2)和/或集流总管是支撑的，其通过热粉浆金属模具浇铸，例如基于石蜡的，
其特征在于，
为形成提供机械强度的、固体氧化物燃料电池的支撑构件的300-500μm厚的层，包含由所述支撑构件材料制成的粉末的所需量的粉浆在0.2-1.0秒内无损于浇铸流的层流性要求地被注射至所述模具中。
22.改型平面电池陶瓷毛坯的形成方法，特别是如权利要求1-16的至少之一所述的改型平面电池的或电池组的陶瓷毛坯，所述改型平面电池具有例如基于二氧化锆–YSZ的固体电解质(1)、气体扩散阳极(3)、阴极(2)和集流总管，这种情况下阳极(3)和/或阴极(2)和/或集流总管是支撑的，其利用流延成型、丝网印刷、锻轧或这些技术的结合，其特征在于，
所述电池的电化学部分由被施加有移位的一对、两对或多对相反的电极形成，所述移位确保了各电池的串联电连接和波状板(4)在合适的工具中的进一步形成，这种情况下所述板(4)具有在截面中具有没有较大下底的等腰梯形的形状的通道、和以相等高度的没有较大上底的翻转的等腰梯形形式的通道，这种情况下较小底处的夹角α为从0.1到
89.9°，所述波状板与两个相反的(前和后)壁(7)结合，所述壁被布置成垂直于所述波(5)，并具有与所述波相同的高度，
所述电池的电化学部分由在0.2-0.4GPa的压力下以高达90-110℃的温度加热的电绝缘的结构材料膜制成，用于试剂供应和移除的各孔口被形成，并被跟随有在900-1200℃的温度下的共同烧结(共烧)。
23.用于浇铸改型平面电池的陶瓷毛坯以便实施如权利要求20或21所述的方法的模具。
24.如权利要求23所述的模具，用于浇铸具有基于二氧化锆–YSZ的固体电解质(1)的所述改型平面电池的陶瓷毛坯，例如，所述电池具有支撑固体电解质(1)、具有支撑气体扩散阳极(3)、具有支撑气体扩散阴极(2)或具有撑气体扩散集流总管，其利用例如基于石蜡的热粉浆金属模具浇铸，
其特征在于，
用于形成具有在截面中具有没有较大下底(6)的等腰梯形的形状的和以没有较大上底的翻转的等腰梯形形式的通道的所述改型平面电池毛坯的钢模具，具有两组矩形的可动的板和两组矩形的不可动的板，
这种情况下所述板交替，
在成形区域内移动的所述毛坯在截面中为梯形，
在较小底处的夹角在0.1和89.9°之间，
沿着所述毛坯周边的各不可动的板和在所述波状毛坯一侧上的板确保了模具的可拆性，并且
所述模具被装备有确保从铸件中取出各可动的板的机构和用于模具拆开的带螺纹把手。
25.如其它权利要求之一所述的改型平面电池，其特征在于，
存在表现为电化学元件的、通过所述电流通道(连接体)(22)以串联方式被电连接的至少两个阴极(2)和至少两个阳极(3)。
26.如权利要求25所述的改型平面电池的电池组，其特征在于，
所述电池组的各集流夹钳是所述波状板的横向表面(15.2)。
27.如权利要求25或26所述的改型平面电池的电池组，其特征在于，
所述波状板与由电绝缘材料制成的两个相反的(前和后)壁结合，所述壁具有与所述波相同的高度，所述壁具有孔口(8)和(9)，
各孔口(8)被计划用于供应和移除一种试剂至以没有较大上底的翻转的等腰梯形形式的每个通道中，并用于缺氧性混合物的移除，所述一种试剂例如在固体氧化物燃料电池的情况下的氧化剂(空气)，和
各孔口(9)被计划用于供应和移除其它试剂并移除各反应产物至以没有较大下底的等腰梯形形式的每个通道中，所述其它试剂例如在固体氧化物燃料电池的情况下的燃料(氢)，
通过由电绝缘材料制成的气体总管(16)各试剂被供给并且各反应产物被移除，所述气体总管(16)具有孔口(20)，它们被与在所述板的顶部处的所述孔口(9)对齐，这种情况下所述板沿着表面(21)的周边与所述气体总管气密地连接并在所述电池内形成气密空间，以用于穿过所述管道的试剂、用于其通过各通道的均匀分配、并用于穿过具有管道(17)的类似的输出气体总管(16)出来的各废气，
类似的输出气体总管被相对于竖直轴线旋转180°，并且沿着所述周边被与所述陶瓷部分气密地连接。
28.增大容量的电池组，其包括如权利要求19所述的具有支撑固体氧化物电解质(1)、气体扩散阳极(3)、气体扩散阴极(2)、电子导电的金属或氧化物电流通道(22)的改型平面电池电池组，并且以与如权利要求17和/或18所述的由单块改型平面电池形成的电池组相同的方式被组装，
其特征在于，
所述电池组电解质(1)以具有奇数个波的波状板的形式被制成在所述工作部分中，同时交替地表现为用于一种气体试剂的在截面中具有没有较大下底的等腰梯形的形状的单一波、和用于其它气体试剂的在截面中具有没有较大上底的翻转的等腰梯形的形状的波，这种情况下在较小底处的夹角α在0.1和89.9°之间，
这种情况下所述波状板与两个相反的壁(前壁和后壁)结合，所述壁由电绝缘材料制成、具有与所述波相等的高度和各孔口(8)，所述孔口(8)用于输入和移除一种试剂至以没有较大上底的翻转的等腰梯形形式的每个通道中、并用于缺氧性混合物的移除，所述一种试剂例如在固体氧化物燃料电池的情况下的氧化剂(空气)，
这种情况下所述波状板本身具有用于供应其它试剂至以没有较大下底的等腰梯形形式的每个通道中的各孔口，所述其它试剂例如当运行为固体氧化物燃料电池时的燃料(氢)，这种情况下这些孔口被布置在靠近各接合壁之一的各上底处，
各电池组利用由电绝缘材料制成的平坦的接合板(连接体)被互连，所述接合板的宽度和长度等于所述电池组的宽度和长度，这种情况下所述接合板具有一组孔口，它们被与所述电池组波的顶部处的各孔口对齐，
各末端电池组被与具有一组孔口的陶瓷气体引线–即由电绝缘材料制成的气体总管连接，这些孔口被与在靠近所述壁之一的所述板波的顶部处的相应的孔口对齐，这确保了燃料试剂的供应和反应产物的移除，
为确保穿过各通道的所述燃料的均匀分配，在连续的气体引线、电池组、接合板、电池组、接合板、电池组的每个随后的构件(组件)中，在所述增大容量的电池组组装和密封期间，所述气体孔口被围绕竖直轴线旋转180°，
这种情况下所述波状板上的相邻电池组的串联电连接借助于横向壁(15.2，图7)上的触点而实现。
29.增大容量的电池组，其包括如权利要求19所述的具有支撑固体氧化物电解质(1)、气体扩散阳极(3)、气体扩散金属或氧化物阴极(2)、点状或连续的电子导电电流通道(22)的改型平面电池电池组，
其特征在于，
为确保通过空气流的更密集的热量收集，包括波状固体电解质板且末端表面向空气敞开的所述电池组的各波，被以一层或两层布置在所述表面上，
所述波在截面中具有没有较大上底的翻转的等腰梯形的形状，这种情况下较小底处的夹角α在0.1和89.9°之间并且这些波沿着所述流被布置，
为确保燃料平行地供应至各波状板上的所述电池组(图10)，具有用于试剂供应和移除的孔口(20)的各气体总管被互连，而串联电连接借助于所述横向壁(15.2)上的触点而实现，
和/或
为确保燃料逐步地供应至各波状板上的所述电池组(图11)，它们与相邻电池的前壁和后壁结合，而串联或并联电连接借助于穿过所述表面(15.2)的触点而实现。

说明书全文

改型平面电池和基于其的电化学装置堆，平面电池和堆的

生产方法及平面电池生产模具

技术领域

[0001] 本发明涉及基于固体电解质的高温电化学装置(ECD)，例如，涉及电化学发生器(燃料电池)、电解槽、转换器、泵及其它装置。特别地，本发明涉及这些装置的平面电池设计、涉及具有用于例如燃料的各试剂的至少之一的气体总管的任何ECD电池组的设计、并涉及这种设计的平面电池和堆的制造方法。

背景技术

[0002] 更复杂的ECD是已知的，也就是用于将燃料化学能直接转换成电功率的固体氧化物燃料电池(SOFC)。这种电化学转换具有高于例如在火力发电站中的常规发电的电气性能(输出-输入比)。另外，电化学转换更为环境友好，因为其减少了温室气体排放。单块的固体氧化物燃料电池具有三个基本的且强制的构件：固体电解质，阳极和阴极，以及所谓的“连接体”。固体电解质最常见地基于传导氧离子的二氧化锆被实现。阳极和阴极是电子导电的。连接体通常包括各平板并且被设计用于将各电池连接至电池组。常规的SOFC燃料是合成气体，其产生自任何化石或合成的碳氢化合物、生物气体、废品，并且主要包括氢和一氧化碳。使用合成气体作为供应至阳极的燃料并且来自周围空气的氧气作为供应至阴极的氧化剂，下列反应发生：

[0003] 在阳极处：2H2+2О2-＝2H2О+4e-和2CO+2О2-＝2CO2+4e-；

[0004] 在阴极处：O2+4e-＝2О2-；

[0005] 对于作为整体的电池：2H2+О2＝2H2О+热量、和2CO+2О2＝2CO2+热量。

[0006] 常规的SOFC利用钇稳定氧化锆(YSZ)陶瓷作为电解质。阳极为Ni-YSZ-金属陶瓷。锰酸镧锶(LSM)被用作阴极材料。单块电池的电压为大约一伏特。为增大该电压，各电池被利用串联电连接组装成电池组。将各电池通过电流连接至电池组，具有电子导电性的各电流通道(各连接体)被使用：各陶瓷的，例如，由亚铬酸锶镧制成的；或各金属的，例如，由高铬钢制成的，型号Crofer22APU。

[0007] 因为所有的构件都处于固态，各SOFC可以被构造成各种各样的几何形状。

[0008] 存在已知的这类电池，它们被使用在各电化学装置中，例如，具有基于二氧化锆的支撑固体氧化物电解质的高温燃料电池，它们具有固体电解质的平面、管状或模块设计，这些设计要么具有被施加的气体扩散阳极和阴极，要么具有支撑的阴极、阳极和集流总管。该模块设计结合了管状和平面设计的积极性质。它们于上世纪50年代后期首次出现在USSR中(USSR第121169号作者证书，1957年11月18日的优先权)。

[0009] 各单块电池和各电池组的已知类似物在下列专论中被详细描述(由M.V.Perﬁlyev，A.K.Demin，B.L.Kuzin，A.S.Lipilin 撰写的 High-temperature gas electrolysis，ISBN 5-02-001399-4，Moscow：Science，1988，第 232页；由 N.Q.Minh，T.Takahashi撰写的Science and Technology of Ceramic Fuel Cells，Elsevier，1995，第366页)。后者的第9章第268页图9.27描述了单块电池设计，其可以被实现为平板和波纹形板两者。第一种设计利用波纹形的电流通道，而第二种则利用平板状的电流通道。
根据这些作者，电池和电池组设计的主要部分应当是馈电线和供应至它们的试剂的分配组件，以及用于结果产品(气体引线)和电流引线的牵引器组件。没有它们，各电池、电池组和ECD将不起作用。另外，没有它们的话估算具体特性是不可能的，例如，用于设计比较和确定它们的应用所需的kW/l；kW/kg。

[0010] 管状电解质的制造方法是已知的(见DE 10 2010 001 988 A1)，在该方法中电解质块被注射到型芯和模具之间的空间中。该方法被设计用于管状SOFC的形成，也就是，用于各半电池，即各薄层电池和各集流总管–较厚的固体支撑电解质上的连接体。因为，根据图2，电解质块(10a)填充金属模具空间(12)，如果该空间是由金属芯(13)和模铸用拼合式模具(11a，11b)沿着被成型的电池构成的话，电解质厚度不能小于100μm。模具通过两个部分的分离而被打开，而型芯通过溶解其基础而被去除。用于电解质块注射的某些参数，以及被形成的固体电解质的厚度，在该原始资料中未被指定。

[0011] 文献WO 00/69008 A1描述了具有半电池的多层设计的燃料电池，包括不是分开制造的优选厚度从15到25μm的固体电解质层和优选厚度不小于500μm、最佳厚度为300μm的支撑电极，例如，Ni/YSZ阳极。另外，又一个氧化锰基的层应当被形成在它们之间，特别是具有从0.1到5％(原子)的优选金属含量。此中间层被需要以便避免包含小于5％(摩尔)的Y2O3的ZrO2基的四方晶格固体电解质的马氏体相在随着加热和冷却到
1400℃的结构形成期间转变成单斜晶结构，因为这种转变是由空间变化和破裂伴随的。为形成该半电池设计，薄层膜通过流延成型产生并且该中间层(氧化锰基的)借助于空气扩散或其它有成本效益的受控方法被形成。该原始资料既没有揭示关于注射至铸模中的信息也没有揭示后来的支撑结构变形。另外，该方法的某些阶段和工艺流程模式中的任一个都没有被指定。在本文中，这些结构仅能够通过显微镜被检查，并且只能猜测它们对SOFC电化学特性的影响，假如这些结构在燃料电池制造中通常是可重复生产的话。

[0012] 文献WO 2009/014775 A2公开了具有金属支撑层的燃料电池，该金属支撑层由金属粉末混合物、粘接剂和成孔剂通过膜制造的喷洒方法、压铸或类似方法产生。在成孔剂被气化后，金属粉末被烧结从而产生固体层。该专利保护包含用于SOFC中的众多构件和材料的多层构造(该专利的权利要求1-27)。该专利还保护这些结构的生产方法(该专利的权利要求28-61)。然而，该结构仅能够在显微镜下被检查。浆料热喷射至铸造模具中没有被公开。

[0013] 本发明的最接近的类似方案和原型是2009年2月12日公布的专利US2009/0042076 А1“改型平面电池(MPC)和基于MPC的堆”(美国专利和商标局序列号No.11/889062、2007年8月8日提交的“Modiﬁed Planar Cell(MPC)and Stack based on MPC”)中的结构。

[0014] 该专利描述了波状结构的单块SOFC电池，和包括复数个该单块电池的电池组。然而，该专利仅提及了用于电池的YSZ电解质陶瓷毛坯的一种可行的制造技术，其中随后通过涂覆施加电极。

[0015] 在ECD制造中，特别是在SOFC制造中，基于钇稳定氧化锆(YSZ)或钪稳定氧化锆(ScSZ)的薄陶瓷层、和基于二氧化铈或基于镓酸镧的非常规固体电解质被最常见地用作固体电解质。平面设计相比于管状设计的主要优点，是电池在电池组内的高填装密度(工作2 3
表面与体积的高比率(S/V–(cm/cm)或1/cm)。各电化学电池构件(阴极、固体电解质、阳极)之一对电池的机械强度负责。在这种情况下，当厚度大于工作(所需的)厚度的固体电解质对机械强度负责时，电池组的各电池和相同结构可以利用支撑电解质被实现。其时，固体电解质具有支撑阳极(最常见地由镍-金属陶瓷–即Ni+YSZ制成)或阴极(由锰酸镧锶–即LSM制成)，它们因此具有较大厚度。

[0016] 对于电化学装置的静态使用而言最高效和最经济的是将机械强度功能转移到由多孔的金属陶瓷构成的集流总管。对于各电池到电池组(ECD)的连接而言，要么陶瓷的要么钢的电流通道被频繁使用，其在面对相反电极的接触表面处具有源自同一电极材料的涂层。

[0017] 形成平面和管状电池的最流行的方法是：石膏模具粉浆浇铸(由粉末材料水浆料)，由基于丁醛树脂(流延成型(类似物))的泥釉的薄膜铸造以及由基于石蜡(粉末材料的热石蜡浆料)的泥釉铸入冷钢模具(原型)中的电池热铸造。在最后的情形中，电池结构陶瓷毛坯利用陶瓷注射铸造方法(CIM)注射至金属模具中而由粉末例如YSZ形成，并且然后其被烧结直至紧致(http://www.solidcell.com)。

[0018] 平面结构类似物和原型的缺点可能是气体总管在电池和电池组中试剂的输入和2
输出处的密封连接的复杂性，和相比于工作面积(l/S–cm/cm 或1/cm)而言更长的密封连接接缝。因为对于这种结构而言不相似的材料的密封连接是必需的，其不仅使电池的制造更为复杂，而且降低了ECD的总体可靠性并减少了其工作寿命。

[0019] 该方法的缺点包括无法以最小的可重复生产的内部值(可重复生产的电池壁厚并且小于0.4-0.5mm的壁厚)制造电池。基本上，该方法在已知的且用于电子工业中的装备上的原型允许生产具有薄于0.1-0.2mm的壁的物品(铸造陶瓷电容器)。然而，它们的几2
何形状和以mm为单位的尺寸不能满足具有75-100cm 的最小工作面积的高温电化学的电池的需要。

发明内容

[0020] 本发明的技术任务是消除电池、电池组及所建议的电池设计的制造方法与模具的上述缺点。

[0021] 具有气体总管的改型平面电池设计和电池组意在结合平面的和管状的结构的关键优点，并且具有相比于平面结构的更高的填装密度、以及相比于管状结构的阳极和阴极气体空间的结构性气密分离。

[0022] 该任务集借助于各独立权利要求的特征被解决。

[0023] 根据第一方面，本发明提供了改型平面电池，其具有(至少)一个固体电解质、(至少)一个阳极和(至少)一个阴极，其中所述固体电解质、阳极和阴极形成了由复数个波构成的波状板，所述波形成了用于一种试剂的以相等高度的或没有较大下底的等腰梯形形式的通道、和用于另一种试剂的以没有较大上底的翻转的等腰梯形形式的通道。

[0024] 词语“上”、“下”、“竖直”等在本申请中仅被用于借助某种空间布置，例如在附图中呈现的，来描述相应物体。在该常规布置下，上述板的平面通常被水平地设置。根据整个发明，这并未指定任何严格边界且并未排除各物体的任何确定的空间布置。对“竖直位置”等的提及，涉及由上述的板所描述的整个平面。

[0025] 具有用于各试剂的梯形通道，上述平面电池的制造过程可以被简化。这又借助于所包括的各构件的更均匀的层厚导致了各功能特性的改善，并导致了机械强度的增加。

[0026] 根据本发明，梯形通道的各侧边和平面电池的相应基础之间的夹角通常在大约0.1°到大约89.9°的范围内。特别地，该夹角可以超过大约0.5°、超过大约1.0°、超过大约2.0°或超过大约5.0°。

[0027] 所述波状板的边缘优选被实现为被倒圆的边缘以避免在材料上具有相应负荷的尖锐弯角。

[0028] 所述固体电解质可以特别地表现为或包含固体氧化物。

[0029] 另外，所述改型平面电池优选包含用于各平面电池构件的确保导电性的连接的电流通道。这种情况下所述电流通道可以是金属的或氧化物的。

[0030] 另外，所述改型平面电池还优选包含用于所需的反应气体供应、各反应产物移除或产生的电流集取的电流/气体引线。所述电流/气体引线优选是电子导电的。

[0031] 为达到足够的稳定性，所述平面电池的波状板通常被实现为支撑的板。在这方面，可允许的负荷可以通过联合使用若干构件(固体电解质，阳极，阴极和/或电流通道)而实现。这些构件的至少之一优选被实现为独立支撑的(即被提供有足够高的厚度的层)，而其它各构件优选不由其自身支撑的。

[0032] 各所述波状板通道优选从顶部和/或从底部利用横向的壁和/或表面被封闭。这种情况下，为供应或移除各试剂，各横向壁、顶部和底部表面和/或在梯形通道的底处可以具有孔口，它们与气体总管的或(平面电池电池组内的)其它改型平面电池的相应孔口一致。各横向壁、顶部和底部表面优选是例如气体总管或电流通道的其它构件的部分。

[0033] 根据本发明的另一实施方式，各所述改型平面电池通道还可以是在较大的梯形底处向上或向下开放的，以便允许与反应气体(例如，空气)直接接触(见图10，11)。

[0034] 在运行期间燃料穿过各所述平面电池通道。为供给燃料或移除其残余物，任一输入气体总管和/或输出气体总管可以被设置。在这方面，所述输出气体总管优选倚靠所述输入气体总管轴线被旋转180°。这意味着所述输出气体总管从所述通道的一个端部收集气体，所述端部与所述输入气体总管允许燃料气体进入所述通道的那个端部相反。除了其被翻转的或镜像的布置之外，所述输入和输出气体总管应当优选具有相同的结构。

[0035] 所述平面电池的波状板内的各通道应当通常从它们的上侧或下侧被封闭。这可以例如借助于所述气体总管的位于所述通道处和/或低于所述通道的平坦表面被实现。另外，所述气体总管的该平坦表面应当优选被连接到各板电极以便同时既充当所述集流总管又充当所述平面电池的集流夹钳。

[0036] 通常，所述改型平面电池的阳极和/或阴极是气体扩散的。

[0037] 所述改型平面电池的阳极和阴极通常被布置在所述波状板的不同侧面和/或不同表面上，使得所述固体电解质被放置在它们之间，并且它们一起构成所述电化学电池。

[0038] 所述改型平面电池的波状板可以严格地具有一个阳极和/或严格地具有一个阴极。

[0039] 然而，所述平面电池的某些实施方式包括若干对相反的电极(即阳极和阴极)，使得在每对中它们沿着所述波状板的至少一个通道被布置(阳极和阴极在所述通道壁的不同表面)。这种情况下，由于以这种方式形成的各电池的适当的串联电连接，更高的电压可以在所述平面结构中出现。各电极优选被布置有朝向所述固体电解质的不同侧的移位，使得它们可以借助于穿过固体电解质的连接体(图7，位置22)被连接。

[0040] 所述优选实施方式包括表现为被串联电互连的电化学电池的至少两个阴极和至少两个阳极。在这方面，它们要么逐点地通过所述电流通道(连接体)被连接，要么阳极被沿着整个宽度/长度与随后的电池的阴极连接。

[0041] 作为选项，若干改型平面电池可以被整合成所述电池组。这种情况下，组装可以在任何方向上被执行，特别是在横向方向上(随着通道数目的增加，见图10)、纵向方向上(随着各通道的延长，见图11)和/或在上升方向上(垂直于所述波状板平面，见图6)。在这些情况中，提供所述气体总管和各电流通道的适当对准是有必要的。

[0042] 本发明提供了单块固体氧化物电池的新结构，利用SOFC平面设计的基本的原理，也就是电池组零件序列：阳极、电解质、阴极以及电流通道，从而呈现了电池组分的新修改。因此，该结构表现为改型平面固体氧化物燃料电池。同时所述电池的机械和电特性被改善，因为具有在拐角处集中的机械应力并且具有电极在矩形脊处的减薄化的各气体通道的矩形结构已被取代。该减薄化导致所述电池和电池组的内部阻抗的增大。这种情况下，大量的固体电解质壁还导致填装密度的增大和具体电池特性的改善。为校准空间压力和例如SOFC中的燃料与空气的流动速度，所述空气通道在截面中应当是两倍大。用于试剂输入和产物反应输出的各孔口在截面中以相同的方式相异。

[0043] 这种情况下所建议的结构在各电池之间和沿着每个电池的电极表面都确保了均匀的气流分配。

[0044] 各作者还提供了所述结构的形成方法。所建议的结构包括用于所述电池的波状电化学部分并用于其连接至前壁和后壁的至少一个三层的膜(阳极–电解质–阴极)，所述前壁和后壁由电解质膜制成或由用于穿孔的平坦前壁和后壁的结构材料制成，一种或两种试剂通过所述穿孔的平坦前壁和后壁被供给。同时对于一种或两种试剂而言，所述气体总管可以要么从所述电池的上侧和下侧(如果各电池沿着它们的竖直轴线被连接到所述电池组的话)、要么从其前壁和后壁被布置。所述电池的该实施方式不仅允许平行供给所述氧化剂，而且与所述原型不同地，允许平行供给所述燃料至所述电池组中。这提高了试剂供给的均匀性和空间压力的均匀性。结果，从现在开始没有必要限制电池组内的电池的数量。这种情况下，具有由各作者选定的各层的功能性厚度的薄膜电池的形成方法还导致内部电池阻抗的下降、它们的填装密度的增大和所述电池的具体特性及其能量性能的增强。

[0045] 所述电池组的另一实施方式暗示了具有多通道电池结构的固体电解质。各单块电池的相反电极被施加到所述通道或通道集的每个壁，并且被串联地电连接。该工程方案允许

[0046] -更高电压电池组的生产，其产生更小的电流，而材料消耗是相同的，[0047] -各电池组沿着水平轴线连接成堆，而不需要常规的平坦连接体，

[0048] -单块电池由于所述通道长度的增大而致的面积扩展。从而，电气性能得以维持。

[0049] 该电池组实施方式还允许产生的电压的额外建立，从而增加被布置在(多于一个)通道壁上的电池的数量。

[0050] 各作者建议了用于所述结构的通过热钢模具浇铸的形成方法。在这方面，用于粉浆浇铸的更高速度被使用。所使用的模具利用在填充区域内的可动梯形板确保了改型平面电池的制造。

[0051] 以所有构件的能够实现功能的厚度值形成薄膜ECD的方法的另一实施方式是流延成型技术。

[0052] 应被指出的是，在本专利权利要求中或在实例性实施方式中所述的各实施方式的所有特征与其它特征一起具有独立的含义，并且因此可以成为本专利权利要求的主题，而不管它们被连同一起提及的任何其它特征。

具体实施方式

[0053] 本发明利用示于附图中的各实施方式被详细描述，也就是：

[0054] 改型平面电池在图1中被示出(第一实施方式)。改型平面电池包含支撑固体电解质1和各电极(阴极2和阳极3)。该平面电池的工作部分被实现为波状板4，其具有至少三个层。三层的板4包括相等高度的奇数个Л形波5。各波5在底部处利用平坦连接器6被互连，平坦连接器6在各波5之间形成了形气体空间/通道。每个Л形波5在截面中是没有下底的等腰梯形，并且利用各平坦连接器6被连接至相邻的Л形波5。其时，形气体空间在截面中以没有上底且上面敞开的翻转的等腰梯形的形式出现。

[0055] 为形成均匀气体供应系统的各气体通道以及例如在ECD运行于燃料电池模式期间生成的电流集取，该电池的活性的电化学部分被与输入和输出(出口)气体总管16连接，并且相应地被与用于燃料供应和反应产物移除的管道17连接。如果各管道17由金属制成，那么它们同时充当平面电池的集电器(夹钳)。各管道17被布置在盒状的气体总管16中并且具有用于试剂气流沿着各孔口9在平面电池内均匀分配的孔口。各管道17被机械和电连接至具有孔口20的气体分配板及气体总管盒，并因此确保了从管道17的外部部分利用发电电池组的有效电流集取。

[0056] 图2示出了在梯形的侧边和较小底之间的拐角倒圆点处以波状板4的陶瓷截面形式的各截面Л 各倒圆是必要的以便排除导致破裂的机械应力集中的那些点，并且实现在这些点内被涂覆的各电极的相等厚度。图2以不同的实施方式(本专利的权利要求6-9)示出了平面电池电化学区域的单一Л形通道的各截面А(图1)，它们是：

[0057] а–支撑固体电解质；b–支撑阴极；c–支撑阳极；d–例如，支撑阳极集流总管(这种情况下数字1，2和3分别指的是固体电解质，阴极和阳极，而数字4指的是阳极集流总管)。具有支撑阴极集流总管的类似结构是可行的。当以能够实现功能的厚度值形成薄膜电池的电化学部分时，该平面电池由于空间压降(其在这里的意思是在阳极和阴极空间内的压力)而被暴露于机械应力。这种情况下，压降由试剂的各种经过的气流导致。

[0058] 为校准该空间压降，气体通道的宽度值h1和h2被使得与试剂气流成比例(图2d)。梯形的侧边和较小底之间的夹角α可以从0.1到89.9°变化。如果该夹角小于
0.1°(拔模斜度)，实际上不可能制造此结构的该部分(见图3-原型)。

[0059] 同时该夹角可以增大到89.9°。当α等于90°时，具有Л形波5的电池被变形成平面电池的平板4。由波状板4形成的平面电池的前面和后面部分利用由固体电解质或结构陶瓷制成的平坦的横向壁7被限制。每一个横向壁7具有通往SOFC中各Л形波5之间的各空间的孔口8。它们被计划用于空气供应和缺氧性混合物移除。在每个Л形波5的顶部处有用于燃料供应的孔口9，其通往Л形波5的内部空间。与改型平面电池表面相连的固体电解质1被覆盖有多孔阴极2的层。仅沿着平面电池的下部周边的侧面和底部表面上的区域10及在Л形波5的端部处的区域11保持未被涂覆，区域11包括围绕上部孔口9的那些区域。与改型平面电池的下部表面相连，固体电解质1除了在电解质的底部处沿着下部内周边的条带12外被涂覆有由多孔阳极3构成的层。

[0060] 平面电池前面部分中的各孔口8被计划用于空气供应，而平面电池后面部分中的各孔口8则用于废气移除。废气是缺氧性混合物О2+N2(具有降低的氧含量)。每个空气通道13由各Л形波5和电流通道之间的形空间、或由界定阴极空间的平坦的电绝缘板形成。电流通道紧靠平面电池的顶部。各孔口9被计划用于燃料供应。每个燃料通道14由Л形波5和电流通道的内部空间、或由界定阳极空间的平坦的电绝缘板形成。电流通道紧靠平面电池的底部。

[0061] 该平面电池的第五实施方式(本专利的权利要求10)在图4中示出。

[0062] 这种情况下，具有电化学部分15，例如，具有支撑固体电解质和各电极(阴极和阳极)的改型平面电池，包含用于在平面电池的具有增大面积的活性部分上的改型电流分配的气体和集流总管。气体和集流总管以平面电子导电板16的形式被实现，平面电子导电板16的长度和宽度相当于具有供气管道17的电化学平面电池的长度和宽度。板16具有用于燃料供应的公共孔口和复数个孔口20。该公共孔口被沿着该板的一侧(在前面或在后面)设置。各孔口20透入表面以用于与平面电池的活性部分连接并用于穿过SOFC的每个Л形通道的各输入孔口9的流量分配。孔口20和9被气密地连接，形成了平面电池的阳极空间，同时电化学部分15与输出气体和集流总管沿着周边例如利用玻璃密封剂21气密地连接。燃料经过输入气体和集流总管16来到，经过各孔口20均匀地分配，并且进入平面电池的电化学部分。在穿过各Л形通道后，各反应产物(燃料残余物)穿过下部气体和集流总管的各孔口20来到外面。各管道17被计划用于将燃料供应至气体和集流总管的公共孔口中，以及用于试剂移除，并且都可以达到平面电池的横向表面，以及前表面和后表面。

[0063] 平面电池的第六实施方式在图5中示出。

[0064] 这种情况下，具有电化学部分15，例如，具有支撑固体电解质1和各电极(阴极2和阳极3)的改型平面电池，具有两排孔口：一排，例如，上部那排，包括由固体电解质或结构陶瓷制成的前壁和后壁7中的用于将燃料供应至各Л形通道中的孔口9。另一排，例如，下部那排，包含用于将空气供应至各形SOFC通道中并用于将缺氧性混合物从平面电池移除的较大截面的孔口8。下部排和上部排孔口位于后面的横向壁上。如果电池组由各电池沿着竖直轴线串联制造，使用平面电池电化学部分的结构作为末端电池是合理的。上部气体和集流总管16由电子导电材料，例如，高铬钢，例如Crofer22APU制造。其被与平面电池(阴极)连接并确保了燃料供给。下部气体和集流总管16类似于上部气体和集流总管，其被与电池的阳极连接并且，例如，确保了各燃料残余物的移除。根据所有在前的实施方式，各电池具有Л形燃料通道，其截面小于SOFC的形空气通道截面。它们的横截面与气流成比例。

[0065] 为了各平面电池的串联电连接，以及为了更高电压的产生，各平面电池(变体)可以沿着竖直轴线被组装成电池组(第一变体)。这种情况下每个随后的电池被旋转180°，图6(作为实例，该图示出了平面电池的第一实施方式)。

[0066] 该电池组包括若干电池15(作为实例仅两个电池被示出)并且具有输入和输出气体总管16，输入和输出气体总管带有用于相应地燃料供应和各反应产物移除的管道17。各管道17同时充当电池组的集电器(夹钳)。各盒状的气体总管16内侧的各管道17具有用于试剂气流通过各孔口9在平面电池中均匀分配的孔口。这些管道17被与具有孔口20的气体分配板和气体总管盒16机械和电连接，于是确保了发电电池组利用管道17的外部部分的有效电流集取。各气体总管盒16被附装至平面电池。这些电池被与电流通道的板18互连。电流通道表现为平板18，其长度和宽度与每个平面电池的长度和宽度一致。板18在各孔口19附近被与平面电池的顶部连接使得其各孔口19与平面电池的上排Л形波5中的相应的孔口9一致。用于燃料供应和各反应产物移除的各孔口20也在几何上与平面电池的各孔口9一致。

[0067] 电池组中各平面电池、各电流通道和各气体总管的密封连接，通过在平面电池的上部陶瓷边缘和电流通道的上部板18的下部边缘之间的、以及在各上部孔口9周围的区域内在上部平面电池的上部陶瓷边缘和输入总管16之间的各连接点处沿着各孔口9、19、20的周边利用玻璃密封剂连接而实现。这些连接在平面电池和电流通道的板18的底部之间、或在平面电池和输入总管16的底部之间产生气密密封。为在波状板4抵靠各孔口表面的平面电池的上部陶瓷边缘和电流通道的上部板18的下部边缘之间的、以及在抵靠各孔口表面的上部平面电池的上部陶瓷边缘和输入总管16之间的各连接点处达到足够的强度，该连接也被利用玻璃密封剂形成。这些连接可能泄露。利用玻璃密封剂21的气密连接外围地沿着第一平面电池的下部边缘的周边、和电流通道18的板的上部边缘并且在第二平面电池(或电池组中的末端电池)的下部边缘和输出总管16之间被形成。这些连接在第一平面电池和电流通道的底部板18之间、以及在第二平面电池和输出总管16之间产生气密密封。燃料进入管道17–即输入总管16的集电器–并且从输入歧管16的下侧开始穿过多个孔口20，并从平面电池上侧穿过多个孔口9，流动至平面电池的各阳极通道中。该流沿着通道移动并且在通道的末端处穿过电流通道板18中的多个孔口19、并穿过第二平面电池上侧的多个孔口9流动到下一个平面电池。为确保连续的燃料流从上部平面电池穿过燃料通道到相邻的下部平面电池，接合的各平面电池沿着它们的竖直轴线相对于彼此被旋转180°。阳极废气穿过排气总管16上侧的多个孔口20并且穿过作为输出总管16的集电器的管道17从电池组的最后的平面电池中出来。空气流进入平面电池的前壁中的各孔口8中并且从该平面电池的相反侧上的类似孔口8中出来。图6示出了气体和集流总管16的截面。每个总管包括管道–即集电器17–及与平面电池相同长度和宽度的矩形的盒。管道17被建立在盒的一个壁上，于是形成朝向盒的相对壁的气流。本体的该相对壁具有复数个孔口20，它们与平面电池上侧中的一排孔口对齐。上部气体总管16被计划用于将燃料注射至电池组中，而下部那个则用于将阳极废气从电池组中移除。该总管由与固体电解质和电流通道的各材料相容的材料制造。

[0068] 图7示出电池组的第二实施方式。

[0069] 在结构上，电化学和陶瓷部分、燃料分配、燃料和氧化剂供应组件、以及试剂移除组件以与单块电池的相应部分类似的方式被实现。然而，由固体电解质制成的波状板4(见原型，图3和图1，4，5)具有若干对电极，而不是其中一个作为顶部处的阴极而第二个作为底部处的阳极的两个电极。这样，一个陶瓷毛坯可以表现为一个SOFC，其包括五个Л形燃料通道和四个形空气通道，或者这种陶瓷毛坯可以表现为两个电池的电池组，如果左电池(2.5个Л形通道)的阳极被与右电池(2.5个Л形通道)的阴极和第三Л形燃料通道电连接的话。该电池组由五个电池形成，如果每个Л形燃料通道是电池的话，并且它们的串联电连接是在前电池的阳极与随后电池的阴极连接–即在每个形空气通道的底部处被实现。如果各通道的每个壁表现为电化学电池，那么其串联电连接同时在每个形空气通道的底部处和每个Л形燃料通道的顶部处被形成(见图7)，10个电池的电池组将被形成。如果每个壁具有两个、三个和多个被连接的电池，那么相应数目的平面电池的电池组将被形成。这在无损于电气性能的情况下允许电池组尺寸方面同时在高度、宽度(多个通道)和在长度上的增大，并且允许通过增加电压和减小电流而使容量扩大。这减小了欧姆损耗、材料消耗和重量特性。这种电池组的电连接要么水平横向地(增加多个通道)、要么如在第一实施方式中和在图6中那样照常地–即竖直地被实现。在这方面，电流通道(连接体)的材料被取代为电绝缘(结构的)材料，例如来自基于Al2O3或Al2MgO4(氧化镁铝)尖晶石的氧化物陶瓷。因此，通过电流而连接了各电池的板18便失去其功能并充当机械连接各模块化电池组的分隔板，分隔并形成气流。类似地，气体和集流总管失去集流总管功能(电子导电性)并且仅执行气体总管功能。那就是其为何由电绝缘材料制造的原因。

[0070] 根据本申请的作者，用于该改型平面电池支撑构件(第一实施方式)的合理的形成方法之一是例如基于石蜡的热粉浆浇铸方法，铸入冷钢模具中(陶瓷注射成型–CIM)。热粉浆浇铸发生在提供其流动性的温度下。这种情况下，用于具有足够机械强度的固体电解质层(100–150μm)的形成的临界因子是在所需量的粉浆的浇铸下的浇铸时间：粉浆不应当在其穿过在冷钢板之间的细小间隙期间被冷冻(硬化)，而应当保持液态使得其在狭窄的通道内流动并且融合以形成电池。这种情况下流动的层流性条件应当遵守。为实现更均质的(在密度方面)浇铸，该填充过程被以全速执行。这可以通过正被浇铸的粉浆的压力和温度的增大而实现。

[0071] 如在权利要求6中所要保护的，为制造具有150μm厚的支撑固体电解质的改型平面电池，用于包含YSZ粉末的所需份的粉浆的注射时间应当小于0.2秒，因为热的粉浆流应当穿过模具的狭窄通道并融合，以形成平面电池的波状板4。在这方面，各个流应当既不俘获空气也不产生湍流，因为在这些浇铸点(电池毛坯)处将出现多孔性和降低的密度。这对于在电池结构内应当是致密的并且没有开放贯穿的多孔性的固体电解质的浇铸而言具有特别的重要性。为达到铸件毛坯的更高密度，粉浆中的增塑剂部分通常被减少。这通过注射Autol、卤蜡和树脂而实现。在从模具中被取出后，毛坯可以经历机械处理以形成其最终形状(各孔口、各通道、各陶瓷通道的尖锐边缘的倒圆等的形成)。可取出性通过模具斜度实现，也就是由于用于所要求保护的平面电池的波状板4的梯形的侧边和较小底之间的夹角α(见图1)。一旦铸件被取出，石蜡通常就被气化，跟随有在毛坯被烧结的过程中的高温燃烧，即其密度被增大，同时其多孔性被减低。此过程伴随有毛坯几何尺寸的减小(收缩)。

[0072] 在具有支撑阴极、阳极或集流总管的改型平面电池毛坯的浇铸期间，和在具有确保机械强度的300–500μm厚度的SOFC支撑构件的层的形成期间，所需量的粉浆在0.2–1.0秒内被注射至模具中而没有违反正被浇铸的流的层流性要求。这种情况下，粉浆将包含来自支撑构件材料的粉末。因为各毛坯具有较厚的壁并且应当在烧结后保持多孔，因此对于浇铸的要求并不那么严格。在这方面，没有必要以增大的压力执行该过程少于0.2秒，并且执行该过程超过一秒钟是没有用的，因为否则的话在毛坯结构内的粉浆流将不倒塌。

[0073] 形成改型平面电池结构的另一合理方法(第二实施方式)是工业化的流延成型方法。由热塑性塑料粉浆(例如，聚乙烯醇缩丁醛基的)浇铸的40-100μm厚的固体电解质膜(ScSZ，YSZ)的一侧被涂覆有功能性阴极层，而另一侧被涂覆有功能性阳极层。该涂覆是通过例如周期性喷淋(流延成型)、丝印(丝网印刷)、锻轧或其组合的方法实现。根据图1、4和5，任何涂覆方法都适合于平面电池。根据图7，丝印(丝网印刷)和锻轧适合于电池组。这种情况下相反的电极被施加有确保各平面电池的串联电连接的移位。平面电池的波状的三层板或具有电极(例如，电极宽度等于Л形通道的高度，图7)的电池组板在特定装置内被确定形状。该板被附装至由在0.2–0.4GPa的压力下以高达90–110℃的温度加热的电绝缘的结构材料膜制成的前壁和后壁7(图1)，并且用于氧化剂和燃料的各孔口8-9被形成。这跟随有共同烧结(共烧)。在此之后该毛坯被用于电池组的组装(气体总管和电开关的连接)。

[0074] 为执行第一方法–即如权利要求6中所要求保护的改型平面电池的热浇铸–钢模具是必需的(见图8)，其确保了单块电池毛坯(铸件)结构的生产。

[0075] 该模具包括钢本体1，其具有使可动的成型板能够利用把手2相对于不可动的板运动的机构。具有螺纹连接的把手3被设置用于模具的拆开和铸件的取出。

[0076] 图9在截面中示出了该模具，其说明了具有改型平面电池结构的电池4的浇铸成型。可动的板5具有平面平行的和带夹角α的梯形的部分，该夹角α在电池波状部分的Л形和形气体空间(见图1的位置4)的形成期间确保了模具斜度。相对于不可动的板6移动的可动的板5的平面平行部分在浇铸后铸件取出期间是必需的。当可动的板5被取走时，不可动的板7确保了铸件的保持，而在模具的拆开期间当铸件被从模具中取出时板8确保了铸件的保持。

[0077] 这样，这些发明的集合确保了改型平面电池的制造，该改型平面电池具有(任选地支撑)固体电解质，例如，基于二氧化锆(YSZ，SсSZ)的，具有(任选地支撑)阴极、(任2 2
选地支撑)阳极和(任选地支撑)集流总管，这不仅确保了特定特性(W/cm，cm/cm，kW/l，kW/kg)的改进，而且确保了电化学装置的面向消费者的性质，也就是更好的可靠性和延长的服务寿命。

[0078] 图10示出了在横向方向上整合成电池组的两个改型平面电池。各平面电池可以包含例如类似于图7的若干对阳极和阴极。在每个单块平面电池中，每侧上的通道利用横向壁被封闭，这种情况下，在横向壁中通向具有较大下底的每个通道的入口由孔口9提供。所有这些通道的下侧利用气体总管板16被封闭。具有较大上底的那些通道的上侧可以任选地保持敞开，提供了用于空气到达这些通道的直接入口。另外，这些气体总管通道被附装至横向表面，这种情况下，各气体总管的各孔口20被与横向壁的孔口9连接。两个改型平面电池都通过波状板的横向壁15.2上的触点被电连接。为实现将燃料同步地供应至各波状板通道中，用于试剂供给和移除的气体总管被互连。

[0079] 图11示出了根据图10的电池组变体，其中两个改型平面电池被纵向连接成电池组。为实现将燃料逐步地供给至各波状板通道中，各波状板通道借助于相邻电池的前壁和后壁被互连，这种情况下串联或并联电连接借助于穿过各表面15.2的触点而实现。

[0080] 图6、10和11示出了在高度、横向和纵向方向上形成的平面电池电池组的选项，其可以针对多于两个所示出的平面电池被实施。另外，这些选项可以被随机地结合以形成电池组。

[0081] 所描述的发明涉及用于高温电化学装置的以改型平面电池(图1，2，4，5，6，7)形式的电池和电池组组件的制造方法，即几厘米和直到几米那么大的可见物体，其容量从几瓦到几兆瓦变化；并且还涉及该组件由宏观物体的制造方法。电池和电池组的形成方法包括对各工艺阶段的列举并描述了某些工艺模式。

[0082] 上述方法表现为优化的制造工艺。这些方法允许新的指定结构的实现，所述新的指定结构不仅具有支撑电解质，而且具有支撑阳极、阴极和集流总管。同时所制造的支撑固体电解质的厚度可以是100μm及更小。由于该事实，根据本发明，该电池内的具体容量可3
以达到10.0W/cm，这是原始资料US 2009/0042076 А1中的原型的容量的25倍。

[0083] 本发明提供了用于有前途的和高性能的高电压SOFC、也就是改型平面电池的各结构型式和各制造方法。另外，其公开了用于这些结构的利用膜浇铸和金属模具浇铸的工业化技术的制造方法。和DE 10 2010 001 988 A1中不同，本发明不是建议形成具有封闭对接端的管状电解质(半电池)毛坯，而是形成一种新结构的SOFC毛坯。那些已知结构的所有缺点在该结构中被消除，因为其结合了管状型式和平面型式的优点。该结构允许制造具有高达20kW/l的具体容量的装置。

[0084] 在一个实施方式中，电池(波状板)的电化学部分被形成有一对、两对或多对相反的电极，它们被施加有移位以便确保电解质膜上的各电池的串联电连接。这些膜被互连，这使得相邻电池的电极互连(电池串联电连接成电池组)是可能的。在此之后，具有在截面中呈没有较大下底的等腰梯形形状的通道、并具有表现为相等高度的没有较大上底的翻转的等腰梯形的通道的波状板在特定装置内被形成，这种情况下，在较小底处的夹角α优选等于0.1-89.9°。然后该波状板与两个相反的壁即前壁和后壁结合，这种情况下，这些壁被布置成垂直于各波、具有相同的高度、并且由以高达90-110℃的温度加热的电绝缘结构材料的膜且在0.2-0.4GPa的压力下制造。然后，用于试剂供应和移除的各孔口利用随后的共同烧结(共烧)在900-1200℃下被形成。

[0085] 本发明可被用于制造电化学的物品，这些物品不仅用于SOFC，而且用于具有固体电解质的其它高温电化学装置(ECD)，例如，电解槽，转换器，氧气泵等。

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