專利名稱：燃料電池系統(tǒng)和向燃料電池裝置供應(yīng)介質(zhì)的設(shè)備的制作方法
燃料電池系統(tǒng)和向燃料電池裝置供應(yīng)介質(zhì)的設(shè)備
本發(fā)明涉及向燃料電池系統(tǒng)中的燃料電池裝置
(BrennstoffZellenanordnung)供應(yīng)介質(zhì)的(Medienversorgung)設(shè)備，其至少部 分地由含鉻金屬合金構(gòu)成。
本發(fā)明還涉及包含這種設(shè)備的燃料電池系統(tǒng)。
燃料電池系統(tǒng)用于由氫和氧產(chǎn)生電能。特別是在移動(dòng)應(yīng)用(例如機(jī)動(dòng)車 輛)中，通過所謂的燃料(即特別是汽油或柴油燃料)重整來獲得氫。在固定 應(yīng)用中，即特別是在家用領(lǐng)域，特別是民用燃料油和天然氣可以作為產(chǎn)生 氫氣的原料。在重整燃料的至少部分放熱反應(yīng)期間產(chǎn)生的熱可以用于加熱。 在使用高溫燃料電池的情況中，所謂SOFC燃料("固體氧化物燃料電池")， 與其他組件的廢熱相同，燃料電池堆的廢熱也可以用于加熱，應(yīng)當(dāng)包括在 整個(gè)燃料電池系統(tǒng)的溫度控制中。
取決于結(jié)構(gòu)，包含高溫燃料電池的燃料電池系統(tǒng)在約650。C和1000°C
之間的溫度范圍操作。
考慮到在空間上與燃料電池裝置接近設(shè)置的附加的第二部件的發(fā)熱， 局部溫度可以達(dá)到1250°C。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，溫度最高的區(qū)域在重整器附近(重整 器安置在燃料電池裝置的介質(zhì)供應(yīng)設(shè)備的上游)，以及燃燒器附近(例如用于 將由燃料電池裝置排出的陽極廢氣進(jìn)一步轉(zhuǎn)化的后燃室)。
傳統(tǒng)上，受到高溫的組件由耐熱或高度耐熱的鉻鋼或含鉻鎳基合金制 造，還已知使用高質(zhì)量氧化物分散穩(wěn)定金屬(稱為粉末冶金制備的燒結(jié)組 件)。在大多數(shù)情況下，除了其他元素，鉻含量高的鋼或合金優(yōu)選含有鋁和 硅作為第二合金元素，在高溫下形成各合金組件的氧化物的薄和厚的層， 從而芯材料的表面受到鈍化層的進(jìn)一步氧化(起氧化皮)保護(hù)。
在燃料電池裝置的介質(zhì)供應(yīng)設(shè)備領(lǐng)域，經(jīng)?？梢园l(fā)現(xiàn)以該方式或相似 方式形成的組件。在本申請(qǐng)中，術(shù)語"介質(zhì)供應(yīng)設(shè)備"理解為其最一般的 含義；因此，不限于最初供應(yīng)的物質(zhì)，例如柴油燃料和空氣，也指所有載 有物質(zhì)的其他組件，所載物質(zhì)本身或在化學(xué)轉(zhuǎn)化之后供應(yīng)給燃料電池裝置。因此，在考慮得到本發(fā)明時(shí)，例如，在廢氣再循環(huán)中，需要考慮重整器、 后燃室和系統(tǒng)的管道。
在常見的操作條件下，含鉻材料的使用伴隨著揮發(fā)性鉻化合物的形成， 在氣相中，所述揮發(fā)性鉻化合物在下游側(cè)攜帶在系統(tǒng)中。這種鉻化合物(主
要是003和Cr02(OH)2)的形成受到高溫和氣氛中水分的促進(jìn)。由于氮化物 的形成還會(huì)產(chǎn)生其他問題，特別是與基于鎳合金的材料相關(guān)。
為了克服這些問題，受到影響的部件可以首先連接，然后進(jìn)行熱處理 以形成薄和致密的鈍化層。
然而，這些措施僅能不充分地解決上述問題，并且還可能出現(xiàn)其他問 題。特別的，由于通過開啟和關(guān)閉燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)生的熱循環(huán)，可能發(fā)生 氧化層的部分的剝落("spalling")，特別是由于芯材料與氧化層之間的不 同的熱膨脹系數(shù)和伴隨的應(yīng)力。在設(shè)計(jì)組件的使用壽命時(shí)，這種現(xiàn)象也需 要考慮在內(nèi)，例如通過選擇較大壁厚來增大芯材料的鉻含量。因此，由于 選擇了較大的壁厚，尤其引起了系統(tǒng)受到上述剝落的污染以及重量增大的 其他問題。由于鉻的揮發(fā)和涂層的剝落，芯材料最終耗盡鉻，直到發(fā)生斷 裂氧化，所述材料失效。
傳統(tǒng)系統(tǒng)的其他問題涉及燃料電池裝置的功能性。重整器中的SOFC 燃料電池和催化劑可能中毒，并受到揮發(fā)性鉻化合物和它們的局部聚集的 永久破壞。所述劣化主要發(fā)生在燃料電池裝裝置的陰極區(qū)域，因?yàn)殂t結(jié)合 在陰極材料(例如LaSrMn03)中。這伴隨著極化損失的不可忍受的增大，因 而電能產(chǎn)率降低。除了燃料電池裝置中毒，還可以觀察到由于揮發(fā)的化合 物的沉積而導(dǎo)致的區(qū)間管線變窄。
在DE44 22 624A1中，已經(jīng)建議為高溫燃料電池提供具有氧化的鉻酸 鹽的保護(hù)層的雙極板，因而可以使用含鉻合金來制備這種雙極板。
在DE 10 2004 002 365 Al中，提出了在熱處理后通過進(jìn)行氣體擴(kuò)散在 燃料電池系統(tǒng)中使用的材料上進(jìn)行涂布，優(yōu)選沉積鋁來減少SOFC燃料電 池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)內(nèi)的鉻揮發(fā)。
本發(fā)明的目的是以成本有效的方式制備用于向燃料電池裝置供應(yīng)介質(zhì) 的設(shè)備，其中特別地不使用顯示低鉻揮發(fā)率的昂貴的鋼合金。
該目的通過獨(dú)立權(quán)利要求的特征實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明的有利實(shí)施方案由從屬權(quán)利要求公開。
本發(fā)明基于常用的設(shè)備，其中接觸供應(yīng)介質(zhì)的設(shè)備的表面至少部分地 用金屬氧化物陶瓷涂布。使用已知的涂布表面的方法(與用于供應(yīng)介質(zhì)的設(shè) 備的雙極板設(shè)計(jì)相關(guān)的)，以及現(xiàn)有的成本有效的措施來避免揮發(fā)性鉻化合 物從設(shè)備揮發(fā)。由于使用壽命增加，材料厚度可以減小，這導(dǎo)致使用的材 料減少，并且重量減小，這對(duì)于移動(dòng)應(yīng)用特別有利。由于鉻揮發(fā)率的減小， 燃料電池系統(tǒng)的活性組件(即特別是重整器的催化劑和燃料電池堆的陰極) 受到保護(hù)。相應(yīng)地這些組件的使用壽命延長，并且整個(gè)系統(tǒng)的功能增強(qiáng)。
有用的，可以設(shè)想所述金屬氧化物陶瓷包含多種金屬組分。不同的金 屬組分包含例如鉻和稀土元素(例如鑭)。
在優(yōu)選的實(shí)施方案中，可以設(shè)想所述金屬氧化物陶瓷具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。
這里，例如可以使用鈣或鍶摻雜的LaCr03。
還可以設(shè)想所述金屬氧化物陶瓷具有尖晶石結(jié)構(gòu)。這種尖晶石結(jié)構(gòu)例 如使用鉻和鎂形成。
有用的，所述金屬氧化物陶瓷應(yīng)含有氧化鉻。
根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備可以用特別有利的方式制造，其中所述金屬氧化物 陶瓷通過氣相沉積來涂布?？梢允褂媚軌蛱峁┛稍佼a(chǎn)的層體系的CVD或 PVD方法。
還可以設(shè)想所述金屬氧化物陶瓷通過滑移方法(Schlickerverfahren)涂 布。所述涂布可以通過浸泡方法或濕粉末噴涂方法涂布。
還可以進(jìn)一步設(shè)想所述金屬氧化物陶瓷通過噴涂方法涂布。這種噴涂 方法包括例如熱噴涂或等離子體噴涂，這些方法特別有利，因?yàn)椴恍枰獰?交換處理(thermische Auslagerungs-behandlung)來禾急定保護(hù)層，而在所述滑 移法(Schlickerverfahren)中需要進(jìn)行焊透(Einbrand)。
根據(jù)本發(fā)明的特別優(yōu)選的實(shí)施方案，可以設(shè)想，所述金屬氧化物陶瓷 的厚度為1 pm到25 ,。約1lam的小的層厚度可以充分實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的效果。 根據(jù)方法，增大的層厚度簡化了制造工藝，因?yàn)榭梢杂休^大的公差。
本發(fā)明還涉及包含根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的燃料電池系統(tǒng)。
下面參考附圖根據(jù)特別優(yōu)選的實(shí)施方案描述本發(fā)明，附圖中

圖1顯示了典型的燃料電池系統(tǒng)；
圖2顯示了根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的一部分。
圖1顯示了典型的燃料電池系統(tǒng)。圖2顯示了根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的一
部分。燃料電池系統(tǒng)10通過燃料供應(yīng)設(shè)備34和空氣供應(yīng)設(shè)備36供應(yīng)燃料 或空氣。空氣和燃料送至重整器12，其中通過線16、 18產(chǎn)生富氫重整產(chǎn)物。 所述重整產(chǎn)物送至燃料電池堆28的陽極側(cè)，燃料電池堆28的陰極側(cè)送入 陰極空氣，所述陰極空氣經(jīng)過另一個(gè)空氣供應(yīng)設(shè)備38經(jīng)過線20通過線22。 經(jīng)過線40流出燃料電池堆28的陽極廢氣送入后燃室14，所述后燃室14 通過另一個(gè)空氣供應(yīng)設(shè)備42和線24供應(yīng)有燃燒空氣。從后燃室14排出的 廢氣通過線26排出燃料電池系統(tǒng)10。燃料電池堆28中產(chǎn)生的電能也從燃 料電池堆10得到，并送至DC/DC轉(zhuǎn)換器44?？赡苁艿礁邷刈饔?，并帶有 送至燃料電池堆28的物質(zhì)的燃料電池系統(tǒng)10內(nèi)部的所有組件可以以根據(jù) 本發(fā)明的方式形成，即其表面30可以具有金屬氧化物陶瓷32的涂層。通 過參考重整器12的表面部分以圖2為例來說明。在重整器12的供應(yīng)線16、 18、重整產(chǎn)物線20和陰極空氣供應(yīng)線22中可以發(fā)現(xiàn)類似的表面處理。在 部分廢氣從后燃室14循環(huán)的情況中，廢氣被引入燃料電池堆上游的流動(dòng)路 徑，根據(jù)圖2，可以為表面結(jié)構(gòu)設(shè)置陽極廢氣線40、后燃室空氣供應(yīng)線24、 后燃室14和廢氣線26。
上述描述、附圖和權(quán)利要求中公開的本發(fā)明的特征對(duì)于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明本 身或任何組合是至關(guān)重要的。
附圖標(biāo)記
10燃料電池系統(tǒng)
12重整器
14后燃室
16空氣供應(yīng)線
18燃料供應(yīng)線
20重整產(chǎn)物線
22陰極空氣供應(yīng)線
724后燃室空氣供應(yīng)線
26廢氣線
28燃料電池堆
30表面
32金屬氧化物陶瓷 34燃料供應(yīng)設(shè)備 36空氣供應(yīng)設(shè)備 38空氣供應(yīng)設(shè)備 40陽極廢氣線 42空氣供應(yīng)設(shè)備 44 DC/DC轉(zhuǎn)換器
權(quán)利要求
1、用于向燃料電池系統(tǒng)(10)中的燃料電池裝置(28)供應(yīng)介質(zhì)的設(shè)備(12-26)，所述設(shè)備至少部分地由含鉻金屬合金構(gòu)成，其特征在于所述設(shè)備的接觸供應(yīng)介質(zhì)的表面(30)至少部分地涂布有金屬氧化物陶瓷(32)。
2、 權(quán)利要求1的供應(yīng)介質(zhì)的設(shè)備，其特征在于所述金屬氧化物陶瓷包 含多種金屬組分。
3、 權(quán)利要求1或2的供應(yīng)介質(zhì)的設(shè)備，其特征在于所述金屬氧化物陶 瓷包含鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。
4、 權(quán)利要求1或2的供應(yīng)介質(zhì)的設(shè)備，其特征在于所述金屬氧化物陶 瓷包含尖晶石結(jié)構(gòu)。
5、 前述權(quán)利要求任一項(xiàng)的供應(yīng)介質(zhì)的設(shè)備，其特征在于所述金屬氧化 物陶瓷含有氧化鉻。
6、 前述權(quán)利要求任一項(xiàng)的供應(yīng)介質(zhì)的設(shè)備，其特征在于通過氣相沉積 來涂布所述金屬氧化物陶瓷。
7、 前述權(quán)利要求任一項(xiàng)的供應(yīng)介質(zhì)的設(shè)備，其特征在于通過滑移法來 涂布所述金屬氧化物陶瓷。
8、 前述權(quán)利要求任一項(xiàng)的供應(yīng)介質(zhì)的設(shè)備，其特征在于通過噴涂方法 來涂布所述金屬氧化物陶瓷。
9、 前述權(quán)利要求任一項(xiàng)的供應(yīng)介質(zhì)的設(shè)備，其特征在于所述金屬氧化 物陶瓷的厚度為1 |im到25 |mi。
10、燃料電池系統(tǒng)，其包含前述權(quán)利要求任一項(xiàng)的設(shè)備。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于向燃料電池系統(tǒng)(10)中的燃料電池裝置(28)供應(yīng)介質(zhì)的設(shè)備(12-26)，所述設(shè)備至少部分地由含鉻金屬合金構(gòu)成。根據(jù)本發(fā)明，所述設(shè)備的接觸供應(yīng)介質(zhì)的表面(30)至少部分地涂布有金屬氧化物陶瓷(32)。
文檔編號(hào)H01M8/02GK101507026SQ200780026013
公開日2009年8月12日 申請(qǐng)日期2007年5月23日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月10日
發(fā)明者M·米爾納, M·羅祖梅克 申請(qǐng)人:艾納爾達(dá)公司