具有绕歧管开口牢固固定的密封件的电池单元的制作方法

本发明涉及电化学电池单元以及电化学电池单元堆的领域，特别是涉及燃料电池和电解电池以及燃料电池堆和电解电池堆的领域。更具体地，本发明涉及固体氧化物电池(soc)领域，包括氧化剂型(sofc)或电解剂型(soec)的金属支撑固体氧化物电池及金属支撑固体氧化物电池堆。

背景技术：

1、燃料电池和电解电池是电化学电池的例子。燃料电池是允许将电化学燃料转换为电的能量转换装置。电解电池是以反向模式运行的燃料电池，即使用电来生成化学物质。可逆电池能够在两种模式下运行。这种电化学电池通常包括三个电化学层，即燃料电极、电解质和空气或氧化剂电极，它们通常分层排列。所述电化学层可以被构造为允许将电化学燃料转换为电(燃料电池)或使用电生成化学物质(电解电池)。

2、固体氧化物电池(soc)是一类特殊的电化学电池，其中，电解质层由固体氧化物形成，例如氧化钇稳定氧化锆(ysz)、氧化钆掺杂的二氧化铈或氧化铈钆(cgo)形成。soc可以作为固体氧化物燃料电池(sofc)或作为固体氧化物电解电池(soec)运行。sofc使用氧化燃料以产生电的电化学转换过程。为此，燃料或重整燃料接触燃料电极，而诸如空气或富氧流体的氧化剂接触氧化剂电极。然后，固体氧化物电解质将负氧离子从氧化剂电极传导到燃料电极。因此，对于sofc，燃料电极构成阳极，而空气或氧化剂电极构成阴极。与sofc相比，soec是以反向模式运行的soc，通常用于电解水，特别是用于生成氢气和氧气。在这种情况下，燃料电极构成阴极，而空气或氧化剂电极构成阳极。

3、电化学层可以分层排列在机械支撑板上，例如金属板上(所谓的“金属支撑电化学电池”)。这种电池通常包括互连板，该互连板在背离电化学层的一侧覆盖支撑板，使得流体体积(电池空间)被封闭在支撑板和互连板之间。在这种情况下，支撑板可以具有多孔区域，电化学层沉积在所述多孔区域上，使得燃料(例如气体)可以通过孔隙从电池空间流到电化学层。此外，电池单元通常包括例如以通孔的形式的流体端口，以允许向电池空间供应燃料。

4、通常，多个这样的电池彼此堆叠以形成电池“堆”。然后，可以通过相应的衬垫抵靠电池堆中的相邻电池来密封电池的流体端口。组装这样的堆时，通常必须花费大量时间和精力将每个衬垫保持在相对于流体端口的适当位置。

5、本发明旨在提供一种能够以经济高效且简单的方式制造的电池单元和电池堆。

技术实现思路

1、根据本发明，提供了一种电池单元，优选地，提供了一种电化学电池单元。该电池单元包括用于支撑电化学层的在面积上延伸的支撑板、在面积上延伸的互连板(或隔板)和至少一个衬垫。所述支撑板和所述互连板彼此叠置并且垂直于堆叠方向延伸。也就是说，支撑板和互连板沿堆叠方向彼此堆叠，支撑板和互连板垂直于所述堆叠方向在面积上延伸。优选地，支撑板和互连板彼此平行布置，并且可选地，以面积的方式彼此接触。根据本发明，电池单元中设有至少一个通孔，所述通孔延伸穿过支撑板和互连板以形成电池单元的流体端口，用于向电池单元供应流体，特别是供应燃料。优选地，在电池单元的支撑板和互连板中的每一个中均设有至少一个通孔，所述支撑板的通孔和所述互连板的通孔彼此同轴布置。根据本发明，所述电池单元的通孔(流体端口)设有衬垫。然而，这并不排除电池单元可以包括实现不同目的且不设有衬垫的附加通孔。衬垫优选地被构造为抵靠电池堆中的相邻电池来密封电池单元的通孔(流体端口)。衬垫位于支撑板的背离互连板的一侧。优选地，衬垫由支撑板支撑。更优选地，衬垫与支撑板的表面直接接触，所述表面背离互连板，并且优选地垂直于堆叠方向延伸。衬垫包括开口，所述开口由所述衬垫的内表面界定并与电池单元的所述通孔(流体端口)对准，使得衬垫绕所述通孔(即绕流体端口)布置。电池单元还包括用于所述衬垫的定位夹具。定位夹具被构造为垂直于堆叠方向以形状配合的方式保持衬垫被对准。更具体地，定位夹具被构造和布置为在衬垫的内表面上接触衬垫，并且在垂直于堆叠方向的平面中以形状配合的方式保持衬垫与电池单元的所述通孔(流体端口)对准。优选地，定位夹具布置在穿过支撑板的通孔的范围内。

2、因此，定位夹具提供综合措施以保持衬垫相对于分配给衬垫的通孔对准。具体地，定位夹具可以在电池堆的组装期间将衬垫保持在适当位置，该电池堆包括多个这种电池单元。这允许容易地制造电池堆，因为可以省去组装过程中通常需要的将每个衬垫保持在适当位置的时间和精力。例如，可以省略通常将衬垫粘合到支撑板或互连板上的步骤。优选地，定位夹具被构造为限定用于容纳衬垫内表面的外周边，使得衬垫在与堆叠方向垂直的平面中以形状配合的方式与所述通孔保持对准。

3、如果定位夹具被构造为使得衬垫沿堆叠方向(即，垂直于支撑板面积范围的方向)被定位夹具以压紧配合的方式(即，通过摩擦锁定)保持就位，则可能更为有利。为此，定位夹具可以被构造为使得定位夹具沿垂直于堆叠方向的方向被偏置抵靠于衬垫的内表面。因此，衬垫可以通过定位夹具以防丢失的方式被保持。

4、优选地，支撑板和/或互连板由金属或金属合金制成。也就是说，支撑板和/或互连板优选地是金属或金属合金板，例如金属箔。

5、电池单元还可以包括特别是平面的电化学层(电池化学层)以形成电池。电化学层可以包括燃料电极层、电解质层和空气或氧化剂电极层。电化学层优选地布置在支撑板上(优选地沉积为薄涂层或薄膜)并由支撑板支撑。支撑板可以具有被无孔区域包围的多孔区域，其中，电化学层沉积在多孔区域上(优选地在背离互连板的一侧)。因此，燃料(例如气体)可以通过孔隙到达电化学层。支撑板和互连板可以被构造为使得电池空间(流体体积)被封闭在支撑板和互连板之间。因此，流体可以从电池空间通过多孔区域的孔隙到达电化学层。电池重复单元可以是燃料电池单元、电解电池单元或可逆电池单元。电池重复单元可以是固体氧化物燃料电池单元或固体氧化物电解电池单元。

6、优选地，定位夹具延伸超过支撑板的表面，所述表面沿堆叠方向背离互连板。也就是说，定位夹具优选地沿堆叠方向突出于支撑板的背离互连板的表面。定位夹具优选地伸入到衬垫的开口中。优选地，定位夹具抵靠在衬垫的内表面上，使得衬垫垂直于堆叠方向以形状配合的方式被保持，并且可选地，还通过沿堆叠方向的摩擦锁定被保持。优选地，定位夹具在支撑板的表面上方沿堆叠方向突出到小于衬垫的厚度的程度，从而允许在堆叠过程中压缩衬垫。在这种情况下，定位夹具可以在电池单元堆的组装和堆叠期间提供硬性止动。

7、优选地，定位夹具沿支撑板的整个厚度延伸穿过形成在支撑板中的通孔，并伸入到衬垫的开口中。也就是说，定位夹具优选地从支撑板面向互连板的一侧延伸穿过支撑板中的通孔，并突出超过支撑板的背向互连板的表面。这具有的优点是，定位夹具可以另外地执行用于支撑板的定位功能。

8、定位夹具可以作为单独的元件提供。例如，定位夹具可以由插入物提供，所述插入物被保持在互连板和支撑板之间。优选地，定位夹具形成电池堆的一体部分或部件，例如，使得定位夹具在组装后不能从电池堆中移除。例如，定位夹具可以包括平面部分，优选地包括金属平面部分，其交错铺设在电池堆的其他平面部件例如支撑板和互连板之间。

9、在一些实施例中，至少一个定位夹具可以由互连板提供。更优选地，定位夹具与互连板一体形成。这允许容易地制造电池单元，因为可以减少单个零件的数量。此外，这种定位夹具可以执行定位功能，以提供支撑板相对于互连板的固定位置。优选地，定位夹具由与互连板一体形成的一个或多个凸起构件构成，所述凸起构件优选地在局部正交于互连板的面积范围的方向上延伸，并朝向支撑板延伸。

10、在一些实施例中，定位夹具可以由互连板的朝向支撑板弯曲的至少一部分形成，优选地在局部正交于互连板的面积范围的方向上弯曲。也就是说，定位夹具可以通过使互连板的一个或多个部分沿朝向支撑板的方向、即沿堆叠方向弯曲而形成。为此，如果互连板由金属形成则可能是有利的。优选地，该至少一部分是环绕互连板中的通孔的部分。

11、根据一般方面，定位夹具可以包括两个或更多个定位突出部，所述两个或更多个定位突出部朝向支撑板延伸，优选地在局部正交于互连板的面积范围的方向上延伸。定位突出部优选地沿周向方向、更优选地均匀地绕电池单元的流体端口分布。因此，定位夹具可以包括多个凸起构件，所述多个凸起构件被布置成限定用于容纳凸起构件外部的衬垫的周边。两个或多个定位突出部可以彼此间隔开周向间隙。所述间隙优选地被构造为允许流体从流体端口流到形成在支撑板和互连板之间的电池空间。在一些实施例中，两个或多个定位突出部可以通过使环绕通孔的互连板材料的弧形段或舌片弯曲而形成。为此，弧形段或舌片可以优选地在弯曲之前(例如通过使互连板凸出或切割互连板)形成在互连板中。

12、在一些实施例中，定位夹具可以是环形突出部，所述环形突出部优选地朝向支撑板延伸，更优选地局部正交于互连板的面积范围延伸。环形突出部优选地被构造为限定用于容纳衬垫内表面的外周边。也就是说，在电池单元中，衬垫的内表面优选地抵靠环形突出部的外表面。优选地，环形突出部的外径等于衬垫的开口的直径。在一些实施例中，环形突出部可以通过使互连板的环绕通孔的圆形部在局部正交于互连板的面积范围的方向上弯曲而形成。因此，环形突出部可以界定绝缘板中的通孔。

13、环形突出部可以包括开口，例如孔或冲压形状，所述开口优选地径向延伸，即垂直于堆叠方向。所述开口优选地被构造和布置成允许流体从流体端口(通孔)流到电池空间，电池空间形成在支撑板与互连板之间。

14、在一些实施例中，定位夹具可由环形突出部的若干个区段构成。因此，每个区段可形成定位夹具的定位突出部。区段可间隔开周向间隙。所述间隙优选地被构造和布置成允许流体从流体端口流到电池空间，电池空间形成在支撑板与互连板之间。如上文关于环形突出部所述，这允许流体特别是燃料进入和离开电池空间，从而为可选的电化学层供应流体。

15、衬垫可以是密封片。密封片可以包括至少一个凹槽，至少一个凹槽形成衬垫的开口。凹槽可与通孔的形状互补。优选地，衬垫为密封环。优选地，衬垫特别是密封环与电池单元的通孔(流体端口)同轴布置。

16、根据一般方面，可以在支撑板和互连板之间设置至少一个垫片。垫片优选地被构造和布置成使得当支撑板和互连板连接时，在支撑板和互连板之间形成电池空间(流体体积)。

17、优选地，垫片绕由电池单元的通孔提供的流体端口布置。流体端口例如可以是燃料端口。优选地，垫片包括与所述流体端口(电池单元的通孔)对准的开口。垫片可以是垫片环。可替代性地，垫片可以是具有通孔的垫片板或垫片片，通孔形成开口。

18、在一些实施例中，每个流体端口可以设有垫片，例如呈垫片环的形式。可替代性地，电池单元可以包括单个垫片，优选地呈垫片板的形式，所述垫片板包括在局部对应于支撑板和互连板中的通孔的位置处的开口，开口优选地为通孔。

19、垫片可以在垂直于堆叠方向的平面中被定位夹具以形状配合的方式保持成与所述流体端口(电池单元的通孔)对准。为此，当组装电池单元时，定位夹具可以延伸穿过垫片中的开口。优选地，定位夹具被构造为接触垫片的内表面，所述内表面界定垫片中的所述开口，使得垫片在垂直于堆叠方向的平面中以形状配合的方式被保持成与分配给垫片的流体端口(电池单元的通孔)对准。这进一步简化了电池单元的制造。

20、可替代性地，至少一个定位夹具可以由垫片提供。因此，当定位夹具被插入支撑板中的通孔中时，定位夹具可用作垫片的定位特征。优选地，定位夹具与垫片一体形成。这允许容易地制造电池单元，因为可以减少单个零件的数量。例如，定位夹具可以包括多个周向分布的定位突出部，多个周向分布的定位突出部与垫片一体形成。定位突出部可以间隔开周向间隙，从而允许流体从流体端口流到形成在支撑板和互连板之间的电池空间。如上所述，定位夹具可以是环形突出部，或者可以由与垫片一体成型的环形突出部的若干个区段构成。环形突出部可以包括开口，或者环形突出部的区段可以间隔开周向间隙，所述开口或间隙优选地被构造和布置成允许流体从流体端口流到形成在支撑板和互连板之间的电池空间。

21、垫片可以包括径向延伸的通道或开口，以允许流体从相应的流体端口流到形成在支撑板和互连板之间的电池空间。所述通道或开口可以由形成在垫片的外表面中的凹槽提供。可替代性地，所述通道或开口可以由垫片材料中的径向孔形成。无论定位夹具是由垫片提供还是由电池堆的任何其他部件例如由互连板提供，都可以在垫片中提供通道或开口。

22、优选地，垫片被构造和配置成使得垫片中的通道或开口的周向位置与定位夹具的定位突出部之间的间隙(例如，多个周向分布的定位突出部之间的间隙或环形突出部的区段之间的间隙，参见上文)或环形突出部中限定的开口重叠。也就是说，垫片可以包括通道或开口，所述通道或开口布置在绕流体端口的周向位置处，所述位置对应于定位夹具的定位突出部之间的间隙的位置，或对应于定位夹具的环形突出部的开口的位置。因此，垫片可以包括通道或开口，所述通道或开口被布置成使得垫片中的通道或开口位于相邻的定位突出部之间(如果存在多个)或(在环形突出部的情况下)位于局部与环形突出部的径向开口的位置对应的位置处。这允许流体从流体端口流到电池空间。

23、作为在支撑板和互连板之间提供垫片的可替代方案或另外，电池单元可以包括绕流体端口定位的成形端口特征。成形端口特征优选地被构造和布置成使得当支撑板和互连板连接时，在支撑板和互连板之间形成电池空间。成形端口特征可以由互连板或支撑板中的至少一个提供。成形端口特征可以通过压制提供。成形端口特征可以向另一板延伸。成形端口特征可以是凹坑。优选地，成形端口特征的元件彼此间隔开以在来自流体端口的元件之间限定流体路径，从而使得流体能够从流体端口流到电池空间。例如，成形端口特征可以按照申请人先前的wo2020/126486a1中所述的方式构造，该wo2020/126486a1在此通过引用并入本文。

24、本发明还涉及一种电池堆，该电池堆包括如上所述的多个电池单元。与电池单元相关的上述特征和优点也适用于电池堆。在电池堆中，电池单元沿堆叠方向彼此堆叠，使得电池单元的流体端口共同形成沿堆叠方向的流体路径。在电池堆中，衬垫被构造为抵靠电池堆的相邻电池单元来密封各个电池单元的流体端口。

25、本发明还涉及一种制造电池堆的方法。该方法包括提供多个电池单元的步骤，优选地，多个电池单元为如上所述被构成的电池单元。提供所述电池单元的步骤包括以下子步骤：

26、提供支撑板，支撑板具有至少一个通孔；

27、提供至少一个衬垫，优选地，对于支撑板中的每个通孔提供一个衬垫；

28、提供具有至少一个通孔的互连板和用于至少一个衬垫的至少一个定位夹具，优选地，对于每个衬垫提供一个定位夹具；

29、将支撑板和互连板沿堆叠方向彼此叠置，使得互连板的至少一个定位夹具延伸穿过形成在所述支撑板内的至少一个通孔；和

30、将至少一个衬垫定位在支撑板的背离互连板的一侧，使得至少一个衬垫绕至少一个通孔(电池单元的流体端口)布置并且以其内表面抵接定位夹具，使得衬垫通过定位夹具以形状配合的方式被保持就位以与形成在支撑板中的通孔对准。

31、该方法还包括下述步骤：将多个电池单元沿堆叠方向彼此堆叠，优选地，使得电池单元的流体端口共同形成沿堆叠方向的流体路径。

32、根据可替代实施例，提供电池单元的步骤可以包括以下子步骤：

33、提供支撑板，支撑板具有至少一个通孔；

34、提供互连板，互连板具有至少一个通孔；

35、提供至少一个衬垫，优选地，对于支撑板中的每个通孔提供一个衬垫；

36、提供至少一个垫片，优选地，提供垫片板，该至少一个垫片包括用于至少一个衬垫的至少一个定位夹具，优选地，定位夹具一体形成；

37、将支撑板、至少一个垫片和互连板沿堆叠方向彼此堆叠，使得垫片的至少一个定位夹具延伸穿过形成在支撑板内的至少一个通孔；和

38、将至少一个衬垫定位在支撑板的背离互连板的一侧，使得至少一个衬垫绕至少一个通孔(电池单元的流体端口)布置并且以其内表面抵接定位夹具，使得衬垫通过定位夹具以形状配合的方式被保持就位以与形成在支撑板内的通孔对准。提供至少一个垫片的步骤可以包括下述步骤：为支撑板中的每个通孔提供一个垫片(例如，以垫片环的形式)，每个垫片包括一个定位夹具。可替代性地，提供至少一个垫片的步骤可以包括下述步骤：提供垫片板，优选地为单个垫片板，所述垫片板包括一个或多个通孔和一个或多个定位夹具，一个或多个定位夹具位于与支撑板和互连板中的通孔相对应的位置。

39、如上所述，支撑板的通孔优选地位于与互连板的通孔局部相对应的位置。因此，支撑板和互连板优选地沿堆叠方向彼此堆叠，使得支撑板中的通孔和互连板中的通孔彼此同轴布置。

40、提供电池单元的步骤还可以下述步骤：优选地使用焊接工艺、更优选地使用激光焊接工艺连接相应电池单元的支撑板和互连板。因此，相应电池单元的互连板和支撑板可以作为一个整体处理，从而允许易于制造。

41、该方法还可以包括下述步骤：通过优选地使用焊接工艺、更优选地使用激光焊接工艺将一个电池单元的互连板接合到相邻电池单元的支撑板来连接相邻的电池单元。

42、提供具有至少一个通孔的支撑板的步骤可以包括子步骤：例如通过钻孔或冲压提供支撑板和处理支撑板以形成至少一个通孔。提供具有至少一个通孔的互连板的步骤可以包括子步骤：例如通过钻孔或冲压提供互连板和处理互连板以形成至少一个通孔。

43、提供具有至少一个定位夹具的互连板的步骤可以包括子步骤：提供互连板和通过弯曲互连板的至少一个部段形成至少一个定位夹具，优选地形成一个或多个定位突出部。

44、从以下描述和附图中可以得出进一步的实施例。