CN101069319A - 燃料电池叠层组件 - Google Patents

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Abstract

一个示例性的燃料电池装置组件是如下的燃料电池叠层组件，它包含：(i)多个燃料电池包，各个包包含(a)框架和(b)两个平的电解质支持的燃料电池阵列，该燃料电池阵列的排列使得一个燃料电池阵列的正极一侧对着另一燃料电池阵列的正极一侧，且该框架和该燃料电池阵列限定了燃料室；(ii)主外壳，它封装有多个包，这样所述多个包形成多个氧化剂通道；(iii)至少一个可移除的限制器平板，它与主外壳一起形成多个氧化剂通道；(iv)进口氧化剂增压歧管，与氧化剂通道的一侧连接；(v)出口氧化剂增压歧管，与氧化剂通道的另一侧连接；(vi)进口燃料歧管，与各燃料室的一侧连接；和(vii)出口燃料歧管，与所述各燃料室的另一侧连接。

Description

燃料电池叠层组件
本申请根据35U.S.C.§119(e)要求于2004年11月30日提交的美国临时申请系列号60/632042的优先权。
                          发明背景
发明领域
本发明总的涉及结合多个燃料电池阵列的燃料电池堆。
技术背景
近年来已在大量的研究中使用到固体氧化物燃料电池。固体氧化物燃料电池(SOFC)的主组分包括带负电荷的氧离子传导电解质，它夹在两个电极之间。在这些电池中，通过在正极(anode)氧化燃料如氢产生了电流，该燃料与传导通过电解质的氧离子反应。在负极(cathode)通过还原分子氧产生了氧离子。
美国专利公报US2002/0102450和2001/0044041描述了固体电解质燃料电池，该电池包括改进的电极-电解质结构。这种结构包含固体电解质片，该电解质片有多个正极和负极，并结合到薄的柔软无机电解质片的相对面。一个例子公开，该电极不在电解质片上形成连续的层，而是限定了多个不连续的区域或区带。这些区域通过与其接触的并延伸穿过电解质片中的通路的导电体而电连接。该通路填充有导电性材料(通过互连接头)。
美国专利5085455公开了薄的平滑的无机烧结片状物。所公开的烧结片状物具有足以弯曲但不断裂的强度和柔韧性以及在大范围温度下的优异稳定性。所公开的一些组合物例如氧化钇稳定的氧化锆YSZ(Y2O3-ZrO2)可用作燃料电池的电解质。已知在足够的温度下(如约725℃或更高)，氧化锆电解质具有良好的离子电导和非常低的电子电导。美国专利5273837公开，使用这类组合物来形成抗热冲击的固体氧化物燃料电池。
美国专利公报US2001/0044043描述了利用具有粗糙界面层的基本上平的、平滑的电解质片的固体电解质燃料电池。该公报公开的电解质片的厚度低于45微米。陶瓷电解质片在这种厚度下是柔软的。
此外，燃料电池经受大的热循环和大的热梯度，这会在电解质片中引起热应力。此外，固定的电解质片将以与其框架的热膨胀速率不同的速率膨胀，这会引起电解质片的破裂。电解质片中的缺陷可能导致需要替换整个电池或电解质装置。
已知有时基底型固体氧化物燃料电池使用金属合金作为隔离物。这些构型在例如题为“与含铬合金隔离物接触的SOFC负极的电化学特性”(YoshidoMatsuzaki和Isami Yasuda，Solid state Ionics 132(2000)271-278)中有描述。
还可用多孔的支持结构支持固体氧化物燃料电池，如美国专利5486428中所公开的。在多孔支持结构中的是密封的波纹状陶瓷平板，这些平板形成氧或燃料的通道。更具体地说，美国专利5486428公开了燃料电池模块，各模块具有支持多个电极的多孔基底。电解质层位于这些电极之上，另一电极层位于该电解质层之上。该多孔支持结构形成了集合了这些层的整体，而且不可与这些层分开。该专利公开，燃料电池层直接与多孔支持结构粘合，因此其制作约束条件限制了燃料电池的构型。例如，电池层通常在不同的温度烧结。通常，正极和电解质在1400℃或更高的温度烧结，而负极的理想烧结温度是1200℃或更低的温度。因此燃料电池层必须以烧结温度降低的顺序堆积。但是，有利的是燃料电池阵列能够具有其它的构型设计而不需要担心制作约束条件。此外，多孔支持结构相对较厚，因此制作起来昂贵。美国专利6194095公开了一类燃料电池堆，该电池堆包含形成于注入到多孔塑料介电片中的电解质之上的燃料电池阵列，通过该电解质膜而实现电池-电池之间的导电互连。所公开的设计使用到装配于燃料电池阵列之间的空气流动歧管单元以及燃料歧管单元。具有额外的空气和燃料歧管单元并将它们装配于燃料电池阵列之间增加了该燃料电池堆的复杂性和成本。
美国专利5416057公开了一种涂覆的交替热交换器装置及其生产方法。该热交换器包含多个位于陶瓷体内的通道。此专利没有公开这种装置在燃料电池中的应用。
                          发明内容
本发明一个方面是燃料电池叠层组件，它包含：
(i)多个燃料电池包(packet)，各个包包含(a)框架(frame)和(b)两个平的电解质支持的燃料电池阵列，该燃料电池阵列的排列使得一个燃料电池阵列的正极一侧对着另一燃料电池阵列的正极一侧，且该框架和该燃料电池阵列限定了燃料室；(ii)主外壳(enclosure)，它封装有多个包，这样所述多个包形成多个氧化剂通道；(iii)至少一个可移除的限制器平板，它与多个包一起形成多个氧化剂通道；(iv)进口氧化剂增压歧管，与氧化剂通道的一侧连接；(v)出口氧化剂增压歧管，与氧化剂通道的另一侧连接；(vi)进口燃料歧管，与各燃料室的一侧连接；和(vii)出口燃料歧管，与所述各燃料室的另一侧连接。
下文将对本发明的其它特征和优点进行详细描述，这些对于本领域技术人员来说都是显而易见的，或者通过实施本文(包括下文的详细描述、权利要求书以及附图)所述的发明而能够认识到的。
应理解，之前的一般性描述以及下文就本申请实施例做出的详细描述都仅仅是为理解所声称的本发明的性质和特征而提供的一个总的看法或框架。包括了附图，以提供对本发明的进一步理解，这些附图被引入并作为说明书的一部分。附图描述了本发明的各种实施方式，与说明书一起解释了本发明的原理和操作。
                          附图简述
图1A示意性阐述了燃料电池堆的一个例子的分解图。
图1B是图1A燃料电池堆的一个例子的示意性横截面图。
图1C示意性阐述了燃料电池堆另一实施例的分解图。
图2A是图1A和1C燃料电池堆中使用的一个燃料电池包的透视图。
图2B是图2A燃料电池包的示意性横截面图，该电池包包括具有内部燃料分配喷嘴的包框架。
图3A-3C示意性阐述了包中的管和歧管之间的各种示例性连接。
图4A和4B是示例性燃料电池堆的两个透视图。
图5阐述了包括燃料电池阵列的示例性电源/电线输出组件。
图6是图5所示的电源/电线输出的横截面示意图。
                    优选实施方式的详细描述
以下将结合本发明的这些优选实施方式进行描述，这些实施方式的例子在附图中阐述。在全部附图中尽可能使用相同的附图标记来标示相同或类似的部分。
本发明的一个例子显示在图1A和1B中，全部用附图标记100表示该例子。图1A示意性阐述了燃料电池叠层组件100的分解图。图1B是图1A所示燃料电池叠层组件的一个实施方式的示意性横截面图。图1A还阐述了燃料电池包110的分解图。更具体而言，图1A阐述了使用平的SOFC(固体氧化物燃料电池)叠层设计的燃料电池叠层组件100，该叠层设计插入置于包110之内的在燃料电池阵列对之间形成的分离的单个燃料室中。图2是图1A的燃料电池堆中使用的一个燃料电池包110的透视图。
图1A和1B的燃料电池叠层组件100的实施方式包含一个主外壳，该外壳封装有多个燃料电池包110。各燃料电池包110包括：(a)包框架120，包括定位固定物120A，它含有用于贯穿螺栓120C(为了便于表示，仅显示一个)的孔120B，和包框架燃料进口和包框架燃料出口121、121’；和(b)两个平的电解质支持的燃料电池阵列125，各含有电解质片和多个安排在该电解质片两侧的电极。一组螺母120D接合该螺栓120C，施加压缩力，并将该包保持在它们各自的位置上。排列燃料电池阵列125，使各燃料电池阵列125的正极一侧125A面对着另一燃料电池阵列125的正极一侧125A。该包框架120与所述两个燃料电池阵列125一起形成了燃料室130。
在此实施例中，该主外壳150包含两个L形的面板(端板)152，形成氧化剂(如空气)室155的壁。该主外壳150将多个电池包110封装在氧化剂室155内，这样该多个包110形成多个氧化剂通道160。该L形面板152还含有用于将燃料电池包接合到正确位置的定位狭槽220’和用于使燃料提供到位于燃料电池包110之内的燃料室130的燃料包管状孔221。该主外壳150还包括至少一个、优选两个可移除的限流器平板170。该限流器平板170形成该主外壳的侧壁，因此，它与该L形面板(端板)152一起形成了氧化剂室155。该限流器平板170包含多个狭槽172，各对应于它们各自的氧化剂通道160。因此，在此实施例中，限流器平板与主外壳150的其余部分一起形成了所述多个位于空气室155内部的氧化剂通道160。
图1A和1B的燃料电池叠层组件100还包括进口氧化剂歧管180和出口氧化剂歧管190，以及进口燃料歧管200和出口燃料歧管210。包110可操作地与进口氧化剂歧管180和出口氧化剂歧管190连接，这样氧化剂直接从燃料电池包110之间的进口歧管180流出，并进入出口氧化剂增压歧管190。进口氧化剂增压歧管180位于该可移除的限流器平板170的附近，并且可操作性地与各氧化剂通道160的进口侧连接。进口氧化剂歧管180使氧化剂(以箭头A所示方向流动)流过限流器平板170的限流器平板狭槽172，流向由所述燃料电池包110形成氧化剂通道160。因此，氧化剂流入所述主外壳155，流过进口氧化剂歧管180和可移除的限流器平板170，进入氧化剂通道160。该出口氧化剂增压歧管190与各氧化剂通道160的另一侧(出口侧)相连。如果使用第二限流器平板170(未显示)来控制氧化剂流出通道160，则氧化剂连续流过该第二限流器平板170(位于氧化剂通道160的出口侧上)，并从位于该第二限流器平板170附近的出口增压歧管190流出。
进口燃料歧管200临近L形端板152的顶端部分，并通过燃料歧管进口管70A与包框架的进口121连接，从而连接到各燃料室130(位于燃料电池包110之内)。出口燃料歧管210的连接管(出口管)70B通过框架出口121’与各燃料室130的其它侧(燃料排出一侧)连接。
通过例如气体分配进口管70A将用于燃料电池装置组件100的燃料进料到框架120，该进口管经焊接或适当的密封材料(未显示)与包框架120密封。此实施例的包框架120包含进口和出口121、121’。更具体而言，燃料从(箭头所示方向)进口燃料歧管200流出，通过气体分配进口管70A，进入包框架120的框架进口121，然后通过框架120，通过内部燃料分配喷嘴122(示于图2B中)进入燃料室130(正极室，由两个电解质片形成)。所排出的燃料通过燃料室到达框架120的内部燃料分配喷嘴122，并到达框架出口121’，并通过连接管70B排到出口燃料歧管210。
将进口管70A的大小设定成能直接适合该开口孔121。类似地，将出口管70B的大小设定成能直接适合出口孔121’。在此实施例中，管70A、70B的热膨胀比框架材料的热膨胀高，在高温(燃料电池堆的操作温度)形成密封。这种密封也可使用另外一种密封材料而得到强化。
上述氧化剂流和燃料流一起传输，因为氧化剂流和燃料流通过/沿着包110沿着相同的方向流动。其它实施例可使用相对的氧化剂流和燃料流方向以及交叉的氧化剂流和燃料流方向。
或者，可通过使用任选的燃料进口包管70A’将进口燃料歧管200连接到各燃料室130的包框架进口121，管70A’与燃料歧管进口管70A接合(这显示在图1C中)。此实施例还使用从各包110延伸出来的与连接管70B接合的燃料出口包管70B’，以实现出口燃料歧管210和各包110之间的连接。在此实施例中，燃料通过进口燃料歧管200、歧管进口管70A和燃料进口包管70A’流进主外壳，并进入燃料室130’。然后燃料连续流过出口包管70B’、歧管出口管70B，进入排出(出口)燃料歧管210。
在图1C所示的实施例中，通过燃料增压管200和管70A向燃料电池包110提供燃料。可通过以下描述的几种不同方式将管70A通过燃料进口包管70A’连接到燃料电池包110，或者将管70B通过燃料出口包管70B’连接到燃料电池包模块110。有几种将管70A和70B连接到管70A’和70B’的不同方法，下文的一些实施例也描述了将它们密封的几种方法。
在一个实施例中，与管70A’和70B’相比，管70A和70B具有较大的外径，且它们的内径大小可以接收管70A’和70B’，这样在管70A、70B和管70A’、70B’之间有滑动配合。此外，机械夹子79保持管70A连接到管70A’，同时保持管70B连接到管70B’。这在图3A中阐述，图3A显示管70A’，它装配密接在管70A之内。或者，可使用玻璃密封、铜焊或其它适当的密封代替该机械夹子79来保持和密封这些连接管在一起。
在另一实施例中，管70A和70A’(和管70B和70B’)都由热膨胀基本上相同的材料制成，并具有相同的机械加工的内径。管70A和70A’都能接收机械加工的外径与管70A和70A’的内部非常配合的塞管73。塞管73由热膨胀较高的材料制成，这样当燃料电池叠层组件被加热时，塞管73的膨胀大小要大于管70A和70A’(或管70B和70B’)，从而形成气密性密封。这在图3B中阐述。
或者，可使用密封材料，这样当管70A、70B与70A’、70B’接合时形成压力密封。例如，可将管70A、70B加工成具有末端呈刀口边缘的机械加工的外径。这些管可分别与末端呈扁口状(flat edge)的机械加工的内径的70A’、70B’接合，这样在管70A和70A’以及管70B和70B’之间形成滑动配合(slipfit)。可将软的金属垫圈525插入到管70A、70B’之上(埋头孔法兰)。当刀口边缘被压到该软的金属垫圈525上时，形成了气密性密封(见图3C)。通过将盘594插入半抓斗状物(half clamshell)592的中空区域592’(未显示)，然后粘合该软的金属垫圈525的另一半(这样当管70A和盘594转动时，它们迫使该刀口边缘压入该垫圈525中)从而将该刀口边缘压到该软的金属垫圈525中。
还可使用Swagelok型接合装置将管70A和70B连接到进口管70A’和70B’。或者，管70A和70A’可具有相同的内径和外径，且可平接而相互密封。
在另一实施例中，管70A和70A’、70B和70B’具有相同的内径和相同的外径。使用内径大于管70A或70A’(70A或70A’)的外径的套管滑动配合这些管，这样管70A和70A’、70B和70B’相互接合。该套管的末端是密封的。这一方法可在热或冷连接接合中使用，取决于铜焊的温度。例如，铜焊温度可高达700℃。
电能通过导电的电源输出导线300从燃料电池包110中转移(见图2和4)。各包110具有多根电导线300。各导线300与燃料电池阵列125电连接，并通过例如绝缘垫圈(未显示)与燃料电池阵列框架构件即包框架120绝电隔离。外部电路连接器320与导线300之间的连接可通过例如具有凸连接(malejunction)和凹连接(female junction)(显示在图1C中)的快速断路器(disconnect)来实现，所述连接外部覆盖有高温(较佳＞100℃、更佳＞150℃)聚合物。这些聚合物可以是例如硅氧烷或聚醚酮。可使用其它类型的电连接。它们是例如：弹簧式夹具型夹子；弹簧式接触-衬垫连接；凸和凹的滑动互连件；栓形凸的和凹的连接。还可使用螺母和镙栓来将导电导线300的冷接点接合到来自电力负荷的电路连接器320。通过螺母和镙栓的接合可通过例如位于导电导线300的导线孔300’和电路连接器320的类似孔中的镙栓来实现(SOFC需要首先掉电，且在室温下)。然后，可使用镙栓来固定这种连接。或者，可使用高温铜焊、银焊接或银焊将线连接到导线；也可使用焊料(solders)和铜焊料(brazes)将电路连接器320连接到导电导线300，也可使用电池型夹子。还可使用其它导电性连接。
在示例性燃料电池叠层组件100中，燃料电池包110包括粘附于框架120的两个电解质片126。燃料电池阵列125是电解质支持的燃料电池阵列。在这些例子中，燃料电池阵列125由厚度低于45微米、优选低于25微米的电解质片126构成。电解质片在其一个侧面125A支持多个正极127和在其另一侧面125B支持多个负极128。正极127和负极128通过互连件129(未显示)相互连接，该互连件129位于电解质片126的通路孔中。优选的是，框架120的CTE接近电解质片126的CTE，使热应力最小。如果电解质片126由部分稳定的氧化锆(如3YSZ)制成，则优选的是框架120的CTE(CTE＝ΔL/LΔT)约为9-13ppm/℃，优选是10-12ppm/℃。
密封剂60将电解质片126粘合到框架120。优选的是，密封剂60是气密性密封剂，例如是一种玻璃料密封剂或金属铜焊料。也可使用其它气密性密封剂。
根据本发明的一个实施例，框架120是金属框架。根据本发明的另一实施例，该框架是陶瓷框架。根据本发明的一个实施例，主外壳由金属合金制成。
包110松散地固定在在所有包都共有的单一空气(氧化剂)室155中。空气室155向负极128提供空气或氧气，以使该燃料电池能够运作。燃料进口歧管和燃料出口歧管200、210和L型端板152为包110提供了物理支持。包110还可包含定位固定物220，用于接收位于包框架120上的如杆、镙栓和/或螺母，以在包之间提供所需的空间。在氧化剂室155内安排燃料包可使氧化剂分别流到氧化剂通道160中，这些通道由包110将其相互分开。邻近的包110的燃料电池阵列的负极侧125B相互面对，形成氧化剂通道160的侧壁。如上所述，燃料电池叠层组件100也包括可移除的限流器平板170，该限流器平板与主外壳150一起形成多个氧化剂通道160。在此实施例中，限流器平板170包括多个狭槽172，用这些狭槽来限制和平衡氧化剂通道160内的空气压力。
通过燃料包的间隔可部分测定空气流速和压力降，而且可通过修改端板152的设计而容易地调整所述流速和压力降。氧化剂室155利用进口增压歧管和出口增压歧管180、190(分别与各氧化剂通道160的内侧和外侧连接)来帮助限定燃料电池叠层组件100中最终的空气流速和空气压力降。将进口增压歧管180设计成使多个氧化剂通道160内的空气压力和空气流速相等。增压歧管装置可包括限流器平板。在本实施例中，进口增压歧管180邻接含有流动限流器172的限流器平板170，该流动限流器172是与各氧化剂通道160的进口关联的金属合金片中的狭槽或一系列孔，如图1A和1B所示。
图4A和4B是燃料电池叠层组件100的两张透视图，该组件包括进口增压歧管180和排出增压歧管190、两片L型端板152和包括三个燃料电池包110的主外壳150。图4A阐述了L型端板152，它包括L型终板152的12组定位狭槽220’，用于接收包框架120的互补(complimentary)定位固定物220。因此，该L型端板152能够支持共有氧化剂(空气)室155中的12个包。图4A显示了3个包110。包110由从定位狭槽220’突出的定位固定物220来表示。空气进料增压管(底部)180和出口增压管(顶部)190是可见的。燃料进口200被隐藏，空气进口增压歧管180被遮蔽在底部。图4B描述图4A所示燃料电池叠层组件100(里面具有3个包)的另一透视图。此图显示燃料进料200、燃料排出物210、空气排出增压管190和空气进口增压管180(被遮蔽)。
图5阐述了示例性的电源/电线输出装置，它含有包框架120、燃料电池阵列125、导电导线300、应力释放扣件(一个被遮蔽)330以及导电连接材料340。这此实施例中，导电连接材料起到两个作用：导线材料与连接正极或负极的垫片之间的导电和机械粘合。导电性导线300与具有导电材料340(如Ag-Pd金属陶瓷)的导电性结构(在负极上，或者在与正极或负极相连的空气通道一侧)连接。还使导电性导线300与使用应力释放扣件330和杆320的电绝缘体/间隔物310接触。应力释放扣件330与杆320连接，使用带螺纹的(如螺母&镙栓)装置或连接粘合物(如金属陶瓷或玻璃)为导电性导线300提供应力释放。
图6是图5所示电源/电线输出的横截面示意图，该输出包含包框架120、两个燃料电池阵列125、导电电线300、应力释放扣件330、陶瓷绝缘体310、连接材料350和导电连接材料340。导电性导线300与(i)具有导电材料340(如Ag-Pd金属陶瓷)的导电性结构(在负极上，或者在与正极或负极相连的空气通道一侧)和(ii)使用应力释放扣件330和杆320的电绝缘体/间隔物310连接。使用连接材料(如玻璃料)将陶瓷绝缘体310固定到框架。应力释放扣件330可连接到杆上，并使用带螺纹的(如螺母&镙栓)装置或连接粘合物(如金属陶瓷或玻璃)为导电性导线300提供应力释放。
参见图6，在一个例子中，导电性导线300连接到导电性结构，该结构延伸入燃料电池阵列125处于密封60之上的部分中。这给导电接合点和材料340提供了额外的机械完整性。或者，导电性导线300连接到远离燃料电池阵列125的密封区域60的导电性结构。或者，杆320可由导电性材料(如不锈钢或Ag)制得，从而使得导电性导线300共同导电。
本领域技术人员将显而易见地知道，在不偏离本发明的精神和范围的情况下可对本发明做出各种修改和变动。因此，本发明还包括这些修改和变动，只要它们在附带的权利要求及其等价形式的范围之内。

Claims (7)

1.一种燃料电池叠层组件，它包含：
(i)多个燃料电池包，各个包包含(a)框架和(b)两个平的电解质支持的燃料电池阵列，所述阵列的排列使得一个燃料电池阵列的正极一侧对着另一燃料电池阵列的正极一侧，且所述框架和所述阵列限定燃料室；
(ii)主外壳，它封装所述包，这样所述多个包形成多个氧化剂室；
(iii)可移除的限制器平板，它与所述主外壳一起形成所述多个氧化剂室；
(iv)进口氧化剂增压歧管，它与氧化剂室的一侧连接；
(v)出口氧化剂增压歧管，它与氧化剂室的另一侧连接；
(vi)进口燃料歧管，它与燃料室的一侧连接；和
(vii)出口燃料歧管，它与所述燃料室的另一侧连接。
2.如权利要求1所述的燃料电池叠层组件，其特征在于，所述燃料电池阵列是电解质支持的燃料电池阵列，其中电解质的厚度小于45微米。
3.如权利要求1所述的燃料电池叠层组件，其特征在于，所述框架是金属框架。
4.如权利要求1所述的燃料电池叠层组件，其特征在于，所述框架是陶瓷框架。
5.如权利要求1所述的燃料电池叠层组件，其特征在于，所述主外壳由金属合金制成。
6.如权利要求1所述的燃料电池叠层组件，其特征在于，所述包与所述进口氧化剂增压歧管和出口氧化剂增压歧管连接，这样该氧化剂直接从所述进口氧化剂增压歧管流过所述包，流向所述出口氧化剂增压歧管。
7.如权利要求1所述的燃料电池叠层组件，其特征在于，所述包含有与所述燃料电池阵列连接的电连接，且所述包与该燃料电池阵列框架构件电绝缘。
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