CN104272514B - 管式固体氧化物燃料电池组件和包含有该组件的燃料电池装置 - Google Patents

Abstract

一种管式固体氧化物燃料电池组件，包括至少两个管式固体氧化物燃料电池单元，至少一个共用集电体和用于保持燃料电池单元的部分和共用集电体处于紧密配合关系的保持器。

Description

管式固体氧化物燃料电池组件和包含有该组件的燃料电池 装置

技术领域

本发明涉及燃料电池，特别地，涉及管式固体氧化物燃料电池组件和包含有这种组件的燃料电池装置。

背景技术

燃料电池是一种通过电化学反应将燃料的势能转化为电的发电装置。一般来说，燃料电池单元包括一对通过电解质分开的电极(正极和负极)。该电解质仅允许某些类型的离子通过。离子穿过电解质的选择性通道在两个电极之间产生一个电势。这种电势可被用来做有用功。通过除去传统发电装置，例如内燃机驱动的发电机所需的机械步骤，这种直接转化过程增加了发电效率。此外，更高效率和电化学过程的结合提供了一种能源节约，资源节约和对环境无害的电力来源。

众所周知类型的固体氧化物燃料电池(SOFC)具有三个基本部件：产生电子的正极层，消耗电子的负极层，和传导离子但防止电子穿过的中间的电解质层。在运行中，燃料，例如氢、烃、醇、一氧化碳或任意前述的混合物与正极层内的氧负离子结合，以产生水和/或二氧化碳和电子。正极层内产生的电子流过外负载并返回至负极层，此处，氧气，典型地被提供作为气流，结合电子，以提供氧负离子，其选择性地穿过电解质层并进入正极层。

一般有三种结构类型的SOFCs：单片式SOFCs，其具有通过将薄片状的陶瓷材料一起熔合成单片的块而形成的蜂窝状结构。管式SOFCs，如它们的名字一样，具有管式，典型地为圆筒状的结构；以及，平板式SOFCs，具有平的，板状的形状。SOFCs在相当高的温度下运行，例如，大约为850-1000℃。由于这种高运行温度，平板式SOFCs具有爆裂和发生由热循环所导致的密封问题的倾向。虽然管式SOFCs在这些方面通常表现地更好，但是，它们可能会表现出与电流集取相关的运行上的困难，例如，发生在操作期间的，产生于电接触表面分离的欧姆损耗。单片式SOFCs，由于它们的制造涉及大量的小部件，层和互连，对它们的可靠度的造成高度关注。

在管式SOFC组件及包含有它们的燃料电池装置的具体情况中，产生于开关循环的热应力可以引起欧姆损耗，这是由于它们的集电体部件与电极离开或者分离的倾向，其中在操作条件下，它们是相联的。随后电接触面积的下降主要是由于管式SOFC组件的陶瓷电极部件的热膨胀相对于它们的金属或含金属的集电体部件的热膨胀上的差异。由电极和集电体的热膨胀的差异所产生的机械力，尽管个别是小的，可能会随着时间产生累积效应，并表现为集电体和陶瓷电极之间电接触面积的永久性显著的减少，且伴随有丧失能量的欧姆损耗。

因此，对管式SOFC组件存在这样一种需要，在运行过程中，其能阻止前述的该组件的集电体部件与它们相联的电极离开或分离的倾向。

发明内容

根据本发明，提供了一种管式固体氧化物燃料电池组件，包括：

a)共用至少一个外部集电体的至少两个轴向延伸的管式固体氧化物燃料电池单元，每个燃料电池单元包括：

i)第一和第二端部和在它们中间的中间部分，以及

ii)内电极层、外电极层和在它们中间的电解质层；

b)与至少两个燃料电池单元的电极层电接触的至少一个外部的共用集电体，该集电体的热膨胀系数高于燃料电池单元的热膨胀系数，该集电体和每个与其电接触的电极层具有基本共形的电接触面；以及，

c)至少一个保持器，其被配置用来保持至少两个燃料电池单元的至少一部分和共用集电体的至少一部分处于紧密配合关系，该保持器的热膨胀系数小于或等于燃料电池单元的热膨胀系数，当热膨胀时，集电体保持在保持器中的部分将在压缩状态下置于与其电接触的每个燃料电池单元的电极表面。

在包含有本发明管式SOFC组件的燃料电池装置的运行过程中，集电体部件的热膨胀系数与和集电体电接触的燃料电池单元的热膨胀系数相比更高，该集电体部件的热膨胀，将产生施加到燃料电池单元的电极层的电接触面上的压缩力。由于这种压缩力，即使经过多次运行开-关循环，集电体和它的相联的电极之间的电接触的最初面积将保持基本不变，从而消除或减轻包含有本发明管式SOFC组件的燃料电池装置的欧姆损耗。

附图说明

附图中类似的标号表示类似的元件；

图1A是本发明管式SOFC单元的一种实施例的立体图，显示了该单元的两个端部处所暴露的电极面；

图1B是图1A的管式SOFC单元的一个端部的放大视图；

图1C是本发明管式SOFC单元的另一种实施例的立体图，其中它的端部的横断面形状不同于它的中间部的横断面形状；

图1D是图1C的管式SOFC单元的一端的放大视图，显示了该端的交替的凸凹形状向该燃料电池单元的中间部的大致圆形的横断面形状的过渡；

图2A和图2B为两对相邻的图1A的管式SOFC单元的立体图；分别示出了与成对的燃料电池单元的端部电接触的环形形状的集电体、以及大致延伸在成对的燃料电池单元的整个长度上的有孔的管式形状的集电体；

图2C为图2A中所示的一对管式SOFC单元的相同端部的放大的端部视图，示出了通过它们的共用集电体，成对的燃料电池单元的内正极至外负极的电连接，从而使燃料电池单元串联电连接；

图2D为包含有一对示于图2A和2C中的串联电连接的管式SOFC单元的本发明的管式SOFC单元组件的放大的部分纵向截面视图，并且示出了每个成对的燃料电池单元的端部、它们的共用集电体以及它们的相联的保持器之间的紧密配合关系；

图2E为图2D的管式SOFC组件的斜视的、局部分解视图，它的两个保持器中的一个示于虚线框内，并与该组件分离，以便更好地显示它的燃料电池部和共用集电体-保持的内部结构细节。

图2F为图2E所示的分离的保持器的纵向截面视图；

图2G和图2H分别为图2A所示的一对管式SOFC单元的放大的端部视图，分别示出了，通过位于其一端的它们的共用集电体而实现的燃料电池单元的内正极至内正极电连接，通过位于其另一端的它们的共用集电体而实现的燃料电池单元的外负极至外负极电连接，从而使燃料电池单元并联电连接；

图2I为包含如图2A所示的一对并联电连接的管式SOFC单元的管式SOFC单元组件的放大的局部纵向截面视图，并且示出了该燃料电池单元的端部，它们的共用集电体以及它们的相联的保持器之间的紧密配合关系；

图3A为本发明管式SOFC组件的另一个实施例的立体局部分解图，它的两个保持器中的一个示于虚线框内，并与该组件分离，以更好地显示它的燃料电池端和共用集电体-保持的内部构造的细节；

图3B为图3A所示的分离的保持器的纵向截面视图；

图3C为图3A的管式SOFC组件的放大的局部纵向截面视图，示出了它的燃料电池单元在交替的单端串联中的电连接；

图4A、4B和4C为本发明管式SOFC组件的其他实施例的立体图，示出了它们的保持器部件的设置方式；

图5A为本发明燃料电池单元的另一种设置方式的立体图；

图5B为图5A所示的燃料电池单元设置的共用集电体的一部分立体图，集电体具有弯曲的平行四边形结构，其放大的截面视图如图7G所示；

图5C为图5A所示的燃料电池单元的设置的放大局部纵向截面视图；

图6A为本发明管式SOFC组件的另一个实施例的分解立体图，该组件具有沿着燃料电池单元的轴向排列设置的负极空气输送管；

图6B和6C分别为图6A的管式SOFC组件的放大的俯视图和放大的局部纵向截面视图，显示了负极空气输送管部分保持在每个集电体的环形空间内；

图7A-7I为本发明燃料电池单元和它们的共用集电体的一些排列方式的横断面视图；

图8A和8B分别为包含有本发明管式SOFC组件的燃料电池装置的立体图和俯视图，部分纵向剖视、部分横向剖视，其中，空气流以最初大致地横穿燃料电池单元纵轴的路径直接通过该组件；

图9为包括有含有负极空气管的本发明管式SOFC组件的本发明燃料电池装置俯视图，部分纵向剖视、部分横向剖视，其中，空气流以最初与燃料电池单元的纵轴大致平行的路径穿过该组件；

图10A和图10B(现有技术)分别为在它的最初的(即新的)条件和环境温度(20℃)下，以及在它的600-850℃的常规运行温度下的已知类型的管式SOFC组件的横断面视图；

图10C(现有技术)为图10B的管式SOFC组件的燃料电池单元的放大的视图，显示了电接触面的部分分离源于金属集电体和它的相联的陶瓷燃料电池单元在热膨胀系数上的失配。

图11A(现有技术)为在它的最初条件和环境温度下的另一种已知类型的管式SOFC组件的一部分的横断面视图，以及；

图11B(现有技术)为在它的600-850℃的常规运行温度下，图11A的管式SOFC组件的一个燃料电池单元的放大视图，显示了电接触面的部分分离源于金属集电体和它的相联的陶瓷燃料电池单元在热膨胀系数上的失配。

具体实施方式

可以理解的是，本发明在此并不限于所描述的具体步骤、材料和改进，以及它们变化而得到的方案。还可以理解的是，所用术语的目的仅仅是为了描述具体的实施方案，其并不用来限定本发明的范围，本发明的范围仅通过所附的权利要求书进行限定。

在本发明说明书和权利要求书中，以下术语和表述可以理解为如下所示。

单数形式“一(a)”、“一(an)”、和“所述(the)”包括其复数形式。

本文所述的所有方法可通过任何合适的顺序进行，除非本文另有说明或者与上下文有明显矛盾。本文提供的任何以及所有的实施例或者示例性语言例如“例如”的使用，除非另有说明，其目的是仅仅是为了更好地说明本发明，并不构成对本发明的范围的限制。说明书中没有语言应当被认为表示任何未声明的元件对本发明的实施是必要的。

本文所用的“包含(comprising)”、“包括(including)”、“含有(containing)”、“特征在于(characterized by)”及其语法上的同义词是包含性的或开放式的术语，其不排除附加的、未提及的元件或方法步骤，而且也可以理解为包括更加限制性的术语“由……构成(consisting of)”和“基本由……构成(consisting essentially of)”。

表达“共用集电体”在本文中应当被理解为是指这样一种集电体，它的电接触面与至少两个燃料电池单元的电极层的电接触面电接触。

除了在实施例中或者另有说明，说明书和权利要求书中所述的所有表示材料数量、反应条件、持续时间、材料的量化特性等的数字应当理解为在所有情况下都修饰有术语“约”。

术语“陶瓷”除了其本领域公认的含义，在本文中应当理解为包括玻璃，玻璃-陶瓷和金属陶瓷。

应当理解的是，在本文中提及的任何数值范围包括该范围内的所有子范围以及这些范围或子范围的各种端点的任意组合。

还可以进一步理解的是，在说明书中明确或者隐含公开的任何化合物、材料或物质，或者在权利要求中提及的属于一组结构、组成和/或功能上相关的化合物、材料或物质，包括该组中的单个代表以及它们的所有组合。

所有在先的专利、待批准申请和其他在先的出版物均全文引入本发明以作参考。

现在参照附图，其中类似的标号表示类似的零件，图1A和1B的管式燃料电池单元100是可以用于本发明的管式SOFC组件的结构中的管式燃料电池的众多实施方案中的一种。燃料电池单元100包括大致相同的第一和第二端部101和102，中间部103以及延伸在该单元的整个长度上的交替的凸面104和凹面105。将燃料电池单元100的端部101和102的部分剥去，以更好地显示它的内正极层106、外负极层107和中间电解质层108的设置。孔109使得燃料流通过燃料电池单元100的长度方向并与内正极层106接触。虽然燃料电池单元100的横断面通常是对称的，但可以理解的是并不需要是这种情况，因为如图7I的实施方案所示，一种凸曲面可以比另一个凸曲面更长。

如图1B所示，燃料电池单元100呈现出内正极层106的暴露的电接触面109，以使该面与相关的集电体的共形的电接触面进行电接触，如图2C和2D所示。正极层106的暴露的电接触面110可以延伸为燃料电池单元100的凹曲面105的长度的仅仅一部分，例如，在它的第一端部101，它的第二端部102和/或在它的中间部分103，或者该接触面可以延伸到凹面105的整个长度，即，从第一端部101的起始端至第二端部102的末端。

如图1C的管式燃料电池的实施例所示，燃料电池单元120包括相同的第一和第二端部121和122，呈现出与图1A的燃料电池单元100的第一和第二端部101和102的横断面结构非常相同的横断面结构，以及在其中间部分123呈现大致圆形的横断面124。因此，不同于燃料电池单元100，该单元100的横断面几何形状在其整个长度上是基本均匀的，燃料电池单元120的横断面几何形状为不均匀的，即，其第一端部121和相同的第二端部122(未示出)的横断面，转变为在其中间部分123的长度上大致圆形的横断面124。

燃料电池单元100和120以及它们的多种变体可以通过已知和常规的正极层形成成分、电解质层形成成分和负极层形成成分来制造。例如，如美国专利6,228,521,6,436,565和7,498,095中所披露的。如果需要，可以提供一种或多种附加层，例如，一个可选的导电层，如本文图5C中所示的管式SOFC组件的实施例，和/或如美国专利5,993,989中所述的用于降低极化损耗的置于正极层和电极层之间的可选的中间层。燃料电池单元也可以为内部改良型的，例如，如在美国专利申请公开2009/0023050中所述。

可以使用一种或多种已知和常规的管式陶瓷结构的形成方法，例如挤出、注射成型、凝胶铸造、熔模铸造、浸渍涂布等，来制造管式燃料电池单元100和120。在图1A的燃料电池单元100以及其他具有连续均匀的横断面的燃料电池单元的情况下，用来制备管式陶瓷结构的新型方法，如均于2011年9月1日提交的共同转让未决的美国专利系列申请13/223,349和13 223,359所述，是特别有利的。在对于制备图1D的燃料电池单元120和其他具有非均匀的横断面的燃料电池单元有用的工艺中，有美国专利5,824,250中的凝胶铸造成型工艺，它使用易变成型(fugitive mold)，以及美国专利6,547,210中的陶瓷注射成型工艺，它使用牺牲性的插入(sacrificial insert)。

燃料电池单元100和120为内正极(燃料电极)-负载和外负极(空气电极)类型。但是，包括内负极层和外正极层的管式燃料电池单元和负极-负载和电解质-负载的管式燃料电池单元结构也可以考虑用于本发明的管式SOFC组件的结构。

如图2A所示，图1A中相邻的燃料电池单元100的一对200包括设置在成对的每个燃料电池单元的端部101和102处的共用的环式形状的集电体201。每个集电体的凸电接触面202与每个燃料电池单元的端部101和102处的电极的暴露的共形凹电接触面203电接触。

图2B中所示的相邻的燃料电池单元100的一对210与图2A中的燃料电池对200相似，不同之处在于，燃料电池对210具有延伸在该燃料电池对的整个长度上的单个共用集电体211，取代了燃料电池对200的设置在燃料电池单元的端部101和102处的环形形状的共用集电体201。集电体211优选具有开孔例如具有纵缝212，以使两个燃料电池单元的外负极层107能与空气进行更好的接触。

下文中将进行更充分地描述，各种电连接方式可以用于本文管式SOFC组件的燃料电池单元部件。

如图2C和2D所示，图2A的管式燃料电池对200为串联电连接，共用环式集电体201的一个凸电接触面202与内正极层106的暴露的共形凹电接触面203进行接触，集电体201的另一个凸电接触面202与外负极层107的暴露的共形凹电接触面203进行接触。

此外，图2D还示出了包含在管式SOFC组件220中的图2A的串联连接的燃料电池对200。分别设置在成对的每个燃料电池单元100的端部201和202处的保持器221和222被配置用来保持这些端部和与其具有紧密配合例如摩擦配合关系的它们的共用环形形状的集电体201。在图2E和图2F中，对图2D的管式SOFC组件220的保持器221的内部结构进行了更详细地显示。保持器221包括用于保持每个燃料电池单元100的第一端部101的通道223和用于保持前述的与其处于紧密配合关系的它们的共用集电体201的相邻的凹槽224。位于非共用的集电体附近并与其电连接的槽225被提供用于使电导引线(未示出)连接到外部负载。

管式SOFC组件的保持器部件具有几个基本功能。通过保持燃料电池单元的一个或多个部分和与其电连接的它们的共用集电体的至少一部分处于紧密配合关系，该保持器部件使该燃料电池单元和它们的共用集电体固定在组件内，并固定它们相对于彼此的空间位置。此外，因为该集电体部件的热膨胀系数(CTE)高于它们的相联的即相邻的燃料电池单元的CTE，该保持器部件的CTE小于或等于燃料电池单元的CTE，所以在本文中包含有管式SOFC组件的燃料电池装置的运行期间，集电体的热膨胀受保持器部件的约束，将产生施加到燃料电池单元的相联的电极部件的电接触面上的压缩力，从而阻止集电体从电极的电接触面分离或拉离的任何倾向。即使经过无数次的燃料电池运行的开关循环，正是这种压缩力来使集电体与它们的相联的电极元件保持充分完全的电接触。

一般来说，集电体的CTE在800℃时可以在1.6-2％的范围内，保持器的CTE在800℃时为0.6-0.72％，以及燃料电池单元的CTE在800℃时为1-1.22％。

本发明的管式SOFC的保持器部件可以由任何基本非导电的材料例如多种已知和常规的电中性的陶瓷例如氧化铝、氧化锆增韧氧化铝、氧化锆、氧化钇四方晶氧化锆多晶体等中的任意一种来制备；当然，前提是保持器部件的CTE不能超过相联的集电体部件的CTE。保持器部件可以通过几种已知和常规的方法例如制模、联合制模和原始强度的材料的机加工后再进行烧结，具有冲切或激光切割的切口的原始陶瓷坯片的部分的层压后再进行烧结等中的任意一种来形成。

图2G，2H和2I示出了本发明的管式SOFC组件的另一种实施例，其中燃料电池单元并联电连接。图2G中，燃料电池对230通过图2I所示的共用集电体201在第一端231处电连接正极至正极；以及图2H中，燃料电池对230也通过图2I所示的共用集电体201在第二端232处电连接负极至负极。

进一步地如图2I所示，分别设置在管式SOFC组件240的端部243和244处的保持器241和242被配置用来保持这些端部和它们的共用集电体处于紧密配合关系，而且，在图2D的管式SOFC组件230的情况下，将防止或阻碍电接触面远离彼此的任何显著的相对运动，否则将会导致电力-减少的欧姆损耗。

图3A和3C所示的管式SOFC组件300示出了燃料电池单元100和交替的单端串联的共用集电体201的电连接。如图3B所示，保持器301(和它的镜像配对保持器302)包括通道303，用于保持每个燃料电池单元100的第一端部101，和相邻的凹槽304，用于保持共用集电体201彼此处于紧密配合关系。邻近非共用集电体307的槽305设置在保持器302的凹部306中，与引线308(图3C)电连接，后者与外负载电连接(未示出)。

图4A，4B和4C示出了本文的管式SOFC组件的实施例，这些组件的特点在于一个单一的保持器设置在每个燃料电池单元(图4A的组件400)的一端，一个单一的保持器设置在每个燃料电池单元(图4B的组件410)的中间部位，以及三个保持器，其中两个在每个燃料电池单元(图4C的组件420)的每个端部以及一个在中间部位。

图5A和5C显示了本发明管式SOFC组件500的结构，其中，一个燃料电池单元100的凸面104朝向邻近的燃料电池单元100的凹面105，共用集电体501设置在它们之间。如附图5B所示，将集电体501限定为弯曲的平行四边形横断面。图5C进一步显示了置于外负极层107和集电体201之间的可选的导电层502。

图6A、6B和6C示出了本发明管式SOFC组件600的另一个实施例，其中，负极空气输送管601置于集电体201的环形空间内。虽然为了集电体201和保持器221在管式SOFC组件600中的正常工作，负极空气输送管601不必要延伸超过集电体201和保持器221，但是，通常优选使负极空气输送管601超过相邻的燃料电池100的至少一半长度，更优选地，其超过该长度的三分之二左右，此时，相对较冷的空气会从其排出。在管式SOFC组件600的一个变体中，不同于如图6A-6C所示的负极空气管601设置在组件的这一端，该空气管设置在该组件的另一端。

负极空气管601引入空气，在环境温度下，空气首先从外部引入管式SOFC组件600，进入并通过该组件，从而为该组件的运行提供氧气。该空气还可以作为冷却介质，以保持该组件的运行温度在所需的范围内。因此，空气经过负极空气管601可以为包含有管式SOFC组件600的燃料电池装置，例如，图9的燃料电池装置900的排气侧提供温度控制。这种周围的空气流还有利于冷却集电体201，从而防止或降低其损坏的风险。而且，空气流经过负极空气管601的另一个优点是它允许燃料电池单元100在管式SOFC组件600中达到比实际可能或期望的更致密的填充。提高燃料电池单元的填充密度能降低组件的体积，产生更短的热响应时间并提高包含有该组件的燃料电池装置的热效率。

图7A-7I表示本发明各种燃料电池单元-共用集电体结构的横断面。

本发明管式SOFC组件中燃料电池单元的数量可以从最少两个变化到任何所需的数量，由于考虑到成本、制造的适应性和/或其他实际问题，可通过任何希望的方式或图案进行排列，例如，成对的，成三个的，成四个的等等，一列，多列等等。类似地，燃料电池单元、集电体和保持器的形状以及它们的大小可以变化很大，当然前提是充分地满足功能需求。

在图8A和8B中显示了包含有本发明管式SOFC组件890的燃料电池装置800，但是并没有全封闭，以便更好地显示其内部组织。燃料电池装置800包括第一风机系统810；第一风机系统810提供的正极空气流与通过燃料口895而引入的气体燃料例如气态烃、汽化的液态烃或醇混合，然后所产生的燃料-空气混合物将被引入到燃料-空气歧管820，并从此处进入并通过管式SOFC组件890的每个燃料电池单元100的孔109，此处，其与内正极层106接触。第二风机系统830提供负极空气流，进入负极空气歧管840，在此处，其通过出口850排出，来为该组件的每个管式SOFC单元100的外负极层107提供氧气源。进入负极空气歧管840的空气从热的燃烧气体中获得热量，该热的燃烧气体从尾部燃烧器860排出并进入热交换器870。虚线示出了从负极空气歧管840的出口850排出的加热后的空气的流动路径，其方向为大致横穿管式SOFC组件890的燃料电池单元的纵向轴线，通过该组件，并进入尾部燃烧器860，此处，它给存在于源于燃料电池单元并进入排气歧管880的排气中的未耗尽的燃料提供氧气，以支持燃烧，并从此处进入尾部燃烧器。最后，该热的燃烧气体进入热交换器870，此处，它们用于预热由如前所述的第二风机系统830提供的所进入的负极空气。风机系统810和830，其结构类似，在2011年6月24日提交的，申请号为13/168280，共同转让未决的美国专利中对它们的工作模式进行了详细地描述。示于虚线框内的管式SOFC组件890的保持器部件891和892被分别设置在排气歧管880和燃料-空气歧管820的内部，此处它们的功能如前所述。

图9中，燃料电池装置900包含具有负极空气管的管式SOFC组件950，在此示于虚线框内，与示于图6A-6C中的燃料电池装置非常相似，用来提供其初始路径与燃料电池单元100的纵向轴线大致平行的负极空气流。燃料电池装置900进一步包括第一风机系统910，其提供正极空气流，随后混合燃料，例如包含有被引入燃料口895气态烃、汽化的液态烃或醇的燃料，所产生的燃料-空气混合物然后进入到燃料-空气歧管920，此后进入并通过管式SOFC组件990的每个燃料电池单元100的孔109，此处，其与内正极层106接触。第二风机系统930使负极空气流进入负极空气歧管940，并从此处进入管式SOFC组件950的示于虚线框内的每个负极空气管951内。当负极空气流过如箭头所示的组件的长度方向时，它将吸收发生在燃料电池单元100内部的燃料-空气反应所产生的热量。然后该加热的空气在它的最远行程处进入排气歧管980，此处，所剩余的氧含量支持来自燃料电池单元100的未消耗的燃料的燃烧。最后，该热的燃烧气体将通过排气导管990从燃料电池装置900中排出。示于虚线框内的管式SOFC组件950的保持器部件991和992被设置在该组件的相对的两端，其中它们的功能如前所述。

与本发明管式SOFC组件相反，已知的管式SOFC组件缺乏这样一种部件，该部件通过与本文保持器相同或类似的方式起作用。为了举例说明这种差异和燃料电池装置的运行效果，图10A，10B和10C举例说明了美国专利申请公开2008/0063916所描述的一些代表性的管式SOFC组件，图11A和11B举例说明了美国专利6,379,831所描述的一些代表性的管式SOFC组件。

图10A和图10B中，以横断面示出的管式SOFC组件10包括被组件中的每个陶瓷燃料电池单元12所共用的一个单个的金属集电体11。在初始，即新的条件及环境温度下，在此认为是20℃，集电体11的电接触面和每个燃料电池单元12的共形电接触面之间具有完全连续的接触。然而，如图10B和图10C所示，在600-850℃的管式SOFC组件10的常规运行温度下，由于集电体11和燃料电池单元12在热膨胀系数上的差异或失配，将使得这些部件的电接触面彼此之间部分地分离，这种分离更详细地如图10C中放大部分13的缝隙14所示。

图10C中，箭头表示集电体11和燃料电池单元12的热膨胀的大致方向。虽然集电体11对燃料电池单元12的一侧15施加压缩力，但是由于相对于燃料电池单电池单元12低很多的膨胀，该集电体的膨胀是不受约束，它将倾向于在燃料电池单元12相反的一侧16与燃料电池单元12分开，从而产生缝隙14。这种集电体11和燃料电池单元12的电接触面之间的部分分离或缝隙14将导致欧姆损耗，并伴随有能量损失；随着包含有管式SOFC组件10的燃料电池装置的工作运行以及开关循环的次数的增加，情况会更严峻。由于集电体部件11缺乏任何有效的弹性，当开关循环的次数增加时，集电体11将越来越少地返回到其原来的几何形状，导致电接触面上更大的缝隙以及相应的更大的欧姆/功率损耗。尽管这样的结果可以通过提供具有初始功率输出额定值高于其标准额定值的更大的燃料电池单元来进行抵消或补偿，但是，对于偶尔发生的集电体和燃料电池单元部件的热失配所引起的问题而言，该技术方案在经济上是不可取的。

以图11A所示的横断面和图11B所示的放大部分23示出的管式SOFC组件为固体氧化物燃料组件的另一种已知的类型，其中，在运行温度下(如由图11B中箭头所示)，相对于它的相联的陶瓷燃料电池组件22的热膨胀，它的金属网集电体部件21的不受约束的热膨胀将导致在它们的电接触面上形成缝隙24，以及随之而来的欧姆和功率损耗。

根据本发明，至少一种保持器部件被配置用来保持集电体和它们的相联的燃料电池单元彼此具有紧密配合关系，约束集电体的膨胀，以及通过使施加在相联的燃料电池的电接触面的膨胀力改变方向，使压缩力施加到整个电接触面上，从而防止在那些上面讨论过的已知的管式SOFC组件上形成缝隙。

尽管基于说明的目的，本发明作了详细的描述，可以理解的是，该详述仅用于该目的，本领域技术人员可以在不脱离本发明权利要求书所限定的精神和范围内进行变动。

Claims (15)

1.一种管式固体氧化物燃料电池组件，包括：

a)共用至少一个外部集电体的至少两个轴向延伸的管式固体氧化物燃料电池单元，每个燃料电池单元包括：

第一和第二端部和在它们中间的中间部，以及

内电极层、外电极层和在它们中间的电解质层；

b)与所述至少两个燃料电池单元的外电极层电接触的至少一个外部的共用集电体，该共用集电体的热膨胀系数高于燃料电池单元的热膨胀系数，该共用集电体和每个与其电接触的外电极层具有基本共形的电接触面；以及，

c)至少一个保持器，其被配置用来保持所述至少两个燃料电池单元的至少一部分和所述共用集电体的至少一部分处于紧密配合关系，该保持器的热膨胀系数小于或等于共用集电体的热膨胀系数，当热膨胀时，共用集电体保持在保持器中的部分在压缩状态下置于每个燃料电池单元的外电极层。

2.根据权利要求1的管式固体氧化物燃料电池组件，其中，所述内电极层为正极，所述外电极层为负极。

3.根据权利要求1的管式固体氧化物燃料电池组件，进一步包括与所述外电极层电接触的导电层，其中所述导电层与所述共用集电体电接触。

4.根据权利要求1的管式固体氧化物燃料电池组件，其中，所述共用集电体仅被相邻的燃料电池单元，相邻的和非相邻的燃料电池单元，或者所有的燃料电池单元所共用。

5.根据权利要求1的管式固体氧化物燃料电池组件，其中，所述共用集电体具有至少两个电接触面，与其电接触的每个燃料电池单元的外电极层的相对应的共形面为直的或曲的。

6.根据权利要求5的管式固体氧化物燃料电池组件，其中，所述共用集电体具有至少两个凸的电接触面，与其电接触的每个燃料电池单元的外电极层的相对应的共形面为凹的；或者所述共用集电体具有至少两个凹的电接触面，与其电接触的每个管式燃料电池单元的外电极层的相对应的共形面为凸的；或者所述共用集电体具有至少两个电接触面，一个面为凸的，并与一个燃料电池单元的外电极层的凹的电接触面电接触，以及另一个面为凹的，并与相邻的燃料电池单元的外电极层的凸的电接触面电接触。

7.根据权利要求1的管式固体氧化物燃料电池组件，包括两个外部的共用集电体，一个共用集电体的电接触面与位于每个燃料电池单元的第一端部的所述外电极层的电极表面电接触，以及另一个共用集电体的电接触面与位于每个燃料电池单元的第二端部的另一个外电极层的电极表面电接触，有两个保持器，一个保持器用于保持每个燃料电池单元的第一端部和它们的共用集电体，另一个保持器用于保持每个燃料电池单元的第二端部和它们的共用集电体。

8.根据权利要求1的管式固体氧化物燃料电池组件，其中，所述保持器包括用于保持每个燃料电池单元的一部分的通道，和用于保持每个共用集电体的至少一部分的相邻的凹槽或通道。

9.根据权利要求7的管式固体氧化物燃料电池组件，其中，每个保持器包括用于保持每个管式固体氧化物燃料电池的一部分的通道，和用于保持每个共用集电体的至少一部分的相邻的凹槽或通道。

10.根据权利要求4的管式固体氧化物燃料电池组件，其中，将位于端部的与相邻的燃料电池单元的外电极层电接触的所述共用集电体的横断面限定为圆、椭圆、凹和凸的曲线的交替序列或者弯曲的平行四边形。

11.根据权利要求4的管式固体氧化物燃料电池组件，其中，将不同于与共用集电体电接触的面的燃料电池单元的横断面，限定为圆、椭圆或交替的一系列的凹的或凸的曲线。

12.根据权利要求11的管式固体氧化物燃料电池组件，其中，将相邻的燃料电池单元的横断面限定为两个凸曲线与两个凹曲线交替的序列，一个燃料电池单元的横断面的凸曲线朝向相邻的燃料电池单元的横断面的大致共形的凹曲线，所述共用集电体具有被限定为弯曲的平行四边形的横断面。

13.根据权利要求1的管式固体氧化物燃料电池组件，其中，不同表面的接缝处为圆的，以分散或者降低此处的热致机械应力。

14.根据权利要求1的管式固体氧化物燃料电池组件，其中，所述共用集电体为有孔的管，用于使气体经此循环通过并与所述外电极层接触。

15.根据权利要求1的管式固体氧化物燃料电池组件，其中，所述共用集电体具有通道，以及设置在所述通道内的负极空气管。