CN112262489A - 具有减少泄漏的单元电池的固体氧化物燃料电池堆 - Google Patents

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Abstract

本发明提供固体氧化物燃料电池堆和密封平面固体氧化物燃料电池的方法。所述堆叠内的单元电池各自包含具有外围的金属框架，所述外围可为膜电极组合件提供支撑表面，以及与结合的隔板形成不透流体的密封件。所述隔板包含外围唇缘，所述外围唇缘限定电池容纳腔，使得在所述隔板内形成体积区域以容纳所述膜电极组合件的至少一部分，从而为引入到所述膜电极组合件的对应阳极层或阴极层的反应物中的至少一个产生不透流体的路径。

Description

具有减少泄漏的单元电池的固体氧化物燃料电池堆
相关申请的交叉引用
本申请要求2018年6月5日提交的第16/000,171号美国申请案的优先权，所述申请的全部公开内容以引用的方式并入本文中。
背景技术
本公开大体上涉及一种固体氧化物燃料电池(SOFC)，并且更具体地说，涉及SOFC燃料电池堆，其中每个单独的单元包含金属框架，所述金属框架允许对应的膜电极组合件(MEA)密封地结合到相邻的流隔板作为减少反应物泄漏的一种方式。
发明内容
平面SOFC堆由多个相互叠置的单元电池构成，其中每个单元电池都包含包夹在一起作为MEA的阳极、阴极和固体氧化物电解质。单独的单元电池通过隔板物理上彼此分离，所述隔板除提供两个单独的单元电池之间的电连接以外包含用于接收呈空气或燃料形式的反应物的通道。关于反应物的流动，在将每种反应物引入MEA的阳极或阴极中的相应一个之前，不应将燃料和空气相互混合，因为这可能会对燃料电池的性能产生不利影响。为了防止这种混合和相关的泄漏，将其上安装有MEA的金属框架结合到相邻隔板，以避免使用在经受轻微振动或冲击时容易破裂的玻璃密封剂或其它材料以及不能承受典型SOFC工作温度的低温密封剂材料(例如基于聚合物的密封剂)。
根据本公开的一个实施例，一种SOFC堆包含沿着堆叠尺寸或轴线对齐的多个单元电池。每个单元电池都包含：金属框架，其由上面固定有MEA的安装表面构成，以形成金属支撑电池(MSC)；以及多个流体分离的反应物通道，其分别允许燃料通过MEA阳极层输送和空气通过MEA阴极层输送。每个单元电池另外包含具有外围唇缘的隔板，所述外围唇缘界定腔，使得至少MEA的阳极层被容纳在由腔和外围唇缘限定的体积区域内。金属框架的安装表面的至少一部分结合到外围唇缘，使得在其之间形成不透流体的密封件。可以使例如堆叠上部和下部安置板的额外组件彼此配合，以沿着堆叠尺寸在各个单元电池上施加固定压力，从而形成SOFC堆。
根据本公开的另一个实施例，一种密封平面SOFC的方法包含：将金属框架布置成具有安装表面；放置MEA以使其基本上装配在由安装表面限定的孔内；以及连接隔板，使得金属框架的安装表面结合到隔板的外围唇缘，以便在它们之间形成不透流体的密封件。隔板包含外围唇缘，所述外围唇缘限定腔以使得至少MEA的阳极层被容纳在由腔和外围唇缘限定的体积区域内。
本文所描述的实施例的附加特征和优点将在下文的具体实施方式中进行阐述，并且将部分地由所属领域技术人员从所述描述而容易地清楚或通过实践本文所描述的实施例(包含下文的具体实施方式、权利要求书以及附图)而认识到。
附图说明
当结合以下附图阅读时，可最好地理解以下对本公开的具体实施例的详细描述，其中相似的结构用相似的附图标记指示，并且其中：
图1是根据本公开的一个或多个实施例的双电池SOFC的分解图；
图2A是如在图1的SOFC堆中使用的垫圈的上部透视图；
图2B是如在图1的SOFC堆中使用的上端隔板的上部透视图；
图2C是如在图1的SOFC堆中使用的中间隔板的上部透视图；
图2D是如在图1的SOFC堆中使用的下端隔板的上部透视图；
图3是如在图1的SOFC堆中使用的MSC的上部透视图；
图4A是由图3的MSC在结合到如在图1的SOFC堆中使用的端隔板时制成的组合件的上部透视图；
图4B是图4A的MSC和隔板组合件的侧视剖视图，其中MSC和隔板以分解图示出；
图4C是MSC和隔板组合件沿图4A的站线C-C的侧视剖视图；且
图5是图1的SOFC堆的最上部的透视图，其根据本公开的一个或多个实施例描绘一种反应物通过上端板的分布流。
具体实施方式
本公开的实施例涉及一种改进的SOFC，其中结合连接允许在金属框架支撑的MEA与相邻隔板之间形成不透流体的密封件，以便基本上防止空气——例如来自周围环境或来自MEA的阴极流动路径的空气——与MEA的阳极层周围的区域中的燃料混合。以此方式，可以使空气泄漏最小化，这进而促进了MEA的阳极层的还原-氧化稳定性，这进而降低了阳极层损坏的可能性。具体地说，结合连接使用金属结构，所述金属结构通过相似的热膨胀系数(CTE)或热化学相容性中的一个或两个实现通常不受物理和热冲击影响的不透流体的密封件，以便提高长期堆叠的耐久性。此外，这种结合还可以简化与形成SOFC堆相关联的制造工艺。
首先参考图1，以理论上的双电池板型构造示出SOFC堆10的分解图。因此，两个单元电池20包含基本平面的(即，平坦的)轮廓，其沿笛卡尔空间中的Y轴(即，垂直)的堆叠尺寸彼此堆叠。在本上下文内，对特定堆叠、位置或尺寸方向的引用将被理解为在图1中所描绘的笛卡尔坐标的上下文内，且因相对于此空间参考系统的轻微未对准而导致的与其的少量偏差是可容许的而不会造成任何普遍性损失。此外，如本公开内所使用，对如具有上或下方向属性的特定组件或特征的需要将被理解为基于图1的笛卡尔坐标的描绘，使得呈现所谓的“上部”属性的组件将被理解为与呈现所谓的“下部”属性的组件相比沿着所示的正Y轴更远离笛卡尔轴原点。举例来说，尽管理论上将SOFC堆10示出为沿着竖直Y轴建立；但应了解，SOFC堆10可以任何合适的取向定向，且与此取向相关联的笛卡尔或其它方向属性的任何论述将类似地归因于SOFC堆10的对应表面、组件或其它部分。此外，尽管堆叠10示出为含有两个单元电池20(如下文更详细地论述)，但应了解，可以提供更多数目的单元电池，且所有这种变体都被视为在本公开的范围内。
第一及第二单元电池20中的每一个沿着Y轴的堆叠尺寸彼此间隔开。额外的穿插组件包含中间隔板30、端隔板40、堆叠上部和下部安置板50、金属框架60、MEA 70、沟道板80、垫圈90、垫圈环100、MSC 110(其为通过将金属框架60接合到对应MEA 70和反应物通道120形成的组合件)，其都如将在本公开的其它地方更详细地论述。
应了解，使用燃料作为一种反应物且使用空气作为另一种反应物的电化学相互作用在MEA 70中发生，且这些相互作用继而提供呈电流形式的功率以供负载使用，所述负载例如电动机、辅助电力单元(APU)等。同样地应理解，为简单起见，MEA 70在图1中示出为具有单层结构，但实际上由具有大体平面的主表面和沿边次表面的三层结构(例如图4B和图4C中所示)构成，其中电解质层74包夹在呈阳极层72和阴极层76的形式的电极之间，使得在阴极层76处产生的O2-离子流经电解质层74并与阳极层72处的燃料(例如H2或CO)空气反应，而由在阴极层76处从空气内的氧气的还原产生并且在阳极层72处的燃料氧化期间消耗的自由电子流产生的电流可用于为一个或多个外部装置负载供电。在本上下文内，术语“主要”和“次要”——在用于描述表面时——是指表面积的量，而不是此表面对SOFC堆10(总体或尤其其组件之一)的结构或操作的相对重要性。因此，突出较大表面积的那些表面(例如MEA 70的与隔板30、40中任一个形成面对地相邻关系的阳极层72或阴极层76的平面表面)被视为主表面，例如其它组件或特征可安装、附着或以其它方式固定到其的表面，而突出较小面积的那些表面(例如对应于在MEA 70或金属框架60上形成的边缘的表面)被视为次要表面。因此，例如“大体上平面”、“边缘”等术语在本上下文内将被理解为分别可与描述此主要表面和次要表面的术语互换。
构成SOFC堆10的其余组件用于为MEA 70提供机械、电气或流体输送支持。举例来说，每个MEA 70的直接结构耦合通过金属框架60发生，使得当其彼此接合时，形成呈组装的MSC 110的形式的基本上一体的结构耦合。同样，反应物进出MEA 70中的每一个的输送可以通过对准的反应物通道120发生。在一种形式中，反应物通道120被限定为一组可对准的孔，其形成于相应的中间隔板30、端隔板40、垫圈90和垫圈环100中，并且将结合图2A、图2B、图2C和图5更详细地描述。以此形式，可以使反应物沿着堆叠尺寸流经通道120，使得所述通道充当竖直歧管。在另一形式中，反应物通道可定位于SOFC堆叠10外部，例如呈结构上解耦的导管的形式，而不是由各种对准并堆叠的组件的集成组合件形成。应了解，关于反应物通道120与SOFC堆10的其余部分之间的结构集成程度的这些和其它构造都被视为在本公开的范围内。在图1中所描绘的形式中，这些反应物通道120的对准是这样的，每一对(例如由相对的角部流体连接成流体连通对形成)促进流体分离的通路以分别将燃料输送通过MEA 70的阳极层72并将空气输送通过阴极层76。通过使其保持流体分离，可以将不同反应物意外混合的机会降到最低。在一种形式中，反应物通道120主要沿堆叠尺寸突出，以便输送足够量的相应反应物(即，用于MEA 70的阳极层72的燃料和用于MEA 70的阴极层76的空气)。这在理论上由对应于图1的“燃料输入”和“燃料输出”以及“空气输入”和“空气输出”的流动路径描绘。如将结合图2C、图4A到图4C以及图5更详细地论述，反应物通道120还包含侧向定向的分支门130，其允许每种反应物中的至少一些从通道120的主要部分转移到每个MEA 70的阳极层72或阴极层76侧中的对应一个。在本上下文内，反应物流动的横向方向是相对于SOFC堆10沿着X轴或Z轴(或沿着由XZ轴形成的平面)行进的方向
如将结合图2C(对于中间分隔板30)和图2D以及图4A到图4C(对于端隔板40)所论述，外围唇缘34、44形成直立壁，所述直立壁从大致为平面的主表面36，46向上突出，以限定用于接受对应的MSC 110的主表面的放置的槽状体积区域38、48。此体积区域38、48被形成为在一个主表面46(在端隔板40中)或两个主表面36(在中间隔板30中)中的大致U形的容纳腔。如将在本公开中的其它地方论述，体积区域38、48为反应物中的一个(即，燃料或空气)流入和流出作为其彼此相互作用的部分以在MEA 70中产生电流的体积区域。在一种形式中，横向定向的分支门130形成为相应隔板30、40的直立外围唇缘34、44中的一或多个中的相对较小切口，所述直立外围唇缘界定体积区域38、48，以便允许反应物从反应物通道120橫向引入并进入体积区域38、48。在一种形式中，如图1中所示，这些横向定向的分支门130使对应反应物在X-Z平面中流动，所述X-Z平面与反应物通过反应物通道120的主要部分的流动正交。
取决于由反应物通道120形成的流动路径的直径大小，垫圈环100的大小可设定成装配在由对应中间隔板30、端隔板40或垫圈90的孔32、42或92限定的通道120的部分内，使得其可停置在可形成于这些孔32、42或92中的唇缘、凸耳或相关支撑结构上。通过在其外围中没有与中间隔板30或端隔板40的横向定向的分支门130相同的橫向切口或相关尾部，垫圈90和垫圈环100防止对应通道120的径向定向流出，这继而有助于提供反应物通道120与相邻体积区域38、48之间的增强密封，同时保留通过反应物通道120的堆叠尺寸的反应物流动。另外，垫圈90可以限定与中间隔板30或端隔板40一样大小及形状(例如，具有大体相同的矩形覆盖区)的全周结构。以此方式，当在一个或多个堆叠的中间隔板30及端隔板40的相邻面对的表面之间进行压缩时，垫圈90有助于进一步减少反应物以及副产物流体和空气从周围环境的任何泄漏。垫圈90可由非导电可压缩材料构造。在一种形式中，可通过来自堆叠上部和下部安置板50的螺栓连接作用的压缩夹持力来提供垫圈90、垫圈环100与中间隔板30及端隔板40之间的三明治状对准及顺应配合。垫圈环100可由适用于燃料电池组合件的多种常规或尚待开发的材料中的任一种制造，包含例如玻璃、玻璃-陶瓷、氧化铝毡、陶瓷-陶瓷、金属-陶瓷、云母和高温古力特(Thermiculite)。
除在相邻组件之间提供顺应界面作为通过提供这些组件之间的最小固定距离来补偿制造容差的方式以外，垫圈90还可以提供这些组件之间的电绝缘。实际上，维持相邻面对的组件之间的最小固定距离有助于确保这样的电绝缘，其中在一个特定形式中，最小固定距离可以防止相应的隔板30、40彼此电接触。当然，在SOFC堆叠10及垫圈90上产生的压缩作用不应大于其压缩极限，以避免构成垫圈90的材料的过度或不希望的塑性变形，因为这种过度变形可能会导致尤其电绝缘方面的损失。
如所示的用于中间隔板30的构造可以允许其充当两个相邻堆叠的单元电池20之间的边界。在这类配置中，中间隔板30可以充当双极板，因为体积区域38可形成于两个相对的侧主表面36上。此外，每个相对侧及伴随的体积区域38与MSC 110的金属框架60及MEA 70中的对应一个配合，以便以双极板领域的技术人员所理解的方式控制一侧上的第一反应物(例如燃料)及另一侧上的第二反应物(例如空气)向对应体积区域38的递送及从所述对应体积区域的去除。在一种形式中，中间隔板30及端隔板40由导电材料构造且充当单元电池20之间的物理屏障，而外部电路还可以使用合适的串联或并联将单元电池20中的上部单元电池电连接到单元电池20中的下部单元电池。端隔板40的类似配置的体积区域48还可设置在主表面上，所述主表面被布置成相邻地面对MSC110的金属框架60及插入的MEA 70中的对应一个。
沟道板80可相对于MEA 70的阴极层以面对相邻的关系放置，使得其设置在MEA 70与中间隔板30或端隔板40中的对应一个之间。沟道板80各自定位成邻近于MSC 110中的一个的对应表面(例如阳极或阴极表面)。在一种形式中，沟道板80可各自包含一个或多个相应的蛇形沟道，如图所示，以帮助促进空气向阴极层的流动(将结合图4B和图4C更详细地论述)。尽管在图1中示出了蛇形配置，但应理解，这本质上仅仅是示例性的，并且其它配置，例如并行沟道布置，也被视为在本公开的范围内。在一种形式中，沟道板80实际上可由多孔、泡沫状或网格状构造形成，以促进孔隙率，这继而促进空气从对应的反应物通道120到每个MEA 70的阴极层的流动。另外，可以使用沟道板80以便建立与外部负载或其它电路的电连续性，以用于从单元电池20输送电流。
在一种形式中，SOFC堆10可经历相对较高的工作温度(即，高达约1000℃)。应理解，当经受相对较高的工作温度时，SOFC堆10的各种组件可能经历热膨胀，这可能会导致第一和第二单元电池20中的一个或多个及其对应的支撑组件变形。上部和下部安置板50可在单元电池20上产生固定压力，以减小或基本消除单元电池20的热膨胀。更具体地说，上部和下部安置板50可各自通过使用螺栓或其它紧固或固定装置沿着堆叠尺寸施加压缩力。在各个单元电池20上施加的固定压力的量可基于SOFC堆10的竖直高度，所述竖直高度又可取决于单元电池20的数目。更具体地说，减小或基本消除SOFC堆10的热膨胀所需的固定压力可随着SOFC堆10的高度增加而增加。换句话说，增加单元电池20的数目导致SOFC堆10所需的较高的固定压力，以减小或基本消除热膨胀的影响。类似地，减少单元电池20的数目导致SOFC堆10所需的较低的固定压力。
接下来参考图2A到图2D，示出了垫圈90(图2A)、上端隔板40(图2B)、具有插入垫圈90的中间隔板30(图2C)及下端隔板40(图2D)中的每一个的独立透视图。具体参考图2A，垫圈90的主体94可成形为限定中心空隙96及多个导管状孔92，所述多个导管状孔92在对准堆叠时对应于反应物通道120。在一种形式中，管道状孔92设置在矩形主体94的四个角中的每一个上。具体参考图2B，上端隔板40的面向上的主表面限定大体上光滑的平面配置，以促进低轮廓地接合至相邻的堆叠上部安置板50。沿着堆叠尺寸的上端隔板40的厚度可沿着外围唇缘44沿边可见。另外，凹口N可一体地形成为上端隔板40的部分，以促进其与上部安置板50及SOFC堆10内的其它组件的对准堆叠。在一种形式中，可以将插销或其它对准固定构件放置在多个对准凹口N内，所述对准凹口N可以同样地在例如中间隔板30、下端隔板40、垫圈90等的各种其它组件上形成。具体参考图2C，中间隔板30示出了孔32及反应物通道120的部分内的呈横向定向的分支门130形式的橫向转向，其允许反应物中的每一个中的至少一些的引入及从通道120的一组耦合部分的主要部分的随后去除。还可以看到体积区域38的凹陷的槽状性质，所述体积区域通过外围唇缘34及下表面36形成为腔。具体参考图2D，下端隔板40的面向上的主表面通过外围唇缘44与下表面46的协作来与图2C的中间隔板30构造上大体类似地限定腔及对应体积区域48，作为一种在下端隔板40与MSC 110之间形成配合的平面表面的方式，作为一种形成不透流体的密封件SF(如也将结合图4B及图4C所论述)的方式。类似地，横向定向的分支门130充当孔42的部分内的橫向转向，以允许反应物中的每一个中的至少一些的引入及其从通道120的一组耦合部分的主要部分的随后去除。
接下来参考图3，示出了MSC 110的组合件的透视图，所述组合件通过将MEA 70沉积或另外放置到限定基本平面的轮廓的金属框架60的平面主表面62上而形成。应了解，MEA70和金属框架60的相对厚度未按比例显示，因为对应于金属框架60的次表面64的边缘有时约为100μm至5000μm或更窄地，100μm至300μm，而沉积的阳极、阴极和电解质层的厚度有时约为50μm至100μm，或更窄地约200μm。这些尺寸仅是出于上下文的目的而提供，并且不应被用于限制本公开或权利要求的范围。每个MEA 70的直接结构耦合通过金属框架60发生；当彼此接合时，每个MEA 70和对应的金属框架60的形成呈组装的MSC 110的形式的基本上一体的结构耦合。尽管MSC 110示出为限定矩形形状，但应了解，还可使用形成任何数目的闭合多边形的其它形状(例如方形、圆角矩形等)，且所有变体都被视为在本公开的范围内。在一种形式中，金属框架60以类似于沟道板80的基于泡沫或基于网格的变体的方式由可透气的金属泡沫(例如具有富铬铁基合金的金属泡沫)制成，从而允许反应物空气进入阴极层76以及从阴极层76排出。这种多孔材料或金属泡沫可以通过已知方法来生产，例如粉末冶金，其中可以将烧结用作整个粉末冶金过程的一部分以控制此孔隙率的量。通过使用粉末金属，金属框架60可以避免一些妨碍陶瓷的耐久性问题。在一种形式中，MEA 70的横截面面积使得其装配在平面主表面62上，所述平面主表面62充当金属框架60的安装表面，同时留下延伸超过由MEA 70限定的未被覆盖的表面积覆盖区的外围边界区域66。在本上下文内，呈现多孔结构、构造或相关性质的例如金属框架60和沟道板80的组件为允许呈气态形式的反应物(例如燃料)流以足以允许MEA 70以其设计方式执行电流产生功能的量穿过这些组件的厚度的组件。
接下来参考图4A到图4C，示出了示出隔板40中的一个与MSC 110之间的配合的各种视图。具体参考图4A(其中为了清楚起见，以分解图示出可以形成图1、图4B和图4C的单元电池20的部分的可选上表面沟道板80)，将MSC110放置到隔板40上使得金属框架60(或可选的沟道板(目前未示出))的至少面向下的表面设置在相邻面对的下端隔板40的体积区域48内。正视透视图示出了下端隔板40及MSC 110以及限定外围唇缘44的上表面的基本平面凸耳之间的堆叠及部分嵌套的关系，在所述上表面上进行隔板40与突片68之间的密封结合，其限定金属框架60的外围边界区域66的平面主表面62的至少一部分。尽管目前只示出了端隔板40和MSC 110，并且如在其它地方公开的，但本论述也适用于将MSC 110结合、接合或以其它方式附着至中间隔板30中的一个。
具体参考图4B及图4C，图4B以分解图示出在结合之前的与MSC 110及下端隔板40相关联的细节，且图4C示出两个组件已经结合之后的组装后的视图。正视剖视图示出了MEA70的各个层，以及MEA 70可固定到金属框架60的上表面以便形成MSC 110的方式。在一种形式中，可通过压缩形成平面主表面62的一部分的外围边界区域66的至少一部分来使金属框架60包含突片68。具体地说，制成金属框架60的材料的多孔金属结构适于沿着堆叠尺寸的这种压缩，从而允许形成薄的平坦的结合表面B借以附接到下端隔板40的外围唇缘44的对应上表面的位置。在这种构造中，突片66沿着堆叠尺寸具有比形成平面主表面62的中央部分更薄的轮廓。如先前所提及，MEA 70包含三层结构，其中阳极层72的主表面放置在电解质层74的一个主表面上，而阴极层76的主表面放置在电解质层74的相对主表面上。在一种形式中，阳极层72、电解质层74和阴极层76通常由多孔材料制成，以促进呈气态形式的反应物的相对自由流动。举例来说，但不作为限制，电解质层74可由氧化锆类电解质或二氧化铈类电解质制成。在具体实施例中，氧化锆类电解质层74可选自氧化钇稳定的ZrO2(YSZ)、氧化钪稳定的ZrO2(ScSZ)、氧化钙稳定的ZrO2(CSZ)和其组合。替代地，二氧化铈类电解质层74可以包括稀土掺杂二氧化铈。举例来说，二氧化铈类电解质层74可选自由以下组成的群组：钆掺杂二氧化铈(GDC)、氧化钇掺杂二氧化铈(YDC)、钐掺杂二氧化铈(SmDC)及其组合。同样，阴极层76可以由在SOFC的较高工作温度范围内表现出低的O2(g)还原超电势同时与电解质层74的相互作用可忽略不计的任何材料制成。举例来说，但不作为限制，阴极层76可以由掺杂镧类钙钛矿和相关物质制成，例如镧锶钴铁氧体(LSCF)、亚锰酸镧锶(LSM)、氧化钇稳定的ZrO2/亚锰酸镧锶(YSZ-LSM)及其组合。此外，阳极层72可以由例如基于具有YSZ骨架结构的金属镍的混合物的陶瓷-金属混合物(即金属陶瓷)制成。阳极层72的高孔隙率有助于促进被递送穿过其相应反应物通道120的燃料(当呈气态时)。在一种形式中，阳极层72和阴极层76可以通过丝网印刷、等离子喷涂等制成，而电解质层74可以通过等离子喷涂、物理气相沉积(PVD)、烧结、溶胶-凝胶、丝网印刷，湿粉喷涂或其它已知的薄膜工艺制成。可以在各个层之间的界面区域中，例如在电解质至阴极界面或阳极至金属衬底层中，使用例如扩散阻挡层(例如，氧化铈钆(CGO)、掺杂镧类钙钛矿等)的额外层，其中构成金属框架60的金属衬底可呈烧结粉末的形式或呈可制成具有可用于促进反应物渗透率的孔隙率度量的其它结构的形式。这些扩散阻挡层可以由例如PVD等已知技术形成。
无论采用哪种形式的隔板30、40，形成于所述隔板与金属框架60之间的结合表面B处的不透流体的密封件SF在由XZ轴形成的平面内的其表面宽度的公共接触区域的至少一些(如果不是所有)上延伸。在一种形式中，这种公共接触区域从隔板40的外围唇缘44延伸到金属框架60的重叠向外延伸的突片68的至少一部分。在一种形式中，水平的不透流体的密封件SF围绕下端隔板40的外围唇缘44的上表面的整个周边并且至少沿着相应中间隔板30的孔42和伴随的通道120内的堆叠尺寸的一部分延伸，所述孔和伴随的通道不被横向定向的分支门130占据。
体积区域48充当先前论述的槽状容纳腔，以及所形成的反应物流竖直间隙GV如何准许反应物(具体地，如图所示的燃料)流在其到金属框架60且随后到MEA 70的阳极层72的面向下的主表面上的途中遇到沟道板80。尽管图4B及图4C中未示出通道120及准许燃料中的一些从通道120的主要部分转移的横向定向的分支门130，但从本公开的其余部分应理解，燃料的输送(还被称作燃料流F)在已通过横向定向的分支门130引入之后在反应物流竖直间隙GV中水平地延伸，所述反应物流竖直间隙GV形成于沟道板80的面向下的主表面、所述与下端隔板40的面向上的下表面46之间，所述横向定向的分支门130准许燃料流F中的一些从通道120的主要部分转向。
形成金属框架60的外周的突片68可以结合到外围唇缘44，使得当组装在一起时，在它们之间水平地形成不透流体的密封件SF。这种结合可呈焊接、铜焊、紧固接合、粘合等形式。不透流体的密封件SF基本上防止引入的燃料流F向外泄漏到周围环境中，并且还基本上防止空气从周围环境向内流动到MEA 70的阳极层72侧中。在隔板40的相邻面对的表面通过焊接结合到金属框架60的形式中，构成金属框架60的材料在焊接期间基本上为耐变形的。同样地，金属框架60和结合的隔板40可以由相同的导电材料，例如金属或金属合金构成。在一种形式中，隔板40及结合的金属框架60可由不相似的导电材料构造，所述导电材料都包含相似的CTE，以作为一种有助于避免在焊接期间形成裂纹或其它变形的方式。在更具体的形式中，隔板40与金属框架60之间(以及MEA 70的阳极层72与金属框架60之间)的CTE可被定制为基本上相同，其中(例如)可以使用先前论述的扩散屏障层以便防止邻近层之间的合金成分的相互扩散。
尽管图4B中未示出，但本领域的技术人员应理解，在隔板被配置成中间隔板30的情形中，存在基本镜像的面向下的结构，使得中间隔板30具有双极板特征。同样地，在隔板被配置成示出为上端或下端隔板40中的一个或另一个的情形中，不需要这种基本上镜像相对的表面结构或相关双极板特征，且两种构造变型都将从上下文理解并且在本公开的范围内。无论隔板是中间隔板30还是端隔板40中的一个，可以看出MSC 110放置到在相应隔板30、40内形成的体积区域38、48中的嵌套性质。MSC 110与隔板30、40中的相邻隔板的嵌套堆叠使得在结合在一起后(例如，通过如先前所论述的焊接等)，沿着堆叠尺寸的厚度并不显著大于单独隔板30、40的厚度。因此，在SOFC堆10由多个单元电池20构成的配置中，SOFC堆10的竖直高度相对于不存在这种嵌套的布置可减小，由此允许更多单元电池20包装在给定量的SOFC堆10高度内；应了解，单元电池20的这种总体厚度减小在其中包装及体积约束特别严重的基于运输的应用(例如先前提及的APU)中特别有益。无论将金属框架60耦合到MSC110中的MEA 70的方式如何，平面主表面62还可以提供所需的刚度以便基本上防止MEA 70的挠曲或弯曲。
MSC 110相对于下部隔板40定向，使得通过沿着反应物流竖直间隙GV中的下部隔板40的面向上的下表面46行进的燃料流F的暴露形成基本多孔的反应物流连续体。这种连续体意谓燃料流F将依次遇到阳极层72、金属框架60的平面主表面62及可选的沟道板80。在一种形式中，反应物流竖直间隙GV的厚度(即，沿着堆叠尺寸)小于约一毫米。通过这样的大小，反应物流竖直间隙GV允许燃料流F跨沟道板80的容纳的面向下的主表面及下端隔板40的面向上的下表面46大体呈层状。因此，使燃料流F接触尽可能多的面向反应物的表面。在一种形式中，面向反应物的表面为首先遇到相应的空气或燃料流的表面。举例来说，如图所示，沟道板80从MSC 110的其余部分向下突出，使得其延伸到隔板40的体积区域48中，成为暴露于燃料流F的第一部分。同样地，在沟道板80可能不存在于单元电池20的燃料侧上的配置中，阳极层72从MSC 110的其余部分向下突出，使得其延伸到隔板40的体积区域48中，成为将暴露于燃料流F的MEA 70的第一部分。
另外，沿着如图所示的X轴的最小横向向内距离在MEA 70的边缘与不透流体的密封件SF之间，以便提供用于基本上防止或减少任何热冲击或相关的过度热传递的热障水平间隙GH，在形成不透流体的密封件SF时MEA 70可经历所述热冲击或相关的过度热传递。以这种形式，MEA 70在由XZ轴形成的平面中与金属框架60的突片68向内隔开，以限定热障水平间隙GH。举例来说，如果使用焊接来产生不透流体的密封件SF，则热障水平间隙GH有助于确保低热导率的富气体“死区”，从而减少在焊接或其它结合工艺期间产生的热量到MEA 70中的沿边传导。在一些实施例中，在形成于XZ轴中的平面中，热障水平间隙GH可以横向向内延伸至少约五毫米，而构成不透流体的密封件SF的结合线的长度为至少约四毫米。因此，在一种形式中，尽管包含构成不透流体的密封件SF的结合线的公共安放区域的所述的宽度相对于热障水平间隙GH的比率为约0.8，但从约0.5到约1.0的任何橫向宽度比也在本公开的范围内。
接下来结合图4B及图4C参考图5，示出了处于已组装状态的SOFC堆10的一部分的最上部单元电池20的立面透视图，其中为了清楚起见，目前去除了图1的堆叠上部安置板50。具体地说，上部隔板40的对准放置堆叠在垫圈90的顶部上，所述垫圈90又堆叠在中间隔板30上。在一种形式中，并且假设燃料的竖直向上移动被递送到堆叠10的各个MEA 70，则燃料流F可以通过相应上端隔板40、垫圈90及中间隔板30的各个孔42、92及32横穿形成在堆叠10的相对角处的入口部分120I和对应的出口部分120O。应理解，相当的流动模式通过在用于另一反应物(空气)的相对角中形成的其它两个进口及出口部分120I、120O进行。燃料流F最初沿堆叠尺寸向上横穿通道120并进入其入口部分120I，且随后通过对应于相应的中间隔板30和上端隔板40中的每一个的各种横向定向的分支门130。燃料流F接着可以如图所示水平地通过各种竖直间隙GV，其中此反应物流竖直间隙GV的大小和形状有助于促进先前论述的大体层流。最后，燃料流F的尚未扩散通过阳极层72和电解质层74以便与已经以类似方式输送到阴极层76的空气反应的部分在上部隔板40的相对角处横穿横向定向的分支门130，且随后沿着堆叠尺寸通过出口部分120O向下。
对于所属领域技术人员显而易见的是，可在不脱离所要求保护主题的精神和范围的情况下对本文所述的实施例进行各种修改和变化。因此，本说明书旨在覆盖本文所述的各种实施例的修改和变化，条件是这类修改和变化落入所附权利要求书和其等同物的范围内。
应注意，以下权利要求中的一项或多项利用术语“其中”作为过渡短语。出于定义本发明的目的，应注意，此术语在权利要求中作为开放式过渡短语引入，所述短语用来引入对所要求保护的主题的结构的一系列特性进行的叙述，并且应以相似的方式解释为更常用的开放式前导词术语“包括”。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种固体氧化物燃料电池堆，其包括：
多个单元电池，其沿着堆叠尺寸对准，所述多个单元电池中的至少一个包括：
金属支撑的电池，其包括：
金属框架，其包括平面主表面；和
膜电极组合件，其设置于所述金属框架的所述平面主表面上且包括通过电解质层与阳极层分离的阴极层，所述膜电极组合件限定平面主表面；
多个流体分离的反应物通道，其用于燃料通过所述阳极层和空气通过所述阴极层的相应输送；和
隔板，其包括外围唇缘，所述外围唇缘界定腔，使得所述金属支撑的电池的至少一部分被容纳在由所述腔和所述外围唇缘限定的体积区域内，从而在所述隔板的面对地相邻的表面与所述金属框架的所述主表面之间形成反应物流竖直间隙，其中所述金属框架的所述平面主表面结合到所述外围唇缘，以在其之间形成不透流体的密封件且在所述膜电极组合件与所述隔板的直立壁之间提供热障水平间隙；
堆叠的上部安置板；和
堆叠的下部安置板，其与所述堆叠上部安置板配合以沿着堆叠轴在所述多个单元电池上施加固定压力。
2.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池堆，其中所述金属框架的所述平面主表面包括多孔结构。
3.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池堆，其中所述膜电极组合件与正交于堆叠轴的平面中的所述金属框架的暴露外边缘横向向内隔开以在所述体积区域内限定所述热障水平间隙。
4.根据权利要求3所述的固体氧化物燃料电池堆，其中所述阴极层的最上部形成所述膜电极组合件的对应上表面。
5.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池堆，其中所述金属框架进一步包括突片，所述突片形成为围绕所述金属框架的所述平面主表面形成的外围边界区域的部分。
6.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池堆，其中所述不透流体的密封件包括焊缝。
7.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池堆，其中所述反应物流竖直间隙限定沿着堆叠轴的厚度不超过约一毫米。
8.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池堆，其中所述不透流体的密封件限定相对于所述热障水平间隙的至少约0.5的橫向宽度比。
9.根据权利要求8所述的固体氧化物燃料电池堆，其中所述热障水平间隙限定约五毫米的橫向宽度，且所述不透流体的密封件限定约四毫米的橫向宽度。
10.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池堆，其中沿着所述外围唇缘中的所述堆叠尺寸形成所述多个流体分离的反应物通道。
11.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池堆，其中所述金属框架的热膨胀系数等同于结合到所述金属框架的所述主表面的所述外围唇缘的至少所述部分的热膨胀系数。
12.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池堆，其中所述隔板包括多个隔板，所述多个隔板包括中间隔板和端隔板中的至少一个。
13.根据先前权利要求中的任一项所述的固体氧化物燃料电池堆，其进一步包括以下各项中的至少一个：
沟道板，其设置在所述体积区域内；和
垫圈，其沿着所述堆叠尺寸抵靠所述隔板设置且相邻地面对所述隔板的表面，其中所述垫圈在其中限定多个孔，所述多个孔包括：
第一孔，其具有沿着所述堆叠尺寸限定基本上等同于所述膜电极组合件的大小和形状的大小和形状的表面积；和
多个第二孔，其沿着所述堆叠尺寸与所述多个流体分离的反应物通道对准。
14.根据权利要求13所述的固体氧化物燃料电池堆，其中所述沟道板和所述金属框架的平面主表面包括多孔结构。
15.一种密封平面固体氧化物燃料电池的方法，所述方法包括：
布置金属框架以包括平面主表面；
将平面轮廓的膜电极组合件固定到所述金属框架的所述平面主表面，使得通过这种固定形成金属支撑的电池，所述膜电极组合件包括通过电解质层与阳极层分离的阴极层且限定平面主表面；和
将所述金属支撑的电池结合到隔板，所述隔板包括外围唇缘，所述外围唇缘限定腔，以使得所述金属支撑的电池的至少一部分被容纳在由所述腔和所述外围唇缘限定的体积区域内，从而在所述隔板的面对地相邻的表面与所述金属框架的所述主表面之间形成反应物流竖直间隙，其中所述金属框架的所述平面主表面结合到所述外围唇缘，以在其之间形成不透流体的密封件且在所述膜电极组合件与所述隔板的直立壁之间提供热障水平间隙。
16.根据权利要求15所述的方法，其中结合包括焊接。
17.根据权利要求16所述的方法，其中焊接在形成于所述金属框架的所述平面安装表面的外边缘上的突片与所述外围唇缘之间发生。

Claims (17)

1.一种固体氧化物燃料电池堆，其包括：
多个单元电池，其沿着堆叠尺寸对准，所述多个单元电池中的至少一个包括：
金属支撑的电池，其包括：
金属框架，其包括平面安装表面；和
膜电极组合件，其包括通过电解质层与阳极层分离的阴极层，所述膜电极组合件限定基本上平面的轮廓并设置在所述平面安装表面上；
多个流体分离的反应物通道，其用于燃料通过所述阳极层和空气通过所述阴极层的相应输送；和
隔板，其包括外围唇缘，所述外围唇缘界定腔，使得所述金属支撑的电池的至少一部分被容纳在由所述腔和所述外围唇缘限定的体积区域内，其中所述金属框架的所述平面安装表面结合到所述外围唇缘，使得在其之间形成不透流体的密封件，而所述隔板与所述金属支撑的电池之间的配合同时限定所述体积区域内的反应物流竖直间隙和所述膜电极组合件与一位置之间的热障水平间隙，所述位置由所述金属框架的所述平面安装表面接合到所述外围唇缘的位置限定；
堆叠的上部安置板；和
堆叠的下部安置板，其与所述堆叠上部安置板配合以沿着堆叠轴在所述多个单元电池上施加固定压力。
2.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池堆，其中所述平面安装表面包括多孔结构。
3.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池堆，其中所述膜电极组合件与正交于堆叠轴的平面中的所述金属框架的暴露外边缘横向向内隔开以在所述体积区域内限定所述热障水平间隙。
4.根据权利要求3所述的固体氧化物燃料电池堆，其中所述阴极层的最上部形成所述膜电极组合件的对应上表面。
5.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池堆，其中所述金属框架进一步包括突片，所述突片形成为围绕所述平面安装表面形成的外围边界区域的部分。
6.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池堆，其中所述不透流体的密封件包括焊缝。
7.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池堆，其中所述反应物流竖直间隙限定沿着堆叠轴的厚度不超过约一毫米。
8.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池堆，其中所述不透流体的密封件限定相对于所述热障水平间隙的至少约0.5的橫向宽度比。
9.根据权利要求8所述的固体氧化物燃料电池堆，其中所述热障水平间隙限定约五毫米的橫向宽度，且所述不透流体的密封件限定约四毫米的橫向宽度。
10.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池堆，其中沿着所述外围唇缘中的所述堆叠尺寸形成所述多个流体分离的反应物通道。
11.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池堆，其中所述金属框架的热膨胀系数基本上等同于结合到所述金属框架的所述安装表面的所述外围唇缘的至少所述部分的热膨胀系数。
12.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池堆，其中所述隔板中的至少一个包括中间隔板和端隔板中的至少一个。
13.根据先前权利要求中的任一项所述的固体氧化物燃料电池堆，其进一步包括以下各项中的至少一个：
沟道板，其设置在所述体积区域内；和
垫圈，其沿着所述堆叠尺寸抵靠所述隔板设置且相邻地面对所述隔板的表面，其中所述垫圈在其中限定多个孔，所述多个孔包括：
第一孔，其具有沿着所述堆叠尺寸限定基本上等同于所述膜电极组合件的大小和形状的大小和形状的表面积；和
多个第二孔，其沿着所述堆叠尺寸与所述多个流体分离的反应物通道对准。
14.根据权利要求13所述的固体氧化物燃料电池堆，其中所述沟道板和所述金属框架的平面安装表面包括多孔结构。
15.一种密封平面固体氧化物燃料电池的方法，所述方法包括：
布置金属框架以包括平面安装表面；
将包括通过电解质层与阳极层分离的阴极层的基本上平面轮廓的膜电极组合件固定到所述金属框架，使得通过这种固定形成金属支撑的电池；和
将所述金属支撑的电池结合到隔板，所述隔板包括外围唇缘，所述外围唇缘限定腔，以使得所述金属支撑的电池的至少一部分被容纳在由所述腔和所述外围唇缘限定的体积区域内，其中所述金属框架的所述平面安装表面结合到所述外围唇缘以使得在其之间形成不透流体的密封件，而所述隔板与所述金属支撑的电池之间的配合同时限定所述体积区域内的反应物流竖直间隙和所述膜电极组合件与一位置之间的热障水平间隙，所述位置由所述金属框架的所述平面安装表面结合到所述外围唇缘的位置限定。
16.根据权利要求15所述的方法，其中结合包括焊接。
17.根据权利要求16所述的方法，其中焊接在形成于所述金属框架的所述平面安装表面的外边缘上的突片与所述外围唇缘之间发生。
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