CN113195790A - 燃料电池单元和燃料电池堆 - Google Patents

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Abstract

一种金属支撑的SOEC或SOFC燃料电池单元(10)，包括分隔板(12)和具有化学层(50)的金属支撑板(14)，分隔板与金属支撑板相互重叠以形成重复单元，至少一个板具有通过压制该板形成的凸缘外周特征(18)，这些板在凸缘外周特征处直接相接，在它们之间形成流体体积(20)，每个板具有至少一个流体端口(22)，其中，这些端口对齐并与流体体积连通，而且至少有一块板具有压制形成的成型端口特征(24)，围绕其端口向另一块板延伸，并包括相互间隔的元件以限定流体通道，从而使流体能够从端口进入流体体积。突起构件(120)可以接收垫圈(34)作为硬止挡件表面或作为密封承载表面。

Description

燃料电池单元和燃料电池堆
本发明涉及一种改进的电化学燃料电池单元和包括多个这种电化学燃料电池单元的电池堆，以及制造它们的方法。本发明更具体地涉及金属支撑的燃料电池，特别是氧化剂类型(MS-SOFC)或电解槽类型(MS-SOEC)的金属支撑的固体氧化物燃料电池单元，以及它们的电池堆。
一些燃料电池单元可以通过使用电化学转换过程(使燃料氧化)来产生电力。一些燃料电池单元也可以或替代地作为再生燃料电池(或反向燃料电池)单元运行，通常被称为固体氧化物电解槽燃料电池单元，例如从水中分离氢气和氧气，或从二氧化碳中分离出一氧化碳和氧气。它们可以具有管状或平面构造。平面燃料电池单元可以以堆叠的方式相互重叠，例如，100-200个燃料电池单元为一个堆叠，各个燃料电池单元以电串联方式排列。
产生电力的固体氧化物燃料电池基于固体氧化物电解质，该固体氧化物电解质将负氧离子从阴极传导到位于电解质相对侧的阳极。为此，燃料或重整燃料与阳极(燃料电极)接触，氧化剂(如空气或富氧液体)与阴极(空气电极)接触。传统的陶瓷支撑的(如阳极支撑的)SOFC的机械强度低并且容易断裂。因此，最近研发了活性燃料电池部件层被支撑在金属基底上的金属支撑的SOFC。在这些电池中，陶瓷层可以很薄，因为它们只执行电化学功能：也就是说，陶瓷层不是自我支撑的，而是铺在金属基底上并由其支撑的薄涂层/薄膜。这种金属支撑的SOFC电池堆叠比陶瓷支撑的SOFC电池堆叠更坚固，成本更低，具有更好的热性能，并且可以使用传统的金属焊接技术来制造。
申请人早期的WO2015/136295公开了金属支撑的SOFC，其中电化学活性层(或活性燃料电池元件层)包括分别沉积(例如作为薄涂层/薄膜)在金属支撑板110(例如箔)上并由其支撑的相应的阳极、电解质和阴极层。金属支撑板具有多孔区，多孔区周围是无孔区，活性层沉积在多孔区上，使得气体可以从金属支撑板的一侧通过孔到达另一侧以接近涂覆在上面的活性层。如图42所示，燃料电池单元90包括三块板或三层—金属支撑板110、分隔板150和夹在它们之间的间隔板152。它还有流体端口180、200(用于氧化剂或燃料)，这三块板相互堆叠在一起，通过间隔板152焊接(融合在一起)以形成单个金属支撑的固体氧化物燃料电池单元，中间的流体体积由间隔板152中提供的大空间160限定。燃料电池堆重复层的金属部件彼此电接触，它们之间的电子流主要通过融合/焊接路径，从而避免了表面到表面的接触电阻损失。
如WO2015/136295所讨论的，在金属支撑板110上，通过金属支撑板110在覆盖阳极(或阴极，取决于电化学活性层的极性方向)的位置处提供小孔(未示出)，该阳极位于金属支撑板110下方。它们位于由间隔板152限定的大空间或小孔160中，以便允许流体体积通过小孔与支撑板110底面的电化学活性层实现流体连通。
在分隔板150中，上下波纹150A被设置用于向上延伸至堆叠在该燃料电池单元上的后续燃料电池单元的阴极(或阳极，取决于电化学活性层的极性方向)，并向下延伸至其自身燃料电池单元的金属支撑板110。这样在堆叠的相邻燃料电池单元之间实现电连接，使堆叠的电化学活性层(通常每个燃料电池单元上有一个)相互串联。
固体氧化物电解槽(SOEC)可能具有与SOFC相同的结构，但本质上是SOFC以反向或再生模式运行，通过使用固体氧化物电解质产生氢气和/或一氧化碳和氧气来实现水和/或二氧化碳的电解。
本发明是针对具有适合用作SOEC或SOFC的结构的重复固体氧化物燃料电池单元的堆叠。为方便起见，SOEC或SOFC堆叠电池单元两者在下文中都将被称为“燃料电池单元”或简称“电池单元”(即指SOEC或SOFC堆叠电池单元)。
本发明试图简化燃料电池单元的结构，因为人们在不断推动提高燃料电池的成本效益—降低其制造成本对降低燃料电池能源生产的进入成本有很大益处。
根据本发明，提供了一种金属支撑的固体氧化物燃料电池单元，包括：
分隔板；以及
承载燃料电池化学层的金属支撑板，该化学层设置在多孔区上；
相互重叠以形成重复单元的分隔板和金属支撑板；
其中：
所述分隔板和所述金属支撑板中的至少一个板包括通过将该板压制成凹型结构而形成的凸缘外周特征；
所述分隔板和所述金属支撑板在所述凸缘外周特征处直接相接以在二者之间形成流体体积；
在所述分隔板和金属支撑板的每一个板的凸缘外周特征内设有至少一个流体端口，相应的流体端口对齐并与所述流体体积连通；以及
所述分隔板和所述金属支撑板中的至少一个板具有通过压制围绕其端口形成的、朝着另一个板延伸的成型端口特征，并且所述成型端口特征的元件相互间隔开，以限定来自端口且位于元件之间的流体通道，使流体能够从所述端口通往所述流体体积。
在本发明中，不再需要金属支撑板、间隔板和分隔板三者，而只需要其中的两层(部件)，即，金属支撑板和分隔板，而最终仍以大体相同的方式运行，每个电池单元每平方厘米的电化学活性层的产出大体相同。换句话说，在它们之间没有单独的板作为隔片，而电池单元仍然以相同的方式运行。这简化了需要供应和处理(如涂覆)的部件的数量，并且简化了组装，同时也直接减少了所需的材料数量，从而降低了每个燃料电池单元的材料成本和重量。
凹型结构可以使相关的板具有带边托盘的外观，具有相应突起的外部形状(相对于燃料电池单元的外部)以及通常平面的底座，因此凹陷限定(例如部分)组装的电池单元中的流体体积。
在这种凹型结构中，凸缘外周特征从分隔板和/或金属支撑板的原始板材的平面延伸出来，朝向分隔板和金属支撑板中的另一个各自相对的表面。
因此，流体体积由已形成的凸缘外周特征为边界，这些特征是通过压制形成的，例如通过使用模压机、液压成型或冲压。这些是已经在流体体积中形成中心突起的简单过程，正如在现有技术的分隔板上发现的用于通过电化学活性层支撑和电连接相邻的燃料电池。
这些中心突起包括在两个板的相对的内部表面和与向外的突起相邻的电池单元的电化学活性层的外表面之间延伸的进突起和出突起(如图所示的上突起和下突起)。它们还在两者之间限定流体通道，或在两者中限定向外的突起(相对于燃料电池单元)，从而在燃料电池单元的每一端的流体端口之间限定通过流体体积的流体通道。
在本发明中，中心的进、出突起因此也是从分隔板的原始板材上压制出来的，可以是在凸缘外周特征和成型特征之前或之后，但更优选是在同一时间。
在一些实施方案中，中心突起是圆形的。它们可以是其他形状，包括类似于现有技术中的细长形或波纹状。它们无需在分隔板的正中心，尽管它们可以相对于分隔板分布，但它们通常会在燃料电池单元的进、出流体端口之间，因此相对于它们居中。
通常情况下，在每个分隔板和金属支撑板的凸缘外周特征内，即在这些板的凸缘外周特征所包围的区域内，设有至少两个流体端口。这些通常是入端口和出端口。可以存在多于一个入端口和/或多于一个出端口。例如，可以在板的每个角提供端口。
在一些实施方案中，多孔区是通过在金属支撑板上钻孔形成的，通常是激光钻孔。
在一些实施方案中，(活性)燃料电池化学层采取电化学活性层的形式，电化学活性层包括形成(例如，涂覆或沉积)在金属支撑板上且位于多孔区上方的阳极、电解质和阴极，在这些实施方案中，多孔区设置在金属支撑板内。(非自撑的、薄的)化学层直接设置在金属支撑板上的这种布置需要最少的部件数量。因此，金属支撑板具有支撑电池化学成分和限定流体体积(与分隔板一起)的双重功能。此外，可以理解的是，金属支撑板和分隔板两者都具有氧化剂暴露侧和燃料暴露侧，因此，它们都是受到苛刻的双重大气环境影响的部件。
在其他实施方案中，多孔区设置在形成(例如涂覆或沉积)燃料电池化学层的分隔板(例如金属箔)上，并且分隔板(承载燃料电池化学层)被设置在金属支撑板上的窗口(例如框架)上。
可以存在多个区域的燃料电池化学层。例如，在金属支撑板上可以有多个小孔区域，小孔区域由单独的、各自相应的电化学活性层覆盖。可替代地，在金属支撑板上可以有多个窗口，在多个分隔板上形成位于这些窗口上方的活性电池(燃料电池)化学层。
所述分隔板或每个分隔板可以焊接在金属支撑板的窗口上的金属支撑板上。因此，在两个板的相对的内表面之间延伸的中心突起一直延伸到分隔板的内表面。
在一些实施方案中，当在分隔板或金属支撑板的平面方向上平分时，燃料电池的中心区域的成型端口特征和/或覆盖在电化学活性层上的进、出突起具有基本上圆形的截面。
在执行压制步骤时，从具有初始(基本)均匀材料厚度(即在板的整个范围内)的(例如，最初平坦的)分隔板或金属支撑板上形成凸缘外周特征、端口特征和任何突起是简单和低成本的。相比之下，通过蚀刻去除材料以形成具有较厚和较薄区域的板来提供流体流动体积/通道或凸缘特征是困难的、耗时的且浪费材料的。
在一些实施方案中，从流体端口到流体体积的流体通道是曲折的和/或在多个位置相互交叉，例如通过交错的凹坑阵列或交错元件的排列。
在一些实施方案中，流体体积中心部分的成型端口特征和进、出突起是凹坑，优选上述定义的圆形截面。
成型端口特征限定了形成一部分流体体积的通道，因此流体通道从端口、元件之间延伸到开放区域，此外，流体通道在相邻燃料电池的电化学活性层之间延伸通过电池单元的“活性区域”(即当在堆叠中时)。在开放区域，可以提供分流器，以将活性区域内的流体流动分散到活性区域的全宽度。
优选地，金属支撑层的金属是钢(如不锈钢)—可以使用许多合适的铁素体钢(如铁素体不锈钢)。
优选地，分隔板是由与金属支撑层类似或相同种类的金属形成。
在一些实施方案中，只在分隔板上设置凸缘外周特征。这简化了生产，因为分隔板已经被压制在中心区域，而金属支撑板只需要被切割成所需的构造。
在一些实施方案中，只在分隔板上设置成型端口特征。这同样简化了生产，因为分隔板已经被压制在中心区域，而只需要切割金属支撑板。
在一些实施方案中，成型端口特征在它们所延伸的表面以上的高度与两个板的相对的内表面之间的距离相同。因此，它们延伸到另一个板的相对表面的内平面。通过这种方式，这种特征可以只设置在一个表面上作为硬止挡件，以便在保持所需的流体通道开放的同时转移端口周围的压缩载荷。然而，可以设置相对形状的端口特征，从两个表面朝着彼此延伸，以彼此相邻接来执行相同的功能。
使用金属支撑板的板材和/或分隔板的板材压制形成凸缘外周特征、成型端口特征和分隔板中心区域的进、出突起确保了用于支撑流体体积高度的构造由与金属支撑板和/或分隔板的其余部分相同的薄箔基板形成，从而保持每个电池单元的低重量。
在一些实施方案中，至少一个流体端口包括燃料端口，因此燃料电池单元中的流体体积包括分隔板与金属支撑板之间的燃料体积。
在这些实施方案中，燃料电池化学层通常形成在金属支撑板的外表面上。
在一些实施方案中，至少一个流体端口包括含氧流体端口，而流体体积包括分隔板与金属支撑板之间的含氧流体体积。
在这些实施方案中，燃料电池元件层通常被设置在金属支撑板的内表面上。
在一些实施方案中，分隔板和金属支撑板中的至少一个板设有通过压制形成的一个或多个突起构件，这些突起构件从另一个板延伸。有利的是，这些构件可以布置在每个流体端口的周围。
如上所述，(在至少一个板上的)成型端口特征可以朝向相应的燃料电池单元的另一个(即分隔板和金属支撑板)板延伸。通过设置在两个板之间的流体体积内，它们可以被视为设置在燃料电池单元的内表面上的特征。它们保持了内部间距并传递载荷。另一方面，突起构件(在至少一块板上)背离另一个(同一单元的)板(即分隔板和金属支撑板)延伸。例如，它们可以在端口周围排列成环状，因此可以被视为设置在各自燃料电池单元的外表面上的特征，这些特征在相邻的燃料电池单元之间起作用。根据它们的构造、排列和各自的高度，它们可以执行定位功能、硬止挡件功能(保持间隔/传递负载/限制压缩)、流体分配功能和/或密封支撑功能。
多个突起构件可以被布置成限定用于容纳在突起构件和/或多个突起构件内的垫圈的空间，和/或多个突起构件可以被布置成限定用于容纳在所述突起构件外部的垫圈的周边。当燃料电池单元和垫圈以堆叠方式相互交替地堆叠以形成燃料电池组的单个重复的堆叠单元时，可能要把大量的时间和精力花在将每个垫圈保持在相对于端口中心的适当位置(例如使用胶合或工具)。然而，突起构件可用于横向定位垫圈，即使其围绕在端口居中。方便地，突起构件可以限定被配置用于在突起构件内容纳垫圈的内部空间/区域，优选与垫圈的外周密切匹配以便在所需位置接收并定位垫圈的空间和形状，从而避免在组装期间通过其他步骤定位并固定到位。此外或可替代地，一些突起构件可以布置成限定用于容纳突起构件外部的垫圈的内周(同样具有匹配的尺寸和形状)的外周缘。
在一些实施方案中，多个突起构件散布在成型端口特征之间。
可替代地，此突起构件或每个突起构件可以定位在成型端口特征的外部。优选地，每个突起构件相对于端口的中心在径向上定位为超出成型端口特征。
此突起构件或每个突起构件可以具有顶端，顶端限定硬止挡件表面，相邻的燃料电池单元或从其延伸的部分在组装电池单元的堆叠过程中能够抵靠硬止挡件表面。这样的硬止挡件(表面)可以保持燃料电池单元之间的间距，并有助于在端口附近通过堆叠传递压缩载荷。可以有多个突起构件来限定硬止挡件表面，并且硬止挡件表面全部位于同一平面内。
本发明还提供了一种燃料电池堆，包括多个这样的燃料电池单元，燃料电池单元相互堆叠，在相邻的燃料电池单元之间的流体端口周围有密封件，密封件优选地覆盖相邻燃料电池单元之间的流体端口周围的成型端口特征上。因此对齐的流体端口和密封件在燃料电池堆内形成内部氧化剂或燃料歧管或“通气道”，从而防止氧化剂与燃料混合。
密封件可以包括垫圈。这些可以是预先成型的密封装置，即，例如用于在两个表面之间进行密封的适当形状的环或片的部件。如上所述，在堆叠布置中，燃料电池单元和垫圈相互交替堆叠以形成堆叠的单一重复单元，突起构件可用于横向定位每个垫圈，即使其围绕端口居中。当突起构件被布置成限定用于容纳垫圈的空间时，这种组装方法可避免需要胶合步骤或任何其他固定垫圈的方法。
可替代地，密封件可以包括原位密封件(即，原位形成的非自撑式密封件)，例如，由涂覆在端口周围的板之一上的密封接触粘合剂或液体形成，密封接触粘合剂或液体与表面结合并原位固化以提供端口周围的密封剂。该粘合剂可以是一种弹性可固化的密封糊剂。有利地，通过用这种密封件取代预先形成的垫圈，这样的堆叠只能通过将燃料电池单元直接堆叠在彼此的顶部来组装，这些是形成重复的堆叠单元的唯一部件。
密封件可以是可压缩的。最好是电绝缘的可压缩密封圈。堆叠需要经过组装和压缩以确保活性化学层区域的良好气密性和电接触。在端口周围使用可压缩密封圈有助于在堆叠的这些区域加强气密性，而不会对堆叠进行过度压缩，否则会损坏活性化学层。
密封件可以是电绝缘的。在端口附近，可以使用电绝缘密封件来防止相邻燃料表面的金属表面(不应该接触)之间发生短路。然而，这可以可替代地通过将至少一个金属表面涂上绝缘层或涂层来实现，例如通过扩展电池的电解质层来覆盖端口周围的区域。
在一些实施方案中，燃料电池堆的内部部件将只包括重复的燃料电池单元和覆盖在流体端口周围的成型端口特征上的密封件。通过压制成型端口特征，它们在形成它们的板的外表面上限定被密封件覆盖的凹孔，这些孔可选地位于板的突起部分。
每个突起构件可以具有顶端，顶端限定如上所述的硬止挡件表面，其中较低的一个所述燃料电池单元的密封接收表面上的所述至少一个密封件在下一个燃料电池单元堆放在其上之前具有高于所述密封接收表面的高度，并且所述较低的一个燃料电池单元的硬止挡件表面具有高于所述密封接收表面但低于位于所述密封接收表面上的密封件的高度，以便为相邻的燃料电池单元之间的压缩提供限制。使用这种带密封圈的硬止挡件表面可以在相邻的燃料电池单元之间保持恒定的距离，从而减轻原位密封件或垫圈随时间推移而产生的不规则或过度压缩。
在燃料电池单元和垫圈相互交替堆叠以形成堆叠的单一重复单元的堆叠布置的情况下，提供深度小于非压缩垫圈深度(例如其75-95％)的硬止动件表面对于简化堆叠组装和提高最终堆叠高度的均匀性是很重要的。在组装方法中，堆叠可以在组装过程中被压缩，直到垫圈被压缩，使硬止挡件表面与相邻的燃料电池单元的表面抵靠，并达到所需的恒定距离或间隔，并且通过硬止挡件结构传递载荷。
在另一个燃料电池堆的变型中，其中此突起构件或每个突起构件同样具有顶端，顶端限定了上述的硬止挡件表面，至少一个密封件可以抵靠上方的一个燃料电池单元中的上部密封接收表面，并且在上方的一个燃料电池单元堆叠在下方的一个燃料电池单元上之前，密封件具有高于下方的一个燃料电池单元的下部密封接收表面的第二高度，并且上方的一个燃料电池单元的硬止挡件表面具有在上部密封接收表面下方延伸的高度，此高度小于坐靠在下部密封接收表面上的密封件的高度，以便为相邻的燃料电池单元之间的压缩提供限制。
在一些实施方案中，至少一个密封件部分地位于围绕密封件的相应流体端口的沟槽中，沟槽可选择地位于板的突起部分中。沟槽优选地向下延伸并进入燃料电池单元的金属支撑板和分隔板之间的空间，其深度不超过燃料电池单元的金属支撑板和分隔板之间距离的50％。
上述定义的金属支撑的固体氧化物燃料电池单元或堆叠可以被布置用于从供应的燃料和氧化剂(如空气)中产生热量和电力，即生成型SOFC。可替代地，它可以被布置用于再生目的，例如从水再生出氢气，或从二氧化碳再生出一氧化碳和氧气，即再生型SOEC。
本发明还提供了一种制造燃料电池单元的方法，该方法包括以下步骤。
提供分隔板；
提供金属支撑板；并且
加工所述金属支撑板和所述分隔板中的至少一个板以形成：
凸缘外周特征；
在所述分隔板和所述金属支撑板内的至少一个流体端口；以及
形成围绕所述至少一个流体端口的至少一个成型端口特征，
所述加工包括至少压制所述板或多个所述板以形成所述凸缘外周特征，从而在所述板或多个所述板中形成凹型结构，同样地压制所述成型端口特征；
所述方法还包括：
将所述分隔板和所述金属支撑板相互堆叠以形成重复单元；
在所述凸缘外周特征处直接连接所述分隔板和所述金属支撑板，其中形成所述凹型结构的凸缘外周特征在其之间形成流体体积，其中所述成型端口特征朝着另一个板延伸，并且所述成型端口特征的元件彼此间隔开以提供从所述端口到所述流体体积的流体通道，并且可选地，所述流体端口在压制所述板或多个所述板之前被切割。
可以采取压缩步骤以将相邻的燃料电池单元压缩到相互接触。
如果密封件是(预制的)垫圈，此方法可以包括仅使用突起构件来定位它们，突起构件被设置并设计用于容纳和定位该垫圈。在设置硬止挡件表面的情况下，此方法可能涉及压缩堆叠，直到硬止挡件表面与相邻燃料电池单元的表面接触。
在燃料电池化学支撑的电化学活性层部件被涂覆在金属支撑板上之前，通常将金属支撑板压紧。
燃料电池单元或堆叠可以如前所述。
本发明还提供了一种利用这种燃料电池单元制造燃料电池堆的方法，包括：将这种燃料电池单元堆叠在一起，利用两者之间的密封件(例如垫圈)覆盖相邻燃料电池单元之间的流体端口周围的成型端口特征。
为避免任何疑问，通过压制板以形成凸缘外周特征、成型端口特征以及进、出突起，不需要蚀刻板以从片材去除材料，同样，也没有成型端口特征沉积或打印在表面上以在具有本质上不同厚度的片材上形成整体特征。
在所披露的实施方案中，多孔区是通过在相应的金属片(例如不锈钢(铁素体)箔)上钻孔(激光钻孔)来提供的。然而，可以以本领域已知的任何适当方式提供允许流体进入活性电池(如燃料电池)化学成分的孔隙度。
现在将通过各实施方案进一步详细描述本发明的这些和其他特征，并且只是作为示例，参考附图(附图未按比例绘制，其中高度尺寸通常被夸大以示清楚)，其中：
图1示出了包括第一实施方案的金属支撑的燃料电池单元的平面图；
图2示出了图1的燃料电池的第一透视图，燃料电池下方有两个垫圈；
图3是图2中的布置的从不同角度显示的第二透视图；
图4是与图1相反的燃料电池单元的平面图，图中所示的垫圈位于燃料电池单元的流体端口上；
图5示出了通过燃料电池单元的剖面图；
图6示出了通过燃料电池单元和垫圈的剖面图，示出了在其组装过程中压缩燃料电池单元时的状态；
图7示出了两个燃料电池单元的堆叠的爆炸透视图，每个燃料电池单元下面设有两个垫圈；
图8示出了图7的堆叠，但未以爆炸方式示出，两个电池单元相互堆叠在一起，第一对垫圈在它们之间，另外两个垫圈位于堆叠下方，用于堆叠到另一个燃料电池单元上(未示出)；
图9以平面图方式示出了一种替代的燃料电池单元，包括第二实施方案。它与第一种燃料电池单元相似，但在燃料电池单元的金属支撑板的可见部分(在其流体端口周围)增加了凸缘外周特征，而不是仅仅是设在燃料电池单元的分隔板上的流体端口周围。
图10是燃料电池单元的透视图，其下方有两个垫圈，每个流体端口都有一个垫圈；
图11是图10的布置的第二透视图；
图12是图11和10的布置的仰视平面图；
图13和14是通过组装好的燃料电池单元的剖面图，在适用的情况下带有垫圈，图14显示的力指标以示出在堆叠过程中的压缩(如图6所示)；
图15至17示出了第二实施方案的堆叠，它与第一实施方案的堆叠类似，尽管有不同形状端口特征的布置。
图18至26示出了第三实施方案，与第一实施方案相似，但其中燃料电池单元有单独的部分用于活性燃料电池部件—其中有电化学活性层，燃料电池单元的金属支撑板上设有窗口。否则，这些图中的布置与第一实施方案中的布置相似；
图27至35与图18至26相似，但示出了第四实施方案，第四实施方案在金属支撑板以及分隔板上具有成型端口特征，与第二实施方案非常相似。
图36示出了本发明的第五实施方案，其中燃料电池单元的外部形状已经改变，在燃料电池的每一端提供两个流体端口，而不是如第一实施方案一样提供一个流体端口。
图37更详细地示出了图36产品的一角，其中成型端口特征更加清晰可见；
图38示出了本发明的第六实施方案，其中第五实施方案适于在其金属支撑板中包括一对窗口，以对准两个单独的电化学活性燃料电池组件；
图39示出了燃料电池单元的替代布置，其中燃料电池单元的分隔板具有从凸缘外周特征向后延伸的返回的凸缘外周特征，使分隔板的边缘与分隔板的大部分在同一平面内，使得用于在燃料电池中形成流体体积的凸缘外周特征是脊状的；电池单元的角也被磨圆；
图40示出了夹在一起的整堆燃料电池单元，其动力输出端可使燃料电池用作负载(L)的电源；
图41示出了在压缩成燃料电池堆之前的电池单元堆的透视图；
图42示出了现有技术的燃料电池单元的爆炸图(来自WO2015/136295)，包括金属支撑板和分隔板，与本发明非常相似，但它另外还包括间隔板；
图43和44示出了图37的变型，图43是局部平面视图，图44是局部透视图，两者都示出了带有垫圈的产品的一角，垫圈用于覆盖流体端口周围的成型端口特征；
图45和46示出了图43和44的变型的剖面图，图46是图45的A部分的放大图；
图47至50示出了另一个变型的类似视图，同样是在流体端口周围具有垫圈和成型端口特征，并增加了硬止挡件特征；以及
图51至54示出了另一个变型的类似视图，同样是在流体端口周围具有成型端口特征，但使用的是原位密封件，而不是常规的垫环式垫圈。
首先参考图2，图中示出了本发明第一实施方案的燃料电池单元和两个垫圈的爆炸图。燃料电池单元10相对于图42所示的现有技术燃料电池单元的方向是倒置的，因为本发明主要关注的是燃料电池单元10的内部。可以看出，燃料电池单元10包括平坦的(即平面的)金属支撑板14，该金属支撑板14堆放在分隔板12旁边—在这种情况下是在分隔板12上面。分隔板12被示出为在其外周具有凸缘外周特征18。这用于使现有技术中的间隔板152变得多余，并且是本发明的重要元件。
凸缘外周特征18延伸出板材的主要平面，如在中心流体体积区域发现的那样，以在分隔板中形成凹陷(以及到外表面的突起)。凹陷将在组装燃料电池单元时在该燃料电池单元内形成流体体积20。
在这个图示的布置中(被简化以说明本发明的主要特征)，燃料电池单元10具有圆形的端部和平行的侧面，每一端都有一个流体端口22。当然，各单元特征的其他形状、尺寸和数量也是可行的—例如见图37—取决于最终堆叠组装所需的功率和尺寸。
在燃料电池单元10的中间部分，在金属支撑板上设有电化学活性层50。在此实施方案中，它位于流体体积20的外部。
如图3所示，金属支撑板14(如金属箔)上设有多个小孔48，使流体体积中的流体能够与电化学层中最靠近金属支撑板14的一侧接触。这些小孔形成了被非多孔区所包围的多孔区。在优选的实施方案中，阳极(燃料电极)层位于小孔附近，燃料电池单元内的(封闭的)流体体积20包括燃料流体体积20，燃料流体体积20由通过流体端口22(因此是燃料端口22)进入和流出的燃料提供。阴极(空气电极)层位于电化学活性层50的相反侧，即在其外表面上，在燃料电池单元10的使用过程中暴露于流过该层的空气中。
分隔板12和金属支撑板14都设有流体端口22。在本实施方案中，在分隔板12的流体端口周围设有成型端口特征24。在本实施方案中，成型端口特征24被设置为圆形凹坑形式的多个元件，该圆形凹坑从流体体积20的底部平面延伸出的距离与凸缘外周特征18的高度相对应—使其具有相同的高度。这是为了在组装电池单元10时，它们将与金属支撑板14的相对表面接触，就像凸缘外周特征18一样。因此，当凸缘外周特征18例如通过焊接与金属支撑板14连接时，成型端口特征24也将同样接触金属支撑板14。
这很重要，因为成型端口特征24也提供了现有技术中提供的间隔板152的部分功能—在组装堆叠时将堆叠中的多个燃料电池单元压缩在一起期间支撑燃料电池单元。因此，它们有助于在该压缩过程中保持燃料电池单元内流体体积的高度。
本实施方案中的多个元件在截面上是圆形的，在形式上基本上是截头圆锥形的，因为它们具有不垂直的侧壁和被截断的平顶。它们被压入分隔板12的板中。这种有角度的壁是一种优选布置，因为在将它们从形成分隔板12的板中压出时，角度比垂直的壁更容易实现。然而，从大约20度到90度的任何角度都可以提供一个可用的形式。最好是在与压制它的板材平面成40至90度角之间。
通常，这些元件与分隔板的其他部分是在同一步骤中压制的，其他部分即凸缘外周特征和中心向上突起，以及向下或下突起，如下文所述。
压制可以是将薄板形成合适构造的任何合适的方法，例如，液压成型或冲压/压制。因此，可以用一个单一的薄板来形成燃料电池单元的这一部分。
电化学活性层附近的堆叠中的压缩力对于良好的电接触以及因此通过堆叠的良好传导性是必需的。中心突起32和中心向下突起30通过向上延伸至小孔48区域的金属支撑板14的底面，向下延伸至其下方电池的电化学活性层的相对表面，从而在电池单元之间形成所需的电接触，也为中心区域的燃料电池单元提供支撑功能。
在此实施方案中，分隔板12的中心区域的突起再次是圆形的，通常也具有倾斜的侧壁。然而，按照现有技术，它们可具有不同形状，如现有技术的条状。它们可以具有与成型端口区域一样的倾斜的侧壁，即通常在20至90度范围内，或更优选在40至90度之间。
然而，这些中心突起和向下突起的功能也是为了在分隔板12的两侧建立相应的流体通道，即燃料体积通道和氧化剂(例如空气)体积通道。在这种情况下，在燃料电池单元内部，这些突起在流体体积内形成曲折缠绕(例如弯曲)的流体通道，以便流体可以从燃料电池单元10一端的一个流体端口22穿过活性层50，到达燃料电池单元10另一端的流体端口22。
此内部流道也在成型端口特征24的元件26之间延伸，因为这些元件也提供流体通道28—参见图5。
在本实施方案中，还为相邻燃料电池单元10之间的燃料电池堆提供垫圈34形式的密封件。图2和图3中提供了一些实例。密封件(这里是垫圈34)提供主要的密封功能，通常是可压缩的垫圈，垫圈在端口附近会受到高压缩力的作用。垫圈的尺寸可以覆盖每个流体端口22的所有成型端口特征24，以防止在燃料电池单元10的外部和垫圈34之间通过堆叠中的流过流体端口22的流体从而渗出到电池单元的外部区域中，即，进入燃料电池单元10周围的流体，或流体端口外部的流体从另一个方向渗入流体端口。这对防止电池单元10内部的流体和电池单元10外部的流体混合很重要(这将是燃料和氧化剂)，电化学活性层50的极性决定了这将是哪种方式。如上所述，通常在燃料电池单元10的流体体积20内的是燃料，因此在由流体端口和垫圈(环形垫圈)形成的通气道72、74(见图40和41)中的是燃料，而在燃料电池单元周围的是空气或其他氧化剂。
垫圈还可以在第一燃料电池单元10和相邻的流体电池单元10之间提供电绝缘，以防止短路。垫圈可以是任何合适的燃料电池垫圈(密封环)，例如，铝热剂。
参照图5和图6，可以看出，凸缘外周特征18、中心突起(上突起、下突起)32、30和成型端口特征24是如何延伸出用于形成分隔板12的金属板的初始平面的，以及垫圈34的直径大小如何覆盖成型端口特征24的区域，成型端口特征24被向上压出分隔板12的底面—即远离垫圈34以留下孔隙。在这种布置下，当对组装好的电池单元堆中的电池单元10提供压力时，成型端口特征24与凸缘外周特征18和中心突起30、32一起支撑防止流体体积的挤压变形。
在现有技术中，成型端口特征24连同凸缘外周特征18的支撑功能反而是由间隔板152完成的。特别是，间隔板确保了在端口附近的垫圈压缩的高负载被转移到下一个燃料电池单元。
此外，内部流体体积20的形成是通过凸缘外周特征18实现的—这一特征以前由间隔板152提供。然而，从间隔板上切下来的原始部件的覆盖区很大，造成材料浪费。
参照图4、图5和图6，还可以看到分隔板12中的中心向上突起32与中心向下突起30交替出现。这是为了使向下突起30向下延伸到相邻的燃料电池的上部电化学活性层50(在其下方)。这在图7和图8中显示得更清楚，可以看到中心向上突起32向上延伸到它自己的燃料电池单元10的金属支撑板14的底面，而向下突起30则与它下面的燃料电池单元10的电化学活性层50的外侧接触。这样就保证了相邻的燃料电池单元10在每个堆叠中像电池一样串联在一起。它起到有益的功能，即，扩大在流体体积中流体体积通道的高度。
接下来参考图8，可以看出，相邻燃料电池单元10最好具有分隔板，分隔板具有相互匹配的相对的突起，使得一个燃料电池单元10上的向上突起32与相邻的燃料电池单元10上的向下突起30对齐，而向下突起30与向上突起32对齐。这允许各个突起的力在轴向上相互抵消(即平行于组装期间施加在堆叠上的压缩力)。这就避免或尽量减少了对突起之间的电化学活性层50的扭转力，从而防止了电化学活性层的意外开裂。
接下来请参考图9至17，公开了本发明的第二实施方案。在此实施方案中，仍然有分隔板12和金属支撑板14，与第一实施方案相似，但成型端口特征24现在被设置在金属支撑板14和分隔板12的流体端口22周围。因此，分隔板12中元件的高度没有前一个实施方案中那么高，单独、对齐的成型端口特征24被布置成从金属支撑板14中朝下，后者的高度适于在与分隔板12的元件结合时形成与第一实施方案中的全部高度相等的高度。通过使它们彼此对齐，燃料电池单元10内部的体积再次能够在两个堆叠的元件的高度上得以维持，同时仍然为在组装的堆叠中压缩力特别高的端口附近的流体体积通道提供所需的支撑。与前一个实施方案相比，这种布置的其余部分没有变化。
通常情况下，两个元件的高度是相互不同的，但需共同形成所需的总高度，然而它们可以匹配以实现所需的总高度。
通过第二实施方案的布置，任何特定部件中的成型端口特征24不需要如此高，因此将它们从板材中压出时更容易实现。
成型端口特征24也可以只位于金属支撑板14中，或者两者都具有充分的高度，并且使它们相互啮合，尽管仍然在流体体积中仍留有流体通道供流体流动。
在此第二实施方案中，与前一个实施方案一样，成型端口特征24以及中心上、下突起30、32都是具有圆形的凹坑。它们可以有不同的形状，但优选的是凹坑，因为它们为流体的流动提供了大的通道，这对成型端口特征24特别重要，因为它们因此不太可能在垫圈和它们被压制的部件的另一侧之间形成通道，否则端口中的流体可以通过这些通道泄漏到电池单元10的周围容积中，或者反之亦然。
接下来参考图18至26，提供了燃料电池单元10的第三种布置方式。在此实施方案中，与第一实施方案类似，成型端口特征24和中心突起30、32都再次被设置在分隔板12中，因此金属支撑板14反而是大体平坦的或至少没有这种突起，但此前金属支撑板14在中心区域有许多小孔48，上面有直接覆盖的电化学活性层50，在此实施方案中，金属支撑板14具有窗口54，上面将有单独的电化学活性层部件52。虽然是单独形成的，但电化学活性层部件52将被连接到金属支撑板14上(例如通过焊接)，使得金属支撑板承载它。
电化学活性层部件52上有多个小孔和直接覆盖的电化学活性层50，以使流体体积20中的流体能够接触到最里面的电化学层。
此实施方案仍然只涉及在外周凸缘特征处连接两个部件，但不要求从一开始就与金属支撑板一体形成燃料化学物质，这可能是有利的。
激光焊接通常是将金属支撑板14、分隔板12和独立的电化学活性层部件52彼此连接起来的优选方式。
在此第三实施方案中，窗口是矩形的。其他形状的窗户自然是可行的。
电化学活性层部件52通常具有与窗口54相似的形状，以优化其上的电化学活性层50的尺寸大小，尽管更大的尺寸可以重叠，如图所示。这再次避免了燃料电池单元10的过度重量增加。
从图20中可以看出，电化学活性层部件52有很多小孔48，很像第一和第二实施方案的金属支撑板14中的小孔。它们同样提供了通往其上的电化学活性层50的一侧的通道。因此，此燃料电池单元在堆叠中的操作与之前的实施方案和现有技术相似，尽管在此实施方案中，向上突起32需要比前两个实施方案中的高，因为它们现在还需要弥补金属支撑板14的厚度，以便接触小孔48的底侧。
然后参考图27至35，示出了第四实施方案。在此实施方案中，布置类似于第二实施方案，但它包括就第三实施方案本身而言独立的电化学活性层部件52。因此，同样，向上突起32比第一和第二实施方案中的高。可以理解的是，在将支撑电化学活性层部件52的燃料电池化学物质附接到金属支撑板14上之前，可以压制金属支撑板14，并切割窗口54。窗口可以在压制前或压制后切割，或同时在带冲头的压力机上切割。更通常地，它将从金属支撑板上用激光切割。
这四个实施方案都示出了成型端口特征24的元件的优选布置。可以看出，它们采取的是圆形凹坑的形式。此外，圆形凹坑在流体端口22周围呈同心环状排列，它们之间有圆周间隙，凹坑之间的间隙在进一步向外的环上(从流体端口22)变大。这是适合于圆形流体端口的布置，尽管不同的布置也是可行的，例如规则的排列，或不规则的排列，或不同数量或尺寸的凹坑，或不同数量的环。
在这些实施方案中，每个凹坑同心环有10个凹坑，每个凹坑同心环都是在前一个凹坑的基础上旋转的，以便相对于它们交错。这可以是每个环的排列方式不同，或者如图所示，内同心环和第三同心环在径向上对齐，而第二同心环则位于第一同心环的两个相邻的凹坑之间的位置，同样地，第二同心环的两个凹坑也是间隔开的。
在这种以及优选的布置中，从流体端口22到同心环(或成型端口特征24)外的位置形成了曲折的而不是线性的流体通道。
当元件在径向上离流体端口22较远的位置时，在元件之间具有更大的空隙是优选的，而在靠近流体端口22的位置则较近。这种较大的“外部”间隙确保了流体在凹坑之间的流体通道中移动的更大自由度，但更重要的是，它在垫圈的边缘附近提供了更完整的表面，垫圈34可以在上面提供良好的密封。
垫圈34在组装堆叠时可以被压缩，以便偏转到分隔板12(或金属支撑板14)的板材中被压出的凹坑所留下的凹陷中。这就进一步在流体端口通气道和堆叠中的燃料电池单元周围的体积之间形成良好的密封。
燃料电池单元10的外部形状不需要与第一至第四实施方案匹配。事实上，对于技术人员来说，有许多变化可供选择。本发明旨在涵盖任何和所有这些不同的形状。例如，它可以不是本文所示的细长型，而是更像矩形，流体端口在四角，或者它可以是菱形，流体端口在两个角，或者它可以是椭圆形，流体端口在其间隔较长的两端。
图36示出了燃料电池单元10的另一种可行的形状，其中分隔板12和金属支撑板14大体上是矩形的，尽管在其短端有切口区域，以便在每端确定两个延伸的指状物。在这两个指状物的每一末端处都设有流体端口22。
一些实施方案可以有更多的指状物，或更多的端口。
在第五实施方案中，再次设置凸缘外周特征18，分隔板12中的成型口特征24也是如此。此外，突起30、32在整个分隔板的中心区域交替地向上和向下延伸，以达到先前就前一个第四实施方案所披露的目的。此外，在金属支撑板14上还有电化学活性层50。通过在两端设置两个流体端口22，可以更好地引导SOEC或SOFC燃料电池单元10内流体体积内的流体流动。
接下来参考图37，示出了图37的燃料电池单元10的角部的细节。可以看出，还示出了用于燃料堆的垫圈34。它的尺寸为覆盖在所有的成型端口特征24之上，在本实施方案中，这些特征包括围绕流体端口22的凹坑。凹坑可以是若干个同心环，如四个同心环的交错的圆形凹坑。
也可以提供成型端口特征24的其他布置，如第一至第四实施方案的布置。
接下来参考图38，图中示出了图36的产品的改进版，其中提供了两个窗口，这些窗口54是首尾相连的排列的，用于接收两个独立的电化学活性层部件52。
其他实施方案可能有两个以上的窗口和电化学活性层部件。
接下来参考图39，图中示出了本发明的燃料电池单元10的进一步修改，其中压制的凸缘外周特征18位于燃料电池单元10的边缘内侧，以便相对于分隔板12或金属支撑板14(如果改为设置在金属支撑板的上方或二者的上方)的边缘和中间形成向上的突起或脊。
接下来参考图40，示出了一个由多个燃料电池单元10组成的燃料电池堆。可以看出，它具有顶部压缩板62和底部压缩板64，通过螺栓66连接在一起，以允许电池单元10被压缩在一起，从而确保中心突起和多孔区/电化学活性层之间的电连接，从而完成每个电化学活性区域的使用。此外，它示出了入口位置68和出口位置70，以便空气或燃料流体向下进入由第一组垫圈34和一列所有第一种流体端口形成的第一通气道72，然后从由第二组垫圈34和一列所有第二流体端口形成的第二通气道74中下来。然而，可以理解的是，相对于通气道72、74，流体入口和出口可以以其他方式布置，例如，都在顶部或底部，或者燃料电池堆可以安装在其侧面(或成一定角度)。
图40还示出了堆叠顶部和底部的接触垫60，它说明了将堆叠连接到电力需求的可能位置，—如图示的负载L。
接下来参考图43至46，示出了变型的角部布置。与图37中的实施方案一样，有一个被成型端口特征24包围的流体端口22以及垫圈34，垫圈用于覆盖成型端口特征24在组装时形成的凹槽，如图43所示。图中显示，垫圈34的外径至少覆盖到成型端口特征24的外边缘，但内径大于流体端口22。虽然是可选的，但这可以防止在垫圈相对于通气道中心稍微错位的情况下，垫圈34的内径阻塞由最终燃料电池堆中的流体端口形成的通气道。
成型端口特征24向下延伸以接触金属支撑板14，其最下表面位于第一平面内，与凸缘外周特征18在同一平面内，而其最上表面和分隔板12的其余部分位于与金属支撑板14间隔开的第二平面内，以便确定流体体积20。
在此实施方案中，成型端口特征24在最内侧区域具有沟槽，这些沟槽是向流体端口22开放的。然后是两个交错布置的圆形凹槽环，接着是最后一环交替的沟槽和圆形槽，这些沟槽的长度大约是圆形槽直径的两倍。在此实施方案中，沟槽在径向上与两个交错环中位于内侧的圆形槽对齐，并且相对于最内侧的沟槽是交错的。最后一环圆形槽反而与两个交错环中的第二圆形槽径向对齐。这种布置形成了允许流体在燃料电池单元内部的沟槽之间流动(从流体端口进入燃料电池单元内部，或者在通风的情况下以相反的方向流动)的通道。
尽管本实施方案是针对燃料电池单元的一个角部而示出的，由此它可以取代图36、38或39所示的燃料电池单元的角部布置，但这种沟槽和凹槽的布置同样可以适用于其他燃料电池单元的设计，包括那些在两端有单流体端口的设计，如图1的设计。
接下来参考图47至50，示出了燃料电池角部的另一个变型，尽管这也可以设置在不同的燃料电池设计上，例如在燃料电池单元形状的其他地方，即具有四个流体端口的燃料电池单元，每个角部具有一个流体端口(如图36、38和39，或具有两个流体端口，每端一个流体端口(如图1的实施方案))，或任何其他燃料电池设计，包括具有任何其他数量流体端口的燃料电池。
在该变型中，除了形成成型端口特征24的凹槽和/或沟槽之外，还设置了突起构件120。这些突起构件120位于垫圈34外周的一个环中，在本实施方案中提供两种功能。
首先，它们为密封垫的位置提供了引导，因为密封垫可以安装在突起构件120的环的内部，从而在燃料电池组的组装过程中相对于流体端口22的正确位置就位，即相对于流体端口22居中。
其次，如图49和50所示，突起构件120的高度h小于垫圈34的厚度t，或优选在厚度t的75％至99％之间，或更优选75％至85％(例如78％至82％)。高度h和厚度t的比例可以根据所使用的特定垫圈的压缩要求进行调整。尽管为了提供第一个功能，这样大的高度h是不必要的，因此它反而可以不那么高(例如，h可以在垫圈厚度t的5-75％之间)，但优选较大的高度以提供第二个功能，即在组装和堆叠过程中提供硬止挡件。这种硬止挡件功能在燃料电池堆的制造过程中是有帮助的，因为由于垫圈是可压缩的，从而使其在压缩时能密封在燃料电池单元的外表面的凹槽上，在组装过程中存在过度压缩堆的可能性，这种过度压缩可能会使金属支撑板上的电化学活性层破裂或以其他方式损坏，因为在垫圈压缩过程中中心突起30也被带入与这些电化学层接触。通过设置硬止挡件，可以为该压缩程度设定限制，从而使过度压缩受到硬止挡件的抵抗，从而防止金属支撑板上的电化学活性层无意开裂(从而使燃料电池内在中心突起和电化学活性层之间的接合压力具有更好的公差)。
然而，重要的是，这些突起构件120的高度不能超过垫圈34的厚度t，否则，在堆叠过程中，垫圈无法压缩，同样，电化学活性层和中心突起之间的电连接可能无法实现，从而阻止堆叠的有效操作，并在其中引入潜在的热点。然而，突起构件120的实际高度h可以改变或设置为适当的，以便在组装过程中实现垫圈的必要压缩，从而实现电化学活性层和中心突起之间的正确连接，以确保垫圈对燃料电池单元外表面的凹槽有适当的密封以及整个中心突起30的正确电连接。可以在相邻燃料电池单元的一个或两个对接表面(由突起构件120形成的硬止挡件表面和相邻燃料电池单元的金属板材)上使用电绝缘涂层或粘贴层，以防止相邻燃料电池单元之间通过对接表面电接触。
在其变型中，垫圈34的外周没有突起构件，而是在其内部具有形状或孔以容纳突起构件120，从而再次为垫圈提供相对于突起构件120的固定位置，并可能提供相对于突起构件的垫圈潜在的固定方位(或多个固定方位，如果垫圈可以适合于多个固定方位)。
在其变型中，围绕垫圈外周的突起构件120形成在金属支撑板14上，向邻近的燃料电池单元的分隔板12延伸。在另一个变型中，突起构件形成在金属支撑板14和分隔板12上，这些突起构件可以相互间隔开来。此外，金属支撑板14和分隔板12上的突起构件可以是中等高度，并布置成使得它们的突起特征彼此相邻，以形成具有与分隔板12或金属支撑板14上的突起构件的高度相同的总高度的情况，或在分隔板12和金属支撑板14上相互间隔开。
接下来参见图51至54，图中示出了角部的另一个变型。在此实施方案中，在流体端口22周围设置环形槽122来代替(预制的)垫圈，用于容纳原位密封材料。在图52中示出了沟槽122，它的深度小于它两侧的成型端口特征的凹槽24，因为它不需要为流体从流体端口22流入燃料电池单元的内部空间形成屏障。
再次设置凹槽24，以同心环的形式排列。在这种情况下，一个环在环形槽的外部，一个环在环形槽的内部，后者是以沟槽的形式出现在流体端口的边缘。按照前一个实施方案，还可以提供额外的凹槽或沟槽环。然而，为了清晰起见，只示出了两个环以便最清楚地看到环形槽。
尽管在此实施方案中，环形槽形成了均匀的圆形，深度恒定，但有可能使环形槽的半径和深度都不那么均匀，但为了简单起见，提供了均匀的半径和深度。
再次参考图51，可以看到环形槽122现在被原位密封件覆盖，即密封材料124的环。这种材料124可以是在堆叠的组装过程中使用的液体或粘合剂。它可以是任何传统的密封接触粘合剂，在硬化后可以承受燃料电池的运行环境。如果需要的话，它也可以用(预制)垫圈代替，但使用原位密封件具有减少部件数量、降低成本和简化组装的显著优势，因为不再需要仔细定位垫圈。
还请参考图53和54，图54是更详细的视图，可以看出，环形槽122容纳密封剂材料124的体积(或小粒)，材料124也以环形方式延伸到成型端口特征的上表面，从而起到类似前一个实施方案中的垫圈34的作用。通过这种布置，密封剂材料124的厚度可以显著低于一般预制垫圈所需的厚度。同样，可以使用电绝缘密封件，或者可替代地在相邻燃料电池单元的一个或两个对接表面(例如由相邻燃料电池单元的突起部分126和金属板材形成的硬止挡件表面)上使用电绝缘涂层或粘贴层，以防止相邻燃料电池单元之间通过对接表面电接触。
前一个实施方案中的垫圈34的厚度有助于在相邻的燃料电池单元之间提供空间，以便空气或燃料流动。为了保留该空间，可以在分隔板12的突起部分126中提供成型端口特征24，如图52、53和54所示。这也确保了垫圈密封材料顶部的最终高度仍然是合适的高度，以使电化学活性层的外表面在压缩或夹紧堆叠成最终组装位置的过程中正确对准并接触向外延伸的中心突起30的顶部。
沟槽122如图54所示，该沟槽具有深度d，它比两侧的凹槽24的深度要小，因为它不需要为流体从流体端口22流入燃料电池单元的流体体积20形成屏障。优选地，沟槽122的深度d小于突起部分126的深度d2。还优选地，沟槽的深度d在突起部分126的深度d2的5-75％之间。通常地，这可以对应于沟槽122延伸到金属支撑板和分隔板之间的空间，深度在凹槽24的延伸深度的5-80％之间，或更优选10-50％之间，更优选小于50％。该深度可以从外部测量，如图54中的d和d2所示，也可以在燃料电池单元的内部空间的内部高度上测量。
环形槽122所在的突起部分126可以作为硬止挡件特征，类似于图47至50的硬止挡件特征。当然，除环形槽之外，还可以包括突起，以提供类似于图47至50的硬止挡件特征，从而帮助避免密封材料/堆积物的过度压缩。同样地，甚至可以在不使用环形槽的情况下通过表面贴装，例如在平坦环形表面上，使用液体涂抹的密封材料，而不是预先成型的垫圈。然而，没有沟槽可能会导致密封失效的可能性更大，因为沟槽提供了一个体积，一部分密封材料可能会在压缩过程中被推入(固定)，而没有沟槽，密封材料可能会由于例如堆叠的微小错位而被推离密封表面的区域。密封失效会使燃料和空气在堆叠内混合，这是不可取的。因此，环形槽作为一种解决方案，在使用过程中为堆叠提供更长的使用寿命，是更优选的。
最后，参考图41，图示了根据第一实施方案的燃料电池单元的堆叠。这是在增设任何外壳或压缩螺栓或顶板和底板62、64之前。这是为了图示通气道(这里由多个对齐的端口和对齐的垫圈形成的内部歧管)72、74，通过通气道的顶部可以看到金属支撑板14、分隔板12和垫圈34的内部边缘。通气道中的流体可以进入每个燃料电池单元10内的流体体积20，流体体积在每个燃料电池单元的金属支撑板14和分隔板12之间，但由于垫圈34而不能进入相邻的燃料电池单元10之间，而燃料电池单元外部的流体可以进入相邻单元之间的空间，除了垫圈和通气道处，例如箭头76处所示，因为它们之间的侧面/边缘是开放的。
综上所述，提供了一种金属支撑的燃料电池单元10，包括分隔板12和金属支撑板14(如承载化学层50的不锈钢箔)，它们相互重叠以形成重复单元，至少一个板具有通过压制板形成的凸缘外周特征18，这些板在凸缘外周特征处直接相接，在它们之间形成流体体积20，每个板具有至少一个流体端口22，其中，这些端口对齐并与流体体积连通，而且至少有一块板具有压制形成的成型端口特征24，围绕其端口向另一块板延伸，并包括相互间隔的元件以限定流体通道，从而使流体能够从端口进入流体体积。因此，堆叠可以由最少数量的不同的、多功能的部件形成。同样通过压制形成的突起构件120可以接收垫圈34，作为硬止挡件或作为密封承载表面。
替代的布置和形状也将在本发明的范围内，例如，在其中设置方形的指状物，而不是圆形指状物。同样，作为一组元件，成型端口特征的形状不需要与提供给它们的电池单元区域的形状相匹配，因为流出流体通道的流体可以围绕元件组和凸缘外周特征之间的任何间隙进行循环。
以上对本发明的这些和其他特征的描述纯粹是举例说明。在权利要求书的范围内，特别是在燃料电池单元的形状、电化学活性层和用于使流体在燃料电池单元内的流体端口之间流动的成型端口特征和中心突起的元件的布置方面，可以对本发明进行详细修改。
附图标记列表：
现有技术
90 -燃料电池单元
110 -金属支撑板
150 -分隔板
150A -上下波纹
152 -间隔片
160 -大空间/孔
180 -流体端口
200 -流体端口
本发明
10 -燃料电池单元
12 -分隔板
14 -金属支撑板
18 -凸缘外周特征
20 -流体体积
22 -流体端口
24 -成型端口特征
26 -成型端口特征的元件
28 -流体通道
30,32 -中心突起
34 -垫圈
48 -小孔
50 -电化学活性层
52 -单独部件
54 -窗口
58 -脊
60 -接触垫
62 -顶部压缩板
64 -底部压缩板
66 -螺栓
68 -入口位置
70 -出口位置
72 -第一通气道
74 -第二通气道
120 -突起构件
122 -环形槽
124 -原位密封件
126 -突起部分
h -突起构件的高度
t -垫圈厚度
d -沟槽深度
d2 -突起部分深度

Claims (22)

1.一种金属支撑的固体氧化物燃料电池单元，包括:
分隔板；以及
承载燃料电池化学层的金属支撑板，该化学层设置在多孔区上；
所述分隔板和所述金属支撑板相互重叠以形成重复单元；
其特征在于：
所述分隔板和所述金属支撑板中的至少一个板包括通过将该板压制成凹型结构而形成的凸缘外周特征；
所述分隔板和所述金属支撑板在所述凸缘外周特征处直接相接以在二者之间形成流体体积；
在所述分隔板和金属支撑板的每一个板的凸缘外周特征内设有至少一个流体端口，相应的流体端口对齐并与所述流体体积连通；以及
所述分隔板和所述金属支撑板中的至少一个板具有通过压制围绕其端口形成的、朝着另一个板延伸的成型端口特征，并且所述成型端口特征的元件相互间隔开，以限定来自端口且位于元件之间的流体通道，使流体能够从所述端口通往所述流体体积。
2.根据权利要求1所述的金属支撑的燃料电池单元，其特征在于，所述燃料电池化学层采取电化学活性层的形式，所述电化学活性层包括形成在所述金属支撑板上且位于所述金属支撑板内的多孔区上方的阳极、电解质和阴极。
3.根据权利要求1所述的金属支撑的燃料电池单元，其特征在于，所述多孔区设置在分隔板上，所述燃料电池化学层形成在所述分隔板上，所述燃料电池化学层采取电化学活性层的形式，所述电化学活性层包括阳极、电解质和阴极，并且所述分隔板设置在所述金属支撑板的窗口上。
4.根据前述任一项权利要求所述的金属支撑的燃料电池单元，其特征在于，从所述流体端口通往所述流体体积的流体通道是曲折的和/或在多个位置相互交叉。
5.根据前述任一项权利要求所述的金属支撑的燃料电池单元，其特征在于，所述凸缘外周特征仅设置在所述分隔板上。
6.根据前述任一项权利要求所述的金属支撑的燃料电池单元，其特征在于，所述成型端口特征仅设置在所述分隔板上。
7.根据前述任一项权利要求所述的金属支撑的燃料电池单元，其特征在于，所述成型端口特征在其延伸起始的表面以上的高度与所述两个板的相对的内表面之间的距离相同。
8.根据前述任一项权利要求所述的金属支撑的燃料电池单元，其特征在于，所述分隔板和所述金属支撑板中的至少一个板设有通过压制形成且背离另一个板延伸的一个或多个突起构件，并且围绕所述流体端口或每个流体端口布置。
9.根据权利要求8所述的金属支撑的燃料电池单元，其特征在于，包括多个突起构件，所述多个突起构件被布置成限定用于容纳在所述突起构件内的垫圈的空间和/或所述多个突起构件被布置成限定用于容纳在所述突起构件外部的垫圈的周边。
10.根据权利要求8所述的金属支撑的燃料电池单元，其特征在于，在所述成型端口特征之间散布有多个突起构件。
11.根据权利要求8所述的金属支撑的燃料电池单元，其特征在于，所述突起构件或每个突起构件位于所述成型端口特征的外部。
12.根据权利要求8至11中任一项所述的金属支撑的燃料电池单元，其特征在于，所述突起构件或每个突起构件具有限定硬止挡件表面的顶端，相邻的燃料电池单元或从其延伸的部分在组装所述电池单元的堆叠的过程中能够抵靠所述硬止挡件表面。
13.根据权利要求12所述的金属支撑的燃料电池单元，其特征在于，包括限定硬止挡件表面的多个突起构件，并且所述硬止挡件表面全部位于共同平面内。
14.一种固体氧化物燃料电池堆，包括多个根据权利要求1至13中任一项所述的燃料电池单元，所述燃料电池单元相互堆叠，在相邻的燃料电池单元之间的流体端口周围设有密封件，所述密封件可选择地覆盖所述成型端口特征。
15.根据权利要求14所述的燃料电池堆，其特征在于，所述密封件包括垫圈。
16.根据权利要求14所述的燃料电池堆，其特征在于，所述密封件包括原位密封件。
17.根据权利要求14至16中任一项所述的燃料电池堆，其特征在于，所述突起构件或每个突起构件具有顶端，所述顶端限定根据权利要求12定义的硬止挡件表面，其中较低的一个所述燃料电池单元的密封接收表面上的所述至少一个密封件在下一个燃料电池单元堆放在其上之前具有高于所述密封接收表面的高度，并且所述较低的一个燃料电池单元的硬止挡件表面具有高于所述密封接收表面但低于位于所述密封接收表面上的密封件的高度，以便为相邻的燃料电池单元之间的压缩提供限制。
18.根据权利要求14至17中任一项所述的燃料电池堆，其特征在于，至少一个所述密封件部分位于沟槽中，所述沟槽围绕与所述密封件相对应的流体端口，所述沟槽可选地位于所述板的突起部分中。
19.根据权利要求14至18中任一项所述的燃料电池堆，其特征在于，所述燃料电池堆的内部部件仅包括所述电池单元堆和所述密封件，所述密封件可选地覆盖在所述相应的流体端口周围的成型端口特征上。
20.根据权利要求14至19中任一项所述的燃料电池堆，其特征在于，所述压制的成型端口特征在形成它们的板的外表面上限定凹孔，每组成型端口特征的孔被其中一个所述密封件覆盖，所述孔可选地位于所述板的突起部分中。
21.一种制造金属支撑的固体氧化物燃料电池单元的方法，所述方法包括以下步骤。
提供分隔板；
提供金属支撑板；以及
加工所述金属支撑板和所述分隔板中的至少一个板以形成：
凸缘外周特征；
在所述分隔板和所述金属支撑板内的至少一个流体端口；以及
围绕所述至少一个流体端口的至少一个形成的成型端口特征，
所述加工包括至少压制所述板或多个所述板以形成所述凸缘外周特征，从而在所述板或多个所述板中形成凹型结构，同样地压制所述成型端口特征；
所述方法还包括：
将所述分隔板和所述金属支撑板相互堆叠以形成重复单元；
在所述凸缘外周特征处直接连接所述分隔板和所述金属支撑板，其中形成所述凹型结构的凸缘外周特征在其之间形成流体体积，其中所述成型端口特征
朝着另一个板延伸，并且所述成型端口特征的元件
彼此间隔开以提供从所述端口到所述流体体积的流体通道，并且可选地
其中，所述流体端口在压制所述板或多个所述板之前被切割以形成所述凸缘外周特征。
22.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，所述燃料电池单元与权利要求1至13中任一项所述的燃料电池单元一致，或者所述堆叠是根据权利要求14至20中任一项所定义的堆叠。
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