CN115566219A - 平面固体氧化物燃料电池单元、堆、堆单元和系统 - Google Patents

平面固体氧化物燃料电池单元、堆、堆单元和系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种平面平面固体氧化物燃料电池(SOFC)电池单元、堆、堆单元和系统。该平面SOFC电池单元包括：电池室(1120、1400)，所述电池室(1120、1400)是由第一固体体积的材料件围封的，所述第一固体体积的材料件包括一种或更多种材料，所述一种或更多种材料各自具有在350℃的温度处为100W/mK或更大的导热系数；以及‑平面固体氧化物燃料电池，所述平面固体氧化物燃料电池被支撑在所述电池室内，所述平面固体氧化物燃料电池被配置成在SOFC工作温度处工作时产生电化学能量。

Description

平面固体氧化物燃料电池单元、堆、堆单元和系统
本申请是申请日为2017年08月10日、申请号为2017800622976(PCT/US2017/046246)、发明名称为“平面固体氧化物燃料单体电池和电池堆”的发明专利申请的分案申请。
版权声明
本专利文件的部分公开内容可能包含了受版权保护的材料。当其出现在专利商标局的专利档案和记录中时，版权所有者不反对任何人对专利文件或者专利公开内容进行传真复制，但版权所有者将保留所有版权权利。以下声明适用于本文件：
Figure BDA0003882665680000011
巴拉德集团(Ballard Corp)子公司Protonex公司。
技术领域
本文的示例性、说明性技术涉及由平面元件形成的单体电池和单体电池堆。
本文的技术应用于电化学发电。
背景技术
Yaguchi等人于2013年11月12日公开的美国专利第8,580,452B2号公开了一种密切相关的传统设备。Yaguchi公开了围绕燃料电池堆的导热元件，包括分别由奥氏体不锈钢SUS316制成的外壳(20)和导气构件(50)，以及导气构件(60)和(200)。导气构件(60)和(200)在燃料电池堆和导气构件(50)之间围绕燃料电池堆。据称，构件(60)和(200)提高了向导气构件的热传递的效率。构成每个导气构件的材料被描述为电绝缘且导热的。然而，如Yaguchi的图2A所示的引导构件(60)的形状和材料组成并没有公开，如Yaguchi的图12B所示的层(200)的材料被描述为陶瓷绝缘材料。Yaguchi公开的该系统的一个问题是，与诸如铜的材料相比，构件(60)和(200)具有相对低的或未公开的导热率，因此是相对差的导热体。另一个问题是，所公开的导气构件的厚度为0.1mm，这不会为热传导提供太多的热质量。本领域需要通过改善热传导来改善SOFC堆中的热能管理。
传统的平面SOFC堆包括气密密封件，以防止阳极和阴极气体经电池和其它堆部件泄漏，这可能导致气体混合和燃烧，从而造成局部热点，并最终导致堆失效。传统的气密密封件包括刚性粘合玻璃或玻璃陶瓷复合密封件、柔性粘合密封件和压缩垫圈密封件。气密密封件很难形成，需要仔细设计和组装SOFC堆。传统气密密封件的一个问题是，它们可能包括或产生泄漏，原因可能是制造时的缺陷，或者是堆工作期间的热应力和机械应力造成的损坏。当名义上的气密密封件泄漏时，堆性能可能会下降。根据堆设计，泄漏可能使堆失效，或者需要进行复杂且昂贵的堆修复。
传统的平面SOFC堆可以包括压缩密封件，包括例如金属垫圈和云母片密封件，它们被压缩在堆部件之间。传统压缩密封件的一个问题是需要较大的压缩力来使压缩密封件获得气密性。传统压缩密封件的另一个问题是金属垫圈压缩密封件会导致短路。
传统的平面SOFC堆可以包括刚性的、气密的密封材料，例如玻璃或玻璃和陶瓷的组合，其结合到堆部件上。刚性气密密封复合玻璃/陶瓷材料的例子包括CaO-SiO2和BaO-Al2O3-SiO2。粘合刚性气密密封件的一个问题是，振动和机械冲击对SOFC系统或SOFC堆造成的应力通过刚性密封件传递给电池，这可能导致电池破裂或断裂。当使用刚性气密SOFC密封件时，整个SOFC堆通常形成为单个单元，这样，如果一个电池破裂，整个堆则不再可用。刚性气密密封件的另一个问题是密封材料必须仔细甄选，使得在堆工作温度范围内，密封材料的热膨胀系数与平面SOFC的热膨胀系数紧密匹配。匹配热膨胀系数是为了减少在SOFC堆的热循环过程中，由于密封件和SOFC材料的不同膨胀和收缩而引起的机械应力和开裂。粘合气密SOFC密封件的再一个问题是，在SOFC堆的热循环过程中，即使SOFC和密封材料的热膨胀系数紧密匹配，刚性或柔性粘合的电池也可能受到显著的剪应力和主应力。例如，尽管热膨胀系数非常匹配，但与刚性密封件结合的SOFC可能会受到高达145MPa的剪应力和20至25MPa的最大主应力。即使与柔性密封件粘合，SOFC的最大应力也可能约为23MPa。
Couse和Tang于2009年6月30日公开的美国专利第7,553,579B2号描述了一种平面SOFC堆，其包括Ghosh和Thompson于2009年6月30日公开的美国专利第6,902,798B2号中详细描述的柔性密封件。Couse和Tang描述了“浮动”平面固体氧化物燃料电池，其由柔性密封件支撑，使得SOFC不接触刚性SOFC堆部件。Ghosh和Thompson描述的柔性密封件是通过将陶瓷或玻璃颗粒渗入氧化铝毡或垫并通过液压机施加压缩力来预压缩所述复合结构形成的，所述施加的压缩力大于在将密封件组装到SOFC堆中时施加的力。陶瓷或玻璃颗粒旨在阻挡气体通过复合密封材料。所描述的密封件的一个问题是它们不能保持未处理和未压缩氧化铝毡或垫的柔性。Ghosh和Thompson没有披露成形密封件的压缩模量，但承认它不如未浸渍和未压缩的氧化铝毡或垫材料柔性好，称密封件“保持了一定的柔韧性”。所描述的密封件的另一个问题是其厚度为其支撑的平面SOFC的厚度的约四分之一，这样即使密封件保持了吸收机械载荷的柔性，相对薄的密封件适应变形，从而吸收机械载荷的厚度也是有限的。
Gregorski于2009年6月4日公开的美国专利申请第2009/0142639A1号描述了由氧化铝毡密封件支撑的平面SOFC，所述氧化铝毡密封件被压缩到指定的厚度以实现基本气密的密封件。Gregorski的一个问题是毡密封件的原密封件高度压缩了大约42％，以实现基本气密的密封件。压缩氧化铝毡密封件的柔性不如未压缩或压缩程度较小的密封件好。毡密封件的另一个问题是，发明人注意到，当密封件的变形略大于获得基本气密的密封件所需的变形时，例如压缩47至52％，SOFC出现开裂。
附图说明
从本发明的详细描述及其示例性实施例中，将最好地理解本发明的特征，这些实施例是出于说明的目的而选择的，并在附图中示出，其中：
图1示出了根据本技术的非限制示例性固体氧化物燃料电池堆组件的示意性侧剖视图。
图2A示出了根据本技术的非限制示例性电解质支撑的固体氧化物燃料电池的示意性侧剖视图。
图2B示出了根据本技术的非限制示例性阳极支撑的固体氧化物燃料电池的示意性侧剖视图。
图2C示出了根据本技术的非限制示例性金属支撑的固体氧化物燃料电池的示意性侧剖视图。
图3A示出了根据本技术的非限制示例性成形板连接件的示意图。
图3B示出了根据本技术的非限制示例性固体氧化物燃料电池堆组件的示意性侧剖视图。
图4示出了根据本技术的非限制示例性固体氧化物燃料电池堆组件的示意性侧剖视图。
图5示出了根据本技术的固体氧化物燃料电池堆组件的示例性气体流动路径的示意图。
图6示出了根据本技术的固体氧化物燃料电池堆组件的示例性气体流动路径的示意图。
图7示出了根据本技术的非限制示例性固体氧化物燃料电池系统的示意图。
具体实施方式
定义
除非另有特别说明，以下定义贯穿全文：
Figure BDA0003882665680000041
Figure BDA0003882665680000051
项目编号列表
除非另有特别说明，否则以下项目编号贯穿全文。
Figure BDA0003882665680000052
Figure BDA0003882665680000061
Figure BDA0003882665680000071
Figure BDA0003882665680000081
Figure BDA0003882665680000091
示例性系统架构
参考图1、3B和4，示意性侧剖视图中示出了包括多个电池单元(1010，3010，4010)的高功率固体氧化物燃料电池(HP-SOFC)堆(1000，3000，4000)。HP-SOFC堆可以包括更多或更少的电池单元，例如，HP-SOFC堆可以包括3个、4个、10个或更多的电池单元。在优选实施例中，HP-SOFC堆包括18个电池单元。
每个电池单元(1010，3010，4010)包括平面SOFC(2000，2100或2200)。参考图2A、2B和2C，平面SOFC可以包括电解质支撑的SOFC(2000)、阳极支撑的SOFC(2100)或金属支撑的SOFC(2200)。电池单元(1010和1030)被描述为各自包括电解质支撑的SOFC(2000)，电池单元(3010)被描述为包括阳极支撑的SOFC(2100)。应当认识到，在不脱离所公开技术的概念的情况下，每个电池单元(1010，3010，4010)可以包括任何平面SOFC(2000，2100，2200)或其它合适的平面SOFC(未示出)。
参考图2A，平面电解质支撑的SOFC(2000)显示在侧剖视图中。平面电解质支撑的SOFC(2000)包括电解质层(2010)，该电解质层包括任何合适的SOFC电解质材料，例如基于完全或部分稳定氧化锆、掺杂二氧化铈、掺杂LaGaO3和掺杂Bi2O3的电解质材料，例如钇稳定氧化锆(YSZ)。
电解质支撑的平面SOFC(2000)的阳极表面(2022)包括设置在电解质(2010)上并由其支撑的阳极电极(2020)。阳极电极层可以由任何合适的SOFC阳极电极材料形成，包括例如Ni或Ni掺杂的二氧化铈。
与阳极表面相对的阴极表面(2042)包括设置在电解质上并由其支撑的阴极电极(2040)。在非限制性示例中，阴极电极由一种或多种常规SOFC阴极电极材料形成，包括掺锶锰酸镧(La1-xSrxMnO3(LSM))、Ba0.5Sr0.5Co0.6Fe0.4O3–5(BSCF)、La1-xSrxFe1-yCoyO3(LSCF)，以及Pr1-xSrxFeO3(PSF)组阴极材料以及任何其它合适的SOFC阴极材料。
集电器层(2050)设置在阴极电极的阴极表面(2042)上并部分覆盖阴极电极的阴极表面(2042)。集电器层(2050)可以通过使用丝网印刷或任何其它合适的材料层沉积方法将导电材料沉积到阴极表面(2042)上来形成。在非限制示例性实施例中，集电器(2050)由不锈钢形成。
在进一步的实施例中，电池单元(1010，3010，4010)可以包括具有不同构造的SOFC，例如阳极或金属支撑的平面SOFC。参考图2B和2C，阳极支撑的SOFC(2100)和金属支撑的SOFC(2200)在侧剖视图中示出。
阳极支撑的平面SOFC(2100)包括阳极电极(2120)，阳极电极包括阳极表面(2122)。阳极电极(2120)支撑电解质层(2110)、阴极层(2140)和设置在阴极表面(2142)上的集电器层(2150)。阳极电极(2120)可以包括任何合适的SOFC阳极电极材料，例如NiO-YSZ金属陶瓷、基于钛酸锶的钙钛矿材料、铬酸镧和基于二氧化铈的萤石材料。阳极电极(2120)可以使用诸如流延或模压的方法形成。薄膜沉积技术可以用于在阳极电极(2120)上沉积电解质薄层(2110)。
金属支撑的平面SOFC(2200)包括支撑电解质层(2210)的多孔金属板(2260)、阴极层(2240)和设置在阴极表面(2242)上的集电器层(2250)。在一个实施例中，多孔金属板(2260)由包括多孔不锈钢的材料形成。多孔金属板(2260)可以用作阳极电极，使得金属支撑的SOFC(2200)可以不需要单独的阳极电极层，并且金属板表面(2262)等同于阳极表面(2022，2122)。在另一个非限制性实施例(未示出)中，阳极电极材料层设置在多孔金属板(2260)和电解质层(2210)之间。
另一示例性平面SOFC(未示出)包括陶瓷支撑的SOFC，该SOFC在构造上基本类似于金属支撑的平面SOFC(2200)，其中多孔陶瓷板代替金属板(2260)，阳极层设置在多孔陶瓷板和阴极电极层(2240)之间。
参考图1、3B和4，每个电池单元(1010)包括隔板(1100)。隔板形成为包括由环形侧壁(1110)界定的中心空腔(1120)。中心空腔可以由穿过实心圆形隔板(1100)的圆形通孔形成。圆孔在隔板的相对面上形成顶部和底部圆孔。在其它实施例中，孔和板可以是其它形状，例如正方形、矩形或其它板和孔的形状和尺寸，只要不偏离本发明。每个电池单元(1010)包括阳极流板(1200)和阴极流板(1300)。阳极流(1200)板邻近隔板(1100)设置，并与SOFC(2000)的阳极表面(2020)相对。阴极流板(1300)邻近隔板(1100)设置，并与SOFC的阴极表面(2040)相对。阳极流板(1200)、阴极流板(1300)和隔板(1100)一起形成电池室(1400)。平面SOFC(2000)设置在电池室(1400)内。注意，尽管图1和4包括电解质支撑的平面SOFC(2000)，图3A和图3B包括阳极支撑的SOFC(2100)，但是电池单元(1010，3010，4010)可以包括任何合适的平面SOFC，例如陶瓷支撑的SOFC、阳极支撑的SOFC(2100)或金属支撑的SOFC(2200)。隔板(1100)的环形侧壁(1110)形成电池室的壁。阳极和阴极流板(1200，1300)形成电池室的顶壁和底壁。
在每个单体电池(1010)中，至少阴极流板与隔板匹配接触，使得每个阴极流板跨越两个垫板之间的平面边界导热耦合。在隔板和阳极流板之间形成平面边界的情况下，该边界由图1所示并在下面描述的基本平面的电绝缘体(1850)电绝缘。因为电绝缘体也是绝热的，所以隔板和阳极流板不跨越两个垫板之间的平面边界导热耦合。然而，在图1中进一步示出，每个堆单元(1020)包括隔板(1100)、阴极流板(1300)和阳极流板(1200)，其全部跨越三个垫板之间的平面边界导热耦合。因此，每个堆单元(1020)提供了基本固体体积的板材料，该板材料形成为从堆单元(1020)的中心空腔延伸到周边边缘的基本上连续的导热路径，并且如下文将进一步描述的，当由导热系数在100和400W/(m·K)之间的一种或多种材料形成并且形成有足够的热质量时，基本固体体积的板材料在整个基本固体体积的板材料上均匀分布热能，并且允许固体体积在平面SOFC的稳态工作期间保持在基本恒定的温度下。隔板(1100)、阳极流板(1200)和阴极流板(1300)各自由具有一种或多种具有高导热系数的材料形成，例如在100和300W/(m·K)之间，优选高于200W/(m·K)。因此，隔板(1100)、阳极流板(1200)和阴极流板(1300)各自由铜、钼、铝、铜镍合金中的一种或多种或其组合制成。在一个实施例中，隔板(1100)、阳极流板(1200)和阴极流板(1300)各自由包括铜的材料制成，该材料的导热系数优选在330(m·K)至400W/(m·K)的范围内或更大，并且熔化温度约为1085℃或更低，这取决于材料的温度和合金的组成。
在包括低温SOFC，例如在约500℃或更低温度下工作的SOFC的另一个实施例中，隔板(1100)、阳极流板(1200)和阴极流板(1300)各自由能够在约500℃或更低温度下工作的铝合金，即熔点大于500℃的合金制成。在一个实施例中，铝合金是Al 6061，具有大约582至652℃的熔点和167W/m-K的导热系数。此外，隔板(1100)、阳极流板(1200)和阴极流板(1300)包括足够的热质量，以在各个板中以及板之间快速传导热能。如本文所用，术语导热板指的是隔板(1100)、阳极流板(1200)和阴极流板(1300)，或者包括HP-SOFC堆(1000，3000，4000)的任何其它板，该堆由一种或多种导热系数等于或大于100W/(m·K)的材料形成，并且具有足够的热质量以快速传导热能。
本发明的一个特别优点是，通过用形成有足够热质量的高导热板包围电池室，在电池室内工作的平面SOFC产生的热能被快速吸收并均匀分布在整个堆单元中，并进一步分布到与大堆单元中的堆单元导热接触的其它堆单元。
每个HP-SOFC堆(1000，3000，4000)由多个电池单元(1010，3010，4010)组成，每个电池单元包括导热板。具体地，HP-SOFC堆(1000，3000，4000)的每个导热板被配置成提供从每个电池室延伸到局部堆单元的整个热质量的基本连续的导热路径，用于将热能从堆中的一个位置快速传递到其它位置，从而更快地降低温度梯度，并将整个HP-SOFC堆保持在基本相同的温度。HP-SOFC堆(1000，4000)根据燃料电池堆的固体材料层的组成以及阳极和阴极气体的特性，保持在高工作温度(例如350至1200℃)。此外，热能从整个HP-SPFC堆的外表面持续散发到周围空气中。选择优选的工作温度以高效产生电化学能量。
电池室(1400)包括与SOFC(2000)的阳极表面(2022)相对的阳极进给室(1420)和与SOFC的阴极表面(2042)相对的阴极进给室(1430)。阳极进给室(1420)由隔板的环形侧壁(1110)、SOFC(2020)的阳极表面和阳极流板(1200)界定。阴极进给室(1430)由隔板的环形侧壁(1110)、SOFC(2040)的阴极表面和阴极流板(1300)界定。
阳极网或泡沫连接件(1520)设置在阳极进给室(1420)内，位于电池的阳极电极(2020)和阳极流板(1200)之间并与之电接触。阴极网或泡沫连接件(1530)设置在阴极进给室(1430)内，位于电池的阴极电极(2040)和/或集电器(2050)与阴极流板(1300)之间并与之电接触。阳极和阴极网或泡沫连接件(1520，1530)各自由导电和导热材料制成，例如，包括铜和/或镍的材料。阳极网或泡沫连接件(1520)在阳极电极(2020)和阳极流板(1200)之间提供导电路径，阴极网或泡沫连接件(1530)在阴极电极(2040)和/或集电器(2050)和阴极流板(1300)之间提供导电路径。在非限制示例性实施例中，阳极和阴极网或泡沫连接件由铜制成，根据材料的温度和合金的组成，其具有约1.68×10-8欧姆-米的电阻率和约330(m·K)至400W/(m·K)或更大的导热系数。
阳极和阴极网或泡沫连接件(1520，1530)形成有通路，阳极和阴极气体可以流过这些通路。此外，阳极和阴极网或泡沫连接件均被配置成柔性的，从而在被压缩时弯曲或变形。当组装HP-SOFC堆时，网或泡沫连接件(1520，1530)被机械压缩加载。每个网或泡沫连接件(1520，1530)被配置成当压缩力增加时变形，当压缩力减小时膨胀，使得网或泡沫连接件(1520，1530)、SOFC(2000)的阳极和阴极表面以及与每个阳极和阴极表面相对的流板(1200，1300)之间保持电接触。
在一个实施例中，阳极和阴极网或泡沫连接件(1520，1530)包括铜或其它适当金属的非刚性开孔泡沫或网，其具有气体可流过的连接空隙空间。每个泡沫或网连接件(1520，1530)被配置成在组装HP-SOFC堆时以及在HP-SOFC堆的工作期间，受到压缩时变形，但不会完全塌陷在空隙空间中。
参考图3A、3B和4，HP-SOFC堆(3000)的另一示例性非限制性实施例包括成形板连接件(3520，3530)。成形板连接件(3520，3530)由成形板(3532)材料制成，例如厚度在0.002和0.090英寸之间的金属板。在非限制示例性实施例中，成形板(3532)由厚度约为0.01英寸的金属板制成。成形板连接件(3520，3530)由导电材料或具有导电镀层或涂层的基材形成。例如，成形板连接件(3520，3530)可以由包括含镍合金或含铁合金的材料形成，其中合金涂覆有一种或多种导电材料，包括例如银、铂、钯、金，或导电陶瓷涂层，例如尖晶石涂层。在一个实施例中，成形板连接件(3520、3530)包括铜，其具有约1.68×10-8欧姆-米的电阻率和约330(m·K)至400W/(m·K)或更大的导热系数，这取决于材料的温度和合金的组成。
成形板连接件(3520，3530)各自包括由板(3532)的局部切口(3537)形成的柔性翼片(3535)。每个成形板连接件(3520，3530)的金属板(3532)被设置成与阳极流板(1200)或阴极流板(1300)相邻并接触。成形板连接件(3520)的柔性翼片(3535)从与阳极流板(1200)接触的金属板(3532)延伸到接触阳极表面(2122)。成形板连接件(3530)的柔性翼片(3535)从与阴极流板(1300)接触的金属板(3532)延伸到接触阴极表面(2142)和/或集电器(2150)。柔性翼片(3535)被配置和设置成在组装HP-SOFC堆时受到压缩力，该压缩力导致柔性翼片的部分弯曲。
柔性翼片(3535)被配置成在堆组装和堆工作期间在变化的压缩载荷下弯曲和挠曲，使得柔性翼片(3535)保持与SOFC(2100)和相对板(1200，1300)物理和电接触。翼片被配置和设置成其间具有开放空间，以使阳极和阴极气体能够从中流过。参照图3A，阳极成形板连接件(3520)在阳极电极(2120)和阳极流板1200之间提供导电路径，阴极成形板连接件(3530)在阴极电极(2140)和/或集电器2050和阴极流板(1300)之间提供导电路径。参照图4，阳极成形板连接件(3520)在阳极电极(2120)和阳极流衬板(4720)之间提供导电路径，阴极成形板连接件(3530)在阴极电极(2140)和/或集电器(2050)和阴极流动衬板(4730)之间提供导电路径。
参照图1、3B和4，热能在SOFC(2000，2100)，或可选的SOFC(2200)或其它合适的平面SOFC与形成电池室(1400)的周围导热板(1100，1200，1300)之间交换。在一个实施例中，每个SOFC(2200)具有约24克的质量，并被导热板包围，所述导热板具有约340克的总质量并且包括具有高导热系数，例如在100和300W/(m·K)之间，并且优选高于200W/(m·K)的材料。热能在SOFC(2000，2100)和导热板(1100，1200，1300)之间传递，例如，通过辐射热传递，通过阳极和阴极网或泡沫连接件(1520，1530)或成形板连接件(3520，3530)的传导热传递，或者通过辐射和传导的组合。热能也可以通过阳极和阴极气体的对流传递到SOFC(2000，2100)，阳极和阴极气体可以被导热板加热。
导热板(1100，1200，1300)提供导热路径，在系统启动期间，热能通过该导热路径被引导至SOFC(2000)，以使SOFC的温度达到工作温度。在系统工作期间，HP-SOFC堆保持在基本恒定和均匀的温度，并且在SOFC(2000，2100)和周围导热板(1100，1200，1300)之间交换热能，以将SOFC保持在期望的工作温度。每个SOFC(2000，2100)被堆部件包围，堆部件通过热能的快速传导而保持在基本均匀和恒定的温度。因此，跨越每个SOFC的温度梯度大大降低或消除，所述温度梯度会影响电池效率，并且会由于电池的不同热膨胀和收缩而引起机械应力。
阳极流板(1200)、阴极流板(1300)和隔板(1100)各自包括穿过其中的孔，当这些板组装在HP SOFC堆中以形成阴极气体歧管(1630)、阳极气体歧管(1620)和排气歧管(1650)时，这些孔对齐。在一个实施例中，HP-SOFC堆包括一个或多个每种类型的歧管。在示例性实施例中，HP-SOFC堆包括三个阳极气体歧管、三个阴极气体歧管和六个排气歧管。
阳极和阴极气体歧管(1620，1630)形成在HP-SOFC堆的导热板(1100，1200，1300)内，因此包括具有高导热系数的材料。阳极和阴极气体歧管(1620，1630)保持在基本均匀的堆工作温度。通过阳极气体歧管(1620)的阳极气体(1900)，例如由催化部分氧化(CPOX)反应器、蒸汽重整器、自动热重整器或其组合处理的燃料/空气混合物，和通过阴极气体歧管(1630)的阴极气体(1910)，例如氧气、空气或包含氧气的其它气体混合物，与HP-SOFC堆交换热能，例如阴极气体在通过HP-SOFC堆时被持续加热，直至达到堆温度，并且具有与包括SOFC在内的堆部件基本相同的温度。导热板(1100，1200，1300)、SOFC(2000，2100)以及阳极和阴极气体(1900，1910)保持在基本均匀的温度，从而降低了堆工作期间的温度梯度和热应力。
阴极流板(1300)包括至少一个阴极气体入口通路(1320)或通道，其设置成将阴极气体歧管(1630)与阴极进给室(1443)连接。阴极流板(1300)还包括形成在板内或板表面上的至少一个废气燃烧室(1340)、设置成将阴极进给室(1430)连接到废气燃烧室(1340)的阴极出口通路(1330)或通道，以及设置成将废气燃烧室与排气歧管连接的排气通道(1350)。
阳极流板(1200)包括至少一个阳极气体入口通道(1220)或通路，其设置成将阳极气体歧管(1620)与阳极进给室(1420)连接。阳极流板(1200)还包括至少一个阳极出口通道(1230)或通路，其设置成将阳极进给室(1420)连接到相邻阴极流板(1300)的废气燃烧室(1340)。在替代实施例中，废气燃烧室形成在阳极流板上；在又一实施例中，废气燃烧室部分地形成在阳极流板和阴极流板中的每一个上。
每个电池单元(1010，4010)包括设置在隔板(1100)和阳极流板(1200)之间的耐高温电绝缘材料层，以形成电绝缘层(1850)。电绝缘层防止SOFC(2000)的阳极电极(2120)和阴极电极(2140)电短路。
氧化保护
导热板(1100，1200，1300)的一部分和成形板连接件(3520，3530)暴露于腐蚀性阳极、阴极和废气。在一个实施例中，导热板(1100，1200，1300)和成形板连接件(3520，3530)均涂覆有耐腐蚀金属，例如镍，以保护板免受氧化。在进一步的实施例中，在板中形成的通路壁涂覆有钎焊材料以提供保护涂层。在进一步的实施例中，通路壁衬有耐高温腐蚀金属插件，例如由蒙乃尔合金或英科乃尔合金制造的插件。在进一步的实施例中，保护涂层和/或衬里或覆盖物的组合用于保护板的表面。
参考图4，在特定实施例中，通过用衬板(4710，4720，4730)覆盖导热板的表面，为导热板(1100，1200，1300)提供腐蚀保护，衬板由高温抗氧化材料形成，例如由超合金，比如哈氏合金或蒙乃尔合金形成。在一个实施例中，衬板由蒙乃尔合金形成。衬板包括隔板衬板(4710)、阳极流衬板(4720)和阴极流衬板(4730)。衬板(4710，4720，4730)位于堆中，邻近导热板(1100，1200，1300)。
阳极流衬板(4720)和隔板衬板(4710)与阳极流板(1200)相邻叠放，其中阳极流衬板(4720)与阳极进给室(1420)相对，隔板衬板(4710)叠放在阳极流板(1200)和相邻阴极流板(1300)之间。
阴极流衬板(4730)和隔板衬板(4710)与阴极流板(1300)相邻叠放，其中阴极流衬板(4730)与阴极进给室(1430)相对，隔板衬板(4710)叠放在阴极流板(1300)和相邻阳极流板(1200)之间。
阳极流衬板(4720)、阴极流衬板(4730)和隔板衬板(4710)中的每一个包括歧管通孔，该歧管通孔与阳极流板、阴极流板和隔板的歧管通孔一起形成阳极、阴极和排气歧管(1620，1630，1650)。
参考图4，在一个实施例中，阳极和阴极入口通路(1220，1320)的侧壁、阳极和阴极出口通路(1230，1330)的侧壁、废气燃烧室(1340)的的侧壁和排气通路(1350)的侧壁由形成在阳极流板(1200)的第一表面(1210)和阴极流板(1300)的第一表面(1310)上的通道形成。阳极流衬板(4720)和阴极流衬板(4730)提供包围凹槽或通道的顶壁或底壁，以形成通路和燃烧室。阳极流衬板(4720)包括设置成将阳极气体入口(1220)连接到阳极进给室(1420)的入口通孔(4722)和设置成将阳极进给室连接到阳极气体出口(1230)的出口通孔(4724)。阴极流衬板(4730)包括设置成将阴极气体入口通路(1320)连接到阴极进给室(1430)的阴极入口通孔(4732)和设置成将阴极进给室连接到阴极气体出口通路(1330)的出口通孔(4734)。隔板衬板(4710)包括排气通孔(4712)，以将阳极出口通道(1240)连接到相邻阴极流板(1300)的废气燃烧室(1340)。
在另一实施例(未示出)中，通路、阳极和阴极进给室以及燃烧室包括由通道形成的侧壁，通道延伸穿过导热阳极和阴极流板以及导热隔板的整个厚度。阳极流衬板和隔板衬板形成阳极入口通路和阳极出口通路的顶壁和底壁。阳极流衬板包括将阳极入口通路连接到阳极进给室的入口通孔。阳极流衬板包括一个或多个出口通孔，每个出口通孔将阳极进给室连接到阳极出口通路。阴极流衬板和隔板衬板形成阴极入口通路、阴极出口通路和废气燃烧室的顶壁和底壁。阴极流衬板包括将阴极入口通路连接到阴极进给室的入口通孔。阴极流衬板包括一个或多个出口通孔，每个出口通孔将阴极进给室连接到阴极出口通路。
柔性密封件
参照图1和图4，两个高温柔性环形密封件(1800)在电池室(1400)内支撑SOFC(2000)。在一个实施例中，环形高温柔性密封件(1800)由高温毡形成，例如由毡制陶瓷棉形成的无纺布、二氧化硅基材料，例如可以从德克萨斯州迪尔帕克的Flexatallic公司获得的Flexcatallic，或其组合。在包括低温SOFC和相对较低工作温度的实施例中，柔性密封件(1800)可以由包括石墨或碳纤维的材料形成。
第一高温柔性密封件(1800)设置在SOFC(2000)和阳极流板(1200)或阳极流衬板(4720)之间，第二高温柔性密封件设置在SOFC(2000)和阴极流板(1300)或阴极流衬板(4730)之间。高温柔性密封件(1800)沿着相应的阳极和阴极气体进给室的外围边缘配置和布置，使得SOFC的阳极和阴极表面中的每一个的大部分被暴露，即没有被柔性密封件覆盖。柔性密封件(1800)通过密封SOFC和隔板的环形壁(1110)之间可能存在的任何间隙，在阳极和阴极进给室之间提供气体密封。柔性密封件(1800)通过密封隔板(1100)和阳极和阴极流板(1200，1300)或衬板(4720，4730)中的每一个之间可能存在的任何间隙，进一步在电池室(1400)和堆外部的环境之间提供气体密封。然而，由于每个柔性密封件包括毡制织物和/或纤维，气体密封可能不是完美的，使得一些阳极和阴极气体通过相应的密封件，并在中央电池室(1400)的外围边缘处混合，例如在第一和第二柔性密封件之间。
在一个实施例中，柔性密封件(1800)可以提供或不提供完全气密的密封，因为密封材料至少稍微多孔；然而，预计会有一些泄漏。在实践中，阳极和阴极气体分别经过柔性密封件(1800)泄漏，例如积聚在中心空腔的外围边缘，并且可能进一步泄漏出外围边缘，沿着电绝缘体(1850)在区域(1244)离开HP-SOFC堆。阳极进给室(1420)内的混合气体(1242)和阴极进给室(1430)内的混合气体(1240)易于自燃。点燃的混合气体在泄漏位置附近释放热能。热能被HP-SOFC堆的导热部件吸收，并在整个堆中快速传导，从而防止可能造成堆部件损坏的温度集中升高(即热点)。
热能传递
参照图1，每个SOFC(2000)设置在电池室(1400)中，该电池室由包括隔板(1100)、阳极流板(1200)和阴极流板(1300)的热板限定和包围。在一个实施例中，隔板(1100)、阳极流板(1200)和阴极流板中的每一个由基本上包含铜的材料形成。参照图3A和图3B，电池室(1400)还可以包括两个成形板连接件(3520，3530)，在一个实施例中，每个板连接件由基本上包含铜的材料形成。在HP-SOFC堆(1000)的特定实施例中，包括热板和连接件的HP-SOFC堆的热质量远大于SOFC和其它堆部件的热质量。
每个HP-SOFC堆部件的热质量Cth定义为部件材料质量(m)(以g为单位)和部件材料比热容(μ)(以J/g℃为单位)的乘积，其中质量(m)是部件材料体积V(以cm3为单位)和材料密度(ρ)(以g/cm3为单位)的乘积，
Cth＝ρVμ EQU.1
-其中ρ＝材料密度(g/cm3)
-V＝材料体积(cm3)
μ＝材料的材料比热容(J/g℃)。在非限制示例性实施例中，包围电池室(1400)的隔板(1100)、阳极流板(1200)和阴极流板(1300)和设置在电池室(1400)内的成形板连接件(1520，1530)分别主要包括铜，SOFC(2100)主要包括氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)或YSZ和其它材料的复合物，包括阴极和阳极电极材料，如本领域技术人员所公知的。对于铜，比热容(μ)为0.385J/g℃。对于YSZ和YSZ复合物，SOFC(2000)的比热容(μ)估计约为0.6J/g℃。对于铜，密度(ρ)为8.96g/cm3，对于SOFC(2000)，密度(ρ)近似为6.01g/cm3。
参考表1，示出了HP-SOFC堆(1000，3000)的示例非限制性实施例的堆部件的热质量的计算。
表1：HP-SOFC堆部件特性
Figure BDA0003882665680000201
Figure BDA0003882665680000211
参考表1，单电池单元(1010，3010)的部件总质量约为336.1g，总热质量约为129.4J/℃，该部件由主要包含铜的材料形成，包括热板(1100，1200，1300)和成形板连接件(3520，3530)。相比之下，SOFC(2000)的质量约为24.2g，热质量约为14.5J/℃。因此，包含铜的HP-SOFC堆(1000，3000)部件(即1100，1200，1300，1520，1530，3520，3530)的热质量大约是SOFC(2000)热质量的9倍。HP-SOFC堆(1000)的热特性因此主要由热板和成形板连接件决定，所述热板和成形板连接件的特性包括导热系数较高，例如在100和300W/(m·K)之间，优选高于200W/(m·K)，以铜为例，其导热系数为约400W/(m·K)或更大，例如401W/(m·K)。高导热系数材料的相对较大的热质量为吸收HP-SOFC堆内产生的热能提供了一个大储库，并为在整个堆内快速传导吸收的热能提供了一个热路径。因此，由混合的阳极和阴极气体燃烧产生的热能优先被HP-SOFC堆部件吸收并快速传导，该部件包括热板(1100，1200，1300)和成形板连接件(3520，3530)，其保护SOFC(2000)免受热应力和高温的影响，否则当混合气体点燃时，这些热应力和高温会转移到SOFC。
参考表1，在示例性实施例中，铜部件的热质量约为129.4J/℃，SOFC(2000)的热质量约为14.5J/℃，因此铜部件的热质量约为SOFC(2000)的热质量的9倍，使得热板(1100，1200，1300)和成形板连接件(3520，3530)比SOFC(2000)吸收更多的热能。
参考图4，在另一非限制性示例中，HP-SOFC堆包括设置成保护热板(1100，1200，1300)免受氧化的衬板。电池单元(4010)包括隔板衬板(4710)、阳极流衬板(4720)和阴极流衬板(4730)。在一个实施例中，每个衬板(4710，4720，4730)由主要包含蒙乃尔合金的材料形成，密度约为8.8g/cm3，比热容约为0.427J/g℃。参考表2，由蒙乃尔合金形成的衬板(4710，4720，4730)的总质量约为135.5g，衬板的热质量约为57.9J/g℃。参考表1和表2，包含铜的HP-SOFC堆(3000，4000)部件(即1100，1200，1300，1520，1530)的热质量因此大约是衬板(4710，4720，4730)热质量的2.2倍。包含铜的部件和包含蒙乃尔合金的衬板的总热质量约为SOFC(2000)热质量的13倍。
表2：衬板特性
Figure BDA0003882665680000221
热能传递速率(Q/t)由以下等式确定：
Q/t＝kA(T2-T1)/d EQU.2
-其中
-Q/t＝传热速率；
-k＝热导率
-A＝堆板的表面积
-d＝堆板的厚度
-T2-T1＝堆板厚度上的温差。
对于堆板厚度上的特定温差(T2-T1)，例如跨越隔板(1100)、阳极流板(1200)或阴极流板(1300)，热能传导速率(Q/t)是板横截面表面积(A)、厚度(d)和导热系数(k)的函数。参考等式2，Q/t是(A.k)/d的函数。参考表3，在HP-SOFC堆的示例非限制性实施例中，对于隔板(1100)，Q/t大约等于553(T2-T1)，因此根据使用等式2进行的估计，隔板是对热流具有最大阻力的热板堆部件。
表3：热板和衬板的热流特性
Figure BDA0003882665680000231
参考表1，包含铜的隔板(1100)具有约50.3J/℃的热质量。包括类似于隔板(1100)的隔板的常规SOFC堆可以包括由常规堆材料如不锈钢或高性能超级合金(如哈氏合金)形成的板。由不锈钢形成并具有与铜隔板(1100)相似的热质量的隔板(1100)(即，与铜隔板相比，能够吸收相似量的热能的不锈钢隔板)具有44.9cm2的横截面积和约0.298cm的厚度。具有这些尺寸的不锈钢隔板的热质量根据等式1计算如下：
Cth＝ρVμ＝7.9g/cm3*(44.9cm2*0.284cm)*0.50(J/g℃)＝50.3
J/℃ EQU.3
具有这些尺寸的不锈钢隔板的热流率根据等式2计算如下：
Q/t＝kA/d*(T2-T1)＝14W/(m.K)*(44.9cm2/0.284cm)*(T2-T1)＝22
(T2-T1)
EQU.4
因此，参考表3以及等式3和4，根据所公开技术的实施例形成的隔板(1100)传递热能的速率(Q/t＝553(T2-T1))是使用常规SOFC堆材料形成的具有相似热质量的隔板的速率(Q/t＝22(T2-T1))的约25倍。
参照图4，HP-SOFC堆(4000)的一个实施例包括由抗氧化合金(如蒙乃尔合金或哈氏合金)形成的阳极流衬板(4720)、阴极流衬板(4730)和隔板流衬板(4710)，并设置成保护包括阳极流板(1200)、阴极流板(1300)和隔板(1100)的热板免受氧化。参考表3，在一个实施例中，每个衬板(4710，4720和4730)被配置为厚度小于任何热板的厚度，并且每个衬板传递热能的速率(Q/t大约800(T2-T1))是隔板(1100)传递热能的速率(Q/t＝553)约1.4倍。因此，尽管所包含材料的导热系数(k＝26W/m.K)小于热板(1100，1200，1300)的导热系数(k＝401W/m.K)，但是与隔板(1100)相比，衬板(4710，4720和4730)并不会减慢通过HP-SOFC堆(4000)的热传导。
参考图1、3B、4和7以及等式2，包括主要由铜形成的HP-SOFC单元(例如，1010，3010，4010)的示例性HP-SOFC燃料电池堆(7100)具有从第一端(7102)到第二端(7104)的长度(d)和横截面积(A)。等式2中的T1可以指正常的堆工作温度，例如约700℃的温度，还可以被称为Tcold。等式2中的T2可以指HP-SOFC堆(7100)内的热位置的温度，例如与燃烧气体泄漏(即1240至1248中的一个或多个)热连通的热板(1100，1200，1300)的一部分，或者因其它原因具有较高温度的另一位置。T2因此可以被称为Thot。因此，等式2可以表示为：
Q/t＝kA/d(Thot–Tcold) EQU.5
为了将主要包含铜的HP-SOFC堆(7100)的热特性与长度(d)和横截面积(A)与HP-SOFC堆(7100)基本相同的常规SOFC堆的热特性进行比较，HP-SOFC堆(7100)的热导率近似为铜(kc)的热导率，其中kc＝401W/(m.K)，常规SOFC堆(kcov)的热导率近似为不锈钢的热导率(kss)或陶瓷的热导率(kcer)，其中kss＝14W/(m.K)，kcer＝12W/(m.K)。假设两个电池堆的A和d相同，常规SOFC电池堆的Q/t小于HP-SOFC电池堆(7100)的Q/t，如等式5所示：
kcov(Thot–Tcold)<kc(Thot–Tcold) EQU.6
因此，HP-SOFC堆(7100)的温差Thot–Tcold比主要由陶瓷部件形成的堆的Thot–Tcold小33倍，比主要由不锈钢部件形成的堆的Thot–Tcold小28倍。在SOFC堆的工作过程中，一个小的泄漏，例如一个或多个泄漏(1240至1248)，会在混合的阳极和阴极废气燃烧时产生热量。如果这种泄漏在由常规材料(例如陶瓷或不锈钢)形成的常规堆中产生100℃的温差(Thot–Tcold)，那么在HP-SOFC堆(7100)中，基本类似的泄漏仅产生约3℃的温差。
振动、机械和热冲击防护
参考图3B，基本上类似于电池单元(1010，4010)的单电池单元(3010)包括平面阳极支撑的SOFC(2100)，SOFC(2100)由柔性密封件(1800)支撑并保持在邻近隔板(1100)的外围边缘处。成形板连接件(3520，3530)的柔性翼片(3535)为阳极进给室(1420)和阴极进给室(1430)内的SOFC(2100)的中心部分提供额外的支撑。
柔性密封件(1800)的刚性远低于SOFC(2100)和传统粘合密封件。在一个实施例中，SOFC(2100)具有约220GPa的弹性模量，柔性密封件(1800)由具有约0.3MPa弹性模量的氧化铝毡或毡制陶瓷棉制成。根据玻璃类型和玻璃/陶瓷成分，常规的刚性玻璃和玻璃/陶瓷复合密封件可以具有75至120GPa或更大的弹性模量。
在一个实施例中，当组装HP-SOFC堆(1000，3000，4000)时，每个柔性密封件(1800)的初始厚度被压缩约30％至40％。例如，初始高度为0.125英寸的陶瓷毡制柔性密封件(1800)被压缩到0.08英寸的组装高度，从而将密封件的初始高度压缩了约36％，达到约64％压缩。换句话说，每个压缩密封件承受约0.30至0.40的压缩应变，使得当组装HP-SOFC堆时，平面SOFC承受由压缩毡密封件(1800)造成的约0.09至0.12MPa的压缩应力。由陶瓷毡等形成的常规柔性密封件被压缩至初始厚度的40％以上以获得基本气密的密封件，并且其可以用陶瓷或玻璃纤维浸渍并在液压机中预压。压缩会使毡的松散纤维基质变得更牢固和致密，从而增加材料的有效刚度，并且可以将材料加载到超过材料应变的线弹性极限。因此，与所公开技术的柔性密封件相比，常规柔性密封件在组装到SOFC堆中时残余柔性更弱。
在一个实施例中，成形板连接件(3520，3530)由铜形成，在350℃至500℃的堆工作温度范围内，铜具有101至103GPa的弹性模量。在一个实施例中，每个成形板连接件(3520，3530)的高度大于其中设置有连接件的阳极或阴极进给室(1420，1430)的高度，并且连接件高度降低约5％至95％，或者25％至45％。在示例非限制性实施例中，在组装HP-SOFC堆(3000)时，连接件高度降低约30％。也就是说，在堆组装时，每个成形板连接件(3520，3530)的柔性翼片(3535)响应于施加到柔性翼片的压缩载荷而偏转。在堆组装期间，施加约30磅的压缩载荷以安置成形板连接件的情况下，柔性翼片(1735)弯曲，使得成形板连接件(3520，3530)在每30磅或0.02MPa压缩载荷下压缩约30％(即成形板连接件(3520，3530)各自具有约0.10MPa的有效弹性模量)。由不锈钢形成的常规SOFC连接件可以具有约205GPa的弹性模量。
以类似的方式，网或泡沫连接件(1520，1530)在压缩载荷下变形，以吸收由机械力和热循环引起的应力。在一个实施例中，网或泡沫连接件(1520，1530)各自的有效弹性模量大于成形板连接件(3520，3530)的有效弹性模量且小于由不锈钢形成的连接件的有效弹性模量。
因为柔性密封件(1800)和连接件(1520，1530，3520，3530)的刚性比SOFC(2000，2100，2200)小得多，所以柔性密封件和连接件比SOFC更容易变形，从而使得振动和机械载荷被柔性密封件和连接件有效吸收，而不是传递到SOFC。此外，SOFC(2000，2100，2100)没有由柔性密封件(1800)和连接件(1520，1530，3520，3530)刚性地保持在适当位置，使得HP-SOFC堆的振动、冲击和剪切力可以转化为SOFC运动，而不会向SOFC传递大的机械应力。柔性密封件(1800)和连接件(1520，1530，3520，3530)保护SOFC(2000，2100，2100)免受由于振动和冲击或对HP-SOFC堆的其它干扰所引起的机械应力造成的结构损坏，例如，在HP-SOFC堆(1000，4000)的运输或其它处理过程中可能会发生这种损坏。
柔性密封件(1800)、柔性翼片(3535)以及网或泡沫连接件(1520，1530)允许SOFC室的金属壁和SOFC(2000，2100，2200)的复合结构响应于变化的温度而膨胀和收缩，而不会使SOFC(2000，2100，2200)受到显著的应力或应变。柔性密封件(1800)和网或泡沫连接件(1520，1530)被配置成在热循环期间，在由SOFC室壁和SOFC(2000，2100，2200)的膨胀和收缩引起的变化的压缩载荷下压缩和膨胀，而柔性翼片(3535)则被配置成弯曲和挠曲，而不会向SOFC(2000，2100，2200)传递显著的应力或应变。
在热循环和热冲击发生时，与常规刚性玻璃和玻璃陶瓷密封材料结合的SOFC可能会受到约145MPa的剪应力和20至25MPa的最大主应力。然而，因为SOFC(2000，2100，2200)并不像玻璃和玻璃陶瓷密封材料那样通过粘合密封固定在适当的位置，所以SOFC(2000，2100，2200)的与柔性密封件(1800)、网或泡沫连接件(1520，1530)和柔性翼片(3535)的表面接触的表面在热循环过程中可以相对于彼此滑动，从而防止或大大减小SOFC(2000，2100，2200)所受到的剪应力。
耐高温电绝缘密封件
参考图1和4，HP-SOFC堆包括多个堆单元(1020，4020)。每个堆单元包括多个连接在一起的板，如下面所讨论的。多个堆单元叠放以形成SOFC堆。一层耐高温电绝缘材料设置在堆单元之间以形成电绝缘层(1850)。电绝缘层(1850)设置在第一堆单元的隔板(1100)和相邻堆单元的阳极流板(1200)或阳极流衬板(4720)之间。在示例非限制性实施例中，耐高温电绝缘材料层包括云母密封件，例如在硅粘合剂等中包含云母的云母片等。电绝缘层(1850)被配置和布置成防止SOFC的阳极和阴极电极电短路，并为由相邻堆单元堆叠形成的歧管、通路和腔室提供气体密封。
电绝缘层(1850)可以形成气密密封，也可以不形成气密密封，因为云母片材料可能有缺陷和/或不能完全覆盖整个密封区域；然而，预计会有一些泄漏。在实践中，一些阳极气体会从电池单元的阳极流板和隔板之间泄漏，并流入SOFC堆周围的环境中，例如流入堆所在的外壳内部。然后，阳极气体与堆外部的气体混合，并在区域(1244)处点燃。如果阴极气体通过柔性密封件泄露进阳极进给室，混合的阳极和阴极气体可能会通过云母密封件泄漏，并从点燃的堆中泄漏出来。如前所述，HP-SOFC堆的导热部件吸收并快速传导燃烧产生的热能。
相应的阳极和阴极气体歧管中的阳极或阴极气体可以通过耐高温电绝缘材料层从一个歧管泄漏到另一个歧管。例如，阳极气体可以从阳极气体歧管泄漏到阴极气体歧管中，阴极气体可以从阴极气体歧管泄漏到阳极气体歧管中。在任一情况下，阳极和阴极气体混合在一起并自燃(1246，1248)，从而在混合和点燃的位置产生热能。如前所述，HP-SOFC堆的导热部件吸收并快速传导燃烧产生的热能。
正方形或矩形HP-SOFC堆
参考图1、3A、3B、4和5，在示例非限制性实施例中，HP-SOFC的电池基本上是四边形，例如正方形或矩形的平面SOFC。阳极和阴极歧管位于HP-SOFC堆的第一侧，排气歧管位于堆的相对的第二侧。阳极和阴极气体分别从阳极歧管和阴极歧管穿过SOFC并流向排气歧管。在进一步的实施例中，阳极和阴极歧管都位于SOFC堆的同一侧。阳极和阴极歧管可以位于相对侧，例如，分别位于堆的前侧和后侧，或者堆的左侧或右侧，或者阳极和阴极气体歧管可以位于堆的相邻侧，例如，阳极气体歧管位于堆的前面，阴极气体歧管位于堆的右侧。
正方形或矩形HP-SOFC堆工作模式
参考图4和5，示出了根据基本四边形的HP-SOFC堆(4000)的示例性工作模式的气体流场(5000)。阴极歧管气流(5100)穿过阴极歧管(1630)，并由此作为阴极入口气流(5110)进入电池单元(4010)的阴极入口通路(1320)。阴极入口气流(5110)穿过阴极气体入口通路(1320)进入阴极进给室(1430)。阴极气体作为SOFC阴极表面气流(5120)流过SOFC(5500)的阴极表面(5510)。阴极气体作为阴极废气流出阴极进给室(1430)。阴极废气流过阴极出口通路(1330)到达设置在HP-SOFC堆(4000)内的废气燃烧室(1340)，其中阴极废气与阳极废气混合，并成为混合的阳极和阴极废气(1920，5310)组分。
阳极气体流过阳极气体歧管(1620)，并由此进入电池单元(4010)的阳极入口通路(1220)，并通过该通路到达阳极进给室(1420)。阳极歧管气流(5200)流过阳极气体歧管(1620)并进入阳极气体入口(1220)。阳极气体作为阳极入口气流(5210)流过阳极气体入口通路(1220)，并由此进入阳极进给室(1420)。阳极气体作为阳极表面气流(5220)流过SOFC(5500)的阳极表面(5520)。阳极气体作为阳极废气流出阳极进给室(1420)。阳极废气流过阳极出口通路(1230)，并作为阳极废气流(5230)流入废气燃烧室(1340)。阳极废气在废气燃烧室(1340)中与阴极废气混合，成为混合的阳极和阴极废气(1920，5310)组分。
混合的阳极和阴极废气(1920，5310)在废气燃烧室(1340)内点燃和燃烧。由混合的阳极和阴极废气流(1920，5310)燃烧产生的热能被传递到废气燃烧室(1340)的壁上。废气燃烧室(1340)的壁的温度保持高于混合的阳极和阴极废气(1920，5310)的自燃温度，并且混合废气在燃烧室(1340)内自燃，而不需要点火器来启动燃烧。
废气燃烧室(1340)内混合的阳极和阴极废气的燃烧产生燃烧废气。燃烧废气作为燃烧废气出口气流(5320)从废气燃烧室(1340)通过废气出口通路(1350)流到排气歧管(1650)。热的燃烧废气作为燃烧废气歧管气流(5300)通过排气歧管内的堆。热能从燃烧废气传递到废气燃烧室(1340)的壁上，并通过阴极流板(1300)快速传导到HP-SOFC堆(4000)的相邻堆板以及整个堆。热能在燃烧废气歧管气流(5300)和排气歧管(1650)的壁之间传递，进一步在整个HP-SOFC堆中传递热能。
圆形HP-SOFC堆
参考图6，示出了根据示例性圆形HP-SOFC堆(未示出)的示例性工作模式的气体流场(6000)。圆形HP-SOFC堆的电池包括基本圆形的平面SOFC，圆形HP-SOFC堆基本上呈圆形。圆形HP-SOFC堆可以包括一个或多个阳极气体歧管、一个或多个阴极气体歧管和一个或多个排气歧管。歧管可以包括形成在导热板中的特征件，所述特征件包括圆形HP-SOFC堆。参考图6，示出了圆形HP-SOFC堆的示例性实施例的气体流场(6000)，该圆形HP-SOFC堆包括一个阳极气体歧管、一个阴极气体歧管和三个排气歧管。在进一步的实施例中，圆形HP-SOFC堆可以包括多个阳极和阴极气体歧管，例如三个阳极气体歧管、三个阴极气体歧管，并且可以包括三个以上的排气歧管。圆形HP-SOFC堆的示例性实施例包括六个排气歧管，布置在堆的周边附近，并围绕堆的周边均匀间隔开。更一般地，圆形HP-SOFC堆包括阳极气体歧管、阴极气体歧管和排气歧管中的至少一个，并且每类歧管可以多于一个，以满足性能或其它要求，例如实现通过堆的阳极或阴极气流的特定压降。
圆形HP-SOFC堆工作模式
参考图6，示出了根据圆形HP-SOFC堆的示例性工作模式的气体流场(6000)。阴极歧管气流(6100)和阴极入口气流(6110)将阴极气体输送到SOFC阴极表面气流(6120)，从而提供穿过圆形SOFC(6500)阴极面(6510)的阴极气流。阴极表面气流(6120)从圆形SOFC(6500)的阴极面(6510)的中心部分径向向外流向阴极面(6510)的外边缘，在此成为阴极废气流，并与阳极废气混合作为混合的阴极和阳极废气(6310，6312，6314)组分。
阳极歧管气流(6200)和阳极入口气流(6210)将阳极气体输送到SOFC阳极表面气流(6220)，从而提供穿过圆形SOFC(6500)的阳极面(6520)的阳极气流。阳极表面气流(6220)从圆形SOFC(6500)的阴极面(6520)的中心部分径向向外流向圆形SOFC(6500)的阳极面(6520)的外边缘，在此成为阳极废气流(6230，6232，6234)。阳极废气流(6230，6232，6234)将阳极废气输送到混合的阴极和阳极废气(6310，6312，6314)。
混合的阳极和阴极废气(6310，6312，6314)各自在三个废气燃烧室(未示出)之一内点燃和燃烧。每个废气燃烧室基本上类似于废气燃烧室(1340)，并且由一个或多个导热板的特征件形成。每个废气燃烧室包括由导热系数大于100W/(m.K)的材料形成的壁。由混合的阳极和阴极废气(6310，6312，6314)燃烧产生的热能被传递到废气燃烧室的壁上，并通过一个或多个包括废气燃烧室(未示出)的导热板快速传导到圆形HP-SOFC堆(未示出)的导热板以及整个堆。废气燃烧室的壁的温度保持高于混合的阳极和阴极废气(6310，6312，6314)的自燃温度，并且混合的废气在燃烧室中自燃，而不需要点火器来启动燃烧。
混合的阳极和阴极废气在废气燃烧室中燃烧产生热燃烧废气。燃烧废气作为燃烧废气出口流(6320，6322，6324)流向燃烧废气歧管气流(6300，6302，6304)。热燃烧废气作为燃烧废气歧管气流(6300，6302，6304)穿过排气歧管内的圆形HP-SOFC堆。热能在燃烧废气歧管气流(6300，6302，6304)和燃烧废气流经的排气歧管壁(未示出)之间传递，从而在整个圆形HP-SOFC堆中传递热附加能量。
形成HP-SOFC堆的方法
HP-SOFC堆是通过将HP-SOFC板叠放在一起，同时对准相邻板的歧管通孔来形成的，这样阳极气体歧管通孔被对准以形成阳极气体歧管，阴极气体歧管通孔被对准以形成阴极气体歧管，排气歧管通孔被对准以形成排气歧管。
参照图4，通过叠放阳极流衬板(4720)、导热阳极流板(1200)、隔板衬板(4710)、导热阴极流板(1300)、阴极流衬板(4730)和导热隔板(1100)并将堆板接合在一起形成堆单元(4010)，从而形成第一堆单元(4020)。在示例非限制性的实施例中，板钎焊在一起。在进一步的实施例中，堆可以使用其它已知的接合技术接合在一起，包括例如瞬态液相(TLP)结合、扩散结合和焊接。
导热隔板的环形壁(1110)形成环形电池腔(1400)的壁，阴极流衬板(4730)的平面形成环形电池腔的底壁。第一环形柔性密封件(1800)和阴极成形板连接件(3530)放置在电池腔(1400)内，平面SOFC(2000)放置在第一环形柔性密封件顶部的电池腔内，SOFC的阴极表面(2042)与阴极成形板连接件(3530)相对。第二环形柔性密封件和阳极成形板连接件(3520)放置在环形SOFC腔(1400)中，在平面SOFC(2000)的顶部。耐高温电绝缘材料层(1850)叠放在隔板(1100)的顶部。
第二堆单元(4020)形成并叠放在耐高温电绝缘材料层的顶部，第二堆单元的阳极流衬板(4720)与第一堆单元的导热隔板(1100)相对。平面SOFC、连接件和柔性密封件设置在第二堆单元的SOFC腔内。在一个实施例中，将约30磅的压缩力施加到多个堆单元(4020)的组件上，以安置柔性密封件(1800)和成形板连接件(1520，1530)，即，将密封件和连接件从成形高度或厚度压缩到组装高度或厚度。形成并叠放其它堆单元，其中用耐高温电绝缘材料层隔离堆单元，并且SOFC和柔性密封件设置在每个堆单元的环形SOFC腔内。通过重复该过程，可以将更多的堆单元添加到堆中。
堆的电池单元(4010)包括SOFC(2000)、阳极和阴极进给室(1420，1430)和邻近SOFC的成形板连接件(3520，3530)，以及邻近与SOFC相关联的阳极和阴极进给室的阳极和阴极流板(1200，1300)。电池单元(4010)包括第一堆单元(4020)的阴极流板(1300)和隔板(1100)以及相邻第二堆单元(4020)的阳极流板(1200)。设置在隔板(1100)和阳极流板(1200)之间的耐高温电绝缘材料层(1850)防止电池单元的阳极和阴极电极短路。
HP-SOFC堆可以包括顶部和底部堆板(未示出)，每个堆板包括歧管和阳极或阴极进给室之间的通路。顶部堆端板包括阳极气体歧管至阳极进给室之间的第一通路和阳极进给室至排气歧管之间的第二通路。底部堆端板包括在阴极气体歧管和阴极气体进给室之间的第一通路和在阴极进给室和排气歧管之间的第二通路。顶端板和底端板各自由导热系数大于100W/(m·K)的材料制成，并且各自具有足以快速传导热能的热质量。
当期望数量的电池单元组装成HP-SOFC堆时，顶部堆板叠放在堆的第一端的顶部，与隔板相对，并叠放在添加到堆中的前一堆单元的耐高温电绝缘材料层的顶部。在一个实施例中，阳极流衬板插在耐高温电绝缘材料和顶部堆板之间。底板被添加到堆的相对侧。堆通过施加到顶部端板和底部端板的夹紧力保持在一起。在一个实施例中，顶部端板和底部端板通过被配置和设置成施加压缩力的扭转构件接合。在一个实施例中，将约200至800磅的压缩力施加到组装的堆上。
参考图1，没有衬板的HP-SOFC堆的实施例通过叠放多个堆单元(1020)以类似的方式形成，其中耐热电绝缘材料层(1850)设置在堆单元之间，SOFC设置在每个堆单元的电池腔中。每个堆单元通过叠放和接合包括阳极流板(1200)、阴极流板(1300)和隔板(1100)的堆单元(1020)的部件，以及叠放SOFC(2000)、柔性密封件(1800)和电池腔(1400)中的网或泡沫连接件(1520，1530)而形成。
参考图3B，具有成形板连接件的HP-SOFC堆的实施例可以通过叠放成形板连接件(3520，3530)代替网或泡沫连接件(1520，1530)以类似的方式形成。
HP-SOFC堆的实施例可以用任何合适的平面SOFC以类似的方式形成，例如通过叠放阳极支撑的SOFC(2100)或金属支撑的SOFC(2200)代替电解质支撑的SOFC(2000)。
HP-SOFC系统
参考图7，示出了HP-SOFC系统(7000)和外部载荷(7900)。HP-SOFC系统(7000)包括HP-SOFC堆(7100)。HP-SOFC堆(7100)包括布置在堆的第一端(7102)并电耦合到顶部堆板(7122)的正电端子(7112)和布置在与堆的第一端(7102)相对的堆的第二端(7104)并电耦合到底部堆板(7124)以将堆产生的电流提供给外部载荷(7900)的负电端子(7114)。外部载荷(7900)的示例非限制性示例包括DC用电设备或电池、诸如DC电网或电力共享网络的电网、电源管理设备以及被配置为将来自HP-SOFC堆(7100)的DC电源信号转换为AC电源信号的AC逆变器。
HP-SOFC堆(7100)设置在HP-SOFC堆外壳(7200)内。HP-SOFC堆外壳(7200)可以包括绝热外壳，其包括绝热件(7210)。在示例非限制性实施例中，HP-SOFC堆外壳(7200)包括包围HP-SOFC堆(7100)的导热堆外壳部分，其中导热堆外壳部分被绝热外壳部分包围。
HP-SOFC系统(7000)可以任选地包括冷启动模块(7300)，其可以包括燃烧器以燃烧燃料(7170)、燃料和氧化剂混合物(7174)和/或阳极燃料(7176)；以及电阻加热器或其它合适的热能源，其被设置成在冷启动过程中提供热能以将HP-SOFC堆(7100)的温度升高到工作温度。
在一个实施例中，HP-SOFC系统(7000)包括可选的尾气燃烧器(7400)，用于燃烧包括来自HP-SOFC堆(7100)的SOFC堆废气(7150)的任何未燃烧燃料，以产生热燃烧的SOFC堆废气(7152)。在另一个实施例中，HP-SOFC系统(7000)不包括尾气燃烧器，基本上混合的阳极和阴极废气的所有可燃成分在HP-SOFC堆(7100)内燃烧，例如在废气燃烧室(1340)内燃烧，使得离开SOFC堆的气体主要包括燃烧的SOFC堆废气(7152)，而包括很少或几乎不包括未燃烧的燃料。SOFC系统废气(7154)通过废气导管(7254)穿过HP-SOFC堆外壳(7200)。
在一个实施例中，HP-SOFC系统(7000)包括可选的热交换器(7500)，该热交换器被设置成在燃烧的SOFC堆废气(7152)和入口阴极气体(7160)之间交换热能，从而加热冷入口阴极气体并产生热阴极气体(7162)以供给HP-SOFC堆(7100)。在替代实施例中，SOFC系统(7000)不包括热交换器(7500)，当阴极气体通过SOFC堆(7100)时，入口阴极气体(7160)通过从阴极气体歧管(1630)的壁传递的热能而变热。
HP-SOFC系统(7000)包括燃料处理部件，该燃料处理部件包括燃料输入模块(7600)和燃料反应器(7700)。燃料输入模块(7600)被配置成控制烃燃料(7170)的流速和氧化剂(7172)的流速，氧化剂可以包括空气或其它含氧气体或气体混合物。燃料输入模块可以包括可控阀、燃料泵、氧化剂泵、鼓风机或其它氧化剂和燃料压力源以及体积或质量流量控制器。燃料输入模块(7600)包括混合器，用于混合燃料(7170)和氧化剂(7172)，并将燃料和氧化剂混合物(7174)提供给燃料反应器(7700)。燃料反应器(7700)设置成使燃料和氧化剂混合物(7174)反应以产生阳极燃料(7176)，该阳极燃料包括合成气或包括CO、H2和其它反应产物的气体混合物。在示例性实施例中，燃料反应器(7700)包括催化部分氧化(CPOX)反应器。燃料反应器(7700)可以包括CPOX反应器、自热反应器(ATR)、蒸汽重整器或混合重整器，混合重整器包括CPOX、ATR和蒸汽重整器中的一个或多个。在一个实施例中，HP-SOFC系统(7000)被配置为使用丙烷作为燃料(7170)。在进一步的实施例中，HP-SOFC系统(7000)被配置成使用其它烃燃料(7170)，包括但不限于液体天然气、煤油、甲烷或JP-6。
HP-SOFC系统(7000)还包括电子控制器(7800)，该电子控制器被配置成与包括燃料输入模块(7600)、冷启动模块(7300)和温度探头(未示出)的系统部件交换包括控制信号和过程参数测量信号的信号，该温度探头被设置成测量燃料反应器(7700)、HP-SOFC堆(7100)、尾气燃烧器(7400)、热交换器(7500)和HP-SOFC堆外壳(7200)中的一个或多个的温度。电子控制器(7800)被配置成响应于过程参数测量信号控制包括例如燃料输入模块(7600)的系统部件的运行，所述过程参数测量信号包括但不限于例如燃料反应器(7700)的温度、HP-SOFC堆(7100)的温度以及外部载荷(7900)的测量或报告的功率消耗。
HP-SOFC系统(7000)可选地还包括冷却装置(未示出)，例如风扇或鼓风机，其设置成在HP-SOFC堆外壳(7200)的外部提供气流。
HP-SOFC系统(7000)包括温度传感器(未示出)，以监测包括HP-SOFC堆(7100)、燃料反应器(7700)和HP-SOFC堆外壳(7200)的系统部件的温度，并将包括温度数据输入的信号传送给电子控制器(7800)。电子控制器(7800)使用由温度传感器传送的温度数据作为输入来控制算法，用于控制系统运行参数，包括冷却装置的运行和对软件控制的系统关闭的控制。
HP-SOFC系统(7000)还可以包括外壳(未示出)，该外壳包括具有高导热系数的材料和热熔丝(未示出)，该热熔丝设置在导热外壳上，并被配置为响应于热熔丝达到阈值温度而关闭燃料(7170)的输入。
堆电流
参照图7，HP-SOFC堆(7100)包括布置在堆的第一端(7102)上的正电端子(7112)和布置在堆的第二端(7104)上的负电端子(7114)，堆的第二端与堆的第一端相对。正电和负电端子(7112，7114)被配置为将堆连接到外部载荷(7900)。HP-SOFC堆(7100)的SOFC串联电连接在一起，并电连接到正电和负电端子(7112，7114)。参考图4，HP-SOFC堆(4000)，其包括HP-SOFC堆(7100)的实施例，包括设置成防止SOFC(2100)电短路的耐高温电绝缘材料层(1850)。
在下文中，对本发明的一些其他方面进行描述。
方面1：一种平面SOFC电池单元(1010，3010，4010)，包括：
基本平面的隔板(1100)，其被形成为封闭开放式电池室(1120，1400)；
平面固体氧化物燃料电池(2000，2100，2200)，其被支撑在所述电池室内，被配置为在SOFC工作温度下工作时产生电化学能量；
基本平面的阳极流板(1200)，其与所述隔板(1100)相邻设置并与所述固体氧化物燃料电池(2000，2100，2200)的阳极表面(2020)相对，其中所述基本平面的阳极流板的整个平面在所述开放式电池室的第一开口端上方延伸；
基本平面的阴极流板(1300)，其与所述隔板(1100)相邻设置并与所述固体氧化物燃料电池(2000，2100，2200)的阴极表面(2040)相对，其中所述基本平面的阴极流板的整个平面在所述开放式电池室的第二开口端上方延伸；
其中所述基本平面的隔板和所述基本平面的阴极板中的每一个跨越形成于其间的平面边界彼此导热耦合，并且一起形成第一基本固体体积的板材料，所述第一基本固体体积的板材料形成为从所述隔板和阴极进给板形成的所述电池室的边界表面延伸到所述第一基本固体体积的外周边边缘的基本连续的导热路径；并且，
其中所述第一基本固体体积包括一种或多种材料，每种材料的导热系数为100W/mK或更大。
方面2：根据方面1所述的平面SOFC电池单元，其中所述第一基本固体体积包括足够的热质量，以将所述第一基本固体体积保持在低于所述SOFC工作温度的基本恒定的温度。
方面3：根据方面1所述的平面SOFC电池单元，其中所述第一基本固体体积包括足够的热质量，以在600至1200℃的SOFC工作温度范围内将所述第一基本固体体积保持在1000℃或更低。
方面4：根据方面3所述的平面SOFC电池单元，其中所述第一基本固体体积包括导热系数为330W/mK或更大的铜。
方面5：根据方面1所述的平面SOFC电池单元，其中所述第一基本固体体积包括足够的热质量，以在350至550℃的SOFC工作温度范围内将所述第一基本固体体积保持在500℃或更低。
方面6：根据方面5所述的平面SOFC电池单元，其中所述第一基本固体体积包括导热系数为165W/mK或更大的铝。
方面7：根据方面1所述的平面SOFC电池单元，其中所述平面固体氧化物燃料电池包括夹在平面固体阳极电极层(2020)和平面固体阴极电极层(2040)之间的平面固体电解质层(2100)，其中所述平面固体电解质层和所述平面固体阴极层中的每一个与所述平面固体电解质层的相对表面匹配接触。
方面8：根据方面1所述的平面SOFC电池单元，其中所述平面固体氧化物燃料电池(2000)被柔性地支撑在所述电池单元内部。
方面9：根据方面1所述的平面SOFC电池单元，其中所述电池室包括：
阳极气体进给室(1420)，其由所述平面固体氧化物燃料电池支撑的阳极电解质表面层和所述基本平面的阳极流板的表面界定；
阴极气体进给室(1430)，其由所述平面固体氧化物燃料电池支撑的阴极电解质表面层和所述基本平面的阴极流板的表面界定；
阳极气体入口通道(1220)，其从阳极气体歧管(1620)延伸，用于将阳极气流输送到所述阳极气体进给室中；
阴极气体入口通道(1320)，其从阴极气体歧管(1620)延伸，用于将阴极气流输送到所述阴极气体进给室中；
阳极气体出口通路(1230)，其从所述阳极气体进给室延伸到排气歧管(1650)，用于从所述阳极气体进给室移除所述阳极气流；
阴极气体出口通路(1330)，其从所述阴极气体进给室延伸到所述排气歧管(1650)，用于从所述阳极气体进给室移除所述阴极气流；
其中所述阳极气体入口通道、所述阳极气体歧管、所述阳极气体出口通路、所述阴极入口通道、所述阴极气体歧管、所述阴极气体出口通路和所述排气歧管中的每一个都穿过所述第一固体体积和所述基本平面的阳极气体进给板。
方面10：根据方面9所述的平面SOFC电池单元，还包括废气燃烧室(1340)，所述废气燃烧室形成在所述基本平面的阴极流板(1300)内部，其中所述废气燃烧室与第一电池单元的所述阴极气体出口通路(1330)、第二电池单元的所述阳极气体出口通路(1230)和所述排气歧管(1650)中的每一个流体连通，其中所述废气燃烧室接收来自所述第一电池单元的所述阴极气流和来自所述第二电池单元的所述阳极气流。
方面11：根据方面9所述的平面SOFC电池单元，还包括：
第一柔性环形密封元件(1800)，设置在所述阳极气体进给室内部，在所述基本平面的阳极气体进给板和所述平面固体氧化物燃料电池之间，并形成为密封所述阳极气体进给室的周边边缘；
第二柔性环形密封元件(1800)，设置在所述阴极气体进给室内部，在所述基本平面的阴极气体进给板和所述平面固体氧化物燃料电池之间，并形成为密封所述阴极气体进给室的周边边缘；
其中所述第一和第二柔性密封元件中的每一个在所述电池室内支撑所述平面固体氧化物燃料，而所述平面SOFC电池单元的表面和所述电池室的表面之间没有接触。
方面12：根据方面11所述的平面SOFC电池单元，其中所述第一和第二柔性密封元件中的每一个包括柔性无纺布，所述柔性无纺布包括弹性模量为0.3MPa或更小的毡制陶瓷棉。
方面13：根据方面9所述的平面SOFC电池单元，还包括：
第一柔性连接元件，其设置在所述阳极进给室内部，位于所述基本平面的阳极流板和所述阳极电解质表面层之间，其中所述第一柔性元件被配置为施加垂直于所述阳极电解质表面层的压缩力，并且还被配置为提供从所述阳极电解质表面层延伸到所述基本平面的阳极流板的导电和导热路径；
第二柔性连接元件，其设置在所述阴极进给室内部，位于所述基本平面的阴极流板和所述阴极电解质表面层之间，其中所述第二柔性元件被配置为施加垂直于所述阴极电解质表面层的压缩力，并且还被配置为提供从所述阴极电解质表面层延伸到所述基本平面的阴极流板的导电和导热路径。
方面14：根据方面13所述的平面SOFC电池单元，其中所述第一和第二柔性连接元件基本相同，并且分别包括含铜的多孔网和多孔泡沫中的一个。
方面15：根据方面13所述的平面SOFC电池单元，其中所述第一和第二柔性连接元件中的每一个包括由厚度为0.002至0.09英寸的平面金属板形成的成形金属元件(3532)，所述成形金属元件被形成为包括平面基部和从所述基部延伸的多个柔性翼片部(3535)，其中所述成形金属元件包含铜。
方面16：一种平面SOFC堆，包括：
彼此叠放的多个根据方面13所述的平面SOFC电池单元；
电绝缘层(1850)，设置在每个基本平面的隔板和与其相邻设置的所述基本平面的阳极板之间；
第一电端子(7112)，串联连接到每个电池单元的所述平面阴极进给板；以及
第二电端子(7114)，串联连接到每个电池单元的所述平面阳极板。
方面17：根据方面16所述的平面SOFC堆，还包括：
第一基本平面的衬板(4710)，其设置成与所述平面SOFC堆中的每个基本平面的阳极进给板的第一平面匹配接触；
第二基本平面的衬板(4720)，其设置成与所述平面SOFC堆中的每个基本平面的阳极进给板的第二平面匹配接触，位于所述基本平面的阳极进给板和与其对应的所述基本平面的隔板之间；以及，
第三基本平面的衬板(4730)，其设置成与所述平面SOFC堆中的每个基本平面的阴极进给板的第一平面匹配接触，位于所述基本平面的阴极进给板和与其对应的所述基本平面的隔板之间；
其中所述第一、第二和第三基本平面的衬板中的每一个包括包含镍和铜或包含镍、钼、铬和铁的高温抗氧化合金。
本领域技术人员还将认识到，尽管本发明已经在上面根据优选实施例进行了描述，但本发明不限于此。上述发明的各种特征和方面可以单独或联合使用。此外，尽管本发明已经在特定环境中的实施背景下以及对于特定应用(例如固体氧化物燃料电池单元和SOFC单体电池堆)进行了描述，但是本领域技术人员将认识到，其用途不限于此，本发明可以有利地用于期望通过热传导更有效地管理热能分布的任何数量的环境和实施方式中。因此，下面提出的权利要求应该根据本文公开的本发明的全部广度和精神来解释。

Claims (23)

1.一种平面SOFC电池单元，包括：
-电池室(1120、1400)，所述电池室(1120、1400)是由第一固体体积的材料件围封的，所述第一固体体积的材料件包括一种或更多种材料，所述一种或更多种材料各自具有在350℃的温度处为100W/mK或更大的导热系数；以及
-平面固体氧化物燃料电池，所述平面固体氧化物燃料电池被支撑在所述电池室内，所述平面固体氧化物燃料电池被配置成在SOFC工作温度处工作时产生电化学能量。
2.根据权利要求1所述的平面SOFC电池单元，其中，
-所述平面固体氧化物燃料电池的阳极电极与所述第一固体体积的材料件进行热连通；以及
-所述平面固体氧化物燃料电池的阴极电极与所述第一固体体积的材料件进行热连通。
3.根据权利要求1所述的平面SOFC电池单元，其中，所述第一固体体积包括足够的热质量，以将所述第一固体体积的材料件保持处于恒定温度，所述恒定温度小于所述一种或更多种材料的失效温度。
4.根据权利要求1所述的平面SOFC电池单元，其中，所述第一固体体积包括足够的热质量，以将所述第一固体体积的材料件保持处于恒定温度，所述恒定温度小于或等于所述平面固体氧化物燃料电池的工作温度。
5.根据权利要求1所述的平面SOFC电池单元，其中，所述第一固体体积的材料件包括第一固体体积的板材料件。
6.根据权利要求5所述的平面SOFC电池单元，其中，所述第一固体体积的板材料件包括至少一个平面板。
7.根据权利要求6所述的平面SOFC电池单元，其中，所述至少一个平面板包括平面的隔板，所述隔板包括所述电池室的环形周壁。
8.根据权利要求7所述的平面SOFC电池单元，其中，所述至少一个平面板包括所述电池室的顶壁和底壁中的至少一者。
9.根据权利要求6所述的平面SOFC电池单元，其中，至少一个平面板对所述电池室的环形周壁和所述电池室的封闭的第一端部进行限定。
10.根据权利要求9所述的平面SOFC电池单元，其中，所述至少一个平面板包括：
-平面的隔板，所述隔板具有开口，所述开口对所述电池室的所述环形周壁进行限定；以及
-平面的阴极流板，所述阴极流板设置成与所述隔板相邻并且与所述平面固体氧化物燃料电池的阴极表面相对，所述阴极表面对所述电池室的封闭的第一端部进行限定。
11.根据权利要求10所述的平面SOFC电池单元，还包括：
-平面的阳极流板，所述阳极流板设置成与所述隔板相邻并且与所述固体氧化物燃料电池的阳极表面相对，其中，平面的所述阳极流板的平面表面完全在所述电池室的敞开的第二端部上延伸；以及
-其中，平面的所述隔板、平面的所述阳极流板和平面的所述阴极流板被导热地耦合在一起，以形成所述第一固体体积的板材料件。
12.根据权利要求3所述的平面SOFC电池单元，其中，所述第一固体体积的材料件包括具有在350℃的温度处为330W/mK或更大的导热系数以及约1085℃的失效温度的铜。
13.根据权利要求3所述的平面SOFC电池单元，其中，所述第一固体体积的材料件包括在350℃的温度处为165W/mK或更大的导热系数以及约582℃的失效温度的铝合金。
14.一种SOFC堆，包括：
-彼此上下叠置的多个根据权利要1所述的平面SOFC电池单元，
-第一电端子，所述第一电端子串联连接至每个电池单元的平面的阴极进给板；以及
-第二电端子，所述第二电端子串联连接至每个电池单元的平面的阳极板；
-其中，包括多个所述SOFC电池单元中的每个SOFC电池单元的所述第一基本固体体积的材料件被导热地耦合在一起，以形成用于将热能从所述堆中的一个位置快速传递至整个所述堆中的其他位置的连续导热路径。
15.根据权利要求14所述的SOFC堆，其中，所述连续导热路径包括足够的热质量，以在热点位置处保持3℃或更小的温度差。
16.根据权利要求14所述的SOFC堆，其中，所述连续导热路径包括足够的热质量，以将热能从所述SOFC堆内的热点位置传递至整个所述堆中的其他位置，在所述热点位置，阳极气体和阴极气体或废气进行混合并且自燃。
17.根据权利要求16所述的SOFC堆，其中，所述SOFC堆内的所述热点位置包括以下各项中的一项或更多项：
-废气燃烧室；
-阳极或阴极气体歧管；以及
-阳极或阴极气体进给室。
18.一种SOFC系统，包括：
-根据权利要求14所述的SOFC堆；以及
-冷启动模块，所述冷启动模块包括热能源；
-其中，所述连续导热路径将热能从所述冷启动模块传递至整个所述SOFC堆中的各位置，以使所述SOFC堆升高至SOFC工作温度。
19.根据权利要求18所述的SOFC系统，还包括热交换器，以在SOFC堆废气与入口阴极气体之间交换热。
20.一种SOFC系统，包括：
-根据权利要求14所述的SOFC堆；以及
-燃料输入模块，所述燃料输入模块包括燃料反应器，其中，所述燃料反应器被配置成使碳氢化合物燃料和含氧气体的混合物发生反应以产生阳极燃料。
21.根据权利要求20所述的SOFC系统，其中，所述燃料反应器包括以下各项中的一项或更多项。
-催化部分氧化(CPOX)反应器；
-自热反应器(ATR)、蒸汽重整器；以及
-混合重整器，所述混合重整器包括CPOX、ATR和蒸汽重整器中的一者或更多者。
22.一种平面SOFC堆单元，包括：
-一体式结构，所述一体式结构包括用于对平面SOFC进行接纳的敞开室、底壁和至少一个侧壁；
-所述底壁和所述至少一个侧壁各自具有在350℃的温度处为100W/mK或更大的导热系数；以及
-平面固体氧化物燃料电池，所述平面固体氧化物燃料电池被支撑在所述敞开室中，所述平面固体氧化物燃料电池被配置成在SOFC工作温度处工作时产生电化学能量。
23.一种SOFC堆，包括：
-彼此上下叠置的多个根据权利要求22所述的SOFC堆单元；
-其中，第一SOFC堆单元的底壁将第二SOFC堆单元的敞开室围封。
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CA (1) CA3072005C (zh)
WO (1) WO2018031742A1 (zh)

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3204975A4 (en) 2014-10-07 2018-11-21 Protonex Technology Corporation Sofc-conduction
CN108370043B (zh) 2015-10-20 2021-09-07 新兴电力公司 改进的cpox燃料重整器和sofc系统
US10790523B2 (en) 2015-10-20 2020-09-29 Upstart Power, Inc. CPOX reactor control system and method
CN109845009B (zh) 2016-08-11 2022-10-25 新兴电力公司 平面固体氧化物燃料单体电池和电池堆
EP3759756A4 (en) * 2018-02-28 2022-03-09 Upstart Power, Inc. CPOX REACTOR CONTROL SYSTEM AND METHOD
JP7236676B2 (ja) * 2018-08-01 2023-03-10 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 固体酸化物形燃料電池セル、及び電気化学セル
US20220285716A1 (en) * 2019-08-14 2022-09-08 Upstart Power, Inc. Sofc-conduction
KR102288307B1 (ko) * 2019-12-19 2021-08-11 한국에너지기술연구원 평판 형 sofc/soec 단전지 모듈 및 스택
KR102548218B1 (ko) * 2020-12-21 2023-06-28 한남대학교 산학협력단 고체산화물 연료전지 및 그 제조방법

Family Cites Families (145)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3162411A (en) 1962-03-12 1964-12-22 Watts Electric & Mfg Co Grommet assembly
US3224187A (en) 1964-05-04 1965-12-21 Roger R Breihan Hot gas engine
US3372960A (en) 1965-10-21 1968-03-12 Illinois Tool Works Self-locking bushing
US4656689A (en) 1986-04-01 1987-04-14 Molded Products Company Grommet
US4997726A (en) 1989-02-15 1991-03-05 Sanyo Electric Co., Ltd. Solid oxide electrolyte fuel cell
US4910100A (en) 1989-07-21 1990-03-20 Fuji Electric Co., Ltd. Solid electrolyte fuel cell
US5169730A (en) 1990-07-25 1992-12-08 Westinghouse Electric Corp. Electrochemical cell apparatus having an exterior fuel mixer nozzle
DE69305351T3 (de) 1992-06-30 2002-11-21 Comb Controls Inc Flammen- und explosionsschutzsicherung
US5501472A (en) 1992-09-16 1996-03-26 Brancher; Rodney E. Dual compression seal for conduits with compliance to both axial and angular movement
JPH08507896A (ja) 1993-03-20 1996-08-20 キール・ユニバーシティ 固体酸化物燃料電池構造
US6083636A (en) 1994-08-08 2000-07-04 Ztek Corporation Fuel cell stacks for ultra-high efficiency power systems
US5750278A (en) 1995-08-10 1998-05-12 Westinghouse Electric Corporation Self-cooling mono-container fuel cell generators and power plants using an array of such generators
US5733675A (en) 1995-08-23 1998-03-31 Westinghouse Electric Corporation Electrochemical fuel cell generator having an internal and leak tight hydrocarbon fuel reformer
US5732440A (en) 1996-02-06 1998-03-31 Osram Sylvania Inc. Low insertion force grommet
GB9612389D0 (en) 1996-06-13 1996-08-14 Univ Keele Electrical power source
US7195663B2 (en) 1996-10-30 2007-03-27 Idatech, Llc Hydrogen purification membranes, components and fuel processing systems containing the same
AU730602B2 (en) 1997-10-01 2001-03-08 Acumentrics Corporation Integrated solid oxide fuel cell and reformer
US6063516A (en) 1997-10-24 2000-05-16 General Motors Corporation Method of monitoring CO concentrations in hydrogen feed to a PEM fuel cell
JPH11130405A (ja) 1997-10-28 1999-05-18 Ngk Insulators Ltd 改質反応装置、触媒装置、それらに用いる発熱・触媒体、及び改質反応装置の運転方法
US6221327B1 (en) 1998-05-15 2001-04-24 Rohm And Haas Company Catalyst system using flow-through radiation shielding and a process for producing hydrogen cyanide using the same
JP4063430B2 (ja) 1998-12-15 2008-03-19 大阪瓦斯株式会社 流体処理装置
AUPQ078899A0 (en) 1999-06-04 1999-06-24 Ceramic Fuel Cells Limited A fuel cell gas separator
US6306531B1 (en) 1999-07-06 2001-10-23 General Motors Corporation Combustor air flow control method for fuel cell apparatus
US6969506B2 (en) 1999-08-17 2005-11-29 Battelle Memorial Institute Methods of conducting simultaneous exothermic and endothermic reactions
US6221522B1 (en) 1999-09-10 2001-04-24 Siemens Westinghouse Power Corporation Open end protection for solid oxide fuel cells
CN1219694C (zh) 1999-12-28 2005-09-21 大金工业株式会社 部分氧化转化装置
US6485852B1 (en) 2000-01-07 2002-11-26 Delphi Technologies, Inc. Integrated fuel reformation and thermal management system for solid oxide fuel cell systems
US6458334B1 (en) 2000-03-02 2002-10-01 The Boc Group, Inc. Catalytic partial oxidation of hydrocarbons
US6627339B2 (en) 2000-04-19 2003-09-30 Delphi Technologies, Inc. Fuel cell stack integrated with a waste energy recovery system
US7256516B2 (en) 2000-06-14 2007-08-14 Aerovironment Inc. Battery charging system and method
DE10033898B4 (de) * 2000-07-12 2009-06-18 Forschungszentrum Jülich GmbH Hochtemperaturbrennstoffzelle und Brennstoffzellenstapel
US6551734B1 (en) 2000-10-27 2003-04-22 Delphi Technologies, Inc. Solid oxide fuel cell having a monolithic heat exchanger and method for managing thermal energy flow of the fuel cell
DE10057420A1 (de) 2000-11-20 2002-06-06 Emitec Emissionstechnologie Mehrstufiger Shiftreaktor und Reformeranlage
ES2261670T3 (es) 2001-06-04 2006-11-16 Acumentrics Corporation Sistemas de tubos para pila de combustible horizontal de oxido solido y procedimientos.
US20050269234A1 (en) 2001-09-20 2005-12-08 Gore Makarand P Fuel cell protective containers
US20030054215A1 (en) 2001-09-20 2003-03-20 Honeywell International, Inc. Compact integrated solid oxide fuel cell system
DE10236731A1 (de) 2001-09-28 2003-04-30 Forschungszentrum Juelich Gmbh Hochtemperarturbeständige Dichtung
US6821667B2 (en) 2001-10-01 2004-11-23 Delphi Technologies, Inc. Fuel cell stack having foil interconnects and laminated spacers
US6893762B2 (en) 2002-01-16 2005-05-17 Alberta Research Council, Inc. Metal-supported tubular micro-fuel cell
US6936367B2 (en) 2002-01-16 2005-08-30 Alberta Research Council Inc. Solid oxide fuel cell system
US6824907B2 (en) 2002-01-16 2004-11-30 Alberta Reasearch Council, Inc. Tubular solid oxide fuel cell stack
AU2003215318A1 (en) 2002-02-20 2003-09-09 Acumentrics Corporation Fuel cell stacking and sealing
US7226681B2 (en) 2002-06-21 2007-06-05 Versa Power Systems, Ltd. Fuel cell insulating heat exchanger
US6608463B1 (en) 2002-06-24 2003-08-19 Delphi Technologies, Inc. Solid-oxide fuel cell system having an integrated air supply system
US7001682B2 (en) 2002-06-24 2006-02-21 Delphi Technologies, Inc. Solid-oxide fuel cell system having means for controlling tail gas combustion temperature
US20040081872A1 (en) 2002-10-28 2004-04-29 Herman Gregory S. Fuel cell stack with heat exchanger
CA2415536A1 (en) 2002-12-31 2004-06-30 Long Manufacturing Ltd. Reformer for converting fuel to hydrogen
US7425381B2 (en) 2003-01-13 2008-09-16 Hewlett-Packard Development Company, L.P. High temperature seal
US7008711B2 (en) 2003-01-27 2006-03-07 Gas Technology Institute Thermally integrated fuel cell power system
US7862631B2 (en) 2003-02-07 2011-01-04 Gm Global Technology Operations, Inc. Fuel processor primary reactor and combustor startup via electrically-heated catalyst
US7419060B2 (en) 2003-03-05 2008-09-02 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Integrated fuel container and impurity removal cartridge
JP3969654B2 (ja) 2003-03-07 2007-09-05 インターナショナル・ビジネス・マシーンズ・コーポレーション Ｓｏａｐメッセージ作成方法並びに処理方法、情報処理方法、情報処理装置及びプログラム
US7666539B2 (en) 2003-06-27 2010-02-23 Ultracell Corporation Heat efficient portable fuel cell systems
US20050014059A1 (en) 2003-06-27 2005-01-20 Ultracell Corporation Micro fuel cell architecture
US20050053819A1 (en) 2003-07-18 2005-03-10 Paz Eduardo E. Solid oxide fuel cell interconnect with catalyst coating
JP4051685B2 (ja) 2003-09-05 2008-02-27 トヨタ自動車株式会社 燃料改質装置および燃料改質方法
EP1671391A2 (en) 2003-09-17 2006-06-21 Tiax LLC Electrochemical devices and components thereof
US20050081444A1 (en) 2003-10-17 2005-04-21 General Electric Company Catalytic partial oxidation processor with heat exchanger for converting hydrocarbon fuels to syngas for use in fuel cells and method
US20050089465A1 (en) 2003-10-22 2005-04-28 General Electric Company Thermally Managed Catalytic Partial Oxidation Of Hydrocarbon Fuels To Form Syngas For Use In Fuel Cells
US7767329B2 (en) 2003-11-17 2010-08-03 Adaptive Materials, Inc. Solid oxide fuel cell with improved current collection
US7422810B2 (en) 2004-01-22 2008-09-09 Bloom Energy Corporation High temperature fuel cell system and method of operating same
US8026011B2 (en) 2004-01-28 2011-09-27 Kyocera Corporation Fuel cell assembly
WO2005077058A2 (en) 2004-02-05 2005-08-25 Hydrogen Innnovations, Llc Fuel system for internal combustion engine
CA2457609A1 (en) 2004-02-13 2005-08-13 Alberta Research Council Inc. Heating solid oxide fuel cell stack
JP4590202B2 (ja) 2004-04-02 2010-12-01 日産自動車株式会社 燃料改質反応器
US7335432B2 (en) 2004-04-30 2008-02-26 Motorola, Inc. Solid oxide fuel cell portable power source
JP4756307B2 (ja) 2004-07-01 2011-08-24 東芝燃料電池システム株式会社 燃料電池発電システムとその操作制御方法
NL1026861C2 (nl) 2004-08-18 2006-02-24 Stichting Energie SOFC stackconcept.
US8133622B2 (en) 2004-09-08 2012-03-13 Samsung Sdi Co., Ltd. Heated reformer and fuel cell system having the same
US7629069B2 (en) 2004-09-09 2009-12-08 Nanodynamics Energy, Inc. Solid oxide fuel cell system
US8854389B2 (en) 2004-09-22 2014-10-07 Intel Corporation Apparatus and method for hardware-based video/image post-processing
EP1653539A1 (en) 2004-11-02 2006-05-03 HTceramix S.A. Solid oxide fuel cell system
FR2877496B1 (fr) 2004-11-02 2006-12-15 Commissariat Energie Atomique Module de pile a combustible a interconnecteurs flexibles.
US7569085B2 (en) 2004-12-27 2009-08-04 General Electric Company System and method for hydrogen production
JP4555148B2 (ja) 2005-01-07 2010-09-29 株式会社キーエンス 放射温度計
US20100044971A1 (en) 2005-04-06 2010-02-25 Henry Drew P Apparatus for a sealing fitting assembly
JP4947252B2 (ja) 2005-04-07 2012-06-06 トヨタ自動車株式会社 移動体及び管理方法
US7785747B2 (en) 2005-04-11 2010-08-31 Worldwide Energy, Inc. Of Delaware Stack configurations for tubular solid oxide fuel cells
CA2604940A1 (en) 2005-04-15 2006-10-26 Acumentrics Corporation Current collection in anode supported tubular fuel cells
US7897292B2 (en) 2005-05-18 2011-03-01 Lilliputian Systems, Inc. Fuel cell apparatus and methods
TWI271888B (en) 2005-11-08 2007-01-21 Iner Aec Solid oxide full cells module of multiple tubular electrodes
US7645535B2 (en) * 2005-11-14 2010-01-12 General Electric Company Method and materials for bonding electrodes to interconnect layers in solid oxide fuel cell stacks
JP2007165816A (ja) 2005-11-15 2007-06-28 Mitsui Mining & Smelting Co Ltd プリント配線基板、その製造方法およびその使用方法
JP2009520326A (ja) 2005-12-15 2009-05-21 アキユメントリクス・コーポレーシヨン バンドルになった固体酸化物形燃料電池の相互接続
US20070141424A1 (en) 2005-12-21 2007-06-21 Armstrong Timothy R Solid oxide fuel cell and stack configuration
JP5224649B2 (ja) 2006-03-29 2013-07-03 日本碍子株式会社 導電性接続部材および固体酸化物形燃料電池
JP5007917B2 (ja) 2006-03-30 2012-08-22 日産自動車株式会社 燃料電池スタック構造体及びその製造方法
US8197249B1 (en) 2006-04-28 2012-06-12 The United States Of America, As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Fully premixed low emission, high pressure multi-fuel burner
US8443583B2 (en) 2006-06-15 2013-05-21 Indiana University Research And Technology Corp. Pilot fuel injection for a wave rotor engine
US8389180B2 (en) 2006-09-11 2013-03-05 Battelle Energy Alliance, Llc Electrolytic/fuel cell bundles and systems including a current collector in communication with an electrode thereof
US9190669B2 (en) * 2006-10-02 2015-11-17 Versa Power Systems, Ltd. Cell materials variation in SOFC stacks to address thermal gradients in all planes
WO2008114570A1 (en) 2007-03-22 2008-09-25 Honda Motor Co., Ltd. Fuel cell system
US20080211226A1 (en) 2007-03-01 2008-09-04 Accor Technology, Inc. Enhanced escutcheon cover plate
JP5313128B2 (ja) 2007-03-28 2013-10-09 日本碍子株式会社 電気化学装置
US8278013B2 (en) 2007-05-10 2012-10-02 Alan Devoe Fuel cell device and system
US20090035632A1 (en) 2007-07-31 2009-02-05 Kirkwood Brad L Solid oxide fuel cell electrode systems and methods
US20090050680A1 (en) 2007-08-24 2009-02-26 Protonex Technology Corporation Method for connecting tubular solid oxide fuel cells and interconnects for same
DE102007046297B4 (de) 2007-09-27 2016-12-22 Süd-Chemie Ip Gmbh & Co. Kg Neues Katalysatordesign und Herstellungsmethode für Dampfreformierungskatalysatoren
JP5233249B2 (ja) 2007-11-09 2013-07-10 日産自動車株式会社 燃料電池
US8071251B2 (en) 2007-11-19 2011-12-06 Microcell Corporation Fuel cell module including microcells
US20090142639A1 (en) * 2007-11-29 2009-06-04 Steven Joseph Gregorski Seal system for solid oxide fuel cell and method of making
JP2009140695A (ja) 2007-12-05 2009-06-25 Hitachi Ltd 燃料電池の排熱回収システムおよび方法
US8197976B2 (en) 2008-01-04 2012-06-12 Protonex Technology Corporation Solid oxide fuel cell systems with hot zones and two-stage tail gas combustors
DE102008000420A1 (de) 2008-02-27 2009-09-03 Hilti Aktiengesellschaft Leitungsdurchführung zum Durchführen von Leitungen durch ein Bauteil
US8343684B2 (en) 2008-03-07 2013-01-01 Alan Devoe Fuel cell device and system
JP2009217959A (ja) 2008-03-07 2009-09-24 Tokyo Electric Power Co Inc:The 平板型固体酸化物形燃料電池スタック
JP5267774B2 (ja) 2008-03-25 2013-08-21 日産自動車株式会社 燃料電池用セパレータ
WO2009155184A1 (en) * 2008-06-17 2009-12-23 Battelle Memorial Institute Sofc double seal with dimensional control for superior thermal cycle stability
US20100001689A1 (en) 2008-07-02 2010-01-07 Anton/Bauer, Inc. Modular charger
JP5274937B2 (ja) 2008-08-28 2013-08-28 株式会社日立産機システム 空気圧縮機
WO2010062639A1 (en) 2008-10-28 2010-06-03 Alan Devoe Fuel cell device and system
JP5472674B2 (ja) 2008-12-09 2014-04-16 日産自動車株式会社 燃料電池用集電体及び固体電解質型燃料電池
US8304122B2 (en) 2009-02-06 2012-11-06 Protonex Technology Corporation Solid oxide fuel cell systems with hot zones having improved reactant distribution
US9093725B2 (en) 2009-05-26 2015-07-28 The Invention Science Fund I, Llc System for altering temperature of an electrical energy storage device or an electrochemical energy generation device using microchannels based on states of the device
JP5064445B2 (ja) 2009-06-25 2012-10-31 日本碍子株式会社 プラズマリアクタ
WO2011006668A1 (en) 2009-07-16 2011-01-20 Ezelleron Gmbh Fuel cell stack
US8163433B2 (en) 2009-08-19 2012-04-24 Siemens Energy, Inc. Fuel cell integral bundle assembly including ceramic open end seal and vertical and horizontal thermal expansion control
JP5429748B2 (ja) 2009-12-15 2014-02-26 アイシン精機株式会社 燃料電池モジュール
CN101777784A (zh) 2010-03-17 2010-07-14 北汽福田汽车股份有限公司 均衡充电装置及均衡充电方法
KR101009485B1 (ko) 2010-04-20 2011-01-19 (주)모던텍 유니버셜 충전 장치
DE112011102032T5 (de) 2010-06-15 2013-04-04 Uchiyama Manufacturing Corp. Ringförmige elastische Dichtung
KR101861212B1 (ko) 2010-09-09 2018-06-29 캘리포니아 인스티튜트 오브 테크놀로지 전기화학적 에너지 저장 시스템 및 방법
JP2012099348A (ja) 2010-11-02 2012-05-24 Sharp Corp 燃料電池スタック
US9096067B2 (en) 2010-12-31 2015-08-04 Funai Electric Co., Ltd. Priming system for inkjet printheads
JP6258037B2 (ja) 2011-01-06 2018-01-10 ブルーム エナジー コーポレーション Ｓｏｆｃホットボックスの構成要素
US8931283B2 (en) 2011-01-21 2015-01-13 General Electric Company Reformed multi-fuel premixed low emission combustor and related method
US8652707B2 (en) 2011-09-01 2014-02-18 Watt Fuel Cell Corp. Process for producing tubular ceramic structures of non-circular cross section
GB201121394D0 (en) 2011-12-13 2012-01-25 Netscientific Ltd Proton exchange membrane fuel cell
JP6219856B2 (ja) * 2012-02-24 2017-10-25 アラン・デヴォー 燃料電池デバイスを作製する方法
US9452475B2 (en) 2012-03-01 2016-09-27 Bloom Energy Corporation Coatings for SOFC metallic interconnects
US9863557B2 (en) 2012-03-02 2018-01-09 Lake Products Limited Escutcheon
JP5316830B1 (ja) 2012-03-23 2013-10-16 Ｔｏｔｏ株式会社 固体酸化物型燃料電池
KR101326103B1 (ko) 2012-03-29 2013-11-06 숭실대학교산학협력단 배터리 충전량 밸런싱 장치 및 배터리 충전량 밸런싱 시스템
US9056768B2 (en) 2012-11-16 2015-06-16 Intelligent Energy Inc. Hydrogen generator and fuel cartridge
KR102055951B1 (ko) 2012-12-28 2020-01-23 주식회사 미코 연료 전지용 스택 구조물
JP5962579B2 (ja) 2013-05-13 2016-08-03 株式会社デンソー 燃焼装置
US9500116B2 (en) 2013-05-17 2016-11-22 GM Global Technology Operations LLC Grommet seal, center diversion shaft and methods of making and using the same
US10109867B2 (en) 2013-06-26 2018-10-23 Upstart Power, Inc. Solid oxide fuel cell with flexible fuel rod support structure
AU2014346831B2 (en) 2013-11-06 2017-09-07 Watt Fuel Cell Corp. Liquid fuel CPOX reformers and methods of CPOX reforming
WO2015069836A2 (en) 2013-11-06 2015-05-14 Watt Fuel Cell Corp. Gaseous fuel cpox reformers and methods of cpox reforming
EP3204975A4 (en) 2014-10-07 2018-11-21 Protonex Technology Corporation Sofc-conduction
JP6435785B2 (ja) * 2014-11-07 2018-12-12 株式会社デンソー 燃料電池用セパレータおよび燃料電池セルスタック
US10790523B2 (en) 2015-10-20 2020-09-29 Upstart Power, Inc. CPOX reactor control system and method
CN108370043B (zh) 2015-10-20 2021-09-07 新兴电力公司 改进的cpox燃料重整器和sofc系统
CN109845009B (zh) 2016-08-11 2022-10-25 新兴电力公司 平面固体氧化物燃料单体电池和电池堆

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