CN115769403A - 用于燃料电池堆叠组合件的介电分离器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种燃料电池列包含：第一及第二燃料电池堆叠；燃料歧管，其安置在所述第一燃料电池堆叠与所述第二燃料电池堆叠之间且经配置以将燃料提供给所述第一燃料电池堆叠及所述第二燃料电池堆叠；以及第一及第二介电分离器，其位于所述燃料歧管与所述相应第一及第二燃料电池堆叠之间，且经配置以电隔离所述相应第一及第二燃料电池堆叠与所述燃料歧管。所述第一及第二介电分离器各自包含陶瓷材料的顶部层、所述陶瓷材料的底部层、安置在所述顶部层与所述底部层之间且包含具有比所述陶瓷材料低的密度及比所述陶瓷材料高的介电强度的材料的中间层，以及将所述中间层连接到所述顶部层及所述底部层的玻璃或玻璃陶瓷密封件。

Description

用于燃料电池堆叠组合件的介电分离器及其制造方法
技术领域
本发明大体上涉及燃料电池系统且特定来说涉及用于燃料电池堆叠组合件的介电分离器。
背景技术
燃料电池是可以高效率将存储于燃料中的能量转换成电能的电化学装置。高温燃料电池包含固体氧化物燃料电池及熔融碳酸盐燃料电池。这些燃料电池可使用氢燃料及/或烃燃料来操作。存在也允许反向操作使得可使用电能作为输入来将水或其它氧化燃料还原成非氧化燃料的燃料电池种类，例如固态氧化物可逆燃料电池。
在高温燃料电池系统(例如固态氧化物燃料电池(SOFC)系统)中，氧化流通过燃料电池的阴极侧，而燃料流通过燃料电池的阳极侧。氧化流通常是空气，而燃料流通常是通过重组碳氢化合物燃料源形成的富氢气体。在750℃与950℃之间的典型温度下操作的燃料电池使得带负电荷氧离子能够从阴极流动流输送到阳极流动流，其中所述离子与碳氢化合物分子中的游离氢或氢组合以形成水蒸气及/或与一氧化碳组合以形成二氧化碳。来自带负电离子的过剩电子穿过在阳极与阴极之间完成的电路而被路由回到燃料电池的阴极侧，从而导致穿过所述电路的电流流动。
可在内部或外部给燃料电池堆叠装用于燃料及空气的歧管。在内部歧管式堆叠中，使用堆叠内所含有的上升管将燃料及空气分配给每一电池。换句话说，气体流动穿过每一燃料电池的支撑层(例如，电解质层)中的开口或孔及每一电池的气体分离器。在外部歧管式堆叠中，堆叠在燃料及空气进口侧及出口侧上是敞开的，且燃料及空气是独立于堆叠硬件而被引入并收集的。举例来说，入口燃料及出口燃料以及空气在堆叠与堆叠位于其中的歧管壳体之间的单独通道中流动。
燃料电池堆叠通常由呈平面元件、管或其它几何结构形式的众多电池构建而成。必须将燃料及空气提供给电化学活性表面(其可以是大表面)。燃料电池堆叠的一个组件是分离堆叠中的个别电池的所谓气流分离器(称为平面堆叠中的气流分离器板)。气流分离器板将流动到堆叠中的一个电池的燃料电极(即，阳极)的燃料(例如，氢或碳氢化合物燃料)与流动到所述堆叠中的邻近电池的空气电极(即，阴极)的氧化剂(例如空气)分离。通常，气流分离器板还用作将一个电池的燃料电极电连接到邻近电池的空气电极的互连件。在此情形中，充当互连件的气流分离器板由导电材料制成或含有导电材料。
发明内容
根据本发明的各种实施例，一种燃料电池列包含：第一及第二燃料电池堆叠；燃料歧管，其安置在所述第一燃料电池堆叠与所述第二燃料电池堆叠之间且经配置以将燃料提供给所述第一燃料电池堆叠及所述第二燃料电池堆叠；以及第一及第二介电分离器，其位于所述燃料歧管与所述相应第一及第二燃料电池堆叠之间，且经配置以电隔离所述相应第一及第二燃料电池堆叠与所述燃料歧管。所述第一及第二介电分离器各自包含陶瓷材料的顶部层、所述陶瓷材料的底部层、安置在所述顶部层与所述底部层之间且包含具有比所述陶瓷材料低的密度及比所述陶瓷材料高的介电强度的材料的中间层，以及将所述中间层连接到所述顶部层及所述底部层的玻璃或玻璃陶瓷密封件。
根据另一实施例，一种燃料电池列包括：第一及第二燃料电池堆叠；燃料歧管，其安置在所述第一燃料电池堆叠与所述第二燃料电池堆叠之间且经配置以将燃料提供给所述第一燃料电池堆叠及所述第二燃料电池堆叠；以及第一及第二介电分离器，其位于所述燃料歧管与所述相应第一及第二燃料电池堆叠之间，且经配置以电隔离所述相应第一及第二燃料电池堆叠与所述燃料歧管，所述第一及第二介电分离器各自包括：外围框架、安置在所述框架的内部且经配置以支撑所述外围框架的内部支撑件，及至少部分地由所述外围框架及所述内部支撑件界定的燃料孔及内部开口。
根据另一实施例，一种燃料电池列包含：第一及第二燃料电池堆叠；燃料歧管，其安置在所述第一燃料电池堆叠与所述第二燃料电池堆叠之间且经配置以将燃料提供给所述第一燃料电池堆叠及所述第二燃料电池堆叠；以及第一及第二介电分离器，其位于所述燃料歧管与所述相应第一及第二燃料电池堆叠之间，且经配置以电隔离所述相应第一及第二燃料电池堆叠与所述燃料歧管。所述第一及第二介电分离器各自包含：顶部层，其包括陶瓷材料；底部层，其包括所述陶瓷材料；至少一个凸部，其使所述顶部层相对于所述底部层发生偏移，使得空气间隙位于所述顶部层与所述底部层之间；及玻璃或玻璃陶瓷密封件，其将所述顶部层连接到所述底部层。
根据另一实施例，一种形成介电分离器的方法包括：形成包括中间层、顶部层、底部层及玻璃或玻璃陶瓷密封材料的组合件，所述中间层包括介电材料，所述顶部层包括生坯陶瓷材料，所述底部层包括所述生坯陶瓷材料，且所述玻璃或玻璃陶瓷密封材料安置在所述中间层与所述顶部层及所述底部层中的每一者之间；烧结所述组合件以使所述顶部层及所述底部层致密化并回熔所述玻璃或玻璃陶瓷密封材料；及切割所述经烧结组合件以形成所述介电分离器。
附图说明
图1图解说明现有技术燃料电池堆叠组合件的三维视图。
图2A是根据本发明的各种实施例的具有电隔离燃料歧管的燃料电池堆叠组合件的三维视图，且图2B是图2A的燃料电池堆叠组合件的三维分解视图。
图3A是图2A的燃料电池堆叠组合件的一部分的三维特写，且图3B是图2A的燃料电池堆叠组合件的另一部分的三维特写。
图4A是根据本发明的各种实施例的介电分离器的部分透视图，且图4B是图4A的分离器的分解透视图。
图5是根据本发明的各种实施例的包含边缘密封件的介电分离器的俯视图。
图6是根据本发明的替代实施例的介电分离器的俯视图。
图7A是根据本发明的另一替代实施例的介电分离器的剖视图。图7B是沿着图7A的线B-B’的介电分离器的侧视横截面图。图7B中的平面A-A’对应于图7A的剖视图平面。
图8A是展示根据本发明的各种实施例的通过刮刀成型来形成的介电分离器密封件的照片，且图8B是展示通过施配密封材料油墨来形成的密封件的照片。
图9是描绘根据本发明的各种实施例的制造介电分离器的方法的透视图。
具体实施方式
将理解，当一元件或层被称为“在另一元件或层上”或者“连接到另一元件或层”时，其可直接在另一元件或层上，或者直接连接到另一元件或层，或者可存在介入元件或层。相比来说，当一元件被称为“直接在另一元件或层上”或者“直接连接到另一元件或层”时，不存在介入元件或层。将理解，出于本发明的目的，“X、Y及Z中的至少一者”可解释为仅X、仅Y、仅Z，或者两个或更多个物项X、Y及Z的任何组合(例如，XYZ、XYY、YZ、ZZ)。
图1图解说明根据本发明的各种实施例的燃料电池堆叠组合件100。参考图1，燃料电池堆叠组合件100包含燃料电池堆叠列140、安置在列140的对置侧上的侧挡板220、下部块53，及包含上部块63的压缩组合件60。列包含八个燃料电池堆叠14、安置在燃料电池堆叠14之间的燃料歧管204，及安置在列140的对置端上的终止板27。燃料电池堆叠14包含堆叠在彼此上且由互连件分离的多个燃料电池。多个燃料电池堆叠组合件100可附接到基座。
示范性燃料歧管204描述于美国申请案序列号11/656,563中，所述申请案特此以其全文引用方式并入。可视需要在燃料电池堆叠14的邻近燃料电池的邻近端板之间提供任何数目的燃料歧管204。
侧挡板220连接压缩组合件60的上部块63与下部块53。侧挡板220、压缩组合件60及下部块53可统称为“堆叠壳体”。堆叠壳体经配置以将压缩负荷施加到列140。堆叠壳体的配置消除了昂贵馈通件及由此产生的拉杆散热器，且出于以下两个目的使用同一部件(即，侧挡板220)：将负荷放置于堆叠14上，并引导阴极进料流动流(例如，对于环形堆叠布置，阴极入口流(例如空气或另一氧化剂)可从环形布置外部的歧管穿过堆叠及出口作为阴极排出流提供给位于环形布置内部的歧管)。侧挡板220还可电隔离燃料电池堆叠14与系统中的金属组件。列140上的负荷可由压缩组合件60提供，所述压缩组合件由侧挡板220及下部块53固持就位。换句话说，压缩组合件60可使列140的堆叠14朝向下部块53偏置。
侧挡板220可以是板形而非楔形的，且包含经配置以将挡板202连接到下部块53及压缩组合件60的挡板202及陶瓷嵌件46。特定来说，挡板202包含大体上圆形切口52，嵌件46安置在所述切口中。嵌件46并不完全填充切口52。嵌件46是大体上领结形的，但包含平坦边缘51而非完全修圆边缘。因此，在嵌件46上方或下方的相应切口52中保留有空白空间。
通常，侧挡板220由例如氧化铝或其它适合陶瓷等耐高温材料制成。在各种实施例中，侧挡板220由陶瓷基质复合物(CMC)制成。CMC可包含(举例来说)氧化铝(aluminumoxide)(例如，氧化铝(alumina))、氧化锆或碳化硅的基质。还可选择其它基质材料。纤维可由氧化铝、碳、碳化硅或任何其它适合材料制成。下部块53及压缩组合件60还可由相同或类似材料制成。下文详细论述了选择用于压缩壳体的特定材料。
可使用基质与纤维的任何组合。另外，纤维可涂覆有经设计以改进CMC的疲劳性质的界面层。视需要，CMC挡板可由整件CMC材料而非个别互锁挡板制成。CMC材料可增加挡板强度及抗潜变性。如果挡板由氧化铝或氧化铝纤维/氧化铝基质CMC制成，那么此材料在典型SOFC操作温度(例如，高于700℃)下是相对良好的热导体。如果期望对邻近堆叠或列进行热解耦，那么挡板可由热绝缘陶瓷或CMC材料制成。
压缩壳体的其它元件(例如下部块53及压缩组合件60)还可由相同或类似材料制成。举例来说，下部块53可包括单独附接(例如，通过嵌件、燕尾件或其它器具)到侧挡板220及系统基座的陶瓷材料，例如氧化铝或CMC。陶瓷块材料的使用最小化了散热器的产生，并消除了将陶瓷挡板连结到金属基座的问题，这引入了热膨胀界面问题。下文详细论述选择用于压缩壳体的组件的特定材料。
燃料轨214(例如，燃料入口及出口管道或导管)连接到燃料歧管204，所述燃料歧管位于列140中的堆叠14之间。燃料轨214包含用铜焊接到金属管218的陶瓷管216。在一个实施例中，金属管218可包括可压缩波纹管。燃料电池轨214用于经由燃料电池歧管204将燃料递送给燃料电池堆叠的列140中的每一对堆叠14。在这些系统中，陶瓷管216位于邻近燃料歧管204之间以防止堆叠14的列140中的邻近堆叠14之间的短路。陶瓷管216相对昂贵且难以用铜焊接到金属管218。陶瓷管216也由于在燃料电池系统的热循环期间产生的热应力而易于破裂。
图2A是根据本发明的各种实施例的具有电隔离燃料歧管的燃料电池堆叠组合件200的三维视图，且图2B是在图2A中所图解说明的燃料电池堆叠组合件200的分解视图。图3A图解说明具有在图2A中所图解说明的电隔离燃料歧管的燃料电池堆叠组合件200的一部分的特写。图3B图解说明具有在图2A中所图解说明的电隔离燃料歧管204的燃料电池堆叠组合件200的另一部分的特写。
参考图2A-3B，在燃料歧管204与邻近燃料电池堆叠14之间提供介电分离器400，而并非在燃料轨214的整个长度上用铜焊接陶瓷管及金属管以在由燃料歧管204分离的若干对邻近燃料电池堆叠14之间提供电隔离。介电分离器400可包括任何适合电绝缘材料，例如氧化铝、陶瓷基质复合物等。燃料轨214可完全由金属制成，并不需要电介质(例如，陶瓷)管216(其可省略)。在一个实施例中，燃料轨214仅包括金属波纹管218及笔直金属管219。
可提供跨接器250以允许电流从第一燃料电池堆叠14流动到邻近第二燃料电池堆叠14，所述邻近第二燃料电池堆叠通过燃料电池堆叠列140中的燃料歧管204与第一堆叠14间隔开，而没有电流流动通过燃料歧管204。跨接器250可放置为围绕燃料歧管204及介电分离器400与第一及第二燃料电池堆叠14电接触。跨接器250可由任何适合导体制成，例如，金属或金属合金，例如因科镍(Inconel)718(或其它因科镍合金)或Cr-Fe 5重量％合金，且可具有接近堆叠14及介电分离器400的热膨胀系数的热膨胀系数以使得容易密封各种组件。跨接器250可大体上具有“C”形状，其中顶部部分及底部部分电接触相应邻近第一及第二堆叠14，而连接顶部部分与底部部分的跨接器250的侧围绕燃料歧管204且不接触燃料歧管204。在实施例中，代替介电分离器400或者燃料歧管204的表面上的介电分离器400的涂层或除了所述涂层以外，跨接器250的面向歧管204的内表面还可涂覆有介电材料。
如图2B中所图解说明，介电分离器400设有燃料孔258，这允许燃料从燃料歧管204流动到燃料电池堆叠14。可围绕燃料孔258形成密封件，例如玻璃密封件或任何适合垫片。在实施例中，在介电分离器400中提供例如热电偶狭槽257的其它特征以准许热电偶通过狭槽257。在图3B中所图解说明的实施例中，在跨接器250中提供可用于附接模块电压线的突片254。
介电分离器
图4A是根据本发明的各种实施例的介电分离器400的部分透视图，且图4B是图4A的分离器400的分解透视图。参考图4A及4B，分离器400可用于图2A的燃料电池堆叠组合件200中。
分离器400可包含顶部层402、底部层404、中间层406、燃料孔408及密封件410。燃料孔408可包含形成于顶部层402、底部层404及中间层406中的同心通孔。
顶部层402及底部层404可由致密介电材料形成。举例来说，顶部层402及底部层404可由基本上无孔的电绝缘陶瓷材料形成，例如氧化铝、氧化锆、氧化钇稳定氧化锆(YSZ)，例如3％氧化钇稳定氧化锆)等等。顶部层402及底部层404可呈刚性板形式以向分离器400提供结构上刚性。
另外，顶部层402及底部层404对从邻近燃料电池释放的流出物种类(例如氧化铬)可以是基本上不渗透的。因此，顶部层402及底部层404可防止流出物种类进入中间层406并降低其介电强度。
中间层406可夹置在顶部层402与底部层404之间，且可由具有比顶部层402及底部层404高的介电强度的多孔及/或高表面积材料形成。换句话说，中间层的绝缘材料可比顶部层402及底部层404的绝缘材料能够耐受更高的最大电场，而不电击穿并变得导电(即，具有更高击穿电压)。本发明人发现，在仅利用致密陶瓷材料的同时维持高介电强度在燃料电池系统中可以是困难的，这是因为存在可增加此类陶瓷材料的导电性的碱离子，例如钠离子。因此，中间层406可操作以增加分离器400的总介电强度。
在一些实施例中，中间层406可由在高温下高度电绝缘的多孔陶瓷纱线或织物形成，例如可从3M公司购得的编号为312、440或610的纳克斯泰尔(Nextel)陶瓷织物。在其它实施例中，中间层406可由陶瓷基质复合物(CMC)层，或由于具有高表面积与体积比而具有高介电强度的任何类似材料形成。CMC可包含(举例来说)氧化铝(aluminum oxide)(例如，氧化铝(alumina))、氧化锆或碳化硅的基质。还可选择其它基质材料。纤维可由氧化铝、碳、碳化硅或任何其它适合材料制成。在一个实施例中，基质及纤维两者可包括氧化铝。
在各种实施例中，密封件410可以是环形密封件且可由高温玻璃或玻璃陶瓷材料形成，例如硅酸盐或铝硅酸盐玻璃或玻璃陶瓷材料。密封件410可操作以将顶部层402及底部层404连接到中间层406且可气密密封燃料孔408。
用于分离器400的个别组件(例如，层402、404、406，且任选地密封件410)的材料可经选择使得每一组件的主要组分是相同的。在本文中，主要组分是指以最高量存在于组件中的组分。举例来说，在一些实施例中，组件402、404及406且任选地410的主要组分可以是氧化铝。具有相同主要组分可促进组件402、404、406、410的接合，且可允许独立于燃料电池列200烧结分离器400。
在一些实施例中，分离器400可包含额外层。举例来说，分离器400可包含安置于三个或更多个致密陶瓷层之间的两个或更多个多孔陶瓷织物或CMC层，其中层由对应玻璃或玻璃陶瓷密封件连接。
在一些实施例中，顶部层402及底部层404的内表面可设有经配置以提供额外空气及/或密封材料截留的粗糙或粗毛状纹理。可相对于顶部层402及底部层404的剩余部分增加围绕燃料孔408的顶部层402及底部层404的部分的密度，以便提供燃料孔408的经改进密封。
在各种实施例中，额外玻璃环形密封件412可安置在顶部层402的顶部及底部层404的底部上，围绕燃料孔408。额外密封件412可用于将分离器400密封到邻近燃料电池列组件，例如燃料电池堆叠或燃料歧管。
图5是根据本发明的各种实施例的包含边缘密封件414的分离器400的俯视图，其中为了清晰起见已省略顶部层402。参考图5，除了燃料孔密封件410以外，还可包含边缘密封件414，且边缘密封件414可沿着分离器400的对置边缘延伸。因此，边缘密封件414可提供分离器400的层之间的经改进粘附。边缘密封件414可通过(举例来说)刮刀成型、施配或浸涂来形成。
图6是根据本发明的替代实施例的介电分离器600的俯视图。参考图6，分离器600可由致密陶瓷材料形成，例如上文关于分离器400的顶部层402及底部层404描述的高密度介电材料。分离器600可包含外围框架602及安置在框架602的内部的内部支撑件604。框架602及支撑件604可至少部分地界定内部开口606及燃料孔608。因此，分离器600可具有单体式构造，而不是分离器400的复合分层构造。
环形密封件610可安置在分离器600的顶部表面及底部表面上，围绕燃料孔608。密封件610可由与上文关于密封件410所描述的相同的玻璃材料形成。密封件610可经配置以将分离器600密封到邻近燃料电池列组件，例如燃料电池堆叠及燃料歧管。分离器600可任选地包含离隙切口RC，其中分离器600经切割以减少热膨胀及收缩的影响。举例来说，离隙切口RC可减少由于邻近金属部件的热膨胀而施加到玻璃密封件610的压力，且由此减少及/或防止热循环期间玻璃密封件610的剪切。
图7A及7B图解说明根据本发明的另一替代实施例的介电分离器400A。在此实施例中，中间层406被省略且被空气间隙418替换。空气具有比顶部层402及底部层404的陶瓷材料高的电介质击穿强度。顶部层402或底部层404中的至少一者在面向顶部层402或底部层404中的另一者的侧上包含至少一个凸部416。至少一个凸部416使顶部层402相对于底部层404发生偏移，使得空气间隙418位于顶部层402与底部层404之间。玻璃或玻璃陶瓷密封件410将顶部层402连接到底部层404，如图7A中所展示。密封件410可具有上文所描述的任何适合形状。
在一个实施例中，至少一个凸部416可位于顶部层402的底部侧上，面向底部层404的顶部侧。至少一个凸部416接触底部层404的顶部侧，使得空气间隙418位于顶部层402与底部层404之间。
在另一实施例中，至少一个凸部416可位于底部层404的顶部侧上，面向顶部层402的底部侧。至少一个凸部416接触顶部层402的底部侧，使得空气间隙418位于顶部层402与底部层404之间。
在另一实施例中，凸部416可位于顶部层402的底部侧及底部层404的顶部侧两者上。在此实施例中，顶部层402的底部侧上的至少一个凸部416可接触底部层404的顶部侧上的至少一个凸部416。另一选择是，顶部层及底部层上的凸部416可相对于彼此发生偏移，使得顶部层402的底部侧上的至少一个凸部416可接触底部层404的顶部侧，且底部层404的顶部侧上的至少一个额外凸部416可接触顶部层402的底部侧。凸部416使顶部层与底部层相对于彼此发生垂直偏移，以形成位于顶部层402与底部层404之间的空气间隙418。
任何数目的凸部416可位于顶部层402及/或底部层404上。举例来说，如图7A中所展示，四个凸部416可位于顶部层402的底部侧及/或底部层404的顶部侧上。然而，可形成一个、两个、三个或四个以上凸部416。凸部416可由与顶部层及底部层的陶瓷材料相同的陶瓷材料(例如氧化铝、氧化锆或YSZ)形成。凸部416可具有任何适合水平横截面形状。举例来说，图7A中所展示的凸部416包括具有圆形水平横截面形状的经填充圆柱体。然而，可使用其它适合水平横截面形状，例如多边形(例如，三角形、正方形、矩形、六边形等)、椭圆形或不规则形状。可使用任何适合陶瓷处理方法与顶部层或底部层同时形成凸部416。
介电分离器制作方法
图8A是展示根据本发明的各种实施例的通过在织物中间层406上刮刀成型来形成的介电分离器密封件的密封件的照片，且图8B是展示通过在CMC中间层406上施配密封材料油墨来形成的密封件的照片。参考图4A、4B、8A及8B，在一些实施例中，可通过将密封材料施加到中间层406的至少一侧，或者顶部层402及底部层404中的一者或两者来形成分离器400，以便围绕燃料孔408并形成密封件410。举例来说，密封材料可通过刮刀成型来施加到中间层406，如图8A中所展示。顶部层402及底部层404可以是通过刮刀成型陶瓷材料来形成的陶瓷板。因此，顶部层402及底部层404可最初处于生坯(多孔)状态中。
在替代方案中，如图8B中所展示，中间层406可安置在顶部层402及底部层404中的一者上，且例如密封材料油墨等流体密封材料410A可围绕燃料孔408施配在底部层404及/或中间层406上。密封材料油墨可包含硅酸盐或铝硅酸盐玻璃或玻璃陶瓷密封材料、溶剂及/或结合剂。在其它实施例中，密封材料或任何适合烧结辅助物可举例来说通过刮刀成型、施配，或浸涂来施加于顶部层402及底部层404的边缘之间，如图5中所展示。
可接着将层402、404、406堆叠在一起以形成分离器400。可接着在高于密封材料的回熔温度的温度下加热(例如，烧结)分离器400。举例来说，可在至少约950℃的温度(例如从约975℃到约1000℃的范围内的温度)下加热分离器400，使得玻璃密封件流进中间层406中及/或围绕燃料孔408，且与顶部层402及底部层404的表面接合。加热也可烧结顶部层402及底部层404，由此使顶部层402及底部层404致密化。在一些实施例中，分离器可在烧结过程期间被压缩。
在一些实施例中，可在烧结之前将真空施加到分离器400。真空可操作以将密封材料驱动到中间层406中及/或顶部层402及底部层404的气孔中，例如邻近于燃料孔408的气孔。举例来说，密封件410可在具有或不具有流体烧结辅助物的情况下通过真空浇铸来形成。
在其中中间层406是CMC板的实施例中，分离器400可通过将陶瓷粉末电浆喷涂在中间层406的对置侧上以形成顶部层402及底部层404来形成。可在电浆喷涂之前或之后将密封材料施加到中间层406。可接着加热分离器400以使陶瓷粉末致密化并将顶部层402及底部层404接合到中间层406。加热还可包含回熔密封材料。
图9是描绘根据本发明的各种实施例的制造介电分离器800的方法的透视图。参考图9，玻璃密封件材料可施加到可处于生坯状态中的两个或更多个陶瓷板802，及/或可施加到多孔介电层806中的一或多者，例如CMC层或陶瓷纤维层。
举例来说，在一些实施例中，密封材料可施加到对应于随后形成的分离器的燃料孔及/或边缘区域的特定位置，如下文所论述。陶瓷板802可通过举例来说刮刀成型陶瓷材料(例如氧化铝、氧化锆、氧化钇稳定氧化锆等等)来形成。
可接着将介电层806堆叠于陶瓷板802之间以形成经层压组合件820。可在足以使陶瓷板802致密化并回熔密封材料的温度(例如从约950℃到约1000℃的范围内的温度)下烧结组合件820。因此，密封材料可物理地连接组合件820的层。在一些实施例中，可在烧结之前及/或期间将真空施加到组合件820，以便促进将密封材料注入介电层806中。
可接着切割及/或塑形经烧结组合件820以形成个别介电分离器800。举例来说，组合件820可经切割以形成分离器400的外围形状并在其中形成燃料孔408。
虽然在图9中展示了三个陶瓷板802及两个多孔介电层802，但本发明不限于此。举例来说，可使用两个陶瓷板802及一个多孔介电层806来形成组合件820，或者组合件820可包含四个或更多个陶瓷板802及三个或更多个多孔介电层806。
在替代实施例中，陶瓷板802可通过在介电层806的对置侧上喷涂陶瓷材料来形成并形成组合件。举例来说，可将陶瓷材料电浆喷涂在介电层806上。组合件可经烧结以使陶瓷材料致密化并形成陶瓷板802。经烧结组合件可任选地经切割以形成个别分离器800。
尽管上文提及特定优选实施例，但将理解本发明并不限于此。所属领域的技术人员将想到，可对所公开实施例作出各种修改且此类修改旨在在本发明的范围内。本文中所引用的所有公开案、专利申请案及专利都以其全文引用方式并入本文中。

Claims (20)

1.一种燃料电池列，其包括：
第一及第二燃料电池堆叠；
燃料歧管，其安置在所述第一燃料电池堆叠与所述第二燃料电池堆叠之间且经配置以将燃料提供给所述第一燃料电池堆叠及所述第二燃料电池堆叠；以及
第一及第二介电分离器，其位于所述燃料歧管与所述相应第一及第二燃料电池堆叠之间，且经配置以电隔离所述相应第一及第二燃料电池堆叠与所述燃料歧管，所述第一及第二介电分离器各自包括：
顶部层，其包括陶瓷材料；
底部层，其包括所述陶瓷材料；
中间层，其安置在所述顶部层与所述底部层之间且包括具有比所述陶瓷材料低的密度及比所述陶瓷材料高的介电强度的材料；及
玻璃或玻璃陶瓷密封件，其将所述中间层连接到所述顶部层及所述底部层。
2.根据权利要求1所述的燃料电池列，其进一步包括形成于所述第一及第二介电分离器中的每一者的对置侧中的燃料孔，且包括形成于所述第一及第二介电分离器中的每一者的所述顶部层、所述中间层及所述底部层中的同心通孔，其中所述密封件包括安置在所述中间层的顶部表面及底部表面上并围绕所述第一及第二介电分离器中的每一者中的所述燃料孔的环形密封件。
3.根据权利要求2所述的燃料电池列，其进一步包括沿着所述中间层的所述顶部表面及所述底部表面的对置边缘延伸并包括玻璃材料的边缘密封件。
4.根据权利要求1所述的燃料电池列，其中所述中间层包括陶瓷织物。
5.根据权利要求1所述的燃料电池列，其中所述中间层包括陶瓷基质复合物。
6.根据权利要求1所述的燃料电池列，其中：
所述中间层的表面积与体积比大于所述顶部层及所述底部层的表面积与体积比；且
所述陶瓷材料包括氧化铝、氧化锆或氧化钇稳定氧化锆(YSZ)。
7.根据权利要求1所述的燃料电池列，其中所述顶部层、所述中间层及所述底部层的主要组分是相同的。
8.根据权利要求7所述的燃料电池列，其中所述主要组分是氧化铝或氧化锆。
9.根据权利要求2所述的燃料电池列，其中所述第一及第二介电分离器中的每一者进一步包括：
所述陶瓷织物或陶瓷基质复合材料的第一额外层，其安置在所述顶部层的顶部上；
所述陶瓷材料的第二额外层，其安置在所述第一额外层的顶部上；及
额外环形密封件，其安置在所述第一额外层的顶部表面及底部表面上，围绕所述第一额外层的通孔，且包括玻璃或玻璃陶瓷材料。
10.根据权利要求1所述的燃料电池列，其进一步包括绕过所述燃料歧管以及所述第一及第二介电分离器的导电跨接器，所述导电跨接器经配置以在所述第一燃料电池堆叠与所述第二燃料电池堆叠之间进行导电。
11.根据权利要求2所述的燃料电池列，其中所述燃料孔流体地连接到所述燃料歧管的燃料孔以及所述第一燃料电池堆叠及所述第二燃料电池堆叠的燃料孔。
12.根据权利要求1所述的燃料电池列，其进一步包括将所述燃料歧管连接到所述燃料电池列中的邻近燃料歧管的导电燃料轨。
13.根据权利要求12所述的燃料电池列，其中所述导电燃料轨包括连接到笔直金属或金属合金管的金属或金属合金波纹管。
14.一种燃料电池列，其包括：
第一及第二燃料电池堆叠；
燃料歧管，其安置在所述第一燃料电池堆叠与所述第二燃料电池堆叠之间且经配置以将燃料提供给所述第一燃料电池堆叠及所述第二燃料电池堆叠；以及
第一及第二介电分离器，其位于所述燃料歧管与所述相应第一及第二燃料电池堆叠之间，且经配置以电隔离所述相应第一及第二燃料电池堆叠与所述燃料歧管，所述第一及第二介电分离器各自包括：
外围框架；
内部支撑件，其安置在所述框架的内部且经配置以支撑所述外围框架；及
燃料孔及内部开口，其至少部分地由所述外围框架及所述内部支撑件界定。
15.根据权利要求14所述的燃料电池列，其中所述分离器各自包括形成于所述框架或所述内部支撑件中的至少一者中的离隙切口。
16.一种燃料电池列，其包括：
第一及第二燃料电池堆叠；
燃料歧管，其安置在所述第一燃料电池堆叠与所述第二燃料电池堆叠之间且经配置以将燃料提供给所述第一燃料电池堆叠及所述第二燃料电池堆叠；以及
第一及第二介电分离器，其位于所述燃料歧管与所述相应第一及第二燃料电池堆叠之间，且经配置以电隔离所述相应第一及第二燃料电池堆叠与所述燃料歧管，所述第一及第二介电分离器各自包括：
顶部层，其包括陶瓷材料；
底部层，其包括所述陶瓷材料；
至少一个凸部，其使所述顶部层相对于所述底部层发生偏移，使得空气间隙位于所述顶部层与所述底部层之间；及
玻璃或玻璃陶瓷密封件，其将所述顶部层连接到所述底部层。
17.一种形成介电分离器的方法，所述方法包括：
形成包括中间层、顶部层、底部层及玻璃或玻璃陶瓷密封材料的组合件，所述中间层包括介电材料，所述顶部层包括生坯陶瓷材料，所述底部层包括所述生坯陶瓷材料，且所述玻璃或玻璃陶瓷密封材料安置在所述中间层与所述顶部层及所述底部层中的每一者之间；
烧结所述组合件以使所述顶部层及所述底部层致密化并回熔所述玻璃或玻璃陶瓷密封材料；及
切割所述经烧结组合件以形成所述介电分离器。
18.根据权利要求17所述的方法，其进一步包括：将所述介电分离器放置到燃料电池列中在燃料歧管与燃料电池堆叠之间。
19.根据权利要求17所述的方法，其中所述顶部层、所述中间层及所述底部层的主要组分是相同的。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述中间层包括陶瓷织物或陶瓷基质复合物。
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Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP4181244A3 (en) 2021-11-11 2024-07-03 Bloom Energy Corporation Fuel cell manifold having an embedded dielectric layer and methods of making thereof
US11870121B2 (en) 2021-11-12 2024-01-09 Bloom Energy Corporation Fuel cell column including stress mitigation structures
CN116845315A (zh) 2022-03-24 2023-10-03 博隆能源股份有限公司 包括散热器插件的燃料电池堆组合件
US12027728B2 (en) 2022-03-26 2024-07-02 Bloom Energy Corporation Methods and devices for preventing thermally-induced stress cracks in large footprint solid oxide fuel cell columns

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011210423A (ja) * 2010-03-29 2011-10-20 Ngk Spark Plug Co Ltd 固体酸化物形燃料電池及びその製造方法
US20140147766A1 (en) * 2012-11-28 2014-05-29 Bloom Energy Corporation Hermetic High Temperature Dielectric Conduit Assemblies
CN106463745A (zh) * 2014-04-04 2017-02-22 托普索公司 用于sofc单元的三层电绝缘垫片

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA2374293C (en) * 2000-03-17 2007-05-29 Allen Engineering Company, Inc. Fuel cell stack assembly
US6531237B2 (en) * 2001-03-01 2003-03-11 Fuelcell Energy, Inc. Manifold and sealing assembly for fuel cell stack
US7294427B2 (en) * 2004-12-27 2007-11-13 Fuelcell Energy, Inc. Manifold gasket accommodating differential movement of fuel cell stack
US20070196704A1 (en) 2006-01-23 2007-08-23 Bloom Energy Corporation Intergrated solid oxide fuel cell and fuel processor
US9011997B2 (en) 2011-09-27 2015-04-21 Apple Inc. Multi-layered ceramic enclosure
US10211479B2 (en) * 2015-01-29 2019-02-19 Bloom Energy Corporation Fuel cell stack assembly and method of operating the same
US10566646B2 (en) * 2017-08-08 2020-02-18 Bloom Energy Corporation Fuel cell stack containing external electrode for corrosion mitigation
KR20190046712A (ko) * 2017-10-06 2019-05-07 블룸 에너지 코퍼레이션 개선된 접합 강도를 위해 고밀도 세라믹스에 세라믹 매트릭스 복합재를 접합하는 방법
US11271240B2 (en) * 2019-05-28 2022-03-08 Bloom Energy Corporation Fuel cell column containing electrically insulated fuel manifold and manifold jumper

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011210423A (ja) * 2010-03-29 2011-10-20 Ngk Spark Plug Co Ltd 固体酸化物形燃料電池及びその製造方法
US20140147766A1 (en) * 2012-11-28 2014-05-29 Bloom Energy Corporation Hermetic High Temperature Dielectric Conduit Assemblies
CN106463745A (zh) * 2014-04-04 2017-02-22 托普索公司 用于sofc单元的三层电绝缘垫片

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