CN116130733A - 燃料电池互连件、燃料电池堆及其操作方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及燃料电池互连件、燃料电池堆及其操作方法。一种燃料电池互连件包含：燃料肋，其安置于所述互连件的第一侧上且至少部分地限定燃料通道；及空气肋，其安置于所述互连件的相对第二侧上且至少部分地限定空气通道。所述燃料通道包含安置于中心燃料场中的中心燃料通道和安置于外围燃料场中的外围燃料通道，所述外围燃料场安置于所述中心燃料场的相对侧上。所述空气通道包含安置于中心空气场中的中心空气通道和安置于外围空气场中的外围空气通道，所述外围空气场安置于所述中心空气场的相对侧上。所述中心燃料通道或所述中心空气通道中的至少一者具有与相应外围燃料通道或相应外围空气通道中的至少一者不同的横截面积或长度中的至少一者。

Description

燃料电池互连件、燃料电池堆及其操作方法
技术领域
本发明涉及燃料电池堆组件，具体地说，涉及用于燃料电池堆的互连件和制造互连件的方法。
背景技术
典型的固体氧化物燃料电池堆包含由金属互连件(IC)间隔开的多个燃料电池，所述金属互连件提供电池堆中邻近电池之间的电连接，并提供用于递送和去除燃料和氧化剂的通道。金属互连件通常由基于Cr的合金构成，例如被称为CrFe的合金，其组成为95wt.％Cr-5wt.％Fe，或Cr-Fe-Y合金，其组成为94wt.％Cr-5wt.％Fe-1wt.％Y。CrF和CrFeY合金在典型的固体氧化物燃料电池(SOFC)操作条件，例如在空气和湿燃料气氛中，700-900C下保持其强度且尺寸稳定。
发明内容
根据各种实施例，一种燃料电池互连件包含：燃料肋，其安置于所述互连件的第一侧上且至少部分地限定燃料通道；及空气肋，其安置于所述互连件的相对第二侧上且至少部分地限定空气通道。所述燃料通道包含安置于中心燃料场中的中心燃料通道和安置于外围燃料场中的外围燃料通道，所述外围燃料场安置于所述中心燃料场的相对侧上。所述空气通道包含安置于中心空气场中的中心空气通道和安置于外围空气场中的外围空气通道，所述外围空气场安置于所述中心空气场的相对侧上。所述中心燃料通道或所述中心空气通道中的至少一者具有与相应外围燃料通道或相应外围空气通道中的至少一者不同的横截面积或长度中的至少一者，以增加穿过所述中心燃料通道的氢燃料流或增加穿过所述外围空气通道的空气流。
根据各种实施例，一种操作含有上述互连件的燃料电池堆的方法包含：将氢燃料提供到燃料通道中，其中穿过中心燃料通道的氢燃料流比所述外围燃料通道的氢燃料流多；及将空气提供到所述空气通道中，其中穿过中心空气通道的空气燃料流比穿过外围空气通道的空气燃料流多。
附图说明
图1A为根据本公开的各种实施例的SOFC堆的透视图。
图1B为图1A的电池堆的一部分的横截面图。
图2A为根据本公开的各种实施例的互连件的空气侧的俯视图。
图2B为图2A的互连件的燃料侧的俯视图。
图3A到3D为根据本公开的各种实施例的互连件的燃料侧的俯视图。
图4A到4D为根据本公开的各种实施例的互连件的空气侧的俯视图。
图5A为根据本公开的各种实施例的交叉流互连件的燃料侧的俯视图，且图5B为图5A的互连件的空气侧的俯视图。
具体实施方式
图1A为固体氧化物燃料电池(SOFC)堆100的透视图，且图1B为根据本公开的各种实施例的堆100的一部分的截面图。参看图1A和1B，堆100包含由互连件10间隔开的燃料电池1。参看图1B，每一燃料电池1包括阴极电极3、固体氧化物电解质5和阳极电极7。
各种材料可用于阴极电极3、电解质5和阳极电极7。举例来说，阳极电极7可包括金属陶瓷，所述金属陶瓷包括含镍相和陶瓷相。含镍相可完全由处于还原态的镍组成。当其处于氧化态时，此相可形成氧化镍。因此，阳极电极7优选地在操作之前在还原气氛中退火以将氧化镍还原成镍。含镍相可包含除镍和/或镍合金以外的其它金属。陶瓷相可包括稳定氧化锆，如氧化钇和/或氧化钪稳定氧化锆，和/或掺杂二氧化铈，如氧化钆、氧化钇和/或氧化钐掺杂二氧化铈。
电解质可包括稳定氧化锆，如氧化钪稳定氧化锆(SSZ)或氧化钇稳定氧化锆(YSZ)。替代地，电解质可包括另一离子导电材料，例如掺杂二氧化铈。
阴极电极3可包括导电材料，如导电钙钛矿材料，如亚锰酸锶镧(LSM)。还可使用其它导电钙钛矿，如LSCo等，或金属，如Pt。阴极电极3还可含有类似于阳极电极7的陶瓷相。电极和电解质可各自包括上文所描述材料中的一或多者的一或多个子层。
燃料电池堆通常由呈平面元件、导管或其它几何结构的多个SOFC 1构建而成。尽管图1A中的燃料电池堆是竖直定向的，但燃料电池堆可水平定向或在任何其它方向上定向。可将燃料和空气提供到可为较大的电化学活性表面。举例来说，可通过形成于每一互连件10中的燃料管道22(例如，燃料立管开口)提供燃料。
每一互连件10电连接堆100中的邻近燃料电池1。具体地说，互连件10可使一个燃料电池1的阳极电极7与邻近燃料电池1的阴极电极3电连接。图1B展示下部燃料电池1位于两个互连件10之间。任选的Ni网可用于将互连件10与邻近燃料电池1的阳极电极7电连接。
每一互连件10包含至少部分地限定燃料通道8A的燃料肋12A和至少部分地限定氧化剂(例如，空气)通道8B的空气肋12B。互连件10可作为气体-燃料分隔件操作，其将流向堆中的一个电池的燃料电极(即阳极7)的燃料(如烃燃料)与流向堆中的邻近电池的空气电极(即阴极3)的氧化剂(如空气)分隔开。在堆100的任一端处，可存在用于分别将空气或燃料提供到端电极的空气端板或燃料端板(未图示)。
每一互连件10可由导电材料制成或可含有导电材料，例如具有与电池中的固体氧化物电解质的热膨胀系数类似的热膨胀系数(例如，相差0至10％)的金属合金(例如，铬铁合金)。举例来说，互连件10可包括金属(例如铬铁合金，例如4-6重量％铁、任选存在的1重量％或更少的钇和其余的铬合金)，并且可使一个燃料电池1的阳极侧或燃料侧与邻近燃料电池1的阴极侧或空气侧电连接。可在阳极电极7与每一互连件10之间提供导电接触层，如镍接触层。可在阴极电极3与每一互连件10之间提供另一任选的导电接触层，如亚锰酸锶镧和/或锰钴氧化物尖晶石层。
图2A为根据本公开的各种实施例的互连件10的空气侧的俯视图，且图2B为互连件10的燃料侧的俯视图。参看图1B和2A，空气侧包含空气通道8B。空气穿过空气通道8B流动到邻近燃料电池1的阴极电极3。环形密封件20可包围互连件10的燃料孔22A，以防止燃料与阴极电极接触。外围条形密封件24位于互连件10的空气侧的外围部分上。密封件20、24可由玻璃或玻璃陶瓷材料形成。外围部分可为不包含肋或通道的升高平台。外围区的表面可与肋12B的顶部共平面。
参看图1B和2B，互连件10的燃料侧可包含燃料通道8A和燃料歧管28。燃料从燃料孔22A中的一者(例如，形成燃料入口立管的部分的入口孔)流动到邻近歧管28中、穿过燃料通道8A并且流动到邻近燃料电池1的阳极7。过量燃料可流动到另一燃料歧管28中，且接着流动到出口燃料孔22B中。框形密封件26安置于互连件10的燃料侧的外围区上。外围区可为不包含肋或通道的升高平台。外围区的表面可与肋12的顶部共平面。
如图2A和2B中所展示，燃料孔22A、22B中的一者将燃料递送到堆中的每一电池，且对应歧管28将燃料分配到每一燃料通道8A。燃料沿每一燃料通道8A直下流动，且未反应燃料被收集在另一歧管28中且经由另一燃料孔28A、28B离开所述堆。此流动通道几何结构针对部分外部预重整的天然气操作进行优化。
本发明人发现，虽然图2A和2B中所展示的互连件10在使用烃燃料(如天然气)时提供了高燃料利用率，但互连件10可能不在氢用作燃料时提供足够高的燃料利用率。不希望受特定理论束缚，相信使用氢气作为燃料会产生增加的热梯度。举例来说，在天然气燃料系统中，在阳极处发生吸热蒸汽重整反应，且部分地冷却燃料电池。然而，在纯氢燃料的情况下，不发生重整冷却，且由反应物流(例如，主要为空气流)去除由燃料电池产生的大部分热。这导致电池1内的热梯度较高(例如，在与燃料入口孔22A附近的互连件10的中心相对应的区域中)，且因此燃料分配较差，因为燃料优先流向邻近互连件10的边缘(即，外围)的较冷区域，在所述较冷区域中，气体的比体积和粘度较低。
本公开的实施例提供互连件配置，其以提高燃料利用率和/或降低热梯度的方式分配氢气和/或空气。
图3A为根据本公开的各种实施例的互连件300A的燃料侧的俯视图。互连件300A可类似于互连件10。因而，将仅详细地论述其间的差异。
参看图3A，互连件300A的燃料侧可包含框形密封区302、相对燃料歧管304、燃料孔306、燃料肋312和燃料通道310。框形密封区302可为仅在互连件300A的周边延伸的平面表面。框形密封区302可与燃料肋312的顶部共平面。燃料歧管304可安置于框形密封区302内部，在互连件300的相对边缘处。燃料孔306可形成于燃料歧管304中的每一者的中心中，邻近于互连件300A的相对的第一边缘301和第二边缘303。
燃料肋312和燃料通道310可在燃料歧管304之间在平行于互连件300A的相对的第三边缘305和第四边缘307的方向上延伸。燃料通道310和燃料肋312可经配置以导引燃料跨互连件300在燃料歧管304之间流动。互连件300A可划分成安置于中心燃料场314的相对侧上的中心燃料场314和外围燃料场316，邻近于第三边缘305和第四边缘307。燃料通道310可包含安置于中心燃料场314中的中心燃料通道310C和安置于外围燃料场316中的外围燃料通道310P。在各种实施例中，约25％至约50％，例如约30％至约40％的燃料通道310可为中心燃料通道310C，且燃料通道310的其余部分可为外围燃料通道310P。
互连件300A可经配置以提供比穿过外围燃料通道310P的燃料(如氢气)质量流更高的穿过中心燃料通道310C的燃料质量流。具体地说，中心燃料通道310C可具有在垂直于第三边缘305和第四边缘307的方向上截取的比外围燃料通道310P的横截面积更大的横截面积。举例来说，中心燃料通道310C可比外围燃料通道310P更宽和/或更深。在一些实施例中，中心燃料通道310C的横截面积可比外围燃料通道310P的横截面积大5％至40％，例如8％至30％，或10％至20％。因此，与经由外围燃料通道310P提供到燃料电池的外围部分的燃料质量流相比，可经由中心燃料通道310C将更多的燃料质量流提供到邻近燃料电池的中心部分。因而，互连件300A可经配置以由于使用氢气作为燃料而将更多的氢燃料引导到具有较高操作温度和对应较高燃料流动阻力的区域。
在各种实施例中，燃料通道310的横截面积可递增地变化，使得最接近于互连件300A的第三边缘305和第四边缘307的燃料通道310具有最小横截面积且延伸穿过互连件300A的中间(例如，在燃料孔306之间延伸的)的燃料通道310具有最大横截面积。
在一些实施例中，燃料歧管304的深度可在长度方向上变化，使得燃料歧管304在燃料孔306附近具有最大深度且在互连件300A的第三边缘305和第四边缘307附近具有最小深度。深度的变化可导致穿过外围燃料通道310P的燃料质量流较低且穿过中心燃料通道310C的质量流较高。可变深度燃料歧管304可与相对较大的中心燃料通道310C和相对较小的外围燃料通道310P一起使用，或可与所有相同大小的燃料通道一起使用。
图3B为根据本公开的各种实施例的互连件300B的燃料侧的俯视图。互连件300B可类似于互连件300A。因而，将仅详细地描述其间的差异。
参看图3B，外围燃料通道310P中的至少一些可长于中心燃料通道310C。换句话说，燃料肋312和燃料通道310的长度可随着燃料肋312和燃料通道310与第三边缘305和第四边缘307之间的距离减小而连续地或逐步地增加。在一些实施例中，外围燃料通道310P中的至少一些和对应燃料肋312可延伸到燃料歧管304中。
增加外围燃料通道310P的长度可增加穿过其的燃料流动阻力。因而，相对较短的中心燃料通道310C可具有比相对较长的外围燃料通道310P更高的燃料质量流(例如，较低的流动阻力)。
在互连件300B的一个实施例中，较短的中心燃料通道310C可具有比较长的外围燃料通道310P更大的横截面积(即，较大宽度和/或深度)。在互连件300B的另一实施例中，较短的中心燃料通道310C可具有与较长的外围燃料通道310P相同的横截面积(即，相同宽度和深度)。
燃料通道310的长度变化可有利地增大邻近燃料电池的活性区域，这可提供改进的电化学性能。在一个实施例中，镍网集电器(未图示)可用于改进燃料肋312与邻近燃料电池的阳极之间的接触。为了实现较高活性区域的益处，Ni网的形状可被设计为对应于较长燃料肋312的形状。换句话说，Ni网可经配置以与中心燃料场314和外围燃料场316完全重叠。
图3C为根据本公开的各种实施例的互连件300C的燃料侧的俯视图。互连件300C可类似于互连件300A。因而，将仅详细地描述其间的差异。
参看图3C，互连件300C可包含跨外围燃料通道310P中的一或多者延伸的燃料拦截器或减震器318。燃料拦截器318可在垂直于燃料通道310的方向上纵向延伸。燃料拦截器318可经配置以减少穿过外围燃料通道310P的燃料质量流，使得穿过中心燃料通道310C的燃料质量流高于穿过外围燃料通道310P的燃料质量流。在一些实施例中，燃料拦截器318可经配置以产生燃料质量流梯度，使得更远离中心燃料场314的外围燃料通道310P具有比最接近于中心燃料场314的外围燃料通道310P更低的质量流，从而提高邻近燃料电池的中心部分的燃料利用率。
在一些实施例中，除燃料拦截器318之外或代替所述燃料拦截器，歧管分流器320可安置于燃料歧管304中以将燃料重新引导通过燃料歧管304并进入燃料通道310。举例来说，分流器320可经配置以将比进入外围燃料通道310P更高的燃料质量流引导到中心燃料通道310C中。分流器320可包括位于燃料歧管304中的肋，且所述分流器垂直于燃料通道310和肋312延伸。此配置可提供增大邻近燃料电池的活性区域的额外益处。
在各种实施例中，可在燃料流动方向上在燃料孔306与中心燃料场314中的邻近燃料肋312之间形成空间S。空间S可经配置以增加穿过邻近于燃料孔306的中心燃料通道310C的燃料质量流。
在互连件300C的一些实施例中，中心燃料通道310C的横截面积可大于外围燃料通道310P的横截面积，以便进一步增加穿过中心燃料通道310C的燃料质量流。然而，在其它实施例中，燃料通道310可全部具有基本上相同的横截面积。
图3D为根据本公开的各种实施例的互连件300D的燃料侧的俯视图。互连件300D可类似于互连件300C。因而，将仅详细地描述其间的差异。
参看图3D，互连件300D可包含每一燃料歧管304中的多个燃料孔306。多个燃料孔306可改进燃料分配和/或增加穿过中心燃料通道310C且到达邻近燃料电池的中心部分的燃料质量流。
在各种实施例中，可在燃料流动方向上在燃料孔306与中心燃料场314中的邻近燃料肋312之间形成空间S。空间S可经配置以增加在中心燃料通道310C内，在互连件300D的相对侧上的燃料孔306之间的燃料质量流。
在互连件300D的一些实施例中，中心燃料通道310C的横截面积可大于外围燃料通道310P的横截面积，以便进一步增加穿过中心燃料通道310C的燃料质量流。然而，在其它实施例中，燃料通道310可全部具有基本上相同的横截面积。
图4A为根据本公开的各种实施例的互连件400A的空气侧的俯视图。参看图4A，互连件400A的空气侧可包含条形密封区402、环形密封区404、空气(例如，氧化剂)通道410、空气肋412和燃料孔306。环形密封区404可为包围燃料孔306的平面区。条形密封区402可为安置于互连件400A的相对边缘上的平面区。环形密封区404和条形密封区402可与空气肋412的顶部共平面。
空气肋412可至少部分地限定空气通道410。空气通道410可经配置以跨互连件在条形密封区402之间导引空气。互连件400A的空气侧可划分成中心空气场414和安置于中心空气场414的相对侧上的外围空气场416，邻近于互连件400A的第三边缘305和第四边缘307。空气通道410可包含安置于中心空气场414中的中心空气通道410C和安置于外围空气场416中的外围空气通道410P。
在一个实施例中，所有空气通道410可具有比图2A中所展示的比较互连件10的空气通道8B更大的横截面积。当在互连件400A的燃料侧中使用氢气作为燃料时，这增加了互连件400A的空气侧的空气冷却。
在另一实施例中，中心空气通道410C的横截面积可大于互连件400A的外围空气通道410P的横截面积。举例来说，中心空气通道410C可比外围空气通道410P更宽和/或更深。在一些实施例中，中心空气通道410C的横截面积可比外围空气通道410P的横截面积大5％至40％，例如8％至30％，或10％至20％。因而，穿过中心空气通道410C的空气质量流可相对应地大于穿过外围空气通道410P的空气质量流。中心空气通道410C中的更多空气质量流增加邻近燃料电池的中心的冷却，且在使用氢气作为燃料时减少燃料电池和互连件400A中的热梯度。
在一些实施例中，空气通道410的横截面积可随着到邻近的第三边缘305和第四边缘307的距离减小而连续地或逐步地增大。在一些实施例中，中心空气通道410C的横截面积可递增地变化，使得更接近于中心空气场414的中间的中心空气通道410C可具有比更接近于外围空气场416安置的中心空气通道410C更大的横截面积。然而，在各种实施例中，中心空气通道410C中的至少一些可具有比外围空气通道410P更大的横截面积。
在一些实施例中，位于邻近于环形密封区404的中心空气场414中的空气肋412可相对较短(即，短于位于外围空气场416中的空气肋412)，以提供空气空间S以增加围绕环形密封区404的空气流，从而增加穿过在互连件400A的相对侧上的环形密封区404之间延伸的中心空气通道410C的空气质量流。换句话说，中心空气场414中的空气肋412中的至少一些可短于其余的空气肋412，以便增加穿过中心空气场414中的中心空气通道410C的空气流，从而改进互连件400A和邻近燃料电池的对应部分的冷却。在其中空气肋412在中心空气场和外围空气场中具有不同长度的一些实施例中，中心空气通道410C的横截面积可大于外围空气通道410P的横截面积，以便进一步增加穿过中心空气场414的中心空气通道410C的空气质量流。在其它实施例中，中心空气通道410C的横截面积可与外围空气通道410P的横截面积相同。
图4B为根据本公开的各种实施例的互连件400B的空气侧的俯视图。互连件400B可类似于互连件400A。因而，将仅详细地论述其间的差异。
参看图4B，互连件400B的空气侧可包含曲面的或弯曲的外围空气通道410BP和对应曲面的或弯曲的空气肋412B。具体地说，弯曲的空气肋412B的端部分可被成形，以便形成邻近于环形密封区404的空气空间S。换句话说，位于互连件400B的边缘301和303附近的弯曲的外围空气通道410BP的边缘部分不平行于互连件的边缘305和307，且不平行于中心空气通道410C。举例来说，位于互连件400B的边缘301和303附近的弯曲的外围空气通道410BP的边缘部分以相对于互连件的边缘305和307成30到60度的角度延伸且延伸到中心空气通道410C。相比之下，互连件400B的中间处的弯曲的外围空气通道410BP的中间部分平行于互连件的边缘305和307以及中心空气通道410C。
空气空间S可经配置以增加到中心空气场414的中心通道410C中的空气质量流。具体地说，空间S可用于补偿由环形密封区404产生的空气阻塞。弯曲的空气肋412B还可经配置以减少穿过邻近于条形密封区402的外围空气通道410P的空气质量流。举例来说，弯曲的空气肋412B的端部分可部分地阻断到最外外围空气通道410P的空气流。
在一些实施例中，中心空气通道410C的横截面积可大于外围空气通道410P的横截面积,以便进一步增加穿过互连件400B的中心空气场414的中心空气通道410C的空气质量流。在其它实施例中，中心空气通道410C的横截面积可与互连件400B的外围空气通道410P的横截面积相同。
图4C为根据本公开的各种实施例的互连件400C的空气侧的俯视图。互连件400C可类似于互连件400B。因而，将仅详细地论述其间的差异。
参看图4C，互连件400C的空气侧可包含安置于互连件400C的相对的顶侧和底侧上的多个燃料孔306和环形密封区404。环形密封区404可安置在中心空气场414的外部，使得中心空气场414的中心空气通道410C不被燃料密封件阻塞。因而，可增加穿过中心空气场414的空气质量流，这是因为其不被燃料密封件阻塞。
在一些实施例中，中心空气通道410C的横截面积可大于外围流动通道410P的横截面积，以进一步增加穿过中心空气通道410C的空气流。然而，在其它实施例中，所有空气通道410可具有基本上相同的横截面积。
图4D为根据本公开的各种实施例的互连件400D的空气侧的俯视图。互连件400D可类似于互连件400A。因而，将仅详细地论述其间的差异。
参看图4D，中心空气通道410C中的至少一些可短于外围空气通道410P。此外，在中心空气场414中间的中心空气通道410可短于中心空气场414的外围部分处的中心空气通道410。此外，在中心空气场414中间的中心空气通道410的长度(在环形密封区404之间的方向上)可随与互连件400D的中间的距离而增加。举例来说，在中心空气场414中间的中心空气通道410的边缘可在环形密封区404周围形成半圆形形状。相比之下，在中心空气场414的外围部分处的中心空气通道410可具有相同长度，且其面向互连件400D边缘301和303的边缘成一条直线。
具体地说，由于中心空气场414中的空气肋412缩短，因此可在环形密封区404周围形成空气空间S。空气空间S位于外围空气场416中的空气肋412与环形密封区404之间。空气空间S可经配置以通过提供用于使空气在环形密封区404周围流动的额外空间来增加穿过中心空气通道410C的空气质量流。空间S还可减少中心空气通道410C之间的空气质量流变化。举例来说，通过中心空气通道410C之间的变化的空气质量流可小于25％，例如20％至25％。此外，穿过中心空气通道410C的空气流可比穿过外围流动通道410P的空气流大至少25％以上，例如30％至35％。
在一些实施例中，中心空气通道410C的横截面积可大于外围空气流动通道410P的横截面积，以进一步增加穿过中心空气流动通道410C的空气流。然而，在其它实施例中，所有空气流动通道410可具有基本上相同的横截面积。
参看图3A到3D和4A到4D，各种实施例可包含具有所描述的空气侧特征和燃料侧特征的任何组合的互连件。举例来说，互连件300A到300D可包含图4A到4D中所展示的空气侧特征中的任一者，且互连件400A到400D可包含图3A到3D中所展示的燃料侧特征中的任一者。然而，在一些实施例中，具有多个燃料孔306的互连件可具有互连件300D的燃料侧特征和互连件400C的空气侧特征。
根据各种实施例，与2A和2B中所展示的比较互连件10相比，互连件的厚度可增加，以便增加横向热传导。在其它实施例中，可修改互连件的高宽比，以增加周边与活性区域比并减小从互连件的中心到边缘的热传导距离。
在一些实施例中，可增加互连件的热导率。举例来说，可通过改性起始铬粉末(例如，直接还原铬、不同粒度等)来增加密度。在一些实施例中，互连材料粉末的Fe含量可增加，例如从5wt.％至约7wt.％至约10wt.％Fe。因此，互连件包括含有7wt.％Fe至10wt.％Fe和其余的Cr的合金(例如7wt.％至10wt.％的铁和90wt.％至93wt.％的铬)。增加的铁含量可允许经由粉末冶金形成更致密的互连件，这可改进热传导且增加温度均匀性。
在各种实施例中，可增加互连件的高宽比，使得互连件更为矩形而不是方形，以增加周边与活性区域比并减小从互连件的中心到边缘的热传导距离。此配置可有益于图3A到3D和4A到4D的共流互连，其中燃料和空气在平行方向上流动。另外，此配置对于交叉流互连件可甚至为更有益的，其中燃料流和空气流跨互连件彼此垂直。
图5A为根据本公开的各种实施例的交叉流互连件500的燃料侧的俯视图。图5B为图5A的互连件500的空气侧的俯视图。互连件500可类似于先前所描述的互连件。因而，将仅详细地描述其间的差异。
参看图5A和5B，互连件500可包含作为(图3A中所展示的)燃料歧管304操作的放大燃料孔308。燃料孔308可任选地包含经配置以增加互连件500和/或燃料孔308的结构完整性的支撑件(例如，分隔件)308S。互连件500可包含：燃料肋312，其至少部分地限定在长度方向L上延伸的燃料通道，所述长度方向可与燃料流动方向共线；及空气肋412，其至少部分地限定在宽度方向W上延伸的空气通道410，所述宽度方向可与气流方向共线且可基本上垂直于长度方向L。
互连件500的长度(沿长度方向L截取)可大于100mm，例如110mm至150mm，且其燃料通道310长度至少为100mm，例如100mm至115mm。互连件500的宽度(沿宽度方向W截取)可小于100mm，例如70mm至90mm。因此，互连件500的长度与宽度比可大于1，例如1.05至2.75，或1.25至2.5。
因此，在一些实施例中，通过增加中央燃料场中燃料通道的宽度、深度或宽度和深度两者，互连件包含在中心燃料场比在外围燃料场中具有更大横截面积的燃料通道。
在各种实施例中，互连件在对氢燃料操作时提供改进的热均匀性，这使得燃料利用率和系统效率较高。在一些实施例中，较高活性区域减小电流密度且改进燃料电池性能。
本公开的实施例的燃料电池系统经设计以减少温室气体排放且对气候具有积极影响。
虽然前文涉及特定优选实施例，但应理解本发明不限于此。所属领域的一般技术人员将想到可对公开的实施例作各种修改并且这类修改意图在本发明的范围内。所有本文中提出的公开案、专利申请以及专利都以全文引用的方式并入本文中。

Claims (20)

1.一种燃料电池互连件，其包括：
燃料肋，其安置于所述互连件的第一侧上且至少部分地限定燃料通道；及
空气肋，其安置于所述互连件的相对第二侧上且至少部分地限定空气通道，
其中：
所述燃料通道包括安置于中心燃料场中的中心燃料通道和安置于外围燃料场中的外围燃料通道，所述外围燃料场安置于所述中心燃料场的相对侧上；
所述空气通道包括安置于中心空气场中的中心空气通道和安置于外围空气场中的外围空气通道，所述外围空气场安置于所述中心空气场的相对侧上；且
所述中心燃料通道或所述中心空气通道中的至少一者具有与相应外围燃料通道或相应外围空气通道中的至少一者不同的横截面积或长度中的至少一者，以增加穿过所述中心燃料通道的氢燃料流或增加穿过所述外围空气通道的空气流。
2.根据权利要求1所述的燃料电池互连件，其中所述中心燃料通道具有比所述外围燃料通道大的横截面积。
3.根据权利要求2所述的燃料电池互连件，其中：
所述中心燃料通道的宽度大于所述外围燃料通道的宽度；且
所述中心燃料通道的所述横截面积比所述外围燃料通道的所述横截面积大约5％至约40％。
4.根据权利要求1所述的燃料电池互连件，其中所述中心燃料通道具有比所述外围燃料通道短的长度。
5.根据权利要求1所述的燃料电池互连件，其进一步包括：
燃料歧管，其形成于所述互连件的所述第一侧中且流体地连接到所述燃料通道；及
燃料孔，其安置于所述燃料歧管中的每一者中且延伸穿过所述互连件。
6.根据权利要求5所述的燃料电池互连件，其中所述外围燃料通道和对应燃料肋中的至少一些延伸到所述燃料歧管中，使得更接近于所述中心燃料场安置的外围燃料通道长于更远离所述中心燃料场安置的外围燃料通道。
7.根据权利要求5所述的燃料电池互连件，其中所述燃料歧管中的每一者在所述燃料孔附近具有最大深度且在所述互连件的相对边缘附近具有最小深度。
8.根据权利要求5所述的燃料电池互连件，其进一步包括燃料减震器，所述燃料减震器安置于所述燃料歧管中且经配置以减少穿过所述外围燃料通道的燃料质量流，其中所述燃料减震器和所述燃料通道在垂直方向上纵向延伸。
9.根据权利要求1所述的燃料电池互连件，其进一步包括燃料拦截器，所述燃料拦截器安置于所述外围燃料场中且经配置以减少穿过所述外围燃料通道的燃料质量流，其中所述燃料拦截器和所述外围燃料通道在垂直方向上纵向延伸。
10.根据权利要求1所述的燃料电池互连件，其中所述燃料电池互连件包括铬铁合金，所述铬铁合金包括7wt％至10wt％的铁和90wt％至93wt％的铬。
11.根据权利要求1所述的燃料电池互连件，其中所述中心空气通道具有比所述外围空气通道大的横截面积。
12.根据权利要求11所述的燃料电池互连件，其中所述中心空气通道的所述横截面积比所述外围空气通道的所述横截面积大约5％至约40％。
13.根据权利要求1所述的燃料电池互连件，其中所述中心空气通道具有比所述外围空气通道短的长度。
14.根据权利要求13所述的燃料电池互连件，其中所述外围空气通道中的至少一些经弯曲以形成空气空间，所述空气空间经配置以增加穿过所述中心空气通道的空气质量流。
15.根据权利要求14所述的燃料电池互连件，其中弯曲的空气通道长于所述中心空气通道中的至少一些。
16.根据权利要求13所述的燃料电池互连件，其进一步包括：
密封区，其安置于所述中心空气场中的所述互连件的所述第二侧上；及
燃料孔，其安置于所述密封区中且延伸穿过所述互连件，
其中所述中心空气通道中的至少一些短于所述外围空气通道，使得空气空间形成于所述密封区周围且经配置以增加穿过所述中心空气通道的空气质量流。
17.根据权利要求16所述的燃料电池互连件，其中：
在所述中心空气场的中间的所述中心空气通道的边缘在所述密封区周围形成半圆形形状；
在所述中心空气场的外围部分处的所述中心空气通道具有相同长度，且其面向所述互连件的边缘的边缘成一条直线；且
所述空气空间位于所述外围空气场中的所述空气肋与所述密封区之间。
18.根据权利要求1所述的燃料电池互连件，其中：
所述中心燃料通道中的至少一者具有比所述相应外围燃料通道中的至少一者大的横截面积或比所述相应外围燃料通道中的至少一者短的长度中的至少一者，以增加穿过所述中心燃料通道的氢燃料流；且
所述中心空气通道中的至少一者具有比所述相应外围空气通道中的至少一者大的横截面积或比所述相应外围空气通道中的至少一者短的长度中的至少一者，以增加穿过所述外围空气通道的空气流。
19.一种燃料电池堆，其包括由根据权利要求1所述的燃料电池互连件间隔开的固体氧化物燃料电池。
20.一种操作根据权利要求19所述的燃料电池堆的方法，其包括：
将氢燃料提供到燃料通道中，其中穿过中心燃料通道的氢燃料流比穿过外围燃料通道的所述氢燃料流多；及
将空气提供到空气通道中，其中穿过中心空气通道的空气燃料流比穿过外围空气通道的所述空气燃料流多。
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