CN116130734A - 包含应力缓解结构的燃料电池柱 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种包含应力缓解结构的燃料电池柱。燃料电池柱包含交替的燃料电池和互连件的堆叠，其中所述互连件将所述堆叠中相邻的燃料电池分隔开且含有燃料和空气通道，所述燃料和空气通道配置成向所述燃料电池提供相应燃料和空气；歧管板，其含有位于所述歧管板的底表面中的底部入口孔和底部出口孔、在所述歧管板的顶表面的相对侧中形成的顶部出口孔和顶部入口孔、将所述顶部出口孔与所述底部入口孔流体连通的出口通道及将所述顶部入口孔与所述底部出口孔流体连通的入口通道；以及缓解结构，其配置成减小由于所述堆叠和所述歧管板之间的形状不匹配或热膨胀系数不匹配中的至少一个而施加到所述堆叠的应力。

Description

包含应力缓解结构的燃料电池柱
技术领域
本公开总体上涉及燃料电池柱，且涉及包含应力缓解结构的燃料电池柱。
背景技术
在高温燃料电池系统中，例如固体氧化物燃料电池(SOFC)系统，氧化流通过燃料电池的阴极侧，同时燃料流通过燃料电池的阳极侧。氧化流通常是空气，而燃料流可以是烃燃料，例如甲烷、天然气、戊烷、乙醇或甲醇。燃料电池在750℃和950℃之间的典型温度下运行，能够将带负电荷的氧离子从阴极流输送到阳极流，在阳极流中，离子与游离氢或烃分子中的氢结合形成水蒸气和/或与一氧化碳结合形成二氧化碳。来自带负电荷的离子的多余电子通过阳极和阴极之间的电路返回到燃料电池的阴极侧，导致电流流过所述电路。
燃料电池堆叠可在内部或在外部呈歧管式，以用于燃料和空气。在内部歧管式电池堆叠中，燃料和空气通过电池堆叠内所含的立管分配到每个电池。换句话说，气体流过每个燃料电池的支撑层(例如电解质层)和每个电池的气流分隔器中的开口或孔。在外部歧管式电池堆叠中，电池堆叠在燃料和空气入口侧和出口侧敞开，燃料和空气独立于电池堆叠硬件引入和收集。例如，入口和出口燃料和空气在电池堆叠和电池堆叠所在的歧管壳体之间的单独通道中流动。
燃料电池堆叠通常由平面元件、管或其它几何形状的多种电池构成。燃料和空气必须提供给电化学活性表面，这个表面可能很大。燃料电池堆叠的一个部件是气流分隔器(在平面电池堆叠中称为气流分隔板)，其将电池堆叠中的各个电池分隔开来。气流分隔板将流向电池堆叠中一个电池的燃料电极(即，阳极)的燃料(如氢或烃燃料)与流向电池堆叠中相邻电池的空气电极(即，阴极)的氧化剂(如空气)分隔开来。通常，气流分隔板也用作互连件，此互连件将一个电池的燃料电极电连接到相邻电池的空气电极。在这种情况下，气流分隔板用作互连件，并且由导电材料制成或含有导电材料。
发明内容
根据本公开的各种实施例，一种燃料电池柱包含：交替的燃料电池和互连件的堆叠，其中所述互连件将所述堆叠中的相邻燃料电池分隔开，并且含有燃料和空气通道，所述燃料和空气通道配置成向所述燃料电池提供相应燃料和空气；歧管板，其含有位于所述歧管板的底表面中的底部入口孔和底部出口孔、在所述歧管板的顶表面的相对侧中形成的顶部出口孔和顶部入口孔、将所述顶部出口孔与所述底部入口孔流体连通的出口通道及将所述顶部入口孔与所述底部出口孔流体连通的入口通道；以及缓解结构，其配置成减小由于所述堆叠和所述歧管板之间的形状不匹配或热膨胀系数不匹配中的至少一个而施加到所述堆叠的应力。
附图说明
并入本文并且构成本说明书的一部分的附图示出本发明的示例实施例，并且与上文给出的总体描述和下文给出的详细描述一起用于解释本发明的特征。
图1A是常规燃料电池柱的透视图，图1B是图1A的电池柱中包含的一个逆流式固体氧化物燃料电池(SOFC)堆叠的透视图，并且图1C是图1B的堆叠的一部分的侧视横截面图。
图2A是图1B的堆叠的常规互连件的空气侧的俯视图，并且图2B是常规互连件的燃料侧的俯视图。
图3A是根据本公开的各种实施例的燃料电池堆叠的透视图，图3B是图3A的堆叠的一部分的分解透视图，图3C是图3A的堆叠中包含的互连件的燃料侧的俯视图，并且图3D是图3A的堆叠中包含的燃料电池的示意图。
图4A和4B是平面图，分别示出根据本公开的各种实施例的图3C的交叉流互连件的空气侧和燃料侧。
图5A是根据本公开的各种实施例的燃料流结构的分解俯视透视图，并且图5B是图5A的燃料流结构的分解仰视透视图。
图6A是图5A和5B的密封板的俯视图，并且图6B是沿着图6A的线L3所取的横截面视图。
图7A是图5A和5B的歧管板的仰视图，图7B是沿着图7A的线L4所取的横截面视图，并且图7C是图7A的歧管板的示意俯视图。
图8A是沿着图5A的线L1所取的竖直横截面视图，其示出组装的燃料增压室和入口导管，并且图8B是竖直横截面视图或沿着图5A的线L2，其示出组装的燃料增压室和出口导管。
图9A是根据本公开的各种实施例的燃料电池柱的简化分解侧视图，图9B是图9A的燃料电池柱的经修改版本的简化分解侧视图，并且图9C是图9B的导电网的实例的照片。
图10A是根据本公开的各种实施例的燃料电池柱的简化分解侧视图，并且图10B是图10A的底部终端板的一个实施例的仰视图。
图11-13是根据本公开的各种实施例的燃料电池柱的简化分解侧视图。
图14A是根据本公开的各种实施例的燃料电池柱的简化分解侧视图，并且图14B是图14A的导电网的实例的照片。
具体实施方式
将参考附图详细描述各个实施例。附图未必按比例绘制，且旨在说明本发明的各种特征。只要可能，附图中便使用相同的元件符号来指示相同或类似的部件。提及特定实例和实施方案是出于说明性目的，而非旨在限制本发明或权利要求书的范围。
在本文中，范围可以表示为从“约”一个特定值和/或到“约”另一个特定值。当表示此类范围时，实例包含从所述一个特定值和/或到所述另一个特定值。类似地，当值通过使用先行词“约”或“基本上”表示为近似值时，应理解，特定值形成另一方面。在一些实施例中，“约X”的值可包含+/-1％ X的值。应进一步理解，所述范围中的每个范围的端点相对于另一个端点且独立于另一个端点均为显著的。
图1A是常规燃料电池柱30的透视图，图1B是图1A的电池柱30中包含的一个逆流式固体氧化物燃料电池(SOFC)堆叠20的透视图，并且图1C是图1B的堆叠20的一部分的侧视横截面图。
参考图1A和1B，柱30可包含一或多个堆叠20、燃料入口导管32、阳极排出导管34，和阳极进料/回流组件36(例如，阳极分隔板(ASP)36)。柱30还可包含侧挡板38和压缩组件40。侧挡板38可通过陶瓷连接件39连接到压缩组件40和底层堆叠部件(未示出)。燃料入口导管32流体地连接到ASP 36且配置成向每个ASP 36提供燃料进料，并且阳极排出导管34流体地连接到ASP 36且配置成从每个ASP 36接收阳极燃料废料。
ASP 36安置在各堆叠20之间且配置成向堆叠20提供含有烃燃料的燃料进料且从堆叠20接收阳极燃料废料。例如，ASP 36可流体地连接到形成于堆叠20中的内部燃料立管孔22，如下文所论述。
参考图1C，堆叠20包含被互连件10分隔的多个燃料电池1，所述互连件也可以称为气流分隔板或双极板。每个燃料电池1包含阴极电极3、固体氧化物电解质5和阳极电极7。
每个互连件10使堆叠20中的相邻燃料电池1电连接。特别地，互连件10可使一个燃料电池1的阳极电极7与相邻燃料电池1的阴极电极3电连接。图1C示出下部燃料电池1位于两个互连件10之间。
每个互连件10包含至少部分地界定燃料通道8A和空气通道8B的肋片12。互连件10可用作气体-燃料分隔器，其将流向堆叠中的一个电池的燃料电极(即，阳极7)的燃料(如烃燃料)与流向堆叠中的相邻电池的空气电极(即，阴极3)的氧化剂(例如空气)分隔开来。在堆叠20的任一端，可能存在空气端板或燃料端板(未示出)，以便将空气或燃料分别提供到端电极。
图2A是常规互连件10的空气侧的俯视图，且图2B是互连件10的燃料侧的俯视图。参考图1C和2A，空气侧包含空气通道8B。空气经空气通道8B流到相邻燃料电池1的阴极电极3。特别地，空气可在如箭头所示的第一方向A上流过互连件10。
环形密封件23可环绕互连件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空气侧的外围部分。密封件23、24可以由玻璃材料形成。外围部分可呈抬升的平台形式，其不包含肋片或通道。外围区域的表面可以与肋片12的顶部共平面。
参考图1C和2B，互连件10的燃料侧可包含燃料通道8A和燃料歧管28(例如燃料增压室)。燃料从一个燃料孔22A经由燃料通道8A流入相邻歧管28，且流到相邻燃料电池1的阳极7。多余燃料可流入另一燃料歧管28中，然后流入相邻燃料孔22A中。特别地，燃料可在如箭头所示的第二方向B上流过互连件10。第二方向B可以垂直于第一方向A(参见图2A)。
框形密封件26安置在互连件10的燃料侧的外围区域上。外围区域可以是抬升的平台，其不包含肋片或通道。外围区域的表面可以与肋片12的顶部共平面。
相应地，如图1A、1B、1C、2A和2B中所示的常规逆流燃料电池柱可包含复杂的燃料分配系统(燃料轨和阳极分隔板)。另外，内部燃料立管的使用可能需要燃料电池和相应的密封件中存在孔，这会减小其有效面积且可能导致燃料电池1的陶瓷电解质出现裂纹。
燃料歧管28可占据互连件10的相对较大区域，这会使互连件10与相邻燃料电池之间的接触面积减小约10％。燃料歧管28还相对较深，因此燃料歧管28代表着互连件10的相对较薄区域。由于互连件10通常利用粉末冶金压实工艺形成，因此燃料歧管区域的密度可接近互连件材料的理论密度限值。因而，压实工艺中所用的压实压力机的行程长度可因高密度燃料歧管区域不能被进一步压实而受限制。结果，互连件10中在别处达成的密度会因受限于压实行程而局限在较低水平。所引起的密度变化可导致表面形状变化，这会减小互连件10与燃料电池1之间的接触量且会导致堆叠良率和/或性能降低。
燃料电池系统设计中的另一个重要考虑因素是操作面积效率。最大化燃料利用率是达成操作效率的关键因素。燃料利用率是燃料在操作期间消耗的数量相对于递送给燃料电池的数量的比率。保持燃料电池循环寿命的一个重要因素可以是通过适当地将燃料分配到有效区域中来避免燃料电池有效区域中出现燃料不足。如果燃料存在分配不均匀，以致一些流场通道接收到的燃料不足以支持那个通道区域中将发生的电化学反应，那么在那个通道相邻的燃料电池区域中会引起燃料不足。为了更均一地分配燃料，常规互连件设计包含跨流场的通道深度变化。这不仅会使制造工艺复杂，而且会需要复杂的计量来准确地测量这些尺度。燃料经由燃料孔和分配歧管分配的路径会限制各种通道几何形状。
消除这种复杂的几何形状和燃料歧管的一种可行解决方案是拓宽燃料开口以确保燃料跨燃料流场的分配均一得多。由于燃料歧管的形成是密度发生变化的一个因素，因此消除燃料歧管应该能够达成更均一的互连件密度和渗透性。因此，需要改进互连件，以便在不使用常规燃料歧管的情况下实现与燃料电池均一的接触，同时还将燃料均一地分配到燃料电池。
由于扩大燃料电池系统中的热箱尺寸在整体上受到限制，因此还需要改进互连件设计以最大化燃料利用率和燃料电池有效面积，而不增加热箱占地面积。
交叉流燃料电池系统
图3A是根据本公开的各种实施例的燃料电池柱200的透视图，图3B是图3A的柱200的一部分的分解透视图，图3C是柱200中包含的互连件400的燃料侧的俯视图，并且图3D是柱200中包含的燃料电池的示意图。
参考图3A-3D，燃料电池柱200包含至少一个燃料电池堆叠300，其包含被互连件400(也可以称为气流分隔板或双极板)分隔的多个燃料电池310。一或多个柱200可与燃料电池电力产生系统的其它部件(例如一或多个阳极尾气氧化器、燃料重整器、流体导管和歧管等)热集成于共用的外壳或“热箱”中。
互连件400由导电金属材料制成。例如，互连件400可包括铬合金，例如Cr-Fe合金。互连件400典型地可利用粉末冶金技术制成，包含冲压和烧结Cr-Fe粉末(其可以是Cr与Fe粉末的混合物，或Cr-Fe合金粉末)以形成所需尺寸和形状的Cr-Fe互连件(例如“网形”或“近似网形”工艺)。典型的铬合金互连件400包括超过约90重量％铬，例如约94-96重量％(例如95重量％)铬。互连件400还可以含有小于约10重量％铁，例如约4-6重量％(例如5重量％)铁，可以含有小于约2重量％(例如约零到1重量％)的其它材料，例如钇或氧化钇，以及残余或不可避免的杂质。
每个燃料电池310可包含固体氧化物电解质312、阳极314和阴极316。在一些实施例中，阳极314和阴极316可印刷于电解质312上。在其它实施例中，可在阳极314与相邻互连件400之间安置导电层318，例如镍网。燃料电池310不包含通孔，例如常规燃料电池的燃料孔。因此，燃料电池310避免了可能因此类通孔的存在而产生的裂纹。
柱200中的最上部互连件400和最下部互连件400可以是空气端板或燃料端板中的不同者，包含用于将空气或燃料分别提供到邻端燃料电池310的特征。如本文所用，“互连件”可指位于两个燃料电池310之间的互连件，或位于堆叠末端且与仅一个燃料电池310紧邻的端板。由于柱200不包含ASP和其相关联的端板，因此柱200可以只包含两个端板。因此，可避免与柱内ASP的使用相关联的堆叠尺度变化。
柱200可包含侧挡板302、燃料增压室350和压缩组件306。侧挡板302可由陶瓷材料形成并且可安置在燃料电池柱200的相对侧上，所述燃料电池堆叠含有堆叠的燃料电池310和互连件400。侧挡板302可使燃料增压室350与压缩组件306连接，以便压缩组件306能够向柱200施加压力。侧挡板302可以是曲形挡板，每个此类挡板覆盖燃料电池柱200的三个侧面的至少一部分。例如，一个挡板可以完全覆盖柱200的燃料入口立管侧且部分地覆盖堆叠的相邻前侧和背侧，而另一挡板完全覆盖堆叠的燃料出口立管侧且部分地覆盖堆叠的前侧和背侧的相邻部分。堆叠前侧和背侧未被覆盖的剩余部分允许空气流动通过柱200。与仅覆盖堆叠一侧的常规挡板38相比，曲形挡板向穿过堆叠的空气流动提供改进的控制。燃料增压室350可以安置在柱200下方并且可以配置成向柱200提供含氢燃料进料，且可以从柱200接收阳极燃料废料。燃料增压室350可以连接到位于燃料增压室350下方的燃料入口和出口导管320。
每个互连件400使柱200中的相邻燃料电池310电连接。特别地，互连件400可使一个燃料电池310的阳极电极与相邻燃料电池310的阴极电极电连接。如图3C中所示，每个互连件400可以配置成沿第一方向A引导空气，以便空气可以被提供给相邻燃料电池310的阴极。每个互连件400还可以配置成沿第二方向F引导燃料，以便燃料可以被提供给相邻燃料电池310的阳极。方向A与F可以垂直或基本上垂直。因而，互连件400可称为交叉流互连件。
互连件400可包含延伸穿过互连件400且配置成用于燃料分配的燃料孔。例如，燃料孔可包含一或多个燃料入口402和一或多个燃料(阳极废料)出口404，所述出口也可以称为阳极废料出口404。燃料入口402和燃料出口404可安置在燃料电池310的周边的外部。因而，可以形成不含用于燃料流的对应通孔的燃料电池310。燃料入口402的组合长度和/或燃料出口404的组合长度可以是互连件400的对应长度(例如在方向A上所取的长度)的至少75％。
在一个实施例中，每个互连件400含有被互连件400的颈部412分隔的两个燃料入口402，如图3B中所示。然而，可以包含超过两个燃料入口402，例如被两个到四个颈部412分隔的三个到五个入口。在一个实施例中，每个互连件400含有被互连件400的颈部414分隔的两个燃料出口404，如图3B中所示。然而，可包含超过两个燃料出口404，例如被两个到四个颈部414分隔的三个到五个出口。
相邻互连件400的燃料入口402在柱200中可以对准以形成一或多个燃料入口立管403。相邻互连件400的燃料出口404在柱200中可以对准以形成一或多个燃料出口立管405。燃料入口立管403可配置成将从燃料增压室350接收到的燃料分配到燃料电池310。燃料出口立管405可配置成将从燃料电池310接收到的阳极废料提供给燃料增压室350。
不同于图1A的现有技术扁平侧挡板38，侧挡板302可围绕互连件400的边缘呈曲形。特别地，侧挡板302可围绕互连件400的燃料入口402和燃料出口404安置。因此，侧挡板可以更高效地控制空气经由互连件400的空气通道流动，所述空气通道暴露于侧挡板302之间且结合图4A和4B详细描述。
在各种实施例中，柱200可包含至少30个、至少40个、至少50个或至少60个燃料电池，仅利用燃料立管403、405便可向所述燃料电池提供燃料。换句话说，相比于常规燃料电池系统，交叉流配置允许在不需要ASP或外部堆叠燃料歧管(例如图1A中所示的外部导管32、34)的情况下向许多燃料电池提供燃料。
每个互连件400可由导电材料制成或可含有导电材料，例如热膨胀系数与电池中的固体氧化物电解质的热膨胀系数类似(例如相差0至10％)的金属合金(例如铬铁合金)。例如，互连件400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310的阳极侧或燃料侧与相邻燃料电池310的阴极侧或空气侧电连接。阳极与每个互连件400之间可以设置导电接触层，例如镍接触层(例如镍网)。阴极电极与每个互连件400之间可设置另一个任选的导电接触层。
在操作时暴露于氧化环境(例如空气)的互连件400的表面，例如互连件400的面向阴极的一侧，可涂有保护涂层以便降低互连件上的氧化铬表面层的生长速率并且抑制能使燃料电池阴极中毒的铬蒸气物质蒸发。典型地，可包括钙钛矿(例如锰酸锶镧(LSM))的涂层可利用喷涂或浸涂工艺形成。替代地，作为LSM的替代或补充，也可使用其它金属氧化物涂层，例如尖晶石，例如(Mn,Co)3O4尖晶石(MCO)。可以使用具有组成Mn2-xCo1+xO4(0≤x≤1)或写作z(Mn3O4)+(1-z)(Co3O4)(其中(1/3≤z≤2/3)或写作(Mn,Co)3O4的任何尖晶石。在其它实施例中，可以使用LSM和MCO的混合层或LSM和MCO层的堆叠作为涂层。
图4A和4B是平面图，分别示出根据本公开的各种实施例的交叉流互连件400的空气侧和燃料侧。参考图4A，互连件400的空气侧可包含配置成至少部分地界定空气通道408的肋片406，所述空气通道配置成向安置于其上的燃料电池310的阴极提供空气。互连件400的空气侧可分成包含空气通道408的空气流场420，和安置在空气流场420的两个相对侧的立管密封表面422。一个立管密封表面422可环绕燃料入口402且另一个立管密封表面422可环绕燃料出口404。空气通道408和肋片406可完全跨互连件400的空气侧延伸，使得空气通道408和肋片406终止于互连件400的相对周缘。换句话说，当组装成柱200时，空气通道408和肋片406的相对末端安置在堆叠的相对(例如，前侧和背侧)外表面上，以允许所吹的空气流动穿过堆叠。因此，堆叠可针对空气在外部呈歧管式。
立管密封件424可安置在立管密封表面422上。例如，一个立管密封件424可环绕燃料入口402，且一个立管密封件424可环绕燃料出口404。立管密封件424可阻止燃料和/或阳极废料进入空气流场420而与燃料电池310的阴极接触。立管密封件424的操作还可以阻止燃料从燃料电池堆叠100中泄漏出来(参见图3A)。
参考图4B，互连件400的燃料侧可包含至少部分地界定燃料通道418的肋片416，所述燃料通道配置成向安置于其上的燃料电池310的阳极提供燃料。互连件400的燃料侧可分成包含燃料通道418的燃料流场430，以及环绕燃料流场430和燃料入口402和燃料出口404的周边密封表面432。肋片416和燃料通道418可在与空气侧通道408和肋片406延伸的方向垂直或基本上垂直的方向上延伸。
框形周边密封件434可安置在周边密封表面432上。周边密封件434可配置成阻止空气进入燃料流场430而与相邻燃料电池310上的阳极接触。周边密封件434还可用于阻止燃料离开燃料立管403、405以及从燃料电池柱200中泄漏出来(参见图3A和3B)。
密封件424、434可包括玻璃或陶瓷密封材料。密封材料可具有低电导率。在一些实施例中，可通过在互连件400上印刷一或多个密封材料层、随后烧结来形成密封件424、434。
燃料流结构
如图1A中所示，在常规燃料电池系统中，经由金属阳极分隔板36向燃料电池堆叠提供燃料和燃料废料以及从燃料电池堆叠接收燃料和燃料废料。阳极分隔板36彼此通过燃料入口导管32和阳极排出导管34流体连通。导管32、34包含与阳极分隔板36焊接且与充当介电绝缘子(dielectric breaks)的陶瓷部件焊接的金属管。因而，使阳极分隔板36流体连通依赖于昂贵的介电部件和大量的现场焊接。因此，需要更具成本效益的方法向燃料电池堆叠提供燃料以及从燃料电池堆叠接收燃料废料。
图5A是根据本公开的各种实施例的燃料流结构500的分解俯视透视图，并且图5B是图5A的燃料流结构500的分解仰视透视图。参考图5A和5B，燃料流结构500包含燃料导管320和燃料增压室350。燃料增压室350可包含密封环354、玻璃或玻璃陶瓷密封件356、底板360、介电层364、盖板366、密封板370和歧管板380。
燃料增压室350可配置成与燃料导管320形成不透流体的连接。燃料导管320可包含配置成向燃料增压室350提供燃料的入口导管320A，以及配置成从燃料增压室350接收燃料废料的出口导管320B。燃料导管320可包含金属管322、金属波纹管324和介电环326。金属管322可通过例如铜焊、焊接或压合而与波纹管324和介电环326耦合。波纹管324可通过变形吸收应力而用于补偿燃料电池部件之间的热膨胀系数差异。在替代实施例中，金属管322自身可包含波纹管或完全由波纹管制成而非与波纹管324耦合，以便金属管/波纹管322可直接与介电环326耦合。介电环326可作为介电绝缘子操作，以阻止电流通过燃料导管320导电且阻止安置在燃料增压室350上的燃料电池堆叠发生电短路。
底板360、介电层364和盖板366可分别包含入口孔361A、365A、367A和出口孔361B、365B、367B，所述孔可以是延伸贯穿相应板和层的通孔。底板360可包含配置成与陶瓷连接件39配合的突起362，如图1A中所示。底板360和盖板366可由致密的介电材料形成。例如，底板360和盖板366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、氧化钇稳定化氧化锆(YSZ)(例如3％氧化钇稳定化氧化锆)等。底板360和盖板366可为配置成向介电层364提供支撑的刚性板。
在一些实施例中，介电层364可由介电常数高于底板360和/或盖板366的陶瓷材料的陶瓷材料形成。换句话说，介电层364能够耐受比底板360和盖板366更高的最大电场而不会电击穿变得导电(即，具有更高的击穿电压)。例如，介电层364可由在高温下高度电绝缘的多孔陶瓷纱或织物的一或多个层形成，例如获自3M公司的Nextel陶瓷织物编号312、440或610。
在其它实施例中，介电层364可由陶瓷基质复合(CMC)材料或因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可包含例如氧化铝(例如矾土)、氧化锆或碳化硅基质。还可选择其它基质材料。纤维可由矾土、碳、碳化硅或任何其它适合材料制成。在一个实施例中，基质与纤维均可包括矾土。因此，介电层364可配置成作为介电绝缘子操作以阻止通过燃料增压室350导电。
盖板366和底板360可具有比介电层364更高的密度。例如，盖板366和/或底板360可由充分致密的陶瓷材料形成，例如97％到99.5％密度的矾土等。盖板366配置成将密封板370与介电层364分隔。因而，盖板366可配置成阻止金属物质从密封板370扩散到介电层364中。例如，盖板366可减少和/或阻止铬物质(例如铬氧化物)从密封板370扩散到介电层364中，以便阻止铬物质降低介电层364的介电强度和/或以其它方式使介电层364的结构完整性降级。
密封板370和歧管板380可由容易焊接到燃料导管320的金属或金属合金(例如不锈钢)形成。例如，密封板370和/或歧管板380可由446不锈钢等形成。446不锈钢包含23到27重量％Cr、1.5重量％或更少的Mn、1重量％或更少的Si、Ni、C、P和/或S中的一或多者，以及其余的Fe。在一些实施例中，可通过将多个金属副板铜焊在一起来形成密封板370和/或歧管板380。在使用金属副板形成的实施例中，可在铜焊工艺之前或之后，切割每块副板以形成不同结构，例如孔和/或通道。在一些实施例中，可利用激光切割等来切割此类结构。
密封板370和歧管板380可在一侧或两侧(例如至少在板370、380的面向彼此的侧面)分别包含涂层372、382。涂层372、382的厚度范围可以是约75μm至约200μm，例如约100μm至约175μm、约110μm至约140μm，或约120μm。典型地，涂层372、382可包括金属氧化物材料，例如钙钛矿材料，例如锰酸锶镧(LSM)。替代地，作为LSM的替代或补充，也可使用其它金属氧化物涂层，例如尖晶石，例如(Mn,Co)3O4尖晶石(MCO)。可使用具有组成Mn2-xCo1+xO4(0≤x≤1)或写作z(Mn3O4)+(1-z)(Co3O4)(其中(1/3≤z≤2/3)或写作(Mn,Co)3O4的任何尖晶石。在其它实施例中，可以使用LSM和MCO的混合层或LSM和MCO层的堆叠作为涂层372、382。涂层372、382可使用喷涂或浸涂工艺形成且可涂覆于密封板370和歧管板380的基本上所有外表面上。
密封板370可包含入口孔374A和出口孔374B，所述孔可以是在其顶表面与底表面之间延伸的通孔。歧管板380可在歧管板380的相对侧包含形成于其底表面中的底部入口孔384A和底部出口孔384B以及可形成于其顶表面中的顶部入口孔390A和顶部出口孔390B。尽管显示了三个顶部入口孔390A和三个顶部出口孔390B，但本公开不限于顶部出口孔390B和顶部入口孔390A的任何特定数目。例如，视相应燃料电池堆叠的互连件400中包含的燃料入口和出口的数量而定，歧管板380可包含两个、四个、五个或更多个顶部入口孔390A且可包含两个、四个、五个或更多个顶部出口孔390B。例如，如果互连件具有三个入口和三个出口，那么歧管板380具有三个入口孔390A和三个出口孔390B。
底板360、介电层364、盖板366、密封板370和歧管板380可以彼此上下堆叠，以便使入口孔361A、365A、367A、374A、384A对准以形成入口导管通道352A，且使出口孔361B、365B、367B、374B、384B对准以形成出口导管通道352B。可将入口导管320A和出口导管320B分别插入入口导管通道352A和出口导管通道352B中，使得入口导管320A和出口导管320B的末端328可延伸到和/或超过密封板370的顶表面。
图6A是密封板370的俯视图，并且图6B是沿着图6A的线L3所取的横截面视图。参考图6A和6B，在密封板370的顶表面未涂覆涂层372的区域中，可围绕入口孔374A和出口孔374B分别形成入口密封区域378A和出口密封区域378B。因而，入口密封区域378A和出口密封区域378B可具有等于涂层372厚度的深度D2，例如约120μm的深度D2。
根据本公开的各种实施例，图7A是歧管板380的仰视图，图7B是沿着图7A的线L4所取的横截面视图，且图7C是歧管板380的示意俯视图。参考图7A-7C，可在歧管板380的底表面中形成分别包围底部入口孔384A和底部出口孔384B的入口凹部386A和出口凹部386B。入口凹部386A和出口凹部386B的深度D3可在约0.5mm至约6mm范围内。
在歧管板380的底表面未涂覆涂层382的区域中，可围绕入口凹部386A和出口凹部386B分别形成入口密封区域388A和出口密封区域388B。因而，入口密封区域388A和出口密封区域388B可具有等于涂层382厚度的深度D4，例如约120μm的深度D4。
歧管板380还可以包含内部入口通道392A和出口通道392B。入口通道392A可使底部入口孔384A与相应的顶部入口孔390A流体连通。出口通道392B可使底部出口孔384B与相应的顶部出口孔390B流体连通。入口通道392A可配置成使得从共用底部入口孔384A向每个顶部入口孔390A提供的燃料量基本上相等(例如燃料流量相等)。出口通道392B可配置成使得从每个顶部出口孔390B向共用底部出口孔384B提供的燃料废料量基本上相等。
另外，歧管板380可包含电接点381。歧管板380可电连接到燃料电池堆叠的底部，且电接点381可从歧管板380向外侧延伸且可配置成提供使歧管板380与电流收集电路连接的连接点。
图8A是沿着图5A的线L1所取的竖直横截面视图，其示出组装的燃料增压室350和入口导管320A，并且图8B是竖直横截面视图或沿着图5A的线L2，其示出组装的燃料增压室350和出口导管320B。
参考图5A、5B、8A和8B，底板360、介电层364、盖板366、密封板370和歧管板380彼此上下堆叠，借此形成入口导管通道352A和出口导管通道352B。入口导管320A可面向底部入口孔384A插入入口导管通道352A中。出口导管320B可面向底部出口孔384B插入出口导管通道352B中。
可在歧管板380的底表面上的入口凹部386A中且围绕入口导管320A安置第一密封环354A。可在歧管板380的底表面上的出口凹部386B中且围绕出口导管320B安置第二密封环354B。入口导管320A和出口导管320B可焊接到密封板370。确切地说，焊接工艺可包含将第一密封环354A和第二密封环354B焊接到入口导管320A和出口导管320B，以及将第一密封环354A和第二密封环354B焊接到密封板370的表面，以确保在入口导管320A和出口导管320B与密封板370之间形成不透流体的密封。
第一玻璃或玻璃陶瓷密封件356A可安置在密封板370的入口密封区域378A中，并且第二玻璃或玻璃陶瓷密封件356B可安置在歧管板380的入口密封区域388A中。第三玻璃或玻璃陶瓷密封件356C可安置在密封板370的出口密封区域378B中，并且第四玻璃或玻璃陶瓷密封件356D可安置在歧管板380的出口密封区域388B中。然而，在其它实施例中，可使用单个玻璃或玻璃陶瓷密封件。可加热密封件356A-356D以使密封件356A-356D软化，使得密封件356A-356D形成不透流体的连接，从而以物理方式使密封板370与歧管板380连接。
入口密封区域378A、388A可重叠形成一个入口密封区域358A，并且出口密封区域378B、388B可重叠形成一个出口密封区域358B。第一密封件356A和第二密封件356B可在入口密封区域358A中彼此上下堆叠，并且第三密封件356C和第四密封件356D可在出口密封区域358B中彼此上下堆叠。涂层372、382可彼此上下堆叠。因而，入口密封区域358A和出口密封区域358B的高度可等于涂层372、382的组合厚度。
入口密封区域358A和出口密封区域358B可向玻璃或玻璃陶瓷密封件356A-356D提供侧向膨胀(当加热到燃料电池系统的操作温度时)的空间，借此减小随时间施加于玻璃或玻璃陶瓷密封件356A-356D的应力。另外，由于密封板370和歧管板380可由相同材料形成，因此密封板370和歧管板380可具有匹配的热膨胀系数(CTE)。因此，可进一步减小随时间施加于玻璃或玻璃陶瓷密封件356A-356D的应力。
玻璃或玻璃陶瓷密封件356A-356D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。在一些实施例中，玻璃或玻璃陶瓷密封件356A-356D可由包括SiO2、BaO、CaO、Al2O3、K2O和/或B2O3的硅酸盐玻璃或玻璃陶瓷密封材料形成。例如，以重量计，密封材料可包含：含量在约40％至约60％、例如约45％至约55％范围内的SiO2；含量在约10％至约35％、例如约15％至约30％范围内的BaO；含量在约5％至约20％、例如约7％至约16％范围内的CaO；含量在约10％至约20％、例如约13％至约15％范围内的Al2O3；以及含量在约0.25％至约7％、例如约0.5％至约5.5％范围内的B2O3。在一些实施例中，密封材料可另外包含含量在约0.5％至约1.5％、例如约0.75％至约1.25％范围内的K2O。
在一些实施例中，玻璃或玻璃陶瓷密封件356A-356D可由包括SiO2、B2O3、Al2O3、CaO、MgO、La2O3、BaO和/或SrO的硅酸盐玻璃或玻璃陶瓷密封材料形成。例如，以重量计，密封材料可包含：含量在约30％至约60％、例如约35％至约55％范围内的SiO2；含量在约0.5％至约15％、例如约1％至约12％范围内的B2O3；含量在约0.5％至约5％、例如约1％至约4％范围内的Al2O3；含量在约2％至约30％、例如约5％至约25％范围内的CaO；含量在约2％至约25％、例如约5％至约20％范围内的MgO；以及含量在约2％至约12％、例如约5％至约10％范围内的La2O3。在一些实施例中，密封材料可另外包含含量在约0％至约35％、例如约0％至约30％或约0.5％至约30％范围内(包含约20％至约30％)的BaO，和/或含量在约0％至约20％、例如约0％至约15％、约0.5％至约15％范围内(包含约10％至约15％)的SrO。在一些实施例中，密封材料可另外包含非零量(例如至少0.5wt.％)的BaO和/或SrO中的至少一者，例如非零量(例如至少0.5wt.％)的BaO和SrO中的两者。然而，可使用其它适合的密封材料。
当在燃料电池堆叠(例如图3A-3C的燃料电池柱200)中组装时，顶部入口孔390A可与柱200的互连件400的燃料入口402流体连通，并且顶部出口孔390B可与互连件400的燃料出口404流体连通，如图4A所示。例如，可在顶部入口孔390A与相邻互连件400的燃料入口402之间安置玻璃或玻璃陶瓷密封件424，并且可在顶部出口孔390B与相邻互连件400的燃料出口404之间安置玻璃或玻璃陶瓷密封件424，以便提供不透流体的连接。
尽管上文在各种实施例中描述了固体氧化物燃料电池，但实施例可以包含任何其它燃料电池，例如熔融碳酸盐、磷酸或PEM燃料电池。
图9A是根据本公开的各种实施例的燃料电池柱600的简化分解侧视图。参考图9A，柱600可包含燃料电池堆叠300、顶部终端板610、密封板370、歧管板380和压缩组件306。尽管在图9A中未示出，但是柱600还可包含其它部件，例如挡板302、底板360、介电层364和盖板366，如图3A、5A和5B中所示。
燃料电池堆叠300可包含通过互连件400分隔开的燃料电池310。燃料电池和互连件400可布置成图9A中示出的“偶数”配置，其中堆叠300的燃料电池被布置为阴极侧向上(即，互连件400的空气侧面向顶部终端板610，互连件400的燃料侧面向歧管板380)。相反，具有“奇数”配置的堆叠包含阳极侧向上布置的燃料电池(即，互连件400的燃料侧面向顶部终端板610，互连件400中的空气侧面向歧管板380)，如图12所示。在第一柱600中呈“偶数”配置的第一堆叠300的顶部终端板610可以通过导电跳线或导线电连接到在横向相邻的第二柱600中呈“奇数”配置的第二堆叠300的顶部终端板610。第一和第二柱600的歧管板380可以电连接到系统的相应的正极和负极电端子。
顶部终端板610安置在堆叠300和压缩组件306之间。顶部终端板610可通过歧管密封件614接合到堆叠300的最上部互连件400U，所述歧管密封件可以是环形玻璃或玻璃陶瓷密封件，类似于上文描述的密封件424。顶部终端板610可以通过与互连件400相同的工艺和材料形成。例如，顶部终端板610可由Cr-Fe合金通过粉末冶金技术形成。
顶部终端板610的顶表面和底表面可以涂覆有保护涂层612，以降低互连件上氧化铬表面层的生长速率，并抑制对燃料电池阴极可能有害的铬蒸气物质的蒸发。涂层612的厚度可以为约40μm至约90μm，例如约50μm至约80μm，或约为65μm。涂层612可包括钙钛矿材料，例如锰酸镧锶(LSM)。涂层612可以使用浸涂或喷涂工艺形成，例如大气等离子喷涂(“APS”)或热喷涂。替代地，作为LSM的替代或补充，也可使用其它金属氧化物涂层，例如尖晶石，例如(Mn,Co)3O4尖晶石(MCO)。可以使用具有组成Mn2-xCo1+xO4(0≤x≤1)或写作z(Mn3O4)+(1-z)(Co3O4)(其中(1/3≤z≤2/3)或写作(Mn,Co)3O4的任何尖晶石。在其它实施例中，可以使用LSM和MCO的混合层或LSM和MCO层的堆叠作为涂层612。
保护涂层618可以在堆叠300的最上部互连件400U的顶表面上形成。涂层618可由与顶部终端板610的涂层612相同的材料形成。在一些实施例中，涂层618可通过APS接触印刷或形成，并且其厚度可在约10μm至约50μm范围内，例如约20μm至约40μm，或约为30μm。例如，涂层618可具有与顶部终端板610底部上的涂层612相同的面积和周长(即，外部水平形状)，从而可具有与堆叠300的燃料电池相同的面积和周长。
歧管板380可安置在密封板370和堆叠300之间。保护涂层382可在歧管板380的底表面上形成。涂层382可由与顶部终端板610的涂层612相同的材料形成。歧管板380可使用一或多个密封件356连接到密封板370，所述密封件可由玻璃或玻璃陶瓷密封材料形成。例如，两个环形密封件356可以彼此上下堆叠，以密封歧管板380和密封板370的燃料入口和出口孔。在一些实施例中，在进行烧结和压缩之前，密封件356可以是带浇铸密封件，厚度在约100μm至约300μm范围内，例如约150μm至约250μm，或约为200μm。在一些实施例中，陶瓷密封件354可以安置在环形密封件356内部，如图8A和8B中所示。
堆叠300的最下部互连件400L可与歧管板380介接。特别地，最下部互连件400L可以通过外围密封件634接合到歧管板380。外围密封件634可以是通过围绕导电柔顺层630的周边分配绿色玻璃或玻璃陶瓷密封材料形成的框形密封件。绿色密封材料可以例如通过热或UV光固化。柔顺层630可以由导电柔顺金属材料形成，例如金属网，如镍或镍合金网，并且可配置成电连接最下部互连件400L和歧管板380。柔顺层630在本文中也可以被称为“柔顺金属网”或“金属网”。
在一个实施例中，柔顺金属网可包括Inconel合金，例如Inconel 625铬镍铁合金，其包含20和23wt.％之间的Cr、8和10wt.％之间的Mo、3.15和4.15wt.％之间的Nb+Ta、0和1wt.％之间的CO，其余是Ni和背景杂质(例如，分别小于1wt.％的Al、Ti、C、Fe、Mn、Si、P和/或S)。
柔顺金属网应具有足够的竖直柔顺性、电接触性和在典型负载下的足够变形，以将堆叠支撑在其弯曲形式。例如，柔顺金属网可包含每毫米1.5至2.5根线(例如，每毫米1.9至2.3根线)，可以具有125和200微米(例如，140和180微米)之间的线粗度，及250和400微米之间(例如，280和350微米之间)的网厚度。
如果网太硬(即，压缩性太低)，那么可以减少关节(即，线弯曲出网平面的线交叉位置)的数量。例如，有些关节可能被有意跳过。例如，每隔一个、每隔两个、每隔三个等可以跳过一次关节。替代地，可以有意在网的厚度上钻孔或冲孔，以减少关节的数量。孔的宽度(例如，圆形孔的直径)可以比网线之间的间隔大至少四倍。孔可以具有任何合适的形状(例如，圆形、矩形、不规则形状等)。孔可以在网平面中以规则或不规则的间隔隔开。例如，孔可以占据网总面积的10％至30％。
柱600可包含燃料入口歧管601A和燃料出口歧管601B，它们延伸穿过在密封板370、歧管板380和堆叠300中形成的开口。顶部终端板610可包含连接歧管601A、601B的通道。
出于低成本、可制造性(例如，容易和焊接)以及诸如抗氧化性和断裂韧性之类的所需材料特性的原因，歧管板380可由446合金不锈钢制成。出于低成本、临界特性(例如，流道横截面积)的最小变化以及热膨胀系数(CTE)与燃料电池电解质的精确匹配的原因，互连件400可以通过经由粉末冶金(PM)工艺压缩例如Cr-Fe合金之类的金属合金形成。
歧管板380的CTE可接近互连件400的CTE。但是，在一些实施例中，CTE可能不是精确匹配的。因此，在热循环(例如，关闭/重启)期间，由于歧管板380和位于靠近歧管板380的堆叠300底部处的互连件400之间的热膨胀速率不同，热应力可在歧管板380和堆叠300之间累积。此热应力可导致外围密封件634断裂，或更不利地导致相邻互连件400之间的密封件破裂，或导致堆叠300底部的一个燃料电池310破裂。
此外，歧管板380和互连件400的形状(或“拱度”)可能不匹配。另外，歧管板380的拱度在制造后可为基本上平坦的，但是在温度下会随时间变化，并且这种变化可能受到许多因素的影响，包含材料蠕变、互连件400的形状、压缩负载和歧管板400的内部结构。互连件400的拱度在制造后可以是非零的，并且也会随时间变化，受与歧管板380相同的因素以及燃料流的氢和水含量的影响。互连件400和歧管板380的拱度的差异也可能导致密封件和/或燃料电池破裂/损坏。这种形状不匹配还可能导致堆叠300底部的电池310内的电接触不均匀，这可能导致电池性能差，和/或与歧管板380接触不良，从而导致终端板或集电器处的电阻损耗。对歧管板380进行整形可能复杂且昂贵，并且可能无法顾及所有互连件400的形状。
因此，各种实施例可包含一种配置成减小由于堆叠300和歧管板380之间的形状不匹配和/或热膨胀系数不匹配而施加到堆叠300的应力的缓解结构。缓解结构还可配置成减少堆叠300和歧管板380之间的电气断开。
例如，在一些实施例中，外围密封件634的厚度(即，高度)可以增加到大于柱600中其它密封件的厚度(例如，厚于堆叠300内侧的密封件)。不希望受特定理论的束缚，人们认为，密封件应力随密封件厚度的变化而变化。如果外围密封件634是柱600中最厚的密封件，那么外围密封件634应该会第一个因为施加到柱600的热应力而断裂。因此，外围密封件634的破裂可以缓解热应力，并阻止损坏相邻燃料电池310和/或堆叠300内侧的密封件。
在各种实施例中，外围密封件634可由柔顺密封材料形成，例如蛭石、云母或玻璃云母材料，此材料可以呈含有嵌入陶瓷晶体的非晶玻璃基质的玻璃陶瓷配置。此柔顺密封材料可允许最下部互连件400L和歧管板380之间的膨胀速率不同，由此阻止或减小热应力累积。
在其它实施例中，柔顺层630的厚度可以增加以补偿热应力。例如，柔顺层630可由网形成，其中线粗度在约80μm至约200μm范围内，例如约100μm至约150μm。较厚的柔顺层630与较厚的外围密封件634结合使用，所述外围密封件围绕柔顺层630，因此具有与柔顺层630大致相同的厚度。因此，外围密封件634的厚度可在约80μm至约200μm的范围内，例如约100μm至约150μm。在一个实施例中，外围密封件634可包括具有经分配密封坝的UV可固化密封材料。
在一些实施例中，任选的凹部383可以形成在歧管板380的顶表面中，以至少部分地适应厚度增加的柔顺层630。特别地，凹部383的深度可为约100μm至约150μm，例如约为120μm。柔顺层630可以至少部分地位于凹部383中。
在各种实施例中，任选的高温摩擦涂层616可以沉积在歧管板380的顶表面和/或最下部互连件400L的底表面上。摩擦涂层616可配置成减小歧管板和最下部互连件400L之间的摩擦，从而在热膨胀期间可以提供更小摩擦的滑动，由此进一步减小堆叠300上的应力。例如，摩擦涂层616可以是致密且平滑的涂层，包括电绝缘陶瓷材料，如氧化铝、氧化锆、YSZ等等，或者是松散粉末涂层，包括钙钛矿材料，如锰酸锶镧(LSM)。
因此，柱600可包含配置成减小由于堆叠300和歧管板380之间的形状不匹配和/或热膨胀系数不匹配而施加到堆叠300的应力的缓解结构。缓解结构还可配置成减少堆叠300和歧管板380之间的电气断开。缓解结构可包含柔顺层630、外围密封件634和/或摩擦涂层616，它们配置成减小施加到柱600的热应力。
图9B是根据本公开的各种实施例的燃料电池柱600'的简化分解侧视图。图9C是可用于图9B中示出的柱600'的卷曲导电网的实例的照片。燃料电池柱600'是图9A的柱600的经修改版本。因此，将仅详细讨论它们之间的差异。
参考图9B和9C，柱600'可包含线网631作为将堆叠300电连接到歧管板380的柔顺层。网631可由弯曲成波浪图案(例如，如图9C所示的人字形波浪图案)的线形成。网631可以被卷曲以产生可控高度的峰和谷，以控制线网631的厚度。例如，网631的厚度可为约1mm至约20mm，例如约1mm至约10mm。
在一个实施例中，卷曲网631可由纯镍以外的材料形成，以提供改良的竖直柔顺性和抗氧化性。因此，在一些实施例中，网631可由金属合金形成，例如上述Inconel 625、446不锈钢、Inconel 600、Hastelloy X、Crofer 22等等。Inconel 600合金可包含14到17重量％的铬、6到10重量％的铁、任选地1重量％或更少的Mn、Cu、Si、C和/或S，以及至少约72重量％(即，余量)的镍。Hastelloy X合金可包含约22重量％的铬、约18重量％的铁、约9重量％的钼、1到2原子％的钴、任选地1重量％或更少的W、C、Mn、Si、B、Nb、Al和/或Ti，及至少约47重量％(即，余量)的镍。Crofer 22合金可包含约20到24重量％的铬、0.3到0.8重量％的锰、0.03到0.2重量％的钛、0.04到0.2重量％的镧、任选地1重量％或更少的C、S、Si、Cu、P和/或Al，及至少73重量％(即，余量)的铁。
在一些实施例中，网631可以例如通过电阻焊接固定到歧管板380。特别地，网631可以沿着焊接线WL焊接，所述焊接线沿着网631中网631接触歧管板380的谷延伸。将网631焊接到歧管板380通过形成弹簧状结构来增强网在负载下的弹性，这允许网631更好地调整歧管板380和堆叠300之间由拱度引起的间隙的变化。例如，堆叠300的功率输出的变化和/或堆叠300内的还原和氧化过程可能导致间隙的变化。然而，当间隙发生变化时，网631的弹簧状作用允许网631保持与歧管板380和堆叠300接触并支撑歧管板380和堆叠300。这样，网631可配置成用作弹簧，以在各种操作条件下保持电接触并减少堆叠300的电池破裂的可能性。
图10A是根据本公开的各种实施例的燃料电池柱602的简化分解侧视图。图10B是图10A的底部终端板620的一个非限制性实施例的仰视图。柱602可类似于柱600。因此，将仅详细讨论它们之间的差异。
参考图10A和10B，柱602可另外包含安置在堆叠300和歧管板380之间(例如，在柔顺层630下方)的底部终端板620。底部终端板620可配置成通过物理地分隔堆叠300与歧管板380来充当应力缓冲器。底部终端板620还可改进与堆叠300的电接触，从而减小电阻损耗。
底部终端板620可由例如Cr-Fe合金通过粉末冶金工艺形成。Cr-Fe合金可包括4到6重量％的铁和94到96重量％的铬。替代地，底部终端板620可由另一高温金属合金形成，例如Inconel 625、不锈钢446、Haynes合金(例如，以镍和铬为主的合金)、包括22到24重量％的Cr和至少70重量％的铁的ZMG232L铁铬合金，等等。保护涂层622可以在底部终端板620的底表面上形成，和/或保护涂层616可以在歧管板380的顶表面上形成。保护涂层622可以通过与保护涂层612相同的方法形成，并使用相同材料。在一些实施例中，保护涂层622的厚度可为约40μm至约90μm，例如约50μm至约80μm，或约为65μm。底部终端板620还可包含配置成与歧管板380的对应燃料入口和出口孔流体连通的燃料入口和出口开口624。在一些实施例中，底部终端板620可包含电接点628。
在一些实施例中，作为保护涂层622的补充或代替，可以使用摩擦涂层616。例如，电绝缘陶瓷材料，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。
在一些实施例中，底部终端板620可配置成用作物理地分隔堆叠300和歧管板380的缓冲层。特别地，底部终端板620可配置成缓解堆叠300和歧管板380之间的热应力。例如，如图10B中所示，底部终端板620可包括至少一个柔顺板621，其可以切割、刻划或分割以形成能够易于改变拱度的浮凸结构(例如，切口或凹槽)626。例如，浮凸结构626可完全地或部分地延伸通过底部终端板620。浮凸结构(例如，凹槽)626可以在底部终端板620中接触堆叠300的部分中或在其相邻处形成。在一些实施例中，底部终端板620可由通过浮凸结构(例如，切口)彼此横向分隔的多个经堆叠柔顺板621形成，例如1到5个堆叠的浮凸结构板。在其它实施例中，歧管板380可配置成用作缓冲层。特别地，歧管板380可包含柔顺板621中的一或多个。
柱602可包含经堆叠环形密封件636，其配置成密封底部终端板620的燃料入口和出口开口624及歧管板380的对应入口和出口开口。密封件636可由玻璃或玻璃陶瓷材料形成，并且在进行烧结和压缩之前，其厚度可为约100μm至约300μm，例如约150μm至约250μm，或约为200μm。保护涂层622可在底部终端板620中接触密封件636的部分中省略。
因此，柱602可包含缓解结构，其配置成减小由于堆叠300和歧管板380之间的形状不匹配和/或热膨胀系数不匹配而施加到堆叠300的应力。缓解结构还可配置成减少堆叠300和歧管板380之间的电气断开。缓解结构可包含柔顺层630、外围密封件634、密封件636和/或底部终端板620。
图11是根据本公开的各种实施例的燃料电池柱604的简化分解侧视图。柱604可类似于柱602。因此，将仅详细讨论它们之间的差异。
参考图11，柱604可包含多个导电柔顺层，例如第一柔顺层630A和第二柔顺层630B。柔顺层630A、630B可由相应的导电金属网形成，例如镍网。
在一些实施例中，第一柔顺层630A和第二柔顺层630B可以通过分隔器644彼此竖直地分隔开，所述分隔器可由例如金属片或箔形成。例如，分隔器644可由Inconel 625、446不锈钢、Haynes合金、ZMG232L合金或其它合适的高温合金形成。不希望受特定理论的束缚，人们认为，由镍网形成的第一柔顺层630A和第二柔顺层630B可以进行压缩，并且在柱604的不同区域中的厚度可以减小到不同尺寸，由此可以维持整个区域上的电接触和压缩力。这个变形的最大范围可决定能够容纳的最大曲率不匹配。柔顺层630A、630B的变形可取决于各种因素，包含线粗度、金属的氧化态、施加的压缩力和/或其它因素。此外，堆叠第一柔顺层630A和第二柔顺层630B而不具有分隔器644可能不会增加总体的柔顺性，因为第一柔顺层630A和第二柔顺层630B的网线可能交错，从而实际上形成具有双倍线密度和经减小厚度的柔顺层。
因此，利用分隔器644分隔所述两个柔顺层630A、630B可以有效地使柔顺性加倍。多个柔顺层630A、630B和分离器644可以这种方式堆叠以获得更高的柔顺性。分隔器644可以是连续层，或者可以被切割或分裂成2、4或更多片以提高柔顺性。在一些实施例中，分隔器644可包含通孔。
第一柔顺层630A可被第一外围密封件634A包围，第二柔顺层62BA可被第二外围密封件634B包围。密封件634A、634B可由安置在歧管板380周边之上的玻璃或玻璃陶瓷材料形成。密封件634A、634B可具有“8字形”水平配置，含有周边和密封坝。
在一些实施例中，柱604可包含位于堆叠300中的两个最底部互连件之间的虚设固体氧化物燃料电池。虚设固体氧化物燃料电池可与堆叠300中具有陶瓷电解质的其余固体氧化物燃料电池310相同，但虚设固体氧化物燃料电池被连接所述两个最底部互连件的点焊跳线或电接点(未示出)电气地绕过。因此，如果虚设固体氧化物燃料电池由于CTE不匹配和/或拱度破裂，那么它将不会增加柱604的电阻，因为破裂的虚设电池在柱604中被电气地绕过。
在其它实施例中，柱604可包含一或多个任选的虚设互连件640，它们类似于堆叠的互连件400，但是不向燃料电池310提供燃料或空气。虚设互连件640可以是通过粉末冶金形成的Cr-Fe合金互连件。
在又其它实施例中，虚设互连件640可由导电高温金属合金形成，例如Inconel625、SS446、Haynes合金、ZMG232L合金等等。在此情况下，虚设互连件640可具有燃料电池的形状，并且位于堆叠300的两个最底部互连件400之间，以代替堆叠300中的最底部固体氧化物燃料电池。虚设互连件640使堆叠300中的两个最底部互连件400电短路。虚设互连件640的空气侧可包含保护涂层642。特别地，保护涂层642可配置成减少虚设互连件640的空气侧的氧化。在一些实施例中，保护涂层642可以是通过APS等等施加的LSM和/或MCO涂层。特别地，相比于陶瓷虚设互连件，金属虚设互连件640可提供改进的对断裂和/或燃料泄漏的抵抗性。
在各种实施例中，歧管板380可包含凹部383，用于至少部分地容纳柔顺层630A、630B和/或分隔器644。特别地，凹部383的深度可为约100μm至约150μm，例如约120μm。
因此，柱604可包含缓解结构，其配置成减小由于堆叠300和歧管板380之间的形状不匹配和/或热膨胀系数不匹配而施加到堆叠300的应力。缓解结构还可配置成减少堆叠300和歧管板380之间的电气断开。缓解结构可包含第一柔顺层630A、第二柔顺层630B、第一外围密封件634A、第二外围密封件634B和/或虚设互连件640或虚设燃料电池。
图12是根据本公开的各种实施例的燃料电池柱606的简化分解侧视图。柱606可类似于柱600。因此，将仅详细讨论它们之间的差异。
参考图12，柱606的燃料电池堆叠300可呈奇数配置(而不是图9的柱600中呈偶数配置的堆叠300)。因此，最下部互连件400L的空气侧可面向歧管板380。导电柔顺层630和外围密封件634可以安置在顶部终端板610和堆叠300的最上部互连件400U之间。
保护涂层612可以在顶部终端板610的上部表面上形成，并且可以任选地在顶部终端板610的面向堆叠300的底表面中省略。第二保护涂层618可以在堆叠300的最下部互连件400L的底表面上形成。涂层618可由与顶部终端板610的涂层612相同的材料形成。在一些实施例中，涂层618可通过接触印刷形成，并且其厚度可为约10μm至约50μm，例如约20μm至约40μm，或约为30μm。例如，涂层618可具有与堆叠300的燃料电池310相同的面积和周长。
如上文关于图5A所描述，保护涂层382可以安置在歧管板380的顶表面和底表面上。在歧管板380的顶表面上，涂层382可具有与涂层618相同的形状和面积。涂层382可以通过与涂层612相同的方法和材料形成。例如，涂层382可由通过APS施加的LSM形成。堆叠300可以通过环形歧管密封件614连接到歧管板380。涂层382可在歧管板380中接触歧管密封件614的部分中省略。
在一些实施例中，涂层382的厚度可以增加，使得涂层382用作缓解结构。例如，涂层382的厚度可为约100μm至约550μm，例如约120μm至约480μm，或至少约240μm(例如，240到480μm)。
图13是根据本公开的各种实施例的燃料电池柱608的简化分解侧视图。柱608可类似于柱604。因此，将仅详细讨论它们之间的差异。
参考图13，柱608的燃料电池堆叠300可呈奇数配置，而不是呈图11中示出的偶数配置。因此，最下部互连件400L的空气侧可面向歧管板380。柱608可包含第一柔顺层630A、第二柔顺层630B、第一外围密封件634A、第二外围密封件634B及位于柔顺层630A和630B之间的分隔器644。
柱608可包含将柔顺层630A、630B与堆叠300分隔开的底部终端板620。特别地，底部终端板620可配置成阻止柔顺层630A、630B暴露于流动通过堆叠300的氧，以便阻止柔顺层630A、630B发生氧化。底部终端板620可由导电高温金属合金形成，例如Inconel 625、不锈钢446、Haynes合金、ZMG232L合金等等。在一些实施例中，底部终端板620可包含点焊跳线(未示出)。在其它实施例中，底部终端板620可以是虚设互连件，类似于通过粉末冶金形成的位于堆叠300中的铬铁合金互连件400。在又其它实施例中，底部终端板620可由含有浮凸结构626的一或多个柔顺板621形成，如图10B中所示。
保护涂层622可以在底部终端板620的顶表面上形成，其中底部终端板620暴露于空气。保护涂层622可类似于保护涂层612。例如，涂层622可由通过APS施加的LSM形成。
在各种实施例中，任一歧管板380的顶表面可以加工有额外凹部或凹穴383，以形成用于密封件和/或柔顺层630A和/或630B的额外空间。例如，深度为80μm至约160μm、例如约100μm至约140μm的凹部可以在歧管板380的顶部中形成。
在各种实施例中，上文描述的任一歧管板380可包含浮凸结构，类似于图10B中示出的浮凸结构626。例如，任一歧管板380可含有凹槽，或者可由通过浮凸结构(例如，切口)横向地分隔开的两个或更多个板形成，以便促进歧管板380的膨胀和收缩，并由此减小施加到对应燃料电池310的热应力。
因此，柱606包含缓解结构，其配置成减小由于堆叠300和歧管板380之间的形状不匹配和/或热膨胀系数不匹配而施加到堆叠300的应力。缓解结构还可配置成减少堆叠300和歧管板380之间的电气断开。缓解结构可包含密封件614、634A、634B、柔顺层630A、630B、分隔器644、底部终端板620和/或涂层622。
在各种实施例中，燃料电池堆叠300的一或多个导电层318(参见图3A、3D)的厚度可以增加，以提供增加的柔顺度。例如，最底部燃料电池310和堆叠的最底部两个互连件400中的至少一个之间的导电层318(例如，镍网)可以增加到至少80μm，例如约100μm至约160μm，以吸收热应力并阻止对堆叠300的损坏。因此，底部两个互连件之间的镍网可厚于堆叠300的其余部分中位于其余互连件400和燃料电池310之间的镍网。因此，在一个实施例中，金属网位于堆叠300中的互连件400和燃料电池310之间。在此实施例中，缓解结构包括位于堆叠中最底部燃料电池和两个最底部互连件中的至少一个之间的底部金属网，其中底部金属网的厚度大于堆叠300中的其它金属网。
图14A是根据本公开的各种实施例的燃料电池柱609的简化分解侧视图。图14B是可用于图14A中示出的柱609的导电网的照片。燃料电池柱609类似于图12的柱606。因此，将仅详细讨论它们之间的差异。
参考图14A和14B，柱609可包含线网631作为将堆叠300电连接到歧管板380的柔顺层。网631可由弯曲成波浪图案(例如，如图14B所示的人字形波浪图案)的线形成。网631可以被卷曲以产生可控高度的峰和谷，以控制线网631的厚度。例如，网631的厚度可为约1mm至约20mm，例如约1mm至约10mm。
如上文所描述，这个网631可由纯镍以外的材料形成。网631可由金属合金形成，例如Inconel 625、不锈钢446、Inconel 600、Hastelloy X、Crofer 22等等。
在一些实施例中，网631可以例如通过电阻焊接固定到歧管板380。特别地，网631可以沿着焊接线WL直接焊接到歧管板380的无涂层平坦表面，所述焊接线沿着网631中网631接触歧管板380的谷延伸。将网631焊接到歧管板380通过形成弹簧状结构来增强网在负载下的弹性，这允许网631更好地调整歧管板380和堆叠300之间由拱度引起的间隙的变化。例如，堆叠300的功率输出的变化和/或堆叠300内的还原和氧化过程可能导致间隙的变化。然而，当间隙发生变化时，网631的弹簧状作用允许网631保持与歧管板380和堆叠300接触并支撑歧管板380和堆叠300。这样，网631可配置成用作弹簧，以在各种操作条件下保持电接触并减少堆叠300的电池破裂的可能性。
在各种实施例中，如上文关于图9A所描述，外围密封件634可以任选地围绕网631施加，以便限制网631的空气暴露和/或氧化。
在一些实施例中，还可在堆叠300的顶部处代替柔顺层630而使用网631。例如，网631可以焊接到顶部终端板610。在其它实施例中，网631可以安置在堆叠300的顶部和终端板610之间，呈图9A-11中所示的偶数配置，或代替本文公开的任一柔顺层630。
本文公开的歧管板、涂层和/或柔顺层可保护燃料电池堆叠不会因为歧管板和对应燃料电池堆叠之间的CTE变化而损坏。
前述方法描述仅作为说明性实例提供且不希望需要或暗示各种实施例的步骤必须按所展示的次序来执行。如本领域技术人员将了解，前述实施例中的步骤次序可以任何次序进行。例如“随后”、“然后”、“接下来”等词语不一定旨在限制步骤的次序；这些词语可用于在整个方法描述中引导读者。另外，以单数形式对权利要求元件的任何提及(例如使用冠词“一(a/an)”或“所述(the)”)不应被解释为将所述元件限于单数。此外，本文所述的任何实施例的任何步骤或部件可在任何其它实施例中使用。
所公开方面的以上描述是为了使本领域技术人员能够实施或使用本发明而提供。本领域技术人员将显而易知对这些方面的各种修改，且在不脱离本发明的范围的情况下，本文中所定义的一般原理可应用于其它方面。因此，本发明不希望局限于本文中所示的各方面，而是希望被赋予与本文中所揭示的原理和新颖特征一致的最宽范围。

Claims (29)

1.一种燃料电池柱，其包括：
交替的燃料电池和互连件的堆叠，其中所述互连件将所述堆叠中相邻的燃料电池分隔开，并且含有燃料和空气通道，所述燃料和空气通道配置成向所述燃料电池提供相应燃料和空气；
歧管板，其包括位于所述歧管板的底表面中的底部入口孔和底部出口孔、在所述歧管板的顶表面的相对侧中形成的顶部出口孔和顶部入口孔、将所述顶部出口孔与所述底部入口孔流体连通的出口通道及将所述顶部入口孔与所述底部出口孔流体连通的入口通道；以及
缓解结构，其配置成减小由于所述堆叠和所述歧管板之间的形状不匹配或热膨胀系数不匹配中的至少一个而施加到所述堆叠的应力。
2.根据权利要求1所述的燃料电池柱，其中所述缓解结构包括安置在所述堆叠和所述歧管板之间的柔顺金属网，所述金属网的厚度为至少80μm。
3.根据权利要求2所述的燃料电池柱，其中：
所述金属网安置在位于所述歧管板的顶表面中的凹部中；或
所述金属网焊接到所述歧管板的所述顶表面。
4.根据权利要求2所述的燃料电池柱，其进一步包括外围密封件，所述外围密封件环绕所述金属网且安置在所述堆叠和所述歧管板之间。
5.根据权利要求4所述的燃料电池柱，其中：
所述缓解结构进一步包括安置在所述歧管板和所述堆叠之间的底部终端板；以及
所述金属网和所述外围密封件安置在所述底部终端板的顶侧上。
6.根据权利要求5所述的燃料电池柱，其进一步包括安置在所述底部终端板的底侧上的保护涂层，所述保护涂层包括钙钛矿材料、尖晶石材料或其组合。
7.根据权利要求5所述的燃料电池柱，其中所述底部终端板包括至少一个浮凸板，所述浮凸板包括其中切割或雕刻的浮凸结构。
8.根据权利要求4所述的燃料电池柱，其中所述缓解结构进一步包括所述外围密封件，所述外围密封件包括柔顺蛭石、云母或玻璃云母密封材料。
9.根据权利要求5所述的燃料电池柱，其中所述缓解结构进一步包括高温摩擦涂层，其配置成减小所述堆叠和所述底部终端板之间的摩擦，并且其中所述摩擦涂层包括电绝缘陶瓷材料层或包括钙钛矿材料的粉末涂层。
10.根据权利要求5所述的燃料电池柱，其中：
所述缓解结构进一步包括安置在所述歧管板和所述堆叠之间的虚设互连件；且
所述金属网和所述外围密封件安置在所述虚设互连件和所述歧管板之间。
11.根据权利要求1所述的燃料电池柱，其中所述缓解结构包括位于所述堆叠中的两个最底部互连件之间且在所述柱中被电气地绕过的虚设固体氧化物燃料电池。
12.根据权利要求1所述的燃料电池柱，其中所述缓解结构包括位于所述堆叠中的两个最底部互连件之间且使所述两个最底部互连件电短路的虚设金属或金属合金互连件。
13.根据权利要求1所述的燃料电池柱，其中所述缓解结构包括：
位于所述堆叠和所述歧管板之间的柔顺第一金属网和柔顺第二金属网；
位于所述第一和第二金属网之间的包括金属片或箔的分隔器；
包括玻璃或玻璃陶瓷材料且环绕所述第一金属网的第一外围密封件；以及
包括玻璃或玻璃陶瓷材料且环绕所述第二金属网的第二外围密封件。
14.根据权利要求13所述的燃料电池柱，其中所述第一和第二金属网中的至少一个安置在形成于所述歧管板的所述顶表面中的凹部中。
15.根据权利要求13所述的燃料电池柱，其进一步包括：
安置在所述堆叠与所述第一和第二金属网之间的底部终端板；以及
安置在所述底部终端板的顶侧上的保护涂层，所述保护涂层包括钙钛矿材料、尖晶石材料或其组合。
16.根据权利要求13所述的燃料电池柱，其中所述第一和第二网及所述网分隔器具有与所述燃料电池相同的面积和周长。
17.根据权利要求1所述的燃料电池柱，其中所述缓解结构包括安置在所述歧管板的所述顶表面上的保护涂层，所述保护涂层具有与所述燃料电池相同的面积和周长，且具有在约120μm至约480μm范围内的厚度。
18.根据权利要求16所述的燃料电池柱，其进一步包括歧管密封件，所述歧管密封件包括玻璃或玻璃陶瓷材料且配置成密封所述歧管板到所述堆叠的对应入口和出口孔的所述入口和出口孔。
19.根据权利要求1所述的燃料电池柱，其中：
所述歧管板包括不锈钢；且
所述互连件包括Cr-Fe合金。
20.根据权利要求1所述的燃料电池柱，其中所述缓解结构包括所述歧管板的浮凸板部分，所述浮凸板包括其中切割或雕刻的浮凸结构。
21.根据权利要求1所述的燃料电池柱，其进一步包括安置在所述歧管板和所述堆叠之间的底部终端板，其中所述缓解结构包括在所述底部终端板中切割或雕刻而成的浮凸结构。
22.根据权利要求1所述的燃料电池柱，其中所述缓解结构包括安置在所述堆叠和所述歧管板之间的外围密封件，所述外围密封件包括柔顺蛭石、云母或玻璃云母密封材料。
23.根据权利要求1所述的燃料电池柱，其中所述缓解结构包括高温摩擦涂层，其配置成减小所述堆叠和所述底部终端板之间的摩擦，并且其中所述摩擦涂层包括电绝缘陶瓷材料层或包括钙钛矿材料的粉末涂层。
24.根据权利要求1所述的燃料电池柱，其中所述缓解结构包括安置在所述歧管板和所述堆叠之间的虚设互连件。
25.根据权利要求1所述的燃料电池柱，其进一步包括位于所述堆叠中的所述互连件和所述燃料电池之间的金属网，其中所述缓解结构包括位于所述堆叠中的所述最底部燃料电池和两个最底部互连件中的至少一个之间的底部金属网，其中所述底部金属网的厚度大于所述堆叠中的其它金属网。
26.根据权利要求2所述的燃料电池柱，其中所述柔顺金属网包括镍或镍合金网，其每毫米含有1.5到2.5根线，线粗度在125和200微米之间，网厚度在250和400微米之间。
27.根据权利要求2所述的燃料电池柱，其中所述柔顺金属网中的至少一些关节被跳过。
28.根据权利要求2所述的燃料电池柱，其中：
穿过所述柔顺金属网的厚度形成孔，以减少所述柔顺金属网中的关节数量，且所述孔的宽度至少是所述柔顺金属网的线之间的间隔的四倍。
29.根据权利要求2所述的燃料电池柱，其中所述柔顺金属网弯曲成包含峰和谷，使得所述柔顺金属网充当弹簧，并且其中所述谷焊接到所述歧管板的顶表面。
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