CN1938892B - 带有变化的有效面积大小的燃料电池 - Google Patents

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Abstract

根据本发明一个方面的燃料电池设备包括：多个燃料电池，所述多个燃料电池中的每一个都具有有效面积，其中所述多个燃料电池中的至少两个具有大小不同的有效面积，使得这两个燃料电池的有效面积比至少为1.1∶1。

Description

带有变化的有效面积大小的燃料电池
技术领域
本发明总的涉及带有多个燃料电池的燃料电池设备，尤其涉及基于燃料电池的位置对燃料电池的大小进行优化。
背景技术
固体氧化物燃料电池的使用近些年来已经成为大量研究的主题。固体氧化物燃料电池(SOFC)的典型成分包括夹在两电极之间的负向充电的氧离子导电电解质。在阳极处通过与经过所述电解质传导的氧离子反应的燃料材料的氧化而在这些电池内生成电流。通过在阴极还原氧分子形成氧离子。
应该知道在温度足够高的情况下(例如，约600℃和更高)，氧化钇稳定了的氧化锆YSZ(Y2O3-ZrO2)电解质呈现出良好的离子电导以及很低的电子电导。美国专利5,273,837描述了使用这些成分形成抗热冲击固体氧化物燃料电池的方法。各种形状的燃料电池设备也是已知的。例如，它们可以是正方形、圆形、矩形或管状的。空气可以沿着燃料流动的方向(协流)、相反方向(逆流)、垂直方向(横流)或径向方向(径流)流动。一个通常的设计方法是利用平面燃料电池，其中每个电解片对应于单个电池。尽管如此，更热或对应于更高反应浓度的单个电池的区域能产生更高的功率或电流密度。
美国专利6,623,881描述了包括改进型电极-电解质结构的固体氧化物电解质燃料电池。这个结构包括并入了大小基本相等且粘附在软质无机电解薄片两侧的多个正向和负向电极的固体电解片。一个示例示出了电极没有在电解片上形成连续层，而是代替地定义了多个不连续的区或带，以形成单独的电池。这些区依靠与之接触并延伸穿过电解片内通孔的电导体而电子相连。所述通孔中填充有电子导电材料(通孔互连)。
发明内容
根据本发明一个方面的燃料电池设备包括：多个燃料电池，所述多个燃料电池中的每一个都具有有效面积，其中所述多个燃料电池中的至少两个具有大小不同的有效面积，使得这两个燃料电池的有效面积比为至少1.1∶1。
根据本发明一个示例性实施例的燃料电池设备包括：(i)电解片；以及(ii)安排在所述电解片对立侧的多个电极对，每个电极对都包括阳极和阴极，其中多个电极对中的至少两对的大小不同，使得多个电极对中的至少两对之间的面积比为至少1.1∶1。
在本发明的一个实施例中，所述燃料电池设备包括：
(i)由稳定了的或部分稳定了的氧化锆组成的软质固体氧化物电解片；以及
(ii)粘附在所述电解板对立侧的多个正向空气和负向燃料电极，其中所述多个电极中的至少两个大小不同，使得所述多个电极中的至少两个之间的面积比为至少1.2∶1。
本发明燃料电池设备的一个优点是它的高功率实现。本发明燃料电池的另一个优点是具有通过控制电池大小来修整每一燃料电池生成的电压和热的能力。例如，每一电池都可生成数值一致的电压。本发明燃料电池的再一个优点是将每个电池的产热维持在指定的目标级内以保持期望的温度分布。
将在随后的详细说明中阐明本发明其他的特征和优点，并且在阅读了该说明或者通过对在此描述的本发明的实践而有所认识，本发明的一部分对本领域普通技术人员来说将是显而易见的，其中在此描述的本发明包括随后的详细说明、权利要求和附图。
应该理解前述的大致说明和随后的详细描述都呈现了本发明的实施例并且旨在为理解本发明所声明的特性和特点提供总的看法或框架。包括附图以提供对本发明的进一步理解并且被并入作为该说明书的一部分。附图示出了本发明的各实施例，并且连同所述说明一起解释了本发明的原则和操作。
附图说明
图1是本发明一个实施例的固体氧化物燃料电池设备的示意性顶部平面图，所述设备包括通过互连通孔串联连接的8个电池；
图2是在图1的顶部平面图中示出的设备的示意性横截面正视图；
图3示出了含有10个大小相等的燃料电池的燃料电池设备的示意图；
图4示意性地示出了横跨图3所示燃料电池设备的温度分布；
图5是图3所示设备中两个燃料电池的功率密度与电流密度的关系图，其中所述的两个燃料电池由于它们不同的位置而具有不同的温度；
图6是本发明一个实施例的固体氧化物燃料电池设备的示意性顶部平面图，所述设备包括通过互连通孔(未示出)串联连接的两组大小不同的电池；
图7是本发明另一个实施例的固体氧化物燃料电池设备的示意性顶部平面图，所述设备包括两组大小不同的电池，其中第一组有4个燃料电池而第二组有8个燃料电池；
图8是结合了图9所示燃料电池设备而利用的温度分布模型的示意图；
图9是本发明另一个实施例的固体氧化物燃料电池设备的示意性顶部平面图，所述设备包括四组大小不同的电池；
图10是跨过带有多个燃料电池的电解板的燃料浓度的示意性描述；
图11是本发明一个实施例的固体氧化物燃料电池设备的示意性顶部平面图，所述实施例被设计在图10中描述的燃料分布下工作；
图12是被设计在径向燃料流下工作的固体氧化物燃料电池设备的示意性顶部平面图；
图13是本发明一个实施例的固体氧化物燃料电池设备的示意性顶部平面图，所述设备被设计在径向燃料流下工作并且具有不同大小的燃料电池，其中所述燃料电池的大小朝着中央增加；
图14是结合图12和13所示燃料电池设备分析的温度分布模型的示意图；
图15是本发明另一个实施例的固体氧化物燃料电池设备的示意性顶部平面图，所述设备被设计在径向燃料流下工作并且具有不同大小的燃料电池；
图16是本发明一个实施例的固体氧化物燃料电池设备的示意性顶部平面图，所述设备包括13个燃料电池并在逆流环境下工作；
图17描述了图16中氧化物燃料电池设备承受并优化的温度梯度模型；
图18示出了在等温条件下跨过一示例性电池阵列的重要工作参数的变化；
图19是本发明一个实施例的固体氧化物燃料电池设备的示意性顶部平面图；
图20示出了在等温条件下跨过一示例性燃料电池阵列的重要工作参数的变化；
图21示出了在等温条件下跨过另一示例性燃料电池阵列的重要工作参数的变化；
图22示出了在等温条件下跨过另一示例性燃料电池阵列的重要工作参数的变化；
图23示出了在等温条件下跨过另一示例性燃料电池阵列的重要工作参数的变化；
图24根据本发明示出了带有在电压匹配系列子组内连接的多个电池的所述燃料电池设备的另一个实施例；
图25是本发明另一个实施例的固体氧化物燃料电池设备的示意性顶部平面图；
图26是在图25中描述的固体氧化物燃料电池设备的示意性侧视图；
图27是本发明另一个实施例的固体氧化物燃料电池设备的示意性顶部平面图；
图28是结合了图30所示燃料电池设备而利用的温度分布模型的示意图；
图29是结合了图30所示燃料电池设备而利用的电流密度模型的示意图；
图30是在图28中描述的温度分布和图29中描述的电流密度的条件下工作的本发明一个实施例的固体氧化物燃料电池设备的示意性顶部平面图；
图31是本发明另一个实施例的固体氧化物燃料电池设备的示意性侧视图，所述设备具有多个重叠的电解板并且包括不同大小的燃料电池；以及
图32是本发明再一个实施例的固体氧化物燃料电池设备的示意性侧视图，所述设备具有多个重叠的电解板并且包括不同大小的燃料电池。
较佳实施例的详细描述
如上所述，其内容合并在此作为参考的美国专利6,623,881公开了包括固体电解片的固体氧化物电解质燃料电池，所述电解片合并有大小基本相等并且粘附在软质无机电解薄片对立侧的多个正极和负极。一个示例示出了电极没有在电解片上形成连续层，而是代替地定义了多个不连续的区或带，以形成多个单独的电池。这些区依靠与之接触并延伸穿过电解片内通孔的电导体而电连接。所述通孔中填充有电子导电材料(通孔互连)。
在正常的工作条件下，含有电解片的电极的不同区域可能经历不同的温度和/或燃料与氧化剂(即，反应物)浓度。这就导致了各单独燃料电池中性能的变化。例如，申请人发现位于较低温度区域和/或较低反应物浓度内的燃料电池比位于较高温度区域或较高反应物浓度内的燃料电池提供的功率密度要低。申请人还发现通过利用可变的燃料电池大小(在同一燃料电池设备内)，就能增加该燃料电池设备的总功率输出和/或效率。此外，申请人还发现通过让燃料电池的大小不等，电解片上的每个燃料电池都能生成与其他燃料电池基本相同的电压。
更具体地，在随后的至少某些示例中，电极/电解质结构的有效面积是夹在对立电极之间的电解片面积。选择电极的大小和形状以使得有效面积最大并能优化该燃料电池设备的总功率输出和/或效率。燃料电池的内部离子电阻(ohm-cm2)、电气电阻和电荷转移(在电极之间以及在反应物和电极之间)是温度的强函数并且强烈地影响单独燃料电池的性能(功率密度)。然而，单独燃料电池产生的热也是电池电阻的强函数。
根据本发明的某些实施例，为了补偿由处于较低温度或较低反应器浓度下的燃料电池产生的较低功率密度，优选地将位于较低温度和/或较低反应器浓度下的燃料电池(即，产生较低功率密度的燃料电池)做得比位于较高温度区域和/或较高反应器浓度下的燃料电池(即，产生较高功率密度的燃料电池)要大。于是较小和较大的燃料电池就能产生大致相同的功率数值。这就拉平了每个燃料电池的功率产生能力，并且更有效率的燃料电池将不会“驱动”带有更高内阻的燃料电池。上述方法是有益的，因为可把较低功率产生燃料电池驱动至使燃料电池组合效率较低的低效工作条件。在一个极端情况下，较高功率产生燃料电池甚至会推动较低功率燃料电池传送较低功率燃料电池产生的任何功率的电流，然后较低功率燃料电池就会消耗功率(通过作为电阻)而不是产生功率。最后，若用如此大的电流也难于驱动较低燃料电池，就会到达设备氧化物的击穿电压，或者该设备的一部分会融化。
为了产生最大的总功率，就优选地改变电池大小，以便与其他电池串联连接的每个电池在最大功率工作期间能产生大致相同的功率。可选地，燃料电池设备可以具有按照跨越设备的温度分布、燃料分布或电流密度分布而组织成组或子组的燃料电池，以致不同的区域有不同大小的有效面积。例如，较低温度区内一组燃料电池的有效面积可以大于位于较热区内的燃料电池所提供的有效面积。
于是根据本发明一个实施例，燃料电池设备包括：多个燃料电池，所述多个燃料电池中的每一个都具有有效面积，其中所述多个燃料电池中的至少两个具有大小不同的有效面积，使得这两个燃料电池的有效面积比为至少1.05到1，而优选为1.1∶1。不同的燃料电池配置都能利用这一安排。也可被利用除氢气以外的其他燃料，例如重整碳氢化合物。
更具体地，根据本发明一个实施例的燃料电池设备20包括：(i)至少一个电解片22；以及(ii)安排在所述电解片22对立侧的多个电极对24。每个电极对24以及被夹在中间的部分电解片22形成了固体氧化物燃料电池25。每个电极对都包括阳极26和阴极28。阳极26位于燃料侧而阴极28则位于面对氧的一侧。多个电极对24中的至少两对大小不同，使得多个电极对中的至少两对之间的有效面积比为至少1.05∶1。优选地，多个电极对(或燃料电池)中的至少两对之间的(有效)面积比为至少为1.1∶1甚至更优选地为1.2∶1。多个电极对中的至少两对之间的典型面积比约为1.3∶1、1.4∶1、1.5∶1、1.6∶1、1∶7∶1、1.8∶1、1.9∶1、2∶1、2.2∶1、2.5∶1、2.75∶1、3∶1、甚至更高。当然也能利用在以上列出的比值间的任何其他面积比。此外，燃料电池设备可以含有两个或更多的燃料电池组或子组，每一组或子组包括一个或多个燃料电池。燃料电池的子组可以经历不同的工作环境。于是为了补偿不同的工作环境，对应于不同燃料电池组或子组的有效面积可以彼此不同，使得至少两个燃料电池组之间的有效面积比为至少1.05∶1，优选地为1.1∶1并且更优选地为1.2∶1。两个燃料电池组之间典型面积比约为1.3∶1、1.4∶1、1.5∶1、1.6∶1、1∶7∶1、1.8∶1、1.9∶1、2∶1、2.2∶1、2.5∶1、2.75∶1、3∶1、甚至更高。也能利用在以上列出的比值间的任何其他面积比。
在相等面积的燃料电池彼此串联连接的情况下，通过每个电池的电流相同，并且穿过每个电池的平均电流密度也相同。在工作中，燃料电池经受会导致每个燃料电池的工作电压、功率生成和产热发生变化的温度和反应物浓度梯度。如果串联连接的燃料电池大小不同，那么各燃料电池产生的电流仍可相同，但是各电池间的平均电流密度可能不同。电流密度会影响电池工作电压、功率生成和产热。因此，通过改变电池面积修改电池阵列内电流密度分布的能力为实现期望电压、功率和/或温度分布的设计目标提供了机会。
例如，以多孔渗水管为支撑进行电解时，电解片22的厚度约为1mm，对于以典型平面框架为支撑的电解片，厚度约为50μm至200μm，而对于软质、自支撑电解片，则小于45μm，这也是在美国专利6,623,881中描述的示例。
现在将详细描述其示例在附图中示出的本发明较佳实施例。只要可能，相同的编号在所有附图中指代相同或类似的部件。本发明的燃料电池设备的一个实施例如图1所示，并且在全部附图中都由编号10指定。
正如在此具体表达并在图1中描绘的那样，燃料电池设备20包括在其顶面提供有多个电极24的自支撑3YSZ电解片22。在此实施例中的电极24具有不同的宽度W，由此形成大小不同的有效面积。电极宽度范围例如可以从0.5mm至约20mm。通过如图2所示的一排互连30形成与电极24的电气连接。互连30通过电解片22中的通孔30a横贯电解片22并与相反电极(在电解片22顶部的阴极28和在电解片22底部的阳极26)形成的电化学电池(燃料电池25)电气连接成串联连接的燃料电池阵列。根据该实施例，收集在电极边缘处的电流，因此就应该为最佳总体性能优化电池的布置与几何形状。例如，电解片的合适成分可包括掺杂有稳定添加剂的稳定了的或部分稳定了的氧化锆，其中所述稳定添加剂诸如Y、Ce、Ca、Mg、Sc、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、In、Ti、Sn、Nb、Ta、Mo、W及其混合物的氧化物。示意性的电解薄电解片22(10μm至45μm厚)可以包括提供较低电阻损耗、较高电导率、增强的韧化转换以及较高抗热冲击性的3至6摩尔％的Y2O3-ZrO2。
电极材料的电阻率限制了通过电极的有效电流路径长度。金属或含金属陶瓷电极(例如，Ni合金阳极和贵金属电极)具有相对较低的电极电阻率并且通常为1μm至20μm厚。
如下将参考示意性示例进一步阐明本发明。通过在至少两种条件下检查固体氧化物燃料电池设备的工作来证明本发明的优点。这些条件是：(i)设备在强制的热梯度下的工作，以及(ii)在温度一致但有反应物浓度梯度下的工作。
示例1
为阐明本发明燃料电池设备的优点，我们将用它与其他燃料电池设备模型进行比较。该设备模型如图3所示包括10个大小都相等的燃料电池25。在此示例中，载有氢气(燃料)和氧气的气体混合物以相同的方向(协流方向)从左至右流动。于是，电池#1承受的燃料和氧气数量最大。当给定的电池处理燃料并生成电功率时，该电池还因为它的电气/离子电阻而产热。当逐渐变得更热的气体和水蒸汽(反应的副产物)流向电池#10时，热量从一个电池到一个电池逐渐增加。
在此示例中，每个燃料电池面积(有效面积)是8cm2(宽＝0.8cm和长＝10cm)。这样在不具备多层叠构造的情况下，该设备的总有效面积为80cm2(即，出于简化模型的目的，在此示意性模型中仅利用一个电解片)。当然，各自包含多个燃料电池的电解片的多层叠将提供更高的输出功率。为了进一步简化图3中的固体氧化物燃料电池设备的模型，我们忽略由通孔、通孔纵槽和通孔焊盘所使用的空间。此外，为了简明，在此模型中仅使用两组温度(700℃和775℃)来代替连续的渐进温度上升。更具体地，图3所示代表固体氧化物燃料设备中一半燃料电池的模型承受约700℃的温度，而剩下的燃料电池则承受775℃的温度。温度梯度的阶梯函数如图4所示。
首先考虑每组的功率输出好像它们正在单独工作那样。为了简化计算，我们从1cm长、1cm宽、有效面积为1cm2的“单位”燃料电池开始。位于更热区域(775℃)内的五个燃料电池的每一个在约0.5伏与1amp/cm2峰值功率时都产生0.5watt/cm2(瓦/厘米2)电功率。图5示出了描绘这些燃料电池的功率密度与电流密度关系的曲线图是抛物线。在该设备的较冷区域(700℃)内，五个燃料电池的每一个(位于图3左侧)在约0.5伏与0.5amp/cm2(安培/厘米2)峰值功率时都产生0.25watt/cm2电功率。这些燃料电池的功率密度与电流密度关系曲线仍是抛物线(参见图5)。
作为第一近似，10个串联连接的电池阵列的功率密度抛物线可能与两组单独的五燃料电池阵列的平均功率密度相近似。可由下列方程式计算单独燃料电池的分布区功率密度P(Watt/cm2)：
P＝(Pmax/acell)(1-((I/amps-Ipmax/amps(acell))2)/Imax/amps(acell))，其中Pmax是电池的最大功率密度，acell是电池的面积，I是电池内的电流，Ipmax是最大功率处的电流密度而Imax是电池的最大电流密度。
方程式1计算由图3所示燃料电池阵列实现的最大平均功率密度(W/cm2)。考虑存在着(i)位于电解片相对较冷区域内的5个燃料电池，以及(ii)位于电解片相对较热区域内的5个燃料电池。燃料电池设备的总功率是每个电池的功率密度与电池面积(acell)的乘积。所有燃料电池的平均分布区功率密度简单地等于位于较热和较冷区内电池生成的功率之和除以两个温度区的总有效面积A1和A2。如图5所示，这些燃料电池的功率密度与电流密度的关系曲线是抛物线。因此，用于确定每个电池贡献的功率的方程式是抛物线方程式。项I表示电流，项Ipmax1、Imax1和Ipmax2、Imax2分别是位于较冷和较热区(面积1和面积2)内燃料电池的电流密度。如图5所示，位于较热区域内燃料电池的最大功率的最优电流密度(Ipmax2)是1A/cm2，而位于较冷区域内燃料电池的最大功率的最优电流密度(Ipmax1)是0.5A/cm2。每cm2内由较热燃料电池产生的最大功率数值为0.5watt/cm2，而每cm2内由位于电解质片较冷处的燃料电池产生的最大功率数值为0.25watt/cm2。N1和N2分别是较冷和较热区域内的电池数。
方程式1
P ave.＝(N1×acell1)/A1[Pmax1{1-(I/amps-((Ipmax1/amps)×acell1)))2/(Imax1/amps)×acell1}]+(N2×acell2)/A2[Pmax2{1-(I/amps-((Ipmax2/amps)×acell2))}2/(Imax2/amps)×acell2}]
在此示例中，每个电池的面积都是1cm2而由10个电池(5个较热区域电池和5个较冷区域电池)提供的总有效面积是10cm2(5cm2+5cm2)。用0.25watt/cm2、0.5amp/cm2、1amp/cm2和0.5watt/cm2、1amp/cm2和2amp/cm2分别代入Pmax1、Ipmax1、Imax1和Pmax2、Ipmax2、Imax2，并用1cm2代入acell1和acell2，同时有效面积A1和A2两者为5cm2，这样就能获得方程式1′。
方程式1′
P ave.＝[0.25watts/cm2{1-(I/amps-0.5)2/1}]+[0.5watts/cm2{1-(I/amps-(1))2/2}]
表1表示了在给定电池电流I下，由电池生成的大小不同的平均实际功率密度(W/cm2)量。第一列描述了功率密度而第二列则描述了电流I。表1示出了当电流从0.025A增至0.7A时，平均功率密度从0增至0.333W/cm2的情况。然而随着电流增加超过0.7A，功率密度则开始下降。
表1
平均分布区功率密度，watt/cm<sup>2</sup>   电流，Amp(安培
    ～0     0.025
    0.0245     0.050
    0.0481     0.075
    0.0708     0.100
    0.0925     0.125
    0.1133     0.150
    0.1331     0.175
    0.1520     0.200
    0.1700     0.225
    0.1870     0.250
    0.2031     0.275
    0.2183     0.300
    0.2325     0.325
    0.2458     0.350
    0.2581     0.375
    0.2695     0.400
    0.2800     0.425
    0.2895     0.450
    0.2981     0.475
    0.3058     0.500
    0.3125     0.525
    0.3183     0.550
    0.3231     0.575
    0.3270     0.600
    0.3300     0.625
    0.3320     0.650
    0.3331     0.675
    0.3333     0.700
    0.3325     0.725
    0.3308     0.750
    0.3281     0.775
    0.3245     0.800
固体氧化物燃料电池设备例如能够具有80cm2的总有效面积。于是在这一燃料电池设备中，针对串联连接的所有10个大小相等电池的最大功率输出约为26.664Watt(0.333W/cm2×80cm2(每个设备的有效面积)＝26.664watt)。
图6示出了根据本发明的一个示例性燃料电池设备。该设备的总有效面积也是80cm2。为了模拟该设备的性能，我们利用与上述(图4)相同的温度模型。然而，图6的设备与图3的设备不同，因为在这一示例性的燃料电池设备中，我们把电解片22较冷的一半面积分为4个而非5个燃料电池，同时把有效电解面积的较热一半分为6个而非5个燃料电池。这样我们仍然具有10个电池设备，但是这些燃料电池的面积不相等。图6中设备的性能模型化示出了由该设备生成的最大功率相对于总有效面积相等但具有相等大小电池的设备的最大功率有所提高。
更具体地，方程式2计算由图6所示燃料电池阵列实现的最大平均功率密度。方程式2考虑有4个燃料电池位于电解片22相对较冷区域内，以及有6个燃料电池位于电解片22相对较热区域内。
如上所述并如图5所示，燃料电池的功率密度与电流的关系是抛物曲线。因此，用于确定每个电池贡献的功率的方程式是抛物线方程式。在前述示例中，项I表示电流。为位于相对较热区域内的燃料电池生成最大功率的最优电流为0.8333A。为位于相对较冷区域内的燃料电池生成最大功率的最优电流为0.625A。在此，电池的功率曲线与它们的相对面积相乘。也就是说，现在位于较冷区域内的燃料电池大于原始电池面积之比为5/4并且宽度为1.25cm，而现在位于较热区域内的燃料电池小于原始电池面积之比为5/6并且宽度为0.833cm。于是，针对较冷燃料电池的最大功率曲线移动并且现在对应于0.625A的电流(即，0.5A的5/4倍)，即由增大的燃料电池引起的更大电流，而对应于较热燃料电池的最大功率的电流是0.833A(即，1A的5/6倍)，即由较小的燃料电池引起的更小电流。应该注意到最大功率下的电流密度没有变化，并且电池的固有性能也未改变。针对较冷区内电池的最大电流移至1.25A而针对较热区内电池则移至1.666A。
表2表示了在给定电流I下，由该实施例中燃料电池生成的大小不同的平均实际功率密度量(W/cm2)。第一列描述了功率密度而第二列则描述了相应的电流(Amp)。表2示出了当电流从0.025A增至0.7A时，功率密度从0增至0.3686W/cm2的情况。为了简化初始计算，所有的电池都被模拟成1cm长。即，位于较冷区的燃料电池是1.25cm宽、1cm长，而位于较热区的燃料电池是0.833cm宽、1cm长。于是在此示例中，较冷侧内每个电池的面积为1.25cm2，较热侧内每个电池的面积为0.8333cm2并且较热和较冷电池的总有效面积是10cm2(5cm2+5cm2)。用0.25watt/cm2、0.5amp/cm2、1amp/cm2和0.5watt/cm2、1amp/cm2和2amp/cm2分别代入Pmax1、Ipmax1、Imax1和Pmax2、Ipmax2、Imax2，并用1.25cm2代入acell1而用0.8333cm2代入acell2，同时用都为5cm2的有效面积A1和A2代入方程式1，这样就能获得方程式2。
算出的每个单位面积的平均最大功率密度为0.3685watt/cm2(针对电池长度都为1cm的10个电池设备)。因此，由具有80cm2有效面积的燃料电池设备中这些(串联连接的)大小不等的电池生成的最大功率为0.3685watt倍乘80cm2，或29.48Watt，比总有效面积相等但电池大小一致的燃料电池设备生成的功率高出10％(参见方程式2’和表2)。
方程式2
P ave.＝(4×acell1)/A1[0.25watts/cm2{1-(I/amps-0.625)2/1.25}]+(6×acell2)/A2[0.5watts/cm2{1-(I/amps-(0.833))2/1.666}]
方程式2’
Pave.＝[0.25watts/cm2{1-(I/amps-0.625)2/1.25}]
+[0.5watts/cm2{1-(I/amps-(0.833))2/1.666}]
表2
平均分布区功率密度，watt/cm<sup>2</sup>   电流，Amp
    0.0009     0.025
    0.0255     0.050
    0.0492     0.075
    0.0721     0.100
    0.0941     0.125
    0.1153     0.150
    0.1356     0.175
    0.1551     0.200
    0.1738     0.225
    0.1915     0.250
    0.2085     0.275
    0.2245     0.300
    0.2398     0.325
    0.2541     0.350
    0.2677     0.375
    0.2804     0.400
    0.2922     0.425
    0.3032     0.450
    0.3133     0.475
    0.3226     0.500
    0.3310     0.525
    0.3386     0.550
    0.3453     0.575
    0.3512     0.600
    0.3562     0.625
    0.3604     0.650
    0.3637     0.675
    0.3662     0.700
    0.3678     0.725
    0.3686     0.750
    0.3685     0.775
    0.3676     0.800
    0.3658     0.825
示例2
在图7中示意性地描述了另一种示例性的固体氧化物燃料电池设备。该设备总共具有12个燃料电池，同时仍保持80cm2的有效面积。为了模拟该设备的性能，我们利用上述(图4)相同的温度模型。然而，在此示例性的设备中，我们保持较冷燃料电池的数目为4个，而将较热区域内的电池数增加到8个。在前述示例中，两个温度区内的电池具有不同的大小。
图7中所述设备的性能模型化示出了由该设备生成的最大功率相对于图3所示电池设备大小相等的先前示例中设备的最大功率有所提高。更具体地，当燃料电池串联连接时的最大平均功率密度输出(即，12个电池的平均输出)可以是约0.375watt/cm2，相对于总有效面积相等但电池大小一致的燃料电池设备输出的功率高出12.5％。
方程式3是由申请人用来获取表3中所述结果的方程式。更具体地，方程式3计算由图7所示燃料电池阵列实现的最大平均功率密度。如上所述，我们的模型考虑有4个燃料电池位于电解片22的相对较冷区域内，以及有8个燃料电池位于电解片22的相对较热区域内。我们再次通过抛物线方程建立功率密度与电流的关系模型。也就是说，用于确定每个电池贡献的功率的方程式是抛物线方程式。项I表示电流，并且如上所述，对于位于相对较热区域内的电池的最大功率的最优电流为0.625A，而对于较冷电池的可用最大功率的最优电流也为0.625A。在此，电池的功率曲线与它们的相对面积相乘，也就是说较冷电池的最大功率对应于0.625A(5/4cm2×0.5amp/cm2)，即由增大的单独燃料电池引起的更大电流，而现在较热电池的最大功率也对应于0.625A(5/8cm2×1amp/cm2)，即由减小的燃料电池引起的更小电流。应该再次注意到最大功率下的电流密度没有变化，并且电池的固有性能也未改变，改变的仅仅是电池大小。
表3表示了在给定电流量I下由电池生成的大小不同的功率密度量(Watt/cm2)。第一列描述了功率密度而第二列则描述了电流。表3示出了当电流从0.025A增至0.625A时，功率密度从约0增至0.375Watt/cm2的情况。但随着电流从0.625A处增加，功率密度则开始下降。现在较冷区域内的燃料电池是1.25cm宽、1cm长，而较热区域内的燃料电池是0.6125cm宽、1cm长。用0.25watt/cm2、0.625amp/cm2、1.25amp/cm2和0.5watt/cm2、0.625amp/cm2和1.25amp/cm2分别代入Pmax1、Ipmax1、Imax1和Pmax2、Ipmax2、Imax2，并用1.25cm2代入acell1而用0.6125cm2代入acell2，同时有效面积A1和A2都为5cm2，这样就能获得：
方程式3
P ave.＝(4×acell1)/A1[0.25watts/cm2{1-(I/amps-0.625)2/1.25}]+(8×acell2)/A2[0.5watts/cm2{1-(I/amps-(0.625))2/1.25}]
方程式3’
P ave.＝[0.25watts/cm2{1-(I/amps-0.625)2/1.25}]+[0.5watts/cm2{1-(I/amps-(0.625))2/1.25}]
表3
平均分布区功率密度，瓦特/cm<sup>2</sup>   电流，安培
    0.003     0.025
    0.051     0.050
    0.085     0.075
    0.110     0.100
    0.135     0.125
    0.158     0.150
    0.181     0.175
    0.202     0.200
    0.221     0.225
    0.240     0.250
    0.257     0.275
    0.274     0.300
    0.289     0.325
    0.181     0.175
    0.302     0.350
    0.315     0.375
    0.326     0.400
    0.337     0.425
    0.346     0.450
    0.353     0.475
    0.360     0.500
    0.365     0.525
    0.370     0.550
    0.373     0.575
    0.374     0.600
    0.375     0.625
    0.374     0.650
    0.373     0.675
    0.370     0.700
    0.365     0.725
    0.360     0.750
示例4
更精确的模型可将电解片细分成多于两个的温度带。如果跨电解片22的温度被分成四个区域(如图8所示)以代替两个区域(如图4所示)，则电解片上燃料电池的分布将如图9所示的那样，有随温度带逐渐变热而逐渐变小的电池。
示例5
类似地，在等温条件下，如果电解片的一部分位于(由燃料逐步损耗引起的)燃料浓度较低的区域，则电解片22就在燃料浓度较低的区域内含有逐渐变大的燃料电池(参见图10和图11)。当然也会有需要同时考虑燃料电池设备的燃料损耗和温度梯度的情况。燃料电池设备的最终构造取决于在电解片具体区域内谁的影响占优势，而这又可通过反应物流速、电池电阻(同样由具体材料和层厚度确定)和反应物流向来确定整个设备的大小。
示例6
图12是一种径流燃料电池设备的示意图，在其中电解质和电解被分成4个象限，且每个象限内都有5个面积相等的电池(图中省略了所具有的通孔、通孔纵槽、通孔焊盘、导线以及进气口和排气口)。图13是一种利用根据本发明的径向燃料电池的燃料电池设备的示意图，其中各燃料电池的大小朝着中心而增大，每个电池的面积依次增大10％。在此设备中电流的流向也是径向的。如果燃料电池设备在诸如图14所示的温度梯度下工作，那么这样的安排会使得每个电池在比图12所示设备更为类似的电势下工作。于是，图13的构造就能实现高于图12的构造的功率生成。
示例7
带有多个电池的燃料电池设备可以利用用于单独电池相互互连的各种组合和排列。图15示意性地示出了带有通孔、通孔纵槽和通孔焊盘的径流燃料电池。在此燃料电池设备中的电流是圆周的。该燃料电池设备还包括面积大小不等的燃料电池。
示例8
如图16所示，该示例中的固体氧化物燃料电池设备20包括带有不同有效面积的电池/电极的软质陶瓷电解片。电解质是含有多个电极24的自支撑3YSZ电解片22，以形成多个燃料电池。为获取最大总功率安排单独电池25的大小，调整电池大小使得该示例性设备的每个燃料电池都与至少一个其他燃料电池串联连接并且在最大功率工作期间产生大致相同的功率。
图16示意性地示出了这典型燃料电池设备包括了13个燃料电池(即，13对阳极/阴极对)。图17示意性地描述了电解片22在常规设备工作期间所承受的例证性温度梯度。在实际的操作示例中的温度梯度是连续的，所以更精确的温度模型可以有多于5个的温度带，或者可以建立热分布模型为连续梯度。尽管如此，当前的模型仍足以示出本发明示例性燃料电池设备的设计方法。
这一温度梯度的产生是因为氢气(燃料)和氧气的流动方向相反。(氢气从左向右流动而氧气从右向左流动。这样，电池#1就承受最大量的燃料而电池#13则承受最大量的氧气。)当给定电池消耗氢并生成电功率时，该电池也会因为它的内部电阻而产热。随着被加热的燃料和被加热的反应产物气体载着热量从电池#1流向电池#13，热量也从一个电池到一个电池不断增加。这样，电池1至4相对较凉，而接近电解片22中间的电池则更热。在此示例中，(载有O2的)气流的流向与燃料的流向相反并且该气流的流速是燃料流的4至5倍。于是，相对较凉的空气以与燃料流相反的方向带走热量，但是在它到达位于电解片22中间的电池的过程中进行了加热。因此，最后几个电池(电池11、12和13)相对较凉而电解片22中间的电池则较热。如图16所示，燃料电池设备20在其较热区域具有较小的燃料电池(以夸张的大小变化示出)。类似的设计可用于等温条件下(即各电池经受相同温度时)使用的设备，以补偿该设备某些区域内低反应物浓度。
软质电解片应该具有允许在外力下的高度弯曲而不致断裂的足够软度。电解片的软度足以允许弯曲至有效曲率半径小于20厘米或某些等效测度，优选地小于5厘米或某些等效测度，更优选地小于1厘米或某些等效测度。
“有效”曲率半径指的是除了在材料的烧结构造内所提供的任何自然或固有曲率之外，通过在烧结体内弯曲局部生成的曲率半径。于是，所得的弯曲电解片能够被进一步地弯曲、弄直或者弯曲至相反的曲率而不致断裂。
电解片的软度将在很大测度上取决于它的厚度，因而可以被修整用于特殊用途。一般说来，电解片越厚，软度就越低。电解薄片的软度可以达到使得已韧化和硬化的烧结陶瓷电解片弯曲至小于10mm的弯曲半径而不致断裂的程度。此种软度在电解片与具有不同热膨胀和/或热质量系数的电极和/或框架一起使用时是一大优势。
示例9至17
可以期望满足多种目标的固体氧化物燃料电池设备。其中一个目标是生成最大功率。另一个目标是保持所有的电池于相同的电势电平，即确保位于给定电解片上的每个燃料电池(如果这些燃料电池是安排成串联的)都生成大致相同的电压。实现这两个目标的设计构造可以是不相同的。用于保持固体氧化物燃料电池设备(包括电解片、腔室设计、气流速率、入口和出口设计等等)的整体可操作性的第三个目标是能够管理产热并能保持所有的燃料电池尽可能的接近等温条件。等温条件是合乎需要的，例如可以使热机械应力最小化。
燃料电池的最优安排可以是设备最大化功率输出与保持电池等电势安排之间的可接受妥协方案。在检查图3所示设备的性能和随后示例时，申请人发现最大功率需求可由面积一致的电池实现，而电池之间平衡电压的需求则要求电池面积的交错安排：接近H2入口的电池的面积最小。通过建立模型，我们已经发现可能具有对上述两方面皆为优选的最优几何形状。例如，其电池面积呈等差级数增加的设备就是这一设计的一种。此安排从热量管理的观点来看还能如下所述地提供益处。
在等温条件下工作(期望的工作模式)时，改变电池面积(保持总有效面积和电池数的固定，并且对于固定的燃料(H2)和气流速率)的优点在于：
1.)在不牺牲太多的电解片总功率输出的情况下，能够保持不同的电池非常接近等电压条件(即，由每个燃料电池生成的电压相同或被限制在一个较小的容限内)；
2.)还具有一附带优点，即由每个燃料电池生成的热量也位于特定的指标内并由此在电解片上保持一个更为一致的温度环境(或期望的温度分布)。这从系统管理的观点来看是无疑是合乎需要的。此外，还有助于减缓电解片特性的老化。
考虑图3所示的固体氧化物燃料电池设备。在等温条件下(始终为725℃)建立它的性能模型。该模型依据给定电池的可逆电压作为通过能斯特方程的温度和分压力的函数以及从单一电池实验获取的电解/电极片的电压-电流密度(V-i)形态来结合反应物和产物(H2、O2、H2O)摩尔平衡。如上所述，图3示出了带有10个大小恒定(面积恒定)的单独电池的固体氧化物燃料电池片22的示意图。在此示例中，按逆流安排来引入反应气体，即燃料(H2)和气流在相反方向上流动。图3的电解片22包括80cm2的总有效面积，并具有10个各具有8cm2面积的燃料电池。流过系统的电流固定为4Amp，燃料压为1.0135bar且气压为1.0137bar。燃料流速为3L/分钟而气流速率为6L/分钟。在进口处的燃料为70％H2(形成气体)，而在空气引入进口则存在21％的O2。在此逆流安排中，燃料在电池#1(最左边的电池，对应于图18a至18f上最左边的数据点)上是新鲜的，而空气在电池#10上是新鲜的。
图18a至18f示出了等温条件下(725℃)跨电池阵列的重要工作参数的变化。此固体氧化物燃料电池设备能产生26.37W的总功率。H2摩尔分数从1号电池到10号电池逐渐降低，因为有越来越多的H2被电解片22上的电化学反应所消耗。因为H2分压力的降低，使得从1号电池到10号电池的电压显著下降(第一小图)。通过所报告的电压标准差把该变化量化为0.0346V，导致功率标准差为0.139W。于是虽然总功率较高但各电池的电势不等，这也不是期望的情形。
随后修改图3中电池设备的10个燃料电池。将在图19中示意性地描述根据本发明这一实施例修改的设备。保留电解片的总有效面积，但是从第一个电池(电池#1)中减去4cm2的面积并将该面积加给最后一个电池(电池#10)。(如上所述，燃料在电池#1(对应于图20a至20f上最左边的点)上是新鲜的，而空气在电池#10上是新鲜的。)H2摩尔分数从1号电池到10号电池逐渐降低，因为有越来越多的H2被电解片22上的电化学反应所消耗。图20a至20f示出了在图19中描述的经修改燃料电池设备的性能。当串联连接燃料电池时，流经所有电池的电流量相同。该设备提供的总功率略微下降至25.87W。发生这种情况的原因是(i)在第一个电池中(有效面积为4cm2)，由于有效面积从8cm2降至4cm2使得电流密度增加，因而电压下降；而(ii)在最后一个电池中(有效面积为12cm2)，电压升高了可相容的量。因而跨电池阵列的电压分布就更为一致。
图21a至21f示出了燃料电池设备的另一个实施例的性能。在这一经修改的设备中，(从燃料进入点计数的)前五个电池的每一个都具有4cm2的有效面积，而另外五个燃料电池的每一个的有效面积都是12cm2。仍应注意到最大功率的下降。而且图20和21中所示的每个电池的电压标准差也比图18中所示的要高得多，这也不是期望的。
图22a至22f示出了燃料电池设备的又一个实施例的性能。在该设备中的电池面积按等差级数变化，其中第一个电池的有效面积为3.5cm2而最后一个电池为12.5cm2，中间的每一个电池都比它前一个电池的有效面积大1cm2。图22(与图18相比较)示出了颠倒的电压分布，即第一个电池的电压最低而最后一个电池的电压最高。
由此就需要寻找一种在图18和图22之间的中间情况，使得跨过所有燃料电池的电压变化最小。同样也希望接近能从电解片中获取的最大功率。
图23a至23f示出了另一个经修改燃料电池设备的性能，其中已经按等差级数改变电池面积，第一个电池的有效面积为6.3125cm2，最后一个电池的有效面积为9.6875cm2，而相邻电池面积的标准差为0.375cm2。由该设备产生的总功率为26.214W，非常接近等电势模型中的最大可能值26.37W。而且使从一个电池到一个电池的电压变化最小，电池电压的标准差仅有0.0054V。于是，燃料电池除了能很好地产生功率之外还能在接近等电势(它们被电压平衡)的情况下工作。
从实际可操作性的观点看这是一个期望的情况，因为典型的燃料电池堆将在会从系统汲取不同电流的变化的外部负载下工作。因为流经系统的电流改变，所以H2的消耗也改变，并且依据其他的工作条件，某些电池可能产生非常高的电压而某些则非常低。电池面积的交错确保了设备性能的稳定并且所有电池在任何给定工作条件下都能产生几乎相同的电压。
此种安排还有一个额外的好处。对于所转换的每一摩尔燃料(H2)，某些部分生成有用功(电压)而某些部分则转换成热量。当电压对跨电解片的一个个电池来说被平衡并且一致时，则每个电池的产热也是一致的。这是因为在(如此处的)电池串联安排中，流经所有电池的电流相同，因此每个电池所消耗的H2也是固定的。于是，串联连接并具有等电势的电池就导致了每个电池产生的热量几乎相同。这从总的热量管理观点来看是合乎需要的。过程的后部依赖于精确的内部部件、叶片(fin)等等的设计以及(影响对流传热的)燃料和空气流速，然而，在每个电池内具有大致相同的发热意味着可以简化热管理的设计目标。
图24示出了根据本发明一个实施例的另一种燃料电池设备。该设备利用多个电池的能力，双极板释放(bipolar-plate-free)燃料电池设计方法有利地修整电池的几何形状并使得一个电池到一个电池的连接在最大程度上达到具体设计要求。在此实例中，利用一个电池到一个电池的互连，在最大程度上使有效电池面积和局部工作条件相匹配。在这一示例性设备中，在与气流平行和垂直的方向上串联连接面积相等的小燃料电池以形成“串联连接子组”。也就是说，每个子组都具有串联连接的多个电池，并且并联连接不同的子组。对于给定的工作电流，由包括温度和燃料浓度的局部工作条件确定每个电池的平均电压。对于典型的工作条件，位置接近燃料入口的燃料电池会因为本地更高的燃料浓度而具有更高的平均电压。子组内的每个电池的平均电压和电池数为给定的负载(电流汲取)确定净子组电压。期望的设计条件是在并联连接的子组之间实现类似的净电压输出一因此就避免了由各子组间电压梯度所引起的无效内部电流。如图24示意性示出的那样，通过在“新鲜”燃料区内连接在平均1V/电池条件下工作的20个燃料电池(第一子组)以及在“废”燃料区内连接在平均0.8V/电池条件下工作的25个燃料电池(第二子组)，上述两子组就能分别实现20V的输出。注意到因为第二子组内的电池数量更多，使得在第二子组内的有效面积比第一子组内的有效面积要大25％。考虑该设计方法的另一个方面是用有效面积相等的一个大电池代替每个电池子组，并在随后使这些大电池彼此互连。
此外，虽然未在图24中示出，但有益的是在每个子组中存在通过变化个别电池大小的进一步“调谐”，使得例如更大的电池相对地位于废燃料区内。并联连接两个等电势的子组。
图25和26示出了根据本发明的固体氧化物燃料电池设备的另一个实施例。该示例性设备包括支撑多个燃料电池25的至少一个多孔衬底31。把电极(阳极)添加或直接印刷在该多孔衬底上。也就是说，每个燃料电池都含有直接位于多孔衬底上的阳极26、位于阳极上的电解片22以及位于电解片22上并受其支撑的阴极28。燃料电池25通过(在此示例中以条带形式出现的)互连30相互连接。电解片22掺杂有氧化锆、氧化铋(Bi2O3)、二氧化铈(CeO2)或三氧化二镓(Ga2O3)。这些电解成分都是已知的。在前述实施例中，电池25的大小不等。当然，固体氧化物燃料电池设备可以包括各自支撑了多个燃料电池25的多个层叠多孔衬底31。
图27示出了根据本发明的固体氧化物燃料电池设备的另一个实施例。该示例性设备包括由互连30连接的多个燃料电池25。在此实施例中，电解片22是自支撑电解片(即，它无需衬底支撑)。该示例的电解质不是软质的。如在以前描述的示例中，电极被添加至每一电解质的对立侧，从而形成多个燃料电池25。燃料电池25通过在此示例中以条带形式出现并沿着电池长(或宽)所在侧延伸的互连30来彼此串联连接。电解片22可以是基于氧化锆的、基于氧化铋(Bi2O3)的、基于二氧化铈(CeO2)的或基于三氧化二镓(Ga2O3)的。如在以前的实施例中，电池25的大小不等。
图28是在横流下工作的矩形燃料电池设备中温度分布的示意图。热梯度不是一致的并且在气流的下游侧创建了较热区域，但该较热区域更接近燃料(H2)的输入。图29示出了运行在在横流燃料(H2)和氧化剂(空气)下的矩形燃料电池片内的电流密度示意图。在温度和反应物浓度组合效应下的电流密度分布多少有些复杂。电流密度更移向燃料入口侧和氧化剂入口侧。为实现最大功率，电池的有效面积被分成功率生成量大致相同(在10％内)的多块面积。图30示意性地示出了该燃料电池设备的设计。燃料电池设备包括根据电流密度分布将总有效面积细分为13个燃料电池组的多个矩形电池。在每个单独的电池组内，燃料电池并联连接，使得所有电池的电势大致相等(在5％或10％之内)。在电池组之间，燃料电池例如可使用贵金属通孔而串联连接。因为相当好地匹配了由每一组燃料电池生成的功率(可变性为10％或更小)，所以从将电池分为13个有效面积不同的组得到的功率能使得最大总功率达到最优。
若期望热管理，就可利用不同的有效面积构造。例如，若以平整热梯度(等温工作)为目标，则就会使用在电解片较凉区内的电池组中的稍小总有效面积来生成更多的热量。在较热区内，当电池组有效面积与最大功率情况下的有效面积相比时，(针对电池组的)稍大的有效面积产热较少。
如上所述，根据本发明的燃料电池设备可以包括每一片都形成一个或多个燃料电池25的多于一个的电解片22。图31示出了具有多个电解片22的示例性燃料电池设备20。每个电解片22都支撑多个燃料电池25。燃料电池25的4大小不同。在此实施例中，每个框架32都支撑两个电解片22，使得相邻两电解片22的燃料电池彼此分开而形成燃料腔34。确定燃料电池25的方向，使得由框架32支撑的相邻两电解片的阳极26相互面对和面对燃料腔34。通过在框架34内形成的燃料入口35A把燃料(氢气)提供给腔34，而“剩余的”燃料则从位于框架34相对侧的出口35B排出。阴极28面向外，朝着位于由相邻框架支撑的电解片上的燃料电池(阴极)。空气(氧气)入口36A和空气入口36B也位于框架32内。应该注意到可以层叠任何上述示例性燃料电池设备的构造以提供利用多个电解片的燃料电池设备。
在图32中示意性地示出了根据本发明另一个实施例的燃料电池设备。该示例性设备也利用多于一个的电解片22。尽管如此，在此实施例中的每个电解片22都对应于单个燃料电池。更具体地，该设备包括一个层叠在另一个顶上的6个燃料电池25。隔板40(也可称为双极互连板)分隔相邻的燃料电池25。每个燃料电池25都包括位于隔板40上(厚度为400μm的)相当大的阳极26。阳极26形成片或板并为电解片22提供支持。(厚度为50μm的)薄阴极片28位于电解片22顶上。隔板40包括燃料和空气入口35A、36A以及燃料和空气出口35B、36B。在此示例中的燃料和空气是横流的。然而，也可利用径向燃料/空气流。如在以前的示例中，该燃料电池设备利用大小不等的燃料电池。尽管如此，因为设计该设备使更高的电池经受更高的温度，所以顶部的电池要小于底部的电池。
本领域普通技术人员显而易见的是，可以对本发明做出各种修改和变化而不背离本发明的精神和范围。例如，带有其他构造的燃料电池设备也能并入大小不等的至少两个燃料电池。还可以在带有其他种类电解膜的其他燃料电池设备中，诸如在质子交换膜燃料电池中常用的质子传导聚合体膜中，利用面积改变的燃料电池。
于是，本发明旨在覆盖位于所附权利要求书及其等效范围之内的本发明的修改和变化。

Claims (8)

1.一种燃料电池设备，所述设备包括：
(i)至少一个电解质片；
(ii)安排在所述电解质片相反两侧的至少5个电极对，由此构成多个燃料电池，所述电极对中的每一对都对应于一个所述燃料电池并包括一个阳极和一个阴极，所述至少5个电极对中至少有一对构成一个燃料电池的电极对与构成另一个燃料电池的另一对电极对的大小不同，使得这两个燃料电池的面积比至少为1.1∶1，
位于较低反应器浓度下的燃料电池要大于位于较高反应器浓度下的燃料电池。
2.如权利要求1所述的燃料电池设备，其特征在于，所述面积比至少为1.2∶1。
3.如权利要求1或2所述的燃料电池设备，其特征在于，所述面积比至少为1.5∶1。
4.如权利要求1所述的燃料电池设备，其特征在于，所述电解质片是基于氧化锆的电解质片。
5.一种燃料电池设备，所述设备包括：
(i)至少一个电解质片；
(ii)安排在所述电解质片相反两侧的至少5个电极对，由此构成多个燃料电池，所述电极对中的每一对都对应于一个所述燃料电池并包括一个阳极和一个阴极，所述至少5个电极对中至少有一对构成一个燃料电池的电极对与构成另一个燃料电池的另一对电极对的大小不同，使得这两个燃料电池的面积比至少为1.1∶1，
邻近所述电解质片边缘的电极对比位于所述电解质片中间区域的至少几个电极对大。
6.如权利要求5所述的燃料电池设备，其特征在于，所述面积比至少为1.2∶1。
7.如权利要求5或6所述的燃料电池设备，其特征在于，所述面积比至少为1.5∶1。
8.如权利要求5所述的燃料电池设备，其特征在于，所述电解质片是基于氧化锆的电解质片。
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Families Citing this family (32)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AU2005273050A1 (en) 2004-03-31 2006-02-23 Corning Incorporated Fuel cell device with varied active area sizes
US20050249987A1 (en) * 2004-05-04 2005-11-10 Angstrom Power Incorporated Fault tolerant fuel cell systems
US20060204815A1 (en) * 2005-03-10 2006-09-14 Angstrom Power Incorporated Cell stack having sub-stacks with opposite orientations
US7897292B2 (en) * 2005-05-18 2011-03-01 Lilliputian Systems, Inc. Fuel cell apparatus and methods
US9985295B2 (en) * 2005-09-26 2018-05-29 General Electric Company Solid oxide fuel cell structures, and related compositions and processes
US7722979B2 (en) * 2005-10-14 2010-05-25 Gm Global Technology Operations, Inc. Fuel cells with hydrophobic diffusion medium
US20080193816A1 (en) * 2006-05-02 2008-08-14 Schaevitz Samuel B Fuel cell with substrate-patterned lower electrode
US7858261B2 (en) * 2006-05-02 2010-12-28 Lilliputian Systems, Inc. Systems and methods for stacking fuel cells
US8748056B2 (en) 2006-10-18 2014-06-10 Bloom Energy Corporation Anode with remarkable stability under conditions of extreme fuel starvation
US10615444B2 (en) 2006-10-18 2020-04-07 Bloom Energy Corporation Anode with high redox stability
WO2008056615A1 (fr) * 2006-11-07 2008-05-15 Kabushiki Kaisha Toshiba Pile à combustible
JP5168954B2 (ja) * 2007-03-14 2013-03-27 日産自動車株式会社 固体電解質型燃料電池セルユニット及びスタック構造体
WO2008127601A1 (en) * 2007-04-13 2008-10-23 Bloom Energy Corporation Heterogeneous ceramic composite sofc electrolyte
US20080254336A1 (en) * 2007-04-13 2008-10-16 Bloom Energy Corporation Composite anode showing low performance loss with time
GB0715218D0 (en) * 2007-08-03 2007-09-12 Rolls Royce Fuel Cell Systems A fuel cell and a method of manufacturing a fuel cell
JP5365124B2 (ja) * 2008-09-30 2013-12-11 大日本印刷株式会社 固体酸化物形燃料電池
US8617763B2 (en) * 2009-08-12 2013-12-31 Bloom Energy Corporation Internal reforming anode for solid oxide fuel cells
US8580456B2 (en) 2010-01-26 2013-11-12 Bloom Energy Corporation Phase stable doped zirconia electrolyte compositions with low degradation
KR20120014824A (ko) * 2010-08-10 2012-02-20 삼성에스디아이 주식회사 연료전지 모듈
US8440362B2 (en) 2010-09-24 2013-05-14 Bloom Energy Corporation Fuel cell mechanical components
FR2976128B1 (fr) 2011-05-30 2014-06-06 Commissariat Energie Atomique Pile a combustible limitant le phenomene de corrosion
JP5803686B2 (ja) * 2012-01-16 2015-11-04 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システムとこれを搭載した車両
JP5922434B2 (ja) * 2012-02-23 2016-05-24 三菱日立パワーシステムズ株式会社 固体酸化物形燃料電池
WO2014081716A1 (en) 2012-11-20 2014-05-30 Bloom Energy Corporation Doped scandia stabilized zirconia electrolyte compositions
US9755263B2 (en) 2013-03-15 2017-09-05 Bloom Energy Corporation Fuel cell mechanical components
JP6161983B2 (ja) * 2013-07-30 2017-07-12 日本特殊陶業株式会社 燃料電池セル及び燃料電池セルスタック
JP6204106B2 (ja) * 2013-07-30 2017-09-27 日本特殊陶業株式会社 燃料電池セル及び燃料電池セルスタック
CN105742650B (zh) * 2014-12-12 2019-01-11 中国科学院大连化学物理研究所 一种燃料电池电堆用双极板及燃料电池电堆
US10651496B2 (en) 2015-03-06 2020-05-12 Bloom Energy Corporation Modular pad for a fuel cell system
JP6239707B1 (ja) * 2016-08-29 2017-11-29 日本碍子株式会社 燃料電池スタック、及び燃料電池セル
JP6267389B1 (ja) * 2016-08-30 2018-01-24 日本碍子株式会社 電気化学セルスタック
US10680251B2 (en) 2017-08-28 2020-06-09 Bloom Energy Corporation SOFC including redox-tolerant anode electrode and system including the same

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH056771A (ja) * 1991-06-18 1993-01-14 Fuji Electric Co Ltd 燃料電池
JP3110142B2 (ja) * 1992-04-13 2000-11-20 三菱重工業株式会社 固体電解質型燃料電池
US5273837A (en) * 1992-12-23 1993-12-28 Corning Incorporated Solid electrolyte fuel cells
JP3459597B2 (ja) * 1999-08-25 2003-10-20 三洋電機株式会社 固体高分子型燃料電池
JP4767406B2 (ja) * 2000-01-20 2011-09-07 日本碍子株式会社 電気化学装置および集積電気化学装置
EP1290746B1 (en) 2000-05-18 2012-04-25 Corning Incorporated High performance solid electrolyte fuel cells
US6852436B2 (en) * 2000-05-18 2005-02-08 Corning Incorporated High performance solid electrolyte fuel cells
JP4541296B2 (ja) * 2003-03-13 2010-09-08 東京瓦斯株式会社 固体酸化物形燃料電池モジュール
AU2005273050A1 (en) 2004-03-31 2006-02-23 Corning Incorporated Fuel cell device with varied active area sizes

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
JP特开2001-68139A 2001.03.16

Also Published As

Publication number Publication date
CA2561214A1 (en) 2006-02-23
WO2006019419A2 (en) 2006-02-23
US7494732B2 (en) 2009-02-24
CN1938892A (zh) 2007-03-28
DE602005021099D1 (de) 2010-06-17
MXPA06011418A (es) 2007-03-12
AU2005273050A1 (en) 2006-02-23
WO2006019419A3 (en) 2006-06-08
JP2007531240A (ja) 2007-11-01
KR20070001257A (ko) 2007-01-03
EP1754274A2 (en) 2007-02-21
BRPI0509492A (pt) 2007-12-18
US20050221131A1 (en) 2005-10-06
EP1754274B1 (en) 2010-05-05
RU2006138231A (ru) 2008-05-10

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