TW201421788A - 燃料電池組之連接板 - Google Patents

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TW201421788A
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Cheng-Yu Lin
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Abstract

各種實施例包含燃料電池連接板，該等燃料電池連接板具有：一燃料分配部分，其具有一入口開口；一燃料收集部分，其具有一出口開口；及一主要燃料流場，其含有若干通道，其中該燃料分配部分包括界定一燃料分配流動路徑之至少一個凸起特徵，且該燃料分配流動路徑與該主要燃料流場中之該等通道不連續。舉例而言，該至少一個凸起特徵可包含由肋及/或點構成之一網路。其他實施例包含具有一燃料分配部分之連接板，該燃料分配部分具有一可變表面深度以提供可變流量限制及/或在陰極側上具有可變表面深度及一凸起浮凸特徵之一充氣部及/或毗鄰一燃料孔之不同流動通道深度及/或肋高度。

Description

燃料電池組之連接板 相關申請案交叉參考
本申請案主張2012年8月29日提出申請之美國臨時申請案第61/694,337號及2012年11月8日提出申請之美國臨時申請案第61/723,992號之優先權之權益，該等美國臨時申請案之全部內容以引用方式併入本文中。
在一高溫燃料電池系統(諸如，一固態氧化物燃料電池(SOFC)系統)中，一種氧化流通過燃料電池之陰極側，而一燃料流通過燃料電池之陽極側。氧化流通常係空氣，而燃料流可係一種碳氫化合物燃料，諸如甲烷、天然氣、戊烷、乙醇或甲醇。以在750℃與950℃之間的一典型溫度操作之燃料電池使得能夠將帶負電荷之氧離子自陰極流串流運輸至陽極流串流，其中該離子與游離氫或碳氫化合物分子中之氫組合以形成水蒸汽及/或與一氧化碳組合以形成二氧化碳。來自帶負電荷之離子之過量電子透過在陽極與陰極之間完成之一電路往迴路由至燃料電池之陰極側，從而使得一電流流動穿過該電路。
為了使SOFC之操作最佳化，應精確調節氧化流及燃料流。因此，應精確製造流量調節結構，諸如燃料電池系統中之連接板。當前所使用之一種類型之連接板係藉由一粉末冶金技術形成之一金屬連接板。該金屬連接板通常係一基於鉻之合金。
SOFC連接板(IC)及端板需要低滲透性以防止空氣與燃料混合且 需要良好拓撲均勻性(平坦度)以確保電解質不經歷超出電解質之斷裂強度之應力集中。粉末冶金(PM)製造之本質在沿壓縮噸位之方向具有厚度及拓撲變化之部件上固有地產生密度不均勻性。已準備好數種壓縮方法以校正諸如粉末填料之變化及工具設計上之補償之密度不均勻性，然而，此等方法亦將在該等部件上導致不合意之拓撲。
PM技術使用一壓縮衝壓機中之三個組件(上部衝頭、下部衝頭及一衝模)形成一部件之形狀。IC之設計使各種剖面厚度需要藉由衝頭上之特徵來模製，亦即，存在沿壓縮噸位之方向之剖面厚度變化(圖8A及圖8B)。此不同於使用PM技術(其中衝頭通常係平坦的且衝模係含有幾何特徵之組件，亦即，沿壓縮噸位之方向之剖面厚度係均勻的(圖9A及圖9B))處理之大多數部件。
由於IC在壓縮製程中之定向，達成密度均勻性係具挑戰性的。對於壓縮中之不均勻密度，存在數個缺陷。某些缺陷包含IC上之某些區變得過度密集，因此增加工具磨損且減少工具壽命；過度密集之區經歷剝落或脫層；且具有較低密度之區具有較高滲透性，此不利地影響燃料電池系統中之IC之功能性。在PM行業中使用數種標準方法來達成密度均勻性。然而，此以對燃料電池造成高應力之高拓撲變化為代價。
實施例包含一種用於一燃料電池組之連接板，其包含：一第一側，其包括一燃料分配部分、一燃料收集部分以及界定該燃料分配部分與該燃料收集部分之間的一主要燃料流場之第一複數個肋及通道；一燃料入口開口，其在該燃料分配部分中；及一燃料出口開口，其在該燃料收集部分中，其中該燃料分配部分包括界定一燃料分配流動路徑之至少一個凸起特徵，且該燃料分配流動路徑與該主要燃料流場中之該等通道不連續。
該至少一個凸起特徵可包含(舉例而言)由肋及/或點構成之一網路，該肋及/或點之網路支撐並增加與一燃料電池電解質之接觸區域、分配該燃料以提供較高效燃料利用且增強該連接板之拓撲及密度特性。
其他實施例包含一種用於一燃料電池組之連接板，其包含：一第一側，其包括一燃料分配部分、一燃料收集部分以及界定該燃料分配部分與該燃料收集部分之間的一主要燃料流場之第一複數個肋及通道；一燃料入口開口，其在該燃料分配部分中；及一燃料出口開口，其在該燃料收集部分中，其中該燃料分配部分之一表面深度變化以在該燃料分配部分上提供可變流量限制。
其他實施例包含一種用於一燃料電池組之連接板，其包含：一第一側，其包括第一複數個肋及通道；一第二側，其與該第一側相對，該第二側包括第二複數個肋及通道；一燃料入口開口；及一燃料出口開口，其中該第一側包括一充氣部，且該第二側包括與實質上該整個充氣部之位置一致之一凸起浮凸。
其他實施例包含一種用於一燃料電池組之連接板，其包含：複數個肋，其在該連接板之至少一第一主表面上，該複數個肋在該等肋之間界定複數個流動通道；一上升管通道開口，其用於一氣體，該上升管通道開口延伸穿過該連接板；及一充氣部，其用於收集該連接板之該第一主表面上之該氣體，其中該充氣部圍繞該上升管通道開口之圓周延伸至少約60%，且其中存在以下各項中之至少一者：(i)該連接板之該第一主表面上之肋之間的一流動通道深度在毗鄰於該上升管通道開口處比在遠離該上升管通道開口處大；及(ii)毗鄰於該上升管通道開口之一部分中的該連接板之該第一主表面及一第二主表面中之至少一者上之肋之一高度小於遠離該上升管通道開口之該等相同肋之高度。
其他實施例包含一種操作一燃料電池組之方法，其包含：使燃料自一燃料入口上升管開口沿著由至少一個凸起特徵界定之一燃料分配路徑流動，其中該燃料分配路徑之方向與該燃料入口上升管開口與一燃料出口上升管開口之間的一線之方向偏離達30°以上；使該燃料自該燃料分配路徑沿著實質上平行於該燃料入口上升管開口與該燃料出口上升管開口之間的該線之一方向流動穿過複數個平行通道，其中該燃料分配路徑與該等平行通道不連續；及使該燃料自該複數個平行通道沿著由至少一個凸起特徵界定之一燃料收集路徑流動且流出該燃料出口上升管開口，其中該燃料收集路徑之方向與該燃料入口上升管開口與該燃料出口上升管開口之間的該線之該方向偏離達30°以上。
其他實施例包含併入有如上文所闡述之一連接板之燃料電池組以及製作用於一燃料電池組之連接板之方法。
1‧‧‧固態氧化物燃料電池
3‧‧‧陽極電極/燃料電極/陽極/燃料電池陽極
5‧‧‧固態氧化物電解質
7‧‧‧陰極電極/空氣電極/陰極
8‧‧‧氣體流動通路/氣體流動通道/通道/流動通道
8A‧‧‧氣體流動通道
8C‧‧‧氣體流動通路/氣體流動通道
9‧‧‧氣體流分離器/氣體流分離器板/連接板
10‧‧‧肋
15a‧‧‧密封件/燃料孔密封件
15b‧‧‧密封件/燃料孔密封件
15c‧‧‧周邊密封件
15d‧‧‧條帶密封件
16a‧‧‧上升管通道/入口上升管通道/上升管/上升管通道開口/燃料入口開口/燃料入口上升管開口/上升管開口/開口/燃料開口/燃料上升管開口
16b‧‧‧出口上升管通道/上升管/上升管通道開口/燃料出口開口/上升管開口/燃料出口上升管開口/開口/燃料上升管開口
17a‧‧‧入口充氣部/入口燃料充氣部/充氣部/充氣部區/燃料充氣部
17b‧‧‧出口充氣部/燃料出口充氣部/充氣部/充氣部區/燃料充氣部
29‧‧‧箭頭
33‧‧‧切角
44‧‧‧空氣流
301‧‧‧第一邊緣
302‧‧‧陽極側/燃料側
303‧‧‧第二邊緣
304‧‧‧陰極側/相對側
305‧‧‧燃料分配部分
306‧‧‧肋/陰極側肋
307‧‧‧燃料收集部分
308‧‧‧燃料流動通道/通道
309‧‧‧中間部分/區域
310‧‧‧肋
311‧‧‧主要燃料流場/主要流場
312‧‧‧箭頭/第一方向
313‧‧‧凸起特徵/阻擋肋
314‧‧‧箭頭/第二方向
315a‧‧‧平坦表面/表面/區/隆起表面/平坦區/隆起區
315c‧‧‧周邊密封件
316a‧‧‧入口上升管通道開口/入口開口/燃料上升管入口開口/開口/燃料開口
316b‧‧‧出口上升管通道開口/出口開口/開口
317‧‧‧凸起特徵/阻擋肋
318‧‧‧箭頭/第三方向
319‧‧‧燃料分配流場/分配流場
321‧‧‧燃料收集流場/收集流場
323‧‧‧額外凸起特徵/特徵/凸起特徵/肋
325‧‧‧流動路徑
327‧‧‧額外凸起特徵/凸起特徵/肋
329‧‧‧流動路徑
331‧‧‧區域/凹陷區域/凹陷區/隆起區
333‧‧‧類似凹陷區域/類似凹陷區/類似隆起區
334‧‧‧切角
341‧‧‧肋
342‧‧‧肋
343‧‧‧肋
344‧‧‧空間
419‧‧‧燃料分配流場
423‧‧‧點
425‧‧‧流動路徑
519‧‧‧燃料分配流場/分配流場
523‧‧‧肋
524‧‧‧點
525‧‧‧流動路徑
601‧‧‧區/第一區
603‧‧‧區/第二區
605‧‧‧區/第三區
619‧‧‧燃料分配流場/分配流場
701‧‧‧第一邊緣
702‧‧‧陽極側
704‧‧‧陰極側
711‧‧‧流場/主要流場
715a‧‧‧平坦隆起區/隆起表面
716a‧‧‧上升管通道開口/燃料開口/開口
717a‧‧‧充氣部/較深燃料充氣部/燃料充氣部/陽極燃料充氣部
731‧‧‧區/中心區/凹陷部
732‧‧‧周邊區
734‧‧‧凸起部分/凸起浮凸/充氣部浮凸/燃料充氣部浮凸
750‧‧‧陰極流場
758‧‧‧通道/空氣側通道/空氣流通道
760‧‧‧肋
811‧‧‧主要流場/流場
817‧‧‧區/凹陷部
818‧‧‧額外凹陷區/凹陷區/區
831‧‧‧第一部分/較深部分
832‧‧‧第二部分
919‧‧‧區
A-A‧‧‧線
B-B‧‧‧線
C-C‧‧‧線
D-D‧‧‧線
E-E‧‧‧線
X1‧‧‧第一深度
X2‧‧‧深度
Y1‧‧‧第一高度
Y2‧‧‧高度
併入本文中且構成本說明書之部分之隨附圖式繪示本發明之實例性實施例，並與上文所給出之大體說明及下文所給出之實施方式一起用以闡釋本發明之特徵。
圖1繪示一SOFC組之一側視剖面圖。
圖2A係先前技術之一連接板之一陰極側之一透視圖。
圖2B係先前技術之一連接板之一陽極側之一透視圖。
圖3A係根據一項實施例之一連接板之陽極側之一示意性平面圖解。
圖3B係沿著圖3A之線A-A觀看之圖3A之連接板的一剖面圖解。
圖3C係沿著圖3A之線B-B觀看之圖3A之連接板的一剖面圖解。
圖4繪示一燃料分配部分上之具有若干凸起點的一連接板之一部分。
圖5繪示一燃料分配部分上之具有若干凸起點及肋的一連接板之 一部分。
圖6A繪示一燃料分配部分上之具有不同深度的一連接板之一部分。
圖6B係沿著線C-C之圖6A之連接板之一剖面圖。
圖7A繪示具有包含環繞燃料開口之一凹陷高密度區之一燃料充氣部的一連接板之陽極側之一部分。
圖7B繪示具有與連接板之相對側上之燃料充氣部對應之一浮凸的圖7A之連接板之陰極側之一部分。
圖8A及圖8B係用於製作連接板之一先前技術粉末冶金(PM)裝置之各別側視剖面圖及俯視圖。
圖9A及圖9B係一先前技術PM裝置之各別側視剖面圖及俯視圖。
圖10A係一連接板之一燃料側之一部分透視圖，其中燃料流動通道深度在毗鄰於燃料入口上升管開口及/或燃料出口上升管開口處比在遠離燃料上升管開口處大。
圖10B沿著圖10A中之線D-D截取之一連接板之一部分剖面圖。
圖11A至圖11B係一連接板之一陰極側之部分透視圖，其中毗鄰於上升管通道開口之一部分中之肋之高度小於遠離上升管通道開口之肋之高度。
圖11C係沿著圖11A中之線E-E截取之一連接板之一部分剖面圖。
將參考隨附圖式詳細闡述各種實施例。該等圖式未必按比例，且意欲繪示本發明之各種特徵。只要可能，遍及該等圖式，將使用相同元件符號來指代相同或相似部件。對特定實例及實施方案之參考係出於說明性目的，且並非意欲限制本發明或申請專利範圍之範疇。
各種實施例包含用於一燃料電池組之連接板、併入有此等連接板之燃料電池組及系統以及製作用於一燃料電池組之連接板之方法。
對於固態氧化物燃料電池組而言，當前所使用之連接板通常由一導電金屬材料製成，且可包括一鉻合金，諸如一Cr-Fe合金。該等連接板通常使用一粉末冶金技術來製作，該粉末冶金技術包含衝壓並燒結可係Cr與Fe粉末之一混合物之一Cr-Fe粉末以形成呈一所要大小及形狀(例如，一「淨形」或「近淨形」製程)之一Cr-Fe連接板。一典型鉻合金連接板包括約90%重量以上之鉻，諸如約94%重量至96%重量(例如，95%重量)之鉻。該連接板亦可含有約10%重量以下之鐵(諸如約4%重量至6%重量(例如，5%重量)之鐵)，可含有約2%重量以下(諸如約零至1%重量)之其他材料，諸如釔或氧化釔以及殘餘或不可避免之雜質。
在圖1中繪示一固態氧化物燃料電池(SOFC)組之一實例。每一SOFC 1包括一陰極電極7、一固態氧化物電解質5及一陽極電極3。燃料電池組通常由呈平面元件、管或其他幾何形狀之形式之眾多SOFC 1構建。必須將燃料及空氣提供至電化學活性表面(其可係大的)。
在肋10之間含有氣體流動通路或通道8之氣體流分離器9(在係一平面組之部分時稱作一氣體流分離器板)分離組中之個別電池。通常，氣體流分離器板9亦用作將一個電池之陽極或燃料電極3電連接至毗鄰電池之陰極或空氣電極7之一連接板。在此情形中，充當連接板之氣體流分離器板由導電材料製成或含有導電材料。連接板/氣體流分離器9分離流動至組中之一個電池之燃料電極(亦即，陽極3)之燃料(諸如一種碳氫化合物燃料)與流動至組中之一毗鄰電池之空氣電極(亦即，陰極7)之氧化劑(諸如空氣)。在組之任一端處，可存在用於將空氣或燃料分別提供至端電極之一空氣端板或燃料端板(未展示)。圖1展示下部SOFC 1位於兩個連接板9之間。
圖2A及圖2B分別展示一先前技術連接板9之俯視圖及仰視圖。圖1中之側視剖面中所展示之連接板9之部分係沿著圖2A及圖2B中之線 A-A提供。連接板9在肋10之間含有氣體流動通路或通道8。此實施例中之連接板9包含用於將燃料提供至SOFC 1之陽極側之至少一個上升管通道16a，如箭頭29所繪示。上升管通道16a通常包括延伸穿過組中之燃料電池及連接板之至少一個層之一燃料入口上升管開口或孔。如圖2B中所繪示，燃料可流動穿過入口上升管通道16a到達每一燃料電池之陽極側。在彼處，燃料可收集於一入口充氣部17a(例如，連接板之表面中之一凹槽)中，接著在燃料電池陽極3上流動穿過形成於連接板9中之氣體流動通道8A到達一出口充氣部17b且接著穿過一單獨出口上升管通道16b退出。應注意，肋10可以任何組態定位以使得空氣與燃料可在連接板9之相對側上沿相同方向流動(同向流)或沿相反方向流動(逆向流)或彼此成直角流動(交叉流)或其間成任何角度流動。
圖2A中所繪示之陰極側可在肋10之間包含在燃料電池之陰極電極上引導空氣流44之氣體流動通路或通道8C。密封件15a、15b可密封連接板及燃料電池之陰極側上之各別上升管16a、16b以防止燃料到達燃料電池之陰極電極。該等密封件可具有如所展示之一圓形或空心圓柱體形狀以使得上升管16a、16b延伸穿過各別密封件15a、15b之空心中間部分。密封件15a、15b可包含用於抵靠毗鄰SOFC 1之平坦表面接觸之一隆起頂部表面。一周邊密封件15c可密封連接板及燃料電池之陽極側以防止空氣到達燃料電池之陽極電極，且條帶密封件15d可密封陰極側上之邊緣。
在圖2A及圖2B中，上升管通道開口16a、16b係展示為連接板9中之燃料入口開口及燃料出口開口。此連接板經組態以用於針對燃料在內部歧管化之一燃料電池組，其中燃料透過由穿過堆疊式連接板及燃料電池之配對開口形成之燃料上升管通道而行進穿過該組。此外，圖2A及圖2B中所展示之連接板9經組態以用於針對空氣在外部歧管化之一組。然而，針對待經組態以用於針對空氣在內部歧管化之一組之連 接板，可形成穿過連接板之額外開口(諸如在連接板之左側及右側上)。
一連接板9(諸如圖1至圖2B中所展示之連接板9)之功能可包含但不限於：a)將陽極及陰極反應物均勻地遞送至電解質之作用區域；b)防止陽極與陰極反應物之混合；c)提供對電解質之結構支撐；及d)導電。為達成此等功能，連接板9較佳地包含在連接板之整個燃料側及空氣側表面上高效地分配反應物之燃料及空氣流場。連接板9較佳地亦擁有低滲透性，且提供至毗鄰燃料電池之作用區域之均勻接觸。對於如上文所論述之藉由粉末冶金形成之連接板而言，與毗鄰燃料電池之接觸之均勻性隨遍及連接板之拓撲變化而變，且連接板之滲透性隨經衝壓粉末連接板之密度而變。當粉末狀金屬經壓縮而具有燃料電池連接板設計中所常用之特徵時，可由於設計中所發現之不同剖面面積而引入粉末密度及拓撲之變化。在對交越洩漏最敏感之區中達成最高密度亦係合意的。
圖2A及圖2B中所繪示之連接板9包含將燃料自燃料入口孔極高效地向外分配至流場之一入口燃料充氣部17a以及收集出口處之過量燃料及反應物產物並將其遞送至燃料出口孔之一燃料出口充氣部17b。然而，此等充氣部17a、17b係導致連接板9與毗鄰燃料電池之間的接觸達一顯著量之一減小之相對寬的區。充氣部17a、17b亦由於其相對小之剖面厚度而係相對深之凹陷部，藉此產生經壓縮粉末連接板之最高密度區。當此等高密度區接近100%密集時，壓縮製程往往「觸底」。壓縮衝壓機之衝程由於此等高密度區不能夠被進一步壓縮而受限。因此，該部件中之其他地方所達成之密度可能並非最佳。此密度變化通常導致拓撲變化，此可減小連接板與毗鄰電池之接觸量。
另一重要考量係操作效率之領域。使燃料利用最大化對於操作效率係重要的。燃料利用係在操作期間消耗之燃料量相對於遞送至電 池之燃料量之比率。燃料電池操作需要避免作用區域之任何區中之燃料耗盡，此使得需要在流場內具有適當分配之燃料。若存在一燃料分配不均使得某些流場通道接收到不足以支援燃料電池反應之燃料，則此將導致此等通道中之燃料耗盡，及對燃料電池之可能不可逆損壞。、因此，用以避免燃料耗盡之安全方式係遞送過量燃料，因此損害操作效率。如圖2B中所展示，此實例中之連接板9之燃料側包含相等長度之平行通道。使此一設計中之燃料利用最佳化爭取所有通道在通道之端處同時用盡燃料。在作用區域內具有燃料分配及電流之變化之情況下，此情形很少(若存在)。
圖3A至圖3C繪示根據一項實施例之具有包含複數個凸起特徵(例如，突出部)之一燃料分配網路之一連接板9。圖3A係連接板9之陽極(燃料)側302之一平面圖。此實施例中之連接板9係具有一第一邊緣301及一第二邊緣303之一平面連接板。一燃料分配部分305接近第一邊緣301且一燃料收集部分307接近第二邊緣303。一中間部分309位於燃料分配部分305與燃料收集部分307之間。中間部分309包含一主要燃料流場311，主要燃料流場311可包含複數個肋310，複數個肋310在肋310之間界定燃料流動通道308。複數個燃料流動通道308可彼此平行且經組態以在連接板9之陽極側302上輸送燃料，在彼處燃料可接觸一燃料電池組中之毗鄰燃料電池之陽極電極。主要流場311中之燃料可沿箭頭312所指示之一第一方向流動，該第一方向可沿著燃料分配部分305與燃料收集部分307之間的一實質上筆直路徑。因此，肋310及通道308較佳地係直線形。一周邊密封件315c可密封連接板9及毗鄰燃料電池之陽極側302以防止空氣到達燃料電池之陽極電極。
燃料分配部分305包含用於將燃料提供至連接板9之陽極側302之至少一個入口上升管通道開口316a。在圖3A之實施例中，一凸起特徵313(亦即，阻擋肋)位於入口上升管通道開口316a與通向主要流場 311之進口之間。阻擋肋313防止燃料自入口上升管通道開口316a直接流動(亦即，沿一直線路徑)至連接板9之主要流場311中。在各種實施例中，阻擋肋313經組態以使得來自入口上升管通道開口316a之燃料在進入主要流場311之前必須沿箭頭314所指示之一第二方向流動，其中該第二方向與主要流場311內之第一流體流動方向偏離達至少30°(例如，45°至180°)，諸如至少60°(例如，90°)。
在各種實施例中，諸如圖3A中所展示，連接板9之燃料分配部分305可包含一燃料分配流場319。除阻擋肋313之外，燃料分配流場319亦可包含額外凸起特徵(例如，突出部)323(諸如肋、點等)，額外凸起特徵323在特徵323之間界定流動路徑325。在圖3A至圖3C之實施例中，凸起特徵323包括由肋構成之一網路。凸起特徵323及流動路徑325可經組態以促進實質上均勻之燃料利用並防止燃料耗盡。可沿著主要流場311之周邊(亦即，沿著自入口上升管通道開口316a至主要流場311之最長路徑)將一相對大的燃料質量流引導至通道308。此與先前技術設計(諸如圖2A至圖2B中所展示)形成對比，在先前技術設計中最高燃料質量流往往在流場之中間通道內(亦即，沿著燃料入口與出口之間的最短路徑)，而周邊通道經歷最低燃料質量流及最高燃料利用，此導致次最佳操作效率及/或由於燃料耗盡所致之對毗鄰燃料電池之不可逆損壞。在實施例中，燃料分配流場319可經組態以促進跨越主要流場311之均勻燃料利用。
凸起特徵323可經組態以使得流動路徑325中之燃料在進入主要燃料流場311之前沿箭頭314所指示之第二方向在分配流場319之至少一部分上流動，其中該第二方向與箭頭312所指示之第一方向偏離達至少30°(例如，45°至180°)，諸如至少60°(例如，90°)。在諸實施例中，燃料分配部分305中之流動路徑325可能與主要燃料流場311中之燃料流動通道308不連續，且肋323中之至少某些肋，且較佳地所有肋 323不接觸主要流場311中之肋310。
如圖3A中所展示，凸起特徵323中之某些凸起特徵可係如肋341，其大體上垂直於主要流場311之肋310定向。一整排在肋之間具有間隙之此等肋(「周邊阻擋肋」)可位於接近於通向主要流場311之、進口處，如圖3A中所展示。凸起特徵323中之某些凸起特徵可係如肋342，其相對於主要流場311之肋310斜向地(例如，以大於30°且小於60°之一角度)定向。凸起特徵323中之某些凸起特徵可係如肋343，其包含至少一個部分係大體上垂直於主要流場之肋及至少一個部分係與主要流場311之肋310成斜向。如圖3A中所展示，在包含阻擋肋313之凸起特徵323與供燃料流動至通道308中之肋310之間可存在一空間344。
圖3B係沿著圖3A中之線A-A觀看之根據一項實施例之一連接板9之一示意性剖面繪示圖。圖3B繪示連接板9之陽極側302及陰極側304，圖中包含一肋310，其界定在連接板9之陽極側302之中間部分309之主要流場，以及肋306中之一者，其界定連接板9之陰極側304之空氣流場。圖3B亦繪示界定連接板9之陽極側302之燃料分配部分305中之流動路徑325之若干凸起特徵323(例如，肋，以剖面展示)。如圖3B中所展示，燃料分配部分305之凸起特徵323可具有與連接板9之陽極側302之中間部分309中之肋310相同之高度以為連接板9提供一均勻拓撲。阻擋肋313亦可具有與肋310及凸起特徵323相同之高度。因此，如圖3A至圖3B中所展示之連接板9可給燃料電池電解質提供均勻支撐(包含在燃料分配及收集區中)，且可避免諸如圖2A至圖2B中所展示之連接板之充氣部區17a、17b中所存在之無支撐跨度。
如亦自圖3B顯而易見，連接板9之厚度可遍及燃料分配部分305、燃料收集部分307及中間部分309大體上均勻。特徵323之間的流動路徑325之底部表面可具有與區域309中之主要流場311中之通道308 之底部表面相同之深度(亦即，323與308之底部在相同水平面中)，區域331中除外。在此實施例中，不存在於燃料分配及收集部分上延伸之充氣部(亦即，連接板表面中之凹陷部)。連接板9之總體密度及密度分佈可因此增強。可以一偏移組態在連接板9之陽極側302及陰極側304上提供各別肋310、306而進一步增強連接板9厚度之均勻性，如以全文引用方式併入本文中之Perry等人之美國公開專利申請案第2008/0199738號之圖1B及圖3A中所展示。
如圖3A及圖3B中所展示，連接板9可包含類似於上文所闡述之燃料分配部分305之一燃料收集部分307。燃料收集部分307包含用於移除過量燃料及反應產物之至少一個出口上升管通道開口316b。一凸起特徵317(亦即，阻擋肋)位於主要流場311與出口上升管通道開口316b之間。阻擋肋317防止流體自主要流場311直接流動(亦即，沿一直線路徑)至出口上升管通道開口316b。在各種實施例中，阻擋肋317經組態以使得自主要流場311退出之流體在到達出口上升管通道開口316b之前必須沿箭頭318所指示之一第三方向流動，其中該第三方向與主要流場311內之第一流體流動方向偏離達至少30°(例如，45°至180°)，諸如至少60°(例如，90°)。該第三方向可不與第二流體流動方向相同。舉例而言，如圖3A中所展示，抵靠阻擋肋317接觸之未使用之燃料及反應產物最初被迫使朝向連接板9之周邊流動，且接著必須沿相反方向大約180°流動以到達出口開口316b。大體而言，該第一方向實質上平行於(亦即，在10°之內)入口開口316a與出口開口316b之間的一線。該第二方向及該第三方向可係不平行於此線且與此線偏離達30°以上之一方向。
連接板9之燃料收集部分307可包含一燃料收集流場321。除阻擋肋317之外，燃料收集流場321亦可包含額外凸起特徵(例如，突出部)327(諸如肋、凹坑等)，額外凸起特徵327在該等特徵之間界定流動路 徑329。凸起特徵327及流動路徑329可經組態以促進實質上均勻之燃料利用並防止燃料耗盡。凸起特徵327可經組態以使得流動路徑329中之燃料在收集流場321之至少一部分上沿箭頭318所指示之第三方向流動，其中該第三方向與箭頭312所指示之第一方向偏離達至少30°(例如，45°至180°)，諸如至少60°(例如，90°)。在實施例中，燃料收集部分321中之流動路徑325可與主要燃料流場311中之燃料流動通道308不連續，且肋327不接觸肋310。如圖3B中所展示，燃料收集部分307之凸起特徵327可具有與連接板9之陽極側302之中間部分309中之肋310相同之高度以為連接板9提供一均勻拓撲。阻擋肋317亦可具有與肋310及凸起特徵327相同之高度。
如圖3A中所展示，連接板9之陽極側302可包含環繞入口上升管通道開口316a之一凹陷區域或區331。此凹陷區域或區331可與用以針對毗鄰燃料電池密封上升管通道並防止燃料與空氣之混合的連接板之相對(陰極)側上之一隆起區域或區對應。一類似凹陷區域或區333可圍繞出口上升管通道開口316b。圖3C係更清晰地繪示環繞入口上升管通道開口316a之凹陷區域331的沿著線B-B截取之連接板9之一部分剖面圖。連接板9之陽極側302上之凹陷區域331可與連接板9之相對(亦即，陰極)側304上之平坦表面315a對準且實質上對應於平坦表面315a。表面315a可具有與陰極側肋306之高度相同之一高度且可高出陰極側上之通道。一燃料孔密封件15a可稍後沈積於平坦表面315a上。由於連接板之陽極側上之凹陷區域331大體上匹配連接板之陰極側上之平坦表面315a，因此環繞開口316a之區域中之連接板之剖面厚度可與連接板之其餘部分上之厚度相對一致，如圖3C中所展示。此可避免環繞開口316a、316b之相對低密度之區域，從而產生增加之強度及機械穩定性。此外，如圖3C中所展示，可圍繞燃料上升管入口開口316a提供切角334以圍繞上升管孔提供甚至更高之密度。切角334 可提供於連接板9之陽極側及/或陰極側上，且可提供於入口上升管通道開口316a及/或出口上升管通道開口316b周圍。
在一替代實施例中，連接板9之陽極側302可包含環繞入口上升管通道開口316a之一隆起區331。此隆起區331可與用以針對毗鄰燃料電池密封上升管通道並防止燃料與空氣之混合的連接板之相對(陰極)側上之一凹陷區對應。一類似隆起區域333可環繞出口上升管通道開口316b。大體而言，若一隆起部或一凹陷部位於連接板之一側(陽極側或陰極側)處，則可將一相對凹陷部或隆起部添加至連接板之相對側以便維持儘可能恆定之連接板剖面厚度。所有通道/流動路徑之底部可在相同水平面中(諸如相對於連接板之另一側上之一隆起區域之區域331之區域除外)，且所有突出部/肋之頂部可在相同第二水平面中。
由於先前技術系統中之密度梯度及缺乏對電解質之支撐主要受存在燃料充氣部影響，因此本發明之各種實施例在先前用於充氣部之區中提供流場特徵(例如，肋、點或其他凸起特徵/突出部)。此等流場特徵可經組態以接觸毗鄰燃料電池並給充氣部區中之燃料電池電解質提供均勻支撐。此外，可避免先前技術連接板中之由充氣部(亦即，表面凹陷部)造成之大密度梯度。
若其中正分配燃料之區域亦係作用時，則必須將更多燃料遞送至其中正進行燃料分配之區。分配區使燃料遠離連接板之中心，且提供藉由其將燃料引導為遠離開口316a、316b位於彼處之中心流動之一機構。在實施例中，此可藉由開口之間的阻擋肋來完成。透過阻擋肋以及分配及收集流場之實施，可獲得以下益處：(A)透過使電池作用區域中之肋接觸最大化達成之增加之電池效率；及(B)透過藉由1)消除燃料充氣部之無支撐跨度及2)由於遍及連接 板之較均勻密度所致之經改良拓撲改良電池結構支撐而達成之增加之組良率。
圖4繪示根據另一實施例之一連接板9之一部分。在此實施例中，燃料分配流場419包含呈點423(例如，具有圓形、卵形或多邊形形狀之柱或凸塊)之形式之凸起特徵，凸起特徵界定點423之間的流動路徑425。點423可支撐毗鄰燃料電池之電解質並可提供與該電解質之電接觸，且連同阻擋肋313一起，可提供促進均勻燃料利用之一流量分配。類似特徵可提供於燃料收集流場中。連接板9可在其他方面與圖3A至圖3C中所繪示之連接板9相同。點423可具有一隨機分佈或可形成為一圖案(例如，具有更靠近於開口316a之一較高密度及接近於流場之周邊之一較低密度)。
圖5繪示根據另一實施例之一連接板9之一部分。在此實施例中，燃料分配流場519包含凸起特徵，該等凸起特徵包含肋523及點524兩者，其界定該等特徵之間的流動路徑525。肋523及點524可支撐毗鄰燃料電池之電解質並可提供與該電解質之電接觸，且連同阻擋肋313一起，可提供促進均勻燃料利用之一流量分配。類似特徵可提供於燃料收集流場中。連接板9可在其他方面與圖3A至圖3C中所繪示之連接板9相同。如圖5中所展示，肋523可經定向以實質上垂直於主要流場311之肋310，但在其他實施例中，肋523中之某些或所有肋可係斜向肋及/或斜向肋與垂直肋之一組合。此外，點524可具有一隨機分佈或可形成為一圖案(例如，具有更靠近於開口316a及/或主要流場311之一較高密度及接近於分配流場519之周邊之一較低密度)。
圖6A至圖6B繪示根據另一實施例之一連接板9之一部分。圖6A以平面圖展示連接板9之一部分，且圖6B示意性地繪示沿著線C-C觀看之連接板9之一剖面。在此實施例中，燃料分配流場619包含具有不同深度之區601、603、605以對穿過入口上升管通道開口316a進入之 燃料提供不同程度之流量限制。如圖6B中所展示，一第一區601可具有最大深度以提供最小流量限制。此第一區601可將燃料自開口316a引導至主要流場311之周邊上之通道308。一第二區603可具有一中等深度以提供一中等流量限制。第二區603可將燃料自開口316a引導至主要流場311之周邊與中間部分之間的通道308。一第三區605可具有最淺深度以提供最大流量限制。第三區605可將燃料自開口316a引導至主要流場311之中間部分中之通道308。導致不同區601、603、605之間的一不同程度之流量限制之該等區之間的深度變化可提供燃料至主要流場311之均勻分配並促進均勻燃料利用。類似特徵可提供於燃料收集流場中。連接板9可在其他方面與圖3A至圖3C中所繪示之連接板9相同。
應理解，分配流場619可具有不同深度之三個以上或以下區。此外，雖然圖6A至圖6B中所展示之區601、603、605具有一階梯輪廓，但該等區之間的深度變化可係漸變的(例如，跨過一彎曲或傾斜表面)。
此外，儘管圖6A繪示迫使來自開口316a之燃料在進入主要流場311之前沿一橫向方向流動穿過分配流場619之一阻擋肋313，但應理解，分配流場619可在不需要一單獨阻擋肋313之情況下提供燃料至主要燃料流場311之充分均勻分配。區601、603、605中之一或多者可係具有沿大體上垂直於肋310之方向之一方向自燃料開口316a延伸之一第一節段及接著沿大體上平行於肋310之方向之一方向朝向主要流場311延伸之一第二節段的大體上「L」形。
視情況，凸起特徵(例如，肋、點等)可提供於區601、603及605中之一或多者中。
圖7A至圖7B繪示用於一燃料電池組之一連接板9之另一實施例。對於藉由粉末冶金形成之一連接板9而言，在對交越洩漏最敏感之區 中達成最高密度係合意的。用於局部地增加密度之粉末冶金技術並不精確且已證明僅增加連接板內之密度及拓撲變化。圖7A至圖7B之實施例中之設計特徵可在不使用此等技術之情況下幫助達成最佳密度及拓撲。
如上文所論述，先前技術連接板(諸如圖2A至圖2B中所展示)採用用於遍及電池分配燃料之往往進一步增加密度變化且遺憾地往往在對交越洩漏最敏感之區中產生較低密度之一設計。燃料充氣部(例如，圖2A至圖2B中之17a、17b)將燃料自燃料入口開口16a向外分配至入口處之流場，且收集出口處之過量燃料及反應物產物並將其遞送至燃料出口開口16b。該等充氣部係由於在此區中之小剖面面積而迫使密度在該部件中最高之相對寬且深之凹陷部。如上文所論述，當此高密度區接近100%密集時，壓縮製程往往「觸底」。壓縮衝壓機之衝程由於高密度區不能被進一步壓縮而受限。因此，藉由壓縮衝程之範圍在某種程度上預定部件中之其他地方所達成之密度處於一較低位準。使情況複雜化，高密度之此區在中心中由環繞連接板之陰極側上之燃料孔之平坦隆起區(例如，圖2A中之燃料孔密封件15a、15b下方之區；此外，圖3C中之區315a)中斷。此等平坦區域經提供以用於定位分離燃料與空氣之一密封件(例如，燃料孔密封件15a、15b)。此平坦隆起表面形成大剖面厚度之一區，尤其在彼處隆起表面向外延伸超出連接板之相對(燃料)側上之燃料充氣部。在此區中通常觀察到低於平均密度之一密度，從而證明係利用先前技術之連接板之組中之失效模式之源。此係其中燃料與空氣最緊密接近之區，且因此對交越洩漏最敏感。
已開發粉末冶金製造技術以解決此等密度問題中之某些密度問題。在很大程度上由壓縮之前粉末之厚度與最終部件之厚度之比率判定局部密度。若假定最終部件厚度固定，則可藉由增加或減少壓縮成 彼厚度之粉末量來調整密度。可修改粉末至壓縮衝壓機之遞送以使粉末遠離一個區並將粉末添加至其他區以促成較高或較低密度。然而，對於燃料電池組中所使用之連接板而言，已證明此等技術不足以在不具有負面影響之情況下達成所需密度。
各種實施例藉由提供遍及部件具有較均勻剖面面積之一連接板而達成連接板密度及拓撲之改良。此可藉由引入將被認為與一功能觀點稍微適得其反但由於達成最佳化密度及拓撲而達成較強益處之設計特徵來實施。
圖7A係根據一項實施例之一連接板9之陽極側702之一部分的一透視圖。在陽極側702上，可透過增加對應於環繞連接板9之陰極側704上之上升管通道開口716a之平坦隆起區715a的區731中之密度而達成增加之密度均勻性，如圖7B中所繪示。應注意，區731係與圖3A、圖3C、圖4、圖5及圖6A中之331相同之特徵，但在一充氣部717中而非在一流場中。燃料係自燃料開口716a在陽極側702上遞送且藉助於充氣部717a遍及流場711之其餘部分分配。充氣部717a包括在連接板之表面中之一凹陷區，該凹陷區包含具有大於充氣部717a之周邊區732之一深度之圍繞開口716a之一中心區731。大體而言，在一中心區731中比在周邊區732中深之一燃料充氣部717a將被認為與達成最佳燃料分配適得其反。然而，其係一相對微弱影響。藉由在環繞陰極側704上之燃料開口716a之隆起表面715a正下方之區731中實施一較深燃料充氣部717a，達成燃料分配時之一小犧牲(其可藉由其他方式抵消)可以大的精確度達成最需要處之連接板密度之一顯著增加。一相同組態可提供於連接板9之燃料收集部分中。
圖7B係圖7A中所展示之連接板9之陰極側704之一透視圖。在陰極側704上，可透過對應於連接板之陽極側702上之燃料充氣部717a之一凸起部分或浮凸734(亦即，一充氣部浮凸)之剖面厚度之一增加而 達成增加之密度均勻性。空氣穿過由延伸至連接板9之第一邊緣701之肋760界定之通道758進入至陰極流場750中，且其沿通道758向下行進直至其在第二邊緣(未展示)處退出連接板9(亦即，對於針對燃料在內部歧管化且針對空氣在外部歧管化之一連接板而言)。充氣部浮凸734將在空氣進入陰極流場750時產生某一流量限制(亦即，空氣側通道758深度在連接板之燃料側上之充氣部上比在連接板之燃料側上之主要流場711上小)。大體而言，限制空氣之流動之特徵係適得其反的。然而，對一相對短距離起作用之限制係一微弱影響。藉由在陽極燃料充氣部717a正上方之區中引入使空氣流通道758之底部表面隆起之一充氣部浮凸734，空氣流量限制之一小犧牲(其可藉由其他方式抵消)可以大的精確度達成延遲壓縮衝壓機觸底之時刻之一設計，從而增加衝壓機之衝程長度，且藉此遍及部件之其餘部分增加密度。一相同設計可用於連接板9之相對端處，其中一充氣部浮凸734對應於連接板之陽極側上之燃料收集充氣部。在各種實施例中，充氣部浮凸734可位於連接板之陽極側上之實質上整個充氣部717a(如本文中所使用，其可係充氣部717a之面積之至少約75%(例如，85%至90%)，包含95%至100%)上。
連接板9之陰極側704上之燃料充氣部浮凸734及環繞連接板9之陽極側702上之燃料開口之凹陷部731兩者皆係通常將被認為適得其反之特徵。然而，在用於製造之設計之上下文中，此等特徵可產生勝過成本之益處。此等特徵可允許連接板與電解質之間的較均勻接觸同時在不同區中維持所需密度位準及一較均勻連接板厚度。相反地，此等特徵可允許增加之密度而不增加拓撲變化。此等設計可提供經改良良率及增加之可靠性，且可有利地用於單個衝壓機粉末冶金技術中。
其他實施例提供對連接板及端板之設計改良。在一項實施例中，IC之燃料(陽極)側(參見圖1至圖2B)上之通道8深度在毗鄰於燃料 入口上升管開口16a及/或燃料出口上升管開口16b處比在遠離燃料上升管開口處大以計及由於連接板9之對應空氣(陰極)側上之區315a(亦即，圍繞密封件15a、15b安放於其上之上升管開口16a、16b之一平坦表面)之存在所致之剖面厚度差。換言之，陽極側上之通道8深度在陰極側上之區315a上比在連接板9之陰極側上之肋760上大。
在一額外實施例中，毗鄰於燃料入口上升管開口16a及/或燃料出口上升管開口16b之一部分中的連接板9之燃料側及/或空氣側中之至少一者上之肋10之高度小於遠離燃料上升管開口之相同肋之高度。具體而言，省略或移除圍繞連接板9之空氣側及燃料側兩者上之開口16a、16b之肋上之尖端以對抗由於因區315a(亦即，密封件15a、15b安放於其上之平坦表面)導致之密度不均勻性所致之高拓撲。此等實施例連接板組態可單獨或彼此組合地使用以幫助達成較佳密度均勻性同時減少所得拓撲變化。此等實施例連接板組態中之任一者或兩者亦可連同此應用方案中之先前所闡述之實施例中之任一者一起使用。
圖10A係根據一項實施例之一連接板9之陽極側之一部分的一透視圖。燃料係自燃料開口16a在陽極側上遞送且藉助於充氣部817a遍及主要流場811之其餘部分分配。一相同組態可提供於連接板9之燃料收集部分(圖10A中未展示)中。充氣部817a包括可圍繞上升管通道開口16a之圓周延伸至少約60%(諸如至少約90%，且在某些實施例中，完全圍繞上升管通道開口16a之圓周)的連接板之表面中之一凹陷區。在圖10A中所展示之一非限制性實例中，充氣部817可包含具有比充氣部817a之一或多個第二部分832大之一深度之一第一部分831。如圖10A中所展示，充氣部817a之第一(較深)部分831可囊括圍繞毗鄰於主要流場811之上升管通道開口16a彎曲之一大致上半圓形或半卵形區，且第二部分832可毗鄰於上升管通道開口16a之周邊。在其他實施例中，第一(較深)部分831亦可圍繞上升管通道開口16a之周邊延伸，如 圖7A至圖7B中所展示。在其他實施例中，整個充氣部817a可具有一均勻深度。
如圖10A中所展示，一額外凹陷區818可延伸至連接板9之燃料側上之主要流場811中。額外凹陷區818可與充氣部817a連續，且可具有與該充氣部之至少一部分(例如，充氣部817a之第一部分831，如圖10A中所展示)相同之深度。凹陷區818可囊括圍繞開口16a及充氣部817之第一部分831彎曲的流場811之一大致上半圓形或半卵形部分。凹陷區818之形狀可與環繞連接板之相對(空氣/陰極)側上之上升管通道開口16a之隆起表面315a之至少一部分對應。流場811之凹陷區818導致在凹陷區818中比在主要流場811之剩餘部分中大之一通道8深度。因此，毗鄰於燃料入口上升管開口16a及/或燃料出口上升管開口16b(亦即，在表面315a上之凹陷區818內)之流動通道8之深度可大於遠離上升管開口16a、16b(亦即，在凹陷區818外部且不在連接板之陰極側上之表面315a上)之彼等相同通道8或不同通道之深度。
此示意性地繪示於圖10B中，圖10B係沿著圖10A中之線D-D截取之一連接板9之一剖面圖。凹陷區818中之通道8具有大於流場811之其餘部分中之通道8之深度X2之一第一深度X1。
圖10A至圖10B之組態可允許較均勻連接板密度及圍繞開口16a、16b之肋10尖端上之減小之拓撲變化。因此，相對較深凹陷部之區818、817可僅位於需要增加之密集化而不影響燃料電池組之功能性之區中。區818、817可覆蓋連接板9之一無關緊要之小區，此將由於處於低雷諾數之燃料電池組操作而不影響流動特性。此設計修改具體以在功能上對燃料電池組操作敏感以增加連接板密度且避免燃料穿過平坦區315a滲透至密封件表面之一區域為目標。
實施例亦可包含圍繞燃料上升管開口16a、16b以圍繞上升管孔提供甚至更高密度之切角33，如圖10A中所展示。切角33可在圍繞上升 管開口16a處提供厚度低於周圍區域中之厚度之一區。切角33可提供於連接板9之陽極側及/或陰極側上。
圖11A至圖11B係根據另一實施例之一連接板9之一空氣(陰極)側之部分透視圖，其中毗鄰於燃料入口上升管開口16a及/或燃料出口上升管開口16b之一區919中的IC之燃料及/或空氣側中之至少一者上之肋10之高度小於遠離區919外部之燃料上升管開口之相同肋及其他肋之高度。具體而言，可省略或移除圍繞IC之空氣側及燃料側兩者上之開口16a、16b之肋10上之尖端以對抗由於因環繞上升管開口16a、16b之隆起區315a導致之密度不均勻性所致之高拓撲。此示意性地繪示於圖11C中，該圖係沿著圖11A中之線E-E截取之一連接板9之一剖面圖。區919中之肋10具有小於區919外部之肋10(其中肋之間的通道8之底部具有相同深度/位於相同平面)之高度Y2之一第一高度Y1。
如稍前所述，過度密集化及用以避免過度密集化之壓縮方法兩者皆導致尤其係圍繞具有高密度變化之區(諸如包含且環繞平坦區315a之區)之較高拓撲變化。此等拓撲變化通常以空氣側及燃料側兩者上之較高肋尖端之形式來展現自身。在此實施例中，與毗鄰於開口16a、16b之一區919外部之肋之高度相比，區919中的連接板9之空氣側及燃料側中之一者或兩者上之肋10尖端之部分之高度已減小，以便補償壓縮製程期間所添加之高度。區919可對應於與燃料側上之凹陷部817相同之面積(參見圖10A)或其可覆蓋一不同大小之面積。
在一項非限制性組態中，最靠近於D平坦區932之肋高度減小之量值可係最大的，且可越遠離平坦區315a逐漸變小(例如，在圖11A中於密封件15a下方之平坦區315a處開始且接著向左及向右變化)。可透過監視壓縮期間之高度並在工具之模型中做出一調整而根據經驗判定高度減小。因此，所得連接板可係平坦的而具有最小拓撲變化。另一選擇係或另外，肋10可具有在區919中之一漸縮高度(亦即，沿遠離IC 之邊緣920及/或遠離開口16a之方向增加)對應於在區919外部之一恆定肋高度。
儘管上文在各種實施例中闡述固態氧化物燃料電池連接板及電解質，但實施例可包含任何其他燃料電池連接板，諸如熔融碳酸鹽、磷酸或PEM燃料電池連接板或者任何其他形狀之金屬或金屬合金或壓縮金屬粉末或不與燃料電池系統相關聯之陶瓷物件。
提供前述方法說明僅作為說明性實例且並非意欲要求或暗指各種實施例之步驟必須以所呈現之次序執行。如熟習此項技術者將瞭解，可以任一次序執行前述實施例中之步驟之次序。諸如「其後」、「接著」、「接下來」等措詞未必意欲限制該等步驟之次序；可使用此等措詞來在該等方法之整個說明中對讀者進行指導。此外，不應將對單數形式之請求項元件之任何參考(舉例而言，使用冠詞「一(a)」、「一(an)」或「該(the)」)解釋為將該元件限於單數形式。
此外，可在任何其他實施例中使用本文中所闡述之任何實施例之任何步驟或組件。
提供對所揭示態樣之前述說明以使任一熟習此項技術者能夠製作或使用本發明。熟習此項技術者將易於明瞭對此等態樣之各種修改，且本文中所定義之泛用原理可在不背離本發明之範疇之情況下應用於其他態樣。因此，並非意欲將本發明限於本文中所展示之該等態樣，而是欲賦予其與本文中所揭示之原理及新穎特徵相一致之最寬廣範疇。
9‧‧‧氣體流分離器/氣體流分離器板/連接板
301‧‧‧第一邊緣
302‧‧‧陽極側/燃料側
303‧‧‧第二邊緣
305‧‧‧燃料分配部分
307‧‧‧燃料收集部分
308‧‧‧燃料流動通道/通道
309‧‧‧中間部分/區域
310‧‧‧肋
311‧‧‧主要燃料流場/主要流場
312‧‧‧箭頭/第一方向
313‧‧‧凸起特徵/阻擋肋
314‧‧‧箭頭/第二方向
315c‧‧‧周邊密封件
316a‧‧‧入口上升管通道開口/入口開口
316b‧‧‧出口上升管通道開口/出口開口
317‧‧‧凸起特徵/阻擋肋
318‧‧‧箭頭/第三方向
319‧‧‧燃料分配流場/分配流場
321‧‧‧燃料收集流場/收集流場
323‧‧‧額外凸起特徵/特徵/凸起特徵/肋
325‧‧‧流動路徑
327‧‧‧額外凸起特徵/凸起特徵/肋
329‧‧‧流動路徑
331‧‧‧區域/凹陷區域/凹陷區
333‧‧‧類似凹陷區域/類似凹陷區
341‧‧‧肋
342‧‧‧肋
343‧‧‧肋
344‧‧‧空間
A-A‧‧‧線
B-B‧‧‧線

Claims (47)

  1. 一種用於一燃料電池組之連接板，其包括：一第一側，其包括一燃料分配部分、一燃料收集部分以及界定該燃料分配部分與該燃料收集部分之間的一主要燃料流場之第一複數個肋及通道；一燃料入口開口，其在該燃料分配部分中；及一燃料出口開口，其在該燃料收集部分中；其中：該燃料分配部分包括界定一燃料分配流動路徑之至少一個凸起特徵，其中該燃料分配流動路徑與該主要燃料流場中之該等通道不連續。
  2. 如請求項1之連接板，其中該至少一個凸起特徵包括一阻擋肋，該阻擋肋位於該燃料入口開口與該主要流體流場之間以防止來自該入口開口之燃料沿一直線路逕自該燃料入口開口流動至該主要流體流場。
  3. 如請求項1之連接板，其中界定該主要流場之該第一複數個肋及通道包括沿一第一方向延伸之平行肋及通道，且該燃料分配部分之該至少一個凸起特徵經組態以引導來自該入口開口之燃料在進入該主要流場之前沿一第二方向流動。
  4. 如請求項3之連接板，其中該第二方向與該第一方向偏離達至少30°。
  5. 如請求項1之連接板，其中該燃料分配部分中之該至少一個凸起特徵經組態以將燃料分配至該主要流體流場以在該主要流體流場之該等通道內提供實質上均勻燃料利用。
  6. 如請求項1之連接板，其中該燃料分配部分之該至少一個凸起特 徵包括複數個肋。
  7. 如請求項1之連接板，其中該燃料分配部分之該至少一個凸起特徵包括複數個點。
  8. 如請求項1之連接板，其中該燃料分配部分之該至少一個凸起特徵包括至少一個肋及至少一個點。
  9. 如請求項1之連接板，其中該連接板之一剖面厚度在該燃料分配部分與該主要流體流場之間係實質上均勻的。
  10. 如請求項1之連接板，其中該燃料分配部分之該至少一個凸起特徵之高度實質上等於該主要流體流場中之該等肋之高度。
  11. 如請求項1之連接板，其進一步包括：一凹陷區，其環繞該燃料入口開口，該凹陷區與該連接板之一第二側上之一隆起區對應，該第二側與該第一側相對；或一隆起區，其環繞該燃料入口開口，該隆起區與該連接板之該第二側上之一凹陷區對應，該第二側與該第一側相對。
  12. 如請求項1之連接板，其中該燃料收集部分包括界定一燃料收集流動路徑之至少一個凸起特徵，其中該燃料收集流動路徑與該主要燃料流場之該等通道不連續。
  13. 如請求項12之連接板，其中該燃料收集部分之該至少一個凸起特徵包括一阻擋肋，該阻擋肋位於該燃料出口開口與該主要流場之間以防止來自該主要流場之燃料沿一直線路徑流動至該燃料出口開口。
  14. 如請求項12之連接板，其中該燃料收集部分之該至少一個凸起特徵包括肋及點中之至少一者，且該燃料收集部分之該等凸起特徵具有實質上等於該主要流場之該等肋及該燃料分配部分之該等凸起特徵之一高度。
  15. 如請求項12之連接板，其中該連接板之一剖面厚度在該燃料分 配部分、該燃料收集部分及該主要流體流場之間係實質上均勻的。
  16. 如請求項12之連接板，其進一步包括與該連接板之一第二側上之一隆起區對應之環繞該燃料出口開口之一凹陷區，該第二側與該第一側相對。
  17. 如請求項1之連接板，其中該連接板藉由粉末冶金形成。
  18. 如請求項17之連接板，其中該連接板包括鉻及鐵。
  19. 如請求項1之連接板，其中該燃料分配部分之一表面深度變化以在該燃料分配部分上提供可變流量限制。
  20. 如請求項19之連接板，其中具有最小流量限制的該燃料分配部分之一部分將燃料引導至該主要流場之一周邊。
  21. 如請求項19之連接板，其中具有最大流量限制的該燃料分配部分之一部分將燃料引導至該主要流場之一中心區。
  22. 一種用於一燃料電池組之連接板，其包括：一第一側，其包括一燃料分配部分、一燃料收集部分以及界定該燃料分配部分與該燃料收集部分之間的一主要燃料流場之第一複數個肋及通道；一燃料入口開口，其在該燃料分配部分中；及一燃料出口開口，其在該燃料收集部分中；其中：該燃料分配部分之一表面深度變化以在該燃料分配部分上提供可變流量限制。
  23. 如請求項22之連接板，其中具有最小流量限制的該燃料分配部分之一部分將燃料引導至該主要流場之一周邊。
  24. 如請求項22之連接板，其中具有最大流量限制的該燃料分配部分之一部分將燃料引導至該主要流場之一中心區。
  25. 如請求項22之連接板，其中該燃料分配部分之該表面具有一階梯輪廓。
  26. 如請求項22之連接板，其中該燃料分配部分之該表面具有一漸變輪廓。
  27. 如請求項22之連接板，其中該燃料收集部分之一表面深度變化以在該燃料收集部分上提供可變流量限制。
  28. 一種用於一燃料電池組之連接板，其包括：一第一側，其包括第一複數個肋及通道；一第二側，其與該第一側相對，該第二側包括第二複數個肋及通道；一燃料入口開口；及一燃料出口開口；其中：該第一側包括一充氣部，且該第二側包括與實質上該整個充氣部之位置一致之一凸起浮凸。
  29. 如請求項28之連接板，其中：該第二側包括環繞該燃料入口開口之一隆起區，且該第一側之該充氣部包括與該隆起區之位置一致之一凹陷區；或該第二側包括環繞該燃料入口開口之一凹陷區，且該第一側之該充氣部包括與該凹陷區之位置一致之一隆起區。
  30. 如請求項29之連接板，其中該凹陷區之深度大於該充氣部之剩餘部分上之深度。
  31. 如請求項28之連接板，其中該連接板藉由粉末冶金形成。
  32. 如請求項28之連接板，其中該連接板包括鉻及鐵。
  33. 一種用於一燃料電池組之連接板，其包括：複數個肋，其在該連接板之至少一第一主表面上，該複數個 肋在該等肋之間界定複數個流動通道；一上升管通道開口，其用於一氣體，該上升管通道開口延伸穿過該連接板；及一充氣部，其用於收集該連接板之該第一主表面上之該氣體，其中該充氣部圍繞該上升管通道開口之圓周延伸至少約60%，且其中存在以下各項中之至少一者：(i)該連接板之該第一主表面上之肋之間的一流動通道深度在毗鄰於該上升管通道開口處比在遠離該上升管通道開口處大；及(ii)毗鄰於該上升管通道開口之一部分中的該連接板之該第一主表面及一第二主表面中之至少一者上之肋之一高度小於遠離該上升管通道開口之該等相同肋之高度。
  34. 如請求項33之連接板，其中該第一主表面包括該連接板之一燃料側，且該連接板之該燃料側上之肋之間的該流動通道深度在毗鄰於該上升管通道開口處比在遠離該上升管通道開口處大。
  35. 如請求項34之連接板，其中：一凹陷部比該充氣部位於該連接板之該燃料側上之一深度更深地延伸至該連接板中；且該凹陷部包括圍繞該開口彎曲且分離該等肋與該開口的該充氣部之一第一部分及延伸至毗鄰於該開口的該等流動通道之部分中之一第二部分。
  36. 如請求項33之連接板，其中該第一主表面包括該連接板之一燃料側且該第二主表面包括該連接板之一空氣側，且毗鄰於該上升管通道開口之一部分中的該連接板之該燃料側及該空氣側中之至少一者上之肋之該高度小於遠離該上升管通道開口之該等 相同肋之該高度。
  37. 如請求項36之連接板，其中省略或移除圍繞該連接板之空氣側及燃料側兩者上之該開口的該等肋上之尖端。
  38. 如請求項33之連接板，其中該充氣部圍繞該上升管通道開口之圓周延伸至少約90%。
  39. 如請求項33之連接板，其中該充氣部圍繞該上升管通道開口之該整個圓周延伸。
  40. 如請求項33之連接板，其進一步包括環繞該連接板之該第二主表面上之該上升管通道之一平坦表面，該第二主表面與該第一主表面相對，其中該充氣部經定大小及形狀以實質上匹配毗鄰於該上升管通道開口之該平坦表面。
  41. 如請求項33之連接板，其進一步包括在該上升管通道開口中之至少一個切角表面。
  42. 如請求項33之連接板，其中該連接板包括鉻及一鐵，其具有在3%至7%重量之間的一鐵含量。
  43. 一種製作一連接板之方法，其包括：衝壓一金屬粉末以形成一連接板，該連接板具有：一第一側，其包括一燃料分配部分、一燃料收集部分及界定該燃料分配部分與該燃料收集部分之間的一主要燃料流場之第一複數個肋及通道；一燃料入口開口，其在該燃料分配部分中；及一燃料出口開口，其在該燃料收集部分中，其中存在以下各項中之至少一者：(i)該燃料分配部分包括界定一燃料分配流動路徑之至少一個凸起特徵，其中該燃料分配流動路徑與該主要燃料流場中之該等通道不連續；(ii)該燃料分配部分之一表面深度變化以在該燃料分配部 分上提供可變流量限制；(iii)該第一側包括一充氣部，且與該第一側相對的該連接板之一第二側包括與實質上該整個充氣部之位置一致之一凸起浮凸；(iv)該第一側包括圍繞該燃料入口開口及該燃料出口開口中之至少一者之圓周延伸至少約60%之至少一個充氣部，且該連接板之該第一側上之該主要燃料流場中之一流動通道深度在毗鄰於該燃料入口開口及該燃料出口開口中之至少一者處比在遠離該燃料入口開口及該燃料出口開口中之該至少一者處大；且(v)該第一側包括圍繞該燃料入口開口及該燃料出口開口中之至少一者之該圓周延伸至少約60%之至少一個充氣部，且毗鄰於該燃料出口開口及該燃料出口開口中之至少一者之一部分中的該連接板之該第一側及該第二側中之至少一者上之肋之一高度小於遠離該燃料入口開口及該燃料出口開口中之該至少一者之該等相同肋之高度。
  44. 如請求項43之方法，其進一步包括：將該連接板併入至一燃料電池組中。
  45. 一種燃料電池組，其包括：複數個燃料電池；及複數個連接板，其位於該複數個燃料電池之間，其中該等連接板中之每一者包含：一第一側，其包括一燃料分配部分、一燃料收集部分以及界定該燃料分配部分與該燃料收集部分之間的一主要燃料流場之第一複數個肋及通道；一燃料入口開口，其在該燃料分配部分中；及一燃料出口開口，其在該燃料收集部分中，其中存在以下各項中之至少一者： (i)該燃料分配部分包括界定一燃料分配流動路徑之至少一個凸起特徵，其中該燃料分配流動路徑與該主要燃料流場中之該等通道不連續；(ii)該燃料分配部分之一表面深度變化以在該燃料分配部分上提供可變流量限制；(iii)該第一側包括一充氣部，且與該第一側相對的該連接板之一第二側包括與實質上該整個充氣部之位置一致之一凸起浮凸；(iv)該第一側包括圍繞該燃料入口開口及該燃料出口開口中之至少一者之圓周延伸至少約60%之至少一個充氣部，且該連接板之該第一側上之該主要燃料流場中之一流動通道深度在毗鄰於該燃料入口開口及該燃料出口開口中之至少一者處比在遠離該燃料入口開口及該燃料出口開口中之該至少一者處大；且(v)該第一側包括圍繞該燃料入口開口及該燃料出口開口中之至少一者之該圓周延伸至少約60%之至少一個充氣部，且毗鄰於該燃料出口開口及該燃料出口開口中之至少一者之一部分中的該連接板之該第一側及該第二側中之至少一者上之肋之一高度小於遠離該燃料入口開口及該燃料出口開口中之該至少一者之該等相同肋之高度。
  46. 如請求項45之燃料電池組，其中該複數個燃料電池包括固態氧化物燃料電池。
  47. 一種操作操作一燃料電池組之方法，其包括：使燃料自一燃料入口上升管開口沿著由至少一個凸起特徵界定之一燃料分配路徑流動，其中該燃料分配路徑之方向與該燃料入口上升管開口與一燃料出口上升管開口之間的一線之方向 偏離達30°以上；使該燃料自該燃料分配路徑沿著實質上平行於該燃料入口上升管開口與該燃料出口上升管開口之間的該線之一方向流動穿過複數個平行通道，其中該燃料分配路徑與該等平行通道不連續；及使該燃料自該複數個平行通道沿著由至少一個凸起特徵界定之一燃料收集路徑流動且流出該燃料出口上升管開口，其中該燃料收集路徑之方向與該燃料入口上升管開口與該燃料出口上升管開口之間的該線之該方向偏離達30°以上。
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