TW202327157A - 包括應力減輕結構的燃料電池柱 - Google Patents

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Abstract

一種燃料電池柱包括一交替之燃料電池及互連件之堆疊，其中該等互連件將該堆疊中相鄰之燃料電池分隔開且含有燃料及空氣通道，該等燃料及空氣通道經組態以向該等燃料電池提供各別燃料及空氣；一歧管板，其含有位於該歧管板之一底表面中的一底部入口孔及一底部出口孔、在該歧管板之一頂表面之相對側中形成的頂部出口孔及頂部入口孔、將該等頂部出口孔與該底部入口孔流體連通之出口通道及將該等頂部入口孔與該底部出口孔流體連通之入口通道；以及減輕結構，其經組態以減小歸因於該堆疊及該歧管板之間的一形狀不匹配或熱膨脹係數不匹配中之至少一者而施加至該堆疊之應力。

Description

包括應力減輕結構的燃料電池柱
本發明大體係關於燃料電池柱，且係關於包括應力減輕結構之燃料電池柱。
在高溫燃料電池系統中，例如固體氧化物燃料電池(SOFC)系統，氧化流通過燃料電池之陰極側，同時燃料流通過燃料電池之陽極側。氧化流通常為空氣，而燃料流可為烴燃料，例如甲烷、天然氣、戊烷、乙醇或甲醇。燃料電池在750℃及950℃之間之典型溫度下運行，能夠將帶負電荷之氧離子自陰極流輸送至陽極流，在陽極流中，離子與游離氫或烴分子中之氫結合形成水蒸氣及/或與一氧化碳結合形成二氧化碳。來自帶負電荷之離子的多餘電子通過陽極及陰極之間的電路返回至燃料電池之陰極側，導致電流流過該電路。
燃料電池堆疊可在內部或在外部呈歧管式，以用於燃料及空氣。在內部歧管式電池堆疊中，燃料及空氣藉由電池堆疊內所含之立管分配至各電池。換言之，氣體流過各燃料電池之支撐層(例如電解質層)及各電池之氣流分隔器中的開口或孔。在外部歧管式電池堆疊中，電池堆疊在燃料及空氣入口側及出口側敞開，燃料及空氣獨立於電池堆疊硬體引入及收集。例如，入口及出口燃料及空氣在電池堆疊及電池堆疊所在之歧管殼體之間的單獨通道中流動。
燃料電池堆疊通常由平面元件、管或其他幾何形狀之多種電池構成。燃料及空氣必須提供給電化學活性表面，此表面可能很大。燃料電池堆疊之一個部件係氣流分隔器(在平面電池堆疊中稱為氣流分隔板)，其將電池堆疊中之各個電池分隔開來。氣流分隔板將流向電池堆疊中一個電池之燃料電極(亦即，陽極)的燃料(如氫或烴燃料)與流向電池堆疊中相鄰電池之空氣電極(亦即，陰極)的氧化劑(如空氣)分隔開來。通常，氣流分隔板亦用作互連件，此互連件將一個電池之燃料電極電連接至相鄰電池之空氣電極。在此情況下，氣流分隔板用作互連件，並且由導電材料製成或含有導電材料。
根據本發明之各種實施例，一種燃料電池柱包括：交替之燃料電池及互連件之堆疊，其中該互連件將該堆疊中之相鄰燃料電池分隔開，並且含有燃料及空氣通道，該燃料及空氣通道經組態以向該燃料電池提供相應燃料及空氣；歧管板，其含有位於該歧管板之底表面中之底部入口孔及底部出口孔、在該歧管板之頂表面之相對側中形成的頂部出口孔及頂部入口孔、將該頂部出口孔與該底部入口孔流體連通之出口通道及將該頂部入口孔與該底部出口孔流體連通之入口通道；以及減輕結構，其經組態以減小由於該堆疊及該歧管板之間的形狀不匹配或熱膨脹係數不匹配中之至少一者而施加至該堆疊之應力。
將參考附圖詳細描述各個實施例。附圖未必按比例繪製，且旨在說明本發明之各種特徵。只要可能，附圖中便使用相同之元件符號來指示相同或類似之部件。提及特定實例及實施方式係出於說明性目的，而非旨在限制本發明或申請專利範圍之範疇。
在本文中，範圍可以表示為自「約」一個特定值及/或至「約」另一個特定值。當表示此類範圍時，實例包括自該一個特定值及/或至該另一個特定值。類似地，當值藉由使用先行詞「約」或「基本上」表示為近似值時，應理解，特定值形成另一態樣。在一些實施例中，「約X」之值可包括+/-1% X之值。應進一步理解，該範圍中之各範圍之端點相對於另一個端點且獨立於另一個端點均為顯著的。
圖1A係習知燃料電池柱30之透視圖，圖1B係圖1A之電池柱30中包括之一個逆流式固體氧化物燃料電池(SOFC)堆疊20的透視圖，並且圖1C係圖1B之堆疊20之一部分的側視橫截面圖。
參考圖1A及圖1B，柱30可包括一或多個堆疊20、燃料入口導管32、陽極排出導管34，及陽極進料/回流組件36 (例如，陽極分隔板(ASP) 36)。柱30還可包括側擋板38及壓縮組件40。側擋板38可藉由陶瓷連接件39連接至壓縮組件40及底層堆疊部件(未示出)。燃料入口導管32流體地連接至ASP 36且經組態以向各ASP 36提供燃料進料，並且陽極排出導管34流體地連接至ASP 36且經組態以自各ASP 36接收陽極燃料廢料。
ASP 36安置在各堆疊20之間且經組態以向堆疊20提供含有烴燃料之燃料進料且自堆疊20接收陽極燃料廢料。例如，ASP 36可流體地連接至形成於堆疊20中之內部燃料立管孔22，如下文所論述。
參考圖1C，堆疊20包括被互連件10分隔之多個燃料電池1，該互連件亦可以稱為氣流分隔板或雙極板。各燃料電池1包括陰極電極3、固體氧化物電解質5及陽極電極7。
各互連件10使堆疊20中之相鄰燃料電池1電連接。特別地，互連件10可使一個燃料電池1之陽極電極7與相鄰燃料電池1之陰極電極3電連接。圖1C示出下部燃料電池1位於兩個互連件10之間。
各互連件10包括至少部分地界定燃料通道8A及空氣通道8B之肋片12。互連件10可用作氣體-燃料分隔器，其將流向堆疊中之一個電池之燃料電極(亦即，陽極7)的燃料(如烴燃料)與流向堆疊中之相鄰電池之空氣電極(亦即，陰極3)的氧化劑(例如空氣)分隔開來。在堆疊20之任一端，可能存在空氣端板或燃料端板(未示出)，以便將空氣或燃料分別提供至端電極。
圖2A係習知互連件10之空氣側的俯視圖，且圖2B係互連件10之燃料側的俯視圖。參考圖1C及圖2A，空氣側包括空氣通道8B。空氣經空氣通道8B流至相鄰燃料電池1之陰極電極3。特別地，空氣可在如箭頭所示之第一方向A上流過互連件10。
環形密封件23可環繞互連件10之燃料孔22A，以防止燃料與陰極電極接觸。外圍條形密封件24位於互連件10空氣側之外圍部分。密封件23、24可以由玻璃材料形成。外圍部分可呈抬升之平台形式，其不包括肋片或通道。外圍區域之表面可以與肋片12之頂部共平面。
參考圖1C及圖2B，互連件10之燃料側可包括燃料通道8A及燃料歧管28 (例如燃料增壓室)。燃料自一個燃料孔22A經由燃料通道8A流入相鄰歧管28，且流至相鄰燃料電池1之陽極7。多餘燃料可流入另一燃料歧管28中，然後流入相鄰燃料孔22A中。特別地，燃料可在如箭頭所示之第二方向B上流過互連件10。第二方向B可以垂直於第一方向A (參見圖2A)。
框形密封件26安置在互連件10之燃料側之外圍區域上。外圍區域可為抬升之平台，其不包括肋片或通道。外圍區域之表面可以與肋片12之頂部共平面。
相應地，如圖1A、圖1B、圖1C、圖2A及圖2B中所示之習知逆流燃料電池柱可包括複雜之燃料分配系統(燃料軌及陽極分隔板)。另外，內部燃料立管之使用可能需要燃料電池及相應之密封件中存在孔，這會減小其有效面積且可能導致燃料電池1之陶瓷電解質出現裂紋。
燃料歧管28可佔據互連件10之相對較大區域，這會使互連件10與相鄰燃料電池之間之接觸面積減小約10%。燃料歧管28還相對較深，因此燃料歧管28代表著互連件10之相對較薄區域。由於互連件10通常利用粉末冶金壓實製程形成，因此燃料歧管區域之密度可接近互連件材料之理論密度限值。因而，壓實製程中所用之壓實壓力機之行程長度可因高密度燃料歧管區域不能被進一步壓實而受限制。結果，互連件10中在別處達成之密度會因受限於壓實行程而侷限在較低水平。所引起之密度變化可導致表面形狀變化，這會減小互連件10與燃料電池1之間之接觸量且會導致堆疊良率及/或效能降低。
燃料電池系統設計中之另一個重要考慮因素係操作面積效率。最大化燃料利用率係達成操作效率之關鍵因素。燃料利用率係燃料在操作期間消耗之數量相對於遞送給燃料電池之數量的比率。保持燃料電池循環壽命之一個重要因素可為藉由適當地將燃料分配至有效區域中來避免燃料電池有效區域中出現燃料不足。若燃料存在分配不均勻，以致一些流場通道接收到之燃料不足以支援彼通道區域中將發生之電化學反應，則在彼通道相鄰之燃料電池區域中會引起燃料不足。為了更均一地分配燃料，習知互連件設計包括跨流場之通道深度變化。這不僅會使製造製程複雜，而且會需要複雜之計量來準確地量測此等尺度。燃料經由燃料孔及分配歧管分配之路徑會限制各種通道幾何形狀。
消除此類複雜之幾何形狀及燃料歧管之一種可行解決方案係拓寬燃料開口以確保燃料跨燃料流場之分配均一得多。由於燃料歧管之形成係密度發生變化之一個因素，因此消除燃料歧管應該能夠達成更均一之互連件密度及滲透性。因此，需要改良互連件，以便在不使用習知燃料歧管之情況下實現與燃料電池均一之接觸，同時還將燃料均一地分配至燃料電池。
由於擴大燃料電池系統中之熱箱尺寸在整體上受到限制，因此還需要改良互連件設計以最大化燃料利用率及燃料電池有效面積，而不增加熱箱占地面積。
交叉流燃料電池系統
圖3A係根據本發明之各種實施例之燃料電池柱200的透視圖，圖3B係圖3A之柱200之一部分的分解透視圖，圖3C係柱200中包括之互連件400之燃料側的俯視圖，並且圖3D係柱200中包括之燃料電池的示意圖。
參考圖3A至圖3D，燃料電池柱200包括至少一個燃料電池堆疊300，其包括被互連件400 (亦可以稱為氣流分隔板或雙極板)分隔之多個燃料電池310。一或多個柱200可與燃料電池電力產生系統之其他部件(例如一或多個陽極尾氣氧化器、燃料重整器、流體導管及歧管等)熱整合於共用之外殼或「熱箱」中。
互連件400由導電金屬材料製成。例如，互連件400可包含鉻合金，例如Cr-Fe合金。互連件400典型地可利用粉末冶金技術製成，包括衝壓及燒結Cr-Fe粉末(其可為Cr與Fe粉末之混合物，或Cr-Fe合金粉末)以形成所需尺寸及形狀之Cr-Fe互連件(例如「網形」或「近似網形」製程)。典型之鉻合金互連件400包含超過約90重量%鉻，例如約94-96重量% (例如95重量%)鉻。互連件400還可以含有小於約10重量%鐵，例如約4-6重量% (例如5重量%)鐵，可以含有小於約2重量% (例如約零至1重量%)之其他材料，例如釔或氧化釔，以及殘餘或不可避免之雜質。
各燃料電池310可包括固體氧化物電解質312、陽極314及陰極316。在一些實施例中，陽極314及陰極316可印刷於電解質312上。在其他實施例中，可在陽極314與相鄰互連件400之間安置導電層318，例如鎳網。燃料電池310不包括通孔，例如習知燃料電池之燃料孔。因此，燃料電池310避免了可能因此類通孔之存在而產生之裂紋。
柱200中之最上部互連件400及最下部互連件400可為空氣端板或燃料端板中之不同者，包括用於將空氣或燃料分別提供至鄰端燃料電池310之特徵。如本文所用，「互連件」可指位於兩個燃料電池310之間之互連件，或位於堆疊末端且與僅一個燃料電池310緊鄰之端板。由於柱200不包括ASP及其相關聯之端板，因此柱200可以只包括兩個端板。因此，可避免與柱內ASP之使用相關聯之堆疊尺度變化。
柱200可包括側擋板302、燃料增壓室350及壓縮組件306。側擋板302可由陶瓷材料形成並且可安置在燃料電池柱200之相對側上，該燃料電池堆疊含有堆疊之燃料電池310及互連件400。側擋板302可使燃料增壓室350與壓縮組件306連接，以便壓縮組件306能夠向柱200施加壓力。側擋板302可為曲形擋板，各此類擋板覆蓋燃料電池柱200之三個側面之至少一部分。例如，一個擋板可以完全覆蓋柱200之燃料入口立管側且部分地覆蓋堆疊之相鄰前側及背側，而另一擋板完全覆蓋堆疊之燃料出口立管側且部分地覆蓋堆疊之前側及背側之相鄰部分。堆疊前側及背側未被覆蓋之剩餘部分允許空氣流動通過柱200。與僅覆蓋堆疊一側之習知擋板38相比，曲形擋板向穿過堆疊之空氣流動提供改良之控制。燃料增壓室350可以安置在柱200下方並且可以經組態以向柱200提供含氫燃料進料，且可以自柱200接收陽極燃料廢料。燃料增壓室350可以連接至位於燃料增壓室350下方之燃料入口及出口導管320。
各互連件400使柱200中之相鄰燃料電池310電連接。特別地，互連件400可使一個燃料電池310之陽極電極與相鄰燃料電池310之陰極電極電連接。如圖3C中所示，各互連件400可以經組態以沿第一方向A導引空氣，以便空氣可以被提供給相鄰燃料電池310之陰極。各互連件400還可以經組態以沿第二方向F導引燃料，以便燃料可以被提供給相鄰燃料電池310之陽極。方向A與F可以垂直或基本上垂直。因而，互連件400可稱為交叉流互連件。
互連件400可包括延伸穿過互連件400且經組態以用於燃料分配之燃料孔。例如，燃料孔可包括一或多個燃料入口402及一或多個燃料(陽極廢料)出口404，該出口亦可以稱為陽極廢料出口404。燃料入口402及燃料出口404可安置在燃料電池310之周邊之外部。因而，可以形成不含用於燃料流之對應通孔之燃料電池310。燃料入口402之組合長度及/或燃料出口404之組合長度可為互連件400之對應長度(例如在方向A上所取之長度)的至少75%。
在一個實施例中，各互連件400含有被互連件400之頸部412分隔之兩個燃料入口402，如圖3B中所示。然而，可以包括超過兩個燃料入口402，例如被兩個至四個頸部412分隔之三個至五個入口。在一個實施例中，各互連件400含有被互連件400之頸部414分隔之兩個燃料出口404，如圖3B中所示。然而，可包括超過兩個燃料出口404，例如被兩個至四個頸部414分隔之三個至五個出口。
相鄰互連件400之燃料入口402在柱200中可以對準以形成一或多個燃料入口立管403。相鄰互連件400之燃料出口404在柱200中可以對準以形成一或多個燃料出口立管405。燃料入口立管403可經組態以將自燃料增壓室350接收到之燃料分配至燃料電池310。燃料出口立管405可經組態以將自燃料電池310接收到之陽極廢料提供給燃料增壓室350。
不同於圖1A之先前技術扁平側擋板38，側擋板302可圍繞互連件400之邊緣呈曲形。特別地，側擋板302可圍繞互連件400之燃料入口402及燃料出口404安置。因此，側擋板可以更高效地控制空氣經由互連件400之空氣通道流動，該空氣通道暴露於側擋板302之間且結合圖4A及圖4B詳細描述。
在各種實施例中，柱200可包括至少30個、至少40個、至少50個或至少60個燃料電池，僅利用燃料立管403、405便可向該燃料電池提供燃料。換言之，相比於習知燃料電池系統，交叉流組態允許在不需要ASP或外部堆疊燃料歧管(例如圖1A中所示之外部導管32、34)之情況下向許多燃料電池提供燃料。
各互連件400可由導電材料製成或可含有導電材料，例如熱膨脹係數與電池中之固體氧化物電解質之熱膨脹係數類似(例如相差0至10%)的金屬合金(例如鉻鐵合金)。例如，互連件400可包含金屬(例如鉻鐵合金，例如4-6重量%鐵、視情況存在之1重量%或更少之釔及其餘之鉻合金)，並且可使一個燃料電池310之陽極側或燃料側與相鄰燃料電池310之陰極側或空氣側電連接。陽極與各互連件400之間可以設置導電接觸層，例如鎳接觸層(例如鎳網)。陰極電極與各互連件400之間可設置另一個視情況選用之導電接觸層。
在操作時暴露於氧化環境(例如空氣)之互連件400之表面，例如互連件400之面向陰極的一側，可塗有保護塗層以便降低互連件上之氧化鉻表面層之生長速率並且抑制能使燃料電池陰極中毒的鉻蒸氣物質蒸發。典型地，可包含鈣鈦礦(例如錳酸鍶鑭(LSM))之塗層可利用噴塗或浸塗製程形成。替代地，作為LSM之替代或補充，亦可使用其他金屬氧化物塗層，例如尖晶石，例如(Mn, Co) 3O 4尖晶石(MCO)。可以使用具有組成Mn 2-xCo 1+xO 4(0 ≤ x ≤ 1)或寫作z(Mn 3O 4) + (1-z)(Co 3O 4)(其中(1/3 ≤ z ≤ 2/3)或寫作(Mn, Co) 3O 4之任何尖晶石。在其他實施例中，可以使用LSM及MCO之混合層或LSM及MCO層之堆疊作為塗層。
圖4A及圖4B係平面圖，分別示出根據本發明之各種實施例之交叉流互連件400的空氣側及燃料側。參考圖4A，互連件400之空氣側可包括經組態以至少部分地界定空氣通道408之肋片406，該空氣通道經組態以向安置於其上之燃料電池310之陰極提供空氣。互連件400之空氣側可分成包括空氣通道408之空氣流場420，及安置在空氣流場420之兩個相對側的立管密封表面422。一個立管密封表面422可環繞燃料入口402且另一個立管密封表面422可環繞燃料出口404。空氣通道408及肋片406可完全跨互連件400之空氣側延伸，使得空氣通道408及肋片406終止於互連件400之相對周緣。換言之，當組裝成柱200時，空氣通道408及肋片406之相對末端安置在堆疊之相對(例如，前側及背側)外表面上，以允許所吹之空氣流動穿過堆疊。因此，堆疊可針對空氣在外部呈歧管式。
立管密封件424可安置在立管密封表面422上。例如，一個立管密封件424可環繞燃料入口402，且一個立管密封件424可環繞燃料出口404。立管密封件424可阻止燃料及/或陽極廢料進入空氣流場420而與燃料電池310之陰極接觸。立管密封件424之操作還可以阻止燃料自燃料電池堆疊100中洩漏出來(參見圖3A)。
參考圖4B，互連件400之燃料側可包括至少部分地界定燃料通道418之肋片416，該燃料通道經組態以向安置於其上之燃料電池310之陽極提供燃料。互連件400之燃料側可分成包括燃料通道418之燃料流場430，以及環繞燃料流場430及燃料入口402及燃料出口404之周邊密封表面432。肋片416及燃料通道418可在與空氣側通道408及肋片406延伸之方向垂直或基本上垂直之方向上延伸。
框形周邊密封件434可安置在周邊密封表面432上。周邊密封件434可經組態以阻止空氣進入燃料流場430而與相鄰燃料電池310上之陽極接觸。周邊密封件434還可用於阻止燃料離開燃料立管403、405以及自燃料電池柱200中洩漏出來(參見圖3A及圖3B)。
密封件424、434可包含玻璃或陶瓷密封材料。密封材料可具有低電導率。在一些實施例中，可藉由在互連件400上印刷一或多個密封材料層、隨後燒結來形成密封件424、434。
燃料流結構
如圖1A中所示，在習知燃料電池系統中，經由金屬陽極分隔板36向燃料電池堆疊提供燃料及燃料廢料以及自燃料電池堆疊接收燃料及燃料廢料。陽極分隔板36彼此藉由燃料入口導管32及陽極排出導管34流體連通。導管32、34包括與陽極分隔板36焊接且與充當介電絕緣子(dielectric breaks)之陶瓷部件焊接之金屬管。因而，使陽極分隔板36流體連通依賴於昂貴之介電部件及大量之現場焊接。因此，需要更具成本效益之方法向燃料電池堆疊提供燃料以及自燃料電池堆疊接收燃料廢料。
圖5A係根據本發明之各種實施例之燃料流結構500的分解俯視透視圖，並且圖5B係圖5A之燃料流結構500之分解仰視透視圖。參考圖5A及圖5B，燃料流結構500包括燃料導管320及燃料增壓室350。燃料增壓室350可包括密封環354、玻璃或玻璃陶瓷密封件356、底板360、介電層364、蓋板366、密封板370及歧管板380。
燃料增壓室350可經組態以與燃料導管320形成不透流體之連接。燃料導管320可包括經組態以向燃料增壓室350提供燃料之入口導管320A，以及經組態以自燃料增壓室350接收燃料廢料之出口導管320B。燃料導管320可包括金屬管322、金屬波紋管324及介電環326。金屬管322可藉由例如銅焊、焊接或壓合而與波紋管324及介電環326耦接。波紋管324可藉由變形吸收應力而用於補償燃料電池部件之間之熱膨脹係數差異。在替代實施例中，金屬管322自身可包括波紋管或完全由波紋管製成而非與波紋管324耦接，以便金屬管/波紋管322可直接與介電環326耦接。介電環326可作為介電絕緣子操作，以阻止電流藉由燃料導管320導電且阻止安置在燃料增壓室350上之燃料電池堆疊發生電短路。
底板360、介電層364及蓋板366可分別包括入口孔361A、365A、367A及出口孔361B、365B、367B，該孔可為延伸貫穿各別板及層之通孔。底板360可包括經組態以與陶瓷連接件39配合之突起362，如圖1A中所示。底板360及蓋板366可由緻密之介電材料形成。例如，底板360及蓋板366可由基本上無孔之電絕緣陶瓷材料形成，例如氧化鋁、氧化鋯、氧化釔穩定化氧化鋯(YSZ) (例如3%氧化釔穩定化氧化鋯)等。底板360及蓋板366可為經組態以向介電層364提供支撐之剛性板。
在一些實施例中，介電層364可由介電常數高於底板360及/或蓋板366之陶瓷材料之陶瓷材料形成。換言之，介電層364能夠耐受比底板360及蓋板366更高之最大電場而不會電擊穿變得導電(亦即，具有更高之擊穿電壓)。例如，介電層364可由在高溫下高度電絕緣之多孔陶瓷紗或織物之一或多個層形成，例如獲自3M公司之Nextel陶瓷織物編號312、440或610。
在其他實施例中，介電層364可由陶瓷基質複合(CMC)材料或因具有高表面積與體積比而具有高介電強度之任何類似材料形成。CMC可包括例如氧化鋁(例如礬土)、氧化鋯或碳化矽基質。還可選擇其他基質材料。纖維可由礬土、碳、碳化矽或任何其他適合材料製成。在一個實施例中，基質與纖維均可包含礬土。因此，介電層364可經組態以作為介電絕緣子操作以阻止藉由燃料增壓室350導電。
蓋板366及底板360可具有比介電層364更高之密度。例如，蓋板366及/或底板360可由充分緻密之陶瓷材料形成，例如97%至99.5%密度之礬土等。蓋板366經組態以將密封板370與介電層364分隔。因而，蓋板366可經組態以阻止金屬物質自密封板370擴散至介電層364中。例如，蓋板366可減少及/或阻止鉻物質(例如鉻氧化物)自密封板370擴散至介電層364中，以便阻止鉻物質降低介電層364之介電強度及/或以其他方式使介電層364之結構完整性降級。
密封板370及歧管板380可由容易焊接至燃料導管320之金屬或金屬合金(例如不鏽鋼)形成。例如，密封板370及/或歧管板380可由446不鏽鋼等形成。446不鏽鋼包括23至27重量% Cr、1.5重量%或更少之Mn、1重量%或更少之Si、Ni、C、P及/或S中之一或多者，以及其餘之Fe。在一些實施例中，可藉由將多個金屬副板銅焊在一起來形成密封板370及/或歧管板380。在使用金屬副板形成之實施例中，可在銅焊製程之前或之後，切割各塊副板以形成不同結構，例如孔及/或通道。在一些實施例中，可利用雷射切割等來切割此類結構。
密封板370及歧管板380可在一側或兩側(例如至少在板370、380之面向彼此之側面)分別包括塗層372、382。塗層372、382之厚度範圍可為約75 µm至約200 µm，例如約100 µm至約175 µm、約110 µm至約140 µm，或約120 µm。典型地，塗層372、382可包含金屬氧化物材料，例如鈣鈦礦材料，例如錳酸鍶鑭(LSM)。替代地，作為LSM之替代或補充，亦可使用其他金屬氧化物塗層，例如尖晶石，例如(Mn, Co) 3O 4尖晶石(MCO)。可使用具有組成Mn 2-xCo 1+xO 4(0 ≤ x ≤ 1)或寫作z(Mn 3O 4) + (1-z)(Co 3O 4) (其中(1/3 ≤ z ≤ 2/3)或寫作(Mn, Co) 3O 4之任何尖晶石。在其他實施例中，可以使用LSM及MCO之混合層或LSM及MCO層之堆疊作為塗層372、382。塗層372、382可使用噴塗或浸塗製程形成且可塗覆於密封板370及歧管板380之基本上所有外表面上。
密封板370可包括入口孔374A及出口孔374B，該孔可為在其頂表面與底表面之間延伸之通孔。歧管板380可在歧管板380之相對側包括形成於其底表面中之底部入口孔384A及底部出口孔384B以及可形成於其頂表面中之頂部入口孔390A及頂部出口孔390B。儘管顯示了三個頂部入口孔390A及三個頂部出口孔390B，但本發明不限於頂部出口孔390B及頂部入口孔390A之任何特定數目。例如，視相應燃料電池堆疊之互連件400中包括之燃料入口及出口的數量而定，歧管板380可包括兩個、四個、五個或更多個頂部入口孔390A且可包括兩個、四個、五個或更多個頂部出口孔390B。例如，若互連件具有三個入口及三個出口，則歧管板380具有三個入口孔390A及三個出口孔390B。
底板360、介電層364、蓋板366、密封板370及歧管板380可以彼此上下堆疊，以便使入口孔361A、365A、367A、374A、384A對準以形成入口導管通道352A，且使出口孔361B、365B、367B、374B、384B對準以形成出口導管通道352B。可將入口導管320A及出口導管320B分別插入入口導管通道352A及出口導管通道352B中，使得入口導管320A及出口導管320B之末端328可延伸至及/或超過密封板370之頂表面。
圖6A係密封板370之俯視圖，並且圖6B係沿著圖6A之線L3所取之橫截面視圖。參考圖6A及圖6B，在密封板370之頂表面未塗覆塗層372之區域中，可圍繞入口孔374A及出口孔374B分別形成入口密封區域378A及出口密封區域378B。因而，入口密封區域378A及出口密封區域378B可具有等於塗層372厚度之深度D2，例如約120 µm之深度D2。
根據本發明之各種實施例，圖7A係歧管板380之仰視圖，圖7B係沿著圖7A之線L4所取之橫截面視圖，且圖7C係歧管板380之示意俯視圖。參考圖7A至圖7C，可在歧管板380之底表面中形成分別包圍底部入口孔384A及底部出口孔384B之入口凹部386A及出口凹部386B。入口凹部386A及出口凹部386B之深度D3可在約0.5 mm至約6 mm範圍內。
在歧管板380之底表面未塗覆塗層382之區域中，可圍繞入口凹部386A及出口凹部386B分別形成入口密封區域388A及出口密封區域388B。因而，入口密封區域388A及出口密封區域388B可具有等於塗層382厚度之深度D4，例如約120 µm之深度D4。
歧管板380還可以包括內部入口通道392A及出口通道392B。入口通道392A可使底部入口孔384A與相應之頂部入口孔390A流體連通。出口通道392B可使底部出口孔384B與相應之頂部出口孔390B流體連通。入口通道392A可經組態以使得自共用底部入口孔384A向各頂部入口孔390A提供之燃料量基本上相等(例如燃料流量相等)。出口通道392B可經組態以使得自各頂部出口孔390B向共用底部出口孔384B提供之燃料廢料量基本上相等。
另外，歧管板380可包括電接點381。歧管板380可電連接至燃料電池堆疊之底部，且電接點381可自歧管板380向外側延伸且可經組態以提供使歧管板380與電流收集電路連接之連接點。
圖8A係沿著圖5A之線L1所取之豎直橫截面視圖，其示出組裝之燃料增壓室350及入口導管320A，並且圖8B係豎直橫截面視圖或沿著圖5A之線L2，其示出組裝之燃料增壓室350及出口導管320B。
參考圖5A、圖5B、圖8A及圖8B，底板360、介電層364、蓋板366、密封板370及歧管板380彼此上下堆疊，藉此形成入口導管通道352A及出口導管通道352B。入口導管320A可面向底部入口孔384A插入入口導管通道352A中。出口導管320B可面向底部出口孔384B插入出口導管通道352B中。
可在歧管板380之底表面上之入口凹部386A中且圍繞入口導管320A安置第一密封環354A。可在歧管板380之底表面上之出口凹部386B中且圍繞出口導管320B安置第二密封環354B。入口導管320A及出口導管320B可焊接至密封板370。具體言之，焊接製程可包括將第一密封環354A及第二密封環354B焊接至入口導管320A及出口導管320B，以及將第一密封環354A及第二密封環354B焊接至密封板370之表面，以確保在入口導管320A及出口導管320B與密封板370之間形成不透流體之密封。
第一玻璃或玻璃陶瓷密封件356A可安置在密封板370之入口密封區域378A中，並且第二玻璃或玻璃陶瓷密封件356B可安置在歧管板380之入口密封區域388A中。第三玻璃或玻璃陶瓷密封件356C可安置在密封板370之出口密封區域378B中，並且第四玻璃或玻璃陶瓷密封件356D可安置在歧管板380之出口密封區域388B中。然而，在其他實施例中，可使用單個玻璃或玻璃陶瓷密封件。可加熱密封件356A-356D以使密封件356A-356D軟化，使得密封件356A-356D形成不透流體之連接，從而以實體方式使密封板370與歧管板380連接。
入口密封區域378A、388A可重疊形成一個入口密封區域358A，並且出口密封區域378B、388B可重疊形成一個出口密封區域358B。第一密封件356A及第二密封件356B可在入口密封區域358A中彼此上下堆疊，並且第三密封件356C及第四密封件356D可在出口密封區域358B中彼此上下堆疊。塗層372、382可彼此上下堆疊。因而，入口密封區域358A及出口密封區域358B之高度可等於塗層372、382之組合厚度。
入口密封區域358A及出口密封區域358B可向玻璃或玻璃陶瓷密封件356A-356D提供側向膨脹(當加熱至燃料電池系統之操作溫度時)之空間，藉此減小隨時間施加於玻璃或玻璃陶瓷密封件356A-356D之應力。另外，由於密封板370及歧管板380可由相同材料形成，因此密封板370及歧管板380可具有匹配之熱膨脹係數(CTE)。因此，可進一步減小隨時間施加於玻璃或玻璃陶瓷密封件356A-356D之應力。
玻璃或玻璃陶瓷密封件356A-356D可由高溫玻璃或玻璃陶瓷材料形成，例如矽酸鹽或鋁矽酸鹽玻璃或玻璃陶瓷材料。在一些實施例中，玻璃或玻璃陶瓷密封件356A-356D可由包含SiO 2、BaO、CaO、Al 2O 3、K 2O及/或B 2O 3之矽酸鹽玻璃或玻璃陶瓷密封材料形成。例如，以重量計，密封材料可包括：含量在約40%至約60%、例如約45%至約55%範圍內之SiO 2；含量在約10%至約35%、例如約15%至約30%範圍內之BaO；含量在約5%至約20%、例如約7%至約16%範圍內之CaO；含量在約10%至約20%、例如約13%至約15%範圍內之Al 2O 3；以及含量在約0.25%至約7%、例如約0.5%至約5.5%範圍內之B 2O 3。在一些實施例中，密封材料可另外包括含量在約0.5%至約1.5%、例如約0.75%至約1.25%範圍內之K 2O。
在一些實施例中，玻璃或玻璃陶瓷密封件356A-356D可由包含SiO 2、B 2O 3、Al 2O 3、CaO、MgO、La 2O 3、BaO及/或SrO之矽酸鹽玻璃或玻璃陶瓷密封材料形成。例如，以重量計，密封材料可包括：含量在約30%至約60%、例如約35%至約55%範圍內之SiO 2；含量在約0.5%至約15%、例如約1%至約12%範圍內之B 2O 3；含量在約0.5%至約5%、例如約1%至約4%範圍內之Al 2O 3；含量在約2%至約30%、例如約5%至約25%範圍內之CaO；含量在約2%至約25%、例如約5%至約20%範圍內之MgO；以及含量在約2%至約12%、例如約5%至約10%範圍內之La 2O 3。在一些實施例中，密封材料可另外包括含量在約0%至約35%、例如約0%至約30%或約0.5%至約30%範圍內(包括約20%至約30%)之BaO，及/或含量在約0%至約20%、例如約0%至約15%、約0.5%至約15%範圍內(包括約10%至約15%)之SrO。在一些實施例中，密封材料可另外包括非零量(例如至少0.5 wt.%)之BaO及/或SrO中之至少一者，例如非零量(例如至少0.5 wt.%)之BaO及SrO中之兩者。然而，可使用其他適合之密封材料。
當在燃料電池堆疊(例如圖3A至圖3C之燃料電池柱200)中組裝時，頂部入口孔390A可與柱200之互連件400之燃料入口402流體連通，並且頂部出口孔390B可與互連件400之燃料出口404流體連通，如圖4A所示。例如，可在頂部入口孔390A與相鄰互連件400之燃料入口402之間安置玻璃或玻璃陶瓷密封件424，並且可在頂部出口孔390B與相鄰互連件400之燃料出口404之間安置玻璃或玻璃陶瓷密封件424，以便提供不透流體之連接。
儘管上文在各種實施例中描述了固體氧化物燃料電池，但實施例可以包括任何其他燃料電池，例如熔融碳酸鹽、磷酸或PEM燃料電池。
圖9A係根據本發明之各種實施例之燃料電池柱600的簡化分解側視圖。參考圖9A，柱600可包括燃料電池堆疊300、頂部終端板610、密封板370、歧管板380及壓縮組件306。儘管在圖9A中未示出，但是柱600還可包括其他部件，例如擋板302、底板360、介電層364及蓋板366，如圖3A、圖5A及圖5B中所示。
燃料電池堆疊300可包括藉由互連件400分隔開之燃料電池310。燃料電池及互連件400可佈置成圖9A中示出之「偶數」組態，其中堆疊300之燃料電池被佈置為陰極側向上(亦即，互連件400之空氣側面向頂部終端板610，互連件400之燃料側面向歧管板380)。相反，具有「奇數」組態之堆疊包括陽極側向上佈置之燃料電池(亦即，互連件400之燃料側面向頂部終端板610，互連件400中之空氣側面向歧管板380)，如圖12所示。在第一柱600中呈「偶數」組態之第一堆疊300的頂部終端板610可以藉由導電跳線或導線電連接至在橫向相鄰之第二柱600中呈「奇數」組態的第二堆疊300之頂部終端板610。第一及第二柱600之歧管板380可以電連接至系統之相應之正極及負極電端子。
頂部終端板610安置在堆疊300及壓縮組件306之間。頂部終端板610可藉由歧管密封件614接合至堆疊300之最上部互連件400U，該歧管密封件可為環形玻璃或玻璃陶瓷密封件，類似於上文描述之密封件424。頂部終端板610可以藉由與互連件400相同之製程及材料形成。例如，頂部終端板610可由Cr-Fe合金藉由粉末冶金技術形成。
頂部終端板610之頂表面及底表面可以塗覆有保護塗層612，以降低互連件上氧化鉻表面層之生長速率，並抑制對燃料電池陰極可能有害之鉻蒸氣物質的蒸發。塗層612之厚度可以為約40µm至約90µm，例如約50µm至約80µm，或約為65µm。塗層612可包含鈣鈦礦材料，例如錳酸鑭鍶(LSM)。塗層612可以使用浸塗或噴塗製程形成，例如大氣電漿噴塗(「APS」)或熱噴塗。替代地，作為LSM之替代或補充，亦可使用其他金屬氧化物塗層，例如尖晶石，例如(Mn, Co) 3O 4尖晶石(MCO)。可以使用具有組成Mn 2-xCo 1+xO 4(0 ≤ x ≤ 1)或寫作z(Mn 3O 4) + (1-z)(Co 3O 4)(其中(1/3 ≤ z ≤ 2/3)或寫作(Mn, Co) 3O 4之任何尖晶石。在其他實施例中，可以使用LSM及MCO之混合層或LSM及MCO層之堆疊作為塗層612。
保護塗層618可以在堆疊300之最上部互連件400U之頂表面上形成。塗層618可由與頂部終端板610之塗層612相同之材料形成。在一些實施例中，塗層618可藉由APS接觸印刷或形成，並且其厚度可在約10 µm至約50 µm範圍內，例如約20 µm至約40 µm，或約為30 µm。例如，塗層618可具有與頂部終端板610底部上之塗層612相同之面積及周長(亦即，外部水平形狀)，從而可具有與堆疊300之燃料電池相同之面積及周長。
歧管板380可安置在密封板370及堆疊300之間。保護塗層382可在歧管板380之底表面上形成。塗層382可由與頂部終端板610之塗層612相同之材料形成。歧管板380可使用一或多個密封件356連接至密封板370，該密封件可由玻璃或玻璃陶瓷密封材料形成。例如，兩個環形密封件356可以彼此上下堆疊，以密封歧管板380及密封板370之燃料入口及出口孔。在一些實施例中，在進行燒結及壓縮之前，密封件356可為帶澆鑄密封件，厚度在約100 µm至約300 µm範圍內，例如約150 µm至約250 µm，或約為200 µm。在一些實施例中，陶瓷密封件354可以安置在環形密封件356內部，如圖8A及圖8B中所示。
堆疊300之最下部互連件400L可與歧管板380介接。特別地，最下部互連件400L可以藉由外圍密封件634接合至歧管板380。外圍密封件634可為藉由圍繞導電柔性層630之周邊分配綠色玻璃或玻璃陶瓷密封材料形成之框形密封件。綠色密封材料可以例如藉由熱或UV光固化。柔性層630可以由導電柔性金屬材料形成，例如金屬網，如鎳或鎳合金網，並且可經組態以電連接最下部互連件400L及歧管板380。柔性層630在本文中亦可以被稱為「柔性金屬網」或「金屬網」。
在一個實施例中，柔性金屬網可包含Inconel合金，例如Inconel 625鉻鎳鐵合金，其包括20及23 wt.%之間之Cr、8及10 wt.%之間之Mo、3.15及4.15 wt.%之間之Nb+Ta、0及1 wt.%之間之CO，其餘為Ni及背景雜質(例如，分別小於1 wt.%之Al、Ti、C、Fe、Mn、Si、P及/或S)。
柔性金屬網應具有足夠之豎直柔性、電接觸性及在典型負載下之足夠變形，以將堆疊支撐在其彎曲形式。例如，柔性金屬網可包括每毫米1.5至2.5根線(例如，每毫米1.9至2.3根線)，可以具有125及200微米(例如，140及180微米)之間之線粗度，及250及400微米之間(例如，280及350微米之間)之網厚度。
若網太硬(亦即，壓縮性太低)，則可以減少關節(亦即，線彎曲出網平面之線交叉位置)之數量。例如，有些關節可能被有意跳過。例如，每隔一個、每隔兩個、每隔三個等可以跳過一次關節。替代地，可以有意在網之厚度上鑽孔或沖孔，以減少關節之數量。孔之寬度(例如，圓形孔之直徑)可以比網線之間的間隔大至少四倍。孔可以具有任何合適之形狀(例如，圓形、矩形、不規則形狀等)。孔可以在網平面中以規則或不規則之間隔隔開。例如，孔可以佔據網總面積之10%至30%。
柱600可包括燃料入口歧管601A及燃料出口歧管601B，它們延伸穿過在密封板370、歧管板380及堆疊300中形成之開口。頂部終端板610可包括連接歧管601A、601B之通道。
出於低成本、可製造性(例如，容易及焊接)以及諸如抗氧化性及斷裂韌性之類的所需材料特性之原因，歧管板380可由446合金不鏽鋼製成。出於低成本、臨界特性(例如，流道橫截面積)之最小變化以及熱膨脹係數(CTE)與燃料電池電解質之精確匹配的原因，互連件400可以藉由經由粉末冶金(PM)製程壓縮例如Cr-Fe合金之類之金屬合金形成。
歧管板380之CTE可接近互連件400之CTE。但是，在一些實施例中，CTE可能不是精確匹配的。因此，在熱循環(例如，關閉/重啟)期間，由於歧管板380及位於靠近歧管板380之堆疊300底部處之互連件400之間的熱膨脹速率不同，熱應力可在歧管板380及堆疊300之間累積。此熱應力可導致外圍密封件634斷裂，或更不利地導致相鄰互連件400之間之密封件破裂，或導致堆疊300底部之一個燃料電池310破裂。
此外，歧管板380及互連件400之形狀(或「拱度」)可能不匹配。另外，歧管板380之拱度在製造後可為基本上平坦的，但是在溫度下會隨時間變化，並且此類變化可能受到許多因素之影響，包括材料蠕變、互連件400之形狀、壓縮負載及歧管板400之內部結構。互連件400之拱度在製造後可為非零的，並且亦會隨時間變化，受與歧管板380相同之因素以及燃料流之氫及水含量之影響。互連件400及歧管板380之拱度之差異亦可能導致密封件及/或燃料電池破裂/損壞。此類形狀不匹配還可能導致堆疊300底部之電池310內之電接觸不均勻，這可能導致電池效能差，及/或與歧管板380接觸不良，從而導致終端板或集電器處之電阻損耗。對歧管板380進行整形可能複雜且昂貴，並且可能無法顧及所有互連件400之形狀。
因此，各種實施例可包括一種經組態以減小歸因於堆疊300及歧管板380之間的形狀不匹配及/或熱膨脹係數不匹配而施加至堆疊300之應力之減輕結構。減輕結構還可經組態以減少堆疊300及歧管板380之間之電氣斷開。
例如，在一些實施例中，外圍密封件634之厚度(亦即，高度)可以增加至大於柱600中其他密封件之厚度(例如，厚於堆疊300內側之密封件)。不希望受特定理論之束縛，人們認為，密封件應力隨密封件厚度之變化而變化。若外圍密封件634係柱600中最厚之密封件，則外圍密封件634應該會第一個因為施加至柱600之熱應力而斷裂。因此，外圍密封件634之破裂可以減輕熱應力，並阻止損壞相鄰燃料電池310及/或堆疊300內側之密封件。
在各種實施例中，外圍密封件634可由柔性密封材料形成，例如蛭石、雲母或玻璃雲母材料，此材料可以呈含有嵌入陶瓷晶體之非晶玻璃基質之玻璃陶瓷組態。此柔性密封材料可允許最下部互連件400L及歧管板380之間之膨脹速率不同，由此阻止或減小熱應力累積。
在其他實施例中，柔性層630之厚度可以增加以補償熱應力。例如，柔性層630可由網形成，其中線粗度在約80 µm至約200 µm 範圍內，例如約100 µm至約150 µm。較厚之柔性層630與較厚之外圍密封件634結合使用，該外圍密封件圍繞柔性層630，因此具有與柔性層630大致相同之厚度。因此，外圍密封件634之厚度可在約80 µm至約200 µm之範圍內，例如約100 µm至約150 µm。在一個實施例中，外圍密封件634可包含具有經分配密封壩之UV可固化密封材料。
在一些實施例中，視情況選用之凹部383可以形成在歧管板380之頂表面中，以至少部分地適應厚度增加之柔性層630。特別地，凹部383之深度可為約100 µm至約150 µm，例如約為120 µm。柔性層630可以至少部分地位於凹部383中。
在各種實施例中，視情況選用之高溫摩擦塗層616可以沈積在歧管板380之頂表面及/或最下部互連件400L之底表面上。摩擦塗層616可經組態以減小歧管板及最下部互連件400L之間的摩擦，從而在熱膨脹期間可以提供更小摩擦之滑動，由此進一步減小堆疊300上之應力。例如，摩擦塗層616可為緻密且平滑之塗層，包含電絕緣陶瓷材料，如氧化鋁、氧化鋯、YSZ等等，抑或為鬆散粉末塗層，包含鈣鈦礦材料，如錳酸鍶鑭(LSM)。
因此，柱600可包括經組態以減小歸因於堆疊300及歧管板380之間的形狀不匹配及/或熱膨脹係數不匹配而施加至堆疊300之應力之減輕結構。減輕結構還可經組態以減少堆疊300及歧管板380之間之電氣斷開。減輕結構可包括柔性層630、外圍密封件634及/或摩擦塗層616，它們經組態以減小施加至柱600之熱應力。
圖9B係根據本發明之各種實施例之燃料電池柱600'的簡化分解側視圖。圖9C係可用於圖9B中示出之柱600'之捲曲導電網的實例之照片。燃料電池柱600'係圖9A之柱600之經修改版本。因此，將僅詳細討論它們之間之差異。
參考圖9B及圖9C，柱600'可包括線網631作為將堆疊300電連接至歧管板380之柔性層。網631可由彎曲成波浪圖案(例如，如圖9C所示之人字形波浪圖案)之線形成。網631可經捲曲以產生可控高度之峰及谷，以控制線網631之厚度。例如，網631之厚度可為約1 mm至約20 mm，例如約1 mm至約10 mm。
在一個實施例中，捲曲網631可由純鎳以外之材料形成，以提供改良之豎直柔性及抗氧化性。因此，在一些實施例中，網631可由金屬合金形成，例如上述Inconel 625、446不鏽鋼、Inconel 600、Hastelloy X、Crofer 22等等。Inconel 600合金可包括14至17重量%之鉻、6至10重量%之鐵、視情況1重量%或更少之Mn、Cu、Si、C及/或S，以及至少約72重量%(亦即，餘量)之鎳。Hastelloy X合金可包括約22重量%之鉻、約18重量%之鐵、約9重量%之鉬、1至2原子%之鈷、視情況1重量%或更少之W、C、Mn、Si、B、Nb、Al及/或Ti，及至少約47重量%(亦即，餘量)之鎳。Crofer 22合金可包括約20至24重量%之鉻、0.3至0.8重量%之錳、0.03至0.2重量%之鈦、0.04至0.2重量%之鑭、視情況1重量%或更少之C、S、Si、Cu、P及/或Al，及至少73重量%(亦即，餘量)之鐵。
在一些實施例中，網631可以例如藉由電阻焊接固定至歧管板380。特別地，網631可以沿著焊接線WL焊接，該焊接線沿著網631中網631接觸歧管板380之谷延伸。將網631焊接至歧管板380藉由形成彈簧狀結構來增強網在負載下之彈性，此允許網631更好地調整歧管板380及堆疊300之間由拱度引起之間隙之變化。例如，堆疊300之功率輸出之變化及/或堆疊300內之還原及氧化過程可能導致間隙的變化。然而，當間隙發生變化時，網631之彈簧類作用允許網631保持與歧管板380及堆疊300接觸並支撐歧管板380及堆疊300。如此，網631可經組態以用作彈簧，以在各種操作條件下保持電接觸並減少堆疊300之電池破裂之可能性。
圖10A係根據本發明之各種實施例之燃料電池柱602的簡化分解側視圖。圖10B係圖10A之底部終端板620之一個非限制性實施例的仰視圖。柱602可類似於柱600。因此，將僅詳細討論它們之間之差異。
參考圖10A及圖10B，柱602可另外包括安置在堆疊300及歧管板380之間(例如，在柔性層630下方)之底部終端板620。底部終端板620可經組態以藉由實體地分隔堆疊300與歧管板380來充當應力緩衝器。底部終端板620還可改良與堆疊300之電接觸，從而減小電阻損耗。
底部終端板620可由例如Cr-Fe合金藉由粉末冶金製程形成。Cr-Fe合金可包含4至6重量%之鐵及94至96重量%之鉻。替代地，底部終端板620可由另一高溫金屬合金形成，例如Inconel 625、不鏽鋼446、Haynes合金(例如，以鎳及鉻為主之合金)、包含22至24重量%之Cr及至少70重量%之鐵之ZMG232L鐵鉻合金，等等。保護塗層622可以在底部終端板620之底表面上形成，及/或保護塗層616可以在歧管板380之頂表面上形成。保護塗層622可以藉由與保護塗層612相同之方法形成，並使用相同材料。在一些實施例中，保護塗層622之厚度可為約40 µm至約90 µm，例如約50 µm至約80 µm，或約為65 µm。底部終端板620還可包括經組態以與歧管板380之對應燃料入口及出口孔流體連通之燃料入口及出口開口624。在一些實施例中，底部終端板620可包括電接點628。
在一些實施例中，作為保護塗層622之補充或代替，可以使用摩擦塗層616。例如，電絕緣陶瓷材料，如氧化鋁、氧化鋯、氧化釔穩定氧化鋯(YSZ) (例如，3%氧化釔穩定氧化鋯)等等。
在一些實施例中，底部終端板620可經組態以用作實體地分隔堆疊300及歧管板380之緩衝層。特別地，底部終端板620可經組態以減輕堆疊300及歧管板380之間之熱應力。例如，如圖10B中所示，底部終端板620可包含至少一個柔性板621，其可以切割、刻劃或分割以形成能夠易於改變拱度之浮凸結構(例如，切口或凹槽) 626。例如，浮凸結構626可完全地或部分地延伸通過底部終端板620。浮凸結構(例如，凹槽) 626可以在底部終端板620中接觸堆疊300之部分中或在其相鄰處形成。在一些實施例中，底部終端板620可由藉由浮凸結構(例如，切口)彼此橫向分隔之多個經堆疊柔性板621形成，例如1至5個堆疊之浮凸結構板。在其他實施例中，歧管板380可經組態以用作緩衝層。特別地，歧管板380可包括柔性板621中之一或多者。
柱602可包括經堆疊環形密封件636，其經組態以密封底部終端板620之燃料入口及出口開口624及歧管板380之對應入口及出口開口。密封件636可由玻璃或玻璃陶瓷材料形成，並且在進行燒結及壓縮之前，其厚度可為約100 µm至約300 µm，例如約150 µm至約250 µm，或約為200 µm。保護塗層622可在底部終端板620中接觸密封件636之部分中省略。
因此，柱602可包括減輕結構，其經組態以減小歸因於堆疊300及歧管板380之間的形狀不匹配及/或熱膨脹係數不匹配而施加至堆疊300之應力。減輕結構還可經組態以減少堆疊300及歧管板380之間之電氣斷開。減輕結構可包括柔性層630、外圍密封件634、密封件636及/或底部終端板620。
圖11係根據本發明之各種實施例之燃料電池柱604的簡化分解側視圖。柱604可類似於柱602。因此，將僅詳細討論它們之間之差異。
參考圖11，柱604可包括多個導電柔性層，例如第一柔性層630A及第二柔性層630B。柔性層630A、630B可由相應之導電金屬網形成，例如鎳網。
在一些實施例中，第一柔性層630A及第二柔性層630B可以藉由分隔器644彼此豎直地分隔開，該分隔器可由例如金屬片或箔形成。例如，分隔器644可由Inconel 625、446不鏽鋼、Haynes合金、ZMG232L合金或其他合適之高溫合金形成。不希望受特定理論之束縛，人們認為，由鎳網形成之第一柔性層630A及第二柔性層630B可以進行壓縮，並且在柱604之不同區域中之厚度可以減小至不同尺寸，由此可以維持整個區域上之電接觸及壓縮力。此變形之最大範圍可決定能夠容納之最大曲率不匹配。柔性層630A、630B之變形可取決於各種因素，包括線粗度、金屬之氧化態、施加之壓縮力及/或其他因素。此外，堆疊第一柔性層630A及第二柔性層630B而不具有分隔器644可能不會增加總體之柔性，此係因為第一柔性層630A及第二柔性層630B之網線可能交錯，從而實際上形成具有雙倍線密度及經減小厚度之柔性層。
因此，利用分隔器644分隔該兩個柔性層630A、630B可以有效地使柔性加倍。多個柔性層630A、630B及分隔器644可以此類方式堆疊以獲得更高之柔性。分隔器644可為連續層，或者可經切割或分裂成2、4或更多片以提高柔性。在一些實施例中，分隔器644可包括通孔。
第一柔性層630A可被第一外圍密封件634A包圍，第二柔性層62BA可被第二外圍密封件634B包圍。密封件634A、634B可由安置在歧管板380周邊之上之玻璃或玻璃陶瓷材料形成。密封件634A、634B可具有「8字形」水平組態，含有周邊及密封壩。
在一些實施例中，柱604可包括位於堆疊300中之兩個最底部互連件之間之虛設固體氧化物燃料電池。虛設固體氧化物燃料電池可與堆疊300中具有陶瓷電解質之其餘固體氧化物燃料電池310相同，但虛設固體氧化物燃料電池被連接該兩個最底部互連件之點焊跳線或電接點(未示出)電氣地繞過。因此，若虛設固體氧化物燃料電池由於CTE不匹配及/或拱度破裂，則其將不會增加柱604之電阻，此係因為破裂之虛設電池在柱604中被電氣地繞過。
在其他實施例中，柱604可包括一或多個視情況選用之虛設互連件640，它們類似於堆疊之互連件400，但是不向燃料電池310提供燃料或空氣。虛設互連件640可為藉由粉末冶金形成之Cr-Fe合金互連件。
在又其他實施例中，虛設互連件640可由導電高溫金屬合金形成，例如Inconel 625、SS446、Haynes合金、ZMG232L合金等等。在此情況下，虛設互連件640可具有燃料電池之形狀，並且位於堆疊300之兩個最底部互連件400之間，以代替堆疊300中之最底部固體氧化物燃料電池。虛設互連件640使堆疊300中之兩個最底部互連件400電短路。虛設互連件640之空氣側可包括保護塗層642。特別地，保護塗層642可經組態以減少虛設互連件640之空氣側之氧化。在一些實施例中，保護塗層642可為藉由APS等等施加之LSM及/或MCO塗層。特別地，相比於陶瓷虛設互連件，金屬虛設互連件640可提供改良之對斷裂及/或燃料洩漏之抵抗性。
在各種實施例中，歧管板380可包括凹部383，用於至少部分地容納柔性層630A、630B及/或分隔器644。特別地，凹部383之深度可為約100 µm至約150 µm，例如約120 µm。
因此，柱604可包括減輕結構，其經組態以減小歸因於堆疊300及歧管板380之間的形狀不匹配及/或熱膨脹係數不匹配而施加至堆疊300之應力。減輕結構還可經組態以減少堆疊300及歧管板380之間之電氣斷開。減輕結構可包括第一柔性層630A、第二柔性層630B、第一外圍密封件634A、第二外圍密封件634B及/或虛設互連件640或虛設燃料電池。
圖12係根據本發明之各種實施例之燃料電池柱606的簡化分解側視圖。柱606可類似於柱600。因此，將僅詳細討論它們之間之差異。
參考圖12，柱606之燃料電池堆疊300可呈奇數組態(而非圖9之柱600中呈偶數組態之堆疊300)。因此，最下部互連件400L之空氣側可面向歧管板380。導電柔性層630及外圍密封件634可以安置在頂部終端板610及堆疊300之最上部互連件400U之間。
保護塗層612可以在頂部終端板610之上部表面上形成，並且可以視情況在頂部終端板610之面向堆疊300的底表面中省略。第二保護塗層618可以在堆疊300之最下部互連件400L之底表面上形成。塗層618可由與頂部終端板610之塗層612相同之材料形成。在一些實施例中，塗層618可藉由接觸印刷形成，並且其厚度可為約10 µm至約50 µm，例如約20 µm至約40 µm，或約為30 µm。例如，塗層618可具有與堆疊300之燃料電池310相同之面積及周長。
如上文關於圖5A所描述，保護塗層382可以安置在歧管板380之頂表面及底表面上。在歧管板380之頂表面上，塗層382可具有與塗層618相同之形狀及面積。塗層382可以藉由與塗層612相同之方法及材料形成。例如，塗層382可由藉由APS施加之LSM形成。堆疊300可以藉由環形歧管密封件614連接至歧管板380。塗層382可在歧管板380中接觸歧管密封件614之部分中省略。
在一些實施例中，塗層382之厚度可以增加，使得塗層382用作減輕結構。例如，塗層382之厚度可為約100 µm至約550 µm，例如約120 µm至約480 µm，或至少約240 µm (例如，240至480 µm)。
圖13係根據本發明之各種實施例之燃料電池柱608的簡化分解側視圖。柱608可類似於柱604。因此，將僅詳細討論它們之間之差異。
參考圖13，柱608之燃料電池堆疊300可呈奇數組態，而非呈圖11中示出之偶數組態。因此，最下部互連件400L之空氣側可面向歧管板380。柱608可包括第一柔性層630A、第二柔性層630B、第一外圍密封件634A、第二外圍密封件634B及位於柔性層630A及630B之間之分隔器644。
柱608可包括將柔性層630A、630B與堆疊300分隔開之底部終端板620。特別地，底部終端板620可經組態以阻止柔性層630A、630B暴露於流動通過堆疊300之氧，以便阻止柔性層630A、630B發生氧化。底部終端板620可由導電高溫金屬合金形成，例如Inconel 625、不鏽鋼446、Haynes合金、ZMG232L合金等等。在一些實施例中，底部終端板620可包括點焊跳線(未示出)。在其他實施例中，底部終端板620可為虛設互連件，類似於藉由粉末冶金形成之位於堆疊300中之鉻鐵合金互連件400。在又其他實施例中，底部終端板620可由含有浮凸結構626之一或多個柔性板621形成，如圖10B中所示。
保護塗層622可以在底部終端板620之頂表面上形成，其中底部終端板620暴露於空氣。保護塗層622可類似於保護塗層612。例如，塗層622可由藉由APS施加之LSM形成。
在各種實施例中，任一歧管板380之頂表面可以加工有額外凹部或凹穴383，以形成用於密封件及/或柔性層630A及/或630B之額外空間。例如，深度為80 µm至約160 µm、例如約100 µm至約140 µm之凹部可以在歧管板380之頂部中形成。
在各種實施例中，上文描述之任一歧管板380可包括浮凸結構，類似於圖10B中示出之浮凸結構626。例如，任一歧管板380可含有凹槽，或者可由藉由浮凸結構(例如，切口)橫向地分隔開之兩個或更多個板形成，以便促進歧管板380之膨脹及收縮，並由此減小施加至對應燃料電池310之熱應力。
因此，柱606包括減輕結構，其經組態以減小歸因於堆疊300及歧管板380之間的形狀不匹配及/或熱膨脹係數不匹配而施加至堆疊300之應力。減輕結構還可經組態以減少堆疊300及歧管板380之間之電氣斷開。減輕結構可包括密封件614、634A、634B、柔性層630A、630B、分隔器644、底部終端板620及/或塗層622。
在各種實施例中，燃料電池堆疊300之一或多個導電層318 (參見圖3A、圖3D)之厚度可以增加，以提供增加之柔順度。例如，最底部燃料電池310及堆疊之最底部兩個互連件400中之至少一者之間的導電層318 (例如，鎳網)可以增加到至少80 µm，例如約100 µm至約160 µm，以吸收熱應力並阻止對堆疊300之損壞。因此，底部兩個互連件之間之鎳網可厚於堆疊300的其餘部分中位於其餘互連件400及燃料電池310之間之鎳網。因此，在一個實施例中，金屬網位於堆疊300中之互連件400及燃料電池310之間。在此實施例中，減輕結構包含位於堆疊中最底部燃料電池及兩個最底部互連件中之至少一者之間的底部金屬網，其中底部金屬網之厚度大於堆疊300中之其他金屬網。
圖14A係根據本發明之各種實施例之燃料電池柱609的簡化分解側視圖。圖14B係可用於圖14A中示出之柱609之導電網的照片。燃料電池柱609類似於圖12之柱606。因此，將僅詳細討論它們之間之差異。
參考圖14A及圖14B，柱609可包括線網631作為將堆疊300電連接至歧管板380之柔性層。網631可由彎曲成波浪圖案(例如，如圖14B所示之人字形波浪圖案)之線形成。網631可經捲曲以產生可控高度之峰及谷，以控制線網631之厚度。例如，網631之厚度可為約1 mm至約20 mm，例如約1 mm至約10 mm。
如上文所描述，這個網631可由純鎳以外之材料形成。網631可由金屬合金形成，例如Inconel 625、不鏽鋼446、Inconel 600、Hastelloy X、Crofer 22等等。
在一些實施例中，網631可以例如藉由電阻焊接固定至歧管板380。特別地，網631可以沿著焊接線WL直接焊接至歧管板380之無塗層平坦表面，該焊接線沿著網631中網631接觸歧管板380之谷延伸。將網631焊接至歧管板380藉由形成彈簧狀結構來增強網在負載下之彈性，此允許網631更好地調整歧管板380及堆疊300之間由拱度引起之間隙之變化。例如，堆疊300之功率輸出之變化及/或堆疊300內之還原及氧化過程可能導致間隙的變化。然而，當間隙發生變化時，網631之彈簧類作用允許網631保持與歧管板380及堆疊300接觸並支撐歧管板380及堆疊300。如此，網631可經組態以用作彈簧，以在各種操作條件下保持電接觸並減少堆疊300之電池破裂之可能性。
在各種實施例中，如上文關於圖9A所描述，外圍密封件634可以視情況圍繞網631施加，以便限制網631之空氣暴露及/或氧化。
在一些實施例中，還可在堆疊300之頂部處代替柔性層630而使用網631。例如，網631可以焊接至頂部終端板610。在其他實施例中，網631可以安置在堆疊300之頂部及終端板610之間，呈圖9A至圖11中所示之偶數組態，或代替本文揭示之任一柔性層630。
本文揭示之歧管板、塗層及/或柔性層可保護燃料電池堆疊不會因為歧管板及對應燃料電池堆疊之間的CTE變化而損壞。
前述方法描述僅作為說明性實例提供且不希望需要或暗示各種實施例之步驟必須按所展示之次序來執行。如熟習此項技術者將瞭解，前述實施例中之步驟次序可以任何次序進行。例如「隨後」、「然後」、「接下來」等字語不一定旨在限制步驟之次序；此等字語可用於在整個方法描述中引導讀者。另外，以單數形式對請求項元件之任何提及(例如使用冠詞「一(a/an)」或「該(the)」)不應被解釋為將該元件限於單數。此外，本文所描述之任何實施例之任何步驟或部件可在任何其他實施例中使用。
所揭示態樣之以上描述係為了使熟習此項技術者能夠實施或使用本發明而提供。對此等態樣之各種修改對熟習此項技術者而言將為顯而易見的，且在不脫離本發明之範疇之情況下，本文中所定義之一般原理可應用於其他態樣。因此，本發明不希望侷限於本文中所示之各態樣，而是希望被賦予與本文中所揭示之原理及新穎特徵一致之最寬範疇。
1,310:燃料電池 3:陰極電極 5,312:固體氧化物電解質 7:陽極電極 8A,418:燃料通道 8B,408:空氣通道 10,400:互連件 12,406,416:肋片 20:逆流式固體氧化物燃料電池堆疊 22:內部燃料立管孔 22A:燃料孔 23:環形密封件 24:外圍條形密封件 26:框形密封件 28:燃料歧管 30,200,600,600',602,604,606,608,609:燃料電池柱 32:燃料入口導管 34:陽極排出導管 36:陽極進料/回流組件/陽極分隔板 38,302:側擋板 39:陶瓷連接件 40,306:壓縮組件 300:燃料電池堆疊 314:陽極 316:陰極 318:導電層 320:燃料入口及出口導管 320A:入口導管 320B:出口導管 322:金屬管 324:金屬波紋管 326:介電環 328:末端 350:燃料增壓室 352A:入口導管通道 352B:出口導管通道 354:密封環/陶瓷密封件 354A:第一密封環 354B:第二密封環 356:玻璃或玻璃陶瓷密封件/環形密封件 356A:第一玻璃或玻璃陶瓷密封件 356B:第二玻璃或玻璃陶瓷密封件 356C:第三玻璃或玻璃陶瓷密封件 356D:第四玻璃或玻璃陶瓷密封件 360:底板 361A,365A,367A,374A:入口孔 361B,365B,367B,374B:出口孔 362:突起 364:介電層 366:蓋板 370:密封板 372,382,618:塗層 358A,378A,388A:入口密封區域 358B,378B,388B:出口密封區域 380:歧管板 381,628:電接點 383:凹部/凹穴 384A:底部入口孔 384B:底部出口孔 386A:入口凹部 386B:出口凹部 390A:頂部入口孔 390B:頂部出口孔 392A:內部入口通道 392B:出口通道 400L:最下部互連件 400U:最上部互連件 402:燃料入口 403:燃料入口立管 404:燃料出口/陽極廢料出口 405:燃料出口立管 412,414:頸部 420:空氣流場 422:立管密封表面 424:立管密封件/玻璃或玻璃陶瓷密封件 430:燃料流場 432:周邊密封表面 434:框形周邊密封件 500:燃料流結構 601A:燃料入口歧管 601B:燃料出口歧管 610:頂部終端板 612,622,642:保護塗層 614:歧管密封件 616:高溫摩擦塗層 620:底部終端板 621:柔性板 624:燃料入口及出口開口 626:浮凸結構 630:導電柔性層 630A:第一柔性層 630B:第二柔性層 631:線網/捲曲網 634:外圍密封件 634A:第一外圍密封件 634B:第二外圍密封件 636:經堆疊環形密封件 640:虛設互連件 644:分隔器 A:第一方向 B,F:第二方向 D2,D3,D4:深度 L1,L2,L3,L4:線 WL:焊接線
併入本文並且構成本說明書之一部分之附圖示出本發明之示例實施例，並且與上文給出之總體描述及下文給出之詳細描述一起用於解釋本發明的特徵。 圖1A係習知燃料電池柱之透視圖，圖1B係圖1A之電池柱中包括之一個逆流式固體氧化物燃料電池(SOFC)堆疊的透視圖，並且圖1C係圖1B之堆疊之一部分的側視橫截面圖。 圖2A係圖1B之堆疊之習知互連件的空氣側之俯視圖，並且圖2B係習知互連件之燃料側之俯視圖。 圖3A係根據本發明之各種實施例的燃料電池堆疊之透視圖，圖3B係圖3A之堆疊之一部分的分解透視圖，圖3C係圖3A之堆疊中包括之互連件的燃料側之俯視圖，並且圖3D係圖3A之堆疊中包括之燃料電池的示意圖。 圖4A及圖4B係平面圖，分別示出根據本發明之各種實施例之圖3C的交叉流互連件之空氣側及燃料側。 圖5A係根據本發明之各種實施例之燃料流結構的分解俯視透視圖，並且圖5B係圖5A之燃料流結構的分解仰視透視圖。 圖6A係圖5A及圖5B之密封板之俯視圖，並且圖6B係沿著圖6A之線L3所取的橫截面視圖。 圖7A係圖5A及圖5B之歧管板的仰視圖，圖7B係沿著圖7A之線L4所取之橫截面視圖，並且圖7C係圖7A之歧管板的示意俯視圖。 圖8A係沿著圖5A之線L1所取之豎直橫截面視圖，其示出組裝之燃料增壓室及入口導管，並且圖8B係豎直橫截面視圖或沿著圖5A之線L2，其示出組裝之燃料增壓室及出口導管。 圖9A係根據本發明之各種實施例之燃料電池柱的簡化分解側視圖，圖9B係圖9A之燃料電池柱之經修改版本的簡化分解側視圖，並且圖9C係圖9B之導電網之實例的照片。 圖10A係根據本發明之各種實施例之燃料電池柱的簡化分解側視圖，並且圖10B係圖10A之底部終端板之一個實施例的仰視圖。 圖11至圖13係根據本發明之各種實施例之燃料電池柱的簡化分解側視圖。 圖14A係根據本發明之各種實施例之燃料電池柱的簡化分解側視圖，並且圖14B係圖14A之導電網之實例的照片。
300:燃料電池堆疊
306:壓縮組件
310:燃料電池
356:玻璃或玻璃陶瓷密封件/環形密封件
370:密封板
380:歧管板
382,618:塗層
400:互連件
400L:最下部互連件
400U:最上部互連件
600':燃料電池柱
601A:燃料入口歧管
601B:燃料出口歧管
610:頂部終端板
612:保護塗層
614:歧管密封件
616:高溫摩擦塗層
631:線網/捲曲網
634:外圍密封件

Claims (29)

  1. 一種燃料電池柱，其包含： 一交替之燃料電池及互連件之堆疊，其中該等互連件將該堆疊中相鄰之燃料電池分隔開，並且含有燃料及空氣通道，該燃料及空氣通道經組態以向該等燃料電池提供各別燃料及空氣； 一歧管板，其包含位於該歧管板之一底表面中的一底部入口孔及一底部出口孔、在該歧管板之一頂表面之相對側中形成的頂部出口孔及頂部入口孔、將該等頂部出口孔與該底部入口孔流體連通之出口通道及將該等頂部入口孔與該底部出口孔流體連通之入口通道；以及 一減輕結構，其經組態以減小歸因於該堆疊及該歧管板之間的一形狀不匹配或熱膨脹係數不匹配中之至少一者而施加至該堆疊之應力。
  2. 如請求項1之燃料電池柱，其中該減輕結構包含安置在該堆疊及該歧管板之間的一柔性金屬網，該金屬網之一厚度為至少80 µm。
  3. 如請求項2之燃料電池柱，其中： 該金屬網安置在位於該歧管板之頂表面中的一凹部中；或 該金屬網焊接至該歧管板之該頂表面。
  4. 如請求項2之燃料電池柱，其進一步包含一外圍密封件，該外圍密封件環繞該金屬網且安置在該堆疊及該歧管板之間。
  5. 如請求項4之燃料電池柱，其中： 該減輕結構進一步包含安置在該歧管板及該堆疊之間的一底部終端板；以及 該金屬網及該外圍密封件安置在該底部終端板之一頂側上。
  6. 如請求項5之燃料電池柱，其進一步包含安置在該底部終端板之一底側上的一保護塗層，該保護塗層包含一鈣鈦礦材料、一尖晶石材料或其一組合。
  7. 如請求項5之燃料電池柱，其中該底部終端板包含至少一個浮凸板，該浮凸板包含其中切割或雕刻之浮凸結構。
  8. 如請求項4之燃料電池柱，其中該減輕結構進一步包含該外圍密封件，該外圍密封件包含一柔性蛭石、雲母或一玻璃雲母密封材料。
  9. 如請求項5之燃料電池柱，其中該減輕結構進一步包含一高溫摩擦塗層，其經組態以減小該堆疊及該底部終端板之間的摩擦，並且其中該摩擦塗層包含一電絕緣陶瓷材料層或包含一鈣鈦礦材料之一粉末塗層。
  10. 如請求項5之燃料電池柱，其中： 該減輕結構進一步包含安置在該歧管板及該堆疊之間的一虛設互連件；且 該金屬網及該外圍密封件安置在該虛設互連件及該歧管板之間。
  11. 如請求項1之燃料電池柱，其中該減輕結構包含位於該堆疊中之兩個最底部互連件之間且在該柱中被電氣地繞過之一虛設固體氧化物燃料電池。
  12. 如請求項1之燃料電池柱，其中該減輕結構包含位於該堆疊中之兩個最底部互連件之間且使該兩個最底部互連件電短路之一虛設金屬或金屬合金互連件。
  13. 如請求項1之燃料電池柱，其中該減輕結構包含： 位於該堆疊及該歧管板之間之一柔性第一金屬網及一柔性第二金屬網； 位於該等第一及第二金屬網之間之包含一金屬片或箔之一分隔器； 包含一玻璃或玻璃陶瓷材料且環繞該第一金屬網之一第一外圍密封件；以及 包含一玻璃或玻璃陶瓷材料且環繞該第二金屬網之一第二外圍密封件。
  14. 如請求項13之燃料電池柱，其中該等第一及第二金屬網中之至少一者安置在形成於該歧管板之該頂表面中的一凹部中。
  15. 如請求項13之燃料電池柱，其進一步包含： 安置在該堆疊與該等第一及第二金屬網之間之一底部終端板；以及 安置在該底部終端板之一頂側上之一保護塗層，該保護塗層包含一鈣鈦礦材料、一尖晶石材料或其一組合。
  16. 如請求項13之燃料電池柱，其中該等第一及第二網及網分隔器具有與該等燃料電池相同之面積及周長。
  17. 如請求項1之燃料電池柱，其中該減輕結構包含安置在該歧管板之該頂表面上的一保護塗層，該保護塗層具有與該等燃料電池相同之面積及周長，且具有在約120 µm至約480 µm範圍內之一厚度。
  18. 如請求項16之燃料電池柱，其進一步包含歧管密封件，該歧管密封件包含一玻璃或玻璃陶瓷材料且經組態以密封該歧管板至該堆疊之對應入口及出口孔的該等入口及出口孔。
  19. 如請求項1之燃料電池柱，其中： 該歧管板包含不鏽鋼；且 該等互連件包含一Cr-Fe合金。
  20. 如請求項1之燃料電池柱，其中該減輕結構包含該歧管板之一浮凸板部分，該浮凸板包含其中切割或雕刻之浮凸結構。
  21. 如請求項1之燃料電池柱，其進一步包含安置在該歧管板及該堆疊之間的一底部終端板，其中該減輕結構包含在該底部終端板中切割或雕刻而成之浮凸結構。
  22. 如請求項1之燃料電池柱，其中該減輕結構包含安置在該堆疊及該歧管板之間的一外圍密封件，該外圍密封件包含一柔性蛭石、雲母或一玻璃雲母密封材料。
  23. 如請求項1之燃料電池柱，其中該減輕結構包含一高溫摩擦塗層，其經組態以減小該堆疊及該底部終端板之間的摩擦，並且其中該摩擦塗層包含一電絕緣陶瓷材料層或包含一鈣鈦礦材料之一粉末塗層。
  24. 如請求項1之燃料電池柱，其中該減輕結構包含安置在該歧管板及該堆疊之間的一虛設互連件。
  25. 如請求項1之燃料電池柱，其進一步包含位於該堆疊中之該等互連件及該等燃料電池之間的金屬網，其中該減輕結構包含位於該堆疊中之該最底部燃料電池及兩個最底部互連件中之至少一者之間的一底部金屬網，其中該底部金屬網之一厚度大於該堆疊中之其他金屬網。
  26. 如請求項2之燃料電池柱，其中該柔性金屬網包含一鎳或鎳合金網，其每毫米含有1.5至2.5根線，一線粗度在125及200微米之間，且網厚度在250及400微米之間。
  27. 如請求項2之燃料電池柱，其中該柔性金屬網中之至少一些關節被跳過。
  28. 如請求項2之燃料電池柱，其中： 穿過該柔性金屬網之一厚度形成孔，以減少該柔性金屬網中之一關節數量，且 該等孔之一寬度至少比該柔性金屬網之線之間的間隔大四倍。
  29. 如請求項2之燃料電池柱，其中該柔性金屬網彎曲成包括峰及谷，使得該柔性金屬網充當一彈簧，並且其中該谷焊接至該歧管板之一頂表面。
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