TWI781187B - 燃料電池堆疊總成 - Google Patents

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Abstract

本發明有關一種改良燃料電池堆疊總成，其包含至少一燃料電池堆疊裝在其上的金屬底板與金屬端板，各個堆疊包含含有至少一燃料電池及至少一電絕緣壓縮墊圈的至少一燃料電池堆疊層，其中，裙件附接至圍封該堆疊的底板及端板且於其間是在張力下以便維持通過該堆疊的壓縮力，藉此免除繫桿的需要。

Description

燃料電池堆疊總成
本發明有關改良式燃料電池堆疊總成配置，更特別的是，有關一種燃料電池堆疊壓縮配置及其形成方法。
燃料電池、燃料電池堆疊、燃料電池堆疊總成和熱交換器系統、配置及方法的教導為本技藝一般技術人員所習知，特別是包括在世界專利第WO02/35628號、第WO03/07582號、第WO2004/089848號、第WO2005/078843號、第WO2006/079800號、第WO2006/106334號、第WO2007/085863號、第WO2007/110587號、第WO2008/001119號、第WO2008/003976號、第WO2008/015461號、第WO2008/053213號、第WO2008/104760號、第WO2008/132493號、第WO2009/090419號、第WO2010/020797號、第WO2010/061190號、第WO2015/004419號、第WO2015/136295號、第WO2016/124929號、第WO2016/124928號、第WO2016/128721及第WO2016/083780號中的的教導。本文所引用的所有出版物及其引文全部併入本文作為參考資料。必要時，在以上出版物中可找到使用於本文的用語定義。特別是，本發明旨在改善揭露於世界專利第WO2015/136295號的系統及方法。
在設計SOFC(固態氧化物燃料電池)堆疊時會遭遇機械、電氣及熱設計的重大挑戰，因為為了電氣連接、氣體密封且在組裝、運動及運作中經歷重大熱循環時維持結構整體性，這些堆疊需要處於壓縮狀態，且需要在運作使用壽命期間維持整體性。
金屬支撐型固態氧化物燃料電池堆疊總成通常包含金屬底板，裝在底板上的至少一固態氧化物燃料電池堆疊，金屬端板，各個至少一燃料電池堆疊經配置成可裝在該底板與該端板之間，且(各個至少一燃料電池堆疊)包含至少一燃料電池堆疊層，各個至少一燃料電池堆疊層包含至少一燃料電池與至少一電絕緣壓縮墊圈。
各個至少一燃料電池通常包含支撐在金屬基板上的陽極、電解質與陰極層。
金屬支撐型固態氧化物燃料電池(SOFC)堆疊總成的此類固態氧化物燃料電池組件常利用從底板延伸穿過至少一燃料電池堆疊之導孔且穿過端板而在此用鎖定螺帽固定的多支繫桿(tie-bar)保持處於壓縮狀態。
由於繫桿鄰近導孔的邊緣(亦即，鄰近界定至少一燃料電池堆疊之導孔的金屬組件的邊緣)，需要小心的設計方案，因為當組件在包含蒸氣、已反應及未反應碳氫化合物及空氣的潛在混合氣氛中高溫膨脹時，繫桿、堆疊之間有短路風險。
在燃料電池堆疊總成的製造期間，組裝桿(assembly bar，其直徑大於繫桿)插穿至少一燃料電池堆疊的導孔以在第一次組裝堆疊時達成燃料電池的對齊。組裝桿隨後被移除且換成直徑小於組裝桿的繫桿。然後，在至少一燃料電池堆疊的頂端添加端板，且壓縮裝置用來壓縮燃料電池堆疊總成。在燃料電池堆疊總成被壓縮下，接著添加鎖定螺帽。然後，移除堆疊的壓縮負荷，留下繫桿以維持堆疊壓縮。壓縮負荷在燃料電池堆疊工作溫度範圍內的維持可能是個挑戰，這取決於必要的壓縮負荷，燃料電池堆疊層的個數，從而繫桿長度，以及製成繫桿的適當材料。讓繫桿有的不同設計以用於不同的堆疊設計可能會增加複雜度及成本。
本發明旨在改善先前技術及/或針對、克服或減輕先前技術缺點中之至少一者。
根據本發明，提供一種形成金屬支撐型固態氧化物燃料電池堆疊總成之方法其包含下列步驟： (a) 組裝： (i) 一金屬底板； (ii) 裝在該底板上的至少一燃料電池堆疊；與 (iii) 一金屬端板； 各個至少一燃料電池堆疊經配置成可裝在該底板與該端板之間，且包含至少一燃料電池堆疊層，各個至少一燃料電池堆疊層包含至少一燃料電池與至少一電絕緣壓縮墊圈， (b) 使用一壓縮裝置施加通過該至少一燃料電池堆疊的一壓縮力； (c) 使一裙件附接至該底板及該端板且於其間以圍封該堆疊；與 (d) 移除該壓縮裝置，藉此通過該裙件中的張力來維持在該至少一燃料電池堆疊上的該壓縮負荷。
藉由通過該裙件中的張力來維持在該至少一燃料電池堆疊上的壓縮負荷，存在繫桿的需要被移除。繫桿的移除導致燃料電池堆疊總成的熱質量減少，接著這可提高燃料電池堆疊總成的效能，特別是，可減少使該至少一燃料電池直到工作溫度所需的能量，亦即，可減少到達操作溫度所花費的時間。接著，這可提供燃料電池堆疊總成的工作效率。這也導致簡化製程，簡化組件，且減少最終產品發生短路的風險。
較佳地，該壓縮力施加至該底板及該端板。施加通過該底板及該端板的壓縮力為較佳。
較佳地，在該壓縮裝置被移除時，該裙件對於該底板及該端板且於其間是在張力下以維持在該至少一燃料電池堆疊上的壓縮負荷。
藉由該至少一燃料電池堆疊中沒有用於繫桿的導孔，可增加陽極、電解質及陰極層可放在其上之金屬基板的可用表面積，亦即，該至少一燃料電池可具有較大的表面積且因此可增加電力輸出。
較佳地，該裙件為一金屬裙件。如下述，該(金屬)裙件可用焊接法附接至該底板及該端板。
較佳地，該裙件有大於該至少一燃料電池堆疊之熱膨脹係數的熱膨脹係數，該固態氧化物燃料電池堆疊總成另外包含位在該底板與該端板之間的至少一膨脹板(expansion plate)，該至少一膨脹板有大於該裙件的熱膨脹係數。
在某些具體實施例中，該燃料電池堆疊總成包含複數個膨脹板。
較佳地，該熱膨脹係數為(亦即，經測量或界定為)線性熱膨脹係數(而不是面積膨脹或容積膨脹)。
在習知金屬支撐型固態氧化物燃料電池堆疊總成中，該金屬支撐型固態氧化物燃料電池堆疊總成在高溫下運作會造成組件部件膨脹。繫桿通常為金屬構造且有比該至少一燃料電池堆疊之其他組件大的熱膨脹係數(CTE)，特別是電絕緣壓縮墊圈。在此類總成中，CTE有差異的結果是，在工作條件下(通常為450至800℃，約450至650℃更常見)，該燃料電池堆疊總成發生膨脹，導致該至少一燃料電池堆疊上的壓縮力由於繫桿相對於該燃料電池堆疊總成之其他組件有較大膨脹而減少，特別是該至少一固態氧化物燃料電池堆疊。即使壓縮力小量減少，也可能造成損失氣體密封以及燃料電池堆疊組件之間的導電性降低，特別是燃料電池堆疊層與毗鄰組件(例如，其他燃料電池堆疊層，或取電頭(power take-off))。接著，這可減少該至少一燃料電池堆疊的工作效率，且最終可能導致該至少一燃料電池堆疊失效。
該裙件附接至該底板及端板，從而該底板及端板的熱膨脹也影響作用於該至少一燃料電池堆疊的壓縮力。較佳地，該至少一膨脹板的熱膨脹係數大於該底板的熱膨脹係數及該端板的熱膨脹係數。較佳地，該裙件的CTE大於該底板、該至少一燃料電池堆疊及該端板的總CTE(也被稱為它們的「總CTE」或「該底板、該至少一燃料電池堆疊及該端板的CTE」)。更佳地，在引用該底板、該至少一燃料電池堆疊及該端板的總CTE時，合成CTE為該底板、該端板及該至少一燃料電池堆疊之長度(或相對長度)的函數。此外，較佳地，在該底板及端板的長度(或相對長度)用來判定該底板、該至少一燃料電池堆疊及該端板的總CTE時，該底板及該端板的長度確定為該底板及端板從該底板或端板接近該至少一燃料電池堆疊的一端到該裙件與該底板或端板之附接點的長度。
較佳地，膨脹板位在該端板與毗鄰燃料電池堆疊層之間。在某些具體實施例中，只有一個膨脹板。在其他具體實施例中，有多個膨脹板，例如位在該底板與毗鄰燃料電池堆疊層之間的第一膨脹板，與位在該端板與毗鄰燃料電池堆疊層之間的第二膨脹板。在某些具體實施例中，該燃料電池堆疊總成包含(按次序)一端板、一壓縮板、一電絕緣壓縮墊圈、與該至少一燃料電池堆疊。
在某些具體實施例中，至少一膨脹板位在燃料電池堆疊層之間，例如在該燃料電池堆疊總成的中心、中央或中間區。
較佳地，該熱膨脹係數為沿著界定於該底板與該端板之間之軸線且垂直於該底板之一般平面與該端板之一般平面的線性熱膨脹係數。
較佳地，該裙件沿著界定於該底板與該端板之間之縱向(膨脹的縱向)且垂直於該底板之一般平面及該端板之一般平面膨脹。較佳地，此一膨脹界定該裙件沿著膨脹縱向的放大長度。較佳地，該至少一膨脹板界定沿著膨脹縱向的放大長度。較佳地，該至少一膨脹板沿著放大方向的放大長度補償該裙件沿著該放大方向的放大長度。較佳地，該補償是在450至650℃的溫度。相較於該至少一燃料電池堆疊的放大長度(或該底板、該至少一燃料電池堆疊及該端板的放大長度)，該補償是該裙件之放大長度的至少50%為較佳。該補償至少為60、70、80、90或95%更佳。
較佳地，至少一膨脹板位在第一及第二毗鄰固態氧化物燃料電池堆疊層之間。
較佳地，至少一膨脹板經定位成可附接至該金屬端板。
因此，該裙件的膨脹用該至少一膨脹板的膨脹補償，接著，這確保壓縮負荷在該至少一燃料電池堆疊上可維持，接著有助於維持氣體密封與燃料電池堆疊組件之間的導電性，特別是毗鄰燃料電池堆疊層之間的。
在習知總成中，使用繫桿來維持堆疊壓縮負荷(從而燃料電池堆疊對準)對於有許多層的堆疊或較大的主動區燃料電池變得更加明顯，在此堆疊的壓縮負荷或高度(亦即，堆疊從底板量到端板的長度)意謂繫桿的直徑及長度變得在堆疊總成及壓縮負荷應用基礎上難以管理。
因此，藉由(a)移除燃料電池堆疊總成的繫桿與(b)包含至少一膨脹板，燃料電池堆疊總成的總效能及使用壽命會增加。
較佳地，至少一燃料電池堆疊用該裙件中之張力來維持的壓縮負荷是墊圈密封負荷，亦即，足以維持各個至少一電絕緣壓縮墊圈與毗鄰組件之間的氣密，亦即，電流燃料電池堆疊層與毗鄰組件，例如另一燃料電池堆疊層，或取電板(power take off plate，也被稱為「集電器」或「端極柱」)。
較佳地，各個燃料電池堆疊層包含有至少一燃料電池、金屬間隔件層、與金屬互連板裝在其上的金屬基板。較佳地，各個至少一燃料電池包含陽極、電解質與陰極層。較佳地，界定從氧化劑入口到排出氧化劑出口的氧化劑流徑(亦即，流體流徑)，且界定從燃料入口到排出燃料出口的燃料流徑(亦即，流體流徑)。較佳地，各個燃料電池包含(按次序)金屬互連板、金屬間隔件層、金屬基板，與裝在該金屬基板上的陽極、電解質及陰極層。
較佳地，從燃料入口到排出燃料出口的燃料流徑被內部歧管化，亦即，歧管化於至少一燃料電池堆疊內。較佳地，從氧化劑入口到排出氧化劑出口的氧化劑流徑被外部歧管化，亦即，歧管化於至少一燃料電池堆疊外。對至少一燃料電池堆疊而言為外部歧管且對燃料電池堆疊總成而言為內部歧管更佳。在底板、端板、裙件及至少一燃料電池堆疊之間界定一容積為更佳。此一容積可視為氧化劑歧管化容積(oxidant manifolding volume)。
如下文所詳述的，在包含複數個此類燃料電池堆疊層的燃料電池堆疊中，第一層的至少一電絕緣壓縮墊圈夾在第一層的金屬基板與毗鄰第二燃料電池堆疊層的金屬互連板之間。
該至少一燃料電池堆疊的壓縮負荷至少有0.5 kN為較佳。
較佳地，各個至少一電絕緣壓縮墊圈上的壓縮負荷在室溫及室壓(RTP)至少有15 MPa/平方厘米(亦即，15 MPa*cm^-2)。更佳地，在RTP的壓縮負荷至少有25 kN，至少30 kN為更佳，在30至40 kN之間更佳，在30至35 kN之間更佳。
在步驟(a)(組裝步驟)，使用例如按照如世界專利第WO2015/136295號之先前技術出版物的習知方法來組裝燃料電池堆疊，但是沒有繫桿。
較佳地，步驟(a)進一步包含：插入位在該至少一燃料電池堆疊的外表面與該裙件的毗鄰內表面之間的至少一電絕緣墊圈(例如，雲母墊圈)。這是特別可取的具體實施例，其中從氧化劑入口到排出氧化劑出口的氧化劑流徑被外部歧管化。
較佳的電絕緣壓縮墊圈材料是蛭石(vermiculite)，Thermiculite更佳，Thermiculite 866更佳。較佳的電絕緣墊圈材料是雲母。
較佳地，在步驟(b)，使用壓縮裝置施加通過底板、端板及至少一燃料電池堆疊的壓縮力。因此，當在步驟(a)組裝底板、至少一燃料電池堆疊及端板之後，接著可施加壓縮力。
較佳地，該裙件包含複數個裙件區段。更佳地，該裙件包含第一及第二裙件區段。各個裙件區段最好有大體U形的橫截面且是與該大體U形橫截面垂直的長形，亦即，呈拱形或圓頂形，更特別的是，筒形拱頂狀。最好該大體U形橫截面的形狀經製作成可收容組成金屬底板、至少一燃料電池堆疊及金屬端板的一部份，亦即，與其互補，亦即，金屬底板、至少一燃料電池堆疊及金屬端板中之每一者的一部份。
因此，就縱向界定於該底板及該端板之間來說，各個至少一燃料電池堆疊層與該縱向垂直地延伸，且各裙件區段的U形橫截面垂直於該縱向。
因此，該第一裙件區段附接至該底板及該端板(且於其間)，同樣該第二裙件區段附接至該底板及該端板(且於其間)。
因此，在該底板、該端板及該裙件(它是有單一裙件區段或複數個裙件區段的裙件)之間界定該至少一燃料電池堆疊包含在其中的一容積。因此，該裙件包圍該至少一燃料電池堆疊。
該裙件最好用焊接法附接至該底板及該端板。較佳地，該焊接為填角焊接(fillet welding)，更特別的是，鎢極惰氣焊接法(TIG welding)。也可執行其他類型的焊接，例如雷射搭疊焊接(laser lap welding)及銅焊。
在該裙件包含複數個裙件區段時，該等裙件區段最好焊在一起。再說，最好該焊接為填角焊接。使用鎢極惰氣焊接法執行該焊接(例如，填角焊接)為更佳。也可執行其他類型的焊接，例如雷射搭疊焊接及銅焊。該裙件(或各個裙件區段)可由在縱向(亦即，垂直於各裙件區段之U形橫截面)的不同區段及材料構成。可針對成本及/或CTE設計理由來選擇此類區段及材料。
在某些具體實施例中，組裝步驟(a)包含：組裝至少兩個燃料電池堆疊。背對背成對地組裝有適當定位之取電頭(端極柱)的燃料電池堆疊為較佳。
因此，例如，在一具體實施例中提供第一及第二燃料電池堆疊，其中，各個燃料電池堆疊層包含單一燃料電池，該等燃料電池堆疊背對背地配置。因此，該燃料電池堆疊總成包含(按次序)底板、第一燃料電池堆疊、第二燃料電池堆疊(取向與第一燃料電池堆疊相反)、與端板。藉由以背對背的方式配置第一及第二燃料電池堆疊，在第一及第二燃料電池堆疊之間可提供單一正取電板，以及在第一燃料電池堆疊毗鄰底板的末端可提供第一負取電板，且在第二燃料電池堆疊毗鄰端板的末端可提供第二負取電板。
燃料電池堆疊總成包含許多個別燃料電池堆疊的此一背對背組態(參考，例如具體實施例3)致能該等燃料電池堆疊中之每一個以小於包含相同燃料電池堆疊層總個數之單一燃料電池堆疊之電壓及/或電力輸出的確定電壓(及/或電力輸出)運作。特別是，這在提供並聯電氣配置且約束(亦即，限制)電壓(相較於串聯配置)和提高電力輸出(相較於串聯配置)很有用。以此方式，有可能有效地將各個以等於或小於例如60V運作的許多燃料電池堆疊封裝成單一燃料電池堆疊總成。例如，這在法規及設計準則對超過60V之電壓位準提出附加要求的汽車應用特別有用。例如，此一燃料電池堆疊總成可具有48V的輸出電壓。
在另一具體實施例中提供單一燃料電池堆疊，各個燃料電池堆疊層包含第一及第二燃料電池。
在另一具體實施例中提供第一及第二燃料電池堆疊，各個燃料電池堆疊層包含第一及第二燃料電池。
在另一具體實施例中，提供第一、第二、第三及第四燃料電池堆疊。更佳地，此一配置中的各個燃料電池堆疊層包含第一及第二燃料電池。
較佳地，此一配置包含兩對燃料電池堆疊，第一及第二燃料電池堆疊形成第一對，且第三及第四燃料電池堆疊形成第二對。正取電板設在第一及第二燃料電池堆疊之間，且附加正取電板設在第三及第四燃料電池堆疊之間。負取電板設在第一及第二對燃料電池堆疊之間，亦即，在第二及第三燃料電池堆疊之間。
該底板及該端板與該至少一燃料電池堆疊電氣隔離或絕緣為較佳。較佳地，電絕緣壓縮墊圈(例如，Thermiculite 866)位在該底板與該至少一燃料電池堆疊之間，且電絕緣壓縮墊圈位在該端板與該至少一燃料電池堆疊之間。
根據本發明，進一步提供一種形成金屬支撐型固態氧化物燃料電池堆疊總成之方法，其包含下列步驟： (a) 組裝： (i) 一金屬底板； (ii) 裝在該底板上的至少一燃料電池堆疊；與 (iii) 一金屬端板； 各個至少一燃料電池堆疊經配置成可裝在該底板與該端板之間，且包含至少一燃料電池堆疊層，各個至少一燃料電池堆疊層包含至少一燃料電池與至少一電絕緣壓縮墊圈， (b) 施加通過該至少一燃料電池堆疊的一第一壓縮力； (c) 使一裙件附接至該底板及該端板且於其間以圍封該至少一燃料電池堆疊；與 (d) 移除該第一壓縮力，藉此通過該裙件中的張力來維持在該至少一燃料電池堆疊上的一壓縮負荷(例如，第二壓縮力)。
根據本發明，也提供一種根據本發明方法製成的燃料電池堆疊總成。
根據本發明，也提供一種金屬支撐型固態氧化物燃料電池堆疊總成，其包含： (i) 一金屬底板； (ii) 裝在該底板上的至少一燃料電池堆疊；與 (iii) 一金屬端板； 各個至少一燃料電池堆疊經配置成可裝在該底板與該端板之間，且包含至少一燃料電池堆疊層，各個至少一燃料電池堆疊層包含至少一燃料電池與至少一電絕緣壓縮墊圈， 其特徵在於：一裙件附接至該底板及該端板且於其間以圍封該至少一燃料電池堆疊以及對於該底板及該端板且於其間是在張力下以維持通過該至少一燃料電池堆疊的一壓縮力。
除非上下文另有所指，本發明方法的方面及特徵同樣應用於該產品，反之亦然。
關於藉由用本發明方法形成/製造金屬支撐型固態氧化物燃料電池堆疊總成來維持的壓縮力，壓縮力在製程期間施加，且在最終產品中，裙件(附接至底板及端板且於其間)維持通過至少一燃料電池堆疊的該壓縮力。
因此，較佳地，該裙件有大於該至少一燃料電池堆疊之熱膨脹係數的熱膨脹係數，該固態氧化物燃料電池堆疊總成另外包含位在該底板與該端板之間的至少一膨脹板，該至少一膨脹板有大於該裙件的熱膨脹係數。較佳地，該裙件有大於該底板及該端板的CTE。較佳地，該裙件有大於該底板、該至少一燃料電池堆疊及該端板之總CTE的CTE。
較佳地，至少一膨脹板與該底板或該端板接觸或與其附接。較佳地，膨脹板與該端板接觸或與其附接。
因此，較佳地，該金屬支撐型固態氧化物燃料電池堆疊總成進一步包含：位在該至少一燃料電池堆疊的外表面與該裙件的毗鄰內表面之間的至少一電絕緣墊圈。
較佳地，各個至少一燃料電池堆疊與端極柱(取電頭)電氣接觸，且其中，該底板及該端板與該至少一燃料電池堆疊電隔離。因此，例如，在第一具體實施例中提供第一及第二燃料電池堆疊，其中，各個燃料電池堆疊層包含單一燃料電池，該等燃料電池堆疊背對背地配置。因此，該燃料電池堆疊總成包含(按次序)底板、第一燃料電池堆疊、第二燃料電池堆疊(取向與第一燃料電池堆疊相反)、與端板。藉由以背對背的方式配置第一及第二燃料電池堆疊，在第一及第二燃料電池堆疊之間可提供單一正取電板，以及在第一燃料電池堆疊毗鄰底板的末端可提供第一負取電板，且在第二燃料電池堆疊毗鄰端板的末端可提供第二負取電板。較佳地，位在底板、至少一燃料電池堆疊之間和位在端板、至少一燃料電池堆疊之間的電絕緣壓縮墊圈提供底板及端板與至少一燃料電池堆疊的電氣隔離。
除非上下文另有所指，用語「包含」及類似者應被解釋為意指包容性，而非意指窮舉性，亦即，意指「包括但不限於」。該等用語包括不存在其他組件的具體實施例。
「排出氧化劑出口」及流經它的氧化劑也可稱為「陰極廢氣」。同樣，「排出燃料出口」及流經它的排出燃料可稱為「陽極廢氣」。
在隨附獨立項中提出本發明的特別及較佳方面。來自附屬項之特徵的組合按需要且適當時可與獨立項的特徵組合，而不僅為明示於請求項中的。
以下各圖圖示處於垂直取向的燃料電池堆疊總成。同樣可應用例如水平取向的其他取向。
在特定具體實施例的末尾給出元件符號表。重覆使用於本專利說明書及附圖的元件符號旨在表示相同或類似的特徵或元件。 具體實施例1
在此具體實施例中，如圖1所示，固態氧化物燃料電池堆疊總成10包含燃料電池堆疊30裝在其上的金屬底板20，與金屬端板40。燃料電池堆疊30包含複數個燃料電池堆疊層50。
負取電板140位在底板20、燃料電池堆疊30之間，且正取電板150位在燃料電池堆疊30、端板40之間。
Thermiculite墊圈160(由Thermiculite 866製成；電絕緣壓縮墊圈)位在負取電板140、底板20之間。附加Thermiculite墊圈160位在正取電板150、端板40之間。
如圖2所示，各個燃料電池堆疊層50包含金屬間隔件70裝在其上的金屬互連板60，與金屬基板80。
金屬基板80有雷射鑽成的穿孔(多孔)區91、92，與各自沉積於多孔區91、92上面的第一及第二燃料電池101、102。
各個燃料電池101、102包含(各自)沉積於多孔區91、92上面的陽極層，沉積於陽極層上面的電解質層，與沉積於電解質層上面的陰極層。
如圖9及圖10所示，金屬互連板60的形狀經製作成可界定燃料流動孔口61、62。金屬間隔件70的形狀經製作成可界定燃料流動孔口71、72。金屬基板80的形狀經製作成可界定燃料流動孔口81、82。金屬間隔件70的形狀經進一步製作成可界定燃料流動空間73，且在燃料流動孔口71、72、燃料流動空間73之間界定開孔71a及72a。
用夾在金屬互連板60與金屬基板80之間的金屬間隔件70，因而在金屬互連板60的第一(內)表面63，金屬基板80的第一(內)表面83及金屬間隔件70之間界定對應至燃料流動空間73的燃料流動空隙74。金屬互連板60的第一(內)表面63有朝向金屬基板80之第一(內)表面83延伸的波紋。這些波紋用來輔助流體在燃料流動空隙74內的流動且在燃料電池堆疊30在壓縮負荷下時維持燃料流動空隙74。
燃料電池101、102沉積於金屬基板80的第二(外)表面84上。
Thermiculite墊圈(電絕緣壓縮墊圈)110位在金屬基板80在燃料流動孔口81、82四周的第二(外)表面84上。
各個燃料電池堆疊層50因此界定燃料流徑(流體流徑)於燃料流動孔口61、71、81、開孔71a、燃料流動空間73、開孔72a及燃料流動孔口62、72、82之間。
孔口61、71、71a及81為燃料入口孔口/開孔，且界定燃料電池堆疊層50的燃料入口與燃料電池堆疊層50的燃料入口側(或末端)。孔口62、72、72a及82為排出燃料出口孔口/開孔，且界定燃料電池堆疊層50的排出燃料出口與燃料電池堆疊層50的排出燃料出口側(或末端)。
圖9中的細虛線箭頭700圖示燃料流體流徑。圖9中的粗虛線710圖示氧化劑(空氣)流體流徑。
金屬互連板60的第二(外)表面64包含複數條向外延伸波紋65。在燃料電池堆疊層50堆疊在一起時，第一燃料電池堆疊層的金屬互連板60接觸Thermiculite墊圈110以及(經由向外延伸波紋65)接觸第一燃料電池101及第二燃料電池102的陰極層。Thermiculite墊圈110及向外延伸波紋65的配置產生界定在第一燃料電池堆疊層50的金屬互連板60與毗鄰第二燃料電池堆疊層50的金屬基板80之間的氧化劑流徑。此氧化劑流徑被外部歧管化。因此，各個燃料電池堆疊層50有外部歧管化的氧化劑入口及出口。
在燃料電池堆疊30經配置成可裝在金屬底板20與金屬端板40之間時，壓縮裝置600(圖12)用來施加壓縮力於在金屬底板20、金屬端板40之間的燃料電池堆疊30上，亦即，它們被壓縮裝置600壓縮。然後，放置雲母墊圈120(電絕緣墊圈)於燃料電池堆疊20的側面。然後，放置第一裙件半部131與第二裙件半部132於底板20(圖13)、燃料電池堆疊總成30、端板40及雲母墊圈120四周。然後，第一裙件半部131與第二裙件半部132使用鎢極惰氣焊接法在焊接點190填角焊接至金屬底板20及金屬端板40。然後，第一裙件半部131與第二裙件半部132填角焊接在一起以界定裙件130。因此，在底板20、端板40及裙件130之間界定包含燃料電池堆疊30於其內的一容積。
壓縮裝置600經配置成它可在金屬底板20及金屬端板40的邊緣四周(亦即，在周邊四周)施加壓縮力以便減少或最小化燃料電池堆疊層50的彎曲(bowing)。在第一裙件半部131及第二裙件半部132焊接至金屬底板20及金屬端板40(亦即，焊接於金屬底板20及金屬端板40四周)下，邊緣四周的壓縮在壓縮裝置600移除時可維持。
壓縮裝置600隨後被移除(圖14)，且通過裙件130中的張力來維持燃料電池堆疊30上的壓縮負荷。因此，不需要使用繫桿實現燃料電池堆疊總成10的壓縮。相較於包含繫桿的對應燃料電池堆疊總成，這減少熱質量且改善燃料電池堆疊總成10的效能。由於沒有繫桿，金屬基板80可用來沉積燃料電池於其上的表面積會增加，從而相較於包含繫桿的對應燃料電池堆疊總成，這允許進一步提高效能。
使用時，燃料電池堆疊總成10可輕易組配為可以共流(co-flow，圖9)或倒流(counter-flow)的方式運作。 具體實施例2
在此具體實施例(參考圖3)中，固態氧化物燃料電池堆疊總成200的構造及組裝大體根據第一具體實施例。不過，固態氧化物燃料電池堆疊總成10另外包含膨脹板181、182。第一膨脹板181位在底板20、Thermiculite墊圈160之間，且第二膨脹板182位在端板40、Thermiculite墊圈160之間。 使用於詳述於本文之各種具體實施例的材料列於表1： 表1
Figure 107121517-A0304-0001
由表1可見，各種組件的CTE(熱膨脹係數)明顯不同。由於各個燃料電池堆疊層50中有至少一電絕緣壓縮墊圈(Thermiculite墊圈110)，裙件130的CTE值大於燃料電池堆疊層50的。最終結果是，隨著燃料電池堆疊總成的溫度增加，裙件130(在底板20與端板40之間)的膨脹大於燃料電池堆疊30和組裝於底板20及端板40之間的其他組件(特別是，Thermiculite墊圈160與Thermiculite墊圈110)的膨脹，亦即，熱膨脹有差別。這導致作用於燃料電池堆疊30的壓縮力隨著燃料電池堆疊總成10的溫度增加而減少。
在此具體實施例中，膨脹板181、182降低壓縮力的減少量，從而增進燃料電池堆疊總成200的效能。
膨脹板181、182有大於裙件130(且大於底板20及端板40)的CTE，且大小經製作成可補償差別熱膨脹。根據燃料電池堆疊層50在燃料電池堆疊總成200中的個數來製作膨脹板181、182的大小。膨脹板的此一定大小/定尺寸辦法大體可應用於本發明的所有具體實施例。 具體實施例3
在此具體實施例(參考圖4)中，固態氧化物燃料電池堆疊總成300包含第一及第二燃料電池堆疊171、172的背對背配置。構造及組裝大體根據第二具體實施例。不過，在第一具體實施例中，正取電板150接觸Thermiculite墊圈160，亦即，夾在以下兩者之間： (a) 燃料電池堆疊層50的第一燃料電池101、第二燃料電池102及Thermiculite墊圈110，與 (b) Thermiculite墊圈160。
反而，在此第二具體實施例中，正取電板150夾在以下兩者之間： (a) 第一燃料電池堆疊171，與 (b) 第二燃料電池堆疊172。
因此，正取電板150夾在以下兩者之間： (a) 第一燃料電池堆疊171之燃料電池堆疊層50的第一燃料電池101、第二燃料電池102及Thermiculite墊圈110，與 (b) 第二燃料電池堆疊172之燃料電池堆疊層50的第一燃料電池101、第二燃料電池102及Thermiculite墊圈110。
此配置在相同的總成設計及壓縮過程內提供有較大電力輸出的優點。 具體實施例4
在此具體實施例(參考圖5至圖7)中，固態氧化物燃料電池堆疊總成400的構造及組裝大體按照具體實施例2。不過，各個燃料電池堆疊層50a包含單一燃料電池410，而不是包含第一及第二燃料電池(在具體實施例2各自為101、102)的各個燃料電池堆疊層50a。
圖7(圖示此具體實施例)圖示在本發明之各種具體實施例中用來使燃料電池堆疊(30、171、172)之側面與裙件130之毗鄰內表面電氣隔離的雲母墊圈120。雲母墊圈120因而夾在裙件130、燃料電池堆疊(30、171、172)之間且限制(或阻擋/防止)流體在其間流動。這有助於氧化劑(空氣)流動在燃料電池堆疊總成內的外部歧管化，且有助於界定燃料電池堆疊總成對至少一燃料電池堆疊(30、171、172等等)而言為外部歧管且對燃料電池堆疊總成(10、200、300、40、500)而言為內部歧管的氧化劑入口端。同樣，它有助於界定燃料電池堆疊總成對至少一燃料電池堆疊(30、171、172等等)而言為外部歧管且對燃料電池堆疊總成(10、200、300、400、500)而言為內部歧管的排出氧化劑出口端。 具體實施例5
在此具體實施例(參考圖8)中，固態氧化物燃料電池堆疊總成500的構造及組裝大體按照具體實施例3。不過，按照具體實施例4，各個燃料電池堆疊層50a包含單一燃料電池410。此外，只提供單一膨脹板183。此膨脹板183附接至金屬端板40。 所有具體實施例
圖9及圖10提供燃料電池堆疊層50及50a的展開透視圖且圖示在其內和在彼等之堆疊內的流體流徑。
進入燃料電池堆疊層50、50a的燃料流體流徑700係經由金屬基板80的燃料流動孔口81，金屬間隔件70的燃料流動孔口71及開孔71a(亦即，在燃料電池堆疊層50、50a的燃料入口側)，以及進入界定於在金屬基板80、金屬間隔件70及金屬互連板60之間的燃料流動空間73的燃料流動空隙74，橫穿金屬基板80的第一(內)表面83及金屬互連板60的第一(內)表面63。燃料電池或數個101、102、410(取決於該具體實施例)位在金屬基板80的第二(外)表面84上且燃料流到該(等)燃料電池(且從該(等)燃料電池回來的排出燃料)係經由雷射鑽成穿孔的多孔區91、92、93(取決於該具體實施例)。
排出燃料經由金屬間隔件70的開孔72a及燃料流動孔口72與金屬基板80的燃料流動孔口82(亦即，在燃料電池堆疊層50、50a的排出燃料出口側)流出燃料電池堆疊層50、50a。
金屬互連板60及Thermiculite墊圈110的孔口61、62使流體流徑進一步延伸到毗鄰燃料電池堆疊層50、50a。
燃料流體流徑700被內部歧管化。
氧化劑流徑710對燃料電池堆疊層50、50a而言為外部歧管且對燃料電池堆疊總成10、200、300、400、500而言為內部歧管。在金屬底板20、金屬端板40、裙件130及燃料電池堆疊(s)30、171、172之間界定一容積(取決於該具體實施例)。從燃料電池堆疊層50、50a毗鄰燃料流動孔口81、71、61(亦即，毗鄰燃料入口側)之氧化劑入口端到燃料電池堆疊層50、50a毗鄰燃料流動孔口82、72、62(亦即，毗鄰排出燃料出口側)之排出氧化劑出口端的氧化劑流動是在毗鄰燃料電池堆疊層50、50a之間，亦即，在第一燃料電池堆疊層50、50a的金屬互連板60與毗鄰第二燃料電池堆疊層50、50a的金屬基板80之間。
用從氧化劑入口端到排出氧化劑出口端夾在裙件130與燃料電池堆疊30、171、172之間的雲母墊圈120防止在燃料電池堆疊30、171、172(亦即，不在燃料電池堆疊層50、50a之間)外從氧化劑入口端繞到排出氧化劑出口端的氧化劑流動。
圖9圖示燃料及氧化劑流動的共流運作。倒流運作同樣有可能，亦即，從燃料電池堆疊層50、50a毗鄰燃料流動孔口82、72、62(亦即，毗鄰排出燃料出口側)之氧化劑入口端到燃料電池堆疊層50、50a毗鄰燃料流動孔口81、71、61(亦即，毗鄰燃料入口側)之排出氧化劑出口端的氧化劑流動與燃料流動相反。 堆疊組裝方法
燃料電池堆疊30的形成(圖11)係藉由組裝燃料電池堆疊層50於金屬端板40上。然後，將金屬底板20放在燃料電池堆疊30上面。
然後，可移除壓縮裝置600(圖12)用來施加通過端板40、燃料電池堆疊30及底板20的壓縮力610。
在通過燃料電池堆疊30(圖13)的壓縮力610仍有作用下，接著安置環繞端板40、燃料電池堆疊30及底板20的裙件第一半部131及裙件第二半部132。
裙件第一半部131及裙件第二半部132隨後用鎢極惰氣焊接法附接至底板20、端板40。裙件第一半部131與裙件第二半部也互相鎢極惰氣焊接以形成有填角焊接133的裙件130。因此，燃料電池堆疊30被圍封在由底板20、端板40及裙件130界定的容積內。該鎢極惰氣焊接在裙件第一半部131、裙件第二半部132、底板20及端板40之間形成氣密密封。
壓縮裝置600隨後被移除(圖14)且通過裙件130中的張力620來維持在燃料電池堆疊30上的壓縮負荷610，亦即，燃料電池堆疊30對於底板20及端板40且於其間是在張力下以維持通過燃料電池堆疊30的壓縮力。
加入請求項中的參考符號只是為了便於了解，而不是限制請求項的範疇。本發明單獨不受限於上述具體實施例，本技藝一般技術人員明白仍有其他具體實施例而不脫離隨附請求項的範疇。
10‧‧‧固態氧化物燃料電池堆疊總成20‧‧‧金屬底板30‧‧‧燃料電池堆疊40‧‧‧金屬端板50‧‧‧燃料電池堆疊層50a‧‧‧燃料電池堆疊層60‧‧‧金屬互連板61‧‧‧燃料流動孔口62‧‧‧燃料流動孔口63‧‧‧金屬互連板60的第一(內)表面64‧‧‧金屬互連板60的第二(外)表面65‧‧‧向外延伸波紋70‧‧‧金屬間隔件71‧‧‧燃料流動孔口71a‧‧‧開孔72‧‧‧燃料流動孔口72a‧‧‧開孔73‧‧‧燃料流動空間74‧‧‧燃料流動空隙80‧‧‧金屬基板81‧‧‧燃料流動孔口82‧‧‧燃料流動孔口83‧‧‧金屬基板80的第一(內)表面84‧‧‧金屬基板80的第二(外)表面91‧‧‧雷射鑽成穿孔(多孔)區92‧‧‧雷射鑽成穿孔(多孔)區93‧‧‧雷射鑽成穿孔(多孔)區101‧‧‧第一燃料電池102‧‧‧第二燃料電池110‧‧‧Thermiculite墊圈120‧‧‧雲母墊圈130‧‧‧裙件131‧‧‧裙件第一半部132‧‧‧裙件第二半部133‧‧‧填角焊接140‧‧‧負取電板150‧‧‧正取電板160‧‧‧Thermiculite墊圈171‧‧‧第一燃料電池堆疊172‧‧‧第二燃料電池堆疊181‧‧‧第一膨脹板182‧‧‧第二膨脹板183‧‧‧膨脹板190‧‧‧焊接點200‧‧‧固態氧化物燃料電池堆疊總成300‧‧‧固態氧化物燃料電池堆疊總成400‧‧‧固態氧化物燃料電池堆疊總成410‧‧‧燃料電池500‧‧‧固態氧化物燃料電池堆疊總成600‧‧‧壓縮裝置610‧‧‧壓縮力620‧‧‧張力700‧‧‧燃料流體流徑710‧‧‧氧化劑流體流徑720‧‧‧燃料入口側730‧‧‧排出燃料出口側740‧‧‧氧化劑入口側750‧‧‧排出氧化劑出口側
在此提供給本技藝一般技術人員的本發明揭示內容。此時會參考本發明具體實施例的細節，下文提出彼等中之一或多個實施例。以解釋本發明而不是限制本發明的方式來提供各個實施例。附圖中： 圖1圖示穿過具體實施例1之固態氧化物燃料電池堆疊總成的剖面圖； 圖2圖示穿過圖1之燃料電池堆疊層的剖面圖； 圖3圖示穿過具體實施例2之固態氧化物燃料電池堆疊總成的剖面圖； 圖4圖示穿過具體實施例3之固態氧化物燃料電池堆疊總成的剖面圖； 圖5圖示穿過具體實施例4之燃料電池堆疊層的剖面圖； 圖6圖示穿過具體實施例4之固態氧化物燃料電池堆疊總成的剖面圖； 圖7圖示與圖6剖面垂直地穿過具體實施例4之固態氧化物燃料電池堆疊總成的剖面圖； 圖8圖示穿過具體實施例5之固態氧化物燃料電池堆疊總成的剖面圖； 圖9的展開透視圖圖示有燃料及氧化劑(空氣)在其中流動的燃料電池堆疊層； 圖10圖示圖9之燃料電池堆疊層的展開透視圖； 圖11圖示燃料電池堆疊總成的一製造步驟； 圖12圖示燃料電池堆疊總成的一製造步驟； 圖13圖示燃料電池堆疊總成的一製造步驟； 圖14圖示燃料電池堆疊總成的一製造步驟；與 圖15為完成燃料電池堆疊總成的透視圖。
10‧‧‧固態氧化物燃料電池堆疊總成
20‧‧‧金屬底板
30‧‧‧燃料電池堆疊
40‧‧‧金屬端板
60‧‧‧金屬互連板
70‧‧‧金屬間隔件
80‧‧‧金屬基板
92‧‧‧雷射鑽成穿孔(多孔)區
101‧‧‧第一燃料電池
102‧‧‧第二燃料電池
110‧‧‧Thermiculite墊圈
130‧‧‧裙件
140‧‧‧負取電板
150‧‧‧正取電板
160‧‧‧Thermiculite墊圈
190‧‧‧焊接點

Claims (16)

  1. 一種金屬支撐型固態氧化物燃料電池堆疊總成，其包含：(i)一金屬底板；(ii)安裝在該底板上的至少一燃料電池堆疊；與(iii)一金屬端板；各個至少一燃料電池堆疊經配置成安裝在該底板與該端板之間，且包含至少一燃料電池堆疊層，各個至少一燃料電池堆疊層包含至少一燃料電池與至少一電絕緣壓縮墊圈，其特徵在於：一裙件附接至該底板及該端板且附接於該底板及該端板之間以圍封該至少一燃料電池堆疊，以及該裙件承受對該底板及該端板且於該底板及該端板之間的張力，以維持通過該至少一燃料電池堆疊的一壓縮力；及至少一電絕緣墊圈夾置於該至少一燃料電池堆疊之一外表面與該裙件之一毗鄰內表面之間，該絕緣墊圈防止環繞該燃料電池堆疊之外側的氧化劑流動。
  2. 如請求項1之金屬支撐型固態氧化物燃料電池堆疊總成，其中，該裙件具有一熱膨脹係數，其大於該至少一燃料電池堆疊之熱膨脹係數，該固態氧化物燃料電池堆疊總成另外包含位在該底板與該端板之間的至少一膨脹板，該至少一膨脹板具有一熱膨脹係數，其大於該裙件之熱膨脹係數。
  3. 如請求項1的金屬支撐型固態氧化物燃 料電池堆疊總成，其中從一燃料入口到一排出燃料出口的一燃料流徑係經內部歧管化使得其在該至少一燃料電池堆疊內歧管化。
  4. 如請求項1的金屬支撐型固態氧化物燃料電池堆疊總成，其另外包含與該至少一燃料電池堆疊電氣接觸的第一及第二端極柱，且其中，該底板及該端板與該至少一燃料電池堆疊電隔離。
  5. 如請求項1的金屬支撐型固態氧化物燃料電池堆疊總成，其中，該裙件為一金屬裙件。
  6. 如請求項1的金屬支撐型固態氧化物燃料電池堆疊總成，其中，該裙件藉由焊接而附接至該底板及該端板且附接於該底板及該端板之間。
  7. 如請求項1的金屬支撐型固態氧化物燃料電池堆疊總成，其中，界定從一氧化劑入口到一排出氧化劑出口的一氧化劑流徑且該氧化劑流徑經外部歧管化，使得其在該至少一燃料電池堆疊之外部且在該燃料電池堆疊總成之內部被歧管化。
  8. 如請求項7的金屬支撐型固態氧化物燃料電池堆疊總成，其中，界定位在該底板、該端板、該裙件及該至少一燃料電池堆疊之間的一氧化劑歧管化容積，以及任擇地，其中該裙件已藉由焊接而附接至該底板和該端板且附接在該底板和該端板之間，該焊接形成一氣密密封。
  9. 如請求項1至8中之任一項的金屬支撐 型固態氧化物燃料電池堆疊總成，係具有一氧化劑入口端及一排出氧化劑出口端。
  10. 一種形成金屬支撐型固態氧化物燃料電池堆疊總成之方法，其包含下列步驟：(a)組裝：(i)一金屬底板；(ii)安裝在該底板上的至少一燃料電池堆疊；與(iii)一金屬端板；各個至少一燃料電池堆疊經配置成安裝在該底板與該端板之間，且包含至少一燃料電池堆疊層，各個至少一燃料電池堆疊層包含至少一燃料電池與至少一電絕緣壓縮墊圈，(b)施加通過該至少一燃料電池堆疊的一壓縮力；(c)使一裙件附接至該底板及該端板且附接於該底板及該端板之間以圍封該至少一燃料電池堆疊，該裙件將至少一電絕緣墊圈夾置於該至少一燃料電池堆疊之一外表面與該裙件之一毗鄰內表面之間，該絕緣墊圈防止環繞該燃料電池堆疊之外側的氧化劑流動；與(d)移除該壓縮力，藉此透過該裙件中的張力來維持在該至少一燃料電池堆疊上的一壓縮負荷。
  11. 如請求項10之方法，其中，該裙件具有一熱膨脹係數，其大於該至少一燃料電池堆疊之熱膨脹係數，該固態氧化物燃料電池堆疊總成另外包含位在該底板與該端板之間的至少一膨脹板，該至少一膨脹板具有一 熱膨脹係數，其大於該裙件之熱膨脹係數。
  12. 如請求項10的方法，其中該裙件包含複數個裙件區段。
  13. 如請求項12之方法，其中該裙件包含第一及第二裙件區段。
  14. 如請求項10的方法，其中，該裙件為一金屬裙件。
  15. 如請求項10的方法，其中，該裙件藉由焊接而附接至該底板及該端板且附接於該底板及該端板之間。
  16. 如請求項10至15中之任一項的方法，其中該壓縮力係使用一壓縮裝置來施加通過該至少一燃料電池堆疊。
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