堆疊組件的制作方法
【專利摘要】一種固體氧化物燃料或固體氧化物電解電池堆疊組件（203）具有改進的、簡單的、降低成本的并且結(jié)實的壓縮系統(tǒng)、外殼和單側(cè)系統(tǒng)接口，單側(cè)系統(tǒng)接口具有柔性接口固定件（204），柔性接口固定件（204）的剛性足以在不操作時將至少一個電池堆疊固定在外殼中，但柔性足以在操作時允許將壓縮力從外殼（201）的頂部閉合端中的柔性壓縮墊（211）轉(zhuǎn)移經(jīng)過至少一個電池堆疊并且進一步朝向系統(tǒng)的接口相配件。
【專利說明】堆疊組件【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及固體氧化物燃料電池(SOFC)堆疊或者固體氧化物電解電池(SOEC)堆疊的組件，更具體而言，涉及一種封閉殼體，其提供對這種堆疊的保護和壓縮，和一種用于將該組件連接到SOFC或SOEC系統(tǒng)的改進的接口。
【背景技術(shù)】
[0002]本發(fā)明涉及堆疊本身外部的特點，并且其可用于SOFC和S0EC。但在下文中，為了簡單起見，僅主要關(guān)于SOFC解釋本發(fā)明。在下文中，常常SOFC堆疊或SOEC堆疊將僅被稱作電池堆疊。
[0003]燃料電池的電化學反應(yīng)和功能并非本發(fā)明的本質(zhì)，因此將不對這點進行詳細解釋，但這被認為是本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的。
[0004]為了增加由SOFC產(chǎn)生的電壓，組裝若干電池單元以形成堆疊并且利用互連將它們聯(lián)結(jié)在一起。這些堆疊層沿著某些或全部邊緣利用氣密并且耐溫密封件(諸如玻璃)密封在一起?；ミB用作氣體屏障來分隔相鄰電池單元的陽極(燃料)和陰極(空氣/氧氣)側(cè)，并且同時，它們能允許在相鄰電池之間，即在具多余電子的一個電池的陽極與需要電子用于還原過程的相鄰電池的陰極之間進行電流傳導(dǎo)。能經(jīng)由在互連的整個區(qū)域上的多個接點在互連與其相鄰電極之間進行電流傳導(dǎo)。接點可形成為在互連兩側(cè)上的突起。燃料電池堆疊的效率取決于這些點中每一個的良好接觸，并且因此向燃料電池堆疊施加合適壓縮力是至關(guān)重要。這種壓縮力必須足夠大并且在燃料電池的整個區(qū)域上均勻分布以確保電接觸，但也并不大到使其破壞電解質(zhì)、電極、互連或者妨礙燃料電池上的氣體流動。燃料電池的壓縮對于在堆疊層之間的密封以保持堆疊氣密而言也很重要。`
【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明涉及具有內(nèi)歧管的電池堆疊和具有外(側(cè))歧管的堆疊。內(nèi)歧管表示從過程氣體入口或出口到電池堆疊中電池中每一個、或自電池堆疊中電池中每一個的過程氣體分布是由物理地位于/整合于基本上盒狀電池堆疊中的歧管提供，而外歧管表示從氣體入口或出口到電池堆疊中電池中每一個、或源自電池堆疊中電池中每一個的過程氣體分布由物理地位于基本上盒狀電池堆疊外側(cè)鄰近處的歧管提供。
[0006]盡管外歧管電池堆疊具有比內(nèi)歧管電池堆疊更高的性能，它們需要將氣體引導(dǎo)至電池堆疊和遠離電池堆疊引導(dǎo)的氣體歧管。獲得外歧管較少泄漏的密封是已知的技術(shù)問題，一個重要的待解決的問題，因為氣體泄漏對于系統(tǒng)效率具有不利影響。
[0007]外歧管電池堆疊通常具有難以連接到固體氧化物燃料電池(或者固體氧化物電解電池)系統(tǒng)的接口。固體氧化物燃料電池系統(tǒng)(或固體氧化物電解電池系統(tǒng))表示電池堆疊操作所必需的周圍零件，即過程氣體預(yù)處理(吹風機、熱交換器、氣體轉(zhuǎn)化器等)和遞送、過程氣體抽出和后處理、電力輸出、絕熱、減振、測量裝備等。這是由于外歧管電池堆疊通常在基本上盒狀電池堆疊的三個不同側(cè)上具有過程氣體連接件造成。常常，這得到下面這樣的歧管設(shè)計:其中四個管需要個別配件，利用墊圈、夾具等到固體氧化物燃料電池系統(tǒng)的管件。這種管連接件導(dǎo)致若干問題:
?管連接件占據(jù)較大空間并且導(dǎo)致較大的固體氧化物燃料電池系統(tǒng)。較大固體氧化物燃料電池系統(tǒng)導(dǎo)致更大的熱損失、更大量的必需的絕熱和總體上更高的生產(chǎn)成本。除此之外，為了將固體氧化物燃料電池系統(tǒng)裝配于具有有限空間量的產(chǎn)品(例如卡車)中，緊湊性是重要的參數(shù)。
?為了能安裝并且獲得較長壽命和到所有管連接件的緊密裝配，需要將補償器裝配到管中的某些或全部以彌補由于制造所致的管與管之間的相對尺寸偏差和/或由于操作條件造成的熱膨脹差異。因為補償器較為昂貴、機械上較為脆弱、薄壁，占空間并且具有較大熱損失，這成為問題。
?故障(泄漏)的風險隨著連接件數(shù)量增加。
?四個個別配件安裝起來較為耗時。
?已知的管連接件可能在使用后難以松動，因為金屬零件傾向于卡在一起。
[0008]歧管和壓縮布置常常需要大量零件。這增加了故障風險和總成本。
[0009]已知當安裝電池堆疊時壓縮布置是較難處理的。當電池堆疊安裝于系統(tǒng)中時，許多壓縮布置需要從一個壓縮布置轉(zhuǎn)到另一壓縮布置。來自兩個壓縮布置的力重疊使得難以停留在所希望的壓縮力間隔。這種安裝常常手動進行并且是耗時、難處理的并且具有提供太多壓縮力、太少壓縮力和/或壓縮力較差分布的風險。除此之外:壓縮布置中的故障為燃料電池系統(tǒng)中已知的誤差來源。
[0010]已知通過減少系統(tǒng)和堆疊質(zhì)量來縮短SOFC和SOEC系統(tǒng)起動時間。
[0011]電短路為已知的故障模式。電池堆疊側(cè)部相對于系統(tǒng)的其余部分以一定電位充電并且因此它們易于出現(xiàn)電短路。燃料電池堆疊的正電側(cè)必須也受到保護避免短路。
[0012]如果燃料電池堆疊發(fā)生故障，那么燃料泄漏可能導(dǎo)致安全問題。電池堆疊的嚴重故障可能會使電池堆疊熔化并且可能會有損周圍部件。
[0013]在US 2010143814中提出了針對于這些問題中某些問題的一種解決方案，US2010143814有關(guān)于改進的燃料電池堆疊組件和操作燃料電池堆疊組件的方法，特別地改進了氣體流動和熱管理。
[0014]在DE10124853中，一種單元具有密封外殼，在密封外殼中設(shè)置燃料電池堆疊。在操作期間，電池被進給氣體，氣體通過端口進出。通過端子輸出/取出所生成的電流。外殼由金屬板制成，金屬板被激光焊接以提供氣密密封。
[0015]US2002168560A描述了一種用于模塊化固體氧化物燃料電池組件的基底歧管(base manifold),其包括用來接納多個固體氧化物燃料電池堆疊的多個接納區(qū)；燃料入口通路，其安置于歧管燃料入口端口與多個堆疊燃料入口端口之間；氧化劑入口通路，其安置于歧管氧化劑入口端口與多個堆疊氧化劑入口端口之間；燃料出口通路，其安置于多個堆疊燃料出口端口與歧管燃料出口端口之間；以及，氧化劑出口通路，其安置于多個堆疊氧化劑出口端口與歧管氧化劑出口端口之間。
[0016] W010102815公開了一種燃料電池或電解電池堆疊，其具有施加到至少其頂面和底面上并且在一實施例中還施加到其側(cè)面中的兩個側(cè)面上的力分布構(gòu)件，力分布構(gòu)件具有一個平面和一個凸出形狀。壓縮墊和另外剛性固定套環(huán)包圍著堆疊和力分布構(gòu)件，由此，堆疊至少在頂面和底面上并且也可能在兩個側(cè)面上經(jīng)受壓縮力。該組件在主要為橢圓或圓形形狀的軸向方向上基本上是氣密的并且可以利用氣密端板裝配以形成結(jié)實的氣體入口和出
口歧管。
[0017]US2003235743A公開了一種固體氧化物燃料電池堆疊，其具有多個串聯(lián)地連接的燃料電池并且安置為兩個堆疊，這兩個堆疊以頭對尾配置并排，跨一端上而串聯(lián)地連接并且在另一端處具有在堆疊基底上并排安裝的陰極和陽極集電器。每個集電器為從堆疊占據(jù)區(qū)(footprint)延伸的平板。在堆疊周圍是覆蓋物-密封法蘭，其被形成使得當覆蓋物就位時，圍繞堆疊形成熱套。集電器與密封法蘭電絕緣并且由墊圈覆蓋，并且從法蘭向外延伸用于電附連到負載。這種布置允許堆疊完全組裝并且堆疊覆蓋物被牢固固定并且密封就位，而無需電引線穿過隨后必須被密封的覆蓋物中的開口。
[0018]US2010062297A描述了一種發(fā)明，其涉及一種裝置，該裝置包括:絕熱插座；以及布置于插座中的至少一個高溫燃料電池系統(tǒng)部件，其由第一材料的至少一個絕緣層封閉；夾持器件，其作用于絕緣層上。根據(jù)該發(fā)明，設(shè)置為夾持器件包括由插座外殼所支承的并且作用于絕緣層上的由第二材料制成的一個或多個板形元件，第二材料可以在接觸壓力下彈性變形，在接觸壓力，第一材料可不變形。
[0019]US2004072059描述了一種用于燃料電池的容器結(jié)構(gòu)，其包括:燃料電池容器；單獨板，其具有多個孔口 ；排氣管路，其排放在燃料電池容器中的氣體；以及，壓縮空氣管路，其將壓縮空氣發(fā)送到燃料電池容器內(nèi)。在容器結(jié)構(gòu)中，燃料電池容器內(nèi)側(cè)由單獨板分成排氣歧管單元和電池外殼單元，電池外殼單元容納燃料電池，排氣管路附連成連接設(shè)置于排氣歧管單元上的排氣端口和設(shè)置于車輛表面上的排氣出口 ；排氣歧管單元中的空氣壓力被設(shè)置在大氣壓力；并且，在電池外殼單元中的空氣壓力由壓縮空氣管路設(shè)置為等于或小于燃料電池氣體壓力并且等于或大于大氣壓力。
[0020]盡管存在關(guān)于燃料電池或電解電池堆疊的壓縮、封閉和接口問題的這些給出的已知解決方案，它們都沒有像如下文所描述的本發(fā)明那樣給出關(guān)于所有展示的問題的改進的解決方案。
[0021]本發(fā)明的目的在于通過提供一種適合于連接到固體氧化物燃料或電解電池系統(tǒng)、用于至少一個電池堆疊的新SOFC或SOEC堆疊組件來解決所提到的問題。
[0022]在下文中，燃料電池堆疊將被認為是當供應(yīng)氧化氣體和燃料氣體時發(fā)電和產(chǎn)生熱的黑盒子。燃料電池堆疊的功能和內(nèi)部部件被認為是已知的技術(shù)并且不是本發(fā)明的主題。
[0023]SOFC或SOEC堆疊可以具有許多物理形狀，并不限制本發(fā)明，但出于簡化本發(fā)明的公開的原因，以下解釋和示例將具有基本上盒形狀的電池堆疊作為出發(fā)點，即，其具有六個矩形側(cè)部，八個拐角和被放置成每三個以基本上直角連接的十二個邊。在下文中，因此，電池堆疊的特征將因而在于具有一頂面、一底面和多個側(cè)面。至少頂面和底面需要壓縮力使得朝向所述底面壓所述頂面?？蛇x地，該堆疊的另外兩個相對側(cè)面需要抵對著彼此的壓縮力并且在某些情況下另外兩個相對側(cè)面需要抵對著彼此的壓縮力。至少一個固體氧化物燃料或電解電池堆疊還包括燃料氣體入口、燃料氣體出口、氧化劑氣體入口和氧化劑氣體出口。SOFC或SOEC堆疊組件還包括剛性外殼，其具有一個基本上閉合頂端、與基本上閉合端相對的一個開放底部接口端和至少一個側(cè)部。外殼基本上封閉至少一個堆疊頂面和多個側(cè)面，開放底部接口端適于連接到所述固體氧化物燃料或電解電池系統(tǒng)的接口相配件并且提供在至少一個堆疊與SOFC或SOEC系統(tǒng)之間用于燃料氣體和氧化劑氣體的接口。為了提供用于至少一個堆疊的必需的壓縮力，設(shè)有定位于外殼內(nèi)側(cè)在至少一個堆疊頂面與外殼的基本上閉合頂端之間的至少一個柔性壓縮力墊。至少一個柔性壓縮力墊可以電隔離并且絕熱。另外，至少一個柔性固定墊定位于外殼內(nèi)側(cè)在多個堆疊側(cè)面中至少一個與外殼的至少一個側(cè)部之間。而且，至少一個柔性固定墊可以是電隔離并且絕熱的。
[0024]為了將該堆疊固定在外殼中并且提供朝向SOFC或SOEC系統(tǒng)的SOFC或SOEC堆疊組件的接口的至少一部分，該組件還包括鄰近外殼的開放底部接口端定位的柔性接口固定件。柔性接口固定件部分地封閉了在外殼內(nèi)的至少一個堆疊并且至少部分地覆蓋至少一個堆疊的底面。柔性接口固定件的柔性被限定為剛性足以當堆疊不操作時提供至少一個堆疊在外殼中的固定，即，由來自被壓縮的壓縮力墊的力在使堆疊從外殼出來的方向上壓該堆疊，柔性接口固定件的剛性能向該堆疊提供反作用力；但柔性接口固定件仍具有充分柔性以當至少一個堆疊操作時允許壓縮力的至少一部分從壓縮力墊轉(zhuǎn)移經(jīng)過至少一個堆疊，進一步經(jīng)過柔性接口固定件并且到SOFC或SOEC系統(tǒng)的接口相配件。
[0025]盡管實現(xiàn)柔性和剛性的這對立的目標二者看起來較難，但柔性接口固定件的溫度當至少一個堆疊操作時和不操作時之間存在較大差異的現(xiàn)實顯著地便于這項任務(wù)。一定范圍的材料可因此提供前述特征，例如，金屬板的剛性在大約20 V的溫度的情況下可比在800V (例如)的溫度的情況下強很多。如上文所描述的本發(fā)明的重要的固有優(yōu)點中的某些是可以利用柔性接口固定件顯著地減輕SOFC或SOEC堆疊組件的熱質(zhì)量，柔性接口固定件與已知技術(shù)的接口底板相比相對較薄，并且由于壓縮力墊提供至少一個堆疊的壓縮力以及朝向SOFC或SOEC系統(tǒng)接口相配件的柔性接口固定件的壓緊力，減少了部件數(shù)量。
[0026]在本發(fā)明的一實施例中，利用在20°C的溫度具有介于0.01 Nm (Nm為牛頓米)與5000 Nm之間，優(yōu)選地0.1 Nm與1000 Nm之間，優(yōu)選地I Nm與500 Nm之間的抗彎剛度的柔性接口固定件實現(xiàn)了所必需的柔性。這種柔性確保了當不連接到SOEC或SOFC系統(tǒng)時用于在外殼中固定并且壓縮電池堆疊所必需的剛性并且同時確保了當操作時將來自柔性壓縮力墊的壓縮力的至少一部分傳輸?shù)絊OFC或SOEC系統(tǒng)的接口相配件的所必需的柔性。當然，隨著實際電池堆疊和系統(tǒng)的需求，抗彎剛度的范圍不同，實際電池堆疊和系統(tǒng)的需求可能隨著堆疊大小、堆疊類型和另外的參數(shù)而廣泛地不同。因此必須由本領(lǐng)域技術(shù)人員通過關(guān)于具體系統(tǒng)需求計算抗彎剛度或者甚至通過反復(fù)實驗，來選擇柔性。
[0027]在如前文所描述的本發(fā)明的一實施例中，外殼的開放底部接口端和所述柔性接口固定件為平面的并且具有外接口表面，當聯(lián)接到固體氧化物燃料或電解電池系統(tǒng)的接口相配件時，外接口表面在基本上相同平面中。這使得組件到SOFC或SOEC系統(tǒng)的接口和連接簡單并降低了制造成本。應(yīng)了解由于柔性接口固定件經(jīng)受壓縮力墊的壓縮力，當組件并未連接到SOFC或SOEC系統(tǒng)的接口相配件時接口表面將不是平面的。
[0028]在本發(fā)明的再一實施例中，組件到SOFC或SOEC系統(tǒng)的連接還進一步通過在外殼的開放底部接口端處設(shè)置法蘭而簡化。法蘭可以是外殼的整合部分(即，鑄造呈單件)，其也可以以任何已知方式附連到外殼，諸如焊接、支撐、利用螺釘，或者也可被稱作松套法蘭，其作用于外殼的機械止擋件或邊緣上。在任何情況下，法蘭適合于連接到SOFC或SOEC系統(tǒng)的接口相配件。
[0029]在本發(fā)明的一具體實施例中，柔性接口固定件為連接到外殼的開放底部接口端的鋼板(即，因科鎳合金(inconel)253 MA等)。其可以通過任何已知的手段諸如焊接、支撐、機械裝配等附連到外殼。另外，可以選擇鋼板的厚度以具體地匹配給定應(yīng)用的柔性要求。應(yīng)用可以隨著電池堆疊大小、電池數(shù)量、操作溫度、電池類型等不同。在本發(fā)明的一實施例中，柔性接口固定件的厚度在0.1至5 mm的范圍，優(yōu)選地在0.5至3 mm的范圍。柔性接口固定件相對于已知技術(shù)的外殼底板具有較低熱質(zhì)量，因為其較薄并且未必覆蓋外殼的整個開放底部接口端。當電池堆疊不操作并且組件不連接到SOFC或SOEC系統(tǒng)的接口相配件時，外殼的開放底部接口端以及柔性接口固定件可以被保護覆蓋物覆蓋，其覆蓋外殼的整個開放底部接口端且從而保護在外殼內(nèi)的電池堆疊。在一實施例中，保護覆蓋物可以是剛性的并且適于裝配外殼的法蘭連接使得到外殼的緊密裝配和電池堆疊的壓縮是可能的。
[0030]在本發(fā)明的一實施例中，從壓縮力墊轉(zhuǎn)移到電池堆疊并且進一步到柔性接口固定件的壓縮力用來提供用于墊圈的密封力的至少一部分，墊圈設(shè)置于至少一個堆疊的底面與柔性接口固定件之間以當個組件連接到所述系統(tǒng)的接口相配件并且至少一個堆疊操作時提供在至少一個堆疊的至少一個燃料或氧化劑氣體入口或出口與柔性接口固定件之間的密封。墊圈確保了到至少一個電池堆疊和自至少一個電池堆疊的過程氣體連接件中的每一個為氣密的，從而使得過程氣體不會無意中混合，這種混合將會降低性能并且可能也是危險的或破壞性的。
[0031]在其中至少一個電池堆疊具有用于氧化氣體的外歧管和用于燃料氣體的內(nèi)歧管的實施例中，此實施例還確保了對于關(guān)鍵燃料氣體明確限定的密封壓力，因為這個壓力至少部分地由壓縮力墊提供并且因此對于組件連接到SOFC或SOEC系統(tǒng)的接口相配件所借助的力不太敏感。在此實施例中，至少一個堆疊的一個側(cè)面具有外歧管氧化劑氣體入口，至少一個堆疊的一個側(cè)面具有外歧管氧化劑氣體出口并且至少一個堆疊的底面具有內(nèi)歧管燃料氣體入口和內(nèi)歧管燃料氣體出口。
[0032]在本發(fā)明的又一實施例中，至少一個堆疊具有用于氧化劑氣體入口和出口以及燃料氣體入口和出口的外歧管，并且其中至少一個柔性固定墊在至少一個堆疊的氣體入口與出口中的至少兩個之間提供氣體密封。此實施例降低了材料成本和部件數(shù)量，因為柔性固定墊起到更多的作用，固定、氣體密封和絕熱。
[0033]在另一實施例中，至少一個堆疊可具有用于氧化劑氣體入口和出口以及燃料氣體入口和出口的內(nèi)歧管。
[0034]可以通過任何常規(guī)生產(chǎn)方法諸如鑄造、深拉、選擇性激光熔化或焊接來制造組件的外殼，并且其可以具備加固和加強外部和/或內(nèi)部肋狀物。
[0035]另外，這些肋狀物的至少一部分可適于提供氧化劑或燃料氣體的至少一部分的流動引導(dǎo)。這可有利于確保過程氣體到至少一個電池堆疊和自至少一個電池堆疊的均勻分布。
[0036]在本發(fā)明的再一實施例中，可以由形成于外殼的至少一個側(cè)部中至少一個上的輪廓來提供外殼的加固和加強。除了這個目的之外，這些輪廓可以起到更多的作用，因為它們也可提供空間用于在上文并未提到的組件的另外的必需的元件，諸如集電器。
[0037]用于至少一個壓縮力墊以及至少一個固定墊的材料可以是(但不限于)以下材料中的任何材料:陶瓷，玻璃，金屬或其組合，優(yōu)選地多孔性硅酸鈣或玻璃纖維加強的硅酸鈣或耐火陶瓷纖維或玻璃纖維；優(yōu)選地氧化鎂-二氧化硅纖維；具有或不具有一定量的二氧化硅的氧化鋁纖維；包括以下氧化物中一種或多種的低堿性鋁硅酸鹽組合物:氧化鋯、氧化鉻或二氧化鈦；或者蛭石。
[0038]如上文所描述的本發(fā)明具有優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)的一定范圍的優(yōu)點，其中的某些如下: -簡單地從電池堆疊組件省略了具有較大熱質(zhì)量的剛性重底板。替代地，由該同一系統(tǒng)
接口相配件來提供用于壓縮至少一個堆疊所必需的和將組件密封到系統(tǒng)接口相配件所必需的剛性基底(rigid base)和反作用力。僅設(shè)置低熱質(zhì)量的柔性接口固定件來當不操作和/或不連接到系統(tǒng)接口相配件時將至少一個堆疊固定在外殼中。
-所有過程氣體連接件定位于電池堆疊組件的一個接口側(cè)上。在一實施例中，此接口為具有法蘭連接的平面表面，并且密封壓力是明確限定的，因為密封壓力由壓縮力墊提供。這使得電池堆疊組件到系統(tǒng)接口相配件的連接較為簡單，安全并且降低成本。
-通過使用強化肋狀物和/或輪廓來優(yōu)化材料使用和強度以減小外殼的熱質(zhì)量。
-作為組件的整合部分的外歧管提供低壓力損失，從而節(jié)省了能量和過程氣體風機風量。同時，外歧管構(gòu)造的簡化是降低成本的并且減少故障的。
-由于電池堆疊在除了被密封到接口相配件上的接口側(cè)之外的所有側(cè)部上被外殼封閉，使過程氣體從電池堆疊組件的泄漏最小化。
-組件較為結(jié)實，耐受粗魯?shù)陌徇\和振動，因為省略了較弱并且突伸的部分，并且堆疊由吸震層和硬殼封閉，與保護頭盔相同的原理。
-通過最小化零件數(shù)量以節(jié)省材料成本和生產(chǎn)/組裝時間而獲得了低成本價格。
[0039]本發(fā)明的特點:`
1.固體氧化物燃料或電解電池堆疊組件，其適合于連接到固體氧化物燃料或電解電池系統(tǒng)，所述組件包括:
?至少一個固體氧化物燃料或電解電池堆疊，至少一個堆疊包括多個燃料電池或電解電池，至少一個堆疊包括頂面、底面、多個側(cè)面、燃料氣體入口、燃料氣體出口、氧化劑氣體入口和氧化劑氣體出口，
?剛性外殼，其具有一個基本上閉合的頂端，與基本上閉合端相對的一個開放底部接口端和至少一個側(cè)部，外殼基本上封閉至少一個堆疊頂面和多個側(cè)面，開放底部接口端部適于連接到所述固體氧化物燃料或電解電池系統(tǒng)的接口相配件并且在至少一個堆疊與所述系統(tǒng)之間提供用于燃料氣體和氧化劑氣體的接口，
?至少一個柔性壓縮力墊，其定位于外殼內(nèi)側(cè)在至少一個堆疊頂面與外殼的基本上閉合頂端之間，壓縮力墊提供用于至少一個堆疊的壓縮力，
?至少一個柔性固定墊，其定位于外殼內(nèi)側(cè)在多個堆疊側(cè)面中至少一個與外殼的至少一個側(cè)部之間，
其中所述組件還包括鄰近外殼的開放底部接口端定位的柔性接口固定件，由此該柔性接口固定件至少部分地封閉在外殼內(nèi)的至少一個堆疊并且至少部分地覆蓋至少一個堆疊的底面，所述柔性接口固定件的剛性足以當至少一個堆疊不操作時提供至少一個堆疊在所述外殼中的固定，但柔性足以當至少一個堆疊操作時允許壓縮力的至少一部分從所述壓縮力墊轉(zhuǎn)移經(jīng)過至少一個堆疊，進一步經(jīng)過柔性接口固定件并且到固體氧化物燃料或電解電池系統(tǒng)的接口相配件。
[0040]2.根據(jù)特點I所述的固體氧化物燃料或電解電池堆疊組件，其中，所述柔性接口固定件的抗彎剛度在20°C在0.0lNm與5000 Nm之間，優(yōu)選地在0.1Nm與1000 Nm之間，優(yōu)選地在I Nm與500 Nm之間。
[0041]3.根據(jù)前述特點中任一項所述的固體氧化物燃料或電解電池堆疊組件，其中，夕卜殼的所述開放底部接口端和所述柔性接口固定件為平面的、平行的并且具有外接口表面，當聯(lián)接到固體氧化物燃料或電解電池系統(tǒng)的接口相配件時，外接口表面在基本上相同平面中。
[0042]4.根據(jù)前述特點中任一項所述的固體氧化物燃料或電解電池堆疊組件，其中，夕卜殼的所述開放底部接口端具備適合于連接到系統(tǒng)的接口相配件的法蘭，所述法蘭可以是外殼的整合部分，或者其可以通過焊接、支撐、螺釘而附連到外殼上或者其可以是圍繞外殼機械裝配的松套法蘭。
[0043]5.根據(jù)前述特點中任一項所述的固體氧化物燃料或電解電池堆疊組件，其中，柔性接口固定件為連接到外殼的開放底部接口端的鋼板。
[0044]6.根據(jù)前述特點中任一項所述的固體氧化物燃料或電解電池堆疊組件，其中，柔性接口固定件通過焊接、支撐、螺釘或機械裝配而連接到外殼。
[0045]7.根據(jù)前述特點中任一項所述的固體氧化物燃料或電解電池堆疊組件，其中，柔性接口固定件的厚度在0.1至5 mm的范圍，優(yōu)選地0.5至3 mm的范圍。
[0046]8.根據(jù)前述特點中任一項所述的固體氧化物燃料或電解電池堆疊組件，由此柔性接口固定件的寬度對應(yīng)于外殼的開放底部接口端的內(nèi)部寬度，由此柔性接口固定件可以安裝于外殼的所述開放底部接口端內(nèi)側(cè)。
[0047]9.根據(jù)前述特點中任一項所述的固體氧化物燃料或電解電池堆疊組件，其中，至少一個墊圈設(shè)置于至少一個堆疊的底面與柔性接口固定件之間以在至少一個堆疊的至少一個燃料或氧化劑氣體入口或出口與柔性接口固定件之間提供密封，并且其中當組件連接到系統(tǒng)的接口相配件并且至少一個堆疊操作時提供所述墊圈的氣密密封所必需的壓力至少部分地由柔性壓縮力墊提供。
[0048]10.根據(jù)前述特點中任一項所述的固體氧化物燃料或電解電池堆疊組件，其中，至少一個堆疊具有用于氧化劑氣體的外歧管和用于燃料氣體的內(nèi)歧管，至少一個堆疊的一個側(cè)面具有外歧管氧化劑氣體入口，至少一個堆疊的一個側(cè)面具有外歧管氧化劑氣體出口并且至少一個堆疊的底面具有內(nèi)歧管燃料氣體入口和內(nèi)歧管燃料氣體出口。
[0049]11.根據(jù)特點I至8中任一項所述的固體氧化物燃料或電解電池堆疊組件，其中，至少一個堆疊具有用于氧化劑氣體入口和出口以及燃料氣體入口和出口的外歧管，并且其中至少一個柔性固定墊在至少一個堆疊的氣體入口與出口中的至少兩個之間提供氣體密封。
[0050]12.根據(jù)特點I至8中任一項所述的固體氧化物燃料或電解電池堆疊組件，其中，至少一個堆疊具有用于氧化劑氣體入口和出口以及燃料氣體入口和出口的內(nèi)歧管。
[0051]13.根據(jù)前述特點中任一項所述的固體氧化物燃料或電解電池堆疊組件，其中，外殼通過鑄造、深拉、選擇性激光燒結(jié)或焊接而制成，并且其中外殼具備加固和加強外部和/或內(nèi)部肋狀物。
[0052]14.根據(jù)特點13所述的固體氧化物燃料或電解電池堆疊組件，其中，外殼至少具有內(nèi)部加固和加強肋狀物，并且其中所述肋狀物的至少一部分適于提供對氧化劑或燃料氣體的至少一部分的流動引導(dǎo)。
[0053]15.根據(jù)前述特點中任一項所述的固體氧化物燃料或電解電池堆疊組件，其中，外殼的至少一個側(cè)部中的至少一個形成為至少一個加固和加強輪廓。
[0054]16.根據(jù)特點14所述的固體氧化物燃料或電解電池堆疊組件，其中，所述(多個)輪廓中的至少一個提供用于組件的另外的元件諸如集電器的空間。
[0055]17.根據(jù)前述特點中任一項所述的固體氧化物燃料或電解電池堆疊組件，其中，至少一個壓縮力墊和至少一個固定墊由下列材料中的一種或多種制成:陶瓷，玻璃，金屬或其組合，優(yōu)選地多孔性硅酸鈣或玻璃纖維加強的硅酸鈣或耐火陶瓷纖維或玻璃纖維；優(yōu)選地氧化鎂-二氧化硅纖維；具有或不具有一定量的二氧化硅的氧化鋁纖維；包括以下氧化物中一種或多種的低堿性鋁硅酸鹽組合物:氧化鋯、氧化鉻或二氧化鈦；或者蛭石。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0056]利用示出了本發(fā)明的實施例的示例的附圖進一步說明了本發(fā)明的特定實施例。
[0057]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的一實施例的電池堆疊組件的立視底端視圖。
[0058]圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的一實施例的電池堆疊組件的剖視側(cè)視圖。
[0059]圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的一實施例的電池堆疊組件的立視頂端視圖。
[0060]圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的一實施例的電池堆疊組件的剖視側(cè)視圖。
[0061]圖5A示出了根據(jù)本發(fā)明的一實施例如圖5B上所示的電池堆疊組件的剖視側(cè)視圖。
[0062]圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的一實施例當安裝于SOFC或SOEC系統(tǒng)上時電池堆疊組件的剖視側(cè)視圖。
[0063]附圖標記概述
100，200, 300, 400, 500 和 600:電池堆疊組件(S0FC 或 S0EC)。
[0064]101，201，301，401，501，601:外殼。
[0065]102，202，302，402，502，602:法蘭。
[0066]103，203，403，503，603:電池堆疊(S0FC 或 S0EC)。
[0067]104, 204, 404, 504, 604:柔性接口固定件。
[0068]105, 505:氧化劑氣體出口。
[0069]106, 506:氧化劑氣體入口。
[0070]107, 507:燃料氣體入口。
[0071]108，508:燃料氣體出口。
[0072]209，409，509，609 墊圈。
[0073]110, 210, 410, 610 柔性固定墊。
[0074]211，411，511，611 柔性壓縮力墊。
[0075]112，312，412，512，612 加固和加強肋狀物。
[0076]650: SOFC 或 SOEC 系統(tǒng)。
[0077]652:系統(tǒng)法蘭。
[0078]659:系統(tǒng)墊圈?！揪唧w實施方式】
[0079]參考圖1，示出了燃料電池堆疊組件(100)的一實施例。外殼(101)被示出具有朝向上的開放底部接口端。這個端部具備法蘭(102)使得電池堆疊組件可以以簡單、安全并且氣密的方式連接到SOFC系統(tǒng)(未圖示)的接口相配件。
[0080]燃料電池堆疊(103)定位于外殼中，由位于外殼內(nèi)側(cè)的兩個柔性固定墊(110)固定就位，一個在外殼的一側(cè)與燃料電池堆疊的相鄰側(cè)面之間并且另一個位于外殼的相對側(cè)與燃料電池堆疊的其相鄰側(cè)面之間。以此方式，燃料電池堆疊被擠壓在兩個柔性固定墊之間且從而至少在某種程度上由摩擦力保持就位。燃料電池堆疊還由位于外殼內(nèi)側(cè)在燃料電池堆疊的頂端與頂面之間的柔性壓縮力墊(未圖示)固定在外殼中的其位置。壓縮力墊朝向外殼的相對著的開放底部接口端擠壓燃料電池堆疊，在外殼的相對開放底部接口端，呈薄鋼板形式的柔性接口固定件(104)對于壓縮力以反作用力而作出反應(yīng)從而由于其柔性而在某種程度上向外彎曲。在此實施例中，柔性接口固定件具有對應(yīng)于法蘭的內(nèi)側(cè)寬度的寬度。而且，如圖1所示，燃料電池堆疊并未操作并且因此與其中溫度顯著更高的操作狀態(tài)相比，柔性接口固定板的柔性因而相對較小。
[0081]在圖1示出的實施例的燃料電池堆疊為組合的外(空氣)和內(nèi)(燃料)歧管堆疊。氧化劑氣體，諸如周圍空氣經(jīng)由氧化劑氣體入口(106)被引導(dǎo)至燃料電池堆疊的側(cè)部歧管氧化劑氣體入口并且經(jīng)由氧化劑氣體出口(105)從燃料電池堆疊被引導(dǎo)走。組件的構(gòu)造較為簡單并且結(jié)實，因為不需要實際外歧管:柔性固定墊不僅固定燃料電池堆疊，而且也確保了在外殼側(cè)部與燃料電池堆疊之間的氣密密封，因此，外歧管由在燃料電池堆疊的外殼側(cè)部與外歧管側(cè)部之間的空隙構(gòu)成。燃料經(jīng)由燃料氣體入口(107)和燃料氣體出口(108)被引導(dǎo)至燃料電池堆疊和從燃料電池堆疊引導(dǎo)?？梢钥闯?，所有過程氣體連接件位于組件的相同側(cè)上，外殼的接口端。如圖所示，接口為平面表面，其中，柔性接口固定件的法蘭側(cè)和外側(cè)位于相同平面中。外殼和法蘭由加固和加強肋狀物(112)加固，這使得能減少外殼壁和法蘭的厚度，且因此減少熱質(zhì)量和材料成本。
[0082]轉(zhuǎn)至圖2，現(xiàn)以組件的剖視側(cè)視圖示出了本發(fā)明的相同實施例，其能示出柔性壓縮力墊(211)?？梢钥闯鋈剂蠚怏w墊圈(209)位于燃料電池堆疊(203)頂面與柔性接口固定件(204)之間。柔性接口固定件在此處被示出為平面。如所提到的那樣，其更加柔軟并且因此當操作時轉(zhuǎn)移更多力，但當不操作時也能略微彎曲(未圖示)。燃料墊圈由來自柔性壓縮力墊的壓縮力壓縮。如所提到的那樣，柔性固定墊(210)位于燃料電池堆疊側(cè)面中的兩個側(cè)面與外殼(201)側(cè)部中的兩個側(cè)部之間以確保在氧化氣體入口側(cè)與氧化氣體出口側(cè)之間的固定和氣體密封。在此實施例中，外殼在開放底部接口端處具有凹進部以用于定位柔性接口固定件。
[0083]在圖3中，可以看到外殼(301)的外頂端以及外殼側(cè)部中的兩個側(cè)部。外殼和用來連接到SOFC系統(tǒng)接口相配件的法蘭(302)是整合的，加固和加強肋狀物(312)也是整合的。此實施例可以具有鑄鋼外殼。并未示出集電器，其提供來自燃料電池的電力輸出。集電器的端子可以位于外殼的頂端上。但電流端子的其它位置，諸如組件的側(cè)部或接口側(cè)(以保持所有連接在相同側(cè))也是可能的。
[0084]圖4示出了如圖2中的組件(400)的剖視側(cè)視圖，但此處，示出了柔性接口固定件(404)的偏轉(zhuǎn)。在此實施例中，柔性接口固定件是鋼板。其經(jīng)由電池堆疊(403)和墊圈(409)經(jīng)受來自柔性壓縮力墊(411)的力，并且由于板的熱質(zhì)量保持較低，力使板彎曲。如在圖4中看出，外殼(401)在此實施例中并不具有用于定位所述板的凹進部。替代地，板裝配于外殼內(nèi)側(cè)并且可以焊接在柔性接口固定件的表面與法蘭(402)成平面的位置，如圖所示。而且，兩個柔性固定墊(410)被示出與加固和加強肋狀物(412)—樣，其圍繞外殼的兩側(cè)和閉合頂端。加固和加強肋狀物也用來降低外殼的熱質(zhì)量，與無肋狀物和因此對于較厚壁的需要的外殼相比，并且肋狀物可以充當外殼的冷卻肋狀物。
[0085]在圖5A中，示出了圖5B中的電池堆疊組件(500)的側(cè)視剖視圖。在柔性接口固定件(504)因來自柔性壓縮力墊(511)的力而偏轉(zhuǎn)最大處進行剖切并且因此從法蘭(502)的表面到柔性接口固定件的表面的距離在剖視處相當明顯可見。在柔性接口固定件與電池堆疊(503)之間為密封墊圈(509)。此實施例的電池堆疊為同向流動堆疊，其表示氧化劑氣體流動方向與燃料氣體流動方向相同，在此情況下，在圖5A中從左向右。因此，氧化劑氣體入口(506)和燃料氣體入口(507)位于組件左側(cè)而氧化劑氣體出口(505)和燃料氣體出口(508)位于組件右側(cè)。如在圖5A中看出，電池堆疊為組合的內(nèi)外歧管堆疊:堆疊的燃料氣體側(cè)(陽極)具有內(nèi)歧管，而堆疊的氧化劑氣體側(cè)(陰極)具有外歧管。根據(jù)本發(fā)明，外歧管簡單地為在電池堆疊與外殼(501)之間的空隙。加固和加強肋狀物(512)中的某些圍繞外殼的兩側(cè)和閉合頂端，而其它僅鄰近法蘭定位。它們用來加固和加強外殼但也加固和加強法蘭，法蘭原本應(yīng)已被制成更大尺寸。因此，熱質(zhì)量保持較低。
[0086]在圖6中，以側(cè)視剖視圖示出了電池堆疊組件(600)，其具有連接到SOFC或SOEC系統(tǒng)(650)的接口以示出柔性接口固定件(604)為平面并且當法蘭(602)連接到系統(tǒng)法蘭(652)時與法蘭(602)在同一平面中并且來自柔性壓縮力墊(611)的力的至少一部分被來自系統(tǒng)法蘭的連接/壓緊力抵消。如所描述的那樣，來自柔性壓縮力墊的力經(jīng)由電池堆疊(603)傳輸?shù)饺嵝越涌诠潭纱?，其向墊圈提供密封力并且以及堆疊壓縮力。除了在前文中已經(jīng)描述的墊圈(609)之外，也示出了系統(tǒng)墊圈(659)，兩個墊圈都在法蘭和氣體連接件之間提供密封。因此，由于柔性接口固定件的柔性性質(zhì)，省略了較大熱質(zhì)量，因為由連接的系統(tǒng)提供反壓，連接的系統(tǒng)在任何情況下需要具有足夠的剛性以提供密封力。在圖6中剖視的側(cè)部也示出了在電池堆疊與外殼(601)之間的兩個柔性固定墊(610)，其用來將堆疊固定在正確位置并且在電池堆疊的氧化氣體入口與出口側(cè)之間提供氣體密封。也示出了如之前解釋的加固和加強肋狀物(612)。
[0087]示例
對于具有電池尺寸120 X 120mm的SOFC堆疊而言，關(guān)于呈0.1mm和5 mm厚度的鋼板形式的柔性接口固定件進行計算:
柔性接口固定件的抗彎剛度。剛度是基于板方程式:
【權(quán)利要求】
1.固體氧化物燃料或電解電池堆疊組件，其適合于連接到固體氧化物燃料或電解電池系統(tǒng)，所述組件包括: ?至少一個固體氧化物燃料或電解電池堆疊，所述至少一個堆疊包括多個燃料電池或電解電池，所述至少一個堆疊包括頂面、底面、多個側(cè)面、燃料氣體入口、燃料氣體出口、氧化劑氣體入口和氧化劑氣體出口， ?剛性外殼，其具有一個基本上閉合頂端，與基本上閉合端相對的一個開放底部接口端和至少一個側(cè)部，所述外殼基本上封閉至少一個堆疊頂面和多個側(cè)面，所述開放底部接口端部適于連接到所述固體氧化物燃料或電解電池系統(tǒng)的接口相配件并且在所述至少一個堆疊與所述系統(tǒng)之間提供用于燃料氣體和氧化劑氣體的接口， ?至少一個柔性壓縮力墊，其定位于所述外殼內(nèi)側(cè)在所述至少一個堆疊頂面與所述外殼的基本上閉合頂端之間，所述壓縮力墊提供用于所述至少一個堆疊的壓縮力， ?至少一個柔性固定墊，其定位于所述外殼內(nèi)側(cè)在所述多個堆疊側(cè)面中至少一個與所述外殼的至少一個側(cè)部之間， 其中所述組件還包括鄰近所述外殼的開放底部接口端定位的柔性接口固定件，由此所述柔性接口固定件至少部分地封閉在所述外殼內(nèi)的至少一個堆疊并且至少部分地覆蓋所述至少一個堆疊的底面，所述柔性接口固定件的剛性足以當所述至少一個堆疊不操作時提供所述至少一個堆疊在所述外殼中的固定，但柔性足以當所述至少一個堆疊操作時允許所述壓縮力的至少一部分從所述壓縮力墊轉(zhuǎn)移經(jīng)過所述至少一個堆疊，進一步經(jīng)過所述柔性接口固定件并且到所述固體氧化物燃料或電解電池系統(tǒng)的接口相配件上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固體氧化物燃料或電解電池堆疊組件，其特征在于，所述柔性接口固定件的抗彎剛度在20°C在0.01Nm與5000 Nm之間，優(yōu)選地在0.1 Nm與1000 Nm之間，優(yōu)選地在I Nm與500 Nm之間。`
3.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的固體氧化物燃料或電解電池堆疊組件，其特征在于，所述外殼的所述開放底部接口端和所述柔性接口固定件為平面的、平行的并且具有外接口表面，當連接到所述固體氧化物燃料或電解電池系統(tǒng)的接口相配件時，所述外接口表面在基本上相同平面中。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的固體氧化物燃料或電解電池堆疊組件，其特征在于，所述外殼的所述開放底部接口端具備適合于連接到所述系統(tǒng)的所述接口相配件的法蘭，所述法蘭可以是所述外殼的整合部分，或者其可以通過焊接、支撐、螺釘而附連到所述外殼上或者其可以是圍繞所述外殼機械裝配的松套法蘭。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的固體氧化物燃料或電解電池堆疊組件，其特征在于，所述柔性接口固定件為連接到所述外殼的所述開放底部接口端的鋼板。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的固體氧化物燃料或電解電池堆疊組件，其特征在于，所述柔性接口固定件通過焊接、支撐、螺釘或機械裝配而連接到所述外殼。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的固體氧化物燃料或電解電池堆疊組件，其特征在于，所述柔性接口固定件的厚度在0.1至5mm的范圍,優(yōu)選地0.5至3 mm的范圍。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的固體氧化物燃料或電解電池堆疊組件，其特征在于，所述柔性接口固定件的寬度對應(yīng)于所述外殼的所述開放底部接口端的內(nèi)部寬度，由此所述柔性接口固定件可以安裝于所述外殼的所述開放底部接口端內(nèi)側(cè)。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的固體氧化物燃料或電解電池堆疊組件，其特征在于，至少一個墊圈設(shè)置于所述至少一個堆疊的所述底面與所述柔性接口固定件之間以在所述至少一個堆疊的至少一個燃料或氧化劑氣體入口或出口與所述柔性接口固定件之間提供密封，并且其中當所述組件連接到所述系統(tǒng)的所述接口相配件并且所述至少一個堆疊操作時提供所述墊圈的氣密密封所需的壓力至少部分地由所述柔性壓縮力墊提供。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的固體氧化物燃料或電解電池堆疊組件，其特征在于，所述至少一個堆疊具有用于所述氧化劑氣體的外歧管和用于所述燃料氣體的內(nèi)歧管，所述至少一個堆疊的一個側(cè)面具有外歧管氧化劑氣體入口，所述至少一個堆疊的一個側(cè)面具有外歧管氧化劑氣體出口并且所述至少一個堆疊的底面具有內(nèi)歧管燃料氣體入口和內(nèi)歧管燃料氣體出口。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項所述的固體氧化物燃料或電解電池堆疊組件，其特征在于，所述至少一個堆疊具有用于氧化劑氣體入口和出口以及燃料氣體入口和出口的外歧管，并且其中所述至少一個柔性固定墊在所述至少一個堆疊的所述氣體入口與出口中的至少兩個之間提供氣體密封。
12.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項所述的固體氧化物燃料或電解電池堆疊組件，其特征在于，所述至少一個堆疊具有用于氧化劑氣體入口和出口以及燃料氣體入口和出口的內(nèi)歧管。
13.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的固體氧化物燃料或電解電池堆疊組件，其特征在于，所述外殼通過鑄造、深拉、選擇性激光熔化或焊接而制成，并且其中所述外殼具備加固和加強外部和/或內(nèi)部肋狀物。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的固體氧化物燃料或電解電池堆疊組件，其特征在于，所述外殼至少具有內(nèi)部加固和加強肋狀物，并且其中所述肋狀物的至少一部分適于提供所述氧化劑或燃料氣體的至少一部分的流動引導(dǎo)。
15.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的固體氧化物燃料或電解電池堆疊組件，其特征在于，所述外殼的所述至少一個側(cè)部`中的至少一個形成為至少一個加固和加強輪廓。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的固體氧化物燃料或電解電池堆疊組件，其特征在于，所述(多個)輪廓中的至少一個提供用于所述組件的另外的元件諸如集電器的空間。
17.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的固體氧化物燃料或電解電池堆疊組件，其特征在于，至少一個壓縮力墊和至少一個固定墊由下列材料中的一種或多種制成:陶瓷，玻璃，金屬或其組合，優(yōu)選地多孔性硅酸鈣或玻璃纖維加強的硅酸鈣或耐火陶瓷纖維或玻璃纖維；優(yōu)選地氧化鎂-二氧化硅纖維；具有或不具有一定量的二氧化硅的氧化鋁纖維；包括以下氧化物中一種或多種的低堿性鋁硅酸鹽組合物:氧化鋯、氧化鉻或二氧化鈦；或蛭石。
【文檔編號】H01M8/12GK103875111SQ201180074152
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2011年10月14日 優(yōu)先權(quán)日:2011年10月14日
【發(fā)明者】M.R.尼伊森, J.布雷納, N.伊里克斯特魯普 申請人:托普索燃料電池股份有限公司