管式固體氧化物燃料電池組件和包含有該組件的燃料電池裝置制造方法
【專利摘要】一種管式固體氧化物燃料電池組件，包括至少兩個(gè)管式固體氧化物燃料電池單元，至少一個(gè)共用集電體和用于保持燃料電池單元的部分和共用集電體處于緊密配合關(guān)系的保持器。
【專利說明】管式固體氧化物燃料電池組件和包含有該組件的燃料電池裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及燃料電池，特別地，涉及管式固體氧化物燃料電池組件和包含有這種組件的燃料電池裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]燃料電池是一種通過電化學(xué)反應(yīng)將燃料的勢(shì)能轉(zhuǎn)化為電的發(fā)電裝置。一般來說，燃料電池單元包括一對(duì)通過電解質(zhì)分開的電極(正極和負(fù)極)。該電解質(zhì)僅允許某些類型的離子通過。離子穿過電解質(zhì)的選擇性通道在兩個(gè)電極之間產(chǎn)生一個(gè)電勢(shì)。這種電勢(shì)可被用來做有用功。通過除去傳統(tǒng)發(fā)電裝置，例如內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)所需的機(jī)械步驟，這種直接轉(zhuǎn)化過程增加了發(fā)電效率。此外，更高效率和電化學(xué)過程的結(jié)合提供了一種能源節(jié)約，資源節(jié)約和對(duì)環(huán)境無害的電力來源。
[0003]眾所周知類型的固體氧化物燃料電池(SOFC)具有三個(gè)基本部件:產(chǎn)生電子的正極層，消耗電子的負(fù)極層，和傳導(dǎo)離子但防止電子穿過的中間的電解質(zhì)層。在運(yùn)行中，燃料，例如氫、烴、醇、一氧化碳或任意前述的混合物與正極層內(nèi)的氧負(fù)離子結(jié)合，以產(chǎn)生水和/或二氧化碳和電子。正極層內(nèi)產(chǎn)生的電子流過外負(fù)載并返回至負(fù)極層，此處，氧氣，典型地被提供作為氣流，結(jié)合電子，以提供氧負(fù)離子，其選擇性地穿過電解質(zhì)層并進(jìn)入正極層。
[0004]一般有三種結(jié)構(gòu)類型的SOFCs:單片式SOFCs，其具有通過將薄片狀的陶瓷材料一起熔合成單片的塊而形成的蜂窩狀結(jié)構(gòu)。管式SOFCs，如它們的名字一樣，具有管式，典型地為圓筒狀的結(jié)構(gòu)；以及，平板式SOFCs，具有平的，板狀的形狀。SOFCs在相當(dāng)高的溫度下運(yùn)行，例如，大約為850-1000°C。由于這種高運(yùn)行溫度，平板式SOFCs具有爆裂和發(fā)生由熱循環(huán)所導(dǎo)致的密封問題的傾向。雖然管式SOFCs在這些方面通常表現(xiàn)地更好，但是，它們可能會(huì)表現(xiàn)出與電流集取相關(guān)的運(yùn)行上的困難，例如，發(fā)生在操作期間的，產(chǎn)生于電接觸表面分離的歐姆損耗。單片式SOFCs，由于它們的制造涉及大量的小部件，層和互連，對(duì)它們的可靠度的造成高度關(guān)注。
[0005]在管式SOFC組件及包含有它們的燃料電池裝置的具體情況中，產(chǎn)生于開關(guān)循環(huán)的熱應(yīng)力可以引起歐姆損耗，這是由于它們的集電體部件與電極離開或者分離的傾向，其中在操作條件下，它們是相聯(lián)的。隨后電接觸面積的下降主要是由于管式SOFC組件的陶瓷電極部件的熱膨脹相對(duì)于它們的金屬或含金屬的集電體部件的熱膨脹上的差異。由電極和集電體的熱膨脹的差異所產(chǎn)生的機(jī)械力，盡管個(gè)別是小的，可能會(huì)隨著時(shí)間產(chǎn)生累積效應(yīng)，并表現(xiàn)為集電體和陶瓷電極之間電接觸面積的永久性顯著的減少，且伴隨有喪失能量的歐姆損耗。
[0006]因此，對(duì)管式SOFC組件存在這樣一種需要，在運(yùn)行過程中，其能阻止前述的該組件的集電體部件與它們相聯(lián)的電極離開或分離的傾向。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]根據(jù)本發(fā)明，提供了一種管式固體氧化物燃料電池組件，包括:
a)共用至少一個(gè)外部集電體的至少兩個(gè)軸向延伸的管式固體氧化物燃料電池單元，每個(gè)燃料電池單元包括:
i)第一和第二端部和在它們中間的中間部分，以及 ?)內(nèi)電極層、外電極層和在它們中間的電解質(zhì)層；
b)與至少兩個(gè)燃料電池單元的電極層電接觸的至少一個(gè)外部的共用集電體，該集電體的熱膨脹系數(shù)高于燃料電池單元的熱膨脹系數(shù)，該集電體和每個(gè)與其電接觸的電極層具有基本共形的電接觸面；以及，
c)至少一個(gè)保持器，其被配置用來保持至少兩個(gè)燃料電池單元的至少一部分和共用集電體的至少一部分處于緊密配合關(guān)系，該保持器的熱膨脹系數(shù)小于或等于燃料電池單元的熱膨脹系數(shù)，當(dāng)熱膨脹時(shí)，集電體保持在保持器中的部分將在壓縮狀態(tài)下置于與其電接觸的每個(gè)燃料電池單元的電極表面。
[0008]在包含有本發(fā)明管式SOFC組件的燃料電池裝置的運(yùn)行過程中，集電體部件的熱膨脹系數(shù)與和集電體電接觸的燃料電池單元的熱膨脹系數(shù)相比更高，該集電體部件的熱膨脹，將產(chǎn)生施加到燃料電池單元的電極層的電接觸面上的壓縮力。由于這種壓縮力，即使經(jīng)過多次運(yùn)行開-關(guān)循環(huán)，集電體和它的相聯(lián)的電極之間的電接觸的最初面積將保持基本不變，從而消除或減輕包含有本發(fā)明管式SOFC組件的燃料電池裝置的歐姆損耗。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]附圖中類似的標(biāo)號(hào)表示類似的元件；
[0010]圖1A是本發(fā)明管式SOFC單元的一種實(shí)施例的立體圖，顯示了該單元的兩個(gè)端部處所暴露的電極面；
[0011]圖1B是圖1A的管式SOFC單元的一個(gè)端部的放大視圖；
[0012]圖1C是本發(fā)明管式SOFC單元的另一種實(shí)施例的立體圖，其中它的端部的橫斷面形狀不同于它的中間部的橫斷面形狀；
[0013]圖1D是圖1C的管式SOFC單元的一端的放大視圖，顯示了該端的交替的凸凹形狀向該燃料電池單元的中間部的大致圓形的橫斷面形狀的過渡；
[0014]圖2A和圖2B為兩對(duì)相鄰的圖1A的管式SOFC單兀的立體圖；分別不出了與成對(duì)的燃料電池單元的端部電接觸的環(huán)形形狀的集電體、以及大致延伸在成對(duì)的燃料電池單元的整個(gè)長度上的有孔的管式形狀的集電體；
[0015]圖2C為圖2A中所示的一對(duì)管式SOFC單元的相同端部的放大的端部視圖，示出了通過它們的共用集電體，成對(duì)的燃料電池單元的內(nèi)正極至外負(fù)極的電連接，從而使燃料電池單元串聯(lián)電連接；
[0016]圖2D為包含有一對(duì)示于圖2A和2C中的串聯(lián)電連接的管式SOFC單元的本發(fā)明的管式SOFC單元組件的放大的部分縱向截面視圖，并且示出了每個(gè)成對(duì)的燃料電池單元的端部、它們的共用集電體以及它們的相聯(lián)的保持器之間的緊密配合關(guān)系；
[0017]圖2E為圖2D的管式SOFC組件的斜視的、局部分解視圖，它的兩個(gè)保持器中的一個(gè)示于虛線框內(nèi)，并與該組件分離，以便更好地顯示它的燃料電池部和共用集電體-保持的內(nèi)部結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。
[0018]圖2F為圖2E所示的分離的保持器的縱向截面視圖；
[0019]圖2G和圖2H分別為圖2A所示的一對(duì)管式SOFC單元的放大的端部視圖，分別示出了，通過位于其一端的它們的共用集電體而實(shí)現(xiàn)的燃料電池單元的內(nèi)正極至內(nèi)正極電連接，通過位于其另一端的它們的共用集電體而實(shí)現(xiàn)的燃料電池單元的外負(fù)極至外負(fù)極電連接，從而使燃料電池單元并聯(lián)電連接；
[0020]圖21為包含如圖2A所示的一對(duì)并聯(lián)電連接的管式SOFC單元的管式SOFC單元組件的放大的局部縱向截面視圖，并且示出了該燃料電池單元的端部，它們的共用集電體以及它們的相聯(lián)的保持器之間的緊密配合關(guān)系；
[0021]圖3A為本發(fā)明管式SOFC組件的另一個(gè)實(shí)施例的立體局部分解圖，它的兩個(gè)保持器中的一個(gè)示于虛線框內(nèi)，并與該組件分離，以更好地顯示它的燃料電池端和共用集電體-保持的內(nèi)部構(gòu)造的細(xì)節(jié)；
[0022]圖3B為圖3A所示的分離的保持器的縱向截面視圖；
[0023]圖3C為圖3A的管式SOFC組件的放大的局部縱向截面視圖，示出了它的燃料電池單元在交替的單端串聯(lián)中的電連接；
[0024]圖4A、4B和4C為本發(fā)明管式SOFC組件的其他實(shí)施例的立體圖，示出了它們的保持器部件的設(shè)置方式；
[0025]圖5A為本發(fā)明燃料電池單元的另一種設(shè)置方式的立體圖；
[0026]圖5B為圖5A所示的燃料電池單元設(shè)置的共用集電體的一部分立體圖，集電體具有彎曲的平行四邊形結(jié)構(gòu)，其放大的截面視圖如圖7G所示；
[0027]圖5C為圖5A所示的燃料電池單元的設(shè)置的放大局部縱向截面視圖；
[0028]圖6A為本發(fā)明管式SOFC組件的另一個(gè)實(shí)施例的分解立體圖，該組件具有沿著燃料電池單元的軸向排列設(shè)置的負(fù)極空氣輸送管；
[0029]圖6B和6C分別為圖6A的管式SOFC組件的放大的俯視圖和放大的局部縱向截面視圖，顯示了負(fù)極空氣輸送管部分保持在每個(gè)集電體的環(huán)形空間內(nèi)；
[0030]圖7A-7I為本發(fā)明燃料電池單元和它們的共用集電體的一些排列方式的橫斷面視圖；
[0031]圖8A和8B分別為包含有本發(fā)明管式SOFC組件的燃料電池裝置的立體圖和俯視圖，部分縱向剖視、部分橫向剖視，其中，空氣流以最初大致地橫穿燃料電池單元縱軸的路徑直接通過該組件；
[0032]圖9為包括有含有負(fù)極空氣管的本發(fā)明管式SOFC組件的本發(fā)明燃料電池裝置俯視圖，部分縱向剖視、部分橫向剖視，其中，空氣流以最初與燃料電池單元的縱軸大致平行的路徑穿過該組件；
[0033]圖1OA和圖1OB(現(xiàn)有技術(shù))分別為在它的最初的(即新的)條件和環(huán)境溫度(20°C)下，以及在它的600-850°C的常規(guī)運(yùn)行溫度下的已知類型的管式SOFC組件的橫斷面視圖；
[0034]圖1OC(現(xiàn)有技術(shù))為圖1OB的管式SOFC組件的燃料電池單元的放大的視圖，顯示了電接觸面的部分分離源于金屬集電體和它的相聯(lián)的陶瓷燃料電池單元在熱膨脹系數(shù)上的失配。
[0035]圖1lA(現(xiàn)有技術(shù))為在它的最初條件和環(huán)境溫度下的另一種已知類型的管式SOFC組件的一部分的橫斷面視圖，以及；
[0036]圖1lB (現(xiàn)有技術(shù))為在它的600_850°C的常規(guī)運(yùn)行溫度下，圖1lA的管式SOFC組件的一個(gè)燃料電池單元的放大視圖，顯示了電接觸面的部分分離源于金屬集電體和它的相聯(lián)的陶瓷燃料電池單元在熱膨脹系數(shù)上的失配。

【具體實(shí)施方式】
[0037]可以理解的是，本發(fā)明在此并不限于所描述的具體步驟、材料和改進(jìn)，以及它們變化而得到的方案。還可以理解的是，所用術(shù)語的目的僅僅是為了描述具體的實(shí)施方案，其并不用來限定本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的范圍僅通過所附的權(quán)利要求書進(jìn)行限定。
[0038]在本發(fā)明說明書和權(quán)利要求書中，以下術(shù)語和表述可以理解為如下所示。
[0039]單數(shù)形式“一 (a) ”、“一 (an) ”、和“所述(the) ”包括其復(fù)數(shù)形式。
[0040]本文所述的所有方法可通過任何合適的順序進(jìn)行，除非本文另有說明或者與上下文有明顯矛盾。本文提供的任何以及所有的實(shí)施例或者示例性語言例如“例如”的使用，除非另有說明，其目的是僅僅是為了更好地說明本發(fā)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的范圍的限制。說明書中沒有語言應(yīng)當(dāng)被認(rèn)為表示任何未聲明的元件對(duì)本發(fā)明的實(shí)施是必要的。
[0041]本文所用的“包含(comprising)，，、“包括(including)”、“含有(containing)”、“特征在于(characterized by) ”及其語法上的同義詞是包含性的或開放式的術(shù)語，其不排除附加的、未提及的元件或方法步驟，而且也可以理解為包括更加限制性的術(shù)語“由……構(gòu)成(consisting of)”和“基本由......構(gòu)成(consisting essentially of)”。
[0042]表達(dá)“共用集電體”在本文中應(yīng)當(dāng)被理解為是指這樣一種集電體，它的電接觸面與至少兩個(gè)燃料電池單元的電極層的電接觸面電接觸。
[0043]除了在實(shí)施例中或者另有說明，說明書和權(quán)利要求書中所述的所有表示材料數(shù)量、反應(yīng)條件、持續(xù)時(shí)間、材料的量化特性等的數(shù)字應(yīng)當(dāng)理解為在所有情況下都修飾有術(shù)語“約”。
[0044]術(shù)語“陶瓷”除了其本領(lǐng)域公認(rèn)的含義，在本文中應(yīng)當(dāng)理解為包括玻璃，玻璃-陶瓷和金屬陶瓷。
[0045]應(yīng)當(dāng)理解的是,在本文中提及的任何數(shù)值范圍包括該范圍內(nèi)的所有子范圍以及這些范圍或子范圍的各種端點(diǎn)的任意組合。
[0046]還可以進(jìn)一步理解的是，在說明書中明確或者隱含公開的任何化合物、材料或物質(zhì)，或者在權(quán)利要求中提及的屬于一組結(jié)構(gòu)、組成和/或功能上相關(guān)的化合物、材料或物質(zhì)，包括該組中的單個(gè)代表以及它們的所有組合。
[0047]所有在先的專利、待批準(zhǔn)申請(qǐng)和其他在先的出版物均全文引入本發(fā)明以作參考。
[0048]現(xiàn)在參照附圖，其中類似的標(biāo)號(hào)表示類似的零件，圖1A和IB的管式燃料電池單元100是可以用于本發(fā)明的管式SOFC組件的結(jié)構(gòu)中的管式燃料電池的眾多實(shí)施方案中的一種。燃料電池單元100包括大致相同的第一和第二端部101和102，中間部103以及延伸在該單元的整個(gè)長度上的交替的凸面104和凹面105。將燃料電池單元100的端部101和102的部分剝?nèi)?，以更好地顯示它的內(nèi)正極層106、外負(fù)極層107和中間電解質(zhì)層108的設(shè)置?？?09使得燃料流通過燃料電池單元100的長度方向并與內(nèi)正極層106接觸。雖然燃料電池單元100的橫斷面通常是對(duì)稱的，但可以理解的是并不需要是這種情況，因?yàn)槿鐖D71的實(shí)施方案所示，一種凸曲面可以比另一個(gè)凸曲面更長。
[0049]如圖1B所示，燃料電池單元100呈現(xiàn)出內(nèi)正極層106的暴露的電接觸面109，以使該面與相關(guān)的集電體的共形的電接觸面進(jìn)行電接觸，如圖2C和2D所示。正極層106的暴露的電接觸面110可以延伸為燃料電池單元100的凹曲面105的長度的僅僅一部分，例如，在它的第一端部101，它的第二端部102和/或在它的中間部分103，或者該接觸面可以延伸到凹面105的整個(gè)長度，即，從第一端部101的起始端至第二端部102的末端。
[0050]如圖1C的管式燃料電池的實(shí)施例所示，燃料電池單元120包括相同的第一和第二端部121和122，呈現(xiàn)出與圖1A的燃料電池單元100的第一和第二端部101和102的橫斷面結(jié)構(gòu)非常相同的橫斷面結(jié)構(gòu)，以及在其中間部分123呈現(xiàn)大致圓形的橫斷面124。因此，不同于燃料電池單元100，該單元100的橫斷面幾何形狀在其整個(gè)長度上是基本均勻的，燃料電池單元120的橫斷面幾何形狀為不均勻的，即，其第一端部121和相同的第二端部122 (未示出)的橫斷面，轉(zhuǎn)變?yōu)樵谄渲虚g部分123的長度上大致圓形的橫斷面124。
[0051]燃料電池單元100和120以及它們的多種變體可以通過已知和常規(guī)的正極層形成成分、電解質(zhì)層形成成分和負(fù)極層形成成分來制造。例如，如美國專利6，228，521，6，436，565和7，498，095中所披露的。如果需要，可以提供一種或多種附加層，例如，一個(gè)可選的導(dǎo)電層，如本文圖5C中所示的管式SOFC組件的實(shí)施例，和/或如美國專利5，993，989中所述的用于降低極化損耗的置于正極層和電極層之間的可選的中間層。燃料電池單元也可以為內(nèi)部改良型的，例如，如在美國專利申請(qǐng)公開2009/0023050中所述。
[0052]可以使用一種或多種已知和常規(guī)的管式陶瓷結(jié)構(gòu)的形成方法，例如擠出、注射成型、凝膠鑄造、熔模鑄造、浸潰涂布等，來制造管式燃料電池單元100和120。在圖1A的燃料電池單元100以及其他具有連續(xù)均勻的橫斷面的燃料電池單元的情況下，用來制備管式陶瓷結(jié)構(gòu)的新型方法，如均于2011年9月I日提交的共同轉(zhuǎn)讓未決的美國專利系列申請(qǐng)13/223，349和13223，359所述，是特別有利的。在對(duì)于制備圖1D的燃料電池單元120和其他具有非均勻的橫斷面的燃料電池單元有用的工藝中，有美國專利5，824，250中的凝膠鑄造成型工藝，它使用易變成型(fugitive mold)，以及美國專利6，547，210中的陶瓷注射成型工藝，它使用犧牲性的插入(sacrificial insert)。
[0053]燃料電池單元100和120為內(nèi)正極(燃料電極)_負(fù)載和外負(fù)極(空氣電極)類型。但是，包括內(nèi)負(fù)極層和外正極層的管式燃料電池單元和負(fù)極-負(fù)載和電解質(zhì)-負(fù)載的管式燃料電池單元結(jié)構(gòu)也可以考慮用于本發(fā)明的管式SOFC組件的結(jié)構(gòu)。
[0054]如圖2A所示，圖1A中相鄰的燃料電池單元100的一對(duì)200包括設(shè)置在成對(duì)的每個(gè)燃料電池單元的端部101和102處的共用的環(huán)式形狀的集電體201。每個(gè)集電體的凸電接觸面202與每個(gè)燃料電池單元的端部101和102處的電極的暴露的共形凹電接觸面203電接觸。
[0055]圖2B中所示的相鄰的燃料電池單元100的一對(duì)210與圖2A中的燃料電池對(duì)200相似，不同之處在于，燃料電池對(duì)210具有延伸在該燃料電池對(duì)的整個(gè)長度上的單個(gè)共用集電體211，取代了燃料電池對(duì)200的設(shè)置在燃料電池單元的端部101和102處的環(huán)形形狀的共用集電體201。集電體211優(yōu)選具有開孔例如具有縱縫212，以使兩個(gè)燃料電池單元的外負(fù)極層107能與空氣進(jìn)行更好的接觸。
[0056]下文中將進(jìn)行更充分地描述，各種電連接方式可以用于本文管式SOFC組件的燃料電池單元部件。
[0057]如圖2C和2D所示，圖2A的管式燃料電池對(duì)200為串聯(lián)電連接，共用環(huán)式集電體201的一個(gè)凸電接觸面202與內(nèi)正極層106的暴露的共形凹電接觸面203進(jìn)行接觸，集電體201的另一個(gè)凸電接觸面202與外負(fù)極層107的暴露的共形凹電接觸面203進(jìn)行接觸。
[0058]此外，圖2D還示出了包含在管式SOFC組件220中的圖2A的串聯(lián)連接的燃料電池對(duì)200。分別設(shè)置在成對(duì)的每個(gè)燃料電池單元100的端部201和202處的保持器221和222被配置用來保持這些端部和與其具有緊密配合例如摩擦配合關(guān)系的它們的共用環(huán)形形狀的集電體201。在圖2E和圖2F中，對(duì)圖2D的管式SOFC組件220的保持器221的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了更詳細(xì)地顯示。保持器221包括用于保持每個(gè)燃料電池單元100的第一端部101的通道223和用于保持前述的與其處于緊密配合關(guān)系的它們的共用集電體201的相鄰的凹槽224。位于非共用的集電體附近并與其電連接的槽225被提供用于使電導(dǎo)引線(未示出)連接到外部負(fù)載。
[0059]管式SOFC組件的保持器部件具有幾個(gè)基本功能。通過保持燃料電池單元的一個(gè)或多個(gè)部分和與其電連接的它們的共用集電體的至少一部分處于緊密配合關(guān)系，該保持器部件使該燃料電池單元和它們的共用集電體固定在組件內(nèi)，并固定它們相對(duì)于彼此的空間位置。此外，因?yàn)樵摷婓w部件的熱膨脹系數(shù)(CTE)高于它們的相聯(lián)的即相鄰的燃料電池單元的CTE，該保持器部件的CTE小于或等于燃料電池單元的CTE，所以在本文中包含有管式SOFC組件的燃料電池裝置的運(yùn)行期間，集電體的熱膨脹受保持器部件的約束，將產(chǎn)生施加到燃料電池單元的相聯(lián)的電極部件的電接觸面上的壓縮力，從而阻止集電體從電極的電接觸面分離或拉離的任何傾向。即使經(jīng)過無數(shù)次的燃料電池運(yùn)行的開關(guān)循環(huán)，正是這種壓縮力來使集電體與它們的相聯(lián)的電極元件保持充分完全的電接觸。
[0060]一般來說，集電體的CTE在800°C時(shí)可以在1.6-2 %的范圍內(nèi)，保持器的CTE在800°C時(shí)為0.6-0.72%，以及燃料電池單元的CTE在800°C時(shí)為1-1.22%。
[0061]本發(fā)明的管式SOFC的保持器部件可以由任何基本非導(dǎo)電的材料例如多種已知和常規(guī)的電中性的陶瓷例如氧化鋁、氧化鋯增韌氧化鋁、氧化鋯、氧化釔四方晶氧化鋯多晶體等中的任意一種來制備；當(dāng)然，前提是保持器部件的CTE不能超過相聯(lián)的集電體部件的CTE。保持器部件可以通過幾種已知和常規(guī)的方法例如制模、聯(lián)合制模和原始強(qiáng)度的材料的機(jī)加工后再進(jìn)行燒結(jié)，具有沖切或激光切割的切口的原始陶瓷坯片的部分的層壓后再進(jìn)行燒結(jié)等中的任意一種來形成。
[0062]圖2G，2H和21示出了本發(fā)明的管式SOFC組件的另一種實(shí)施例，其中燃料電池單元并聯(lián)電連接。圖2G中，燃料電池對(duì)230通過圖21所示的共用集電體201在第一端231處電連接正極至負(fù)極；以及圖2H中，燃料電池對(duì)230也通過圖21所示的共用集電體201在第二端232處電連接負(fù)極至負(fù)極。
[0063]進(jìn)一步地如圖21所示，分別設(shè)置在管式SOFC組件240的端部243和244處的保持器241和242被配置用來保持這些端部和它們的共用集電體處于緊密配合關(guān)系，而且，在圖2D的管式SOFC組件230的情況下，將防止或阻礙電接觸面遠(yuǎn)離彼此的任何顯著的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，否則將會(huì)導(dǎo)致電力-減少的歐姆損耗。
[0064]圖3A和3C所示的管式SOFC組件300示出了燃料電池單元100和交替的單端串聯(lián)的共用集電體201的電連接。如圖3B所示，保持器301 (和它的鏡像配對(duì)保持器302)包括通道303，用于保持每個(gè)燃料電池單元100的第一端部101，和相鄰的凹槽304，用于保持共用集電體201彼此處于緊密配合關(guān)系。鄰近非共用集電體307的槽305設(shè)置在保持器302的凹部306中，與引線308(圖3C)電連接，后者與外負(fù)載電連接(未示出)。
[0065]圖4A，4B和4C示出了本文的管式SOFC組件的實(shí)施例，這些組件的特點(diǎn)在于一個(gè)單一的保持器設(shè)置在每個(gè)燃料電池單元(圖4A的組件400)的一端，一個(gè)單一的保持器設(shè)置在每個(gè)燃料電池單元(圖4B的組件410)的中間部位，以及三個(gè)保持器，其中兩個(gè)在每個(gè)燃料電池單元(圖4C的組件420)的每個(gè)端部以及一個(gè)在中間部位。
[0066]圖5A和5C顯示了本發(fā)明管式SOFC組件500的結(jié)構(gòu)，其中，一個(gè)燃料電池單元100的凸面104朝向鄰近的燃料電池單元100的凹面105，共用集電體501設(shè)置在它們之間。如附圖5B所示，將集電體501限定為彎曲的平行四邊形橫斷面。圖5C進(jìn)一步顯示了置于外負(fù)極層107和集電體201之間的可選的導(dǎo)電層502。
[0067]圖6A、6B和6C示出了本發(fā)明管式SOFC組件600的另一個(gè)實(shí)施例，其中，負(fù)極空氣輸送管601置于集電體201的環(huán)形空間內(nèi)。雖然為了集電體201和保持器221在管式SOFC組件600中的正常工作，負(fù)極空氣輸送管601不必要延伸超過集電體201和保持器221，但是，通常優(yōu)選使負(fù)極空氣輸送管601超過相鄰的燃料電池100的至少一半長度，更優(yōu)選地，其超過該長度的三分之二左右，此時(shí)，相對(duì)較冷的空氣會(huì)從其排出。在管式SOFC組件600的一個(gè)變體中，不同于如圖6A-6C所示的負(fù)極空氣管601設(shè)置在組件的這一端，該空氣管設(shè)置在該組件的另一端。
[0068]負(fù)極空氣管601引入空氣，在環(huán)境溫度下，空氣首先從外部引入管式SOFC組件600，進(jìn)入并通過該組件，從而為該組件的運(yùn)行提供氧氣。該空氣還可以作為冷卻介質(zhì)，以保持該組件的運(yùn)行溫度在所需的范圍內(nèi)。因此，空氣經(jīng)過負(fù)極空氣管601可以為包含有管式SOFC組件600的燃料電池裝置，例如，圖9的燃料電池裝置900的排氣側(cè)提供溫度控制。這種周圍的空氣流還有利于冷卻集電體201，從而防止或降低其損壞的風(fēng)險(xiǎn)。而且，空氣流經(jīng)過負(fù)極空氣管601的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它允許燃料電池單元100在管式SOFC組件600中達(dá)到比實(shí)際可能或期望的更致密的填充。提高燃料電池單元的填充密度能降低組件的體積，產(chǎn)生更短的熱響應(yīng)時(shí)間并提高包含有該組件的燃料電池裝置的熱效率。
[0069]圖7A-7I表示本發(fā)明各種燃料電池單元-共用集電體結(jié)構(gòu)的橫斷面。
[0070]本發(fā)明管式SOFC組件中燃料電池單元的數(shù)量可以從最少兩個(gè)變化到任何所需的數(shù)量，由于考慮到成本、制造的適應(yīng)性和/或其他實(shí)際問題，可通過任何希望的方式或圖案進(jìn)行排列，例如，成對(duì)的，成三個(gè)的，成四個(gè)的等等，一列，多列等等。類似地，燃料電池單元、集電體和保持器的形狀以及它們的大小可以變化很大，當(dāng)然前提是充分地滿足功能需求。
[0071]在圖8A和8B中顯示了包含有本發(fā)明管式SOFC組件890的燃料電池裝置800，但是并沒有全封閉，以便更好地顯示其內(nèi)部組織。燃料電池裝置800包括第一風(fēng)機(jī)系統(tǒng)810 ；第一風(fēng)機(jī)系統(tǒng)810提供的正極空氣流與通過燃料口 895而引入的氣體燃料例如氣態(tài)烴、汽化的液態(tài)烴或醇混合，然后所產(chǎn)生的燃料-空氣混合物將被引入到燃料-空氣歧管820，并從此處進(jìn)入并通過管式SOFC組件890的每個(gè)燃料電池單元100的孔109，此處，其與內(nèi)正極層106接觸。第二風(fēng)機(jī)系統(tǒng)830提供負(fù)極空氣流，進(jìn)入負(fù)極空氣歧管840，在此處，其通過出口 850排出，來為該組件的每個(gè)管式SOFC單元100的外負(fù)極層107提供氧氣源。進(jìn)入負(fù)極空氣歧管840的空氣從熱的燃燒氣體中獲得熱量，該熱的燃燒氣體從尾部燃燒器860排出并進(jìn)入熱交換器870。虛線示出了從負(fù)極空氣歧管840的出口 850排出的加熱后的空氣的流動(dòng)路徑，其方向?yàn)榇笾聶M穿管式SOFC組件890的燃料電池單元的縱向軸線，通過該組件，并進(jìn)入尾部燃燒器860，此處，它給存在于源于燃料電池單元并進(jìn)入排氣歧管880的排氣中的未耗盡的燃料提供氧氣，以支持燃燒，并從此處進(jìn)入尾部燃燒器。最后，該熱的燃燒氣體進(jìn)入熱交換器870，此處，它們用于預(yù)熱由如前所述的第二風(fēng)機(jī)系統(tǒng)830提供的所進(jìn)入的負(fù)極空氣。風(fēng)機(jī)系統(tǒng)810和830，其結(jié)構(gòu)類似，在2011年6月24日提交的，申請(qǐng)?zhí)枮?3/168280，共同轉(zhuǎn)讓未決的美國專利中對(duì)它們的工作模式進(jìn)行了詳細(xì)地描述。示于虛線框內(nèi)的管式SOFC組件890的保持器部件891和892被分別設(shè)置在排氣歧管880和燃料-空氣歧管820的內(nèi)部，此處它們的功能如前所述。
[0072]圖9中，燃料電池裝置900包含具有負(fù)極空氣管的管式SOFC組件950，在此示于虛線框內(nèi)，與示于圖6A-6C中的燃料電池裝置非常相似，用來提供其初始路徑與燃料電池單元100的縱向軸線大致平行的負(fù)極空氣流。燃料電池裝置900進(jìn)一步包括第一風(fēng)機(jī)系統(tǒng)910，其提供正極空氣流，隨后混合燃料，例如包含有被引入燃料口 895氣態(tài)烴、汽化的液態(tài)烴或醇的燃料，所產(chǎn)生的燃料-空氣混合物然后進(jìn)入到燃料-空氣歧管920，此后進(jìn)入并通過管式SOFC組件990的每個(gè)燃料電池單元100的孔109，此處，其與內(nèi)正極層106接觸。第二風(fēng)機(jī)系統(tǒng)930使負(fù)極空氣流進(jìn)入負(fù)極空氣歧管940，并從此處進(jìn)入管式SOFC組件950的示于虛線框內(nèi)的每個(gè)負(fù)極空氣管951內(nèi)。當(dāng)負(fù)極空氣流過如箭頭所示的組件的長度方向時(shí)，它將吸收發(fā)生在燃料電池單元100內(nèi)部的燃料-空氣反應(yīng)所產(chǎn)生的熱量。然后該加熱的空氣在它的最遠(yuǎn)行程處進(jìn)入排氣歧管980，此處，所剩余的氧含量支持來自燃料電池單元100的未消耗的燃料的燃燒。最后，該熱的燃燒氣體將通過排氣導(dǎo)管990從燃料電池裝置900中排出。示于虛線框內(nèi)的管式SOFC組件950的保持器部件991和992被設(shè)置在該組件的相對(duì)的兩端，其中它們的功能如前所述。
[0073]與本發(fā)明管式SOFC組件相反，已知的管式SOFC組件缺乏這樣一種部件，該部件通過與本文保持器相同或類似的方式起作用。為了舉例說明這種差異和燃料電池裝置的運(yùn)行效果，圖10A，1B和1C舉例說明了美國專利申請(qǐng)公開2008/0063916所描述的一些代表性的管式SOFC組件，圖1lA和IlB舉例說明了美國專利6，379，831所描述的一些代表性的管式SOFC組件。
[0074]圖1OA和圖1OB中，以橫斷面示出的管式SOFC組件10包括被組件中的每個(gè)陶瓷燃料電池單元12所共用的一個(gè)單個(gè)的金屬集電體11。在初始，即新的條件及環(huán)境溫度下，在此認(rèn)為是20°C，集電體11的電接觸面和每個(gè)燃料電池單元12的共形電接觸面之間具有完全連續(xù)的接觸。然而，如圖1OB和圖1OC所示，在600-850°C的管式SOFC組件10的常規(guī)運(yùn)行溫度下，由于集電體11和燃料電池單元12在熱膨脹系數(shù)上的差異或失配，將使得這些部件的電接觸面彼此之間部分地分離，這種分離更詳細(xì)地如圖1OC中放大部分13的縫隙14所示。
[0075]圖1OC中，箭頭表示集電體11和燃料電池單元12的熱膨脹的大致方向。雖然集電體11對(duì)燃料電池單元12的一側(cè)15施加壓縮力，但是由于相對(duì)于燃料電池單電池單元12低很多的膨脹，該集電體的膨脹是不受約束，它將傾向于在燃料電池單元12相反的一側(cè)16與燃料電池單元12分開，從而產(chǎn)生縫隙14。這種集電體11和燃料電池單元12的電接觸面之間的部分分離或縫隙14將導(dǎo)致歐姆損耗，并伴隨有能量損失；隨著包含有管式SOFC組件10的燃料電池裝置的工作運(yùn)行以及開關(guān)循環(huán)的次數(shù)的增加，情況會(huì)更嚴(yán)峻。由于集電體部件11缺乏任何有效的彈性，當(dāng)開關(guān)循環(huán)的次數(shù)增加時(shí)，集電體11將越來越少地返回到其原來的幾何形狀，導(dǎo)致電接觸面上更大的縫隙以及相應(yīng)的更大的歐姆/功率損耗。盡管這樣的結(jié)果可以通過提供具有初始功率輸出額定值高于其標(biāo)準(zhǔn)額定值的更大的燃料電池單元來進(jìn)行抵消或補(bǔ)償，但是，對(duì)于偶爾發(fā)生的集電體和燃料電池單元部件的熱失配所引起的問題而言，該技術(shù)方案在經(jīng)濟(jì)上是不可取的。
[0076]以圖1lA所示的橫斷面和圖1IB所示的放大部分23示出的管式SOFC組件為固體氧化物燃料組件的另一種已知的類型，其中，在運(yùn)行溫度下(如由圖1lB中箭頭所示)，相對(duì)于它的相聯(lián)的陶瓷燃料電池組件22的熱膨脹，它的金屬網(wǎng)集電體部件21的不受約束的熱膨脹將導(dǎo)致在它們的電接觸面上形成縫隙24，以及隨之而來的歐姆和功率損耗。
[0077]根據(jù)本發(fā)明，至少一種保持器部件被配置用來保持集電體和它們的相聯(lián)的燃料電池單元彼此具有緊密配合關(guān)系，約束集電體的膨脹，以及通過使施加在相聯(lián)的燃料電池的電接觸面的膨脹力改變方向，使壓縮力施加到整個(gè)電接觸面上，從而防止在那些上面討論過的已知的管式SOFC組件上形成縫隙。
[0078]盡管基于說明的目的，本發(fā)明作了詳細(xì)的描述，可以理解的是，該詳述僅用于該目的，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在不脫離本發(fā)明權(quán)利要求書所限定的精神和范圍內(nèi)進(jìn)行變動(dòng)。
【權(quán)利要求】
1.一種管式固體氧化物燃料電池組件，包括: a)共用至少一個(gè)外部集電體的至少兩個(gè)軸向延伸的管式固體氧化物燃料電池單元，每個(gè)燃料電池單元包括: iii)第一和第二端部和在它們中間的中間部，以及 iv)內(nèi)電極層、外電極層和在它們中間的電解質(zhì)層； b)與至少兩個(gè)燃料電池單元的電極層電接觸的至少一個(gè)外部的共用集電體，該集電體的熱膨脹系數(shù)高于燃料電池單元的熱膨脹系數(shù)，該集電體和每個(gè)與其電接觸的電極層具有基本共形的電接觸面；以及， c)至少一個(gè)保持器，其被配置用來保持至少兩個(gè)燃料電池單元的至少一部分和共用集電體的至少一部分處于緊密配合關(guān)系，該保持器的熱膨脹系數(shù)小于或等于集電體的熱膨脹系數(shù)，當(dāng)熱膨脹時(shí)，集電體保持在保持器中的部分在壓縮狀態(tài)下置于與其電接觸的每個(gè)燃料電池單元的電極表面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的管式固體氧化物燃料電池組件，其中，所述內(nèi)電極層為正極，所述外電極層為負(fù)極。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的管式固體氧化物燃料電池組件，進(jìn)一步包括與所述外電極層電接觸的導(dǎo)電層(iii)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的管式固體氧化物燃料電池組件，其中，集電體僅被相鄰的燃料電池單元所共用。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的管式固體氧化物燃料電池組件，其中，集電體被相鄰的和不相鄰的燃料電池單元所共用。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的管式固體氧化物燃料電池組件，其中，集電體被所有的燃料電池單元所共用。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的管式固體氧化物燃料電池組件，其中，所述集電體具有至少兩個(gè)電接觸面，與其電接觸的每個(gè)燃料電池單元的電極層的相對(duì)應(yīng)的共形面為直的或曲的。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的管式固體氧化物燃料電池組件，其中，所述集電體具有至少兩個(gè)凸的電接觸面，與其電接觸的每個(gè)燃料電池單元的電極層的相對(duì)應(yīng)的共形面為凹的。
9.根據(jù)權(quán)利要求7的管式固體氧化物燃料電池組件，其中，所述集電體具有至少兩個(gè)凹的電接觸面，與其電接觸的每個(gè)燃料電池單元的電極層的相對(duì)應(yīng)的共形面為凸的。
10.根據(jù)權(quán)利要求7的管式固體氧化物燃料電池組件，其中，所述集電體具有至少兩個(gè)電接觸面，一個(gè)面為凸的并與一個(gè)燃料電池單元的電極層的凹的電接觸面電接觸，以及另一個(gè)面為凹的并與相鄰的燃料電池單元的電極層的凸的電接觸面電接觸。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的管式固體氧化物燃料電池組件，包括兩個(gè)外部的共用集電體，一個(gè)集電體的電接觸面與位于每個(gè)燃料電池單元的第一端部的電極表面電接觸，以及另一個(gè)集電體的電接觸面與位于每個(gè)燃料電池單元的第二端部的電極表面電接觸，有兩個(gè)保持器，一個(gè)保持器用于保持每個(gè)燃料電池單元的第一端部和它們的共用集電體，另一個(gè)保持器用于保持每個(gè)燃料電池單元的第二端部和它們的共用集電體。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的管式固體氧化物燃料電池組件，其中，所述保持器包括用于保持每個(gè)燃料電池單元的一部分的通道，和一個(gè)用于保持每個(gè)共用集電體的至少一部分的相鄰的凹槽或通道。
13.根據(jù)權(quán)利要求11的管式固體氧化物燃料電池組件，其中，每個(gè)保持器包括用于保持每個(gè)管式固體氧化物燃料電池單元的一部分的通道，和用于保持每個(gè)共用集電體的至少一部分的相鄰的凹槽或通道。
14.根據(jù)權(quán)利要求4的管式固體氧化物燃料電池組件，其中，將位于端部的與相鄰的燃料電池單元的電極電接觸的所述共用集電體的橫斷面限定為圓、橢圓、凹和凸的曲線的交替序列或者彎曲的平行四邊形。
15.根據(jù)權(quán)利要求4的管式固體氧化物燃料電池組件，其中，將不同于與共用集電體電接觸的面的燃料電池單元的橫斷面，限定為圓、橢圓或交替的一系列的凹的或凸的曲線。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的管式固體氧化物燃料電池組件，其中，將相鄰的燃料電池單元的橫斷面限定為兩個(gè)凸曲線與兩個(gè)凹曲線交替的序列，一個(gè)燃料電池單元的橫斷面的凸曲線朝向相鄰的燃料電池單元的橫斷面的大致共形的凹曲線，所述共用集電體具有被限定為彎曲的平行四邊形的橫斷面。
17.根據(jù)權(quán)利要求1的管式固體氧化物燃料電池組件，其中，不同表面的接縫處為圓的，以分散或者降低此處的熱致機(jī)械應(yīng)力。
18.根據(jù)權(quán)利要求1的管式固體氧化物燃料電池組件，其中，所述共用集電體為有孔的管，用于使氣體經(jīng)此循環(huán)通過并與所述外電極層接觸。
19.根據(jù)權(quán)利要求1的管式固體氧化物燃料電池組件，其中，所述共用集電體具有通道，以及設(shè)置在所述通道內(nèi)的負(fù)極空氣管。
20.一種包含有權(quán)利要求1的管式固體氧化物燃料電池組件的燃料電池裝置。
【文檔編號(hào)】H01M8/24GK104272514SQ201380012074
【公開日】2015年1月7日 申請(qǐng)日期:2013年2月28日 優(yōu)先權(quán)日:2012年3月1日
【發(fā)明者】凱恩·M·芬尼特, 保羅·德瓦爾德 申請(qǐng)人:瓦特燃料電池公司