燃料电池组组件的制作方法

公开了一种燃料电池组组件。特别地，公开了一种具有热和机械顺应性的燃料电池组组件。

背景

某些燃料电池组组件必须在高温下运行。高温燃料电池组件的一个示例是固体氧化物燃料电池组件。目前固体氧化物燃料电池的主要变型是管状固体氧化物燃料电池(t-sofc)、平面固体氧化物燃料电池(p-sofc)以及整体式固体氧化物燃料电池(m-sofc)。

管状固体氧化物燃料电池包括具有内电极和外电极的管状固体氧化物电解质构件。通常内电极是阴极，且外电极是阳极。氧化剂气体被供给到管状固体氧化物电解质构件的内部中的阴极，并且燃料气体被供给到管状固体氧化物电解质构件的外表面上的阳极。(这种布置可以是相反的)。管状固体氧化物燃料电池允许简单的电池堆叠布置并且大体上没有密封件。然而，这种类型的固体氧化物燃料电池的制造是非常复杂的、人力密集的和昂贵的。此外，这种类型的固体氧化物燃料电池由于通过相对大直径的管状电池的长电流传导路径而具有相对低的功率密度。

整体式固体氧化物燃料电池具有两种变型。第一变型具有平面固体氧化物电解质构件，该平面固体氧化物电解质构件在其两个主要表面上具有电极。第二变型具有波纹状固体氧化物电解质构件，该波纹状固体氧化物电解质构件在其两个主要表面上具有电极。整体式固体氧化物燃料电池适用于更简单的流延成型和轧光滚轧(calendarrolling)制造工艺，并且保证更高的功率密度。这种类型的固体氧化物燃料电池需要从其坯体状态(greenstates)将整体中的所有燃料电池层共烧结。然而，这导致严重的收缩和开裂问题。这种类型的固体氧化物燃料电池不容易扩展和密封。

平面固体氧化物燃料电池也适用于流延成型和轧光滚轧制造工艺。目前，它需要限制性能的厚度为150-200微米的自支撑固体氧化物电解质构件。平面固体氧化物燃料电池也具有有限的耐热冲击性。

固体氧化物燃料电池需要约700℃至约1000℃的运行温度以在活性燃料电池内实现所需的电解质性能。

固体氧化物燃料电池组件的运行温度原则上足够高，用于固体氧化物燃料电池组内部的烃燃料的蒸汽重整。内部蒸汽重整将简化固体氧化物燃料电池组件(或固体氧化物燃料电池组)的设施平衡并提高运行效率。然而，固体氧化物燃料电池组内的烃燃料的重整有许多尚未解决的问题。固体氧化物燃料电池组中的烃燃料的全部内部重整被蒸汽重整反应的强烈吸热性质以及精密燃料电池的相应热冲击所排除。固体氧化物燃料电池中镍金属陶瓷阳极的内部重整倾向于催化碳的形成。

本发明的实施方案试图提供一种新颖的燃料电池组件，该燃料电池组件在冷起动直到正常运行温度期间具有良好的热和机械顺应性。

ep0668622b1公开了一种固体氧化物燃料电池，该固体氧化物燃料电池包括多个模块。这些模块中的一些包括中空构件，该中空构件具有两个平行的平坦表面，固体氧化物燃料电池布置在在该两个平行的平坦平面上。每个模块的相对端通过顺应性波纹管连接部连接到反应物歧管。

然而，这种布置在固体氧化物燃料电池组中不能提供足够的热和机械顺应性，而使固体氧化物燃料电池组中的机械应力和热应力最小化。

ep1419547b1公开了一种固体氧化物燃料电池组，该燃料电池组包括多个模块，模块包括长形中空构件，中空构件具有用于反应物流动的通路。模块布置成使得每个模块的至少一个端部连接到相邻模块的端部，以允许反应物以蛇形类型布置顺序地流动穿过模块。

然而，该布置仅在束内提供热和机械顺应性，并且不防止在相邻的束之间产生热应力和机械应力。此外，该布置不解决燃料电池管在整个组中的燃料分布的问题。

简要概述

根据第一方面，提供了一种燃料电池组件，该燃料电池组件包括至少一个燃料电池条，每个条包括：

燃料进料管道；

燃料出口管道；以及

多个束，每个束包括多个管子组件，每个管子组件包括燃料电池管，管子组件由连接相邻的管子组件的端部配件纵向隔开，端部配件提供用于燃料的通路；

其中，每个束的相应的最下或最上管子组件中的一个包括将束连接到燃料进料管道部分的歧管端部配件，并且每个束的相应的最下或最上管子组件中的另一个包括将束连接到燃料出口管道部分的歧管端部配件；并且

其中，来自相邻的束的相邻的歧管端部配件被膨胀间隙隔开。

通过膨胀间隙隔开的歧管端部配件的这种布置的优点在于，每个束中的热应力和机械应力从每个束传播到燃料进料管道和燃料出口管道，而不从束传播到相邻的束。通过端部配件和燃料入口管道以及燃料出口管道的组合产生机械负载路径，使得组内的机械负载沿每个束的端部配件传播(而不是通过更精密的燃料电池管传播)。相邻的束之间的膨胀间隙提供相邻的束之间的机械负载隔离，因此，束中的任何机械应力被引向燃料入口管道和燃料出口管道。此外，相邻的束之间的膨胀间隙适应束的热膨胀，而不在条架构上产生额外的机械负载。

可选地，歧管端部配件可以经由燃料进料管道的区段和燃料出口管道的区段连接到相邻的束的歧管端部配件。

燃料进料管道和燃料出口管道形成为区段，使得燃料进料管道的区段和燃料出口管道的区段的组合形成条燃料进料管道和条燃料出口管道。燃料出口管道和燃料进料管道通常比管子组件更强健，因此更能够承受燃料电池条中的热应力和机械应力。因此，该布置支持通过管子组件的端部配件并朝向燃料进料管道和燃料出口管道的机械负载路径。

可选地，相邻的束之间的膨胀间隙可以配置成提供在相邻的束之间的空隙以适应束的热膨胀。

相邻的束之间的膨胀间隙提供足够的空隙，使得导致束膨胀和收缩的燃料电池条内的温度差不会不利地影响条的整体结构。

可选地，燃料进料管道和燃料出口管道可以被约束在燃料电池组内。

以这种方式约束燃料进料管道和燃料出口管道改进运输期间的组完整性。

可选地，连接到束的燃料进料管道和燃料出口管道的布置可以约束管子组件在束内的移动。

可选地，端部配件的热膨胀系数(cte)可以与燃料电池管的cte相匹配。

将端部配件的cte与燃料电池管的cte相匹配可以减少端部配件和燃料电池管的相对膨胀和收缩。

可选地，燃料进料管道和燃料出口管道的热膨胀系数(cte)可以与端部配件的cte相匹配。

这在燃料电池组的入口燃料温度和出口燃料温度可能不同时的起动期间尤其重要。

可选地，第一端部配件和第二端部配件由防渗的氧化镁铝酸镁(magnesiamagnesiumaluminate)(mma)陶瓷材料制成。

mma陶瓷材料特别适用于部件，这是由于可以使用已知的技术(例如，注射成型)来形成mma。mma陶瓷材料还能够承受在燃料电池内所经历的高温。

可选地，燃料进料管道和燃料出口管道可以由致密防渗的陶瓷材料制成。

致密的防渗的陶瓷材料能够承受比燃料电池模块陶瓷材料更大的机械应力，因此燃料进料管道和燃料出口管道能够承受整个条的机械负载。

可选地，端部配件可以设置有对准特征，该对准特征配置成与相邻的端部配件联接，以促进相邻的端部配件之间的对准。

在端部配件上设置对准特征能够更容易地建立束和燃料电池条。

可选地，端部配件可以包括用于支撑燃料电池管的壁架，该壁架配置成提供在一个管子组件的燃料电池管和相邻的管子组件的燃料电池管之间的间隙。

附图简述

在下文中参考附图进一步描述本发明的实施方案，在附图中：

图1是燃料电池组；

图2是管子组件；

图3是端部配件；

图4示出了通过管子组件的燃料流动路径；

图5是燃料电池束，具有示出燃料管道的插入件；

图6是歧管端部配件；

图7是燃料电池条；

图8是示出主机械负载路径的燃料电池条的区段；

图9示出了燃料电池条的区段，示出了相邻的束之间的膨胀间隙。

详细说明

在所描述的实施方案中，已经用类似的数字标识了类似的特征，尽管在一些情况下具有整数倍100的增量。

燃料电池组组件是至少一个燃料电池组的组件。

固体氧化物燃料电池组10包括至少一个燃料电池条12，每个条12包括多个束14，并且束14大体上上彼此平行地布置，如图1中所示。每个束14包括多个管子组件16，并且每个管子组件16包括燃料电池管18，燃料电池管18包含多个燃料电池。图2示出了管子组件16，图3示出了端部配件22，且图4示出了穿过管子组件的燃料流动路径。燃料电池管18具有至少一个通路20，该至少一个通路纵向延伸穿过燃料电池管18用于反应物的流动。

燃料电池管18是多孔氧化镁铝酸镁(mma)管，并且为了简单起见，没有示出燃料电池。管子组件包括燃料电池管18和在燃料电池管的每个端部上的防渗的mma端部配件22、24。图3示出了mma端部配件22。

管被布置在端部配件22、24上，使得每个管子组件包括在相对的端部处的端部配件22、24。燃料电池管由l形端部配件22、24支撑。端部配件具有用于将燃料电池管18安装到端部配件上的第一密封面30和第二密封面32。第一密封面和第二密封面大体上垂直，并且第一密封面界定壁架30，用于燃料电池管的靠近端部的表面附着到端部配件。第二密封面界定燃料电池管的端部所附着的表面。第二密封面和燃料电池管的端部之间的连接部形成在燃料电池管18和端部配件22、24之间的气密路径28。燃料电池管和端部配件用陶瓷玻璃浆料或其它固定装置密封。

端部配件由诸如mma陶瓷材料的防渗的材料制成。能够承受燃料电池组的运行温度并具有与燃料电池管的cte相匹配的热膨胀系数的任何防渗的材料都适于生产端部配件。此外，与燃料电池管相比，防渗的端部配件能够承受大的压缩负载。

端部配件通过注射成型工艺生产。注射成型是广泛使用的制造工艺，用于使用精密加工的模具来生产零件以形成几何精确的零件。替代地，端部配件还可以使用压制成型生产。压制成型或压制工艺提供如由本发明的实施方案所要求的类似的几何精确的零件。

需要数种类型的端部配件来生产燃料电池束。图3中示出了第一类型的端部配件22。图4中示出了第二类型的端部配件24(联接到第一类型的端部配件22)。如图4所示的第一类型和第二类型的端部配件联接在一起，并且完整的端部配件将第一管子组件的一个端部与相邻的管子组件的一个端部连接以形成穿过管子组件的束的蛇形流动路径。

相邻的管子组件16布置成在束14中大体上彼此平行，并且这些管子组件隔开，使得一个燃料电池管子组件16的燃料电池管18不接触相邻的管子组件16的燃料电池管18。

在燃料电池管18之间产生间隔，以允许氧化剂在运行期间在管之间流动。

当管子组件16堆叠在彼此的顶部上时，相邻的管18之间的间隙是由管子组件16的端部帽22和24产生。管子组件16经由端部配件22、24连接到相邻的管子组件。使用端部配件与燃料电池管组合以制造管子组件16的好处是众多的，并且包括最小化在构建燃料电池条12时所需的部分的数量。因此，管子组件16是单个部分。以模块化方式构建组不需要复杂的燃料电池管密封程序。

对准特征64、34设置在每个端部配件上以减少复合制造公差。

对准特征包括定位销64，以为一个管子组件与相邻管子组件的端部配件的非结合的联接部63提供精确对准(positivealignment)。非结合的联接部改进燃料电池条的热顺应性，这是由于非结合的联接部适应热膨胀的小变化。非结合的联接部帮助适应束从室温起动至燃料电池组的运行温度的热膨胀。特别重要的是适应主条进料管道附近的耐热性，这是由于靠近主条进料管道存在大的温度梯度。此外，由于燃料压力引起的机械应力有助于在主条进料管道区域附近或在主条进料管道区域中经受的附加的机械应力。制造公差还被包容在结合的联接部内。

入口燃料管道和出口燃料管道由防渗的陶瓷mma材料制成，其中cte与毗邻的部件相匹配，以最小化热应力。

每个端部配件包括结合的接合部37、62和非结合的联接部63。气密接合部(结合的接合部)使用玻璃陶瓷流延成型垫圈形成。结合的接合部37、62为联接的端部配件之间的燃料提供了流动路径，并且使用玻璃陶瓷材料或类似物产生气密密封。非结合的联接部位于端部配件的相反的面上，并且设置有定位销64或定位插座63。相邻的端部配件的定位销64和定位插座63联接在一起以形成非结合的联接部。

定位销64是圆柱形的。圆柱形定位销64布置成与槽62联接以在相邻的管子组件之间提供纬向限制，同时允许相邻的管子组件之间的有限的纵向运动。还设想其它形状的定位销，其中相邻的子组件之间的运动能够在一个方向上被约束并允许在另一个方向上的少量运动。

端部配件由具有与燃料电池管的cte相匹配的端部配件的热膨胀系数(cte)的材料制成。固体氧化物燃料电池需要约700℃至约1000℃的运行温度以在活性燃料电池内实现所需的电解质性能；例如，在冷起动期间，大的温度变化可能导致部件的大的膨胀和收缩，并且cte的不匹配可能对组10的机械和热完整性产生不利影响。即使在正常运行温度下，整个组和整个管子组件也发现了一些温度变化。因此，通过将端部配件的cte与燃料电池管的cte相匹配，减少了由管和端部配件的热变化引起的机械应力。

如上所述，为了以模块化的方式建立燃料电池组、条或束，需要数种类型的端部配件。例如，如图5所示的束可以包括两个、四个、六个或更多个管子组件。

在优选的实施方案中，六个管子组件堆叠在彼此顶部上以形成束。

在束中，最上管子组件16”和最下管子组件16’设置有用于经由歧管端部配件26、27将束连接到燃料入口管133和燃料出口管135的装置。束具有用于从最下管子组件16’到最上管子组件16”的反应物入口和反应物出口并且因此穿过束14的装置。最下管子组件16’和最上管子组件16”的终端上的歧管端部配件分别具有连接到燃料入口管道部分133和燃料出口管道部分135的装置，其形成了燃料进料管道和燃料出口管道。

燃料入口管道部分133和燃料出口管道部分135包括设置成加强管道部分并改进燃料流动的柱。该束经由部分133、135连接到主条燃料进料管道和燃料出口管道，部分133、135经由玻璃陶瓷流延成型密封垫圈连接到燃料歧管端部配件26、27。这些部分设置有套筒和凸缘。套筒设置有对准特征，以改进部分133、135与歧管端部配件26、27的对准。

歧管端部配件设置有插座和凸缘以连接到如图6所示的部分。插座和凸缘提供用于束内的机械应力和热应力从束的端部配件传播到燃料管道的机械路径。提供从束到燃料歧管端部配件和燃料管道的机械路径的优点是机械应力和热应力传播通过燃料管道，并且不会从一个束传播到相邻的束。热应力和机械应力的转移增加了相对较脆弱的燃料电池管的耐久性，并且增加了燃料电池组的使用寿命。

燃料入口管道和燃料出口管道还可以布置成替代构型，在该替代构型中，最上管子组件16”和最下管子组件16’的终端上的歧管端部配件具有用于分别连接到燃料入口管道部分和燃料出口管道部分135的装置。燃料入口管道部分、燃料出口管道部分以及歧管端部配件连接在一起以形成条燃料管道。

图6示出了入口歧管端部配件26的透视截面图；类似的设计特征也存在于出口歧管端部配件27(未示出)上。燃料连接器103布置成将燃料管道部分133、135连接到燃料流动路径102，或者将燃料管道直接连接到孔104。燃料连接器设置有如上所述的插座158和凸缘159以及用于燃料管道部分的对准特征152置于其中的狭槽152。柱(或腹板)138提供不同的通道105，长度取决于靠近燃料连接器并因此靠近主入口燃料管道的通道。这种布置被设计成为每个燃料电池通道139提供恒定的燃料流。入口歧管端部配件内的燃料进料口104被单独地设定尺寸以实现来自入口燃料管道和流动路径102内的期望的压降，从而结合口104实现所需的流动分布。

歧管端部配件包括改进整个束的燃料流动分布的特征(腹板和通道138、139、孔104、105以及内部燃料腔室102)，同时还提供如下所述的条中的束的热和机械顺应性。

图7示出了条组件，该条组件包括连接到多个燃料入口管道部分133和多个燃料出口管道部分135的十二个束14，以形成主条燃料管道。入口燃料管道(由部分133形成)和出口燃料管道(由部分135形成)连接到主条燃料出口136、主条燃料进料口134。歧管端部配件经由入口燃料管道部分133和燃料出口管道部分135连接在一起。歧管端部配件提供气密流动路径，用于反应物从端部配件流到管子组件的第一端部。

这种布置提供了简单的设计。束通过主条入口燃料管道进料，且燃料经由主条出口燃料管道离开束。

燃料入口管道和燃料出口管道被约束以减少管子组件在条内的移动。然而，束内的非结合的接合部允许相邻的管子组件之间的一些水平运动，并适应制造公差。

相邻的端部配件之间的非结合的联接部142和结合的接合部144的组合在束和条内提供另外的机械和热顺应性。非结合的联接部142允许相邻的管子组件之间的水平和/或纵向相对移动，而结合的接合部144保持用于整个管子组件和燃料电池管中的燃料的气密流动路径。

反应物歧管具有至少一个凸缘和用于连接到燃料管道部分的至少一个插座。凸缘和插座布置成使得当相邻的束堆叠在一起时，在两个相邻的束之间存在膨胀间隙140，如图8所示。

膨胀间隙140提供在相邻的束之间的空隙。膨胀间隙140因此提供了必要的空隙来适应由于入口燃料管道、出口燃料管道和管子组件内的燃料电池管以及束之间的温差引起的热膨胀变化。

图8示出了条组件和歧管端部配件26的区段，并示出了用于在条内的机械应力传播的优选的机械负载路径150。为了提供一种布置，在该布置中防止机械应力在燃料电池管内建立以及从一个束传递到相邻的束，歧管端部配件被膨胀间隙140隔开。

当束堆叠在一起时，膨胀间隙140使用定位在入口歧管和出口歧管之间的可移除间隔件形成。在条被烧结之后(并且端部配件之间的所有结合的接合部被固定)，歧管端部配件之间的间隔件被移除，留下间隙，该间隙防止一个束内的机械负载传播到相邻的束并因此传播到束的整个条。

在图8中用箭头表示了机械负载路径150。每个束内的机械应力通过端部配件传播而不是通过更脆弱的燃料电池管传播，这是由于间隙23防止相邻的管子组件的燃料电池管彼此接触。歧管端部配件26、27提供远离管子组件16和燃料电池管18的朝向燃料管道133、134的机械负载路径。陶瓷燃料管道133、134比燃料电池管更强健，并且能够吸收额外的机械应力而不退化或损坏。歧管端部配件26、27经由气密接合部连接到燃料管道。

图9示出了如何实现燃料电池条内的热顺应性。相邻的束14之间的膨胀间隙140提供空隙，以适应由于燃料入口流和出口流与束内的燃料电池管之间的温差引起的热膨胀变化。

在某些示例中，端部配件设置有对准特征，对准特征配置成与相邻的端部配件联接。对准特征有助于相邻的端部配件之间的对准，同时适应热应力和机械应力。对准特征进一步促进相邻的端部配件之间的对准，同时适应相邻的端部配件之间的制造公差。

对于本领域技术人员将清楚的是，关于上述任何实施方案描述的特征可以在不同实施方案之间可互换地应用。上述实施方案是示出本发明的各种特征的示例。

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