专利名称：一种无需密封的径向固体电解燃料电池组设计的制作方法
技术领域：
本发明总的来讲涉及一种燃料电池制造技术。具体地讲，涉及固体电解平面燃料电池的制造。
背景技术：
燃料电池是一种电转换装置，其中燃料与氧化剂进行电化学反应产生直流电流。燃料电池一般包括阴极材料，电解材料和阳极材料。电解材料是夹在阴极材料和阳极材料之间的无孔材料。各个电化学电池单元通常产生不大的电压，因此，要取得可实际应用的高压，多个电化学电池单元串联到一起形成电池组。多个电池之间的电连接的实现是通过相邻电池的阴极和阳极之间电连接。电连接还提供了通道，允许氧化剂流体流过阴极，燃料流体流过阳极，并保持这些流体互相分隔开。燃料电池组一般还包括管路或歧管，使燃料和氧化剂进出电池组。
燃料和氧化剂流体一般是气体，连续地流过分隔的通道。电化学转换发生在各个电极(阴极和阳极)和电解材料的三相边界处或在其附近。燃料与氧化剂进行电化学反应，产生直流电输出。阳极或燃料电极增加了发生在燃料侧的电化学反应速率。阴极或氧化电极在氧化剂侧具有类似的作用。
带有固体电解材料的燃料电池是电力生产最有前途的技术。固体电解材料可以是离子传导陶瓷或是离子传导聚合物膜。在前一种材料的情况下，电解材料一般用陶瓷制成，如强氧化钇稳定氧化锆陶瓷(YSZ)，该陶瓷是电子的非导体，这保证了电子必须通过外部电路来作有用功。使用这样的电解材料，阳极通常为Ni/YSZ金属陶瓷。而阴极通常采用锶掺杂亚锰酸镧。
或许，使用陶瓷膜的最先进的设计是基于立方氧化锆电解材料的管状固体氧化物燃料电池。管状结构可以装配到较大的单元中且不需要密封。这在工程上是最大优点。但是管状固体氧化物燃料电池通过电化学气相沉积工艺来制造，速度慢成本高。燃料电池的管状几何形状还将单位能量密度限制在很低值，无论是根据重量或是根据体积的值都低。电子通路也长，由于内部电阻热可导致高能量损耗。由于这些原因，都在积极地寻求平面电池的其他结构。
平面电池组结构的一种技术方案安装了立体结构的横向流动热交换器。平面横向流动燃料电池是由交替的平面单个电池膜(阳极/电解材料/阴极三层结构)和双极板(可从一个电池传导电流到另一个电池并提供气体流入立体结构或电池组的通道)组成。双极板通常是由适当的金属材料制成。横向流动电池组在四个表面上安装了多个歧管，用于外部燃料和氧化剂气体的供应。
但是，横向流动或立体设计要求大范围的密封，无论是在密封界面的数量上还是这些界面的线性尺寸都很大。后者增加了电池组的覆盖区，并在金属和陶瓷电池部件没有很配合的热膨胀系数时导致严重的问题。热膨胀系数严重不配合将导致热应力，在从操作温度冷却下来时热应力可造成灾难性的破坏。
一种平面横向流动或立体设计的替代方案是平面径向流动设计，例如，美国专利No.4,770,955公开了一种环形的阳极、阴极和夹在其间的电解材料。环形的分隔板将阳极、阴极和电解材料组件夹在中间。并介绍上述元件设有两个孔，并连接两个管。一个管供应燃料流体而另一个供应氧化剂流体。阴极通过密封一个分隔板和电解材料的管状垫圈避免了与另一个管中的氧化剂直接接触。但该设计具有固有的缺点，即缺乏很好的流动控制，这是由于该设计基于电极的多孔性和多孔电极从管开始的径向长度。另外，管的非对称位置造成了不同的流动路径长度，流动路径长度是以管为中心的圆心角的函数，因此形成不均匀流动分布。美国专利No.5,589,285类似于上述专利。
在另一个径向燃料电池组的设计中，美国专利No.4,490,445提出了另外一种圆形的电池和导电板。电池和导电板沿圆周边设置了孔，形成燃料和氧化剂的入口和出口。导电板沿周边设置了圆周向凸沿，以提供与电池的密封。导电板还在相对面上设有槽，形成了径向和圆周方向的流动，尽管主要是沿圆周方向的流动。由于存在一定程度的随意流动路径，可以设想存在不均匀的流动分布。
美国专利No.4,910,100公开了径向燃料电池组设计的不同实施例，该设计包括位于电池组中心区的燃料和氧化剂通道。在燃料和氧化剂通道上的气体孔可向与单个环形电池交替设置的环形分隔板的两面供应流体。设在分隔板两面上的引导片将从电池组中心区流出的燃料和氧化剂引导到周围区域。该专利宣布分隔板和电池层叠在一起不要求进行气体密封。但是，该设计存在一些缺点包括由于使用两个内歧管造成氧化剂和燃料气体的不均匀分布和各个元件采用沉重的全陶瓷结构。
最近，美国专利No.5,549,983中，采用固体电解材料的同向流动平面燃料电池组包括了带有燃料和氧化剂空腔的内歧管。围绕歧管设置的管状多孔件可控制径向燃料和氧化剂流动。管状多孔件还可以称作流体分配件或简单地称作流体分配器。阳极/电解材料/阴极组成的环形平面电池围绕多孔件设置。环形分隔板夹在各个电池和各个导电件之间。单个电池和分隔板从其内径延伸到内歧管。因此，要使用密封剂来密封分隔板及单个电池和歧管及多孔件。
内部设置歧管的径向电池组设计与横向流动电池组相比要求很少的玻璃基密封，特别是在所要求的气流通过双空腔中心歧管引入电池组的情况下。先进的径向电池组设计将所要求的玻璃密封的数量减少到每个电池为两个，每个分隔板一个。在电池组组件期间进行的两个密封是盲密封，其完整性不能进行检查和修理。
用玻璃基密封剂密封横向流动或径向电池组的物理完整性和机械可靠性目前尚不令人满意。此外，玻璃基密封剂是硅酸盐玻璃。其成分中含有碱金属和碱土金属离子，这种玻璃在氧化锆基固体氧化物燃料电池的操作温度下和粘性状态下是可以电解的。事实上，这种玻璃基密封剂具有腐蚀电池组互相连接的金属和电池的倾向，使电池组的性能下降，从而严重地限制了电池组寿命。换句话，目前的电池组设计所需要的玻璃基密封剂对电池组性能存在不希望有的影响，是不希望有的。
可以看到，有必要改进燃料电池组的设计。尤其是，有必要使径向流动燃料电池组减少所要求的密封量和减少使用密封剂材料来分隔燃料和氧化剂气体流的必要性。燃料电池组还有必要提供更均匀的流动场，因而，更均匀的电流密度和温度分布。
发明内容
本发明针对基于平面固体电解材料的电池提出了一种新的燃料电池组设计。具有已知平面固体电解材料的燃料电池是聚合物电解膜(PEM)和固体氧化物燃料电池。特别地，本发明提供了一种不对称的燃料电池组设计，反应气流沿径向流动，可消除采用密封剂来分隔反应气流的必要。
在本发明的一个方面，燃料电池组系统包括第一可渗透或互相连接层，第二可渗透或互相连接层，连续的电池，燃料供应件，和氧化气体供应件。连续电池设置在第一和第二互相连接层之间，不需使用密封剂可将燃料和氧化气体流分隔。燃料供应件可供应燃料进入与连续电池的阳极电极接触的第一互相连接层。燃料供应件在第一互相连接层的外边和中心空腔之间延伸。燃料供应件连接到临近第一互相连接层外边的外部燃料歧管。另外，氧化气体供应件可供应氧化气体进入与连续电池的阴极电极接触的第二互相连接层。氧化气体供应件在第二互相连接层的外边和中心空腔之间延伸。氧化气体供应件连接到临近第二互相连接层外边的外部氧化气体歧管。
在本发明的另一方面，形成燃料电池组的工艺包括步骤提供具有内空腔的第一互相连接或可渗透层，在第一互相连接层上设置连续的电池，在连续的电池上设置具有内空腔的第二互相连接或可渗透层，连接第一互相连接层的内空腔到位于燃料电池外的燃料歧管，并连接第二互相连接层的内空腔到位于燃料电池外的氧化气体歧管。
通过参考下面的附图、介绍和权利要求，将对本发明的上述和其它特征，方面、和优点有更好的理解。
图1是本发明的具有两个电池的不用密封的燃料电池组系统的示意剖视图；图2A是本发明的不用密封的燃料电池组系统的一个电池子系统的示意图；图2B是图2A所示电池子系统的示意性部分平面图，其中供应件已经在一个电池子系统中；图2C是图2B所示供应件的示意性侧视图；图3是本发明的具有两个电池的不用密封的燃料电池组系统的实施例的示意部分分解图；图4是比较图1所示的两个电池的燃料电池组系统中电池的电压、电流密度和能量密度特性的图表；图5是比较两个电池和两个电池组在电流负荷为45A和在一定时间范围的电压特性的图表。
具体实施例方式
本发明针对基于固体电解材料的平面电池提出了一种新的燃料电池组设计。具有已知固体电解材料的平面的燃料电池是聚合物电解膜(PEM)和固体氧化物燃料电池。特别地，本发明提供了一种不对称的燃料电池组设计，反应气流在径向流动，可减少采用密封剂来分隔反应气流的必要。术语“无密封电池组”设计在这里用来表示电池组结构中不用密封剂来分隔反应气体。
本发明的电池组设计的不对称特点是连续的电池和连续的分隔板的圆形覆盖区、电池组采用的互相连接层、在连续的电池的中心或其附近引入反应气体流、和气体流径向流动到连续电池的边并离开电池组结构带来的结果。连续电池和连续分隔板的圆覆盖区，以及反应气体的径向流动导致了电池组电流和温度分布的轴向对称，减少了可能出现的热应力。属性术语“连续的”在这里表示没有开口和整个厚度上没有孔。
与其他的燃料电池一样，反应气流有两个，流过阳极的燃料气体流和流过阴极的氧化气体流。对于固体氧化物燃料电池，燃料气体流可以是纯氢气、氢气和一氧化碳的混合气、氢气和一氧化碳及稀释用惰性气体的混合气、氢气和一氧化碳和轻质烃及稀释用惰性气体的混合气、或氢气和一氧化碳和轻质烃和轻质乙醇及稀释用惰性气体的混合气。氧化气体流可以是空气、富氧气的空气、或纯氧气。
现在参考附图，其中相同的数字表示相同的元件。本发明的燃料电池组系统提出了一种新的径向流动燃料电池组，使用了与连续的电极或电池、连续的分隔器和集电层结合的外歧管系统。外歧管系统和连续的层的结合消除了玻璃基密封剂的使用。现有技术通常使用玻璃基密封剂来密封其内歧管结构。在这样的现有技术系统中，玻璃基密封剂与各个电池单元反应，由于操作温度下的密封剂成分中存在激活离子，使电池性能下降。然而，与具有内歧管的现有技术系统相反，本发明的燃料电池系统有优越性地使用了径向分布系统，该系统连接到位于燃料电池组周围的外部歧管系统，从而取消了不然必须采用的密封。
图1显示了燃料电池组100，其包括第一和第二燃料电池子系统101和102。第二燃料电池子系统102叠放在第一燃料电池子系统101上。尽管燃料电池组100及其部件在优选实施例中介绍成其整体结构是圆的，本发明认为其他结构，如多边形，也属于本发明的范围，也可以使用。燃料电池组100一般可采用固体电解材料。因此，本发明希望燃料电池组100至少可应用于固体氧化物燃料电池和质子交换膜燃料电池组，这些燃料电池组在现有技术中都是已知的。
在这个实施例中，第一燃料电池子系统101的结构性质和设计特点与第二燃料电池子系统102相同。为了清楚起见，在这个实施例中，燃料电池组100只有两个子系统并可以容纳在壳体103中。但是，在本发明的范围内，可以垂直重叠多个燃料电池子系统以形成串联的燃料电池组系统阵列。对于具有超过两个电池的电池组，电池按堆叠的顺序以ABABAB的形式(A是电池，即图3中的198，B是互相连接组件，如图3中的196)叠放。但是，电池组中的电池可通过使用外部接线系统或现有技术中已知的其他方式与其他电池组中的电池并联。
第一燃料电池子系统101通过连续分隔板104与第二燃料电池子系统102在实体上分隔开。连续分隔板104是将第一燃料电池子系统101和第二燃料电池子系统102分隔开的连续层，因此，可将燃料和氧化气体流分隔开。在此使用范围内，“连续的”一词表示在层结构整个厚度上没有开口或整体上没有孔。
各个电池子系统101和102包括连续的电池106，电池设置在第一和第二互相连接或可渗透层108和110之间。根据本发明的原理，电池106具有连续的结构。第一和第二互相连接层108和110是用液体可渗透材料制成，允许燃料和氧化气体通过互相连接层108和110中的通道流动。在一个优选实施例中，第一和第二互相连接层设有很多孔，以便减小对气体流动的阻力。底和顶端板112和114是连续的结构，形成燃料电池组100的底部116和顶部118。底和顶端板112，114的功能是作为系统100的集电器，可收集系统100产生的电流。因此，端板112和114还与外负载和外接线系统(未显示)连接。端板或集电板112和114和连续的分隔板104根据现有技术中已知技术进行制造并具有相应的功能。特别地，要设计成至少能够满足承受电流负荷的最低要求。由于燃料电池组系统100具有优选圆柱形状，所有的叠层元件，如连续的分隔板104、电池106、互相连接层108和110、集电层112和114都是圆形。
再参考图1，燃料电池组100的氧化气体歧管122和燃料歧管124(外部歧管)连接到燃料电池组100的供应子系统126。供应子系统126可以包括氧化气体供应件128和燃料供应件130。在这个方面，氧化气体歧管122连接到氧化气体供应件128，燃料歧管124连接到燃料供应件130。如下面所详细介绍的，氧化气体和燃料供应件128和130通过互相连接层108和110中适当的出入口或通道延伸，从燃料电池组100的外边132延伸到燃料电池组100的中心区134。这样的话，一旦燃料和氧化气体进入中心区134，可在互相连接层108和110均匀地渗透或流动，用过的氧化气体和燃料从壳体103的出口端口135排出。为了简化起见，图1显示了间隔180°的氧化气体和燃料供应件128和130，任何其他的环形分隔方式也可以满足要求。
外部氧化气体歧管122和燃料歧管124还连接到燃料源和氧化气体源(未显示)。外部歧管122和124还包括连接到外部歧管和供应件128、130之间的关闭件136，比如阀门。阀136用于接通或断开流入电池子系统101和102的氧化气体或燃料。由于各个电池子系统101和102具有各自的氧化气体和燃料供应件128和130。流入不正常工作的电池子系统的氧化气体或燃料可用阀门139关断。例如根据前面提到电池组顺序和电池组系统之间的外部接线，可关断流入电池子系统101和102的燃料，然后关断的电池子系统可以通过适当的外部接线系统(未显示)跳接到同一个或不同的电池组中另一个电池子系统。这种能力，在一个或多个电池子系统不能正常工作时，可转而提供维修或节约电池组系统的可能。在没有阀门136的情况下，供应件的管路可以进行弯折，以断开电池子系统的燃料或氧化气体供应。
外部歧管122和24可以用金属合金、金属互化物、陶瓷和金属陶瓷和其他适合材料来制造。如下面更详细的介绍，在本发明的燃料电池组系统100中，通过使用外部歧管122、124和供应件128、130，并通过与连续电池106、端板112和114、和连续的分隔板104连接，可以完全取消玻璃密封剂的使用。如上面所述，现有技术的径向流动燃料电池组系统使用带有环形开口的内歧管和元件，这就要求使用玻璃密封剂来密封元件并将反应气流与另外的气流分隔开。现有技术中的这些具有环形开口的元件是电池、分隔器、端板和分隔板。
图2A是显示燃料电池子系统101细节的部分分解图。由于两个电池子系统101和102具有相同的结构，为了简化起见，对电池子系统的详细介绍将通过一个子系统来进行，如第一燃料电池子系统101。参考图2A，端板112形成了燃料电池组系统100和电池子系统101的第一元件。端板112最好是连续的圆形金属板。另外，端板112要能耐受操作条件下如加热、电池组100的重量、和各种电流特性产生的力，并通常具有比连续的分隔板104厚一些的截面。两个端板112和114(见图1)用于收集电池106产生的电流，可以用金属、抗氧化合金、不锈钢、中间合金、陶瓷、金属陶瓷或超合金等导电材料来制造。
参考图2A和图2B，在优选实施例中，第一互相连接或导电件108可放置在端板112上。在此实施例中，第一互相连接层108夹在端板112和电池106的阳极层158之间，由此形成第一电池子系统101的阳极互相连接侧。第一互相连接层108是环形板，由下和上表面136和138、圆周边140和圆形孔142或连通下和上表面136和138的内腔组成。在这个实施例中，下和上表面136和138基本上是互相平行的。圆周边140正交于上和下表面136和138。圆形孔142是具有侧壁144的开式圆柱孔。侧壁140和144与互相连接层108一样是可渗透的。虽然不是必需的，第一互相连接或可渗透层108可以通过钎焊或粘接固定到紧密相邻的端板或连续的分隔板元件上。第一互相连接层108的圆周边140基本上延伸到端板112的外周边。在这个实施例中，第一互相连接层108可以构建成环形板，设置多个燃料流体可流过的开口通道。
第一互相连接层108可以用导电材料来制造，如金属或其他的的导电材料。第一互相连接层108最好具有骨架似的结构，以便允许氧化气体和燃料无阻碍地流动，如下面所介绍的。第一互相连接层108的材料应当均匀分布在各电池和连续分隔板(或端板)之间空间内的各个方向上，以便协助燃料径向流动。互相连接层108最好是用金属箔来制造，即薄金属片，以便制造出重量轻的电池组。但是，这些元件需要有足够的厚度以使电池组100具有足够的导电能力和希望的寿命。金属箔可以形成各种几何形状，以提供径向上流体的均匀流动并在纵向上提供足够的导电能力。一个互相连接层108的优选示例是金属箔形成偏置翼片状，一片片的，布置成可有助于燃料气体的径向流动。互相连接层108是用导电材料制成。互相连接层108的适合材料包括金属合金，中间合金、金属陶瓷和导电陶瓷。
如图2A到2C所示，燃料供应件130在圆周边140和基本圆形的开口142之间延伸。圆形开口142还可以称作互相连接层108的内腔。燃料供应件130还包括流体分配部分146和管路部分148。在这个实施例中，流体分配部分146设置在圆形开口142当中，管路部分148将流体分配部分146连接到燃料歧管124。参考图2B到图2C，分配部分146最好包括具有多孔侧壁150的圆柱体，并被顶表面152和低表面154所封闭。在优选实施例中，流体分配部分146还包括多孔的金属可使燃料沿基本上360度上均匀地径向流入互相连接层108中。分配部分146的多孔金属包括多孔金属或陶瓷。顶和底表面152和154可以用金属箔来制造。流体管路148可以使用现有技术中已知的钎焊或粘接技术连接到流体分配部分146。管路148可以用金属材料和陶瓷来制造。流动分配部分146可以设置一个或多个孔，或采用多孔材料，其作用如同气体扩散器，可降低喷出气流的线性流动速率。
在一种供选择的设计中，管路148是用金属材料制造，在这种情况下，管路可以设置整体的陶瓷绝缘体，其最好用带孔的陶瓷板或短陶瓷管来制造。管路148最好安装陶瓷套，使其与导电的互相连接层、连续分隔体或端板电绝缘。参考图2A和2B，在一个实施例中，流体管路148可以安装到互相连接层108中形成的通道156中。在圆形开口142和圆周边140之间延伸。互相连接层108的通道156可位于表面136、138之间，其走向还可以与表面136和138平行。通道还可以具有横向于互相连接层108的长度和厚度的通道形式。但是，在本发明的范围内，流体管路148可以形成互相连接组件196(见图3)的一体部分，制成的分配部分146可以无需顶面152或底面154。
在设置第一互相连接层108和燃料供应件130后，连续的电池106放置在第一互相连接层108上。电池106包括阳极层158、阴极层160和位于阳极158和阴极160之间固体电解层162。阴极板160可以有圆形开孔将下面的固体电解层162暴露于分布在第二互相连接层110的氧化气体。阳极-电解物-阴极的三层结构在现有技术中已经知道。阳极层158可以用Ni/YSZ金属陶瓷来制造。电解层162可以用氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)来制造。阴极层160可以用锶掺杂亚锰酸镧来制造。尽管不是必要的，电池106可以通过钎焊和粘接固定到第一互相连接层108和第二互相连接层110。可用于将电池粘接到互相连接层的材料包括陶瓷和无机材料，这些材料在堆叠操作中可发生或不发生相变，以及贵金属或贱金属。
第二互相连接层110设置在电池106的阴极侧。氧化气体通过氧化气体供应件128供应和分配。第二互相连接层110是由底表面166和上表面168、圆周边170形成。第二互相连接层110的圆形开口172在底和上表面166和168之间延伸。氧化气体供应件128在圆周边170和圆形孔172之间延伸。氧化气体供应件128可包括流体分配部分174和管路部分176。在这个实施例中，流体分配部分174放置在圆形开孔172当中，管路部分176连接流体分配部分172到氧化气体歧管122。在优选实施例中，流体分配部分174可以包括多孔金属，以使氧化气体以全360度的分布效率均匀地径向分布在互相连接层110。分配部分174的多孔侧壁176可包括多孔金属或陶瓷。顶和底表面178和180可以用金属箔来制造。应当知道第二互相连接层110和氧化气体供应件128的结构细节与第一互相连接层108和燃料供应件130的结构细节相同。因此，其结构细节将不重复介绍连续分隔板104设置在第二互相连接层110上，是平面结构。连续的分隔板104用于将电池子系统101和102之间的燃料电池组中的氧化物流体和燃料流体在通过互相连接层时分隔开。连续的分隔板104必须用导电材料制造，还需要将一个电池产生的电流传导到另一个电池。因此，连续的分隔板104可以用金属合金、中间合金、金属陶瓷和导电陶瓷来制造。
在一个实施例中，因为本发明实施例的燃料电池组系统100不需要任何的密封剂，燃料电池组系统100可使用非整体系统的元件来组成。图3显示了系统100的电池组组件190，其包括底和顶互相连接端板192和194、互相连接组件196和两个电池198和200。底互相连接端板192包括第一互相连接层108与系统100的端板112的组件(见图1到2C)。这里，互相连接层108固定到端板112。类似地，顶互相连接端板194包括第二互相连接层110与系统100的端板114的组件(见图1到2C)。端板114固定在互相连接层110的顶部。电池198和200都包括阳极158、阴极160和固体电解层162(见图1到2C)。互相连接组件196包括夹在第一互相连接层108和第二互相连接层110之间连续的分隔板104。组件190的这些系统元件192、194、196、198和200可按上面介绍的方式和在图1到3所显示的方式进行安装，形成本发明的燃料电池组系统100。
为了更好地控制燃料电池组的电化学性能，可以有优越性地在电池106阳极侧的互相连接层108的圆周和在电池106阴极侧的互相连接层110的圆周安装所谓的气挡环。气挡环阻止气体回流到互相连接层108或110中的空间。尤其是，在互相连接层108圆周的气挡环将阻止氧化气体回流或扩散流动到互相连接层的空间内，否则将部分地改变燃料的浓度并影响燃料电池组的电化学性能。气挡环可以用陶瓷、金属、金属陶瓷或陶瓷纤维来制造。
在燃料电池组系统100工作期间，氧化气体流入氧化气体供应件128的氧化气流分配部分174(沿箭头182的方向)，同时燃料流入燃料供应件的燃料流体分配部分146(沿箭头184的方向)。从部分174通过多孔件的开孔流出的氧化气体进入第二互相连接层110。氧化气体然后主要通过径向流动均匀地流过第二互相连接层110并流过电池101的阴极160。同样地，从部分146通过多孔件的开孔流出的燃料进入第一互相连接层108。燃料同时主要通过径向流动均匀地流过第一互相连接层108并流过电池101的阴极158。
在开始时，需要的话，可通过适当的方式将电池组系统100加热到操作温度或粘接温度。例如，进行实验室测试时，加热电池组是在静止空气中通过电加热炉进行加热。在实际的电池组操作中，可以采用可燃气体来加热电池组。在电池组100达到其操作温度时，调节燃料流动以便以逐渐的方式进行阳极158氧化镍还原成镍的阶段，以避免伴随还原过程出现的体积改变带来灾难性的应力。在完成阳极还原后，在燃料流过电池106的阳极电极158时，电池子系统101的电化学反应产生电流，氧化气体流过电池106的阴极电极160，电阻性负载设置在电池组系统100的两端。用过的燃料和氧化气体通过出口端口135排出燃料电池组系统100(见图1)。
示例应当指出本发明是可以改进的，以适应不同的应用条件。下面的示例是说明性的，不可用来对本发明加以限制。
燃料电池组制造和安装参考图1和3，根据本发明设计的包括两个电池子系统的完整的无需密封的径向燃料电池组100通过多个步骤进行制造。第一步涉及制造顶金属互相连接端板194，底互相连接端板192和通过钎焊形成一个互相连接组件196。各个互相连接端板192或194包括互相连接层108或110和端板112或114。如上面所提到的，互相连接层108和110是用金属箔制造，金属箔形成偏置翼片结构并切割成圆形几何截面的段。
参考图2C，第二步涉及制造氧化气体供应组件146。在这个特定的示例中，中空的陶瓷绝缘体通过钎焊连接到氧化气体供应组件146的管路148。参考图3，第三步涉及用贵金属-有机物涂料喷涂电极外表面并在空气炉中在大约900℃烧结使电池电极158和160金属化。电池198和200已经形成陶瓷双层结构，陶瓷双层结构包括一层氧化钇稳定氧化锆(电解层162)，第二层是通过在电解层162上沉积和烧结锶掺杂亚锰酸镧(阴极层160)，形成了混合氧化镍(阳极层158)的氧化钇稳定氧化锆。陶瓷双层结构是在生坯状态下通过将阳极和电解层带压延到一起来形成。在烧结陶瓷双层结构中的电解层162的厚度为大约5到10微米。
参考图2B和3，第四步涉及将各个氧化气体或燃料供应件或组件146插入各带有互相连接端板192和194或组件196的互相连接层108和110中的适当径向通道。第五步涉及用适当的粘接材料喷涂互相连接件108和110的顶表面以及电池电极。参考图3，第六步涉及安装燃料电池组100。底互相连接端板192放置在镍超合金制成支架上的铝板的表面。第一电池198然后放置在底互相连接端板上。电池阳极层158面朝下。接下来，互相连接组件196放置在第一电池198上。然后第二电池200放置在互相连接组件196的表面，然后是放置顶互相连接端板194到第二电池200。最后，围绕电池阳极侧的周边放置挡环。
电池组安装和烧结安装好的电池组100(见图1)然后在环境温度下放置到电加热炉中。在电池阴极侧的氧化气体供应组件或件128通过镍超合金的管路和SwagelokTM牌的固定件和歧管连接到空气供应源，比如氧化气体罐或过滤过的室内空气。在电池阳极侧的燃料供应组件或件130通过歧管124和镍超合金管路和SwagelokTM牌的固定件连接到氢气供应源，比如氢气罐。在作为电池组负极的底端板112的圆周上两个径向相对的点处点焊了一束铂丝，并焊接到炉外的焊接铜电缆的一端。类似的电连接也对作为电池组正极的顶端板114进行。在进行电池组实验时焊接铜电缆的另一端分别连接到电负荷的正和负端子。
参考图3，在互相连接端板192和194的圆周以及互相连接组件196的连续分隔板104上也点焊了一根铂丝，用于监控电池和电池组在操作和实验时两端的电压。一组四个带有非接地结点和因科内尔镍铬铁合金铠装的热电偶放置在第一电池的阴极侧互相连接层110径向的空腔中。互相间的间隔大约为60度，距互相连接端板112和114和组件196的圆周边大约为一英寸。一组两个热电偶类似地放置在第二电池的阴极侧的互相连接层110的空腔中，互相间隔180°度。
燃料电池组100在完成前面提到的连接后进行电短路实验。没有异常发现。在不进行电短路时，炉子是封闭的，炉子以及电池组温度下降到希望的水平，使互相连接层粘接到电池电极。接下来，炉温度如所要求的到达电池组的操作温度。
阳极还原和电池组测试在电池组100达到所要求的操作温度时，氦气供应到阳极侧，空气流也在阴极侧建立。作为燃料的氢气按照计划代替氦气线性地供应到阳极侧超过3个小时。将氢气引入氦气流使阳极分散的氧化镍成分还原为金属镍。氧化镍还原为金属镍会伴随着电池电压上升。在还原完成后，在800℃该两个电池的径向电池组100的开路电压(OCV)是2.109V，此时每个电池的氢气和空气流速分别是1和2.4标准升/每分钟(slpm)。
在阳极还原后，使电池组100处于连续地大电流负荷下，开始时对应能量密度(PD)产生的电池电压在图4中显示。图中的连续线代表实验数据的回归拟合线。各电池的单位面积阻抗的评估通过最小二乘方线的斜率给出，第一和第二电池分别是0.6353和0.5967欧平方厘米。示例中电池的相应最大能量密度可以从能量密度的回归方程来评估，分别为383和416mW/cm2。
电池组100然后在电流负荷为45安培或460mA/cm2下测试，其中mA是毫安，在120小时的测试时间内的电池组和电池的电压在图5中显示。在测试的首60个小时电池电压得到改进并在后60个小时保持稳定。两个电池的电压开始有些不同，但在测试的后50个小时基本上是相同的。
应当理解，上述内容涉及到本发明的优选实施例，在不脱离所附权利要求阐明的本发明的范围和实质精神的情况下可对本发明进行改进。
权利要求
1.一种燃料电池组，其包括第一互相连接层；第二互相连接层；连续的电池，设置在所述第一和第二互相连接层之间；燃料供应件，供应燃料进入所述第一互相连接层，所述燃料供应件在所述第一互相连接层的第一外边和第一内腔之间延伸；和氧化气体供应件，供应氧化气体进入所述第二互相连接层，所述氧化气体供应件在所述第二互相连接层的第二外边和第二内腔之间延伸。
2.根据权利要求1所述的燃料电池组，其特征在于，所述燃料供应件连接到临近所述第一外边的外部燃料歧管。
3.根据权利要求2所述的燃料电池组，其特征在于，所述氧化气体供应件连接到临近所述第二外边的外部氧化气体歧管。
4.根据权利要求3所述的燃料电池组，其特征在于，所述燃料电池组还包括支撑所述第一互相连接层的第一连续分隔板。
5.根据权利要求3所述的燃料电池组，其特征在于，所述燃料电池组还包括支撑于所述第二互相连接层的第二连续分隔板。
6.根据权利要求4所述的燃料电池组，其特征在于，所述第一或底连续分隔板是连续的端板。
7.根据权利要求5所述的燃料电池组，其特征在于，所述第二或顶连续分隔板是连续的端板。
8.根据权利要求4所述的燃料电池组，其特征在于，所述第一互相连接层包括顶表面和底表面。
9.根据权利要求5所述的燃料电池组，其特征在于，所述第二互相连接层包括顶表面和底表面。
10.根据权利要求8所述的燃料电池组，其特征在于，所述第一互相连接层的第一内腔是由所述第一互相连接层的第一内壁形成，所述第一内壁连接所述第一互相连接层底表面上的底开口和顶表面上的顶开口。
11.根据权利要求9所述的燃料电池组，其特征在于，所述第二互相连接层的第二内腔是由所述第二互相连接层的第二内壁形成，所述第二内壁连接所述第二互相连接层底表面上的底开口和顶表面上的顶开口。
12.根据权利要求10所述的燃料电池组，其特征在于，所述第一连续分隔端板覆盖所述第一互相连接层的所述底表面和在所述底表面上的底开口，所述电池覆盖所述第一互相连接层的所述顶表面和在所述顶表面上的顶开口，由此封闭所述第一互相连接层的所述第一内腔。
13.根据权利要求11所述的燃料电池组，其特征在于，所述第二连续分隔端板覆盖所述第二互相连接层的所述顶表面和在所述顶表面上的顶开口，所述电池覆盖所述第二互相连接层的所述底表面和在所述底表面上的底开口，由此封闭所述第二互相连接层的所述第二内腔。
全文摘要
公开了一种无需密封的平面燃料电池组系统，其包括连续的底板，第一可渗透或互相连接层，连续的电池，第二可渗透或互相连接层，连续的顶板，燃料供应件和氧化气体供应件。本发明的燃料电池系统无需玻璃基密封剂来密封其平面元件。在本系统中，连续的电池支撑于第一可渗透层。第二可渗透层支撑于连续的电池。燃料供应件供应燃料进入第一可渗透层。燃料供应件在第一可渗透层的外边和中心区之间延伸，允许燃料以径向方式分布。此外，燃料供应件连接到临近外边的外部燃料歧管。氧化气体供应件供应氧化气体进入第二可渗透层。氧化气体供应件在第二可渗透层的外边和中心区之间延伸，允许氧化气体以径向方式分布。氧化气体供应件连接到临近外边的外部氧化气体歧管。
文档编号H01M8/02GK1650464SQ01814250
公开日2005年8月3日 申请日期2001年8月9日 优先权日2000年8月18日
发明者J·皮尔斯茨克, E·翁, J·亚马尼斯, D·达尔丰佐 申请人:霍尼韦尔国际公司