专利名称：用于平面固体氧化物燃料电池的顺从堆的制作方法
技术领域：
本发明涉及平面固体氧化物燃料电池堆(stack)，并且更特别地涉及一种增加堆基底面(footprint)的平面-固体氧化物燃料电池堆设计。
背景技术：
从降低成本的立场，增加电池平面内的固体氧化物燃料电池(SOFC)堆的基底面是必需的。一种实现平面内基底面增加的方法是制造并在堆内使用长度和/或宽度更大的SOFC电池。制造尺寸增加并且保持其在可接收公差内的陶瓷SOFC电池基本上是困难的。目前，若干电池制造商在可接收的尺寸公差内生产4″×4″(10cm×10cm)的电池。电池制造商现在正在尝试在可接收的公差内生产8″×8″(20cm×20cm)的电池。在堆的组装和工作过程中需要可接收的公差来防止电池破裂。基本上，从陶瓷工艺立场，进一步增加大小是非常困难并且可能不是成本有效的。此外，由于电池上的温度随平面内电池尺寸的增加而增加，因而使用更大的电池提高了电化学工作过程中的热管理关注。现有技术的堆设计通常使用结合的玻璃封接部(seal)和/或非顺从的相互连接部(interconnect)，并且因而不轻易利于平面内的基底面增加。
很清楚，存在对可靠地提供平面内基底面增加的燃料电池堆结构的需要，提供这种结构是本发明的主要目的。
在本申请的下文中本发明的其它目的和优点显而易见。
发明内容
根据本发明，已经可以轻易获得上述目的和优点。
根据本发明，提供了一种由重复的电池单元形成的燃料电池堆，其中各电池单元包括具有阳极电极、电解质以及阴极电极三层结构的燃料电池；阳极侧框；阴极侧框；具有与相邻电池单元的阳极侧框相邻的阳极侧相互连接部以及与阴极侧框相邻的阴极侧相互连接部的双极板；燃料电池和阴极侧框之间的阴极侧封接部；以及燃料电池和阳极侧框之间的阳极侧封接部，其中阳极侧相互连接部、阳极侧封接部、阴极侧相互连接部和阴极侧封接部中的至少一个是顺从(compliant)的，或者成对的阳极侧相互连接部和阳极侧封接部可以是顺从的并且成对的阴极侧相互连接部和阴极侧封接部可以是顺从的。
根据本发明，阳极侧框具有一个或多个燃料电池可以承坐入其中的一个或多个开口。这些开口的每个开口包括沿其周边的凹槽或者凹入式平台。阳极侧封接部和燃料电池都承坐在阳极框开口的凹入式平台内，并且燃料电池的阳极电极面对阳极封接部。阴极侧框和阴极侧封接部包括一个或多个开口，这些开口与阳极侧框内的开口一致。
使用顺从的封接部和相互连接部允许甚至在大平面内基底面时更可能抵抗应力的浮动燃料电池，并且还允许避免由于电池上过多的压缩荷载而破裂等。
下面是参照所附附图的本发明优选实施例的详细描述，其中图1是根据本发明的固体氧化物燃料电池堆的透视图；图2是根据本发明的电池堆组件的分解示意图；以及图3是根据本发明的电池堆组件的备选实施例的分解示意图。
具体实施例方式
本发明涉及一种燃料电池组件，并且更特别地涉及一种具有改进的顺从相互连接部和/或封接部的固体氧化物燃料电池(SOFC)堆。
尽管本发明的3D顺从堆(即，在全部三个正交轴上都顺从)能够固有地容许更大的电池尺寸变化并且因而允许使用尺寸品质(dimensional quality)比现有技术系统更低的较大电池，但3D顺从堆还能够以以前无法实现的方法进行平面内基底面增加。增大平面内基底面增加能力的主要原因是堆是通过至少一个并且优选所有顺从相互连接部、顺从封接部以及合成的浮动电池而3D顺从的。因而，可以容许从一个电池到另一个电池存在的尺寸变化，因为顺从设计限制了局部弯曲应力，以避免易碎陶瓷电池的破裂。如本申请所使用的浮动是指机械式分离，以使作用力无法从一个部件传递到另一部件。例如，可以同时允许结构部分之间的相对运动而实现浮动。
此外，封接部是浮动的并且没有结合到配合表面。因而，通过在封接部区域的相对移动或滑动而调节瞬态状态过程中的电池内的热梯度以及热应力。
在2004年1月16日递交的共同转让的美国专利申请10/758,843号中更详细地描述了顺从结构，并且本申请通过参考结合了该申请。在2003年7月18日递交的共同转让的美国专利申请10/622,881号中进一步描述了顺从封接部，并且本申请通过参考结合了该申请。
本发明提供了一种具有增加平面内基底面能力并因而能够进行SOFC堆的成本效率增加的堆设计。作为额外好处，该堆设计允许冷却通道建造为与组件集成，因而减小电池上的热梯度并且增强堆的结构坚固性以及电化学稳定性。
燃料电池堆可以由重复的电池单元形成，其中各电池单元包括具有阳极电极、电解质以及阴极电极三层结构的燃料电池；阳极侧框；阴极侧框；具有与相邻电池单元的阳极侧框相邻的阳极侧相互连接部以及与阴极侧框相邻的阴极侧相互连接部的双极板；燃料电池和阴极侧框之间的阴极侧封接部；以及燃料电池和阳极侧框之间的阳极侧封接部，其中阳极侧相互连接部、阳极侧封接部、阴极侧相互连接部以及阴极侧封接部中的至少一个顺从，或者成对的阳极侧相互连接部和阳极侧封接部可以是顺从并且成对的阴极侧相互连接部和阴极侧封接部可以是顺从的。
根据本发明，阳极侧框具有一个或多个燃料电池承坐入其中的一个或多个开口。这些开口的每个开口包括沿其周边的凹槽或者凹入式平台。阳极侧封接部和燃料电池承坐在阳极框开口的凹入式平台内，并且燃料电池的阳极电极面对阳极封接部。阴极侧框和阴极侧封接部包括一个或多个开口，这些开口与阳极侧框内的开口一致。
图1显示了由若干层重复的电池单元12组成的叉流式堆10。堆10的一个平面显示为四个燃料电池14配置在基本正方形的几何形状内。带有四个开口的阳极侧框(类似于窗框)在其周边支撑这四个电池。阳极侧框类似于窗框，其中各开口沿其整个周边具有凹入式平台或者凹槽。凹入式平台将被称为凹槽，作为一个阳极侧封接部的座，一个燃料电池承坐于其顶部上，并且阳极电极面向封接部。在这种配置中，燃料电池类似于窗户的平面。
图2是堆10的重复的电池单元12展开示意图。燃料电池14承坐在阳极框18的凹槽16内，其中使用顺从封接部22密封电池14的阳极侧20。如图2所示，组装3D顺从双极板24、顺从阴极封接部26以及阴极框28。由于燃料电池14处于凹槽16内部并使用两个顺从封接部22、26进行密封，电池不受通常施加在框上的夹紧荷载的影响并且由此电池被称为浮动电池。将相互连接部、封接部、凹槽以及框的高度形成、网状处理或加工为接受电池厚度的标称厚度。浮动电池和封接部和相互连接部的3D顺从有利地在没有电池损坏或破裂的情况下允许电池厚度和电池曲率的变化。
在堆组装过程中，可以在燃料电池14的阳极电极和阳极侧相互连接部之间使用薄层的接触或者结合材料，以便改进电子迁移并且减小界面的欧姆阻抗。类似地，可以在燃料电池电极和阴极侧相互连接部之间使用薄层的接触或者结合材料。
尽管为了清晰起见图2以独立部件的形式显示了双极板24、阳极框18和阴极框28，但能够通过本领域公知的若干金属接合工艺中的一种结合这些部件，以便形成单一的部件。如果双极板24和阳极及阴极框用来作为组装堆时的独立部件，则可在成对的阳极框-隔离板以及阴极框-隔离板之间使用与图2所示的阴极侧封接部类似的平的顺从封接部。
图2所示的窗口-框堆设计可以以多种方法形成歧管，例如1)外部燃料及外部空气歧管，2)内部燃料及外部空气歧管，3)内部燃料及内部空气，以及其它类似组合。在窗口-框设计中，堆的外部表面主要由框和隔离板的浅外部平面构成，其由金属材料制成。金属材料部件的尺寸控制比陶瓷材料好得多，并且窗口-框堆设计可使得外部燃料及外部空气歧管可能，外部歧管可以预期为导致堆成本下降。图2显示了假设堆为外部形成歧管时用于气体流在电池和堆上流动的狭缝30。这些狭缝优选适当地进行尺寸定制，以用于在电池平面上以及电池平面之间进行流控制。
图3显示了使用形成在阳极和阴极框内的通道32来带入或带出冷却流体。这些冷却流体可以是空气、燃料、水蒸气、氦、液态金属或者其它任何完成冷却堆功能的介质。在一实例中，可以在这些通道内进行吸热过程，例如燃料转化。这些流体通道可用于将堆与热电联产(CHP)、多种底部循环或其它热管理集成选项集成起来。这些通道可是使用本领域公知的手段形成歧管。本领域技术人员应意识到许多备选方法来配置反应物流场以及冷却流体。这些公知的备选方法在本发明的范围内。
以基本正方形、2×2阵列的几何结构的形式在图中显示并在实例中描述了堆平面内基底面和燃料电池。本领域技术人员应理解窗框结构内的燃料电池配置可以是M×N阵列，其中M个燃料电池设置在一个方向上并且N个燃料电池设置在基本正交的方向上并且填充整个空间。
在另一实施例中，堆可以具有矩形的平面内基底面几何结构(像具有4×2电池配置)。在另一实施例，堆包括配置在等矩阵内(例如，4×4)或者非等矩阵(例如，4×2内的)矩形电池。在另一实施例，堆可以具有基本圆形或椭圆形平面内基底面并且可以使用基本圆形或者椭圆形电池。尽管使用4×4和4×2矩阵作为例子，但是平面内基底面可以是任意数量的电池。本领域技术人员应认识到许多备选方法来配置电池和平面内基底面。这些公知备选方法也被本发明所覆盖。
本申请所公开的发明可用于减小堆成本，允许使用窗框类结构组装多个电池，以增加堆平面内基底面，允许冷却流体的流动以减轻热梯度并管理平面内基底面上的热。本发明所公开的平面SOFC堆设计能够制造更大铭牌容量的堆并组装大容量集成能量系统，例如商业建筑的热电联产(CHP)产品以及用于分布式产生电力的高效SOFC气体涡轮混合系统。
应理解，本发明并不限于本申请所描述并显示的说明，该说明认为仅仅是实施本发明的最佳方式的示范，并且其容许形式、大小、部件配置以及操作细节的修改。本发明更倾向于包括如所附权利要求内所阐述的其精神和范围内的所有这种修改。
权利要求
1.一种由重复的电池单元形成的固体氧化物燃料电池堆，各电池单元包括具有阳极侧和阴极侧的固体氧化物燃料电池；阳极侧框；阴极侧框；具有与相邻重复的电池单元的所述阳极侧框相邻的阳极侧相互连接部以及与阴极侧框相邻的阴极侧相互连接部的双极板；所述燃料电池和所述阴极侧框之间的阴极侧封接部；以及所述燃料电池和所述阳极侧框之间的阳极侧封接部，其中所述阳极侧相互连接部、所述阴极侧相互连接部、所述阳极侧封接部和所述阴极侧封接部中的至少一个是顺从的。
2.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池堆，其特征在于所述阳极侧相互连接部和所述阴极侧相互连接部在三维上是顺从的。
3.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池堆，其特征在于所述阳极侧相互连接部、所述阴极侧相互连接部、所述阳极侧封接部和所述阴极侧封接部均是顺从的。
4.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池堆，其特征在于所述阳极侧框和所述阴极侧框限定了燃料电池保持于其中的开口。
5.根据权利要求4所述的固体氧化物燃料电池堆，其特征在于所述开口的大小至少为大约4英寸乘4英寸。
6.根据权利要求4所述的固体氧化物燃料电池堆，其特征在于所述开口的大小至少为大约8英寸乘8英寸。
7.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池堆，其特征在于所述阳极侧框具有形成在阳极面对侧上的凹槽，并且其中所述阳极侧封接部为定位在所述凹槽内的顺从封接部。
8.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池堆，其特征在于所述阴极侧封接部包括基本平坦的顺从部件。
9.根据权利要求8所述的固体氧化物燃料电池堆，其特征在于所述阳极侧框具有多个阳极侧封接部和燃料电池定位于其中的开口，并且其中所述阴极侧框和阴极侧封接部包括与所述阳极侧框内的开口一致的开口。
10.根据权利要求8所述固体氧化物燃料电池堆的，其特征在于所述阴极侧框具有多个燃料电池定位于其中的开口，并且其中所述阳极侧框和阳极侧封接部包括与所述阴极侧框内开口一致的开口。
11.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池堆，其特征在于所述阳极侧框和阴极侧框进一步包括用于允许反应物流进入所述燃料电池的狭缝。
12.根据权利要求11所述的固体氧化物燃料电池堆，其特征在于所述阳极侧框和阴极侧框具有燃料电池元件定位于其中的开口，并且其中所述狭缝绕所述开口定位。
13.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池堆，其特征在于进一步包括位于所述阳极侧框和阴极侧框内的冷却流体通道。
14.根据权利要求13所述的固体氧化物燃料电池堆，其特征在于所述燃料电池堆调整为在所述冷却流体通道中执行吸热过程。
15.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池堆，其特征在于所述阴极侧封接部包括浮动封接部。
16.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池堆，其特征在于所述阳极侧封接部包括浮动封接部。
17.一种由重复的电池单元形成的固体氧化物燃料电池堆，各电池单元包括具有阳极侧和阴极侧的固体氧化物燃料电池；阳极侧框；阴极侧框；具有与相邻重复的电池单元的所述阳极侧框相邻的阳极侧相互连接部以及与阴极侧框相邻的阴极侧相互连接部的双极板；所述燃料电池和阴极侧框之间的阴极侧封接部；以及所述燃料电池和阳极侧框之间的阳极侧封接部，其中所述阳极侧相互连接部和阳极侧封接部，以及阴极侧相互连接部和阴极侧封接部中的至少一对是顺从的。
全文摘要
提供了一种由重复的电池单元(12)形成的燃料电池堆(10)，其中各电池单元(12)包括具有阳极侧(20)和阴极侧的燃料电池；阳极侧框(18)；阴极侧框(28)；具有与相邻电池单元的阳极侧框(28)相邻的阳极侧相互连接部以及与阴极侧框(28)相邻的阴极侧相互连接部的双极板(24)；燃料电池和阴极侧框之间的阴极侧封接部(26)；以及燃料电池和阳极侧框的阳极侧封接部(22)，其中阳极侧相互连接部、阴极侧相互连接部、阳极侧封接部(22)和阴极侧封接部(26)中的至少一个是顺从的。
文档编号H01M8/24GK1886858SQ200480034636
公开日2006年12月27日 申请日期2004年9月29日 优先权日2003年9月29日
发明者S·G·沃里尔, J·亚马尼斯, J·R·莫斯, B·奥尔索默 申请人:Utc 燃料电池有限责任公司