燃料电池旁路二极管结构和附接方法
燃料电池旁路二极管结构和附接方法
【专利摘要】燃料电池系统包括燃料电池堆叠，所述燃料电池堆叠包括通过多个互连件串联接触的多个燃料电池。各种实施例提供用于使燃料电池堆叠与电旁路模块在热区内耦接的系统和方法。所述旁路模块可包括在燃料电池堆叠中的互连件之间传导电流的元件，且因此绕过已变成寄生负载电阻的失效燃料电池。
【专利说明】燃料电池旁路二极管结构和附接方法
[0001]相关申请案的交叉参考
[0002]本申请案主张2011年6月9日提交之美国临时专利申请案第61/494，937号之优先权，所述临时专利申请案是以全文引用的方式并入本文中。
【技术领域】
【背景技术】
[0003]燃料电池是可高效率地将存储在燃料中的能量转化成电能的电化学装置。高温燃料电池包括固体氧化物和熔融碳酸盐燃料电池。这些燃料电池可使用氢气和/或烃燃料操作。存在各类燃料电池，诸如还允许可逆操作的固体氧化物可逆燃料电池，如此可将水或其它氧化燃料还原成使用电能作为输入的未氧化燃料。
[0004]在高温燃料电池系统(诸如固体氧化物燃料电池(SOFC)系统)中，氧化流流经燃料电池的阴极侧，而燃料流流经燃料电池的阳极侧。氧化流典型地为空气，而燃料流典型地为通过重整烃燃料源所形成的富氢气体。在750°C与950°C之间的典型温度下操作的燃料电池能够使带负电荷的氧离子从阴极流束传送到阳极流束，其中所述离子与游离氢或与烃分子中的氢结合形成水蒸气和/或与一氧化碳结合形成二氧化碳。带负电离子的过量电子经由阳极与阴极之间完成的电路返回到燃料电池的阴极侧，从而产生流经电路的电流。
[0005]燃料电池堆叠可在内部或外部配备供燃料和空气用的歧管。在内部配备歧管的堆叠中，使用容纳于所述堆叠内的立管将燃料和空气分配到每一电池。换句话说，气体流经每一燃料电池支撑层(诸如电解质层)的开口或孔和每一电池的气体分离器。在外部配备歧管的堆叠中，所述堆叠在燃料和空气入口和出口侧上是敞开的，且燃料和空气是独立于堆叠硬件而引入和收集的。举例来说，入口和出口燃料和空气在堆叠与歧管外壳(所述堆叠位于其中)之间的单独通道中流动。
[0006]燃料电池堆叠常由许多呈平面元件、管或其它几何结构形式的电池构建而成。必须将燃料和空气提供到电化学活性表面，所述电化学活性表面可以是大型的。燃料电池堆叠的一个组件为所谓的气流分离器(在平面堆叠中称为气流分离板)，其分离所述堆叠中的个别电池。气流分离板将流向堆叠中一个电池的燃料电极(即阳极)的燃料(诸如氢气或烃燃料)与流向堆叠中相邻电池的空气电极(即阴极)的氧化剂(诸如空气)分离。气流分离板还常用作将一个电池的燃料电极电连接到相邻电池的空气电极的互连件。在此情况下，充当互连件的气流分离板由导电材料制成或含有导电材料。
[0007]当燃料电池失效时，其电阻变大。就SOFC堆叠来说，可继续所述堆叠的操作，但是由失效电池所形成的跨电阻接口的电压降愈加消耗所述堆叠的电压。旁路二极管已被用于燃料电池系统使电流绕过损坏的燃料电池，但是这些二极管已被安置在燃料电池块或热区夕卜。确切地说，为避免二极管的化学降解和热降解，所述二极管已被定位于所述系统在大于约600°C的温度下操作的热箱部分外。跨接线已被用于将燃料电池连接到位于燃料电池块外的二极管。
【发明内容】
[0008]各种实施例提供燃料电池系统，包括在热区中的燃料电池堆叠，所述燃料电池堆叠包括多个燃料电池和多个互连板；和包括多个旁路装置的模块，所述模块附接到所述燃料电池堆叠且位于所述热区中。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]并入本文且构成部分本说明书的【专利附图】
【附图说明】本发明的示范性实施例，且连同上文给出的
【发明内容】
和下文给出的【具体实施方式】一起用以阐释本发明的特征。
[0010]图1A和IB为燃料电池堆叠和旁路模块的结构侧视图。
[0011]图2A为具有突起的燃料电池堆叠的结构图。
[0012]图2B为塑形成具有凹口的旁路模块的结构图。
[0013]图2C为图2B的旁路模块附接到图2A的燃料电池堆叠的结构图。
[0014]图2D为替代旁路模块附接到图2A的燃料电池堆叠的结构图。
[0015]图3A为根据一个替代实施例具有突起的燃料电池堆叠的结构图。
[0016]图3B为根据一个替代实施例塑形成具有凹口的旁路模块的结构图。
[0017]图3C为图3B的旁路模块附接到图3A的燃料电池堆叠的结构图。
[0018]图3D为替代旁路模块附接到图3A的燃料电池堆叠的结构图。
[0019]图4A为具有突起的旁路模块附接到具有凹口的燃料电池堆叠的结构图。
[0020]图4B、4C和4D为具有开口的替代旁路模块附接到具有突起的燃料电池堆叠的结构图。
[0021]图5为旁路模块与互连件的弹簧连接的示意图。
[0022]图6为根据一个替代实施例的燃料电池堆叠和具有传感器的旁路模块的结构侧视图。
[0023]图7为根据另一个替代实施例的燃料电池堆叠和具有替代传感器的旁路模块的结构侧视图。
【具体实施方式】
[0024]将参看附图详细描述各种实施例。只要可能，将在整个图式中使用相同的参考标号来指代相同或相似的部分。对具体实例和实施方案做出的参考是出于说明性目的，且不希望限制本发明或权利要求书的范围。
[0025]各种实施例提供用于使燃料电池堆叠与单独的旁路模块在热区内耦接的系统和方法。旁路模块可包括在燃料电池堆叠中的互连件之间传导电流的旁路元件，且因此绕过已变成寄生负载电阻的失效燃料电池。
[0026]使用旁路模块享有优于其它旁路方法的几种优势。旁路模块允许囊封燃料电池堆叠外的旁路元件且不干扰燃料电池堆叠组装过程。在燃料电池堆叠外制造的旁路模块在外部进行测试以在使用或整合前确保功能正常。另外，含有半导体旁路二极管的旁路模块可在它们可能需要的干净室内条件中加以制造，不需要将所述要求强加于堆叠本身。同样，可通过换出不同旁路模块来控制和改变系统中旁路元件的任何阈值电压或击穿电压。[0027]如本文中所用，术语“燃料电池堆叠”意指通过多个互连板以串联方式连接的多个堆叠燃料电池。举例来说，图1A包括燃料电池堆叠100，其中燃料电池102通过互连件104以串联方式连接。虽然图1中的燃料电池堆叠为垂直定向，但是燃料电池堆叠可以水平或任何其它方向定向。
[0028]燃料电池102可包括阳极电极102A、固体氧化物电解质102B和阴极电极102C。所述阳极电极可包含金属陶瓷，所述金属陶瓷包含含镍相和陶瓷相。含镍相可全部由还原态的镍组成。此相可形成氧化镍，此时其处于氧化态。因此，优选在操作之前在还原气氛中对阳极电极进行退火以将氧化镍还原成镍。含镍相可包括除镍和/或镍合金外的其它金属。陶瓷相可包含稳定氧化锆，诸如氧化钇和/或氧化钪稳定的氧化锆；和/或掺杂氧化铈，诸如掺杂氧化钆、氧化钇和/或氧化钐的氧化铈。电解质可包含稳定氧化锆，诸如氧化钪稳定的氧化锆(SSZ)或氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)。或者，电解质可包含另一离子导电材料，诸如掺杂氧化铈。阴极电极可包含导电材料，诸如导电钙钛矿材料，诸如亚锰酸镧锶(LSM)。还可使用其它导电钙钛矿(诸如LSCo等)或金属(诸如Pt)。阴极电极还可含有与阳极电极类似的陶瓷相。电极和电解质可各自包含一个或一个以上由一种或一种以上上述材料制成的子层。
[0029]互连板可分离堆叠中的个别燃料电池。互连板可将流向堆叠中一个电池的阳极(燃料)电极的燃料(诸如氢气和/或烃燃料)与流向堆叠中相邻电池的阴极(空气)电极的氧化剂(诸如空气)分离。互连板可含有在肋片之间的气流通路或通道。互连板还可将一个电池的阳极(燃料)电极电连接到相邻电池的阴极(空气)电极，从而使电池以串联方式电连接。互连板可由以下材料制成或可含有以下材料:导电材料(诸如金属合金(例如铬铁合金))或导电陶瓷材料，所述材料任选地具有与电池中的固体氧化物电解质相似的热膨胀系数(例如0-10%的差异)。可在阳极电极与互连件之间设置导电接触层，诸如镍接触层。可在阴极电极与互连件之间设置另一任选的导电接触层。
[0030]燃料电池堆叠中的多个燃料电池可共用共同的燃料入口和排气通路或立管。燃料电池堆叠可包括在所述堆叠相对的两端含有两个端板的不同电实体，所述端板连接到所述堆叠的功率调节设备和功率(即电)输出。因此，在一些配置中，所述不同电实体的电功率输出可与其它堆叠分开受到控制。在其它实施例中，多个堆叠可共用相同端板。在此情况下，所述堆叠可共同包含不同电实体。
[0031]燃料电池堆叠可作为更大燃料电池系统的一部分用于发电。燃料电池堆叠可位于所述系统内的热区中。在正常操作期间，此热区可在高温下操作，诸如约600°C或600°C以上、例如600-1000°C、诸如750-950°C的温度。
[0032]燃料电池典型地充当所述系统的电压源。然而，燃料电池可具有失效模式，其中所述燃料电池变成寄生负载电阻。电旁路模块可与燃料电池堆叠耦接。燃料电池堆叠和旁路模块都可位于热区中。旁路模块可包括用于在燃料电池堆叠中的互连件之间传导电流的元件，且因此避开已变成寄生负载电阻的失效燃料电池。
[0033]举例来说，图1A说明具有燃料电池102和互连件104的燃料电池堆叠100。电旁路模块120可包括电连接到接触124的旁路元件122。旁路元件122是作为二极管(诸如半导体功率二极管)进行说明，但是各种实施例可包括一个或一个以上不同类型的旁路元件。图1B说明旁路模块120与燃料电池堆叠100耦接，使得接触124与互连件104电接触。通过这种方式，旁路模块120可经由一个或一个以上旁路元件122电连接两个或两个以上互连件104。举例来说，在图1A和IB中，每一个互连件104被连接到经由接触124和单个旁路元件122与同一燃料电池102电接触的第二互连件。通过这种方式，可绕过每一个个别燃料电池。替代实施例可用多种方式将燃料电池或互连件分组，诸如使用单个旁路元件122绕过两个或两个以上燃料电池或互连件。
[0034]在正常操作中，燃料电池102充当电压源。因此，由所述燃料电池产生的电压可使得连结靠近所述燃料电池的两个互连件的旁路元件122保持反向偏压。可选择在这一反向偏压下实际上是开路的旁路元件122。如果燃料电池102损坏，电池102可变成高电阻寄生负载，且可在损坏的电池两端形成电压降。电压降可为约0.5V到约15V，诸如约IV到约5V。当所述电压降超过旁路元件122的阈值电压(如果所述旁路元件是二极管，诸如“接通”电压)时，旁路元件122被置于正向偏压中且在两个互连板104之间传导电流，从而绕过损坏的燃料电池。旁路元件122的阈值电压可随所用旁路模块120或旁路元件122而改变。举例来说，阈值电压可为约0.5V到约3V，诸如约IV。优选地，旁路元件122的定向使得旁路电流(即当超过旁路元件的阈值电压时所传导的电流)的方向与非损坏电池在正常操作期间的电流方向相同。换句话说，旁路元件122的旁路方向与非损坏电池相同的电流方向。
[0035]旁路模块可有效绕过一个以上燃料电池。如果多个燃料电池失效，电流可通过多个旁路元件(或单个旁路元件122,如果它连接不相邻的或多个互连件104)。如果两个或两个以上失效燃料电池彼此紧靠，电流可绕过所述燃料电池以及所述燃料电池之间的互连件。
[0036]在各种实施例中，燃料电池堆置100和芳路I旲块120将在热区内f禹接且因此暴露于高温。燃料电池堆叠100和旁路模块120可由于热量而遭受热膨胀。因此，旁路模块120可由具有与燃料电池堆叠100类似的热膨胀率的材料构成。
[0037]在各种实施例中，热区可为热箱126，如图1B中所示。热箱126可以是被设计成在燃料电池堆叠100的高操作温度(例如上文600°C )下操作的隔热容器或外壳。热箱可含有用多种方式排列的多个燃料电池堆叠100。举例来说，可使用美国专利第7，422，810号中所说明的热箱，所述专利关于热箱和其组件的教示是以引用的方式并入本文中。旁路模块120可在热箱126内与燃料电池堆叠100耦接。
[0038]热区的高温也意味着可使用专门的高温旁路元件。各种实施例可依靠一个或一个以上不同类型的旁路元件122。举例来说，图中的每一个旁路元件122作为二极管加以说明。然而，当至少一个燃料电池损坏时，每一个旁路元件122可以是能够在至少两个互连件之间导电的任何被动或主动电气装置。如果旁路元件122是二极管，当电池未损坏时，所述二极管优选不在反向偏压方向上传导可察觉量的电流。另外，所述二极管可能够在热区内在诸如约600-1000°C的高温下操作。金刚石半导体二极管是可在高达约1000°C的结温下操作的二极管的实例。举例来说，可使用由A.维斯肯(A.Vescan)等人，“金刚石肖特基二极管的极高温操作(Very high temperature operation of diamond Schottky diode),，，电子器件快报(Electron.Device Letters)，IEEE, 18 (11): 556-558 (1997)所揭示的二极管，所述文献是以全文引用的方式并入本文中。还可使用碳化硅半导体二极管或其它高温二极管。[0039]各种替代实施例可包括击穿电介质充当旁路元件122。击穿电介质可具有不良导电性，直到施加等于或大于击穿电压的电压为止。如上所述，当燃料电池失效时，其可变成强大的寄生负载电阻，而不是电压源。这一变化将产生更高的跨电附接到燃料电池每一侧的互连件的旁路元件的电位差。如果所述旁路元件是击穿电介质，所述更高的电位差可大于击穿电压。因此，击穿电介质可开始起导体作用(例如，归因于电介质的相变)且绕过失效燃料电池。可选择在约2伏电压下击穿的击穿电介质。旁路二极管电介质的实例包括氧化镍或氧化铪层。
[0040]各种实施例可包括反熔丝作为旁路元件。反熔丝旁路元件可一开始具有极高电阻或甚至实际上为开路，与如上文所论述的在反向偏压下的二极管类似。然而，如果超过阈值电压或电流，反熔丝可形成导电通路。与击穿电介质类似，反熔丝在附接到燃料电池每一侧的互连件时可绕过所述燃料电池且经受由燃料电池失效所引起的更高电位差。反熔丝的实例包括氧化硅或氮化硅层。高电位致使导电连结从附接在反熔丝电介质122每一侧的金属电极128扩散通过反熔丝电介质122，从而致使所述连结提供在电极之间通过电介质122的导电通路。
[0041]各种实施例可包括使旁路模块与燃料电池堆叠耦接的一种或一种以上不同方式。图2A说明与图1A和IB的燃料电池堆叠100类似(但围绕垂直轴旋转90度)的具有燃料电池102和互连件104的燃料电池堆叠200。然而，燃料电池堆叠200可包括在互连件104上(例如在互连件104板边缘上)的突起202。如所示,突起202可成对地位于每一个互连件104上且偏离中心与相邻互连件104上的其它突起对准。图2B说明具有支撑元件211及凹口 212的旁路模块210。旁路模块210可包括具有到达一些凹口 212的导线或迹线228的旁路元件122。图2C说明如何通过将支撑元件211中的凹口 212耦接到突起202上而可使旁路模块210附接到燃料电池堆叠200。突起202与转向凹口 212的导线、电线或迹线228的接触部分224之间的接触可使旁路元件122与互连件104电连接。如果旁路元件122的导线或迹线228被排列成连接两个互连件，如旁路模块210中所示，可绕过互连件之间出故障的燃料电池。
[0042]各种旁路模块210可包括支撑元件211、安装在支撑元件211上或支撑在支撑元件211中的旁路元件122、以及多个接触224和导线228。支撑元件211可包括高温陶瓷或金属(例如掺杂氧化铈或稳定氧化锆，诸如氧化钇或氧化钪稳定的氧化锆，或金属合金，诸如Cr-Fe合金,例如Cr-4-6wt%Fe合金)，所述高温陶瓷或金属具有与固体氧化物燃料电池和互连件相似的热膨胀系数(例如相差0-10%)。在各种实施例中，支撑元件可为陶瓷(例如稳定氧化锆或掺杂氧化铈)电路板。支撑元件211可以是被塑形成在侧面具有凹口 212的板，使得互连件104的突起202可碰到支撑元件211表面上或内部的接触部分224。优选地，所述模块是预先制造的独立式模块。这意味着容纳安装在支撑元件211上或支撑在支撑元件211中的旁路元件122以及多个接触224和导线228的支撑元件211单独由燃料电池堆叠制成，且可作为单独来自燃料电池堆叠的单元而处理或运输。
[0043]图2D说明根据一个替代实施例与旁路模块240耦接的燃料电池堆叠200。模块240包括“双面梳”形状的支撑元件211，包含在两侧支撑多个“梳齿”形状的伸出段216的中心支撑部分214。通过凹口 212A、212B使相邻伸出段216彼此分离。模块240与模块210类似，但包括不与堆叠互连件104的突起202耦接的额外凹口 212B。换句话说，凹口 212A与突起202耦接。然而，凹口 212B不与突起耦接。因此，每一奇数或偶数凹口 212A与突起202耦接，而每隔一个偶数或奇数凹口 212B不与突起202耦接。
[0044]这些额外未耦接的凹口 212B可使得旁路模块240受力弯曲。确切地说，凹口 212B允许模块以图2D中箭头280所示的堆叠200堆叠方向弯曲，从而使支撑元件211的齿216夹在突起202上以便支撑。在其它实施例中，支撑元件211的齿部分216可暂时垂直于堆叠方向(即在图2D中页面内外方向)弯曲。在替代实施例中，模块240未用于接收突起202的额外凹口 212B可用柔性材料(诸如高温金属或陶瓷泡沫或毡、或高温玻璃密封材料)填充，而不是仍空着。
[0045]图3A说明具有燃料电池102和互连件104的燃料电池堆叠300。燃料电池堆叠300也包括突起202，但与燃料电池堆叠200不同，每一个互连件104可仅具有一个突起202。每一个互连件104可被制造成具有单个偏离中心的突起202。当组装燃料电池堆叠300时，一些互连件104可旋转180度，形成与图3A中类似的突起202图案。或者，可制造两套互连件104，第一套具有向右偏移的突起202而第二套具有向左偏移的突起202，且接着通过在两套之间交替而组装成燃料电池堆叠。
[0046]图3B说明除凹口 212和旁路元件122的排列之外与旁路模块210类似的旁路模块310。旁路模块310可被塑形成凹口 212与突起202图案(诸如燃料电池堆叠300中的突起202图案)对准。凹口 212可在支撑元件211的两侧交错(例如，如图3B中所示交替左、右、左等)。旁路模块310中的旁路元件122可被排列成导线或迹线转向凹口 212。图3C说明如何通过使凹口 212与突起202耦接而可将旁路模块310附接到燃料电池堆叠300。与图2C中的系统类似，导线、电线或迹线228的接触224可接触突起202，从而使旁路元件122与互连件104电连接且绕过出故障的燃料电池102。
[0047]图3D说明附接到具有突起202的燃料电池堆叠300的替代实施例旁路模块320。堆叠300中的互连件104可如图3A所示，每个互连件具有一个突起202。旁路模块320可与图2D中的旁路模块类似，包括弯曲夹持在突起202周围的齿216。支撑元件211的中心支撑部分214可被塑形或切除，以便给予齿216主要以堆叠300堆叠方向(即在图3D中上下)弯曲的空间。齿216可弯曲任何合适的量，诸如与水平面呈至少3度，例如5到20度。本文所述的模块可具有任何合适的尺寸，其取决于堆叠、互连件以及燃料电池尺寸。举例来说，模块(例如图3D中上下方向的模块320)的高度可为50到500mm，诸如100到200mm，齿216的高度(例如在图3D中的上下方向)可为0.5到10mm，诸如I到3mm，齿216从其边缘到中心支撑部分214的宽度(例如图3D中的左右方向)可为10到100mm，诸如25到50mm，中心支撑元件214的宽度(例如图3D中的左右方向)可为10到100mm，诸如25到50臟，且厚度(例如图3D中页面内外方向)可为0.1到10mm，诸如0.25到1mm。
[0048]在其它实施例中，可通过将互连件104的突起202插入支撑元件211的凹口 212中而使支撑元件211紧靠燃料电池堆叠200或300。或者，代替凹口 212，模块200或300或支撑元件211可包括直接附接到互连件104或支撑物(诸如互连件104上的突起202)的钩、夹子、螺栓或其它扣件。
[0049]图4A说明燃料电池堆叠400附接到旁路模块410的另一替代实施例。燃料电池堆叠400可包括燃料电池102和具有凹口 402的互连件104。旁路模块410可包括突起414。旁路模块410还可包括支撑旁路元件122的支撑元件411,其中导线或迹线428进入突起414。可如图4A中所示通过将突起414与凹口 402耦接(例如将突起414插入凹口402)而使燃料电池堆叠400和旁路模块410彼此附接。迹线、电线或导线428的接触部分424可电连接旁路元件122和互连件104，从而可绕过出故障的燃料电池。接触部分424可沿着突起414位于任何地方,诸如在尖端。
[0050]图4B说明一个替代实施例，其中旁路模块460包括支撑元件411中的凹坑464且燃料电池堆叠450包括具有突起452的互连件104，而突起452可适应于凹坑464。凹坑(即凹陷)464可位于梳形支撑元件411的柔性齿中，从而赋予模块460在堆叠方向和垂直于堆叠方向上的额外弯曲性。
[0051]在图4C中所示模块470的另一替代实施例中，凹坑464被一直延伸到支撑元件411的通孔474替换。图4C中所示的模块470和堆叠450与图4B中的模块和堆叠相比，围绕垂直轴旋转90度。因此，从互连件104开始延伸的突起452可延伸到旁路模块支撑元件411。优选地(但不一定)，旁路模块470支撑元件411与模块210和240类似，呈具有凹口 412和齿416的双面梳形状，从而允许支撑元件411在堆叠堆叠方向和垂直于堆叠方向上弯曲。如上文关于图2D所述，凹口 412可未被填充(即凹口中无突起或材料)或填充有柔性材料。图4C还说明可用于将旁路模块470夹持到燃料电池堆叠450的夹子480。
[0052]图4D说明附接到燃料电池堆叠490的替代实施例旁路模块495。燃料电池堆叠490可在每一个互连件104的交替侧面上具有单个突起452，与图3A中所示燃料电池堆叠300的排列类似。除了齿416交替匹配堆叠490的每一个互连件上的单个突起452之外，旁路模块495可与图4C中的旁路模块470类似，具有齿416及通孔474。与图2D中所示类似，中心支撑部分414可被切除，从而允许支撑元件411主要垂直于堆叠的堆叠方向(即图4D中页面内外方向)弯曲。元件414和/或齿416可彼此独立地弯曲。
[0053]可通过其它机构使旁路模块与燃料电池堆叠保持接触。在各种实施例中，通过一个或一个以上弹簧张力装置、夹子、螺栓等使旁路模块与燃料电池堆叠保持接触。如图5中所示，可通过附接在导线、电线或迹线228末端的弹簧502而使旁路元件122与突起202保持电接触。弹簧502可以是高温金属(例如铬镍铁合金(Inconel))螺旋弹簧或高温金属或陶瓷(例如稳定氧化锆)片簧。各种实施例可使用一个或一个以上加重元件将旁路模块和燃料电池堆叠压在一起。可省略凸出和凹口且接触124直接接触互连件104的暴露边缘。
[0054]在各种实施例中，旁路模块(包括具有凹口或突起的替代旁路模块)的旁路元件122的接触124或导线、电线或迹线128可经由涂有各种导电材料的接触124接触燃料电池堆叠。这些材料可包括钼、镍、铬镍铁合金或亚锰酸镧锶(LSM)。
[0055]各种实施例可涉及在旁路模块与燃料电池堆叠之间的电接触点焊接或铜焊(例如，接触124可被铜焊或焊接到互连件104)。焊接或铜焊可改善传导或帮助支撑和保持燃料电池堆叠与旁路模块之间的接触。
[0056]其它实施例可在旁路模块内包括一个或一个以上电压监控装置。对每一个燃料电池元件进行电压监控可更好地测量系统性能且更精确地诊断任何系统问题。然而，监控更多电压的益处和每一个额外监控装置的成本升高保持平衡。早先，固定数目的监控装置可能已被选择用于燃料电池系统的整个寿命。可互换的旁路模块可允许基于具体单元的寿命周期调节监控的量。举例来说，原型燃料电池堆叠单元可与每一个燃料电池配备有电压监控装置的旁路模块耦接。这些监控装置可提供每一个单元的电压测量且可辅助显影。类似地，生产单元可在部署前与具有许多电压监控装置的旁路模块耦接。通过这种方式，可在旁路模块被附接到燃料电池堆叠之前对它进行故障测试。所述旁路模块所允许的更大数目的测量可防止部署不可靠的单元。
[0057]或者，具有相对较少电压监控装置的旁路模块可用于单元寿命周期的其它部分，诸如在现场(即在单元被定位用于发电的地点)部署后。这些旁路模块可包括任意数目的用于监控跨任意数目的燃料电池的电压的装置。举例来说，旁路模块可包括单个装置监控跨多达一百个燃料电池的电压。替代实施例模块可包括用于多组燃料电池中每一组的电压监控装置。总而言之，可在燃料电池堆叠附接到具有多个第一监控装置和至少一个旁路元件的第一旁路模块时对燃料电池堆叠进行测试。接着将第一旁路模块从燃料电池堆叠中移出，且将具有至少一个监控装置和至少一个旁路元件的第二不同旁路模块附接到燃料电池堆叠。接着在现场操作燃料电池堆叠发电，同时使用第二旁路模块的至少一个监控装置监控燃料电池堆叠操作。第一旁路模块比第二旁路模块容纳更多的监控装置。因此，在堆叠测试期间使用每个堆叠具有更多监控装置的第一模块，而在堆叠的现场操作(即发电)期间使用每个堆叠具有比第一模块少的装置的第二模块。
[0058]也可在寿命周期的其它时间使用具有不同类型或数目的电压监控装置的旁路模块。举例来说，在关键使用中在或可能需要快速鉴定失效的其它情况下操作的燃料电池堆叠可具有容纳许多电压监控装置的旁路模块。可通过在接近寿命周期结束的单元中使用具有许多监控装置的模块鉴定待替换或修复的第一电池来延长堆叠的总寿命。
[0059]各种实施例可包括不同类型的电压监控装置。图6说明附接到具有电压监控的旁路模块600的燃料电池堆叠100。可通过在每个旁路元件之间运行电压探针610来监控跨电池102和旁路元件122的电压。这些探针610可由可经受住热区温度的各种不同导电材料制成，诸如N1、Cr等。探针510可被安装在支撑元件511上或支撑在支撑元件511内。探针610可与检测并记录跨每个电池或旁路元件的电压的数据记录单元602连接。数据记录单元可被连接到外部装置(例如电脑)用于传输所记录的电压。或者，数据记录单元602的数据可被无线传送到外部装置以避免接线到外部装置。
[0060]虽然图6说明并入与旁路元件122相同的模块600的电压探针，但是这些探针可单独使用。其它实施例包括具有电压探针610但不具有旁路元件122的模块。电压探针610可被连接到一个或一个以上互连件104，诸如每一个互连件、每隔一个互连件，或各种其它图案或随机分配。探针数目可在模块之间变化。与旁路元件122类似，可在生产或诊断显影期间使用具有更多电压探针610的模块，而可在部署后使用具有更少探针的模块。或者，可将探针线点焊到堆叠，而不是使用模块连接。
[0061]其它实施例可包括电流回路以检测流经旁路元件的电流。这些电流回路630可如图6中所示放置在一个或一个以上旁路元件122或旁路元件122组周围。当存在旁路电流时，可在电流回路中诱发电压并在外部检测。电流回路具有在不与燃料电池或燃料电池堆叠实际接触(一般使用电压探针进行)的情况下检测燃料电池性能的优势，且因此不能参与燃料电池或堆叠短路。电流回路可被附接到与上文所论述的数据记录单元602类似的数据记录或传送装置，或可被连接到外部装置。
[0062]其它实施例可包括整合到旁路模块中形成逻辑门并形成多路复用器的高温晶体管。多路复用器可允许经由多路输入信号监控电压探针610或电流回路630，且允许使用更少的进出热区的信号线监控许多电池。
[0063]各种实施例可包括整合到旁路模块中的压力或温度监控装置。图7说明具有整合温度和/或压力传感器704的旁路模块700。这些装置可与互连件104中的端口连接。每个模块的压力或温度监控装置的数目可基于如上文关于电压监控装置所述的堆叠的寿命周期而变化。传感器704可通过探针710被连接到数据记录装置702。数据记录装置702可经由有线或无线连接而将所记录的压力或温度传送到外部装置。传感器704可被安装在支撑元件611上或支撑在支撑元件611中。传感器704可包含接触燃料电池堆叠或位于燃料电池堆叠附近的热电偶或压力传感器。
[0064]提供先前对所揭示方面的描述以使得所属领域的技术人员能够制作或使用本发明。对于所属领域的技术人员来说，将易于明了对这些方面的各种修改，且在不脱离本发明的范围的情况下，本文中定义的一般原理可适用于其它方面。因此，本发明并不意欲限于本文中所展示的方面，而是应符合与本文中所揭示的原理和新颖特征一致的最宽范围。
【权利要求】
1.一种燃料电池系统，其包含: 热区中的燃料电池堆叠，所述燃料电池堆叠包含多个燃料电池和多个互连件；和 包含多个旁路元件的模块，所述模块附接到所述燃料电池堆叠且位于所述热区中。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述多个旁路元件中的至少一个与所述多个互连件中的至少两个电连接，以便绕过位于所述互连件之间的所述多个燃料电池中的至少一个。
3.根据权利要求2所述的系统，其中所述多个旁路元件中的每一个包含二极管。
4.根据权利要求2所述的系统，其中所述多个旁路元件中的每一个包含击穿电介质。
5.根据权利要求2所述的系统，其中所述多个旁路元件中的每一个包含反熔丝。
6.根据权利要求2所述的系统，其中所述热区为热箱。
7.根据权利要求2所述的系统，其中所述多个旁路元件被安装在支撑元件上或支撑在支撑元件内。
8.根据权利要求7所述的系统，其中所述支撑元件为陶瓷电路板。
9.根据权利要求7所述的系统，其中所述模块包含独立式模块且所述支撑元件包含支撑板，所述支撑板具有实质上与所述燃料电池堆叠相似的热膨胀系数。
10.根据权利要求9所述的系统，其中: 所述多个互连件包含至少一个突起； 所述支撑元件被塑形成具有至少一个凹口、凹坑或通孔；且 通过将所述至少一个突起放入所述至少一个凹口、凹坑或通孔中而使所述旁路模块附接到所述燃料电池堆叠。
11.根据权利要求10所述的系统，其中所述支撑元件呈包含柔性齿的梳形，所述柔性齿被塑形成界定所述柔性齿之间的多个凹口。
12.根据权利要求11所述的系统，其中通过将所述多个互连件的至少一个突起放入所述支撑元件的两个所述柔性齿之间的凹口中而使所述旁路模块附接到所述燃料电池堆叠。
13.根据权利要求11所述的系统,其中通过将突起放入交替凹口中而使所述旁路模块附接到所述燃料电池堆叠；且 不具有突起的凹口未被填充或填充有柔性材料。
14.根据权利要求11所述的系统，其中: 所述支撑元件被塑形成在所述多个齿的至少一些中具有至少一个凹坑或通孔；且 通过将相应突起放入相应凹坑或通孔中而使所述旁路模块附接到所述燃料电池堆叠，同时所述多个凹口未被填充或填充有柔性材料。
15.根据权利要求2所述的系统，其中通过弹簧张力装置、加重元件、螺栓、夹子、焊接或铜焊将所述模块附接到所述燃料电池堆叠。
16.根据权利要求2所述的系统，其中: 所述多个互连件中的每一个包含至少一个凹口； 所述旁路模块包含至少一个突起；且 通过将所述至少一个突起插入所述至少一个凹口中而使所述旁路模块附接到所述燃料电池堆叠。
17.根据权利要求2所述的系统，其另外包含整合到所述模块中的多个监控装置，其中所述监控装置包含电压、压力或温度监控装置。
18.根据权利要求17所述的系统，其中所述监控装置包含电压监控探针。
19.根据权利要求18所述的系统，其中所述模块另外包含被配置成多路复用器的高温晶体管。
20.根据权利要求18所述的系统，其中所述电压监控装置包含电流回路。
21.根据权利要求17所述的系统，其中所述监控装置包含热电偶。
22.一种独立式旁路模块，其包含: 多个旁路元件，其被配置成与燃料电池堆叠的多个互连件中的至少两个电连接，以便绕过所述燃料电池堆叠的多个燃料电池中的至少一个；和支撑元件，其支撑所述多个旁路元件； 其中所述支撑元件被塑形成具有凹口且包含暴露在所述凹口内的电接触。
23.一种独立式旁路模块，其包含: 多个旁路元件，其被配置成与燃料电池堆叠的多个互连件中的至少两个电连接，以便绕过所述燃料电池堆叠的多个燃料电池中的至少一个； 支撑元件，其支撑所述多个旁路元件；和 用于使所述旁路模块附接到热区中的燃料电池堆叠的构件。
24.—种方法,其包含: 提供预先制造的包含旁路元件的独立式旁路模块；和 将所述预先制造的旁路模块附接到燃料电池堆叠，使得所述模块和所述燃料电池堆叠位于热区中。
25.根据权利要求24所述的方法，其中附接所述预先制造的旁路模块包含将所述预先制造的旁路模块的支撑元件中的突起插入所述燃料电池堆叠中互连件的凹口中。
26.根据权利要求24所述的方法，其中附接所述预先制造的旁路模块包含将所述燃料电池堆叠的互连件中的突起插入所述预先制造的旁路模块的支撑元件中的凹口中。
27.根据权利要求24所述的方法，其中附接所述预先制造的旁路模块包含焊接或铜焊。
28.根据权利要求24所述的方法，其中附接所述预先制造的旁路模块包含施加弹簧负载。
29.一种操作燃料电池系统的方法，其包含: 测试附接到具有多个第一监控装置和至少一个旁路元件的第一旁路模块的燃料电池堆叠； 从所述燃料电池堆叠中移出所述第一旁路模块； 将具有至少一个监控装置和至少一个旁路元件的第二旁路模块附接到所述燃料电池堆叠；和 操作所述燃料电池堆叠发电，同时使用所述第二旁路模块的至少一个监控装置监控所述燃料电池堆叠操作； 其中所述第一旁路模块含有比所述第二旁路模块多的监控装置，且所述第二旁路模块和所述燃料电池堆叠位于同一热箱中。
30.一种操作燃料电池堆叠的方法，其包含:测试具有第一数目个电压监控探针的燃料电池堆叠；和 操作所述燃料电池堆叠发电，同时使用第二数目个电压监控探针监控所述燃料电池堆叠操作； 其中所述第一数目 大于所述第二数目。
【文档编号】H01M8/24GK103718362SQ201280036300
【公开日】2014年4月9日 申请日期:2012年6月8日 优先权日:2011年6月9日
【发明者】马蒂亚斯·戈特曼, 阿恩·巴兰坦, 奇卡林格·卡卢波亚 申请人:博隆能源股份有限公司
【专利摘要】燃料电池系统包括燃料电池堆叠，所述燃料电池堆叠包括通过多个互连件串联接触的多个燃料电池。各种实施例提供用于使燃料电池堆叠与电旁路模块在热区内耦接的系统和方法。所述旁路模块可包括在燃料电池堆叠中的互连件之间传导电流的元件，且因此绕过已变成寄生负载电阻的失效燃料电池。
【专利说明】燃料电池旁路二极管结构和附接方法
[0001]相关申请案的交叉参考
[0002]本申请案主张2011年6月9日提交之美国临时专利申请案第61/494，937号之优先权，所述临时专利申请案是以全文引用的方式并入本文中。
【技术领域】
【背景技术】
[0003]燃料电池是可高效率地将存储在燃料中的能量转化成电能的电化学装置。高温燃料电池包括固体氧化物和熔融碳酸盐燃料电池。这些燃料电池可使用氢气和/或烃燃料操作。存在各类燃料电池，诸如还允许可逆操作的固体氧化物可逆燃料电池，如此可将水或其它氧化燃料还原成使用电能作为输入的未氧化燃料。
[0004]在高温燃料电池系统(诸如固体氧化物燃料电池(SOFC)系统)中，氧化流流经燃料电池的阴极侧，而燃料流流经燃料电池的阳极侧。氧化流典型地为空气，而燃料流典型地为通过重整烃燃料源所形成的富氢气体。在750°C与950°C之间的典型温度下操作的燃料电池能够使带负电荷的氧离子从阴极流束传送到阳极流束，其中所述离子与游离氢或与烃分子中的氢结合形成水蒸气和/或与一氧化碳结合形成二氧化碳。带负电离子的过量电子经由阳极与阴极之间完成的电路返回到燃料电池的阴极侧，从而产生流经电路的电流。
[0005]燃料电池堆叠可在内部或外部配备供燃料和空气用的歧管。在内部配备歧管的堆叠中，使用容纳于所述堆叠内的立管将燃料和空气分配到每一电池。换句话说，气体流经每一燃料电池支撑层(诸如电解质层)的开口或孔和每一电池的气体分离器。在外部配备歧管的堆叠中，所述堆叠在燃料和空气入口和出口侧上是敞开的，且燃料和空气是独立于堆叠硬件而引入和收集的。举例来说，入口和出口燃料和空气在堆叠与歧管外壳(所述堆叠位于其中)之间的单独通道中流动。
[0006]燃料电池堆叠常由许多呈平面元件、管或其它几何结构形式的电池构建而成。必须将燃料和空气提供到电化学活性表面，所述电化学活性表面可以是大型的。燃料电池堆叠的一个组件为所谓的气流分离器(在平面堆叠中称为气流分离板)，其分离所述堆叠中的个别电池。气流分离板将流向堆叠中一个电池的燃料电极(即阳极)的燃料(诸如氢气或烃燃料)与流向堆叠中相邻电池的空气电极(即阴极)的氧化剂(诸如空气)分离。气流分离板还常用作将一个电池的燃料电极电连接到相邻电池的空气电极的互连件。在此情况下，充当互连件的气流分离板由导电材料制成或含有导电材料。
[0007]当燃料电池失效时，其电阻变大。就SOFC堆叠来说，可继续所述堆叠的操作，但是由失效电池所形成的跨电阻接口的电压降愈加消耗所述堆叠的电压。旁路二极管已被用于燃料电池系统使电流绕过损坏的燃料电池，但是这些二极管已被安置在燃料电池块或热区夕卜。确切地说，为避免二极管的化学降解和热降解，所述二极管已被定位于所述系统在大于约600°C的温度下操作的热箱部分外。跨接线已被用于将燃料电池连接到位于燃料电池块外的二极管。
【发明内容】
[0008]各种实施例提供燃料电池系统，包括在热区中的燃料电池堆叠，所述燃料电池堆叠包括多个燃料电池和多个互连板；和包括多个旁路装置的模块，所述模块附接到所述燃料电池堆叠且位于所述热区中。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]并入本文且构成部分本说明书的【专利附图】
【附图说明】本发明的示范性实施例，且连同上文给出的
【发明内容】
和下文给出的【具体实施方式】一起用以阐释本发明的特征。
[0010]图1A和IB为燃料电池堆叠和旁路模块的结构侧视图。
[0011]图2A为具有突起的燃料电池堆叠的结构图。
[0012]图2B为塑形成具有凹口的旁路模块的结构图。
[0013]图2C为图2B的旁路模块附接到图2A的燃料电池堆叠的结构图。
[0014]图2D为替代旁路模块附接到图2A的燃料电池堆叠的结构图。
[0015]图3A为根据一个替代实施例具有突起的燃料电池堆叠的结构图。
[0016]图3B为根据一个替代实施例塑形成具有凹口的旁路模块的结构图。
[0017]图3C为图3B的旁路模块附接到图3A的燃料电池堆叠的结构图。
[0018]图3D为替代旁路模块附接到图3A的燃料电池堆叠的结构图。
[0019]图4A为具有突起的旁路模块附接到具有凹口的燃料电池堆叠的结构图。
[0020]图4B、4C和4D为具有开口的替代旁路模块附接到具有突起的燃料电池堆叠的结构图。
[0021]图5为旁路模块与互连件的弹簧连接的示意图。
[0022]图6为根据一个替代实施例的燃料电池堆叠和具有传感器的旁路模块的结构侧视图。
[0023]图7为根据另一个替代实施例的燃料电池堆叠和具有替代传感器的旁路模块的结构侧视图。
【具体实施方式】
[0024]将参看附图详细描述各种实施例。只要可能，将在整个图式中使用相同的参考标号来指代相同或相似的部分。对具体实例和实施方案做出的参考是出于说明性目的，且不希望限制本发明或权利要求书的范围。
[0025]各种实施例提供用于使燃料电池堆叠与单独的旁路模块在热区内耦接的系统和方法。旁路模块可包括在燃料电池堆叠中的互连件之间传导电流的旁路元件，且因此绕过已变成寄生负载电阻的失效燃料电池。
[0026]使用旁路模块享有优于其它旁路方法的几种优势。旁路模块允许囊封燃料电池堆叠外的旁路元件且不干扰燃料电池堆叠组装过程。在燃料电池堆叠外制造的旁路模块在外部进行测试以在使用或整合前确保功能正常。另外，含有半导体旁路二极管的旁路模块可在它们可能需要的干净室内条件中加以制造，不需要将所述要求强加于堆叠本身。同样，可通过换出不同旁路模块来控制和改变系统中旁路元件的任何阈值电压或击穿电压。[0027]如本文中所用，术语“燃料电池堆叠”意指通过多个互连板以串联方式连接的多个堆叠燃料电池。举例来说，图1A包括燃料电池堆叠100，其中燃料电池102通过互连件104以串联方式连接。虽然图1中的燃料电池堆叠为垂直定向，但是燃料电池堆叠可以水平或任何其它方向定向。
[0028]燃料电池102可包括阳极电极102A、固体氧化物电解质102B和阴极电极102C。所述阳极电极可包含金属陶瓷，所述金属陶瓷包含含镍相和陶瓷相。含镍相可全部由还原态的镍组成。此相可形成氧化镍，此时其处于氧化态。因此，优选在操作之前在还原气氛中对阳极电极进行退火以将氧化镍还原成镍。含镍相可包括除镍和/或镍合金外的其它金属。陶瓷相可包含稳定氧化锆，诸如氧化钇和/或氧化钪稳定的氧化锆；和/或掺杂氧化铈，诸如掺杂氧化钆、氧化钇和/或氧化钐的氧化铈。电解质可包含稳定氧化锆，诸如氧化钪稳定的氧化锆(SSZ)或氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)。或者，电解质可包含另一离子导电材料，诸如掺杂氧化铈。阴极电极可包含导电材料，诸如导电钙钛矿材料，诸如亚锰酸镧锶(LSM)。还可使用其它导电钙钛矿(诸如LSCo等)或金属(诸如Pt)。阴极电极还可含有与阳极电极类似的陶瓷相。电极和电解质可各自包含一个或一个以上由一种或一种以上上述材料制成的子层。
[0029]互连板可分离堆叠中的个别燃料电池。互连板可将流向堆叠中一个电池的阳极(燃料)电极的燃料(诸如氢气和/或烃燃料)与流向堆叠中相邻电池的阴极(空气)电极的氧化剂(诸如空气)分离。互连板可含有在肋片之间的气流通路或通道。互连板还可将一个电池的阳极(燃料)电极电连接到相邻电池的阴极(空气)电极，从而使电池以串联方式电连接。互连板可由以下材料制成或可含有以下材料:导电材料(诸如金属合金(例如铬铁合金))或导电陶瓷材料，所述材料任选地具有与电池中的固体氧化物电解质相似的热膨胀系数(例如0-10%的差异)。可在阳极电极与互连件之间设置导电接触层，诸如镍接触层。可在阴极电极与互连件之间设置另一任选的导电接触层。
[0030]燃料电池堆叠中的多个燃料电池可共用共同的燃料入口和排气通路或立管。燃料电池堆叠可包括在所述堆叠相对的两端含有两个端板的不同电实体，所述端板连接到所述堆叠的功率调节设备和功率(即电)输出。因此，在一些配置中，所述不同电实体的电功率输出可与其它堆叠分开受到控制。在其它实施例中，多个堆叠可共用相同端板。在此情况下，所述堆叠可共同包含不同电实体。
[0031]燃料电池堆叠可作为更大燃料电池系统的一部分用于发电。燃料电池堆叠可位于所述系统内的热区中。在正常操作期间，此热区可在高温下操作，诸如约600°C或600°C以上、例如600-1000°C、诸如750-950°C的温度。
[0032]燃料电池典型地充当所述系统的电压源。然而，燃料电池可具有失效模式，其中所述燃料电池变成寄生负载电阻。电旁路模块可与燃料电池堆叠耦接。燃料电池堆叠和旁路模块都可位于热区中。旁路模块可包括用于在燃料电池堆叠中的互连件之间传导电流的元件，且因此避开已变成寄生负载电阻的失效燃料电池。
[0033]举例来说，图1A说明具有燃料电池102和互连件104的燃料电池堆叠100。电旁路模块120可包括电连接到接触124的旁路元件122。旁路元件122是作为二极管(诸如半导体功率二极管)进行说明，但是各种实施例可包括一个或一个以上不同类型的旁路元件。图1B说明旁路模块120与燃料电池堆叠100耦接，使得接触124与互连件104电接触。通过这种方式，旁路模块120可经由一个或一个以上旁路元件122电连接两个或两个以上互连件104。举例来说，在图1A和IB中，每一个互连件104被连接到经由接触124和单个旁路元件122与同一燃料电池102电接触的第二互连件。通过这种方式，可绕过每一个个别燃料电池。替代实施例可用多种方式将燃料电池或互连件分组，诸如使用单个旁路元件122绕过两个或两个以上燃料电池或互连件。
[0034]在正常操作中，燃料电池102充当电压源。因此，由所述燃料电池产生的电压可使得连结靠近所述燃料电池的两个互连件的旁路元件122保持反向偏压。可选择在这一反向偏压下实际上是开路的旁路元件122。如果燃料电池102损坏，电池102可变成高电阻寄生负载，且可在损坏的电池两端形成电压降。电压降可为约0.5V到约15V，诸如约IV到约5V。当所述电压降超过旁路元件122的阈值电压(如果所述旁路元件是二极管，诸如“接通”电压)时，旁路元件122被置于正向偏压中且在两个互连板104之间传导电流，从而绕过损坏的燃料电池。旁路元件122的阈值电压可随所用旁路模块120或旁路元件122而改变。举例来说，阈值电压可为约0.5V到约3V，诸如约IV。优选地，旁路元件122的定向使得旁路电流(即当超过旁路元件的阈值电压时所传导的电流)的方向与非损坏电池在正常操作期间的电流方向相同。换句话说，旁路元件122的旁路方向与非损坏电池相同的电流方向。
[0035]旁路模块可有效绕过一个以上燃料电池。如果多个燃料电池失效，电流可通过多个旁路元件(或单个旁路元件122,如果它连接不相邻的或多个互连件104)。如果两个或两个以上失效燃料电池彼此紧靠，电流可绕过所述燃料电池以及所述燃料电池之间的互连件。
[0036]在各种实施例中，燃料电池堆置100和芳路I旲块120将在热区内f禹接且因此暴露于高温。燃料电池堆叠100和旁路模块120可由于热量而遭受热膨胀。因此，旁路模块120可由具有与燃料电池堆叠100类似的热膨胀率的材料构成。
[0037]在各种实施例中，热区可为热箱126，如图1B中所示。热箱126可以是被设计成在燃料电池堆叠100的高操作温度(例如上文600°C )下操作的隔热容器或外壳。热箱可含有用多种方式排列的多个燃料电池堆叠100。举例来说，可使用美国专利第7，422，810号中所说明的热箱，所述专利关于热箱和其组件的教示是以引用的方式并入本文中。旁路模块120可在热箱126内与燃料电池堆叠100耦接。
[0038]热区的高温也意味着可使用专门的高温旁路元件。各种实施例可依靠一个或一个以上不同类型的旁路元件122。举例来说，图中的每一个旁路元件122作为二极管加以说明。然而，当至少一个燃料电池损坏时，每一个旁路元件122可以是能够在至少两个互连件之间导电的任何被动或主动电气装置。如果旁路元件122是二极管，当电池未损坏时，所述二极管优选不在反向偏压方向上传导可察觉量的电流。另外，所述二极管可能够在热区内在诸如约600-1000°C的高温下操作。金刚石半导体二极管是可在高达约1000°C的结温下操作的二极管的实例。举例来说，可使用由A.维斯肯(A.Vescan)等人，“金刚石肖特基二极管的极高温操作(Very high temperature operation of diamond Schottky diode),，，电子器件快报(Electron.Device Letters)，IEEE, 18 (11): 556-558 (1997)所揭示的二极管，所述文献是以全文引用的方式并入本文中。还可使用碳化硅半导体二极管或其它高温二极管。[0039]各种替代实施例可包括击穿电介质充当旁路元件122。击穿电介质可具有不良导电性，直到施加等于或大于击穿电压的电压为止。如上所述，当燃料电池失效时，其可变成强大的寄生负载电阻，而不是电压源。这一变化将产生更高的跨电附接到燃料电池每一侧的互连件的旁路元件的电位差。如果所述旁路元件是击穿电介质，所述更高的电位差可大于击穿电压。因此，击穿电介质可开始起导体作用(例如，归因于电介质的相变)且绕过失效燃料电池。可选择在约2伏电压下击穿的击穿电介质。旁路二极管电介质的实例包括氧化镍或氧化铪层。
[0040]各种实施例可包括反熔丝作为旁路元件。反熔丝旁路元件可一开始具有极高电阻或甚至实际上为开路，与如上文所论述的在反向偏压下的二极管类似。然而，如果超过阈值电压或电流，反熔丝可形成导电通路。与击穿电介质类似，反熔丝在附接到燃料电池每一侧的互连件时可绕过所述燃料电池且经受由燃料电池失效所引起的更高电位差。反熔丝的实例包括氧化硅或氮化硅层。高电位致使导电连结从附接在反熔丝电介质122每一侧的金属电极128扩散通过反熔丝电介质122，从而致使所述连结提供在电极之间通过电介质122的导电通路。
[0041]各种实施例可包括使旁路模块与燃料电池堆叠耦接的一种或一种以上不同方式。图2A说明与图1A和IB的燃料电池堆叠100类似(但围绕垂直轴旋转90度)的具有燃料电池102和互连件104的燃料电池堆叠200。然而，燃料电池堆叠200可包括在互连件104上(例如在互连件104板边缘上)的突起202。如所示,突起202可成对地位于每一个互连件104上且偏离中心与相邻互连件104上的其它突起对准。图2B说明具有支撑元件211及凹口 212的旁路模块210。旁路模块210可包括具有到达一些凹口 212的导线或迹线228的旁路元件122。图2C说明如何通过将支撑元件211中的凹口 212耦接到突起202上而可使旁路模块210附接到燃料电池堆叠200。突起202与转向凹口 212的导线、电线或迹线228的接触部分224之间的接触可使旁路元件122与互连件104电连接。如果旁路元件122的导线或迹线228被排列成连接两个互连件，如旁路模块210中所示，可绕过互连件之间出故障的燃料电池。
[0042]各种旁路模块210可包括支撑元件211、安装在支撑元件211上或支撑在支撑元件211中的旁路元件122、以及多个接触224和导线228。支撑元件211可包括高温陶瓷或金属(例如掺杂氧化铈或稳定氧化锆，诸如氧化钇或氧化钪稳定的氧化锆，或金属合金，诸如Cr-Fe合金,例如Cr-4-6wt%Fe合金)，所述高温陶瓷或金属具有与固体氧化物燃料电池和互连件相似的热膨胀系数(例如相差0-10%)。在各种实施例中，支撑元件可为陶瓷(例如稳定氧化锆或掺杂氧化铈)电路板。支撑元件211可以是被塑形成在侧面具有凹口 212的板，使得互连件104的突起202可碰到支撑元件211表面上或内部的接触部分224。优选地，所述模块是预先制造的独立式模块。这意味着容纳安装在支撑元件211上或支撑在支撑元件211中的旁路元件122以及多个接触224和导线228的支撑元件211单独由燃料电池堆叠制成，且可作为单独来自燃料电池堆叠的单元而处理或运输。
[0043]图2D说明根据一个替代实施例与旁路模块240耦接的燃料电池堆叠200。模块240包括“双面梳”形状的支撑元件211，包含在两侧支撑多个“梳齿”形状的伸出段216的中心支撑部分214。通过凹口 212A、212B使相邻伸出段216彼此分离。模块240与模块210类似，但包括不与堆叠互连件104的突起202耦接的额外凹口 212B。换句话说，凹口 212A与突起202耦接。然而，凹口 212B不与突起耦接。因此，每一奇数或偶数凹口 212A与突起202耦接，而每隔一个偶数或奇数凹口 212B不与突起202耦接。
[0044]这些额外未耦接的凹口 212B可使得旁路模块240受力弯曲。确切地说，凹口 212B允许模块以图2D中箭头280所示的堆叠200堆叠方向弯曲，从而使支撑元件211的齿216夹在突起202上以便支撑。在其它实施例中，支撑元件211的齿部分216可暂时垂直于堆叠方向(即在图2D中页面内外方向)弯曲。在替代实施例中，模块240未用于接收突起202的额外凹口 212B可用柔性材料(诸如高温金属或陶瓷泡沫或毡、或高温玻璃密封材料)填充，而不是仍空着。
[0045]图3A说明具有燃料电池102和互连件104的燃料电池堆叠300。燃料电池堆叠300也包括突起202，但与燃料电池堆叠200不同，每一个互连件104可仅具有一个突起202。每一个互连件104可被制造成具有单个偏离中心的突起202。当组装燃料电池堆叠300时，一些互连件104可旋转180度，形成与图3A中类似的突起202图案。或者，可制造两套互连件104，第一套具有向右偏移的突起202而第二套具有向左偏移的突起202，且接着通过在两套之间交替而组装成燃料电池堆叠。
[0046]图3B说明除凹口 212和旁路元件122的排列之外与旁路模块210类似的旁路模块310。旁路模块310可被塑形成凹口 212与突起202图案(诸如燃料电池堆叠300中的突起202图案)对准。凹口 212可在支撑元件211的两侧交错(例如，如图3B中所示交替左、右、左等)。旁路模块310中的旁路元件122可被排列成导线或迹线转向凹口 212。图3C说明如何通过使凹口 212与突起202耦接而可将旁路模块310附接到燃料电池堆叠300。与图2C中的系统类似，导线、电线或迹线228的接触224可接触突起202，从而使旁路元件122与互连件104电连接且绕过出故障的燃料电池102。
[0047]图3D说明附接到具有突起202的燃料电池堆叠300的替代实施例旁路模块320。堆叠300中的互连件104可如图3A所示，每个互连件具有一个突起202。旁路模块320可与图2D中的旁路模块类似，包括弯曲夹持在突起202周围的齿216。支撑元件211的中心支撑部分214可被塑形或切除，以便给予齿216主要以堆叠300堆叠方向(即在图3D中上下)弯曲的空间。齿216可弯曲任何合适的量，诸如与水平面呈至少3度，例如5到20度。本文所述的模块可具有任何合适的尺寸，其取决于堆叠、互连件以及燃料电池尺寸。举例来说，模块(例如图3D中上下方向的模块320)的高度可为50到500mm，诸如100到200mm，齿216的高度(例如在图3D中的上下方向)可为0.5到10mm，诸如I到3mm，齿216从其边缘到中心支撑部分214的宽度(例如图3D中的左右方向)可为10到100mm，诸如25到50mm，中心支撑元件214的宽度(例如图3D中的左右方向)可为10到100mm，诸如25到50臟，且厚度(例如图3D中页面内外方向)可为0.1到10mm，诸如0.25到1mm。
[0048]在其它实施例中，可通过将互连件104的突起202插入支撑元件211的凹口 212中而使支撑元件211紧靠燃料电池堆叠200或300。或者，代替凹口 212，模块200或300或支撑元件211可包括直接附接到互连件104或支撑物(诸如互连件104上的突起202)的钩、夹子、螺栓或其它扣件。
[0049]图4A说明燃料电池堆叠400附接到旁路模块410的另一替代实施例。燃料电池堆叠400可包括燃料电池102和具有凹口 402的互连件104。旁路模块410可包括突起414。旁路模块410还可包括支撑旁路元件122的支撑元件411,其中导线或迹线428进入突起414。可如图4A中所示通过将突起414与凹口 402耦接(例如将突起414插入凹口402)而使燃料电池堆叠400和旁路模块410彼此附接。迹线、电线或导线428的接触部分424可电连接旁路元件122和互连件104，从而可绕过出故障的燃料电池。接触部分424可沿着突起414位于任何地方,诸如在尖端。
[0050]图4B说明一个替代实施例，其中旁路模块460包括支撑元件411中的凹坑464且燃料电池堆叠450包括具有突起452的互连件104，而突起452可适应于凹坑464。凹坑(即凹陷)464可位于梳形支撑元件411的柔性齿中，从而赋予模块460在堆叠方向和垂直于堆叠方向上的额外弯曲性。
[0051]在图4C中所示模块470的另一替代实施例中，凹坑464被一直延伸到支撑元件411的通孔474替换。图4C中所示的模块470和堆叠450与图4B中的模块和堆叠相比，围绕垂直轴旋转90度。因此，从互连件104开始延伸的突起452可延伸到旁路模块支撑元件411。优选地(但不一定)，旁路模块470支撑元件411与模块210和240类似，呈具有凹口 412和齿416的双面梳形状，从而允许支撑元件411在堆叠堆叠方向和垂直于堆叠方向上弯曲。如上文关于图2D所述，凹口 412可未被填充(即凹口中无突起或材料)或填充有柔性材料。图4C还说明可用于将旁路模块470夹持到燃料电池堆叠450的夹子480。
[0052]图4D说明附接到燃料电池堆叠490的替代实施例旁路模块495。燃料电池堆叠490可在每一个互连件104的交替侧面上具有单个突起452，与图3A中所示燃料电池堆叠300的排列类似。除了齿416交替匹配堆叠490的每一个互连件上的单个突起452之外，旁路模块495可与图4C中的旁路模块470类似，具有齿416及通孔474。与图2D中所示类似，中心支撑部分414可被切除，从而允许支撑元件411主要垂直于堆叠的堆叠方向(即图4D中页面内外方向)弯曲。元件414和/或齿416可彼此独立地弯曲。
[0053]可通过其它机构使旁路模块与燃料电池堆叠保持接触。在各种实施例中，通过一个或一个以上弹簧张力装置、夹子、螺栓等使旁路模块与燃料电池堆叠保持接触。如图5中所示，可通过附接在导线、电线或迹线228末端的弹簧502而使旁路元件122与突起202保持电接触。弹簧502可以是高温金属(例如铬镍铁合金(Inconel))螺旋弹簧或高温金属或陶瓷(例如稳定氧化锆)片簧。各种实施例可使用一个或一个以上加重元件将旁路模块和燃料电池堆叠压在一起。可省略凸出和凹口且接触124直接接触互连件104的暴露边缘。
[0054]在各种实施例中，旁路模块(包括具有凹口或突起的替代旁路模块)的旁路元件122的接触124或导线、电线或迹线128可经由涂有各种导电材料的接触124接触燃料电池堆叠。这些材料可包括钼、镍、铬镍铁合金或亚锰酸镧锶(LSM)。
[0055]各种实施例可涉及在旁路模块与燃料电池堆叠之间的电接触点焊接或铜焊(例如，接触124可被铜焊或焊接到互连件104)。焊接或铜焊可改善传导或帮助支撑和保持燃料电池堆叠与旁路模块之间的接触。
[0056]其它实施例可在旁路模块内包括一个或一个以上电压监控装置。对每一个燃料电池元件进行电压监控可更好地测量系统性能且更精确地诊断任何系统问题。然而，监控更多电压的益处和每一个额外监控装置的成本升高保持平衡。早先，固定数目的监控装置可能已被选择用于燃料电池系统的整个寿命。可互换的旁路模块可允许基于具体单元的寿命周期调节监控的量。举例来说，原型燃料电池堆叠单元可与每一个燃料电池配备有电压监控装置的旁路模块耦接。这些监控装置可提供每一个单元的电压测量且可辅助显影。类似地，生产单元可在部署前与具有许多电压监控装置的旁路模块耦接。通过这种方式，可在旁路模块被附接到燃料电池堆叠之前对它进行故障测试。所述旁路模块所允许的更大数目的测量可防止部署不可靠的单元。
[0057]或者，具有相对较少电压监控装置的旁路模块可用于单元寿命周期的其它部分，诸如在现场(即在单元被定位用于发电的地点)部署后。这些旁路模块可包括任意数目的用于监控跨任意数目的燃料电池的电压的装置。举例来说，旁路模块可包括单个装置监控跨多达一百个燃料电池的电压。替代实施例模块可包括用于多组燃料电池中每一组的电压监控装置。总而言之，可在燃料电池堆叠附接到具有多个第一监控装置和至少一个旁路元件的第一旁路模块时对燃料电池堆叠进行测试。接着将第一旁路模块从燃料电池堆叠中移出，且将具有至少一个监控装置和至少一个旁路元件的第二不同旁路模块附接到燃料电池堆叠。接着在现场操作燃料电池堆叠发电，同时使用第二旁路模块的至少一个监控装置监控燃料电池堆叠操作。第一旁路模块比第二旁路模块容纳更多的监控装置。因此，在堆叠测试期间使用每个堆叠具有更多监控装置的第一模块，而在堆叠的现场操作(即发电)期间使用每个堆叠具有比第一模块少的装置的第二模块。
[0058]也可在寿命周期的其它时间使用具有不同类型或数目的电压监控装置的旁路模块。举例来说，在关键使用中在或可能需要快速鉴定失效的其它情况下操作的燃料电池堆叠可具有容纳许多电压监控装置的旁路模块。可通过在接近寿命周期结束的单元中使用具有许多监控装置的模块鉴定待替换或修复的第一电池来延长堆叠的总寿命。
[0059]各种实施例可包括不同类型的电压监控装置。图6说明附接到具有电压监控的旁路模块600的燃料电池堆叠100。可通过在每个旁路元件之间运行电压探针610来监控跨电池102和旁路元件122的电压。这些探针610可由可经受住热区温度的各种不同导电材料制成，诸如N1、Cr等。探针510可被安装在支撑元件511上或支撑在支撑元件511内。探针610可与检测并记录跨每个电池或旁路元件的电压的数据记录单元602连接。数据记录单元可被连接到外部装置(例如电脑)用于传输所记录的电压。或者，数据记录单元602的数据可被无线传送到外部装置以避免接线到外部装置。
[0060]虽然图6说明并入与旁路元件122相同的模块600的电压探针，但是这些探针可单独使用。其它实施例包括具有电压探针610但不具有旁路元件122的模块。电压探针610可被连接到一个或一个以上互连件104，诸如每一个互连件、每隔一个互连件，或各种其它图案或随机分配。探针数目可在模块之间变化。与旁路元件122类似，可在生产或诊断显影期间使用具有更多电压探针610的模块，而可在部署后使用具有更少探针的模块。或者，可将探针线点焊到堆叠，而不是使用模块连接。
[0061]其它实施例可包括电流回路以检测流经旁路元件的电流。这些电流回路630可如图6中所示放置在一个或一个以上旁路元件122或旁路元件122组周围。当存在旁路电流时，可在电流回路中诱发电压并在外部检测。电流回路具有在不与燃料电池或燃料电池堆叠实际接触(一般使用电压探针进行)的情况下检测燃料电池性能的优势，且因此不能参与燃料电池或堆叠短路。电流回路可被附接到与上文所论述的数据记录单元602类似的数据记录或传送装置，或可被连接到外部装置。
[0062]其它实施例可包括整合到旁路模块中形成逻辑门并形成多路复用器的高温晶体管。多路复用器可允许经由多路输入信号监控电压探针610或电流回路630，且允许使用更少的进出热区的信号线监控许多电池。
[0063]各种实施例可包括整合到旁路模块中的压力或温度监控装置。图7说明具有整合温度和/或压力传感器704的旁路模块700。这些装置可与互连件104中的端口连接。每个模块的压力或温度监控装置的数目可基于如上文关于电压监控装置所述的堆叠的寿命周期而变化。传感器704可通过探针710被连接到数据记录装置702。数据记录装置702可经由有线或无线连接而将所记录的压力或温度传送到外部装置。传感器704可被安装在支撑元件611上或支撑在支撑元件611中。传感器704可包含接触燃料电池堆叠或位于燃料电池堆叠附近的热电偶或压力传感器。
[0064]提供先前对所揭示方面的描述以使得所属领域的技术人员能够制作或使用本发明。对于所属领域的技术人员来说，将易于明了对这些方面的各种修改，且在不脱离本发明的范围的情况下，本文中定义的一般原理可适用于其它方面。因此，本发明并不意欲限于本文中所展示的方面，而是应符合与本文中所揭示的原理和新颖特征一致的最宽范围。
【权利要求】
1.一种燃料电池系统，其包含: 热区中的燃料电池堆叠，所述燃料电池堆叠包含多个燃料电池和多个互连件；和 包含多个旁路元件的模块，所述模块附接到所述燃料电池堆叠且位于所述热区中。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述多个旁路元件中的至少一个与所述多个互连件中的至少两个电连接，以便绕过位于所述互连件之间的所述多个燃料电池中的至少一个。
3.根据权利要求2所述的系统，其中所述多个旁路元件中的每一个包含二极管。
4.根据权利要求2所述的系统，其中所述多个旁路元件中的每一个包含击穿电介质。
5.根据权利要求2所述的系统，其中所述多个旁路元件中的每一个包含反熔丝。
6.根据权利要求2所述的系统，其中所述热区为热箱。
7.根据权利要求2所述的系统，其中所述多个旁路元件被安装在支撑元件上或支撑在支撑元件内。
8.根据权利要求7所述的系统，其中所述支撑元件为陶瓷电路板。
9.根据权利要求7所述的系统，其中所述模块包含独立式模块且所述支撑元件包含支撑板，所述支撑板具有实质上与所述燃料电池堆叠相似的热膨胀系数。
10.根据权利要求9所述的系统，其中: 所述多个互连件包含至少一个突起； 所述支撑元件被塑形成具有至少一个凹口、凹坑或通孔；且 通过将所述至少一个突起放入所述至少一个凹口、凹坑或通孔中而使所述旁路模块附接到所述燃料电池堆叠。
11.根据权利要求10所述的系统，其中所述支撑元件呈包含柔性齿的梳形，所述柔性齿被塑形成界定所述柔性齿之间的多个凹口。
12.根据权利要求11所述的系统，其中通过将所述多个互连件的至少一个突起放入所述支撑元件的两个所述柔性齿之间的凹口中而使所述旁路模块附接到所述燃料电池堆叠。
13.根据权利要求11所述的系统,其中通过将突起放入交替凹口中而使所述旁路模块附接到所述燃料电池堆叠；且 不具有突起的凹口未被填充或填充有柔性材料。
14.根据权利要求11所述的系统，其中: 所述支撑元件被塑形成在所述多个齿的至少一些中具有至少一个凹坑或通孔；且 通过将相应突起放入相应凹坑或通孔中而使所述旁路模块附接到所述燃料电池堆叠，同时所述多个凹口未被填充或填充有柔性材料。
15.根据权利要求2所述的系统，其中通过弹簧张力装置、加重元件、螺栓、夹子、焊接或铜焊将所述模块附接到所述燃料电池堆叠。
16.根据权利要求2所述的系统，其中: 所述多个互连件中的每一个包含至少一个凹口； 所述旁路模块包含至少一个突起；且 通过将所述至少一个突起插入所述至少一个凹口中而使所述旁路模块附接到所述燃料电池堆叠。
17.根据权利要求2所述的系统，其另外包含整合到所述模块中的多个监控装置，其中所述监控装置包含电压、压力或温度监控装置。
18.根据权利要求17所述的系统，其中所述监控装置包含电压监控探针。
19.根据权利要求18所述的系统，其中所述模块另外包含被配置成多路复用器的高温晶体管。
20.根据权利要求18所述的系统，其中所述电压监控装置包含电流回路。
21.根据权利要求17所述的系统，其中所述监控装置包含热电偶。
22.一种独立式旁路模块，其包含: 多个旁路元件，其被配置成与燃料电池堆叠的多个互连件中的至少两个电连接，以便绕过所述燃料电池堆叠的多个燃料电池中的至少一个；和支撑元件，其支撑所述多个旁路元件； 其中所述支撑元件被塑形成具有凹口且包含暴露在所述凹口内的电接触。
23.一种独立式旁路模块，其包含: 多个旁路元件，其被配置成与燃料电池堆叠的多个互连件中的至少两个电连接，以便绕过所述燃料电池堆叠的多个燃料电池中的至少一个； 支撑元件，其支撑所述多个旁路元件；和 用于使所述旁路模块附接到热区中的燃料电池堆叠的构件。
24.—种方法,其包含: 提供预先制造的包含旁路元件的独立式旁路模块；和 将所述预先制造的旁路模块附接到燃料电池堆叠，使得所述模块和所述燃料电池堆叠位于热区中。
25.根据权利要求24所述的方法，其中附接所述预先制造的旁路模块包含将所述预先制造的旁路模块的支撑元件中的突起插入所述燃料电池堆叠中互连件的凹口中。
26.根据权利要求24所述的方法，其中附接所述预先制造的旁路模块包含将所述燃料电池堆叠的互连件中的突起插入所述预先制造的旁路模块的支撑元件中的凹口中。
27.根据权利要求24所述的方法，其中附接所述预先制造的旁路模块包含焊接或铜焊。
28.根据权利要求24所述的方法，其中附接所述预先制造的旁路模块包含施加弹簧负载。
29.一种操作燃料电池系统的方法，其包含: 测试附接到具有多个第一监控装置和至少一个旁路元件的第一旁路模块的燃料电池堆叠； 从所述燃料电池堆叠中移出所述第一旁路模块； 将具有至少一个监控装置和至少一个旁路元件的第二旁路模块附接到所述燃料电池堆叠；和 操作所述燃料电池堆叠发电，同时使用所述第二旁路模块的至少一个监控装置监控所述燃料电池堆叠操作； 其中所述第一旁路模块含有比所述第二旁路模块多的监控装置，且所述第二旁路模块和所述燃料电池堆叠位于同一热箱中。
30.一种操作燃料电池堆叠的方法，其包含:测试具有第一数目个电压监控探针的燃料电池堆叠；和 操作所述燃料电池堆叠发电，同时使用第二数目个电压监控探针监控所述燃料电池堆叠操作； 其中所述第一数目 大于所述第二数目。
【文档编号】H01M8/24GK103718362SQ201280036300
【公开日】2014年4月9日 申请日期:2012年6月8日 优先权日:2011年6月9日
【发明者】马蒂亚斯·戈特曼, 阿恩·巴兰坦, 奇卡林格·卡卢波亚 申请人:博隆能源股份有限公司
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