用于燃料电池堆叠的经改进互连件及端板设计的制作方法
【专利说明】用于燃料电池堆叠的经改进互连件及端板设计
[0001]相关申请案
[0002]本申请案主张优先于2012年11月6日提出申请的第61/723，066号美国临时申请案的权益，所述临时申请案的全部内容以引用的方式并入本文中。
【背景技术】
[0003]在高温燃料电池系统(例如固态氧化物燃料电池(SOFC)系统)中，氧化流穿过燃料电池的阴极侧，而燃料流穿过燃料电池的阳极侧。所述氧化流通常为空气，而所述燃料流可为烃化物燃料，例如甲烷、天然气、戊烷、乙醇或甲醇。以介于750°C与950°C之间的典型温度操作的燃料电池使带负电荷氧离子能够从阴极流动流(flow stream)传输到阳极流动流，其中所述离子与游离氢或烃分子中的氢组合以形成水蒸气，及/或与一氧化碳组合以形成二氧化碳。通过贯穿于阳极与阴极之间的电路将来自带负电荷离子的过量电子往回路由到燃料电池的阴极侧，从而产生穿过所述电路的电流流动。
[0004]为了优化SOFC的操作，应精确地调节所述氧化流及所述燃料流。因此，应精确地制造燃料电池系统中的流动调节结构，例如互连件(IC)及端板(EP)。当前使用的一种类型的互连件及端板为通过粉末冶金技术形成的金属互连件/端板。SOFC互连件及端板需要好的形貌均匀性(平坦性)，以确保电解质不会经历超过电解质的断裂强度的应力集中。
【发明内容】
[0005]实施例包含用于燃料电池堆叠的互连件，所述互连件包含:第一侧，其包括界定流场的隆起特征；第二侧，其与所述第一侧相对；及开口，其用于反应剂，延伸穿过所述互连件，其中所述互连件包括以下各项中的至少一者:(a)所述第一侧包括用于接纳围绕所述流场的外围延伸的窗口密封的升高部分，且所述升高部分的至少一部分的高度至少在接近于所述开口处相对于界定所述流场的所述隆起特征的高度凹入，(b)所述互连件包括具有位于所述第二侧上且环绕所述开口的界面密封的端板，且所述第二侧包括在所述第二侧的至少一部分上面的保护涂层，其中所述保护涂层的厚度与所述界面密封的厚度相差不足20%, (c)所述互连件包括具有位于所述第二侧上且环绕所述开口的界面密封的端板，且所述第二侧包括在所述第二侧的至少一部分上面的保护涂层，其中所述界面密封位于所述第二侧的未涂覆部分上，且所述未涂覆部分的外围包含沿着所述端板的外边缘延伸的大体笔直部分及面向所述端板的中间的弯曲部分，(d)所述互连件包括具有位于所述第二侧上且环绕所述开口的界面密封的端板，且所述第二侧包括在所述第二侧的至少一部分上面的保护涂层，且其中所述界面密封位于所述第二侧中的凹入部分上且在所述保护涂层上面，或(e)所述第一侧包括环绕所述开口的平坦升高表面，且所述升高表面的高度相对于界定所述流场的所述隆起特征的高度凹入。
[0006]进一步实施例包含用于燃料电池堆叠的互连件，所述互连件包含:多个凸肋及通道，其在所述互连件的第一主表面上，界定用于反应剂的流场；及多个隆起表面，其在所述第一主表面上，位于所述互连件的边缘与所述流场之间，所述隆起表面经间断地间隔以允许所述反应剂在所述隆起表面之间流动。
[0007]进一步实施例包含用于燃料电池堆叠的互连件，所述互连件包含:多个凸肋及通道，其在所述互连件的第一主表面上，界定用于第一反应剂的流场；开口，其用于第二反应剂，延伸穿过所述互连件；升高表面，其在所述互连件的所述第一主表面上环绕所述开口 ；及密封，其在所述升高表面上且环绕所述开口，其中所述密封包括面向所述互连件的边缘的大体笔直区段及面向所述互连件的中间的弯曲区段，其中所述大体笔直区段由所述密封的外围的大体笔直部分及所述密封的内部开口的大体笔直部分界定。
[0008]进一步实施例包含如上文所描述制作用于燃料电池堆叠的互连件的方法。
【附图说明】
[0009]并入本文中且构成此说明书的部分的随附图式图解说明本发明的实例实施例，且与上文给出的大体说明及下文给出的详细说明一起用于阐释本发明的特征。
[0010]图1图解说明SOFC堆叠的侧横截面图。
[0011]图2A是现有技术的互连件的阴极侧的透视图。
[0012]图2B是现有技术的互连件的阳极侧的透视图。
[0013]图3是现有技术的燃料电池堆叠的端板的部分横截面图。
[0014]图4A是根据实施例在端板的面向阳极侧上具有凹入部分的端板的部分横截面图。
[0015]图4B是示意性地图解说明变形的图4A的端板的部分横截面图。
[0016]图5是根据实施例具有相对厚的保护涂层及相对较大的未涂覆区的端板的部分横截面图。
[0017]图6是图5的端板的俯视图。
[0018]图7是具有小的未涂覆区的现有技术的端板的俯视图。
[0019]图8是根据实施例的端板的部分横截面图，所述端板具有凹入部分及位于所述凹入部分中且在保护涂层上面的界面密封。
[0020]图9A是具有局部凹入部分的燃料端板的面向阳极侧的俯视图。
[0021 ] 图9B是互连件的面向阴极侧的俯视图。
[0022]图1OA是沿着图9A到B中的线D-D截取的燃料电池堆叠的一端的分解横截面图。
[0023]图1OB是沿着图9A到B中的线E-E截取的燃料电池堆叠的一端的分解横截面图。
[0024]图11示意性地图解说明燃料电池的复合弯曲。
[0025]图12A是根据实施例的燃料端板的面向阳极侧的俯视图，所述燃料端板具有延伸于端板的边缘上面的凹入窗口密封部分。
[0026]图12B是根据实施例的互连件的面向阴极侧的俯视图，所述互连件具有环绕所述燃料孔的相对于流场特征的高度凹入的升高表面。
[0027]图13A是沿着图12A到B中的线F-F截取的燃料电池堆叠的一端的分解横截面图。
[0028]图13B是沿着图12A到B中的线G-G截取的燃料电池堆叠的一端的分解横截面图。
[0029]图14图解说明根据实施例的互连件的阴极侧，所述互连件具有用于提供间断的密封支援的隆起岛。
[0030]图15A是具有圆形密封的互连件的阴极侧的部分透视图。
[0031]图15B是图解说明圆形密封的图15A的互连件的燃料孔区域的放大图。
[0032]图16A是根据实施例的互连件的阴极侧的部分透视图，所述互连件具有包含大体笔直区段及弯曲部分的非圆形密封。
[0033]图16B是根据实施例图解说明所述非圆形密封的图16A的互连件的燃料孔区域的放大图。
【具体实施方式】
[0034]将参照随附图式详细描述各种实施例。所述图式未必按比例，且打算图解说明本发明的各种特征。无论在什么可能的情况下，贯穿各图式将使用相同元件符号来指代相同或类似部件。出于图解说明的目的参考特定实例及实施方案，且不打算限制本发明的范围或权利要求书。
[0035]各种实施例包含:用于燃料电池堆叠的互连件及端板，并入有此些互连件及端板的燃料电池堆叠及系统，及制作用于燃料电池堆叠的互连件及端板的方法。
[0036]对于固态氧化物燃料电池堆叠，当前使用的互连件通常由导电金属材料制成，且可包括铬合金，例如Cr-Fe合金。互连件通常使用粉末冶金技术来制作，所述粉末冶金技术包含压制及烧结Cr-Fe粉末(其可为Cr及Fe粉末的混合物)以形成呈期望大小及形状的Cr-Fe互连件(例如，“净成形”或“近净成形”程序)。典型铬合金互连件包括以重量计超过约90%的铬，例如以重量计约94%到96% (例如，95%)的铬。所述互连件还可含有以重量计不足约10%的铁，例如以重量计约4%到6% (例如，5% )的铁，可含有以重量计不足约2% (例如以重量计约零到1% )的其它材料，例如钇或氧化钇，以及残余或不可避免的杂质。
[0037]在操作中暴露于氧化环境(例如，空气)的互连件的表面(例如互连件的面向阴极侧)可涂覆有保护涂覆层，以便减小氧化铬表面层在互连件上的生长速率，且抑制可破坏燃料电池阴极的铬蒸气种类的蒸发。通常，可使用喷涂或浸涂程序来形成所述涂覆层，所述涂覆层可包括钙钛矿，例如锰酸镧锶(LSM)。另一选择为，替代或除LSM外，还可使用其它金属氧化物涂覆，例如尖晶石，例如(Mn，Co) 304尖晶石。可使用具有组合物Mn2_xCo1+x04(0 彡 X 彡 I)或书写为 z (Mn3O4)+ (1-z) (Co3O4)(其中(1/3 ( z ( 2/3))或书写为(Mn，Co) 304的任何尖晶石。
[0038]图1中图解说明固态氧化物燃料电池(SOFC)堆叠的实例。每一 SOFC I包括阴极电极7、固态氧化物电解质5及阳极电极3。燃料电池堆叠通常由大量SOFC I以平面元件、管或其它几何形状的形式建构而成。燃料及空气必须被提供到电化学作用表面，所述表面可为大的。一或多个燃料电池堆叠可与燃料电池发电系统的其它组件(例如，一或多个燃烧器、燃料重组器、流体导管及歧管等)热一起集成于共同外壳或“热箱(hotbox)”中。
[0039]在凸肋10之间含有气流通路或通道8的气流分离器9 (当作为平面堆叠的部分时，称为气流分离器板)分离所述堆叠中的个别电池。通常，还将气流分离器板9用作互连件，其将一个电池的阳极或燃料电极3电连接到邻近电池的阴极或空气电极7。在此情形中，用作互连件的气流分离器板由导电材料制成或含有导电材料。互连件/气流分离器9分离流动到所述堆叠中的一个电池的燃料电极(即，阳极3)的烃化物燃料与流动到所述堆叠中的邻近电池的空气电极(即，阴极7)的氧化剂(例如空气)。在所述堆叠的任一端处，可存在空气端板或燃料端板(未展示)，用于分别向端电极提供空气或燃料。如本文中所使用，互连件可指代位于两个燃料电池I之间的互连件，或位于堆叠的一端处且直接邻近于仅一个燃料电池I的端板。图1展示下部SOFC I位于两个互连件9之间，且上部互连件9位于两个SOFC I之间。
[0040]图2A及2B分别展示现有技术互连件9的俯视图及仰视图。在图1中以侧横截面图展示的互连件9的部分是沿着图2A及2B中的线A-A提供的。互连件9在凸肋10之间含有气流通路或通道8。在此实施例中，互连件9包含用于将燃料提供到SOFC I的阳极侧的至少一个上升管通道16a，如箭头29所图解说明。上升管通道16a通常包括延伸穿过堆叠中的燃料电池及互连件的至少一个层的燃料入口上升管开口或孔。如图2B中所图解说明，所述燃料可流动通过入口上升管通道16a到每一燃料电池的阳极侧。这样，燃料可收集于入口充气部17a中(例如，互连件的表面中的沟槽)，接着通过形成于互连件9中的气流通道8A流动经过燃料电池阳极3到出口充气部17b，且接着通过单独出口上升管通道16b排出。应注意，凸肋10可以任何配置定位，使得空气及燃料可沿相同方向(共流)或沿相反方向(反流)或彼此成直角(交叉流)或其之间成任何角度来在互连件9的相对侧上流动。
[0041]图2A中所图解说明的阴极侧可包含凸肋10之间的气流通路或通道SC，凸肋10将空气流44从入口侧117越过燃料电池的阴极电极引导到出口侧119。升高平坦表面15a、15b可环绕互连件9的阴极侧上的相应上升管通道开口 16a、16b。密封材料(例如，玻璃或玻璃陶瓷密封材料，未展示)可位于表面15a、15b上，以便将互连件9的阴极侧密封到燃料电池，以防止燃料到达燃料电池的阴极电极。所述密封可具有圆形或中空圆柱形状，使得上升管通道开口 16a、16b延伸穿过相应密封的中空中间部分。如图2B中所展示，升高平坦表面15c可围绕互连件9的阳极侧的外围延伸，外围(例如，窗口)密封(未展示)可位于所述外围上以将互连件的阳极侧密封到燃料电池，以防止空气到达燃料电池的阳极电极。升高平坦表面15d可沿着互连件9的阴极侧的两个相对边缘延伸，如图2A中所