[发明专利]燃料电池装置组件和支架的制造方法

说明书

发明背景

技术领域

本发明主要涉及燃料电池装置，具体涉及用于燃料电池装置的支架(frame)。

背景技术

使用固体氧化物燃料电池近年来一直是很多研究的主题。固体氧化物燃料电池(SOFC)的典型部件包括夹在两个电极中间的带负电荷的传导氧离子的电解质。通过在正极(anode)氧化燃料来在该电池中产生电流，所述燃料例如是氢气，氢气与由电解质传导的氧离子反应。通过在负极(cathode)还原氧分子来形成氧离子。

美国专利公开US2002/0102450和2001/0044041描述了具有改进的电极-电解质结构的固体电解质燃料电池。该结构包括固体电解质片，所述电解质片包括多个连接到薄的挠性无机电解质片的相对面的正电极和负电极。一个例子阐明电极在电解质片上不形成连续层，而是限定出许多不连续的区域或地带。这些区域通过与其接触的导电体电连接，所述导电体穿过电解质片中的通孔延伸。用导电性材料(通孔互联)填充所述通孔。

美国专利5085455揭示了薄且光滑的无机烧结片。所揭示的烧结片具有可以弯曲但不会断裂的强度和挠性，且所述烧结片在很宽的温度范围内具有优异的稳定性。一些所揭示的组合物，例如氧化钇稳定化的氧化锆YSZ(Y₂O₃-ZrO₂)可用作燃料电池的电解质。已知在足够(高)的温度(例如约725℃或更高)，氧化锆电解质显示出良好的离子电导和极低的电子电导。美国专利5723837描述了使用该组合物形成耐热冲击的固体氧化物燃料电池。

美国专利公开US2001/0044043描述了利用具有粗糙界面层的基本平面的且光滑的电解质片的固体电解质燃料电池。该公开揭示了厚度低于45微米的电解质片。在该厚度下所述电解质片是挠性的。

而且，燃料电池承受热循环和大的热梯度，在电解质片中形成热应力。此外，固定的电解质片会以和支架的热膨胀率不同的速率膨胀，这可能导致电解质片破裂。电解质片的缺陷可能使得必须更换整个电池或电解质装置。

已知基片型的固体氧化物燃料电池有时利用金属合金作为隔板(separator)。这种构造例如描述于Yoshido Matsuzaki和Isami Yasuda，Solid state Ionics(固态离子)132(2000)271-278题目为“与含铬合金隔板接触的SOFC负极的电化学性质(Electrochemical properties of a SOFC cathode in contact with achromium-containing alloy separator)”中。

如美国专利号5486428中所述，固体氧化物燃料电池也可由多孔支撑结构支撑。在所述多孔支撑结构的内部密封有为氧或燃料形成通路的波纹状陶瓷板。更具体地，美国专利5486428揭示了燃料电池模块，各具有支撑多个电极的多孔基片。电解质层位于这些电极的上方，另一个电极层位于电解质层的上方。所述多孔支撑结构与这些层形成一个整体，并且与这些层不可分离。该专利揭示所述燃料电池层直接连接到所述多孔支撑结构，因此装配约束条件限制了燃料电池的构造。例如，所述电池层通常在不同的温度烧结。典型地，所述正极和电解质在1400℃或更高的温度下烧结，而负极理想地在1200℃或更低的温度下烧结。因此，必须以烧结温度降低的顺序沉积这些燃料电池层。然而，能具有不需要考虑装配约束条件的其它构造设计的燃料电池阵列将会很有利。此外，所述多孔支撑结构较厚，因此造价昂贵。美国专利号6194095揭示了包含形成在电解质浸渍的多孔塑料介电片上的燃料电池阵列的燃料电池叠层，所述介电片上具有穿过所述电解质薄膜形成的电池到电池的电互联。所揭示的设计利用装配在燃料电池阵列之间的气流歧管单元和燃料歧管单元。具有其它的空气和燃料歧管单元并在燃料电池阵列之间装配这些歧管单元提高了燃料电池叠层的复杂性和成本。

美国专利号5416057揭示了一种涂覆的交替热交换装置及其制造方法。所述热交换器包括位于陶瓷体内的多个通路。该专利并没有揭示将该装置用在燃料电池应用中。

发明总结

按照本发明的一个方面，提供一种制造燃料电池装置的方法，所述方法包括以下步骤：(i)制造具有多个平行的通道的陶瓷蜂窝状支架，所述支架具有至少10个通道/平方英寸，壁厚为50密耳或更小；和(ii)将至少一个燃料电池阵列连接到所述支架中。