[发明专利]具有可替换层叠体和包模块的固态氧化物燃料电池组件

说明书

本申请是10/21/02提交的美国申请10/277,563的部分继续申请，它要求 11/21/01提交的题为“Packet Design for Solid Oxide Fuel Cell”的美国临时申请 60/332,521以及8/27/02提交的题为“Solid Oxide Fuel Cell Stack and Packet Designs”的申请60/406,518的权益和优先权，这些申请都为Badding等人拥有， 其内容全部引用在此作为参考。

背景技术

本发明涉及固态氧化物燃料电池(SOFC)，尤其涉及SOFC的设计，其中 电能产生元件包括一个或多个可替换的独立包，这些包连接到用于将气体燃料 引入到包的内部的装置。

大量的管状SOFC设计都是已知的。这些包括：伸长和/或压扁的管子 设计，比如Siemens AG所提出的设计；其上具有条带以形成电压构造阵列的 氧化锆管子，比如Mitsubishi公司所使用的设计；以及多单元的压扁的管子设 计，比如Rolls-Royce PLC所提出的设计。

各种使用平面电解质的SOFC设计也是已知的。这些设计通常使用较厚 的(0.10mm)电解质板，并且每一个板配有单个阳极和阴极电极。重复的电池单 元通常包括大集电器，它也充当空气/燃料分离器板。每个电池的阳极面对着 下一个电池的阴极，并且要求分离器板能使气体燃料和空气不混合。

更新的平面设计包括0.3-1mm厚的阳极支撑板，用于支撑大约5-50微 米厚的电解质薄层，该薄层可提供更高的单电池性能。这些设计也使用一种重 复的电池单元，它通常包括大集电器-空气/燃料分离器板。同样，阳极面对着 下一个电池的阴极，并且要求分离器/互连板能使气体燃料和空气不混合。参 照Minh，N.Q.的“Ceramic Fuel Cells”(J.Am.Ceram.Soc.，76，563-588 (1993))，可以进一步查看这些和其它的固态氧化物燃料电池和多支管设计。

最近的研发还包括燃料电池层叠设计，这些设计包括薄陶瓷电解质片。 例如，美国专利5,273,837揭示了一种燃料电池层叠设计，它包括柔性陶瓷材 料的波状薄片，这些薄片组合起来形成带沟道的结构。金属、陶瓷、或金属陶 瓷导体直接接合到这些柔性的片，并且大量具有邻近面对面的阳极和阴极结构 的片被安排在燃料电池层叠体中。美国专利6,045,935揭示了基于柔性电解质 的其它设计，其中这些电解质被设置在非平面配置中以便改善这些组件对热循 环和热冲击的机械耐受性。

因陶瓷体内突然的温度变化和温度梯度而导致的陶瓷体破裂是陶瓷材 料的主要损坏方式。相应地，旨在用于严酷热冲击环境中的陶瓷产品是用低热 膨胀系数材料制成的，以避免应力累积。具有足够强度的薄陶瓷片可以通过屈 曲来缓解热冲击。波状薄陶瓷片通过波状图案来控制屈曲。

美国专利5,519,191揭示了将薄波状陶瓷结构用作流体加热器和其它耐 受热冲击的结构。这些结构适合由柔性薄陶瓷构成，比如美国专利5,089,455 所描述的那样，后者中的一些也可用作燃料电池的电解质。公开的欧洲专利申 请EP 1113518揭示了陶瓷片的波纹用于耐受面内应变。

SOFC系统的一大部分成本在于大量的外围或支持系统，它们是高级的 芯部分(即电池自身)有效运行所必需的。通常，燃料电池层叠体的成本可以 多达系统成本的50％，同时活性电池自身仅占该层叠体成本的一小部分。该层 叠体的相当多的一部分成本都是由无效的电池组件产生的，比如绝缘、管线铺 设、板等。从会计学角度看，该电池承担了显著的无效电池组件的“开销”。

在典型的平面SOFC设计中，如果单个电池板失效了，则电池板的替换 是很困难的，因为电池之间的互连和层叠体内的双极互连是永久性的。因此， 由多个电池板和相关的非电池组件所构成的整个子层叠体通常必须被替换。若 含电池的包自身可以被替换，且非电池组件的更换只是最少的，则这样一种燃 料电池层叠设计将提供显著的经济优势。