[发明专利]具有拉长的密封件几何形状的固体氧化物燃料电池设备

说明书

技术领域

本发明一般涉及燃料电池设备，更具体地说，涉及SOFC设备，其采用拉长的密封件几何形状以将薄型氧化锆基电解质片密封到它们的支撑体上从而使由于热机械应力导致的设备故障最小化。 

背景技术

固体氧化物燃料电池的使用已经成为近年来大量研究的主题。固体氧化物燃料电池(SOFC)的典型部件包括夹在两个电极之间的带负电的氧离子传导性电解质。这种电池中，电流的产生依靠燃料材料在阳极中的氧化，燃料材料，例如氢，与通过电解质传导过来的氧离子反应。氧离子在阴极中通过分子氧的还原被生成。 

美国专利5,273,837叙述了使用这些组件来形成抗热冲击的固体氧化物燃料电池。美国公开专利US2002/0102450叙述了包括改进的电极-电解质结构的固体电解质燃料电池。这种结构包括与多个正极和负极结合的固体电解质片，正负极粘贴在薄的柔性无机电解质片的相对两侧。一个例子示出了电极不在电解质片上形成连续的层，而是限定出多个离散的区域或条带。这些区域是电连接的，通过穿过电解质片中的通道延伸的导体接触。这些通道被导电材料填充(通过互联件)。 

美国专利5,085,455公开了薄的、平滑的无机烧结片。该公开的烧结片具有足够的强度和柔性来弯曲而不破碎，同时还在宽的温度范围内具有出色的稳定性。一些公开的组分，比如氧化钇稳定的氧化锆YSZ(Y₂O₃-ZrO₂)，可以用作燃料电池用的电解质。已知在足够的温度下(例如，约725℃及以上)，氧化锆电解质显示出好的离子传导性和很低的电导率。美国专利5,273,837叙述了采用这些组分来形成抗热冲击的固体氧化物燃料电池。 

然而，由于高的操作温度和快速的温度循环，SOFC设备受制于热机械变形和应力。这些应力影响了SOFC设备的操作可靠性和它们的寿命。这些电解质片被密封到它们的支撑结构体上以保持燃料和氧化气体的隔离。在某些情况下，热机械变形和应力可被集中到燃料电池设备和密封件之间的界面上，导致SOFC 设备和/或密封件的故障。当薄的柔性陶瓷片被用作SOFC用途中的电解质时，存在电解质过早发生故障的可能。由于温度梯度(和热循环)设备/密封件/框架相互作用，膨胀的不一致、硬度的不匹配以及气压差会导致密封件以及在电解质临近密封件的未支撑区域处的应力增加。而且，大且薄的电解质片会由于电解质片的褶皱碎裂而失效，其中碎裂是由于热机械应力引起的。 

美国专利申请US2006/0003213也叙述了与SOFC设备电解质片碎裂有关的应力问题。它公开了图案化的电解质片，具有被设计为抵消由环境引起的张力的图形，故其提高了对设备故障的抵抗力。然而，另一个和/或其他的热应力最小化措施也会可以用作防止燃料电池设备热机械故障的缓和方案。 

发明内容

根据本发明的一个方面，固体氧化物燃料电池设备包括： 

(a)电解质片； 

(b)至少一个夹住该电解质片的电极对； 

其中，所述电解质片具有长宽比大于1.0的密封区域。优选的是，电解质片是至少250cm²，而电解质片的密封区域具有至少1.1或更高的长宽比，更优选至少1.3，再优选至少2，最优选大于3.5。优选该电解质片被密封件密封到它的支撑体或框架上，该密封件的厚度(高度)至少50μm，宽度至少100μm且周边带有圆角。优选该圆形密封件角的半径是至少3mm，更优选至少5mm。优选该密封件高度h小于其宽度w。 

根据本发明的一个实施方式，固体氧化物燃料电池设备包括： 

(a)薄的柔性氧化锆基电解质片，其支撑至少10个阴极/阳极对； 

(b)支撑所述电解质片的框架；以及 

(c)被拉长的密封件，其紧邻所述电解质片的周边且被置于所述电解质片和所述框架之间，所述密封件将所述电解质片密封到所述框架上。优选电解质片厚度小于100μm，更优选3μm到30μm。优选密封件穿过该密封区域周边的长宽比至少为1.3，更优选大于2，再优选大于3。优选该密封件具有带有圆形或弓形几何形状的边缘。优选该圆形区域的半径至少为5mm，更优选至少5cm。