[发明专利]管式固体氧化物燃料电池组件和包含有该组件的燃料电池装置

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池，特别地，涉及管式固体氧化物燃料电池组件和包含有这种组件的燃料电池装置。

背景技术

燃料电池是一种通过电化学反应将燃料的势能转化为电的发电装置。一般来说，燃料电池单元包括一对通过电解质分开的电极(正极和负极)。该电解质仅允许某些类型的离子通过。离子穿过电解质的选择性通道在两个电极之间产生一个电势。这种电势可被用来做有用功。通过除去传统发电装置，例如内燃机驱动的发电机所需的机械步骤，这种直接转化过程增加了发电效率。此外，更高效率和电化学过程的结合提供了一种能源节约，资源节约和对环境无害的电力来源。

众所周知类型的固体氧化物燃料电池(SOFC)具有三个基本部件：产生电子的正极层，消耗电子的负极层，和传导离子但防止电子穿过的中间的电解质层。在运行中，燃料，例如氢、烃、醇、一氧化碳或任意前述的混合物与正极层内的氧负离子结合，以产生水和/或二氧化碳和电子。正极层内产生的电子流过外负载并返回至负极层，此处，氧气，典型地被提供作为气流，结合电子，以提供氧负离子，其选择性地穿过电解质层并进入正极层。

一般有三种结构类型的SOFCs：单片式SOFCs，其具有通过将薄片状的陶瓷材料一起熔合成单片的块而形成的蜂窝状结构。管式SOFCs，如它们的名字一样，具有管式，典型地为圆筒状的结构；以及，平板式SOFCs，具有平的，板状的形状。SOFCs在相当高的温度下运行，例如，大约为850-1000℃。由于这种高运行温度，平板式SOFCs具有爆裂和发生由热循环所导致的密封问题的倾向。虽然管式SOFCs在这些方面通常表现地更好，但是，它们可能会表现出与电流集取相关的运行上的困难，例如，发生在操作期间的，产生于电接触表面分离的欧姆损耗。单片式SOFCs，由于它们的制造涉及大量的小部件，层和互连，对它们的可靠度的造成高度关注。

在管式SOFC组件及包含有它们的燃料电池装置的具体情况中，产生于开关循环的热应力可以引起欧姆损耗，这是由于它们的集电体部件与电极离开或者分离的倾向，其中在操作条件下，它们是相联的。随后电接触面积的下降主要是由于管式SOFC组件的陶瓷电极部件的热膨胀相对于它们的金属或含金属的集电体部件的热膨胀上的差异。由电极和集电体的热膨胀的差异所产生的机械力，尽管个别是小的，可能会随着时间产生累积效应，并表现为集电体和陶瓷电极之间电接触面积的永久性显著的减少，且伴随有丧失能量的欧姆损耗。

因此，对管式SOFC组件存在这样一种需要，在运行过程中，其能阻止前述的该组件的集电体部件与它们相联的电极离开或分离的倾向。

发明内容

根据本发明，提供了一种管式固体氧化物燃料电池组件，包括：

a)共用至少一个外部集电体的至少两个轴向延伸的管式固体氧化物燃料电池单元，每个燃料电池单元包括：

i)第一和第二端部和在它们中间的中间部分，以及

ii)内电极层、外电极层和在它们中间的电解质层；

b)与至少两个燃料电池单元的电极层电接触的至少一个外部的共用集电体，该集电体的热膨胀系数高于燃料电池单元的热膨胀系数，该集电体和每个与其电接触的电极层具有基本共形的电接触面；以及，

c)至少一个保持器，其被配置用来保持至少两个燃料电池单元的至少一部分和共用集电体的至少一部分处于紧密配合关系，该保持器的热膨胀系数小于或等于燃料电池单元的热膨胀系数，当热膨胀时，集电体保持在保持器中的部分将在压缩状态下置于与其电接触的每个燃料电池单元的电极表面。

在包含有本发明管式SOFC组件的燃料电池装置的运行过程中，集电体部件的热膨胀系数与和集电体电接触的燃料电池单元的热膨胀系数相比更高，该集电体部件的热膨胀，将产生施加到燃料电池单元的电极层的电接触面上的压缩力。由于这种压缩力，即使经过多次运行开-关循环，集电体和它的相联的电极之间的电接触的最初面积将保持基本不变，从而消除或减轻包含有本发明管式SOFC组件的燃料电池装置的欧姆损耗。

附图说明

附图中类似的标号表示类似的元件；

图1A是本发明管式SOFC单元的一种实施例的立体图，显示了该单元的两个端部处所暴露的电极面；

图1B是图1A的管式SOFC单元的一个端部的放大视图；

图1C是本发明管式SOFC单元的另一种实施例的立体图，其中它的端部的横断面形状不同于它的中间部的横断面形状；