本发明专利技术提供固体氧化物燃料电池堆和密封平面固体氧化物燃料电池的方法。所述堆叠内的单元电池各自包含具有外围的金属框架，所述外围可为膜电极组合件提供支撑表面，以及与结合的隔板形成不透流体的密封件。所述隔板包含外围唇缘，所述外围唇缘限定电池容纳腔，使得在所述隔板内形成体积区域以容纳所述膜电极组合件的至少一部分，从而为引入到所述膜电极组合件的对应阳极层或阴极层的反应物中的至少一个产生不透流体的路径。一个产生不透流体的路径。一个产生不透流体的路径。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有减少泄漏的单元电池的固体氧化物燃料电池堆
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2018年6月5日提交的第16/000,171号美国申请案的优先权，所述申请的全部公开内容以引用的方式并入本文中。
技术介绍
[0003]本公开大体上涉及一种固体氧化物燃料电池(SOFC)，并且更具体地说，涉及SOFC燃料电池堆，其中每个单独的单元包含金属框架，所述金属框架允许对应的膜电极组合件(MEA)密封地结合到相邻的流隔板作为减少反应物泄漏的一种方式。
技术实现思路
[0004]平面SOFC堆由多个相互叠置的单元电池构成，其中每个单元电池都包含包夹在一起作为MEA的阳极、阴极和固体氧化物电解质。单独的单元电池通过隔板物理上彼此分离，所述隔板除提供两个单独的单元电池之间的电连接以外包含用于接收呈空气或燃料形式的反应物的通道。关于反应物的流动，在将每种反应物引入MEA的阳极或阴极中的相应一个之前，不应将燃料和空气相互混合，因为这可能会对燃料电池的性能产生不利影响。为了防止这种混合和相关的泄漏，将其上安装有MEA的金属框架结合到相邻隔板，以避免使用在经受轻微振动或冲击时容易破裂的玻璃密封剂或其它材料以及不能承受典型SOFC工作温度的低温密封剂材料(例如基于聚合物的密封剂)。
[0005]根据本公开的一个实施例，一种SOFC堆包含沿着堆叠尺寸或轴线对齐的多个单元电池。每个单元电池都包含：金属框架，其由上面固定有MEA的安装表面构成，以形成金属支撑电池(MSC)；以及多个流体分离的反应物通道，其分别允许燃料通过MEA阳极层输送和空气通过MEA阴极层输送。每个单元电池另外包含具有外围唇缘的隔板，所述外围唇缘界定腔，使得至少MEA的阳极层被容纳在由腔和外围唇缘限定的体积区域内。金属框架的安装表面的至少一部分结合到外围唇缘，使得在其之间形成不透流体的密封件。可以使例如堆叠上部和下部安置板的额外组件彼此配合，以沿着堆叠尺寸在各个单元电池上施加固定压力，从而形成SOFC堆。
[0006]根据本公开的另一个实施例，一种密封平面SOFC的方法包含：将金属框架布置成具有安装表面；放置MEA以使其基本上装配在由安装表面限定的孔内；以及连接隔板，使得金属框架的安装表面结合到隔板的外围唇缘，以便在它们之间形成不透流体的密封件。隔板包含外围唇缘，所述外围唇缘限定腔以使得至少MEA的阳极层被容纳在由腔和外围唇缘限定的体积区域内。
[0007]本文所描述的实施例的附加特征和优点将在下文的具体实施方式中进行阐述，并且将部分地由所属领域技术人员从所述描述而容易地清楚或通过实践本文所描述的实施例(包含下文的具体实施方式、权利要求书以及附图)而认识到。
附图说明
[0008]当结合以下附图阅读时，可最好地理解以下对本公开的具体实施例的详细描述，其中相似的结构用相似的附图标记指示，并且其中：
[0009]图1是根据本公开的一个或多个实施例的双电池SOFC的分解图；
[0010]图2A是如在图1的SOFC堆中使用的垫圈的上部透视图；
[0011]图2B是如在图1的SOFC堆中使用的上端隔板的上部透视图；
[0012]图2C是如在图1的SOFC堆中使用的中间隔板的上部透视图；
[0013]图2D是如在图1的SOFC堆中使用的下端隔板的上部透视图；
[0014]图3是如在图1的SOFC堆中使用的MSC的上部透视图；
[0015]图4A是由图3的MSC在结合到如在图1的SOFC堆中使用的端隔板时制成的组合件的上部透视图；
[0016]图4B是图4A的MSC和隔板组合件的侧视剖视图，其中MSC和隔板以分解图示出；
[0017]图4C是MSC和隔板组合件沿图4A的站线C-C的侧视剖视图；且
[0018]图5是图1的SOFC堆的最上部的透视图，其根据本公开的一个或多个实施例描绘一种反应物通过上端板的分布流。
具体实施方式
[0019]本公开的实施例涉及一种改进的SOFC，其中结合连接允许在金属框架支撑的MEA与相邻隔板之间形成不透流体的密封件，以便基本上防止空气——例如来自周围环境或来自MEA的阴极流动路径的空气——与MEA的阳极层周围的区域中的燃料混合。以此方式，可以使空气泄漏最小化，这进而促进了MEA的阳极层的还原-氧化稳定性，这进而降低了阳极层损坏的可能性。具体地说，结合连接使用金属结构，所述金属结构通过相似的热膨胀系数(CTE)或热化学相容性中的一个或两个实现通常不受物理和热冲击影响的不透流体的密封件，以便提高长期堆叠的耐久性。此外，这种结合还可以简化与形成SOFC堆相关联的制造工艺。
[0020]首先参考图1，以理论上的双电池板型构造示出SOFC堆10的分解图。因此，两个单元电池20包含基本平面的(即，平坦的)轮廓，其沿笛卡尔空间中的Y轴(即，垂直)的堆叠尺寸彼此堆叠。在本上下文内，对特定堆叠、位置或尺寸方向的引用将被理解为在图1中所描绘的笛卡尔坐标的上下文内，且因相对于此空间参考系统的轻微未对准而导致的与其的少量偏差是可容许的而不会造成任何普遍性损失。此外，如本公开内所使用，对如具有上或下方向属性的特定组件或特征的需要将被理解为基于图1的笛卡尔坐标的描绘，使得呈现所谓的“上部”属性的组件将被理解为与呈现所谓的“下部”属性的组件相比沿着所示的正Y轴更远离笛卡尔轴原点。举例来说，尽管理论上将SOFC堆10示出为沿着竖直Y轴建立；但应了解，SOFC堆10可以任何合适的取向定向，且与此取向相关联的笛卡尔或其它方向属性的任何论述将类似地归因于SOFC堆10的对应表面、组件或其它部分。此外，尽管堆叠10示出为含有两个单元电池20(如下文更详细地论述)，但应了解，可以提供更多数目的单元电池，且所有这种变体都被视为在本公开的范围内。
[0021]第一及第二单元电池20中的每一个沿着Y轴的堆叠尺寸彼此间隔开。额外的穿插组件包含中间隔板30、端隔板40、堆叠上部和下部安置板50、金属框架60、MEA 70、沟道板
80、垫圈90、垫圈环100、MSC 110(其为通过将金属框架60接合到对应MEA 70和反应物通道120形成的组合件)，其都如将在本公开的其它地方更详细地论述。
[0022]应了解，使用燃料作为一种反应物且使用空气作为另一种反应物的电化学相互作用在MEA 70中发生，且这些相互作用继而提供呈电流形式的功率以供负载使用，所述负载例如电动机、辅助电力单元(APU)等。同样地应理解，为简单起见，MEA 70在图1中示出为具有单层结构，但实际上由具有大体平面的主表面和沿边次表面的三层结构(例如图4B和图4C中所示)构成，其中电解质层74包夹在呈阳极层72和阴极层76的形式的电极之间，使得在阴极层76处产生的O
2-离子流经电解质层74并与阳极层72处的燃料(例如H2或CO)空气反应，而由在阴极层76处从空气内的氧气的还原产生并且在阳极层72处的燃料氧化期间消耗的自由电子流产生的电流可用于为一个或多个外部装置负载供电。在本上下文内本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种固体氧化物燃料电池堆，其包括：多个单元电池，其沿着堆叠尺寸对准，所述多个单元电池中的至少一个包括：金属支撑的电池，其包括：金属框架，其包括平面安装表面；和膜电极组合件，其包括通过电解质层与阳极层分离的阴极层，所述膜电极组合件限定基本上平面的轮廓并设置在所述平面安装表面上；多个流体分离的反应物通道，其用于燃料通过所述阳极层和空气通过所述阴极层的相应输送；和隔板，其包括外围唇缘，所述外围唇缘界定腔，使得所述金属支撑的电池的至少一部分被容纳在由所述腔和所述外围唇缘限定的体积区域内，其中所述金属框架的所述平面安装表面结合到所述外围唇缘，使得在其之间形成不透流体的密封件，而所述隔板与所述金属支撑的电池之间的配合同时限定所述体积区域内的反应物流竖直间隙和所述膜电极组合件与一位置之间的热障水平间隙，所述位置由所述金属框架的所述平面安装表面接合到所述外围唇缘的位置限定；堆叠的上部安置板；和堆叠的下部安置板，其与所述堆叠上部安置板配合以沿着堆叠轴在所述多个单元电池上施加固定压力。2.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池堆，其中所述平面安装表面包括多孔结构。3.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池堆，其中所述膜电极组合件与正交于堆叠轴的平面中的所述金属框架的暴露外边缘横向向内隔开以在所述体积区域内限定所述热障水平间隙。4.根据权利要求3所述的固体氧化物燃料电池堆，其中所述阴极层的最上部形成所述膜电极组合件的对应上表面。5.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池堆，其中所述金属框架进一步包括突片，所述突片形成为围绕所述平面安装表面形成的外围边界区域的部分。6.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池堆，其中所述不透流体的密封件包括焊缝。7.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池堆，其中所述反应物流竖直间隙限定沿着堆叠轴的厚度不超过约一毫米。8.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池堆，其中所述不透流体的密封件限定相对于所述热障水平间隙的至少约0.5的橫向宽度比。9.根据权利要求8所述的固体氧化物燃料电池堆，其中所述热障水平间隙限定约五毫米的橫向宽度，且所述不透流体的...
【专利技术属性】
技术研发人员：赛，
申请(专利权)人：沙特阿拉伯石油公司，
类型：发明
国别省市：
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