燃料电池装置和系统制造方法及图纸

本发明专利技术涉及燃料电池装置（１０、１００、２００、３００、４００、５００）和燃料电池系统、使用燃料电池装置和系统的方法及制造燃料电池装置（１０、１００、２００、３００、４００、５００）的方法。按照特定的实施方式，燃料电池装置（１０、１００、２００、３００、４００、５００）可以包括细长的基板，如长方形或管形的基板，其长度是最大维度以使得热膨胀系数仅具有一个与长度同延的主轴。另外，或者按照其它的特定实施方式，反应区（３２，３３ｂ）沿长度的第一部分定位以加热到工作反应温度，且至少一个冷区（３０）沿长度的第二部分定位以在低于工作反应温度的温度下工作。在细长基板中存在各具有相关的阳极（２４，２４Ｌ，２４Ｒ）的一个或多个燃料通道（１４，１４Ｌ，１４Ｒ），且在细长基板中存在各具有相关的阴极（２６，２６Ｌ，２６Ｒ）的一个或多个氧化剂通道（２０，２０Ｌ，２０Ｒ）。在某些实施方式中，通道（１４，１４Ｌ，１４Ｒ，２０，２０Ｌ，２０Ｒ）由从结构中熔出或烘出的牺牲有机材料（７２）形成和／或由在迭合后抽出的可移除结构（９２）形成。烘出路径（７０）也可以用于帮助除去牺牲有机材料（７２），该路径（７０）随后被密封。本发明专利技术的实施方式进一步包括其中集电器（１２２）凹入电极（２４，２４Ｌ，２４Ｒ，２６，２６Ｌ，２６Ｒ）中的方法和装置。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及燃料电池装置和系统及制造所述装置的方法，更特别地涉及多层的单 块Fuel Cell Stick 形式的燃料电池装置。
技术介绍
据发现陶瓷管具有制造固体氧化物燃料电池(SOFC)的用途。存在几种类型的燃 料电池，各提供不同的转换燃料和空气以在不燃烧的情况下产生电力的机制。在SOFC中， 燃料和空气之间的屏障层(“电解质”)是陶瓷层，其允许氧原子通过该层迁移以完成化学 反应。因为陶瓷在室温下是氧原子的不良导体，所以燃料电池在700°C至1000°C下工作，且 陶瓷层制造得尽可能薄。早期管状SOFC由Westinghouse Corporation使用氧化锆陶瓷的长的、相当大直 径的挤压管产生。典型的管长度是几英尺长，使得管直径在1/4英寸至1/2英寸的范围内。 燃料电池的完整结构通常包含大致上十根管。随着时间，研究者和工业集团决定了包含8 摩尔％ Y2O3的氧化锆陶瓷的公式。这一材料特别是由日本的Tosoh制造作为TZ-8Y产品。制造SOFC的另一方法采用氧化锆平板，其与其它阳极和阴极堆叠在一起以获得 燃料电池结构。与由Westinghouse预想的高、窄装置相比，这些平板结构可以是管形，边缘 6-8英寸，通过夹持机构将整个堆保持在一起。更新的方法预想使用大量的具有非常薄的壁的小直径管。薄壁陶瓷的使用在SOFC 中是重要的，因为氧离子的转移率受到距离和温度的限制。如果使用更薄的氧化锆层，则最 终的装置可以在更低的温度下工作而同时保持相同的效率。文献中描述了需要制造150 μ m 或更小壁厚的陶瓷管。存在着妨碍SOFC的成功实施的几个主要技术问题。一个问题是需要防止陶瓷元 件在加热过程中开裂。对于这一问题，管形SOFC方式优于竞争的“堆”型(由大的扁平陶 瓷板制造)，因为管本质上是单维的。例如，管可以在中间受热并膨账而不开裂。例如，管式炉可以加热36"长的氧化铝管，直径为4"，且管在中间变得红热，但在端部仍足够凉而可 以触碰。因为管在中间段均勻加热，该中间段膨胀而使得管变得更长，但它不开裂。在中心 加热的陶瓷板只会很快地碎裂成块，因为足以膨胀而外部保持相同尺寸。管的关键特性是， 它是单轴的或一维的。第二个关键难题是形成与SOFC的接触。理想地，SOFC在高温下(通常700-100°C ) 工作，且它还需要与外部世界连接以获得空气和燃料及还需要进行电连接。理想的是在室 温下连接。高温下连接是有问题的，因为不能使用有机材料，因此必须使用玻璃密封或机械 密封。部分地由于膨胀问题，它们是不可靠的。它们也可能是昂贵的。因此，先前的SOFC系统具有存在至少上述两个问题的困难。平板技术在密封气体 出口方面还在板的边缘存在困难，且具有快速加热及开裂的困难。管形式解决了开裂的问 题但仍有其它问题。SOFC管只可用作气体容器。为使其工作，它必须在更大的空气容器中 使用。这是笨重的。使用管形式的关键难题是，你必须将热量和空气都施加到管外面；空气 向反应提供02而热量加速反应。通常，热量通过燃烧燃料施加，因此空气实际上部分地还 原(部分地燃烧以提供热量)而不是具有20% O2的空气(典型的)，因而这降低了电池的 驱动能力。SOFC管在可扩缩性上也受到限制。为获得更大的kV输出，必须添加更多的管。 各管是单电解质层，因而扩增是笨重的。固体电解质管技术在可获得的电解质薄度方面进 一步受到限制。更薄的电解质效率更高。2μπι或甚至Ιμπι的电解质厚度对于高功率是 最佳的，但在固体电解管中非常难以获得这样的电解质厚度。应当注意，单个燃料电池面 积产生大约0. 5-1伏电压(由于化学反应的驱动力，这是固有的；由于是同样的方式，电池 (battey)发出1.2伏电压)，但电流(及因此电压)取决于几个因素。更大的电流由使得 更多的氧离子在给定的时间内跨过电解质迁移的因素产生。这些因素是更高的温度、更薄 的电解质和更大的面积。
技术实现思路
本专利技术涉及燃料电池装置和系统及使用该装置和系统的方法和制造该装置和系 统的方法。按照本专利技术的一个实施方式，燃料装置包括细长的基板，该基板的长度是最大 的维度，从而该细长基板的热膨胀系数仅具有一个与长度同延的主轴。反应区沿长度的第 一部分定位以加热到工作反应温度，且至少一个冷区沿长度的第二部分定位以在低于工作 反应温度的温度下工作。在细长基板中存在一个或多个燃料通道，各具有从该至少一个 冷区中的燃料入口通过反应区延伸的第一燃料路径和从反应区延伸到燃料出口的第二燃 料路径。在细长基板中存在一个或多个氧化剂通道，各具有从该至少一个冷区中的氧化 剂入口通过反应区延伸的第一氧化剂路径和从反应区延伸到氧化剂出口的第二氧化剂路 径。各第一燃料路径和各第一氧化剂路径分别在反应区中具有相关的阳极或阴极，阳极和 阴极在反应区中位置相对，其间安置电解质。各燃料和氧化剂通道中在具有比相应的第一 燃料和氧化剂路径的截面积更小的截面积的相应的第二燃料和氧化剂路径中包括颈缩点 (neck-down point)。进一步提供一种燃料电池系统，具有热区腔，热区腔中安置所述装置 的反应区，使冷区在热区腔外延伸。热源与热区腔连接以将反应区加热到工作反应温度的， 且燃料和氧化剂供应装置与相应的燃料和氧化剂入口连接以将相应的气体供应到所述通道。另外，提供了一种所述装置的方法，包括将热量施加到热区腔以将反应区加热到400°C 以上而同时所述冷区保持在低于300°C的温度。燃料和氧化剂气体供应到加热的反应区的 通道中，燃料和氧化剂在所述通道中反应。还提供了一种制造所述装置的方法，包括未熟化 陶瓷层、阳极、阴极和牺牲材料成层。可移除的结构位于与牺牲层重叠的未熟化陶瓷层的相 对侧上。在层压后，去除金属线并加热成层的结构以烘出所述牺牲层。由烘出的牺牲材料 遗留的空隙在反应区中形成所述第一路径，且由可移除结构遗留的空隙形成较小截面积的 颈缩点。按照本专利技术的另一个实施方式，一种制造燃料电池装置的方法包括提供将阳极层 施加到第一细长未熟化陶瓷层的第一侧面上并将阴极层施加到第一细长未熟化陶瓷层的 相对的第二侧面上，所述阳极层和阴极层在所述第一细长未熟化陶瓷层的第一部分内整体 对齐。将牺牲有机层施加到各阳极层和阴极层上，且使至少一个可移除的结构位于所述第 一细长未熟化陶瓷层的各第一和第二侧面上，使得第一端部与相应的牺牲有机层重叠和第 二端部至少延伸到所述第一细长未熟化陶瓷层的边缘。然后将第二细长未熟化陶瓷层安置 在各第一和第二侧面的牺牲有机层和可移除结构上与所述第一细长未熟化陶瓷层整体对 齐。使所有层和可移除结构层叠在一起以形成叠层结构，随后移除可移除结构以在相应的 边缘和所述阳极和阴极层之间形成非活性通道。最后，加热所述叠层结构以燃烧所述牺牲 有机层的温度而沿所述阳极和阴极层形成活性通道。按照另一个实施方式，一种制造燃料电池装置的方法包括形成包含多个陶瓷层、 阳极层、阴极层和内部牺牲有机层的堆叠结构，其进行排列以提供分隔所述阳极层和所述 阴极层的插入陶瓷层和与所述插入陶瓷层相对的邻接于各阳极和阴极层的内部牺牲有机 层，其中所述牺牲有机层的大小提供内部气体通道。将可移除结构设置为与所述牺牲有机 层接触，延伸到所述堆叠结构的一个或多个边缘。层压所述本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料装置，包括细长的基板，该基板的长度是最大的维度，从而该细长基板的热膨胀系数仅具有一个与长度同延的主轴，沿长度的第一部分的反应区配置成加热到工作反应温度，且沿长度的第二部分的至少一个冷区配置成在反应区加热时保持在低于工作反应温度的温度下；细长基板中的一个或多个燃料通道，各具有从该至少一个冷区中的燃料入口通过反应区延伸的第一燃料路径和从反应区延伸到燃料出口的第二燃料路径，各第一燃料路径具有在反应区中的相关的阳极；细长基板中的一个或多个氧化剂通道，各具有从该至少一个冷区中的氧化剂入口通过反应区延伸的第一氧化剂路径和从反应区延伸到氧化剂出口的第二氧化剂路径，各第一氧化剂路径具有在反应区中的相关的阴极，其位置与相关的阳极中相应的一个阳极相对；安置在反应区中各相对的阳极和阴极之间的电解质，其中所述一个或多个燃料和氧化剂通道中的各路径在相应的第二燃料和氧化剂路径中包括颈缩点，所述第二燃料和氧化剂路径具有比相应的第一燃料和氧化剂路径的截面积更小的截面积。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：A德沃，L德沃，
申请(专利权)人：A德沃，L德沃，
类型：发明
国别省市：US[美国]