提供了燃料电池装置和系统（１０、１００、２００、３００、４００、５００、６００、７００、８００、９００、９１０、９２０、９６０）。在某些实施例中，燃料电池装置和系统包括具有一定长度、宽度和厚度的陶瓷支撑结构（２９）。沿着长度的一部分设置的反应区（３２）配置为被加热至工作反应温度，且在反应区内具有至少一个活性层，活性层包括将第一电极与相对的第二电极（２４、２６）分隔开的电解质（２８）和邻近相应的第一电极和第二电极（２４、２６）的活性第一气体通路和活性第二气体通路（８１５、８２１）。从第一端部（１１ａ）沿着长度的另一部分设置的至少一个冷区域（３０）配置为维持在低于工作反应温度。动脉流动通路（８１４）从第一端部（１１ａ）沿着长度延伸通过冷区域（３０）并进入反应区（３２）并流体耦合至活性第一气体通路（８１５），活性第一气体通路（８１５）从动脉流动通路（８１４）朝着至少一个侧面延伸。动脉流动通路（８１４）的厚度大于活性第一气体通路（８１５）的厚度。在其它实施例中，燃料电池装置（１０、１００、２００、３００、４００、５００、６００、７００、８００、９００、９１０、９２０、９６０）包括电解质（２８），其至少一部分包括由纳米尺度的粉末烧结而成的陶瓷材料。在另外其它的实施例中，冷区域（３０）设置在每一端部（１１ａ、１１ｂ）处，且反应区（３２）在冷区域（３０）之间并具有至少两个分离的功率部分，每一个具有一个或多个活性层，功率部分由分离的燃料通路（９６２ａ、ｂ）供给以提供能够以高于一个功率水平操作的装置（９６０）和系统。
【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，以及制造该装置的方法，且更具体而言，涉及呈 多层单片Fuel Cell Stick 形式的燃料电池装置。
技术介绍
已经发现陶瓷管用于固体氧化物燃料电池(SOFC)的制造中。存在若干种类型的 燃料电池，每一种都提供了无需燃烧就转化燃料和空气来产生电的不同机理。在SOFC中， 燃料与空气之间的阻挡层(“电解质”)是陶瓷层，该陶瓷层允许氧原子迁移穿过该层以完 成化学反应。由于陶瓷在室温下是氧原子的不良导体，所以燃料电池在700°C到1000°C下 进行操作，并且陶瓷层被制造得尽可能地薄。早期的管状SOFC由Westinghouse Corporation使用长的、直径相当大的氧化锆 陶瓷的挤出管来生产。典型的管长度是数英尺长，且管直径范围从1/4英寸到1/2英寸。 燃料电池的完整结构通常包含大约10个管。经过一段时间，研究者和工业集团选定了包含 8mol % Y2O3的氧化锆陶瓷的配方。除了别的之外，该材料由日本的Tosoh制造为产品TZ-8Y。另一种制造SOFC的方法利用了与其它阳极和阴极堆叠在一起的氧化锆的平板以 获得燃料电池结构。与由Westinghouse设想的高而窄的装置相比，这些平板结构可以被成 形为立方体，在边缘上的6到8英寸用夹持机构将整个堆固定在一起。更新的方法设想使用较大量的具有非常薄的壁的小直径管。由于氧离子的传输 率受到距离和温度的限制，所以在SOFC中使用薄壁陶瓷是重要的。如果使用更薄的氧化 锆层，那么最终的装置可以在更低的温度下操作，同时维持相同的效率。文献描述了制造 150 μ m或更薄的壁厚度的陶瓷管。存在若干技术问题防碍了 SOFC的成功实施。一个问题是需要防止陶瓷元件在加热过程中开裂。为此，管状SOFC方案优于竞争的“堆”型(由大而平的陶瓷板制造)，这是 因为管是基本上一维的。该管，例如在中部能够变热并膨胀，但是不会开裂。例如，管状炉 可以加热36”长、直径为4”的铝管，且铝管在其中间将会变红热，并冷却足够至端部能够触 摸。由于管在中间段被均勻加热，所以中间段膨胀，这使管变得更长，但是不会开裂。仅中 间被加热的陶瓷板将会很快破裂成片，这是因为中间膨胀，而外部仍保持相同的尺寸。管的 主要特性在于其是单轴的或一维的第二个关键的挑战是与SOFC形成接触。SOFC理想地在高温(通常700°C -1000°C ) 下操作，但也需要被连接至空气和燃料的外界以及还需要建立电连接。理想地，将在室温下 连接。在高温下连接是成问题的，这是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。这些密封是不可靠的，部分是因为膨胀问题。这些密封还可能是昂贵的。因此，前面的SOFC系统存在至少两个上述问题的困难。就密封气体端口而言，板 技术还存在板的边缘的困难，以及存在迅速加热以及开裂的困难。管方案解决了开裂问题， 但仍存在其它问题。SOFC管仅被用作气体容器。为了发挥作用，SOFC管必须用在更大的空 气容器内部。这是庞大的。使用管的主要挑战是必须将热和空气施用于管的外部；空气为 反应提供O2，而热加快反应。通常来说，热将会通过燃烧燃料来施用，因此替代施用含20% O2的空气(典型的)，实际上部分减少了空气(部分燃烧以提供热)且这降低了电池的驱 动电势。SOFC管在其可缩放性(scalability)方面也受到限制。为了获得更高的kV输出， 必须添加更多的管。每一个管是单电解质层，使得增加量是庞大的。就可实现的电解质薄 度而言，固体电解质管技术被进一步限制。更薄的电解质更有效。2μπι或甚至Ιμπι的电解 质厚度对高功率来说将是最佳的，但在固体电解质管中却非常难以实现。应注意，一燃料电 池面积产生约0. 5V到1V(这是固有的，因为化学反应的驱动力，同样电池产生1. 2V)，但是 电流且因此功率取决于若干因素。更高的电流将源于诸多因素，这使得更多的氧离子在给 定的时间内在电解质两端迁移。这些因素是较高的温度、更薄的电解质和较大的面积。附图说明附图被并入说明中并且构成了此说明书的一部分，附图示出了本专利技术的实施例， 并且连同上面给出的本专利技术的一般描述和下面给出的详细描述用于解释本专利技术。图1和IA分别以侧面截面图和顶部截面图示出了本专利技术的基本的Fuel Cell Stick 装置的一个实施例，其具有单阳极层、阴极层和电解质层以及两端冷区域之间的热 区域。图2以透视图示出了本专利技术的Fuel Cell Stick 装置的一个实施例的第一端，且 具有连接到第一端上的燃料供给管。图3A以透视图示出了根据本专利技术的一个实施例的Fuel Cell Stick 装置，但具 有改动的端部；并且图3B以透视图示出了连接到图3A的装置的一个改动端部的燃料供给管。图4A以透视图示出了根据本专利技术一个实施例的到多个Fuel Cell Stick 装置的 冶金粘结连接方式以建立到正电压节点和负电压节点的电连接；并且图4B以示意性端部 视图示出了根据本专利技术一个实施例的多个Fuel Cell Stick 装置之间的连接，其中每一个Fuel Cell Stick 装置包括多个阳极和阴极。图5以示意性端部视图示出了根据本专利技术的一个实施例的机械连接方式以便建 立到正电压节点和负电压节点的电连接。图6A和6B以透视图示出了在Fuel Cell Stick 装置的一个端部处具有燃料供 给和空气供给连接到其上的单个冷区域，且另一端部在热区域内的替代实施例。 图7A和7B分别截面侧视图和俯视图，其阐释了根据一个实施例的空气通路和燃 料通路内的多个支撑柱；且图7C和7D是显微照片，其根据另一实施例示出了在燃料通路和 空气通路中使用球形球作为支撑柱。图8A以截面图示出了本专利技术的包含在外部连接的平行的两个燃料电池的一个实 施例。图8B以截面图示出了类似于图8A的另一实施例，但具有通过使用通孔(via)在内 部连接的平行的两个燃料电池。图9A和9B以截面图示出了根据本专利技术一个实施例的具有共用阳极和阴极的多燃 料电池设计，其中图9A示出了平行连接的三个燃料电池层且图9B示出了串联连接的三个 燃料电池。图10以示意性侧视图示出了根据本专利技术一个实施例的Fuel Cell Stick 装置， 其具有连接到装置的冷端部的燃料供给管且装置的侧面在热区域内对空气通路是敞开的 以便将热区域内的加热的空气供给到装置；图IOA以示意性侧视图示出了图10的实施例的 变化形式，其中热区域被设置在相对的冷端部之间；以及图IOB以沿线10B-10B取的顶部截 面图示出了图IOA的Fuel Cell Stick 装置。图11-24示意性地示出了本专利技术的不同实施例，其中图11提供了图12-24中所示 出的各部件的图例。图25A和27A以示意性顶部平面图示出了且图27B以示意性侧视图示出了根据本 专利技术的一个实施例的Fuel Cell Stick 装置100，其具有在一个冷端部处的细长部分和在 相对的热端部处的大表面积的部分的锅柄状样式；以及图25B和26A以示意性顶部平面图 示出了且图26B以示意性侧视图示出了在相对的冷端部处具有两个细长部分且在中心的 热区域内具有中心的大表面积部分的锅柄状样式的可选择的实施例。图28A-28D示出了根据本本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种燃料电池装置，包括：陶瓷支撑结构，所述陶瓷支撑结构在ｘ方向上具有从第一端部到第二端部的长度，在ｙ方向上具有从第一侧到第二侧的宽度，以及在ｚ方向上具有从顶表面到底表面的厚度；反应区，所述反应区沿着所述长度的第一部分设置，配置为加热至工作反应温度并且在所述反应区中具有至少一个活性层，所述活性层包括电解质、活性第一气体通路以及活性第二气体通路，所述电解质将第一电极与相对的第二电极分隔开，所述活性第一气体通路与所述第一电极相邻，所述活性第二气体通路与所述第二电极相邻，其中，所述活性第一气体通路和所述活性第二气体通路中的每一个在ｚ方向上具有厚度；至少一个冷区域，所述至少一个冷区域从所述第一端部沿着所述长度的第二部分设置，并且配置为当所述反应区被加热时维持在低于所述工作反应温度的温度；第一动脉流动通路，所述第一动脉流动通路在所述ｘ方向上从所述第一端部延伸穿过所述至少一个冷区域并且进入所述反应区，并且在所述ｚ方向上具有厚度，所述第一动脉流动通路流体耦合至所述活性第一气体通路，其中，所述活性第一气体通路在所述ｙ方向上从所述第一动脉流动通路朝所述第一侧或第二侧中的至少一个延伸，并且其中所述第一动脉流动通路的所述厚度大于所述活性第一气体通路的所述厚度。...
【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]
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