專利名稱：燃料電池組和燃料電池模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體涉及燃料電池組和用于產(chǎn)生電能的模塊。本發(fā)明尤其涉及具有分開的反應(yīng)物流的燃料電池組和模塊。
背景技術(shù)：
例如固態(tài)氧化物燃料電池(SOFC)的燃料電池是通過在離子傳導(dǎo)層上將燃料和氧化劑電化學(xué)結(jié)合產(chǎn)生電能的電能轉(zhuǎn)換裝置。燃料電池的操作溫度取決于形成離子傳導(dǎo)層的材料。所希望的是，結(jié)合高溫燃料電池的電能產(chǎn)生系統(tǒng)具有更高效率和電能輸出的能力。示例性高溫燃料電池具有高于大約600℃的操作溫度，并且示例性SOFC在大約800到大約1000℃的范圍內(nèi)操作。
典型的燃料電池在小于大約1伏特的電位下操作。為了實(shí)現(xiàn)用于電能產(chǎn)生應(yīng)用的足夠電壓，多個單獨(dú)的燃料電池結(jié)合成更大的部件。對于通過電能產(chǎn)生系統(tǒng)中其他裝置對反應(yīng)物產(chǎn)品的分級和使用，希望氧化劑和燃料流分開。對于例如具有小于大約200℃的操作溫度的低溫燃料電池，可以使用大量壓縮狀態(tài)下的彈性體密封件將兩種反應(yīng)物分開。彈性體密封件不能抵抗高溫燃料電池的操作溫度，并且因此例如玻璃陶瓷的其他材料必須用來形成該密封件。但是，對于高溫燃料電池，特別是對于電池的邊緣或拐角需要密封的結(jié)構(gòu)或者對于在熱彭脹和收縮循環(huán)期間需要保持一定尺寸的間隙的其他連接結(jié)構(gòu)中，密封件的性能仍然存在問題。
因此希望設(shè)計出使用減少數(shù)量密封件來保持反應(yīng)物流分開的燃料電池組。還希望將該燃料電池組結(jié)合在具有很多電流通路的燃料電池模塊中。

發(fā)明內(nèi)容
簡而言之，按照本發(fā)明的一個實(shí)施例，燃料電池組包括多個互連件。每個互連件限定至少兩個開口并包括至少一個流動反應(yīng)物的流場。每個開口限定各自的燃料總管，其包括至少一個輸入燃料總管和至少一個輸出燃料總管。燃料電池組還包括至少一個燃料電池單元，該單元包括陽極、陰極和布置在該陽極和陰極之間的電解質(zhì)。該陽極靠近各自一個互連件定位并構(gòu)造成與各自的互連件電氣連接和流體連通。各自互連件的流場構(gòu)造成從輸入燃料總管引導(dǎo)燃料流到輸出燃料總管。該陰極靠近另一各自一個互連件定位并構(gòu)造成與該互連件電氣連接和流體連通。該互連件的流場構(gòu)造成在該互連件上引導(dǎo)氧化劑流。該燃料電池組還包括圍繞陽極附近的各自一個互連件的布置的周邊絕緣密封件。該周邊絕緣密封件布置在該互連件的面向陽極的一側(cè)上，并構(gòu)造成將電解質(zhì)密封在互連件上。該燃料電池組還包括至少兩個布置在陰極附近的各自一個互連件上并位于該各自互連件的面向陰極的一側(cè)上的內(nèi)部絕緣密封件。一個內(nèi)部絕緣密封件圍繞每個開口并構(gòu)造成將電解質(zhì)密封在各自互連件上。
同樣披露一種燃料電池模塊。該燃料電池模塊包括的容器，該容器具有分別構(gòu)造成接收和輸出氧化劑的入口和出口。該燃料電池模塊在該容器內(nèi)還包括至少三個布置成環(huán)形的燃料電池組。該燃料電池組將容器的內(nèi)和外容積分開，該容積通過該燃料電池組流體連通。至少一個燃料電池組具有燃料入口，并且至少一個燃料電池組具有燃料出口，該入口和出口分別用于接收和輸出燃料流。每個燃料電池組包括至少兩個用于接收和輸出燃料流的燃料總管和至少一個平面高溫燃料電池單元，該單元包括陽極、陰極和布置在該陽極和陰極之間的電解質(zhì)。每個燃料電池組還包括多個用于將陰極和通過燃料總管的燃料流分開以及將陽極和氧化劑分開的壓縮密封件。該燃料電池模塊還在該燃料電池組之間包括多個電連接件以便將每個燃料電池組電氣連接在至少一個其他燃料電池組上。


在參考附圖閱讀以下詳細(xì)說明時，本發(fā)明的這些和其他特征、方面和優(yōu)點(diǎn)將更好地得以理解，附圖中相同的部件在整個附圖中表示相同的部件，其中圖1以分解視圖表示平面燃料電池單元；圖2以截面圖表示本發(fā)明燃料電池組的實(shí)施例；圖3表示包括多個布置成矩形構(gòu)形的燃料電池組的示例性燃料電池模塊；圖4是燃料電池模塊的六邊形實(shí)施例的頂視圖；圖5表示兩個示例性燃料電池組之間的多個電連接件；
圖6是圖3的燃料電池模塊的頂視圖；圖7表示包括多個布置成矩形構(gòu)形的燃料電池組的另一示例性燃料電池模塊；圖8表示相鄰的燃料電池組上的兩個互連件之間的示例性電連接件；以及圖9表示用于圖1的燃料電池單元的示例性密封結(jié)構(gòu)。
部件列表燃料電池組10、頂端板12、底端板14、燃料電池單元20、互連件22、開口24、總管25、陽極26、電解質(zhì)27、陰極28、流場34、環(huán)繞通道42、電池組拐角密封件43、周邊絕緣密封件44、內(nèi)部絕緣密封件45、互連件的上側(cè)46、互連件的下側(cè)47、開口對50、互連件的相對端部52、電連接器54、熱交換器56、燃料電池模塊60、容器62、容器的內(nèi)容積64、容器的外容積66、容器入口68、容器出口70、燃料電池組的燃料入口72、燃料電池組的燃料出口74、燃料供應(yīng)管線76、燃料輸出管線78、燃料電池組對80、燃料電池組的第二對82、燃料電池組的第三對84、燃料電池組的第四對86、燃料電池單元平面90、電池組間的電連接器、輸入燃料總管251、輸出燃料總管252。
具體實(shí)施例方式
參考圖1和2描述本發(fā)明的燃料電池組10的實(shí)施例。如圖2所示，燃料電池組10包括多個互連件22，每個互連件22在互連件22的平面內(nèi)限定至少兩個開口24，其中每個開口24限定各自的燃料總管25。如圖1箭頭所示，燃料總管25包括至少輸入燃料總管251和至少一個輸出燃料總管252。盡管在圖1表示在相反方向上相互平行，輸入和輸出總管251、252可以在相同方向上平行或垂直。對于圖1所示的特定實(shí)施例，每個互連件限定四個對稱布置的開口24，該開口繼而限定四個燃料總管25，從而對稱分配燃料電池組10內(nèi)的燃料。每個互連件22還包括至少一個在互連件22上流動例如氧化劑或燃料的流場34。示例性流場34由金屬制成，其具有所需導(dǎo)電性、抗氧化性，保持機(jī)械強(qiáng)度并在該燃料電池的操作條件下在化學(xué)上穩(wěn)定。例如，對于操作溫度低于750～800℃，流場34可由基于鐵素體不銹鋼的金屬合成物壓制而成。另外，示例性流場34安裝在互連件22中的通道內(nèi)或與互連件22形成一個整體部分。
燃料電池組10還包括至少一個燃料電池單元20，該單元包括陽極26、陰極28和布置在該陽極和陰極之間的電解質(zhì)27。示例性電解質(zhì)27相對于燃料和氧化劑兩者不可滲透。例如，對于質(zhì)子交換膜(PEM)或SOFC燃料電池20，示例性電解質(zhì)27是例如離子傳導(dǎo)陶瓷或聚合物薄膜的固態(tài)電解質(zhì)27。一個示例性平面燃料電池單元20是具有傳導(dǎo)氧離子的固態(tài)電解質(zhì)的固態(tài)氧化物燃料電池20，該電解質(zhì)例如是氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯(YSZ)、攙雜二氧化鈰的氧化鋯或鑭鍶鎵錳酸鹽(LSM)。
陽極26靠近各自互連件22定位并構(gòu)造成與互連件22電氣連接和流體連通。對于圖1所示的實(shí)施例，流場34提供電氣連接和流體連通。如圖1所示，各自互連件22的流場34構(gòu)造成在陽極26的表面之上從至少一個輸入燃料總管251引導(dǎo)燃料到至少一個輸出燃料總管252。
陰極28靠近各自互連件22定位并構(gòu)造成與互連件22電氣連接和流體連通。如圖1所示，該各自互連件22的流場34提供到陰極28的電氣連接并構(gòu)造成橫過互連件22并在陰極28之上引導(dǎo)氧化劑流。示例性氧化劑是空氣。
另外，燃料電池組10包括圍繞陽極26附近的互連件22布置的周邊絕緣密封件44。對于圖1所示的特定實(shí)施例，周邊絕緣密封件44還在開口24之間向內(nèi)延伸。如圖1所示，周邊絕緣密封件44布置在互連件22的面向陽極26的一側(cè)上并構(gòu)造成將電解質(zhì)27密封在互連件22上。有利的是，周邊絕緣密封件44將陽極26與圍繞平面燃料電池單元20的氧化劑分開。為了將陰極28與通過燃料總管25的燃料流分開，燃料電池組10還包括至少兩個布置在陰極28附近的互連件22上并位于互連件22的面向陰極28的一側(cè)上的內(nèi)部絕緣密封件45，如圖1所示。如所示，一個內(nèi)部絕緣密封件45圍繞每個開口24并將電解質(zhì)27密封在互連件22上。有利的是，與典型平面電池組結(jié)構(gòu)(未示出)上的邊緣密封件相比，密封件44、45是可壓縮的，如圖1所示。通過“壓縮”，密封件44、45在通過電池組10的重量或例如連接螺栓的機(jī)械裝置造成的壓縮狀態(tài)下變形以便提供更好的密封。為了在電池組10上產(chǎn)生更大的電壓，按照特定實(shí)施例，燃料電池組10包括多個以垂直形式布置的平面燃料電池單元20。如本領(lǐng)域技術(shù)人員所理解的那樣，圖2所示的三個平面燃料電池單元20的特定構(gòu)形只出于說明目的，電池組10包括的平面燃料電池單元20的特定數(shù)量將根據(jù)電池組10的所需電能變化。對于圖2所示的特定實(shí)施例，兩對相鄰平面燃料電池單元20的每個單元共用互連件22，其中互連件22與相鄰平面燃料電池單元20之一的陽極26以及相鄰平面燃料電池單元20的另一個的陰極28鄰近并與其電氣連接和流體連通。對于此特定實(shí)施例，每個由相鄰平面燃料電池單元20共用的互連件22包括位于互連件22每側(cè)上的流場34以便與相鄰的平面燃料電池單元20的相鄰陽極26和陰極28電氣連接和流體連通。
按照特定實(shí)施例，每個平面燃料電池單元20是多邊形的，如圖1所示。有利的是，燃料電池單元20的多邊形構(gòu)形相對容易制造并允許所述最小但牢固的密封結(jié)構(gòu)。例如，如圖3和4所示的拐角電池組密封件43不需要完全氣密，但必須只對流過電池組10的反應(yīng)物提供足夠阻力以便保持入口和出口氧化劑流的分開。例如，拐角電池組密封件43可以是“泄漏式密封件”，該密封件是設(shè)計有比燃料電池之間10的流動阻力更高的流動阻力的非氣密密封件，使得燃料和氧化劑流的主要部分流過燃料電池組，而不是流過拐角電池組密封件43。示例性泄漏式密封件由可壓縮的織物或質(zhì)密泡沫制成。另外，可疊置和布置多邊形部件以便在插入容器62之前形成燃料電池組10。此外，燃料電池組在疊置在一起時由于多邊形所提供的角度能夠自對齊。對于圖3所示的燃料電池組10，每個平面燃料電池單元20是矩形的。對于圖1和4所示的燃料電池組10，每個平面燃料電池單元20是六邊形的。更特別是，對于圖1所示的實(shí)施例，每個互連件22限定四個開口24，該開口布置成兩對50，該開口對定位在互連件22的兩個相對端部52上，每對限定輸入燃料總管251和輸出燃料總管252，如圖1箭頭所示。有利的是，開口24的這種構(gòu)形有助于燃料在平面燃料電池單元20上對稱分配。按照更為特定的實(shí)施例，圖1所示的平面燃料電池單元20是多邊形固態(tài)氧化物燃料電池20。
為了閉合電池組10并收集來自平面燃料電池單元20的電流，圖2所示的燃料電池組10的實(shí)施例還包括布置在平面燃料電池單元20的上面一個單元之上的頂端板12和布置在平面燃料電池單元20的下面一個單元之下的底端板14。端板12、14適于收集電流，并且示例性頂端板12和底端板14由鐵素體不銹鋼制成。另外，端板12、14覆蓋燃料電池組10，從而防止燃料和氧化劑繞過燃料電池組10。兩個端板12、14之間的電位是燃料電池組10的總電壓并等于多個電池20的電壓之和。
按照特定實(shí)施例，電解質(zhì)27對于反應(yīng)物(此后為“大致固態(tài)”)是不可滲透的并通過例如等離子噴涂、物理氣相沉積或化學(xué)氣相沉積技術(shù)沉積在陽極26上和各自的一個互連件上。對于此特定實(shí)施例，周邊絕緣密封件44包括電解質(zhì)27并通過在各自互連件22上沉積電解質(zhì)27來形成。包括電解質(zhì)27的示例性周邊絕緣密封件44表示在圖9中。對于圖9的實(shí)施例，該電解質(zhì)在用于密封的非活性區(qū)域的厚度大于活性區(qū)域的厚度。電解質(zhì)27例如通過在燃料電池單元20組裝之前沉積過程期間進(jìn)行掩?？芍瞥筛瘛Ｓ欣氖?，通過將電解質(zhì)27直接粘接到各自互連件22上形成的周邊絕緣密封件44是大致的平面并因此不需要保持一定的間隙尺寸。大致固態(tài)電解質(zhì)27還可例如通過燒結(jié)粘接到陽極26上，其中沉積中間層(未示出)以便提高互連件22和電解質(zhì)27之間的粘接。另一示例性密封件44、45包括例如使用一種所述的沉積技術(shù)沉積在各自互連件22上的玻璃、玻璃陶瓷、金屬、金屬黃銅及其組合以便將電解質(zhì)27密封在各自互連件22上。有利的是，這些密封件44、45同樣是大致的平面，因此不需要保持一定的間隙尺寸。
參考圖3、4、5、7和8說明燃料電池模塊60。如圖3和7所示，燃料電池模塊60包括具有構(gòu)造成分別接收和輸出例如空氣的氧化劑的入口68和出口70的容器62。燃料電池模塊60還在容器62內(nèi)包括至少三個布置成環(huán)形的燃料電池組10。如圖4所示，燃料電池組10將與燃料電池組10流體連通的容器62的內(nèi)和外容積64、66分開。至少一個燃料電池組10具有燃料入口72，并且至少一個燃料電池組10具有燃料出口74，從而分別接收和輸出燃料流，如圖6的頂視圖所示。每個燃料電池組10包括至少兩個燃料總管25以便接收和輸出燃料流，并還包括至少一個平面高溫燃料電池單元20。如這里所使用的術(shù)語“高溫”燃料電池指的是具有至少大約600℃的操作溫度的燃料電池。如上所述，平面高溫燃料電池單元20包括陽極26、陰極28和布置在陽極26和陰極28之間的電解質(zhì)27。
每個燃料電池組10還包括多個密封件44、45以便將陰極28和流過燃料總管25的燃料流分開并將陽極26和氧化劑分開。有利的是，與典型的平面電池組結(jié)構(gòu)(未示出)上的邊緣密封件(未示出)相比，密封件44、45是可壓縮的，如圖1所示。
燃料電池模塊60還包括多個燃料電池組10之間的電連接件54以便將每個燃料電池組10電氣連接到至少一個另外的燃料電池組10上。對于圖8所示的示例性實(shí)施例，通過互連件22設(shè)置該電連接件54。跨接線54還可用來在燃料電池組10之間設(shè)置電連接件54，如圖5所示。燃料電池組10可以許多方式連接在不同電壓和冗余上。例如，如果電池組10成對并聯(lián)，并且兩對電池組10在圖3的燃料電池模塊60中串聯(lián)，那么燃料電池模塊60提供與一對連接的電池組10上的電壓之和相等的電壓，但由于并聯(lián)的電流通路，具有兩倍的冗余。類似地，如果所有四個電池組10在圖3的燃料電池模塊60中并聯(lián)，那么燃料電池模塊60供應(yīng)的電壓局限于單個電池組10的電壓，但冗余是四倍。
按照特定的實(shí)施例，容器62是壓力容器62。使用壓力容器62是有利的，其中壓力容器62構(gòu)造成迫使氧化劑通過燃料電池組10，使得氧化劑接觸多孔的陰極28。隨電能產(chǎn)生應(yīng)用的不同，特定的壓力不同。但是，一個示例性壓力容器62構(gòu)造成在大約3～大約10個大氣壓的范圍內(nèi)操作。有利的是，使用壓力容器62提供高壓反應(yīng)物以便實(shí)現(xiàn)更高的燃料電池20的電壓。對于圖3的特定實(shí)施例，入口68構(gòu)造成接收進(jìn)入容器62的內(nèi)容積64的氧化劑，出口70構(gòu)造成從容器62的外容積66中輸出氧化劑。對于此實(shí)施例，每個平面高溫燃料電池單元20構(gòu)造成將氧化劑從容器61的內(nèi)容積64輸送到容器62的外容積66。圖3所示構(gòu)形的優(yōu)點(diǎn)在于電池組10之間管道內(nèi)的燃料通過輸出的熱氧化劑流來加熱。對于圖7所示的實(shí)施例，入口68構(gòu)造成接收進(jìn)入容器62的外容積66的氧化劑，并且出口70構(gòu)造成從容器62的內(nèi)容積64輸出氧化劑。對于圖7的實(shí)施例，每個平面高溫燃料電池單元20構(gòu)造成將氧化劑從容器62的外容積66輸送到容器62的內(nèi)容積64。后一實(shí)施例用流入的氧化劑流冷卻電池組10。有利的是，與現(xiàn)在為了氣體渦輪應(yīng)用而設(shè)計的結(jié)構(gòu)類似，兩種構(gòu)形有助于在容器62內(nèi)封閉電池組10。
示例性平面高溫燃料電池單元20參考圖1進(jìn)行描述，并包括限定開口24并包括流場34的互連件22，開口繼而限定燃料總管25。如圖1所示，對于示例性平面高溫燃料電池單元20，可壓縮密封件44、45包括周邊絕緣密封件44和內(nèi)部絕緣密封件45。對于此實(shí)施例，電連接件54形成在互連件22之間，如圖8所示，其中各自燃料電池組10中的至少兩個互連件22電氣連接。作為選擇，各自燃料電池組中的互連件22與例如跨接線54的外部連接器連接。
為了產(chǎn)生更大的電壓，在更特定的實(shí)施例中，每個燃料電池組10包括多個垂直疊置的平面高溫燃料電池單元20。如圖5所示，每個平面高溫燃料電池單元20布置在各自平面90內(nèi)。對于此實(shí)施例，每個電連接件54構(gòu)造成在各自平面90內(nèi)連接靠近至少兩個平面高溫燃料電池單元20的互連件22，如圖5所示。電連接件54通過互連件22設(shè)置，如圖8所示。按照圖2所示的更特定的實(shí)施例，每個燃料電池組10內(nèi)的至少一對相鄰的平面高溫燃料電池單元20公用各自的互連件22，其中互連件22與相鄰的平面高溫燃料電池單元20之一的陽極26鄰近并與其電氣連接和流體連通，以及與相鄰的平面高溫燃料電池單元20的另一個的陰極28鄰近并與其電氣連接和流體連通。對于此特定實(shí)施例，每個由相鄰的平面高溫燃料電池單元20公用的互連件22在互連件22的每側(cè)上包括流場34以便與相鄰的平面高溫電池單元20的相鄰陽極26和陰極28電氣連接和流體連通。另外，如圖2所示，示例性燃料電池組10包括布置在平面高溫燃料電池單元20的上面一個單元之上的頂端板12和布置在平面高溫燃料電池單元20的下面一個單元之下的底端板14以便閉合電池組10。
如上所述，根據(jù)所需電力輸出和燃料電池模塊60的冗余，電池組10可以多種方式連接。為了提供多個冗余電流通路，在一個實(shí)施例中，電連接件54在至少一個平面90內(nèi)連接所有平面高溫燃料電池單元20。例如，對于圖3和7的四個電池組10的構(gòu)形，四個電連接件54在一個平面90內(nèi)連接四個平面高溫燃料電池單元，提供四倍的電流通路冗余，但供應(yīng)局限于四個電池組10的單個電池組上的電壓的電壓。為了增加燃料電池模塊60的電壓輸出，同時提供兩倍的電流通路冗余，對于另一實(shí)施例，電連接件54與燃料電池組10的一對80連接，另一電連接件54與燃料電池組10的第二對82連接，以用于圖3和7的四個電池組10的構(gòu)形。為了保持恒定的輸出，當(dāng)一個燃料電池單元20不能傳導(dǎo)，并聯(lián)通路中與失效電池單元并聯(lián)的其他電池組中的電流必須相應(yīng)地增加。例如，對于如此連接的兩個電池單元，剩下電池中的電流成倍增加。對于六個電池組的構(gòu)形，并聯(lián)通路中每個剩下電池中的電流必須載有附加的百分之二十(20％)的電流。因此如此連接的電池組的最少數(shù)量取決于單個燃料電池單元20可以承受的附加電流量，繼而部分取決于使用燃料電池的類型。
為了將部分反應(yīng)的燃料的輸出物從一個電池組10輸送到另一電池組10，按照另一實(shí)施例的燃料電池模塊60還包括至少一個與燃料電池組10的一對80連接的熱交換器56。對于圖3，示例性的該對80包括標(biāo)號為1和2的一對燃料電池組10和標(biāo)號為3和4的一對燃料電池組10。示例性熱交換器56包括裝備有例如翅片(未示出)的增加熱交換的部件的管道56和管道56，并且熱交換器56構(gòu)造成將從燃料電池組對之一輸出的燃料流供應(yīng)到燃料電池組對的第二對中。對于圖7所示的配置，熱交換器56由來自入口68的氧化劑圍繞，因此有利地冷卻管道56中的輸出燃料，并加熱進(jìn)入燃料電池組10的氧化劑。為了調(diào)節(jié)入口溫度和進(jìn)入下游電池組10(例如一對電池組1和2中的電池組2)的燃料成分，更多的燃料可以在其進(jìn)入下游電池組10之前添加在燃料流中，如圖7所示。對于另一實(shí)施例，燃料電池組10設(shè)計成使得上游電池組10(例如一對電池組1和2中的電池組1)的燃料利用率相對于下游電池組的燃料利用率進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得該對電池組中所獲得的總體燃料利用率最佳化。燃料利用率(即通過給定燃料電池單元的燃料在燃料電池單元20內(nèi)實(shí)際反應(yīng)的百分比)使用多個設(shè)計參數(shù)得以控制，該設(shè)計參數(shù)例如是燃料電池單元20中反應(yīng)物的分配和濃度。
對于圖3、6和7所示的燃料電池模塊60的特定實(shí)施例，燃料電池模塊60包括四個布置成環(huán)形的燃料電池組10和至少兩個分別與燃料電池組10的一對80連接以及與燃料電池組10的第二對82連接的熱交換器56。對于這些實(shí)施例，平面高溫燃料電池單元20是矩形的，并且每對燃料電池組包括接收燃料流的各自燃料入口72和輸出燃料流的各自出口74。示例性平面高溫燃料電池單元20是平面SOFC單元20。另外，燃料電池模塊60還包括構(gòu)造成為燃料入口72供料的燃料供應(yīng)管線76和構(gòu)造成從燃料出口74輸出的燃料輸出管線78。經(jīng)過預(yù)先重整或作為在電池組中重整的碳?xì)浠衔锏娜剂瞎?yīng)到燃料入口72以便形成氫(H2)和一氧化碳(CO)。例如，燃料在輸入燃料總管251內(nèi)或在陽極26內(nèi)重整。在另一實(shí)施例中，平面高溫燃料電池單元20在陽極26之前結(jié)合有內(nèi)部重整裝置(未示出)。有利的是，在燃料電池單元20的進(jìn)行碳?xì)淙剂系闹卣岣吡讼到y(tǒng)的效率。
燃料電池模塊60的另一實(shí)施例以頂視圖的方式表示在圖4中。對于此實(shí)施例，燃料電池模塊60包括六個布置成環(huán)形的燃料電池組10和至少四個分別與燃料電池組10的一對80連接以及與燃料電池組10的第二、第三和第四對82、84、86連接的熱交換器56，如圖4所示。如所示，平面高溫燃料電池單元20是六邊形的。示例性平面高溫燃料電池單元20包括平面SOFC單元20。另外，燃料電池組10的一對80和第二對82兩者分別包括接收燃料流的燃料入口72，并且每個燃料電池組10的第三和第四對84、86分別包括輸出燃料流的燃料出口74。另外，燃料電池模塊60還包括構(gòu)造成為燃料入口72供料的燃料供應(yīng)管線76和構(gòu)造成從燃料出口74輸出的燃料輸出管線78。經(jīng)過預(yù)先重整或作為在電池組中重整的碳?xì)浠衔锏娜剂瞎?yīng)到燃料入口72，平面高溫燃料電池單元20在陽極26之前結(jié)合有內(nèi)部重整裝置(未示出)，以便通過碳?xì)淙剂闲纬蓺?H2)和一氧化碳(CO)。根據(jù)所需功率輸出和燃料電池模塊60的冗余，電池組10可以多種方式連接。對于一個實(shí)施例，電連接件54將兩個燃料電池組10并聯(lián)，將另外兩個燃料電池組10并聯(lián)，并將其他兩個燃料電池組10并聯(lián)。對于另一實(shí)施例，電連接件54將三個燃料電池組10并聯(lián)，并將另外三個燃料電池組10并聯(lián)。在另一實(shí)施例中，電連接件54將密封燃料電池組10連接在一起以便提供六倍的電流通路冗余。如上所述，示例性電連接件54形成在各自電池組10的互連件22之間。
盡管只描述和說明來本發(fā)明的某些特征，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解許多變型和改型。例如，可以清楚的是通過適當(dāng)改變陰極和陽極的位置燃料和空氣流路的位置可以顛倒。類似地，燃料電池組和燃料電池模塊可進(jìn)行組裝使得氧化劑在內(nèi)部回合并且燃料圍繞電池組。因此可以理解所附權(quán)利要求意欲覆蓋這些落入本發(fā)明真實(shí)精神內(nèi)的變型和改型。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池組(10)，其包括多個互連件(22)，每個所述互連件限定至少兩個開口(24)并包括至少一個流動反應(yīng)物的流場(34)，每個所述至少兩個開口限定各自燃料總管(25)，所述燃料總管包括至少一個輸入燃料總管(251)和至少輸出燃料總管(252)；至少一個燃料電池單元(20)，該單元包括陽極(26)、陰極(28)和布置在所述陽極和所述陰極之間的電解質(zhì)(27)，其中所述陽極靠近各自一個所述互連件定位并構(gòu)造成與所述互連件電氣連接和流體連通，所述互連件的所述流場構(gòu)造成從所述至少一個輸入燃料總管引導(dǎo)燃料流到所述至少一個輸出燃料總管，其中所述陰極靠近另一各自一個所述互連件定位并構(gòu)造成與所述另一互連件電氣連接和流體連通，所述另一互連件的所述流場構(gòu)造成在所述另一互連件上引導(dǎo)氧化劑流；圍繞所述陽極附近的各自一個所述互連件布置的周邊絕緣密封件(44)，所述周邊絕緣密封件布置在所述互連件的面向所述陽極的一側(cè)上，并構(gòu)造成將所述電解質(zhì)密封在所述互連件上；以及至少兩個布置在所述陰極附近的各自一個所述互連件上并位于所述互連件的面向所述陰極的一側(cè)上的內(nèi)部絕緣密封件(45)，一個內(nèi)部絕緣密封件圍繞每個所述開口并構(gòu)造成將所述電解質(zhì)密封在所述互連件上。
2.如權(quán)利要求1所述的燃料電池組(10)，其特征在于，多個平面燃料電池單元(20)以垂直疊置方式布置。
3.如權(quán)利要求2所述的燃料電池組(10)，其特征在于，至少一對相鄰的平面燃料電池單元(20)共用所述互連件(22)之一，所述互連件靠近所述平面燃料電池單元之一的所述陽極(26)以及所述平面燃料電池單元的另一個單元的所述陰極(28)并與其電氣連接和流體連通。
4.一種燃料電池模塊(60)，其包括具有入口(68)和出口(70)的容器(62)，所述入口和出口構(gòu)造成分別接收和輸出氧化劑；至少三個在所述容器內(nèi)布置成環(huán)形的燃料電池組(10)，所述燃料電池組將所述容器的內(nèi)和外容積(64，66)分開，所述內(nèi)和外容積通過所述燃料電池組流體連通，至少一個所述燃料電池組具有燃料入口(72)，并且至少一個所述燃料電池組具有燃料出口(74)，從而分別接收和輸出燃料流；其中每個燃料電池組包括至少兩個用于接收和輸出燃料流的燃料總管(25)，并還包括至少一個平面高溫燃料電池單元(20)，該單元包括陽極(26)、陰極(28)和布置在所述陽極和所述陰極之間的電解質(zhì)(27)，每個燃料電池組還包括多個將所述陰極和通過所述燃料總管的燃料流分開以及將所述陽極和氧化劑分開的壓縮密封件(44，45)；以及多個位于所述燃料電池組之間以便將每個燃料電池組電氣連接在至少一個另外的所述燃料電池組上的電連接件(54)。
5.如權(quán)利要求4所述的燃料電池模塊(60)，其特征在于，所述容器(62)包括壓力容器(62)，并且其中所述平面高溫燃料電池單元(20)包括平面固態(tài)氧化物燃料電池(SOFC)單元(20)。
6.如權(quán)利要求4所述的燃料電池模塊(60)，其特征在于，所述入口(68)構(gòu)造成接收進(jìn)入所述容器(62)的外容積(66)的氧化劑，并且所述出口(70)構(gòu)造成從所述容器的內(nèi)容積(64)輸出氧化劑，其中每個所述平面高溫燃料電池單元(20)構(gòu)造成將氧化劑從所述容器的所述外容積輸送到所述容器的所述內(nèi)容積中。
7.如權(quán)利要求4所述的燃料電池模塊(60)，其特征在于，所述入口(68)構(gòu)造成接收進(jìn)入所述容器(62)的內(nèi)容積(64)的氧化劑，并且所述出口(70)構(gòu)造成從所述容器的外容積(66)輸出氧化劑，其中每個所述平面高溫燃料電池單元(20)構(gòu)造成將氧化劑從所述容器的所述內(nèi)容積輸送到所述容器的所述外容積中。
8.如權(quán)利要求4所述的燃料電池模塊(60)，其特征在于，每個所述燃料電池組(10)包括多個互連件(22)，每個所述互連件限定至少兩個開口(24)，每個開口限定各自一個所述燃料總管(25)，所述燃料總管包括至少一個輸入燃料總管(251)和至少一個輸出燃料總管(252)，并且每個互連件還包括至少一個流動反應(yīng)物的流場(34)，其中每個陽極(26)靠近各自一個所述互連件(22)定位并構(gòu)造成與所述互連件電氣連接和流體連通，其中所述互連件的所述流場構(gòu)造成從所述至少一個輸入燃料總管引導(dǎo)燃料流到所述至少一個輸出燃料總管，其中所述陰極(28)靠近另一各自一個所述互連件定位并構(gòu)造成與所述另一互連件電氣連接和流體連通，所述另一互連件的所述流場構(gòu)造成在所述另一互連件上引導(dǎo)氧化劑流；以及其中各自燃料電池組中的至少兩個所述互連件電氣連接，在所述燃料電池組之間通過所述電連接件(54)。
9.如權(quán)利要求8所述的燃料電池模塊(60)，其特征在于，所述密封件(44，45)包括圍繞所述陽極(26)附近的各自一個所述互連件(22)布置的周邊絕緣密封件(44)，所述周邊絕緣密封件布置在所述互連件的面向所述陽極的一側(cè)上，并構(gòu)造成將所述電解質(zhì)(27)密封在所述互連件上；以及至少兩個布置在所述陰極(28)附近的各自一個所述互連件上并位于所述互連件的面向所述陰極的一側(cè)上的內(nèi)部絕緣密封件(45)，一個內(nèi)部絕緣密封件圍繞每個所述開口(24)并構(gòu)造成將所述電解質(zhì)密封在所述互連件上。
10.如權(quán)利要求9所述的燃料電池模塊(60)，其特征在于，每個所述燃料電池組(10)包括多個垂直疊置的平面高溫燃料電池單元(20)，其中每個所述平面高溫燃料電池單元布置在各自多個平面(90)之一內(nèi)，并且各自平面內(nèi)的至少兩個所述平面高溫燃料電池單元的所述互連件(22)電氣連接。
全文摘要
一種燃料電池組(10)包括至少一個燃料電池單元(20)和多個互連件，互連件限定至少兩個開口并包括至少一個流動反應(yīng)物的流場(34)。每個開口限定各自的燃料總管(25)，其包括至少一個輸入和輸出燃料總管(251，252)。燃料電池單元包括陽極(26)、陰極(28)和布置在該陽極和陰極之間的電解質(zhì)(27)。該陽極靠近一個互連件定位并構(gòu)造成與該互連件電氣連接和流體連通。互連件具有在輸入和輸出燃料總管之間引導(dǎo)燃料流的流場(34)。陰極靠近另一互連件定位并構(gòu)造成與該互連件電氣連接和流體連通。該互連件具有引導(dǎo)氧化劑流的流場(34)。燃料電池組包括周邊絕緣密封件(44)和至少兩個內(nèi)部絕緣密封件(45)以便將電解質(zhì)密封在各自的互連件上。
文檔編號H01M8/24GK1495955SQ0315508
公開日2004年5月12日 申請日期2003年8月27日 優(yōu)先權(quán)日2002年8月27日
發(fā)明者R·S·布爾茹瓦, A·M·湯普森, C·A·約翰森, R S 布爾茹瓦, 湯普森, 約翰森 申請人:通用電氣公司