專利名稱：組裝固體氧化物燃料電池的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的涉及發(fā)電，更具體地涉及組裝固體氧化物燃料電池的方法和設(shè)備。
至少某些已知的發(fā)電系統(tǒng)使用燃料電池來產(chǎn)生電力。燃料電池是一種將反應(yīng)產(chǎn)生的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的電化學(xué)裝置。已知的燃料電池通常包括一個(gè)陽極(也稱為燃料電極)、一個(gè)陰極(也稱為氧化劑電極)和一種電解質(zhì)。此種燃料電池是類似于蓄電池的電化學(xué)裝置，它使燃料和氧化劑反應(yīng)而產(chǎn)生電力。但是，與蓄電池不一樣，燃料如氫和氧化劑如空氣是連續(xù)地供應(yīng)到燃料電池中的，使得它連續(xù)地產(chǎn)生電力，只要提供此類反應(yīng)物。
一個(gè)燃料電池通過在陽極和陰極處將燃料和氧化劑催化為電離的原子氫和氧而產(chǎn)生電力。在陽極上的電離過程中從氫移出的電子被傳導(dǎo)到陰極，在該處它們使氧電離。在固體氧化物燃料電池的情況下，氧離子被傳導(dǎo)而通過電解質(zhì)，在電解質(zhì)中它們與電離的氫結(jié)合而生成作為廢物產(chǎn)品的水并完成該過程。否則電解質(zhì)對燃料和氧化劑兩者是不可滲透的而僅僅傳導(dǎo)氧離子。這一系列電化學(xué)反應(yīng)是在燃料電池內(nèi)產(chǎn)生電力的唯一機(jī)構(gòu)。因此希望減少或消除反應(yīng)劑的任何混合。因?yàn)榇朔N混合會(huì)導(dǎo)致不同的化合如不產(chǎn)生電力因而降低燃料電池效率的燃燒。
單個(gè)燃料電池在低壓(通常每個(gè)電池低于1伏)產(chǎn)生電力。因此這些電池通常在一燃料電池疊層中組裝成電串聯(lián)而產(chǎn)生有用電壓的電力。為了產(chǎn)生燃料疊層，使用一種互連件來將相鄰的燃料電池一起連接成電串聯(lián)。在此種裝置中，燃料以基本上相等的流動(dòng)速率流到每個(gè)燃料電池。結(jié)果，單獨(dú)一個(gè)燃料電池的失效可能導(dǎo)致整個(gè)燃料疊層的失效。
為了使燃料疊層在一個(gè)燃料電池失效后能夠繼續(xù)工作，至少某些已知的燃料疊層包括多個(gè)閥，這些閥從外部磁性驅(qū)動(dòng)到電池上，以限制燃料流到該失效的電池。但是，驅(qū)動(dòng)這些閥將限制燃料流到受影響的電池，如果不將其與其它電池電隔離的話，這樣，可能嚴(yán)重地限制燃料電池疊層的連續(xù)工作。在至少某些其它已知的燃料電池疊層中，在失效的燃料電池中插入一個(gè)導(dǎo)體來短路該電池，使得燃料電池疊層可以利用其余的燃料電池來工作。但是，因?yàn)橹辽俦仨毑鸪徊糠织B層來插入該導(dǎo)體，所以在插入該導(dǎo)體期間該燃料電池疊層不可能工作。其次，使疊層返回到一個(gè)安全的工作和工作溫度可能會(huì)由于熱循環(huán)損傷而縮短疊層的有用壽命。
發(fā)明概述在一方面，本發(fā)明提供一種燃料電池疊層裝置。該裝置包括電聯(lián)接在一起的至少一個(gè)第一燃料電池和一個(gè)第二燃料電池，使得至少一個(gè)密封的通道延伸在第一和第二燃料電池之間。每個(gè)燃料電池包括至少一個(gè)空心歧管，后者包括一個(gè)延伸在第一端部和第二端部之間的壁。每個(gè)壁中限定一個(gè)室，并包括至少一個(gè)穿通其間的與該室流體連通的孔。該燃料電池疊層裝置也包括至少一個(gè)燃料電池隔離裝置，后者聯(lián)接成與每個(gè)燃料電池空心歧管流體連通。在燃料電池疊層裝置工作期間，該至少一個(gè)燃料電池隔離裝置能夠可以變化地安置，以便選擇地阻止通過至少一個(gè)燃料電池的液流。
在另一方面，本發(fā)明提供一種聯(lián)接成與一個(gè)空氣源和一個(gè)燃料源成流體連通的燃料電池疊層。該燃料電池疊層包括至少三個(gè)聯(lián)接在一起而成流體連通的燃料電池，使得至少一個(gè)密封的通道延伸在該至少三個(gè)燃料電池之間，還包括多個(gè)將該至少三個(gè)燃料電池電聯(lián)接在一起的互插件，使得至少一個(gè)互插件延伸在每對相鄰的燃料電池之間。該燃料電池疊層也包括至少一個(gè)與該至少三個(gè)燃料電池中的每一個(gè)聯(lián)接成流體連通的燃料電池隔離裝置。在燃料電池疊層工作期間，該至少一個(gè)燃料電池隔離裝置可選擇地安置成使至少一個(gè)燃料電池與其余燃料電池成電隔離。
在又一方面，本發(fā)明提供一種組裝一燃料電池疊層的方法。該方法包括將一個(gè)第一燃料電池電聯(lián)接在一第二燃料電池上，使得在第一和第二燃料電池之間延伸至少一個(gè)密封通道，以及將至少一個(gè)燃料電池隔離裝置聯(lián)接在該至少一個(gè)密封通道內(nèi)，使得該至少一個(gè)燃料電池隔離裝置能夠可以變化地安置，從而在燃料電池疊層工作期間電隔離該第一和第二燃料電池中的至少一個(gè)。
在又一方面，本發(fā)明提供一種用于工作一個(gè)包括至少兩個(gè)串聯(lián)地電聯(lián)接的燃料電池的燃料電池疊層裝置的方法。該方法包括確定在工作的燃料電池疊層裝置中存在一個(gè)失效電池，在該燃料電池疊層裝置工作期間電隔離和阻止通向至少一個(gè)燃料電池的反應(yīng)劑流，并繼續(xù)該燃料電池疊層裝置的工作而使至少一個(gè)燃料電池與該燃料電池疊層裝置內(nèi)的其余燃料電池電隔離。
附圖簡述

圖1是一種示范的燃料電池疊層的截面圖，圖2是圖1中所示的燃料電池疊層的一部分的分解圖；圖3是圖1中所示的燃料電池疊層的示意的頂視平面圖；圖4是可以與圖1中所示的燃料電池疊層一起使用的一種燃料電池隔離裝置的截面圖；圖5是可以與圖1中所示的燃料電池疊層一起使用的一種燃料電池隔離裝置的另一實(shí)施例的放大的部分截面圖；圖6是可以與圖1中所示的燃料電池疊層一起使用的一種燃料電池隔離裝置的又一實(shí)施例的放大的示意圖；以及圖7是可以與圖1中所示的燃料電池疊層一起使用的一種燃料電池隔離裝置的另一替代實(shí)施例的截面圖。
發(fā)明詳述圖1是一種包括多個(gè)燃料電池12的示范的燃料電池疊層10的截面圖。圖2是燃料電池疊層10的一部分的分解圖。圖3是燃料電池疊層10的示意的頂視平面圖。燃料電池疊層10是已知的平面互連件支承的燃料電池疊層，其中相鄰的燃料電池12由多個(gè)互連件14隔開，使得至少一個(gè)互連件14延伸在每對相鄰的燃料電池12之間。更具體地說，燃料電池12串聯(lián)在一起，使得燃料電池疊導(dǎo)10包括一個(gè)頂部疊層板16、一個(gè)底部疊層板18和多個(gè)安置在疊層板16、18之間的五連件14。在該示范的實(shí)施例中，每個(gè)互連件14是空心的，其中包括外表面22和內(nèi)室24。
在該示范的實(shí)施例中，頂部疊層板16、底部疊層板18和互連件14的尺寸都是相同的。在另一實(shí)施例中，頂部疊層板16、底部疊層板18和/或互連件14中的至少一個(gè)的尺寸與其余的燃料電池疊層部件的尺寸不同。疊層板16和18用導(dǎo)電材料制成。例如，疊層板16和18可以用此處描述的能在較高溫度下工作的導(dǎo)電材料例如任何導(dǎo)電材料或任何遇到氧化時(shí)其氧化物導(dǎo)電的材料制成。每個(gè)互連件14也用導(dǎo)電材料制成，例如(但不限于)此處描述的能在較高溫度下工作的導(dǎo)電材料，如(但不限于)不銹鋼。
多個(gè)密封件30延伸在相鄰的互連件14之間。更具體地說，相鄰的燃料電池12分別由多個(gè)密封件30隔開，使得燃料電池12形成一種固體氧化物燃料電池的平面配置。密封件30便于相鄰燃料電池12的電隔離，以防止電池12之間短路。每個(gè)密封件30通常包括一個(gè)空心的電絕緣體(未示出)，它可以用(但不限于)陶瓷材料制成。在一個(gè)實(shí)施例中，密封件30用(但不限于)云母或玻璃-云母復(fù)合材料制成。
當(dāng)密封件30聯(lián)接在相鄰的互連件14之間時(shí)，形成多個(gè)密封的通道32。更具體地說，在該示范的實(shí)施例中，燃料電池反應(yīng)劑通過密封的通道32供應(yīng)到燃料電池疊層10并以其形成槽。更具體地說，在該示范實(shí)施例中，燃料和空氣兩者從內(nèi)部進(jìn)歧管，這樣，通道32包括一個(gè)燃料入口歧管36、一個(gè)燃料出口歧管38、一個(gè)氧化劑或空氣入口歧管40和一個(gè)氧化劑或空氣出口歧管42。在另一實(shí)施例中，氧化劑或空氣通過燃料電池疊層10從外部進(jìn)歧管。
每個(gè)互連室24從互連件14的第一側(cè)面44延伸到疊層10的第二側(cè)面48。更具體地說，在該示范的實(shí)施例中，室24有一基本上短形的截面輪廓。在另一實(shí)施例中，室24有一非矩形的截面輪廓。在另一實(shí)施例中，室24包括流動(dòng)導(dǎo)向件、擋板和/或槽細(xì)部，以便于在互連件14內(nèi)分配燃料和氧化劑。
多個(gè)孔60至少部分通過互連件14延伸并與互連室24流體連通。在該示范實(shí)施例中，孔60設(shè)置成一種基本上同直線的構(gòu)型，即孔60設(shè)置成一種在多個(gè)排內(nèi)的線性程序。
在該示范實(shí)施例中，每個(gè)燃料電池12由多個(gè)層70形成。更具體地說，在該示范實(shí)施例中，燃料電池12包括一個(gè)陽極層72、一個(gè)電解質(zhì)層74和一個(gè)這樣聯(lián)接在一起的陰極層76，使得電解質(zhì)層74夾在層72和76之間，并使得一個(gè)密封件78延伸在每個(gè)燃料電池12和每個(gè)鄰接的互連件14之間。燃料電池12聯(lián)接在燃料電池疊層10內(nèi)，使電能夠從一個(gè)燃料電池的陽極層72導(dǎo)通到一個(gè)相鄰電池12的陰極層76。在一個(gè)實(shí)施例中，電解質(zhì)層74用一種材料如(但不限于)釔穩(wěn)定的氧化鋯(YSZ)，而陰極層76可以包括(但不限于)錳酸鑭鍶(LSM)。
相鄰的互連件14聯(lián)接在一起，使得其間限定一個(gè)氧化劑流動(dòng)區(qū)域80。每個(gè)氧化劑流動(dòng)區(qū)域80聯(lián)接成與空氣入口歧管40和空氣出口歧管42成流體連通。
在工作期間，一種燃料如(但不限于)預(yù)先重新形成的燃料和/或一種在燃料電池疊層10內(nèi)重新形成的碳?xì)浠衔锿ㄟ^燃料入口歧管36供給到燃料電池疊層10中。在進(jìn)入入口歧管36后，燃料通過每個(gè)互連室24而確定路線。燃料在通過出口38從燃料疊層10排放之前向上流動(dòng)而與每個(gè)陽極層72反應(yīng)。燃料和氧化劑在疊層10中串聯(lián)的每個(gè)燃料電池12中反應(yīng)而將電壓累積到有用的水平。更具體地說，燃料與通過空氣入口歧管40而供給到疊層10的氧起電化學(xué)反應(yīng)，從而產(chǎn)生直流(DC)電，以水作為主要產(chǎn)物。在該示范的實(shí)施例中，疊層10這樣設(shè)置，使得燃料電池反應(yīng)劑沿相反方向流過疊層10。在另一實(shí)施例中，疊層10這樣設(shè)置，使得反應(yīng)劑流過疊層10的流動(dòng)方向基本上平行且沿同一流動(dòng)方向。當(dāng)燃料與氧化劑反應(yīng)時(shí)電流產(chǎn)生，同時(shí)跨過疊層10產(chǎn)生一個(gè)電壓電勢。
圖4是可以與燃料電池疊層10一起使用的燃料電池隔離裝置100的側(cè)視圖。在該示范的實(shí)施例中，如下面更詳細(xì)地描述的，至少一個(gè)燃料電池已確定失效或已損壞到可以惡化地影響疊層性能的程度。在疊層工作期間，如下面更詳細(xì)地描述的，燃料電池隔離裝置100便于使損壞的燃料電池102與其余材料電池12隔離而不阻止疊層10的工作。
每個(gè)燃料電池隔離裝置100包括一個(gè)跳動(dòng)器110和一個(gè)驅(qū)動(dòng)器112，驅(qū)動(dòng)器112聯(lián)接在跳動(dòng)器110上以控制其運(yùn)動(dòng)。跳動(dòng)器110用導(dǎo)電材料制成并包括一沿徑向的外表面114和一沿縱向延伸在上側(cè)壁118和下側(cè)壁120之間的對置的沿徑向的內(nèi)表面116。跳動(dòng)器110為拱形并拱形地延伸在第一端壁(未示出)和第二端壁122之間。在該示范的實(shí)施例中，每個(gè)跳動(dòng)器110基本上為半圓形。
每個(gè)跳動(dòng)器110的長度L1比相鄰互連件14之間測到的距離D1長。更具體地說，距離D1是在第一互連件14的上表面123和一相鄰的第二互連件14的下表面124之間測量的。如下面更詳細(xì)地描述的，跳動(dòng)器長度L1使每個(gè)跳動(dòng)器110能夠?qū)⒁粚ο噜彽幕ミB件14電連接在一起。
在該示范的實(shí)施例中，一對跳動(dòng)器126和128跨過一對互連件14的各自的對置的端部130和132。更具體地說，在該示范的實(shí)施例中，跳動(dòng)器126安置在燃料入口歧管36內(nèi)，而跳動(dòng)器128安置在燃料出口歧管40內(nèi)，以隔離燃料電池102。在另一替代的實(shí)施例中，只有跳動(dòng)器110用于隔離燃料電池102。在另一替代的實(shí)施例中，跳動(dòng)器110安置在燃料入口歧管36、燃料出口歧管38(示于圖3中)、空氣入口歧管40和空氣歧管42(示于圖3中)內(nèi)。因此，每個(gè)跳動(dòng)器110的輪廓基本上匹配由每個(gè)相應(yīng)的密封通道32的內(nèi)表面138所界定的曲面輪廓。每個(gè)跳動(dòng)器110的曲面輪廓便于減小每個(gè)通道32內(nèi)的每個(gè)跳動(dòng)器110的截面積，使得通過通道32的流量基本上保持不受阻擋，直到每個(gè)跳動(dòng)器110被安置成隔離一個(gè)失效的燃料電池102。而且，每個(gè)跳動(dòng)器110的曲面輪廓和半圓形使得一個(gè)跳動(dòng)器110能夠被安置成隔離一個(gè)新檢出的失效的燃料電池102，后者由驅(qū)動(dòng)器112通過一相應(yīng)的通道32移動(dòng)并經(jīng)過一個(gè)已經(jīng)聯(lián)接而電隔離一失效的燃料電池110的跳動(dòng)器110。在一個(gè)實(shí)施例中，驅(qū)動(dòng)器112由至少一個(gè)(但不限于)線性馬達(dá)、一個(gè)螺旋齒輪或任何適合于選擇地安置如此處描述的跳動(dòng)器110的其它機(jī)械機(jī)構(gòu)。在另一實(shí)施例中，驅(qū)動(dòng)器112由(但不限于)氣動(dòng)壓力、液動(dòng)壓力、電磁力和電力之一驅(qū)動(dòng)。
在該示范的實(shí)施例中，每個(gè)跳動(dòng)器110可轉(zhuǎn)動(dòng)地聯(lián)接到驅(qū)動(dòng)器112上，使得每個(gè)跳動(dòng)器110相對于燃料電池疊層10的縱向移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)受驅(qū)動(dòng)器112的控制。因此，每個(gè)跳動(dòng)器110可以可變地安置在每個(gè)相應(yīng)的密封通道32內(nèi)，使得任何燃料電池12可以如此處所述地選擇地隔離。更具體地說，在燃料電池疊層10正常工作期間，每個(gè)跳動(dòng)器110保持聯(lián)接在一個(gè)相應(yīng)的密封通道32內(nèi)的現(xiàn)成位置139中，其中跳動(dòng)器110并沒有電聯(lián)接于任何互連件上?，F(xiàn)成位置139使跳動(dòng)器110保持聯(lián)接在密封的通道32內(nèi)，使得通過每個(gè)相應(yīng)的密封通道32進(jìn)入電池12的流體流量保持顯著地不受阻礙，直到跳動(dòng)器110安置成隔開一個(gè)失效的電池102。在另一實(shí)施例中，燃料電池疊層10包括多個(gè)不能沿縱向移動(dòng)通過密封通道32的跳動(dòng)器110，而相反，跳動(dòng)器110與每個(gè)電池12組合而只能在現(xiàn)成位置139和對著內(nèi)連件14之間移動(dòng)，如此處所述。在這樣一個(gè)實(shí)施例中，跳動(dòng)器110和/或互連件14包括導(dǎo)電表面和不導(dǎo)電表面，使得當(dāng)從現(xiàn)成位置139轉(zhuǎn)動(dòng)到隔離失效電池102時(shí)跳動(dòng)器110僅短路電池12。
當(dāng)聯(lián)接就位時(shí)，跳動(dòng)器110將一對相鄰的互連件14電連接在一起，使得該對互連件“短路”。更具體地說，每個(gè)跳動(dòng)器110這樣安置，使得其外表面140電聯(lián)接到鄰近受損的燃料電池102的每個(gè)互連件14上。每個(gè)跳動(dòng)器外表面140包括便于在每個(gè)跳動(dòng)器110和每個(gè)互連件之間建立電連接的細(xì)部142。此外，每個(gè)跳動(dòng)器110的輪廓和跳動(dòng)器外表面細(xì)部142的結(jié)合便于每個(gè)跳動(dòng)器110和每個(gè)互連件14之間的密切接觸。例如，在一個(gè)實(shí)施例中，絲網(wǎng)、刷子和/或金屬密封件中的至少一個(gè)從跳動(dòng)器外表面140向外伸出，以便于每個(gè)跳動(dòng)器110和每個(gè)相應(yīng)的互連件14之間的電接觸和密封。
在燃料電池疊層工作期間，當(dāng)檢測到一個(gè)受損的或失效的燃料電池102時(shí)，如下面更詳細(xì)地描述的，一個(gè)跳動(dòng)器被安置成使電池102與其余燃料電池12隔離，使得燃料電池疊層可以繼續(xù)工作而不中斷。更具體地說，在電池102被檢出后，在該示范的實(shí)施例中，利用驅(qū)動(dòng)器112使跳動(dòng)器110沿縱向移入現(xiàn)成位置139。然后轉(zhuǎn)動(dòng)跳動(dòng)器110，使得跳動(dòng)器外表面電連接在一對相鄰的互連件14之間，更確切地說，使得燃料電池102與其余燃料電池12電隔離。此外，當(dāng)跳動(dòng)器110已經(jīng)電隔離的燃料電池102時(shí)，跳動(dòng)器輪廓和跳動(dòng)器外表面140的結(jié)合便于跳動(dòng)器110和一對互連件14之間的密封，從而明顯地防止燃料流和/或燃料與空氣流(取決于跳動(dòng)器110相對于疊層10聯(lián)接在哪一個(gè)密封的通道上)通到燃料電池102。
因此，因?yàn)殡姵?02是電隔離的，而且因?yàn)槊黠@地防止了燃料流和/或燃料與空氣流通到電池102，所以燃料電池疊層10可以繼續(xù)工作。此外，如果多個(gè)電池102失效，可以將額外的跳動(dòng)器110安裝在同一燃料電池疊層通道32內(nèi)，如此處所述。
在該示范的實(shí)施例中，繼續(xù)監(jiān)測每個(gè)單獨(dú)電池的性能，而在檢出一個(gè)失效電池后，安置一個(gè)跳動(dòng)器來隔離該特定電池。在另一實(shí)施例中，并不監(jiān)測單個(gè)電池的電壓和性能，而是監(jiān)測燃料電池疊層的全面性能而確定失效的燃料電池。更具體地說，當(dāng)疊層的性能減弱時(shí)，該減弱的性能指示一個(gè)失效的燃料電池。在檢出疊層性能的減弱后，通過燃料入口歧管移動(dòng)一跳動(dòng)器并將其對著每個(gè)燃料電池聯(lián)接，同時(shí)繼續(xù)監(jiān)測燃料電池疊層的輸出性能。當(dāng)性能監(jiān)測表明，電池疊層的性能已增強(qiáng)時(shí)，然后將該跳動(dòng)器鎖定在燃料入口歧管內(nèi)的位置中。如果在其它歧管內(nèi)可以使用額外的跳動(dòng)器，那么那些跳動(dòng)器也安置在相對于檢出的失效燃料電池的位置中。
在另一實(shí)施例中，燃料電池疊層聯(lián)接在一處理器和一控制器上，它們能夠連續(xù)地監(jiān)控疊層的性能，使得在檢出一失效電池時(shí)，一跳動(dòng)器被自動(dòng)地安置和聯(lián)接在疊層上，從而有效地隔離失效電池。
圖5是可以與燃料電池疊層10一起使用的燃料電池隔離裝置180的另一實(shí)施例的放大示意圖。燃料電池隔離裝置180基本上類似于燃料電池隔離裝置100(示于圖4)，而與圖5中的燃料電池隔離裝置100的部件相同的燃料電池隔離裝置180的部件采用圖4中使用的同一標(biāo)號。因此，燃料電池隔離裝置180包括一個(gè)由驅(qū)動(dòng)器112控制的跳動(dòng)器182。在該示范的實(shí)施例中，每個(gè)跳動(dòng)器182包括一個(gè)通過其中延伸的流動(dòng)通道184，使得燃料流能夠供給到每個(gè)相應(yīng)的燃料電池12。更具體地說，燃料電池疊層10包括多個(gè)跳動(dòng)器182，每個(gè)跳動(dòng)器182可滑動(dòng)地聯(lián)接在一個(gè)相應(yīng)的燃料電池12上，從而如此處所述地選擇地隔離該特定的燃料電池12。更具體地說，在燃料電池疊層10正常工作期間，每個(gè)跳動(dòng)器182保持聯(lián)接在一個(gè)相應(yīng)的密封通道32內(nèi)的一個(gè)現(xiàn)成位置190中，其中跳動(dòng)器通道184安置成能使燃料流到燃料電池12，并使得通過每個(gè)相應(yīng)的密封通道32進(jìn)入每個(gè)其它電池12的液流基本上保持不受阻礙。
當(dāng)一個(gè)失效的燃料電池102需要隔離時(shí)，跳動(dòng)器182從現(xiàn)成的位置190轉(zhuǎn)移到隔離位置193中，其中該特定的燃料電池12與其余燃料電池12隔開。更具體地說，當(dāng)轉(zhuǎn)移到隔離位置193中時(shí)，通道184安置成對著延伸在相鄰的燃料電池12之間的絕緣層194，從而避免了燃料流到失效的電池102。
圖6是可以與燃料電池疊層10一起使用的燃料電池隔離裝置200的替代實(shí)施例的放大示意圖。燃料電池隔離裝置200基本上類似于燃料電池隔離裝置100(示于圖4)，而與燃料電池隔離裝置100的部件相同的燃料電池隔離裝置200的部件用圖4中的同一標(biāo)號表示。因此，燃料電池隔離裝置200包括跳動(dòng)器110和驅(qū)動(dòng)器112。燃料電池裝置200也包括一個(gè)跳動(dòng)器再加載系統(tǒng)202，如下面更詳細(xì)地描述的，該系統(tǒng)202能使額外的跳動(dòng)器110在燃料電池疊層10工作期間插入燃料電池疊層10內(nèi)。
跳動(dòng)器再加載系統(tǒng)202包括一個(gè)插入罩204，后者聯(lián)接成與燃料入口歧管36成流體連通。在替代的實(shí)施例中，額外的跳動(dòng)器再加載系統(tǒng)聯(lián)接在其它密封通道32上。更具體地說，一個(gè)閥206如球閥聯(lián)接在燃料入口歧管36和插入罩204之間，以便選擇地控制歧管36和插入罩204之間的流體連通。當(dāng)閥206處于閉合位置時(shí)，插入罩204基本上與燃料入口歧管36隔開。當(dāng)閥206轉(zhuǎn)到開放位置時(shí)，燃料入口歧管36和插入罩204聯(lián)接成流體連通，使得一個(gè)跳動(dòng)器110可以通過閥206插入而進(jìn)入如上更詳細(xì)地描述的相對于失效的燃料電池102(示于圖4)的位置中。
罩204包括一驅(qū)動(dòng)器孔210和一進(jìn)出孔212。驅(qū)動(dòng)器孔210使驅(qū)動(dòng)器112能夠通過罩204聯(lián)接到跳動(dòng)器110上，以控制跳動(dòng)器110的定位。進(jìn)出孔212的尺寸能裝入跳動(dòng)器110，它包括一個(gè)可變地安置的門214。當(dāng)閉合時(shí)，門214基本上密封孔210。當(dāng)打開時(shí)，門214使額外的跳動(dòng)器100能夠聯(lián)接在驅(qū)動(dòng)器112上，而燃料電池疊層10保持工作。
在燃料電池疊層工作期間，當(dāng)檢出一受損的或失效的燃料電池102時(shí)，閥206轉(zhuǎn)動(dòng)到一打開位置，而一跳動(dòng)器110安置成使電池102與其余的燃料電池12隔開，如上面更詳細(xì)地描述的。當(dāng)確定一額外的燃料電池12已失效時(shí)，跳動(dòng)器再加載系統(tǒng)202使額外的跳動(dòng)器110能夠被安裝，而燃料電池疊層10保持工作。
更具體地說，當(dāng)一個(gè)額外的跳動(dòng)器被安裝時(shí)，閥206起初轉(zhuǎn)動(dòng)到閉合而使罩204與燃料入口歧管36有效地隔開。然后一個(gè)額外的跳動(dòng)器110通過進(jìn)出門214聯(lián)接到驅(qū)動(dòng)器112上，然后門214轉(zhuǎn)動(dòng)到閉合而有效地密封進(jìn)出孔212。然后門206打開，而后額外的跳動(dòng)器110移入相對于燃料電池疊層10的位置中。每個(gè)跳動(dòng)器110的曲面輪廓和半圓形使額外的跳動(dòng)器110能夠移動(dòng)通過歧管36和經(jīng)過一個(gè)已聯(lián)接在相對于燃料電池疊層10的位置中，而燃料電池疊層10保持工作。
圖7是可以與燃料電池疊層10一起使用的燃料電池隔離裝置250的另一替代實(shí)施例的側(cè)視圖。燃料電池隔離裝置250基本上類似于燃料電池隔離裝置100(示于圖4)和燃料電池隔離裝置200(示于圖6)，而與燃料電池隔離裝置100和/或200的部件相同的燃料電池隔離裝置250的部件在圖7中使用圖4和圖6中的同一標(biāo)號。因此，燃料電池隔離裝置250包括跳動(dòng)器110和驅(qū)動(dòng)器112。燃料電池裝置250也包括一個(gè)跳動(dòng)器安置系統(tǒng)252，如下面更詳細(xì)地描述的，該系統(tǒng)252將每個(gè)跳動(dòng)器110安置在相對于聯(lián)接在疊層10內(nèi)的每個(gè)燃料電池12的位置中。
跳動(dòng)器安置系統(tǒng)252包括多個(gè)鍵槽裝置260和至少一個(gè)鍵262。具體地說，每個(gè)鍵槽裝置260包括一個(gè)延伸在相鄰的互連件14和相鄰的互連件第一端部44之間的支承壁264。在一個(gè)替代的實(shí)施例中，鍵槽裝置260包括在其它密封的通道32中。每個(gè)支承壁264包括一個(gè)鍵槽266和一個(gè)液流進(jìn)出孔268，在該示范的實(shí)施例中，如上面更詳細(xì)地描述的，該孔268使燃料能夠從相鄰的互連件14之間的入口歧管36流向每個(gè)燃料電池12。鍵槽266限定在每個(gè)支承壁264內(nèi)，其尺寸能裝入鍵262。在該示范的實(shí)施例中，鍵槽266大體上為燕尾形。在替代的實(shí)施例中，鍵槽266不是燕尾形。
每個(gè)鍵266從跳動(dòng)器外表面140沿徑向向外伸出，其尺寸為當(dāng)跳動(dòng)器110轉(zhuǎn)到相對于一個(gè)失效的燃料電池102時(shí)能裝入鍵槽266中。因此，當(dāng)跳動(dòng)器110轉(zhuǎn)到位置中而鍵266裝入鍵槽266中時(shí)，跳動(dòng)器110處在相對于燃料電池102的位置中，使得相鄰的內(nèi)連件14電聯(lián)接在一起，如上面更詳細(xì)地描述的。
上述燃料電池隔離裝置使一個(gè)失效的燃料電池能夠被電隔離而不會(huì)中斷燃料電池疊層的工作。該隔離裝置每個(gè)包括一聯(lián)接在控制隔離裝置運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)器。該跳動(dòng)器用導(dǎo)電材料制成，其尺寸能延伸在相鄰互連件之間，使得該跳動(dòng)器可以電連接一對相鄰的互連件。因此，結(jié)果，可以使失效的燃料電池與其余燃料電池隔離，而燃料電池疊層繼續(xù)以成本效益好而可靠的方式工作。
上面詳細(xì)描述了燃料電池疊層和燃料電池隔離裝置的示范實(shí)施例。無論是燃料電池疊層還是燃料電池隔離裝置都不限于此處描述的特定實(shí)施例，相反，每個(gè)疊層或裝置的部件均可與此處描述的其它部件分開地獨(dú)立使用。每個(gè)燃料電池疊層部件也能與其它燃料電池疊層部件組合使用。例如，在某些實(shí)施例中，疊層內(nèi)陽極和陰極的相對位置可以交換，而限定燃料流和氧化劑的相似通道也可交換，而限定燃料流和氧化劑的相似通道也可交換。此外，每個(gè)燃料電池隔離裝置也能與其它燃料電池隔離裝置和其它燃料電池疊層部件組合使用。
雖然已經(jīng)按照各個(gè)特定的實(shí)施例描述了本發(fā)明，但該業(yè)內(nèi)人士承認(rèn)可以在權(quán)利要求書的精神和范圍內(nèi)通過修改來實(shí)施本發(fā)明。
部件清單10 燃料電池疊層12 燃料電池14 內(nèi)連件16 頂部疊層板18 底部疊層板22 外表面24 內(nèi)室30 密封件32 密封的通道36 燃料入口歧管38 燃料出口歧管40 氧化劑或空氣入口歧管42 氧化劑或空氣出口歧管44 第一側(cè)面48 第二側(cè)面60 孔70 層72 陽極層74 電解質(zhì)層76 陰極層78 密封件80 氧化劑流動(dòng)區(qū)域100燃料電池隔離裝置102燃料電池110跳動(dòng)器112驅(qū)動(dòng)器114沿徑向的外表面116沿徑向的內(nèi)表面118上側(cè)壁120下側(cè)壁
122第二端壁L1長度D1距離124下表面126跳動(dòng)器128跳動(dòng)器130端部132端部138內(nèi)表面140外表面142細(xì)部180燃料電池隔離裝置182跳動(dòng)器184流動(dòng)通道190現(xiàn)成位置193隔離位置194絕緣層200燃料電池隔離裝置202跳動(dòng)器再加載系統(tǒng)204插入罩206閥210驅(qū)動(dòng)器孔212進(jìn)出孔214可以變化地安置的門250燃料電池隔離裝置252跳動(dòng)器定位系統(tǒng)260鍵槽裝置262鍵264支承壁266鍵槽268流體進(jìn)出孔
權(quán)利要求
1.一種燃料電池疊層裝置(10)，包括電聯(lián)接在一起的至少一個(gè)第一燃料電池(12)和一個(gè)第二燃料電池(102)，使得至少一個(gè)密封的通道(32)在所述第一和第二燃料電池之間延伸，每個(gè)所述燃料電池包括至少一個(gè)有一在第一端部和第二端部之間延伸的壁的空心歧管(40)，每個(gè)所述壁在其中限定一個(gè)室(24)，所述壁包括至少一個(gè)穿通其間的孔(60)，與所述室成流體連通；以及至少一個(gè)聯(lián)接成與每個(gè)所述燃料電池空心歧管成流體連通的燃料電池隔離裝置(100)，所述至少一個(gè)燃料電池隔離裝置在燃料電池疊層裝置工作期間能可變地定位，以便有選擇地阻止通經(jīng)至少一個(gè)所述燃料電池的流體。
2.一種根據(jù)權(quán)利要求1的燃料電池疊層裝置(10)，其特征在于，所述至少一個(gè)密封的通道(32)的至少一部分有一基本上圓形的截面輪廓，所述至少一個(gè)燃料電池隔離裝置(100)有一基本上半圓形的截面輪廓。
3.一種根據(jù)權(quán)利要求1的燃料電池疊層裝置(10)，還包括一個(gè)其形狀做成將燃料引導(dǎo)到所述第一燃料電池(12)和第二(102)燃料電池的燃料入口(36)與一個(gè)其形狀做成將燃料引離所述第一和第二燃料電池的燃料出口(38)，所述至少一個(gè)燃料電池隔離裝置安置在所述燃料入口和所述燃料出口的至少一個(gè)內(nèi)。
4.一種根據(jù)權(quán)利要求1的燃料電池疊層裝置(10)，其特征在于，相鄰的燃料電池(12)隔開一距離(D1)，所述至少一個(gè)燃料電池隔離裝置(100)有一比所述燃料電池間隔距離長的長度(L1)。
5.一種根據(jù)權(quán)利要求1的燃料電池疊層裝置(10)，其特征在于，至少一個(gè)互連件(14)在相鄰的燃料電池(12)之間延伸，所述至少一個(gè)燃料電池隔離裝置(100)的形狀做成將一對相鄰的互連件電聯(lián)接在一起。
6.一種根據(jù)權(quán)利要求1的燃料電池疊層裝置(10)，其特征在于，所述至少一個(gè)燃料電池隔離裝置(100)包括一個(gè)外表面(114)、至少一個(gè)絲篩(142)、一個(gè)金屬密封件，以及一個(gè)從所述外表面向外伸出的刷子。
7.一種根據(jù)權(quán)利要求1的燃料電池疊層裝置(10)，其特征在于，所述至少一個(gè)燃料電池隔離裝置(100)聯(lián)接在至少一個(gè)驅(qū)動(dòng)器(112)上，用于控制所述至少一個(gè)燃料電池隔離裝置的運(yùn)動(dòng)。
8.一種根據(jù)權(quán)利要求1的燃料電池疊層裝置(10)，其特征在于，每個(gè)所述燃料電池(12)還包括至少一個(gè)安置在至少一個(gè)所述歧管第一端部和所述歧管第二端部附近的鍵槽(266)，所述鍵槽便于安置所述至少一個(gè)燃料電池隔離裝置(100)。
9.一種根據(jù)權(quán)利要求1的燃料電池疊層裝置(10)，其特征在于，每個(gè)所述燃料電池(12)還包括至少一個(gè)可由驅(qū)動(dòng)器(112)移動(dòng)的預(yù)定位的燃料電池隔離裝置(100)。
10.一種根據(jù)權(quán)利要求1的燃料電池疊層裝置(10)，其特征在于，還包括一個(gè)燃料入口(36)、一個(gè)燃料出口(38)和至少一個(gè)閥(200)，所述燃料入口用于將燃料引至所述第一和第二燃料電池(12，102)，所述燃料出口用于將燃料引離所述第一和第二燃料電池，所述閥用于將燃料電池隔離裝置有選擇地安置在該至少一個(gè)密封通道內(nèi)，還包括用于將該至少一個(gè)燃料電池隔離裝置聯(lián)接在該至少一個(gè)密封通道內(nèi)從而能使在燃料電池疊層工作期間空氣流和燃料流中的至少一種有選擇地被阻止流到該第一和第二燃料電池中的至少一種上。
全文摘要
一種燃料電池疊層裝置，包括電聯(lián)接在一起的第一燃料電池和第二燃料電池，使得在第一和第二燃料電池之間延伸至少一個(gè)密封的通道。每個(gè)燃料電池包括至少一個(gè)空心的歧管，后者包括一個(gè)延伸在第一端部和第二端部之間的壁。每個(gè)壁中限定一個(gè)室，并包括至少一個(gè)延伸通過其間而與該室流體連通的孔。該燃燒電池疊層裝置也包括至少一個(gè)聯(lián)接成與每個(gè)燃料電池空心歧管成流體連通的燃料電池隔離裝置。該至少一個(gè)燃料電池隔離裝置在燃料電池疊層裝置工作期間能夠可以變化地安置，以便選擇地阻止通過至少一個(gè)燃料電池的液流。
文檔編號H01M8/02GK1599115SQ20041007980
公開日2005年3月23日 申請日期2004年9月20日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月18日
發(fā)明者R·S·布爾茹瓦 申請人:通用電氣公司