專利名稱：：熱機(jī)械穩(wěn)定的固體氧化物燃料電池裝置組合件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明總體上涉及燃料電池裝置，更具體地，涉及能夠最大程度地避免因熱機(jī)械應(yīng)力而導(dǎo)致的裝置故障的固體氧化物燃料電池裝置。
背景技術(shù)：
：近年來(lái)，固體氧化物燃料電池(SOFC)已成為廣泛研究的主題。借助燃料如氫氣和/或烴類在例如約70(TC至約IOO(TC的溫度下進(jìn)行的電化學(xué)氧化反應(yīng)，固體氧化物燃料電池將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。典型的SOFC包含帶負(fù)電的氧離子傳導(dǎo)電解質(zhì)，該電解質(zhì)夾在陰極層與陽(yáng)極層之間。分子氧在陰極發(fā)生還原反應(yīng)并進(jìn)入電解質(zhì)中，其中氧離子經(jīng)傳輸穿過(guò)電解質(zhì)，與例如氫在陽(yáng)極反應(yīng)，形成水。一些設(shè)計(jì)包括電極一電解質(zhì)結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)包含固體電解質(zhì)板，多個(gè)正電極和負(fù)電極結(jié)合在柔性無(wú)機(jī)電解質(zhì)薄板的相反兩側(cè)。因?yàn)镾OFC裝置運(yùn)行溫度高，且溫度的循環(huán)變化快速進(jìn)行，所以該裝置通常受到很大的熱機(jī)械應(yīng)力。這種應(yīng)力可導(dǎo)致該裝置組件變形，會(huì)對(duì)SOFC裝置的運(yùn)行穩(wěn)定性和壽命產(chǎn)生負(fù)面影響。通常將SOFC裝置的電解質(zhì)板密封到框架式支撐結(jié)構(gòu)上，其目的是將燃料與氣體氧化劑隔開(kāi)。SOFC裝置要經(jīng)受熱循環(huán)和較大熱梯度的影響，這種影響在電解質(zhì)板中引發(fā)熱應(yīng)力。此外，安裝好的電解質(zhì)板的膨脹速率不同于其框架的熱膨脹速率，這將導(dǎo)致電解質(zhì)板破裂。在一些情況下，熱機(jī)械應(yīng)力及其導(dǎo)致的變形可能集中在密封體與金屬框架之間的界面上，導(dǎo)致密封體、電解質(zhì)板和域SOFC裝置出現(xiàn)故障。若用薄的柔性陶瓷板作為SOFC裝置中的電解質(zhì)，則電解質(zhì)板本身過(guò)早故障的可能性更高。因溫度梯度和組件性質(zhì)(例如膨脹率和剛性)不匹配而發(fā)生的差異性氣壓及裝置、密封體與框架之間的相互作用，可能導(dǎo)致密封體和電解質(zhì)板靠近密封體的不受支撐區(qū)域的應(yīng)力增加。大電解質(zhì)板4特別容易發(fā)生因?yàn)椴僮鲬?yīng)力或瞬時(shí)應(yīng)力導(dǎo)致的破壞造成的電解質(zhì)板碎裂。美國(guó)專利公開(kāi)第2006/0003213號(hào)描述了SOFC裝置的電解質(zhì)板與應(yīng)力相關(guān)的破裂問(wèn)題，并披露了一種圖案化電解質(zhì)板，用于補(bǔ)償環(huán)境因素引起的應(yīng)變，并增加裝置抗故障的能力。美國(guó)專利公開(kāi)第2003/0215689號(hào)和第2003/0224238號(hào)描述了一種金屬泡沫密封體和一種高溫氈質(zhì)密封材料，它們可用來(lái)解決電解質(zhì)、密封體與框架的結(jié)合區(qū)內(nèi)的應(yīng)變積累問(wèn)題。然而，替代性的和/或附加性的熱應(yīng)力最小化方法也可用作緩解問(wèn)題的方案，克服燃料電池裝置的熱機(jī)械故障問(wèn)題。因此，需要解決固體氧化物燃料電池密封體與電解質(zhì)板的熱機(jī)械完整性問(wèn)題，還要解決與固體氧化物燃料電池以及制造和運(yùn)行固體氧化物燃料電池相關(guān)聯(lián)的其他缺陷。本發(fā)明的制品、裝置和方法滿足了這些需要和其他需要。
發(fā)明內(nèi)容根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，一種燃料電池裝置組件包含(1)包含至少一個(gè)燃料電池裝置的固體氧化物燃料電池裝置，所述燃料電池包含一個(gè)夾在至少一對(duì)電極之間的電解質(zhì)板；以及(2)牢固連接到所述一個(gè)燃料電池裝置上的非鋼制框架，它們之間不存在密封體。根據(jù)本發(fā)明另一方面，一種生產(chǎn)燃料電池裝置組件的方法包括(1)生產(chǎn)包含電解質(zhì)板的燃料電池裝置；(2)用玻璃、玻璃一陶瓷或陶瓷基材料對(duì)所述裝置表面進(jìn)行圖案化處理，從而形成圖案化裝置；(3)燒結(jié)所述圖案化裝置，從而由所述玻璃、玻璃一陶瓷或陶瓷基材料形成一框架。本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點(diǎn)將在下面的詳細(xì)描述中給出，其中一部分在本領(lǐng)域的技術(shù)人員閱讀該描述之后將變得顯而易見(jiàn)，或者在他們?nèi)绫疚乃?，包括按照以下詳?xì)描述、權(quán)利要求書(shū)以及附圖實(shí)施本發(fā)明之后，將被認(rèn)識(shí)到。應(yīng)當(dāng)理解，前面的概述和下面對(duì)本發(fā)明實(shí)施方式的詳述都意在提供一個(gè)概覽或框架，用于理解要求專利權(quán)的本發(fā)明的性質(zhì)和特點(diǎn)。附圖用于進(jìn)一步理解本發(fā)明，它們包括在本說(shuō)明書(shū)中并構(gòu)成其一部分。附圖顯示了本發(fā)明的各種實(shí)施方式，它們與文字描述一起用于解釋本發(fā)明的原理和操作方式。圖1A是本發(fā)明的示例性實(shí)施方式的(平面)截面示意圖。圖1B是圖1A所示燃料電池裝置組合件的截面示意圖。圖1C是圖1A和1B所示燃料電池裝置組合件的截面立體示意圖。圖2是圖1A—1C所示燃料電池裝置組合件中所用固體氧化物燃料電池(SOFC)裝置的截面圖。圖3A是固體氧化物燃料電池裝置組合件的另一實(shí)施方式的截面(平面)示意圖。圖3B是兩塊用燒結(jié)料(frit)圖案化的圓角矩形電解質(zhì)板的示意圖，它們配在一起形成圖3A所示固體氧化物燃料電池裝置組件的進(jìn)料管。圖3C是圖3A所示固體氧化物燃料電池裝置組合件的側(cè)視示意圖。圖4是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式中又一個(gè)固體氧化物燃料電池裝置組合件的俯視(平面)圖。具體實(shí)施例方式本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點(diǎn)將在下面的詳細(xì)描述中給出，它們?cè)诒绢I(lǐng)域的技術(shù)人員閱讀該描述之后將變得顯而易見(jiàn)，或者在他們?nèi)缫韵旅枋鲆约皺?quán)利要求書(shū)和附圖實(shí)施本發(fā)明之后，將被認(rèn)識(shí)到。在燃料電池運(yùn)行期間，典型的固體氧化物燃料電池系統(tǒng)中的燃料電池裝置、密封體和框架可能處于約60(TC至約100(TC的運(yùn)行溫度。此外，在例如啟動(dòng)和關(guān)閉循環(huán)過(guò)程時(shí)，這些部件可能要經(jīng)歷快速溫度循環(huán)變化。這些部件受到的熱機(jī)械應(yīng)力可能導(dǎo)致所述部件或整個(gè)燃料電池裝置變形、破裂和/或故障。本發(fā)明提供了幾種途徑來(lái)最大程度地減小燃料電池裝置和燃料電池裝置組合件中發(fā)生的變形、破裂和/或故障。這些途徑可以單獨(dú)使用或者在合適的時(shí)候組合使用，本發(fā)明不想局限于任何單一實(shí)施方式。本文所述所有實(shí)施方式都意在描述包含電解質(zhì)、電極和框架的實(shí)施方式。若燃料電池運(yùn)行所需的元件未經(jīng)特別引述，則包括和不包括該元件的實(shí)施方式均應(yīng)視為本發(fā)明的一部分。下面將詳細(xì)參照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，其示例示于附圖中。只要有可能，所有附圖中所用相同的附圖標(biāo)記表示相同或相似的部件。根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方式，固體氧化物燃料電池組件包含(1)至少一個(gè)固體氧化物燃料電池(SOFC)裝置，該裝置包含夾在至少一對(duì)電極之間的電解質(zhì)；以及(2)牢固連接到所述至少一個(gè)燃料電池裝置上的非鋼制框架，它們之間不存在另外的密封體。較佳的是，該框架由玻璃、玻璃一陶瓷或陶瓷材料制成，并直接結(jié)合到固體氧化物燃料電池(SOFC)裝置上。根據(jù)本文所述的本發(fā)明的實(shí)施方式，燃料電池組合件包括至少兩塊電解質(zhì)板，其中至少一塊對(duì)應(yīng)于燃料電池裝置。根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方式，按照預(yù)定圖案將玻璃或玻璃一陶瓷燒結(jié)料施加在一個(gè)或多個(gè)燃料電池裝置的表面上，以制造SOFC封套。這種燒結(jié)料可利用任何常規(guī)方法施加，如模壓工藝或本說(shuō)明書(shū)后文所述機(jī)器人糊料沉積法(roboticpastedeposition)。本發(fā)明燃料電池裝置組合件的一個(gè)實(shí)施方式示于圖1A—1C，在所有附圖中總地用附圖標(biāo)記IO表示。圖1A—1C所示燃料電池裝置組合件IO包括至少一個(gè)連接到框架50上的燃料電池裝置15。燃料電池裝置組合件10包括至少一個(gè)反應(yīng)室80，該反應(yīng)室至少部分地由燃料電池裝置15和框架50形成。彼此之間連接和/或與框架連接的多個(gè)燃料電池裝置15(例如多電池裝置)也可形成一個(gè)或多個(gè)反應(yīng)物室。例如，圖1A—1C中兩個(gè)燃料電池裝置15直接結(jié)合或熔合到印刷在至少一個(gè)燃料電池裝置15上的框架50上，形成反應(yīng)物室(例如陽(yáng)極或燃料室80)?？蚣?0也用作不漏氣(氣密性)的密封體，可由例如可加熱燒結(jié)的常規(guī)玻璃一陶瓷密封組合物制成。燃料電池裝置組件10重量輕，例如輕于100克，優(yōu)選輕于50克，在一些實(shí)施方式中輕于30克。在一些實(shí)施方式中，燃料電池裝置組合件重20—25克。燃料電池裝置15(見(jiàn)圖2)包含夾在至少一個(gè)陽(yáng)極30和至少一個(gè)陰極40之間的陶瓷電解質(zhì)板20。陽(yáng)極與陰極通過(guò)傳導(dǎo)性通孔互連件(viainterconnect)35實(shí)現(xiàn)電連接，所述互連件延伸通過(guò)電解質(zhì)板20中的通孔。陶瓷電解質(zhì)板20可包含任何適用于固體氧化物燃料電池的離子傳導(dǎo)材料。更具體地，通孔互連件35橫貫電解質(zhì)板20，從電解質(zhì)板內(nèi)側(cè)或燃料側(cè)上每個(gè)陽(yáng)極30的延伸邊緣到達(dá)電解質(zhì)板空氣側(cè)次序中的下一個(gè)陽(yáng)極的延伸邊緣，圖2最好地展示了這一點(diǎn)。圖2所示燃料電池裝置15的實(shí)施方式包含(1)至少一個(gè)電解質(zhì)板20;(2)位于所述電解質(zhì)板20—側(cè)的多個(gè)陰極40;(3)位于所述電解質(zhì)板另一7側(cè)的多個(gè)陽(yáng)極30。例如，圖1A—1C所示燃料電池裝置組合件包含連接到框架50上的兩個(gè)燃料電池裝置15，其中每個(gè)裝置15包含支撐多個(gè)陰極和陽(yáng)極的電解質(zhì)板。電解質(zhì)板結(jié)合或熔合到框架50上，并其取向使反應(yīng)物能夠流過(guò)框架并從電解質(zhì)板之間流過(guò)，從而要么(1)第一電解質(zhì)板上的陽(yáng)極面向第二電解質(zhì)板上的陽(yáng)極(形成陽(yáng)極室80)，要么(2)第一電解質(zhì)板上的陰極面向第二電解質(zhì)板上的陰極(形成陰極室80')。較佳的是，燃料電池裝置的厚度(即電解質(zhì)與電極的合并厚度)小于150微米，兩個(gè)裝置之間的間隔(即框架厚度)小于3毫米，優(yōu)選在約1毫米與2毫米之間。電極30、40可包含任何適合促進(jìn)固體氧化物燃料電池反應(yīng)的材料，例如銀/鈀合金。陽(yáng)極和陰極可包含不同或類似的材料，材料或設(shè)計(jì)不受限制。陽(yáng)極和/或陰極可形成任何幾何圖案，只要適用于固體氧化物燃料電池即可。電極可以是位于陶瓷電解質(zhì)表面上并與之平行的涂層或平面材料。電極也可按一定圖案設(shè)置，并包含多個(gè)獨(dú)立電極。例如，陽(yáng)極可以是電解質(zhì)一側(cè)上的單個(gè)連續(xù)涂層，或者是多個(gè)獨(dú)立元件，如條帶(strip)，按一定圖案或陣列設(shè)置。陽(yáng)極30可包含例如氧化釔、氧化鋯、鎳或它們的組合。也可采用其他許多電子和離子導(dǎo)體，以及電子與離子的混合導(dǎo)體。它們可以是例如沒(méi)食子酸鑭，單獨(dú)或組合摻有氧化鈰或其他稀土的氧化鋯，以及銅、鐵、鈷和錳。一種示例性陽(yáng)極可包含一種金屬陶瓷，該金屬陶瓷包含鎳和電解質(zhì)材料，例如摻有氧化釔的氧化鋯。陰極40可包含例如氧化釔、氧化鋯、錳酸鹽、鈷酸鹽、鉍酸鹽或它們的組合。示例性陰極材料可包含氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯、錳酸鑭鍶及它們的組合。電解質(zhì)20可包含多晶陶瓷如氧化鋯、氧化釔、氧化鈧、氧化鈰或它們的組合，還可任選地?fù)诫s至少一種選自下組元素的氧化物的摻雜劑Y、Hf、Ce、Ca、Mg、Sc、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、In、Ti、Sn、Nb、Ta、Mo、W、或它們的混合物。電極20還可包含其他填充劑和/或加工助劑。圖2所示的示例性電解質(zhì)20是一個(gè)平板，由摻雜氧化釔的氧化鋯組成，也稱作氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯(YSZ)。固體氧化物燃料電池的電解質(zhì)材料可從市場(chǎng)上購(gòu)得[美國(guó)紐約州盆巖市費(fèi)羅公司(FerroCorporation,PennYan,NewYork,USA)]，本領(lǐng)域的技術(shù)人員不難選擇合適的陶瓷電解質(zhì)材料。電解質(zhì)20連接到框架50上(見(jiàn)圖1A—1C)，在此實(shí)施方式中框架由合適的"密封材料"形成。因此，本發(fā)明的這些實(shí)施方式的優(yōu)點(diǎn)之一是不需要用密封體將燃料電池裝置附連到框架上，因?yàn)榇颂幱欣貙⒚芊獠牧嫌米髁丝蚣懿牧?。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是燃料電池裝置組合件10較薄，因?yàn)椴恍枰煤裰氐慕饘倏蚣苤稳剂想姵匮b置。最后，還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是框架和電解質(zhì)現(xiàn)在可以具有非常相近的熱膨脹系數(shù)(CTE)，因而得到了熱機(jī)械穩(wěn)定性非常高的SOFC組合件，在熱循環(huán)過(guò)程中，不會(huì)因金屬框架與電解質(zhì)的CTE不匹配而在密封體/裝置和/或密封體/框架界面處發(fā)生脫層和破裂。在這些實(shí)施方式中，框架50直接結(jié)合到燃料電池裝置15上。例如，框架50，可模壓、沉積、擠壓、"涂抹"或"印刷"到電極20上，且可包含玻璃陶瓷組合物、陶瓷組合物、玻璃燒結(jié)料組合物或玻璃組合物。較佳的是，沉積材料管50'的厚度小于3毫米，寬度小于3毫米；優(yōu)選厚度小于2毫米，寬度小于2毫米。通過(guò)直接將框架材料熔合到電解質(zhì)板20上，將框架材料50，熔合到一個(gè)或兩個(gè)燃料電池裝置15上。包含玻璃或玻璃—陶瓷燒結(jié)料的框架材料50'可進(jìn)一步包含陶瓷材料和/或熱膨脹系數(shù)匹配的填充劑。由包含玻璃燒結(jié)料或陶瓷材料或另一種合適"密封"材料的材料50'形成的框架50，不會(huì)受到形成氧化鉻垢皮(chromiascale)的困擾，而鐵素體不銹鋼燃料電池部件(例如不銹鋼框架)通常會(huì)形成這種垢皮?？蚣?0起密封體的作用，因此，燃料電池裝置組合件10的框架與燃料電池裝置之間不需要另加密封體。也就是說(shuō)，密封材料50'燒結(jié)后形成框架50。較佳的是，為了使框架50與電解質(zhì)板20的膨脹程度相當(dāng)，框架50的CTE要接近于電解質(zhì)板20的CTE。若電解質(zhì)板20由部分穩(wěn)定化的氧化鋯(例如3YSZ)制成，則較佳的是，框架50的CTE(CTE=AL/LAT)約為9—13卯m/。C，優(yōu)選10—12ppmTC。例如，氧化鎂(MgO)—尖晶石(MgAl204)體系內(nèi)的陶瓷組合物可實(shí)現(xiàn)這種CTE;或者，若框架材料也由3YSZ或另一種部分穩(wěn)定化的氧化鋯組合物制成，也可實(shí)現(xiàn)這種CTE。圖1A—1C還顯示，框架50可包含多個(gè)室，如一個(gè)或多個(gè)"餅干形"氣體膨脹室52A。這些室用于為陽(yáng)極和/或陰極提供所需的反應(yīng)物。分布室(如此實(shí)施方式中的氣體膨脹室52A)有助于均勻分布通過(guò)進(jìn)料口流入反應(yīng)物室的氣體，而出料室(exitchamber)52B為將廢燃料收集到最終出口提供了膨脹區(qū)域。楔形或"餅干"形氣體膨脹室增加了足夠的摩擦曳力，確保均勻流動(dòng)。圖1A—1C和3A所示框架50具有多個(gè)內(nèi)壁54A和外壁54B。(其中一些壁是可任選的，單一外周壁設(shè)計(jì)也可起作用。)這些壁可這樣形成，例如，(1)由電解質(zhì)板材(例如3YSZ)形成電解質(zhì)板并將其模壓到框架結(jié)構(gòu)上；或者(2)在至少一個(gè)燃料電池裝置15的電解質(zhì)板20上沉積一層(例如管狀薄層)合適的"密封劑材料"，在上面放置另一塊電解質(zhì)板20，然后對(duì)所得燃料電池裝置組合件進(jìn)行熱處理，將兩塊電解質(zhì)板20熔合到所得框架/密封體結(jié)構(gòu)50上。一些內(nèi)壁54A具有開(kāi)口55，以便燃料流入反應(yīng)物室并與陽(yáng)極接觸。在此實(shí)施方式中，燃料從端件(endpiece)或燃料進(jìn)管70進(jìn)入(見(jiàn)箭頭方向)，通過(guò)裝置15中的進(jìn)料口，然后通過(guò)氣體膨脹室52A，進(jìn)入由兩塊電解質(zhì)板形成的陽(yáng)極室80。然后，燃料流過(guò)第二組開(kāi)口55，進(jìn)入廢氣流室52B,然后經(jīng)由廢氣孔85排出。在此實(shí)施方式中，廢氣孔85位于框架上距離端件70(廢氣側(cè))最遠(yuǎn)的部分。圖3A—3C顯示了本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式。如此圖所示，框架50還可包含多個(gè)由外框壁54B和內(nèi)框壁54A形成的通道53，所述通道也可用作熱交換器，最大限度地減小燃料電池裝置15上的溫度梯度。因此，圖3A顯示，通過(guò)在框壁54A與54B之間提供流動(dòng)通道53，可以在框架50以內(nèi)形成內(nèi)部歧管裝置，用于為燃料電池組件10供應(yīng)反應(yīng)氣(燃料和/或空氣)。通道53提供了對(duì)進(jìn)入反應(yīng)物室80的反應(yīng)物進(jìn)氣進(jìn)行部分預(yù)熱的手段，有助于確保均勻加熱多電池一板裝置。燃料電池裝置組合件內(nèi)的反應(yīng)物(例如燃料)流動(dòng)方向如箭頭所示。燃料通過(guò)例如氣體分布端件70送入框架50，所述端件用框架形成材料50，密封到電解質(zhì)板20上，在電解質(zhì)板20的進(jìn)料口21周圍形成密封體(燒結(jié)料環(huán)21')。燃料從端件70、進(jìn)料口21進(jìn)入(見(jiàn)箭頭方向)，通過(guò)流動(dòng)室52A，到達(dá)由兩塊電解質(zhì)板形成的陽(yáng)極室80，進(jìn)入廢氣流通道52B，然后經(jīng)廢氣流室52B和廢氣流室53通過(guò)廢氣孔85排出。如圖3A所示，在印刷框架(printedframe)50中形成多個(gè)通道53或帶開(kāi)口55的室所產(chǎn)生的優(yōu)點(diǎn)是，反應(yīng)物流具有多個(gè)通道，同時(shí)減小了框架密度而增加了表面積，因?yàn)樗哂懈逴FA[敞開(kāi)前沿面積(openfrontalarea)]。術(shù)語(yǔ)"敞開(kāi)前沿面積"是指框架50的橫截面積中未填充固體材料(壁)的部分。較佳的是，OFA高于0.4;更佳的是，OFA高于0.5。因此，框架50的表觀密度較低(低于l，優(yōu)選低于0.5)。"表觀"或有效框架密度是相對(duì)于框架完全由實(shí)心材料制成時(shí)的密度而言的。因?yàn)橛∷⒖蚣?0采用彼此隔開(kāi)的薄外壁和內(nèi)壁，所以框架較輕且導(dǎo)熱。因此，這種類型的框架有利于氣體的良性流動(dòng)以及輸入燃料與廢燃料之間的熱交換。如上所述，框架50可由玻璃一陶瓷材料50'制成。下表1給出了玻璃一陶瓷燒結(jié)材料50'的兩種示例性組成。<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>框架50可由材料50'，如玻璃、玻璃陶瓷、陶瓷材料或它們的組合制成，包括任選的金屬或陶瓷填充劑，其中所得材料或所得材料50'的復(fù)合物可以在低于約100(TC的溫度下燒結(jié)為氣密性結(jié)構(gòu)。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，本發(fā)明生產(chǎn)燃料電池裝置組合件的方法包括以下步驟(1)生產(chǎn)燃料電池裝置；(2)用"密封劑材料"(例如玻璃燒結(jié)料、玻璃一陶瓷燒結(jié)料或陶瓷材料)對(duì)此裝置進(jìn)行圖案化處理，在圖案化裝置上覆蓋電解質(zhì)；(3)燒結(jié)該圖案化裝置，從而形成燃料電池裝置組合件，使燃料電池裝置和電解質(zhì)板直接附連到燒結(jié)的密封劑材料上，燒結(jié)的密封件材料上再不結(jié)合其他任何部件。較佳的是，其中的這個(gè)電解質(zhì)板是另一個(gè)固體氧化物燃料電池裝置的電解質(zhì)板，這樣，至少兩個(gè)燃料電池裝置通過(guò)密封劑材料彼此結(jié)合，而在它們之間沒(méi)有金屬框架。需要指出，兩個(gè)燃料電池裝置可用"密封劑材料"進(jìn)行圖案化處理，然后將它們疊置起來(lái)，這樣，一個(gè)裝置的密封劑材料就面對(duì)另一個(gè)裝置的密封劑材料。由"密封劑材料"形成的兩個(gè)圖案可彼此接觸。實(shí)施例1此實(shí)施例展示了一種燃料電池裝置組件，它采用的是超低熱質(zhì)燒結(jié)料成框的裝置。該燃料電池裝置組合件包含連接在燃料電池裝置之一上的超低熱質(zhì)氣體進(jìn)料管。燒結(jié)料成框的封套(packet)從"超大尺寸"的14厘米x17厘米電解質(zhì)板20開(kāi)始，制造一個(gè)具有10塊電池的SOFC裝置15，其印刷電極/母線區(qū)域是9厘米xll厘米。燒結(jié)的起始電解質(zhì)板20包含完全致密的3YSZ陶瓷，其厚約20微米，具有機(jī)械柔性。燒結(jié)的3YSZ電解質(zhì)板20支撐著10對(duì)陽(yáng)極30和陰極40。其他電解質(zhì)板組合物(例如8YSZ)也可采用。超大尺寸的電解質(zhì)包含適合用燒結(jié)料圖案化的邊界區(qū)域20A，該區(qū)域?qū)⑻峁┪锢碇魏推绻苎b置功能，至少寬例如l厘米。邊界的示例性厚度是1—5厘米，優(yōu)選2—4厘米。超大尺寸的印刷SOFC裝置15安裝在例如標(biāo)準(zhǔn)機(jī)器人糊料沉積系統(tǒng)上，按照?qǐng)D3A所示圖案，將合適的燒結(jié)料50'施加在裝置15的陽(yáng)極側(cè)。術(shù)語(yǔ)"合適的"燒結(jié)料是指適當(dāng)?shù)臒崤蛎浵禂?shù)和收縮性質(zhì)，這些性質(zhì)使最終的燃料電池裝置組合件具有良好的機(jī)械性質(zhì)。在具有類似幾何形狀的第二燃料電池裝置15上施加類似的(玻璃燒結(jié)料的)糊料圖案，同樣在陽(yáng)極側(cè)。兩個(gè)燃料電池裝置15均加以干燥，以除去燒結(jié)料50'內(nèi)所含的溶劑，但保留粘接劑，這樣，干燒結(jié)糊料的生強(qiáng)度足以使其避免在操作中散裂。保留粘接劑的典型含量是1體積％—5體積％。干燥之后，將燃料電池裝置15對(duì)齊并配合到一起，使兩個(gè)相匹配的燒結(jié)料圖案接觸——燒結(jié)料對(duì)燒結(jié)料。在對(duì)齊的燃料電池裝置15頂部增加任選的重物，以確保均勻接觸。煅燒配對(duì)燃料裝置，將燒結(jié)料50'燒結(jié)到接近其最大密度。煅燒之后，利用激光在燃料電池裝置組件10—側(cè)切割一個(gè)開(kāi)口(進(jìn)料口)21，形成燃料入口，如圖3A所示。注意，用燒結(jié)料對(duì)燃料電池裝置進(jìn)行圖案化處理，在進(jìn)料側(cè)和/或排氣側(cè)對(duì)氣體加以限制，使氣體均勻分布。在內(nèi)外壁54A和54B之間形成的通道使廢氣發(fā)生回轉(zhuǎn)，因而貧化燃料(depletedfuel)在燃料電池裝置組件10的"進(jìn)料邊緣"排出。燒結(jié)料50'可繞進(jìn)料開(kāi)口沉積成"漏斗形"圖案，形成曲壁，這使來(lái)自氣體進(jìn)料管70的氣體均勻分布。在此實(shí)施例中，進(jìn)料開(kāi)口(進(jìn)料口21)周圍的裝置進(jìn)料密封環(huán)21'(即沉積材料50')是內(nèi)徑約為1厘米、寬約l一2mm的燒結(jié)料環(huán)。12標(biāo)準(zhǔn)機(jī)器人糊料沉積系統(tǒng)可以是例如Asymtek自動(dòng)分配系統(tǒng)，它包含由計(jì)算機(jī)控制的、可在X、Y和Z方向運(yùn)動(dòng)的分配器。該分配器包含高壓裝料桶和用于計(jì)量遞送固體、泡沫體或液體的定制噴嘴/針。進(jìn)氣管為了向上述實(shí)施例中所述燃料電池裝置組件供應(yīng)氣體，將進(jìn)氣管70安裝在燃料電池裝置組件上。在此實(shí)施例中，形成上述裝置時(shí)所用的20微米厚3YSZ電解質(zhì)材料同樣用來(lái)形成進(jìn)料管70。首先，參見(jiàn)圖3B，將材料50'(燒結(jié)料)沿周邊施加在20厘米長(zhǎng)和3厘米寬的圓角燒結(jié)矩形3YSZ箔上，也是以與裝置的進(jìn)料燒結(jié)料環(huán)(內(nèi)徑為1厘米的密封環(huán)21')具有相同尺寸的圓形圖案21"。在相同的第二個(gè)矩形體上重復(fù)上述過(guò)程。對(duì)這兩個(gè)矩形體均加以干燥，以除去溶劑但保留粘接劑。材料50，用實(shí)例1(表l)中的玻璃陶瓷燒結(jié)料制成。將這兩個(gè)構(gòu)件配合起來(lái)，使燒結(jié)料周邊相對(duì)，然后在重物加壓的情況下煅燒，使它們?cè)跓Y(jié)過(guò)程中接觸良好，由此制得密封玻璃燒結(jié)料夾心結(jié)構(gòu)或"管"70(見(jiàn)圖3C)。煅燒之后，在管70—側(cè)用激光切割出一個(gè)開(kāi)口。例如，在經(jīng)煅燒的燒結(jié)料環(huán)內(nèi)側(cè)的頂部電解質(zhì)板20中切割出一個(gè)開(kāi)口70A，同時(shí)在燒結(jié)料環(huán)21"內(nèi)側(cè)的第二塊電解質(zhì)板20中切割出另一個(gè)開(kāi)口70B，分別提供氣體進(jìn)口(頂部開(kāi)口70A)和為燃料電池組件10供料(底部開(kāi)口70B)。制成之后，通過(guò)在燃料電池裝置進(jìn)料環(huán)21，周圍施加燒結(jié)料配合環(huán)，將進(jìn)料管70連接到燃料電池裝置組件10上，然后干燥、稱重并煅燒最終組合件。若頂部區(qū)域在操作中保持接近環(huán)境溫度，可用常規(guī)材料如聚合物將進(jìn)料管頂部進(jìn)口連接到常規(guī)管道上。任選地，進(jìn)氣管可插在兩個(gè)燃料電池裝置15之間，然后燒結(jié)材料50'，從而形成連接到燃料電池裝置15和進(jìn)氣管上的框架(也起密封體的作用)?？蓪⑦M(jìn)氣管例如壓入第一燃料電池裝置15的沉積材料50，中，然后將第二裝置或電解質(zhì)板放置(和任選壓入)在第一燃料電池裝置15上，使材料50'包圍進(jìn)氣管，然后燒結(jié)所得組合件，將兩個(gè)燃料裝置(或一個(gè)裝置和電解質(zhì)板)和進(jìn)氣管結(jié)合到一個(gè)所得框架50上，并使它們彼此結(jié)合，形成最終的燃料電池裝置組合件10。需要指出，可將圖案化的燒結(jié)料僅施加到一個(gè)燃料電池裝置15上，而第二個(gè)未圖案化(含材料50，)的裝置15，或者僅僅是另一塊電解質(zhì)板20，可以放到第一燃料電池裝置頂部，然后燒結(jié)。燒結(jié)過(guò)程將兩個(gè)裝置(或者一個(gè)裝置和一塊電解質(zhì)板)彼此連接起來(lái)，并與位于它們之間的框架(由密封劑材料50'制成)連接。實(shí)施例2根據(jù)此實(shí)施例制造的一個(gè)實(shí)際燒結(jié)成框封套的例子示于圖4。圖4所示燃料電池裝置組合件類似于圖3所示組合件，但使用的是一個(gè)(而不是兩個(gè))燃料電池裝置15和一塊電解質(zhì)板20。用燒結(jié)料50'將燃料電池裝置15和一塊電解質(zhì)板20彼此附連起來(lái)。本發(fā)明的此實(shí)施例中所用燒結(jié)料50，是80%的實(shí)例1中玻璃一陶瓷(表1)加20%的氧化鎂的膨脹匹配(與電解質(zhì))燒結(jié)料混合物，加入氧化鎂是為了抑制燒結(jié)收縮和增加CTE。如以上實(shí)施例所示，此實(shí)施方式具有幾個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)1)在本發(fā)明的實(shí)施方式中，所制造的低熱質(zhì)燃料電池裝置組件具有燒結(jié)料框架，以及由圖案化燒結(jié)料氣體通道構(gòu)成的內(nèi)部歧管功能部。在本發(fā)明的實(shí)施方式中，密封體/框架50的熱質(zhì)和導(dǎo)電性接近于電解質(zhì)20的熱質(zhì)和導(dǎo)電性，從而減小了加熱或冷卻期間的瞬時(shí)應(yīng)力。2)示例性燒結(jié)料組合物具有與燃料電池裝置匹配的合適熱膨脹性，并具有受控的燒結(jié)收縮率。合適的燒結(jié)料的一個(gè)例子是改性環(huán)硅酸鹽燒結(jié)料——80體積％的實(shí)例1中玻璃陶瓷(見(jiàn)上表l)與20%的氧化鎂的混合物，加入氧化鎂是為了增加CTE和減小燒結(jié)收縮率。其他適合用作框架材料50，的環(huán)硅酸鹽組合物見(jiàn)述于2006年4月11日提交的美國(guó)專利申請(qǐng)案11/402761，其內(nèi)容通過(guò)參考并入本文。3)所披露的實(shí)施方式中的進(jìn)氣管與用燒結(jié)料成框的燃料電池裝置組合件10配合/附連。然而，可采用不同的進(jìn)氣設(shè)計(jì)方法和材料。4)所得框架50不會(huì)形成氧化鉻垢皮，而固體氧化物燃料電池組件的鐵素體鋼框架通常會(huì)形成。5)燃料電池裝置重量輕，其重量?jī)?yōu)選輕于100克，更優(yōu)選輕于50克，更優(yōu)選輕于30克。本領(lǐng)域的技術(shù)人員不難理解，在不背離本發(fā)明的精神和范圍的前提下，可對(duì)本發(fā)明作出各種改進(jìn)和變化。因此，本發(fā)明意在涵蓋本發(fā)明的各種改進(jìn)和變化形式，只要它們落在所附權(quán)利要求書(shū)及其等價(jià)要求的范圍之內(nèi)。權(quán)利要求1.一種固體氧化物燃料電池裝置組合件，其包含(1)至少一個(gè)固體氧化物燃料電池裝置，它包含一塊夾在至少一對(duì)電極之間的電解質(zhì)板；以及(2)牢固連接到所述至少一個(gè)燃料電池裝置上的非鋼制框架，它們之間不存在密封體。2.如權(quán)利要求1所述的固體氧化物燃料電池裝置組合件，其特征在于所述框架由玻璃、陶瓷或玻璃一陶瓷材料制成，并燒結(jié)或粘合到所述燃料電池上。3.如權(quán)利要求2所述固體氧化物燃料電池裝置組合件，其特征在于所述框架是氣密性密封體。4.如權(quán)利要求2所述的固體氧化物燃料電池裝置組合件，其特征在于所述組合件包含兩個(gè)由所述框架隔開(kāi)的燃料電池裝置。5.如權(quán)利要求4所述的固體氧化物燃料電池裝置組合件，其特征在于所述電解質(zhì)板的厚度小于40微米。6.如權(quán)利要求5所述的固體氧化物燃料電池裝置組合件，其特征在于所述電解質(zhì)板的厚度小于40微米，所述電解質(zhì)與所述至少一對(duì)電極的厚度小于150微米，兩個(gè)裝置之間的間隔小于3毫米。7.如權(quán)利要求2所述的固體氧化物燃料電池裝置組合件，其特征在于所述電解質(zhì)板的厚度小于40微米，所述框架的壁厚小于約2毫米。8.如權(quán)利要求1所述固體氧化物燃料電池裝置組合件，還包含進(jìn)氣管，用于向所述燃料電池裝置提供反應(yīng)氣。9.如權(quán)利要求2所述非固體氧化物燃料電池裝置組合件，還包含由所述材料制成的歧管裝置。10.如權(quán)利要求l所述的固體氧化物燃料電池裝置組合件，其特征在于所述框架包含熱交換器。11.如權(quán)利要求IO所述的固體氧化物燃料電池裝置組合件，其特征在于所述框架是氣密性密封體。12.—種生產(chǎn)燃料電池裝置組合件的方法，其包括以下步驟(1)生產(chǎn)包含電解質(zhì)板的燃料電池裝置；(2)用玻璃、玻璃一陶瓷或陶瓷基材料對(duì)所述裝置表面進(jìn)行圖案化處理，從而形成圖案化裝置；(3)燒結(jié)所述圖案化裝置，從而由所述玻璃、玻璃一陶瓷或陶瓷基材料形成框架。13.如權(quán)利要求12所述的生產(chǎn)燃料電池裝置組合件的方法，其包括以下步驟(1)生產(chǎn)包含另一塊電解質(zhì)板的燃料電池裝置；(2)將所述燃料電池裝置之一置于另一個(gè)所述燃料電池裝置頂部，使圖案化區(qū)域彼此相對(duì)；(3)燒結(jié)所述諸燃料電池裝置，將圖案熔合到所述燃料電池裝置上，從而在所述燃料電池裝置之間形成框架。14.如權(quán)利要求12所述的生產(chǎn)燃料電池裝置組合件的方法，其還包括以下步驟(1)生產(chǎn)兩個(gè)燃料電池裝置，每一個(gè)包含一塊電解質(zhì)板；(2)用玻璃、玻璃一陶瓷或陶瓷基材料對(duì)所述諸裝置進(jìn)行圖案化處理；(3)將所述燃料電池裝置之一置于另一個(gè)所述燃料電池裝置頂部，使它們的圖案化表面彼此對(duì)齊；(4)燒結(jié)所述諸圖案化的裝置，從而由所述玻璃、玻璃一陶瓷或陶瓷基材料形成框架，并形成燃料電池裝置組合件。15.如權(quán)利要求12所述的生產(chǎn)燃料電池裝置組合件的方法，其包括以下步驟(1)生產(chǎn)另一塊燃料電池電解質(zhì)板；(2)將所述燃料電池裝置和所述電解質(zhì)板彼此靠近放置，使圖案化表面位于其間，因而圖案與所述另一塊燃料電池板接觸；(3)燒結(jié)所述諸燃料電池裝置，將圖案熔合到所述燃料電池裝置和所述另一塊燃料電池電解質(zhì)板上，在其間形成框架。16.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于進(jìn)料管連接到所述燃料電池裝置組合件上。17.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于所述圖案在所述框架內(nèi)形成至少一個(gè)室或通道。全文摘要一種固體氧化物燃料電池裝置組合件，其包含(1)至少一個(gè)固體氧化物燃料電池裝置，它包含一塊夾在至少一對(duì)電極之間的電解質(zhì)板；以及(2)牢固連接到所述至少一個(gè)燃料電池裝置上的非鋼制框架，它們之間不存在密封體。文檔編號(hào)H01M8/24GK101682045SQ200880015893公開(kāi)日2010年3月24日申請(qǐng)日期2008年5月16日優(yōu)先權(quán)日2007年5月16日發(fā)明者C·W·坦納,J·L·布朗,M·E·波丁申請(qǐng)人:康寧股份有限公司