燃料電池旁路二極管結(jié)構(gòu)和附接方法
燃料電池旁路二極管結(jié)構(gòu)和附接方法
【專利摘要】燃料電池系統(tǒng)包括燃料電池堆疊，所述燃料電池堆疊包括通過多個(gè)互連件串聯(lián)接觸的多個(gè)燃料電池。各種實(shí)施例提供用于使燃料電池堆疊與電旁路模塊在熱區(qū)內(nèi)耦接的系統(tǒng)和方法。所述旁路模塊可包括在燃料電池堆疊中的互連件之間傳導(dǎo)電流的元件，且因此繞過已變成寄生負(fù)載電阻的失效燃料電池。
【專利說明】燃料電池旁路二極管結(jié)構(gòu)和附接方法
[0001]相關(guān)申請案的交叉參考
[0002]本申請案主張2011年6月9日提交之美國臨時(shí)專利申請案第61/494，937號之優(yōu)先權(quán)，所述臨時(shí)專利申請案是以全文引用的方式并入本文中。
【技術(shù)領(lǐng)域】
【背景技術(shù)】
[0003]燃料電池是可高效率地將存儲在燃料中的能量轉(zhuǎn)化成電能的電化學(xué)裝置。高溫燃料電池包括固體氧化物和熔融碳酸鹽燃料電池。這些燃料電池可使用氫氣和/或烴燃料操作。存在各類燃料電池，諸如還允許可逆操作的固體氧化物可逆燃料電池，如此可將水或其它氧化燃料還原成使用電能作為輸入的未氧化燃料。
[0004]在高溫燃料電池系統(tǒng)(諸如固體氧化物燃料電池(SOFC)系統(tǒng))中，氧化流流經(jīng)燃料電池的陰極側(cè)，而燃料流流經(jīng)燃料電池的陽極側(cè)。氧化流典型地為空氣，而燃料流典型地為通過重整烴燃料源所形成的富氫氣體。在750°C與950°C之間的典型溫度下操作的燃料電池能夠使帶負(fù)電荷的氧離子從陰極流束傳送到陽極流束，其中所述離子與游離氫或與烴分子中的氫結(jié)合形成水蒸氣和/或與一氧化碳結(jié)合形成二氧化碳。帶負(fù)電離子的過量電子經(jīng)由陽極與陰極之間完成的電路返回到燃料電池的陰極側(cè)，從而產(chǎn)生流經(jīng)電路的電流。
[0005]燃料電池堆疊可在內(nèi)部或外部配備供燃料和空氣用的歧管。在內(nèi)部配備歧管的堆疊中，使用容納于所述堆疊內(nèi)的立管將燃料和空氣分配到每一電池。換句話說，氣體流經(jīng)每一燃料電池支撐層(諸如電解質(zhì)層)的開口或孔和每一電池的氣體分離器。在外部配備歧管的堆疊中，所述堆疊在燃料和空氣入口和出口側(cè)上是敞開的，且燃料和空氣是獨(dú)立于堆疊硬件而引入和收集的。舉例來說，入口和出口燃料和空氣在堆疊與歧管外殼(所述堆疊位于其中)之間的單獨(dú)通道中流動。
[0006]燃料電池堆疊常由許多呈平面元件、管或其它幾何結(jié)構(gòu)形式的電池構(gòu)建而成。必須將燃料和空氣提供到電化學(xué)活性表面，所述電化學(xué)活性表面可以是大型的。燃料電池堆疊的一個(gè)組件為所謂的氣流分離器(在平面堆疊中稱為氣流分離板)，其分離所述堆疊中的個(gè)別電池。氣流分離板將流向堆疊中一個(gè)電池的燃料電極(即陽極)的燃料(諸如氫氣或烴燃料)與流向堆疊中相鄰電池的空氣電極(即陰極)的氧化劑(諸如空氣)分離。氣流分離板還常用作將一個(gè)電池的燃料電極電連接到相鄰電池的空氣電極的互連件。在此情況下，充當(dāng)互連件的氣流分離板由導(dǎo)電材料制成或含有導(dǎo)電材料。
[0007]當(dāng)燃料電池失效時(shí)，其電阻變大。就SOFC堆疊來說，可繼續(xù)所述堆疊的操作，但是由失效電池所形成的跨電阻接口的電壓降愈加消耗所述堆疊的電壓。旁路二極管已被用于燃料電池系統(tǒng)使電流繞過損壞的燃料電池，但是這些二極管已被安置在燃料電池塊或熱區(qū)夕卜。確切地說，為避免二極管的化學(xué)降解和熱降解，所述二極管已被定位于所述系統(tǒng)在大于約600°C的溫度下操作的熱箱部分外?？缃泳€已被用于將燃料電池連接到位于燃料電池塊外的二極管。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0008]各種實(shí)施例提供燃料電池系統(tǒng)，包括在熱區(qū)中的燃料電池堆疊，所述燃料電池堆疊包括多個(gè)燃料電池和多個(gè)互連板；和包括多個(gè)旁路裝置的模塊，所述模塊附接到所述燃料電池堆疊且位于所述熱區(qū)中。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0009]并入本文且構(gòu)成部分本說明書的【專利附圖】
【附圖說明】本發(fā)明的示范性實(shí)施例，且連同上文給出的
【發(fā)明內(nèi)容】
和下文給出的【具體實(shí)施方式】一起用以闡釋本發(fā)明的特征。
[0010]圖1A和IB為燃料電池堆疊和旁路模塊的結(jié)構(gòu)側(cè)視圖。
[0011]圖2A為具有突起的燃料電池堆疊的結(jié)構(gòu)圖。
[0012]圖2B為塑形成具有凹口的旁路模塊的結(jié)構(gòu)圖。
[0013]圖2C為圖2B的旁路模塊附接到圖2A的燃料電池堆疊的結(jié)構(gòu)圖。
[0014]圖2D為替代旁路模塊附接到圖2A的燃料電池堆疊的結(jié)構(gòu)圖。
[0015]圖3A為根據(jù)一個(gè)替代實(shí)施例具有突起的燃料電池堆疊的結(jié)構(gòu)圖。
[0016]圖3B為根據(jù)一個(gè)替代實(shí)施例塑形成具有凹口的旁路模塊的結(jié)構(gòu)圖。
[0017]圖3C為圖3B的旁路模塊附接到圖3A的燃料電池堆疊的結(jié)構(gòu)圖。
[0018]圖3D為替代旁路模塊附接到圖3A的燃料電池堆疊的結(jié)構(gòu)圖。
[0019]圖4A為具有突起的旁路模塊附接到具有凹口的燃料電池堆疊的結(jié)構(gòu)圖。
[0020]圖4B、4C和4D為具有開口的替代旁路模塊附接到具有突起的燃料電池堆疊的結(jié)構(gòu)圖。
[0021]圖5為旁路模塊與互連件的彈簧連接的示意圖。
[0022]圖6為根據(jù)一個(gè)替代實(shí)施例的燃料電池堆疊和具有傳感器的旁路模塊的結(jié)構(gòu)側(cè)視圖。
[0023]圖7為根據(jù)另一個(gè)替代實(shí)施例的燃料電池堆疊和具有替代傳感器的旁路模塊的結(jié)構(gòu)側(cè)視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]將參看附圖詳細(xì)描述各種實(shí)施例。只要可能，將在整個(gè)圖式中使用相同的參考標(biāo)號來指代相同或相似的部分。對具體實(shí)例和實(shí)施方案做出的參考是出于說明性目的，且不希望限制本發(fā)明或權(quán)利要求書的范圍。
[0025]各種實(shí)施例提供用于使燃料電池堆疊與單獨(dú)的旁路模塊在熱區(qū)內(nèi)耦接的系統(tǒng)和方法。旁路模塊可包括在燃料電池堆疊中的互連件之間傳導(dǎo)電流的旁路元件，且因此繞過已變成寄生負(fù)載電阻的失效燃料電池。
[0026]使用旁路模塊享有優(yōu)于其它旁路方法的幾種優(yōu)勢。旁路模塊允許囊封燃料電池堆疊外的旁路元件且不干擾燃料電池堆疊組裝過程。在燃料電池堆疊外制造的旁路模塊在外部進(jìn)行測試以在使用或整合前確保功能正常。另外，含有半導(dǎo)體旁路二極管的旁路模塊可在它們可能需要的干凈室內(nèi)條件中加以制造，不需要將所述要求強(qiáng)加于堆疊本身。同樣，可通過換出不同旁路模塊來控制和改變系統(tǒng)中旁路元件的任何閾值電壓或擊穿電壓。[0027]如本文中所用，術(shù)語“燃料電池堆疊”意指通過多個(gè)互連板以串聯(lián)方式連接的多個(gè)堆疊燃料電池。舉例來說，圖1A包括燃料電池堆疊100，其中燃料電池102通過互連件104以串聯(lián)方式連接。雖然圖1中的燃料電池堆疊為垂直定向，但是燃料電池堆疊可以水平或任何其它方向定向。
[0028]燃料電池102可包括陽極電極102A、固體氧化物電解質(zhì)102B和陰極電極102C。所述陽極電極可包含金屬陶瓷，所述金屬陶瓷包含含鎳相和陶瓷相。含鎳相可全部由還原態(tài)的鎳組成。此相可形成氧化鎳，此時(shí)其處于氧化態(tài)。因此，優(yōu)選在操作之前在還原氣氛中對陽極電極進(jìn)行退火以將氧化鎳還原成鎳。含鎳相可包括除鎳和/或鎳合金外的其它金屬。陶瓷相可包含穩(wěn)定氧化鋯，諸如氧化釔和/或氧化鈧穩(wěn)定的氧化鋯；和/或摻雜氧化鈰，諸如摻雜氧化釓、氧化釔和/或氧化釤的氧化鈰。電解質(zhì)可包含穩(wěn)定氧化鋯，諸如氧化鈧穩(wěn)定的氧化鋯(SSZ)或氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯(YSZ)。或者，電解質(zhì)可包含另一離子導(dǎo)電材料，諸如摻雜氧化鈰。陰極電極可包含導(dǎo)電材料，諸如導(dǎo)電鈣鈦礦材料，諸如亞錳酸鑭鍶(LSM)。還可使用其它導(dǎo)電鈣鈦礦(諸如LSCo等)或金屬(諸如Pt)。陰極電極還可含有與陽極電極類似的陶瓷相。電極和電解質(zhì)可各自包含一個(gè)或一個(gè)以上由一種或一種以上上述材料制成的子層。
[0029]互連板可分離堆疊中的個(gè)別燃料電池?；ミB板可將流向堆疊中一個(gè)電池的陽極(燃料)電極的燃料(諸如氫氣和/或烴燃料)與流向堆疊中相鄰電池的陰極(空氣)電極的氧化劑(諸如空氣)分離?；ミB板可含有在肋片之間的氣流通路或通道。互連板還可將一個(gè)電池的陽極(燃料)電極電連接到相鄰電池的陰極(空氣)電極，從而使電池以串聯(lián)方式電連接?；ミB板可由以下材料制成或可含有以下材料:導(dǎo)電材料(諸如金屬合金(例如鉻鐵合金))或?qū)щ娞沾刹牧希霾牧先芜x地具有與電池中的固體氧化物電解質(zhì)相似的熱膨脹系數(shù)(例如0-10%的差異)。可在陽極電極與互連件之間設(shè)置導(dǎo)電接觸層，諸如鎳接觸層。可在陰極電極與互連件之間設(shè)置另一任選的導(dǎo)電接觸層。
[0030]燃料電池堆疊中的多個(gè)燃料電池可共用共同的燃料入口和排氣通路或立管。燃料電池堆疊可包括在所述堆疊相對的兩端含有兩個(gè)端板的不同電實(shí)體，所述端板連接到所述堆疊的功率調(diào)節(jié)設(shè)備和功率(即電)輸出。因此，在一些配置中，所述不同電實(shí)體的電功率輸出可與其它堆疊分開受到控制。在其它實(shí)施例中，多個(gè)堆疊可共用相同端板。在此情況下，所述堆疊可共同包含不同電實(shí)體。
[0031]燃料電池堆疊可作為更大燃料電池系統(tǒng)的一部分用于發(fā)電。燃料電池堆疊可位于所述系統(tǒng)內(nèi)的熱區(qū)中。在正常操作期間，此熱區(qū)可在高溫下操作，諸如約600°C或600°C以上、例如600-1000°C、諸如750-950°C的溫度。
[0032]燃料電池典型地充當(dāng)所述系統(tǒng)的電壓源。然而，燃料電池可具有失效模式，其中所述燃料電池變成寄生負(fù)載電阻。電旁路模塊可與燃料電池堆疊耦接。燃料電池堆疊和旁路模塊都可位于熱區(qū)中。旁路模塊可包括用于在燃料電池堆疊中的互連件之間傳導(dǎo)電流的元件，且因此避開已變成寄生負(fù)載電阻的失效燃料電池。
[0033]舉例來說，圖1A說明具有燃料電池102和互連件104的燃料電池堆疊100。電旁路模塊120可包括電連接到接觸124的旁路元件122。旁路元件122是作為二極管(諸如半導(dǎo)體功率二極管)進(jìn)行說明，但是各種實(shí)施例可包括一個(gè)或一個(gè)以上不同類型的旁路元件。圖1B說明旁路模塊120與燃料電池堆疊100耦接，使得接觸124與互連件104電接觸。通過這種方式，旁路模塊120可經(jīng)由一個(gè)或一個(gè)以上旁路元件122電連接兩個(gè)或兩個(gè)以上互連件104。舉例來說，在圖1A和IB中，每一個(gè)互連件104被連接到經(jīng)由接觸124和單個(gè)旁路元件122與同一燃料電池102電接觸的第二互連件。通過這種方式，可繞過每一個(gè)個(gè)別燃料電池。替代實(shí)施例可用多種方式將燃料電池或互連件分組，諸如使用單個(gè)旁路元件122繞過兩個(gè)或兩個(gè)以上燃料電池或互連件。
[0034]在正常操作中，燃料電池102充當(dāng)電壓源。因此，由所述燃料電池產(chǎn)生的電壓可使得連結(jié)靠近所述燃料電池的兩個(gè)互連件的旁路元件122保持反向偏壓?？蛇x擇在這一反向偏壓下實(shí)際上是開路的旁路元件122。如果燃料電池102損壞，電池102可變成高電阻寄生負(fù)載，且可在損壞的電池兩端形成電壓降。電壓降可為約0.5V到約15V，諸如約IV到約5V。當(dāng)所述電壓降超過旁路元件122的閾值電壓(如果所述旁路元件是二極管，諸如“接通”電壓)時(shí)，旁路元件122被置于正向偏壓中且在兩個(gè)互連板104之間傳導(dǎo)電流，從而繞過損壞的燃料電池。旁路元件122的閾值電壓可隨所用旁路模塊120或旁路元件122而改變。舉例來說，閾值電壓可為約0.5V到約3V，諸如約IV。優(yōu)選地，旁路元件122的定向使得旁路電流(即當(dāng)超過旁路元件的閾值電壓時(shí)所傳導(dǎo)的電流)的方向與非損壞電池在正常操作期間的電流方向相同。換句話說，旁路元件122的旁路方向與非損壞電池相同的電流方向。
[0035]旁路模塊可有效繞過一個(gè)以上燃料電池。如果多個(gè)燃料電池失效，電流可通過多個(gè)旁路元件(或單個(gè)旁路元件122,如果它連接不相鄰的或多個(gè)互連件104)。如果兩個(gè)或兩個(gè)以上失效燃料電池彼此緊靠，電流可繞過所述燃料電池以及所述燃料電池之間的互連件。
[0036]在各種實(shí)施例中，燃料電池堆置100和芳路I旲塊120將在熱區(qū)內(nèi)f禹接且因此暴露于高溫。燃料電池堆疊100和旁路模塊120可由于熱量而遭受熱膨脹。因此，旁路模塊120可由具有與燃料電池堆疊100類似的熱膨脹率的材料構(gòu)成。
[0037]在各種實(shí)施例中，熱區(qū)可為熱箱126，如圖1B中所示。熱箱126可以是被設(shè)計(jì)成在燃料電池堆疊100的高操作溫度(例如上文600°C )下操作的隔熱容器或外殼。熱箱可含有用多種方式排列的多個(gè)燃料電池堆疊100。舉例來說，可使用美國專利第7，422，810號中所說明的熱箱，所述專利關(guān)于熱箱和其組件的教示是以引用的方式并入本文中。旁路模塊120可在熱箱126內(nèi)與燃料電池堆疊100耦接。
[0038]熱區(qū)的高溫也意味著可使用專門的高溫旁路元件。各種實(shí)施例可依靠一個(gè)或一個(gè)以上不同類型的旁路元件122。舉例來說，圖中的每一個(gè)旁路元件122作為二極管加以說明。然而，當(dāng)至少一個(gè)燃料電池?fù)p壞時(shí)，每一個(gè)旁路元件122可以是能夠在至少兩個(gè)互連件之間導(dǎo)電的任何被動或主動電氣裝置。如果旁路元件122是二極管，當(dāng)電池未損壞時(shí)，所述二極管優(yōu)選不在反向偏壓方向上傳導(dǎo)可察覺量的電流。另外，所述二極管可能夠在熱區(qū)內(nèi)在諸如約600-1000°C的高溫下操作。金剛石半導(dǎo)體二極管是可在高達(dá)約1000°C的結(jié)溫下操作的二極管的實(shí)例。舉例來說，可使用由A.維斯肯(A.Vescan)等人，“金剛石肖特基二極管的極高溫操作(Very high temperature operation of diamond Schottky diode),，，電子器件快報(bào)(Electron.Device Letters)，IEEE, 18 (11): 556-558 (1997)所揭示的二極管，所述文獻(xiàn)是以全文引用的方式并入本文中。還可使用碳化硅半導(dǎo)體二極管或其它高溫二極管。[0039]各種替代實(shí)施例可包括擊穿電介質(zhì)充當(dāng)旁路元件122。擊穿電介質(zhì)可具有不良導(dǎo)電性，直到施加等于或大于擊穿電壓的電壓為止。如上所述，當(dāng)燃料電池失效時(shí)，其可變成強(qiáng)大的寄生負(fù)載電阻，而不是電壓源。這一變化將產(chǎn)生更高的跨電附接到燃料電池每一側(cè)的互連件的旁路元件的電位差。如果所述旁路元件是擊穿電介質(zhì)，所述更高的電位差可大于擊穿電壓。因此，擊穿電介質(zhì)可開始起導(dǎo)體作用(例如，歸因于電介質(zhì)的相變)且繞過失效燃料電池?？蛇x擇在約2伏電壓下?lián)舸┑膿舸╇娊橘|(zhì)。旁路二極管電介質(zhì)的實(shí)例包括氧化鎳或氧化鉿層。
[0040]各種實(shí)施例可包括反熔絲作為旁路元件。反熔絲旁路元件可一開始具有極高電阻或甚至實(shí)際上為開路，與如上文所論述的在反向偏壓下的二極管類似。然而，如果超過閾值電壓或電流，反熔絲可形成導(dǎo)電通路。與擊穿電介質(zhì)類似，反熔絲在附接到燃料電池每一側(cè)的互連件時(shí)可繞過所述燃料電池且經(jīng)受由燃料電池失效所引起的更高電位差。反熔絲的實(shí)例包括氧化硅或氮化硅層。高電位致使導(dǎo)電連結(jié)從附接在反熔絲電介質(zhì)122每一側(cè)的金屬電極128擴(kuò)散通過反熔絲電介質(zhì)122，從而致使所述連結(jié)提供在電極之間通過電介質(zhì)122的導(dǎo)電通路。
[0041]各種實(shí)施例可包括使旁路模塊與燃料電池堆疊耦接的一種或一種以上不同方式。圖2A說明與圖1A和IB的燃料電池堆疊100類似(但圍繞垂直軸旋轉(zhuǎn)90度)的具有燃料電池102和互連件104的燃料電池堆疊200。然而，燃料電池堆疊200可包括在互連件104上(例如在互連件104板邊緣上)的突起202。如所示,突起202可成對地位于每一個(gè)互連件104上且偏離中心與相鄰互連件104上的其它突起對準(zhǔn)。圖2B說明具有支撐元件211及凹口 212的旁路模塊210。旁路模塊210可包括具有到達(dá)一些凹口 212的導(dǎo)線或跡線228的旁路元件122。圖2C說明如何通過將支撐元件211中的凹口 212耦接到突起202上而可使旁路模塊210附接到燃料電池堆疊200。突起202與轉(zhuǎn)向凹口 212的導(dǎo)線、電線或跡線228的接觸部分224之間的接觸可使旁路元件122與互連件104電連接。如果旁路元件122的導(dǎo)線或跡線228被排列成連接兩個(gè)互連件，如旁路模塊210中所示，可繞過互連件之間出故障的燃料電池。
[0042]各種旁路模塊210可包括支撐元件211、安裝在支撐元件211上或支撐在支撐元件211中的旁路元件122、以及多個(gè)接觸224和導(dǎo)線228。支撐元件211可包括高溫陶瓷或金屬(例如摻雜氧化鈰或穩(wěn)定氧化鋯，諸如氧化釔或氧化鈧穩(wěn)定的氧化鋯，或金屬合金，諸如Cr-Fe合金,例如Cr-4-6wt%Fe合金)，所述高溫陶瓷或金屬具有與固體氧化物燃料電池和互連件相似的熱膨脹系數(shù)(例如相差0-10%)。在各種實(shí)施例中，支撐元件可為陶瓷(例如穩(wěn)定氧化鋯或摻雜氧化鈰)電路板。支撐元件211可以是被塑形成在側(cè)面具有凹口 212的板，使得互連件104的突起202可碰到支撐元件211表面上或內(nèi)部的接觸部分224。優(yōu)選地，所述模塊是預(yù)先制造的獨(dú)立式模塊。這意味著容納安裝在支撐元件211上或支撐在支撐元件211中的旁路元件122以及多個(gè)接觸224和導(dǎo)線228的支撐元件211單獨(dú)由燃料電池堆疊制成，且可作為單獨(dú)來自燃料電池堆疊的單元而處理或運(yùn)輸。
[0043]圖2D說明根據(jù)一個(gè)替代實(shí)施例與旁路模塊240耦接的燃料電池堆疊200。模塊240包括“雙面梳”形狀的支撐元件211，包含在兩側(cè)支撐多個(gè)“梳齒”形狀的伸出段216的中心支撐部分214。通過凹口 212A、212B使相鄰伸出段216彼此分離。模塊240與模塊210類似，但包括不與堆疊互連件104的突起202耦接的額外凹口 212B。換句話說，凹口 212A與突起202耦接。然而，凹口 212B不與突起耦接。因此，每一奇數(shù)或偶數(shù)凹口 212A與突起202耦接，而每隔一個(gè)偶數(shù)或奇數(shù)凹口 212B不與突起202耦接。
[0044]這些額外未耦接的凹口 212B可使得旁路模塊240受力彎曲。確切地說，凹口 212B允許模塊以圖2D中箭頭280所示的堆疊200堆疊方向彎曲，從而使支撐元件211的齒216夾在突起202上以便支撐。在其它實(shí)施例中，支撐元件211的齒部分216可暫時(shí)垂直于堆疊方向(即在圖2D中頁面內(nèi)外方向)彎曲。在替代實(shí)施例中，模塊240未用于接收突起202的額外凹口 212B可用柔性材料(諸如高溫金屬或陶瓷泡沫或氈、或高溫玻璃密封材料)填充，而不是仍空著。
[0045]圖3A說明具有燃料電池102和互連件104的燃料電池堆疊300。燃料電池堆疊300也包括突起202，但與燃料電池堆疊200不同，每一個(gè)互連件104可僅具有一個(gè)突起202。每一個(gè)互連件104可被制造成具有單個(gè)偏離中心的突起202。當(dāng)組裝燃料電池堆疊300時(shí)，一些互連件104可旋轉(zhuǎn)180度，形成與圖3A中類似的突起202圖案?；蛘撸芍圃靸商谆ミB件104，第一套具有向右偏移的突起202而第二套具有向左偏移的突起202，且接著通過在兩套之間交替而組裝成燃料電池堆疊。
[0046]圖3B說明除凹口 212和旁路元件122的排列之外與旁路模塊210類似的旁路模塊310。旁路模塊310可被塑形成凹口 212與突起202圖案(諸如燃料電池堆疊300中的突起202圖案)對準(zhǔn)。凹口 212可在支撐元件211的兩側(cè)交錯(例如，如圖3B中所示交替左、右、左等)。旁路模塊310中的旁路元件122可被排列成導(dǎo)線或跡線轉(zhuǎn)向凹口 212。圖3C說明如何通過使凹口 212與突起202耦接而可將旁路模塊310附接到燃料電池堆疊300。與圖2C中的系統(tǒng)類似，導(dǎo)線、電線或跡線228的接觸224可接觸突起202，從而使旁路元件122與互連件104電連接且繞過出故障的燃料電池102。
[0047]圖3D說明附接到具有突起202的燃料電池堆疊300的替代實(shí)施例旁路模塊320。堆疊300中的互連件104可如圖3A所示，每個(gè)互連件具有一個(gè)突起202。旁路模塊320可與圖2D中的旁路模塊類似，包括彎曲夾持在突起202周圍的齒216。支撐元件211的中心支撐部分214可被塑形或切除，以便給予齒216主要以堆疊300堆疊方向(即在圖3D中上下)彎曲的空間。齒216可彎曲任何合適的量，諸如與水平面呈至少3度，例如5到20度。本文所述的模塊可具有任何合適的尺寸，其取決于堆疊、互連件以及燃料電池尺寸。舉例來說，模塊(例如圖3D中上下方向的模塊320)的高度可為50到500mm，諸如100到200mm，齒216的高度(例如在圖3D中的上下方向)可為0.5到10mm，諸如I到3mm，齒216從其邊緣到中心支撐部分214的寬度(例如圖3D中的左右方向)可為10到100mm，諸如25到50mm，中心支撐元件214的寬度(例如圖3D中的左右方向)可為10到100mm，諸如25到50臟，且厚度(例如圖3D中頁面內(nèi)外方向)可為0.1到10mm，諸如0.25到1mm。
[0048]在其它實(shí)施例中，可通過將互連件104的突起202插入支撐元件211的凹口 212中而使支撐元件211緊靠燃料電池堆疊200或300?；蛘?，代替凹口 212，模塊200或300或支撐元件211可包括直接附接到互連件104或支撐物(諸如互連件104上的突起202)的鉤、夾子、螺栓或其它扣件。
[0049]圖4A說明燃料電池堆疊400附接到旁路模塊410的另一替代實(shí)施例。燃料電池堆疊400可包括燃料電池102和具有凹口 402的互連件104。旁路模塊410可包括突起414。旁路模塊410還可包括支撐旁路元件122的支撐元件411,其中導(dǎo)線或跡線428進(jìn)入突起414?？扇鐖D4A中所示通過將突起414與凹口 402耦接(例如將突起414插入凹口402)而使燃料電池堆疊400和旁路模塊410彼此附接。跡線、電線或?qū)Ь€428的接觸部分424可電連接旁路元件122和互連件104，從而可繞過出故障的燃料電池。接觸部分424可沿著突起414位于任何地方,諸如在尖端。
[0050]圖4B說明一個(gè)替代實(shí)施例，其中旁路模塊460包括支撐元件411中的凹坑464且燃料電池堆疊450包括具有突起452的互連件104，而突起452可適應(yīng)于凹坑464。凹坑(即凹陷)464可位于梳形支撐元件411的柔性齒中，從而賦予模塊460在堆疊方向和垂直于堆疊方向上的額外彎曲性。
[0051]在圖4C中所示模塊470的另一替代實(shí)施例中，凹坑464被一直延伸到支撐元件411的通孔474替換。圖4C中所示的模塊470和堆疊450與圖4B中的模塊和堆疊相比，圍繞垂直軸旋轉(zhuǎn)90度。因此，從互連件104開始延伸的突起452可延伸到旁路模塊支撐元件411。優(yōu)選地(但不一定)，旁路模塊470支撐元件411與模塊210和240類似，呈具有凹口 412和齒416的雙面梳形狀，從而允許支撐元件411在堆疊堆疊方向和垂直于堆疊方向上彎曲。如上文關(guān)于圖2D所述，凹口 412可未被填充(即凹口中無突起或材料)或填充有柔性材料。圖4C還說明可用于將旁路模塊470夾持到燃料電池堆疊450的夾子480。
[0052]圖4D說明附接到燃料電池堆疊490的替代實(shí)施例旁路模塊495。燃料電池堆疊490可在每一個(gè)互連件104的交替?zhèn)让嫔暇哂袉蝹€(gè)突起452，與圖3A中所示燃料電池堆疊300的排列類似。除了齒416交替匹配堆疊490的每一個(gè)互連件上的單個(gè)突起452之外，旁路模塊495可與圖4C中的旁路模塊470類似，具有齒416及通孔474。與圖2D中所示類似，中心支撐部分414可被切除，從而允許支撐元件411主要垂直于堆疊的堆疊方向(即圖4D中頁面內(nèi)外方向)彎曲。元件414和/或齒416可彼此獨(dú)立地彎曲。
[0053]可通過其它機(jī)構(gòu)使旁路模塊與燃料電池堆疊保持接觸。在各種實(shí)施例中，通過一個(gè)或一個(gè)以上彈簧張力裝置、夾子、螺栓等使旁路模塊與燃料電池堆疊保持接觸。如圖5中所示，可通過附接在導(dǎo)線、電線或跡線228末端的彈簧502而使旁路元件122與突起202保持電接觸。彈簧502可以是高溫金屬(例如鉻鎳鐵合金(Inconel))螺旋彈簧或高溫金屬或陶瓷(例如穩(wěn)定氧化鋯)片簧。各種實(shí)施例可使用一個(gè)或一個(gè)以上加重元件將旁路模塊和燃料電池堆疊壓在一起?？墒÷酝钩龊桶伎谇医佑|124直接接觸互連件104的暴露邊緣。
[0054]在各種實(shí)施例中，旁路模塊(包括具有凹口或突起的替代旁路模塊)的旁路元件122的接觸124或?qū)Ь€、電線或跡線128可經(jīng)由涂有各種導(dǎo)電材料的接觸124接觸燃料電池堆疊。這些材料可包括鉬、鎳、鉻鎳鐵合金或亞錳酸鑭鍶(LSM)。
[0055]各種實(shí)施例可涉及在旁路模塊與燃料電池堆疊之間的電接觸點(diǎn)焊接或銅焊(例如，接觸124可被銅焊或焊接到互連件104)。焊接或銅焊可改善傳導(dǎo)或幫助支撐和保持燃料電池堆疊與旁路模塊之間的接觸。
[0056]其它實(shí)施例可在旁路模塊內(nèi)包括一個(gè)或一個(gè)以上電壓監(jiān)控裝置。對每一個(gè)燃料電池元件進(jìn)行電壓監(jiān)控可更好地測量系統(tǒng)性能且更精確地診斷任何系統(tǒng)問題。然而，監(jiān)控更多電壓的益處和每一個(gè)額外監(jiān)控裝置的成本升高保持平衡。早先，固定數(shù)目的監(jiān)控裝置可能已被選擇用于燃料電池系統(tǒng)的整個(gè)壽命。可互換的旁路模塊可允許基于具體單元的壽命周期調(diào)節(jié)監(jiān)控的量。舉例來說，原型燃料電池堆疊單元可與每一個(gè)燃料電池配備有電壓監(jiān)控裝置的旁路模塊耦接。這些監(jiān)控裝置可提供每一個(gè)單元的電壓測量且可輔助顯影。類似地，生產(chǎn)單元可在部署前與具有許多電壓監(jiān)控裝置的旁路模塊耦接。通過這種方式，可在旁路模塊被附接到燃料電池堆疊之前對它進(jìn)行故障測試。所述旁路模塊所允許的更大數(shù)目的測量可防止部署不可靠的單元。
[0057]或者，具有相對較少電壓監(jiān)控裝置的旁路模塊可用于單元壽命周期的其它部分，諸如在現(xiàn)場(即在單元被定位用于發(fā)電的地點(diǎn))部署后。這些旁路模塊可包括任意數(shù)目的用于監(jiān)控跨任意數(shù)目的燃料電池的電壓的裝置。舉例來說，旁路模塊可包括單個(gè)裝置監(jiān)控跨多達(dá)一百個(gè)燃料電池的電壓。替代實(shí)施例模塊可包括用于多組燃料電池中每一組的電壓監(jiān)控裝置?？偠灾?，可在燃料電池堆疊附接到具有多個(gè)第一監(jiān)控裝置和至少一個(gè)旁路元件的第一旁路模塊時(shí)對燃料電池堆疊進(jìn)行測試。接著將第一旁路模塊從燃料電池堆疊中移出，且將具有至少一個(gè)監(jiān)控裝置和至少一個(gè)旁路元件的第二不同旁路模塊附接到燃料電池堆疊。接著在現(xiàn)場操作燃料電池堆疊發(fā)電，同時(shí)使用第二旁路模塊的至少一個(gè)監(jiān)控裝置監(jiān)控燃料電池堆疊操作。第一旁路模塊比第二旁路模塊容納更多的監(jiān)控裝置。因此，在堆疊測試期間使用每個(gè)堆疊具有更多監(jiān)控裝置的第一模塊，而在堆疊的現(xiàn)場操作(即發(fā)電)期間使用每個(gè)堆疊具有比第一模塊少的裝置的第二模塊。
[0058]也可在壽命周期的其它時(shí)間使用具有不同類型或數(shù)目的電壓監(jiān)控裝置的旁路模塊。舉例來說，在關(guān)鍵使用中在或可能需要快速鑒定失效的其它情況下操作的燃料電池堆疊可具有容納許多電壓監(jiān)控裝置的旁路模塊?？赏ㄟ^在接近壽命周期結(jié)束的單元中使用具有許多監(jiān)控裝置的模塊鑒定待替換或修復(fù)的第一電池來延長堆疊的總壽命。
[0059]各種實(shí)施例可包括不同類型的電壓監(jiān)控裝置。圖6說明附接到具有電壓監(jiān)控的旁路模塊600的燃料電池堆疊100?？赏ㄟ^在每個(gè)旁路元件之間運(yùn)行電壓探針610來監(jiān)控跨電池102和旁路元件122的電壓。這些探針610可由可經(jīng)受住熱區(qū)溫度的各種不同導(dǎo)電材料制成，諸如N1、Cr等。探針510可被安裝在支撐元件511上或支撐在支撐元件511內(nèi)。探針610可與檢測并記錄跨每個(gè)電池或旁路元件的電壓的數(shù)據(jù)記錄單元602連接。數(shù)據(jù)記錄單元可被連接到外部裝置(例如電腦)用于傳輸所記錄的電壓?；蛘?，數(shù)據(jù)記錄單元602的數(shù)據(jù)可被無線傳送到外部裝置以避免接線到外部裝置。
[0060]雖然圖6說明并入與旁路元件122相同的模塊600的電壓探針，但是這些探針可單獨(dú)使用。其它實(shí)施例包括具有電壓探針610但不具有旁路元件122的模塊。電壓探針610可被連接到一個(gè)或一個(gè)以上互連件104，諸如每一個(gè)互連件、每隔一個(gè)互連件，或各種其它圖案或隨機(jī)分配。探針數(shù)目可在模塊之間變化。與旁路元件122類似，可在生產(chǎn)或診斷顯影期間使用具有更多電壓探針610的模塊，而可在部署后使用具有更少探針的模塊?；蛘撸蓪⑻结樉€點(diǎn)焊到堆疊，而不是使用模塊連接。
[0061]其它實(shí)施例可包括電流回路以檢測流經(jīng)旁路元件的電流。這些電流回路630可如圖6中所示放置在一個(gè)或一個(gè)以上旁路元件122或旁路元件122組周圍。當(dāng)存在旁路電流時(shí)，可在電流回路中誘發(fā)電壓并在外部檢測。電流回路具有在不與燃料電池或燃料電池堆疊實(shí)際接觸(一般使用電壓探針進(jìn)行)的情況下檢測燃料電池性能的優(yōu)勢，且因此不能參與燃料電池或堆疊短路。電流回路可被附接到與上文所論述的數(shù)據(jù)記錄單元602類似的數(shù)據(jù)記錄或傳送裝置，或可被連接到外部裝置。
[0062]其它實(shí)施例可包括整合到旁路模塊中形成邏輯門并形成多路復(fù)用器的高溫晶體管。多路復(fù)用器可允許經(jīng)由多路輸入信號監(jiān)控電壓探針610或電流回路630，且允許使用更少的進(jìn)出熱區(qū)的信號線監(jiān)控許多電池。
[0063]各種實(shí)施例可包括整合到旁路模塊中的壓力或溫度監(jiān)控裝置。圖7說明具有整合溫度和/或壓力傳感器704的旁路模塊700。這些裝置可與互連件104中的端口連接。每個(gè)模塊的壓力或溫度監(jiān)控裝置的數(shù)目可基于如上文關(guān)于電壓監(jiān)控裝置所述的堆疊的壽命周期而變化。傳感器704可通過探針710被連接到數(shù)據(jù)記錄裝置702。數(shù)據(jù)記錄裝置702可經(jīng)由有線或無線連接而將所記錄的壓力或溫度傳送到外部裝置。傳感器704可被安裝在支撐元件611上或支撐在支撐元件611中。傳感器704可包含接觸燃料電池堆疊或位于燃料電池堆疊附近的熱電偶或壓力傳感器。
[0064]提供先前對所揭示方面的描述以使得所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠制作或使用本發(fā)明。對于所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，將易于明了對這些方面的各種修改，且在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下，本文中定義的一般原理可適用于其它方面。因此，本發(fā)明并不意欲限于本文中所展示的方面，而是應(yīng)符合與本文中所揭示的原理和新穎特征一致的最寬范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種燃料電池系統(tǒng)，其包含: 熱區(qū)中的燃料電池堆疊，所述燃料電池堆疊包含多個(gè)燃料電池和多個(gè)互連件；和 包含多個(gè)旁路元件的模塊，所述模塊附接到所述燃料電池堆疊且位于所述熱區(qū)中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述多個(gè)旁路元件中的至少一個(gè)與所述多個(gè)互連件中的至少兩個(gè)電連接，以便繞過位于所述互連件之間的所述多個(gè)燃料電池中的至少一個(gè)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述多個(gè)旁路元件中的每一個(gè)包含二極管。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述多個(gè)旁路元件中的每一個(gè)包含擊穿電介質(zhì)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述多個(gè)旁路元件中的每一個(gè)包含反熔絲。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述熱區(qū)為熱箱。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述多個(gè)旁路元件被安裝在支撐元件上或支撐在支撐元件內(nèi)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中所述支撐元件為陶瓷電路板。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中所述模塊包含獨(dú)立式模塊且所述支撐元件包含支撐板，所述支撐板具有實(shí)質(zhì)上與所述燃料電池堆疊相似的熱膨脹系數(shù)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中: 所述多個(gè)互連件包含至少一個(gè)突起； 所述支撐元件被塑形成具有至少一個(gè)凹口、凹坑或通孔；且 通過將所述至少一個(gè)突起放入所述至少一個(gè)凹口、凹坑或通孔中而使所述旁路模塊附接到所述燃料電池堆疊。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中所述支撐元件呈包含柔性齒的梳形，所述柔性齒被塑形成界定所述柔性齒之間的多個(gè)凹口。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中通過將所述多個(gè)互連件的至少一個(gè)突起放入所述支撐元件的兩個(gè)所述柔性齒之間的凹口中而使所述旁路模塊附接到所述燃料電池堆疊。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng),其中通過將突起放入交替凹口中而使所述旁路模塊附接到所述燃料電池堆疊；且 不具有突起的凹口未被填充或填充有柔性材料。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中: 所述支撐元件被塑形成在所述多個(gè)齒的至少一些中具有至少一個(gè)凹坑或通孔；且 通過將相應(yīng)突起放入相應(yīng)凹坑或通孔中而使所述旁路模塊附接到所述燃料電池堆疊，同時(shí)所述多個(gè)凹口未被填充或填充有柔性材料。
15.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中通過彈簧張力裝置、加重元件、螺栓、夾子、焊接或銅焊將所述模塊附接到所述燃料電池堆疊。
16.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中: 所述多個(gè)互連件中的每一個(gè)包含至少一個(gè)凹口； 所述旁路模塊包含至少一個(gè)突起；且 通過將所述至少一個(gè)突起插入所述至少一個(gè)凹口中而使所述旁路模塊附接到所述燃料電池堆疊。
17.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其另外包含整合到所述模塊中的多個(gè)監(jiān)控裝置，其中所述監(jiān)控裝置包含電壓、壓力或溫度監(jiān)控裝置。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中所述監(jiān)控裝置包含電壓監(jiān)控探針。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，其中所述模塊另外包含被配置成多路復(fù)用器的高溫晶體管。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，其中所述電壓監(jiān)控裝置包含電流回路。
21.根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中所述監(jiān)控裝置包含熱電偶。
22.一種獨(dú)立式旁路模塊，其包含: 多個(gè)旁路元件，其被配置成與燃料電池堆疊的多個(gè)互連件中的至少兩個(gè)電連接，以便繞過所述燃料電池堆疊的多個(gè)燃料電池中的至少一個(gè)；和支撐元件，其支撐所述多個(gè)旁路元件； 其中所述支撐元件被塑形成具有凹口且包含暴露在所述凹口內(nèi)的電接觸。
23.一種獨(dú)立式旁路模塊，其包含: 多個(gè)旁路元件，其被配置成與燃料電池堆疊的多個(gè)互連件中的至少兩個(gè)電連接，以便繞過所述燃料電池堆疊的多個(gè)燃料電池中的至少一個(gè)； 支撐元件，其支撐所述多個(gè)旁路元件；和 用于使所述旁路模塊附接到熱區(qū)中的燃料電池堆疊的構(gòu)件。
24.—種方法,其包含: 提供預(yù)先制造的包含旁路元件的獨(dú)立式旁路模塊；和 將所述預(yù)先制造的旁路模塊附接到燃料電池堆疊，使得所述模塊和所述燃料電池堆疊位于熱區(qū)中。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其中附接所述預(yù)先制造的旁路模塊包含將所述預(yù)先制造的旁路模塊的支撐元件中的突起插入所述燃料電池堆疊中互連件的凹口中。
26.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其中附接所述預(yù)先制造的旁路模塊包含將所述燃料電池堆疊的互連件中的突起插入所述預(yù)先制造的旁路模塊的支撐元件中的凹口中。
27.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其中附接所述預(yù)先制造的旁路模塊包含焊接或銅焊。
28.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其中附接所述預(yù)先制造的旁路模塊包含施加彈簧負(fù)載。
29.一種操作燃料電池系統(tǒng)的方法，其包含: 測試附接到具有多個(gè)第一監(jiān)控裝置和至少一個(gè)旁路元件的第一旁路模塊的燃料電池堆疊； 從所述燃料電池堆疊中移出所述第一旁路模塊； 將具有至少一個(gè)監(jiān)控裝置和至少一個(gè)旁路元件的第二旁路模塊附接到所述燃料電池堆疊；和 操作所述燃料電池堆疊發(fā)電，同時(shí)使用所述第二旁路模塊的至少一個(gè)監(jiān)控裝置監(jiān)控所述燃料電池堆疊操作； 其中所述第一旁路模塊含有比所述第二旁路模塊多的監(jiān)控裝置，且所述第二旁路模塊和所述燃料電池堆疊位于同一熱箱中。
30.一種操作燃料電池堆疊的方法，其包含:測試具有第一數(shù)目個(gè)電壓監(jiān)控探針的燃料電池堆疊；和 操作所述燃料電池堆疊發(fā)電，同時(shí)使用第二數(shù)目個(gè)電壓監(jiān)控探針監(jiān)控所述燃料電池堆疊操作； 其中所述第一數(shù)目 大于所述第二數(shù)目。
【文檔編號】H01M8/24GK103718362SQ201280036300
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2012年6月8日 優(yōu)先權(quán)日:2011年6月9日
【發(fā)明者】馬蒂亞斯·戈特曼, 阿恩·巴蘭坦, 奇卡林格·卡盧波亞 申請人:博隆能源股份有限公司
【專利摘要】燃料電池系統(tǒng)包括燃料電池堆疊，所述燃料電池堆疊包括通過多個(gè)互連件串聯(lián)接觸的多個(gè)燃料電池。各種實(shí)施例提供用于使燃料電池堆疊與電旁路模塊在熱區(qū)內(nèi)耦接的系統(tǒng)和方法。所述旁路模塊可包括在燃料電池堆疊中的互連件之間傳導(dǎo)電流的元件，且因此繞過已變成寄生負(fù)載電阻的失效燃料電池。
【專利說明】燃料電池旁路二極管結(jié)構(gòu)和附接方法
[0001]相關(guān)申請案的交叉參考
[0002]本申請案主張2011年6月9日提交之美國臨時(shí)專利申請案第61/494，937號之優(yōu)先權(quán)，所述臨時(shí)專利申請案是以全文引用的方式并入本文中。
【技術(shù)領(lǐng)域】
【背景技術(shù)】
[0003]燃料電池是可高效率地將存儲在燃料中的能量轉(zhuǎn)化成電能的電化學(xué)裝置。高溫燃料電池包括固體氧化物和熔融碳酸鹽燃料電池。這些燃料電池可使用氫氣和/或烴燃料操作。存在各類燃料電池，諸如還允許可逆操作的固體氧化物可逆燃料電池，如此可將水或其它氧化燃料還原成使用電能作為輸入的未氧化燃料。
[0004]在高溫燃料電池系統(tǒng)(諸如固體氧化物燃料電池(SOFC)系統(tǒng))中，氧化流流經(jīng)燃料電池的陰極側(cè)，而燃料流流經(jīng)燃料電池的陽極側(cè)。氧化流典型地為空氣，而燃料流典型地為通過重整烴燃料源所形成的富氫氣體。在750°C與950°C之間的典型溫度下操作的燃料電池能夠使帶負(fù)電荷的氧離子從陰極流束傳送到陽極流束，其中所述離子與游離氫或與烴分子中的氫結(jié)合形成水蒸氣和/或與一氧化碳結(jié)合形成二氧化碳。帶負(fù)電離子的過量電子經(jīng)由陽極與陰極之間完成的電路返回到燃料電池的陰極側(cè)，從而產(chǎn)生流經(jīng)電路的電流。
[0005]燃料電池堆疊可在內(nèi)部或外部配備供燃料和空氣用的歧管。在內(nèi)部配備歧管的堆疊中，使用容納于所述堆疊內(nèi)的立管將燃料和空氣分配到每一電池。換句話說，氣體流經(jīng)每一燃料電池支撐層(諸如電解質(zhì)層)的開口或孔和每一電池的氣體分離器。在外部配備歧管的堆疊中，所述堆疊在燃料和空氣入口和出口側(cè)上是敞開的，且燃料和空氣是獨(dú)立于堆疊硬件而引入和收集的。舉例來說，入口和出口燃料和空氣在堆疊與歧管外殼(所述堆疊位于其中)之間的單獨(dú)通道中流動。
[0006]燃料電池堆疊常由許多呈平面元件、管或其它幾何結(jié)構(gòu)形式的電池構(gòu)建而成。必須將燃料和空氣提供到電化學(xué)活性表面，所述電化學(xué)活性表面可以是大型的。燃料電池堆疊的一個(gè)組件為所謂的氣流分離器(在平面堆疊中稱為氣流分離板)，其分離所述堆疊中的個(gè)別電池。氣流分離板將流向堆疊中一個(gè)電池的燃料電極(即陽極)的燃料(諸如氫氣或烴燃料)與流向堆疊中相鄰電池的空氣電極(即陰極)的氧化劑(諸如空氣)分離。氣流分離板還常用作將一個(gè)電池的燃料電極電連接到相鄰電池的空氣電極的互連件。在此情況下，充當(dāng)互連件的氣流分離板由導(dǎo)電材料制成或含有導(dǎo)電材料。
[0007]當(dāng)燃料電池失效時(shí)，其電阻變大。就SOFC堆疊來說，可繼續(xù)所述堆疊的操作，但是由失效電池所形成的跨電阻接口的電壓降愈加消耗所述堆疊的電壓。旁路二極管已被用于燃料電池系統(tǒng)使電流繞過損壞的燃料電池，但是這些二極管已被安置在燃料電池塊或熱區(qū)夕卜。確切地說，為避免二極管的化學(xué)降解和熱降解，所述二極管已被定位于所述系統(tǒng)在大于約600°C的溫度下操作的熱箱部分外?？缃泳€已被用于將燃料電池連接到位于燃料電池塊外的二極管。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0008]各種實(shí)施例提供燃料電池系統(tǒng)，包括在熱區(qū)中的燃料電池堆疊，所述燃料電池堆疊包括多個(gè)燃料電池和多個(gè)互連板；和包括多個(gè)旁路裝置的模塊，所述模塊附接到所述燃料電池堆疊且位于所述熱區(qū)中。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0009]并入本文且構(gòu)成部分本說明書的【專利附圖】
【附圖說明】本發(fā)明的示范性實(shí)施例，且連同上文給出的
【發(fā)明內(nèi)容】
和下文給出的【具體實(shí)施方式】一起用以闡釋本發(fā)明的特征。
[0010]圖1A和IB為燃料電池堆疊和旁路模塊的結(jié)構(gòu)側(cè)視圖。
[0011]圖2A為具有突起的燃料電池堆疊的結(jié)構(gòu)圖。
[0012]圖2B為塑形成具有凹口的旁路模塊的結(jié)構(gòu)圖。
[0013]圖2C為圖2B的旁路模塊附接到圖2A的燃料電池堆疊的結(jié)構(gòu)圖。
[0014]圖2D為替代旁路模塊附接到圖2A的燃料電池堆疊的結(jié)構(gòu)圖。
[0015]圖3A為根據(jù)一個(gè)替代實(shí)施例具有突起的燃料電池堆疊的結(jié)構(gòu)圖。
[0016]圖3B為根據(jù)一個(gè)替代實(shí)施例塑形成具有凹口的旁路模塊的結(jié)構(gòu)圖。
[0017]圖3C為圖3B的旁路模塊附接到圖3A的燃料電池堆疊的結(jié)構(gòu)圖。
[0018]圖3D為替代旁路模塊附接到圖3A的燃料電池堆疊的結(jié)構(gòu)圖。
[0019]圖4A為具有突起的旁路模塊附接到具有凹口的燃料電池堆疊的結(jié)構(gòu)圖。
[0020]圖4B、4C和4D為具有開口的替代旁路模塊附接到具有突起的燃料電池堆疊的結(jié)構(gòu)圖。
[0021]圖5為旁路模塊與互連件的彈簧連接的示意圖。
[0022]圖6為根據(jù)一個(gè)替代實(shí)施例的燃料電池堆疊和具有傳感器的旁路模塊的結(jié)構(gòu)側(cè)視圖。
[0023]圖7為根據(jù)另一個(gè)替代實(shí)施例的燃料電池堆疊和具有替代傳感器的旁路模塊的結(jié)構(gòu)側(cè)視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]將參看附圖詳細(xì)描述各種實(shí)施例。只要可能，將在整個(gè)圖式中使用相同的參考標(biāo)號來指代相同或相似的部分。對具體實(shí)例和實(shí)施方案做出的參考是出于說明性目的，且不希望限制本發(fā)明或權(quán)利要求書的范圍。
[0025]各種實(shí)施例提供用于使燃料電池堆疊與單獨(dú)的旁路模塊在熱區(qū)內(nèi)耦接的系統(tǒng)和方法。旁路模塊可包括在燃料電池堆疊中的互連件之間傳導(dǎo)電流的旁路元件，且因此繞過已變成寄生負(fù)載電阻的失效燃料電池。
[0026]使用旁路模塊享有優(yōu)于其它旁路方法的幾種優(yōu)勢。旁路模塊允許囊封燃料電池堆疊外的旁路元件且不干擾燃料電池堆疊組裝過程。在燃料電池堆疊外制造的旁路模塊在外部進(jìn)行測試以在使用或整合前確保功能正常。另外，含有半導(dǎo)體旁路二極管的旁路模塊可在它們可能需要的干凈室內(nèi)條件中加以制造，不需要將所述要求強(qiáng)加于堆疊本身。同樣，可通過換出不同旁路模塊來控制和改變系統(tǒng)中旁路元件的任何閾值電壓或擊穿電壓。[0027]如本文中所用，術(shù)語“燃料電池堆疊”意指通過多個(gè)互連板以串聯(lián)方式連接的多個(gè)堆疊燃料電池。舉例來說，圖1A包括燃料電池堆疊100，其中燃料電池102通過互連件104以串聯(lián)方式連接。雖然圖1中的燃料電池堆疊為垂直定向，但是燃料電池堆疊可以水平或任何其它方向定向。
[0028]燃料電池102可包括陽極電極102A、固體氧化物電解質(zhì)102B和陰極電極102C。所述陽極電極可包含金屬陶瓷，所述金屬陶瓷包含含鎳相和陶瓷相。含鎳相可全部由還原態(tài)的鎳組成。此相可形成氧化鎳，此時(shí)其處于氧化態(tài)。因此，優(yōu)選在操作之前在還原氣氛中對陽極電極進(jìn)行退火以將氧化鎳還原成鎳。含鎳相可包括除鎳和/或鎳合金外的其它金屬。陶瓷相可包含穩(wěn)定氧化鋯，諸如氧化釔和/或氧化鈧穩(wěn)定的氧化鋯；和/或摻雜氧化鈰，諸如摻雜氧化釓、氧化釔和/或氧化釤的氧化鈰。電解質(zhì)可包含穩(wěn)定氧化鋯，諸如氧化鈧穩(wěn)定的氧化鋯(SSZ)或氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯(YSZ)。或者，電解質(zhì)可包含另一離子導(dǎo)電材料，諸如摻雜氧化鈰。陰極電極可包含導(dǎo)電材料，諸如導(dǎo)電鈣鈦礦材料，諸如亞錳酸鑭鍶(LSM)。還可使用其它導(dǎo)電鈣鈦礦(諸如LSCo等)或金屬(諸如Pt)。陰極電極還可含有與陽極電極類似的陶瓷相。電極和電解質(zhì)可各自包含一個(gè)或一個(gè)以上由一種或一種以上上述材料制成的子層。
[0029]互連板可分離堆疊中的個(gè)別燃料電池?；ミB板可將流向堆疊中一個(gè)電池的陽極(燃料)電極的燃料(諸如氫氣和/或烴燃料)與流向堆疊中相鄰電池的陰極(空氣)電極的氧化劑(諸如空氣)分離?；ミB板可含有在肋片之間的氣流通路或通道。互連板還可將一個(gè)電池的陽極(燃料)電極電連接到相鄰電池的陰極(空氣)電極，從而使電池以串聯(lián)方式電連接?；ミB板可由以下材料制成或可含有以下材料:導(dǎo)電材料(諸如金屬合金(例如鉻鐵合金))或?qū)щ娞沾刹牧希霾牧先芜x地具有與電池中的固體氧化物電解質(zhì)相似的熱膨脹系數(shù)(例如0-10%的差異)。可在陽極電極與互連件之間設(shè)置導(dǎo)電接觸層，諸如鎳接觸層。可在陰極電極與互連件之間設(shè)置另一任選的導(dǎo)電接觸層。
[0030]燃料電池堆疊中的多個(gè)燃料電池可共用共同的燃料入口和排氣通路或立管。燃料電池堆疊可包括在所述堆疊相對的兩端含有兩個(gè)端板的不同電實(shí)體，所述端板連接到所述堆疊的功率調(diào)節(jié)設(shè)備和功率(即電)輸出。因此，在一些配置中，所述不同電實(shí)體的電功率輸出可與其它堆疊分開受到控制。在其它實(shí)施例中，多個(gè)堆疊可共用相同端板。在此情況下，所述堆疊可共同包含不同電實(shí)體。
[0031]燃料電池堆疊可作為更大燃料電池系統(tǒng)的一部分用于發(fā)電。燃料電池堆疊可位于所述系統(tǒng)內(nèi)的熱區(qū)中。在正常操作期間，此熱區(qū)可在高溫下操作，諸如約600°C或600°C以上、例如600-1000°C、諸如750-950°C的溫度。
[0032]燃料電池典型地充當(dāng)所述系統(tǒng)的電壓源。然而，燃料電池可具有失效模式，其中所述燃料電池變成寄生負(fù)載電阻。電旁路模塊可與燃料電池堆疊耦接。燃料電池堆疊和旁路模塊都可位于熱區(qū)中。旁路模塊可包括用于在燃料電池堆疊中的互連件之間傳導(dǎo)電流的元件，且因此避開已變成寄生負(fù)載電阻的失效燃料電池。
[0033]舉例來說，圖1A說明具有燃料電池102和互連件104的燃料電池堆疊100。電旁路模塊120可包括電連接到接觸124的旁路元件122。旁路元件122是作為二極管(諸如半導(dǎo)體功率二極管)進(jìn)行說明，但是各種實(shí)施例可包括一個(gè)或一個(gè)以上不同類型的旁路元件。圖1B說明旁路模塊120與燃料電池堆疊100耦接，使得接觸124與互連件104電接觸。通過這種方式，旁路模塊120可經(jīng)由一個(gè)或一個(gè)以上旁路元件122電連接兩個(gè)或兩個(gè)以上互連件104。舉例來說，在圖1A和IB中，每一個(gè)互連件104被連接到經(jīng)由接觸124和單個(gè)旁路元件122與同一燃料電池102電接觸的第二互連件。通過這種方式，可繞過每一個(gè)個(gè)別燃料電池。替代實(shí)施例可用多種方式將燃料電池或互連件分組，諸如使用單個(gè)旁路元件122繞過兩個(gè)或兩個(gè)以上燃料電池或互連件。
[0034]在正常操作中，燃料電池102充當(dāng)電壓源。因此，由所述燃料電池產(chǎn)生的電壓可使得連結(jié)靠近所述燃料電池的兩個(gè)互連件的旁路元件122保持反向偏壓?？蛇x擇在這一反向偏壓下實(shí)際上是開路的旁路元件122。如果燃料電池102損壞，電池102可變成高電阻寄生負(fù)載，且可在損壞的電池兩端形成電壓降。電壓降可為約0.5V到約15V，諸如約IV到約5V。當(dāng)所述電壓降超過旁路元件122的閾值電壓(如果所述旁路元件是二極管，諸如“接通”電壓)時(shí)，旁路元件122被置于正向偏壓中且在兩個(gè)互連板104之間傳導(dǎo)電流，從而繞過損壞的燃料電池。旁路元件122的閾值電壓可隨所用旁路模塊120或旁路元件122而改變。舉例來說，閾值電壓可為約0.5V到約3V，諸如約IV。優(yōu)選地，旁路元件122的定向使得旁路電流(即當(dāng)超過旁路元件的閾值電壓時(shí)所傳導(dǎo)的電流)的方向與非損壞電池在正常操作期間的電流方向相同。換句話說，旁路元件122的旁路方向與非損壞電池相同的電流方向。
[0035]旁路模塊可有效繞過一個(gè)以上燃料電池。如果多個(gè)燃料電池失效，電流可通過多個(gè)旁路元件(或單個(gè)旁路元件122,如果它連接不相鄰的或多個(gè)互連件104)。如果兩個(gè)或兩個(gè)以上失效燃料電池彼此緊靠，電流可繞過所述燃料電池以及所述燃料電池之間的互連件。
[0036]在各種實(shí)施例中，燃料電池堆置100和芳路I旲塊120將在熱區(qū)內(nèi)f禹接且因此暴露于高溫。燃料電池堆疊100和旁路模塊120可由于熱量而遭受熱膨脹。因此，旁路模塊120可由具有與燃料電池堆疊100類似的熱膨脹率的材料構(gòu)成。
[0037]在各種實(shí)施例中，熱區(qū)可為熱箱126，如圖1B中所示。熱箱126可以是被設(shè)計(jì)成在燃料電池堆疊100的高操作溫度(例如上文600°C )下操作的隔熱容器或外殼。熱箱可含有用多種方式排列的多個(gè)燃料電池堆疊100。舉例來說，可使用美國專利第7，422，810號中所說明的熱箱，所述專利關(guān)于熱箱和其組件的教示是以引用的方式并入本文中。旁路模塊120可在熱箱126內(nèi)與燃料電池堆疊100耦接。
[0038]熱區(qū)的高溫也意味著可使用專門的高溫旁路元件。各種實(shí)施例可依靠一個(gè)或一個(gè)以上不同類型的旁路元件122。舉例來說，圖中的每一個(gè)旁路元件122作為二極管加以說明。然而，當(dāng)至少一個(gè)燃料電池?fù)p壞時(shí)，每一個(gè)旁路元件122可以是能夠在至少兩個(gè)互連件之間導(dǎo)電的任何被動或主動電氣裝置。如果旁路元件122是二極管，當(dāng)電池未損壞時(shí)，所述二極管優(yōu)選不在反向偏壓方向上傳導(dǎo)可察覺量的電流。另外，所述二極管可能夠在熱區(qū)內(nèi)在諸如約600-1000°C的高溫下操作。金剛石半導(dǎo)體二極管是可在高達(dá)約1000°C的結(jié)溫下操作的二極管的實(shí)例。舉例來說，可使用由A.維斯肯(A.Vescan)等人，“金剛石肖特基二極管的極高溫操作(Very high temperature operation of diamond Schottky diode),，，電子器件快報(bào)(Electron.Device Letters)，IEEE, 18 (11): 556-558 (1997)所揭示的二極管，所述文獻(xiàn)是以全文引用的方式并入本文中。還可使用碳化硅半導(dǎo)體二極管或其它高溫二極管。[0039]各種替代實(shí)施例可包括擊穿電介質(zhì)充當(dāng)旁路元件122。擊穿電介質(zhì)可具有不良導(dǎo)電性，直到施加等于或大于擊穿電壓的電壓為止。如上所述，當(dāng)燃料電池失效時(shí)，其可變成強(qiáng)大的寄生負(fù)載電阻，而不是電壓源。這一變化將產(chǎn)生更高的跨電附接到燃料電池每一側(cè)的互連件的旁路元件的電位差。如果所述旁路元件是擊穿電介質(zhì)，所述更高的電位差可大于擊穿電壓。因此，擊穿電介質(zhì)可開始起導(dǎo)體作用(例如，歸因于電介質(zhì)的相變)且繞過失效燃料電池?？蛇x擇在約2伏電壓下?lián)舸┑膿舸╇娊橘|(zhì)。旁路二極管電介質(zhì)的實(shí)例包括氧化鎳或氧化鉿層。
[0040]各種實(shí)施例可包括反熔絲作為旁路元件。反熔絲旁路元件可一開始具有極高電阻或甚至實(shí)際上為開路，與如上文所論述的在反向偏壓下的二極管類似。然而，如果超過閾值電壓或電流，反熔絲可形成導(dǎo)電通路。與擊穿電介質(zhì)類似，反熔絲在附接到燃料電池每一側(cè)的互連件時(shí)可繞過所述燃料電池且經(jīng)受由燃料電池失效所引起的更高電位差。反熔絲的實(shí)例包括氧化硅或氮化硅層。高電位致使導(dǎo)電連結(jié)從附接在反熔絲電介質(zhì)122每一側(cè)的金屬電極128擴(kuò)散通過反熔絲電介質(zhì)122，從而致使所述連結(jié)提供在電極之間通過電介質(zhì)122的導(dǎo)電通路。
[0041]各種實(shí)施例可包括使旁路模塊與燃料電池堆疊耦接的一種或一種以上不同方式。圖2A說明與圖1A和IB的燃料電池堆疊100類似(但圍繞垂直軸旋轉(zhuǎn)90度)的具有燃料電池102和互連件104的燃料電池堆疊200。然而，燃料電池堆疊200可包括在互連件104上(例如在互連件104板邊緣上)的突起202。如所示,突起202可成對地位于每一個(gè)互連件104上且偏離中心與相鄰互連件104上的其它突起對準(zhǔn)。圖2B說明具有支撐元件211及凹口 212的旁路模塊210。旁路模塊210可包括具有到達(dá)一些凹口 212的導(dǎo)線或跡線228的旁路元件122。圖2C說明如何通過將支撐元件211中的凹口 212耦接到突起202上而可使旁路模塊210附接到燃料電池堆疊200。突起202與轉(zhuǎn)向凹口 212的導(dǎo)線、電線或跡線228的接觸部分224之間的接觸可使旁路元件122與互連件104電連接。如果旁路元件122的導(dǎo)線或跡線228被排列成連接兩個(gè)互連件，如旁路模塊210中所示，可繞過互連件之間出故障的燃料電池。
[0042]各種旁路模塊210可包括支撐元件211、安裝在支撐元件211上或支撐在支撐元件211中的旁路元件122、以及多個(gè)接觸224和導(dǎo)線228。支撐元件211可包括高溫陶瓷或金屬(例如摻雜氧化鈰或穩(wěn)定氧化鋯，諸如氧化釔或氧化鈧穩(wěn)定的氧化鋯，或金屬合金，諸如Cr-Fe合金,例如Cr-4-6wt%Fe合金)，所述高溫陶瓷或金屬具有與固體氧化物燃料電池和互連件相似的熱膨脹系數(shù)(例如相差0-10%)。在各種實(shí)施例中，支撐元件可為陶瓷(例如穩(wěn)定氧化鋯或摻雜氧化鈰)電路板。支撐元件211可以是被塑形成在側(cè)面具有凹口 212的板，使得互連件104的突起202可碰到支撐元件211表面上或內(nèi)部的接觸部分224。優(yōu)選地，所述模塊是預(yù)先制造的獨(dú)立式模塊。這意味著容納安裝在支撐元件211上或支撐在支撐元件211中的旁路元件122以及多個(gè)接觸224和導(dǎo)線228的支撐元件211單獨(dú)由燃料電池堆疊制成，且可作為單獨(dú)來自燃料電池堆疊的單元而處理或運(yùn)輸。
[0043]圖2D說明根據(jù)一個(gè)替代實(shí)施例與旁路模塊240耦接的燃料電池堆疊200。模塊240包括“雙面梳”形狀的支撐元件211，包含在兩側(cè)支撐多個(gè)“梳齒”形狀的伸出段216的中心支撐部分214。通過凹口 212A、212B使相鄰伸出段216彼此分離。模塊240與模塊210類似，但包括不與堆疊互連件104的突起202耦接的額外凹口 212B。換句話說，凹口 212A與突起202耦接。然而，凹口 212B不與突起耦接。因此，每一奇數(shù)或偶數(shù)凹口 212A與突起202耦接，而每隔一個(gè)偶數(shù)或奇數(shù)凹口 212B不與突起202耦接。
[0044]這些額外未耦接的凹口 212B可使得旁路模塊240受力彎曲。確切地說，凹口 212B允許模塊以圖2D中箭頭280所示的堆疊200堆疊方向彎曲，從而使支撐元件211的齒216夾在突起202上以便支撐。在其它實(shí)施例中，支撐元件211的齒部分216可暫時(shí)垂直于堆疊方向(即在圖2D中頁面內(nèi)外方向)彎曲。在替代實(shí)施例中，模塊240未用于接收突起202的額外凹口 212B可用柔性材料(諸如高溫金屬或陶瓷泡沫或氈、或高溫玻璃密封材料)填充，而不是仍空著。
[0045]圖3A說明具有燃料電池102和互連件104的燃料電池堆疊300。燃料電池堆疊300也包括突起202，但與燃料電池堆疊200不同，每一個(gè)互連件104可僅具有一個(gè)突起202。每一個(gè)互連件104可被制造成具有單個(gè)偏離中心的突起202。當(dāng)組裝燃料電池堆疊300時(shí)，一些互連件104可旋轉(zhuǎn)180度，形成與圖3A中類似的突起202圖案?；蛘撸芍圃靸商谆ミB件104，第一套具有向右偏移的突起202而第二套具有向左偏移的突起202，且接著通過在兩套之間交替而組裝成燃料電池堆疊。
[0046]圖3B說明除凹口 212和旁路元件122的排列之外與旁路模塊210類似的旁路模塊310。旁路模塊310可被塑形成凹口 212與突起202圖案(諸如燃料電池堆疊300中的突起202圖案)對準(zhǔn)。凹口 212可在支撐元件211的兩側(cè)交錯(例如，如圖3B中所示交替左、右、左等)。旁路模塊310中的旁路元件122可被排列成導(dǎo)線或跡線轉(zhuǎn)向凹口 212。圖3C說明如何通過使凹口 212與突起202耦接而可將旁路模塊310附接到燃料電池堆疊300。與圖2C中的系統(tǒng)類似，導(dǎo)線、電線或跡線228的接觸224可接觸突起202，從而使旁路元件122與互連件104電連接且繞過出故障的燃料電池102。
[0047]圖3D說明附接到具有突起202的燃料電池堆疊300的替代實(shí)施例旁路模塊320。堆疊300中的互連件104可如圖3A所示，每個(gè)互連件具有一個(gè)突起202。旁路模塊320可與圖2D中的旁路模塊類似，包括彎曲夾持在突起202周圍的齒216。支撐元件211的中心支撐部分214可被塑形或切除，以便給予齒216主要以堆疊300堆疊方向(即在圖3D中上下)彎曲的空間。齒216可彎曲任何合適的量，諸如與水平面呈至少3度，例如5到20度。本文所述的模塊可具有任何合適的尺寸，其取決于堆疊、互連件以及燃料電池尺寸。舉例來說，模塊(例如圖3D中上下方向的模塊320)的高度可為50到500mm，諸如100到200mm，齒216的高度(例如在圖3D中的上下方向)可為0.5到10mm，諸如I到3mm，齒216從其邊緣到中心支撐部分214的寬度(例如圖3D中的左右方向)可為10到100mm，諸如25到50mm，中心支撐元件214的寬度(例如圖3D中的左右方向)可為10到100mm，諸如25到50臟，且厚度(例如圖3D中頁面內(nèi)外方向)可為0.1到10mm，諸如0.25到1mm。
[0048]在其它實(shí)施例中，可通過將互連件104的突起202插入支撐元件211的凹口 212中而使支撐元件211緊靠燃料電池堆疊200或300?；蛘?，代替凹口 212，模塊200或300或支撐元件211可包括直接附接到互連件104或支撐物(諸如互連件104上的突起202)的鉤、夾子、螺栓或其它扣件。
[0049]圖4A說明燃料電池堆疊400附接到旁路模塊410的另一替代實(shí)施例。燃料電池堆疊400可包括燃料電池102和具有凹口 402的互連件104。旁路模塊410可包括突起414。旁路模塊410還可包括支撐旁路元件122的支撐元件411,其中導(dǎo)線或跡線428進(jìn)入突起414?？扇鐖D4A中所示通過將突起414與凹口 402耦接(例如將突起414插入凹口402)而使燃料電池堆疊400和旁路模塊410彼此附接。跡線、電線或?qū)Ь€428的接觸部分424可電連接旁路元件122和互連件104，從而可繞過出故障的燃料電池。接觸部分424可沿著突起414位于任何地方,諸如在尖端。
[0050]圖4B說明一個(gè)替代實(shí)施例，其中旁路模塊460包括支撐元件411中的凹坑464且燃料電池堆疊450包括具有突起452的互連件104，而突起452可適應(yīng)于凹坑464。凹坑(即凹陷)464可位于梳形支撐元件411的柔性齒中，從而賦予模塊460在堆疊方向和垂直于堆疊方向上的額外彎曲性。
[0051]在圖4C中所示模塊470的另一替代實(shí)施例中，凹坑464被一直延伸到支撐元件411的通孔474替換。圖4C中所示的模塊470和堆疊450與圖4B中的模塊和堆疊相比，圍繞垂直軸旋轉(zhuǎn)90度。因此，從互連件104開始延伸的突起452可延伸到旁路模塊支撐元件411。優(yōu)選地(但不一定)，旁路模塊470支撐元件411與模塊210和240類似，呈具有凹口 412和齒416的雙面梳形狀，從而允許支撐元件411在堆疊堆疊方向和垂直于堆疊方向上彎曲。如上文關(guān)于圖2D所述，凹口 412可未被填充(即凹口中無突起或材料)或填充有柔性材料。圖4C還說明可用于將旁路模塊470夾持到燃料電池堆疊450的夾子480。
[0052]圖4D說明附接到燃料電池堆疊490的替代實(shí)施例旁路模塊495。燃料電池堆疊490可在每一個(gè)互連件104的交替?zhèn)让嫔暇哂袉蝹€(gè)突起452，與圖3A中所示燃料電池堆疊300的排列類似。除了齒416交替匹配堆疊490的每一個(gè)互連件上的單個(gè)突起452之外，旁路模塊495可與圖4C中的旁路模塊470類似，具有齒416及通孔474。與圖2D中所示類似，中心支撐部分414可被切除，從而允許支撐元件411主要垂直于堆疊的堆疊方向(即圖4D中頁面內(nèi)外方向)彎曲。元件414和/或齒416可彼此獨(dú)立地彎曲。
[0053]可通過其它機(jī)構(gòu)使旁路模塊與燃料電池堆疊保持接觸。在各種實(shí)施例中，通過一個(gè)或一個(gè)以上彈簧張力裝置、夾子、螺栓等使旁路模塊與燃料電池堆疊保持接觸。如圖5中所示，可通過附接在導(dǎo)線、電線或跡線228末端的彈簧502而使旁路元件122與突起202保持電接觸。彈簧502可以是高溫金屬(例如鉻鎳鐵合金(Inconel))螺旋彈簧或高溫金屬或陶瓷(例如穩(wěn)定氧化鋯)片簧。各種實(shí)施例可使用一個(gè)或一個(gè)以上加重元件將旁路模塊和燃料電池堆疊壓在一起?？墒÷酝钩龊桶伎谇医佑|124直接接觸互連件104的暴露邊緣。
[0054]在各種實(shí)施例中，旁路模塊(包括具有凹口或突起的替代旁路模塊)的旁路元件122的接觸124或?qū)Ь€、電線或跡線128可經(jīng)由涂有各種導(dǎo)電材料的接觸124接觸燃料電池堆疊。這些材料可包括鉬、鎳、鉻鎳鐵合金或亞錳酸鑭鍶(LSM)。
[0055]各種實(shí)施例可涉及在旁路模塊與燃料電池堆疊之間的電接觸點(diǎn)焊接或銅焊(例如，接觸124可被銅焊或焊接到互連件104)。焊接或銅焊可改善傳導(dǎo)或幫助支撐和保持燃料電池堆疊與旁路模塊之間的接觸。
[0056]其它實(shí)施例可在旁路模塊內(nèi)包括一個(gè)或一個(gè)以上電壓監(jiān)控裝置。對每一個(gè)燃料電池元件進(jìn)行電壓監(jiān)控可更好地測量系統(tǒng)性能且更精確地診斷任何系統(tǒng)問題。然而，監(jiān)控更多電壓的益處和每一個(gè)額外監(jiān)控裝置的成本升高保持平衡。早先，固定數(shù)目的監(jiān)控裝置可能已被選擇用于燃料電池系統(tǒng)的整個(gè)壽命。可互換的旁路模塊可允許基于具體單元的壽命周期調(diào)節(jié)監(jiān)控的量。舉例來說，原型燃料電池堆疊單元可與每一個(gè)燃料電池配備有電壓監(jiān)控裝置的旁路模塊耦接。這些監(jiān)控裝置可提供每一個(gè)單元的電壓測量且可輔助顯影。類似地，生產(chǎn)單元可在部署前與具有許多電壓監(jiān)控裝置的旁路模塊耦接。通過這種方式，可在旁路模塊被附接到燃料電池堆疊之前對它進(jìn)行故障測試。所述旁路模塊所允許的更大數(shù)目的測量可防止部署不可靠的單元。
[0057]或者，具有相對較少電壓監(jiān)控裝置的旁路模塊可用于單元壽命周期的其它部分，諸如在現(xiàn)場(即在單元被定位用于發(fā)電的地點(diǎn))部署后。這些旁路模塊可包括任意數(shù)目的用于監(jiān)控跨任意數(shù)目的燃料電池的電壓的裝置。舉例來說，旁路模塊可包括單個(gè)裝置監(jiān)控跨多達(dá)一百個(gè)燃料電池的電壓。替代實(shí)施例模塊可包括用于多組燃料電池中每一組的電壓監(jiān)控裝置?？偠灾?，可在燃料電池堆疊附接到具有多個(gè)第一監(jiān)控裝置和至少一個(gè)旁路元件的第一旁路模塊時(shí)對燃料電池堆疊進(jìn)行測試。接著將第一旁路模塊從燃料電池堆疊中移出，且將具有至少一個(gè)監(jiān)控裝置和至少一個(gè)旁路元件的第二不同旁路模塊附接到燃料電池堆疊。接著在現(xiàn)場操作燃料電池堆疊發(fā)電，同時(shí)使用第二旁路模塊的至少一個(gè)監(jiān)控裝置監(jiān)控燃料電池堆疊操作。第一旁路模塊比第二旁路模塊容納更多的監(jiān)控裝置。因此，在堆疊測試期間使用每個(gè)堆疊具有更多監(jiān)控裝置的第一模塊，而在堆疊的現(xiàn)場操作(即發(fā)電)期間使用每個(gè)堆疊具有比第一模塊少的裝置的第二模塊。
[0058]也可在壽命周期的其它時(shí)間使用具有不同類型或數(shù)目的電壓監(jiān)控裝置的旁路模塊。舉例來說，在關(guān)鍵使用中在或可能需要快速鑒定失效的其它情況下操作的燃料電池堆疊可具有容納許多電壓監(jiān)控裝置的旁路模塊?？赏ㄟ^在接近壽命周期結(jié)束的單元中使用具有許多監(jiān)控裝置的模塊鑒定待替換或修復(fù)的第一電池來延長堆疊的總壽命。
[0059]各種實(shí)施例可包括不同類型的電壓監(jiān)控裝置。圖6說明附接到具有電壓監(jiān)控的旁路模塊600的燃料電池堆疊100?？赏ㄟ^在每個(gè)旁路元件之間運(yùn)行電壓探針610來監(jiān)控跨電池102和旁路元件122的電壓。這些探針610可由可經(jīng)受住熱區(qū)溫度的各種不同導(dǎo)電材料制成，諸如N1、Cr等。探針510可被安裝在支撐元件511上或支撐在支撐元件511內(nèi)。探針610可與檢測并記錄跨每個(gè)電池或旁路元件的電壓的數(shù)據(jù)記錄單元602連接。數(shù)據(jù)記錄單元可被連接到外部裝置(例如電腦)用于傳輸所記錄的電壓?；蛘?，數(shù)據(jù)記錄單元602的數(shù)據(jù)可被無線傳送到外部裝置以避免接線到外部裝置。
[0060]雖然圖6說明并入與旁路元件122相同的模塊600的電壓探針，但是這些探針可單獨(dú)使用。其它實(shí)施例包括具有電壓探針610但不具有旁路元件122的模塊。電壓探針610可被連接到一個(gè)或一個(gè)以上互連件104，諸如每一個(gè)互連件、每隔一個(gè)互連件，或各種其它圖案或隨機(jī)分配。探針數(shù)目可在模塊之間變化。與旁路元件122類似，可在生產(chǎn)或診斷顯影期間使用具有更多電壓探針610的模塊，而可在部署后使用具有更少探針的模塊?；蛘撸蓪⑻结樉€點(diǎn)焊到堆疊，而不是使用模塊連接。
[0061]其它實(shí)施例可包括電流回路以檢測流經(jīng)旁路元件的電流。這些電流回路630可如圖6中所示放置在一個(gè)或一個(gè)以上旁路元件122或旁路元件122組周圍。當(dāng)存在旁路電流時(shí)，可在電流回路中誘發(fā)電壓并在外部檢測。電流回路具有在不與燃料電池或燃料電池堆疊實(shí)際接觸(一般使用電壓探針進(jìn)行)的情況下檢測燃料電池性能的優(yōu)勢，且因此不能參與燃料電池或堆疊短路。電流回路可被附接到與上文所論述的數(shù)據(jù)記錄單元602類似的數(shù)據(jù)記錄或傳送裝置，或可被連接到外部裝置。
[0062]其它實(shí)施例可包括整合到旁路模塊中形成邏輯門并形成多路復(fù)用器的高溫晶體管。多路復(fù)用器可允許經(jīng)由多路輸入信號監(jiān)控電壓探針610或電流回路630，且允許使用更少的進(jìn)出熱區(qū)的信號線監(jiān)控許多電池。
[0063]各種實(shí)施例可包括整合到旁路模塊中的壓力或溫度監(jiān)控裝置。圖7說明具有整合溫度和/或壓力傳感器704的旁路模塊700。這些裝置可與互連件104中的端口連接。每個(gè)模塊的壓力或溫度監(jiān)控裝置的數(shù)目可基于如上文關(guān)于電壓監(jiān)控裝置所述的堆疊的壽命周期而變化。傳感器704可通過探針710被連接到數(shù)據(jù)記錄裝置702。數(shù)據(jù)記錄裝置702可經(jīng)由有線或無線連接而將所記錄的壓力或溫度傳送到外部裝置。傳感器704可被安裝在支撐元件611上或支撐在支撐元件611中。傳感器704可包含接觸燃料電池堆疊或位于燃料電池堆疊附近的熱電偶或壓力傳感器。
[0064]提供先前對所揭示方面的描述以使得所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠制作或使用本發(fā)明。對于所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，將易于明了對這些方面的各種修改，且在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下，本文中定義的一般原理可適用于其它方面。因此，本發(fā)明并不意欲限于本文中所展示的方面，而是應(yīng)符合與本文中所揭示的原理和新穎特征一致的最寬范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種燃料電池系統(tǒng)，其包含: 熱區(qū)中的燃料電池堆疊，所述燃料電池堆疊包含多個(gè)燃料電池和多個(gè)互連件；和 包含多個(gè)旁路元件的模塊，所述模塊附接到所述燃料電池堆疊且位于所述熱區(qū)中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述多個(gè)旁路元件中的至少一個(gè)與所述多個(gè)互連件中的至少兩個(gè)電連接，以便繞過位于所述互連件之間的所述多個(gè)燃料電池中的至少一個(gè)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述多個(gè)旁路元件中的每一個(gè)包含二極管。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述多個(gè)旁路元件中的每一個(gè)包含擊穿電介質(zhì)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述多個(gè)旁路元件中的每一個(gè)包含反熔絲。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述熱區(qū)為熱箱。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述多個(gè)旁路元件被安裝在支撐元件上或支撐在支撐元件內(nèi)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中所述支撐元件為陶瓷電路板。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中所述模塊包含獨(dú)立式模塊且所述支撐元件包含支撐板，所述支撐板具有實(shí)質(zhì)上與所述燃料電池堆疊相似的熱膨脹系數(shù)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中: 所述多個(gè)互連件包含至少一個(gè)突起； 所述支撐元件被塑形成具有至少一個(gè)凹口、凹坑或通孔；且 通過將所述至少一個(gè)突起放入所述至少一個(gè)凹口、凹坑或通孔中而使所述旁路模塊附接到所述燃料電池堆疊。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中所述支撐元件呈包含柔性齒的梳形，所述柔性齒被塑形成界定所述柔性齒之間的多個(gè)凹口。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中通過將所述多個(gè)互連件的至少一個(gè)突起放入所述支撐元件的兩個(gè)所述柔性齒之間的凹口中而使所述旁路模塊附接到所述燃料電池堆疊。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng),其中通過將突起放入交替凹口中而使所述旁路模塊附接到所述燃料電池堆疊；且 不具有突起的凹口未被填充或填充有柔性材料。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中: 所述支撐元件被塑形成在所述多個(gè)齒的至少一些中具有至少一個(gè)凹坑或通孔；且 通過將相應(yīng)突起放入相應(yīng)凹坑或通孔中而使所述旁路模塊附接到所述燃料電池堆疊，同時(shí)所述多個(gè)凹口未被填充或填充有柔性材料。
15.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中通過彈簧張力裝置、加重元件、螺栓、夾子、焊接或銅焊將所述模塊附接到所述燃料電池堆疊。
16.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中: 所述多個(gè)互連件中的每一個(gè)包含至少一個(gè)凹口； 所述旁路模塊包含至少一個(gè)突起；且 通過將所述至少一個(gè)突起插入所述至少一個(gè)凹口中而使所述旁路模塊附接到所述燃料電池堆疊。
17.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其另外包含整合到所述模塊中的多個(gè)監(jiān)控裝置，其中所述監(jiān)控裝置包含電壓、壓力或溫度監(jiān)控裝置。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中所述監(jiān)控裝置包含電壓監(jiān)控探針。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，其中所述模塊另外包含被配置成多路復(fù)用器的高溫晶體管。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，其中所述電壓監(jiān)控裝置包含電流回路。
21.根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中所述監(jiān)控裝置包含熱電偶。
22.一種獨(dú)立式旁路模塊，其包含: 多個(gè)旁路元件，其被配置成與燃料電池堆疊的多個(gè)互連件中的至少兩個(gè)電連接，以便繞過所述燃料電池堆疊的多個(gè)燃料電池中的至少一個(gè)；和支撐元件，其支撐所述多個(gè)旁路元件； 其中所述支撐元件被塑形成具有凹口且包含暴露在所述凹口內(nèi)的電接觸。
23.一種獨(dú)立式旁路模塊，其包含: 多個(gè)旁路元件，其被配置成與燃料電池堆疊的多個(gè)互連件中的至少兩個(gè)電連接，以便繞過所述燃料電池堆疊的多個(gè)燃料電池中的至少一個(gè)； 支撐元件，其支撐所述多個(gè)旁路元件；和 用于使所述旁路模塊附接到熱區(qū)中的燃料電池堆疊的構(gòu)件。
24.—種方法,其包含: 提供預(yù)先制造的包含旁路元件的獨(dú)立式旁路模塊；和 將所述預(yù)先制造的旁路模塊附接到燃料電池堆疊，使得所述模塊和所述燃料電池堆疊位于熱區(qū)中。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其中附接所述預(yù)先制造的旁路模塊包含將所述預(yù)先制造的旁路模塊的支撐元件中的突起插入所述燃料電池堆疊中互連件的凹口中。
26.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其中附接所述預(yù)先制造的旁路模塊包含將所述燃料電池堆疊的互連件中的突起插入所述預(yù)先制造的旁路模塊的支撐元件中的凹口中。
27.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其中附接所述預(yù)先制造的旁路模塊包含焊接或銅焊。
28.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其中附接所述預(yù)先制造的旁路模塊包含施加彈簧負(fù)載。
29.一種操作燃料電池系統(tǒng)的方法，其包含: 測試附接到具有多個(gè)第一監(jiān)控裝置和至少一個(gè)旁路元件的第一旁路模塊的燃料電池堆疊； 從所述燃料電池堆疊中移出所述第一旁路模塊； 將具有至少一個(gè)監(jiān)控裝置和至少一個(gè)旁路元件的第二旁路模塊附接到所述燃料電池堆疊；和 操作所述燃料電池堆疊發(fā)電，同時(shí)使用所述第二旁路模塊的至少一個(gè)監(jiān)控裝置監(jiān)控所述燃料電池堆疊操作； 其中所述第一旁路模塊含有比所述第二旁路模塊多的監(jiān)控裝置，且所述第二旁路模塊和所述燃料電池堆疊位于同一熱箱中。
30.一種操作燃料電池堆疊的方法，其包含:測試具有第一數(shù)目個(gè)電壓監(jiān)控探針的燃料電池堆疊；和 操作所述燃料電池堆疊發(fā)電，同時(shí)使用第二數(shù)目個(gè)電壓監(jiān)控探針監(jiān)控所述燃料電池堆疊操作； 其中所述第一數(shù)目 大于所述第二數(shù)目。
【文檔編號】H01M8/24GK103718362SQ201280036300
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2012年6月8日 優(yōu)先權(quán)日:2011年6月9日
【發(fā)明者】馬蒂亞斯·戈特曼, 阿恩·巴蘭坦, 奇卡林格·卡盧波亞 申請人:博隆能源股份有限公司
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