公開了一種用于修復燃料電池組的方法和部件。特別地，該方法和部件涉及修復包含陶瓷部件的高溫燃料電池組。

背景

數(shù)種不同類型的燃料電池包括由陶瓷材料制成的部件，這是由于陶瓷材料在700℃和700℃以上的高溫操作期間特別堅固。陶瓷材料用于質(zhì)子陶瓷燃料電池(pcfc)、熔融碳酸鹽燃料電池(mcfc)以及固體氧化物燃料電池(sofc)。

然而，目前的高溫燃料電池技術(shù)的主要缺點是耐久性。這些燃料電池運行的高溫加速了部件擊穿和腐蝕，并且因此導致燃料電池壽命的降低。

sofc是固態(tài)設(shè)備，該固態(tài)設(shè)備使用氧離子導電陶瓷電解質(zhì)通過將氧離子從燃料電池的陰極處的氧化氣流(例如，空氣或氧化劑)轉(zhuǎn)換成燃料電池的陽極處的還原氣流(例如，氫氣、甲烷、天然氣、戊烷、乙醇或甲醇)來產(chǎn)生電流。在大約700℃至大約1000℃的典型溫度下操作的sofc使得能夠?qū)ж撾姾傻难蹼x子從陰極流動流輸送到陽極流動流，其中離子與烴分子中的游離氫或氫組合以形成水蒸氣和/或與一氧化碳組合以形成二氧化碳。來自帶負電荷的離子的多余電子通過在陽極和陰極之間完成的電路路由回到燃料電池的陰極側(cè)，導致電流流過電路。

為了增加燃料電池模塊的可用功率輸出，各個燃料電池串聯(lián)在一起以形成燃料電池束。燃料電池束可以連接到相鄰的燃料電池束，以形成燃料電池條。燃料電池條并聯(lián)連接在一起以形成燃料電池組，并且多個組可以連接在一起以形成模塊以聚集功率輸出。

燃料電池可以以多個平面元件、平面或圓柱形管或其它幾何形狀的形式被歸攏在一起。燃料電池組，特別是具有平面幾何形狀的電池組，通常使用電解質(zhì)和互連表面之間的密封，以在燃料電池組內(nèi)的各個位置處包含燃料和空氣。

典型的燃料電池模塊可以包括多個燃料電池組，組可以包括并聯(lián)連接的多個燃料電池條，燃料電池條可以包括多個燃料電池束，并且束可以包括多個燃料電池管或管子組件。

在燃料電池或其它部件中使用的陶瓷中的裂紋是這些設(shè)備故障的主要原因。賦予精密燃料電池的熱和機械載荷可能導致燃料電池的災(zāi)難性故障。目前，燃料電池組經(jīng)受詳細的檢查過程，包括電測量以及視覺檢查，以在制造過程中盡可能早地檢查裂紋。然而，已知燃料電池內(nèi)和燃料/氧化劑歧管內(nèi)的裂紋在燃料電池組的壽命期間顯現(xiàn)。

ep0668622b1公開了一種固體氧化物燃料電池，該固體氧化物燃料電池包括多個模塊。這些模塊中的一些包括中空構(gòu)件，該中空構(gòu)件具有兩個平行的平坦表面，固體氧化物燃料電池布置在在該兩個平行的平坦平面上。每個模塊的相對的端部通過順應(yīng)性波紋管連接部連接到反應(yīng)物歧管。

ep1419547b1公開了一種固體氧化物燃料電池組，該固體氧化物燃料電池組包括多個模塊，模塊包括長形的中空構(gòu)件，這些中空構(gòu)件具有用于反應(yīng)物流動的通路。模塊被布置成使得每個模塊的至少一個端部連接到相鄰模塊的端部，以允許反應(yīng)物以蛇形類型布置順序地流動穿過模塊。

簡要概述

根據(jù)第一方面，提供了一種修理燃料電池條的方法，該方法包括：

識別燃料電池條內(nèi)的待從燃料電池條分離的燃料電池束；

識別連接到燃料電池束的至少一個燃料進料管道部分；

識別連接到燃料電池束的至少一個燃料出口管道部分；

將切割刀片定位在至少一個燃料進料管道部分上，并切穿該至少一個燃料進料管道部分，以將至少一個燃料進料管道部分分離成連接到燃料電池條的第一燃料進料管道部分和連接到燃料電池束的第二燃料進料管道部分，并且將切割刀片定位在至少一個燃料出口管道部分上并切穿至少一個燃料出口管道部分，以將至少一個燃料出口管道部分分離成連接到燃料電池條的第一燃料出口管道部分和連接到燃料電池束的第二燃料出口管道部分；

從燃料電池條移除燃料電池束、第二燃料進料管道部分以及第二燃料出口管道部分；

插入包括替換第二燃料進料管道部分和替換第二燃料出口管道部分的替換燃料電池束；以及

通過以下方式將替換燃料電池束連接到燃料電池條：

用第一密封構(gòu)件將替換第二燃料進料管道部分連接到第一燃料進料管道部分；以及

用第二密封構(gòu)件將替換第二燃料出口管道部分連接到第一燃料出口管道部分。

該方法的優(yōu)點在于，可以相對容易地替換在條的制造和檢查期間在特定束內(nèi)檢測到的缺陷，從而能夠修正燃料電池條。該方法的另一個好處是，在諸如燃料電池條的結(jié)構(gòu)氣密陶瓷燃料電池組件內(nèi)的缺陷區(qū)段的替換使制造缺陷或操作期間檢測到的任何缺陷的成本影響最小化。

可選地，該方法還包括：將進料管道切割引導部定位在至少一個燃料進料管道部分上并將出口管道切割引導部定位在至少一個燃料出口管道部分上，以及將切割刀片定位在至少一個燃料進料管道部分上的進料管道切割引導部上，并將切割刀片定位在至少一個燃料出口管道部分上的出口管道切割引導部上。

根據(jù)第二方面，提供了固體氧化物燃料電池組，該固體氧化物燃料電池組包括至少一個燃料電池條，該至少一個條包括：

燃料進料管道，其包括多個燃料進料管道部分；

燃料出口管道，其包括多個燃料出口管道部分；以及

多個束，每個束包括多個管子組件，該管子組件包括燃料電池管，燃料電池管通過連接相鄰的管子組件的端部配件被縱向分離，該端部配件提供用于燃料的通路；

其中，每個束的相應(yīng)的最下或最上管子組件中的一個包括將束連接到燃料進料管道部分的歧管端部配件，并且每個束的相應(yīng)的最下或最上管子組件中的另一個包括將束連接到燃料出口管道部分的歧管端部配件；并且

其中，至少一個燃料進料管道部分和至少一個燃料出口管道部分包括切割引導部，該切割引導部配置成指示該至少一個燃料進料管道部分和至少一個燃料出口管道部分的安全切割位置。

切割引導部指示切割刀片可以定位在燃料進料管道部分上的位置，以便安全地切穿燃料進料管道部分，而不損壞燃料電池條的其它部分。切割引導部可以是線或標記，或者其可以是管道部分中的凹槽。能夠安全地從條移除束大大降低了燃料電池的制造和運行成本。在燃料電池的壽命期間，某些燃料電池束可能會經(jīng)歷不利的退化，或甚至可能會經(jīng)歷完全失效。因此，周圍的束對退化的束的效率的降低進行了補償，并降低了整個條的壽命。目前的方法僅允許移除整個條。然而，這是浪費的，這是由于條的大部分可能處于良好的工作狀態(tài)。

可選地，切割引導部是配置為約束定位在凹口中的切割刀片的凹口，以減少切割刀片相對于燃料進料管道部分和/或燃料出口管道部分的移動。

可選地，該切割引導部是形成在至少一個燃料進料管道部分和至少一個燃料出口管道部分的表面上的線。

可選地，燃料進料管道部分和燃料出口管道部分可以由諸如氧化鎂鋁酸鎂(mma)陶瓷材料的防滲的材料制成。使用mma的好處是，可以使用諸如注射成型或壓制成型的技術(shù)來制造管道部分，這些技術(shù)提供非常精確的結(jié)構(gòu)，并且因此提供切割引導部的非常精確的公差。

附圖簡述

將參考附圖在下文中進一步描述本發(fā)明的實施方案，在附圖中：

圖1示出了固體氧化物燃料電池條的一部分；

圖2示出了燃料管道的一部分；

圖3示出了燃料管道的一部分；

圖4示出了固體氧化物燃料電池條的束的一部分；

圖5示出了切割工具和固體氧化物燃料電池條的一部分；

圖6示出了切割工具切穿燃料電池條中燃料管道的一部分的透視圖；

圖7示出了切割工具和固體氧化物燃料電池條的一部分；

圖8示出了切割后的燃料管道的部分；

圖9示出了切割后的燃料管道的部分和軸環(huán)；

圖10示出了在插入條中之前的替換束的透視圖；

圖11示出了固體氧化物燃料電池條中的替換束的透視圖；

圖12示出了通過固體氧化物燃料電池條中的替換束的部分視圖。

詳細描述

在所描述的實施方案中，已經(jīng)用類似的數(shù)字標識了類似的特征，盡管在一些情況下具有整數(shù)倍100的增量。

燃料電池組由多個燃料電池條2組成。燃料電池條2由多個燃料電池束14構(gòu)成，燃料電池束14包括多個燃料電池管子組件16，燃料電池管子組件16具有在端部配件22、24之間的燃料電池管18。燃料電池包括陽極電極、電解質(zhì)以及陰極電極。反應(yīng)物(例如，燃料)流被供應(yīng)到陽極電極，且氧化劑流(例如，空氣)被供應(yīng)到陰極電極。燃料電池布置在長形的中空構(gòu)件(即，燃料電池管子組件)的兩個平行表面上。陽極電極布置在燃料電池管組件的表面上，并且陰極電極通過陽極電極和電解質(zhì)與燃料電池管的表面間隔開。燃料電池管是多孔的，使得燃料能夠流到燃料電池。燃料電池沿燃料電池管間隔開并串聯(lián)地電連接。燃料依次通過燃料電池管子組件從燃料入口歧管流到燃料出口歧管。此外，空氣或氧化劑流動穿過相鄰的燃料電池管之間的空間。每個燃料電池束通常包括六個燃料電池管子組件，并且每個束通常具有串聯(lián)的720個燃料電池。每個條通常具有并聯(lián)電連接的六對束。在優(yōu)選的實施方案中，燃料電池組由并聯(lián)連接在一起的五個燃料電池條形成。燃料和氧化劑以條級別調(diào)節(jié)，而溫度以組級別調(diào)節(jié)。

燃料電池管18在平面上大體上彼此平行地布置。相鄰的管子組件16也布置成大體上彼此平行并間隔開，使得一個燃料電池管子組件16的燃料電池管18不接觸相鄰的管子組件16的燃料電池管18。

管子組件16經(jīng)由端部配件22、24連接到相鄰的管子組件。使用端部配件與燃料電池管組合以制造管子組件16的好處是眾多的，并且包括最小化在構(gòu)建燃料電池條2時所需的部分的數(shù)量。因此，管子組件16是單個部分。以模塊化方式構(gòu)建組減少了對復雜燃料電池管密封程序的需要，并且允許在安裝成束或更完整的結(jié)構(gòu)之前，對各個燃料電池管子組件進行完整性測試。燃料電池管18布置在端部配件22、24中，并且燃料電池管18使用結(jié)合件(bond)密封以產(chǎn)生密封單元，該端部配件在燃料電池管和端部配件之間形成氣密的燃料流動路徑。

端部配件22、24在相鄰的燃料電池管、相鄰的管子組件和相鄰的束之間提供機械公差。因此，端部配件提供了用于應(yīng)力和應(yīng)變的機械和熱路徑以傳播并減輕通過更脆弱的燃料電池管傳播的應(yīng)力和應(yīng)變。

燃料歧管端部配件26、27需要終止束14的最上管子組件和最下管子組件，并且歧管端部配件26、27將每個束14連接到主條燃料進料和出口管道28、29的燃料管道部分30。下面更詳細地描述燃料歧管端部配件。燃料流過燃料進料管道28進入并穿過歧管端部配件26并進入到管子組件18中。燃料通過歧管端部配件27流出管子組件16并進入且穿過燃料出口管道29。管子組件16布置成使得燃料以蛇形布置依次穿過相鄰的管子組件16從燃料進料管道28處的燃料歧管端部配件26流到燃料出口管道29處的相關(guān)聯(lián)的燃料歧管端部配件27。

端部配件由具有與固體氧化物燃料電池管的cte相匹配的熱膨脹系數(shù)(cte)的材料制成。固體氧化物燃料電池需要約750℃至1100℃的操作溫度以保持低的內(nèi)部電阻。例如，從冷啟動經(jīng)過燃料電池組的大的溫度變化例如可能導致部件的大的膨脹和收縮，并且cte的失配可能對固體氧化物燃料電池條2的機械和熱完整性造成災(zāi)難性的后果。即使在正常運行溫度下，也可以發(fā)現(xiàn)在整個燃料電池組和整個管子組件中的溫度變化。因此，通過將端部配件的cte與燃料電池管的cte相匹配，減少了由燃料電池管和端部配件的熱變化引起的機械應(yīng)力。

端部接件由諸如氧化鎂鋁酸鎂(mma)陶瓷材料的防滲的材料制成。能夠承受燃料電池組的運行溫度并具有與燃料電池管的cte相匹配的熱膨脹系數(shù)的防滲的材料都適于生產(chǎn)端部配件。此外，與更精密的燃料電池管相比，防滲的端部配件能夠承受大的壓縮載荷。

端部配件可以通過注射成型工藝生產(chǎn)。注射成型是廣泛使用的制造工藝，用于使用精密加工的模具來生產(chǎn)零件以形成幾何精確的零件。替代地，端部配件還可以使用壓制成型生產(chǎn)。按照本發(fā)明的實施方案所要求的壓制成型或壓制工藝提供類似的幾何精確的零件。

第一類型的端部配件22和第二類型的端部配件24毗鄰相鄰的管子組件16以提供在相鄰的管子組件16之間的氣密通道，并允許反應(yīng)物依次流過管子組件16。由于相鄰的管子組件16的燃料電池管18不接觸，因此機械應(yīng)力和熱應(yīng)力不會在燃料電池管18內(nèi)復合，而是熱應(yīng)力和機械應(yīng)力通過端部配件22、24傳播。端部配件22、24被設(shè)計成承受熱應(yīng)力和機械應(yīng)力，因為它們比燃料電池管18更堅固。因此，在束的燃料電池管中不會產(chǎn)生機械應(yīng)力和熱應(yīng)力。在這種布置中，固體氧化物燃料電池條2中的熱應(yīng)力和機械應(yīng)力減小。

此外，使用端部配件作為管子組件16的一部分使得能夠制造管子組件16，而不需要后續(xù)密封過程。在將管子組件安裝在束內(nèi)之前，可以檢查管子組件16的接合部泄漏、幾何精度以及通過管子組件的壓降。由于改進了管子組件16中的制造公差，部分地減小了整個燃料電池組中的機械應(yīng)力和熱應(yīng)力。

制造管子組件16與制造束14或固體氧化物燃料電池條2的隔離提供了解決燃料電池管18內(nèi)的缺陷的機會，這是由于管子組件16可以在安裝在更完整的燃料電池組中之前被測試。

在某些實施方案中，端部配件具有用于反應(yīng)物流動的單個或數(shù)個內(nèi)部燃料流動通道。

圖2和圖3示出了與燃料電池條2隔離的燃料管道部分30。管道幾何形狀的其它變型也被設(shè)想為具有類似的功能，例如，卵型、橢圓形或賽道形橫截面。燃料管道部分30與燃料電池束14的歧管端部配件26、27一起形成主條燃料管道28、29。燃料管道部分30具有切割引導部32，該切割引導部32示出為模制到燃料管道部分30的主體34中的凹槽。切割引導部指示將束與條分離所需的切口的位置。燃料管道30的形狀不需要為如所示的圓形，并且燃料管道部分可以設(shè)置成其它形狀，例如，卵形或矩形。燃料管道部分30必須配置成與相鄰的燃料電池束16的歧管端部配件26或27聯(lián)接，以提供在歧管端部配件26或27之間的用于燃料的通路。

燃料管道部分30還設(shè)置有凸緣36和插入件38。插入件配置成與歧管端部配件26、27協(xié)作并插入到歧管端部配件26、27中。凸緣提供密封表面并使用流延成型墊圈或陶瓷玻璃漿料，形成用于燃料的氣密通路。

在某些實施方案中，插入件38還可以具有切口39。切口允許燃料管道30更容易地插入燃料電池條2中并允許燃料從管道30離開并進入束燃料歧管端部配件26或27中。

圖4示出了燃料電池條2的區(qū)段的橫截面。在相鄰的燃料管道30上的切割引導部32處切穿燃料管道30能夠安全地移除特定的束。使用剩余的燃料管道部分，替換束可以被定位在燃料電池條2中，并且燃料管道被重新密封以形成用于燃料流動的氣密流動通路。

端部管道配件26或27與端部配件22或24之間的膨脹間隙15減少了通過相鄰的束14傳播的機械應(yīng)力和熱應(yīng)力。束之間的膨脹間隙的存在使得能夠移除條內(nèi)的特定束，這是由于束借助于其通過歧管端部配件與燃料管道的相應(yīng)連接而被連接在條內(nèi)。因此，束借助于與燃料管道28、29的連接固定在條內(nèi)。

為了從燃料電池條2中移除有缺陷的束14，必須在切割引導部32的位置處切割四個燃料管道30，以從燃料電池條2移除內(nèi)部束14。這是由于條具有燃料進料管道28和燃料出口管道29，并且這些燃料管道28、29都必須在特定的束的上方和下方切割以移除束。如果條的頂部或底部的束有缺陷，則必須僅切割兩個燃料管道30，這是由于條的頂部和底部處的連接可能已經(jīng)是可移除的。

圖5示出了用于切穿燃料進料管道28的切割工具50。燃料進料管道28和具有切割輪50的切割工具或夾具配置成使得切割工具可以切穿燃料管道28、29的四個燃料管道30，而不切穿燃料電池管子組件16或燃料電池條2的任何其它部分。

切割工具50是圓鋸型的。圓鋸能夠切割進入燃油管道，同時減少損壞周圍條的部件的機會。

在一些實施方案中，壓力傳感器設(shè)置在切割工具上，使得一旦切割工具切穿燃料管道，則切割工具自動停止。

圖6示出了在切割引導部32的位置處切穿燃料進料管道28的燃料管道30的切割工具50的替代視圖。在連接到束歧管端部配件的燃料管道之間和相鄰的燃料管道之間需要足夠的間隙以減少切削工具50對周圍部件的損壞的風險。

圖7示出了條的區(qū)段的橫截面視圖，其中切割工具50切穿燃料進料管道28的燃料管道。該圖示出了切割工具50的刀片與燃料電池條的最近端部配件之間的良好間隙。

圖8和圖9示出了具有部段28’、29’以及28”、29”的切割燃料管道30的區(qū)段。附加的套環(huán)31配置成產(chǎn)生替換接合部，并且一旦更換束，則需要重新密封燃料管道。使用如最初用于條組件的流延成型玻璃陶瓷墊圈將新束固定到條中。

要注意的是，燃料管道部分30的凸緣36具有環(huán)形表面36a，并且具有環(huán)形表面36b，環(huán)形表面36a背離燃料管道部分30的中間，環(huán)形表面36b面向彼此和燃料管道部分30的中間。環(huán)形表面36a設(shè)置有玻璃陶瓷墊圈33，以在燃料電池條2的初始建造期間抵靠端部管道配件26或27密封。環(huán)形表面36b設(shè)置有玻璃陶瓷墊圈33，以在替換束14'期間抵靠套環(huán)31的環(huán)形端部表面密封。因此，玻璃陶瓷墊圈33抵靠在燃料進料管道28和燃料出口管道29的部段28’、29’和28”和29”的凸緣26上的環(huán)形表面36b密封。

圖10示出了在安裝到條2中之前的替換束14’。在替換束之前，替換燃料管道部段28’、29’和28”、29”必須裝配有新的流延成型玻璃陶瓷墊圈33。

替換束是修復的束或替代地是新的束，且替換束被定位在條中以替換有缺陷的束。套環(huán)31提供用于將新的束接合到組的替換接合裝置。套環(huán)31使用流延成型玻璃陶瓷墊圈33固定。替換束需要在四個位置中切割燃料管道，因此每個切割的燃料管道30需要替換套環(huán)31，以便將替換束14’插入到燃料電池條中并固定，使得燃料管道28和29是氣密的。

圖11示出了具有替換束14’和四個套環(huán)31的燃料電池條2的區(qū)段，四個套環(huán)31在替換束14’上方和下方，將束14'固定并密封到燃料管道28、29。

圖12示出了用束14’替換的燃料電池條2的區(qū)段的橫截面圖。套環(huán)31定位在燃料管道28、29的兩個部段28’、29’、28”、29”周圍。如先前所述，相鄰的束之間的膨脹間隙23允許束14’容易地替換，這是由于束僅通過其經(jīng)由燃料歧管端部配件26、27的到燃料管道28、29的相應(yīng)連接固定在燃料電池條2內(nèi)。

盡管為了切割燃料管道部分而優(yōu)選使用切割引導部，但是同樣可能的是燃料管道部分不具有切割引導部。此外，盡管優(yōu)選的是燃料管道部分在燃料管道部分的中間被切割，但是可以沿其長度在任何合適的位置切割燃料管道部分，只要有足夠長的剩余管道部分可用于定位和結(jié)合到套環(huán)上

對于本領(lǐng)域技術(shù)人員將清楚的是，關(guān)于上述任何實施方案描述的特征可以在不同實施方案之間可互換地應(yīng)用。上述實施方案是示出本發(fā)明的各種特征的示例。

貫穿本說明書的描述和權(quán)利要求，詞語“包括(comprise)”和“包含(contain)”以及其變體是指“包括但不限于”，并且它們并不意圖(并且沒有)排除其它部分、添加物、部件、整體或步驟。貫穿本說明書的描述和權(quán)利要求，單數(shù)涵蓋復數(shù)，除非上下文另有要求。特別地，在使用不定冠詞的情況下，本說明書應(yīng)理解為考慮復數(shù)以及單數(shù)，除非上下文另有要求。

結(jié)合本發(fā)明的特定方面、實施方案或示例描述的特征、整體、特性、化合物、化學部分或組應(yīng)被理解為可適用于本文描述的任何其他方面、實施方案或示例，除非與其不相容。在本說明書(包括任何隨附的權(quán)利要求、摘要和附圖)中公開的所有特征和/或如此公開的任何方法或工藝的所有步驟可以以任何組合方式被組合，除了其中這類特征和/或步驟中的至少某些是相互地排他的組合之外。本發(fā)明不限于任何前述的實施方案的細節(jié)。本發(fā)明擴展至在本說明書(包括任何隨附的權(quán)利要求、摘要和附圖)中公開的特征中的任何新穎的特征或任何新穎的組合，或擴展至如此公開的任何方法或工藝的步驟中的任何新穎的步驟或任何新穎的組合。

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