用于平面固体氧化物燃料电池系统的顺从式给料管.pdf

一种固体氧化物燃料电池系统(100)。该固体氧化物燃料电池系统(100)包括在燃料电池堆栈(110)内放置在负载下的多个燃料电池(120)，在歧管列(130)内放置在负载下的多个歧管片(140)以及连接燃料电池(120)和歧管片(140)的多个顺从给料管(160)。

1.  一种固体氧化物燃料电池系统(100)，包括：
在燃料电池堆栈(110)内放置在负载下的多个燃料电池(120)；
在歧管列(130)内放置在负载下的多个歧管片(140)；以及
连接所述多个燃料电池(120)和所述多个歧管片(140)的多个顺从给料管(160)。

2.  根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池系统(100)，其特征在于：所述歧管列(130)独立于所述燃料电池堆栈(110)放置在负载下。

3.  根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池系统(100)，其特征在于：所述歧管列(130)包括多个密封件(150)，并且其中所述多个密封件(150)中的一个定位在所述多个歧管片(140)中的一对歧管片之间。

4.  根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池(100)，其特征在于：所述顺从给料管(160)中的一个或多个给料管与所述相应燃料电池(120)和所述歧管片(140)电隔离。

5.  根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池(100)，其特征在于：所述多个顺从给料管(160)整体或部分包括金属或陶瓷材料。

6.  根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池(100)，其特征在于：施加到所述燃料电池堆栈(110)的机械负载以及施加到所述歧管列(130)的机械负载基本由所述多个顺从给料管(160)隔离。

7.  根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池(100)，其特征在于：所述多个顺从给料管(160)包括波纹材料。

8.  根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池(100)，其特征在于：所述多个顺从给料管(160)包括弯曲的给料管(160)。

用于平面固体氧化物燃料电池系统的顺从式给料管
技术领域
联邦研究声明
本发明是依据由能源部所授予的合同No.DE-FC26-01NT41245在政府支持下完成的。政府对本发明享有一定权利。
本发明大致涉及使用固体氧化物燃料电池的动力系统并且更具体涉及用于外部歧管以及固体氧化物燃料电池堆栈的顺从式气体给料管。
背景技术
燃料电池是一种以电化学方式将燃料与氧化剂反应来产生直流电的电流转换装置。燃料电池一般包括阴极材料、电解质材料以及阳极材料。电解质材料是夹在阴极和阳极材料之间的无孔材料。阳极和阴极一般被称为电极。一个单独的电化学电池通常产生相对小的电压。因而，单独的电化学电池串联到一起形成堆栈，以便获得实际上有用的高电压。
在平面燃料电池中，阳极、电解质以及阴极结构是基本平面或平板状的。为了产生燃料电池堆栈，使用互联构件将相邻的燃料电池以电串联连接到一起。燃料电池堆栈通常附带有一个或多个主歧管，以便向堆栈供应燃料和/或氧化剂并且还移开用过的燃料或气体。大部分燃料电池堆栈设计通常允许堆栈中各电池的燃料和氧化剂流动腔单独与相应的主歧管连通。在内歧管燃料电池堆栈设计中，主歧管与燃料电池堆栈集成并且可以直接连接到单独的流动腔。在外部歧管燃料电池堆栈设计中，主歧管基本与燃料电池堆栈分离并且提供给料管或通路将主歧管连接到燃料电池堆栈内的电池。一个或多个给料管携带相同的流体(燃料或氧化剂)到各燃料电池或者相同的给料管可以供应一个或多个燃料电池。可以类似地使用给料管来携带用过的燃料或氧化剂离开燃料电池进入适当的排放主歧管。本发明涉及外部歧管燃料电池堆栈中的这种给料管的设计。
外部主歧管可以以多种方式形成。一种方式，歧管可以包括预制的管道。在另一种方法中，堆叠单独的歧管“片”可以形成主歧管。在这种结构中，在这些单独的歧管片之间需要适当的歧管密封件以避免通过主歧管携带的流体泄漏。
一般使用正交于固体氧化物燃料电池堆栈中的电池平面(轴向方向)的加压负载。这种轴向加压负载在三个分界面实现几个功能：(1)通过保持电池和互联件之间的接触减小面电阻率，(2)通过保持电池的周边密封件上的加压减小泄漏，以及(3)通过保持歧管密封件上的加压减小泄漏。假定用于各分界面的材料种类以及堆栈生命周期内不同时刻其行为的变化，在各分界面的轴向偏离量不同。具体问题包括制造公差、密封加压、界面填充材料损失(粘结胶)、相对热膨胀等。这些状况中的某些反复出现，而某些仅在堆栈的初始组装时出现。因而，需要在不同时刻在各分界面改变轴向负载。电池上加压过量导致电池故障，而加压不足导致性能降低。
因而，需要一种向固体氧化物燃料电池堆栈施加轴向负载而同时调节将堆栈组成为一个整体的元件的不同特征的手段。负载应该在不降低系统效率的情况下施加。
发明内容
因而，本申请描述了固体氧化物燃料电池系统。该固体氧化物燃料电池系统包括在燃料电池堆栈内放置在负载下的多个燃料电池，在歧管列内放置在负载下的多个歧管片以及连接燃料电池和歧管片的多个顺从给料管。
歧管列可以独立于燃料电池堆栈放置在负载下。施加到燃料电池堆栈的机械负载以及施加到歧管列的机械负载通过该多个顺从给料管基本隔离。歧管列可以包括多个密封件，其中一个密封件定位在一对歧管之间。密封件可以包括基于云母或蛭石的垫圈。顺从给料管中的一个或多个与相应的燃料电池以及歧管片电隔离。歧管片与顺从给料管集成或独立。燃料电池包括多个互联件，以使该互联件与顺从给料管连通。
顺从给料管可以整体或部分包括金属或陶瓷材料。顺从给料管可以包括波纹材料或弯曲的给料管。歧管片可以具有氧化铝、氧化钇稳定氧化锆或陶瓷涂层。
本申请进一步描述了一种制造燃料电池系统的方法。该方法可以包括组装多个燃料电池、多个歧管片以及多个顺从给料管的子堆栈，加热子堆栈以使该多个顺从给料管设定，以及将子堆栈组装到固体氧化物燃料电池系统内。该方法进一步可以包括将燃料电池和歧管片独立放置在负载下，通过偏离顺从给料管以及整体制作歧管和顺从给料管来隔离施加到歧管和施加燃料电池堆栈的机械负载。
本申请进一步可以描述固体氧化物燃料电池系统。该固体氧化物燃料电池系统包括在燃料电池堆栈内放置在负载下的多个燃料电池以及在歧管列内放置在负载下的多个歧管片，以使歧管列独立于燃料电池堆栈放置在负载下。多个顺从给料管可以连接燃料电池和歧管片。顺从给料管可以整体或部分包括金属或陶瓷材料。施加到燃料电池堆栈的负载以及施加到歧管列的负载由顺从给料管基本隔离。
在结合附图和所附权利要求看过后续详细描述后，本申请上述以及其他特征对于本领域技术人员来说显而易见。
附图说明
图1是本申请所描述的固体氧化物燃料电池堆栈的透视图；
图2是固体氧化物燃料电池堆栈的备选实施例的透视图。元件列表：
100 固体氧化物燃料电池(“SOFC”)系统
110 燃料电池堆栈
120 燃料电池
130 歧管列
140 歧管片
150 密封件
160 顺从给料管
170 子堆栈
200 SOFC堆栈
210 歧管片
具体实施方式
现在参照附图，在全部图示中相同的附图标记表示相同的元件，图1显示本申请所描述的固体氧化物燃料电池(“SOFC”)系统100。SOFC系统100包括带有多个燃料电池120的燃料电池堆栈110。在本申请中，SOFC堆栈110可以包括任意希望数量的燃料电池120。燃料电池120在很大程度上可以是传统设计。SOFC堆栈110内的燃料电池120由多个互联件连接。如广泛公知的，互联件可以是接合在一起以形成燃料和/或氧化剂的流动通路的两层或更多层金属。
SOFC系统100可以具有相邻SOFC堆栈110定位的主歧管130。主歧管130可以具有任意数量的定位于其内的歧管片140。歧管片140用于将燃料和氧化剂输送到燃料电池120的互联件。一般来说，对每个燃料电池110使用一个歧管片140。也可以用一个歧管片140供应若干燃料电池120。
密封件150可以定位在歧管列130的各歧管片140内。密封件150可以是高温压缩垫圈，例如基于云母或蛭石的垫圈。也可以使用玻璃密封件。在本申请中，还可以使用其他类型的耐高温材料。密封件150还可以由绝缘材料制成，以便提供电绝缘。作为备选方案，歧管片140的表面可以覆盖绝缘涂层，例如氧化铝、氧化钇稳定氧化锆、普通陶瓷或其他适当类型的耐高温操作的涂层材料。
SOFC堆栈110的燃料电池120可以通过多个顺从给料管160与主歧管130的歧管片140连通。具体说来，各燃料电池120可以通过一个或多个顺从给料管160与主歧管130连通。顺从给料管160可以包括沿长度的某些区域是金属而其他区域是陶瓷的金属或陶瓷管道。顺从给料管160的截面可以圆形或非圆形。顺从给料管160可以将燃料或氧化剂从适当的主歧管130输送到燃料电池120或者将用过的燃料或气体从燃料电池120输送到适当的主歧管130。给料管160的顺从性质基本隔离施加到SOFC堆栈110和歧管列130上的机械负载。
给料管160内所需的顺从性可以通过若干方法中的一种方法实现，包括(但不局限于)：给料管160长度和界面的适当设计，对给料管160的至少一部分长度进行波纹处理，或在给料管160中提供一个或多个适当设计的弯曲。在本申请中，可以使用其他方法。顺从给料管160还可以在燃料电池120和主歧管130之间提供电绝缘。
顺从给料管160可以与歧管列130的歧管片140集成。作为备选方案，给料管160可以独立制作并随后一端附着到燃料电池120而另一端附着到歧管片140。可以从各歧管片140引出一个或多个给料管160。给料管160和歧管片140的附加层可以堆栈在另一个的顶部以形成主歧管或歧管列130。密封件150可以放置在歧管片140之间以便防止气体从通过堆叠歧管片140形成的主歧管130泄漏。同样，各顺从给料管160的另外一端可以附着到燃料电池120。附加的燃料电池120可以一个堆栈到另一个的顶部以便形成SOFC堆栈110。随后，适当的机械负载可以施加到SOFC堆栈110以及歧管列130。主歧管130独立于SOFC堆栈110放置在负载下。
代替完成整个SOFC堆栈110或整个歧管列130，可以生成子堆栈170。随后，对子堆栈170进行加热以便在SOFC堆栈110和歧管列130之间产生至少某些一次性轴向相对偏离。这种加热还可以使顺从给料管160形成对应于这种偏离的永久性设置。随后，子堆栈170可以组装成完整的堆栈系统100。使用子堆栈170限制或减小了偏离顺从给料管160所需的机械负载。
因而，使用外部歧管列130和顺从给料管160允许燃料电池堆栈110与机械负载和偏离隔离。顺从给料管160可以在最终状态具有永久设置，以便可以减轻偏离负载。顺从给料管160和歧管列130还可以整体制作，以便减少制造步骤以及所需接合点的数量。使用外部歧管列130还允许可拆卸以及耐久封装。
图2显示了SOFC堆栈200的另一实施例。在本实施例中，歧管列130不是一体结构。更确切地，可以使用多个独立歧管片210。更具体地，显示了三个(3)歧管片210环绕燃料电池120。因而，燃料电池120连接三个顺从给料管160。因而，歧管片210可以堆叠成三个(3)歧管列。一列可以提供燃料入口，一列可以提供燃料出口，而一列可以提供气体入口。可以使用任何希望数量的歧管片210和列。
显而易见上述内容仅涉及本发明的优选实施例，并且在不脱离后续权利要求及其等同物所限定的本发明的一般性精神和范围的情况下本领域技术人员可以进行许多变化以及修改。