本發(fā)明涉及一種改進(jìn)的燃料電池堆組件構(gòu)造。

發(fā)明的背景

本領(lǐng)域技術(shù)人員已經(jīng)熟知燃料電池、燃料電池堆、燃料電池堆組件和熱交換系統(tǒng)、排列和方法的教導(dǎo)，特別是包括WO02/35628，WO03/07582，WI2004/089848，WO2005/078843，WO2006/079800，WO2006/106334，WO2007/085863，WO2007/110587，WO2008/001119，WO2008/003976，WO2008/015461，WO2008/053213，WO2008/104760，WO2008/132493，WO2009/090419，WO2010/020797，WO2010/061190和WO2015/004419。在此引用的所有這些出版物的和它們的參考文獻(xiàn)通過(guò)引用整體并入本文中。必要時(shí)，本文所使用的術(shù)語(yǔ)的定義可見(jiàn)于上述出版物。特別是，本發(fā)明的目的是改進(jìn)在WO2007/085863和WO2008/104760中公開(kāi)的系統(tǒng)和方法。

燃料電池的溫度變化，啟動(dòng)和關(guān)閉

在設(shè)計(jì)固體氧化物燃料電池(solid oxide fuel cell，SOFC)堆時(shí)，會(huì)遇到機(jī)械、電子和熱設(shè)計(jì)方面的很大挑戰(zhàn)，特別是中溫固體氧化物燃料電池(intermediate temperature solid oxide fuel cell，IT-SOFC)堆，其需要以有效的、滿足啟動(dòng)、動(dòng)態(tài)工作和關(guān)閉的方式工作。所有SOFC堆的一個(gè)特征是，它們的工作性能受所工作所在溫度的影響，因此SOFC受所工作所處環(huán)境溫度的影響很大。這主要是因?yàn)闇囟仁且粋€(gè)決定SOFC發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的速率的重要因素，進(jìn)而會(huì)影響輸出電壓，電流和效率。

在平面SOFC堆構(gòu)造中，通常電池堆沿從所述堆的一端(例如從基板端)向另一端(例如到端板端)的堆疊方向布置。在這種構(gòu)造中，燃料電池或位于某一端的燃料電池堆重復(fù)層的工作性能受SOFC堆端頭溫度的影響。對(duì)于SOFC，工作溫度與周圍的溫度不同是普便的。在燃料電池堆中，燃料電池的平面構(gòu)造意味著燃料電池的工作溫度受當(dāng)前層和相鄰層的影響。在典型的啟動(dòng)過(guò)程中作為熱槽的以及在典型的關(guān)閉過(guò)程中作為熱源的基板和端板具有相對(duì)較大的熱量，與燃料電池的工作過(guò)程中相比，熱動(dòng)態(tài)更慢。因此，相鄰燃料電池的工作溫度也會(huì)相應(yīng)的降低或增加。

當(dāng)燃料電池堆在啟動(dòng)后開(kāi)始工作時(shí)，對(duì)于燃料電池堆在高于相鄰組件的溫度下工作是普遍的，因此端板和基板可以作為散熱片，降低燃料電池堆端部電池的工作溫度。這樣可以降低燃料電池堆端部的幾個(gè)燃料電池層的溫度。

因此，在燃料電池堆中心的燃料電池的工作環(huán)境溫度與燃料電池堆端部的燃料電池的溫度不同是可能的。

這種“端部效應(yīng)”會(huì)導(dǎo)致與那些不在所述堆端部的燃料電池相比，所述堆端部的燃料電池的電化學(xué)工作性能出現(xiàn)下降(尤其是電壓的下降)。這反過(guò)來(lái)會(huì)降低所述堆的總效率。

燃料電池堆不同部分的燃料電池的溫度變化(例如(a)在頂部和底部，(b)在中部)，也會(huì)使控制所述堆的溫度變的困難，這是由于它會(huì)導(dǎo)致在燃料電池堆中單個(gè)燃料電池的溫度差別很大。因此，優(yōu)化溫度以得到最好的總效率變的困難。

在金屬支撐的SOFC設(shè)計(jì)中，其中金屬層是電流和熱能高效導(dǎo)體，這種端部效應(yīng)是相當(dāng)大的。因此，舉個(gè)例子，在IT-SOFC中，在中心電池和兩端電池的工作溫度會(huì)出現(xiàn)80℃的變化。例如，由100層組成的金屬支撐的IT-SOFC堆，且中心電池處在一個(gè)穩(wěn)定工作點(diǎn)，中心電池和端部電池溫度的不同會(huì)導(dǎo)致中心電池和端部電池工作電壓的差值超過(guò)150mV(在下面的實(shí)驗(yàn)中，高達(dá)345mV)。

燃料電池堆中單個(gè)燃料電池間溫度的差異也會(huì)導(dǎo)致燃料電池堆電壓和功率輸出的問(wèn)題的同時(shí)，還會(huì)遇到“熱滯后”形式的問(wèn)題，其中燃料電池堆元件(例如基板和端板)熱量(即，熱容量)導(dǎo)致熱滯后，并因此在與燃料電池組件相鄰的燃料電池和在燃料電池堆內(nèi)部(例如中心)的燃料電池間的性能出現(xiàn)滯后。這種熱滯后會(huì)抑制快速啟動(dòng)(和關(guān)閉，以及工作動(dòng)態(tài)變化)，因此是非期望的，尤其是在例如需要頻繁功率循環(huán)的國(guó)內(nèi)集中供熱/CHP系統(tǒng)中。類似的問(wèn)題在輔助電源單元和應(yīng)急備用發(fā)電機(jī)中也會(huì)遇到，其中快速啟動(dòng)是非常期望的，由于其可以降低替代電能供給(例如電池)的需求，并因此降低相關(guān)的系統(tǒng)成本。

在US2003/0211379中，認(rèn)識(shí)到燃料電池堆中存在熱滯后的問(wèn)題，并進(jìn)行了論述，該專利建議提供輕質(zhì)燃料電池堆的壓力板和集電板，還有固定在集電器和壓力板之間的熱絕緣體。WO2013/164573也指出燃料電池中存在的熱滯后問(wèn)題，并教導(dǎo)使用高功率加熱器，以使燃料電池堆中初始電池和終止電池能一致地工作而沒(méi)有過(guò)度的熱滯后。附加這種加熱器需要額外的部件，額外的措施和控制，增加的成本，以及由額外的加熱器功率消耗導(dǎo)致的系統(tǒng)效率的降低。

因此，非常期望具有允許在堆高度上更均勻的電池工作溫度的堆設(shè)計(jì)，這允許在堆上具有更均勻的電池性能，不依賴于電池位置(例如，從堆的一端到另一端，例如，從堆的基板到堆的端板)，并因此降低了電池位置和電池性能的耦合(例如，之間的關(guān)系)，特別是在堆的啟動(dòng)和關(guān)閉中。

通過(guò)降低堆中單個(gè)燃料電池間的溫度差異，并因此減小輸出電壓和/或功率水平的變化，通過(guò)隨著堆的升溫、動(dòng)態(tài)工作和冷卻過(guò)程中，使在整個(gè)堆上能實(shí)現(xiàn)更快的熱平衡而不會(huì)顯著地影響性能(尤其是穩(wěn)定狀態(tài)的性能)或成本，允許更快的燃料電池堆的啟動(dòng)和關(guān)閉是可能的。

其它出版物包括JPS62241267，JPH0722049，CA2428959，US2004265667，US2009148746，US2006110649，US2010233564，US2009004532，JP2007213882，JP2007250338，JP2008130350，JP2008226713，EP2426772，DE102007061061，JP2010073448，CN102468512，KR20130075992，EP2775557，JPH10228918和US2003/215693。

EP2426772公開(kāi)了一種燃料電池堆構(gòu)造，其在堆的一端具有單個(gè)虛設(shè)層86，意欲(第[0012]段)吸收負(fù)載，并減少對(duì)其它燃料電池堆層的電解質(zhì)電極組件的損壞，并改善堆的活性層與相鄰的改善層16間的熱絕緣。穿過(guò)虛設(shè)層的燃料流動(dòng)受阻，并且功率從端板88a，88b提取(圖8)。很明顯，虛設(shè)層包括虛設(shè)電解質(zhì)電極組件。電流以表面對(duì)表面金屬接觸的方式，流向和流經(jīng)虛設(shè)電解質(zhì)電極組件。在產(chǎn)品的使用壽命中，相關(guān)的金屬表面遭受明顯氧化和/或腐蝕，從而使它們之間的電阻會(huì)顯著或大幅度增加。因此，在產(chǎn)品的使用壽命中，會(huì)經(jīng)歷整個(gè)虛設(shè)層電阻的明顯增加，這會(huì)導(dǎo)致效率和輸出功率的下降。

本發(fā)明旨在改進(jìn)現(xiàn)有技術(shù)，和/或解決、克服或減輕現(xiàn)有技術(shù)的至少一個(gè)缺陷。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

根據(jù)本發(fā)明提供了一種中溫固體氧化物燃料電池(SOFC)堆組件，包括：

(i)基板；

(ii)安裝在所述基板上的至少一個(gè)中溫固體氧化物燃料電池堆；

(iii)端板；和

(iv)適于在所述基板和所述端板之間的所述至少一個(gè)燃料電池堆上施加壓力的夾緊裝置，

每個(gè)燃料電池堆具有第一端和第二端，每個(gè)燃料電池堆布置在所述基板和所述端板之間，并且包括至少一個(gè)電化學(xué)活性燃料電池堆重復(fù)層和以下的至少一種：

(a)位于所述基板和所述至少一個(gè)所述電化學(xué)活性燃料電池堆重復(fù)層之間的至少一個(gè)電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層；

(b)位于所述端板和所述至少一個(gè)所述電化學(xué)活性燃料電池堆重復(fù)層之間的至少一個(gè)電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層；

每個(gè)電化學(xué)活性燃料電池堆重復(fù)層包括金屬襯底，安裝在所述金屬襯底上的陽(yáng)極層，電解質(zhì)層和陰極層，金屬互連板，并限定從氧化劑入口到氧化劑排出口的氧化劑流動(dòng)路徑和從燃料入口到燃料排出口的燃料流動(dòng)路徑，

每個(gè)電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層適于使它不能執(zhí)行電化學(xué)功能，它包括金屬襯底和金屬互連板，并限定從氧化劑入口到氧化劑排出口之間氧化劑流動(dòng)路徑和從燃料入口到燃料排出口的燃料流動(dòng)路徑中的至少一個(gè)。

如下面更詳細(xì)的討論，在優(yōu)選的實(shí)施例中，每個(gè)電化學(xué)活性燃料電池堆重復(fù)層附加地包括位于所述金屬襯底和所述金屬互連板之間的金屬間隔，每個(gè)電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層(a)附加地包括位于所述金屬襯底和所述金屬互連板之間的金屬墊片，和(b)限定由氧化劑入口到氧化劑排出口的氧化劑流動(dòng)路徑。優(yōu)選地，每個(gè)電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層沒(méi)有限定燃料入口到燃料排出口的燃料流動(dòng)路徑。

典型地，每個(gè)電化學(xué)活性燃料電池堆重復(fù)層的燃料流動(dòng)路徑是從燃料入口到燃料排出口所經(jīng)過(guò)的由金屬襯底、金屬互連板和任意一個(gè)金屬間隔板之間所限定的空間。典型地，每個(gè)電化學(xué)活性燃料電池堆重復(fù)層的氧化劑流動(dòng)路徑是從氧化劑入口到氧化劑排出口所經(jīng)過(guò)的由金屬襯底和相鄰板，例如相鄰的燃料電池堆重復(fù)層的例如相鄰的金屬互連板，或功率提取板/端電極所限定的空間。

典型地，每個(gè)電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層的氧化劑流動(dòng)路徑從氧化劑入口到氧化劑排出口所經(jīng)過(guò)的由金屬襯底和相鄰板，例如相鄰的燃料電池堆重復(fù)層的例如相鄰的金屬互連板，或功率提取板/端電極所限定的空間。

中溫固體氧化物燃料電池(IT-SOFC)堆組件也可以被稱為中溫固體氧化物燃料電池(IT-SOFC)堆構(gòu)造。

如下的詳細(xì)描述，本發(fā)明在性能實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)很大的改進(jìn)：在系統(tǒng)水平燃料消耗量沒(méi)有增加的情況下，總的輸出功率增加了約6％，而且單個(gè)電化學(xué)活性燃料電池堆重復(fù)層的工作電壓差別下降明顯。這個(gè)工作電壓下降的幅度意味著簡(jiǎn)化了由堆到堆電壓的控制。大家都知道，優(yōu)選地不在特定的(安全的)電池工作電壓下操作固體氧化物燃料電池以避免對(duì)電池的損害。將每個(gè)活性燃料電池堆重復(fù)層的最小工作堆電壓設(shè)置在650-750mA之間并不常見(jiàn)。優(yōu)選地在更高的電池電壓下工作以增加系統(tǒng)效率。如果，正如包括電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層的燃料電池堆的情形，每個(gè)重復(fù)層的工作電壓相對(duì)類似，則操作堆電壓以便所有電池都在最小電池電壓之上工作是簡(jiǎn)單的。對(duì)于相反的情況，其中對(duì)于給定的堆工作點(diǎn)，電池工作電壓差別很大，則為了避免對(duì)燃料電池堆造成損害，最小電壓以及由此能從所述堆中抽取的功率的量受受最低電池工作電壓的限制。在下面給出的示例中，電池電壓偏差的減小以及由此導(dǎo)致的平均電池電壓的增加意味著，對(duì)于相同的工作點(diǎn)，可以從所述堆中多抽取6％的功率。同時(shí)，對(duì)于同樣大小的堆，可以提供顯著的功率收益，使用這種功力潛力的增加來(lái)減小在相同額定功率的堆中所使用的電化學(xué)活性燃料電池的數(shù)量(例如電化學(xué)活性燃料電池堆重復(fù)層)是可能的，因此降低堆的成本。

通過(guò)“不能執(zhí)行電化學(xué)功能”(在電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層的情況下)，意味著在燃料電池堆組件工作過(guò)程中，每個(gè)電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層不能執(zhí)行設(shè)計(jì)的SOFC電化學(xué)反應(yīng))。優(yōu)選地，不能通過(guò)電化學(xué)轉(zhuǎn)變，直接從燃料的氧化中發(fā)電。這樣，這種層可以被描述為配置成或適配成電化學(xué)惰性，即，適配或配置成不能執(zhí)行電化學(xué)功能。

所述或每個(gè)至少一個(gè)電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層也可以被稱為“虛設(shè)層”或“緩沖層”。

燃料電池的基板和端板是本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的?；搴投税宓暮线m材料包括那些能在燃料電池堆整個(gè)工作溫度的范圍內(nèi)保持其剛度的材料。對(duì)IT-SOFC來(lái)說(shuō)，堆的工作溫度典型地在450-650℃之間。這種材料包括但不限于不銹鋼3CR12。

優(yōu)選地，金屬襯底和/或功率提取板由不銹鋼制成，更優(yōu)選地，由鐵素體不銹鋼制成。

夾緊裝置向基板、端板和至少一個(gè)燃料電池堆上施加壓力。合適的加緊裝置包括，如連接螺栓/連桿/張力桿，其作用是將基板和端板拉在一起，從而在在它們之間的元件，即至少一個(gè)燃料電池堆上，施加壓力。因此，也就是說(shuō)，壓力施加在基板和端板之間的元件上，即，施加在至少一個(gè)中溫固體氧化物燃料電池堆上。夾緊裝置是本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的，且包括在WO2007/085863中教導(dǎo)的。其它夾緊裝置對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是顯而易見(jiàn)的。

連桿由那些在特定的工作范圍和環(huán)境下，其化學(xué)和機(jī)械性能都熱穩(wěn)定的材料制成。在有些情況下，期望在表面上包括電絕緣層，以避免氧化生長(zhǎng)和與周圍的活性和惰性燃料電池堆重復(fù)層金屬部分短路。

每個(gè)燃料電池堆定義第一端和第二端，即，燃料電池堆的相對(duì)端。因此，燃料電池堆的第一端可以是與基板相鄰的或靠近的一端，第二端可以是與端板相鄰的或靠近的一端。

每個(gè)燃料電池堆被布置安裝在基板和端板之間。如以下詳細(xì)描述，附加的元件可以位于基本和燃料電池堆之間，以及端板和燃料電池堆之間。這種元件包括但不限于，電絕緣墊圈、熱絕緣墊圈、互連板、端電極、單極和功率提取板。因此，基板和端板不必被至少一個(gè)燃料電池堆直接接觸。在基板和至少一個(gè)燃料電池堆之間，以及在端板和至少一個(gè)燃料電池堆之間有附加元件的情況下，基板和端板可以被認(rèn)為是與至少一個(gè)燃料電池堆靠近的、貼近的或相鄰的。這樣，優(yōu)選地，中溫固體氧化物燃料電池堆組件包括安裝在所述基板和所述至少一個(gè)燃料電池板，和所述端板和所述至少一個(gè)燃料電池堆中的至少一組之間的熱絕緣和電絕緣墊圈。

因此，優(yōu)選地，基板和端板與至少一個(gè)電化學(xué)活性燃料電池堆重復(fù)層是電絕緣的。優(yōu)選地，基板和端板與至少一個(gè)中溫固體氧化物燃料電池堆是電絕緣的?；搴投税迮c至少一個(gè)電化學(xué)活性燃料電池堆重復(fù)層的電絕緣提供重要的安全優(yōu)勢(shì)：燃料電池堆組件的、在維護(hù)或測(cè)試過(guò)程中最易于被人接觸的元件部分與與燃料電池堆電絕緣，并且是避免接觸基板和端板的其它導(dǎo)電元件成為帶電體，以及允許產(chǎn)品中的這些元件有效保護(hù)接地的簡(jiǎn)單方法。

電化學(xué)活性燃料電池堆重復(fù)層和電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層的構(gòu)造有三種可能：

1.基基板

至少一個(gè)電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層

至少一個(gè)電化學(xué)活性燃料電池堆重復(fù)層

至少一個(gè)電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層

端板

2.基板

至少一個(gè)電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層

至少一個(gè)電化學(xué)活性燃料電池堆重復(fù)層

端板

3.基板

至少一個(gè)電化學(xué)活性燃料電池堆重復(fù)層

至少一個(gè)電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層

端板

其中，第一種選擇是最優(yōu)的。

因此，優(yōu)選每個(gè)燃料電池堆包括至少一個(gè)電化學(xué)活性燃料電池堆重復(fù)層和以下兩種：

(a)位于所述基板和所述至少一個(gè)電化學(xué)活性燃料電池堆重復(fù)層之間的至少一個(gè)電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層；和

(b)位于所述端板和所述至少一個(gè)電化學(xué)活性燃料電池堆重復(fù)層之間的至少一個(gè)電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層。

更優(yōu)選地，每個(gè)燃料電池堆包括沿從所述基板到所述端板的方向布置的：

(A)第一至少一個(gè)電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層；

(B)所述至少一種電化學(xué)活性燃料電池堆重復(fù)層；和

(C)第二至少一個(gè)電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層。

優(yōu)選地，至少一個(gè)電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層適于阻礙燃料經(jīng)過(guò)燃料電池的陽(yáng)極側(cè)的流動(dòng)。正如下面的具體實(shí)施例所示，在有些實(shí)施例中，這可以是由從燃料入口到燃料排出口、經(jīng)過(guò)電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層的流動(dòng)路徑中的堵塞所導(dǎo)致(即影響)，即，惰性燃料電池堆重復(fù)層可以包括燃料入口和/或燃料排出口，但從入口和/或出口、經(jīng)過(guò)電化學(xué)惰性燃料電池重復(fù)層的陽(yáng)極一側(cè)的流動(dòng)被阻礙。這種阻礙可能存在于電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層上或與其直接相鄰的燃料入口上。因此，在這種實(shí)施例中，燃料穿過(guò)由電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層到相鄰的燃料電池堆重復(fù)層的歧管是可能的。因此，燃料可以在底部進(jìn)入燃料電池堆，通過(guò)至少一個(gè)電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層中的歧管，并傳至至少一個(gè)電化學(xué)活性燃料電池堆重復(fù)層。類似地，這種阻礙可能存在于電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層上或與其直接相鄰的燃料出口上。

優(yōu)選地，燃料電池堆重復(fù)層的燃料入口是限定從燃料電池堆燃料入口到每個(gè)燃料電池堆重復(fù)層燃料入口的流體流動(dòng)路徑的燃料入口歧管的一部分。優(yōu)選地，燃料電池堆重復(fù)層的燃料排出口是限定從每個(gè)燃料電池堆燃料重復(fù)層排出口到燃料電池堆燃料排出口的流體流動(dòng)路徑的燃料出口歧管的一部分。因此，流體流動(dòng)路徑可以限定為從燃料電池堆的燃料入口經(jīng)由燃料入口歧管到燃料電池堆重復(fù)層入口，穿過(guò)燃料電池堆重復(fù)層的陽(yáng)極側(cè)(其中這種流體沒(méi)有被阻礙)，到燃料電池堆重復(fù)層燃料排出口，經(jīng)由燃料排出口歧管，到燃料電池堆燃料排出口。

優(yōu)選地，燃料電池堆重復(fù)層的氧化劑入口是開(kāi)口岐管型?？蛇x地，它們還是由限定從燃料電池堆氧化劑入口到每個(gè)燃料電池堆重復(fù)層氧化劑入口的流體流動(dòng)路徑的氧化劑入口的歧管的一部分。優(yōu)選地，燃料電池堆重復(fù)層氧化劑排出口限定從每個(gè)燃料電池堆重復(fù)層氧化劑排出口到燃料電池堆氧化劑排出口的流體流動(dòng)路徑的氧化劑排出口的歧管的一部分。因此，對(duì)具有開(kāi)口歧管型氧化劑入口系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，流體流動(dòng)路徑可以定義為從燃料電池堆重復(fù)層氧化劑入口(即，開(kāi)口岐管型氧化劑入口)，穿過(guò)燃料電池堆重復(fù)層的陰極側(cè)(其中流體沒(méi)有被阻礙)到燃料電池堆重復(fù)層氧化劑排出口，經(jīng)由氧化劑排出口歧管到燃料電池堆氧化劑排出口。可選地，對(duì)內(nèi)部具有歧管氧化劑入口系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，流體流動(dòng)路徑可以定義為從燃料電池堆氧化劑入口，經(jīng)由氧化劑入口的歧管到燃料電池堆重復(fù)層氧化劑入口，穿過(guò)燃料電池堆重復(fù)層的陰極側(cè)(其中流體沒(méi)有被阻礙)，到燃料電池堆重復(fù)層氧化劑排出口，經(jīng)由氧化劑排出口的歧管到燃料電池堆氧化劑排出口。

優(yōu)選地，燃料電池堆重復(fù)層限定了燃料入口的歧管裝置，燃料排出口的歧管裝置，氧化劑入口的歧管(開(kāi)口岐管型(open manifolded)或內(nèi)歧管型(internally manifolded))和氧化劑排出口的歧管。

因此，在穿過(guò)電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層陽(yáng)極側(cè)的流體流動(dòng)被阻礙的實(shí)施例中，流體流動(dòng)可能無(wú)法從(a)燃料排出口或燃料排出口的歧管到電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層的互連板和金屬襯底(和任意金屬間隔件)之間限定的內(nèi)部容積/空間，或(b)燃料入口或燃料入口的歧管到電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層的互連板和金屬襯底(和任意金屬間隔件)之間限定的內(nèi)部容積/空間。

可選地，在某些實(shí)施例中，電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層可以不包括燃料入口。因此，在這些實(shí)施例中，燃料流過(guò)電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層是不可能的。因此，這種層可以用在與所述堆的燃料入口相反的所述堆的一端。例如，在堆頂部的至少一種電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層可以不包括燃料入口。因此，沒(méi)有燃料流到這一層(或越過(guò)它的層)。這些層也可以不包括燃料排出口，因此可以避免任何流至電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層的排出燃料的流動(dòng)。

可選地或附加地，電化學(xué)惰性燃料電池堆虛設(shè)層(至少一個(gè)電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層)可以：

包括無(wú)孔的燃料電池金屬襯底，因此可以避免燃料穿過(guò)燃料電池金屬襯底，到例如安裝在上面的陽(yáng)極-電解質(zhì)-陰極結(jié)構(gòu)的流動(dòng)；和/或

包括上面沒(méi)有安裝陽(yáng)極-電解質(zhì)-陰極結(jié)構(gòu)的燃料電池金屬襯底。

優(yōu)選地，至少一個(gè)電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層(例如，所有的電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層)包括安裝在所述金屬襯底上的電化學(xué)穩(wěn)定的導(dǎo)電層。更優(yōu)選地，它直接安裝在所述金屬襯底上，即，沒(méi)有任何中間層或材料?！胺€(wěn)定的”意味著，在正常的工作條件下，該層不會(huì)顯著地改變它的化學(xué)或物理性能。更優(yōu)選地，陰極層安裝在所述金屬襯底上，更優(yōu)地，安裝在無(wú)孔的金屬襯底上。由于陰極材料是導(dǎo)電的(被用于電化學(xué)活性燃料電池堆重復(fù)層上)，而且它在產(chǎn)品的整個(gè)生命周期中在氧化態(tài)中沒(méi)有顯著的或?qū)嵸|(zhì)性的改變，這意味著在產(chǎn)品的整個(gè)生命周期中它的電阻沒(méi)有顯著的或?qū)嵸|(zhì)性的增加，因此，這是尤其有優(yōu)勢(shì)的?？蛇x地，安裝在所述金屬襯底上的電化學(xué)穩(wěn)定的導(dǎo)電層可以是陽(yáng)極層。

正如上面所討論的，所述陰極材料是導(dǎo)電的，這種導(dǎo)電層還可以是熱絕緣的，即，緩沖熱效應(yīng)?？赡芴峁┧鲫帢O的替代材料。所述替代材料是導(dǎo)電的，而且是低導(dǎo)熱性的材料。

其中在電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層之間接觸的位置不必是導(dǎo)電的(將在下面討論)，電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層可以包括安裝在所述金屬襯底上的電絕緣層。更優(yōu)選地，它直接安裝在所述襯底上，即，沒(méi)有中間層或材料。因此，惰性層之間的導(dǎo)電性被阻止，即，所述惰性層彼此電絕緣。這種電絕緣層也可以是熱絕緣的。例如，它可能是電絕緣的，高溫墊圈材料。

在某些實(shí)施例中，燃料入口到第一組電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層(即，第一至少一個(gè)電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層，位于一般在基板上的燃料電池堆組件的燃料入口，，和所述一組電化學(xué)活性燃料電池堆重復(fù)層之間)布置為：燃料向與所述重復(fù)層另一側(cè)的氧化劑流動(dòng)方向相反的方向流動(dòng)。這種第一組電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層可以是岐管型的，以便由惰性燃料電池堆重復(fù)層穿過(guò)燃料排出口排出的燃料供給到所述一組電化學(xué)活性燃料電池堆重復(fù)層的燃料入口中。因此，在這第一組電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層中的襯底可以作為燃料和氧化劑流之間的逆流熱交換器進(jìn)行工作。在SOFC堆中，在燃料進(jìn)入燃料電池堆之前對(duì)給料的燃料氣體進(jìn)行預(yù)熱是常見(jiàn)的，并且因此當(dāng)以這種方式流過(guò)惰性層時(shí)，可以對(duì)堆惰性層提供加熱，進(jìn)一步緩沖基板和端板的熱效應(yīng)。

在基板和至少一個(gè)電化學(xué)活性燃料電池堆重復(fù)層之間的至少一個(gè)電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層可以被認(rèn)為是在至少一個(gè)電化學(xué)活性燃料電池堆重復(fù)層的第一端和基板之間。至少一個(gè)電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層的、遠(yuǎn)離至少一個(gè)電化學(xué)活性燃料電池堆重復(fù)層的(即靠近基板的)一端可以被認(rèn)為是限定了燃料電池堆的第一端。

在基板和至少一個(gè)電化學(xué)活性燃料電池堆重復(fù)層之間沒(méi)有至少一個(gè)電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層的情況中，這至少一個(gè)電化學(xué)活性燃料電池堆重復(fù)層的、靠近基板的一端，可以被認(rèn)為是限定了燃料電池堆的第一端。

在端板和至少一個(gè)電化學(xué)活性燃料電池堆重復(fù)層之間的至少一個(gè)電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層可以被認(rèn)為是在至少一個(gè)電化學(xué)活性燃料電池堆重復(fù)層的第二端和端板之間。至少一個(gè)電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層的、遠(yuǎn)離至少一個(gè)電化學(xué)活性燃料電池堆重復(fù)層的(即靠近端板的)一端可以被認(rèn)為是限定了燃料電池堆的第二端。

在端板和至少一個(gè)電化學(xué)活性燃料電池堆重復(fù)層之間沒(méi)有至少一個(gè)電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層的情況中，至少一個(gè)電化學(xué)活性燃料電池堆重復(fù)層的、靠近端板的一端，可以被認(rèn)為是限定了燃料電池堆的第二端。

如上詳述，每個(gè)電化學(xué)活性燃料電池堆重復(fù)層包括金屬襯底，安裝在金屬襯底上的陽(yáng)極層、電解質(zhì)層和陰極層，以及金屬互聯(lián)板，并具有氧化劑入口，氧化劑排出口，燃料入口和燃料排出口，且限定了從氧化劑入口到氧化劑排出口的氧化劑流動(dòng)路徑，以及從燃料入口到燃料排出口的燃料流動(dòng)路徑。電化學(xué)活性燃料電池堆重復(fù)層也可以被稱為“電化學(xué)活性金屬燃料電池堆重復(fù)層”。

陽(yáng)極層、電解質(zhì)層和陰極層一起可以被定義為燃料電池。

優(yōu)選地，至少一個(gè)電化學(xué)活性燃料電池堆重復(fù)層的陽(yáng)極、電解質(zhì)和陰極層具有一定的厚度。更優(yōu)地，在具有多層電化學(xué)活性燃料電池堆重復(fù)層的情況下，每一層的這個(gè)厚度是相同的，或在平均值的±20％，更優(yōu)選地，在平均值的±10％，更優(yōu)選地，在平均值的±5％的范圍內(nèi)變化。由于燃料電池陰極側(cè)上的集電(從陰極材料收集電流)可以基于假設(shè)在如相鄰的燃料電池堆重復(fù)層或功率提取板/端電極之間特定距離被制造，因此，有可控厚度的燃料電池是有優(yōu)勢(shì)的。

優(yōu)選地，至少一個(gè)電化學(xué)活性燃料電池堆重復(fù)層的陽(yáng)極、電解質(zhì)和陰極層的厚度范圍為50-200μm，更優(yōu)選地，為80-150μm，更優(yōu)選地，為90-100μm。優(yōu)選地，陽(yáng)極層的厚度約為20μm，電解質(zhì)層的厚度約為15μm，陰極層的厚度約為65μm。

優(yōu)選地，燃料電池堆氧化劑入口是開(kāi)口歧管。優(yōu)選地，氧化劑排出口是內(nèi)歧管。

優(yōu)選地，燃料電池堆燃料入口是內(nèi)歧管。優(yōu)選地，燃料排出口是內(nèi)歧管。

優(yōu)選地，金屬襯底由板或箔形成。更優(yōu)選地，金屬襯底一般是平的或平面的，更優(yōu)選地，是平的。這可以對(duì)例如襯底具有從其表面突出特征的的產(chǎn)品提供顯著優(yōu)勢(shì)-平的或平面的金屬襯底的形成是簡(jiǎn)單的直接的過(guò)程，僅需要如將箔切割成一定大小，它的一部分被通過(guò)例如激光鉆孔的方法被鉆孔，這樣來(lái)限定具有被無(wú)孔區(qū)域圍繞的多孔區(qū)域的金屬襯底，提供明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。相反地，具有表面突出特征的金屬襯底需要復(fù)雜的多步形成或沖壓工藝。例如，以沖壓成型的表面突出特征的形成，不可避免地導(dǎo)致金屬變薄以限定突起，反過(guò)來(lái)可能導(dǎo)致在突起上的金屬襯底的弱化和/或使用較厚金屬襯底材料來(lái)減少由沖壓引起的問(wèn)題，這增加材料成本和最終產(chǎn)品的熱量，因此性能受到影響。

更優(yōu)地，電化學(xué)活性燃料電池堆重復(fù)層的金屬襯底包括被無(wú)孔區(qū)域圍繞的多孔區(qū)域，沉積在多孔區(qū)域上的陽(yáng)極層、電解質(zhì)層和陰極層。因此，沿燃料流動(dòng)路徑經(jīng)過(guò)的燃料可以穿過(guò)多孔區(qū)域到陽(yáng)極層，并與燃料電池陽(yáng)極層和電解質(zhì)層作用。反應(yīng)了的燃料氣體可以穿過(guò)多孔區(qū)域而返回。

優(yōu)選地，多孔區(qū)域包括在金屬襯底的相對(duì)的面/表面(即在第一和第二面/表面)之間(即限定在之間)延伸的多個(gè)穿孔/通孔。

在某些實(shí)施例中，電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層的金屬襯底不包括多孔區(qū)域，更優(yōu)選地，不包括被無(wú)多孔區(qū)域圍繞的多孔區(qū)域。

優(yōu)選地，每個(gè)燃料電池堆重復(fù)層任選地還包括位于所述金屬襯底和所述金屬互連板之間的金屬間隔件。這些間隔件也可以被稱為歧管層或歧管板。正如下具體實(shí)施方式所描述的，金屬互連板，歧管板和金屬襯底的結(jié)合可以定義它們之間的空間，并共同限定由燃料入口到燃料排出口的燃料流動(dòng)路徑。自然地，其它布置方式對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是顯而易見(jiàn)的。

在某些實(shí)施例中，燃料流動(dòng)路徑?jīng)]有限定為在至少一個(gè)電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層中從燃料入口到燃料排出口。在這些實(shí)施例中，或者沒(méi)有燃料入口(或任意一個(gè)燃料入口被阻塞)，因此在空間內(nèi)沒(méi)有限定燃料流動(dòng)路徑，或者燃料流動(dòng)可以發(fā)生在燃料入口而不是燃料出口(與燃料入口不相連)被限定或任意燃料出口被阻礙的空間內(nèi)。

金屬間隔件限定在金屬襯底和金屬互連板之間的空間，借此在空間內(nèi)的氣體的弱的導(dǎo)熱性降低了這一點(diǎn)的導(dǎo)熱性，即，降低了穿過(guò)電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層的導(dǎo)熱性，因此可以被認(rèn)為是提供了熱間斷。

熱間斷也可以被稱為是“熱阻”，“熱緩沖”或有“熱緩沖”。

通過(guò)對(duì)燃料電池歧管盤(pán)板的適當(dāng)改進(jìn)可以輕易地實(shí)現(xiàn)燃料流動(dòng)的阻礙。因此，至少一個(gè)電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層可以包括配置為阻礙所述燃料從所述燃料入口流到所述燃料排出口的金屬間隔件。其它燃料電池堆重復(fù)層組件(互連層，襯底，和墊圈等)與那些電化學(xué)活性燃料電池堆重復(fù)層是等同的。因此，電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層的制造可以通過(guò)簡(jiǎn)單改變單個(gè)元件(歧管板)而輕易實(shí)現(xiàn)?？梢匀サ羝渌襟E，如金屬襯底的激光鉆孔和在金屬襯底上的陽(yáng)極、電解質(zhì)和陰極層的沉積，這就導(dǎo)致了在燃料電池堆組件性能上實(shí)現(xiàn)明顯改進(jìn)的元件的制造工藝簡(jiǎn)單、方便和低成本。

優(yōu)選地，至少一個(gè)電絕緣墊圈位于每個(gè)燃料電池堆重復(fù)層和與它相鄰的燃料電池堆重復(fù)層的一層或多層之間?？蛇x地或另外地，每個(gè)燃料電池堆重復(fù)層還包括至少一個(gè)電絕緣墊圈。優(yōu)選地，這種至少一個(gè)電絕緣墊圈安裝在金屬襯底上并遠(yuǎn)離金屬互連板，即在金屬襯底朝向金屬互連板一側(cè)的相反側(cè)。墊圈也為入口和出口處的燃料氣體以及出口一側(cè)的空氣提供氣密封。

因此，優(yōu)選地，陽(yáng)極、電解質(zhì)和陰極層安裝在金屬襯底的第一面上，至少一個(gè)電絕緣墊圈安裝在金屬襯底的同一側(cè)。

因此，優(yōu)選地，陽(yáng)極、電解質(zhì)和陰極層安裝在金屬襯底的第一面上，金屬互連板安裝在或連接或附接(優(yōu)選熔融，如焊接)到金屬襯底的陽(yáng)極、電解質(zhì)和陰極層所在一側(cè)的相反側(cè)上。

可選地或另外地，優(yōu)選地，具有至少一個(gè)相鄰的燃料電池堆重復(fù)層的每個(gè)燃料電池堆重復(fù)層還包括在它和相鄰的燃料電池堆重復(fù)層之間的電絕緣墊圈。

氧化劑流動(dòng)路徑一般形成在襯底和與相鄰燃料電池堆重復(fù)層的金屬互連板或之間，或者在沒(méi)有相鄰燃料電池堆重復(fù)層是的額外相鄰的金屬互連板之間。這種在金屬襯底上或在第一重復(fù)層的金屬襯底和相鄰重復(fù)層的金屬互連板之間的至少一個(gè)絕緣墊圈的作用是分離它們，并因此限定氧化劑流動(dòng)路徑所需要的空間。因此，當(dāng)元件被連接、配對(duì)、鄰接或放到一起時(shí)，氧化劑流動(dòng)路徑被限定。

每個(gè)電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層被設(shè)計(jì)為它不能執(zhí)行電化學(xué)功能，優(yōu)選地，每個(gè)電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層包括金屬襯底和金屬互連板，并限定由氧化劑入口到氧化劑排出口的氧化劑流動(dòng)路徑。

優(yōu)選地，至少一個(gè)(例如，每個(gè))電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層，形成為沒(méi)有限定從燃料入口到燃料排出口的燃料流動(dòng)路徑。例如，電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層的一個(gè)特征可以避免(即阻礙)由燃料入口到燃料排出口的燃料流動(dòng)。

優(yōu)選地，至少一個(gè)(例如，每個(gè))電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層，形成為沒(méi)有限定由氧化劑入口到氧化劑排出口的燃料流動(dòng)路徑。例如，電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層的一個(gè)特征可以避免(即阻礙)由氧化劑入口到氧化劑排出口的燃料流動(dòng)。

優(yōu)選地，至少一個(gè)(例如，每個(gè))電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層可以同時(shí)限定由氧化劑入口到氧化劑排出口的燃料流動(dòng)路徑和由燃料入口到燃料排出口的燃料流動(dòng)路徑，但以其它方式實(shí)現(xiàn)電化學(xué)惰性。例如，電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層可以包括安裝在金屬襯底上的陽(yáng)極層、電解質(zhì)層和陰極層，但可以不定義燃料到陽(yáng)極層的流動(dòng)路徑。

在某些實(shí)施例中，至少一個(gè)電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層的金屬襯底不包括多孔區(qū)域。可選地或另外地，在某些實(shí)施例中，至少一個(gè)電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層的金屬襯底沒(méi)有安裝在上面的陽(yáng)極、電解質(zhì)和陰極層。

所使用的電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層的數(shù)量取決于至少一個(gè)燃料電池堆的基板和端板所需要的熱緩沖。例如，對(duì)1kW的堆來(lái)說(shuō)，實(shí)驗(yàn)證實(shí)在至少一個(gè)燃料電池堆的每一端的2-4層這種層提供具有成本效益的結(jié)果，以最大限度地減少沿堆高度方向的熱梯度。這將在下面的具體實(shí)施例中詳細(xì)描述。

因此，優(yōu)選地，燃料電池堆組件包括至少一個(gè)、兩個(gè)、三個(gè)、四個(gè)、五個(gè)或十個(gè)第一電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層。優(yōu)選地，燃料電池堆組件包括至少一個(gè)、兩個(gè)、三個(gè)、四個(gè)、五個(gè)或十個(gè)第二電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層。

優(yōu)選地，燃料電池堆組件包括兩個(gè)、三個(gè)或四個(gè)第一電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層和第二電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層。

所使用的電化學(xué)活性燃料電池堆重復(fù)層的數(shù)量取決于所需要的電功率輸出。例如，對(duì)輸出功率為1kW的燃料電池堆組件來(lái)說(shuō)，本發(fā)明的燃料電池堆依賴于每個(gè)燃料電池堆的有效面積和功率密度，可以包括96-120層活性燃料電池堆重復(fù)層，5-120層活性燃料電池堆重復(fù)層，更典型的是70-110層。例如，假設(shè)每個(gè)活性燃料電池層10-15W，其可以包括至少99層、100層、105層、11 0層或115層電化學(xué)活性燃料電池堆重復(fù)層。更優(yōu)選地，可以包括99層和115層之間，或100層和110層之間的電化學(xué)活性燃料電池堆重復(fù)層。更優(yōu)選地，可以包括99層電化學(xué)活性燃料電池堆重復(fù)層。

本發(fā)明提到的燃料電池堆電功率輸出與燃料電池系統(tǒng)的電功率輸出不同，并且不包括由燃料電池系統(tǒng)本身用于如控制方法和鼓風(fēng)機(jī)等消耗的功率。

優(yōu)選地，燃料電池堆還包括第一和第二功率提取出板(負(fù)極電功率提取板和正極電功率提取板)，在本發(fā)明中又被稱為端電極。負(fù)極電功率提取板也被稱為“單極”，正極電功率提取板也被稱為“端電極”。

自然地，端電極與至少一個(gè)電化學(xué)活性燃料電池堆重復(fù)層有電接觸。

第一功率提取板(例如第一端電極)可能位于燃料電池堆的第一端。它可以位于燃料電池堆的第一端和一組電化學(xué)活性燃料電池堆重復(fù)層的相鄰端(即第一端)之間，即在燃料電池堆的第一端和最近的電化學(xué)活性燃料電池堆重復(fù)層之間。優(yōu)選地，第一個(gè)功率提取板位于所述一組電化學(xué)活性燃料電池堆重復(fù)層的第一端。

第二功率提取板(例如第二端電極)可以位于燃料電池堆的第二端。它可以位于燃料電池堆的第二端和一組電化學(xué)活性燃料電池堆重復(fù)層的相鄰端(即第二端)之間，即燃料電池堆的第二端和最近的電化學(xué)活性燃料電池堆重復(fù)層之間。優(yōu)選地，第二功率提取板位于所述一組電化學(xué)活性燃料電池堆重復(fù)層的第二端。

優(yōu)選地，第一功率提取板(即端電極)位于所述或第一組電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層(即至少一個(gè)電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層的第一個(gè))和所述一組電化學(xué)活性燃料電池堆重復(fù)層(即至少一個(gè)電化學(xué)活性燃料電池堆重復(fù)層)之間，例如，在所述一組電化學(xué)活性燃料電池堆重復(fù)層的第一端。優(yōu)選地，第二個(gè)功率提取板位于所述或第二組電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層(即至少一個(gè)電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層的第二個(gè))和所述一組電化學(xué)活性燃料電池堆重復(fù)層之間的，即，在所述一組電化學(xué)活性燃料電池堆重復(fù)層的第二端。因此，由于在電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層的第一組和第二組沒(méi)有通過(guò)電流的必要，因此降低了電路的整體電阻。這種布置方式消除了由通過(guò)惰性電池的堆電流帶來(lái)的功率損耗，因此是優(yōu)選的。

使電流通過(guò)一個(gè)或更多電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層需要電流流過(guò)燃料電池堆重復(fù)層之間的接觸點(diǎn)并遇到電阻，特別是在例如金屬接觸表面上形成的氧化層。

進(jìn)一步，在基板和端板(即端板)從燃料電池堆構(gòu)造提取功率呈現(xiàn)出會(huì)導(dǎo)致堆燃料的兩端帶電的失效或設(shè)計(jì)的風(fēng)險(xiǎn)。在那些端板是金屬以及罩周圍是金屬的堆設(shè)計(jì)中，任何這種失效或設(shè)計(jì)導(dǎo)致直接短路。使端電極位于堆層設(shè)計(jì)中(即在至少一個(gè)燃料電池堆中)：

(i)針對(duì)那些可能導(dǎo)致人身傷害或系統(tǒng)失效的某些失效模式改進(jìn)了端設(shè)計(jì)；

(ii)允許導(dǎo)電罩材料的使用(與合適的非導(dǎo)電罩材料相比，這樣會(huì)減少成本)；和

(iii)減少在堆設(shè)計(jì)中與電損耗相關(guān)的接觸。

依賴于端電極的位置，一些或全部惰性層與惰性層的接觸不必導(dǎo)電，目的是讓端電極與至少一個(gè)電化學(xué)活性燃料電池堆重復(fù)層有電接觸。因此，在一組電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層的位置包括多個(gè)重復(fù)層的情況中，一旦有功率輸出(例如端電極沿從至少一個(gè)電化學(xué)活性燃料電池堆重復(fù)層到至少一個(gè)電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層的方向到達(dá))，惰性層之間的接觸不必導(dǎo)電。

優(yōu)選地，在第一和第二功率提取板(即端電極)和中溫固體氧化物燃料電池堆組件的外部電功率電路之間提供與之間電連接，以對(duì)例如電路上的負(fù)載提供有用的電功。

在某些實(shí)施例中，第一和第二功率提取板(即端電極)包括延伸到基板并與基板部件或特征(例如凸的或凹的部件、插座、插孔或凹槽)配合的臂，以允許由燃料電池堆產(chǎn)生的電流被輸送到電源電路中。自然地，對(duì)于基板典型地是金屬的(例如導(dǎo)電的)，第一和第二功率提取板也是導(dǎo)電的情形，有必要在基板或在第一和第二功率提取板上提供電絕緣元件，以避免基板和/或功率提取板之間的短路，并且合適的元件對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是顯而易見(jiàn)的。

因此，優(yōu)選地，中溫固體氧化物燃料電池堆組件附加地包括以下至少一個(gè)：

(a)位于所述第一至少一個(gè)電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層和所述至少一個(gè)電化學(xué)活性燃料電池堆重復(fù)層中的一個(gè)或之間的端電極；和

(b)位于所述第二至少一個(gè)電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層和所述至少一個(gè)電化學(xué)活性燃料電池堆重復(fù)層中的一個(gè)或之間的端電極。

端電極可以采用很多物理形式。例如，在某些實(shí)施例中，可以采用與燃料電池堆重復(fù)層分離的或不同的物理板的形式。在其它實(shí)施例中，可以是燃料電池堆重復(fù)層的電連接器，例如臂，諸如從燃料電池堆重復(fù)層或金屬襯底延伸的臂。自然地，可以根據(jù)需要選用不同形式的端電極。

在某些實(shí)施例中，功率提取板(即端電極)和/或它們與外部電路之間的電連接配置為第一功率提取穿過(guò)基板，第二功率提取穿過(guò)端板?？梢栽诶缁搴投税宓南嚓P(guān)元件中根據(jù)需要合適地設(shè)置饋電特征。其它功率提取的構(gòu)造/配置對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是顯而易見(jiàn)的。

因此，優(yōu)選地，燃料電池堆組件還包括與至少一個(gè)電化學(xué)活性燃料電池堆重復(fù)層電接觸的第一和第二端電極(即功率提取)，并且基板和端板與至少一個(gè)電化學(xué)活性燃料電池堆重復(fù)層電隔離。優(yōu)選地，端電極與燃料電池堆重復(fù)層物理接觸或從燃料電池堆重復(fù)層延伸。優(yōu)選地，端電極與燃料電池堆重復(fù)層熔合。

優(yōu)選地，至少一個(gè)電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層包括安裝在金屬襯底上的導(dǎo)電材料，優(yōu)選與安裝在至少一個(gè)電化學(xué)活性燃料電池堆的金屬襯底上的陽(yáng)極-電解質(zhì)-陰極結(jié)構(gòu)的位置對(duì)應(yīng)的位置上。這可以被描述為是在陰極一側(cè)或氧化劑一側(cè)，即在氧化劑入口和氧化劑排出口之間的流體流動(dòng)路徑中。

優(yōu)選地，電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層的導(dǎo)電材料的熱導(dǎo)性低。

優(yōu)選地，導(dǎo)電材料的厚度與電化學(xué)活性燃料電池堆重復(fù)層的陽(yáng)極、電解質(zhì)和陰極的厚度相同。這意味著，與至少一個(gè)電化學(xué)活性燃料電池堆重復(fù)層中相同的集電器可以用在至少一個(gè)電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層中。同時(shí)，該材料提供穿過(guò)電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層的熱絕緣，例如在熱緩沖中起作用/創(chuàng)建熱間斷。

這允許通過(guò)整個(gè)燃料電池堆(包括電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層)的有效壓力傳遞，以便實(shí)現(xiàn)由電化學(xué)活性燃料電池堆重復(fù)層到電化學(xué)活性燃料電池堆重復(fù)層的有效電接觸。

在電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層的金屬襯底上沒(méi)有多孔區(qū)域的某些實(shí)施例中，至少一個(gè)電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層的導(dǎo)電材料是陰極材料。該陰極材料優(yōu)選地與電化學(xué)活性燃料電池堆重復(fù)層的陰極材料相同，更優(yōu)選地，是在電化學(xué)活性燃料電池堆重復(fù)層中所使用的相同的塊陰極材料。

在替代的實(shí)施例中，至少一個(gè)電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層的導(dǎo)電材料是陽(yáng)極層、電解質(zhì)層和陰極層。

如前所述，在至少一個(gè)電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層包括多孔的燃料電池金屬襯底情況中，它可以進(jìn)一步包括在電化學(xué)活性燃料電池堆重復(fù)層具有低導(dǎo)電性的一側(cè)上的所述導(dǎo)電材料，其厚度與所述電化學(xué)活性燃料電池堆重復(fù)層的陽(yáng)極、電解質(zhì)和陰極層的厚度相同。

優(yōu)選地，燃料電池堆重復(fù)層的、彼此電接觸的金屬組件被熔融在一起，例如焊接。例如，燃料電池堆重復(fù)層的金屬互連板和金屬襯底被熔合在一起，或者，金屬互連板，金屬間隔件和金屬襯底可以被熔合在一起。因此，不會(huì)發(fā)生它們之間的面-面接觸電阻損耗，它們之間的電子流動(dòng)主要通過(guò)熔融/焊接路徑。

優(yōu)選地，所述至少一個(gè)中溫固體氧化物燃料電池堆是平面的燃料電池堆。

優(yōu)選地，燃料電池堆組件還包括包圍至少一個(gè)中溫固體氧化物燃料電池堆的罩構(gòu)造。因此，優(yōu)選地，所述中溫固體氧化物燃料電池堆組件還包括限定了包含所述至少一個(gè)中溫固體氧化物燃料電池堆的罩空間的罩。罩構(gòu)造在例如WO2008/104760中被教導(dǎo)。優(yōu)選地，罩空間限定在基板、端板和罩之間。

優(yōu)選地，罩密封地附接到基板上，并在基板與罩之間限定所述罩容積。優(yōu)選地，該罩還密封地附接到端板上，并限定基板、端板和罩之間的罩容積。

優(yōu)選地，針對(duì)可以被固定、安裝或鄰接的罩，并且在罩和基板之間及罩和端板之間的實(shí)現(xiàn)氣體密封(例如氣密封焊接)，基板和/端板被提供特征，例如圍繞其圓周延伸的突起或邊緣。

優(yōu)選地，該罩是導(dǎo)電的。更優(yōu)選地，該罩是金屬罩。由于它允許通過(guò)包括焊接的熟知的金屬連接和密封技術(shù)，使基板簡(jiǎn)單和方便的附接到罩上，這是特別有用的。這強(qiáng)調(diào)了具有與如上詳述的至少一個(gè)燃料電池堆電絕緣的基板的優(yōu)勢(shì)-如果它與至少一個(gè)化學(xué)燃料電池堆不是電絕緣的，因此使用金屬罩是不可能的，因?yàn)樗鼤?huì)與該至少一個(gè)燃料電池堆電接觸(帶電)，并造成由于大的暴露表面積所帶來(lái)的很大安全風(fēng)險(xiǎn)，以及被人接觸的風(fēng)險(xiǎn)和與其它元件短路的風(fēng)險(xiǎn)，。甚至在基板或端板位置帶電的設(shè)計(jì)案例中，任何接觸帶電部分的導(dǎo)電元件自身也帶電。通過(guò)使活性燃料電池堆重復(fù)層與基板、端板和罩電絕緣，它既保護(hù)了攜帶、維修或維護(hù)設(shè)備或者在工作的燃料電池堆周圍的任何人，同時(shí)也在產(chǎn)品中提供了簡(jiǎn)單接地元件。

優(yōu)選地，基板和罩被布置以使在罩空間內(nèi)的基板的表面積和空間最小，并因此可以使罩空間和基板內(nèi)的流體間的熱交換的機(jī)會(huì)降到最小。優(yōu)選地，在罩空間內(nèi)主要只有基板的上表面。優(yōu)選地，基板的側(cè)壁不在罩容積內(nèi)，并且罩容積內(nèi)的流體流動(dòng)(例如氣體流動(dòng))沒(méi)有延伸到側(cè)壁。如果流體到基板的側(cè)壁的流動(dòng)沒(méi)有被完全阻止，則優(yōu)選地其是受限的或以其他方式被限制，例如通過(guò)使罩接近基板的側(cè)壁。

例如，在罩毗鄰基板的突起或邊緣等的位置，在基板和罩之間可以形成氣密封焊接。這種邊緣或突起可以在基板的較低位置，即，遠(yuǎn)離安裝在至少一個(gè)燃料電池堆的上表面。隨著罩覆蓋并沿著基板的側(cè)壁延伸，可以在基板和朝向基板的上表面的罩之間形成另外的氣+密封焊接，以避免基板側(cè)壁和罩之間的氣體流動(dòng)?？蛇x地，可以是基板和罩之間的摩擦配合足夠避免或者最小化基板側(cè)壁和罩之間的氣流。

相同的構(gòu)造可以作用于端板上以使罩容積內(nèi)的基板的表面積和空間最小化，并因此最小化在罩容積內(nèi)和基板內(nèi)的流體間熱交換的機(jī)會(huì)。

這個(gè)的結(jié)果是在罩容積內(nèi)的整個(gè)的基板和端板因此不會(huì)“感覺(jué)到”工作溫度的變化，一般來(lái)說(shuō)，基板和端板在一個(gè)相對(duì)較冷的環(huán)境中。這有助于提升燃料電池堆在所有階段包括穩(wěn)定態(tài)、啟動(dòng)和關(guān)閉時(shí)的性能。

特別地，基板和端板部分工作溫度的降低對(duì)夾緊裝置是特別有用的。例如，在夾緊裝置包括附接到基板和端板的拉桿的情況，該拉桿只需要安裝到基板和端板上。因此，安裝方法，例如螺紋，不會(huì)感受罩空間的更高的工作溫度，因此在相對(duì)較冷的環(huán)境的工作。例如，這種相對(duì)較冷的環(huán)境可以為在拉桿材料的屈服點(diǎn)以下。該拉桿可以設(shè)計(jì)成以熱-機(jī)械方式工作，其膨脹和收縮速率與至少一個(gè)燃料電池堆在堆方向上的相同，這樣可以保持拉桿的張力，因，在燃料電池堆在中溫固體氧化物燃料電池堆組件的整個(gè)工作范圍內(nèi)，至少一個(gè)在燃料電池堆有壓縮。

在工作中，每個(gè)燃料電池堆重復(fù)層產(chǎn)生電流和熱量。如本發(fā)明提到的，環(huán)境溫度影響電池所產(chǎn)生的功率，與那些在堆中間的重復(fù)層活性電池相比，兩端的重復(fù)層活性電池傾向于感受更低的環(huán)境溫度。

如上詳述，電化學(xué)惰性燃料電池堆層適于允許氧化劑(例如空氣)和/或燃料穿過(guò)這些惰性重復(fù)層的流體流動(dòng)，因此提供熱源。這樣，這些惰性重復(fù)層作為在活性層兩端的熱緩沖(即熱間斷)。

優(yōu)選地，在啟動(dòng)中，入口氧化劑(空氣)和/或燃料在進(jìn)入燃料電池堆組件之前先通過(guò)預(yù)熱區(qū)，這導(dǎo)致加熱的空氣和/或燃料沿著穿過(guò)惰性燃料電池堆重復(fù)層的流體流動(dòng)路徑通過(guò)，反過(guò)來(lái)導(dǎo)致它們被加熱，并在電化學(xué)活性層兩端提供熱緩沖。

因此，優(yōu)選地，中溫固體氧化物燃料電池堆組件還包括預(yù)加熱器。類似地，提供至少一個(gè)熱交換器，以有效加熱入口氧化劑，這種加熱會(huì)在工作中的任意一個(gè)階段如啟動(dòng)、穩(wěn)定態(tài)和/或關(guān)閉時(shí)作用。合適的預(yù)加熱器、熱交換器、燃燒爐、尾氣燃燒爐、燃燒室和構(gòu)造是本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)眾所周知的，并在例如WO2008/104760中被教導(dǎo)。

因此，例如組件還包括合適的或布置的熱交換器以在排出氣流和進(jìn)氣流之間進(jìn)行熱交換的至少一個(gè)。排出氣流可以是，例如氧化劑排出流、燃料排出流或燃燒爐或燃燒室排出流，例如尾氣燃料爐排出流。因此，至少一個(gè)熱交換器可以位于或定位于氧化劑或燃料入口和排出口，例如氧化劑排出口，燃料排出口或燃燒爐排出口的排出口之間。

在啟動(dòng)過(guò)程中，電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層將金屬支撐的電池的動(dòng)態(tài)加熱模式與端板的較大熱量分開(kāi)，因此允許更快的啟動(dòng)。因此，在電化學(xué)活性層和基板/端板之間提供電化學(xué)惰性層以使它們熱解耦合，即，基板和端板的較大熱量和它們相應(yīng)的較高的熱慣性與較低熱量的燃料電池和電化學(xué)活性重復(fù)層解耦合。這在以預(yù)加熱器的形式提供額外熱源的情況是一個(gè)特例。因此，不僅從與至少一個(gè)電化學(xué)惰性燃料重復(fù)層相鄰或靠近的電化學(xué)活性重復(fù)層減少熱損耗，還要加熱的氧化劑或燃料入口流附加地影響至少一個(gè)電化學(xué)惰性重復(fù)層的加熱，并因此影響相鄰的或靠近的電化學(xué)活性重復(fù)層的加熱。

基板和端板熱量的時(shí)間滯后效應(yīng)的減少，允許電化學(xué)活性燃料溫度更快地達(dá)到允許燃料電池工作而沒(méi)有燃料電池材料損壞或碳沉積風(fēng)險(xiǎn)或相關(guān)的碳相互作用所需要的水平之上。這對(duì)需要更快啟動(dòng)或需要顯著地逐步增加功率明的情況有益。同樣的解耦合效應(yīng)可以有助于關(guān)閉，其中活性燃料電池重復(fù)層的溫度需要低于特定溫度以避免電池?fù)p害。

電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層也可以減少在啟動(dòng)和動(dòng)態(tài)工作過(guò)程中的堆兩端的冷卻效應(yīng)，減少在堆中心的活性重復(fù)層之間和那些堆兩端的工作環(huán)境溫度的差異?；钚匀剂想姵刂貜?fù)層工作溫度的降低可以影響電池的工作性能，這可以通過(guò)活性重復(fù)層的工作電壓的降低來(lái)衡量。正如以下實(shí)驗(yàn)所詳細(xì)描述的，沒(méi)有虛設(shè)層(電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層)時(shí)，其差值可以高達(dá)345mV，然而，在有虛設(shè)層時(shí)，其差值減小到小于75mV。

下面的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是比較包含99層電化學(xué)活性燃料電池堆重復(fù)層得到的-一個(gè)堆沒(méi)有電化學(xué)惰性重復(fù)層和一個(gè)堆在活性堆的每一端具有3層電化學(xué)惰性重復(fù)層。在與0.5kW相同的標(biāo)稱穩(wěn)定狀態(tài)工作點(diǎn)，與沒(méi)有電化學(xué)惰性重復(fù)層的堆相比，具有電化學(xué)惰性重復(fù)層的堆顯示了平均堆電壓增加了6％，同時(shí)電池電壓的標(biāo)準(zhǔn)偏差從70mV降到8mV，下降幅度明顯，另外，電池電壓差值從345mV降到71mV。

正如下面具體實(shí)施例所詳細(xì)描述的，本發(fā)明的燃料電池堆組件可以實(shí)現(xiàn)電化學(xué)活性燃料電池堆重復(fù)層的平均電壓的增加，最大電壓的增加，最小電壓的明顯增加，和標(biāo)準(zhǔn)偏差的下降。

優(yōu)選地，燃料電池堆組件包括至少一個(gè)位于基板和至少一個(gè)燃料電池堆的第一端之間的電絕緣(即不導(dǎo)電的)墊圈。優(yōu)選地，燃料電池堆組件包括至少一個(gè)位于至少一個(gè)燃料電池堆的第二端和端板之間的電絕緣墊圈。

優(yōu)選地，至少一個(gè)電絕緣墊片也是絕熱的。優(yōu)選地，至少一個(gè)電絕緣墊片也是氣體密封墊圈。這樣，優(yōu)選地，至少一個(gè)電絕緣墊圈是電絕緣和熱絕緣的氣體密封墊圈。

優(yōu)選地，電絕緣墊圈是化學(xué)穩(wěn)定的，在堆工作溫度范圍內(nèi)(更特別地，在450-650℃的溫度范圍內(nèi))具有低的或可忽略不計(jì)的變化，并且是絕熱的和一致的，并在燃料電池堆元件部件尺寸上提供有限的變化容差。

在某些實(shí)施例中，燃料電池堆組件包括至少2個(gè)、3個(gè)、4個(gè)或5個(gè)位于基板和至少一個(gè)燃料電池堆的第一端之間的電絕緣墊圈。

在某些實(shí)施例中，燃料電池堆組件包括至少2個(gè)、3個(gè)、4個(gè)或5個(gè)位于至少一個(gè)燃料電池堆的第二端和端板之間的電絕緣墊圈。

電絕緣墊圈的合適材料包括蛭石和云母，優(yōu)選云母。供應(yīng)商包括福來(lái)西(www.flexitallic.com；Flexitallic Ltd.,UK)和加洛克(www.garlock.com；EnPro Industries,Inc.,NC,USA)。

優(yōu)選地，端板面向基板一側(cè)的(及朝向燃料電池堆重復(fù)層的)表面是平的。優(yōu)選地，端板適于為壓緊裝置提供固定、牢固的末端。

在某些實(shí)施例中，多層燃料電池堆的每一層具有安裝在基板上的端板。在某些實(shí)施例中，多層燃料電池堆具有安裝在基板上的共用端板。在某些實(shí)施例中，提供這種多層燃料電池堆和端板的混合。

優(yōu)選地，IT-SOFC堆組件還包括電連接器和位于至少一個(gè)燃料電池堆的第一端和至少一個(gè)燃料電池堆第二端之間的電力負(fù)載，這限定了電路。例如，電連接器和電力負(fù)載可以在功率提取板(端電極)之間。

優(yōu)選地，燃料電池堆組件還包括至少一個(gè)：燃料側(cè)密封組件、氧化劑側(cè)密封組件、燃料電池堆絕緣以及電氣和控制/監(jiān)控連接。

本文所使用的術(shù)語(yǔ)“燃料電池堆系統(tǒng)組件”表示燃料電池堆組件與系統(tǒng)電子的結(jié)合。其它任選元件包括：裂化爐(如果入口燃料需要被裂化)、水回收系統(tǒng)、蒸汽發(fā)生器單元、任選包括熱交換流之一的相變的至少一個(gè)熱交換器、系統(tǒng)電子組件和系統(tǒng)控制裝置、熱絕緣體、啟動(dòng)燃燒器、尾氣燃燒器及將啟動(dòng)和尾氣結(jié)合的燃燒器。包括組合的啟動(dòng)和尾氣結(jié)合燃燒器的任選元件。其它任選元件包括：至少一個(gè)氧化劑鼓風(fēng)機(jī)、至少一個(gè)燃料鼓風(fēng)機(jī)、氧化劑預(yù)加熱器和燃料預(yù)加熱器。

優(yōu)選地，燃料電池堆組件，更具體別地，至少一個(gè)中溫固體氧化物燃料電池堆，與任何相鄰裂化爐、燃燒器或燃燒室如啟動(dòng)燃燒器或尾氣燃燒室，是熱絕緣的。當(dāng)然，由這些元件通過(guò)流體流(氣體)方式加熱時(shí)與這些組件有熱交換。然而，燃料電池堆組件，更具體地，至少一個(gè)中溫固體氧化物燃料電池堆，可以是熱絕緣的以減少與它們的直接熱交換。

因此，根據(jù)本發(fā)明還提供包括根據(jù)本發(fā)明的中溫固體氧化物燃料電池堆組件的燃料電池堆系統(tǒng)。

可選地，本發(fā)明的中溫固體氧化物燃料電池堆組件還可以包括至少一個(gè)上述的燃料電池堆系統(tǒng)組件元件。

根據(jù)本發(fā)明，還提供了一種運(yùn)行根據(jù)本發(fā)明的中溫固體氧化物燃料電池堆組件的方法，該方法包括以下步驟：

(a)向所述中溫固體氧化物燃料電池堆組件的相應(yīng)的燃料和氧化劑入口供給燃料和氧化劑；和

(b)運(yùn)行所述中溫固體氧化物燃料電池堆組件，以用氧化劑氧化所述燃料并產(chǎn)生電能。

優(yōu)選地，所述氧化劑被加熱。更優(yōu)選地，所述氧化劑在啟動(dòng)時(shí)由啟動(dòng)燃燒器、預(yù)加熱器或燃燒室加熱。

定義：

術(shù)語(yǔ)“系統(tǒng)電子”包括控制電子和/或任意電力電子，其中可以有任選地與燃料電池堆組件放置放在一起或分開(kāi)放置、在燃料電池堆組件上或靠近燃料電池堆組件的至少一個(gè)電子板和/或單元。

術(shù)語(yǔ)“系統(tǒng)控制裝置”包括氣體和流體的控制閥和泵、空氣鼓風(fēng)機(jī)單元和安全設(shè)備。

除非上下文另有規(guī)定，術(shù)語(yǔ)“包括”、“包含”和類似的詞被解釋為包含性的，而不是詳盡的意義，即，“包括，但不限于”的意思。該術(shù)語(yǔ)確實(shí)包括本發(fā)明其中沒(méi)有其它部件出現(xiàn)的實(shí)施例。

“氧化劑排出口”和通過(guò)它的氧化劑流也可以被稱為“陰極廢氣”。類似地，“燃料排出口”和通過(guò)它的燃料流也可以被稱為“陽(yáng)極廢氣”。

本發(fā)明的具體的和優(yōu)選的方面在所附的獨(dú)立權(quán)利要求中被提出。本發(fā)明從屬權(quán)利要求的特征可以根據(jù)需要并適當(dāng)?shù)嘏c獨(dú)立權(quán)利要求的特征組合，且不僅是在權(quán)利要求中明確提出的合。

在本說(shuō)明書(shū)部分更具體地說(shuō)明下，本發(fā)明包括其最佳模式向本領(lǐng)域普通技術(shù)人員公開(kāi)?，F(xiàn)在對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例將做詳細(xì)地介紹以作為參考，其中的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例如下。每個(gè)例子以解釋本發(fā)明的方式提供，而不是限定本發(fā)明。其中附圖：

附圖說(shuō)明

圖1示出燃料電池堆組件的爆炸圖；

圖2示出是圖1的燃料電池堆組件和連同它的罩的爆炸圖；

圖3示出圖2的燃料電池堆組件的頂部軸側(cè)圖；

圖4示出圖2的燃料電池堆組件的底部軸側(cè)圖；

圖5示出電化學(xué)活性燃料電池堆重復(fù)層的爆炸圖；

圖6示出電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層的爆炸圖；

圖7示出替代的電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層的爆炸圖；

圖8示出實(shí)施例3的燃料電池堆組件的爆炸圖；

圖9示出(A)在燃料電池堆的電化學(xué)活性重復(fù)層的頂部和底部具有3層電化學(xué)惰性“緩沖”重復(fù)層的和(B)，在燃料電池堆的電化學(xué)活性重復(fù)層的頂部和底部沒(méi)有電化學(xué)惰性“緩沖”重復(fù)層的99層的堆內(nèi)的電池電壓的比較。X軸表示電池層數(shù)，Y軸表示電池電壓(mV)。粗實(shí)黑線(起點(diǎn)在約790mV處)是“具有緩沖惰性層”的。粗實(shí)虛線(起點(diǎn)在約600mV處)是“沒(méi)有緩沖層”的。黑虛線(起點(diǎn)在約180mV處)是“差值”。細(xì)實(shí)線(起點(diǎn)在約840mV處)是“具有緩沖惰性層的平均值”。細(xì)的黑虛線(起點(diǎn)在約810mV處)是“沒(méi)有緩沖惰性層的平均值”；

圖10示出實(shí)施例1和圖1的中溫固體氧化物燃料電池堆組件的示意性橫截面圖；

圖11示出實(shí)施例3和圖8的中溫固體氧化物燃料電池堆組件的示意性橫截面圖；

圖12示出電化學(xué)活性燃料電池堆重復(fù)層的示意性橫截面圖；

圖13示出電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層的示意性橫截面圖；和

圖14示出電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層的示意性橫截面圖。

本文所用的附圖標(biāo)記列表將在本實(shí)施例的末尾給出。在本說(shuō)明書(shū)和附圖中附圖標(biāo)記的重復(fù)使用，意在表示相同的或類似的特征或元件。

顯然，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明做出各種修改和變型而不脫離本發(fā)明的范圍。例如，作為一個(gè)實(shí)施例中的一部分所描述的特征可以用在另一實(shí)施例中，以進(jìn)一步產(chǎn)生又一個(gè)實(shí)施例。因此本發(fā)明意欲覆蓋落入所附權(quán)利要求及其等同范圍內(nèi)的修改和變型。

只是為了示意目的，附圖可能僅表示單個(gè)燃料電池或單個(gè)燃料電池堆重復(fù)層。在多種實(shí)施例中(未顯示)，提供多個(gè)燃料電池。在進(jìn)一步的實(shí)施例中(未顯示)，提供多層燃料電池堆重復(fù)層。在進(jìn)一步的實(shí)施例中(未顯示)，提供多個(gè)燃料電池堆，在再進(jìn)一步的實(shí)施例中，提供其中的每個(gè)燃料電池堆包括多個(gè)燃料電池的多個(gè)燃料電池堆。

應(yīng)當(dāng)理解的是，在這些實(shí)施例中，陽(yáng)極和陰極的入口、出口(排氣)、管道、歧管和溫度傳感器及它們的配置被修改為適于這種實(shí)施例，而且這對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是顯而易見(jiàn)的。

在下面的實(shí)施例中，空氣被用作氧化劑。因此，在以下實(shí)施例中，在別處任何地方提到的“氧化劑”都可以解釋為這里提到的“空氣”，反之亦然。

實(shí)施例1

該實(shí)施例利用了基于WO2007/085863改進(jìn)的壓縮系統(tǒng)，和基于WO2008/104760改進(jìn)的罩構(gòu)造以及燃料電池和歧管構(gòu)造。預(yù)加熱器/啟動(dòng)燃燒器和熱交換器一般如同2008/104760中的教導(dǎo)。

如圖1所示，中溫固體氧化物燃料電池堆組件10包括：

(i)基板20；

(ii)安裝在基板20上的中溫固體氧化物燃料電池堆30；

(iii)端板40；和

(iv)適于在燃料電池堆的基板20和端板40之間的燃料電池堆30上施加壓力的夾緊裝置50。

基板20和端板40由不銹鋼3CR12制成。

燃料電池堆30具有第一端31和第二端32，且安裝在基板20和端板40之間2，并包括樣基板200到端板40方向布置的：

(a)第一組60的3層電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層70；

(b)一組80的電化學(xué)活性燃料電池堆重復(fù)層90；和

(c)第二組100的3層電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層70。

每個(gè)電化學(xué)活性燃料電池堆重復(fù)層90包括一個(gè)燃料電池91(在其它的實(shí)施例中，未示出，每個(gè)電化學(xué)活性燃料電池堆重復(fù)層90包含多個(gè)燃料電池91)。每個(gè)燃料電池91包括安裝在金屬襯底110上的陽(yáng)極120、電解質(zhì)130和陰極140，其覆蓋了金屬襯底的被金屬襯底無(wú)孔區(qū)域110B圍繞的多孔區(qū)域110A。金屬襯底110安裝在導(dǎo)電的金屬互連板150上，并為燃料流動(dòng)提供歧管。

每個(gè)燃料電池堆重復(fù)層70、90也包括電絕緣氣體密封墊圈430、440。

通過(guò)電絕緣墊圈430、440，第一個(gè)燃料電池堆重復(fù)層90或70的金屬襯底110被阻止與相鄰的金屬互連板150(例如，第二相鄰燃料電池堆重復(fù)層90或70)進(jìn)入直接的電接觸。氧化劑流動(dòng)路徑160被限定在每個(gè)第一個(gè)燃料電池堆重復(fù)層90、70的金屬襯底110和相鄰的金屬互連板150(例如，第二相鄰的燃料電池堆重復(fù)層90或70)之間，并從打開(kāi)的歧管型氧化劑入口170通到具有內(nèi)部歧管型的氧化劑排出口180。

流動(dòng)路徑190被限定在金屬襯底110和金屬互連板150之間，從內(nèi)部歧管型的燃料入口200到內(nèi)部歧管型的燃料排出口210。

每個(gè)電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層70適于使它不能執(zhí)行電化學(xué)功能，它包括金屬襯底220和金屬互連板150，并限定了從氧化劑入口170到氧化劑排出口180之間的氧化劑流動(dòng)路徑160。

基板20包括氧化劑入口260、燃料入口、氧化劑排出口280和燃料排出口290。基板20還包括一組4個(gè)適于與拉桿310的螺紋端310A、310B配對(duì)的螺紋凹槽300。

拉桿30是由哈氏合金(RTM)C-276(Haynes International,Inc.,www.haynesintl.com)制成的，具有避免短路的電絕緣涂層。拉桿310的其它合適材料包括鉻鎳鐵合金(RTM)合金718(Special Metals Corporation；www.specialmetals.com)。

拉桿310的螺紋端被擰進(jìn)基板20上的螺紋凹槽330。拉桿310與基板20正交，作為燃料電池堆30的引導(dǎo)。

為了保護(hù)燃料電池堆30組件，防止其在組裝過(guò)程中滑過(guò)連桿310(尤其是，通過(guò)拉桿310的螺紋端310B)時(shí)被損壞，螺紋保護(hù)裝置(“子彈頭螺紋保護(hù)裝置”)420被擰到拉桿310的螺紋端310，這允許在燃料電池堆30的組裝過(guò)程中，燃料電池堆30的元件(例如重復(fù)層70和90)簡(jiǎn)單地穿過(guò)拉桿310。

如下所詳述，燃料電池堆組件10包括99層電化學(xué)活性燃料電池堆重復(fù)層90，還有6層電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層70(作為第一組60的3層電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層，和第二組100的3層電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層)，并可以實(shí)現(xiàn)持續(xù)的約1Kw的電功率輸出。在其他實(shí)施例中(未示出)，具有更少燃料電池堆重復(fù)層70、90的燃料電池堆組件(例如，具有少于20層的電化學(xué)活性燃料電池堆重復(fù)層90)，其合適材料也包括鉻鎳鐵合金(RTM；Special Metals Corporation,US)的、涂有Apticote800(Poeton Industries Ltd,UK；www.poeton.co.uk)或等效的鋁基涂層制成的拉端電極。

基板20一般具有燃料電池堆30安裝其上的平坦上表面20A。電和熱絕緣的云母基墊圈安裝在基板20的上表面20A上，并提供基板20和放置在其上的燃料電池堆層之間的電和熱絕緣。

第一組60的3層電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層70接著被放到電絕緣和熱絕緣的墊圈320上。如上所詳述，每個(gè)電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層70包括金屬襯底220、金屬互連板150和它們之間的惰性燃料電池間隔件151。電絕緣氣體密封墊圈430、440也被包括。

如上所詳述，氧化劑流動(dòng)路徑被限定為從氧化劑入口240到氧化劑排出口250。

惰性燃料電池間隔件151不包括燃料入口200(允許燃料穿過(guò)金屬襯底220和互連板150之間限定的空間220A，朝向燃料排出口210的流動(dòng))。相反，它包括防止燃料流到空間200A，同時(shí)允許燃料流動(dòng)至和流動(dòng)自電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層70的相鄰部件(襯底220和互連150)，并從中流出的燃料氣流歧管200A。

與電化學(xué)活性燃料電池堆重復(fù)層90的金屬襯底110不同，電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層70的金屬襯底220不包括多孔區(qū)域110A，且沒(méi)有具有陽(yáng)極層120、電解質(zhì)層130和陰極層140的燃料電池91。

陰極電功率提取板330接著被放置到電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層70的第一組60之上，并具有從它延伸的、與基板20上的基板功率通孔340相匹配的陰極電功率提取331。

負(fù)電功率提取板330由諸如級(jí)別441的鐵素體不銹鋼制成。其厚度為200μm。

IT-SOFC工作的適格材料對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是顯而易見(jiàn)的。

在其它實(shí)施例中，功率提取板的厚度為200-500μm。

電絕緣氣體密封墊圈430、440被放置在陰極電功率提取板330上，以為隨后的燃料電池堆重復(fù)層70、90的金屬互連板150下側(cè)的集電器突起150A提供充足的空間。

99層電化學(xué)活性燃料電池堆重復(fù)層90的組80接著被放置到單極330之上。每個(gè)電化學(xué)活性燃料電池堆重復(fù)層90包括金屬互連板150、電化學(xué)活性燃料電池間隔件152、金屬襯底110、安裝在金屬襯底110上的具有陽(yáng)極層、電解質(zhì)層和陰極層(分別是120、130、140)的燃料電池91。

氧化劑流動(dòng)路徑160被限定為從氧化劑入口170到氧化劑排出口180。

電化學(xué)活性燃料電池間隔件152包括燃料入口200，允許燃料穿過(guò)金屬襯底220和金屬互連板150之間限定的空間220A，向燃料排出口210的流動(dòng)。因此，燃料流動(dòng)路徑190被限定為從燃料入口200到燃料排出口210。

端電極350接著被放置到電化學(xué)活性燃料電池堆重復(fù)層90的組80之上，并具有從它延伸的、與基板20上的基板功率通孔320相匹配的陽(yáng)極電功率提取351。

第二組100的3層電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層70接著被放置到端電極350之上，并限定燃料電池堆的第二端32。

電絕緣和熱絕緣墊圈370接著被放置到燃料電池堆的第二端32之上部。電絕緣和熱絕緣墊圈370如同電絕緣和熱絕緣墊圈320中每個(gè)，并同時(shí)提供電絕緣和熱絕緣(即，具有受限的導(dǎo)熱性)。

罩400接著被放置到燃料電池堆30上，以便它緊靠圍繞基板20圓周延伸、并延伸出的邊緣20B。

端板40被放置到電絕緣和熱絕緣墊圈370之上。

可控的單軸壓力(未顯示)被用于端板40和基板20之間在燃料電池堆30上施加所期望的壓力，并因此實(shí)現(xiàn)所需的氣密封和部件之間的導(dǎo)電性。在這種狀態(tài)下，得到燃料電池堆組件10壓縮的高度(即基板20到端板40之間的距離)。

一旦得到所需的壓力，就由可控的單軸壓力保持，子彈頭端螺紋保護(hù)裝置420被從拉桿310的螺紋端310B移去，鎖緊圓頂螺母390和墊圈380位于拉桿310上的螺紋端310B上。擰緊鎖緊圓頂螺母以保持壓縮高度。然后移去由單軸壓力產(chǎn)生的壓縮力。

如果需要檢查鎖緊的圓頂螺母390的松緊度，以校正由夾緊裝置50實(shí)施的第一壓縮力產(chǎn)生的任何拉伸松弛，可以通過(guò)單軸壓力和任何必要的裝置/可進(jìn)行的變化重新施加壓縮力。

拉桿310穿過(guò)端板40和墊圈380延伸，并且鎖緊圓頂螺母390接著被放置到拉桿310的螺紋端。鎖緊圓頂螺母390被擰緊以施加壓力。

因此，夾緊裝置50包括基板20的螺紋凹槽300、拉桿310和鎖緊圓頂螺母390。

端板40還包括圍繞端板40的圓周延伸并或延伸出的邊緣40A。隨著端板40放置到電絕緣和熱絕緣墊圈370之上，夾緊裝置50在燃料電池堆30上施加的壓縮力，罩400緊靠邊緣40A。

罩400焊接到基板20和端板40上，以提供氣體密封。罩容積410由基板20、端板40和罩400之間所限定。

負(fù)極電功率提取331和正極電功率提取板351穿過(guò)基板20，因此它們和基板20之間沒(méi)有電接觸。這通過(guò)電絕緣襯墊(未示出)實(shí)現(xiàn)。這些襯墊是具有氣密性的，而且在燃料電池堆的整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)都具有化學(xué)惰性。

在這個(gè)制造階段，對(duì)燃料電池堆組件進(jìn)行電氣和氣體流動(dòng)檢查，以檢查其是否符合裝配一致性。

根據(jù)以上描述可以理解的是，電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層70不限定從燃料入口到燃料排出口的燃料流動(dòng)路徑，因此沒(méi)有任何燃料流動(dòng)穿過(guò)它們。反過(guò)來(lái)，這意味著不論在電化學(xué)活性燃料電池堆重復(fù)層90中發(fā)現(xiàn)的其它元件或結(jié)構(gòu)是否存在，燃料電池堆重復(fù)層70都是電化學(xué)惰性的。

電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層70因此也被稱為“虛設(shè)電池”。

在工作中，在啟動(dòng)時(shí)，使用預(yù)加熱器(未顯示)加熱被傳遞到電化學(xué)惰性重復(fù)層70和電化學(xué)活性重復(fù)層90的入口氧化劑，影響它們的加熱，以將電化學(xué)活性重復(fù)層90的溫度提高到工作溫度，并減少由電化學(xué)活性重復(fù)層90產(chǎn)生的熱損耗。

熱交換器(未示出)影響由排出的流體/氣體到入口流體/氣體的熱交換。特別是，發(fā)生在排出的氣體和入口氧化劑之間的熱交換，會(huì)導(dǎo)致加熱的氧化劑被供給到氧化劑入口170中。

實(shí)施例2

在這個(gè)實(shí)施例中，燃料電池堆組件10總體與例1中的相同。然而，第二組電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層100中的電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層70被改進(jìn)，以避免它們內(nèi)部的任何燃料流動(dòng)。

在這個(gè)實(shí)施例中，惰性燃料電池間隔件151由惰性燃料電池間隔件151A所代替。

從圖7中可以看出，電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層151A不包括任何燃料歧管，即不包括燃料氣體流的歧管200A，也不包括燃料排出口210。

由于這種重復(fù)層151A在電化學(xué)活性燃料電池堆重復(fù)層80B這一組第二端的較遠(yuǎn)一邊，燃料不需要流過(guò)或通過(guò)它們到達(dá)電化學(xué)活性燃料電池堆重復(fù)層。因此，燃料歧管的缺少對(duì)燃料電池堆組件10的性能沒(méi)有不利影響。

實(shí)施例3

在這個(gè)實(shí)施例中，元件部分總體與實(shí)施例1中的每個(gè)相同。然而，如圖8所示，負(fù)極功率提取板330和正極功率提取板350分別位于燃料電池堆第一端31和電絕緣和熱絕緣墊圈320之間，及燃料電池堆第二端32和電絕緣和熱絕緣墊圈370之間。

實(shí)施例4

在這個(gè)實(shí)施例中，元件部分總體與實(shí)施例1的每個(gè)相同(也與例2或例3的每個(gè)相同)，罩400位于燃料電池堆30上，并在應(yīng)用鎖緊圓頂螺母390后密封地附加在基板20和端板40上?；?0和端板40的特征和/或罩400的尺寸和特征也做相應(yīng)的改進(jìn)。如同之前的每個(gè)實(shí)施例一樣使用與基板20和端板40的邊緣特征對(duì)應(yīng)的氣密封焊接實(shí)現(xiàn)氣密性。

各種實(shí)施例

電化學(xué)活性燃料電池堆重復(fù)層的示意圖如圖12所示。圖13提供了具有惰性燃料電池歧管板151的電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層的示意圖。圖14提供了替代的電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層的示意圖，其中金屬襯底110沒(méi)有多孔區(qū)域110A，且未提供燃料電池91(具有陽(yáng)極層120、電解質(zhì)層130和陰極層140)。未顯示到其它燃料電池堆重復(fù)層的歧管。

在各種實(shí)施例中，電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層的金屬襯底220設(shè)置有與電化學(xué)活性燃料電池堆重復(fù)層90的陽(yáng)極層120、電解質(zhì)層130和陰極層140的厚度相同的塊(bulk)陰極材料層的。

例1

為了確定在燃料電池堆組件中包含電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層到的作用，從第一和第二中溫固體氧化物燃料電池堆組件中得到對(duì)比數(shù)據(jù)。

第一中溫固體氧化物燃料電池堆組件(稱為“具有緩沖惰性層”)是如實(shí)施例1(上述)中的燃料電池堆組件。

除了不包括任何電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層外，例如不包括第一組電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層，并且不包括第二組電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層，第二中溫固體氧化物燃料電池地組件(稱為“不具有緩沖惰性層”)與第一中溫固體氧化物燃料電池堆的相同。

在實(shí)驗(yàn)中，這兩個(gè)堆在具有相同平衡的廠房設(shè)備和相同的實(shí)驗(yàn)/測(cè)量設(shè)備的高的堆試驗(yàn)臺(tái)上，在相同的穩(wěn)定狀態(tài)下運(yùn)行。供給至這兩個(gè)堆組件的燃料和氧化劑是相同的，以改進(jìn)了的天然氣的蒸汽為燃料。整個(gè)燃料電池堆的外部電負(fù)載是0.5kW。

在標(biāo)準(zhǔn)的啟動(dòng)過(guò)程后，兩個(gè)堆都在標(biāo)稱0.5kW測(cè)試點(diǎn)的穩(wěn)定狀態(tài)下運(yùn)行48小時(shí)。在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中堆電壓被監(jiān)控。

穩(wěn)定狀態(tài)的簡(jiǎn)要結(jié)果在表1(下面的)給出。詳細(xì)的穩(wěn)定狀態(tài)的結(jié)果如圖9所示。

從結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，重復(fù)層的平均電壓有明顯的增加。重復(fù)層的最大電壓也顯著增加，同時(shí)重復(fù)層的最小電壓有非常大的和顯著的增加，并且相應(yīng)的重復(fù)層電壓的范圍相應(yīng)減小。重復(fù)層電壓的標(biāo)準(zhǔn)偏差也相應(yīng)地減小。

總體上，這對(duì)應(yīng)了燃料電池堆性能的很大改進(jìn)。

明顯地，由于燃料電池堆兩端的重復(fù)層的燃料電池工作地更好，它們能夠消耗更多的燃料，導(dǎo)致在堆中存在更少的未被利用的燃料，導(dǎo)致燃料電池堆的電效率增加了1-2％，這提高了整體的系統(tǒng)效率。

為沒(méi)有虛設(shè)重復(fù)層設(shè)置的燃料電池堆的測(cè)試系統(tǒng)配置具有標(biāo)稱0.5kW功率輸出測(cè)試點(diǎn)，工作時(shí)具有固定的電流負(fù)載，并監(jiān)控堆電壓和電池電壓相同的系統(tǒng)配置(包括相同的固定電流負(fù)載)用于具有虛設(shè)重復(fù)層的燃料電池堆，功率輸出的變化由在相同電流測(cè)試點(diǎn)的，變化的電池電壓的函數(shù)所確定。結(jié)果顯示具有虛設(shè)重復(fù)層的燃料電池堆的總的功率輸出增加了約3.5％。

在標(biāo)稱1kW功率輸出測(cè)試點(diǎn)，重復(fù)進(jìn)行相同的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果(未顯示)是具有虛設(shè)重復(fù)層的燃料電池堆的總的功率輸出增加了約6％。

表1

附圖標(biāo)記單獨(dú)合并在權(quán)利要求書(shū)中，以使之容易理解，并不限制權(quán)利要求的保護(hù)范圍。本發(fā)明并不止局限于上述實(shí)施方式，其它不脫離所附權(quán)利要求范圍的實(shí)施例對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員是顯而易見(jiàn)的。

附圖標(biāo)記

10-燃料電池堆組件

20-基板

20A-基板上表面

20B-邊緣

30-燃料電池堆

31-燃料電池第一端

32-燃料電池第二端

40-端板

40A-邊緣

50-夾緊裝置

60-電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層的第一組

70-電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層

80-電化學(xué)活性燃料電池堆重復(fù)層的組

80A-電化學(xué)活性燃料電池堆重復(fù)層組的第一端

80B-電化學(xué)活性燃料電池堆重復(fù)層組的第二端

90-電化學(xué)活性燃料電池堆重復(fù)層

91-燃料電池

100-電化學(xué)惰性燃料電池堆重復(fù)層的第二組

110-金屬襯底

110A-金屬襯底的多孔區(qū)域

110B-金屬襯底的無(wú)孔區(qū)域

120-陽(yáng)極層

130-電解質(zhì)層

140-陰極層

150-金屬互連板

151-惰性燃料電池歧管板

151A-惰性燃料電池歧管板

152-電化學(xué)活性燃料電池歧管板

160-氧化劑流動(dòng)路徑

170-氧化劑入口

180-氧化劑排出口

190-燃料流動(dòng)路徑

200-燃料入口

200A-燃料氣體流動(dòng)歧管

210-燃料排出口

220-金屬襯底(電化學(xué)惰性燃料電池重復(fù)層的)

220A-空間

260-氧化劑入口

270-燃料入口

280-氧化劑排出口

290-燃料排出口

300-螺紋凹槽

310-拉桿

310A-螺紋端

310B-螺紋端

320-電絕緣和熱絕緣墊圈

330-負(fù)極電功率提取板

331-負(fù)極電功率提取

340-基板功率通孔

350-正極電功率提取板

351-正極電功率提取

360-基板功率通孔

370-電絕緣和熱絕緣墊圈

380-墊圈

390-鎖緊圓頂螺母

400-罩

410-罩容積

420-子彈頭螺紋保護(hù)裝置

430-電絕緣氣體密封墊圈

440-電絕緣氣體密封墊圈