[发明专利]燃料电池堆夹持结构和固体氧化物燃料电池堆

说明书

技术领域

本发明涉及用于固体氧化物燃料电池堆的夹持结构。更具体而言， 本发明涉及使用夹持结构压缩的平面固体氧化物燃料电池堆，其中夹 持结构包括四侧平面柔性片。

背景技术

平面固体氧化物燃料电池(SOFC)堆包括固体氧化物燃料电池与互 连器交替的重复序列，其中横过固体氧化物燃料电池产生电压。

所述堆通常包括5至200个燃料电池并包括燃料电池序列，其中燃料 电池包括阳极、阴极和固体氧化物电解质，每个燃料电池与互连器交替。 通过歧管系统经内部通道系统向燃料电池提供燃料和氧化剂。燃料和氧 化剂在燃料电池堆中通过通道系统从层向层分布。在工作期间，横过各 个燃料电池产生电化学电压。互连器用作在不同的通道中向燃料电池引 入氧化物和燃料，从一个燃料电池收集电子并将电子传播和输送到相邻 燃料电池。

内部通道系统的壁必须是气密的以避免气体向外部环境的泄漏或氧 化剂和燃料不适时的混合。这通过使用例如玻璃的密封材料和/或通过在 可用的密封表面上提供燃料电池和互连器之间的紧密且直接的接合来确 保。

在SOFC堆中通过夹持结构明确限定的压缩力将燃料电池和互连器 按压在一起来确保燃料电池和互连器之间的气密情况和需要的电接触。 在一些情况中，在燃料电池堆工作期间，所需横过每个燃料电池表面的 压缩力可高达100N/cm。压缩力的大小取决于互连器和燃料电池的实际设 计和工作期间的气体压力。在所述堆的端面上提供所述压缩力。

SOFC堆通常在600-850℃的温度下工作。这种高温代表了对需要产 生这种大小的压缩力的机械夹持结构的设计的挑战。

重要的是，压缩力施加在与所述堆中的燃料电池的表面积相应的表 面积上。所述堆的端面的内部部分必须被压缩以保持电接触，端面的周 边必须被压缩以使所述堆气密。通常，燃料电池具有80-1000cm²的表面积， 会需要高达100,000N的压缩力。

已知各种类型的夹持结构或组件，例如使用带压缩平面燃料电池堆。 美国专利No.5993987公开了一种燃料电池堆，包括至少一条围绕端板的 带，并插入了电化学燃料电池。与带配合的弹性元件促使端板朝向彼此 因此向燃料电池施加了压缩力以促进形成燃料电池堆的层之间的密封和 电接触。

美国专利申请No.2006093890公开了通过搭扣组件压缩的燃料电池 堆，搭扣组件包括环绕燃料电池堆的端板延伸的压缩带。

传统的夹持结构基于金属平面端板法兰的压缩，金属平面端板法兰 放置在SOFC堆的任何一个端面上并延伸过由所述堆中的燃料电池限定 的表面积。在燃料电池外，两个端板法兰在它们的周边通过拉杆、管路 部分、弹簧和螺母的夹持结构互相连接以在所述堆中产生压缩力。

可在使用盘簧、卷簧、气弹簧或使用气压缸或液压缸的拉杆的弹力 帮助下设置拉杆经受的力。

SOFC堆通常工作在600-850℃的温度下。在这个温度下，大多数金 属材料在受到机械应力时会随着时间而蠕变。因此有利的是，将经受机 械应力的金属部分保持在尽可能低的温度下。

拉杆通常插过两个平面端板法兰，此后通过延伸过SOFC堆的一定长 度的管路部分并通过放置在管路部分的端部的弹簧。管路部分起间隔件 的作用，以使弹簧远离燃料电池堆，使得弹簧保持在与所述堆的工作期 间经受的高温相比较缓和的工作温度下。位于弹簧后的螺母用于组装这 些部件并从而调节SOFC堆上的压缩力。

在SOFC堆的工作期间，拉杆处于与所述堆的工作温度近似相等的温 度下。因此在拉杆中产生的张力导致拉杆有蠕变的趋势。

在SOFC堆的工作期间，在来自夹持系统的两个拉杆和所述堆的力的 影响下，平面端板法兰也受到机械张力，导致平面法兰的蠕变。因此平 面法兰趋于变成凸面形式。