专利名称：制备燃料电池堆的系统和方法
技术领域：
本发明一般涉及一种燃料电池堆，尤其涉及燃料电池堆的密封工序。
背景技术：
燃料电池通过在一个电极(阳极)上氧化燃料并在另一个电极(阴极)还原氧气产生电。电极通过离子迁移产生电的电解质隔开。在适当的条件下电极上的还原/氧化反应产生电压，然后电压被用来产生直流电。在用氢燃料和空气为氧化剂操作的固体氧化物燃料电池的情况下，氧离子通过电解质传导，在此氧离子与氢气形成废弃产物水。另外，电解质不能透过燃料和氧化剂并且只能传导氧离子。这一系列电化学反应是燃料电池中唯一的产生电能的方式。因此期望减少或消除任何发生不同化合例如不能产生电能的燃烧并因此减少了燃料电池效率的反应物的混合。
燃料电池在燃料电池堆中以典型的电串联装配来产生可用电压的电能。为了制备燃料电池堆，相互连接的元件，称为互连，用于将相邻的燃料电池电串联在一起形成燃料电池组件。典型地，阳极层与阳极互连连接同时阴极层与阴极互连连接。当在高温操作燃料电池时，例如在大约600℃到1000℃之间，燃料电池承受可在燃料电池堆中产生张力和导致应力的机械和热负载。
典型地，高温燃料电池由陶瓷制成，其必须密封到金属互连结构以便于限定用于反应物的密封通道，即燃料和氧化剂流到燃料电池并从燃料电池流出。在燃料电池组件的热循环期间，由于构成材料的热膨胀系数不同，燃料电池堆的各个元件以不同的方式膨胀和/或收缩。另外，各个元件可能由于其他现象例如，一个或多个元件化学状态的改变而导致膨胀或收缩。空间上膨胀和/或收缩的差异可影响分隔氧化剂和燃料路径的密封及还影响由不同材料制成元件的密封。
常规地，典型的燃料电池的阳极层由镍基金属陶瓷制成，该镍基金属陶瓷由与陶瓷的混合物中的氧化镍化学还原制得。燃料电池堆设计的主要问题是高温典型地需要由易碎材料例如玻璃和玻璃陶瓷制成的密封件。操作之前，燃料电池阳极中的氧化镍在高温下还原成镍，并且这一化学还原反应导致阳极体积的物理减小。阳极层体积的减小导致在燃料电池与其他元件例如密封件之间的连接上的附加应力，并可导致燃料电池组件密封或燃料电池自身的故障。陶瓷和金属热膨胀系数的不同产生的应力使其更为严重，因此导致阳极层和与其接触的互连体积产生不同的物锂体积减小。燃料电池和互连的热和化学膨胀差异的严重后果是阳极层或阴极层与相应的互连(阳极互连或阴极互连)之间的机械接触的电势损失。
另外，燃料电池堆中多个燃料电池的常规处理包括在单一工序中密封所有或几个燃料电池和互连以形成整体的、不可分割的堆叠体。如果，在该组装和工序之后，故障存在于燃料电池堆的任何密封中，燃料电池堆在不破坏密封的情况下不能拆卸。这意味着燃料电池堆中的任何故障会使整个燃料电池堆不能使用。
普通的解决热应力问题的方法是使热膨胀系数匹配足够接近的陶瓷和金属组合来使应力最小化。然而，非常难在整个温度范围使系数匹配。而且，即使这种匹配也不能避免由于空转中从陶瓷和氧化镍混合物到镍基金属陶瓷的转变导致的阳极层体积减小产生的应力。而且，基于接近的热匹配选择的材料可能对于燃料电池运行可能不是最理想的。
因此，需要涉及一种燃料电池，该燃料电池适应包括温度循环和化学状态的变化的操作状态变化，并且在最后组装之前允许检查燃料电池堆中单个燃料电池的密封。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供一种制备燃料电池组件的方法。该方法提供形成不可分割的多个燃料电池组件的组件前体，称其为假性堆(pseudostack)。假性堆中的每个燃料电池仅在两个电极中的一个电极即阳极层或阴极层上具有永久的电互连和密封连接。例如，阳极互连可以通过用于燃料电池阳极层密封通道的粘接剂和密封剂方式牢固地粘附在阳极层上。可选择地，密封件和永久电连接可以形成于燃料电池的阴极层，而不再阳极层上。
在本发明的另一个实施例中，提供一种方法，该方法包括在密封阳极层之前用还原气体还原阳极层。其中使用玻璃密封剂来密封阳极层和阳极互连，融化和密封之前或密封过程中阳极层可以被还原。当形成燃料电池堆时，可同时还原多个阳极层，例如通过使用许多还原气体岐管。假性堆的结构允许同时还原所有的阳极层并完成密封，同时还允许用于测试的拆卸和任何有故障的燃料电池的替换。
参见附图当下面详细描时，本发明的这些和其它的特征、方面和优点将更易于理解，在附图中相同的附图标记表示相同的部分，其中图1是根据本发明的方面的燃料电池组件的功能元件的示例性布置的示意图；图2是根据本发明方面的图1中示出的包括多个燃料电池组件的燃料电池假性堆的功能元件的示例性布置的示意图；图3是根据本发明的方面的组装的燃料电池堆的示例性示意图；以及图4是根据本发明的方面的制备图2所示燃料电池堆的示例性方法的流程图。
具体实施例方式
现在借助附图并参见图1，示出了燃料电池组件10的功能元件的示例性布置示意图。在图1的布置中包括燃料电池12，该燃料电池12具有第一电极14、第二电极16和插在第一电极14和第二电极16之间的电解质18。燃料电池组件10还包括具有多个流动通道22的第一互连20。相似地，燃料电池组件还包括具有多个流动通道30的第二互连26。在燃料电池组件10的实例中第一电极是阳极层14，第二电极是阴极层16。因此，第一互连20是阳极互连20并与阳极层粘接设置。同样，第二互连26是阴极互连并与阴极层粘接设置。
在另一个实施例中，是相反的设置，第一电极是阴极层16，第二电极是阳极层14。因此在这一实施例中，第一互连是阴极互连26，第二互连是阳极互连20。可以表明接下来的各个元件的所有描述都将应用于上述的两个实施例中。
设置具有多个流动通道22的阳极互连20以还原气体24(也称为燃料气体)导入到阳极层14。同样，设置具有多个流动通道30的阴极互连26将氧化剂导入到阴极层16。如下所述，多个这样的燃料电池包括在组件中以形成燃料电池堆。这可以称为预密封工序。在预密封工序可以允许用于测试的燃料电池从另一个燃拆卸和对任何有故障的燃料电池在最后的组装、互相连接和密封之前的替换。
在如图1所示的实施例实例中，粘接剂32在阳极层14和阳极互连20之间提供一个导电介质。典型地，用适当的密封剂34将围绕阳极层的周围的阳极互连20密封在阳极层14上。在这一执行过程中，例如在如下所述的假性堆的形成期间，密封剂34是熔化在阳极层和阳极互连之间的玻璃。由于粘接剂是典型地多孔的和导电的，密封剂34将阳极层14密封到阳极互连20上并同时密封粘接剂32的周边。用于制备假性堆和无故障的燃料电池堆的方法将在下面部分解释说明。作为粘接剂使用的合适的材料包括氧化镍浆料、镍浆料和铂浆料。作为密封剂使用的合适的材料包括玻璃、玻璃-陶瓷，氧化镍和镍浆料。当然也可以使用其它具有相同功能的材料。
如图1所述的示例性布置还包括设置于阴极层16和阴极互连26之间的缓冲层36。缓冲层36是一种柔性的材料，该材料包含于假性堆中允许在预密封步骤机械力轴向转移到粘接剂和遍布燃料电池堆的密封剂的周边。缓冲层36不需要在阴极层16和阴极互连26之间传导电流。燃料电池组件10中互连(阳极互连20和阴极互连26)的一些功能是提供燃料电池12之间的串联或并联的电接触、提供还原气体24，例如氢气，以相似地提供氧化剂流动通道和提供结构性的支撑。
现在借助图2，示出了燃料电池假性堆38的功能元件的示例性布置。燃料电池堆38包括多个上述图1所讨论类型的燃料电池组件10。在图2所述的示实例实例中，阳极互连20和阴极互连26的流动通道能在操作期间电池温度提高时操作的材料制成。参见上述的图1，每个燃料电池12包括阳极层14、阴极层16和插在其间的电解质18。每个燃料电池组件10以阴极层16直接暴露于用于氧化剂流到阴极层16的流动通道30、以及阳极层14直接暴露于在流通通道22中流动的还原气体24的方式设置。
在加工过程中燃料电池堆38还包括基板40。同时在加工过程中，可以将配重42放置在燃料电池堆38的顶部来给燃料电池堆38提供用于密封的压力。燃料电池堆38形成之后，基板40和配重42从燃料电池堆38上拆除。当然，用于密封和粘接的压力可以通过其他方式例如拧紧、水压或气动致动器等方式进行施加。
如上所述，以及下面的详细描述，通过允许拆卸和检查每个燃料电池形成燃料电池堆，本发明有利于显著地提高生产率、加工和可靠性。特别地，在一个执行过程中，在假性堆初始组装期间，采用适当位置的粘接剂将阳极层密封到阳极互连上，而不是永久连接到阴极侧。随后可以拆卸燃料电池用于测试。有故障的或性能差的燃料电池可以抛弃或再加工，因此用公知的好的燃料电池制备最后的组件。可选择地，用于假性堆的互连可以最初仅在每个燃料电池的阴极侧制备，然后在最后的组装工序密封和/或粘接阳极层。
在操作燃料电池组件10期间，阴极层16产生的氧离子(O2-)通过插在阳极层14和阴极层16之间的电解质18传输。还原气体24例如，氢气，供应给阳极层14。还原气体24在阳极层14与通过电解质18传递到阳极14的氧离子(O2-)反应。氧离子(O2-)与氢气合并形成水并将电子释放到外电路(未示出)。因此，氢气与氧离子的反应速率与电流成正比。在开路的情况下(没有电流)电极之间没有反应或电压保持在最大能级。
阳极层14的最大作用是为导入到燃料电池12的还原气体24提供电化学氧化反应的反应场所。另外，阳极层14材料应该在还原环境的还原气体24中是稳定的，具有足够的导电性、表面积和催化活性用于燃料电池操作条件下还原气体的反应，并具有充足的孔隙以允许燃料气体转移到反应场所。还原气体一般通过气体岐管导入。阳极层14可以由具有这些特性的多种材料制备，包括贵金属、过渡金属、金属陶瓷、陶瓷及其组合物。更特别地阳极层14可以由任何适当的金属制成，例如镍(Ni)、Ni合金、Ag、Cu、钴、钌、Ni-YSZ金属陶瓷、Cu-YSZ金属陶瓷、Ni-二氧化铈金属陶瓷或其组合物。
某种阳极材料的制备包括化学还原反应。例如，燃料电池可以由含有在空气中稳定的氧化镍的阳极层构建。在操作燃料电池堆之前，氧化镍必须还原成镍。阳极层可以承受还原工序中的尺寸变化和热膨胀性能的变化。如果在还原工序中燃料电池密封到阳极互连或阴极互连，这些在受力变形的燃料电池中尺寸的变化会导致燃料电池或密封的故障。因此，通过在密封阳极层和阳极互连之间之前或密封工序期间还原阳极层，本发明还改善了单个燃料电池的可靠性，从而改善燃料电池组件和燃料电池堆的可靠性。如下所讨论，可同时还原如假性堆中的多个阳极层。同样如下所述，用于还原阳极层的气体可以包括氢气或能够产生预定还原反应的任何合适的气体。
阴极层16设置于电解质18之上。阴极层16的主要作用是为氧气产生通过电解质运载电流的氧离子的电化学还原反应提供反应场所。因此，阴极层16在氧化环境是稳定的，具有足够的电子和离子导电性、表面积和催化活性以用于燃料电池12的操作条件下的氧化反应和具有足够的孔隙以允许气体传递到反应场所。阴极层16可以由具有这些性能的很多材料制备，包括导电氧化物、钙钛矿、掺杂LaMnO3、掺锡氧化铟(In2O3)、掺锶PrMnO3、镧(La)铁氧体、镧辉钴矿、RuO2-YSZ以及其组合物。
阳极互连20可以由任何适合的材料制备，例如导电材料，包括不锈钢、镍、镍合金、Fe-Cr-Al系合金(fecralloy)、镍铬铁合金、金、银、铂、钯、钌或铑或其组合物。同样，阴极互连26可以由导电材料制成，例如不锈钢、Fe-Cr-Al系合金(fecralloy)、镍铬铁合金、金、银、铂、钯、钌或铑或其组合物。
在一些实施例中，阳极互连20和阴极互连26可以组合以充当双电极元件，其中具有与其中一个燃料电池组件10的阴极层16相邻的阴极层侧的双电极元件的阴极层侧作为阴极互连26。双电极元件的阳极层侧作为阳极互连20，其中该阳极层侧与下一个燃料电池组件10的阳极层14相邻。而且，双电极元件还作为燃料电池组件10中用于阴极层16的氧化剂通道和用于阳极层14的还原气体24的通道。
更有利地，由于每个燃料电池组件10部分组装在可拆卸的假性堆中，可在燃料电池组件最后组装之前进行许多非毁坏性测试和检查。在本发明的实施例实例中，测试和检查包括进行泄漏测试、电阻测量测试、阻抗测量测试、机械整体性测试、超声波测试、X射线测试、开路电压测量、阻抗光谱或电化学性能测试。然而，在生产中，可以进行一些或全部测试，以及通过其他需要的测试和检查来补充。
而且，在一个实施例中，用上述限定的一个或几个方法测试或检查假性堆以确定有缺陷的或有故障的燃料电池组件。依据对有故障的燃料电池组件的鉴别，可以用多个没有故障的燃料电池组件形成燃料电池堆。在另一个实施过程中，当形成单个的燃料电池组件时，在组装形成燃料电池堆之前可以单个地测试和检测它们以判断是否有故障。然而，本领域技术人员可以理解，在测试和检测之前形成假性堆的一个优点允许使用单个岐管来将还原气体提供给假性堆中的多个阳极层。这里讨论的这些实施例将恰当的支持下面讨论的观点。
如上述所释，如图2所示本发明的实施例，阳极层或阴极层的与密封工序在形成假性堆期间进行。例如，在现在说明的实施例中，阳极层14通过阳极层和阳极互连之间的粘接剂和密封剂(玻璃)被固定到阳极互连20上。然而，如上所讨论的，应注意在本发明其他实施例中，可在燃料电池堆38的阳极侧进行预密封过程，在临时组装每个燃料电池组件10之后形成假性堆。如上所讨论，例如如果阴极层16不覆盖燃料电池12的整个表面，电解质18暴露并且可在阴极互连30和电解质18之间进行阴极层侧密封。
现在参考图3，示出了组装的燃料电池堆44的实施例。如在先前的上述的解释，对单个燃料电池组件10进行非毁坏性测试和检查之后，堆叠多个燃料电池组件10形成组装好的燃料电池堆44。在本发明的某个实施例中，如图2所示在假性堆拆卸之后形成燃料电池堆44之前去除缓冲层36。在形成组装的燃料电池堆44期间，在用粘接剂连接假性堆的组件期间，电极(阳极层或阴极层)不是固定连接在其相应的互连(阳极互连或阴极互连)上。例如，用阴极粘接剂例如镧、锶、锰酸盐浆料、掺杂铁酸镧浆料、掺杂钴酸镧浆料、或其他适合高温氧化环境的任何导电材料将阴极层16连接到阴极互连30上。在操作燃料电池堆44期间，每个燃料电池组件的阳极层14不再承受化学反应。
参见图4，流程图阐述了制备图2所述燃料电池堆的代表性制备方法的实例。该方法包括制备包括如步骤46所示的燃料电池的燃料电池组件，其中燃料电池包括阳极、阴极和插入其间的电解质以及阳极互连和/或阴极互连。该方法还包括用在阳极层或阴极层互连的阴极侧的粘接剂将阳极层与阳极互连粘接起来(方框48)。在步骤50中，用密封剂将阳极层和阳极互连密封。在一个实施例中，如步骤50所示，用玻璃密封剂将阳极层的外周和阳极互连密封同时将还原气体导入到阳极层。在本发明的另一实施例中，用密封剂将至少一个阴极互连与每个阴极层密封。在步骤52中，采用以交替的方式设置的多个燃料电池组件制备假性堆。如先前部分所述的，一个燃料电池组件包括一个燃料电池和阳极互连和/或阴极互连。
应该注意在下一个互连(阳极互连或阴极互连)放置在阴极层表面之前，缓冲层设置在每个燃料电池的阴极层表面。如上所述，处理假性堆中的多个电池将允许用于测试的电池从另一个电池拆卸和去除有故障的燃料电池。在该假性堆中，每个燃料电池仅有一个电极(阳极或阴极)被密封。在现在进行的实施例中，阳极层未被密封，只有在最终组装中该阳极层将最后密封形成燃料电池堆。在阴极层的周围到阴极互连进行密封。可选择地，可在假性堆中密封阳极层，而不密封阴极层。
如步骤54所示该方法还包括加热假性堆用于使密封剂和粘接剂凝固。应该注意在温度为大约900摄氏度持续加热假性堆大约60分钟熔化密封剂(玻璃)进行密封。时间和温度将依赖所使用的密封剂。而且，在步骤54中，通过气体岐管将还原气体供应到所有燃料电池组件的阳极层的流动通道中用来还原阳极层。
还原气体(例如，氢气)的循环和假性堆的加热可以同时进行。还原气体可以使还原气体和阳极层之间发生还原反应。如上述提及的，还原反应可以减小阳极层的体积，和某种性质的变化，例如热膨胀系数。而且，阳极层的还原可以发生在密封剂熔化时或阳极层和阳极互连密封之前。在假性堆中还原阳极层时，用于整个假性堆的入口岐管参与这一工序中并通过允许还原气体导入到假性堆中的所有燃料电池以一次还原所有阳极层。
如步骤56所示，可以测试和检查假性堆中的每个燃料电池组件的故障。在步骤58中，从单独的燃料电池组件中选择删除有故障的燃料电池组件形成可操作的燃料电池堆。最后的组装过程包括完成任何没有在假性堆的形成中产生的连接和密封。
在可选择的实施方式中，如上所述，可以在用密封剂密封阳极层和阳极连接件之前将还原气体导入到阳极层。还原气体导致再次还原阳极层。然后，在随后的阶段，将阳极层密封到阳极互连上。然后，可以检测由此产生的假性堆并除去有故障的电池，以及以与之前描述相同的方式组装好和最后密封电池堆以获得没有故障的燃料电池堆。
在某些其他实施的实例中，不用形成假性堆可以获得没有故障的燃料电池堆。在这一实施中，如之前的解释形成燃料电池组件。然而，每个燃料电池组件可以通过还原气体通道还原以形成用于测试和检查的还原的燃料电池组件。堆叠两个或多个没有故障的还原的燃料电池组件形成没有故障的燃料电池堆。
本领域技术人员可以理解，本发明提供的所有系统能够使常规的燃料电池及其构建方法的优点变化。在这一实施过程中，燃料电池10的阳极层14在最后的组装和燃料电池12的操作及同时发生的密封剂34的固化之前体积减小。这防止了在通过固化密封34使燃料电池12机械固定的同时，燃料电池12或密封剂34由于阳极层14体积的减小导致的故障。另外，本发明还有助于在燃料电池堆38的最后组装之前进行某种燃料电池组件10的测试和检测。这一过程帮助在最后组装成燃料电池堆38之前去除有故障的燃料电池组件10，而不是如果发现任一燃料电池组件是有故障的就去除整个燃料电池堆。
在此仅解释和描述的本发明的某些特征时，而对本领域技术人员来说可以产生许多修改和变形。因此，可以理解所附的技术方案旨在覆盖所有的这种修改和变形以使其落入本发明的精神之内。
权利要求
1.一种制备燃料电池组件(10)的方法，包括以下步骤将至少一个阴极互连(26)和燃料电池(12)的阴极层(16)密封，其中燃料电池(12)包括阴极层(16)、电解质(18)和阳极层(14)；用还原气体(24)还原阳极层(14)；以及用密封剂(34)将阳极层(14)和阴极互连(20)粘接在一起以形成燃料电池组件(10)。
2.根据权利要求1的方法，还包括将阳极层(14)和阳极互连(20)粘接在一起之前加热燃料电池组件(10)。
3.根据权利要求1的方法，其中用还原气体(24)还原阳极层(14)发生将阳极层(14)和阳极互连(20)粘接在一起之前。
4.根据权利要求1的方法，其中用还原气体(24)还原阳极层(14)并将阳极层(14)与阳极互连(20)连接在一起基本同时进行。
5.根据权利要求1的方法，还包括测试和检查燃料电池组件(10)中的故障。
6.根据权利要求5的方法，其中测试和检查燃料电池组件(10)包括进行泄漏测试、电阻测量测试、阻抗测量测试、机械整体性测试、超声波测试、X射线测试、红外影像测试、开路电压测量、阻抗光谱或电化学性能测试或其组合。
7.根据权利要求1的方法，还包括在还原阳极层之前(14)堆叠多个燃料电池组件(10)以形成假性堆(38)。
8.根据权利要求7的方法，还包括用还原气体(24)还原假性堆(38)中每个燃料电池组件(10)的阳极层(14)。
9.根据权利要求7的方法，还包括将假性堆(38)中的每个燃料电池(12)密封到阳极互连(20)或阴极互连(26)中的任一个上。
10.根据权利要求7的方法，还包括测试和检查假性堆(38)中各个燃料电池(12)的故障。
全文摘要
一种燃料电池堆(44)包括多个燃料电池组件(10)，其中每个燃料电池组件(10)包括燃料电池(12)，其中燃料电池(12)包括阳极层(14)、阴极层(16)和插在阳极层(14)和阴极层(16)之间的电解质(18)。燃料电池组件(10)还包括阳极互连(20)和阴极互连(26)，其中阳极互连(20)可以通过粘接剂(32)固定连接在阳极层(14)并且用密封剂(34)密封每个燃料电池(12)的阳极层(14)的通道。
文档编号H01M8/24GK1855592SQ20061008207
公开日2006年11月1日 申请日期2006年4月7日 优先权日2005年4月7日
发明者R·S·布尔格奥伊斯, R·L·哈特, S·古德拉瓦莱蒂, 郭书敬, A·P·夏皮罗, 樊蓉, 翁达聪, 祁喜旺 申请人:通用电气公司