用于绕过燃料电池的系统及方法

用于绕过燃料电池的系统及方法
【专利说明】用于绕过燃料电池的系统及方法
[0001]相关申请案交叉参考
[0002]本申请案主张于2012年9月21日提出申请的序号为61/703，832的美国临时申请案的权益，所述美国临时申请案以全文引用的方式并入本文中。
【背景技术】
[0003]燃料电池为可以高效率将燃料中所存储的能量转换成电能的电化学装置。高温度燃料电池包含固态氧化物及熔融碳酸盐燃料电池。这些燃料电池可使用氢及/或烃燃料来操作。存在数种燃料电池，例如固态氧化物可逆燃料电池，其还允许逆向操作，使得可使用电能作为输入将水或其它经氧化的燃料还原成未经氧化的燃料。
[0004]在高温燃料电池系统(例如固态氧化物燃料电池(SOFC)系统)中，氧化流穿过燃料电池的阴极侧，而燃料流穿过燃料电池的阳极侧。所述氧化流通常为空气，而所述燃料流通常为通过重整烃燃料源所形成的富氢气体。以介于750V与950°C之间的典型温度操作的燃料电池使带负电氧离子能够从阴极流动流(flow stream)传输到阳极流动流，其中所述离子与游离氢或烃分子中的氢组合以形成水蒸气及/或与一氧化碳组合以形成二氧化碳。来自带负电离子的过剩电子透过在阳极与阴极之间完成的电路被送回到燃料电池的阴极侧，从而使得电流穿过所述电路。
[0005]可在内部或外部给燃料电池堆叠装用于燃料及空气的歧管。在内部装歧管的堆叠中，使用所述堆叠内所含有的立管将燃料及空气分配到每一电池。换句话来说，气体流过每一燃料电池的支撑层(例如，电解质层)中的开口或孔洞及每一电池的气体分离器。在外部装歧管的堆叠中，堆叠在燃料及空气入口及出口侧上为敞开的，且燃料及空气是独立于堆叠硬件而引入及收集的。举例来说，入口及出口燃料及空气在介于堆叠与堆叠位于其中的歧管外壳之间的单独通道中流动。
[0006]燃料电池堆叠通常为由呈平面元件、管或其它几何结构形式的多个电池构建而成。必须将燃料及空气提供到电化学活性表面(其可为大表面)。燃料电池堆叠的一个组件为所谓的气流分离器(称为平坦堆叠中的气流分离器板)，其分离所述堆叠中的个别电池。气流分离器板将流动到堆叠中的一个电池的燃料电极(即，阳极)的燃料(例如，氢或烃燃料)与流动到堆叠中的邻近电池的空气电极(即，阴极)的氧化剂(例如空气)分离。通常，气流分离器板也用作将一个电池的燃料电极电连接到邻近电池的空气电极的互连件。在此情形下，用作互连件的气流分离器板由导电材料制作或含有导电材料。
[0007]当燃料电池出故障时，其变为高电阻性的。在SOFC堆叠的情形下，堆叠的操作可继续，但堆叠的电压被跨越由出故障电池形成的电阻接口的电压降越来越多地消耗。旁路二极管已用于燃料电池系统中以允许电流绕过有缺陷燃料电池，但这些二极管经常在以高于约600°C的温度操作的系统的热箱部分内部遭受化学及热降解。

【发明内容】

[0008]各种实施例提供用于绕过燃料电池堆叠中的燃料电池的系统及方法。用于绕过燃料电池堆叠中的燃料电池的实施例方法包含:识别将绕过的燃料电池且连接导电旁路，例如将跨接件焊接到所述燃料电池堆叠使得所述跨接件经配置以在电学上绕过所述经识别燃料电池。
[0009]其它实施例方法包含:识别将绕过的燃料电池且将导电密封材料应用到燃料电池堆叠使得所述导电密封材料将所述经识别燃料电池的阴极入口或出口密封且使得所述导电密封材料在电学上绕过所述经识别燃料电池。
[0010]其它实施例方法包含:识别将绕过的燃料电池堆叠，且将导电旁路连接到列使得旁路将第一燃料电池堆叠与第二燃料电池堆叠电连接，其中所述第一燃料电池堆叠定位到所述经识别燃料电池堆叠的第一侧且所述第二燃料电池堆叠定位到所述经识别燃料电池堆叠的第二侧。
[0011]在另一实施例中，燃料电池堆叠装置包括多个燃料电池及多个互连件。所述多个燃料电池中的至少一者包括位于第一互连件与第二互连件之间的有缺陷燃料电池，且导电旁路连接到所述燃料电池堆叠使得所述旁路电连接所述第一互连件与所述第二互连件且在电学上绕过所述有缺陷燃料电池。然而，在所述多个互连件中的由所述多个燃料电池中的无缺陷燃料电池分离的每两个邻近互连件之间无导电旁路连接到所述堆叠。
[0012]在另一实施例中，燃料电池堆叠装置列包含多个燃料电池堆叠，其中所述多个燃料电池堆叠中的每一者包括多个燃料电池及多个互连件，且其中所述多个燃料电池堆叠包含位于第一导电结构与第二导电结构之间的至少一个有缺陷燃料电池堆叠，且导电旁路连接到所述列使得所述旁路将所述第一导电结构与所述第二导电结构电连接且在电学上绕过所述至少一个有缺陷燃料电池堆叠。
【附图说明】
[0013]并入本文中且构成此说明书的部分的随附图式图解说明本发明的实例性实施例，且与上文所给出的大体说明及下文所给出的实施方式一起用以解释本发明的特征。
[0014]图1图解说明SOFC堆叠的侧横截面图。
[0015]图2A图解说明具有跨接件的燃料电池堆叠的透视横截面图。
[0016]图2B图解说明具有延伸跨接件的燃料电池堆叠的透视横截面图。
[0017]图3是用于将跨接件附接到燃料电池堆叠的实施例方法的流程图。
[0018]图4图解说明具有经密封阴极气流通路的燃料电池堆叠的透视横截面图。
[0019]图5是用于密封气流通路且将跨接件附接到燃料电池堆叠的实施例方法的流程图。
[0020]图6图解说明其中导电密封材料经应用以密封阴极气流通路且绕过燃料电池的燃料电池堆叠的前横截面图。
[0021]图7A图解说明配置有连接到非邻近燃料电池堆叠的端板的跨接件的实施例燃料电池堆叠列的透视前视图。
[0022]图7B图解说明配置有连接到两个燃料分配歧管的跨接件的实施例燃料电池堆叠列的侧视图。
[0023]图8是用于将导电密封材料应用到燃料电池堆叠的实施例方法的流程图。
【具体实施方式】
[0024]将参照随附图式详细描述各种实施例。贯穿整个图式，在任何可能的地方将使用相同元件符号来指代相同或类似部件。出于图解说明的目的参考特定实例及实施方案，且不意欲限制本发明或权利要求书的范围。
[0025]图1图解说明固态氧化物燃料电池(SOFC)堆叠，其中每一 SOFC I包括阴极电极3 (例如，LSM或其它导电钙钛矿)、固态氧化物电解质5 (例如，YSZ、ScSZ或经掺杂二氧化铈)及阳极电极7 (例如，金属陶瓷，例如镍稳定的氧化锆及/或经掺杂二氧化铈金属陶瓷)O
[0026]各种材料可用于阴极电极3、电解质5及阳极电极7。举例来说，阳极电极可包括金属陶瓷，所述金属陶瓷包括含镍相及陶瓷相。所述含镍相可完全由还原状态的镍构成。此相可在其处于氧化状态时形成氧化镍。因此，阳极电极优选地在操作之前于还原气氛中退火以将氧化镍还原成镍。除镍及/或镍合金外，所述含镍相还可包含其它金属。所述陶瓷相可包括稳定的氧化锆(例如氧化钇及/或氧化钪稳定的氧化锆)及/或经掺杂二氧化铈(例如经氧化钆、氧化钇及/或氧化钐掺杂的二氧化铈)。
[0027]电解质可包括稳定氧化锆，例如氧化钪稳定的氧化锆(SSZ)或氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)。替代地，电解质可包括另一离子导电材料，例如经掺杂二氧化铈。
[0028]阴极电极可包括导电材料，例如导电钙钛矿材料，例如亚锰酸镧锶(LSM)。也可使用其它导电钙钛矿(例如LSCo等)或金属(例如Pt)。阴极电极还可含有类似于阳极电极的陶瓷相。电极及电解质可各自包括以上所描述材料中的一或多者的一或多个次层。
[0029]燃料电池堆叠通常是由呈平面元件、管或其它几何结构形式的多个SO