專利名稱：結(jié)構(gòu)上可塑變的燃料電池密封的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種燃料電池，特別涉及結(jié)構(gòu)上可塑變的燃料電池密封。
背景技術(shù)：
在過去的幾年期間，用于產(chǎn)生不論是大量還是小量電力的燃料電池的流行性和生命力有了重大的增加。燃料電池在例如氫和氧這類的化學物質(zhì)之間進行電化學反應(yīng)產(chǎn)生電和熱。燃料電池在性質(zhì)上是電化學的這方面和電池相同，但是，只要它們有燃料就會繼續(xù)工作。此外，燃料電池比燃燒碳氫化合物的裝置要清潔得多。
燃料電池提供直流(DC)電壓，而這個直流電壓可以用于供給電動機、電燈、計算機或任何數(shù)量的電器。雖然有若干不同類型的燃料電池，每種類型利用不同的化學原理，但是大多數(shù)燃料電池都有3個組成部分一個陽極、一個陰極和一種電解質(zhì)。通常根據(jù)所用的電解質(zhì)類型把燃料電池分類成5組中之一組質(zhì)子交換薄膜(PEM)燃料電池、堿性燃料電池(AFC)、磷酸燃料電池(PAFC)、固體氧化物燃料電池(SOFC)和熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)。
雖然所有燃料電池都有一些希望有的特點，但固體氧化物燃料電池(SOFC)具有許多優(yōu)于其它燃料電池類型的特殊優(yōu)點。SOFC的一些優(yōu)點包括減少的電解質(zhì)管理問題、增加的優(yōu)于其它燃料電池的效率(效率達60％)、有熱副產(chǎn)物的共生潛力、較高的對燃料不純的允許能力以及碳氫化合物燃料的內(nèi)部再形成(因為氫和甲烷的產(chǎn)生)是可能的。
大多SOFC包括由如耐久的氧離子導電陶瓷這樣的固態(tài)材料制成的電解質(zhì)。在電解質(zhì)的每一側(cè)上都是一個電極；陽極在一側(cè)上，陰極在另一側(cè)上。將如空氣這樣的氧化劑供給陰極，陰極對電解質(zhì)供應(yīng)氧離子。將如氫或甲烷這樣的燃料供給陽極，在陽極將燃料輸送到電解質(zhì)，與氧離子反應(yīng)。這種反應(yīng)產(chǎn)生電子，然后電子作為有用功率被引入到外部電路中。為了產(chǎn)生可用數(shù)量的功率和增加效率，典型地SOFC燃料電池疊放在另一個的頂部上組成SOFC堆。
SOFC工藝的最近發(fā)展已將SOFC燃料電池的工作溫度從1000℃左右減低到600-800攝氏度范圍。工作溫度的減少已允許SOFC的結(jié)構(gòu)外殼由如不銹鋼這樣的不太昂貴的材料構(gòu)制。雖然使用不太昂貴的材料對燃料電池的發(fā)展和生產(chǎn)成本有很大好處，但不太昂貴的材料也出現(xiàn)若干另外的問題。
在整個SOFC的作用期間，電池經(jīng)常在室溫和全工作溫度之間循環(huán)許多次。這種熱循環(huán)使外殼材料按照它們的熱膨脹系數(shù)(TCE)收縮和膨脹。這種收縮和膨脹引入熱應(yīng)力。這些熱應(yīng)力經(jīng)傳統(tǒng)剛性密封和其它結(jié)構(gòu)部件直接傳遞到陶瓷電池上。由于損壞密封或使結(jié)構(gòu)上易碎的陶瓷電池破裂，這些熱應(yīng)力有效地減少SOFC的使用壽命。

發(fā)明內(nèi)容
燃料電池的密封包含配置的一種合金，這種合金，由于在燃料電池的工作溫度下成為結(jié)構(gòu)上可塑變(Yieldable)的而吸收傳遞到燃料電池上的熱和氧化還原作用應(yīng)力。


本發(fā)明的各種實施例，它們也是詳細說明的一部分。所說明的實施例僅只是本發(fā)明的例子，它們并不限制本發(fā)明的范圍。
圖1A說明按照一個示例性實施例的固體氧化物燃料電池(SOFC)外殼的底視圖。
圖1B是按照一個示例性實施例的SOFC外殼的頂部平面視圖。
圖2是按照一個示例性實施例的絕緣板的頂部平面視圖。
圖3是按照一個示例性實施例說明按照組裝的SOFC外殼中配置的低熔點復合密封的橫截面視圖。
圖4是SOFC堆的橫截面視圖。該SOFC堆實現(xiàn)按照一個示例性實施例的低熔點復合密封。
圖5是說明制造按照一個示例性實施例的SOFC的方法的流程圖。
圖6是說明按照一個示例性實施例的SOFC的工作的流程圖。
圖7A說明按照一個示例性備選實施例的SOFC外殼的結(jié)構(gòu)。
圖7B說明安裝有圖7A說明的示例性備選實施例的SOFC燃料堆。
圖8A和圖8B說明安裝有按照一個備選實施例的低熔點復合密封的SOFC。
在所有的各個圖上，相同的標號指定類似但未必相同的元件。
具體實施例方式
在這里說明一種裝置，這種裝置用于減少由熱或氧化還原收縮和膨脹引起的熱應(yīng)力從固體氧化物燃料電池(SOFC)的外殼到SOFC的傳遞。在下面，按照一個示例性的實現(xiàn)較全面地說明幾種復合材料密封，這些密封在SOFC的工作溫度下在結(jié)構(gòu)上是可塑變的，可以被裝入在燃料電池外殼和陶瓷燃料電池之間。只為容易解釋起見，將在固體氧化物燃料電池(SOFC)的范圍說明這個系統(tǒng)。然而，由許多循環(huán)加熱系統(tǒng)可以使用這里說明的低熔點復合密封，其中，可涉及熱應(yīng)力經(jīng)有點剛性密封的傳遞。術(shù)語“低熔點”意指在這里和在所附的權(quán)利要求中被理解為說明在循環(huán)加熱系統(tǒng)的工作溫度下失去結(jié)構(gòu)的完整性的材料，或合金或復合材料。
在下面的說明中，為解釋目的陳述大量具體細節(jié)以便提供本發(fā)明的徹底了解。然而，對本專業(yè)技術(shù)人員會是顯而易見的是，沒有這些具體細節(jié)也可以實施本發(fā)明。在對“一個實施例”或“一種實施例”的詳細說明中的參考意指，就該實施例而說明的個別特征、結(jié)構(gòu)或特性被包含在至少一個實施例中。在詳細說明中的各個地方出現(xiàn)詞組“在一個實施例中”未必指的是同一個實施例。
圖1A說明按照一個示例性實施例的固體氧化物燃料電池(SOFC)外殼的底視圖。如在圖1上所說明的，外殼(100)具有包括多個堆鎖緊孔(110)、多個燃料饋入過篩裝置(120)和多個空氣通路沖塞(140)的主體部分。
可以配置圖1A說明的外殼(100)的主體成可疊放在其它相似的外殼上，借此組成SOFC堆。當疊放時，空氣通路沖塞(140)形成許多直接地在SOFC陰極上面的空氣通路。在一個示例性實施例中，外殼(100)提供對SOFC的結(jié)構(gòu)支承以及起外殼之間的電互聯(lián)作用。外殼(100)可以由任何能夠在起外殼之間的電互聯(lián)作用的同時通過其熱循環(huán)提供對SOFC的結(jié)構(gòu)支承的材料構(gòu)制，包括但在方法中不限于用于高溫燃料電池的摻雜鑭亞鉻酸鹽和用于有600和800攝氏度之間工作溫度的燃料電池的鐵素體不銹鋼。下面，只為容易解釋起見，將在由鐵素體不銹鋼制的外殼范圍內(nèi)說明燃料吸收盒。并且，此低熔點復合密封絕不限于平面配置或任何具體幾何形狀的外殼。
配置圖1A中說明的堆鎖緊孔(110)容納鎖緊裝置(未示出)。鎖緊裝置幫助第1外殼(100)對第2外殼鎖緊，借此組成堆。如圖1A所示，堆鎖緊孔可以是能夠容納如螺栓或銷這樣的機械鎖緊裝置的孔。圖1A所示的堆鎖緊孔(110)被表示為具有便利容納圓柱形銷或螺栓的圓橫截面。但是，堆鎖緊孔可以是容納堆鎖緊裝置所必需的任何橫截面。
圖1A所示的燃料饋入過篩裝置(120)是流體密封的孔口。這個孔口從SOFC外殼(100)伸出，當外殼(100)被連接組成SOFC堆時，可以連接到任何接著的外殼(100)的燃料饋入過篩裝置(120)。燃料饋入過篩裝置被配置成包含和分配在外殼(100)之間的壓入燃料，使得可以將燃料供給構(gòu)成SOFC燃料堆中的SOFC的一部分的陽極。
圖1B說明一種示例性實施例的某些另外部件的SOFC外殼(100)的頂視圖。如圖1B所示，SOFC外殼(100)的頂部還包括階梯幾何結(jié)構(gòu)，這個階梯幾何結(jié)構(gòu)包括由槽沖塞(220)限定的燃料槽(200)、在燃料槽中布置的燃料導管(130)和燃料電池支承架(210)。
在燃料槽(200)中布置的燃料導管(130)流體地連接到燃料饋入過篩裝置(120)。燃料導管(130)被配置成由燃料饋入過篩裝置(120)供給的燃料引導到燃料槽(200)中。在燃料槽(200)中，燃料可以同SOFC接觸。
圖2說明可以裝入按照一個示例性實施例的燃料電池外殼的絕緣板(250)。如圖2所示，絕緣板(250)包括本體(260)、中央孔口(270)、堆鎖緊孔(110)和燃料饋入過篩裝置(120)。
絕緣板(250)的本體(260)被配置成布置在堆配置中的2個外殼(100，圖1A)之間或在外殼和頂板之間。絕緣板(250)的本體防止會使SOFC短路的電路填充。絕緣板的本體可以由能夠在整個SOFC的工作周期提供2個外殼或外殼和頂板之間的絕緣擋板的任何材料組成。這種材料包括但絕不限于陶瓷材料。
絕緣板(250)的中央孔口(270)被配置成容納SOFC外殼的空氣通路沖塞((140，圖1A)?？諝馔窙_塞((140)還可起疊放配置的燃料電池之間互聯(lián)的作用。如圖2所示，中央孔口可以被配置成，使得組裝時空氣通路沖塞((140，圖1A)可以伸過中央孔口，并傳遞地連接到SOFC的陰極側(cè)。
圖3是組裝的示例性SOFC系統(tǒng)的解析橫截面視圖。如圖3所示，組裝的SOFC系統(tǒng)包括帶有若干燃料饋入過篩裝置(120)和連接到每個燃料饋入過篩裝置(120)的燃料導管(130)的SOFC外殼(100)。燃料導管(130)被配置成，使得它們流體連接到燃料槽(200)。在燃料槽沖塞(220)的頂部和燃料電池支承架(210)上密封的是一個包括陰極(300)、陽極(320)和中央電解質(zhì)(310)的SOFC。在SOFC外殼(100)和頂板或接著的外殼(100)之間布置的是絕緣板(250)。
圖3所說明的SOFC的陰極(300)可以是能夠?qū)⒀鯕饣蚩諝夂碗娮愚D(zhuǎn)換成氧離子的任何陰極，包括但絕不限于如鑭亞錳酸鹽(LaMnO3)這樣的混合導電鈣鈦礦。圖3所說明的陽極(320)可以是當如氫或甲烷這樣的燃料被接收并和氧離子反應(yīng)時能夠?qū)㈦娮俞尫诺酵獠侩娐返娜魏侮枠O。用于組成陽極(320)的材料可以包括但絕不限于如導電鎳/氧化釔穩(wěn)定氧化鋯金屬陶瓷這樣的陶瓷/金屬復合物。圖3所說明的電解質(zhì)(310)可以是任何氧離子導電電解質(zhì)，包括但絕不限于如氧化釔穩(wěn)定氧化鋯、釓摻雜鈰二氧化物Ba2In2O5或(鍶、鎂)摻雜的LaGaO3(LSGM)這樣的基于氧化鋯的電解質(zhì)。
如圖3所示，SOFC不是直接密封在燃料電池支承架(210)上。而是，用低熔點復合密封(360)和任選的粘合可濕材料(350)隔開SOFC和燃料電池支承架(210)。如圖3所說明的，如果需要，可以將粘合可濕材料(350)放置在低熔點復合密封(360)、燃料電池支承架(210)和SOFC之間。配置粘合可濕材料(350)提供穩(wěn)定的化學分界面。該化學分界面起低熔點復合密封(360)和SOFC工作期間的任何相鄰部件，例如SOFC的陶瓷部件之間的粘合密封作用。粘合可濕材料(350)可以是能夠潤濕SOFC的陶瓷表面和/或外殼借此提供低熔點復合密封(360)的粘合表面的任何材料，包括但絕不限于鉬錳合金(Mo/Mn)、銀(Ag)、金(Au)、鉑(Pt)、鎳(Ni)和錫(Sn)或者它們的任何的適當混合。
按照圖3所說明的示例性實施例，如此放置低熔點復合密封(360)，使得低熔點復合密封(360)占據(jù)適當密封的SOFC和SOFC外殼(100)的內(nèi)壁之間形成的間隙。由于占據(jù)上述間隙，低熔點復合密封可以防止氣體從燃料槽(200)滲透到陰極區(qū)。低熔點復合密封(360)可以是由于是在或接近其熔點能夠在典型SOFC工作溫度提供氣體密封的任何復合材料或合金，包括但絕不限于銀(Ag)、錫(Sn)、鋁(Al)、金(Au)、銅(Cu)或者它們的任何適當混合。只為容易解釋，將在銀合金復合材料密封的范圍說明以下低熔點合金密封(360)。
如果銀(或者任何其它具有比較低蒸汽壓的低熔化溫度金屬)是用于形成低熔點復合密封的要素元素，基本上有2個模態(tài)出現(xiàn)導電密封或非導電密封。如果在密封中銀是主要元素，低熔點復合密封將是導電的。在SOFC工作溫度下，銀將形成在一起熔化的網(wǎng)絡(luò)。這個網(wǎng)絡(luò)可以導電，低熔點復合密封可以起SOFC外殼之間的電互聯(lián)作用。然而，如果形成低熔點復合密封(360)的復合材料中的主要元素是如硼硅酸鹽鋁玻璃這樣的低熔點玻璃，密封將是非導電的。按照這個實施例，當SOFC系統(tǒng)達到工作溫度時，硼硅酸鹽鋁玻璃或其它陶瓷將聚結(jié)并形成非導電網(wǎng)絡(luò)。當使用非導電密封時，可以利用單獨的裝置提供外殼之間的電互聯(lián)。
低熔點復合密封(360)也可以包括任何數(shù)量的顆粒、纖維、柱狀體、球狀體或其它形式的“填料材料”?？梢詫⒃摗疤盍喜牧稀奔尤氲腿埸c復合密封(360)以便使密封的熱膨脹系數(shù)(TCE)較與燃料電池外殼(100)或其它可能圍繞燃料電池的材料的TCE緊密地配合。此外，“填料材料”也可以提供附加的表面張力，以便當SOFC工作在低熔點復合密封(360)的熔點溫度以上時在適當?shù)奈恢帽３置芊??！疤盍喜牧稀笨梢允侨魏螖?shù)量的導電或絕緣材料，包括但絕不限于鎢(W)、鉬(Mo)、二氧化鋯(ZrO2)或氧化鎂(MgO)。下面，將參照圖8A和8B更詳細地說明包括“填料材料”的低熔點復合密封(360)。
放置在SOFC和SOFC外殼(100)頂部上的是第2外殼或頂板(100’)的底部，其可以包括形成空氣通路(330)的空氣通路沖塞(140)。第2外殼或頂板(100’)的底部可以與第1外殼(100)連接，使得燃料饋入過篩裝置(120)相互對準和使得空氣通路沖塞(140)與SOFC的陰極(300)電連接。由于空氣通路沖塞(140)與陰極(300)電連接，可以配置空氣通路沖塞起疊放的外殼(100)之間的電互連作用。
圖4是說明按照一個示例性實施例組裝的SOFC堆的橫截面視圖，配置該組裝SOFC堆，提供有用功率給電子裝置。如圖4所示，可以將若干示例性燃料吸收盒(100)相互疊放在頂上，使得燃料饋入過篩裝置(120)流體連接。
按照圖4所說明的配置，可以由單個加壓燃料源(未示出)給燃料饋入過篩裝置(120)充燃料并且給燃料堆中的所有燃料導管(130，圖1B)提供燃料。也可以在連接的SOFC外殼(100)的底面上形成若干空氣通路沖塞(140)。當這些SOFC外殼(100)被連接在一起時，空氣通路沖塞(140)界定空氣通路(330)?？梢詫⒔^緣板(250)安置在如圖4所說明的每個SOFC外殼(100)之間。通過隔離接著的外殼(100)之間的連接，非導電絕緣板(250)防止SOFC形成短路。
圖4也說明配置在SOFC外殼(100)內(nèi)的若干固體氧化物燃料電池(SOFC)。圖4所說明的SOFC包括在SOFC的空氣通路(330)側(cè)的陰極(300)、配置在陽極和陰極之間的電解質(zhì)(310)以及配置在SOFC的燃料槽(200)側(cè)的陽極(320)?？梢詫㈥枠O和陰極傳遞連接到如圖4所說明的電子裝置(400)由此產(chǎn)生功率。圖4所說明的電子裝置(400)可以是任何功率消耗裝置，只舉例而已，例如膝上計算機、電視、電動機、電燈等。
圖5是說明可以如何制造本低熔點復合密封和將其裝入按照一個示例性實施例的SOFC外殼(100；圖3)的方框圖。如圖5所說明的，本低熔點復合密封的制造和裝入包括制造燃料電池外殼(步驟500)；任選地將SOFC的周邊用粘合劑、可濕材料金屬化(步驟510)；任選地將為容納SOFC而設(shè)計的燃料電池容納架用粘合劑、可濕材料金屬化(步驟520)；將低熔點復合密封材料放到在其中將密封燃料電池的外殼中(步驟530)；將燃料電池密封在低熔點復合密封上(步驟540)以及將頂板或接著的外殼固定在SOFC堆上(步驟550)。
按照圖5所說明的示例性方法制造和實現(xiàn)低熔點復合密封的最初步驟是制造燃料電池外殼(步驟500)?？梢园凑赵谀壳爸赖幕虮炯夹g(shù)中利用的任何制造方法進行燃料電池外殼的制造(步驟500)。制造方法包括但不限于鑄造，銑，鍛造，軋制，焊接、等離子切割、沖壓等。此外，可以將本低熔點復合密封裝入任何燃料電池外殼(100，圖3)中，不管其配置或制造方法如何。
一旦制造了燃料電池外殼，就可以用粘合劑、可濕材料將SOFC的周邊(步驟510)和燃料電池容納架(步驟520)金屬化。SOFC和燃料電池容納架的金屬化是任選的步驟，因為外殼或SOFC可以由密封材料濕潤的，無需另外的金屬化步驟。金屬化可以作為單獨的制造過程或作為獨立過程發(fā)生?？梢园凑諡檫m當涂覆上述部件而配置的任何加工手段將上述粘合劑、可濕材料(350；圖3)加到SOFC周邊或燃料電池容納架(210；圖3)。加工手段包括但絕不限于刷子涂覆、噴射涂覆或化學沉積。另外，可以將粘合劑可濕材料(350；圖3)熔化，然后允許它們在容納部件的表面上自由流動。
由于SOFC的周邊(步驟510)和燃料電池容納架(步驟520)金屬化了，所以可以組裝SOFC和其外殼(100；圖3)。為了組裝SOFC和其外殼，將如以前說明的那樣的低熔點復合密封(360；圖3)布置在燃料電池支承架(210；圖3)上。SOFC將被密封在燃料電池支承架中(步驟530)。一旦低熔點復合材料被可靠地適當放置，SOFC就被密封在低熔點復合材料頂上的機殼中(步驟540)?？梢詫OFC容納在預先形成的或機制的密封或通道里的低熔點復合密封中。替換地，可以簡單地將SOFC放在低熔點復合密封的頂上。一旦SOFC被容納和可靠地連接到低熔點復合密封上，頂板或接著的SOFC堆的外殼就可以連接到SOFC外殼上(步驟550)?？梢詫㈨敯寤蚪又耐鈿び靡恍╂i緊裝置連接到SOFC外殼上(100；圖3)。鎖緊裝置包括但絕不限于機械緊固件或粘合劑?？梢詫⒖砂ㄈ剂橡伻脒^篩裝置(120；圖3)和/或空氣通路沖塞(140；圖3)的頂板或接著的外殼，連接到SOFC外殼上(100；圖3)上，使得SOFC外殼上(100；圖3)的燃料饋入過篩裝置(120；圖3)與頂板或接著的外殼的燃料饋入過篩裝置流體連接。另外，可以將頂板或接著的外殼連接到SOFC外殼上，使得空氣通路沖塞與SOFC的陰極(300；圖3)電連接。這種配置允許空氣通路沖塞(140；圖3)起外殼之間的電互聯(lián)作用。由于頂板或接著的外殼與SOFC外殼連接，可以形成SOFC堆。
圖6說明在按照一個示例性實施例的SOFC的整個工作周期的低熔點復合密封的工作。如圖6所說明的，開始將燃料轉(zhuǎn)換成電的過程(步驟600)，作為反應(yīng)發(fā)生的結(jié)果外殼的溫度增加(步驟610)，低熔點復合密封成為被軟化的并濕潤金屬化區(qū)(步驟620)，軟化的復合材料保持橫跨密封上的增量壓力(步驟630)，以及，隨金屬化區(qū)膨脹和收縮軟化的復合材料塑變(步驟640)。一旦完成該周期，就允許裝置冷卻，使低熔點復合材料返回到其以前的物理位置和狀態(tài)(步驟650)。
如上所述，通過提供氫或甲烷燃料給SOFC的燃料槽(200；圖3)和接著給陽極(320；圖3)，同時，提供給空氣或加壓氧給SOFC的陰極通路(330；圖3)區(qū)和接著給陰極(300；圖3)區(qū)，開始利用SOFC將燃料轉(zhuǎn)換成電的過程(步驟600)。當將上述的空氣和燃料提供給SOFC的各個部分時，允許它們通過材料，直到在電解質(zhì)(310；圖3)處提供它們?yōu)橹埂Ｎ挥陉枠O和陰極之間的電解質(zhì)將氧離子從陰極側(cè)傳導到陽極側(cè)。在陽極側(cè)它們與燃料反應(yīng)。在與氫或甲烷燃料反應(yīng)時，產(chǎn)生水和電。然后，可以將電作為可利用的電傳遞給外部電路。在整個上述電產(chǎn)生過程，作為電化學過程和固體陶瓷電解質(zhì)中固有電阻的結(jié)果產(chǎn)生熱(步驟610)。
由于最近的電解質(zhì)形成方法，上述過程產(chǎn)生的熱典型地不超600-800℃的最大值。該工作溫度不是在低熔點復合密封的熔點溫度以上就是接近低熔點復合密封的熔點溫度，使得復合材料在工作期間不是熔化就是軟化(步驟620)。在其結(jié)構(gòu)塑變狀態(tài)，低熔點復合材料潤濕外殼和SOFC的預金屬化區(qū)。在其熔化或軟化狀態(tài)，低熔點復合密封形成保持橫跨密封的增量壓力的密封，借此，防止燃料離開燃料槽(200；圖3)滲透，保持燃料電池系統(tǒng)的化學整體性(步驟630)。在其熔化或軟化狀態(tài)，低熔點復合密封也響應(yīng)于施加在其上的任何壓力而塑變，使得它可以吸收從燃料電池外殼傳遞的熱應(yīng)力。然而，低熔點復合密封不成為結(jié)構(gòu)上被協(xié)調(diào)到它不能保持充分的密封防止燃料從燃料槽(200；圖3)的滲透的程度。
已減低SOFC的工作溫度到圍繞600-800℃的范圍的最近發(fā)展允許SOFC外殼由不銹鋼和比傳統(tǒng)材料不太貴重的其它材料構(gòu)制。雖然利用不銹鋼和其它不太貴重材料的SOFC外殼(100，圖3)構(gòu)制在減少SOFC堆的總成本上是有利的，但這些材料具有差異的熱傳導率和熱膨脹系數(shù)(TCE)。因此，當外殼放在堆配置中時，非均勻熱膨脹經(jīng)常出現(xiàn)。SOFC外殼的非均勻熱膨脹會產(chǎn)生熱應(yīng)力。這些熱應(yīng)力傳統(tǒng)上從外殼經(jīng)剛性密封傳遞并到SOFC。該熱應(yīng)力的傳遞，由于不是引起SOFC中的故障、剛性密封中的故障就是引起兩者，減少了SOFC系統(tǒng)的工作壽命。然而，當由金屬化區(qū)的膨脹和收縮引起的熱應(yīng)力傳遞到本低熔點復合密封時，低熔點復合密封的液體或軟化合金響應(yīng)于熱應(yīng)力而塑變(步驟640)。由于響應(yīng)于熱應(yīng)力而塑變，本低熔點復合密封防止熱應(yīng)力從SOFC外殼傳遞到有點易脆的SOFC。這種響應(yīng)于熱應(yīng)力而塑變繼續(xù)到反應(yīng)周期終止和SOFC外殼的工作溫度降低到其原來的溫度為止(步驟650)。隨溫度降低，低熔點復合材料重凝固成其原來的狀態(tài)和結(jié)構(gòu)。
按照圖7A說明的一個備選實施例，絕緣低熔點復合密封(760)的裝入可以增加所用的低熔點復合密封的堅固性。如圖7A所示，裝入絕緣低熔點復合密封的備選配置包括絕緣板(250)和類似于圖4說明的外殼的含有燃料饋入過篩裝置(120)、燃料導管(130)、燃料電池支承架(210)和由燃料槽沖塞(220)限定的燃料槽(200)的外殼(700)。但是，圖7A說明的備選示例性實施例還裝有絕緣低熔點復合密封(760)和任選的粘合劑可濕材料(350)。圖7A所示的絕緣低熔點復合密封(760)可以占據(jù)在SOFC和內(nèi)外殼壁之間產(chǎn)生的整個間隙，如圖7A所說明的。因為絕緣低熔點復合密封(760)的絕緣性質(zhì)消除了SOFC層之間的短路危險，所以可以裝入更大的、更堅固的密封尺寸?？梢詫帢O層(300)、電解質(zhì)層(310)和陽極層(320)的SOFC安置在絕緣低熔點復合密封中，如圖7A所說明的?？梢栽赟OFC的陰極側(cè)安置多個空氣通路沖塞(140)或其它附屬結(jié)構(gòu)用作SOFC之間的互聯(lián)。
圖7B說明實現(xiàn)圖7A所說明的絕緣低熔點復合密封(760)的SOFC堆。如圖7B所說明的，通過流體連接燃料饋入過篩裝置(120)形成一個連續(xù)的腔，可以將2個外殼(700)連接形成一個堆。如圖7B所示，圍繞整個SOFC形成絕緣低熔點復合密封(760)，使得陽極(320)和陰極(300)不可能短路燃料堆。
在圖7B所說明的SOFC系統(tǒng)執(zhí)行其能量產(chǎn)生周期時，該系統(tǒng)開始熱起來，不均勻熱和氧化還原膨脹和收縮發(fā)生，產(chǎn)生系統(tǒng)中的內(nèi)部應(yīng)力。系統(tǒng)溫度的增加也會結(jié)構(gòu)上協(xié)調(diào)絕緣低熔點復合密封(760)到它將響應(yīng)于應(yīng)力而塑變的程度。然后，通過結(jié)構(gòu)上塑變絕緣低熔點復合密封(760)，在整個系統(tǒng)的熱周期可以吸收由系統(tǒng)產(chǎn)生的熱和氧化還原膨脹和收縮。絕緣低熔點復合密封(760)越堅固也越緊貼有源SOFC的表面區(qū)，減少由于高壓引起的燃料電池爆破可能性。本低熔點復合密封裝入到圖7A和7B的配置還說明，本低熔點復合密封可以減少任何SOFC堆中的熱應(yīng)力，不管外殼配置如何。
圖8A和8B說明本低熔點復合密封的再另一個備選實施例。除了圖8說明的低熔點復合密封(800)可以包括具有相當?shù)陀赟OFC系統(tǒng)的工作溫度的熔點溫度的合金，圖8A說明的SOFC系統(tǒng)配置與圖3的SOFC系統(tǒng)匹配類似，這種合金包括但絕不限于鋁(Al)。雖然在典型工作溫度是液體形式的低熔點合金復合密封可以較好的減少由SOFC外殼的熱膨脹和收縮引起的熱應(yīng)力，但可以在SOFC系統(tǒng)的典型工作溫度協(xié)調(diào)它們結(jié)構(gòu)的整體性，使得包含在SOFC和SOFC外殼的內(nèi)壁之間的密封會是困難的。
圖8B是說明備選低熔點合金復合密封(800)的內(nèi)部部件的解析視圖。如圖8B所示，可以將如精細可濕纖維(810)這樣的結(jié)合件材料加到低熔點合金復合密封(800)，以便在保持低熔點合金復合密封的有利應(yīng)力吸收特性同時增加它對周圍部件的粘附力。這種配置允許低熔點合金復合密封在保持它們的有利應(yīng)力吸收特性同時由不太昂貴的材料做成。并且，如果需要，通過改變包含在低熔點合金復合密封(800)中的精細可濕纖維(810)的數(shù)量和特性，可以改變跨密封提供的壓力差。通過在低熔點合金復合密封中包含二氧化硅或其它纖維，還可以影響低熔點合金復合密封(800)的表面張力。
盡管上面已說明了示例性實施例，但對于本專業(yè)技術(shù)人員來說，對上述實施例的許多修改和/或補充會是顯而易見的。舉例說，但不是限制，上述示例性SOFC堆的各種部件可以互換。企圖將本燃料吸收盒的范圍擴大到所有這樣的修改和/或補充。
總之，本低熔點復合密封，在各種各樣的實施例中，在減少熱和氧化還原膨脹和收縮影響的同時防止燃料泄漏。具體說，本低熔點復合密封提供在SOFC外殼中的燃料通路和其它部件之間形成密封的結(jié)構(gòu)上可塑變的合金復合材料。結(jié)果，與傳統(tǒng)的SOFC密封比較，本低熔點復合密封能夠在整個SOFC系統(tǒng)的熱周期提供增加的密封持續(xù)性和增加的應(yīng)力吸收。由于便利于使用不銹鋼和其它低成本合金，本低熔點復合密封也減少SOFC外殼的成本。
只為說明和描述示例性實施例，提供了前面的描述。不想要它是詳盡的或把示例性實施例限制到任何嚴謹?shù)呐缎问?。鑒于上述教導，許多修改和變化都是有可能的。企圖由以下權(quán)利要求界定范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于燃料電池的密封(360、760)包括配置一種合金為通過在所說燃料電池的工作溫度成為結(jié)構(gòu)上可塑變的而吸收傳遞到所說燃料電池的熱和氧化還原作用應(yīng)力。
2.權(quán)利要求1的密封(360、760)，其中，所說燃料電池包括固體氧化物燃料電池(SOFC)。
3.權(quán)利要求2的密封(360、760)，其中，所說合金具有稍微在所說SOFC的工作溫度以上的熔點溫度。
4.權(quán)利要求3的密封(360)，其中，所說合金包括銀合金。
5.權(quán)利要求4的密封(360、760)，其中，所說密封(360、760)被配置成起燃料堆配置中的SOFC外殼(100)之間的電互聯(lián)作用。
6.權(quán)利要求1的密封(360、760)，其中，所說密封(360、760)還包括可濕纖維(810)。
7.一種燃料電池、包括外殼(100)；一種安置在所說外殼(100)內(nèi)的燃料電池；以及一種安置在所說外殼(100)和所說燃料電池之間的復合密封(360、760)；其中，所說復合密封(360、760)被配置成，由于在所說燃料電池的工作溫度成為結(jié)構(gòu)上可塑變的而吸收由所說外殼(100)的熱膨脹和熱收縮引起的熱應(yīng)力。
8.一種電子裝置包括一種提供功率給電功率消耗裝置(400)的電化學電池；其中，所說電化學電池包括燃料電池，燃料電池包含外殼(100)、安置在所說外殼(100)內(nèi)的燃料電池以及復合密封(360、760)，在安置在所說外殼(100)和所說燃料電池之間的所說燃料電池的工作溫度，復合密封(360、760)成為結(jié)構(gòu)上可塑變的，其中，所說復合密封(360、760)被配置成，當所說復合密封(360、760)成為結(jié)構(gòu)上可塑變的時，吸收由所說外殼(100)的熱膨脹和熱收縮引起的熱應(yīng)力。
9.一種減少熱應(yīng)力傳遞到燃料電池的方法包括將復合密封(360、760)安置在所說燃料電池和燃料電池外殼(100)之間；其中，所說復合密封(360、760)在所說燃料電池的工作溫度成為結(jié)構(gòu)上可塑變的，使得所說復合密封(360、760)吸收從所說燃料電池外殼(100)的所說熱應(yīng)力的傳遞。
10.一種制造燃料吸收盒的方法包括形成第一外殼(100)；在所說外殼(100)中安置復合密封(360、760)；以及在所說復合密封(360、760)中密封燃料電池；其中，在所說燃料吸收盒的工作溫度，所說復合密封(360、760)成為結(jié)構(gòu)上可塑變的。
全文摘要
一種用于燃料電池的密封(360、760)包括匹配一種合金為通過在燃料電池的工作溫度成為結(jié)構(gòu)上可塑變的而吸收傳遞到燃料電池的熱和氧化還原作用應(yīng)力。
文檔編號C09D1/00GK1574417SQ20041000740
公開日2005年2月2日 申請日期2004年3月3日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月3日
發(fā)明者C·貝蒂, M·菲爾德, D·錢皮恩 申請人:惠普開發(fā)有限公司