TW200818579A

TW200818579A - Portable fuel cell assembly

Info

Publication number: TW200818579A
Application number: TW096119632A
Authority: TW
Inventors: Jeffrey Earl Cortright; Julien Dell Joseph St
Original assignee: Corning Inc
Priority date: 2006-05-31
Filing date: 2007-05-31
Publication date: 2008-04-16
Also published as: US20070281194A1; EP2030280A4; WO2007142879A3; WO2007142879A2; EP2030280A2

Description

200818579 九、發明說明：【發明所屬之技術領域】本發明係關於可攜式固態氧化物燃料電池(S0FC)組件以及特別是關於可攜式S0FC，其中可攜式S0FC組件包含連接至氣態燃料架構支撐之至少一個燃料電池裝置，其提供於組件内部。【先前技術】許多公司尋求PEM(聚合物電解質薄膜)燃料電池裝置作為可攜式應用。不過，PEM系統相當無效率以及只能夠利用一種燃料，即純氳氣。雖然S0FC能夠更有效，以及其使用燃料能夠更具彈性，然而PEM為裝置並無可攜式S0FC裝置。管狀S0FC設計為已知的。其包含長及/或平坦化管狀設計，具有黏接條紋在上面之鉄石管件形成電壓構件陣列，以及多電池平坦化管件設計。已知一些SQFC設計採用平面化電解質。採用平面化電解質之S0FC裝置每一板通常採用厚的(0· 10腿)電解質板以及單一陽極以及陰極。重複電池單元通常包含大的電流收集器，其功能為空氣/燃料分離板。每一電池陽極面對下一個電池陰極以及分隔板需要保持氣態燃料及空氣避免混合。S0FC排列為堆疊形式。堆疊為大的，重的及不可攜式的。新的平面設計包含厚度為〇· 3-lmm的陽極支撐板支撐 5-50微米之薄的電解質層，其提供較高單一電池性能。這些亦使用電池單元，其通常具有大的電流收集器（即空氣/ 第5 頁 200818579 燃料分隔板）。再次地，陽極面對著下一電池之陰極以及分隔板/交互連結板需要保持氣態燃料及空氣避免混合。可參考MinhN.Q. "Ceramic Fuel Cells"，J. Am. Cema，

Soc.，76，563-588( 1993)更進一步回顧這些及其他固態氧化物燃料電池以及歧管設計。這些S〇FC排列於燃料電池堆豐中。這些燃料電池堆疊亦為大的，重的，製造相當昂貴，以及不可攜的。 _ 目前發展亦包含燃料電池堆疊設計，其包含薄的陶曼電解質片。例如美國第5273837號專利揭示出燃料電池堆疊設計，其包含多片薄的可彎曲陶瓷材料，其結合形成槽化結構。金屬’陶瓷或黏接導體直接地黏接至這些可彎曲片狀物，以及具有可調整面對陽極及陰極結構之多個片狀物 ' 排列於燃料電輯疊中。可彎曲電解質之其他設計揭示於美國第6045935號專利，其中提供非平面性構造之電解質以改善轉對麵環及熱衝擊之機_。這些參考嫌 • 並未揭示出或建議可攜式燃料電池裝置。 ’ 【發明内容】人依據本發明一項，可攜式固態氧化物燃料電池組件包 3 ·⑴至少一個多電池裝置，以及⑹支撐該電池裝置之架槪組，架麵組提供空氣及燃料至装置,其中裝置最大尺寸為不超過〇. 5米。優先地，組件包含^過2個電池裝置。依據項例，可攜式固態氧化物燃料電池組件產大於5V電壓以及具有外部密封以密封裝置至架麵組。 200818579 優先地^架構模組包含外部凹槽以承受密封劑材料。優先地，可攜式固態氧化物燃料電池組件包含覆蓋或柔軟密封位於單一多個電池裝置以及架構模組之間。該覆蓋提供至少部份導電絕緣。優先地架構模組包含熱交換器以加熱丨L入之燃料。優先地，架谢莫組亦包含熱交換器以加熱流入之氧化劑。優先地，固態氧化物燃料電池組件外部並不超過 9ηχ12”χ3Ίπιχ31αιιχ8αι〇〇一項可攜式固態氧化物燃料電池組件實施例包含·⑴ 至少一個多電池裝置，其至少部份由順應電解質板形成;以及(ii)支撐裝置之架謝莫組，架構模組提供空氣及燃料至裝置，單一空氣槽相鄰於裝置之活性區域;其中至少一個多電池裝置產生5V電_及具有最大尺核不超過Q· 5米以及優先地小於〇· 4m 〇【實施方式】本發明提供小的可攜式S0FC(固態氧化物燃料電池)，其能夠使用於汽車，可攜式計算機，行動電話，或其他裝置中。可攜式S0FC為較有效率以及提供較大燃料彈性而優於 PEM燃料電池裝置。依據本發明實施例可攜式獄組件能夠具有簡單啦氣及罐鶴歧管，儘可能少而為單一氧及單—彡纖電池裝置錢提供超過〇· 5瓦，優先地大於i瓦，通常小於i仟瓦，以及更優先地電源功率在15及300瓦之間。 _依據本發明一項實施例，可攜式S0FC組件10示意性地顯不於圖1A- 1C中，其包含燃料槽3〇以及單一氧化劑氣體槽 200818579 30’，其由⑴單一多電池⑽解質支撐地料電池裝置奶以及(11)支#多單元燃料電池裝置之架雜組％形成。該實施例之多電池裝置4〇(參閱圖2)包含電解質片狀物42, 一組多個陽極44位於電解質片狀物42 一個側邊上以及一組多個陰極46位於電解質片狀物42另一侧上。該實施例之陰極以及陽極藉由中繼線48交互連結，其通過電解質片狀物42 中小的洞孔。優先地，電解質片狀物42為可彎曲陶堯片狀物。優先地，電解質片狀物42厚度小於45微米，更優先地小於25微米以及敢優先地小於2〇微米。該電解質片狀物適當組成份範例包含部份穩定之錯石或穩定錯石推雜穩定添加劑，其由 γ，Ce，Ca，Mg，Sc，Nd，Sm，Eu，Gd，Tb，Dy，Ho, Er，Tm，

Yb，Lu，In，Ti，Sn，Nb，Ta，Mo,及W氧化物及其混合物選取出。下列實施例利用具有與電解質片狀物42及/或燃料電池裝置40相匹配之適當熱膨脹性成份製造出架構模組5〇。 3%莫耳比氧化紀部份穩定錯石組成份之範例性陶瓷電解質在25-750°C範圍内平均線性熱膨脹係數約為η. 0ppm/°c。 Cr-Fe及Cr-Ni合金為業界使用於燃料電池裝置中代表性合金，兩者為交互連結及架構之材料。這些合金系列包含金屬為上述所說明Plansee ITM合金以及形式446高鉻不鏽鋼 (參閱 Piron 等人之Solid Oxide Fuel Cells VII (2001) ρ· 811)。肥粒鐵型不鏽鋼之熱膨脹係數在i〇-i2ppm/°c範圍内(Metals Handbook 1984)。範例包含形式446不鏽鋼，其含有23-27% Cr，其餘為Fe，其熱膨脹係數約為11. Oppm/ °匚以及最大使用溫度約為iioot：。 200818579 可攜式S0FC組件10亦可包含氧化劑以及燃料供應器或氧化劑以及燃料槽，以提供氧化劑及燃料至裝置4〇。可攜式S0FC組件1〇重量小於5〇Kg，優先地小於25Kg，更優先地小於皿g，甚至於優先地小於5Kg，以及最優先地小於2Kg或1 Kg °可攜式S0FC組件10最大尺寸為小於〇, 5米，優先地小於〇· 4m，更優先地小於〇· 33m以及最優先地小於〇· 25米。優先地，S0FC組件不應大於筆記薄(24cmx30cmx5cm)以及最優先㈣♦ 12cmxl5cmx2· 5cm。S0FC組件10有益地採用外部密封60。該密封例如為玻璃料密封或火焰密封。該密封6〇位於槽30,30’之外规以及儘可能地遠離裝置4〇之活性區域(電池)以及反應性氣體。即，密封6〇並不在燃料槽内侧，

但疋位於較遠處(相對於組件1〇之活性區域)以及遠離含有反應性氣體之槽。因而假如密封6〇由反應性材料製造出，其優先地位於化學活性及高熱區域之外侧(例如位於架構模組50之外侧表面）。S0FC組件1〇提供最大輸出功率為小於1000瓦，更優先地小於3〇〇瓦，以及最優先地在〇. 5瓦及 100瓦之間。在一些實施例中，S0FC組件10提供超過〇· 5瓦， k先地至少5瓦以及最優先地至少2〇瓦之功率。例如，s〇FC 組件 10 可提供 1W,紙 20W，25W，50W，80W，125W，或 200W 之輸出。與採用平面性電池之先前技術比較，圖1A—lc之s〇FC組件可攜式燃料電池2〇在多電池組件中、並不需要由空氣供應至燃料氣體供應之電流收集器/分離板。有效燃料—空氣分離藉由電解質片狀物本身以及氣密接通孔導體48,其連接 200818579 電解質片狀物42上電極44,46達成。（參酬2)該簡化減少氣體槽以贿权數目—核更少，其㈣輯加可靠性，簡化組裝以及降低製造費用。加入夕包池片狀物裝置40至本發明燃料電池組件10能夠為如需要比例地增加或減少尺寸以達成有用的功率輸出。-般20伏特或更高電壓在最大輸出下有益於較高電流值。每- SOFC組件10之電壓通常為2或3伏特或更高,優先地大於5伏特，紐紐至少12储(鐵吨纟充電應用）。一般，在夕個(至少5個或多個)熱循環達到操作溫度超過漏 C之後這些5又计之燃料電池組件最小地保持這些功率輸出值。圖1Α-1C實施例之架構模組5〇包含兩個架構5〇Α，通。一些不同的架構結構能夠依據本發明成功地加以採用作為構成燃料電池組件10。例如，架構50Α，50Β能夠由機械加工金屬元件或使用壓製金屬架構。除此，能夠使用包含金屬及/或陶瓷(玻璃，玻璃陶瓷及/或陶瓷)材料組合之疊層架構以較佳地與電解質片狀物42熱膨脹相匹配或較佳地與 S0FC組件1 〇之其他元件相匹配。能夠塗覆抗氧化塗膜至金屬架構5〇Α，50Β或其適當的部份在使用時減少金屬氧化及/或燃料電池污染。特別地，該塗膜能夠遲滯或防止鉻轉移至電池中支撐電極。適當塗膜範例包含由一種或多種釩酸鹽，钽酸鹽，鈮酸鹽選取出。由鎳氧化物，鎂氧化物，鋁氧化物，矽氧化物，稀土金屬氧化物例如Υ及Sc，Ca，Co,或Μη氧化物，鋇氧化物及/或錯氧化物 200818579 選取出氧化物形成塗膜為適當的。圖1A-1C架謝莫組50藉由入口開孔51A(燃料)，51B(空氣)，分配槽52A(燃料)，52B(空氣)例如素燒迷—切割氣體膨服槽，出〇端璋53A(燃料)，53B(空氣)例如素燒述-切割氣體槽，以及最終出口 54A(燃料)，54B(空氣)均勻地供應燃料以及空氣至裝置40。圖1B示意性地顯示出架構5〇A為燃料架構以及架構50B為空氣架構。架構5〇A，50B亦與燃料電池裝置40,燃料槽30及空氣槽30,共同形成。燃料經由入口開孔51A流入架構模組50,其提供燃料至燃料分配槽52A(例如架構50A中素燒述切割）以及再流入燃料槽3〇,通過陽極。提供(至少部份)消耗燃料至燃料出口端埠53A(例如素燒述切割）以及經由最終出口離開。氧化劑以同樣地方式移動通過架構50B。在圖1A-1C中所顯示實施例中，空氣及燃料以相反流動方向移動。不過，燃料/空氣共同兩端以及交叉流動構造亦為可能的。

分配槽52A，52B(在該實施例中例如氣體膨脹槽52A，52B )經由入口開孔51A(燃料)，51B(空氣)有助於均勻地分配空氣流入至燃料以及空氣槽，同時出口端埠53Α，53β提供膨脹區域以收集廢氣燃料及空氣進入最終出口 54A(燃料)，54B( 空氣）。在這些燃料結構以及空氣架構兩者範例中，膨脹槽模形或素燒述π形狀增加充份磨擦阻力以確保均勻流動。燃料電池裝置40優先地由柔軟密封8〇(通常為濛土覆蓋)支撐於架構模組50内。柔軟密封材料例如為礬土為主之範墊，其可含有高達5〇紗夕石，雖然含有5紅夕石之熟塾為第η 頁 200818579 優先的，以及含有小於3你夕石之魅墊為最優先的，因為電池可能被石夕石污染。柔軟密封80(例如礬土覆蓋)提供至少部份電子絕緣於裝置與架構之間，以及破壞電壓優先地顯示出大於110伏特，優先地大於50伏特，更優先地大於6〇伏特 75伏特，或1〇〇伏特，以及最優先地大於12〇伏特。

在該實施例中，每一架構5〇A，50B由單件金屬機器加工出或鑄造出以產生容納氣體之燃料以及空氣槽30, 30,(在架構模組50中央内側)，其能夠促使氣體流過裝置40,以及提供支撐及密封裝置4G讀件。優先地，架構5()a，5⑽在架構外侧邊緣中包含凹槽，，。（參酬3A-3D)這些外部凹槽50A’，50B’能夠提供間隙作絲納必要密封材料或附加上熱絕緣材料以使用於製造麟電池組件中，例如作為電解質狀物雜鞠絲麵組5()錢保護狀物42防止熱損壞。 ' 使用凹槽50A，，50B，或熱絕緣例如為柔軟密封8〇構成燃料電池組件峨梯度控制之有效被動構件。使用顯示於圖3A-3D巾外部架構凹槽5〇A，娜，（以及優先地具有多個高度之凹槽)’其中電解質片狀物42邊緣利用形成密封6〇之= ^材料擒封至架顯組(優先齡該凹槽更深高度)為十分有效。附加上或可加以變化也能夠使用具有凹槽架構計在電解質片狀物42與架構之間提供加大空二朝向架構開孔進入燃料槽。雖然能夠使用具有長方形邊 ^架構(具錢不具有_，亦可賴 ^ 架構50A，5GB_邊緣。竹弧狀第12 頁 200818579 空氣及燃料流量及壓力能夠加以調整為所需要的以確保有效操作可攜式燃料。為了防止壓力脈衝應力或流動中斷，伸縮構件或其他壓力脈衝減小裝置可包含於設計3〇FC 組件10中。位於沿著多電池片狀物裝置4〇邊緣之流動控制元件例如為燃料注入器能夠有助於將燃料電池組件中壓力脈衝效應減為最低。此說明於本公司Yi Jiang等人之2⑽6 年3月31曰申請美國第11/399677號專利申請案中，該專利 ‘ 之說明在此加入作為參考。 • 亦提供供應燃料電池組件10空氣及燃料氣體之歧管。該歧管可在架構模組50之内部或外部，以及可使用内部及，外部空氣及/或燃料歧管之組合(參閱例如圖4A，4B)。除此，對於一些設計，其可有用於利用外圍或容器圍繞著SOFC組件10以保持及再循環任何由s〇FC組件1〇溢出之空氣或燃料氣體。 - 在可攜式S0FC組件10中依據本發明使用架構模組50亦 , 提供較為寬廣系列選擇以作熱量管理以及燃料氣流處理而可利用設計更為廣範。例如，能夠藉由加入熱交換器90(例如管件55A，56A，55B，56B)使用s〇FC組件之廢棄熱量以加熱流入燃料歧管或鄰近歧管之氣體。流經熱交換器之冷的燃料氣體在加入堆疊燃料槽内之前預先加熱。熱量交換器或其他例如燃料氣體再重組氣體槽能夠方便地直接地加入空氣或燃料架構，例如藉由使用金屬壓製作為架構層。例如(參閱圖5)，架構5〇A能夠提供具有拉伸入口區段a，其提供槽空間於氣體膨脹槽52A及燃料槽3〇之第13 頁 200818579 間，以及槽空間能夠提供具有重蝴媒⑽支撐於入口區段58A架齡面上，或含有觸媒之多孔性蜂巢狀材料，毛織狀，熟墊或絲鱗巢體以增加表面積，轉移，或氣體混合。（圖5)類似類似入口區段58β能夠加，媒(〇作為觸媒氧化重組，虛擬自動熱餘及/祕為碳触合物氣流重組。任何吸熱反應之熱量能夠由堆疊設計中加熱廢氣提供，其特徵為相反方向流動燃料_空氣分配。能夠使用卑金

屬觸媒例如麵，責金屬，敏雜構，及六織約。同樣地，延伸出口端埠53A長度，或提供槽通相鄰於燃料廢氣膨脹槽(或加稱53A⑽提供部份預先加熱進入空氣讀件。例如鰭狀物結構能夠提供於架麵或導管中以改善熱父換，或讎金屬蜂紐區段能夠按裝其令。槽 59A亦可含有重組觸媒(Rc)。熱又換可藉由壓製架構以產生彎曲内部路徑作為紐通過木構導官而提昇。所形成氣體路握可位於架構之入口 ^ 保快速均勻加鮮電池片狀物裝置1在加入適當的材料例如孔目材料，毛範，氈墊，擠製 ”之氣體分配槽中進行熱交換。亦可使用相同的改欠歧S供料官件或金屬ϋ分配器以改善熱交換及熱管理。心部份耗_柯处齡機祕生缝。廢氣槽或 V ,表面可為觸媒化或觸媒例如可使用塗覆魅塾或蜂巢體以齡骑物触，其巾_崎產找量需要達 ::大:觸職修槽59Α)可提供空氣入口使燃燒變為谷。廷些堆疊高電壓密實特性使其理想地應用於例如為頁第14 200818579 可攜式辅助動力裝置⑽）。採用低質量架構組件以及薄的低熱量多電池片狀物裝置對這些應用為關鍵的，其中啟運作時間將減為最低。 Μ圖仏侧示出圖1槐之观組件一項範例性燃料歧官，其亦作為熱交換器90。在該實施例中，氧化劑以及燃料加熱器位於祖:組件10之外部。加熱器提供初始加熱氣體至操作溫度。使用燃料廢|^產生之熱量以連續性地加熱架 _ 麵組以及燃料電池裝置40之活性區城因而減少裝置4〇 • 之熱量損失。更特別地，使用燃料廢氣產生之熱量以加熱流入燃料錢編祕舰生姻來加赫入氧化劑 (例如空氣）。例如燃料氣體經由入口洞孔57Α進入埶交換 1域管(流入管件)55纽及經由入口舰51Α通;;架構· 。在該實施例中，流入燃料入口管件55Α位於相鄰於熱交換器90之廢氣管件56Α。廢氣管件56Α含有熱廢氣燃料，其經由最終燃料出口 54Α離開架構。因而，相鄰於燃料入口管件 _ 55Α，廢氣管件預先加熱進入架構之流入燃料。除此，管件55Α，56Α位於直接接觸燃料架構5〇α處以及加以彎折，使知數個官件55Α，56Α區段位於或接近裝置4〇之活性區域a處，其加熱燃料架構以及裝置40之活性區域A。因而，在SFOC組件10操作中，由充滿燃料或其他供應源之管件55A供應至默組件10。燃料通入分配槽，該分配槽藉由對準經由燃料架構之溝槽形成，以及由該處經由燃料架構以及經由限制流動之入口開孔51A，分配或氣體膨脹槽52A，以及進入燃料槽3〇第15頁 200818579 以供應至多電池片狀物裝置4〇上之陽極陣列。部份耗臟料經由，體出口端埠5弘(例如分離區域)離開燃料槽3〇以及進入取終出口 54A(廢氣導管)，其藉由對準架構中賴而形成。在該情況中收集廢氣以及通過洞孔管件56A進/廢氣空間。 ' 同樣地，在該實施例中，氧化劑進入架構50B經由入口開孔51B。氧化劑藉由歧管或熱交換器9〇流入氧化劑管件 55B供應至架構50B。氧化劑經由入口洞孔57B進入熱交換器以及通過熱交換器(例如流入燃料管件55A)於進入架構 50B之前。在該實施例中，流入氧化劑管件55β相鄰於空氣廢氣管件56B。廢氣管件56B含有熱的排放空氣，其經由最終空氣出口 54B離開架構50B。因而，相鄰於空氣流入燃料管件55B，廢氣管件56B預先加熱進入架構5〇B之流入空氣。除此，管件55B，56B位於直接地與氧化劑(例如空氣)架構 50B接觸處以及加以彎折，使得數個管件55B，56B之區段位於或接近裝置40之活性區域A，加熱燃料架構5〇B以及裝置 40之活性區域A。因而，空氣可由空氣空間進入SOFC紐件1 〇以及經由管件例如55B加以分配，通過架構模組50經由空氣架構5〇B中 (對準）開孔51B形成之溝槽。空氣再通過開孔51B以及分配槽52B(例如膨脹區域)以及進入以及通過空氣槽3〇,，其中空氣部份地耗用氧氣。耗用空氣再經由氣體收集區域(出口端璋53B)以及終54B進入由空氣構件50B中對準溝槽（例如管件55A，56A及/或55B，56B)所構成之廢氣槽離開，以第16 頁 200818579 及由該處管件56B進入耗用空氣之空間。可攜式S0FC組件10可含有空氣及燃料流動組件例如泵以及風扇，噴霧/蒸發液體燃料之構件，以及附加上電子元件(以及再充電電源供應)以控制各種功能。燃料電池組件，熱交換器以及燃料處理器藉由非常輕但是有效地絕緣與外界完全隔絕，在高達800°C下可良好地運作。薄的金屬架構優先地減輕電源供應器。可攜式S〇FC組件1〇採用獨特外部或利用燃料/空氣流體架構密封6〇之優點。可攜式S0FC組件10可利用燃料例如壓縮氣體(瓶裝)例如氫氣，㊉烧，丁烧，甲烷(壓縮天然氣)及/或液體燃料例如為曱醇，乙醇以及液體碳氫化合物例如柴油燃料。利用化學性更複雜燃料，可攜式S0FC組件可利用或含有燃料處理器以及熱交換器。甚至於缺少燃料處理功能，冷卻廢氣以及加熱流入空氣及/或氣態氣體燃料之熱交換器為優先的。燃料電池組件亦可包含燃燒器，或再充電電池及/或電加熱器以由室溫啟^始運作糸統。依據多電池片狀物設計之燃料電池組件1〇另一基本構造顯示於圖6中，該圖為該實施例之侧面斷面圖。裝置包 40>H支撐料份穩定錐石電解質片狀物42。電池包含十對銀/鈀合金電極44,46。電解質片狀物邊緣密封至架構模組50,密封為由傳統熱燒結陶瓷密封組成份形成之氣密密封60。在该设言十中，連接至電解質片狀物42之每一合金電極對44,46包含内部燃料電極或陽極44以及外部空氣電極或 200818579 陰極46,其大部份重疊位於電解質片狀物42相反一邊上。這些陽極-陰極對藉由導電金屬合金中繼線妨串連祕接，該中繼線由電解質片狀物關錢料側之每-陽極44延伸邊緣至串連下-電解質片狀氣侧之陰極延伸邊緣而通過電解質#織42,如® 6卿。電轉狀物42優先地藉由纖維性礬土邊框(柔軟密封)支標於_組件1〇内，該邊框利用陶瓷密封組成份連接至鍅石電解質片狀物42。 _ 上述所說明多個電池片狀物S0FC設計方式具有有效產 V 生功率之優點，其包含快速地由每一多個電池片狀物裝置產生電壓以供應有用功率的能力。例如，已知具有100個電極對之片狀物，最大功率密度為〇·邠/平方公分，以及5〇〇平方公分有效電池面積能夠產生約50伏特以及5安培250W功率。在相當高電壓下功率輸出係表示能夠使用相當便宜之引線例如相當小斷面積電線，因為損耗減為最小。如先前所說明，可攜式S0FC構造優先地使用邊緣密封 _ 或接近邊緣密封裝置(優先地包含相對之多電池電解質支撐片狀物)按裝於機械性支撐例如為由適當玻璃，金屬，複合物或其他密封所構成堅硬或半堅硬之架構。該架構能夠 k供開放空間於空氣槽之間使得空氣進出陰極變為容易。假如需要情況下，架構亦能夠包含具有適當密封之内部歧管以容納燃料及/或空氣導管以供應氣體至裝置40之内部及外部表面。在架構内溝槽能夠使含有氫氣燃料氣體經由中繼管件，架構溝槽，或其他導管構件加入及排放進入及離開S0FC組件變為容易。 200818579 圖6實施例之架構模組5〇由耐火性纖維金屬合金之架構50A，50B所構成。架構模組5〇作為最先1〇個電池(電極/ 電解質片狀物)燃料電池裝置4〇之支撐，類似於上述所說明夕％池衣置40 δ又δ十及構造，以及相同設計之第二燃料電池裝置40,兩者形成燃料槽30於其之間。每一電解質片狀物 42經由密封60側邊密封至架構模組50,並使其陰極陣列妨朝外以及其陽極陣列朝向燃料槽3〇,其由架構模組5〇及連接電解質片狀物42形成。在該實施例中，提供架構50Α，50Β具有燃料導管51Α及空氣導官51Β，這些導管操作為歧管組件以供應空氣及燃料至SOFC組件10。空氣導管51Β通過架構通而並不具有侧邊端埠吏得空氣或氧氣流被導引進入空氣槽3〇，及通過並不具有出入π之燃料槽3G。燃料導管51Α導引燃料氣流過燃料槽30於兩個燃料電池裝置4〇電解質片狀物犯之間。具有該導官排列，燃料氣體經由導管51Α進入燃料槽3〇以箭頭5 方向通過槽，其帽顿料氧化，α及耗經由廢氣導管54A由燃料槽30排出。上述所說明可攜式S〇FC組件10實施例反應一些有益的设计原理。首先，採用多電池片狀物燃料電池陣列之燃料電池組件10方式並不需要雙極板。裝置4〇可藉由使用破壤，玻埚陶瓷，金屬，玻璃-金屬，或黏土為主密封材料之密封 60密封至架麵組50,其產生燃料槽，其利硬密封加以密封。兩個裝置40亦可使用來產生單一燃料槽3〇位於裝置4〇第19 頁 200818579 之間。在該實施例中，兩個空氣槽3〇,形成於裝置4〇盥空氣 =構可加崎化，在鎌觀，隹純當兩個裝置4〇所在位置使其陰極側邊彼此面對時早一空氣槽30’將形成，以及兩個架構與5〇β及裝置4〇間之空間可利用為燃料槽3〇,。這些方式消除一般雙極板/交互連結結構以及增加空氣/燃料分隔器之需求。如上述所就明，架構5〇a及50B可支撐内部赫，其能夠 _ 共同喊供氣體及空氣之分眺管。氣體可由連接至架構 • 她50之内部或外部空間供應至這些分配槽，在分配槽中開孔提供到達燃料或空氣^之出 Λ.Π 〇本發明可攜式燃料電池組件其他特性限制裝置4〇上操作應力。使贿錄置產认线壓力包含熱-機械以及產生差分壓力之應力，前者為裝置開始至關閉過程中特別之問題。熱-機械應力來源包含燃料電池電池裝置元件間 - 熱膨脹不相匹配，熱遲滯(架構因為熱質量較為緩慢地加熱鲁而比其餘裝置緩慢)，以及裝置操作之熱梯度。渗漏亦為; 機械應力之來源，其中不想要之燃料燃燒產生局部熱點或加熱。放置後封相對於架構模組外部上之燃料槽外部，以及電解質片狀物42膨脹通過架構模組有助於減小裝置40上機械及/或熱應力。、整個燃料電池裝置40最大溫度差值能夠藉由採用空氣及燃料氣體之相反流動分配方式而有效地減小。該方式能夠實際地相對於燃料電池組件排放端部移動尖峰内部溫度。整個組件敢大溫度差值產生減小將使維持相當狹窄之操第20 頁 200818579 作溫度窗變為容易，因而使電池性能最大化以及使材料衰減減為敢低。此特別有助於包含銀或其他材料之電極設計，該設計會受到超過溫度之電池操作而產生負面影響。除此，在裝置角洛處避免隶大溫度將減小雙軸之應力，盆特別難以控制中繼幾何形狀設計寬度例如在3QFC組件中多個電池片狀物電極陣列之敵褶。相反流動設計之更進一步優點在於其在整個電解質片狀物42提供更均勻電化學驅動力量，由於燃料在接近人口端部之位置處耗用，其中跨過薄膜氧氣分壓為最大的。如上述所說明，選擇製造架構之材料具有適當的熱膨脹係數，優先地放置一個架構使得連接多電池片狀物裝置 40為些微地文壓力的。此允許架構由任何可利用固體材料製造出，或可加以變化地由多種材料組合所構成，其包含混合架構組成份IX及藉祕製或鍛鍊方叙域之厚的疊層或薄的架構板。適當的架構製造方法包含粉末冶金處理，或在玻璃或玻璃陶餘才麟件情況下，傳統陶竞處理技術包含溶融，鑄造，壓製，燒結等。例如當架構中低熱傳導性為可忍堂的或需要的情況中，可選擇玻璃，陶究，或其他非金屬架構或％構_。自金屬疊層卿叙架顯件有用於設計出具有特別的熱學特性(例如熱膨脹係數)或化學特性 (例如财久性）。目前優先架構為有用的，雖然能夠使用锆石支稽及/或蓉土纖維框邊，其中低熱傳導性或改良高溫氧化抵抗性為需要的。通系壓製溝的金屬架構為經濟的以及能夠形成具有3— 第21 頁 200818579 維^構(浮凸)，使得氣體導管及/或氣體膨服槽能触含於板3：層中為所形成架構之整體部份。在架構中浮凸能夠額外地形成熱交換1之結構或作為精確堆疊以及作為氣體流動。使用薄的低熱容篁架雜供減小架猶裝置間之熱遲滯以及整個系統快抽熱的優點。可採用架槪壓製組件，以及架構插入物。例如，能夠使用架構之插入物，其中需要特別精確的幾何誤差。例如，氣體進入開孔可受益於精確成形以確保氣體均勻地流入每一組件。使用薄的壓製架構為祕贶爭之方式，其中機械加工價格減為最低以及空間並不由金屬而以空氣填充。人們十分了解在固態氧化物燃料電池設計中密封的重要陡。更重要的為密封作為防止空氣渗漏至燃料槽内雖然亦防止燃料溢失至燃料電池之陰極侧"工作”區域内。即，7極贿需縣_細的，蚊街陰極密封並不需梅侧並無或使用兩個裝置4〇,由陽極陣歹_ :構叫==成於每—多電池片狀物裝置與要被連接相鄰於密封之架顧構對控制密封應 >^1 壓力峰魏作触轉組件内發材斤導致。使用作為形成片狀物—架構密_之變孟屬―玻璃，以及緩變金屬一陶瓷密封所構成以作第22 頁 200818579 為將相匹配或實際不她齡屬細紐料雜在一起。 …在本發明一些實施例中，燃料槽52A，53A包含素燒坯切割進入架構邊緣内部，該邊緣界定出燃料槽30之週邊邊緣獎伸至被之架構邊緣度以f與燃料導管51A及54A相通(參閱隨及1〇。、田旎夠使用架構鞠以對按裝於架構識，5册上裝置初提供“!|線40,其使職场或錄鋪當加以隔絕如底下所說明。、f發明並不受_任何特定系列電極，電流收集器或 _，賴财由錄_成或能夠 j用鉑’鉑5金成或其他貴金屬，鎳或鎳合金之網線作為之絡_或耐火性金屬黏合劑材料之圖案化層或容器塗層。這些導電結構可作為電流收集器上部，底下，或沿賴邊或其可作為交互連結於各層之間。、,可使雜與槪麟電解ΐ結合之電極材鶴黏合材料例如鎳/氧化釔穩定化錯石黏合劑，貴金屬/氧化紀穩定，黏合劑，這些為制有用的，但是並不受_使用作為陽極材料。有用的陰極材料包含該陶甍及黏合材料例如為摻雜觸水疑礦，其他摻雜鹼土金屬輝鈷礦以及水猛礦，肥粒，、及貝孟屬/氧化紀穩定之锆石黏合劑。當然先前範例，、是為月b夠使用各種電極及交互連結材料之列舉性範例。、，使用作為依據本發明燃料電池構造之陰極以及陽極材料優先地轉飯是相解火性金屬合細如貴金屬以及第23 頁 200818579 貴金屬間合金例如銀合金所構成。該形式特定合金電極組成份之範例包含銀合金，其由銀—鈀，銀-銘，銀—金以及銀一錄選取出，最優先合金為銀-把合金。另一電極材料包含黏合劑電極，其由這些金屬或具有夕日日陶免填充料之混合物形成。該用途之優先多晶陶曼填充料包含穩定锆石，部份穩定鍅石，穩定氡化铪，部份穩定氧化铪，錯石及氧化铪之混合物，具有錯石之二氧化銀具有鍅石之銀，釓，以及鍺。能夠包含於這些燃料電池組件10中其他設計元素範例為低阻抗電流收集栅格或其他導電結構，其提供導電接觸陣列化之陽極及/或陰極。這些能夠藉由減小電極内電流分配損耗以減小電池之内電阻，否則會增加該電阻。裝置間導電交互連結能夠如所需要地外部或内部地製造出。不論絕緣體或導體，在堆疊線路設計中架構扮演重要的角色。假如架構為金屬，其能夠參與例如提供共同接地而作為線路，或其可藉由塗膜，插入物，隔絕管件與導電引線隔絕。由母一片狀物裝置採用超過一點引取功率點以減少通過每一點電流以及減小電池至引線連接的距離為有益的。在較低電流下，引取斷面以及引線斷面必需減小以限制材料費用以及熱應力。沿著組件邊緣而非在組件端部處定位引取功率亦有助於防止在槽室入口及廢氣開孔處氣流之擾動，雖然決定於電極幾何形狀，該指向將使電池電極之長轴平行於燃7料流動。第24 頁 200818579 在多電池片狀物裝置設計之初始測試中，25W至l〇〇w之電源功率麵可達成麵為5V以及電絲5A。甚至於對於 1_裝置，最大電流將保捧_該數值使得細長斷面之裝置對裝置連接為可麟。這錄置之高電壓，低電流特性為堆疊構造明顯的優點，其附帶消除傳統S0FC交互連結之結構，其在_環環境+存在費用以及耐久性受人關切的問題。填充金屬洞孔以及細長斷面之裝置至裝置連接之費 U避免增加冑帛以及標準平耐蚊互連結結構之重量而得到彌補。本發明藉由參考下列特定範例而更進一步了解，其預期為列舉性而非作為限制之用。範例1 i第一範例性S0FC組件10使用兩個架構之架構模組5〇製 k出此測试S0FC組件量測為12cmxl5cm。頂部架構5〇B含有空氣入口 51B連接至管件55B以及空氣出口 54B連接至^ 配端埠53B，以及氧化劑槽30,以提供空氣至裝置4〇如同圖 1A- 1C及4A-4C中。架構模組50固定單一 1〇個電池電解質支撐多電池裝置40。礬土氈墊隔絕物80位於裝置40與架構模組50之每一架構5〇A，50B之間。密封60直接地形成於裝置 4〇與架構5〇A，50B外部邊緣之間如圖ία，1B及圖3A中。在實施例中密封㈤為填充陶瓷硼礬土矽酸鹽玻璃。玻璃料糊狀物沿著裝置40邊緣以及架構50A，50B塗覆以及加熱至8〇〇〇c 以產生密封。可加以變化，可採用金屬硬焊而不使用玻璃料。外部密封設計特別地有益於硬焊密封，在其中採用局第 25 頁 200818579 部還原環境而不擔心多電池裝置之已形成陰極材料還原。測試條件說明於底下以及顯示於7A, 7B。更特別地，圖1A顯示出在測試過程中在該組件上量測之溫度(QQQ，以及也， N2以及空氣流量。量測斷路電壓絕對電壓值為大於丨.lv/ 電池，總電壓為1IV，其顯示該設計之良好密封。更特別地測試條件如下··第一可攜式燃料組件放置於高溫爐中。其次，燃料電池組件供應〇· 5L/分鐘沁至燃料槽 φ 30以及〇·5L/分鐘空氣至氧化劑槽30,。裝置再以3°C/分鐘 • 速率由室溫加熱725。(：。流入燃料槽30之沁流動逐漸地由〇· 5L/分鐘減少至〇,同時流入該槽之氮氣由〇增加至〇. 5L/ 分鐘。其次，氫氣以及空氣氣流同時地分別地增加至丨.5L/ 氫氣以及1分鐘空氣。該條件保持50分鐘。It及空氣再同時減小至0· 5L/分鐘。流至燃料槽之氫氣流動再更進一步減小至0,同時沁流動由0增加至0· 5L/分鐘。最終高溫爐設定點以3Ϊ/分鐘速率由725°C降低至2。(：。 _ 範例2:

第二範例性SOFC組件10亦使用兩個架構5〇A，50B，單一 10個電池裝置4〇,礬土氈墊80,以及外部玻璃密封6〇。該顯示於囷8中SOFC組件1〇以及其夕卜部尺寸為η· 6〇ϋχΐ4· 5cmx 1· 〇5cm。該SOFC組件10顯示出設計熱-機械之強固以及清楚地顯不出裝置40如何固定於兩個架構50A，50B之間，並使篡土塾80值於位於裝置40與架構50A，50B之間，以及玻璃密封60位於架構模組50之外侧。該組件包含裝置40加熱至800 C以形成密封6〇以及再成功地冷卻而並不會失敗。該S0FC 第26 頁 200818579 組件亦顯示出本發明一個實施例，其中運轉裝置所需要之空氣藉由外部構件供應以及並不藉由使用空氣槽30,如同範例1之S0FC組件1〇。這些_應該為開放架構如同範例中所顯示。該實施例之架構模組50採用密封6〇，其形成於架構模組50之外部邊緣以及全部歧管為外部歧管。^該設計中，每一裝置40之燃料以及空氣密封形成在一起。 ¥然，先前一般說明以及範例只作為本發明之列舉古兒明，業界熟知此技術者了解上述所說明特定材料，裝置及方法可作許多變化及改變而並不會脫離下列申請專利範圍界定出本發明之範圍。【圖式簡單說明】第一圖A至第一圖C示意性地顯示出依據本發明架構化 SOFC組件之頂視以及侧邊斷面平面圖。第二圖示意性地顯示出依據本發明範例性s〇FC裝置之斷面圖。第一圖A至第二圖D顯示出使用於燃料電池組件中架構模組之數個實施例的凹槽。第四圖纟至第izg®B顯7F出具有外部加熱交換器之獄組件。第五圖為本發明SGFC組件—項實酬之斷面圖。第六圖為本發明SOFC組件另一項實施例之斷面圖。第七圖A至第七®B顯示出本發明—項範例性實施之溫度以及在這些溫度下之性能。第八圖顯示出本發明另一項實施例。 _ 27頁 200818579 附圖元件數字符號說明：可攜式固態氧化物燃料電池(S0FC)組件1〇;燃:料槽 30;氧化劑氣體槽30’ ；燃料電池裝置40;電解質片狀物 42;陽極44;陰極46;中繼點48;架構模組加·燃料架架構5誠料入口開職;空氣入口 .開孔诎工氣出口端埠5部;燃料最終出口山， 54B;管件喊派娜，鲰w^終出口 59A，咖;密封60;密封80;熱交換器^’嫩觸媒槽

Claims

200818579 十、申請專利範圍·· 1· 一種可攜式固態氧化物燃料電池組件，其包含： (i)單一多電池裝置； (11)支撐該裝置之架謝莫組，架麵組提供空氣及燃料至該裝置，雜麵裝置形成單—相鄰於該裝置一側，以及單一燃料槽相鄰於該裝置另一侧；其中該裝置產生超之t力以及最大尺寸不超過〇· 5 米。 2·依據申請專利細第}項之可攜式固態氧化物燃料電池組件，其中裝置並不小於架構。 3·依據申請專利範圍第】項之可攜式固態氧化物燃料電池組件，其巾步包含外部贿，其職餘封至架谢莫組。 4·依據申請專利範圍第3項之可攜式固態氧化物燃料電池組件，其中架構模組包含外部凹槽以承受密封劑材料。已依據申請專利範圍第i項之可攜式固態氧化物燃料電池組件，其中更進一步包含數墊位於單一多電池裝置與該架構模組之間，該氈墊提供導電絕緣。 6·依據申請專利範圍第1項之可攜式固態氧化物燃料電池組件，其中說墊提供至少1仟歐姆之導電絕緣。 7·依據申請專利範圍第1項之可攜式固態氧化物燃料電池組件，其中架構模組包含熱交換器以加熱流入之燃料。 8·依據申請專利範圍第1項之可攜式固態氧化物燃料電池組件，其中架構模組包含熱交換器以加熱流入之氧化劑。第29 頁 200818579 9.依據申明專利細第i項之可攜式固態氧化物燃料電池組件，其中架謝莫組包含素燒述切割以作為燃料分配。 1〇·依據申請專利範圍第1項之可攜式固態氧化物燃料電池、、且件’其中固知、氧化物燃料電池組件之外部尺寸並 9，’x12"x3”。 ' 11·依據申睛專利範圍第j項之可攜式固態氧化物燃料電池組件，其中固態氧化物燃料電池組件最大尺寸不大於6”。 12·依射請專利細第u項之可攜式固態氧化物燃料電池組件，其中固態氧化物燃料電池組件產生至少5W電力。 13·依據申請專利細第i項之可攜式固態氧化物燃料電池組件，其中固態氧化物燃料電池組件最大尺寸不大於3”。 14·依據申請專利範圍第13項之可攜式嶋氧化物燃料電池組件，其中固態氧化物燃料電池組件產生至少5W電力。 15·依據申請專利細第14項之可攜式固態氧化物燃料電池組件，其中固態氧化物燃料電池組件產生至少10W電力。 16·依據申請專利細第i項之可攜式固態氧化物燃料電池組件，其中固態氧化物燃料電池組件最大尺寸不大於Γ。 17·依據申請專利細第16項之可攜式固態氧化物燃料電池組件，其中固態氧化物燃料電池組件產生至少1W電力。 18·依據申請專利範圍第1項之可攜式固態氧化物燃料電池組件，其中固態氧^匕物燃料電池組件重量小於10公斤。 19·依據申請專利範圍第i項之可攜式固態氧化物燃料電池組件，其中固態氧化物燃料電池組件重量小於5公斤。 20· —種可攜式固態氧化物燃料電池組件，其包含：第30 頁 200818579 (i)至少一個多個電池裝置其部份至少由順應電解質片狀物所構成； (11)支撐該裝置之架構模組，該架構模組提供空氣及燃料至該裝置，架構連同裝置形成至少一個·單一燃料槽，單一空氣槽相鄰於至少一個多電池裝置之活性區域；其中至少—個錢絲置產生超過3V之電力以及最大尺寸不超過〇· 5米。 21.依據㈣專利細第2〇項之組件，其中導電元件交互連響結陽極及陰極於電解質片狀物上。 22·依據申明專利細第2〇項之組件，其中燃料輸送供應含有氫氣燃料之氣體至圍蔽組件之内侧。 23.依據申請專利範圍第2〇項之組件其中產生至少丽電 • 力。 24·依據申請專利細第2〇項之組件，其中外部尺寸不超過 9 χ12πχ3π以及產生超過5伏特之電動勢。 • 25·依據申請專利範圍第20項之組件，其中裝置產生超過12 • 伏特電力。第3〗頁