[发明专利]具有蜿蜒几何形状的密封体的固体氧化物燃料电池装置

说明书

关于联邦资助开发研究的声明

本发明按照由国家标准技术研究院(NIST)授予的合作协议70NANB4H3036 在政府资助下完成。美国政府可享有本发明的某些权利。

技术领域

本发明涉及固体氧化物燃料电池，更具体地，涉及能够降低固体氧化物燃 料电池装置操作期间的应力和产生的破裂的密封区域结构。

背景技术

固体氧化物燃料电池(SOFC)近年来一直是一大研究主题。固体氧化物燃料电 池通过燃料在一定温度(例如约700-1000℃)的电化学氧化，将氢和/或烃之类的燃 料的化学能转化为电能。典型的SOFC包括夹在阴极层和阳极层之间的负电荷氧离 子传导电解质。分子氧在阴极还原并结合在电解质中，其中，将氧离子传送通过该 电解质，与(例如)氢在阳极反应，形成水。

燃料电池装置可包括电极-电解质结构，该结构包括固体电解质片，电解质片 结合有多个正电极和负电极，这些电极与挠性无机电解质薄片的相背侧面粘结。所 述无机薄片具有能够弯曲但不会破裂的强度和挠性，并在燃料电池的操作温度范围 内具有优异的温度稳定性。

SOFC装置通常经受由高操作温度和装置的快速温度循环造成的大的热机械应 力。这些应力可导致装置的元件变形，并对SOFC装置的操作可靠性和寿命产生不 利的作用。

SOFC装置的电解质片通常被密封在框架支承结构中，以保持将燃料和氧化剂 气体分开。在某些情况中，热机械应力和产生的变形可能集中在电解质片和密封体 之间的界面上，导致密封体、电解质片和/或SOFC装置失效。装置、密封体和框架 之间因温度梯度和元件性质(如热膨胀和刚性)不匹配产生的气体压差和相互作用 可能导致在密封体和与密封体相邻的电解质片的未支承区的应力增大。大的电解质 片尤其会发生因应力诱发电解质片折皱破裂造成的失效。此外，如果燃料电池装置 组合件使用大的矩形电解质片，密封体会因为沿该密封体长度部分的累积应力、因 密封体、电解质片和电解质支承框架之间的热膨胀不同而失效。

因此，需要解决固体氧化物燃料电池密封体和电解质片的热机械整体性以及 与固体氧化物燃料电池相关的其他缺点，以及制造和操作固体氧化物燃料电池的方 法。通过本发明的制品、装置和方法可以满足这些需要和其他的需要。

发明内容

本发明涉及电化学装置，该装置包括陶瓷电解质和用于将电解质薄片附连在 其支承体上的密封结构。本发明的实施方式通过使用新颖的密封结构及其制造方法 至少解决了一部分的上述问题。

在一个实施方式中，燃料电池装置组合件包括：(i)具有支承表面的框架；(ii) 电解质片，包含电化学活性区域和电化学惰性区域，其中，惰性区域包含密封区域； 和(iii)插在至少一部分框架支承表面与至少一部分电解质片密封区域之间并 与它们接触的密封材料。该密封材料具有蜿蜒几何形状。

在另一个实施方式中，本发明还提供制造上述燃料电池装置组合件的方法。 例如，该方法一般性包括提供具有支承表面的框架的步骤和提供包括电解质片的装 置的步骤。电解质片和框架支承表面的至少一部分通过密封材料连接，其中上述密 封材料具有蜿蜒几何形状。

在以下详细描述和任意权利要求中部分地提出了本发明的另外一些实施 方式，它们部分源自详细描述，或可以通过实施本发明来了解。应理解，前面 的一般性描述和以下的详细描述都只是示例和说明性的，不构成对所揭示的本 发明的限制。

附图简要说明

附图被结合在本说明书中，并构成说明书的一部分，附图说明了本发明的 一些方面，并与描述部分一起用于说明本发明的原理，但不构成限制。

图1是常规固体电化学装置组合件的示意图。

图2显示对在常规多电池的矩形燃料电池装置的电解质片中产生的应力的 有限元分析图。

图3是常规燃料电池装置的示意图，图中示出矩形电解质片上的典型失效 位置。

图4是在本发明实施方式中使用的蜿蜒几何形状密封体的示例图案。

图5A是一种具有蜿蜒几何形状密封体图案的燃料电池装置组合件的实施 方式的示意图(俯视图)。

图5B是图5A实施方式的截面示意图。

图6显示本发明的燃料电池装置组合件的示例实施方式。