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TWI853165B - 用於燃料電池堆疊組件之介電分離器及其製造方法 - Google Patents

用於燃料電池堆疊組件之介電分離器及其製造方法 Download PDF

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TWI853165B
TWI853165B TW110115672A TW110115672A TWI853165B TW I853165 B TWI853165 B TW I853165B TW 110115672 A TW110115672 A TW 110115672A TW 110115672 A TW110115672 A TW 110115672A TW I853165 B TWI853165 B TW I853165B
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馬丁 派瑞
巴塔維 伊瑪德 艾爾
大衛 愛孟頓
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Abstract

一種燃料電池行，包含：第一及第二燃料電池堆疊；燃料歧管，其安置在該等第一與第二燃料電池堆疊之間且經組態以將燃料提供至該等第一及第二燃料電池堆疊；以及第一及第二介電分離器，其位於該燃料歧管與該等各別第一及第二燃料電池堆疊之間，且經組態以電隔離該等各別第一及第二燃料電池堆疊與該燃料歧管。該等第一及第二介電分離器各自包含陶瓷材料之頂部層，該陶瓷材料之底部層，安置在該頂部層與該底部層之間且包含具有比該陶瓷材料低之密度及比該陶瓷材料高之介電強度之材料之中間層，以及將該中間層連接至該頂部層及該底部層之玻璃或玻璃陶瓷密封件。

Description

用於燃料電池堆疊組件之介電分離器及其製造方法
本發明大體上係關於燃料電池系統且特定而言係關於用於燃料電池堆疊組件之介電分離器。
燃料電池係可以高效率將儲存於燃料中之能量轉換成電能之電化學裝置。高溫燃料電池包含固體氧化物燃料電池及熔融碳酸鹽燃料電池。此等燃料電池可使用氫燃料及/或烴燃料來操作。存在亦允許反向操作使得可使用電能作為輸入而將水或其他氧化燃料還原成非氧化燃料之燃料電池種類，諸如固態氧化物可逆燃料電池。
在高溫燃料電池系統(諸如固態氧化物燃料電池(SOFC)系統)中，氧化流通過燃料電池之陰極側，而燃料流通過燃料電池之陽極側。氧化流通常係空氣，而燃料流通常係藉由重組碳氫化合物燃料源形成之富氫氣體。以介於750℃與950℃之間的典型溫度操作之燃料電池能夠使帶負電荷氧離子自陰極流動流傳輸至陽極流動流，其中該離子與碳氫化合物分子中之游離氫或氫組合以形成水蒸氣及/或與一氧化碳組合以形成二氧化碳。來自帶負電離子之過剩電子穿過在陽極與陰極之間完成之電路而被路由回至燃料電池之陰極側，從而導致穿過該電路之電流流動。
可在內部或外部給燃料電池堆疊裝用於燃料及空氣之歧管。在內部歧管式堆疊中，使用堆疊內所含有之上升管將燃料及空氣分配至每一電池。換言之，氣體流動穿過每一燃料電池之支撐層(諸如，電解質層)中之開口或孔及每一電池之氣體分離器。在外部歧管式堆疊中，堆疊在燃料及空氣進口及出口側上係敞開的，且燃料及空氣係獨立於堆疊硬體而被引入並收集。舉例而言，入口及出口燃料及空氣在介於堆疊與堆疊位於其中的歧管殼體之間的單獨通道中流動。
燃料電池堆疊通常係由呈平面元件、管或其他幾何結構形式之眾多電池構建而成。必須將燃料及空氣提供至電化學活性表面(其可係大表面)。燃料電池堆疊之一個零件係分離堆疊中之個別電池之所謂的氣流分離器(稱為平面堆疊中之氣流分離器板)。氣流分離器板將流動至堆疊中之一個電池之燃料電極(亦即，陽極)之燃料(諸如，氫或碳氫化合物燃料)與流動至該堆疊中之毗鄰電池之空氣電極(亦即，陰極)之氧化劑(諸如空氣)分離。通常，氣流分離器板亦用作將一個電池之燃料電極電連接至毗鄰電池之空氣電極之互連件。在此情形中，充當互連件之氣流分離器板由導電材料製成或含有導電材料。
根據本發明之各項實施例，一種燃料電池行包含：第一及第二燃料電池堆疊；燃料歧管，其安置在該等第一與第二燃料電池堆疊之間且經組態以將燃料提供至該等第一及第二燃料電池堆疊；以及第一及第二介電分離器，其位於該燃料歧管與該等各別第一及第二燃料電池堆疊之間，且經組態以電隔離該等各別第一及第二燃料電池堆疊與該燃料歧管。該等第一及第二介電分離器各自包含陶瓷材料之頂部層、該陶瓷材料之底部層、安置在該頂部層與該底部層之間且包含具有比該陶瓷材料低之密度及比該陶瓷材料高之介電強度之材料之中間層，以及將該中間層連接至該頂部層及該底部層之玻璃或玻璃陶瓷密封件。
根據另一實施例，一種燃料電池行包括：第一及第二燃料電池堆疊；燃料歧管，其安置在該等第一與第二燃料電池堆疊之間且經組態以將燃料提供至該等第一及第二燃料電池堆疊；以及第一及第二介電分離器，其位於該燃料歧管與該等各別第一及第二燃料電池堆疊之間，且經組態以電隔離該等各別第一及第二燃料電池堆疊與該燃料歧管，該等第一及第二介電分離器各自包括：周邊框架、安置在該框架之內部且經組態以支撐該周邊框架之內部支撐件，以及至少部分地由該周邊框架及該等內部支撐件界定之燃料孔及內部開口。
根據另一實施例，一種燃料電池行包含：第一及第二燃料電池堆疊；燃料歧管，其安置在該等第一與第二燃料電池堆疊之間且經組態以將燃料提供至該等第一及第二燃料電池堆疊；以及第一及第二介電分離器，其位於該燃料歧管與該等各別第一及第二燃料電池堆疊之間，且經組態以電隔離該等各別第一及第二燃料電池堆疊與該燃料歧管。該等第一及第二介電分離器各自包含：頂部層，其包括陶瓷材料；底部層，其包括該陶瓷材料；至少一個凸部，其使該頂部層自該底部層偏移使得空氣間隙位於該頂部層與該底部層之間；以及玻璃或玻璃陶瓷密封件，其將該頂部層連接至該底部層。
根據另一實施例，一種形成介電分離器之方法包括：形成包括中間層、頂部層、底部層及玻璃或玻璃陶瓷密封材料之組件，該中間層包括介電材料，該頂部層包括生坯陶瓷材料，該底部層包括該生坯陶瓷材料，且該玻璃或玻璃陶瓷密封材料安置在該中間層與該頂部層及該底部層中之每一者之間；燒結該組件以增加該頂部層及該底部層之密度並回熔該玻璃或玻璃陶瓷密封材料；及切割該經燒結組件以形成該介電分離器。
將理解，當一元件或層被稱為「在另一元件或層上」或「連接至另一元件或層」時，其可直接在另一元件或層上，或直接連接至另一元件或層，或者可存在介入元件或層。相比而言，當一元件被稱為係「直接在另一元件或層上」或「直接連接至另一元件或層」時，不存在介入元件或層。將理解，出於本發明之目的，「X、Y及Z中之至少一者」可解釋為僅X、僅Y、僅Z，或兩個或更多個物項X、Y及Z之任何組合(例如，XYZ、XYY、YZ、ZZ)。
圖1圖解說明根據本發明之各項實施例之燃料電池堆疊組件100。參考圖1，燃料電池堆疊組件100包含燃料電池堆疊行140、安置在行140之對置側上之側擋板220、下部區塊53，及包含上部區塊63之壓縮組件60。行包含八個燃料電池堆疊14、安置在燃料電池堆疊14之間的燃料歧管204，及安置在行140之對置端上之終止板27。燃料電池堆疊14包含堆疊在彼此上且由互連件分離之複數個燃料電池。複數個燃料電池堆疊組件100可附接至基座。
例示性燃料歧管204闡述於美國申請案序號11/656,563中，該申請案以全文引用之方式併入。可視需要在燃料電池堆疊14之毗鄰燃料電池之毗鄰端板之間提供任何數目之燃料歧管204。
側擋板220連接壓縮組件60之上部區塊63與下部區塊53。側擋板220、壓縮組件60及下部區塊53可統稱為「堆疊殼體」。堆疊殼體經組態以將壓縮負荷施加至行140。堆疊殼體之組態消除昂貴饋通件及由此產生之拉桿散熱器，且出於以下兩個目的使用同一部件(亦即，側擋板220)：將負荷放置於堆疊14上，並引導陰極進料流動流(例如，對於環形堆疊配置，陰極入口流(諸如空氣或另一氧化劑)可自環形配置外部之歧管穿過堆疊及出口作為陰極排出流提供至位於環形配置內部之歧管)。側擋板220亦可電隔離燃料電池堆疊14與系統中之金屬零件。行140上之負荷可由壓縮組件60提供，該壓縮組件由側擋板220及下部區塊53固持就位。換言之，壓縮組件60可使行140之堆疊朝向下部區塊53偏置。
側擋板220可係板形而非楔形的，且包含經組態以將擋板202連接至下部區塊53及壓縮組件60之擋板202及陶瓷嵌件46。特定而言，擋板202包含大體上圓形切口52，嵌件46安置在該切口中。嵌件46並不完全填充切口52。嵌件46係大體上領結形的，但包含平坦邊緣51而非完全修圓邊緣。因此，在嵌件46上方或下方之各別切口52中保留有空白空間。
通常，側擋板220由諸如氧化鋁或其他適合陶瓷之耐高溫材料製成。在各種實施例中，側擋板220由陶瓷基質複合物(CMC)製成。舉例而言，CMC可包含氧化鋁(aluminum oxide)(例如，氧化鋁(alumina))、氧化鋯或碳化矽之基質。亦可選擇其他基質材料。纖維可由氧化鋁、碳、碳化矽、或任何其他適合材料製成。下部區塊53及壓縮組件60亦可由相同或類似材料製成。下文詳細論述選擇用於壓縮殼體之特定材料。
可使用基質與纖維之任何組合。另外，纖維可塗佈有經設計以改良CMC之疲勞性質之界面層。若需要，CMC擋板可由整件CMC材料而非個別互鎖擋板製成。CMC材料可增加擋板強度及抗潛變性。若擋板由氧化鋁或氧化鋁纖維/氧化鋁基質CMC製成，則此材料在典型SOFC操作溫度(例如，高於700°C)下係相對良好的熱導體。若期望鄰近堆疊或行之熱解耦(thermal decoupling)，則擋板可由熱絕緣陶瓷或CMC材料製成。
壓縮殼體之其他元件(諸如下部區塊53及壓縮組件60)亦可由相同或類似材料製成。舉例而言，下部區塊53可包括單獨附接(例如，藉由嵌件、燕尾件(dovetail)或其他器具)至側擋板220及系統基座之陶瓷材料，諸如氧化鋁或CMC。陶瓷區塊材料之使用最小化散熱器之產生，並消除將陶瓷擋板連結至金屬基座之問題，此引入熱膨脹界面問題。下文詳細論述選擇用於壓縮殼體之零件之特定材料。
燃料軌214 (例如，燃料入口及出口管道或導管)連接至燃料歧管204，該燃料歧管位於行140中之堆疊14之間。燃料軌214包含用銅焊接至金屬管218之陶瓷管216。在一項實施例中，金屬管218可包括可壓縮波紋管。燃料電池軌214用於經由燃料電池歧管204將燃料遞送至燃料電池堆疊之行140中之每一對堆疊14。在此等系統中，陶瓷管216位於毗鄰燃料歧管204之間以防止堆疊14之行140中之毗鄰堆疊14之間的短路。陶瓷管216相對昂貴且難以用銅焊接至金屬管218。陶瓷管216亦歸因於在燃料電池系統之熱循環期間產生之熱應力而易於破裂。
圖2A係根據本發明之各項實施例具有電隔離燃料歧管之燃料電池堆疊組件200之三維視圖，且圖2B係在圖2A中圖解說明之燃料電池堆疊組件200之分解視圖。圖3A圖解說明具有在圖2A中圖解說明之電隔離燃料歧管之燃料電池堆疊組件200之一部分之特寫。圖3B圖解說明具有在圖2A中圖解說明之電隔離燃料歧管204之燃料電池堆疊組件200之另一部分之特寫。
參考圖2A至圖3B，在燃料歧管204與毗鄰燃料電池堆疊14之間提供介電分離器400，而非在燃料軌214之全長上用銅焊接陶瓷管及金屬管以在由燃料歧管204分離之若干對毗鄰燃料電池堆疊14之間提供電隔離。介電分離器400可包括任何適合電絕緣材料，諸如氧化鋁、陶瓷基質複合物等。燃料軌214可完全由金屬製成，並不需要介電(例如，陶瓷)管216 (其可省略)。在一項實施例中，燃料軌214僅包括金屬波紋管218及筆直金屬管219。
可提供跨接器250以允許電流自第一燃料電池堆疊14流動至毗鄰第二燃料電池堆疊14，該毗鄰第二燃料電池堆疊藉由燃料電池堆疊行140中之燃料歧管204與第一堆疊14間隔開，而沒有電流流動通過燃料歧管204。跨接器250可放置為圍繞燃料歧管204及介電分離器400與第一及第二燃料電池堆疊14電接觸。跨接器250可由任何適合導體製成，例如，金屬或金屬合金，諸如英高鎳(Inconel)718 (或其他英高鎳合金)或Cr - Fe 5重量%合金，且可具有接近堆疊14及介電分離器400之熱膨脹係數之熱膨脹係數以使得容易密封各種零件。跨接器250可大體上具有「C」形狀，其中頂部及底部部分電接觸各別毗鄰第一及第二堆疊14，而連接頂部與底部部分之跨接器250之側圍繞燃料歧管204且不接觸燃料歧管204。在實施例中，代替或除了介電分離器400或者燃料歧管204之表面上的介電分離器400之塗層之外，跨接器250之面向歧管204之內表面亦可塗佈有介電材料。
如圖2B中所圖解說明，介電分離器400設有燃料孔258，此允許燃料自燃料歧管204流動至燃料電池堆疊14。可圍繞燃料孔258形成密封件，諸如玻璃密封件或任何適合墊片。在實施例中，在介電分離器400中提供諸如熱電偶狹槽257之其他特徵以准許熱電偶通過狹槽257。在圖3B中圖解說明之實施例中，在跨接器250中提供可用於附接模組電壓線之突片254。
介電分離器
圖4A係根據本發明之各項實施例之介電分離器400之部分透視圖，且圖4B係圖4A之分離器400之分解透視圖。參考圖4A及圖4B，分離器400可用於圖2A之燃料電池堆疊組件200中。
分離器400可包含頂部層402、底部層404、中間層406、燃料孔408，及密封件410。燃料孔408可包含形成於頂部層402、底部層404及中間層406中之同心通孔。
頂部層402及底部層404可由緻密介電材料形成。舉例而言，頂部層402及底部層404可由實質上無孔、電絕緣陶瓷材料形成，諸如氧化鋁、氧化鋯、氧化釔穩定氧化鋯(YSZ)，例如3%氧化釔穩定氧化鋯)等等。頂部層402及底部層404可呈剛性板之形式以向分離器400提供結構上剛性。
此外，頂部層402及底部層404對自毗鄰燃料電池釋放之流出物種類(諸如氧化鉻)可係實質上不滲透的。因此，頂部層402及底部層404可防止流出物種類進入中間層406並降低其介電強度。
中間層406可夾在頂部層402與底部層404之間，且可由具有較頂部層402及底部層404高之介電強度之多孔及/或高表面積材料形成。換言之，較之頂部層402及底部層404之絕緣材料，中間層之絕緣材料可能夠耐受較高最大電場，而不電擊穿並變得導電(亦即，具有更高擊穿電壓)。本發明人發現，在僅利用緻密陶瓷材料之同時維持高介電強度在燃料電池系統中可係困難的，此乃因存在可增加此等陶瓷材料之導電性之鹼離子，諸如鈉離子。因此， 中間層406可操作以增加分離器400之總介電強度。
在某些實施例中，中間層406可由在高溫下高度電絕緣之多孔陶瓷紗線或織物形成，諸如可自3M公司購得之編號為312、440或610之Nextel陶瓷織物。在其他實施例中，中間層406可由陶瓷基質複合物(CMC)層，或歸因於具有高表面積與體積比而具有高介電強度之任何類似材料形成。CMC可包含(舉例而言)氧化鋁(aluminum oxide)(例如，氧化鋁(alumina))、氧化鋯或碳化矽之基質。亦可選擇其他基質材料。纖維可由氧化鋁、碳、碳化矽，或任何其他適合材料製成。在一項實施例中，基質及纖維兩者可包括氧化鋁。
在各種實施例中，密封件410可係環形密封件且可由高溫玻璃或玻璃陶瓷材料形成，諸如矽酸鹽或鋁矽酸鹽玻璃或者玻璃陶瓷材料。密封件410可操作以將頂部層402及底部層404與中間層406連接且可氣密密封燃料孔408。
用於分離器400之個別零件(例如，層402、404、406，且視情況密封件410)之材料可經選擇使得每一零件之主要組分係相同的。在本文中，主要組分係指以最高量存在於零件中之組分。舉例而言，在某些實施例中，零件402、404及406，且視情況410之主要組分可係氧化鋁。具有相同主要組分可促進零件402、404、406、410之接合，且可允許獨立於燃料電池行200燒結分離器400。
在某些實施例中，分離器400可包含額外層。舉例而言，分離器400可包含安置於三個或更多個緻密陶瓷層之間的兩個或更多個多孔陶瓷織物或CMC層，其中層由對應玻璃或玻璃陶瓷密封件連接。
在某些實施例中，頂部層402及底部層404之內表面可設有經組態以提供額外空氣及/或密封材料截留之粗糙或粗毛狀紋理。可相對於頂部層402及底部層404之剩餘部分增加圍繞燃料孔408之頂部層402及底部層404之部分之密度以便提供燃料孔408之經改良密封。
在各種實施例中，額外玻璃環形密封件412可安置在頂部層402之頂部上及底部層404之底部上、圍繞燃料孔408。額外密封件412可用於將分離器400密封至毗鄰燃料電池行零件，諸如燃料電池堆疊或燃料歧管。
圖5係根據本發明之各項實施例包含邊緣密封件414之分離器400之俯視圖，其中為了清晰起見已省略頂部層402。參考圖5，除了燃料孔密封件410，還可包含邊緣密封件414，且其可沿著分離器400之對置邊緣延伸。因此，邊緣密封件414可提供分離器400之層之間的經改良黏附。邊緣密封件414可藉由(舉例而言)刮刀成型、施配或浸塗來形成。
圖6係根據本發明之替代實施例之介電分離器600之俯視圖。參考圖6，分離器600可由緻密陶瓷材料形成，諸如上文關於分離器400之頂部層402及底部層404闡述之高密度介電材料。分離器600可包含周邊框架602及安置在框架602之內部之內部支撐件604。框架602及支撐件604可至少部分地界定內部開口606及燃料孔608。因此，分離器600可具有單一主體構造，而不是分離器400之複合分層構造。
環形密封件610可安置在分離器600之頂部及底部表面上、圍繞燃料孔608。密封件610可由與上文關於密封件410闡述之相同的玻璃材料形成。密封件610可經組態以將分離器600密封至毗鄰燃料電池行零件，諸如燃料電池堆疊及燃料歧管。分離器600可視情況包含離隙切口RC，其中分離器600經切割以減少熱膨脹及收縮之影響。舉例而言，離隙切口RC可減少歸因於毗鄰金屬部件之熱膨脹而施加至玻璃密封件610之壓力，且藉此減少及/或防止熱循環期間玻璃密封件610之剪切。
圖7A及圖7B圖解說明根據本發明之另一替代實施例之介電分離器400A。在此實施例中，中間層406被省略且由空氣間隙418來代替。空氣具有較頂部層402及底部層404之陶瓷材料高的介電擊穿強度。頂部層402或底部層404中之至少一者在面向頂部層402或底部層404中之另一者之側上包含至少一個凸部416。至少一個凸部416使頂部層402自底部層404偏移，使得空氣間隙418位於頂部層402與底部層404之間。玻璃或玻璃陶瓷密封件410將頂部層402與底部層404連接，如圖7A中所展示。密封件410可具有上文所闡述之任何適合形狀。
在一項實施例中，至少一個凸部416可位於頂部層402之底部側上，面向底部層404之頂部側。至少一個凸部416接觸底部層404之頂部側，使得空氣間隙418位於頂部層402與底部層404之間。
在另一實施例中，至少一個凸部416可位於底部層404之頂部側上，面向頂部層402之底部側。至少一個凸部416接觸頂部層402之底部側，使得空氣間隙418位於頂部層402與底部層404之間。
在另一實施例中，凸部416可位於頂部層402之底部側上及底部層404之頂部側上兩者。在此實施例中，頂部層402之底部側上之至少一個凸部416可接觸底部層404之頂部側上之至少一個凸部416。另一選擇係，頂部層及底部層上之凸部416可自彼此偏移，使得頂部層402之底部側上之至少一個凸部416可接觸底部層404之頂部側，且底部層404之頂部側上之至少一個額外凸部416可接觸頂部層402之底部側。凸部416使頂部層與底部層自彼此垂直偏移，以形成位於頂部層402與底部層404之間的空氣間隙418。
任何數目之凸部416可位於頂部層402及/或底部層404上。舉例而言，如圖7A中所展示，四個凸部416可位於頂部層402之底部側上及/或底部層404之頂部側上。然而，可形成一個、兩個、三個或四個以上的凸部416。凸部416可由與頂部層及底部層之陶瓷材料相同的陶瓷材料形成，諸如氧化鋁、氧化鋯或YSZ。凸部416可具有任何適合的水平剖面形狀。舉例而言，圖7A中所展示之凸部416包括具有圓形水平剖面形狀之經填充圓柱體。然而，可使用其他適合的水平剖面形狀，諸如多邊形(例如，三角形、正方形、矩形、六邊形等)、橢圓形或不規則形狀。可使用任何適合的陶瓷處理方法與頂部層或底部層同時形成凸部416。
介電分離器製作方法
圖8A係展示根據本發明之各項實施例藉由在織物中間層406上刮刀成型形成之介電分離器密封件之密封件之相片，且圖8B係展示藉由在CMC中間層406上施配密封材料油墨形成之密封件之相片。參考圖4A、圖4B、圖8A及圖8B，在某些實施例中，可藉由將密封材料施加至中間層406之至少一側，或頂部層402及底部層404中之一者或兩者來形成分離器400，以便圍繞燃料孔408並形成密封件410。舉例而言，密封材料可藉由刮刀成型施加至中間層406，如圖8A中所展示。頂部層402及底部層404可係藉由刮刀成型陶瓷材料形成之陶瓷板。因此，頂部層402及底部層404可最初處於生坯(多孔)狀態中。
在替代方案中，如圖8B中所展示，中間層406可安置在頂部層402及底部層404中之一者上，且諸如密封材料油墨之流體密封材料410A可圍繞燃料孔408施配在底部層404及/或中間層406上。密封材料油墨可包含矽酸鹽或鋁矽酸鹽玻璃或玻璃陶瓷密封材料、溶劑及/或結合劑。在其他實施例中，密封材料或任何適合燒結輔助物可舉例而言藉由刮刀成型、施配，或浸塗施加於頂部層402及底部層404之邊緣之間，如圖5中所展示。
可接著將層402、404、406堆疊在一起以形成分離器400。可接著在高於密封材料之回熔溫度之溫度下加熱(例如，燒結)分離器400。舉例而言，可在至少約950°C之溫度(諸如介於自約975°C至約1000°C之範圍內之溫度)下加熱分離器400，使得玻璃密封件流進中間層406中及/或圍繞燃料孔408，且與頂部層402及底部層404之表面接合。加熱亦可燒結頂部層402及底部層404，藉此增加頂部層402及底部層404之密度。在某些實施例中，分離器可在燒結程序期間被壓縮。
在某些實施例中，可在燒結之前將真空施加至分離器400。真空可操作以將密封材料驅動至中間層406中及/或頂部層402及底部層404之氣孔中，諸如毗鄰於燃料孔408之氣孔。舉例而言，密封件410可在具有或不具有流體燒結輔助物之情形下藉由真空澆鑄形成。
在其中中間層406係CMC板之實施例中，分離器400可藉由將陶瓷粉末進行電漿噴塗在中間層406之對置側上以形成頂部層402及底部層404來形成。密封材料可在電漿噴塗之前或之後施加至中間層406。可接著加熱分離器400以增加陶瓷粉末之密度並將頂部層402及底部層404接合至中間層406。加熱亦可包含回熔密封材料。
圖9係繪示根據本發明之各項實施例製造介電分離器800之方法之透視圖。參考圖9，玻璃密封件材料可施加至可處於生坯狀態中之兩個或更多個陶瓷板802，及/或可施加至多孔介電層806中之一或多者，諸如CMC層或陶瓷纖維層。
舉例而言，在某些實施例中，密封材料可施加至對應於隨後形成之分離器之燃料孔及/或邊緣區域之特定位置，如下文所論述。陶瓷板802可藉由舉例而言刮刀成型陶瓷材料(諸如氧化鋁、氧化鋯、氧化釔穩定氧化鋯等等)來形成。
可接著將介電層806堆疊於陶瓷板802之間以形成經層壓組件820。可在足以增加陶瓷板802之密度並回熔密封材料之溫度(諸如介於自約950°C至約1000°C之範圍內之溫度)下燒結組件820。因此，密封材料可實體地連接組件820之層。在某些實施例中，可在燒結之前及/或其期間將真空施加至組件820以便促進密封材料注入介電層806中。
可接著切割及/或塑形經燒結組件820以形成個別介電分離器800。舉例而言，組件820可經切割以形成分離器400之周邊形狀並在其中形成燃料孔408。
雖然在圖9中展示三個陶瓷板802及兩個多孔介電層806，但本發明不受限於此。舉例而言，可使用兩個陶瓷板802及一個多孔介電層806形成組件820，或組件820可包含四個或更多個陶瓷板802及三個或更多個多孔介電層806。
在替代實施例中，陶瓷板802可藉由在介電層806之對置側上噴塗陶瓷材料形成並形成組件。舉例而言，陶瓷材料可係電漿噴塗在介電層806上。組件可經燒結以增加陶瓷材料之密度並形成陶瓷板802。經燒結組件可視情況經切割以形成個別分離器800。
儘管上文參照特定較佳實施例，但將理解本發明並不受限於此。熟習此項技術者將想到可對所揭示實施例作出各種修改且此等修改意欲在本發明之範疇內。本文中所引用之所有公開案、專利申請案及專利皆以全文引用之方式併入本文中。
14:燃料電池堆疊/堆疊/毗鄰堆疊/毗鄰燃料電池堆疊/第一燃料電池堆疊/毗鄰第二燃料電池堆疊/第一堆疊/第一及第二燃料電池堆疊/毗鄰第一及第二堆疊 27:終止板 46:陶瓷嵌件/嵌件 51:平坦邊緣 52:大體上圓形切口/切口 53:下部區塊 60:壓縮組件 63:上部區塊 100:燃料電池堆疊組件 140:燃料電池堆疊行/行 200:燃料電池堆疊組件/燃料電池行 202:擋板 204:燃料歧管/燃料電池歧管/毗鄰燃料歧管/歧管 214:燃料軌 216:陶瓷管/介電管 218:金屬管/金屬波紋管 219:筆直金屬管 220:側擋板 250:跨接器 254:突片 257:熱電偶狹槽/狹槽 258:燃料孔 400:介電分離器/分離器 400A:介電分離器 402:頂部層/層/零件 404:底部層/層/零件 406:中間層/層/零件 408:燃料孔 410:密封件/零件/燃料孔密封件/玻璃或玻璃陶瓷密封件 410A:流體密封材料 412:額外玻璃環形密封件/額外密封件 414:邊緣密封件 416:凸部 418:空氣間隙 600:介電分離器/分離器 602:周邊框架/框架 604:內部支撐件/支撐件 606:內部開口 608:燃料孔 610:環形密封件/密封件/玻璃密封件 802:陶瓷板 806:多孔介電層/介電層 820:組件/經燒結組件 A-A’:平面 B-B’:線 RC:離隙切口
圖1圖解說明先前技術燃料電池堆疊組件之三維視圖。
圖2A係根據本發明之各項實施例具有電隔離燃料歧管之燃料電池堆疊組件之三維視圖，且圖2B係圖2A之燃料電池堆疊組件之三維分解視圖。
圖3A係圖2A之燃料電池堆疊組件之一部分之三維特寫，且圖3B係圖2A之燃料電池堆疊組件之另一部分之三維特寫。
圖4A係根據本發明之各項實施例之介電分離器之部分透視圖，且圖4B係圖4A之分離器之分解透視圖。
圖5係根據本發明之各項實施例包含邊緣密封件之介電分離器之俯視圖。
圖6係根據本發明之替代實施例之介電分離器之俯視圖。
圖7A係根據本發明之另一替代實施例之介電分離器之剖視圖。圖7B係沿著圖7A之線B–B’之介電分離器之側視剖面圖。圖7B中之平面A–A’對應於圖7A之剖視圖平面。
圖8A係展示根據本發明之各項實施例藉由刮刀成型形成之介電分離器密封件之相片，且圖8B係展示藉由施配密封材料油墨形成之密封件之相片。
圖9係繪示根據本發明之各項實施例製造介電分離器之方法之透視圖。
14:燃料電池堆疊/堆疊/毗鄰堆疊/毗鄰燃料電池堆疊/第一燃料電池堆疊/毗鄰第二燃料電池堆疊/第一堆疊/第一及第二燃料電池堆疊/毗鄰第一及第二堆疊
46:陶瓷嵌件/嵌件
53:下部區塊
63:上部區塊
140:燃料電池堆疊行/行
200:燃料電池堆疊組件/燃料電池行
204:燃料歧管/燃料電池歧管/毗鄰燃料歧管/歧管
214:燃料軌
218:金屬管/金屬波紋管
219:筆直金屬管
220:側擋板
250:跨接器

Claims (20)

  1. 一種燃料電池行，其包括： 第一及第二燃料電池堆疊； 燃料歧管，其安置在該等第一與第二燃料電池堆疊之間且經組態以將燃料提供至該等第一及第二燃料電池堆疊；及 第一及第二介電分離器，其位於該燃料歧管與該等各別第一及第二燃料電池堆疊之間，且經組態以電隔離該等各別第一及第二燃料電池堆疊與該燃料歧管，該等第一及第二介電分離器各自包括： 頂部層，其包括陶瓷材料； 底部層，其包括該陶瓷材料； 中間層，其安置在該頂部層與該底部層之間且包括具有比該陶瓷材料低之密度及比該陶瓷材料高之介電強度之材料；及 玻璃或玻璃陶瓷密封件，其將該中間層連接至該頂部層及該底部層。
  2. 如請求項1之燃料電池行，其進一步包括形成於該第一介電分離器及該第二介電分離器中之每一者之對置側中之燃料孔，且包括形成於該第一介電分離器及該第二介電分離器中之每一者之該頂部層、該中間層及該底部層中之同心通孔，其中該等密封件包括安置在該中間層之頂部及底部表面上並圍繞該第一介電分離器及該第二介電分離器中之每一者中之該等燃料孔之環形密封件。
  3. 如請求項2之燃料電池行，其進一步包括沿著該中間層之該等頂部及底部表面之對置邊緣延伸並包括玻璃材料之邊緣密封件。
  4. 如請求項1之燃料電池行，其中該中間層包括陶瓷織物。
  5. 如請求項1之燃料電池行，其中該中間層包括陶瓷基質複合物。
  6. 如請求項1之燃料電池行，其中： 該中間層之表面積與體積比大於該頂部層及該底部層之表面積與體積比；且 該陶瓷材料包括氧化鋁、氧化鋯、或氧化釔穩定氧化鋯(YSZ)。
  7. 如請求項1之燃料電池行，其中該頂部層、該中間層及該底部層之主要組分係相同的。
  8. 如請求項7之燃料電池行，其中該主要組分係氧化鋁或氧化鋯。
  9. 如請求項2之燃料電池行，其中該第一介電分離器及該第二介電分離器中之每一者進一步包括： 該陶瓷織物或陶瓷基質複合材料之第一額外層，其安置在該頂部層之頂部上； 該陶瓷材料之第二額外層，其安置在該第一額外層之頂部上；及 額外環形密封件，其安置在該第一額外層之頂部及底部表面上、圍繞該第一額外層之通孔、且包括玻璃或玻璃陶瓷材料。
  10. 如請求項1之燃料電池行，其進一步包括繞過該燃料歧管以及該第一介電分離器及該第二介電分離器之導電跨接器，該導電跨接器經組態以在該等第一與第二燃料電池堆疊之間導電。
  11. 如請求項2之燃料電池行，其中該等燃料孔流體地連接至該燃料歧管之燃料孔及該等第一及第二燃料電池堆疊之燃料孔。
  12. 如請求項1之燃料電池行，其進一步包括將該燃料歧管連接至該燃料電池行中之毗鄰燃料歧管之導電燃料軌。
  13. 如請求項12之燃料電池行，其中該等導電燃料軌包括連接至筆直金屬或金屬合金管之金屬或金屬合金波紋管。
  14. 一種燃料電池行，其包括： 第一及第二燃料電池堆疊； 燃料歧管，其安置在該等第一與第二燃料電池堆疊之間且經組態以將燃料提供至該等第一及第二燃料電池堆疊；及 第一及第二介電分離器，其位於該燃料歧管與該等各別第一及第二燃料電池堆疊之間，且經組態以電隔離該等各別第一及第二燃料電池堆疊與該燃料歧管，該等第一及第二介電分離器各自包括： 周邊框架； 內部支撐件，其安置在該框架之內部且經組態以支撐該周邊框架；及 燃料孔及內部開口，其至少部分地由該周邊框架及該等內部支撐件界定。
  15. 如請求項14之燃料電池行，其中該等分離器各自包括形成於該框架或該等內部支撐件中之至少一者中之離隙切口(relief cuts)。
  16. 一種燃料電池行，其包括： 第一及第二燃料電池堆疊； 燃料歧管，其安置在該等第一與第二燃料電池堆疊之間且經組態以將燃料提供至該等第一及第二燃料電池堆疊；及 第一及第二介電分離器，其位於該燃料歧管與該等各別第一及第二燃料電池堆疊之間，且經組態以電隔離該等各別第一及第二燃料電池堆疊與該燃料歧管，該等第一及第二介電分離器各自包括： 頂部層，其包括陶瓷材料； 底部層，其包括該陶瓷材料； 至少一個凸部，其使該頂部層自該底部層偏移使得空氣間隙位於該頂部層與該底部層之間；及 玻璃或玻璃陶瓷密封件，其將該頂部層連接至該底部層。
  17. 一種形成介電分離器之方法，該方法包括： 形成包括中間層、頂部層、底部層及玻璃或玻璃陶瓷密封材料之組件，該中間層包括介電材料，該頂部層包括生坯陶瓷材料，該底部層包括該生坯陶瓷材料，且該玻璃或玻璃陶瓷密封材料安置在該中間層與該頂部層及該底部層中之每一者之間； 燒結該組件以增加該頂部層及該底部層之密度並回熔該玻璃或玻璃陶瓷密封材料；及 切割該經燒結組件以形成該介電分離器。
  18. 如請求項17之方法，其進一步包括：將該介電分離器放置至燃料電池行中在燃料歧管與燃料電池堆疊之間。
  19. 如請求項17之方法，其中該頂部層、該中間層及該底部層之主要組分係相同的。
  20. 如請求項19之方法，其中該中間層包括陶瓷織物或陶瓷基質複合物。
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