用于固体氧化物燃料电池的热-机械牢固的密封结构制造技术

揭示了一种固体氧化物燃料电池（１０），其包括具有增大带宽度（２２）的陶瓷电解质薄片（５０）。还揭示了固体氧化物燃料电池，其包括：基本平坦的陶瓷电解质片（５０），基本平坦的陶瓷电解质片具有厚度大于电解质片的活性区域的密封区域（３４），陶瓷电解质片（５０）悬伸（３６）于密封区域（３４），陶瓷电解质片和至少一种基本平坦的边界材料，而且边界材料具有非线型边缘。还揭示了制造依据所揭示实施方式的固体氧化物燃料电池的方法。还揭示了制造具有均匀厚度密封物（４０）的固体氧化物燃料电池（１０）的方法，其中加热该密封物（４０）以去除挥发性组分，然后进行密封，所述装置（１０）的框架（６０）和陶瓷电解质片（５０）之间的距离恒定。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于固体氧化物燃料电池的热-机械牢固的密封结构 专利
本专利技术一般性涉及燃料电池装置，更具体地，涉及利用能将热机械应力造 成的装置失效减至最小的设计和/或密封结构的固体氧化物燃料电池装置。政府资助声明本专利技术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。美国政府享有本专利技术的一定权益。
技术介绍
固体氧化物燃料电池(S0FC)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700-100(TC)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。如在美国专利第6， 852， 436号中描述的那些具体设计包括电极-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。其他设计，如美国专利第5， 273， 837号和第5， 085， 455号中揭示的那些设计， 描述了抗热冲击的固体氧化物燃料电池和无机薄片，所述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物 之间的界面上，导致密封物、电解质片和/或SOFC装置失效。当使用挠性陶瓷薄片 作为SOFC装置中的电解质时，电解质片本身极可能过早失效。装置、密封物和框架之间因温度梯度和元件性质(如膨胀和刚性)不匹配产生的不同气体压力和相互作用可能导致在密封物和与密封物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。美国专利公开2006/0003213描述了应力相关的S0FC装置的电解质片开裂的 问题，并揭示了一种图案化的电解质片，设计用来补偿环境诱导的应变并为装置提 供增强的抗失效性。美国专利公开2003/0215689和2003/0224238描述一种金属泡 沫密封物和高温毡密封材料，可用来解决在电解质、密封物和框架的粘结区中累积 的应变。但是，备选和/或另外的使热应力最小化的方法也可以作为缓解方案，克 服燃料电池装置的热机械失效问题。因此，需要解决固体氧化物燃料电池密封物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。由本专利技术的制品、装置和方法满足了这些需要和其他需要。专利技术概述本专利技术涉及陶瓷电解质和用于将电解质薄片贴附于支承件的密封结构，能将 热机械应力导致的装置失效减至最小。通过使用新颖的电解质设计、新颖的密封结 构和制造固体氧化物燃料电池的方法，本专利技术解决了至少部分的上述问题。在第一实施方式中，本专利技术提供一种固体氧化物燃料电池装置，该装置包括 框架和与框架连通的陶瓷电解质片，其中，电解质片包括集中位于陶瓷电解质片中 央的活性区域，以及集中位于活性区域周围的非活性区域，上述非活性区域包括集 中在与活性区域相邻位置的带宽度区域，以及集中位于带宽度区域周围的密封区 域，密封区域和活性区域之间的距离大于约5毫米，所述陶瓷电解质片的厚度小于 约50微米，优选小于45微米。在第二实施方式中，本专利技术提供一种固体氧化物燃料电池装置，该装置包括 框架和与框架连通的陶瓷电解质片，其中，陶瓷电解质片包括集中位于陶瓷电解质 片中央的活性区域，以及集中位于活性区域周围的非活性区域，上述非活性区域包 括集中在与活性区域相邻位置的带宽度区域，以及集中位于带宽度区域周围的密封 区域，其中，陶瓷电解质片密封区域是基本平坦的，陶瓷电解质片的至少一部分的 厚度小于约50微米，优选小于45微米。在第三实施方式中，本专利技术提供一种固体氧化物燃料电池装置，该装置包括 框架、与框架连通的陶瓷电解质片和至少一种边界材料，其中，陶瓷电解质片包括集中位于陶瓷电解质片中央的活性区域，以及集中位于活性区域周围的非活性区 域，上述非活性区域包括集中在与活性区域相邻位置的带宽度区域，以及集中位于 带宽度区域周围的密封区域，其中，至少一种边界材料的至少一部分与密封区域的 至少一部分接触，所述边界材料是基本平坦的。在第四实施方式中，本专利技术提供一种制造固体氧化物燃料电池装置的方法， 该方法包括提供框架和包括陶瓷电解质片的装置，在陶瓷电解质片的至少一部分 上施加密封物，然后将该装置贴附于框架，使密封物具有均匀的厚度。在第五实施方式中，本专利技术提供一种制造固体氧化物燃料电池装置的方法， 该方法包括:提供框架和包括陶瓷电解质片的装置，使用密封物将装置贴附于框架， 从而使所述密封物具有均匀的厚度，并从而使框架和装置之间的距离恒定。本专利技术的其他实施方式和优点将部分地在详细描述、附图和随后的权利要求 书中提出，并部分地源自详细描述或者可以通过实施本专利技术获知。通过所附权利要 求书中具体指出的要素和组合可认识并实现下面所述的优点。应理解，前面的概要描述和下面的详细描述都是示例和说明，并不构成对所揭示的本专利技术的限制。 附图简述附图结合在说明书中并构成说明书的一部分，附图说明本专利技术的一些实施方 式，并与描述内容一起用来说明本专利技术的原理，但是不构成限制。类似的附图标记 表示全部附图中相同的要素。图1是说明按照本专利技术的各实施方式的陶瓷电解质片的各区域的示意图。图2示出有限元计算，说明电解质片的非活性区域上的最大拉伸应力在温度 负荷下随固体氧化物燃料电池装置的带宽度发生的变化。图3是说明按照本专利技术的各实施方式的基本平坦的密封区域的示意图，该密 封区域具有增大的厚度。图4是说明按照本专利技术的各实施方式的包含边界材料的陶瓷电解质片的示意图。图5示出按照本专利技术的各实施方式具有非线型第一边缘的示例边界材料。图6示出各固体氧化物燃料电池装置在725'C的断裂压力，其中一些装置是 按照本专利技术的各实施方式使用边界材料制造的。图7示出各固体氧化物燃料电池装置在725"C的断裂压力，其中一些装置是按 照本专利技术的各实施方式使用悬伸的电解质片制造的。专利技术详述通过参考以下详细说明、附图、实施例和权利要求，以及以上和以下的说明， 可以更容易地理解本专利技术。但是，在揭示和描述本专利技术的组合物、制品、装置和方 法之前，应该理解，本专利技术不限于所揭示的具体组合物、制品、装置和方法，除非 有特别的指明，因此，当然是可以变化的。还应该理解，本文使用的术语仅仅是为 了描述具体实施方式的目的，并不意在构成限制。提供以下对本专利技术的描述作为本专利技术目前已知的实施方式的说明。为了这个 目的，相关领域技术人员能够理解，可以对本文所述本专利技术的不同实施方式进行许 多变化，而仍然能获得本专利技术的有益结果。通过选择本专利技术的一些特征而不利用其 它特征，可以获得本专利技术所需益处中的一些，这也是显而易见的。因此，本领域技 术人员能够认识到，可以对本专利技术进行许多改进和本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种固体氧化物燃料电池装置，其包括：　框架；和　与框架连通的陶瓷电解质片，所述陶瓷电解质片包括：　活性区域，集中位于陶瓷电解质片的中央；和　非活性区域，设置在活性区域周围，非活性区域包括：　带宽度区域，邻近于活 性区域设置，和　密封区域，设置在带宽度区域周围；　其中，密封区域和活性区域之间的距离大于约５毫米，陶瓷电解质片的至少一部分的厚度小于约５０微米。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：ME波丁，JL布朗，SF霍伊森，TD凯查姆，SC波拉德，DJ圣朱利安，S维佐佳，
申请(专利权)人：康宁股份有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]