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带有横向分段的燃料电池的燃料电池管

阅读：1010发布：2020-06-04

IPRDB可以提供带有横向分段的燃料电池的燃料电池管专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本公开的各种实施方案提供了一种燃料电池管，其包括一个或多个横向分段的燃料电池，各自包括彼此电隔离的多个燃料电池部分。当组装到燃料电池堆中时，次级互连部通过相邻的燃料电池管各自的横向分段的燃料电池使相邻的燃料电池管电连接。使用横向分段的燃料电池实现燃料电池管与燃料电池管电连接能够更精确地测试相邻燃料电池管之间的电连接。，下面是带有横向分段的燃料电池的燃料电池管专利的具体信息内容。

权利要求

1.分段串联的固体氧化物燃料电池系统，包括：

第一燃料电池管，包括：

具有第一端和相对的第二端的基板、在所述第一端和第二端之间延伸的第一主表面，以及在所述第一端和第二端之间延伸的第二相对的主表面；和设置在所述第一主表面上的多个燃料电池，各个燃料电池横跨所述第一主表面而延伸并位于所述第一端和第二端之间，其中所述多个燃料电池的第一选定的一个被横向分段，使得第一选定的燃料电池的第一侧端与所述第一选定的燃料电池的第二侧端电隔离；

第二燃料电池管，包括：

具有第一端和相对的第二端的基板、在所述第一端和第二端之间延伸的第一主表面，以及在所述第一端和第二端之间延伸的第二相对的主表面；和设置在所述第一主表面上的多个燃料电池，各个燃料电池横跨所述第一主表面而延伸并位于所述第一端和第二端之间，其中所述多个燃料电池的第一个被横向分段，使得第一选定的燃料电池的第一侧端与所述第一选定的燃料电池的第二侧端电隔离；

将所述第一燃料电池管的第一选定的燃料电池的第一侧端电连接到所述第二燃料电池管的第一选定的燃料电池的第一侧端的第一二级互连部；和将所述第一燃料电池管的第一选定的燃料电池的第二侧端电连接到所述第二燃料电池管的第一选定的燃料电池的第二侧端的第二二级互连部。

2.如权利要求1所述的分段串联的固体氧化物燃料电池系统，其中所述第一燃料电池管的所述多个燃料电池中的第二选定的一个被横向分段，使得所述第二选定的燃料电池的第一侧端与所述第二选定的燃料电池的第二侧端电隔离。

3.如权利要求2所述的分段串联的固体氧化物燃料电池系统，其中所述第一燃料电池管的所述第一选定的燃料电池位于所述第一燃料电池管的第一端附近，所述第一燃料电池管的所述第二选定的燃料电池位于所述第一燃料电池管的第二端附近，并且所述第一燃料电池管的剩余燃料电池位于所述第一和第二选定的燃料电池之间。

4.如权利要求2所述的分段串联的固体氧化物燃料电池系统，其中所述第二燃料电池管的所述多个燃料电池中的第二个被横向分段，使得所述第二选定的燃料电池的第一侧端与所述第二选定的燃料电池的第二侧端电隔离。

5.如权利要求4所述的分段串联的固体氧化物燃料电池系统，其中所述第二燃料电池管的所述第一选定的燃料电池位于所述第二燃料电池管的第一端附近，所述第二燃料电池管的所述第二选定的燃料电池位于所述第一燃料电池管的第二端附近，并且所述第二燃料电池管的剩余燃料电池位于所述第一和第二选定的燃料电池之间。

6.如权利要求4所述的分段串联的固体氧化物燃料电池系统，还包括：

第三燃料电池管，包括：

7.如权利要求6所述的分段串联的固体氧化物燃料电池系统，还包括将所述第二燃料电池管的第二选定的燃料电池的第二侧端电连接到所述第三燃料电池管的第一选定的燃料电池的第二侧端的第四二级互连部。

8.如权利要求1所述的分段串联的固体氧化物燃料电池系统，其中所述第一和第二次级互连部各自包括电线。

9.如权利要求1所述的分段串联的固体氧化物燃料电池系统，其中所述第二燃料电池管位于所述第一燃料电池管上方。

10.一种燃料电池管，包括：

限定贯穿其中的一个或多个燃料导管的基板，所述基板具有第一端和相对的第二端，在所述第一端和所述第二端之间延伸的第一主表面，以及在所述第一端和所述第二端之间延伸的第二相对的主表面；和设置在所述第一主表面上的多个燃料电池，各个燃料电池横跨所述第一主表面而延伸并位于所述第一端和第二端之间，其中所述多个燃料电池的第一选定的一个被横向分段，使得第一选定的燃料电池的第一侧端与所述第一选定的燃料电池的第二侧端电隔离。

11.如权利要求10所述的燃料电池管，其中所述多个燃料电池中的第二选定的一个被横向分段，使得所述第二选定的燃料电池的第一侧端与所述第二选定的燃料电池的第二侧端电隔离。

12.如权利要求11所述的燃料电池管，其中所述第一选定的燃料电池位于所述第一端附近，所述第二选定的燃料电池位于所述第二端附近，并且所述剩余燃料电池位于所述第一和第二选定的燃料电池之间。

13.如权利要求10所述的燃料电池管，其中所述第一选定的燃料电池包括彼此电隔离的第一燃料电池部分和第二燃料电池部分。

14.如权利要求13所述的燃料电池管，其中所述第一和第二燃料电池部分横向间隔开以实现所述电隔离。

15.如权利要求14所述的燃料电池管，还包括在所述第一和第二燃料电池部分之间的空间中的电绝缘材料。

16.如权利要求10所述的燃料电池管，还包括设置在所述第二主表面上的多个燃料电池，各个燃料电池横跨所述第二主表面而延伸并位于所述第一端和第二端之间，其中所述第二多个燃料电池的第一选定的一个被横向分段，使得所述第一选定的燃料电池的第一侧端与所述第一选定的燃料电池的第二侧端电隔离。

17.如权利要求16所述的燃料电池管，还包括将所述多个燃料电池的所述第一选定的燃料电池的第一侧端电连接到所述第二多个燃料电池管的第一选定的燃料电池的第一侧端的第一燃料电池连接器。

18.如权利要求17所述的燃料电池管，还包括将所述多个燃料电池的所述第一选定的燃料电池的第二侧端电连接到所述第二多个燃料电池管的第一选定的燃料电池的第二侧端的第二燃料电池连接器。

19.如权利要求16所述的燃料电池管，其中所述第二多个燃料电池中的所述第一选定的燃料电池位于所述第一端附近，所述第二多个燃料电池中的所述第二选定的燃料电池位于所述第二端附近，并且所述第二多个燃料电池中的剩余燃料电池位于所述第一和第二选定的燃料电池之间。

说明书全文

带有横向分段的燃料电池的燃料电池管

发明领域

[0001] 本发明涉及燃料电池管。更具体地，本发明涉及包括一个或多个横向分段的燃料电池的燃料电池管。

[0002] 发明背景

[0003] 燃料电池是通过氧化燃料来发电的电化学转换装置。燃料电池通常包括阳极、阴极和阳极与阴极之间的电解质。燃料电池管通常包括多个燃料电池，这些燃料电池设置在基板上并通过初级互连部以串联形式彼此电连接。燃料电池堆通常包括通过次级互连部以串联形式彼此电连接的多个燃料电池管。燃料电池系统包括以串联形式彼此电连接的多个燃料电池堆，以及配置成将燃料提供给燃料电池的阳极并将氧化剂提供给燃料电池的阴极的若干组件。氧化剂中的氧在阴极处被还原成氧离子，氧离子通过电解质层扩散到阳极中。燃料在阳极处被氧化，其发出流过电力负荷的电子。

发明内容

[0004] 本发明的各种实施方案提供了一种燃料电池管，其包括一个或多个横向分段的燃料电池或虚设电池，各自包括彼此电隔离的横向燃料电池或虚设电池部分，使得没有连续的电通路跨越管的宽度。当组装到燃料电池堆中时，次级互连部通过相邻的燃料电池管各自的横向分段的燃料电池电连接。使用横向分段的燃料电池或虚设电池来实现燃料电池管-燃料电池管电连接能够更精确地测试相邻燃料电池管之间的电连接。

[0005] 在一些实例中，分段串联固体氧化物燃料电池系统包括第一燃料电池管、第二燃料电池管和第一次级互连部。第一燃料电池管可包括具有第一端和相对的第二端的基板、在第一端和第二端之间延伸的第一主表面，以及在第一端和第二端之间延伸的第二相对的主表面。第一燃料电池管还可包括设置在第一主表面上的多个燃料电池，每个燃料电池横跨第一主表面而延伸并位于第一端和第二端之间。在一些实例中，多个燃料电池中的第一个选定的一个被横向分段，使得第一选定的燃料电池的第一侧端与第一选定的燃料电池的第二侧端电隔离。在其他实例中，每端的电池可包括“虚设”电池，即仅包括阴极层或具有阴极集电器层的阴极层的电池。

[0006] 第二燃料电池可包括具有第一端和相对的第二端的基板、在第一端和第二端之间延伸的第一主表面，以及在第一端和第二端之间延伸的第二相对的主表面。第二燃料电池还可包括设置在第一主表面上的多个燃料电池，每个燃料电池横跨第一主表面而延伸并位于第一端和第二端之间。在一些实例中，多个燃料电池中的第一个被横向分段，使得第一选定的燃料电池的第一侧端与第一选定的燃料电池的第二侧端电隔离。在其他实例中，每端的电池可包括“虚设”电池，即仅包括阴极层或具有阴极集电器层的阴极层的电池。

[0007] 分段串联固体氧化物燃料电池系统还可包括第一次级互连部，其将第一燃料电池管的第一选定的燃料电池的第一侧端电连接到第二燃料电池管的第一选定的燃料电池的第一侧端。

[0008] 分段串联固体氧化物燃料电池系统还可包括第二次级互连部，其将第一燃料电池管的第一选定的燃料电池的第二侧端电连接到第二燃料电池管的第一选定的燃料电池的第二侧端。

[0009] 在一些示例中，燃料电池管包括基板，该基板限定贯穿其中的一个或多个燃料导管，该基板具有第一端和相对的第二端，在第一端和第二端之间延伸的第一主表面，以及在第一端和第二端之间延伸的第二相对的主表面。燃料电池管还可包括设置在第一主表面上的多个燃料电池，每个燃料电池横跨第一主表面而延伸并位于第一端和第二端之间。在一些实例中，多个燃料电池中的第一个选定的一个被横向分段，使得第一选定的燃料电池的第一侧端与该第一选定的燃料电池的第二侧端电隔离。

[0010] 附图的简要说明

[0011] 图1是本发明的燃料电池管的一个实施方案的俯视图。

[0012] 图2是图1的燃料电池管的侧视图。

[0013] 图3是基本上沿图1的3-3线截取的图1的燃料电池管的前立面剖视图。

[0014] 图4是基本上沿图1的4-4线截取的图1的燃料电池管的燃料电池之一的一部分的侧立面剖视图。

[0015] 图5是本发明的燃料电池堆的一个实施方案的六个燃料电池管的侧立面视图。

[0016] 图6是基本上沿图5的6-6线截取的图5的燃料电池堆的燃料电池管的前立面剖视图。

[0017] 图7是基本上沿图5的7-7线截取的图5的燃料电池堆的燃料电池管的后立面剖视图。

[0018] 图8A-8D是在电阻测试期间的现有技术燃料电池堆的两个现有技术燃料电池管的前立面剖视图。

[0019] 图9A-9D是在基本上沿图5的线6-6截取的电阻测试期间的图5的燃料电池堆的两个燃料电池管的前立面剖视图。

[0020] 发明详述

[0021] 虽然本文描述的特征、方法、装置和系统可以各种形式体现，但附图示出并且详细描述了一些示例性和非限制性实施方案。并非所有在附图和详细描述中示出和描述的组件都是必需的，并且一些实现可以包括与明确示出和描述的那些组件相比是附加的、不同的或更少的组件。在不脱离本文所述的权利要求的精神或范围的情况下，组件的布置和类型；组件的形状、尺寸和材料；以及组件的附接和连接方式可以有所变化。本说明书旨在作为整体并且根据本文所教导的并且由本领域普通技术人员理解的本发明的原理来解释。

[0022] 图1-4示出了本发明的燃料电池管100及其组件的一个示例性实施方案。图5-7示出了本发明的燃料电池堆10的一个示例性实施方案的一部分，其包括燃料电池管100和彼此电连接的燃料电池管200、300、400、500和600。

[0023] 燃料电池管100包括多孔基板110，其具有宽度W、长度L、厚度T、大致平坦的上主表面110a，以及大致平坦的下主表面110b。如图3所示，多个燃料导管110c沿着基板110的长度L延伸贯穿基板110。燃料电池管100可流体连接到歧管(未示出)，该歧管可流体连接到燃料源，使得燃料可从燃料源流过歧管并进入和通过燃料导管110c。在该示例性实施方案中，基板110由MgO—MgAl2O4(MMA)形成，但在其他实施方案中，基板110可由除MMA之外或代替MMA的任何合适的材料形成(例如，掺杂的氧化锆和/或镁橄榄石)。

[0024] 第一和第二多孔阳极阻挡层120a和120b分别设置在基板110的上主表面110a和下主表面110b上。第一和第二多孔阳极阻挡层120a和120b被配置为防止燃料电池的阳极(下面描述的)与基板110之间的反应，并且不配置为在给定的燃料电池内或两个燃料电池之间提供电传导。此外，第一和第二多孔阳极阻挡层120a和120b不配置为参与从燃料产生电能的电化学反应。在该示例性实施方案中，第一和第二多孔阳极阻挡层120a和120b由惰性多孔陶瓷材料(例如，3YSZ)或另一种合适的掺杂氧化锆形成，但在其他实施方案中，第一和第二多孔阳极阻挡层120a和120b可由除掺杂氧化锆之外或代替掺杂氧化锆的任何合适材料(多种)，例如SrZrO3或SrTiO3掺杂氧化锆复合物形成。在其他实施方案中，燃料电池管100不包括第一和第二多孔阳极阻挡层120a和120b。

[0025] 多个燃料电池130、第一横向分段的燃料电池140和第二横向分段的燃料电池150设置在第一多孔阳极阻挡层120a上。每个燃料电池130、第一横向分段的燃料电池140和第二横向分段的燃料电池150通常在基板110的宽度W方向上横向延伸，并终止于相对的第一和第二侧端(未标记的)。燃料电池130位于第一和第二横向分段的燃料电池140和150之间，其通常在基板110的长度L方向上位于第一多孔阳极阻挡层120a的相对端。第一多孔阳极阻挡层120a上的燃料电池130、第一横向分段的燃料电池140和第二横向分段的燃料电池150通过初级互连部(未示出)以串联形式电连接。

[0026] 如图1和3中最佳所示，第一横向分段的燃料电池140包括第一和第二燃料电池部分140a和140b。第一和第二燃料电池部分140a和140b在基板110的宽度W方向上通过间隔件140c横向分开，使得第一和第二燃料电池部分140a和140b电隔离，使得在燃料电池中没有连续的电通路(electrical path)跨越燃料电池管的宽度。换句话说，在基板110的宽度W方向上，第一和第二燃料电池部分140a和140b之间不存在连续的直接电通路。在该示例性实施方案中，间隔件140c在基板110的宽度W方向上为0.5毫米，但间隔件140c可具有足以确保第一和第二燃料电池部分140a和140b电隔离的任何合适的尺寸。

[0027] 如图1和3中最佳所示，第二横向分段的燃料电池150包括第一和第二燃料电池部分150a和150b。第一和第二燃料电池部分150a和150b在基板110的宽度W方向上通过间隔件150c横向分开，使得第一和第二燃料电池部分150a和150b电隔离，使得在燃料电池中没有连续的电通路跨越燃料电池管的宽度。换句话说，在基板110的宽度W方向上，第一和第二燃料电池部分150a和150b之间不存在连续的直接电通路。在该示例性实施方案中，间隔件
150c在基板110的宽度W方向上为0.5毫米，但间隔件150c可具有足以确保第一和第二燃料电池部分150a和150b电隔离的任何合适的尺寸。

[0028] 类似地，多个燃料电池130、第三横向分段的燃料电池160和第四横向分段的燃料电池170设置在第二多孔阳极阻挡层120b上。每个燃料电池130、第三横向分段的燃料电池160和第四横向分段的燃料电池170通常在基板110的宽度W方向上横向延伸。燃料电池130位于第三和第四横向分段的燃料电池160和170之间，其通常在基板110的长度L方向上位于第二多孔阳极阻挡层120b的相对端。第二多孔阳极阻挡层120b上的燃料电池130、第三横向分段的燃料电池160和第四横向分段的燃料电池170通过初级互连部(未示出)以串联形式电连接。

[0029] 如图1和3中最佳所示，第三横向分段的燃料电池160包括第一和第二燃料电池部分160a和160b。第一和第二燃料电池部分160a和160b在基板110的宽度W方向上通过间隔件160c分开，使得第一和第二燃料电池部分160a和160b电隔离，使得在燃料电池中没有连续的电通路跨越燃料电池管的宽度。换句话说，在基板110的宽度W方向上，第一和第二燃料电池部分160a和160b之间不存在连续的直接电通路。在该示例性实施方案中，间隔件160c在基板110的宽度W方向上为0.5毫米，但间隔件160c具有足以确保第一和第二燃料电池部分
160a和160b电隔离的任何合适的尺寸。

[0030] 如图1和3中最佳所示，第四横向分段的燃料电池170包括第一和第二燃料电池部分170a和170b。第一和第二燃料电池部分170a和170b在基板110的宽度W方向上通过间隔件170c横向分开，使得第一和第二燃料电池部分170a和170b电隔离，使得在燃料电池中没有连续的电通路跨越燃料电池管的宽度。换句话说，在基板110的宽度W方向上，第一和第二燃料电池部分170a和170b之间不存在连续的直接电通路。在该示例性实施方案中，间隔件
170c在基板110的宽度W方向上为0.5毫米，但间隔件170c具有足以确保第一和第二燃料电池部分170a和170b电隔离的任何合适的尺寸。

[0031] 如图4所示，各个燃料电池130和各个横向分段的燃料电池140、150、160和170的各个燃料电池部分包括阳极集电器130a、阳极130b、电解质130c、阴极130d和阴极集电器130e。阳极130b设置在阳极集电器130a和电解质130c之间。电解质130c设置在阳极130b和阴极130d之间。阴极130d设置在电解质130c和阴极集电器130e之间。阳极集电器130a电连接到阳极130b，且阴极集电器130e电连接到阴极130d。阳极和阴极集电器130a和130e提供比通过阳极和阴极可能的电子传输更高的导电路径。

[0032] 在该示例性实施方案中，阳极集电器130a是由镍金属陶瓷形成的电极导电层。合适材料的实例包括Ni-YSZ(氧化锆中掺杂的氧化钇为3-8mol％)；Ni-ScSZ(氧化钪掺杂为4-10mol％，为了相稳定性，优选第二掺杂，用于的，10mol％的氧化钪-ZrO2)；Ni掺杂的二氧化铈(例如Gd或Sm掺杂)；Ni和掺杂的亚铬酸镧的金属陶瓷(例如，在A位置上的Ca掺杂和在B位置上的Zn掺杂)；Ni和掺杂的钛酸锶的金属陶瓷(例如，在A位置上的La掺杂和在B位置上的Mn掺杂)和/或La1-xSrxMnyCr1-yO3。在其他实施方案中，除了保留Ni含量之外，阳极集电器可由至少部分地基于一种或多种贵金属和/或一种或多种贵金属合金的金属陶瓷形成。金属陶瓷中的贵金属可包括例如，Pt、Pd、Au、Ag和/或其合金。陶瓷相可包括，例如，非活性非导电相，包括例如YSZ、ScSZ和/或一种或多种其他非活性相，例如具有期望的热膨胀系数(CTE)以控制该层的CTE来匹配基板110和电解质130c的CTE。在一些实施方案中，陶瓷相可包括Al2O3和/或尖晶石，例如NiAl2O4、MgAl2O4、MgCr2O4或NiCr2O4。在其他实施方案中，陶瓷相可以是导电的，例如掺杂的亚铬酸镧、掺杂的钛酸锶和/或一种或多种形式的LaSrMnCrO。
阳极集电器130a材料的一个具体实例是76.5％的Pd、8.5％的Ni、15％的3YSZ。

[0033] 在该示例性实施方案中，阳极130b由xNiO-(100-x)YSZ(以重量比计x为55至75)、yNiO-(100-y)ScSZ(以重量比计y为55至75)、NiO-氧化钆稳定的二氧化铈(例如，55wt％的NiO-45wt％的GDC)和/或NiO氧化钐稳定的二氧化铈形成。在其他实施方案中，阳极可由掺杂的钛酸锶、La1-xSrxMnyCr1-yO3(例如，La0.75Sr0.25Mn0.5Cr0.5O3)和/或其他基于陶瓷的阳极材料形成。

[0034] 在该示例性实施方案中，电解质130c由陶瓷材料形成。在一些实施方案中，电解质130c由质子和/或氧离子传导陶瓷形成。在其他实施方案中，电解质130c由YSZ形成，例如
3YSZ和/或8YSZ。在其他实施方案中，除了YSZ之外或代替YSZ，电解质130c由ScSZ形成，例如
4ScSZ、6ScSz和/或10ScSZ。在其他实施例中，电解质130c可由掺杂的二氧化铈和/或掺杂的镓酸镧形成。电解质130c基本上不允許流过或通过燃料电池管100的氧化剂(例如，空气或O2)和燃料(例如，H2)贯穿其中而扩散，但允許氧离子和/或质子的扩散，这取决于特定实施方案及其应用。

[0035] 在该示例性实施方案中，阴极130d由电化学催化陶瓷和离子相的混合物形成。电化学催化相由LSM(La1-xSrxMnO3，x＝0.1至0.3)、La1-xSrxFeO3(例如，x＝0.3)、La1-xSrxCoyFe1-yO3(例如，La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3)和/或Pr1-xSrxMnO3(例如，Pr0.8Sr0.2MnO3)中的至少一种组成，尽管可以使用其他材料。例如，在一些实施方案中，阴极130d由Ruddlesden-Popper镍酸盐和La1-xCaxMnO3(例如，La0.8Ca0.2MnO3)材料形成。离子相可以是含有3-8摩尔百分比的氧化钇的YSZ，或含有4-10摩尔百分比的氧化钪的ScSZ和任选的少量(约1摩尔百分比)的Al、Y或二氧化铈的第二掺杂剂(用于高氧化钪稳定的氧化锆(8-10ScSZ))以防止形成菱形相。电化学催化陶瓷相可占阴极体积的40-60％。

[0036] 在该示例性实施方案中，阴极集电器130e是由导电陶瓷形成的电极导电层，并且在许多情况下其化学性质与阴极的电化学催化陶瓷相的化学性质相似。例如，LSM+YSZ阴极通常采用LSM(La1-xSrxMnO3，x＝0.1至0.3)阴极集电器。阴极集电器130e的其他实施方案可包括LaNixFe1-xO3(例如，LaNi0.6Fe0.4O3)、La1-xSrxMnO3(例如，La0.75Sr0.25MnO3)、掺杂的亚铬酸镧(例如，La1-xCaxCrO3-δ，x＝0.15-0.3)，和/或Pr1-xSrxCoO3如Pr0.8Sr0.2CoO3中的至少一种。在其他实施方案中，阴极集电器130e可由贵金属金属陶瓷形成。贵金属金属陶瓷中的贵金属可包括例如，Pt、Pd、Au、Ag和/或其合金。也可以包括非导电陶瓷相，例如YSZ、ScSZ和Al2O3，或其他陶瓷材料。阴极集电器130e材料的一个具体实例是80wt％的Pd-20wt％的LSM。

[0037] 在该示例性实施方案中，燃料电池130和横向分段的燃料电池140、150、160和170通过将膜/层沉积到基板110的上主表面110a和下主表面110b上而形成，例如通过丝网印刷和/或喷墨印刷，以形成多孔阳极阻挡层、初级互连部、阳极集电器和阳极、电解质、阴极和阴极集电器。在其他实施方案中，除了丝网印刷和/或喷墨印刷之外或代替丝网印刷和/或喷墨印刷，可以通过一种或多种其他技术沉积膜/层。在各种实施方案中，在沉积一个或多个膜/层之后进行一个或多个烧制/烧结循环。其他实施方案可能不需要用于一个或多个膜/层沉积的任何烧制/烧结。

[0038] 第一燃料电池连接器145a电连接到(和电连接)第一横向分段的燃料电池140的第一燃料电池部分140a和第三横向分段的燃料电池160的第一燃料电池部分160a。第二燃料电池连接器145b电连接到(和电连接)第一横向分段的燃料电池140的第二燃料电池部分140b和第三横向分段的燃料电池160的第二燃料电池部分160b。第三燃料电池连接器155a电连接到(和电连接)第二横向分段的燃料电池150的第一燃料电池部分150a和第四横向分段的燃料电池170的第一燃料电池部分170a。第四燃料电池连接器155b电连接到(和电连接)第二横向分段的燃料电池150的第二燃料电池部分150b和第四横向分段的燃料电池170的第二燃料电池部分170b。

[0039] 在该示例性实施方案中，第一燃料电池连接器145a电连接到(并且在该示例性实施方案中接触)第一燃料电池部分140a和160a的阴极集电器，并且第二燃料电池连接器145b电连接到(并且在该示例性实施方案中接触)第二燃料电池部分140b和160b的阴极集电器。由于第一和第二燃料电池部分140a和140b是电隔离的并且第一和第二燃料电池部分
160a和160b是电隔离的，因此第一和第二燃料电池连接器145a和145b是电隔离的，使得没有连续的电通路跨越管(基板110)的宽度W。

[0040] 在该示例性实施方案中，第三燃料电池连接器155a电连接到(并且在该示例性实施方案中接触)第一燃料电池部分150a和150a的阴极集电器，并且第四燃料电池连接器155b电连接到(并且在该示例性实施方案中接触)第二燃料电池部分170b和170b的阴极集电器。由于第一和第二燃料电池部分150a和150b是电隔离的并且第一和第二燃料电池部分
170a和170b是电隔离的，因此第三和第四燃料电池连接器155a和155b是电隔离的，使得没有连续的电通路跨越管(基板110)的宽度W。

[0041] 图5-7示出了燃料电池堆10的六个燃料电池管100、200、300、400、500和600。虽然燃料电池堆10可包括任何适当数量的以串联形式彼此电连接的燃料电池管，但为清楚和简洁起见，这里仅示出六个。在该示例性实施方案中，燃料电池管200、300、400、500和600与燃料电池管100相同，因此不单独描述(尽管在其他实施方案中，燃料电池管可以彼此不同)。燃料电池管200、300、400、500和600的元件编号方案对应于用于描述燃料电池管100的元件编号方案，使得相同的元件编号对应于相同的部件。

[0042] 第一燃料电池管100通过以下(1)和(2)电连接到第二燃料电池管200：(1)第一次级互连部12a，其将第一燃料电池管100的第三燃料电池连接器155a电连接到第二燃料电池管200的第三燃料电池连接器255a；(2)第二次级互连部12b，其将第一燃料电池管100的第四燃料电池连接器155b电连接到第二燃料电池管200的第四燃料电池连接器255b。通常，燃料电池管与通过管的燃料流的方向以串联形式连接。

[0043] 第二燃料电池管200通过以下(1)和(2)电连接到第三燃料电池管300：(1)第三次级互连部23a，其将第二燃料电池管200的第一燃料电池连接器245a电连接到第三燃料电池管300的第一燃料电池连接器345a；(2)第四次级互连部23b，其将第二燃料电池管200的第二燃料电池连接器245b电连接到第三燃料电池管300的第二燃料电池连接器345b。

[0044] 第三燃料电池管300通过以下(1)和(2)电连接到第四燃料电池管400：(1)第五次级互连部34a，其将第三燃料电池管300的第三燃料电池连接器355a电连接到第四燃料电池管400的第三燃料电池连接器455a；(2)第六次级互连部34b，其将第三燃料电池管300的第四燃料电池连接器355b电连接到第四燃料电池管400的第四燃料电池连接器455b。

[0045] 第四燃料电池管400通过以下(1)和(2)电连接到第五燃料电池管500：(1)第七次级互连部45a，其将第四燃料电池管400的第一燃料电池连接器445a电连接到第五燃料电池管500的第一燃料电池连接器545a；(2)第八次级互连部45b，其将第四燃料电池管400的第二燃料电池连接器445b电连接到第五燃料电池管500的第二燃料电池连接器545b。

[0046] 第五燃料电池管500通过以下(1)和(2)电连接到第六燃料电池管600：(1)第九次级互连部56a，其将第五燃料电池管500的第三燃料电池连接器555a电连接到第六燃料电池管600的第三燃料电池连接器655a；(2)第十次级互连部56b，其将第五燃料电池管500的第四燃料电池连接器555b电连接到第六燃料电池管600的第四燃料电池连接器655b。

[0047] 虽然这里未示出，但第一燃料电池管100可以经由图5和图7中示出但未标记的次级互连部电连接到燃料电池堆10的另一个燃料电池管或另一个燃料电池堆。类似地，第六燃料电池管600可以经由图5和图7中示出但未标记的次级互连部电连接到燃料电池堆10的另一个燃料电池管或另一个燃料电池堆。

[0048] 在操作中，当氧化剂流过燃料电池管的燃料电池的阴极并且当燃料流过燃料电池管的基板的燃料导管时，在阴极和阳极处发生的电化学反应在阳极处产生自由电子。在特定的燃料电池管内，那些自由电子作为电流以特定方向从一个燃料电池流到下一个(通过阳极集电器、初级互连部和阴极集电器)。一旦电流到达燃料电池管中的最终燃料电池(这里是横向分段的燃料电池)，电流就通过燃料电池连接器和次级互连部流到下一个燃料电池管，依此类推，直到达到电力负荷。

[0049] 例如，如图5所示，在该示例性实施方案中，电流I如下流动：(1)在燃料电池管100内，从横向分段的燃料电池140和160通过燃料电池130并到达横向分段的燃料电池150和170；(2)从燃料电池管100的横向分段的燃料电池150和170经由燃料电池连接器155a、
155b、255a和255b以及次级互连部12a和12b到燃料电池管200的横向分段燃料电池250和
270；(3)在燃料电池管200内，从横向分段的燃料电池250和270通过燃料电池230并到达横向分段的燃料电池240和260；(4)从燃料电池管200的横向分段的燃料电池250和260经由燃料电池连接器245a、245b、345a和345b以及次级互连部23a和23b到达燃料电池管300的燃料电池340和360；(5)在燃料电池管300内，从横向分段的燃料电池340和360通过燃料电池330并到达横向分段的燃料电池350和370；(6)从燃料电池管300的横向分段的燃料电池350和
370经由燃料电池连接器355a、355b、455a和455b以及次级互连部34a和34b到达燃料电池管
400的横向分段的燃料电池450和470；(7)在燃料电池管400内，将燃料电池450和470电隔离通过燃料电池430并到达横向分段的燃料电池440和460；(8)从燃料电池管400的横向分段的燃料电池450和460经由燃料电池连接器445a、445b、545a和545b以及次级互连部45a和
45b到达燃料电池管500的横向分段的燃料电池540和560；(9)在燃料电池管500内，从横向分段的燃料电池540和560通过燃料电池530并到达横向分段的燃料电池550和570；(10)从燃料电池管500的横向分段的燃料电池550和570经由燃料电池连接器555a、555b、655a和
655b以及次级互连部34a和34b到达燃料电池管600的横向分段的燃料电池650和670；(11)在燃料电池管600内，从横向分段的燃料电池650和670通过燃料电池630并到达横向分段的燃料电池640和660；和(12)从燃料电池管600的横向分段的燃料电池640和660经由燃料电池连接器645a和645b到达电力负荷(electrical load)(或到达另一燃料电池管或燃料电池堆)。

[0050] 为了使燃料电池堆从一个燃料电池管传导电流到另一个燃料电池管，次级互连部必须处于工作状态，即，提供电流从一个燃料电池管流到另一个燃料电池管的路径。检查给定次级互连部是否处于工作状态的一种方法是使用欧姆表来尝试使电流流过该次级互连部并计算该次级互连部上的电阻。如果电阻相对较低(例如，可忽略不计)，则电流能够流过次级互连部。但是如果电阻相对较高(例如，无穷大)，则电流不能流过次级互连部，并且次级互连部被损坏并且必须被修理或更换以确保适当的燃料电池堆操作。

[0051] 由于现有技术的燃料电池管不包括横向分段的燃料电池，因此它们的燃料电池连接器电连接到横向连续的燃料电池。如下所述，当计算特定次级互连部上的电阻时，这导致欧姆表在某些情况下产生假阳性读数。也就是说，在某些情况下，欧姆表计算出给定次级互连部相对低的电阻-并且因此指示工作的次级互连部-当实际上次级互连部被损坏时，电流不能流过它。

[0052] 图8A-8D示出了负欧姆表探针N和正欧姆表探针P，其布置成试图使电流I流过次级互连部1012b，该次级互连部1012b电连接现有技术的燃料电池管1100和1200。相对的次级互连部1012a还电连接现有技术的燃料电池1100和1200。燃料电池管1100和1200的燃料电池连接器(未标记)电连接到横向连续的燃料电池。

[0053] 在图8A所示的场景中，次级互连部1012a和1012b都处于工作状态。欧姆表计算出低电阻，因为次级互连部1012b处于工作状态，并且电流I可以从负探针N流过次级互连部1012b到达正探针P。

[0054] 在图8B所示的场景中，次级互连部1012a处于工作状态，而次级互连部1012b损坏，使得电流不能流过它。但是，非计算出对应于不能流过次级互连部1012b的电流的高电阻，欧姆表计算出低电阻，因为电流从负探针N流过燃料电池管1100的横向连续燃料电池，流过次级互连部1012a，并流过燃料电池管1200的横向连续的燃料电池到达正探针P。换句话说，横向连续的燃料电池为电流I提供低电阻路径以从负探针N流到正探针P，因此电流也如此并使欧姆计计算出不反映二次互连部1012b的损坏状态的低电阻。

[0055] 在图8C所示的场景中，次级互连部1012a被损坏，使得当次级互连部1012b处于工作状态时电流不能流过它。欧姆表计算出低电阻，因为次级互连部1012b处于工作状态，并且电流I可以从负探针N流过次级互连部1012b到达正探针P。

[0056] 在图8D所示的场景中，次级互连部1012a和1012b被损坏，使得电流不能流过它们。欧姆表计算出高电阻，因为电流不能从负探针N流过次级互连部1012a或1012b中的任一个到达正探针P。

[0057] 具有本发明的横向分段的燃料电池的燃料电池管解决了该问题。如上所述，本发明的燃料电池管的燃料电池连接器电连接到横向分段的燃料电池，这意味着当在电阻测试期间试图使电流流过次级互连部时仅存在一个低电阻电通路。

[0058] 图9A-9D示出了上述欧姆表的负探针N和正探针P，其被布置成试图使电流流过次级互连部12b。

[0059] 在图9A所示的场景中，次级互连部12a和12b都处于工作状态。欧姆表计算出低电阻，因为次级互连部12b处于工作状态，并且电流I可以从负探针N流过次级互连部12b到达正探针P。

[0060] 在图9B所示的场景中，次级互连部12a处于工作状态，而次级互连部12b损坏，使得电流不能流过它。欧姆表计算出高电阻，因为电流不能从负探针N流过次级互连部12b到达正探针P。此外，电流不能通过次级互连部12a从负探针N流到正探针P，因为由于横向分段的燃料电池，在负探针N和正探针P之间不存在通过次级互连部12a的低电阻电通路。

[0061] 在图9C所示的场景中，次级互连部12a被损坏，使得当次级互连部12b处于工作状态时电流不能流过它。欧姆表计算出低电阻，因为次级互连部12b处于工作状态，并且电流I可以从负探针N流过次级互连部12b到达正探针P。

[0062] 在图9D所示的场景中，次级互连部12a和12b被损坏，使得电流不能流过它们。欧姆表计算高电阻，因为电流不能从负探针N流过次级互连部12a或12b中的任一个到达正探针P。

[0063] 在各种实施方案中示出的次级互连部(例如，图9A-9D中的12a和12b)仅用于示例性目的而示出为导线。本发明涉及用于次级互连部的其他设计，诸如以下共同未决申请中公开的设计：2017年11月17日提交的标题为“改进的燃料电池次级互连部(Improved Fuel Cell Secondary Interconnect)”的美国专利申请号15/816,918；2017年11月17日提交的标题为“改进的燃料电池次级互连部(Improved Fuel Cell Secondary Interconnect)”的美国专利申请号15/816,931；和2017年11月17日提交的标题为“多个燃料电池次级互连部接合垫和电线(Multiple Fuel Cell Secondary Interconnect Bonding Pads and Wires)”的美国专利申请号15/816,948。

[0064] 另一个益处是使用横向分段的燃料电池对给定的燃料电池管的性能具有可忽略的影响，因为燃料电池部分之间的空间位置处的电流密度低，因为电流集中在燃料电池连接器(电流通过该连接器流到下一个燃料电池管)。

[0065] 对本文描述的实施方案的各种修改对于本领域技术人员而言是显而易见的。可以在不脱离本公开的精神和范围的情况下进行这些修改，并且不会减少其预期的优点。意图这些改变和修改由所附权利要求覆盖。

标题	发布/更新时间	阅读量
燃料电池-专利编号CN101485020B	2020-05-11	281
燃料电池-专利编号CN103081197A	2020-05-11	845
燃料电池堆-专利编号CN101557007B	2020-05-13	507
燃料电池堆-专利编号CN101557007A	2020-05-13	613
燃料电池-专利编号CN101485020A	2020-05-12	595
燃料电池-专利编号CN107565154A8	2020-05-11	876
燃料电池-专利编号CN107565154A	2020-05-11	341
燃料电池堆-专利编号CN101841052A	2020-05-12	865
燃料电池系统-专利编号CN107646152A	2020-05-13	480
燃料电池-专利编号CN207459078U	2020-05-12	963

带有横向分段的燃料电池的燃料电池管

带有横向分段的燃料电池的燃料电池管

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