CN102024974A - 用于固体氧化物燃料电池的组合式电池模块 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于固体氧化物燃料电池的组合式电池模块，其包括：第一子电池；第二子电池；在第一子电池与第二子电池之间的连接器；第一子电池和第二子电池中的每一个具有沿其长度方向延伸的中空部分，第一子电池和第二子电池中的每一个包括：第一电极；第二电极；在第一电极与第二电极之间的电解质层；以及在中空部分内沿长度方向延伸的支撑构件，第一子电池和第二子电池的支撑构件经由连接器相互物理联接，以及第一子电池的第一电极和第二电极中的至少一个经由连接器被电联接到第二子电池的第一电极和第二电极中的至少一个。

Description

用于固体氧化物燃料电池的组合式电池模块
相关申请的交叉引用
本申请要求于2009年9月15日递交到美国专利商标局的美国专利申请No.61/242,689和2010年3月26日递交到美国商标局的美国专利申请No.12/748,114的优先权和权益，其全部公开内容通过引用合并于此。
技术领域
本发明涉及一种组合式电池模块，多个固体氧化物燃料电池串联地组合于该组合式电池模块中。
背景技术
固体氧化物燃料电池(SOFC)可以低污染、高效率等发电。SOFC可在静态发电系统、小型独立源和车辆电源中利用。SOFC电池可被制造成管型电池、平管型电池或平板型电池。管型或平管型电池可被制造为具有用于阴极支撑电池、分段式串联电池、阳极支撑电池或类似物的结构。
一般地说，阳极支撑SOFC电池用于范围在1至10KW的小型SOFC系统。另一方面，阴极支撑SOFC电池或分段式串联电池用于范围在100KW或更高的大型SOFC系统。
发明内容
本发明的实施例的一方面致力于一种用于固体氧化物燃料电池(SOFC)的组合式电池模块，其具有多个阳极支撑SOFC电池串联组合于其中的结构，并能够改进机械稳定性和可靠性。
本发明的实施例的另一方面致力于一种用于SOFC的组合式电池模块，该组合式电池模块能够为使用多个阳极支撑SOFC电池的大型SOFC系统有效地设计和制造。
本发明的实施例提供一种用于固体氧化物燃料电池的组合式电池模块，其包括：第一子电池；第二子电池；在所述第一子电池与所述第二子电池之间的连接器；所述第一子电池和所述第二子电池中的每一个具有沿其长度方向延伸的中空部分，所述第一子电池和所述第二子电池中的每一个包括：第一电极；第二电极：在所述第一电极与所述第二电极之间的电解质层；以及在所述中空部分内沿所述长度方向延伸的支撑构件，所述第一子电池和所述第二子电池的所述支撑构件经由所述连接器相互物理联接，并且所述第一子电池的所述第一电极和所述第二电极中的至少一个经由所述连接器被电联接到所述第二子电池的所述第一电极和所述第二电极中的至少一个。
所述第一子电池的所述第二电极可经由所述连接器被串联电联接到所述第二子电池的所述第一电极。
所述组合式电池模块可进一步包括在所述连接器与所述第一子电池之间并被配置为将所述第一子电池的所述第一电极与所述第二子电池的所述第一电极电绝缘的绝缘密封构件。
所述第一子电池和所述第二子电池的所述支撑构件在所述组合式电池模块的中心轴线处可经由所述连接器被相互螺纹连接。
所述连接器可包括主体，该主体具有被配置为允许流体在所述第一子电池与所述第二子电池之间流动的至少一个通孔开口。
所述至少一个通孔开口可包括在所述组合式电池模块的中心轴线周围的多个通孔开口。
所述连接器可包括主体和从该主体突出的联接部分，该联接部分被配置为将所述连接器联接到所述第一子电池和所述第二子电池中的至少一个的所述支撑构件。
所述联接部分可具有螺纹，并且所述第一子电池和所述第二子电池中的至少一个的所述支撑构件可具有在其端部处并被配置为啮合所述联接部分的所述螺纹的相应螺纹。
所述支撑构件的所述螺纹可为凸螺纹，并且所述联接部分的所述螺纹可为凹螺纹。
所述支撑构件可在其每个端部处具有螺纹，以使所述支撑构件能够被连接在所述连接器与另一连接器之间，并且所述连接器的所述联接部分可在其每个端部具有螺纹，以使所述连接器能够被连接在所述第一子电池和所述第二子电池的所述支撑构件之间。
所述连接器可与所述第二子电池的所述支撑构件被成整体地提供。
所述支撑构件可具有第一螺纹，所述连接器可具有第二螺纹，并且所述第一子电池的所述支撑构件的所述第一螺纹可被配置为被拧入到所述连接器的所述第二螺纹中。
所述组合式电池模块可进一步包括被配置为将所述第一子电池的所述支撑构件联接到所述连接器的联接部分。
所述联接部分可具有被配置为插入到所述连接器的凹螺纹中和所述第一子电池的所述支撑构件的凹螺纹中的双凸螺纹。
所述组合式电池模块可进一步包括在所述第二电极上、在所述电解质层上并在所述连接器上的集流层。
所述组合式电池模块可进一步包括在所述中空部分内的导电多孔构件，其中所述导电多孔构件在所述第一电极与所述支撑构件之间，并且所述第一子电池的所述集流层在所述第二子电池的所述第一电极与所述第二子电池的所述支撑构件之间与所述第二子电池的导电多孔构件连接。
所述组合式电池模块可进一步包括弹性部分，其中所述连接器包括主体和支撑部分，所述弹性部分被连接到所述主体。
所述弹性部分可适于在所述第一子电池与所述第二子电池之间膨胀和收缩，以减小热膨胀的影响。
所述组合式电池模块可进一步包括在所述第二电极上的集流层和越过所述弹性部分将所述集流层联接到所述连接器的互连部，所述互连部被配置为将所述第一子电池和所述第二子电池相互电联接。
所述连接器可包括第一材料，所述支撑构件可包括第二材料，所述第一材料和所述第二材料具有不同的热膨胀系数，并且所述联接部分和所述支撑构件的相对长度可被配置为减小热膨胀的影响。
在本发明的一个实施例中，所述组合式电池模块包括缓冲部分。所述缓冲部分被设置在所述第一子电池和所述第二子电池的所述支撑构件之间。所述缓冲部分包括联接部分，其具有的热膨胀系数不同于所述支撑构件的热膨胀系数。所述联接部分的长度被确定为减小所述电池与所述支撑构件之间的热膨胀系数的不同。
在一个实施例中，所述缓冲部分包括设置在所述第一子电池的管型电池与所述连接器之间的弹性部分。在本发明的一个实施例中，所述联接部分的长度可被配置为减小所述电池与所述支撑构件之间的热膨胀系数之间的不同。
附图说明
附图和说明书图示本发明的示例性实施例，和用于解释本发明的原理。
图1为根据本发明第一实施例的用于固体氧化物燃料电池的组合式电池模块(在下文中称为SOFC组合式电池模块或组合式电池模块)的示意性主视图；
图2为根据本发明第一实施例的SOFC组合式电池模块的示意性剖视图。
图3A为图2的组合式电池模块的子电池的示意性剖视图。
图3B为图3A的子电池的示意性分解剖视图。
图4A为图3B的A型支撑构件的示意性主视图。
图4B为图4A的A型支撑构件的示意性右视图。
图5A为图3B的A型连接器的示意性主视图。
图5B为图5A的A型连接器的示意性左视图。
图5C为图5A的A型连接器的示意性右视图。
图6为根据本发明第二实施例的组合式电池模块的示意性主视图。
图7为根据本发明第二实施例的组合式电池模块的示意性剖视图。
图8为图7的组合式电池模块的子电池的示意性剖视图。
图9A为在图7的组合式电池模块中使用的与连接器成整体的支撑构件(在下文中称为B型支撑构件)的示意性主视图。
图9B为图9A的B型支撑构件的示意性纵向剖视图。
图9C为图9A的B型支撑构件的示意性左视图。
图9D为图9A的B型支撑构件的示意性右视图。
图10为在图7的组合式电池模块中使用的B型联接部分的示意性主视图。
图11为根据本发明第三实施例的组合式电池模块的示意性主视图。
图12为根据本发明第三实施例的组合式电池模块的剖视图。
图13为图12的组合式电池模块的子电池的示意性剖视图。
图14A为在图12中的组合式电池模块中使用的与连接器和弹性部分成整体的支撑构件(在下文中称为C型支撑构件)的示意性主视图。
图14B为图14A的C型支撑构件的示意性纵向剖视图。
图14C为图14A的C型支撑构件的示意性左视图。
图14D为图14A的C型支撑构件的示意性右视图。
图15为可应用到图12的组合式电池模块的C型联接部分的示意性主视图。
图16为根据本发明的第四实施例的组合式电池模块的示意性主视图。
图17为根据本发明的第四实施例的组合式电池模块的示意性剖视图。
图18为图17的组合式电池模块的子电池的示意性剖视图。
图19A为在图17的组合式电池模块中使用的与连接器和弹性部分成整体的支撑构件(在下文中称为D型支撑构件)的示意性主视图。
图19B为图19A的D型支撑构件的示意性纵向剖视图。
图19C为图19A的D型支撑构件的示意性左视图。
图19D为图19A的D型支撑构件的示意性右视图。
具体实施方式
在下文的详细描述中只是简单地通过示例的方式显示和描述了本发明的特定示例性实施例。本领域技术人员应该认识到，在不脱离本发明的精神或范围的情况下可以以各种不同方式对所描述的实施例进行修改。因此，附图和描述实际上应视为示例性而非限制性。相同的附图标记在整个说明书中表示相同的元件。
在附图中，层的厚度和尺寸为了清楚可能被放大。
在以下描述中提及的歧管指的是设置有用于平滑地供应、分配或排放流体的流动路径的结构。在与附图相关的描述中，形成歧管的壳体或边界壁由附图标记表示，并为了方便图示被称为歧管。
图1为根据本发明第一实施例的用于固体氧化物燃料电池的组合式电池模块(在下文中被称为SOFC组合式电池模块或组合式电池模块)的示意性主视图。图2为根据本发明第一实施例的SOFC组合式电池模块的示意性剖视图。
参见图1和图2，组合式电池模块100通过沿燃料的流动方向将多个具有相同结构的SOFC子电池110a、110b、110c和110d相互串联组合而制造。在此，每个SOFC子电池变成用于制造组合式电池模块100的单元电池结构。连接器130a、130b、130c或130d(在下文中称为A型连接器)可被提供在相邻的SOFC子电池之间。
每个子电池110a、110b、110c和110d包括多个管型SOFC电池和插入到每个SOFC电池的中空部分中的A型支撑构件120a、120b、120c或120d。在下文中，每个SOFC电池被称为电池。每个电池具有下列结构，其中分别地，阳极堆叠在电解质层的第一侧上，阴极堆叠在电解质层的第二侧上。每个电池变成通过燃料和氧化剂的电化学反应在其中发电的单元。在此，燃料被供应到阳极，氧化剂被供应到阴极。
每个A型连接器130a、130b、130c和130d与缓冲部分被成整体地提供，该缓冲部分用于减小电池与支撑构件之间热膨胀系数不同的影响。
在本发明的一个实施例中，组合式电池模块100的两个端部沿组合式电池模块100的纵向分别被连接到第一歧管140a和第二歧管140b。在此情况下，第一A型连接器130a将第一SOFC子电池110a连接到第一歧管140a，使得流体能流过其中。第一A型连接器130a可具有下列结构，其中第一凹螺纹(见图3A的133)被省略，或可被配置为使得第一凹螺纹的孔被充满材料(例如，预定材料)。端部连接器130e可被提供在第四SOFC子电池110d的一侧。端部连接器130e被连接到第二歧管140b，使得流体能流过其中。端部连接器130e可具有A型连接器的一部分被省略的结构(见图3B的136)。
组合式电池模块100具有设置在每个SOFC子电池110a、110b、110c和110d的第二电极116上的集流层117。在本发明的一个实施例中，如图2中的局部放大图所示，集流层117被延伸为覆盖第一SOFC子电池110a的第二电极116、覆盖暴露在第二电极116一侧的电解质层114并覆盖与第一SOFC子电池110a相邻的第二SOFC子电池110b中的A型连接器130b的一部分。
在此实施例中，两个相邻的子电池通过集流层117、导电A型连接器130b、与A型连接器130b接触的导电多孔构件118、绝缘密封构件150和绝缘A型支撑构件120b相互串联电联接。也就是，与第一SOFC子电池110a的第二电极116接触的集流层117通过A型连接器130b被连接到与第一SOFC子电池110a相邻的第二SOFC子电池110b的导电多孔构件118，使得组合式电池模块100不仅具有物理上的串联连接结构，还具有电学上的串联连接结构。
将参照图3A至图5C更详细描述根据本发明第一实施例的组合式电池模块100的SOFC子电池(在下文中称为子电池)。
图3A为图2的组合式电池模块的子电池的示意性剖视图。图3B为图3A的子电池的示意性分解剖视图。图4A为图3B的A型支撑构件的示意性主视图。图4B为图4A的A型支撑构件的示意性右视图。图5A为图3B的A型连接器的示意性主视图。图5B为图5A的A型连接器的示意性左视图。图5C为图5A的A型连接器的示意性右视图。
参见图3A和图3B，子电池110b包括管型电池101b和插入到管型电池101b的中空部分102中的A型支撑构件120b。子电池110b可进一步包括导电多孔构件118和绝缘密封构件150。
A型连接器130b在两个相邻的管型电池之间。然而，在此实施例中描述的是，为了便于相对于组合式电池模块100图示，A型连接器130b被包括在子电池110b中。
管型电池101b被提供有第一电极112、电解质层114和第二电池116堆叠在其中的结构。电解质层114和第二电极116被顺序堆叠在第一电极112的外表面上。第二电极116可被形成为具有的长度小于电解质层114的长度，使得电解质层114沿电池101b的纵向暴露在电池101b的两个端部。因而，第二电极116不会与第一电极112电短路。
在一个实施例中，第一电极112可被形成为具有中空部分102的管型阳极支架。多孔Ni-YSZ金属陶瓷可用作第一电极112的材料。电解质层114可由传递氧离子的导电离子氧化物形成，例如氧化钇稳定氧化锆(YSZ)。第二电极116可由多孔混合导电氧化物形成。包括第一电极112、电解质层114和第二电极116的管型电池101b通过分别供应到第一电极112和第二电极116的氢和氧的电化学反应产生电和水。
A型支撑构件120b被插入到管型电池101b的中空部分102中。A型支撑构件120b包括内部被完全填充的杆形主体122。A型支撑构件120b进一步包括分别设置在主体122的每个端部处的组合部124a和124b，台阶部分123a和123b置于组合部124a和124b之间(见图4A和4B)。组合部124a和124b可具有凸螺纹的形状，具有比主体122更小的截面积。在此，凸螺纹具有螺旋形成在其表面上的凸部和凹部。在一个实施例中，A型支撑构件120b可由氧化铝(Al2O3)形成。氧化铝的热膨胀系数从室温到大约1000℃为大约8x10-6[K-1]。
在一个实施例中，A型连接器130b具有下列结构，其中轴部从在轮形主体132的一侧处的中心部分突出。也就是，A型连接器130b包括：形成在主体132的第一表面的中心部分内的第一凹螺纹133；形成在第一凹螺纹133周围以穿过主体132的多个开口134a、134b、134c和134d；以及从与主体132的与第一表面相反的第二表面的中心部分向外突出的联接部分136(见图5A至5C)。
联接部分136与A型连接器130b被成整体地提供，并具有与A型支撑构件120b的截面积和截面形状类似的截面积和截面形状。第二凹螺纹137被提供在联接部分136的中心部分处，使得第一凹螺纹133和第二凹螺纹137相互面对。A型连接器130b的第二凹螺纹137被螺纹连接到A型支撑构件120b一侧处的组合部124a。
在一个实施例中，A型连接器130b可由铁素体不锈钢形成。铁素体不锈钢的热膨胀系数从室温到大约1000℃为大约13x10-6[K-1]。
联接部分136的长度L2(见图5A)根据电池101b和A型支撑构件120b的热膨胀系数的不同受到适当控制。在一个实施例中，联接部分的长度L2与A型支撑构件的长度L1(见图4A)的比被配置为使得联接部分136和A型支撑构件120b的组合结构的热膨胀系数为95到105％。例如，相对于从子电池110b的长度L0(见图3A)大致减去A型连接器130b的主体132的长度L3(见图5A)得到的长度，A型支撑构件120b的长度L1(见图4A)可为大约80％，联接部分136的长度L2可为大约20％。在此情况下，A型支撑构件120b和联接部分136的组合结构的热膨胀系数从室温到大约1000℃为大约9x10-6[K-1]。
如果联接部分136的长度L2被控制，即，如果A型支撑构件120b的长度L1和联接部分136的长度L2的比被控制，则可以减小或防止由于电池与支撑构件之间的热膨胀系数的不同在组合式电池模块100中产生不希望的热应力。
返回参见图3A和3B，导电多孔构件118在子电池110b中可被提供在第一电极112与A型支撑构件120b之间。导电多孔构件118可通过对柔性构件适当地加压而形成为具有中空部分119的管的形状。导电多孔构件118的材料可包括诸如镍毡的金属毡和具有类似于金属毡形状的金属网。导电多孔构件118可具有导电性能(例如，由诸如金属的导电材料形成)。
绝缘密封构件150被提供在电池101b与A型连接器130b之间的边界部。绝缘密封构件150可沿子电池110b的纵向被提供在子电池110b的两个端部处。在一个实施例中，绝缘密封构件150由当操作组合式电池模块100在A型支撑构件120b和电池101b中产生压应力时具有高密封性能的材料形成。绝缘密封构件150的材料可包括云母基(Mica-based)材料和/或高温古力特(Thermiculite)(产品名称)。如果使用绝缘密封构件150，则与使用钎焊技术的密封工艺相比能够简化制造工艺，并且与玻璃型密封工艺相比能够减少杂质混合物。
在下文中，将更详细描述第一实施例的组合式电池模块100的制造工艺。
首先，可用于阳极材料的混合有40％体积镍(Ni)的氧化钇稳定氧化锆(YSZ)粉末通过向YSZ粉末添加活性碳、有机粘合剂和水而被捏制，捏制后的浆料被挤压成型。将挤压成型后的浆料干燥之后，通过在大约1300℃对干燥后的浆料进行烧结制备阳极支撑管。
随后，作为电解质材料的YSZ粉末被制备成电解质浆料，该电解质浆料然后利用浆料涂覆技术被浸涂在阳极支撑管上。涂覆到阳极支撑管上的电解质浆料在室温下干燥，然后在大约1400℃进行烧结。
随后，可用于阴极材料的(La，Sr)MnO3(LSM)粉末被制备成阴极浆料，该阴极浆料然后被浸涂在阳极支撑管的电解质层上。涂覆到阳极支撑管的电解质层上的阴极浆料被干燥，然后在大约1200℃进行烧结。
制成的SOFC电池具有大约20mm的外径、大约16mm的内径和大约300mm的长度。
随后，镍毡被插入到制成的SOFC电池中。然后，由氧化铝形成的A型支撑构件和由不锈钢形成的A型连接器被制备，在A型支撑构件的一侧处的组合部124a被螺纹连接到A型连接器的第二凹螺纹137。
随后，在其一侧组合有A型连接器的A型支撑构件被插入到电池的中空部分中，镍毡从A型支撑构件的与上述一侧相反的另一侧插入到该中空部分中。在本发明的另一实施例中，在一侧组合有A型连接器的A型支撑构件当已经预先被插入到镍毡的中空部分中时可同镍毡一起被插入到电池的中空部分中。
随后，多个子电池被制备，镍毡和A型支撑构件被插入到多个子电池中，并且，A型连接器连接到A型支撑构件的一侧。制备后的子电池沿其纵向被相互螺纹连接。
随后，各电池与A型支撑构件之间的边界部用绝缘密封构件150密封。高温古力特#866(产品名称)可用作绝缘密封构件150。
随后，集流层117通过利用等离子体喷射技术将可用作阴极集流材料的La0.9Sr0.1CoO3粉末涂覆到每个子电池的第二电极116上而形成。集流层117被形成为覆盖第一子电池(例如110a)的第二电极116、暴露于第二电极116的一侧的电解质层114以及在第一子电池和与该第一子电池相邻的第二子电池(例如110b)之间的A型连接器(例如130b)的一部分。
在下文中，将更详细描述第一实施例的组合式电池模块100的操作。
在图2中，黑色箭头141表示燃料的流动方向，而白色箭头143表示氧化物的流动方向。燃料可包括甲烷、丙烷、丁烷和/或类似物。氧化剂可包括空气、氧、气体和/或类似物。
燃料从第一歧管140a流动到组合式电池模块100一侧的中空部分，并沿着A型支撑构件120a至120d的外表面流动。此时，燃料穿过A型连接器130a至130d、端部连接器130e处的开口以及开口之间的导电多孔构件118。流入组合式电池模块100中的大多数燃料在高温下转化成包含充足氢的重整气。氢在沿着燃料的流动方向移动时被供应到每个子电池的第一电极。
组合式电池模块100通过空气中氧和氢的电化学反应产生电能和水。在此，氧被供应到第二电极116，氢被供应到第一电极112。电能被供应到与组合式电池模块100相连的外部电路或负载。反应副产品(例如水)和未反应的燃料在杆形A型支撑构件的外表面上沿燃料的流动方向移动，然后被排放到与组合式电池模块100的另一侧相连的第二歧管140b。
分别在每个子电池的第一电极和第二电极(阳极和阴极)发生的电化学反应由下述化学反应式1表示。
[化学反应式1]
阳极：H2+O2-→H2O+2e-
阴极：
Figure BSA00000251431500121
图6为根据本发明第二实施例的组合式电池模块的示意性主视图。图7为根据第二实施例的组合式电池模块的示意性剖视图。图8为图7的组合式电池模块的子电池的示意性剖视图。图9A为在图7的组合式电池模块中使用的与连接器成整体的支撑构件(在下文中称为B型支撑构件)的示意性主视图。图9B为图9A的B型支撑构件的示意性纵向剖视图。图9C为图9A的B型支撑构件的示意性左视图。图9D为图9A的B型支撑构件的示意性右视图。图10为在图7的组合式电池模块中使用的联接部分(在下文中称为B型联接部分)的示意性主视图。
参见图6至图8，组合式电池模块200包括多个子电池210a、210b、210c和210d。每个子电池包括多个电池和B型支撑构件220a、220b、220c和220d，每个B型支撑构件具有沿每个电池的纵向插入到每个电池的中空部分中的部分中。连接器230a、230b、230c和230d被成整体地提供在各个B型支撑构件的一侧。组合式电池模块200进一步包括在两个相邻子电池之间以及在位于组合式电池模块200一端处的子电池与端部连接器230e之间的B型联接部分250a、250b、250c和250d。端部连接器230e被提供在组合式电池模块200的一端与歧管140b之间。
每个子电池210a、210b、210c和210d包括用于形成管型支架的第一电极112以及顺序堆叠在第一电极112的外表面上的电解质层114和第二电极116。
B型支撑构件220a、220b、220c和220d物理上相互连接但是在电学上相互绝缘。B型支撑构件220a、220b、220c和220d从组合式电池模块200的一端到另一端串联定位。在一个实施例中，如图9A至图9D所示，每个B型支撑构件具有下列结构，长柄被附接到轮形主体232一侧的中心部分。也就是，每个B型支撑构件包括：形成在主体232一侧的中心部分的内部中的第一凹螺纹233；在第一凹螺纹233周围沿一个方向(例如纵向)穿过主体232的多个开口234a、234b、234c和234d；以及从主体232的另一侧的中心部分沿纵向延伸到外部同时面对第一凹螺纹233的支撑部分222。第二凹螺纹237形成在延伸到外部的支撑部分222的端部。凸缘238a和238b分别形成在主体232的第一端和第二端，以沿纵向略微突出。
B型联接部分250a、250b、250c和250d具有的热膨胀系数不同于B型支撑构件的热膨胀系数，并在B型支撑构件之间。在一个实施例中，每个B型联接部分250a、250b、250c和250d具有如图10所示的双凸螺纹形状。也就是，每个B型联接部分包括较短的圆柱形主体242以及分别从主体242的两个端部以一定长度(例如预定长度)延伸到外部的第一凸螺纹244a和第二凸螺纹244b，且台阶部分243a和243b置于第一凸螺纹244a和第二凸螺纹244b之间。在此，第一凸螺纹244a和第二凸螺纹244b的每个的截面积小于主体242的截面积。
在此实施例中，B型支撑构件可由铁素体不锈钢形成，并且B型联接部分可由氧化铝(Al2O3)形成。在此情况下，B型联接部分的长度和B型支撑构件的支撑部分的长度通过考虑构成子电池的管型电池的热膨胀系数而被控制，由此减小组合式电池模块200各部件的热膨胀系数之间不同的影响。例如，假定基于子电池或管型电池的长度，B型支撑构件的支撑部分222的长度L5(见9A)为大约80％，而B型联接部分的主体242的长度L7(见图10)为大约20％。于是，两个部件的组合结构的热膨胀系数从室温到大约1000℃变为大约12x10-6[K-1]。
返回参见图7和图8，在一个实施例中，导电多孔构件118在SOFC组合式电池模块200中位于第一电极112与每个B型支撑构件220a、220b、220c和220d的支撑部分222之间。导电多孔构件118为柔性，并被填充在子电池的第一电极112与支撑部分222之间的空间中。导电多孔构件118(例如由金属形成)具有导电性能，并在子电池中连接第一电极112和支撑部分222。
在一个实施例中，绝缘构件252被提供在相邻的子电池之间。也就是，绝缘构件252允许第一子电池210a的第一电极112与第二子电池210b的连接器230b电绝缘。绝缘构件252的一侧可由连接器230b的凸缘支撑。
在一个实施例中，子电池210a、210b、210c和210d之间以及每个子电池的电池与连接器之间的边界部可用密封构件260密封。密封构件260可通过利用感应钎焊技术熔化可用于Ni基钎焊材料的BNi-2(铬7％，硼3％，硅4.5％，铁3％，碳0.05％，Ni余量)形成。
集流层117a被提供在每个子电池的第二电极116上。在一个实施例中，集流层117a可连续地形成在第二电极116、暴露于第二电极116一侧的电解质层114以及与电解质层114相邻的B型支撑构件的连接器的一部分上。
在组合式电池模块200中，连接到第一子电池(例如210a)的第二电极116的集流层117a通过第二子电池210b的B型支撑构件220b被连接到第二子电池(例如210b)的第一电极112。因此，除了子电池的机械串联连接结构，还能稳定地形成子电池的电学串联连接结构。
图11为根据本发明第三实施例的组合式电池模块的示意性主视图。图12为根据本发明第三实施例的组合式电池模块的示意性剖视图。图13为图12的组合式电池模块的子电池的示意性剖视图。图14A为在图12中的组合式电池模块中使用的与连接器和弹性部分成整体的支撑构件(在下文中称为C型支撑构件)的示意性主视图。图14B为图14A的C型支撑构件的示意性纵向剖视图。图14C为图14A的C型支撑构件的示意性左视图。图14D为图14A的C型支撑构件的示意性右视图。图15为可应用到图12的组合式电池模块的联接部分(在下文中称为C型联接部分)的示意性主视图。
参见图11至图13，组合式电池模块300包括多个子电池310a、310b、310c和310d。每个子电池包括多个电池和C型支撑构件320a、320b、320c和320d，每个C型支撑构件具有沿每个电池的纵向插入到每个电池的中空部分中的部分。连接器330a、330b、330c和330d被成整体地提供在各个C型支撑构件的一侧。组合式电池模块300进一步包括设置在两个相邻C型支撑构件之间以及在位于组合式电池模块300的一端处的子电池与端部连接器330e之间的C型联接部分350a、350b、350c和350d。端部连接器330e将组合式电池模块300的上述一端连接到歧管140b，使得流体能流过其中。
每个子电池310a、310b、310c和310d包括用于形成管型支架的第一电极112以及顺序地堆叠在第一电极112的外表面上的电解质层114和第二电极116。
C型支撑构件320a、320b、320c和320d物理上与C型联接部分350a、350b、350c和350d连接在一起，但是通过C型联接部分在电学上相互绝缘。C型支撑构件320a、320b、320c和320d从组合式电池模块300的一端到另一端被串联定位。在此，能够看见每个C型联接部分用作一种绝缘构件。
在一个实施例中，如图14A至图14D所示，每个C型支撑构件320a、320b、320c和320d具有下列结构，具有较长手形的支撑部分被附接到轮形主体332一侧的中心部分，并且弹性部分342被成整体地形成在主体332的另一侧的边缘。在此，主体对应于每个连接器330a、330b、330c和330d。
每个C型支撑构件包括：形成在主体332一侧的中心部分的内部的第一凹螺纹333；在第一凹螺纹333周围沿一个方向(例如纵向)穿过主体332的多个开口334a、334b、334c和334d；以及从主体332的另一侧的中心部分纵向延伸到外部同时面对第一凹螺纹333的支撑部分322。第二凹螺纹337形成在支撑部分322的端部，以面对第一凹螺纹333。
弹性部分342具有膨胀和收缩结构，并被成整体地连接到C型支撑构件的主体332的一个侧表面的边缘，第一凹螺纹333位于该侧表面。当在子电池与C型支撑构件之间产生压应力时，弹性部分342在子电池之间稍微弹性地收缩或膨胀。
C型联接部分350a、350b、350c和350d具有绝缘性能。每个C型联接部分350a、350b、350c和350d具有的截面积和截面形状类似于(或等同于)C型支撑构件的支撑部分322的截面积和截面形状。C型联接部分350a、350b、350c和350d在C型支撑构件之间。每个C型联接部分350a、350b、350c和350d具有如图15所示的双凸螺纹形状。也就是，每个C型联接部分包括平滑的圆柱形主体342以及分别从主体342的第一侧和第二侧的中心部分以一定长度(例如预定长度)延伸到外部的第一凸螺纹344a和第二凸螺纹344b，且具有台阶部分343a、343b置于第一凸螺纹344a和第二凸螺纹344b之间。在此，第一凸螺纹344a和第二凸螺纹344b的每个的截面积小于主体342的截面积。C型联接部分的长度可比图10的B型联接部分的长度更短。
在此实施例中，C型支撑构件可由铁素体不锈钢形成，并且C型联接部分可由氧化铝(Al2O3)形成。在此情况下，C型联接部分的长度L12(见图15)可通过考虑构成子电池的管型电池的热膨胀系数而被适当控制。也就是，C型支撑构件的支撑部分的长度L11(见图14A)与C型联接部分的长度L12的比被控制，由此减小或防止由于组合式电池模块300的各部件之间的热膨胀系数的不同而产生不希望的热应力。
例如，假定基于子电池的长度，C型支撑构件的支撑部分322的长度L11为大约95％，而C型联接部分的主体342的长度L12为大约5％。于是，两个部件的组合结构的热膨胀系数从室温到大约1000°变为大约10x10-6[K-1]。也就是，如果两个组合部件的长度L11和L12的比被控制，则C型支撑构件和C型联接部分的组合结构的热膨胀系数基本上等于或稍微小于管型电池的热膨胀系数，由此减小由于热膨胀系数的不同而产生的热应力。
返回参见图12和图13，位于组合式电池模块300的一个端部处的第一C型支撑构件320a可提供有下列结构，其中弹性部分被省略，这稍微不同于第二C型支撑构件320b。第一C型支撑构件320a的连接器330a将组合式电池模块300的一端连接到第一歧管140a，使得流体能够流过其中。端部连接器330e可具有与C型支撑构件的主体332的形状类似的形状。端部连接器330e允许组合式电池模块300的另一端牢固地连接到第二歧管140b，且第四C型联接部分350d置于端部连接器330e与组合式电池模块300的另一端之间。
在本发明的一个实施例中，导电多孔构件118在组合式电池模块300中被提供在第一电极112与每个C型支撑构件320a、320b、320c和320d的支撑部分322之间。
在本发明的一个实施例中，绝缘构件362被提供在相邻的子电池之间，即，特定子电池(例如310a)与该特定子电池相邻的另一子电池(例如310b)之间。绝缘构件362使第一子电池310a中的第一电极112与第二子电池310b中的C型支撑构件320b的弹性部分342电绝缘。
在本发明的一个实施例中，子电池310a、310b、310c和310d之间以及每个子电池的管型电池与连接器之间的边界部可用密封构件370密封。密封构件370可被形成为覆盖两个相邻子电池之间的绝缘构件362。密封构件370可由包括玻璃基、结晶玻璃基、MICA、MICA玻璃复合物、玻璃填充复合物的密封材料等形成。
集流层117b被提供在每个子电池310a、310b、310c和310d的第二电极116上。集流层117b可由不锈钢、包含银(Ag)的Ni基耐热合金形成。在此实施例中，集流层117b使用导电网形成。在本发明的另一实施例中，集流层117b可通过将导电金属丝卷绕在第二电极116上形成。在此情况下，集流层117b可通过利用点焊技术被焊接到C型支撑构件的导电主体332。在本发明的又一实施例中，集流层117b可通过涂覆诸如LaCoO3的导电氧化物形成。
在组合式电池模块300中，连接到第一子电池(例如310a)的第二电极116的集流层117b通过第二子电池的C型支撑构件320b被连接到第二子电池(例如310b)的第一电极112。在图12的放大图中，集流层117b通过金属丝或互连部117c被连接到C型支撑构件320b的连接器330b。
根据上述实施例，子电池的电串联结构以及子电池的物理串联结构可被稳定地形成。也就是，两个或多个阳极支撑电池在物理上和电学上被串联连接，使得能够容易制造具有良好耐久性的组合式电池模块。
图16为根据本发明第四实施例的组合式电池模块的示意性主视图。图17为根据本发明第四实施例的组合式电池模块的示意性剖视图。图18为图17的组合式电池模块的子电池的示意性剖视图。图19A为在图17的组合式电池模块中使用的与连接器和弹性部分成整体的支撑构件(在下文中称为D型支撑构件)的示意性主视图。图19B为图19A的D型支撑构件的示意性纵向剖视图。图19C为图19A的D型支撑构件的示意性左视图。图19D为图19A的D型支撑构件的示意性右视图。
参见图16至图18，组合式电池模块包括多个子电池410a、410b、410c和410d。每个子电池包括多个电池和D型支撑构件420a、420b、420c和420d，每个D型支撑构件具有沿每个电池的纵向插入到每个电池的中空部分中的部分中。连接器430a、430b、430c和430d被成整体地提供在各个D型支撑构件的一侧。组合式电池模块400进一步包括绝缘构件450，每个绝缘件450在两个相邻的D型支撑构件之间或在位于组合式电池模块400一端处的子电池与端部连接器430e之间。端部连接器430e将组合式电池模块400的上述一端连接到歧管140b，使得流体能流过其中。
每个子电池410a、410b、410c和410d包括用于形成管型支撑构件的第一电极112以及顺序堆叠在第一电极112的外表面上的电解质层114和第二电极116。
D型支撑构件420a、420b、420c和420d通过绝缘构件450物理上相互相连，但是在电学上相互绝缘。D型支撑构件420a、420b、420c和420d从组合式电池模块400的一端到另一端被串联定位。
在一个实施例中，每个D型支撑构件420a、420b、420c和420d具有如图19A至图19D所示的锤形状。也就是，每个D型支撑构件包括对应于头部的主体432、从主体432一侧的中心部分以杆形状纵向延伸的支撑部分422以及在主体432另一侧端部的弹性部分442，这些部分被成整体地相互组合。每个D型支撑构件进一步包括：形成在主体432一侧的中心部分内的第一凹螺纹433；在第一凹螺纹433周围沿一个方向(例如纵向)穿过主体432的多个开口434a、434b、434c和434d；以及从支撑构件422的端部形成到支撑构件422外部并面对第一凹螺纹433的凸螺纹437。
弹性部分442具有膨胀和收缩结构，并成整体地连接到D型支撑构件的主体432的一个侧表面的边缘，第一凹螺纹433位于该侧表面。当在子电池与D型支撑构件之间产生压应力时，弹性部分442在子电池之间弹性地收缩或膨胀。
此实施例中的弹性部分442被形成为具有的弹性模数高于图13的弹性部分342的弹性模数。因此，在此实施例的组合式电池模块400中，可基本省略图12中的C型联接部分350a、350b、350c和350d。然而，为了D型支撑构件之间的电绝缘，在D型支撑构件之间提供绝缘构件450。绝缘构件450可被形成为绝缘涂覆层。
在此实施例中，D型支撑构件可由铁素体不锈钢形成。在此情况下，弹性部分的弹力可通过考虑构成子电池的管型电池与D型支撑构件之间的热膨胀系数的不同而被适当控制。也就是，弹性部分442的弹力被适当控制，由此减小由于组合式电池模块400的各部件之间的热膨胀系数的不同而产生的热应力。
返回参见图17和图18，位于组合式电池模块400一个端部的第一D型支撑构件420a可具有省略弹性部分的结构，这稍微不同于第二D型支撑构件420b。第一D型支撑构件420a的连接器430a将组合式电池模块400的一端连接到歧管140a，使得流体能够流过其中。端部连接器430e可具有与D型支撑构件的主体432的形状类似的形状且提供有弹性部分。端部连接器430e将组合式电池模块400的另一端连接到另一歧管140b，使得流体能够流过其中。
在本发明的一个实施例中，导电多孔构件118在构成组合式电池模块400的每个子电池中可被提供在第一电极112与每个D型支撑构件420a、420b、420c和420d的支撑部分422之间。
在本发明的一个实施例中，另一绝缘构件462(在下文中称为第二绝缘件)可被提供在相邻的子电池之间，即在特定子电池(例如410a)和与该特定子电池相邻的另一子电池(例如410b)之间。第二绝缘构件462将第一子电池410a的第一电极112与第二子电池410b中的D型支撑构件420b的弹性部分442绝缘。
在本发明的一个实施例中，在子电池410a、410b、410c和410d之间以及在每个子电池的管型电池与连接器之间的边界部可用密封构件470密封。密封构件470可被形成为覆盖在两个相邻子电池之间的第二绝缘构件462。密封构件470可由包括玻璃基、结晶玻璃基、MICA、MICA玻璃复合物、玻璃填充复合物的密封材料等形成。
集流层117b被提供在每个子电池410a、410b、410c和410d的第二电极116上。集流层117b可由不锈钢、包含银(Ag)的Ni基耐热合金形成。在此实施例中，集流层117b使用导电网形成。集流层117b通过导电金属丝117c被连接到D型支撑构件的导电主体432。导电金属丝117c可通过利用点焊技术被焊接到导电主体432。
在组合式电池模块400中，连接到第一子电池(例如410a)的第二电极116的集流层117b通过与第一子电池相邻的第二子电池的D型支撑构件420b被连接到第二子电池(例如410b)的第一电极112。因而，子电池的电串联结构以及子电池的机械串联结构能够稳定地形成。
在上述实施例中，多个子电池被配置为阳极支撑电池。然而，通过上述公开内容显而易见的是，这些实施例的子电池能够使用阳极支撑电池、阴极支撑电池、分段式串联电池或其组合配置。
根据上述实施例，多个管型阳极支撑SOFC电池使用实体支撑构件沿其纵向被相互相连，由此容易制造具有希望长度(例如至少大约1200mm)的用于固体氧化物燃料电池的组合式电池模块。
进一步，在管型阳极支撑SOFC电池的串联连接结构中，SOFC电池的串联连接结构能够使用支撑构件并通过使用缓冲部分而被机械地并稳定地支撑，可以防止装置由于部件之间热膨胀系数的不同而产生的热应力而损坏(或减小装置损坏的可能性)。
进一步，由于组合式电池模块与歧管之间的连接通过支撑构件被增强，则可以防止装置由于在用于固体氧化物燃料电池的组合式电池模块和歧管的联接部分中产生的机械应力而破裂(或减小装置破裂的可能性)。
进一步，在提供由多个阳极支撑SOFC电池的单一组合式电池模块中，能够容易形成SOFC电池与集流结构之间的电串联连接结构。
进一步，利用提供有多个阳极支撑SOFC电池的组合式电池模块能够有效设计和制造大型的SOFC系统。
尽管结合特定示例性实施例描述了本发明的各方面，应理解的是，本发明不限于所公开的实施例，相反，而是意在覆盖包括在所附权利要求及其等同设置的精神和范围内的各种修改和等同布置。

Claims (20)

1.一种用于固体氧化物燃料电池的组合式电池模块，包括：
第一子电池；
第二子电池；
在所述第一子电池与所述第二子电池之间的连接器；
所述第一子电池和所述第二子电池中的每一个具有沿其长度方向延伸的中空部分，所述第一子电池和所述第二子电池中的每一个包括：
第一电极；
第二电极；
在所述第一电极与所述第二电极之间的电解质层；以及
在所述中空部分内沿所述长度方向延伸的支撑构件，
所述第一子电池和所述第二子电池的所述支撑构件经由所述连接器相互物理联接，并且
所述第一子电池的所述第一电极和所述第二电极中的至少一个经由所述连接器被电联接到所述第二子电池的所述第一电极和所述第二电极中的至少一个。
2.根据权利要求1所述的用于固体氧化物燃料电池的组合式电池模块，其中所述第一子电池的所述第二电极经由所述连接器被串联地电联接到所述第二子电池的所述第一电极。
3.根据权利要求2所述的用于固体氧化物燃料电池的组合式电池模块，进一步包括在所述连接器与所述第一子电池之间并被配置为将所述第一子电池的所述第一电极与所述第二子电池的所述第一电极电绝缘的绝缘密封构件。
4.根据权利要求1所述的用于固体氧化物燃料电池的组合式电池模块，其中所述第一子电池和所述第二子电池的所述支撑构件在所述组合式电池模块的中心轴线处经由所述连接器被相互螺纹联接。
5.根据权利要求1所述的用于固体氧化物燃料电池的组合式电池模块，其中所述连接器包括主体，该主体具有被配置为允许流体在所述第一子电池与所述第二子电池之间流动的至少一个通孔开口。
6.根据权利要求5所述的用于固体氧化物燃料电池的组合式电池模块，其中所述至少一个通孔开口包括在所述组合式电池模块的中心轴线周围的多个通孔开口。
7.根据权利要求1所述的用于固体氧化物燃料电池的组合式电池模块，其中所述连接器包括主体和从该主体突出的联接部分，该联接部分被配置为将所述连接器联接到所述第一子电池和所述第二子电池中的至少一个的所述支撑构件。
8.根据权利要求7所述的用于固体氧化物燃料电池的组合式电池模块，其中所述联接部分具有螺纹，并且其中所述第一子电池和所述第二子电池中的至少一个的所述支撑构件具有位于其端部处并被配置为啮合所述联接部分的所述螺纹的相应螺纹。
9.根据权利要求8所述的用于固体氧化物燃料电池的组合式电池模块，其中所述支撑构件的所述螺纹为凸螺纹，并且其中所述联接部分的所述螺纹为凹螺纹。
10.根据权利要求7所述的用于固体氧化物燃料电池的组合式电池模块，其中所述支撑构件在其每个端部处具有螺纹，以使所述支撑构件能够被连接在所述连接器与另一连接器之间，并且其中所述连接器的所述联接部分在其每个端部具有螺纹，以使所述连接器能够被连接在所述第一子电池和所述第二子电池的所述支撑构件之间。
11.根据权利要求1所述的用于固体氧化物燃料电池的组合式电池模块，其中所述连接器与所述第二子电池的所述支撑构件被成整体地提供。
12.根据权利要求11所述的用于固体氧化物燃料电池的组合式电池模块，其中所述支撑构件具有第一螺纹，其中所述连接器具有第二螺纹，并且其中所述第一子电池的所述支撑构件的所述第一螺纹被配置为拧入到所述连接器的所述第二螺纹中。
13.根据权利要求11所述的用于固体氧化物燃料电池的组合式电池模块，进一步包括被配置为将所述第一子电池的所述支撑构件联接到所述连接器的联接部分。
14.根据权利要求13所述的用于固体氧化物燃料电池的组合式电池模块，其中所述联接部分具有被配置为插入到所述连接器的凹螺纹中和所述第一子电池的所述支撑构件的凹螺纹中的双凸螺纹。
15.根据权利要求1所述的用于固体氧化物燃料电池的组合式电池模块，进一步包括在所述第二电极上、在所述电解质层上并在所述连接器上的集流层。
16.根据权利要求15所述的用于固体氧化物燃料电池的组合式电池模块，进一步包括在所述中空部分内的导电多孔构件，其中所述导电多孔构件在所述第一电极与所述支撑构件之间，并且所述第一子电池的所述集流层与在所述第二子电池的所述第一电极与所述第二子电池的所述支撑构件之间的所述第二子电池的所述导电多孔构件连接。
17.根据权利要求1所述的用于固体氧化物燃料电池的组合式电池模块，进一步包括弹性部分，其中所述连接器包括主体和支撑部分，所述弹性部分被连接到所述主体。
18.根据权利要求17所述的用于固体氧化物燃料电池的组合式电池模块，其中所述弹性部分适于在所述第一子电池与所述第二子电池之间膨胀和收缩，以减小热膨胀的影响。
19.根据权利要求18所述的用于固体氧化物燃料电池的组合式电池模块，进一步包括在所述第二电极上的集流层和越过所述弹性部分将所述集流层联接到所述连接器的互连部，所述互连部被配置为将所述第一子电池和所述第二子电池相互电联接。
20.根据权利要求7所述的用于固体氧化物燃料电池的组合式电池模块，其中所述连接器包括第一材料，其中所述支撑构件包括第二材料，其中所述第一材料和所述第二材料具有不同的热膨胀系数，并且其中所述联接部分和所述支撑构件的相对长度被配置为减小热膨胀的影响。
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