交叉流互连件及包含交叉流互连件的燃料电池系统

摘要

一种交叉流互连件及一种包含所述交叉流互连件的燃料电池堆叠，所述互连件包含：燃料入口及出口，其邻近于所述互连件的相对第一及第二周围边缘延伸穿过所述互连件；空气侧；及相对燃料侧。所述空气侧包含：空气流场，其包含在第一方向上从所述互连件的第三周围边缘延伸到所述互连件的相对第四周围边缘的空气通道；及升流管密封表面，其安置在所述空气流场的两个相对侧上且其中形成所述燃料入口及出口。所述燃料侧包含：燃料流场，其包含在大体上垂直于所述第一方向的第二方向上在所述燃料入口与出口之间延伸的燃料通道；及周边密封表面，其包围所述燃料流场及所述燃料入口及出口。

说明书

背景技术

在高温燃料电池系统(例如固态氧化物燃料电池(SOFC)系统)中，氧化流行进通过燃料电池的阴极侧，而燃料流行进通过燃料电池的阳极侧。氧化流通常为空气，而燃料流可为烃燃料，例如甲烷、天然气、戊烷、乙醇或甲醇。在750℃与950℃之间的典型温度下操作的燃料电池能够将带负电的氧离子从阴极流动流(flow stream)运输到阳极流动流，其中离子与游离氢或烃分子中的氢组合以形成水蒸气及/或与一氧化碳组合以形成二氧化碳。来自带负电离子的过剩电子通过在阳极与阴极之间完成的电路路由回到燃料电池的阴极侧，而导致通过电路的电流。

可在内部或在外部歧管化(manifold)燃料电池堆叠用于燃料及空气。在内部歧管式堆叠中，燃料及空气使用堆叠内所含的升流管分配到每一电池。换句话说，气体流过每一燃料电池的支撑层(例如电解质层)中的开口或孔及每一电池的气流分隔件。在外部歧管式堆叠中，堆叠在燃料及空气入口及出口侧上是敞开的，且燃料及空气独立于堆叠硬件而被引入并收集。例如，入口及出口燃料及空气在堆叠与堆叠定位于其中的歧管外壳之间的单独通道中流动。

燃料电池堆叠常常是由呈平面元件、管或其它几何结构形式的大量电池建造而成。必须将燃料及空气提供到电化学活性表面(其可为较大表面)。燃料电池堆叠的一个组件是所谓的气流分隔件(在平面堆叠中称为气流分隔板)，其分隔堆叠中的个别电池。气流分隔板将流到堆叠中的一个电池的燃料电极(即，阳极)的燃料(例如氢或烃燃料)与流到堆叠中的相邻电池的空气电极(即，阴极)的氧化剂(例如空气)分隔。气流分隔板也常常用作互连件，其将一个电池的燃料电极电连接到相邻电池的空气电极。在此情况中，用作互连件的气流分隔板是由导电材料制成或含有导电材料。

发明内容

根据本公开的各种实施例，提供一种交叉流互连件及一种包含所述交叉流互连件的燃料电池堆叠，所述互连件包含：燃料入口及出口，其邻近于所述互连件的相对第一及第二周围边缘延伸穿过所述互连件；空气侧；及相对的燃料侧。所述空气侧包含：空气流场，其包含在第一方向上从所述互连件的第三周围边缘延伸到所述互连件的相对第四周围边缘的空气通道；及升流管密封表面，其安置在所述空气流场的两个相对侧上且其中形成所述燃料入口及出口。所述燃料侧包含：燃料流场，其包含在大体上垂直于所述第一方向的第二方向上在所述燃料入口与出口之间延伸的燃料通道；及周边密封表面，其包围所述燃料流场及所述燃料入口及出口。

附图说明

并入本文中且构成本说明书的部分的附图说明本发明的实例实施例，且与上文给出的一般描述及下文给出的具体实施方式一起用于解释本发明的特征。

图1A是常规燃料电池柱的透视图，图1B是图1A的柱中包含的一个逆流固态氧化物燃料电池(SOFC)堆叠的透视图，且图1C是图1B的堆叠的部分的侧视横截面视图。

图2A是图1B的堆叠的常规互连件的空气侧的俯视图，且图2B是常规互连件的燃料侧的俯视图。

图3A是根据本公开的各种实施例的燃料电池堆叠的透视图，图3B是图3A的堆叠的部分的分解透视图，图3C是图3A的堆叠中包含的互连件的燃料侧的俯视图，且图3D是图3A的堆叠中包含的燃料电池的示意图。

图4A及4B是分别展示根据本公开的各种实施例的图3C的交叉流互连件的空气侧及燃料侧的平面图。

图5A是展示图3C的互连件的空气侧的平面图，且图5B是展示图5A的互连件的经修改版本的平面图。

图6A是根据本公开的各种实施例的如组装在图3A的燃料电池堆叠中的图4A及4B的两个互连件以及燃料电池的截面透视图，且图6B是展示图6A的互连件的燃料侧上的燃料电池与密封件的重叠的俯视图。

图7是根据本公开的各种实施例的互连件的部分的燃料侧视图。

具体实施方式

将详细参考附图描述各种实施例。附图不一定按比例绘制，且希望说明本发明的各种特征。只要有可能，相同元件符号将在整个图中用来指代相同或类似部分。对特定实例和实施方案的参考是为说明的目的，且不希望限制本发明或权利要求书的范围。

图1A是常规燃料电池柱30的透视图，图1B是图1A的柱30中包含的一个逆流固态氧化物燃料电池(SOFC)堆叠20的透视图，且图1C是图1B的堆叠20的部分的侧视横截面视图。

参考图1A及1B，柱30可包含一或多个堆叠20、燃料入口导管32、阳极排放导管34及阳极供给/返回组合件36(例如，阳极分流板(ASP)36)。柱30也可包含侧挡板(side baffle)38及压缩组合件40。燃料入口导管32流体连接到ASP 36且经配置以将燃料供给提供到每一ASP 36，且阳极排放导管34流体连接到ASP 36且经配置以从每一ASP 36接收阳极燃料排放。

ASP 36安置在堆叠20之间且经配置以将含烃燃料的燃料供给提供到堆叠20及从堆叠20接收阳极燃料排放。例如，ASP 36可流体连接到形成在堆叠20中的内部燃料升流管通道22，如下文论述。

参考图1C，堆叠20包含多个燃料电池1，其通过互连件10分隔，互连件10也可称为气流分隔板或双极板。每一燃料电池1包含阴极电极3、固态氧化物电解质5及阳极电极7。

每一互连件10电连接堆叠20中的相邻燃料电池1。特定来说，互连件10可将一个燃料电池1的阳极电极7电连接到相邻燃料电池1的阴极电极3。图1C展示下燃料电池1定位在两个互连件10之间。

每一互连件10包含肋部12，肋部12至少部分界定燃料通道8A及空气通道8B。互连件10可操作为气体-燃料分隔件，其将流到堆叠中的一个电池的燃料电极(即，阳极7)的燃料(例如烃燃料)与流到堆叠中的相邻电池的空气电极(即，阴极3)的氧化剂(例如空气)分隔。在堆叠20的任一端处，可存在用于分别将空气或燃料提供到端电极的空气端板或燃料端板(未展示)。

图2A是常规互连件10的空气侧的俯视图，且图2B是互连件10的燃料侧的俯视图。参考图1C及2A，空气侧包含空气通道8B。空气经过空气通道8B流动到相邻燃料电池1的阴极电极3。特定来说，空气可在如由箭头指示的第一方向A上流经(flow across)互连件10。

密封环(ring seal)23可包围互连件10的燃料孔22A以防止燃料接触阴极电极。周围长条状密封件24定位在互连件10的空气侧的周围部分上。密封件23、24可由玻璃材料形成。周围部分可呈不包含肋部或通道的高台的形式。周围区域的表面可与肋部12的顶部共面。

参考图1C及2B，互连件10的燃料侧可包含燃料通道8A及燃料歧管28(例如，燃料充气室(fuel plenum))。燃料从燃料孔22A中的一者流动到相邻歧管28中、通过燃料通道8A且到相邻燃料电池1的阳极7。过剩燃料可流到另一燃料歧管28中且接着到相邻燃料孔22A中。特定来说，燃料可在如由箭头指示的第二方向B上流经互连件10。第二方向B可垂直于第一方向A(参见图2A)。

框架状密封件26安置在互连件10的燃料侧的周围区域上。周围区域可为不包含肋部或通道的高台。周围区域的表面可与肋部12的顶部共面。

因此，常规逆流燃料电池柱(如在图1A、1B、1C、2A及2B中展示)可包含复杂的燃料分配系统(燃料轨及阳极分流板)。另外，使用内部燃料升流管可需要燃料电池中的孔及对应密封件，此可减小燃料电池的有效面积且可引起燃料电池1的陶瓷电解质中的裂缝。

燃料歧管28可占据互连件10的相对较大区域，此可使互连件10与相邻燃料电池之间的接触面积减小约10％。燃料歧管28也相对较深，使得燃料歧管28表示互连件10的相对较薄区域。由于互连件10一般通过粉末冶金压实工艺形成，所以燃料歧管区域的密度可接近互连件材料的理论密度极限。因而，在压实工艺中使用的压实压机(compaction press)的冲程长度可因高密度燃料歧管区域无法被进一步压实而受限。因此，在互连件10中的别处实现的密度可因对压实冲程的限制而限于较低水平。所得密度变化可导致形貌变化，此可减少互连件10与燃料电池1之间的接触量且可导致较低堆叠良率及/或性能。

燃料电池系统设计中的另一重要考虑是在操作效率的领域。最大化燃料利用率是实现操作效率的关键因素。燃料利用率是在操作期间消耗的燃料量相对于递送到燃料电池的燃料量的比。保持燃料电池循环寿命的重要因素可为通过将燃料适当地分配到燃料电池有效面积而避免所述有效面积中的燃料耗尽。如果存在燃料不良分布使得一些流场通道接收的燃料不足以支持所述通道的区域中将发生的电化学反应，那么可导致邻近所述通道的燃料电池区域中的燃料耗尽。为了更均匀地分配燃料，常规互连件设计包含跨流场的通道深度变化。此可不仅在制造工艺中产生复杂性，而且可能需要复杂的计量来准确地测量这些尺寸。变化的通道几何结构可受燃料通过燃料孔及分配歧管分配的方式约束。

消除此复杂几何结构及燃料歧管的一个可能解决方案是具有更宽的燃料开口以确保跨燃料流场的远更均匀的燃料分配。由于燃料歧管形成是密度变化的因素，所以消除燃料歧管应实现更均匀的互连件密度及渗透性。因此，需要在未使用常规燃料歧管的情况下提供与燃料电池的均匀接触同时也将燃料均匀地分配到燃料电池的改进式互连件。

由于扩大燃料电池系统的热箱(hotbox)的大小的总体限制，也需要经设计以最大化燃料利用率及燃料电池有效面积而不增大热箱的占据面积的改进式互连件。

图3A是根据本公开的各种实施例的燃料电池堆叠300的透视图，图3B是图3A的堆叠300的部分的分解透视图，图3C是堆叠300中包含的互连件400的燃料侧的俯视图，且图3D是堆叠300中包含的燃料电池的示意图。

参考图3A到3D，燃料电池堆叠300(其也可称为燃料电池柱，因为其缺乏ASP)包含通过互连件400(其也可称为气流分隔板或双极板)分隔的多个燃料电池310。一或多个堆叠300可与燃料电池发电系统的其它组件(例如，一或多个阳极尾气氧化器、燃料重组器、流体导管及歧管等)热整合在共同围封壳或“热箱”中。

互连件400是由导电金属材料制成。例如，互连件400可包括铬合金，例如Cr-Fe合金。互连件400通常可使用粉末冶金技术制作，所述技术包含压制及烧结Cr-Fe粉末(其可为Cr粉末及Fe粉末的混合物或Cr-Fe合金粉末)以形成具所要大小及形状的Cr-Fe互连件(例如，“净形体”或“近似净形体”工艺)。典型铬合金互连件400包括超过约90重量％的铬，例如约94重量％到96重量％(例如，95重量％)的铬。互连件400也可含有少于约10重量％的铁(例如约4重量％到6重量％(例如，5重量％)的铁)，可含有少于约2重量％(例如约0重量％到1重量％)的其它材料(例如钇或氧化钇)以及残余的或不可避免的杂质。

每一燃料电池310可包含固态氧化物电解质312、阳极314及阴极316。在一些实施例中，阳极314及阴极316可印刷在电解质312上。在其它实施例中，导电层318(例如镍网)可安置在阳极314与相邻互连件400之间。燃料电池310不包含穿孔，例如常规燃料电池的燃料孔。因此，燃料电池310避免可能归因于存在此类穿孔而产生的裂缝。

堆叠300的最上互连件400及最下互连件400可为包含分别用于将空气或燃料提供到相邻端燃料电池310的特征的空气端板或燃料端板的不同者。如本文中所使用，“互连件”可指代定位在两个燃料电池310之间的互连件或定位在堆叠的端处且与仅一个燃料电池310直接相邻的端板。由于堆叠300不包含ASP及与其相关联的端板，所以堆叠300可仅包含两个端板。因此，可避免与使用柱内ASP相关联的堆叠尺寸变动。

堆叠300可包含侧挡板302、燃料充气室304及压缩组合件306。侧挡板302可由陶瓷材料形成且可安置在含有堆叠燃料电池310及互连件400的燃料电池堆叠300的相对侧上。侧挡板302可连接燃料充气室304及压缩组合件306，使得压缩组合件306可施加压力到堆叠300。侧挡板302可为弯曲挡板(baffle plate)，使得每一挡板覆盖燃料电池堆叠300的三个侧的至少部分。例如，一个挡板可完全覆盖堆叠300的燃料入口升流管侧且部分覆盖堆叠的相邻前侧及后侧，而另一挡板完全覆盖堆叠的燃料出口升流管侧且部分覆盖堆叠的前侧及后侧的相邻部分。堆叠的前侧及后侧的剩余未覆盖部分允许空气流过堆叠300。相较于仅覆盖堆叠的一个侧的常规挡板38，弯曲挡板提供通过堆叠的经改进空气流控制。燃料充气室304可安置在堆叠300下方，且可经配置以将含氢燃料供给提供到堆叠300且可从堆叠300接收阳极燃料排放。燃料充气室304可连接到定位在燃料充气室304下方的燃料入口及出口导管308。

每一互连件400电连接堆叠300中的相邻燃料电池310。特定来说，互连件400可将一个燃料电池310的阳极电极电连接到相邻燃料电池310的阴极电极。如图3C中展示，每一互连件400可经配置以在第一方向A上输送(channel)空气，使得可将空气提供到相邻燃料电池310的阴极。每一互连件400也可经配置以在第二方向F上输送燃料，使得可将燃料提供到相邻燃料电池310的阳极。方向A及F可为垂直的或大体上垂直的。因而，互连件400可称为交叉流互连件。

互连件400可包含经配置用于燃料分配的穿孔。例如，互连件400可包含一或多个燃料入口402及一或多个燃料出口404(其也可称为阳极排放出口404)。燃料入口402及燃料出口404可安置在燃料电池310的周边外部。因而，燃料电池310可经形成而不具有用于燃料流的对应穿孔。燃料入口402的组合长度及/或燃料出口404的组合长度可为互连件400的对应长度(例如，在方向A上取得的长度)的至少75％。

在一项实施例中，每一互连件400含有通过互连件400的颈部412分隔的两个燃料入口402，如在图3B中展示。但是，可包含两个以上燃料入口402，例如通过两个到四个颈部412分隔的三个到五个入口。在一项实施例中，每一互连件400含有通过互连件400的颈部414分隔的两个燃料出口404，如在图3B中展示。但是，可包含两个以上燃料出口404，例如通过两个到四个颈部414分隔的三个到五个出口。

相邻互连件400的燃料入口402可在堆叠300中对准以形成一或多个燃料入口升流管403。相邻互连件400的燃料出口404可在堆叠300中对准以形成一或多个燃料出口升流管405。燃料入口升流管403可经配置以将从燃料充气室304接收的燃料分配到燃料电池310。燃料出口升流管405可经配置以将从燃料电池310接收的阳极排放提供到燃料充气室304。

不同于图1A的平坦相关技术侧挡板38，侧挡板302可围绕互连件400的边缘弯曲。特定来说，侧挡板302可围绕互连件400的燃料入口402及出口404安置。因此，侧挡板可更有效率地控制通过互连件400的空气通道的空气流，所述空气通道在侧挡板302之间暴露且参考图4A及4B进行详细描述。

在各种实施例中，堆叠300可包含至少30个、至少40个、至少50个或至少60个燃料电池，可仅使用燃料升流管403、405为其提供燃料。换句话说，相较于常规燃料电池系统，交叉流配置允许为更大数量的燃料电池提供燃料，而不需要ASP或外部堆叠燃料歧管，例如图1A中展示的外部导管32、34。

每一互连件400可由导电材料制成或可含有导电材料，例如金属合金(例如，铬铁合金)，所述导电材料具有与电池中的固态氧化物电解质的热膨胀系数类似的热膨胀系数(例如，0％到10％的差异)。例如，互连件400可包括金属(例如，铬铁合金(例如4重量％到6重量％的铁、视情况1重量％或更小重量％的钇及余量的铬合金))，且可将一个燃料电池310的阳极或燃料侧电连接到相邻燃料电池310的阴极或空气侧。导电接触层(例如镍接触层(例如，镍网))可提供在阳极与每一互连件400之间。另一可选导电接触层可提供在阴极电极与每一互连件400之间。

在操作中暴露在氧化环境(例如，空气)的互连件400的表面(例如互连件400的面向阴极的侧)可涂布有保护涂层以降低互连件上的氧化铬表面层的生长速率且抑制可污染燃料电池阴极的铬蒸气物种的蒸发。通常，涂层(其可包括钙钛矿，例如镧锶锰氧化物(LSM))可使用喷涂或浸涂工艺形成。替代地，可代替LSM使用或除LSM外也可使用其它金属氧化物涂层，例如尖晶石，例如(Mn,Co)

图4A及4B是分别展示根据本公开的各种实施例的交叉流互连件400的空气侧及燃料侧的平面图。参考图4A，互连件400的空气侧可包含肋部406，肋部406经配置以至少部分界定经配置以将空气提供到安置在其上的燃料电池310的阴极的空气通道408。互连件400的空气侧可划分为包含空气通道408的空气流场420及安置在空气流场420的两个相对侧上的升流管密封表面422。升流管密封表面422中的一者可包围燃料入口402，且另一升流管密封表面422可包围燃料出口404。空气通道408及肋部406可完全跨互连件400的空气侧延伸，使得空气通道408及肋部406终止在互连件400的相对周围边缘处。换句话说，当组装到堆叠300中时，空气通道408及肋部406的相对端安置在堆叠的相对(例如，前和后)外表面上，以允许吹入空气流过堆叠。因此，堆叠可在外部歧管化用于空气。

升流管密封件424可安置在升流管密封表面422上。例如，一个升流管密封件424可包围燃料入口402，且一个升流管密封件424可包围燃料出口404。升流管密封件424可防止燃料及/或阳极排放进入空气流场420及接触燃料电池310的阴极。升流管密封件424也可操作以防止燃料泄漏出燃料电池堆叠100(参见图3A)。

参考图4B，互连件400的燃料侧可包含肋部416，肋部416至少部分界定经配置以将燃料提供到安置在其上的燃料电池310的阳极的燃料通道418。互连件400的燃料侧可划分为包含燃料通道418的燃料流场430及包围燃料流场430以及燃料入口402及燃料出口404的周边密封表面432。肋部416及燃料通道418可在垂直于或大体上垂直于空气侧通道408及肋部406延伸的方向的方向上延伸。

框架状周边密封件434可安置在周边密封表面432上。周边密封件434可经配置以防止空气进入燃料流场430及接触相邻燃料电池310上的阳极。周边密封件434也可操作以防止燃料离开燃料升流管403、405且泄漏出燃料电池堆叠300(参见图3A及3B)。

密封件424、434可包括玻璃或陶瓷密封材料。密封材料可具有低导电率。在一些实施例中，密封件424、434可通过将一或多个密封材料层印刷在互连件400上、接着进行烧结而形成。

在一些实施例中，密封件424、434可由包括SiO

在一些实施例中，密封件424、434可由包括SiO

图5A是展示根据本公开的各种实施例的不具有升流管密封件424的互连件400的空气侧的平面图，且图5B是展示图5A的互连件400的经修改版本的平面图。

在常规逆流燃料电池系统设计中，燃料电池电解质完全覆盖互连件，使得燃料电池电解质操作为相邻互连件之间的电介质层。在交叉流设计中，互连件可延伸超过燃料电池的周边。此可能在堆叠倾斜或密封件随时间变得导电的情况下导致互连件之间的电短路。

参考图5A及5B，互连件400可包含安置在升流管密封表面422上的电介质层440。例如，如图5A中展示，每一电介质层440可为环形的且可覆盖全部或大体上全部对应升流管密封表面422。例如，在图5A的实施例中，电介质层440可为D形的且可具有与安置在其上的图4A中展示的升流管密封件424大体上相同的形状。在其它实施例中，如图5B中展示，电介质层440可为C形的且可仅覆盖对应升流管密封表面422的部分，例如邻近于互连件400的外周边的部分。电介质层440形成相邻互连件400之间的电绝缘势垒且在对应堆叠倾斜或密封件变得导电的情况下防止电短路。

电介质层440可包括氧化铝、锆石(硅酸锆)、碳化硅、结晶玻璃(例如，石英或玻璃陶瓷)或其它高温电介质材料。在一些实施例中，电介质层440可包含腐蚀势垒材料或层。例如，电介质层440可包括复合材料，包括耐腐蚀玻璃、氧化铝、锆石或类似物。例如，在一些实施例中，电介质层440包括施加到SOFC堆叠300中的互连件400的表面的玻璃陶瓷层，其由含有至少90重量％的玻璃(例如，90重量％到100重量％的玻璃，例如约99重量％到100重量％的非晶玻璃及0重量％到1重量％的结晶相)的大体上玻璃势垒前驱体层形成。在一项实施例中，含有至少90重量％的玻璃的玻璃势垒前驱体层包括(以氧化物重量计)：45重量％到55重量％的硅石(SiO

在一些实施例中，玻璃势垒前驱体层包括最少90重量％的玻璃(例如，90重量％到100重量％的玻璃，例如约99重量％到100重量％的非晶玻璃及0重量％到1重量％的结晶相)。例如，玻璃势垒前驱体层可包括(按氧化物重量计)：约30％到约60％(例如约35％到约55％)的硅石(SiO

在一些实施例中，可在围绕升流管密封件424的区域中移除互连件400的空气侧上的一些或全部LSM/MCO涂层，以防止Mn从LSM/MCO材料扩散到升流管密封件424中，且借此防止升流管密封件424变得导电。在其它实施例中，升流管密封件424可由不与LSM/MCO涂层起反应的结晶玻璃或玻璃陶瓷材料(例如上文论述的硼硅酸盐玻璃陶瓷组合物)形成。

电介质层440可由独立层(例如带状铸造及烧结层)形成，且可在燃料电池堆叠组装期间安置在互连件400之间。在其它实施例中，电介质层440可通过分散呈油墨、糊状物或浆料形式的电介质材料且随后将其网版印刷、移印、气溶胶喷雾到互连件400上而形成。在一些实施例中，电介质层440可通过热喷雾工艺(例如大气等离子体喷雾(APS)工艺)形成。例如，电介质层440可包含通过APS工艺沉积的氧化铝。

电介质层440可直接沉积在互连件400上。例如，电介质层440可在将由升流管密封件424覆盖且未由LSM/MCO涂层覆盖的区域中(唯电介质层440在升流管密封表面422与空气流场420交汇处与LSM/MCO涂层重叠处的小重叠区域(例如，接缝)除外)直接安置在升流管密封表面422(即，围绕燃料入口402及燃料出口404的互连件400的部分)上，以防止Cr从互连件400的暴露表面蒸发。因此，LSM/MCO涂层定位在含有空气通道408及肋部406的空气流场420中的互连件400表面上，但未在包围燃料入口402及燃料出口404的互连件400的升流管密封表面422中。电介质层440在包围燃料入口402及燃料出口404的未由LSM/MCO涂层覆盖的区域中及邻近于升流管密封表面422的空气流场420中的LSM/MCO涂层的边缘上定位在互连件400的升流管密封表面上。替代地，可省略电介质层440且不存在围绕燃料升流管开口沉积的电介质层440。

图6A是根据本公开的各种实施例的如组装到图3A的燃料电池堆叠300中的图4A及4B的两个互连件400以及燃料电池310的截面透视图。图6B是展示图6A的互连件400的燃料侧上的燃料电池310与密封件424、434的重叠的俯视图。

参考图4A、4B、6A及6B，当组装到燃料电池堆叠中时，燃料电池310安置在互连件400之间以面向每一互连件400的空气流场420及燃料流场430。升流管密封件424可接触燃料电池310的空气侧的第一相对侧，且周边密封件434可接触燃料电池310的燃料侧的第二相对侧。因而，密封件424、434的部分在燃料电池310的周边外部可比在燃料电池310的周边内部(例如，与其重叠)更厚。邻近燃料入口402及燃料出口404的周边密封件434的部分可与升流管密封件424的对应部分重叠。另外，燃料电池310的部分可安置在密封件424、434的重叠部分之间，例如在燃料电池310的拐角处。因而，燃料电池310与密封件424、434的重叠部分的组合厚度可大于密封件424、434的重叠部分的厚度。

为了考虑此厚度变动及/或恰当地密封燃料电池堆叠，安置在燃料电池310的周边外部的互连件400的部分的厚度可增大等于燃料电池310的烧结后厚度(例如，如图3D中展示的电极314、316、电解质312及镍网318的烧结后厚度)的量。

由于密封件424、434与燃料电池310的拐角重叠，所以可在升流管密封件424的每一者下方(例如，在电解质312下方)的拐角之间形成间隙G。当堆叠300压缩时，向下力可传输通过互连件400及升流管密封件424且到邻近间隙G的燃料电池310的未受支撑边缘中，此可归因于升流管密封件424下方的相邻间隙G而产生杠杆臂效应。

常规地，燃料电池的电极及导电层仅安置在燃料电池的有效区(例如，其中燃料电池暴露于燃料及空气)上。换句话说，密封件可安置在未由电极及/或导电层覆盖的电解质的部分上。

根据本公开的各种实施例，为了支撑燃料电池310的边缘，导电层318(例如，镍网)可延伸到间隙G中。在一些实施例中，阳极314及/或阴极316也可延伸以覆盖升流管密封件424下方的电解质，以及使导电层318延伸到间隙G中。在其它实施例中，一或多个电解质强化层325可形成在升流管密封件424下方的电解质312的一个或两个侧上，且可由陶瓷材料(例如氧化铝及/或氧化锆)形成。电解质强化层325可具有与阳极314及/或阴极316大体上相同的厚度，且可进一步结合导电层318一起支撑燃料电池310的边缘。在一些实施例中，电解质强化层325可安置在燃料电池310的阴极侧上，且可由铬吸气剂(chromium getter)材料(例如锰钴氧化物尖晶石)形成。因而，电解质强化层325可经配置以从供应到燃料电池310的空气移除铬。

可调节及/或烧结燃料电池堆叠300及/或其组件。“烧结”包含加热、熔化及/或回焊玻璃或玻璃陶瓷密封前驱体材料以形成燃料电池堆叠中的密封件的工艺，其可在空气/惰性气体中在高温(例如，600℃到1000℃)下执行。“调节”包含将阳极电极中的金属氧化物(例如，氧化镍)还原为陶金电极(例如，镍及陶瓷材料，例如稳定氧化锆或掺杂氧化铈)中的金属(例如，镍)及/或在性能特性化/测试期间加热堆叠300的工艺，且可在燃料流过堆叠时在高温(例如，750℃到900℃)下执行。燃料电池堆叠300的烧结及调节可在相同热循环期间执行(即，在烧结与调节之间未将堆叠冷却到室温)。

在此类高温操作期间，如果将过大压力施加到升流管密封件424，那么升流管密封件424可被迫使离开升流管密封表面422、经过燃料电池310的边缘且到相邻互连件400的燃料入口402、燃料出口404及/或燃料通道418中。在严重情况下，此可增加燃料流的压力降、引起电池间的燃料不良分布，或甚至致使堆叠300无法使用。

因此，在一些实施例中，升流管密封表面422可相对于空气侧肋部406凹入。换句话说，当从上方观看互连件400的空气侧时，升流管密封区域可低于肋部406的尖端。例如，升流管密封表面422可相对于跨肋部406的尖端延伸的平面凹入达约30μm到约50μm。因此，当燃料电池310(其可具有在约20μm到30μm的范围内的厚度)与例如互连件400的空气侧接触时，与燃料电池310接触的肋部406及空间或凹部可在燃料电池310与升流管密封表面422的每一者之间形成。

当组装燃料电池堆叠300时，凹入的升流管密封表面422提供额外空间以容纳升流管密封件424。因此，施加到升流管密封件424的力可减小，使得升流管密封件424可在高温操作(例如烧结)期间保持在升流管密封表面422中。

在一些实施例中，燃料电池310的一或多个组件可例如通过接触印刷而变厚以形成较厚的接触印刷燃料电池层。此增大的厚度也可减小施加到升流管密封件424的力。在一些实施例中，较厚的燃料电池310可结合凹入的升流管密封表面422使用。

在各种实施例中，斜面407可添加到互连件400的空气侧上的燃料入口402及/或燃料出口404。斜面407可操作以捕获已从升流管密封表面422逸出的密封材料。例如，斜面409也可添加到互连件400的其它边缘，例如互连件400的燃料侧上的入口402及出口404的边缘及/或互连件400的周边边缘。斜面可在形成互连件400期间提供益处，例如在用于形成互连件400的粉末冶金操作期间防止剥离。

在稳态操作期间跨燃料电池310的热梯度依据操作条件而变化，包含i

根据各种实施例，密封件424、434可由在高温下稳定的玻璃材料形成，例如上文在表1中揭示的玻璃材料。在替代例中，互连件400的厚度可增大以改进在平面内方向上的热传导。增大的厚度可降低互连件400的热梯度且借此降低热拐角的温度。相较于常规堆叠，互连件400的厚度可在未增大堆叠300的总厚度的情况下增大，这是因为堆叠不需要常规堆叠的阳极分流板。

图7是根据本公开的各种实施例的互连件400的部分的燃料侧视图。参考图7，包围燃料入口402的外边缘的互连件400的部分可称为凸缘703。另一凸缘(未展示)可类似地围绕燃料出口404的外边缘安置。凸缘703可从互连件400的边缘部分705延伸。凸缘703及边缘部分705可包含图4B中展示的周边密封表面432。

在一些实施例中，边缘部分705的宽度X可大于凸缘703的宽度Y。例如，宽度X可比宽度Y宽约10％到约40％。

本公开的各种实施例提供包含交叉流互连件的燃料电池系统。交叉流通道设计也解除要求在空气侧与燃料侧通道之间维持特定关系以出于质量目的维持均匀厚度及密度的先前共流(co-flow)设计的约束。

交叉流通道设计也提供针对进一步性能改进(例如，允许不同通道数量、不同间距、不同通道/肋部形状等)独立地优化燃料侧流及空气侧流的能力。交叉流互连件也可经设计以最小化粉末冶金工具磨损且最大化肋部尖端宽度以针对更好的组合件稳固性提供更大的顶部平坦区域以及为电解质/电池提供更好且更稳定的接触区域。互连件的块体厚度也可基于燃料电池堆叠的整体高度约束增大，此将改进制造质量且最小化零件间变动。燃料入口及出口也可经设计以确保到燃料电池的均匀燃料流，此也可确保均匀功率密度且简化堆叠建造工艺的配套要求。

因为先前燃料电池系统设计中的密度梯度及缺乏对电解质的支撑主要由存在燃料充气室驱使，所以本公开的一个方面允许活化原本由燃料充气室占据的区域，因此增大总有效面积及功率输出。本公开的方面也允许降低堆叠燃料压力降而导致更好/均匀的燃料利用。燃料入口及出口的大小可经配置以为整个堆叠提供足够的燃料流且也可允许消除先前燃料电池系统的外部堆叠燃料歧管、ASP及子组合件。另外，由于燃料电池柱可由单燃料电池堆叠形成，所以可消除堆叠间界面，其是常规系统上的最弱区域且促成堆叠良率及场性能的明显故障。

虽然上文在各种实施例中描述固态氧化物燃料电池互连件、端板及电解质，但实施例可包含任何其它燃料电池互连件或端板，例如熔化碳酸盐、磷酸或PEM燃料电池电解质、互连件或端板，或与燃料电池系统无关的任何其它形状的金属或金属合金或压实金属粉末或陶瓷物件。

前文方法描述仅经提供作为说明性实例且并不希望要求或暗示各种实施例的步骤必须按所呈现的顺序执行。如所属领域的技术人员将了解，可按任意顺序执行前文实施例中的步骤顺序。例如“其后”、“接着”、“其次”等的字词不一定希望限制步骤的顺序；这些字词可用于引导读者贯穿方法的描述。此外，例如使用冠词“一”、“一个”或“所述”主张元件是单数的任何参考不应被解释为将元件限制为单数。

此外，本文中描述任何实施例的任何步骤或组件可用于任何其它实施例中。

所揭示方面的前述描述经提供以使任何所属领域的技术人员能够进行或使用本发明。所属领域的技术人员将容易明白这些方面的各种修改，且本文中定义的一般原理在不脱离本发明的范围的情况下可应用于其它方面。因此，本发明并不希望限制于本文中所示的方面，而是符合与本文中揭示的原理及新颖特征一致的最广范围。