CN102136584B - 燃料电池模块 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种管状燃料电池模块，其具有改善的电流收集效率。在一个实施例中，燃料电池模块包括：燃料电池单元；第一电流收集器，沿燃料电池单元的外侧延伸；以及第二电流收集器，绕第一电流收集器且绕燃料电池单元的外侧缠绕。这里，燃料电池单元的外侧是弯曲外侧，第一电流收集器具有面对燃料电池单元的弯曲外侧的弯曲内侧，第一电流收集器的弯曲内侧成形得匹配燃料电池单元的弯曲外侧。

Description

燃料电池模块
技术领域
下面的描述涉及一种燃料电池模块，具体地，涉及具有能够增大其电流收集效率的结构的燃料电池模块。
背景技术
由于燃料电池具有各种输出范围和用途，所以可以选择适于特定目的的燃料电池。在燃料电池当中，用于分布式发电、商业和家庭的固体氧化物燃料电池吸引了许多注意，因为这些燃料电池具有以下优点：电解质的位置控制相对容易；由于电解质的位置固定，所以电解质几乎不被耗尽；以及由于高的耐腐蚀性，所以材料寿命长。此外，固体氧化物燃料电池是在约600-1000℃的较高温度操作的电池，具有如下几个优点：与相关技术的各种燃料电池相比，它们具有最高的效率且导致很少的空气污染，不需要燃料重整器(fuel reformer)，并允许复合发电(composite power generation)。
然而，这样的固体氧化物燃料电池不能仅通过单独的燃料电池单元实现足够的电压，因此，如果需要的话，多个燃料电池单元被堆叠以彼此连接，这些燃料电池单元可以大体归类为管(tube)型或平板型。可以预见，虽然与平板型相比，管型在堆叠(stack)本身具有减小的功率密度，但是整个系统的功率密度大约相同。此外，管型使得可以容易地密封堆叠的燃料电池单元，具有高的对热应力的耐受性，还具有高的堆叠机械强度，从而已经积极进行对管型的研究以作为用于制造具有大面积的产品的高级技术。
此外，管型固体氧化物燃料电池可以分类为使用阴极作为支撑物的阴极支撑燃料电池或使用阳极作为支撑物的阳极支撑燃料电池。阳极支撑燃料电池是高级类型，从而固体氧化物燃料电池现在正在被开发用于阳极支撑类型。
绕阴极缠绕由银(Ag)制成的导线(wire)以收集电流的方法已经在相关技术中被用于电流收集器(current collector)。
发明内容
本发明的实施例的一个方面涉及能够减小燃料电池模块的电流收集器与其上设置电流收集器的燃料电池单元之间的接触电阻的结构。
本发明的实施例的另一方面涉及一种增大电流收集器的表面积且减小接触电阻的特定结构。
本发明的实施例的另一方面在于通过利用具有改善的结构的电流收集器来改善电流收集效率，该改善的结构能减小电流收集器与其上设置电流收集器的燃料电池单元的接触电阻。
根据本发明的实施例，提供了一种燃料电池模块，该燃料电池模块包括：燃料电池单元；第一电流收集器，沿燃料电池单元的外侧延伸；以及第二电流收集器，绕第一电流收集器且绕燃料电池单元的外侧缠绕。这里，燃料电池单元的外侧是弯曲外侧，第一电流收集器具有面对燃料电池单元的弯曲外侧的弯曲内侧，第一电流收集器的弯曲内侧成形为与燃料电池单元的弯曲外侧匹配。
在一个实施例中，第一电流收集器的弯曲内侧的曲率半径在燃料电池单元的弯曲外侧的曲率半径的90％至110％之间。这里，第一电流收集器的弯曲内侧的曲率半径可以不大于燃料电池单元的弯曲外侧的曲率半径。
在一个实施例中，第一电流收集器的弯曲内侧被挤压到燃料电池单元的外圆周中。第一电流收集器的弯曲内侧可以被挤压到燃料电池单元的外圆周中10μm至100μm之间的深度。在燃料电池单元的弯曲外侧处，燃料电池单元可以包括比第一电流收集器的材料更软的材料。第二电流收集器可以配置为将第一电流收集器的弯曲内侧挤压到燃料电池单元的外圆周中。
在一个实施例中，第二电流收集器具有平坦侧面(flat side)，该平坦侧面配置来在第二电流收集器缠绕第一电流收集器时接触第一电流收集器的外侧。这里，除了在平坦侧面处之外，第二电流收集器可以具有基本圆形、矩形或多边形的横截面。
在一个实施例中，第一电流收集器包括沿与燃料电池单元的中心轴平行的方向纵向延伸的多个导电条或导线。
在一个实施例中，第一电流收集器的横截面积不小于第二电流收集器的横截面积。第一电流收集器可以包括多个第一电流收集器，多个第一电流收集器中的每个的横截面积可以不大于第二电流收集器的总缠绕数与多个第一电流收集器的总数的比乘以第二电流收集器的横截面积。多个第一电流收集器中的每个的横截面积可以等于第二电流收集器的总缠绕数与多个第一电流收集器的总数的比乘以第二电流收集器的横截面积。
在一个实施例中，燃料电池模块具有中空圆筒形。
在一个实施例中，第一电流收集器部分地围绕燃料电池单元。第二电流收集器可以接触燃料电池单元。
根据本发明的另一实施例，提供了一种燃料电池模块，该燃料电池模块包括：燃料电池单元，包括内电极层、外电极层以及在内电极层和外电极层之间的电解质层；第一电流收集器，沿燃料电池单元的外侧延伸；以及第二电流收集器，缠绕第一电流收集器和燃料电池单元的外侧。这里，第一电流收集器具有面对燃料电池单元的外侧的弯曲内侧，燃料电池单元的外侧是弯曲外侧，第一电流收集器的弯曲内侧的曲率半径在燃料电池单元的弯曲外侧的曲率半径的90％至110％之间。
在一个实施例中，第一电流收集器的弯曲内侧的曲率半径大于燃料电池单元的弯曲外侧的曲率半径。第一电流收集器的弯曲内侧可以被挤压到燃料电池单元的外圆周中。第一电流收集器的弯曲内侧可以被挤压且嵌入到燃料电池单元的外圆周中10μm和100μm之间的深度。
根据本发明的实施例的燃料电池使得可以通过利用电流收集器与燃料电池单元之间的表面接触(而不是线接触)来减小接触电阻。
此外，根据本发明的实施例，与相关技术相比，可以通过提供与第一电流收集器分开的第二电流收集器且使第二电流收集器与第一电流收集器表面接触来改善电流收集效率。
此外，根据本发明的实施例，可以通过提供上述的第一电流收集器和第二电流收集器来改善收集电流的效率，并可以通过改善结构和面积的特性来改善电流收集效率和燃料或空气的反应效率。
附图说明
附图与说明书一起示出本发明的示范性实施例，附图与文字说明一起用于解释本发明的原理。
图1A是示出根据本发明实施例的单元电池模块的透视图；
图1B是形成图1A所示的燃料电池模块的一部分的燃料电池单元的截面图；
图2是示出根据本发明实施例的第一电流收集器的整个形状的透视图；
图3是示出根据本发明实施例的第一电流收集器的形状的平面图；
图4A是示出根据本发明实施例的第一电流收集器与燃料电池单元的接触形状的示意图；
图4B是示出根据本发明另一实施例的另一第一电流收集器与燃料电池单元的接触形状的示意图；
图4C是示出根据本发明另一实施例的另一第一电流收集器与燃料电池单元的接触形状的示意图；
图5是示出第一电流收集器被挤压且嵌入到燃料电池单元的外圆周中时的示意图；
图6A是根据本发明实施例的第二电流收集器的截面图；
图6B是根据本发明实施例的另一第二电流收集器的截面图；
图6C是根据本发明实施例的另一第二电流收集器的截面图；
图7是根据本发明实施例的第二电流收集器、第一电流收集器和燃料电池单元的截面图。
具体实施方式
在下文将参照附图描述本发明的实施例。如果没有具体定义或阐述，则“上”、“下”、“左”和“右”在这里用来基于附图描述方向。此外，在所有的实施例中相似的附图标记指示相似的元件。
典型的燃料电池由重整且提供燃料的燃料处理器(重整器和反应器)和燃料电池模块构成。燃料电池组件包括利用电化学反应或方法将化学能转化为电能和热能的燃料电池堆叠。也就是，在一个实施例中，燃料电池组件包括：燃料电池堆叠(fuel cell stack)；导管(pipe)系统，燃料、氧化物、冷却水和排出物(effluent)等通过导管系统流动；导线，堆叠产生的电通过导线传导；控制或监视堆叠的部件；以及处理堆叠异常的部件。
本发明的实施例的一个方面涉及形成燃料电池组件的一部分的燃料电池模块的结构，具体地，涉及在燃料电池模块的燃料电池单元中通过外部导线传输通过氧化反应产生的电子的电流收集器的结构。在下文更详细地描述本发明的实施例。
参照图1A和图1B描述燃料电池模块10。图1A是示出根据本发明实施例的燃料电池单元100、第一电流收集器(或多个第一电流收集器)110、以及第二电流收集器120的透视图。图1B是燃料电池单元100的截面图。
燃料电池单元100是被提供有燃料处理器重整的燃料并通过氧化反应产生电的部件，且在本实施例中形成为中空圆筒形状。在圆筒形燃料电池单元100中，电极层101和103(例如，阳极和阴极)分别形成在圆筒形燃料电池单元100的内圆周和外圆周处，电解质层102形成在两个电极层101和103之间。根据用途，可以有这样的情况，即阳极可以形成为内电极层，阴极可以形成为外电极层；或者是这样的情况，即阳极可以形成为外电极层，阴极可以形成为内电极层；两种情况都包括在本发明中。
参照图2和图3描述第一电流收集器110。
第一电流收集器110可以形成为长条形状或者导线形状，如图1A所示。第一电流收集器110(或者多个第一电流收集器110)与燃料电池单元100的中心轴对准且附着到燃料电池单元100的外圆周(或周边)。
在此构造中，在相关技术中附着或缠绕具有圆形横截面的导线，从而在燃料电池单元的外圆周与电流收集器之间为线接触(line contact)。因此，对于电流收集器收集的电荷量而言，接触电阻较高。这里，本发明的实施例的特征在于，燃料电池单元100的外圆周和第一电流收集器110的内表面弯曲从而彼此表面接触(surface contact)。
参照图4A和图4B描述弯曲的表面。如图4A所示且根据一个实施例，弯曲表面的曲率半径与燃料电池单元100的外圆周的曲率半径正好相同以实现完全的表面接触S1。在此情形中，接触面积增大而接触电阻减小。然而，在将第一电流收集器110制造成导线或长导电条(或者制造成多条导线或多个长导电条)时，在技术上和经济上可能难以精确地机械加工第一电流收集器110以具有恒定的曲率半径。
因此，在本发明的一个实施例中，第一电流收集器被制造为使得第一电流收集器110的内侧的曲率半径与燃料电池单元100的外圆周的曲率半径正好相同或者至少半径的容差在10％以内。当容差超过10％时，即使通过提供紧紧缠绕的第二电流收集器也难以实现表面接触，第二电流收集器将在下面更详细地描述。
图4B示意性示出第一电流收集器110′的内侧的曲率半径大于燃料电池单元100的外圆周的曲率半径时的情形，图4C示意性示出第一电流收集器110″的内侧的曲率半径比燃料电池单元100的外圆周的曲率半径小时的情形。如图4B所示，当第一电流收集器110′的内侧的曲率半径大于燃料电池单元100的外圆周的曲率半径时，第一电流收集器110′与燃料电池单元100为线接触(P1)；而如图4C所示，当第一电流收集器110″的内侧的曲率半径小于燃料电池单元100的外圆周的曲率半径时，它们在两个点P2和P3处彼此线接触。因此，在一个实施例中，即使考虑到差异，第一电流收集器110和燃料电池单元100的外圆周的曲率半径的容差配置为小于10％以实现表面接触或在两个点处的线接触。换言之，第一电流收集器的曲率半径不应与第一电流收集器设置在其上的燃料电池单元的曲率半径相差超过10％。
在另一实施例中，可以使用图4B的构造而不是图4C的构造，因为绕第一电流收集器110′的外表面缠绕的导线将趋于把电流收集器110′的内表面拉成曲面，该曲面更接近地匹配燃料电池单元100的周边轮廓。
随着第二电流收集器120(其将在下面更详细地描述)的缠绕强度增大，增大的力朝向燃料电池单元100的中心轴施加到第一电流收集器110。随着缠绕强度进一步增大，如图5所示，第一电流收集器110的内侧被挤压且嵌入到第一燃料电池单元100的外圆周中。由于燃料电池在高的操作温度操作的特性，所以贵金属例如白金(white gold)、钯、银、近年来研究的具有钙钛矿结构的LaMnO3、具有添加剂的基于LaCoO3的物质、以及用于增大低操作温度下的电活性(electroactivity)的MICE(混合离子/电子导体)(例如La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3、Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ和Sm0.5Sr0.5CoO3)主要用于阴极材料。由于上述阴极材料通常比用于电流收集器的镍导线软，所以当燃料电池单元100的最外层103是阴极时，第一电流收集器110被外力挤压且嵌入到燃料电池单元100的外圆周中。此外，尽管包括Ni的金属陶瓷、Ni-YSZ金属陶瓷或Ni-GDC金属陶瓷通常用于阳极材料，但是它们的制造工艺和组合强度小于主要由镍导线形成的第一电流收集器，从而可以发生相同的现象。
当第一电流收集器110如上所述嵌入到燃料电池单元100的外圆周中时，如图5所示，表面接触根据嵌入量或者根据第一电流收集器110嵌入到燃料电池单元100的外圆周中多深而增加。合适的是，第一电流收集器110被挤压且嵌入到燃料电池单元100的外圆周中10μm至100μm的深度。当深度仅为数微米时，表面接触的水平小；当深度超过100m时，施加在第二电流收集器120中的张力过度增大，第二电流收集器120可能断裂。
在一个实施例中且如图4B所示，第一电流收集器110′的弯曲内侧的曲率半径大于燃料电池单元100的弯曲外侧的曲率半径。这里，按照本发明的实施例，第一电流收集器110′的弯曲内侧的该更大的曲率半径允许第一电流收集器110′的弯曲内侧被挤压到燃料电池单元100的外圆周中。此外，如本发明的另一实施例中所预见的那样，第一电流收集器110′的弯曲内侧可以具有基本“V”形，“V”的尖端或者底点配置为面对且被挤压到燃料电池单元的外圆周中，从而该“V”形的第一电流收集器可以更好地或者更容易地挤压到燃料电池单元的外圆周中。
此外，在一个实施例中，具有沿燃料电池单元的圆周方向的曲率的弯曲表面形成在第一电流收集器110的外侧上。这里，会期望使第一电流收集器110的外侧的曲率恒定，由此增大与第二电流收集器120的接触面积，第二电流收集器120将在下面更详细地描述。
此外，由于第一电流收集器110的外侧的曲率半径越小，与第二电流收集器120的接触面积变得越小，所以会期望使第一电流收集器110的外侧的曲率半径与燃料电池单元100的曲率半径相同或者比燃料电池单元100的曲率半径更大。
参照图6A描述第二电流收集器120。图6A至图6C示出根据本发明实施例的第二电流收集器的横截面。
第二电流收集器120形成为导线形状，类似于已有的电流收集器，并缠绕在燃料电池单元100的外圆周和第一电流收集器110的外侧上。在该构造中，平坦表面(或侧面)121纵向地形成在第二电流收集器的内侧上，如图6A所示，使得当绕第一电流收集器110和燃料电池单元100的外侧缠绕时，它与第一电流收集器110的外侧成表面接触，如图7所示。
与相关技术相比，接触电阻通过表面接触而减小，因此即使缠绕数目减少，也可以实现相同或更大的电流收集效率。接触表面121的形状对于第二电流收集器120的横截面形状而言是重要的，其他形状不是重要的。也就是说，如图6A所示，除了接触表面121之外的形状可以为圆形或者如图6B和6C所示的其他形状，即使横截面是矩形、不规则矩形或甚至其他多边形，在一个实施例中的结果未受大的影响。也就是说，在图6A中，第二电流收集器120具有配置为在第二电流收集器120缠绕第一电流收集器110时接触第一电流收集器110的外侧的平坦表面(或侧面)121。这里，在图6A中，除了平坦表面(或侧面)121之外，第二电流收集器120具有基本圆形横截面或者具有圆形侧面。在图6B中，除了平坦表面(或侧面)121′之外，第二电流收集器120′具有基本矩形横截面或者具有矩形侧面。在图6C中，除了平坦表面(或侧面)121″之外，第二电流收集器120″具有基本多边形(或不规则矩形)横截面或者具有多边形侧面。
另一方面，由于第一电流收集器110和第二电流收集器120用作电子的通道且第一电流收集器110的数目小于第二电流收集器120的缠绕数，所以第一电流收集器110的横截面积应大于第二电流收集器120的横截面积。在该情况下，假定第一电流收集器的横截面积和数目分别是D1和N1，且第二电流收集器的横截面积和缠绕数分别是D2和N2，则第一电流收集器的横截面积D1可以在下面的公式1中确定：
公式1：D2≤D1≤(N2/N1)×D2
也就是说，由于燃料电池单元100和第一电流收集器110之间的接触面积与第一电流收集器110的数目成比例，所以第一电流收集器110和第二电流收集器120之间的接触面积与第二电流收集器120的缠绕数目成比例。为了用作移动电子的通道的两个接触面积的平衡，应满足公式1。
此外，如图7所示且在一个实施例中，第一电流收集器110仅部分围绕燃料电池单元100。此外，在一个实施例中，第二电流收集器120接触燃料电池单元100。
考虑到前述内容，根据本发明的实施例的燃料电池模块具有改善的电流收集器，该电流收集器具有能够减小电流收集器与其对应的燃料电池单元的接触电阻的结构。在实施例中，燃料电池模块包括管状燃料电池单元、沿管状燃料电池单元的外侧延伸的第一电流收集器以及绕第一电流收集器且绕管状燃料电池单元的外侧缠绕的第二电流收集器。这里，管状燃料电池单元的外侧是弯曲的外侧，第一电流收集器具有面对管状燃料电池单元的弯曲外侧的弯曲内侧，第一电流收集器的弯曲内侧成形得匹配管状燃料电池单元的弯曲外侧，以增大第一电流收集器与管状燃料电池单元的外侧之间的接触面积从而减小它们的接触电阻。
此外，第一电流收集器的弯曲内侧可以被挤压且嵌入到管状燃料电池单元的外圆周中以进一步增大它们的接触面积和/或减小它们的接触电阻。这里，第二电流收集器可以配置为挤压第一电流收集器的弯曲内侧且使第一电流收集器的弯曲内侧嵌入到管状燃料电池单元的外圆周中。
上面已经描述了本发明的实施例，但是本发明的思想和范围不限于上面描述的实施例，具有改善的电流收集效率的各种燃料电池模块可以被实施而不偏离在权利要求书中明确的本发明的思想和范围。也就是说，应理解，本发明不限于所公开的实施例，而是相反地，意在覆盖包括在权利要求书及其等同物的思想和范围内的各种修改和等同布置。
本申请要求于2010年1月21日向美国专商局提交的美国临时申请61/297244以及于2010年7月9日向美国专商局提交的美国非临时申请12/833772的优先权和权益，其全部内容通过引用结合于此。

Claims (18)

1.一种燃料电池模块，包括：
燃料电池单元；
第一电流收集器，沿所述燃料电池单元的外侧延伸；以及
第二电流收集器，绕所述第一电流收集器且绕所述燃料电池单元的外侧缠绕，
其中：
所述燃料电池单元的外侧是弯曲外侧，
所述第一电流收集器具有面对所述燃料电池单元的弯曲外侧的弯曲内侧，且
所述第一电流收集器的弯曲内侧成形得匹配所述燃料电池单元的弯曲外侧，
其中所述第一电流收集器的横截面积不小于所述第二电流收集器的横截面积，
其中所述第一电流收集器包括多个第一电流收集器，且
所述多个第一电流收集器中的每个的横截面积不大于所述第二电流收集器的总缠绕数与所述多个第一电流收集器的总数的比乘以所述第二电流收集器的横截面积。
2.如权利要求1所述的燃料电池模块，其中所述第一电流收集器的弯曲内侧的曲率半径在所述燃料电池单元的弯曲外侧的曲率半径的90%至110%之间。
3.如权利要求2所述的燃料电池模块，其中所述第一电流收集器的弯曲内侧的曲率半径不大于所述燃料电池单元的弯曲外侧的曲率半径。
4.如权利要求1所述的燃料电池模块，其中所述第一电流收集器的弯曲内侧被挤压到所述燃料电池单元的外圆周中。
5.如权利要求4所述的燃料电池模块，其中所述第一电流收集器的弯曲内侧被挤压到所述燃料电池单元的外圆周中10μm至100μm之间的深度。
6.如权利要求4所述的燃料电池模块，其中在所述燃料电池单元的弯曲外侧处，所述燃料电池单元包括比所述第一电流收集器的材料更软的材料。
7.如权利要求4所述的燃料电池模块，其中所述第二电流收集器配置为将所述第一电流收集器的弯曲内侧挤压到所述燃料电池单元的外圆周中。
8.如权利要求1所述的燃料电池模块，其中所述第二电流收集器具有平坦侧面，该平坦侧面配置为在所述第二电流收集器缠绕所述第一电流收集器时接触所述第一电流收集器的外侧。
9.如权利要求8所述的燃料电池模块，其中除了在所述平坦侧面处之外，所述第二电流收集器具有基本圆形、矩形或多边形横截面。
10.如权利要求1所述的燃料电池模块，其中所述第一电流收集器包括沿与所述燃料电池单元的中心轴平行的方向纵向延伸的多个导电条或导线。
11.如权利要求1所述的燃料电池模块，其中所述多个第一电流收集器中的每个的横截面积等于所述第二电流收集器的总缠绕数与所述多个第一电流收集器的总数的比乘以所述第二电流收集器的横截面积。
12.如权利要求1所述的燃料电池模块，其中所述燃料电池模块具有中空圆筒形。
13.如权利要求1所述的燃料电池模块，其中所述第一电流收集器部分地围绕所述燃料电池单元。
14.如权利要求13所述的燃料电池模块，其中所述第二电流收集器接触所述燃料电池单元。
15.一种燃料电池模块，包括：
燃料电池单元，包括内电极层、外电极层以及在所述内电极层与所述外电极层之间的电解质层；
第一电流收集器，沿所述燃料电池单元的外侧延伸；以及
第二电流收集器，绕所述第一电流收集器且绕所述燃料电池单元的外侧缠绕，
其中：
所述第一电流收集器具有面对所述燃料电池单元的外侧的弯曲内侧，
所述燃料电池单元的外侧是弯曲外侧，且
所述第一电流收集器的弯曲内侧的曲率半径在所述燃料电池单元的弯曲外侧的曲率半径的90%至110%之间，
其中所述第一电流收集器的横截面积不小于所述第二电流收集器的横截面积，
其中所述第一电流收集器包括多个第一电流收集器，且
所述多个第一电流收集器中的每个的横截面积不大于所述第二电流收集器的总缠绕数与所述多个第一电流收集器的总数的比乘以所述第二电流收集器的横截面积。
16.如权利要求15所述的燃料电池模块，其中所述第一电流收集器的弯曲内侧的曲率半径大于所述燃料电池单元的弯曲外侧的曲率半径。
17.如权利要求16所述的燃料电池模块，其中所述第一电流收集器的弯曲内侧被挤压到所述燃料电池单元的外圆周中。
18.如权利要求17所述的燃料电池模块，其中所述第一电流收集器的弯曲内侧被挤压且嵌入到所述燃料电池单元的外圆周中10μm至100μm之间的深度。
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