CN111684637A - 用于改善电气和机械接触的燃料电池非活性端电池设计 - Google Patents

Abstract

一种用于燃料电池堆的端电池组件，包括端板和邻近端板设置的至少两个非活性阳极部分。每个非活性阳极部分包含直接设置在阳极集电器上方的镍泡沫阳极和设置在镍泡沫阳极上方的分隔片。

Description

用于改善电气和机械接触的燃料电池非活性端电池设计

相关申请的交叉引用

本申请要求2018年1月23日提交的美国临时专利申请第62/620，835号的权益，其全部公开通过引用并入本文。

背景技术

本申请总体上涉及高温燃料电池领域。具体地，本申请涉及用于高温燃料电池堆的正极端和负极端的非活性端电池组件。高温燃料电池可以包括熔融碳酸盐燃料电池(“MCFC”)、固体氧化物燃料电池(“SOFC”)或者在高温下工作的其它类型的燃料电池。

发明内容

一个实施例涉及一种用于燃料电池堆的端电池组件，包括端板和邻近端板设置的至少两个非活性阳极部分。每个非活性阳极部分包含直接设置在阳极集电器上方的镍泡沫阳极和设置在镍泡沫阳极上方的分隔片。

在端电池组件的一个方面，每个非活性阳极部分进一步包含设置在阳极集电器上的镍镀层。

在端电池组件的另一方面，每个非活性阳极部分进一步包括双极板并且阳极集电器通过镍镀层接触双极板。

在端电池组件的另一方面，镍镀层结合到阳极集电器上。

在端电池组件的另一方面，每个非活性阳极部分进一步包含双极板和设置在阳极集电器和双极板之间的镍箔层。

在端电池组件的另一方面，镍箔层结合到双极板上。

在端电池组件的另一方面，每个非活性阳极部分进一步包括双极板和设置在阳极集电器和双极板之间的镍泡沫层。

在端电池组件的另一方面，镍泡沫层配置为当阳极集电器和双极板朝向彼此压缩时围绕阳极集电器变形。

在端电池组件的另一方面，每个非活性阳极部分进一步包括双极板和设置在阳极集电器和双极板之间的铜板。

在端电池组件的另一方面，每个非活性阳极部分进一步包括双极板和设置在双极板上的铜层，并且阳极集电器设置在双极板上与铜层相对的一侧。

在端电池组件的另一方面，分隔片是第一分隔片，每个非活性阳极进一步包括设置在铜层上的第二分隔片，并且铜层设置在双极板和第二分隔片之间。

在端电池组件的另一方面，端电池组件进一步包括邻近至少两个非活性阳极部分设置的阴极储槽，设置在与阴极储槽相对的一侧的第三非活性阳极部分，以及设置在第三非活性阳极部分与阴极储槽相对的一侧的活性阴极部分。端板是正极端板。

在端电池组件的另一方面，阴极储槽包括第一阴极集电器、邻近第一阴极集电器的第二阴极集电器、第一阴极以及设置在第一阴极和第二阴极集电器之间的第二阴极。

在端电池组件的另一方面，端电池组件进一步包括邻近至少两个非活性阳极部分设置的阴极储槽，以及设置在阴极储槽与至少两个非活性阳极部分相对的一侧的活性阳极部分。端板是负极端板。

在端电池组件的另一方面，阴极储槽包括第一阴极集电器、邻近第一阴极集电器的第二阴极集电器、第一阴极以及设置在第一阴极和第二阴极集电器之间的第二阴极。

另一实施例涉及燃料电池堆的端电池中的非活性阳极半电池，包括第一平面阴极和设置在第一平面阴极上的储槽。储槽包括设置在第二平面阴极上的阴极集电器。第二平面阴极设置在第一平面阴极和阴极集电器之间。

另一实施例涉及燃料电池堆的端电池中的非活性阳极半电池，包括设置在靠近阳极集电器的铜层。

另一实施例涉及燃料电池堆的端电池中的非活性阳极半电池，包括阳极集电器、双极板、以及设置在它们之间的镍层。

在非活性阳极半电池的一个方面，镍层是阳极集电器上的镍镀层。

在非活性阳极半电池的另一方面，镍层是镍泡沫板。

在非活性阳极半电池的另一方面，镍层是压缩在阳极集电器和双极板之间的镍基泡沫。

附图说明

图1是传统燃料电池组件的部件的示意图。

图2A是根据示例性实施例的熔融碳酸盐燃料电池堆的正极端的端电池组件的框图。

图2B是根据示例性实施例的熔融碳酸盐燃料电池堆的负极端的端电池组件的框图。

图3是根据示例性实施例的燃料电池堆的正极端和负极端的端电池组件的分解透视图。

图4A是沿图3的4A-4A线截取的燃料电池堆的正极端的端电池组件的剖视图。

图4B是沿图3的4B-4B线截取的图4A的端电池组件的剖视图，基本上垂直于图4A。

图5A是沿图3的5A-5A线截取的燃料电池堆的负极端的端电池组件的剖视图。

图5B是沿图3的5B-5B线截取的图5A的端电池组件的剖视图，基本上垂直于图5A。

图6A是根据示例性实施例的MCFC堆的正极端的端电池组件的框图。

图6B是根据示例性实施例的MCFC堆的负极端的端电池组件的框图。

图7A是根据示例性实施例的非活性阳极部分的剖视图。

图7B是沿图7A的7B-7B线截取的图7A的非活性阳极部分的剖视图，基本上垂直于图7A。

图7C是根据示例性实施例的非活性阳极部分的剖视图。

图7D是沿图7C的7D-7D线截取的图7C的非活性阳极部分的剖视图，基本上垂直于图7C。

图7E是根据示例性实施例的非活性阳极部分的剖视图。

图7F是沿图7E的7F-7F线截取的图7E的非活性阳极部分的剖视图，基本上垂直于图7E。

图8A是根据示例性实施例的非活性阳极部分的剖视图。

图8B是沿图8A的8B-8B线截取的图8A的非活性阳极部分的剖视图，基本上垂直于图8A。

图8C是根据示例性实施例的非活性阳极部分的剖视图。

图8D是沿图8C的8D-8D线截取的图8C的非活性阳极部分的剖视图，基本上垂直于图8C。

图9A是根据示例性实施例的燃料电池堆的正极端的端电池组件的剖视图。

图9B是图9A的端电池组件的剖视图，基本上垂直于图9A。

图9C是根据示例性实施例的燃料电池堆的负极端的端电池组件的剖视图。

图9D是图9C的端电池组件的剖视图，基本上垂直于图9C。

图10A是根据示例性实施例的燃料电池堆的正极端的端电池组件的剖视图。

图10B是图10A的端电池组件的剖视图，基本上垂直于图10A。

图10C是根据示例性实施例的燃料电池堆的负极端的端电池组件的剖视图。

图10D是图10C的端电池组件的剖视图，基本上垂直于图10C。

具体实施方式

参考图1，传统燃料电池2的示意图显示为包括阳极4、阴极6和设置在它们之间的电解质8。阳极集电器10靠近阳极4设置，使得阳极4设置在电解质8和阳极集电器10之间(例如，阳极集电器10和电解质8设置在阳极4的相对侧)。阳极集电器10配置为允许燃料从中通过。类似于阳极集电器10，阴极集电器12靠近阴极6设置，使得阴极6设置在电解质8和阴极集电器12之间(例如，阴极集电器12和电解质8设置在阴极6的相对侧)。阴极集电器12配置为允许氧气或者其它气体从中通过。

在MCFC中，碳酸盐电解质可以包括在惰性陶瓷材料(诸如铝酸锂)的颗粒基质中的碱金属碳酸盐材料，诸如碳酸锂或碳酸钾。在MCFC的工作温度下，例如大约650℃(1200℉)，碳酸盐电解质是离子导电的熔融液体。

在燃料在阳极电极引入并且氧化剂在阴极电极引入的情况下，燃料在电极和电解质8之间的界面处的电化学反应中被氧化。这一反应在阳极4和阴极6之间释放电子流，从而将化学能转化为电能。阳极电极和阴极电极可以由在电池工作温度下具有足够活性的多孔金属(例如，多孔镍粉或者氧化镍)形成，使得阳极电极和阴极电极分别是阳极4和阴极6中反应的催化剂。

如图1所示，单个燃料电池2可以产生相对低的电压。为了产生更高的电压，单个燃料电池2可以串联布置成燃料电池堆(例如，如图3所示的燃料电池堆14)。参考图1，分隔板16设置成将堆中的每个燃料电池2与相邻的燃料电池2分开。根据示例性实施例，分隔板16可以由不锈钢或者另一合适的材料形成。

如本文所用，术语“端电池”限定为燃料电池中位于堆的正极(即阴极)端或者负极(即阳极)端的任何一个电池，每个燃料电池为堆提供结构终端。例如，如图3所示，燃料电池堆14包括正极端20和负极端22，并且在任何一端的燃料电池将被称为“端电池”。

在传统燃料电池中，至少部分电解质的量可能地从靠近燃料电池堆的正极端的电池中损失(即减少)，并且可能在靠近堆的负极端的电池中获得(即增加、减少等)。通常，至少两个过程导致在正极端或者正极端附近电解质的损失大于通常设置在堆的正极端和负极端之间的燃料电池的损失。一个过程是液体电解质爬电到邻近端电池的结构终端板上。例如，端板可以设置在堆的每一端上并且耦合到端电池。另一过程包括电解质的迁移，在此过程中，电解质在膜中沿着堆的表面向负极端流动。任何一个过程的结果是，靠近堆的正极端的燃料电池可能向中间电池(例如，设置在正极端和负极端之间的燃料电池)损失一定量的电解质，并且靠近负极端的燃料电池可能获得一定量的电解质。电解质迁移的影响在端电池中可能最为严重，端电池离堆的正极端和负极端最近。由于爬电和/或迁移，正极端的电解质损耗可能导致电解质基质中形成气穴。然后，气穴的形成导致端电池的内部电阻基本上不可逆的增加、显著的电压下降和/或端电池性能的长期恶化。此外，电解质向负极端的迁移可能导致负极端电池的溢流以及性能和/或长期稳定性的损失。

与燃料电池堆中的端电池相关联的另一问题是，由于燃料电池的各种部件在堆的工作温度下收缩或者变形，端电池中的电阻增加。例如，MCFC堆设计可以包括刚性的厚端板，适当的压缩负载力直接施加到端板上，以在堆内的邻近燃料电池和其它部件之间实现充分的密封和良好的导电性和导热性。在正常工作温度下，特别是在燃料电池堆的启动和关闭期间，在端板的相对表面之间可能形成温度梯度，导致端板变形。在堆的运行过程中，由于阴极收缩可能会出现额外的机械失配，例如在正极端的端电池处。随着堆的运行，这种收缩可能随着时间的推移而缓慢发生，或者可能突然发生。

阴极“半电池”可以由连接有阴极的波纹集电器形成。集电器在燃料电池的横截面上延伸。然而，阴极可以延伸小于整个区域，因为它不延伸到配置为形成湿密封的边缘。阴极的厚度(例如，高度)可以与湿密封的厚度匹配(例如，对应)，使得燃料电池可以在整个表面区域上保持平面的构造。在这一构造中，基本上平面的垫片(例如，由金属片或其它合适的材料形成)可以被插入到湿密封的翼片下方，以解决活性区域(例如，阴极所在的位置)和湿密封的厚度的差异。伴随着阴极收缩，电池上的压缩力可能从电池的活性部分转移到湿密封区域，有效地降低了阴极上的总压缩力。因此，活性区域中压缩力的减小可能导致端电池内不同位置处电接触的损失(即减少)，并且导致压缩力在燃料电池上的不均匀施加。一旦发生电接触损失，即使压缩力的原始分布得到纠正或者恢复，界面处的原始电导率也不太可能恢复。

现在参考图2A，示出了根据示例性实施例的正极端电池组件30(例如，燃料电池堆14的正极端20处的端电池)。非活性阳极部分32(例如，半电池)邻近堆14的正极端20的端板24设置。肋状电极储槽34(例如，槽)邻近非活性阳极部分32设置，并且第二非活性阳极部分32设置在储槽34的相对侧。活性阴极部分36设置在第二非活性阳极部分32与储槽34的相对的一侧，使得第二非活性阳极部分32设置在储槽34和活性阴极部分36之间。

现在参考图2B，示出了根据示例性实施例的负极端电池组件38(例如，燃料电池堆14的负极端22处的端电池)。非活性阳极部分32邻近堆14的负极端22的端板24设置。肋状电极储槽34(例如，槽)设置在非活性阳极部分32的相对侧上，邻近非活性阳极部分32。活性阳极部分40设置在储槽34与非活性阳极部分32的相对的一侧，使得储槽34设置在非活性阳极部分32和活性阳极部分40之间。

现在参考图3，示出了根据示例性实施例的包括两端的端电池的每一层的结构的MCFC堆14的分解透视图。首先，将参考图3、图4A和图4B的上部来描述燃料电池堆14中的正极端电池组件30的结构。参考附图，通常，在端板的边缘具有不均匀划线(即点划线)的虚线可以限定断边，使得端板或者其它结构可以继续经过该虚线。例如，端板可以关于虚线基本上对称，这种情况下的虚线可以形成对称轴。根据示例性实施例，端板的相对侧可以具有关于虚线对称的基本上相同的结构。靠近虚线的端板的结构可以在相对侧之间继续延伸(例如，限定图案)。

如图3、图4A和图4B所示，燃料电池堆14在两端终止于厚的刚性端板24(例如，由不锈钢形成)。将正极端板24与肋状电极储槽34分开的正极端电池组件30中的非活性阳极部分32包括泡沫阳极层44(例如，如图4B所示)和阳极集电器50(“ACC”)。

在非活性阳极部分32中，泡沫阳极层44邻近堆14的正极端20的端板24设置。泡沫阳极层44可以包括设置在两个基质条48(例如，垫圈)之间的镍泡沫非活性阳极46。镍泡沫阳极46用作端板24和肋状电极储槽34之间的导电分离界面。基质条48可以由多孔陶瓷或者其它合适的材料形成，并且设置在相对于还原气体流(例如，氢气)沿着镍泡沫阳极46的任何一侧，并且液体电解质8可以填充条48。通过用电解质8填充条48和阻止燃料气体流向别处，基质条48有助于同时保持流过堆14的氢气和氧气之间的气体密封。

在非活性阳极部分32中的泡沫阳极层44下方设置(例如，直接地)有ACC 50。根据示例性实施例，ACC 50可以由奥氏体不锈钢或者其它合适的材料形成。ACC 50含在双极板52的顶部凹槽内。根据示例性实施例，双极板52可以限定三维“S”形构造，尽管可以使用其它构造(例如，波纹状等)。双极板52限定了分别设置在沿着还原气体流的顶部凹槽54和沿着氧化气体流的底部凹槽56(如图4A和图4B所示)。根据示例性实施例，双极板52可以由镀镍奥氏体不锈钢形成，也可以使用其它合适的材料。“S”形双极板52的顶部凹槽54和底部凹槽56各自形成沿其两个边缘折叠在顶部凹槽54和底部凹槽56的一部分上的唇缘。如图所示，双极板52的上唇缘沿其平行于还原气体流的方向的边缘折叠在ACC 50上，并与镍泡沫阳极46的边缘匹配，使得泡沫阳极46直接设置在ACC 50上方、双极板52的顶部边缘之间。在该构造中，ACC 50可以与镍泡沫非活性阳极46直接接触，并且从该阳极收集电流。泡沫阳极层44中的两个基质条48都夹在双极板52的上唇缘和正极端20的端板24之间。

双极板52的中心部分将ACC 50与含在双极板底部凹槽56内的结构分开。泡沫阳极层44和ACC 50一起构成非活性阳极部分32，其将端板24与储槽34分开，下面将做更详细的描述。

双极板52的下唇缘沿其边缘、平行于氧化气体流的方向折叠在底部凹槽56之下。然而，不同于由双极板52形成的ACC 50完全设置在其中的顶部凹槽54，双极板52的底部凹槽56含有柔软的、柔性阴极集电器(“CCC”)60和肋状阴极64两者。根据示例性实施例，CCC60可由奥氏体不锈钢、超级合金或者其它合适的材料形成，并且沿着下唇缘的长度、基本上平行于氧化气体流设置在下唇缘和双极板52的中心部分之间。CCC 60是柔性的、有弹性的，并且配置为在燃料电池堆14的工作温度下适应端电池的机械变化之后恢复到其原始形状(即，外形)。为了保持CCC60和双极板52之间的接触，金属垫片62可以沿着下唇缘的长度设置在CCC 60和下唇缘之间。相对于端电池的活性区域，CCC 60可以具有较低的屈服应力和较低的弹簧系数(例如，大约低于50％)。柔性的且有弹性的CCC 60可通过屈服于压缩力和适应由于燃料电池堆14在运行期间的深度热循环而导致的端电池(例如，阴极64)中的机械变化，以及通过在压缩后符合所需形状，来减少或者消除端电池中的接触损失。

如上所述，双极板52的底部凹槽56中的柔软、柔性的CCC 60和由非活性阳极部分32提供的导电分离界面的组合效果是避免接触损失和避免端电池内相应的基本上不可逆的电阻增加，特别是相对于燃料电池堆14的正极端20，其中机械失配的可能最大。

肋状(例如，波纹状)阴极64也可以设置在双极板52的底部凹槽56中。根据示例性实施例，肋状阴极64可以由镍形成，并且如图3所示，限定了结构峰和结构谷。阴极64的肋状结构为氧化气体提供了通道以流过并且均匀氧化镍材料，其中肋状阴极64主要由该镍材料形成。双极板52的下唇缘在基本上平行于氧化气体流的方向的CCC 60的条下面折叠，与肋状阴极64的边缘匹配，使得肋状阴极64设置在CCC 60的条和双极板52的下唇缘部分之间，并且直接在平面阴极层68之上。肋状阴极64的峰可以与平面阴极70直接接触。根据示例性实施例，平面阴极70可以基本上由镍形成。

基质条72设置在平面阴极70的相对侧，在双极板52的下唇缘部分之下，并且可以具有类似于泡沫阳极层44中基质条48的结构，如上所述。如同在泡沫阳极层44中一样，基质条72填充液体电解质8。然而，在目前描述的平面阴极层70中，基质条72可以设置在基本上平行于氧化气体流动的方向。

肋状阴极64和平面阴极70的组合在燃料电池堆14的正极端22起到电极储槽34的作用。如上所述，在运行过程中，熔融电解质8材料倾向于向堆的负极端22迁移。根据示例性实施例，肋状阴极64可以由具有约65％孔隙率的基本上为镍的材料形成。根据另一示例性实施例，平面阴极70可以由具有高达70％孔隙率的基本上镍形成。端电池中的肋状阴极64和平面阴极70结构可以保留大量电解质8材料，从而减缓电解质8从堆14的正极端20的迁移和损失。

如图4B所示，设置在肋状电极储槽34下方的第二非活性阳极部分32将电极储槽34与活性阴极部分36分开。正极端电池组件30中的第二非活性阳极部分32可以具有与另一(即第一)非活性阳极部分32基本上相同的结构。例如，第二非活性阳极部分32可以包括基本上类似于泡沫阳极层44的泡沫阳极层84，和具有夹在相对的基质条88(即垫圈)之间的泡沫阳极86，以及在第二三维“S”形双极板92的顶部凹槽94中的ACC 90。

为了隔离例如通过电极储槽34的氧气流和通过第二非活性阳极部分32的氢气流，在电极储槽34和第二非活性阳极部分32之间设置片76(例如，由310不锈钢形成)，以至少将储槽34和第二非活性阳极部分32部分地流体分离。根据一个示例性实施例，钢片76的边缘可以镀铝以防腐蚀。

CCC 98设置在第二非活性阳极部分32的下方的第二“S”形双极板92的底部凹槽96中。根据示例性实施例，CCC 98可以由奥氏体不锈钢材料形成，并且具有与双极板52的顶部凹槽54中的ACC 50和双极板92的顶部凹槽94中的ACC 90基本上相似的结构。根据示例性实施例，CCC 98可以占据双极板92的整个底部凹槽96，并且位于氧化气流的路径中。根据另一示例性实施例，CCC 98的柔量或者弹性可以具有柔软的CCC 60的柔量或者弹性的大约一半。

在正极端电池组件30的底端，平面阴极100(例如，标准的阴极或者传统的阴极)可以设置在CCC 98的正下方，夹在第二双极板92的下唇缘部分之间。根据示例性实施例，阴极100可以基本上由镍形成，并且在熔融碳酸盐燃料电池堆14中的正极端电池30和第一常规燃料电池2之间提供界面。

负极端电池组件38的结构可以基本上类似于上述正极端电池组件30的结构，但是仅包括一个非活性阳极部分32，这将在下文关于图3、图5A和图5B的下部进行更详细的描述。

在负极端电池组件38中，通常如图2B所示，非活性阳极部分32在负极端22与端板24邻接，将端板24与肋状电极储槽(即，槽)34分开。参考图3的下部以及图5A和图5B中所示的负极端电池组件38的详细视图，非活性阳极部分32进一步包括泡沫阳极层144和ACC150，除此之外，也可能与正极端电池组件30中的非活性阳极部分32基本上相同。然而，在负极端电池组件38中，泡沫阳极层144可以包括镍泡沫阳极146和紧邻负极端板24的基质条148(例如，垫圈)。在这一构造中，泡沫阳极层144设置在ACC 150的下方，而不是像在正极端电池组件30中那样设置在ACC 50的上方。正如将要讨论的那样，具有相同术语和相似附图标记的元件可能基本上相同。

ACC 150含在单层双极板152的凹槽156中，该双极板仅具有在ACC 150下方沿着其基本上平行于还原气体流方向的边缘折叠的下唇缘。如图所示，下唇缘与泡沫阳极层144中的镍泡沫阳极146的边缘相接，使得泡沫阳极146直接设置在ACC150的下方，在单层双极板152的下唇缘部分之间。在这一构造中，ACC 150与镍泡沫阳极146直接接触，并且从该阳极收集电流。泡沫阳极层144中的基质条148可以夹在双极板152的下唇缘部分和负极端22的端板24之间。如图5A和图5B所示，由导电金属(例如，银)制成的条可以设置在基质条148和负极端22的端板24之间，以便对端板表面提供腐蚀保护。负极端电池组件38中的非活性阳极部分32由此在端板24和肋状电极储槽34之间提供一个导电分离界面，这将在下面进一步描述。

单层双极板152的顶部将非活性阳极部分32的ACC 150与在其正上方的肋状电极储槽34中的平面阴极层168分开。与正极端电池组件30中的肋状电极储槽34相似，负极端电池组件38中的储槽34包括平面阴极170和肋状阴极164。平面阴极层168包括平面阴极170(例如，由镍形成)和设置在平面阴极170的每一侧上的两个基质条172，其夹在如上所述的非活性阳极部分32中的单层双极板152的顶部和“S”形双极板192的下唇缘部分之间。平面阴极层168中的基质条172设置在基本上平行于氧化气流的方向上，使得基质条可以密封氧气和还原气体。

根据示例性实施例，负极端电池组件38中的“S”形双极板192具有与正极端电池组件30中的双极板52和双极板92基本上相同的结构，因为其限定了分别沿着还原气体流和氧化气体流设置的顶部凹槽194和底部凹槽195。双极板192的顶部和底部各自形成沿其两个边缘折叠在各自的顶部凹槽194和底部凹槽195的一部分上的唇缘。“S”形双极板192的下唇缘沿其边缘、基本上平行于氧化气体流的方向折叠在底部凹槽195之下。与正极端电池组件30的电极储槽34中的双极板52的底部凹槽56相似，负极端电池组件38的电极储槽34中的双极板192的底部凹槽195可以包括柔性的、柔软的CCC 160和肋状阴极164两者。在这一构造中，CCC 160沿着下唇缘的长度、平行于氧化气体流设置在下唇缘和双极板192的中心部分之间的底部凹槽195中。肋状阴极164也设置在双极板192的底部凹槽195中。如同在正极端电池组件30的电极储槽34中一样，阴极164的肋状结构为氧化气体提供了通道以流过并且均匀氧化镍材料，其中肋状阴极164主要由该镍材料形成。双极板192的下唇缘在基本上平行于氧化气体流的方向的CCC 160的柔软的柔性条下面折叠，与肋状阴极164的边缘匹配，使得肋状阴极164设置在CCC 160的条和双极板192的下唇缘部分之间。在所有其它方面，负极端电池组件38中的肋状电极储槽34的结构可以与正极端电池组件30中的肋状电极储槽34的结构基本上相同。

双极板192的底部凹槽195中的柔软的、柔性的且有弹性的CCC 160和由非活性阳极部分32提供的导电分离界面的组合可以在负极端电池组件38中提供与在正极端电池组件30中相同或者相似的优点。例如，该组合可以限制负极端电池组件38内的接触损失和限制相应的基本上不可逆的电阻增加。

在负极端电池组件38中，肋状阴极164和平面阴极170的组合在燃料电池堆14的下端提供了电解质储槽34。如上文关于燃料电池堆14运行中固有的各种问题所讨论的那样，在运行期间，熔融电解质8材料倾向于向堆14的负极端22迁移。根据示例性实施例，肋状阴极164和平面阴极170可以由与正极端电池组件30中的电解质储槽34基本上相同的材料形成，且具有高达70％的孔隙率。可以使用更高孔隙率的阴极，但是可能导致在运行过程中更大的厚度减小。然而，在负极端电池组件38中，肋状阴极164和平面阴极170用作电解质8材料的槽或者海绵。储槽34吸收熔融电解质8并保持在其上，从而防止堆14的负极端22被淹没和/或腐蚀。与正极端电池组件30中的肋状电极储槽34相结合，负极端电池组件38中的肋状电极储槽34可以显著减缓熔融电解质燃料电池堆14运行期间电解质8的迁移和损失。在正极端电池组件30和负极端电池组件38两者中，各种端电池组件的另一优点是，柔软的、柔性的且有弹性的CCC 60、CCC 160与肋状阴极和平面阴极的组合在肋状电极储槽或者槽中提供了用于保持端电池的活性区域中的电接触的更柔软的、更柔性的且更具有弹性的湿密封。

根据示例性实施例，ACC 190可以设置在负极端电池组件38中的电极储槽34上方、三维“S”形双极板192的顶部凹槽194内。如图所示，双极板192的上唇缘沿其基本上平行于还原气体流的方向的边缘折叠在ACC 190上，并与阳极200的边缘匹配(例如，标准的阳极或者传统的阳极)，使得阳极200直接设置在ACC 190上方、双极板192的顶部边缘之间。因此，ACC 190可以与阳极200直接接触，并且从该阳极收集电流。根据示例性实施例，阴极200可以由镍基合金形成，并且在MCFC堆14中的负极端电池组件38和最后一个常规燃料电池2之间提供界面。

图6A和图6B类似于图2A和图2B，使得相似的附图标记表示相同或者相似的部件。现在参考图6A，示出了根据示例性实施例的正极端电池组件230(例如，燃料电池堆14的正极端20处的端电池)。至少两个(例如，第一和第二)非活性阳极部分232(例如，半电池)邻近堆14的正极端20的端板224设置。阴极储槽234(例如，槽)邻近至少两个非活性阳极部分232设置，并且第三非活性阳极部分232设置在储槽234的相对侧。活性阴极部分236(例如，半电池)设置在第三非活性阳极部分232与阴极储槽234的相对的一侧，使得第三非活性阳极部分232设置在储槽234和活性阴极部分236之间。

现在参考图6B，示出了根据示例性实施例的负极端电池组件238(例如，燃料电池堆14的负极端22处的端电池)。至少两个(例如，第一和第二)非活性阳极部分232邻近堆14的负极端22的端板224设置。阴极储槽234(即槽、肋状电极槽)设置在邻近至少两个非活性阳极部分232，且在至少两个非活性阳极部分232与端板224相对的一侧上。活性阳极部分240(例如，半电池)设置在储槽234与至少两个非活性阳极部分232的相对的一侧，使得储槽234设置在至少两个非活性阳极部分232和活性阳极部分240之间。

与图2A相反，图6A中的正极端电池组件230包括额外的非活性阳极部分232。类似地，与图2B相反，图6B中的负极端电池组件238包括额外的非活性阳极部分232。在这些构造中，额外的非活性阳极部分232的存在至少部分地共同阻止燃料旁路通过非活性阳极部分232，并且因此通过端电池组件230、端电池组件238。通过减少端电池组件230、端电池组件238中的燃料旁路(否则其可表征为燃料损失)，用于电化学反应的可用燃料量在燃料电池堆14的其余部分中增加。

根据其它示例性实施例，尽管图6A和图6B示出了至少两个非活性阳极部分232包括仅两个非活性阳极部分232，但是可以包括更多的非活性阳极部分232。随着非活性阳极部分232的数量增加(例如，插入更多层的非活性阳极部分232)，非活性阳极部分232和邻近阴极储槽234之间的接触在压缩状态下得到改善。然而，增加非活性阳极部分232的数量也可以增加燃料电池堆14中的电阻，从而限制可以添加的额外非活性阳极部分232的数量，而不损害堆14的容量。

通常如图7A-7F所示，根据各种示例性实施例，示出了镍镀层施加到非活性阳极部分232上。在图7A-7F所示的这些构造或者其它包含镍成分的构造中，镍的存在可以提高非活性阳极部分232中热分布的稳定性。例如，镍镀层或者部件可以更有效地分配热量，从而减缓由于不均匀的热分布而导致的端电池内的变形。参考图7A和图7B，镍镀层249(例如，覆层)可以施加到ACC 250上，使得ACC 250通过镍镀层249接触双极板252。在这一构造中，镍镀层可以最好地减少跨越ACC 250的峰和谷的热变化。类似地，如图7C和图7D所示，镍箔层251可以设置在ACC 250和双极板252之间。这一镍箔层251可以分离或者结合到ACC 250和双极板252中的至少一个。在这一配置中，镍镀层可以最好地减少跨越双极板252的热变化，并且可以配置为在其基本上整个横截面区域上接合双极板252。在上述构造或者其它构造中，镍镀层可以结合(例如，烧结)到ACC 250或者双极板252中的至少一个。现在参考图7E和图7F，镍泡沫层253可以设置在ACC 250和双极板252之间。例如，镍泡沫层253可以配置为围绕ACC 250变形，使得当ACC 250和双极板252朝向彼此压缩时，镍泡沫层253围绕ACC 250变形。镍泡沫层253可以在基本上整个横截面区域接合双极板252。镍泡沫层253可以围绕ACC250变形，部分填充限定在ACC 250邻近的峰之间的空隙(例如，谷)。根据其它示例性实施例，非活性阳极部分232可以包括额外的密封装置。例如，非活性阳极部分232可以包括在靠近燃料入口和/或燃料出口的边缘处的密封嵌缝或者基本上不渗透的轨道。在这一构造中，燃料旁路(例如，燃料绕过，而不是通过燃料电池2)可能在通过每个非活性阳极部分232时被减少或者消除。

对于图7A-7F所示的每种构造，金属分隔片276和与具有位于它们之间的镍泡沫阳极246的相对的基质条248可以设置在ACC 250的顶部，如图4A和图4B所示。在这一构造中，ACC 250和镍层249、镍层251、镍层253设置在由“S”形双极板252限定的凹槽254中。

通常如图8A-8D所示，根据各种示例性实施例，非活性阳极部分232可以包括铜层255(例如，板)。通常，铜层255可配置为改善通过非活性阳极部分232或者端电池组件230、端电池组件238中的至少一个的电流。如同上面讨论的镍镀层那样，铜层255也可以改善非活性阳极部分232内的热分布。端板224的结构可导致端电池组件230、端电池组件238中的电流偏置。鉴于铜的高导电特性，在非活性阳极部分232(例如，设置在ACC 250和双极板252之间)中铜层255的存在可以增加通过其中的电流。参考图8A和图8B，非活性阳极部分232包括设置在ACC 250和双极板252之间的铜板255。在这一构造中，铜板255可以基本上覆盖ACC250和双极板252中的至少一个的整个横截面区域。具体地，关于图8A和图8B，ACC 250和铜板255设置在由“S”形双极板252限定的凹槽254中。

参考图8C和8D，铜板255可以设置在非活性阳极部分232的外侧并且直接在其上。例如，铜板255可以设置在双极板252和第二分隔片276之间的两个相对的基质条248(例如，垫圈)之间。基质条248可以设置在邻近铜板255、并且在ACC250和金属分隔片276之间。基质条248可以在ACC 250、双极板252和端电池组件230、端电池组件238的外表面(例如，边缘)中的至少两个之间提供额外的密封。在这一构造中，铜板255覆盖的区域小于ACC 250和双极板252中的每一个的整个横截面区域。根据其它示例性实施例，铜板255可以设置在端电池之间的其它燃料电池2中，以改善那些燃料电池2中的电流和/或热分布。根据其它示例性实施例，除了基质条248之外或者代替该基质条的情况，非活性阳极部分232可以以其它方式密封。例如，非活性阳极部分232可以包括在靠近燃料入口和/或燃料出口的边缘处的密封嵌缝或者基本上不渗透的轨道。在这一构造中，燃料旁路可能在通过每个非活性阳极部分232时被减少或者消除。虽然图8A-8D示出了靠近ACC 250设置的铜板255，但是根据其它示例性实施例，铜板255可以靠近CCC 260(未示出)设置。

对于图8A-8D所示的每种构造，金属分隔片276和具有位于它们之间的镍泡沫阳极246的相对的基质条248可以设置在ACC 250的顶部，如图4A和图4B所示。

通常如图9A-9D所示，根据示例性实施例，端电池组件230、端电池组件238可以包括电极储槽234。现在参考图9A和图9B，示出了根据示例性实施例的正极端电池组件230。正极端电池组件230可以类似于图4A和图4B中所示的正极端电池组件30，使得相似的附图标记表示相同或者相似的部件。然而，与图4A和图4B相反，正极端电池组件230的电极储槽234可以包括第二平面阴极271和代替肋状阴极64或者除了该肋状阴极之外的第二CCC 261。第二平面阴极271可以设置在阴极270的顶部，并且第二CCC 261可以设置在第二阴极271的顶部并且邻近CCC 260。在这一构造中，第二平面阴极271设置在阴极270和第二CCC 261之间。根据示例性实施例，第二阴极271可以邻近金属垫片262设置。

类似于正极端电池组件30，图9A和图9B中所示的正极端电池组件230包括金属分隔片276，其设置在电极储槽234和泡沫阳极层284之间，与以上讨论的泡沫阳极层84和泡沫阳极层44基本上相同。例如，图9A和图9B示出了第二非活性阳极部分232，其具有基本上类似于泡沫阳极层84的泡沫层284，和具有夹在相对的基质条288(即垫圈)之间的泡沫阳极286，以及在第二三维“S”形双极板292的顶部凹槽294中的ACC 290。

如图9C所示，正极端电池组件230包括第一CCC 260和第二CCC 261两者，尽管根据其它示例性实施例，其可以包括更多或者更少的CCC 260、CCC 261。例如，正极端电池组件230可以包括一个基本上覆盖负极端电池组件238的整个横截面区域的CCC 260。根据另一示例性实施例，第一CCC 260和第二CCC 261中的一个或者两个可以基本上是柔软的(即柔性的)，使得第一CCC 260和第二CCC 261可以被压缩以与堆14的周围壁或者正极端电池组件230内的其它部件形成湿密封。

现在参考图9C和图9D，示出了根据示例性实施例的负极端电池组件238。负极端电池组件238可以类似于图5A和图5B中所示的负极端电池组件38，使得相似的附图标记表示相同或者相似的部件。然而，与图9A和图9B相似并且与图5A和图5B相反，负极端电池组件238的电极储槽234可以包括第二平面阴极271和代替肋状阴极64或者除了该肋状阴极之外的第二CCC 261。第二平面阴极271可以设置在阴极270的顶部，并且第二CCC 261可以设置在第二阴极271的顶部并且邻近CCC260。在这一构造中，第二平面阴极271设置在阴极270和第二CCC 261之间。根据示例性实施例，第二阴极271可以邻近金属垫片262设置。如图9C所示，负极端电池组件238包括第一CCC 260和第二CCC 261两者，尽管根据其它示例性实施例，其可以包括更多或者更少的CCC 260、CCC 261。例如，负极端电池组件238可以包括一个基本上覆盖负极端电池组件238的整个横截面区域的CCC 260。根据另一示例性实施例，第一CCC 260和第二CCC 261中的一个或者两个可以基本上是柔软的(即柔性的)，使得第一CCC 260和第二CCC 261可以被压缩以与堆14的周围壁或者负极端电池组件238内的其它部件形成湿密封。

类似于负极端电池组件38，图9C和图9D中所示的正极端电池组件238包括与双极板152基本上类似的双极板352。基本上类似于泡沫阳极层144的泡沫阳极层344设置在双极板352和负极端板224之间，并且包括镍泡沫阳极346和在其相对侧上邻近镍泡沫阳极346的相对的基质条348(例如，垫圈)。泡沫阳极层344中的基质条348可以夹在双极板352的下唇缘部分和端板224之间。

关于图9A-9D，平面的第二阴极271和第二CCC 261的组合仍可用作电极储槽234，但可导致电解质8相对于肋状阴极64的迁移增加。然而，平面的第二阴极271和第二CCC 261限定了小于肋状阴极64的总高度，使得用平面的第二阴极271和第二CCC 261替换肋状阴极64减小了端电池组件230、端电池组件238的总高度和体积，从而减小了燃料电池堆14的总封装空间。此外，这种改变可以通过限制堆14中容纳的零件的数量以及制造时需要储存的形状来降低制造端电池组件230、端电池组件238的成本和复杂性。例如，平面的第二阴极271可以与第一阴极270基本上相同，并且第二CCC 261可以与第一CCC 260基本上相同。

就电解质8的迁移通过包括平面的第二阴极271和第二CCC 261而增加的程度而言，端电池组件230、端电池组件238可以根据本申请中描述的其它示例性实施例进行修改。例如，如图10A和图10B所示，正极端电池组件230可以包括额外的非活性阳极部分232和/或铜层255(未示出)中的至少一个。类似地，如图10C和图10D所示，负极端电池组件238可以包括额外的非活性阳极部分232和/或铜层255(未示出)中的至少一个。根据其它示例性实施例，电解质8的迁移可以以其它方式减少。

应当注意的是，在SOFC的燃料电池堆14中，电解质是固体，因此通常不会发生电解质迁移。在SOFC构造中，阴极储槽234不作为电解质槽。有或者没有阴极储槽234都可以形成堆14。然而，在SOFC构造中，堆14仍可包括如上所述的铜层255、非活性阳极部分232、镍镀层249、镍箔层251和/或镍泡沫阳极246中的至少一个，因为这些结构中的每一个都改善了端电池组件230、端电池组件238中的接触。

本文所使用的，术语“大约”、“约”、“基本上”和类似的术语旨在具有与本公开主题所属领域的普通技术人员普遍接受的用法相一致的广泛含义。阅读本公开的本领域技术人员应当理解的是，这些术语旨在允许描述所描述的和要求保护的某些特征，而不将这些特征的范围限制在所提供的精确数值范围内。因此，这些术语应解释为指示所描述的和要求保护的主题的非实质性或者无关紧要的修改或者变更认为在如所附权利要求所述的本公开的范围内。

应当注意的是，本文用于描述各种实施例的术语“示例性”旨在表示此类实施例是可能实施例的可能示例、表示和/或说明(并且此类术语并不意味着此类实施例必然是非常或者最高级的示例)。

本文使用的术语“耦合”、“连接”等是指两个构件直接或者间接彼此连接。此类连接可以是固定的(例如，永久的)或者活动的(例如，可移动的或可释放的)。此类连接可以通过两个构件或者两个构件和任何额外的中间构件彼此整体形成为单个整体来实现，或者通过两个构件或者两个构件和任何额外的中间构件彼此连接来实现。

本文对元件位置的引用(例如，“顶部”、“底部”、“上方”、“下方”等)仅用于描述附图中各种元件的方向。应当注意的是，根据其它示例性实施例，各种元件的取向可以不同，并且此类变化旨在被本公开所包含。

应该理解的是，尽管已经关于本发明的优选实施例描述了本发明，但是本领域技术人员可以认识到在本发明的范围和精神内的各种其他实施例和变型，并且此类其它实施例和变形旨在由相应的权利要求覆盖。本领域的技术人员将容易理解，在不显著偏离本文描述的主题的新颖性教导和优点的情况下可进行许多修改(例如，在各种元件的大小、尺寸、结构、形状和比例，参数值，安装布置，材料使用，颜色，取向等方面的改变)。例如，根据替代实施例，可以改变或者重排任何过程或者方法步骤的顺序或次序。在不脱离本公开的范围的情况下，还可以对各种示例性实施例的设计、操作条件和布置进行其它替换、修改、改变和省略。

Claims (15)

1.一种用于燃料电池堆的端电池组件，包含：

端板；以及

至少两个非活性阳极部分，其邻近所述端板设置；

其中每个非活性阳极部分包含直接设置在阳极集电器上方的镍泡沫阳极和设置在所述镍泡沫阳极上方的分隔片。

2.根据权利要求1所述的端电池组件，其中每个非活性阳极部分进一步包含设置在所述阳极集电器上的镍镀层。

3.根据权利要求2所述的端电池组件，其中：

每个非活性阳极部分进一步包含双极板，并且

所述阳极集电器通过所述镍镀层接触所述双极板。

4.根据权利要求2所述的端电池组件，其中所述镍镀层结合到所述阳极集电器。

5.根据权利要求1所述的端电池组件，其中每个非活性阳极部分进一步包含双极板和设置在所述阳极集电器和所述双极板之间的镍箔层。

6.根据权利要求5所述的端电池组件，其中所述镍箔层结合到所述双极板。

7.根据权利要求1所述的端电池组件，其中每个非活性阳极部分进一步包含双极板和设置在所述阳极集电器和所述双极板之间的镍泡沫层。

8.根据权利要求7所述的端电池组件，其中所述镍泡沫层配置为当所述阳极集电器和所述双极板朝向彼此压缩时围绕所述阳极集电器变形。

9.根据权利要求1所述的端电池组件，其中每个非活性阳极部分进一步包含双极板和设置在所述阳极集电器和所述双极板之间的铜板。

10.根据权利要求1所述的端电池组件，其中：

每个非活性阳极部分进一步包含双极板和设置在所述双极板上的铜层；并且

所述阳极集电器设置在所述双极板上与所述铜层相对的一侧。

11.根据权利要求10所述的端电池组件，其中：

所述分隔片为第一分隔片；

每个非活性阳极进一步包含设置在所述铜层上的第二分隔片；

所述铜层设置在所述双极板和所述第二分隔片之间。

12.根据权利要求1至11中任何一项所述的端电池组件，进一步包含：

阴极储槽，其邻近所述至少两个非活性阳极部分设置；

第三非活性阳极部分，其设置在与所述阴极储槽相对的一侧；并且

活性阴极部分，其设置在所述第三非活性阳极部分与所述阴极储槽相对的一侧；

其中所述端板是正极端板。

13.根据权利要求12所述的端电池组件，其中所述阴极储槽包含：

第一阴极集电器；

第二阴极集电器，其邻近所述第一阴极集电器；

第一阴极；以及

第二阴极，其设置在所述第一阴极和所述第二阴极集电器之间。

14.根据权利要求1-11中任何一项所述的端电池组件，进一步包含：

阴极储槽，其邻近所述至少两个非活性阳极部分设置；以及

活性阳极部分，其设置在所述阴极储槽与所述至少两个非活性阳极部分相对的一侧；

其中所述端板是负极端板。

15.根据权利要求14所述的端电池组件，其中所述阴极储槽包含：

第一阴极集电器；

第二阴极集电器，其邻近所述第一阴极集电器；

第一阴极；以及

第二阴极，其设置在所述第一阴极和所述第二阴极集电器之间。

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