CN1300888C - 用于直接内部重整型燃料电池的波纹集电器 - Google Patents

Abstract

一种具有依次间隔开的波纹行的燃料电池波纹集电器，其中，给定行中的波纹沿着给定行建立连续的波峰和波谷区域，并且间隔开的波纹行适合于使每行的相应波峰区域建立用于容纳和支撑固体催化剂元件的通道。间隔开的波纹行在连续的波峰区域之间有给定的节距。所述行中的波纹同样为：每行之间的相应波峰区域具有小于节距50%的有限偏移。这在集电器中建立用于容纳和支撑固体催化剂元件的多个通道，每个通道逐行延伸。而且，所述偏移是基于催化剂尺寸的，并且设置得使所述波纹啮合催化剂元件。

Description

用于直接内部重整型燃料电池的波纹集电器

技术领域

本发明涉及用于燃料电池的集电器电极支架。更具体地，本发明涉及用于高温、内部重整的平面燃料电池的波纹集电器。

背景技术

燃料电池是借助电化学反应把储存在诸如氢或甲烷的燃料中的化学能直接转换为电能的器件。它不同于传统的发电方法，在传统方法中，必须首先燃烧燃料以产生热，接着把热转换为机械能，并最终转换为电。燃料电池所用的更直接的转换工艺在提高效率和减少污染物排放方面比传统方法有更显著的优势。

通常，燃料电池与电池相似，包括由电解质分隔开的负(阳)极和正(阴)极，其中，电解质用于在阳极和阴极之间传导带电离子。然而，与电池相反，只要燃料和氧化剂分别提供给阳极和阴极，燃料电池就持续产生电能。为了实现这点，在阳极和阴极附近提供气体流场，通过气体流场提供燃料和氧化剂。为了产生有用的功率电平，必须连续地堆叠大量的单个燃料电池，并且在每个电池之间有导电隔板。

在内部重整型燃料电池中，蒸汽重整催化剂放置在燃料电池组的内部，以允许直接使用燃料电池内的碳氢化合物燃料(如沼气、煤气等)，而不需要昂贵复杂的外部重整设备。已经使用两种形式的内部重整。通过在电池组内部的隔离室内放置重整催化剂，并且把重整后的气体从此室引到每个燃料电池的阳极室而实现间接内部重整。通过在每个燃料电池的活性阳极室内放置重整催化剂而实现直接内部重整。此催化剂接着用燃料电池电化学反应形成的蒸汽而重整燃气，并且可获得非常高的重整效率和燃料利用率。

由于各种理由，用于阳极室和催化剂支架的具体几何形状是重要的。几何形状应该选择得使燃料流的压降最小，因为压力越高就需要更额外的功率，并导致系统效率更低。另外，对于具有许多电池的电池组，电池与电池之间流动限制的较小变化对于保证每个电池容纳相同的燃料流并由此以相同的燃料利用率进行操作是至关重要的。由于燃料电池组的效率受容纳最少量燃料的各个电池的限制，因此，均匀的燃料流对于实现最大的燃料利用率和电池组电效率是非常重要的。

燃料电池中涉及直接内部重整催化剂的一个主要特征是电池的有效寿命。随着电池老化，由于通道内的电解质蒸汽的中毒效应，阳极室内重整催化剂的活性衰减。此活性衰减降低催化剂的效用和电池的重整效率。这又降低电池的电效率，因为可用于电化学反应的重整燃料更少。由于催化剂的效用直接与可用于重整的催化剂质量相关，因此，提高重整效率和电池寿命的一种方式是增加阳极室中的催化剂质量。

用于形成燃料电池的燃料和氧化剂流场的组件的另一重要特性是所述组件对活性电池组件(即阳极、阴极和矩阵)施加均匀压力的能力。均匀的压力对于保证电池活性区域上均匀的接触电阻以及减小操作过程中在电池组件之间形成间隙的可能性是重要的。

直接内部重整催化剂还必须避免被包含液体电解质的相邻阳极通过电解质毛细作用而去活化。保护催化剂的一种方法是设计波纹集电器，以使它屏蔽催化剂，所述波纹集电器作为电解质从相邻阳极组件移动的壁垒。

已经提出许多不同的组件几何形状，并且燃料电池制造商使用所述组件几何形状，以提供用于直接内部重整型燃料电池的燃料和氧化剂流场以及催化剂支架。美国专利4548876描述用于此目的的波纹集电器。在4548876专利的集电器中，颗粒材料放置在集电器波纹中，并且用于扩散和支撑。所述颗粒材料面向催化剂层，催化剂层又与活性电极邻接。颗粒材料优选由不导电氧化铝制成，但也可包括与催化剂层所用材料相同的材料。此几何形状受限于：活性电极的相当大的部分被颗粒材料阻塞，并且气体被迫在远离电极的阻塞处周围流动。

美国专利4983472描述具有多个波纹的波纹集电器，所述波纹形成以棋盘图案布置的在电池阴极侧上使用的凹窝。此配置通过允许气体更好地到达活性电极而表现出对4548876专利集电器的改进。然而，该配置在用于还包含直接内部重整催化剂的阳极室时具有局限性，所述催化剂为细长固体元件形状。由于是棋盘图案，这些催化剂元件可基本与燃气流基本正交地装载。这导致较高的流动限制，并且在电池之间流动限制方面容易有较大变化。

在4983472专利集电器中使用的凹窝棋盘图案的另一缺点是：当应用到阳极和阴极室时，由于在双极板中波纹支脚的周期性嵌套，在电池活性区域上导致压缩载荷更大规模的棋盘图案。此非均匀压力分布会导致电池接触电阻的变化。

在使用4983472专利集电器时关注的另一点涉及通过与流动方向正交地放置固体催化剂元件而形成的流场。所获得的几何形状的特征在于：与主要流动方向平行和正交的流阻几乎相等。这意味着，当气体在电池的高电流产生区域中产生时，允许横向膨胀，明显增强电池内的混合。然而，这还倾向于向电池的高电流产生区域提供甚至更新的燃料，导致电池内较高的电流密度和温度梯度。

美国专利5795665描述替代的波纹集电器设计，其中，集电器与隔板组合，形成气体通道和用于固体催化剂元件的支架。在此设计中，所有电池组件以波纹图案形成，并嵌套在一起。结果，形成电池组件是复杂的操作。另外，限制可用于重整催化剂元件的空间。

发明内容

从而，本发明的目的是提供一种新型的波纹集电器设计，它克服现有技术设计中的缺点。

本发明的另一目的是提供一种波纹集电器，它允许固体直接内部重整催化剂元件与气流主要方向基本平行地装载。

本发明的还一目的是提供一种波纹集电器，它允许使为固体重整催化剂元件提供的空间最大化。

本发明的又一目的是提供一种波纹集电器，它导致对电池活性组件更均匀的压力分布。

本发明的再一目的是提供一种波纹集电器，它导致图案流场几何形状的特征为较高的横向流阻和较低的轴向流阻，因而，使得电池内的电流和温度分布更加均匀。

本发明的另一目的是提供一种波纹集电器，它导致直接内部重整固体催化剂元件更好地与电池电解质屏蔽，并且使这些催化剂元件远离包含电极的电解质。

根据本发明的原理，在具有依次间隔开的波纹行的集电器中实现以上和其它的目的，并且，给定行中的波纹沿着给定行建立连续的波峰和波谷区域，并且间隔开的波纹行适合于使每行之间的相应波峰区域建立用于容纳和支撑固体催化剂元件的通道。

在后述的本发明实施例中，间隔开的波纹行为：在一行中的连续波峰区域之间有给定的节距，并且每行之间的波峰区域中有给定的偏移。具体地，选择偏移量为有限的，并且小于节距的50％，以便建立用于固体催化剂元件的多个通道。而且，进一步地，偏移量根据催化剂尺寸选择，并且使得波纹啮合催化剂元件。

附图说明

在阅读以下结合附图的详细描述时，本发明的以上和其它的特征和方面将变得更加清楚，在附图中：

图1示出根据本发明原理的波纹集电器的透视图；

图2示出如4983472专利中所描述类型的现有技术波纹集电器的透视图；

图3示出图1波纹集电器的端视图；

图4示出图2现有技术波纹集电器的端视图；

图5示出对于图1波纹集电器和图2现有技术波纹集电器的作为气流函数的测量压降；

图6绘出用于使用图1波纹集电器和图2现有技术波纹集电器的5000个电池的预测流阻分布；

图7示出对30电池组测量的流动非均匀性，示出的流动非均匀性小于+/-15％的变化，所述电池组由图1波纹集电器制成；

图8示出对30电池组测量的流动非均匀性，示出的流动非均匀性大于+/-30％的变化，所述电池组由图2现有技术波纹集电器制成；

图9示出位于双极隔板相邻的两相对侧上的阳极集电器和阴极集电器的透视图，以说明隔板上集电器的波峰区域的接触区域，其中，阳极集电器具有催化剂元件并具有图1的波纹集电器形式，阴极集电器也具有图1波纹集电器的形式。

图10示出用图1波纹集电器实现的接触图案的平面图，证实所获得分布的总体均匀性；

图11示出用图2现有技术波纹集电器实现的接触图案的平面图，证实获得高和低压力的棋盘图案；

图12示出在由图1波纹集电器制成的30燃料电池组的平面图中的测量温度分布，示出的温度范围为70℃；

图13示出在由图2现有技术波纹集电器制成的30燃料电池组的平面图中的测量温度分布，示出的温度范围为99℃；以及

图14示出使用本发明波纹集电器的燃料电池组的形成。

具体实施方式

图1示出根据本发明原理的波纹集电器1，如图所示，集电器1包括多个分隔开的波纹行2-7。每行波纹沿着波纹的长度方向建立连续的波峰和波谷区域P和V。对波纹行2-7标记P2、V2至P7、V7。

在特定波纹行中的连续波峰定义给定行的特定节距。在图示情形中，用于每行的节距都为相同的Pt。而且，每个波纹行2-7都与前面和后面的波纹行偏移有限的量，每行的偏移逐行交替反向。因而，波纹行3从波纹行2向右偏移，而波纹行4从波纹行3向左偏移。同样，在图示情形中，每行的偏移O都相同。

根据本发明的原理，波纹行的偏移O选择为小于节距Pt的50％。对于此偏移选择，波纹行2-7确定多个通道，每个通道都逐行延伸并且适于容纳和支撑固体催化剂元件。

更具体地，如图3所示，波纹行2-7确定通道11-14，每个通道容纳和支撑固体催化剂元件15。从图3可看到，催化剂元件15被建立相应通道的每个波纹的一段啮合。啮合元件15的连续段在元件的长度方向上延伸，由此提供所述元件经过集电器1所需要的支撑。

建立通道11-14，从而通道在与波纹行2-7长度横交的方向上延伸，这允许容纳在通道内的催化剂元件15也布置得与波纹的长度横交。当波纹集电器1用作直接内部重整型燃料电池的阳极一侧上的集电器时，催化剂元件15的此种定位具有显著的优点，在所述燃料电池中，催化剂元件15用作内部重整催化剂。

具体地，当用作此种阳极侧集电器时，催化剂元件15布置为与燃气的轴流动方向平行，从而为气体通道保持扩大的自由流动面积。在图3中可看到这些自由流动面积16。由于对燃料电池的燃气的流动限制是可用于气体的最小自由流动面积的函数，因此，与现有技术波纹集电器配置相比，集电器1的自由流动面积16导致燃气的流动限制明显更低。

这可通过比较集电器1的自由流动面积16和4983472专利中所述类型的现有技术波纹集电器的自由流动面积而看出。在图2中示出此种现有技术波纹集电器21，在集电器21中形成的波纹行22-27提供波峰和波谷区域PP和VV的棋盘图案。此棋盘图案是选择每行波纹之间偏移O1等于节距P1的50％的结果。

从图2可看出，对于采用现有技术集电器21作为阳极侧集电器，固体催化剂元件28必须沿波纹的长度方向布置，从而与气体流动方向横交。从图4所示的现有技术集电器21的端视图可看出，这导致自由流动面积29受到一定程度的限制。

由于自由流动面积29受到一定程度的限制，在使用现有技术集电器21的燃料电池中的气体流动限制几乎是本发明集电器1的四倍。这在图5中示出，图5描绘集电器1的测量压降与现有技术集电器21的测量压降的比较。

本发明的集电器1优选由适当材料(如不锈钢、因科镍合金、覆镍不锈钢等)的单板形成，所述材料与特定燃料电池兼容。所述材料用模具和冲床进行冲压，形成波谷区域或底脚以及波峰区域。冲压操作的深度确定所获得气体流场的高度。选择波谷区域的取向，使得在气体流动的轴向方向中，最少量的横截面积被波谷区域阻塞，以使气体流动限制最小。

选择波谷区域和压印图案的特定尺寸，在压缩载荷下获得足够的强度，并为气体到达活性电极而提供足够的通路面积。在确定波谷区域尺寸时另一个需考虑的因素是保证活性电极必须跨越的孔或空白区域不能大得使电极下沉到流场中。

接着，如上所述地选择节距Pt和偏移O，以获得前面讨论的优点。进而，基于催化剂元件15的直径而选择偏移O，可使催化剂直径最大，从而它的质量最大，由此使电池的有效寿命最长。如上所述，波峰区域也可制造得通过区域17而把催化剂元件15嵌入锁定到双极隔板上并远离包含电极的电解质。

由于现有技术集电器21的最小自由流动面积29明显受到催化剂直径的影响并且在制造厂内难以控制此直径，因此，在所制造的燃料电池中，现有技术集电器21的流动限制中的变化是明显的。然而，对于本发明的集电器1，最小自由流动面积16受催化剂直径的影响小得多，并且所得到的电池之间的流动限制变化大大降低。

图6示出Monte Carlo模拟的结果，此模拟使用压降数学模型并输入正态分布随机选择值来预测大量电池的流动限制。所述结果表明，对于使用本发明集电器1的电池，每个电池之间流动限制的分布比使用现有技术集电器21的电池的分布更紧密五到六倍。

图7和8示出对两个30电池组测量的流动分布，一个电池组用本发明集电器1制成，另一个用现有技术集电器21制成。这些结果在实验上证明用本发明集电器实现的流动不均匀性降低两到三倍。

如上所述，集电器1的波纹行之间的偏移O可从有限值(即，大于节距Pt的0％的值)变化到小于节距Pt的50％的值。这允许有不同直径的催化剂。而且，虽然节距的0％的偏移O允许使用最大直径的催化剂，但从以下两个原因考虑是不希望的。第一，催化剂会布置得非常靠近燃料电池的阳极，并有可能通过毛细作用从阳极直接带走液体电解质。第二，对于0％偏移，波纹对催化剂元件15的影响会受到损失，此影响对于保持催化剂在适当位置是有益的。

本发明的波纹集电器的另一个重要优点是用集电器实现所希望的接触分布。图9示出分别在燃料电池双极板93的阳极和阴极侧上使用的集电器91和92，集电器91和92配置得与图1的集电器1相似。从图中可看出，阳极侧集电器91支撑用于内部重整的催化剂元件94。

从图9可看出，由于集电器91和92的所述配置，阳极侧集电器91的波纹行91A、91C、91E和91G中的波谷区域在与阴极侧集电器92的波纹行92A、92C、92E和92G中的波谷区域接触双极板93的位置对齐的位置上接触双极板93。另一方面，阳极侧集电器91的波纹行91B、91D、91F和91H中的波谷区域在与阴极侧集电器92的波纹行92B、92D、92F和92H中的波谷区域接触双极板93的位置错开的位置上接触双极板93。

在阳极和阴极集电器的波纹的波谷区域不对齐的后者区域中，允许隔板93折曲，使得结构柔软。在所述波谷区域对齐的集电器区域中，隔板93被压缩，使得结构坚固。

图10和11分别示意性地示出对于本发明集电器所得到的阳极和阴极侧集电器的柔软和坚固区域的图案以及对于使用图2现有技术集电器所得到的相同区域的图案。从图10可看出，使用根据本发明集电器而形成的图案是基本均匀的，只有非常局部的点是对齐和错位的。另一方面，图11示出使用现有技术集电器获得的图案是更大比例的对齐棋盘图案，这导致大面积的高(30)和低(31)压力作用到活性电池组件上。

还通过与气体流动方向基本平行地放置重整催化剂而获得本发明集电器1的另一优点。对于与气体流动平行地装载催化剂，横向流动限制比轴向流动限制高得多(参见图1、3和4)。然而，对于与流动正交地装载催化剂，横向流动限制几乎与轴向流动限制相等(参见图2、9和10)。横向流动限制中的此差异导致使用本发明集电器的燃料电池的温度梯度比使用现有技术集电器的燃料电池的温度梯度更小。

更具体地，由于对于大面积燃料电池而言电流必须是不均匀的，因此，在阳极室中产生的气体也是不均匀的。对于使用本发明集电器的燃料电池，局部产生的气体不容易横向膨胀，从而使新燃料传送到电池的其它低电流区域。在使用现有技术集电器的燃料电池中，产生的气体允许横向膨胀，这导致高电流区域被馈送更多的新燃料，从而增加电流分布不匀。

结果是使用本发明集电器的燃料电池显示出比使用现有技术集电器的燃料电池更低的温度梯度。这可从图12和13提出的实验数据看到。这些图示出在分别使用本发明集电器1和现有技术集电器21的30电池组中执行的温度梯度数据。从图中看出，使用本发明集电器的电池组具有最大70℃的温度梯度，同时，在相同操作条件下，使用现有技术集电器的电池组具有最大99℃的温度梯度。

图14示意性地示出包括燃料电池101和102的内部直接重整型燃料电池组。燃料电池101和102通过使用图9所示的阳极和阴极集电器91和92以及双极板93的堆叠配置而形成。从图中看出，每个燃料电池包括由阳极111、阳极集电器91和一部分双极板93形成的阳极段。每个燃料电池还包括由阴极112、阴极集电器92和一部分双极板93组成的阴极段。最后，每个燃料电池还包括位于阳极和阴极段111和112之间的电解质部件113。

在任何情况下都应理解，以上描述的布置仅仅是用于说明许多可能的特定实施例，所述实施例代表本发明的应用。根据本发明的原理，只要不偏离本发明的精神和范围，就容易设计出许多不同的其它布置。

Claims (7)

1、一种具有依次间隔开的波纹行的波纹集电器，其中，给定行中的波纹沿着给定行建立连续的波峰和波谷区域，每个波纹行中的所述波峰区域的间隔为节距Pt，其中，每行之间的所述节距Pt都相同，并且，间隔开的波纹行适合于使每行之间的相应波峰区域建立用于容纳和支撑固体催化剂元件的通道，所述波纹行的每行之间的所述相应波峰区域的偏移量为O，其中，偏移O是有限的且小于所述节距Pt的50％并且在每行之间都是相同的，而且，所述通道具有布置在每个所述通道中的固体催化剂元件，

其中偏移方向逐行以相反方向交替变化。

2、如权利要求1所述的波纹集电器，其中，建立每个通道的波峰区域啮合在该通道中容纳的催化剂元件。

3、如权利要求1所述的波纹集电器，其中，波纹集电器由冲压板形成，从而板的冲压区域形成波纹行的波谷区域，并且，在冲压区域之间的区域形成波纹行的波峰区域。

4、一种燃料电池，包括：

包括隔板和布置得与隔板相邻的波纹集电器的阳极段，所述波纹集电器具有依次间隔开的波纹行，给定行中的波纹沿着给定行建立连续的波峰和波谷区域，每个波纹行中的所述波峰区域间隔相同的节距Pt，并且，间隔开的波纹行适合于使每行之间的相应波峰区域建立用于容纳和支撑固体催化剂元件的通道，所述波纹行的每行之间的所述相应波峰区域偏移相同的量O，其中，所述偏移O是有限的并且小于节距Pt的50％；以及

布置在每个所述通道中的固体催化剂元件，

其中偏移方向逐行以相反方向交替变化。

5、如权利要求4所述的燃料电池，其中，波纹集电器由冲压板形成，从而板的冲压区域形成波纹行的波谷区域，并且，在冲压区域之间的区域形成波纹行的波峰区域。

6、如权利要求4所述的燃料电池，进一步包括：

阴极段；以及

位于所述阳极和阴极段之间的电解质部件。

7、一种燃料电池系统，包括：

第一燃料电池，包括阳极段、阴极段和位于阳极段和阴极段之间的电解质部件，所述阳极段具有隔板和布置得与隔板的第一表面相邻的波纹阳极集电器，所述波纹阳极集电器具有依次间隔开的波纹行，其中，给定行中的波纹沿着给定行建立连续的波峰和波谷区域，波纹阳极集电器的每个波纹行中的所述波峰区域间隔相同的节距Pt，并且，间隔开的波纹行适合于使每行之间的相应波峰区域建立用于容纳和支撑固体催化剂元件的通道，所述波纹阳极集电器的所述波纹行的每行之间的所述相应波峰区域偏移相同的量O，其中，偏移O是有限的并且小于节距Pt的50％，而且，固体催化剂元件布置在所述波纹阳极集电器的每个所述通道中，其中偏移方向逐行以相反方向交替变化；

第二燃料电池，包括阳极段、阴极段和位于阳极段和阴极段之间的电解质部件，所述阴极段具有与隔板第二表面相邻的波纹阴极集电器，所述波纹阴极集电器具有依次间隔开的波纹行，所述波纹行布置得与波纹阳极集电器的间隔开的波纹行横交，其中，给定行中的波纹沿着给定行建立连续的波峰和波谷区域，并且间隔开的波纹行适合于使每行之间的相应波峰区域建立通道；其中，波纹阴极集电器的每行波纹中的波峰区域间隔相同的节距Pt，并且波纹阴极集电器的波纹行的每行之间的相应波峰区域偏移相同的量O，而且，所述偏移O是有限的并且小于节距Pt的50％。

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