用于燃料電池的氣體分布元件制造技術(shù)

一種用于燃料電池或電解裝置的氣體分布元件(10)包括第一層(2)和第二層(3)，所述第一層(2)和第二層(3)設(shè)置有形成用于第一反應(yīng)物流體的流體流的圖案的氣體分布結(jié)構(gòu)(11)。第二層(3)是均勻化元件，其具有第一孔(15)，其中，第一孔(15)中的至少一些具有長度(28)和寬度(29)，長度(28)大于寬度(29)，以及長度(28)在與流體流(9)的主方向垂直的方向上延伸。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
【國外來華專利技術(shù)】
本專利技術(shù)涉及用于燃料電池或電解裝置的氣體分布元件，特別地用于將反應(yīng)物流體分布至燃料電池或電解裝置的電極的氣體分布元件。
技術(shù)介紹
燃料電池是用于通過進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)將存儲(chǔ)在燃料中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能的電化學(xué)裝置。在大多數(shù)情況下，氧氣或氧離子與氫氣、CO或其他燃料反應(yīng)，由此生成電子流并最終提供電流和熱量。反應(yīng)利用還原劑和氧化劑作為反應(yīng)物，其被持續(xù)供給至燃料電池，通常使用氫氣作為還原劑，并且使用氧氣或包含氧氣的空氣作為氧化劑。在大多數(shù)情況下，燃料電池可以被反向使用以進(jìn)行電解反應(yīng)，其中，電流以及可能地還有熱量需要被提供。為了簡單，以下僅描述了燃料電池操作模式。燃料電池電力系統(tǒng)一般地包括以下部件：一個(gè)或多個(gè)燃料電池堆、以及也被稱為電廠配套設(shè)施的輔助設(shè)備。燃料電池堆由單獨(dú)的重復(fù)單元制造，所述重復(fù)單元被模塊化組合并電連接。單獨(dú)的重復(fù)單元包含一個(gè)或幾個(gè)電池薄膜，其中發(fā)生如上所述的電化學(xué)反應(yīng)。重復(fù)單元還包含供給反應(yīng)物的部件，從而允許電接觸或密封等。輔助設(shè)備提供原料流的調(diào)節(jié)，由此以合適的溫度和壓力條件提供空氣或氧氣和燃料，以及提供可選的燃料處理器或燃料轉(zhuǎn)化器。此外，輔助設(shè)備可以包括熱交換器，其用于適當(dāng)?shù)乜刂迫剂想姵囟训臏囟炔⑶依猛ㄟ^電化學(xué)反應(yīng)生成的熱能來預(yù)熱燃料或氧化劑原料流，并且將有用的熱量輸送至用戶。這種熱交換器的例子在WO2006/048429A1中公開。輔助設(shè)備還可以包括電能管理系統(tǒng)。<br>電池薄膜通常由在其任一側(cè)與陽極和陰極接觸的電解質(zhì)組成。電解質(zhì)是離子導(dǎo)體，但是電絕緣體。在作為燃料電池操作時(shí)，燃料被持續(xù)供給至陽極，由此負(fù)電極，氧化劑被持續(xù)供給至陰極，由此正電極。電化學(xué)反應(yīng)在電極處發(fā)生以在電流被允許經(jīng)由外部電路流出/流入相應(yīng)電極時(shí)產(chǎn)生通過電解質(zhì)的離子電流，由此允許對(duì)負(fù)載做功。如上所述包括電池薄膜的單元電池可以具有不同的形狀，諸如板或管狀結(jié)構(gòu)。每個(gè)電池薄膜必須被電接觸。另外，反應(yīng)氣體必須被適當(dāng)?shù)胤植荚陔姌O的表面上以最大化反應(yīng)的效率。這例如通過創(chuàng)建與電極的表面接觸的特定幾何結(jié)構(gòu)的氣體分布層來實(shí)現(xiàn)。因此，電傳導(dǎo)和氣體分布通常在特定部件中組合。與電池薄膜和另外的單獨(dú)部件一起，該子組件表示燃料電池堆的一個(gè)重復(fù)單元。對(duì)于平面電池薄膜，單獨(dú)的重復(fù)單元通常相互放置在另一個(gè)的頂部以形成堆。在該情況下，在重復(fù)單元中，氣體分布層不僅用于將反應(yīng)物傳輸至電極，還將電流從第一電池薄膜的一個(gè)電極傳導(dǎo)至另一電池薄膜的第二電極，由此串聯(lián)連接幾個(gè)電池。在單元電池中，致密電解質(zhì)提供物理屏障以防止燃料和氧化劑氣體流直接混合。在平面堆中，雙極板通常確保相鄰重復(fù)單元之間的氣體的相同隔離，還提供經(jīng)由氣體分布層的電接觸。大量的催化劑點(diǎn)設(shè)置在電解質(zhì)層和電極之間的界面處，由此提供具有針對(duì)電子和離子的混合電導(dǎo)率的區(qū)域。燃料電池薄膜的性能通過增大電解質(zhì)的電導(dǎo)率、發(fā)展更優(yōu)的電極催化活性和反應(yīng)物傳輸，并擴(kuò)大電池可以操作的溫度范圍而持續(xù)改進(jìn)。電極通常是多孔的并且由導(dǎo)電并且可能離子導(dǎo)電的材料制成。在低溫下，僅一些相對(duì)稀少和昂貴的材料提供充分的電催化活性，由此在這些情況下，少量的催化劑沉積在多孔電極和電解質(zhì)之間的界面處。在高溫燃料電池中，較大量的材料由于其電催化活性的提高而能夠用作電極材料。多孔電極由此具有提供用于發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的表面的主要功能。另外，它們的功能是傳導(dǎo)電子離開或者進(jìn)入三相界面，并提供電流采集和與其他電池或負(fù)載的連接。盡管電池薄膜的性能主要?dú)w因于材料的選擇、它們的大小或微結(jié)構(gòu)以及它們組合在一起的方式，但燃料電池堆的性能在很大程度上還取決于反應(yīng)物在電池薄膜上的分布的特征、電極的電接觸、以及不同重復(fù)單元之間的反應(yīng)物流和溫度的均勻性。最后同樣重要的是，燃料處理和操作點(diǎn)的選擇對(duì)燃料電池的性能和壽命具有重要的影響。已經(jīng)開發(fā)了各種燃料電池并且其當(dāng)前處于商業(yè)化的各個(gè)階段。燃料電池的最常用分類與所使用電解質(zhì)的類型有關(guān)，諸如，固態(tài)氧化物燃料電池(SOFC)、聚合物電解質(zhì)燃料電池(PEFC)、堿性燃料電池(AFC)、磷酸燃料電池(PAFC)或熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)。聚合物電解質(zhì)燃料電池(PEFC)具有電極，其被配置為離子交換薄膜，特別地氟磺酸聚合物，其具有作為良好的質(zhì)子導(dǎo)體的特性。燃料電池中僅存的液體是水，因?yàn)槿剂贤ǔＪ翘峁潆x子的碳?xì)淙剂希⑶已趸瘎┦翘峁┯糜谶M(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)的氧氣的空氣。操作溫度通常小于100℃，因?yàn)楸∧け仨毰c水化合，并且因此這種水不應(yīng)該比化合更快地蒸發(fā)。由此，優(yōu)選地，操作溫度在大約60℃至80℃。通常，針對(duì)陽極和陰極都使用具有鉑電催化劑的碳電極。雙極或隔離板由碳或金屬制成。燃料不應(yīng)該包含任何CO，因?yàn)殛枠O容易被微量的CO的污染。對(duì)于PEFC的重要的商業(yè)應(yīng)用是燃料電池車輛、以及電解器。堿性燃料電池(AFC)具有KOH電解質(zhì)，其保持在例如由石棉制造的基質(zhì)中，并且可以使用寬范圍的電催化劑，例如Ni、Ag、金屬氧化物、尖晶石、貴金屬。電解質(zhì)中的電荷載體是OH-離子。如果使用大約85重量％的濃度的KOH，則操作溫度通常為大約250℃，以及如果使用濃度為35％～50％的KOH，則操作溫度可以低于120℃。燃料可以不包含任何CO或任何CO2，其將與電解質(zhì)反應(yīng)為K2CO3，由此改變它。由此，優(yōu)選地，使用純氫氣作為AFC的燃料。通常，由過渡金屬組成的電極與鉑電催化劑一起使用，其針對(duì)陽極和陰極使用；雙極板由金屬制成。磷酸燃料電池(PAFC)使用高濃度的磷酸作為電解質(zhì)，其包含在例如由碳化硅制成的基質(zhì)中，并且鉑通常用作電催化劑。在電解質(zhì)中傳輸?shù)碾x子是質(zhì)子。PAFC的通常操作溫度在150℃和220℃之間，這是由于濃縮的磷酸甚至在這些相對(duì)高的溫度下也具有高穩(wěn)定性。在較低的溫度下，磷酸是弱離子導(dǎo)體，并且發(fā)生鉑電催化劑的CO污染。在較高的操作溫度下，作為稀釋劑的高達(dá)1％的CO含量是可接受的。通常，針對(duì)陽極和陰極都使用由碳組成的電極；雙極板由石墨制成。由于磷酸的腐蝕性質(zhì)，必須使用諸如石墨的昂貴材料。PAFC的使用的主要領(lǐng)域是靜態(tài)應(yīng)用。熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)使用堿金屬碳酸鹽的組合作為電解質(zhì)，其保持在LiAlO2的基質(zhì)中。MCFC的通常操作溫度是大約600℃和700℃，其中，堿金屬碳酸鹽形成高導(dǎo)電熔融鹽，其中碳離子提供離子導(dǎo)電。陽極通常由鎳組成，陰極由氧化鎳組成，相連物由不銹鋼或鎳制成。鎳/氧化鎳電極提供在高操作溫度下的足夠本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種用于燃料電池或電解裝置的氣體分布元件(10)，包括基底層(1)、第一層(2)和第二層(3)，其中，所述第一層(2)和所述第二層(3)設(shè)置有形成作為易燃?xì)怏w的第一反應(yīng)物流體的流體流的圖案的氣體分布結(jié)構(gòu)(11)，其特征在于，所述第二層(3)是均勻化元件，其具有第一孔(15)，其中，所述第一孔(15)具有長度(28)和寬度(29)，所述長度(28)大于所述寬度(29)，以及所述長度(28)在與流體流(9)的主方向垂直的方向上延伸。

【技術(shù)特征摘要】
【國外來華專利技術(shù)】2012.06.11 EP 12171563.51.一種用于燃料電池或電解裝置的氣體分布元件(10)，包括基底層
(1)、第一層(2)和第二層(3)，其中，所述第一層(2)和所述第二層
(3)設(shè)置有形成作為易燃?xì)怏w的第一反應(yīng)物流體的流體流的圖案的氣體
分布結(jié)構(gòu)(11)，其特征在于，所述第二層(3)是均勻化元件，其具有第
一孔(15)，其中，所述第一孔(15)具有長度(28)和寬度(29)，所述
長度(28)大于所述寬度(29)，以及所述長度(28)在與流體流(9)的
主方向垂直的方向上延伸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體分布元件(10)，其中，所述第一層(2)
包括燃料入口(2b)和燃料出口(2c)，其中所述流體流(9)的主方向在
所述燃料入口(2b)和所述燃料出口(2c)之間在直線方向上延伸，其中
所述第一層(2)的氣體分布結(jié)構(gòu)(11)包括多個(gè)通道(13)中的至少一
個(gè)，諸如針、格子或網(wǎng)結(jié)構(gòu)、泡沫結(jié)構(gòu)的三維結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的氣體分布元件(10)，其中，所述第一層(2)
的氣體分布結(jié)構(gòu)(11)包括并列排列并將所述燃料入口(2b)與所述燃料
出口(2c)連接的多個(gè)通道(13)，其中，在關(guān)于所述通道(13)的垂直
方向上延伸的所述第一孔(15)具有這樣的長度(28)以使得并列排列的
至少兩個(gè)通道(13)通過所述第一孔(15)流體連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的氣體分布元件(10)，其中，所述通道(13)
相互平行延伸，以及其中，所述第一孔(15)垂直于所述通道(13)延伸。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的氣體分布元件(10)，其中，所述通道(13)
在徑向方向上延伸，以及所述第一孔(15)在圓周方向上延伸。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的氣體分布元件(10)，其中，所述第一層(2)
包括諸如針、格子、網(wǎng)結(jié)構(gòu)、或泡沫結(jié)構(gòu)的三維結(jié)構(gòu)，所述第一層(2)
具有圓形，所述流體流(9)的主方向在徑向方向上延伸，以及所述第一
孔(15)在圓周方向上延伸。
7.根據(jù)權(quán)利要求3-5中任一項(xiàng)所述的氣體分布元件(10)，其中，所
述第一層(2)的通道(13)中的至少一些被條元件(23)阻塞，所述條
元件(23)連接相互分隔并在其間形成所述通道(13)的至少兩個(gè)條(2a)，
其中，所述第二層(3)包括多個(gè)第二孔(6)，其中所述第二孔(6)在所
述流體流(9)的主方向上具有大于所述條元件(23)的寬度的長度(7)，

\t以及所述第二孔(6)配置在所述條元件(23)旁邊以流體連接所述通道
(13)并繞開所述條元件(23)。
8.根據(jù)權(quán)利要求2-7中任一項(xiàng)所述的氣體分布元件(10)，還包括配
置在所述基底層(1)旁邊的支撐層(4)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的氣體分布元件(10)，其中，所述支撐層(4)
包括在直線方向上延伸的多個(gè)通道(20)，所述通道(20)引導(dǎo)第二反應(yīng)
物流體，所述第二反應(yīng)物流體是氧化劑。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的氣體分布元件(10)，其中，所述支撐層
(4)是在兩側(cè)具有通道(20,20a,20b)的波紋狀薄板，其中，面向所述第一
層(1)的通道(20b)的目的是通過所述第二反應(yīng)物流體冷卻所述第一層
(1)，以及在相反側(cè)的通道(20a)的目的是向燃料電池單元提供所述第
二反應(yīng)物流體。
11.根據(jù)權(quán)利要求2-10中任一項(xiàng)所述的氣體分布元件(10)，其中，
所述基底層(1)和\...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：Z·維勒明，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：HT切拉米克斯有限公司，
類型：發(fā)明
國別省市：瑞士;CH