用于燃料电池的气体分布元件制造技术

一种用于燃料电池或电解装置的气体分布元件(10)包括第一层(2)和第二层(3)，所述第一层(2)和第二层(3)设置有形成用于第一反应物流体的流体流的图案的气体分布结构(11)。第二层(3)是均匀化元件，其具有第一孔(15)，其中，第一孔(15)中的至少一些具有长度(28)和宽度(29)，长度(28)大于宽度(29)，以及长度(28)在与流体流(9)的主方向垂直的方向上延伸。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及用于燃料电池或电解装置的气体分布元件，特别地用于将反应物流体分布至燃料电池或电解装置的电极的气体分布元件。
技术介绍
燃料电池是用于通过进行电化学反应将存储在燃料中的化学能直接转换成电能的电化学装置。在大多数情况下，氧气或氧离子与氢气、CO或其他燃料反应，由此生成电子流并最终提供电流和热量。反应利用还原剂和氧化剂作为反应物，其被持续供给至燃料电池，通常使用氢气作为还原剂，并且使用氧气或包含氧气的空气作为氧化剂。在大多数情况下，燃料电池可以被反向使用以进行电解反应，其中，电流以及可能地还有热量需要被提供。为了简单，以下仅描述了燃料电池操作模式。燃料电池电力系统一般地包括以下部件：一个或多个燃料电池堆、以及也被称为电厂配套设施的辅助设备。燃料电池堆由单独的重复单元制造，所述重复单元被模块化组合并电连接。单独的重复单元包含一个或几个电池薄膜，其中发生如上所述的电化学反应。重复单元还包含供给反应物的部件，从而允许电接触或密封等。辅助设备提供原料流的调节，由此以合适的温度和压力条件提供空气或氧气和燃料，以及提供可选的燃料处理器或燃料转化器。此外，辅助设备可以包括热交换器，其用于适当地控制燃料电池堆的温度并且利用通过电化学反应生成的热能来预热燃料或氧化剂原料流，并且将有用的热量输送至用户。这种热交换器的例子在WO2006/048429A1中公开。辅助设备还可以包括电能管理系统。<br>电池薄膜通常由在其任一侧与阳极和阴极接触的电解质组成。电解质是离子导体，但是电绝缘体。在作为燃料电池操作时，燃料被持续供给至阳极，由此负电极，氧化剂被持续供给至阴极，由此正电极。电化学反应在电极处发生以在电流被允许经由外部电路流出/流入相应电极时产生通过电解质的离子电流，由此允许对负载做功。如上所述包括电池薄膜的单元电池可以具有不同的形状，诸如板或管状结构。每个电池薄膜必须被电接触。另外，反应气体必须被适当地分布在电极的表面上以最大化反应的效率。这例如通过创建与电极的表面接触的特定几何结构的气体分布层来实现。因此，电传导和气体分布通常在特定部件中组合。与电池薄膜和另外的单独部件一起，该子组件表示燃料电池堆的一个重复单元。对于平面电池薄膜，单独的重复单元通常相互放置在另一个的顶部以形成堆。在该情况下，在重复单元中，气体分布层不仅用于将反应物传输至电极，还将电流从第一电池薄膜的一个电极传导至另一电池薄膜的第二电极，由此串联连接几个电池。在单元电池中，致密电解质提供物理屏障以防止燃料和氧化剂气体流直接混合。在平面堆中，双极板通常确保相邻重复单元之间的气体的相同隔离，还提供经由气体分布层的电接触。大量的催化剂点设置在电解质层和电极之间的界面处，由此提供具有针对电子和离子的混合电导率的区域。燃料电池薄膜的性能通过增大电解质的电导率、发展更优的电极催化活性和反应物传输，并扩大电池可以操作的温度范围而持续改进。电极通常是多孔的并且由导电并且可能离子导电的材料制成。在低温下，仅一些相对稀少和昂贵的材料提供充分的电催化活性，由此在这些情况下，少量的催化剂沉积在多孔电极和电解质之间的界面处。在高温燃料电池中，较大量的材料由于其电催化活性的提高而能够用作电极材料。多孔电极由此具有提供用于发生电化学反应的表面的主要功能。另外，它们的功能是传导电子离开或者进入三相界面，并提供电流采集和与其他电池或负载的连接。尽管电池薄膜的性能主要归因于材料的选择、它们的大小或微结构以及它们组合在一起的方式，但燃料电池堆的性能在很大程度上还取决于反应物在电池薄膜上的分布的特征、电极的电接触、以及不同重复单元之间的反应物流和温度的均匀性。最后同样重要的是，燃料处理和操作点的选择对燃料电池的性能和寿命具有重要的影响。已经开发了各种燃料电池并且其当前处于商业化的各个阶段。燃料电池的最常用分类与所使用电解质的类型有关，诸如，固态氧化物燃料电池(SOFC)、聚合物电解质燃料电池(PEFC)、碱性燃料电池(AFC)、磷酸燃料电池(PAFC)或熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)。聚合物电解质燃料电池(PEFC)具有电极，其被配置为离子交换薄膜，特别地氟磺酸聚合物，其具有作为良好的质子导体的特性。燃料电池中仅存的液体是水，因为燃料通常是提供氢离子的碳氢燃料，并且氧化剂是提供用于进行电化学反应的氧气的空气。操作温度通常小于100℃，因为薄膜必须与水化合，并且因此这种水不应该比化合更快地蒸发。由此，优选地，操作温度在大约60℃至80℃。通常，针对阳极和阴极都使用具有铂电催化剂的碳电极。双极或隔离板由碳或金属制成。燃料不应该包含任何CO，因为阳极容易被微量的CO的污染。对于PEFC的重要的商业应用是燃料电池车辆、以及电解器。碱性燃料电池(AFC)具有KOH电解质，其保持在例如由石棉制造的基质中，并且可以使用宽范围的电催化剂，例如Ni、Ag、金属氧化物、尖晶石、贵金属。电解质中的电荷载体是OH-离子。如果使用大约85重量％的浓度的KOH，则操作温度通常为大约250℃，以及如果使用浓度为35％～50％的KOH，则操作温度可以低于120℃。燃料可以不包含任何CO或任何CO2，其将与电解质反应为K2CO3，由此改变它。由此，优选地，使用纯氢气作为AFC的燃料。通常，由过渡金属组成的电极与铂电催化剂一起使用，其针对阳极和阴极使用；双极板由金属制成。磷酸燃料电池(PAFC)使用高浓度的磷酸作为电解质，其包含在例如由碳化硅制成的基质中，并且铂通常用作电催化剂。在电解质中传输的离子是质子。PAFC的通常操作温度在150℃和220℃之间，这是由于浓缩的磷酸甚至在这些相对高的温度下也具有高稳定性。在较低的温度下，磷酸是弱离子导体，并且发生铂电催化剂的CO污染。在较高的操作温度下，作为稀释剂的高达1％的CO含量是可接受的。通常，针对阳极和阴极都使用由碳组成的电极；双极板由石墨制成。由于磷酸的腐蚀性质，必须使用诸如石墨的昂贵材料。PAFC的使用的主要领域是静态应用。熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)使用碱金属碳酸盐的组合作为电解质，其保持在LiAlO2的基质中。MCFC的通常操作温度是大约600℃和700℃，其中，碱金属碳酸盐形成高导电熔融盐，其中碳离子提供离子导电。阳极通常由镍组成，阴极由氧化镍组成，相连物由不锈钢或镍制成。镍/氧化镍电极提供在高操作温度下的足够本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于燃料电池或电解装置的气体分布元件(10)，包括基底层(1)、第一层(2)和第二层(3)，其中，所述第一层(2)和所述第二层(3)设置有形成作为易燃气体的第一反应物流体的流体流的图案的气体分布结构(11)，其特征在于，所述第二层(3)是均匀化元件，其具有第一孔(15)，其中，所述第一孔(15)具有长度(28)和宽度(29)，所述长度(28)大于所述宽度(29)，以及所述长度(28)在与流体流(9)的主方向垂直的方向上延伸。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.06.11 EP 12171563.51.一种用于燃料电池或电解装置的气体分布元件(10)，包括基底层
(1)、第一层(2)和第二层(3)，其中，所述第一层(2)和所述第二层
(3)设置有形成作为易燃气体的第一反应物流体的流体流的图案的气体
分布结构(11)，其特征在于，所述第二层(3)是均匀化元件，其具有第
一孔(15)，其中，所述第一孔(15)具有长度(28)和宽度(29)，所述
长度(28)大于所述宽度(29)，以及所述长度(28)在与流体流(9)的
主方向垂直的方向上延伸。
2.根据权利要求1所述的气体分布元件(10)，其中，所述第一层(2)
包括燃料入口(2b)和燃料出口(2c)，其中所述流体流(9)的主方向在
所述燃料入口(2b)和所述燃料出口(2c)之间在直线方向上延伸，其中
所述第一层(2)的气体分布结构(11)包括多个通道(13)中的至少一
个，诸如针、格子或网结构、泡沫结构的三维结构。
3.根据权利要求2所述的气体分布元件(10)，其中，所述第一层(2)
的气体分布结构(11)包括并列排列并将所述燃料入口(2b)与所述燃料
出口(2c)连接的多个通道(13)，其中，在关于所述通道(13)的垂直
方向上延伸的所述第一孔(15)具有这样的长度(28)以使得并列排列的
至少两个通道(13)通过所述第一孔(15)流体连接。
4.根据权利要求3所述的气体分布元件(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.根据权利要求3所述的气体分布元件(10)，其中，所述通道(13)
在径向方向上延伸，以及所述第一孔(15)在圆周方向上延伸。
6.根据权利要求2所述的气体分布元件(10)，其中，所述第一层(2)
包括诸如针、格子、网结构、或泡沫结构的三维结构，所述第一层(2)
具有圆形，所述流体流(9)的主方向在径向方向上延伸，以及所述第一
孔(15)在圆周方向上延伸。
7.根据权利要求3-5中任一项所述的气体分布元件(10)，其中，所
述第一层(2)的通道(13)中的至少一些被条元件(23)阻塞，所述条
元件(23)连接相互分隔并在其间形成所述通道(13)的至少两个条(2a)，
其中，所述第二层(3)包括多个第二孔(6)，其中所述第二孔(6)在所
述流体流(9)的主方向上具有大于所述条元件(23)的宽度的长度(7)，

\t以及所述第二孔(6)配置在所述条元件(23)旁边以流体连接所述通道
(13)并绕开所述条元件(23)。
8.根据权利要求2-7中任一项所述的气体分布元件(10)，还包括配
置在所述基底层(1)旁边的支撑层(4)。
9.根据权利要求8所述的气体分布元件(10)，其中，所述支撑层(4)
包括在直线方向上延伸的多个通道(20)，所述通道(20)引导第二反应
物流体，所述第二反应物流体是氧化剂。
10.根据权利要求9所述的气体分布元件(10)，其中，所述支撑层
(4)是在两侧具有通道(20,20a,20b)的波纹状薄板，其中，面向所述第一
层(1)的通道(20b)的目的是通过所述第二反应物流体冷却所述第一层
(1)，以及在相反侧的通道(20a)的目的是向燃料电池单元提供所述第
二反应物流体。
11.根据权利要求2-10中任一项所述的气体分布元件(10)，其中，
所述基底层(1)和\...

【专利技术属性】
技术研发人员：Z·维勒明，
申请(专利权)人：HT切拉米克斯有限公司，
类型：发明
国别省市：瑞士;CH