[发明专利]燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及用于燃料电池的改进的集电器，以及燃料电池和包括该燃料电池的燃料电池堆组件。

背景技术

燃料电池和燃料电池堆组件(该术语包括具有一个以上燃料电池的电池堆)设计成使得可从各个燃料电池的阳极和阴极有效地收集电流。燃料电池堆组件通常包括串联联接的多个燃料电池，通过导电介质(集电器)建立相邻燃料电池之间的连接，该导电介质使第一燃料电池的电极(阳极或阴极)与相邻的互连板相连，该互连板又电连接至第二燃料电池的相反电极(即，阴极或阳极)。为了确保电流以受控方式经由集电器流过电池堆而不会使电池堆中的燃料电池电短路，通常围绕各燃料电池层周边设置不导电层，该不导电层将各燃料电池层与相邻燃料电池层或者相邻互连层分隔。导电介质与互连板的接触区域通常平行于该导电介质与电极的接触区域，并与其共同延伸。其他的燃料电池类似地连接。为了提供用于将燃料电池产生的电流移走的低电阻连接，连接介质在被接触的燃料电池表面上施加接触压力，从而确保连接介质与电极之间的最大电接触面积，以便最小化各电流的阻抗。

通过形成允许穿过电池堆产生压缩载荷的堆叠结构而实现在燃料电池堆中施加接触压力。例如，一种常用的技术利用位于燃料电池堆各端处的实心刚性端板制造燃料电池堆，利用压缩系统将各端板定位成横跨燃料电池和互连板中的至少一个的宽度和幅度并与其共面，该压缩系统横穿电池堆的宽度和幅度并向下通过堆层施加基本均匀的压缩力。这样的压缩系统包括内外螺栓连接装置以及夹紧压缩系统，这些都用于压缩堆层。

在整个燃料电池堆中产生这样的大小足够的基本均匀的力给工程和设计带来极大的挑战，并给燃料电池堆部件和电池堆组件制造公差以及燃料电池堆的操作条件带来了限制。例如横穿堆叠层的宽度和幅度的互连板厚度的很小变化、互连板平坦度的变化、压缩载荷施加的变化、在燃料电池堆的操作范围内材料和部件的热膨胀的变化、以及密封件内的材料压缩变化、垫片厚度和互连板厚度的变化都可使部件受到的总体和/或局部应力产生显著变化。这些应力水平(及其变化)如果太大的话会导致燃料电池堆部件失效；或者如果太小的话可能意味着互连层、集电器和第二电极之间产生的接触压力不充分，从而使得在操作时电接触阻抗增大，燃料电池堆的性能降低。需要将这些变化以及这些变化的综合影响考虑进电池堆部件的设计和制造中(例如，以高精度设计部件的形式使变化最小化)，并考虑进电池堆的组装以及所用的组装过程，而且还考虑进电池堆在启动、停止以及使用期间的载荷周期期间经受热膨胀和收缩时的操作。

燃料电池堆组件的这种形式虽然被普遍采用，但是其由于以下方面带来的制造约束而具有成本增加并且复杂程度增加的问题，即：所需的紧密部件公差、燃料电池堆组件的构造引起的设计约束、以及当上述变化引起各种堆叠层内的过度或不足应力时燃料电池堆和燃料电池堆部件的操作性能的降低。

现有技术燃料电池堆组件的实施例包括US2003/0235743的实施例，US2003/0235743(例如参见第30段)公开了由导电互连件分开的燃料电池，第一燃料电池的阳极通过多根第一丝连接至一互连件，该互连件通过多根第二丝连接至相邻燃料电池的阴极。如图1所示，不导电间隔件36、38分隔燃料电池的多个部分，陶瓷电解质14、阴极18和阳极16在间隔件36、38上延伸。未教导用间隔件密封电解质、阴极和阳极的方法，并且如果利用压缩力实现密封，则可料到会导致损坏电解质和阳极从而降低寿命。此外，在电解质和阳极暴露于燃料电池外部的情况下，没有教导要防止氢离子流穿过电解质至燃料电池外部。此外，没有教导大量的“丝”如何连接到相应的阳极、阴极和互连板，而且这看起来是复杂而不便的操作。值得注意的是，这些丝未延伸到阳极/阴极的周边外，并且这些丝与互连件永久连接。注意，US2003/0235743描述的“集电器”对应于这里所述的“覆盖板”和“端板”，而不是这里所述的“集电器”。

EP1434294/US2004/0101742公开了一种具有由导电网间隔件分开的各个燃料电池的燃料电池堆组件，所述导电网间隔件连接至导电互连板。在该燃料电池堆的组装期间，通过与相邻燃料电池的阳极和阴极接触而压缩所述间隔件，从而在阳极和阴极上施加压缩力以实现电连接。