專利名稱：組合式燃料電池組件和冷卻器件的制作方法
技術領域：
本發(fā)明總地涉及燃料電池，更具體地涉及組合式燃料電池組件和冷卻器件。
背景技術：
包括電源部分的典型燃料電池動力系統(tǒng)，其中提供了一個或多個燃料電池疊加體。燃料電池動力系統(tǒng)的效率大部分取決于單個燃料電池中和疊加中的相鄰燃料電池之間各個接觸與密封界面的完整性。這些接觸和密封界面包括與電池疊加之中和之間燃料，冷卻劑和廢液的傳輸相關的界面。
目前，利用傳統(tǒng)方法制造燃料電池疊加的過程是繁瑣費時的，不容易推廣到大規(guī)模生產(chǎn)中。比如，典型的5000千瓦燃料電池疊加包括大約80個薄膜電極組件(MEA)，大約160個流道板和大約160個密封墊圈。要求疊加的這些和其他不見都仔細對準和安裝。即使少數(shù)不見沒有對準也會導致漏氣，氫交叉，冷卻劑泄漏和性能/耐用性變差。
而且，燃料電池MEA是非常脆弱的，必須小心操作，比如避免在薄膜上發(fā)生電短路，形成針孔和褶皺。MEA沾污是燃料電池疊加組裝時要考慮的另一個重要問題。目前已知的疊加組裝過程是勞動力密集型的，導致用常規(guī)手段無法成本合算地制造燃料電池系統(tǒng)。
必須提出結合了冷卻功能的改進型燃料電池組件和封裝方法。所提出的燃料電池組件和冷卻器件還必須能高效地組裝和拆卸配備有冷卻結構的燃料電池疊加體。還要求燃料電池疊加和系統(tǒng)中的有用不見能被循環(huán)利用。本發(fā)明能夠滿足這些和其他要求。
發(fā)明概述本發(fā)明涉及可疊加的組合式燃料電池系統(tǒng)或具有冷卻功能的UCA(組合式燃料電池組件)。組合式燃料電池系統(tǒng)是單元模塊、或者包括一個或多個電池的單元，所述電池能單獨作為功能性燃料電池工作、或在疊加體中與其他UCA共同工作。在一個實施例中，組合式燃料電池系統(tǒng)中包括組合式燃料電池組件和可分離的冷卻結構。組合式燃料電池組件包括第一流道板、第二流道板和位于第一與第二流道板之間的薄膜電極組件(MEA)。冷卻結構可以與組合式燃料電池組件分離。組合式燃料電池組件和/或冷卻結構上具有固定裝置。固定裝置的構造有助于組合式燃料電池組件和冷卻結構之間的配對嚙合，并且有助于組合式燃料電池組件在預定方向上的固定。
在另一個實施例中，可疊加的組合式燃料電池系統(tǒng)中包括組合式燃料電池組件和可分離的冷卻結構。組合式燃料電池組件包括第一流道板，第二流道板和位于第一與第二流道板之間的MEA。冷卻結構與組合式燃料電池組件是分離的。組合式燃料電池組件和/或冷卻結構上具有固定裝置。固定裝置的構造有助于組合式燃料電池組件和冷卻結構之間的配對嚙合。鎖定裝置構造成在配對嚙合時，定位和對準相鄰的一個組合式燃料電池系統(tǒng)。
在另一個實施例中，可疊加的組合式燃料電池組件包括具有第一表面、第二表面和第一嚙合裝置的第一平板。第一平板的第一表面上包括第一流道、第一平板的第二表面上包括整合的冷卻裝置。該組件的第二平板包括第一表面、第二表面和第二嚙合裝置。第二平板的第一表面上包括第二流道。MEA位于第一和第二流道之間。MEA包括第一與第二流體傳輸層(FTL)和位于陽極與陰極催化層之間的薄膜。當?shù)谝粐Ш涎b置配對嚙合第二嚙合裝置時，第一平板的第一流道對齊第二平板的第二流道。
以上發(fā)明簡述并非對本發(fā)明每個實施例或?qū)嵤┓绞降拿枋?。參考以下具體說明和權利要求以及附圖，其優(yōu)點和效果，以及對本發(fā)明更完整的理解是顯而易見的。
附圖簡要說明附

圖1a所示是燃料電池及其組成層；附圖1b所示是對應于本發(fā)明實施例的具有單極構造的組合式電池組件；附圖1c所示是對應于本發(fā)明實施例的具有單極/雙極構造的組合式電池組件；附圖2a是對應于本發(fā)明實施例的包括外部硬質(zhì)端點裝置和就地形成的密封墊圈的組合式電池組件剖面圖；附圖2b是對應于本發(fā)明實施例的包括內(nèi)部硬質(zhì)端點裝置和就地形成的密封墊圈的組合式電池組件剖面圖；附圖3a和3b是對應于本發(fā)明實施例的包括內(nèi)置式硬質(zhì)端點裝置和就地形成的密封墊圈的組合式電池組件剖面圖；附圖4a和4b是對應于本發(fā)明另一實施例的包括內(nèi)部硬質(zhì)端點裝置和就地形成的密封墊圈的組合式電池組件剖面圖；附圖5a和5b分別是組合式電池組件在聯(lián)合過程之前和之后的剖面圖，組合式電池組件包括對應于本發(fā)明實施例的內(nèi)部硬質(zhì)端點裝置和就地形成的熱塑性密封墊圈；附圖5c和5d分別是組合式電池組件在聯(lián)合過程之前和之后的剖面圖，組合式電池組件包括對應于本發(fā)明另一實施例的內(nèi)部硬質(zhì)端點裝置和就地形成的熱塑性密封墊圈；附圖5e和5f分別是組合式電池組件在聯(lián)合過程之前和之后的剖面圖，組合式電池組件包括對應于本發(fā)明另一實施例的就地形成的熱塑性密封墊圈，不包括硬質(zhì)端點裝置；附圖6a和6b分別是組合式電池組件在聯(lián)合過程之前和之后的剖面圖，組合式電池組件包括對應于本發(fā)明另一實施例的內(nèi)部硬質(zhì)端點裝置和就地形成的熱塑性密封墊圈；附圖6a-6c所示是對應于本發(fā)明實施例的包括單極組合式電池組件和可分離的冷卻結構的組合式電池組件系統(tǒng)；附圖6d所示是對應于本發(fā)明另一實施例的包括單極/雙極組合式電池組件和可分離的冷卻結構的組合式電池組件系統(tǒng)；附圖7a和7b所示是對應于本發(fā)明實施例的位于壓縮系統(tǒng)內(nèi)的組合式電池組件疊加；附圖8a-8c所示是對應于本發(fā)明實施例的包括鎖定和嚙合功能的組合式電池組件各剖面圖；附圖9a-9e所示是對應于本發(fā)明實施例的結合有整合的冷卻裝置的組合式電池組件各視圖；附圖10所示簡化的燃料電池疊加有助于理解燃料進出燃料電池疊加的方式，其中優(yōu)選的燃料電池構造是對應于本發(fā)明原理的組合式電池組件；和附圖11所示燃料電池系統(tǒng)中的一個或多個燃料電池疊加中包括本發(fā)明的組合式電池組件。
雖然可以對本發(fā)明作出各種改進和變化，但是其特征如附圖中所示，下文將具體說明。但是應該理解，并非試圖將本發(fā)明限制在所述的特定實施例中。相反，試圖將所有改進，等同和替代都包括在權利要求所限定的范圍內(nèi)。
本發(fā)明優(yōu)選實施方式在以下說明性實施例的描述中，參考了作為其組成部分的示范性附圖和本發(fā)明實施例。應該理解在利用實施例時，可以對結構進行變化，但是不超出本發(fā)明的范圍。
本發(fā)明涉及改進型的燃料電池組件和冷卻器件。在一個實施例中，冷卻器件可以與組合式燃料電池組件分離。在另一個實施例中，冷卻器件與組合式燃料電池組件是整合的。
本發(fā)明各實施例所涉及的組合式燃料電池組件和冷卻器件使燃料電池的組裝和拆卸變得簡單。本發(fā)明的具有冷卻功能的組合式燃料電池封裝還能在制造，修理和保養(yǎng)單個燃料電池和燃料電池疊加時循環(huán)利用為疊加裝置所設計的燃料電池。
某些實施例涉及單極或雙極構造的組合式燃料電池組件。在其他實施例中，組合式燃料電池具有熱量控制裝置。在這些實施例中，熱量控制裝置可以與組合式燃料電池組件整合，或者作為與組合式燃料電池組件分離的結構。本發(fā)明的其他實施例涉及組合式燃料電池組件構成的燃料電池疊加和系統(tǒng)。
燃料電池是用氫燃料和空氣中的氧產(chǎn)生電，熱和水的電化學器件。燃料電池無須燃燒，所以幾乎不產(chǎn)生任何有害廢液。燃料電池將氫燃料和氧直接轉(zhuǎn)化成電，其效率比內(nèi)燃發(fā)電機高得多。
典型的燃料電池如附圖1a中所示。附圖1a中所示燃料電池10包括第一流體傳輸層(FTL)12和相鄰的陽極14。與陽極14相鄰的是電解質(zhì)薄膜16。陰極18與電解質(zhì)薄膜16相鄰，第二流體傳輸層19與陰極18相鄰。工作時，氫燃料被引入燃料電池10的陽極區(qū)，通過第一流體傳輸層12和陽極14。在陽極14處，氫燃料被分解成氫離子(H+)和電子(e-)。
電解質(zhì)薄膜16只能允許氫離子或質(zhì)子通過，到達燃料電池10的陰極區(qū)。電子無法通過電解質(zhì)薄膜16，因此以電流形式通過外部電路。電流能驅(qū)動電負載17，比如電動馬達，或者被導向儲能器件，比如可充電電池。
氧通過第二流體傳輸層19流入燃料電池10的陰極側(cè)。氧通過陰極18時，氧，質(zhì)子和電子結合生成水和熱。
如附圖1a中所示單個燃料電池，可以被封裝成組合式燃料電池組件，以下具體說明。被簡稱為組合式電池組件或UCA的組合式燃料電池組件可以與許多其他UCA組合成燃料電池疊加體。疊加中UCA的數(shù)量決定疊加總電壓，每個電池的活性表面積決定總電流。給定燃料電池疊加產(chǎn)生的總電能等于疊加總電壓乘總電流。
按照本發(fā)明原理，可以用各種燃料電池技術制造UCA。比如，利用本發(fā)明的UCA封裝方法可以制造質(zhì)子交換薄膜(PEM)燃料電池組件。PEM燃料電池能在較低溫度(大約175°F/80℃)下工作，具有高功率密度，能迅速改變其輸出以配合功率漂移的要求，非常適合于要求快速啟動的應用，比如汽車。
PEM燃料電池中所用的質(zhì)子交換薄膜通常是薄塑料片，能允許氫離子通過。薄膜的兩個側(cè)面上通常涂布有作為活性催化劑的高度分散金屬或金屬合金顆粒(比如鉑或鉑/釘)。所用電解質(zhì)通常是固態(tài)有機聚合物，比如聚-全氟磺酸。使用固體電解質(zhì)的優(yōu)點是，能減輕腐蝕和控制問題。
氧被送至燃料電池的陽極側(cè)，催化劑促進氫原子釋放出電子，變成氫離子(質(zhì)子)。電子以電流形式運動，在其回到燃料電池陰極側(cè)之前可以對其進行利用，氧被引入陰極側(cè)。同時，質(zhì)子擴散通過薄膜到達陰極，氫離子與氧再次結合并反應生成水。
薄膜電極組件(MEA)是氫燃料電池等PEM燃料電池的中央單元。如上所述，典型的MEA包括聚合物電解質(zhì)薄膜(PEM)(也被稱為離子傳導薄膜(ICM))，起到固體電解質(zhì)的作用。
PEM的一個側(cè)面與陽極層接觸，其相對側(cè)面與陰極層接觸。每個電極層都包括電化學催化劑，通常含有鉑金屬。流體傳輸層(FTL)幫助氣體在陽極與陰極材料之間的傳輸，并傳導電流。
在典型的PEM燃料電池中，質(zhì)子通過氫的氧化反應而在陽極處形成，被傳輸至陰極與氧反應，使電流在連接電極的外部電路中流動。FTL也可以被稱為氣體擴散層(GDL)或擴散器/集電器(DCC)。陽極和陰極層可以在制造過程中被應用于PEM或FTL，只要它們在整個MEA中位于PEM和FTL之間即可。
實施本發(fā)明時可以使用任何適用的PEM。PEM通常具有小于50微米的厚度，較常見小于40微米，更常見小于30微米，最常見是約25微米。PEM通常由酸性官能團的含氟聚合物電解質(zhì)構成，比如Nafion(DuPont Chemicals，Wilmington DE)和Flemion(Asahi Glass Co.Ltd.，Tokyo，Japan)。適用于本發(fā)明的聚合物電解質(zhì)通常優(yōu)選是四氟乙烯和一種或多種氟化酸性官能團共聚單體的共聚物。
聚合物電解質(zhì)通常具有磺酸酯官能團。最常見的聚合物電解質(zhì)是Nafion。聚合物電解質(zhì)通常具有1200或以下的酸當量，較常見是1100或以下，更常見是1050或以下，最常見是約1000。
實施本發(fā)明時可以使用任何適用的FTL。通常FTL由含有碳纖維的片材構成。FTL通常選自機織和無紡碳纖維構件。適用于實施本發(fā)明的碳纖維構件包括Toray復寫紙，SpectraCarb復寫紙，AFN無紡碳織物，Zoltek碳織物和類似物?？梢杂酶鞣N材料涂布或浸漬FTL，包括碳粒涂布，親水性處理和用聚四氟乙烯(PTFE)涂布等疏水性處理。
實施本發(fā)明時可以使用任何適用的催化劑。通常使用碳負載的催化劑顆粒。典型的碳負載催化劑顆粒是50到90重量％的碳和10-50重量％的催化劑金屬，催化劑金屬通常包括作為陰極的Pt，作為陽極的2∶1重量比Pt和Ru。通常以催化劑油墨的形式將催化劑應用于PEM或FTL上。催化劑油墨通常包括聚合物電解質(zhì)材料，與組成PEM的聚合物電解質(zhì)材料相同或不同。
催化劑油墨通常包括催化劑顆粒在聚合物電解質(zhì)中形成的分散體。油墨中通常含有5-30％的固體(即聚合物和催化劑)，更常見是10-20％的固體。電解質(zhì)分散體通常是水分散體，還可能含有醇，多元醇，比如丙三醇和乙二醇，或其他溶劑，比如N-甲基吡咯烷酮(NMP)和二甲基甲醛(DMF)?？梢酝ㄟ^改變水，醇和多元醇的含量，改變油墨的流變性質(zhì)。油墨中通常含有0-50％的醇和0-20％的多元醇。另外，油墨中可以含有0-2％的適用分散劑。通常在加熱條件下攪拌然后稀釋到可涂布的稠度，制造油墨。
可以采用任何適用的手動和機械方法將催化劑應用于PEM或FTL上，包括手刷，缺口刮涂，液壓軸承模涂，繞線棒涂，液壓軸承涂布，槽饋刮涂，三重輥涂和貼花轉(zhuǎn)印?？梢酝ㄟ^一次應用或多次應用獲得涂層。
直接甲醇燃料電池(DMFC)與PEM的類似之處在于，都使用聚合物薄膜作為電解質(zhì)。但是在DMFC中，陽極催化劑本身能從液體甲醇燃料中分離氫，無須使用燃料重整器。DMFC通常在120-190°F/49-88℃之間的溫度下工作?？梢詫⒅苯蛹状既剂想姵赜糜诒景l(fā)明的UCA封裝中。
參見附圖1b所示以PEM燃料電池技術實現(xiàn)的UCA實施例。如附圖1b中所示UCA20的薄膜電極組件(MEA)25包括5個組成層。PEM層22被夾在一對流體傳輸層24和26之間，比如擴散電流集電器(DCC)或氣體擴散層(GDL)。陽極30位于第一FTL24和薄膜22之間，陰極32位于薄膜22和第二FTL26之間。
在一種構造中，制造的PEM層22中包括位于一個表面上的陽極催化劑涂層30和位于另一個表面上的陰極催化劑涂層32。該結構通常被稱為催化劑涂布的薄膜或CCM。在另一種構造中，制造的第一和第二FTL24，26中分別包括陽極和陰極催化劑涂層30，32。在另一種構造中，陽極催化劑涂層可以部分位于第一FTL24上，部分位于PEM22的一個表面上，陰極催化劑涂層32可以部分位于第二FTL26上，部分位于PEM22的另一個表面上。
FTL24，26通常是由碳纖維紙或無紡材料或機織布制造的。根據(jù)產(chǎn)品構造，F(xiàn)TL24，26的一個側(cè)面上可以具有碳顆粒涂層。如上所述，制造的FTL24，26中可以包括或不包括催化劑涂層。
在附圖1b中所示的特定實施例中，MEA25被夾在第一邊緣密封系統(tǒng)34和第二邊緣密封系統(tǒng)36之間。與第一和第二邊緣密封系統(tǒng)34和36相鄰的分別是流道板40和42。每個流道板40、42包括氣流管道場43和氫與氧燃料進入的端口。在如附圖1b所示的構造中，流道板40、42的構造是單極流道板，其中夾有單個MEA25。這個和其他實施例中的流道可以是如2001年9月17日提交的申請09/954601中公開的低橫流流道。
邊緣密封系統(tǒng)34、36為UCA封裝內(nèi)部提供必要的密封，隔離各個流體(氣體/液體)傳輸和反應區(qū)，以免彼此沾污和逸出UCA20，進一步在流道板40、42之間提供電絕緣和硬質(zhì)端點壓縮控制。這里用術語“硬質(zhì)端點”表示接近或基本不可壓縮的材料，在操作壓力和溫度下其厚度不會發(fā)生明顯變化。更具體地說，術語“硬質(zhì)端點”表示薄膜電極組件(MEA)中基本不可壓縮的單元或?qū)?，能夠在固定厚度或應變條件下停止對MEA的壓縮。這里用“硬質(zhì)端點”并非表示離子傳導薄膜層，催化劑層或氣體擴散層。
在一種構造中，邊緣密封系統(tǒng)34，36包括由彈性材料制成的墊圈系統(tǒng)。在其他構造中，如下所述，可以包括一個，兩個或多個由不同選定材料制成的層，在UCA20內(nèi)提供要求的密封。其他構造使用就地形成的密封系統(tǒng)。
在某些實施例中，墊圈是如2002年11月14日提交的申請10/294098中所公開的閉孔泡沫橡膠墊圈，該申請的序號是58218US002。在其他實施例中，墊圈由具有凸棱微觀結構密封圖案的接觸面形成，如2002年5月10日提交的申請10/143273中所公開。
附圖1C所示UCA50中結合有多重MEA25，由一個或多個雙極流道板56構成。在附圖1C所示構造中，UCA50包括兩個MEA25a和25b，以及單個雙極流道板56。MEA25a包括夾在FTL66a和64a之間的陰極62a/薄膜61a/陽極60a層狀結構。FTL66a與流道末端板52相鄰，其構造是單極流道板。FTL64a與雙極流道板56的第一流道表面56a相鄰。
類似的，MEA25b包括夾在FTL66b和64b之間的陰極62b/薄膜61b/陽極60b層狀結構。FTL64b與流道末端板54相鄰，其構造是單極流道板。FTL66b與雙極流道板56的第二流道表面56b相鄰。能夠理解，單個UCA50中包括N個MEA25和N-1個雙極流道板56。但是相信總體而言，包括一個或兩個MEA56(N＝1，雙極板＝0或N＝2，雙極板＝1)的UCA50對更有效的熱控制是優(yōu)選的。
附圖1b和1c中所示的UCA構造是實施本發(fā)明的兩種特定裝置。這兩種裝置只是說明性的，并不代表本發(fā)明范圍內(nèi)的所有可能構造。比如，可以用這里公開的其他密封體系替代或補充附圖1b中所示的密封系統(tǒng)34。而且，附圖1b和1c所示是本發(fā)明組合式燃料電池組件中選擇性封裝的各種部件。
再比如，可以使用各種密封方法，為包括夾在一對單極流道板之間的單個MEA的UCA提供要求的密封，并密封包括多重MEA，一對單極流道板和一個或多個雙極流道板的UCA。比如，具有單極或雙極結構的UCA中可以包括就地形成的固體墊圈，比如平面固體硅酮墊圈。
在特定實施例中，UCA除了包括密封墊圈之外，還具有硬質(zhì)端點裝置。硬質(zhì)端點裝置可以是內(nèi)置式的，位于UCA內(nèi)部，或者被固定在單極和/或雙極流道板上。UCA還可以具有其他特征，比如流道板上具有過量墊圈物質(zhì)收集溝和微型重復圖案。UCA封裝中具有硬質(zhì)端點能限制制造過程(壓力)和使用過程(比如外部疊加壓力系統(tǒng))中施加在MEA上的壓力大小。比如，可以通過計算UCA硬質(zhì)端點的高度，提供確切的MEA壓力大小，比如在UCA制造過程中是30％，硬質(zhì)端點將這種壓縮限制在特定數(shù)量內(nèi)。流道板中具有硬質(zhì)端點還能起到幫助連接兩塊流道板的作用。
而且，實施本發(fā)明時可以在多種UCA構造中增加熱量控制功能。比如，給定UCA構造可以結合整合式熱量控制系統(tǒng)?；蛘?，使給定UCA與可分離的熱量控制結構機械偶聯(lián)，以下將進行說明。因此，本發(fā)明的燃料電池組件并不限于所述特定UCA構造或特定熱量控制系統(tǒng)。
對本領域技術人員顯而易見的是，必須改進燃料電池技術，能以市場化價格大規(guī)模生產(chǎn)。目前的傳統(tǒng)燃料電池封裝方法限制了獲得高效燃料電池疊加的能力。而且，目前的封裝和疊加方法不適合于燃料電池部件的循環(huán)利用，導致燃料電池性能變差后，整個組件成為廢品。燃料電池循環(huán)利用電能在更換和拆卸有缺陷的燃料電池之后再次用于某些燃料電池組件。本發(fā)明和UCA組裝方法能夠高效地組裝和拆卸燃料電池疊加，而且，能夠回收利用不同的UCA部件。
參見附圖2a所示本發(fā)明UCA的剖面圖。該實施例的UCA80包括就地形成的平面固體硅酮墊圈和硬質(zhì)端點裝置。在附圖2a所示的實施例和所述其他實施例中，可以使用液態(tài)的硅酮密封劑。能夠理解，硅酮密封劑材料代表一種適用于本發(fā)明UCA構造的材料。還可以換用其他密封材料，條件是這些材料表現(xiàn)出適用于密封燃料電池環(huán)境的彈性和足夠的耐用性。
可以按照以下說明過程，制造附圖2a中所示的UCA80。將流道板84置于平面上，使流體通道85朝上。舉例來說，流道板84是13厘米×13厘米的平板，具有10厘米×10厘米的流體通道區(qū)域。要注意的是，可以用碳/聚合物復合材料，石墨，金屬或涂布有傳導性物質(zhì)的金屬制造流道板84、82。
液態(tài)硅酮密封材料以預定速率，比如大約0.35毫克/分的速率，在流道板84中形成MEA墊圈的表面上分散。適用的硅酮材料是D98-55，組分A和B，從Dow Corning獲得。流體通道區(qū)域上覆蓋有11厘米×11厘米的FTL88。在下方FTL88的一個表面上放置催化劑涂布薄膜(CCM)90，即一個表面上涂布有陽極催化劑材料，另一個表面上涂布有陰極催化劑材料的PEM，使CCM90中央對準FTL中央。
在CCM90上方安置11厘米×11厘米的FTL86，分別對準中央。FTL86，88略大于CCM90，硅酮能從形成的空間中流過并注入FTL86，88的多孔碳纖維中，形成邊緣密封。FTL86，88的尺寸超過CCM90，還能防止硅酮流入流體通道85中，導致堵塞外部流體通道。
如圖所示，CCM90的薄膜91或整個CCM90從MEA向外延伸至鄰近硬質(zhì)端點92處。延伸的薄膜或CCM部分能加強流道板84和82之間的電絕緣。但是能夠理解，薄膜91或CCM90也可以不從MEA向外延伸，如附圖2a和其他附圖中所示。而且，能夠理解薄膜91或CCM90可以從MEA延伸至MEA與硬質(zhì)端點92之間要求的位置處。
外部硬質(zhì)端點92在UCA80中作為墊片，控制MEA壓縮。可以用多種材料制造硬質(zhì)端點92，比如包括聚鄰苯二甲酸乙二醇酯(PEN)，聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)，特氟隆或其他不可壓縮材料或這些材料的組合。在附圖2a所示的實施例中，外部硬質(zhì)端點92由PEN制造，涂布有特氟隆，保證不發(fā)粘和在形成UCA之后的可剝離性。調(diào)整硬質(zhì)端點92的厚度獲得要求程度的MEA壓縮。在附圖2a中，調(diào)整硬質(zhì)端點92的厚度，保持MEA30％的壓縮率。
以大約0.35毫克/分的速率將預先混合的兩組分(A和B)液態(tài)硅酮分散在上方流道板82和下方流道板85中形成MEA墊圈的表面上。MEA組分和外部硬質(zhì)端點92和分散的硅酮夾在兩個流道板82和85之間。然后將整個層疊結構80置于壓機中。優(yōu)選的層疊結構80壓制條件是，270°F，3噸壓力10分鐘，形成具有就地形成的平面固體墊圈的UCA80。在形成UCA的過程中，將FTL88，86和CCM90結合在一起形成具有很好界面的MEA。注意到如果沒有預先結合MEA，則通常需要10分鐘的結合時間。進一步注意到在遠比10分鐘短的時間內(nèi)，硅酮材料會熟化，則當該MEA被預先結合時，可以縮短10分鐘的壓制/結合時間。
附圖2b所示是本發(fā)明的另一種UCA實施例。在該實施例中，除了就地形成的硅酮墊圈之外，還使用了內(nèi)部硬質(zhì)端點裝置。將具有10厘米×10厘米流體通道區(qū)域85的13厘米×13厘米流道板84置于平面上，使流體通道朝上。這種UCA構造中包括位于每個流道板82，84中硅酮墊圈形成區(qū)域的收集通道95。如圖所示，收集通道95位于各個流道板82，84的硬質(zhì)端點裝置93a/93b和外圍之間。收集通道95為過量液態(tài)硅酮的流入提供了空間，不至于堵塞流體通道。還提供了內(nèi)鎖機制，從而在要求的MEA密封之外加強了UCA封裝的整體性。
以大約0.35毫克/分的速率將液態(tài)硅酮分散在流道板84中形成MEA墊圈的表面上。由于存在整體式硬質(zhì)端點裝置，所以被分散在流道板表面上的硅酮量可以是附圖2a計算量的大約50％。
該實施例的硬質(zhì)端點裝置中包括由PEN、PET、聚乙烯、聚丙烯、聚酯、玻璃纖維、尼龍、Delrin、Lexan、Mylar、Kapton、Teflon或類似適用材料所形成的框架93a和93b。還可以使用這些材料與碳，玻璃，陶瓷等的混合物或復合物作為硬質(zhì)端點。能夠理解并不要求硬質(zhì)端點裝置是一體式單元，相反，可以由許多不連續(xù)的或離散連接的分立硬質(zhì)端點組成。
附圖2b中所示框架93a和93b是由PEN制造的。該實施例中的PEN框架93b具有12.5厘米×12.5厘米的外部尺寸，和11厘米×11厘米的窗口?？蚣?3b位于流道板84上，使框架93b覆蓋大多數(shù)液態(tài)硅酮94。調(diào)整PEN框架94的厚度，保證MEA30％的壓縮量。
將11厘米×11厘米的FTL88置于PET框架93b的內(nèi)部窗口中。將CCM90置于FTL88上，使CCM中央對準FTL中央。另一個與框架93b同樣尺寸的PET框架93a置與CCM90上，彼此中央對準。將第二塊11厘米×11厘米的FTL86置于PEN框架93a的窗口中。
以大約0.35毫克/分的速率將液態(tài)硅酮94分散在第二流道板82中形成MEA墊圈的表面上。將第二塊流道板92置于流道板84/FTL88/CCM90/FTL86結構頂部，并置于壓機中，優(yōu)選壓制條件是270°F、3噸壓力10分鐘。
附圖3a所示的另一個實施例中，用內(nèi)置式硬質(zhì)端點代替就地形成的硅酮墊圈。附圖3a中所示UCA80的基本構造與附圖2b中所示相似，區(qū)別在于硬質(zhì)端點的構造不同。在附圖3a所示實施例中，硬質(zhì)端點內(nèi)置于流道板82、84中。如圖所示，每個流道板82、84都具有附圖3b中所示的突起外緣82a、84a。外緣82a、84a能彼此定位，在內(nèi)部流道板表面之間提供預定尺寸的空隙，足以容納硅酮密封劑94。調(diào)整突起外緣82a、84a的高度，提供恰當?shù)腗EA壓縮度。
如附圖3b中所示，外緣82a包括突起界面，外緣84a包括凹陷界面。在壓機的壓力作用下，兩個流道板82、84互相靠近，外緣82a的突起界面與外緣84a的凹陷界面接觸。在外緣82a、84a之間具有絕緣層89，比如一種絕緣薄膜，在流道板82、84之間提供要求的電絕緣。
在另一種密封方法中，可以對流道板的表面進行機械加工，形成微型重復圖案，通常稱之為微觀結構表面。各種微觀結構圖案及其制造方法是本領域中已知的。可以對微觀結構圖案進行機械加工，形成流道板的特定區(qū)域，在相對流道板表面接觸時，在UCA流道板之間形成偶聯(lián)。比如，這些圖案中的棱寬是5到25密爾，高度在大約1.5和2.5密爾之間。
比如，可以對微觀結構圖案進行機械加工，在墊圈區(qū)域中加工成流道表面，在墊圈表面形成許多小的半棱形。還可以在流道中機械加工出微觀結構圖案。如以下所具體討論，通過微觀結構圖案和聚合墊圈的組合運用(比如就地形成的硅酮墊圈或分離的彈性墊圈)，或者只使用微觀結構圖案或其他機械裝置(比如定位針、螺絲、螺栓/螺母、聯(lián)鎖裝置)，實現(xiàn)UCA密封。
附圖4a和4b所示的另一種UCA中包括內(nèi)部硬質(zhì)端點和就地形成的硅酮密封或墊圈。在該實施例中，UCA100包括作為燃料電池陰極側(cè)的上方流道板102，和作為燃料電池陽極側(cè)的下方流道板104。硬質(zhì)端點裝置110最好如附圖4b中所示，包括一體式硬質(zhì)端點內(nèi)核或線圈112，位于下方流道板104的螺栓114中。
可以預先對螺栓114進行機械加工，或者在制造過程中模制2。螺栓114的深度隨著硬質(zhì)端點內(nèi)核112的直徑而變化。上方流道板102中具有曲面凹陷116，其半徑與硬質(zhì)端點內(nèi)核112相匹配。下方流道板104中可以包括收集通道105，用于容納形成墊圈時可能流出的過量密封劑。
硬質(zhì)端點內(nèi)核112以及所述其他硬質(zhì)端點由不可壓縮的材料制成，比如PET，PEN或特氟隆。硬質(zhì)端點內(nèi)核112的厚度通常是0.5到2.0毫米。總體而言，硬質(zhì)端點內(nèi)核的厚度應當是MEA厚度的大約70％，MEA厚度通常是大約0.012毫米。
在將線圈112置于螺栓114中之前，將液體硅酮分散在硬質(zhì)端點線圈112的頂部，形成硅酮墊圈。然后使硬質(zhì)端點線圈112沉入螺栓114中，保持沿著螺栓114中心線的方法。這樣有助于保持硅酮層與硬質(zhì)端點線圈112具有大致相同的厚度。正確定位MEA106和上方流道板102，將層疊結構100置于恰當溫度和壓力條件的壓機中，保持上述預定的持續(xù)時間。
注意到薄膜的尺寸與FTL相同。即使出乎預料地接觸到催化劑，由于硅酮能避免燃料接觸到催化劑，所以也不成問題。如果希望UCA能循環(huán)利用，則可以在直接接觸硅酮墊圈/密封材料的流道板102，104表面上應用附加的剝離涂層。這樣，就能很容易地從制得的流道板102，104上分離損壞UCA的MEA和密封/墊圈。
參見附圖5a-5f所示包括本發(fā)明另一種密封裝置的UCA部分區(qū)域。附圖5a-5f中所示實施例中結合了熱塑性密封材料，通常以薄膜，膠帶或其他固體形式分布。熱塑性材料可以是含氟塑料，比如THV(四氟乙烯，六氟丙烯和偏二氟乙烯的三元共聚物)；聚乙烯；聚乙烯的共聚物，比如乙烯和丙烯酸的共聚物；Thermo-Bond 845(由3M制造，比如聚乙烯馬來酸酐共聚物)和Thermo-Bond686(由3M制造，比如聚酯)。這些物質(zhì)與碳，玻璃，陶瓷等填料的混合或復合物也可以作為熱塑性材料。優(yōu)選熔化范圍是50-180℃，更優(yōu)選是100-150℃，接近于MEA結合的溫度。熱塑性材料還應當與硬質(zhì)端點和流道板粘合。
在某些UCA/MEA構造中，熱塑性密封材料在UCA密封之外提供加強的邊緣防護。除了其他好處之外，使用固體熱塑性密封薄膜還能顯著降低或消除因為使用液態(tài)密封劑而產(chǎn)生流動通道堵塞的危險。而且，F(xiàn)TL可以位于UCA/MEA中，以免熱塑性密封薄膜流入進氣孔和通道中。
使用固體熱塑性密封薄膜的特別的好處是，這種密封薄膜會溶解進入FTL，從而在密封薄膜覆蓋FTL時，不會改變FTL邊緣的厚度。而傳統(tǒng)的MEA制造方法會導致MEA的邊緣厚度略微發(fā)生變化，產(chǎn)生所受到的壓力比MEA其他區(qū)域大許多的位置。如果MEA的邊緣處受到太大壓力，則MEA很容易在這些區(qū)域出問題。因為本實施例的熱塑性密封薄膜在擴散進入FTL表面之后，沒有明顯的厚度變化，所以MEA在UCA疊加中受到的壓力與整個MEA表面的相等。
如上所述，在本發(fā)明中使用熱塑性密封薄膜的另一個好處是薄膜邊緣防護。在耐久性試驗中，發(fā)現(xiàn)導致MEA出問題的主要原因是FTL和墊圈硬質(zhì)端點之間的區(qū)域中產(chǎn)生了應力，導致撕裂，產(chǎn)生大量氫交換。這種交換使MEA變得完全無法使用，使UCA疊加的剩余部分出問題，因為無法傳送氫燃料至其他疊加中的其他MEA去。
這種邊緣撕裂現(xiàn)象會出現(xiàn)在某些MEA結構中，因為陽極和陰極層之間通常存在壓差，薄膜幾乎沒有支撐物，所以那個區(qū)域的薄膜強度是很小的。這時，熱塑性密封薄膜在薄膜上熔化，形成不太容易被撕裂的強有力支撐。制得的薄膜邊緣處具有FTL，有更高的使用壽命和可靠性能的潛力，因為顯著降低了在邊緣出問題的機會。
這種UCA構造的另一個優(yōu)點是，薄膜得到保護以免受到FTL銳角的影響。在許多情況下發(fā)現(xiàn)，特別是對更硬的FTL，有時候FTL的邊緣會戳穿薄膜，導致短路，使MEA出問題。傳統(tǒng)方法只能部分控制這個問題。在該實施例中，優(yōu)選在結合之前，有一個熱塑性密封薄膜位于FTL邊緣下方。熱塑性密封薄膜能保護薄膜防止在結合過程中受到鋒利邊緣的損壞。與傳統(tǒng)方法相比，使用該實施例的熱塑性密封薄膜，能夠完全避免發(fā)生FTL導致的薄膜穿刺現(xiàn)象的發(fā)生。
在某些實施例中增加硬質(zhì)端點，能夠進一步提供精確控制UCA中壓縮的優(yōu)點，當FTL壓縮到達最佳程度時停止燃料電池的壓縮。硬質(zhì)端點的厚度隨著FTL的厚度變化，能夠提供最佳壓縮率。
附圖5a所示在被置于結合壓機中之前的UCA邊緣部分，附圖5b所示是附圖5a的UCA部分在完成結合步驟之后的情況。UCA200包括第一和第二流道板202，204，每個板都具有進氣口206，210和許多氣流管道208，212。MEA212位于第一和第二流道板202，204之間。MEA212中包括一對FTL220，222，其間有CCM214。CCM214包括陰極和陽極催化劑層224，226，以及從MEA212向外延伸的薄膜228。如圖所示，薄膜228超出FTL220，222的邊緣，大致在第一和第二流道板202，204的邊緣處結束。
UCA200中復合的硬質(zhì)端點裝置包括分別位于薄膜228和第一與第二流道板202，204之間的第一與第二硬質(zhì)端點框架234，240。硬質(zhì)端點框架234，240可以由合適的硬質(zhì)端點材料制成，比如PET，PEN，特氟隆或類似物。第一硬質(zhì)端點框架234通過使用粘性薄膜或者位于第一硬質(zhì)端點框架234和薄膜228之間的層236而保持在薄膜228上。類似的，第二硬質(zhì)端點框架240通過使用粘性薄膜或位于第二硬質(zhì)端點框架240和薄膜228之間的層238而保持在薄膜228上。
第一熱塑性薄膜230的第一末端位于第一FTL220和部分超出陰極催化劑層224的部分薄膜228之間。第一熱塑性薄膜230通過在第一FTL220的末端和第一硬質(zhì)端點框架234之間所形成的空隙211。在附圖5a的構造中，第一熱塑性薄膜230位于第一硬質(zhì)端點框架234和第一流道板202之間。第一熱塑性薄膜230的第二末端在第一流道板202的邊緣處結束。
第二熱塑性薄膜232的第一末端位于第二FTL222和超出陽極催化劑層226的部分薄膜228之間。第二熱塑性薄膜232通過在第二FTL222的末端和第二硬質(zhì)端點框架240之間所形成的空隙211b。在附圖5a的構造中，第二熱塑性薄膜232位于第二硬質(zhì)端點框架240和第二流道板204之間。第二熱塑性薄膜232的第二末端在第二流道板204的邊緣處結束。
通常每個熱塑性薄膜230，232的厚度都是大約2.5密爾，單個硬質(zhì)端點框架234，240的厚度通常是大約5密爾。在使用單個硬質(zhì)端點框架的UCA構造中，比如附圖5c-5d所示的實施例中，硬質(zhì)端點框架235的厚度是大約10密爾。注意到FTL220，222的厚度通常是大約8密爾。能夠理解這些尺寸隨著特定的UCA設計而變化。
在另一種構造中，第一熱塑性薄膜230位于第一FTL220和超出陰極催化劑層224的部分薄膜228之間。該構造中的第一熱塑性薄膜230通過空隙211a并在第一硬質(zhì)端點框架234的邊緣處結束。在第一硬質(zhì)端點框架234和第一流道板202之間具有粘性薄膜或類似于層236的層。
在該實施例中，第二熱塑性薄膜232位于第二FTL222和超出陽極催化劑層226的部分薄膜228之間。這種構造中的第二熱塑性薄膜232通過空隙211b，并在第二硬質(zhì)端點框架240的邊緣處結束。在第二硬質(zhì)端點框架240和第二流道板204之間由粘性薄膜或類似于層238的層。
附圖5b所示是結合過程完成之后的邊緣保護UCA。從附圖5b中可知，UCA200的不同部件通過熔融的熱塑性薄膜230，232而結合在一起。熱塑性材料浸漬FTL220，222，但是沒有滲入進氣口206，210中。而且，F(xiàn)TL220，222相對氣體通道208，212的恰當位置能防止氣體通道在結合步驟中被堵塞。薄膜228在第一與第二硬質(zhì)端點框架234，240和第一與第二FTL220，222之間的易損壞邊緣處周圍包裹著相當大的熔融熱塑性材料層。
附圖5c和5d所示另一種UCA封裝構造中復合有熱塑性密封劑材料以及硬質(zhì)端點裝置。附圖5c所示是被置于結合壓機之前的UCA邊緣部分，而附圖5d所示是附圖5c的UCA部分在完成結合過程之后的情況。在該實施例中，MEA212包括在第一和第二FTL220，222處或附近結束的薄膜228。在附圖5a和5b的實施例中，附圖5c和5d中的第一和第二熱塑性薄膜230，232分別超出催化劑層224，226的薄膜228和第一與第二FTL220，222之間。
第一和第二熱塑性薄膜230，232分別通過在第一與第二FTL220，222末端和硬質(zhì)端點框架235之間所形成的空隙211。由于薄膜228沒有超出硬質(zhì)端點裝置，所以可以使用單個硬質(zhì)端點框架235。注意到薄膜228延伸進入空隙211，并到達硬質(zhì)端點框架235，從而加強第一和第二流道板202，204之間的電絕緣。
第一和第二熱塑性薄膜203，232分別硬質(zhì)端點框架235和第一與第二流道板202，204之間。在附圖5a和5b所示的構造中，第一和第二熱塑性薄膜203，232可以延伸至硬質(zhì)端點框架235，這時在硬質(zhì)端點框架235和第一與第二流道板202，204之間分別具有粘性薄膜或?qū)印?br> 附圖5e和5f所示另一種UCA中復合有本發(fā)明的熱塑性密封劑材料。在該實施例中，與附圖5a-5d的實施例相同沒有使用硬質(zhì)端點裝置。附圖5e所示是被置于結合壓機中之前UCA200的邊緣部分，附圖5f所示是附圖5e的UCA部分在完成結合步驟之后的情況。
在該實施例中，MEA212包括從MEA212向外延伸的薄膜228，在每個第一和第二流道板202，204處或附近結束。第一熱塑性薄膜230位于第一FTL220和超出陰極催化劑層224的部分薄膜228之間。該構造中的第一熱塑性薄膜230位于薄膜228的超出部分上，并在第一流道板202的邊緣處結束。
該實施例的第二熱塑性薄膜232位于第二FTL222和超出陽極催化劑層226的部分薄膜228之間。第二熱塑性薄膜232位于薄膜228的超出部分上，并在第二流道板202的邊緣處結束。能夠理解薄膜228不一定必須超出MEA212的邊緣，或者分別超出第一和第二流道板202，204的邊緣。
以下是本發(fā)明的另一方面，進一步的實施例涉及具有熱控制特征的UCA組件。在某些實施例中，熱控制特征包括能與UCA分離的冷卻結構。在其他實施例中，熱控制特征包括與UCA封裝整合的冷卻機構。在進一步的實施例中，與UCA整合或分離的UCA冷卻結構有助于UCA疊加的組裝和拆卸。
在其他實施例中，使用各種鎖定/嚙合裝置幫助簡化將UCA組件插入疊加和從疊加中拆卸UCA。在進一步的實施例中，使用各種鎖定/嚙合裝置幫助簡化將MEA插入一對流道板或從一對流道板中取出MEA。以下將具體說明這些和其他特征。
總體而言，組裝包括流道板，MEA和冷卻結構的燃料電池疊加時，要小心對準所有部件，將這些部件壓制在一起，使每個燃料電池都受到一定程度的壓縮。傳統(tǒng)的燃料電池疊加使用具有固定孔的連桿通過流道板內(nèi)部壓縮疊加。電池出問題時，要求拆除故障電池并更換，從而使疊加體或模塊繼續(xù)工作。
對于傳統(tǒng)燃料電池疊加組合體，拆除或替換損壞的電池或損壞的疊加體是復雜而耗時的。為了從使用傳統(tǒng)方法組裝的燃料電池疊加體中拆除損壞的電池，必須拆卸整個疊加體然后完全重建。包括拆卸整個連桿和每個電池，然后在從疊加體中拆除問題電池之后重建整個疊加體。
本發(fā)明疊加燃料電池的方法能高效地拆除和替換疊加組合體中的缺陷電池，從而降低與疊加體拆卸和再組裝操作相關的復雜性和時間消耗。而且，本發(fā)明疊加燃料電池的方法能加強燃料電池部件的循環(huán)利用，從而再次利用從疊加中拆除的某些缺陷燃料電池部件(比如，流道板，硬質(zhì)端點部件，彈性密封，冷卻組分等)。
在一種熱控制構造中，如附圖6a-6c中所示，UCA組件300中包括UCA302和可分離的平板304。該實施例中的UCA302具有矩形或方塊形狀，能夠理解其他形狀和構造也是可能的。冷卻平板304中包括凹陷表面308，其尺寸正好能容納UCA302。冷卻平板304的一個或多個表面，比如背面和/或側(cè)面，具有冷卻裝置306，比如冷卻通道或散熱片。可以有流體傳熱介質(zhì)，比如空氣，水或其他氣相或流體冷卻劑，能夠通過冷卻裝置306，控制UCA302的溫度(即加熱和/或冷卻UCA302)。
從附圖6b和6c中可知，第一UCA302可以位于冷卻板304第一表面的凹陷308中。另外，冷卻板304的第二表面，比如包括冷卻裝置306的表面中，可以包括其尺寸與第二UCA302匹配的凹陷307。通過這種方法，能夠用單個冷卻板304提供冷卻，并與兩個UCA302對準嚙合。
因此，可以用UCA302和冷卻板304之間的凹陷匹配關系，聯(lián)鎖UCA組件的疊加300。注意到在替代構造中，UCA302的一個或多個表面上具有凹陷，冷卻板304中可以包括一個或多個能嵌入UCA302相關凹陷表面的突起表面。
UCA302和冷卻板304之間的凹陷匹配能簡化對準操作并簡化其間的插入/取出操作。在這種實施方式中，最好如附圖7a和7b中所示，使用壓縮設備320壓制UCA組件疊加300(即UCA320和相關的冷卻板304)，壓縮設備中連桿326完全位于UCA組件300的外側(cè)。通過這種設計，疊加組合體就不需要特別的對準操作。與使用通過流道板的連桿的傳統(tǒng)方法相比，使用這種設計拆卸或替換疊加系統(tǒng)中特定電池需要的工作量特別少。
附圖7a和7b中所示的壓縮設備320包括一對末端平板322，324，連桿326在其間延伸。為了簡化而沒有表示出燃料和冷卻劑多支管和對準針。開始時，將每個UCA302置于其相關冷卻板304的凹陷308中，在該實施例中確定UCA組合300。將連桿326穿入各個末端平板322，324的孔中。
如圖所示，開始時一個連桿326a可以未被安裝，從而有助于將UCA組件300插入壓縮設備320中。插入全部UCA組件300之后，在相關連桿326上擰緊螺母325，產(chǎn)生恰當?shù)寞B加壓力(比如大約150磅/平方英寸)?？梢杂棉D(zhuǎn)矩扳手適當擰緊螺母325?？梢园l(fā)現(xiàn)UCA302和冷卻板304之間的凹陷匹配使疊加中的UCA302精確對準，并UCA302在疊加組裝和拆卸過程中發(fā)生滑脫。
如附圖7a和7b中所示，可以拆除單個連桿326a，幫助從疊加中拆除缺陷的UCA302。如圖所示，拆除連桿326a并松開所有其他的連桿326。拆除損壞的UCA302。然后將替換的UCA302插入拆除損壞UCA302后留出的冷卻板凹陷。或者，可以從疊加中取出與拆除的UCA302相關的冷卻板304，使疊加中的UCA組件300減少一個。替換先前拆除的連桿326a，適當擰緊所有連桿326。
通過該實施例的凹陷匹配設計，只需要松開燃料電池疊加并拆除損壞的電池(UCA)，替換或者再次擰緊少了一個電池(UCA)的疊加體。凹陷匹配設計能使模塊中的所有電池(UCA)精確對準，處于完全相同的位置。不允許電池(UCA)運動或滑動，否則會形成高壓縮率部分或密封損壞。由于連桿孔不再位于流道板中，所以制造流道板不象以前那樣復雜和高成本。另外，由于沒有需要在每個流道板兩側(cè)進行密封的連桿孔，所以需要進行的密封更少。通過減少密封數(shù)量，能夠相應地減少交叉和泄漏。
附圖6d中所示是本發(fā)明的另一種可循環(huán)利用的UCA組件。與附圖6a-6c所示實施例相同，附圖6d中所示的UCA構造中包括可分離的冷卻板404a，404b和類似的凹陷匹配聯(lián)鎖機制?？梢允褂门c附圖6d中所示類似的UCA組件設計構造包括如附圖7a和7b中所示壓縮設備的燃料電池疊加體。
附圖6d中所示UCA組件包括復合兩個UCA402a，402b的雙極UCA402。雙極UCA402位于一對冷卻板404a，404b之間。UCA402包括第一單極流道板410，雙極流道板414和第二單極流道板420。第一MEA412位于第一流道板410和雙極流道板414之間，第二MEA416位于第二流道板420和雙極流道板414之間。第一MEA412的冷卻只要由冷卻板404a實現(xiàn)，第二MEA416的冷卻主要由冷卻板404b實現(xiàn)。
附圖6d中所示UCA封裝構造中的各個部件能在識別缺陷MEA之后被循環(huán)利用。估計UCA的密封墊圈裝置是可分離的彈性密封裝置或上述熱塑性密封裝置，能從電池疊加中拆除缺陷的UCA并進行拆卸。在一種方法中，可以從相關的冷卻板404a，404b中拆除附圖6d中所示缺陷的雙極UCA組件402，按照上述單極UCA的實施方法，更換可以工作的雙極UCA組件402。
在另一種方法中，可以拆除缺陷的雙極UCA組件，并進一步拆卸從雙極UCA封裝中取出每個MEA。比如，可以加熱雙極UCA組件使就地形成的熱塑性密封裝置軟化或重新流動。然后分離流道板410，414和420，暴露出兩個MEA412，416。然后取出缺陷的MEA。清潔并修復流道板410，414和420，再次使用。如上所述，可以在流道板中就地形成墊圈的表面上應用剝離涂層，有助于簡化UCA部件的拆卸。
參見附圖8a-8c所示的UCA組件，其中使用了本發(fā)明的鎖定或嚙合功能。UCA500包括第一流道板502和第二流道板504。第一流道板502進一步包括其尺寸與MEA匹配的凹陷表面512。第二流道板504中也包括其尺寸與MEA匹配的凹陷表面514。
在該特定實施例中，第一流道板502中復合的冷卻裝置510與第一流道板502是整合的。冷卻裝置510中包括冷卻通道，散熱片，或其他能幫助輸送傳熱介質(zhì)通過第一流道板502后表面的結構。
附圖8a-8c中所示UCA500中復合了鎖定或嚙合裝置506，在構造UCA疊加501時有助于精確對準和方便組裝UCA。在附圖8a-8c所示實施例中，鎖定裝置506包括分別位于第一和第二流道板502和504相對末端上的機械鎖定結構520和524。鎖定結構524包括第二流道板504的突起表面，優(yōu)選靠近第二流道板504的外緣。鎖定結構520包括第一流道板502的凹陷表面，同樣優(yōu)選靠近第一流道板502的外緣。
每個鎖定結構520，524在第一和第二流道板502和504之間，在組裝的UCA500和相鄰的分別具有鎖定結構520，524的UCA之間提供對準的凹陷匹配。能夠理解鎖定結構520，504通過恰當?shù)慕^緣材料彼此電絕緣。
這種機械鎖定裝置能簡化UCA500疊加501的組裝和拆卸，如附圖8c中所示。能夠理解可以通過其他凹陷和突起的表面構造實現(xiàn)該發(fā)明實施例的機械鎖定功能。比如，第一流道板502中可以復合其尺寸與第二流道板504中的突起表面相匹配的凹陷表面。
可以使用其他機械鎖定裝置，使UCA的相對流道板發(fā)生機械偶聯(lián)和去偶聯(lián)。這種用于流道板的裝置包括定位針，鉤環(huán)材料，微觀結構圖案，螺絲，螺栓，咬合的偶聯(lián)裝置，和其他種類的機械緊固件。
參見附圖9a-9e所示復合了本發(fā)明整合冷卻裝置的UCA組件。該實施例中包括許多優(yōu)點，包括定位和對準特征，機械鎖定結構和整合的冷卻裝置。在本發(fā)明中這些特征中的部分或全部都能被復合在UCA組件中。
附圖9a所示UCA600中包括兩個平板602，604以及位于其間的MEA(未示出)。平板602中包括第一表面606，該表面中具有整合的冷卻裝置630，和第二表面608，該表面中包括流道。平板602的第一表面606如附圖9e中所示，平板602的第二表面608如附圖9b中所示。附圖9a中所示平板604中具有位于第一表面610上的流道650，還具有位于第二表面612上的平滑區(qū)域。平板604的第一表面610如附圖9c中所示，第二表面612如附圖9d中所示。
平板602和604具有鎖定結構，有助于定義燃料電池疊加中UCA的重復對平板602，604之間的凹陷匹配。最好如附圖9a中所示，第一和第二平板602，604按所示方向彼此配對嚙合，使平板602的第二表面608與平板604的第一表面610配對嚙合。沿著第一和第二平板602，604邊緣處的凹陷和突起表面定義了UCA600的主要嚙合或鎖定結構。彼此靠近時，這些表面嚙合在一起，形成機械的凹陷匹配。
組合兩個這樣的UCA600之后，使兩個UCA600面對面地彼此機械偶聯(lián)，在UCA600平板602的第一表面606和第二UCA600第二平板604的第二表面612之間形成凹陷匹配。通過這種方法，能夠組合任意數(shù)量的UCA600，構成要求的燃料電池疊加體。
除了提供定位，對準和聯(lián)鎖功能之外，UCA平板602和604的各種凹陷，平滑和突起表面有助于密封UCA的各個區(qū)域，比如冷卻區(qū)域，燃料多支管區(qū)域622，624，628和626，以及UCA的外緣區(qū)域。
平板602的第一表面606，如附圖9a和9e中所示，包括冷卻區(qū)域620，其中的冷卻劑分散區(qū)630位于冷卻劑多支管口634和632之間。燃料進口和出口690，688，682和692分別位于燃料多支管區(qū)域622，624，628和626中。燃料多支管區(qū)622，624，628，626和冷卻區(qū)域620是相對于平板606底面抬升的表面。這些抬升的表面能與平板604第二表面612上的相應凹陷和/或平滑表面匹配。
具體而言，位于第一UCA600平板602表面606上的抬升冷卻區(qū)域620能夠與第二UCA600平板604第二表面612上的平滑表面嚙合并形成密封。第一UCA600平板602第一表面606上抬升的燃料多支管區(qū)域622，624，628和626能與第二相鄰UCA600的平板604第二表面612上最接近的燃料多支管區(qū)域652，662，660和658的平滑表面嚙合并形成密封。燃料多支管區(qū)域622和626中的燃料口635和637能使燃料通過UCA600的流道。
第一平板602的第一表面608包括流道680，如附圖9b中所示。流道680包括燃料進口684和燃料出口686。燃料進口684與平板602第一表面606的燃料口635發(fā)生流動偶聯(lián)，如附圖9e中所示。燃料出口686與平板602第一表面606上的燃料口637發(fā)生流動偶聯(lián)。
同樣，第二平板604的第一表面610包括流道650，如附圖9c中所示。流道650包括燃料進口656和燃料出口654。燃料進口656與平板604第二表面612上的燃料口701發(fā)生流動偶聯(lián)，如附圖9d中所示。燃料出口654與平板604第二表面612上的燃料口703發(fā)生流動偶聯(lián)。
在構建UCA600時，將MEA正確定位于第一或第二平板602，604的一個流道680，650上。平板602或604中還可以具有一個或多個硬質(zhì)端點框架?？梢园凑丈鲜龇椒ㄐ纬深A制密封或就地形成的密封(比如，液態(tài)硅同或熱塑性密封)。
還可以采用多種其他機械偶聯(lián)方法，比如定位針，鉤環(huán)材料，微觀結構圖案，螺絲，螺栓，咬合偶聯(lián)裝置，和上述其他種類的機械緊固件。可以用金屬，碳或復合材料，比如傳導性石墨或碳/聚合物復合材料，加工或形成平板602，604。
構建之后，在組裝燃料電池疊加時將UCA600與其他的類似UCA600排列在一起。在其他實施例中，如果UCA600工作表現(xiàn)很差，則能采用上述方法循環(huán)利用附圖9a-9e中所示的UCA600。
附圖10所示的簡化的燃料電池疊加，有助于理解燃料進出疊加的方式。能夠理解附圖10中所示疊加中使用的多個具有上述構造的UCA，附圖10中所示疊加的特定部件和構造僅是說明性的。本領域技術人員能夠理解可以使用按照本發(fā)明原理構建的UCA組裝這種燃料電池疊加體。
附圖10中所示燃料電池疊加800包括第一末端平板802和第二末端平板804。每個末端平板802，804都包括單極流道板。有許多MEA820和雙極流道板830位于第一和第二末端平板802，804之間。這些MEA和流道部件優(yōu)選是所述種類的，能夠理解疊加800中可以包括冷卻裝置。
第一末端平板802包括第一燃料進口806，該端口能接受氧，和第二燃料出口808，該端口能排出氫。第二末端平板804包括第一燃料出口809，該端口能排出氧，和第二燃料進口810，該端口能接受氫。燃料以特定方式由末端平板802，804中的各個端口以及疊加800中每個MEA820和流道板8259比如UCA)上的多支管端口825通過疊加。
附圖11所示燃料電池系統(tǒng)中的一個或多個燃料電池疊加中使用了本發(fā)明的UCA。附圖11中所示燃料電池系統(tǒng)900說明了一種可能的系統(tǒng)，其中使用了基于UCA的燃料電池疊加體。
燃料電池系統(tǒng)900包括燃料加工機904，動力部分906和功率調(diào)節(jié)器908。包括燃料重整器的燃料加工機904接受原料燃料，比如天然氣，將其加工成氫富集的燃料。氫富集燃料被輸送至動力部分906。在動力部分906中，氫富集燃料被引入動力部分906中燃料電池疊加的UCA中。空氣也被輸送至動力部分906，為燃料電池疊加提供氧。
動力部分906的燃料電池疊加產(chǎn)生DC功率，可用的熱量和清潔水。在再生系統(tǒng)中，可以用部分或全部的副產(chǎn)品熱量來制造蒸汽，然后被燃料加工機904利用，實現(xiàn)各種加工功能。動力部分906產(chǎn)生的DC功率被輸送至功率分配器908，使DC功率轉(zhuǎn)化成AC功率，以備后用。能夠理解提供DC輸出功率的系統(tǒng)中不必包括AC功率轉(zhuǎn)化。
上述對本發(fā)明各實施例的說明是說明和描述目的的。并非試圖窮舉或?qū)⒈景l(fā)明限制在所公開的形式中。通過以上說明能夠作出許多改進和變化。本發(fā)明的范圍并不受限于這些詳細說明，而是由權利要求限定。
權利要求
1.一種可疊加的組合式燃料電池系統(tǒng)，包括組合式燃料電池組件，包括第一流道板；第二流道板；和位于第一與第二流道板之間的薄膜電極組件(MEA)；可與組合式燃料電池組件分離的冷卻結構；和位于組合式燃料電池組件和/或冷卻結構上的固定裝置，固定裝置的構造有助于組合式燃料電池組件和冷卻結構之間的配對嚙合，并在預定方向上固定組合式燃料電池組件。
2.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于固定裝置包括冷卻結構的凹陷部分，其構造成接受組合式燃料電池組件。
3.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于固定裝置包括組合式燃料電池組件的凹陷部分，其構造成接受冷卻結構。
4.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于冷卻結構包括導熱復合材料。
5.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于冷卻結構包括金屬化材料。
6.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于冷卻結構包括大量冷卻散熱器。
7.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于冷卻結構包括一個或多個冷卻通道。
8.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于冷卻結構能容納氣相傳熱介質(zhì)。
9.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于冷卻結構能容納液體傳熱介質(zhì)。
10.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于第二流道板確定了雙極流道板，組合式燃料電池組件進一步包括第三流道板和位于第二流道板和第三流道板之間的第二MEA。
11.如權利要求10所述的系統(tǒng)，其特征在于組合式燃料電池組件包括第一表面和第二表面，該系統(tǒng)進一步包括可與組合式燃料電池組件分離的第二冷卻結構。
12.如權利要求10所述的系統(tǒng)，其特征在于組合式燃料電池組件包括第一表面和第二表面；系統(tǒng)進一步包括可與組合式燃料電池組件分離的第二冷卻結構；和固定裝置，其構造有助于冷卻結構和組合式燃料電池組件第一表面之間以及第二冷卻結構和組合式燃料電池組件第二表面之間的配對嚙合。
13.如權利要求12所述的系統(tǒng)，其特征在于固定裝置包括冷卻結構的第一凹陷部分，其構造能與組合式燃料電池組件的第一表面匹配；和第二冷卻結構的第二凹陷部分，其構造能與組合式燃料電池組件的第二表面匹配。
14.如權利要求12所述的系統(tǒng)，其特征在于固定裝置包括組合式燃料電池組件第一表面的第一凹陷部分，其構造能與冷卻結構的突起表面匹配；和組合式燃料電池組件第二表面的第二凹陷部分，其構造能與第二冷卻結構的突起表面匹配。
15.如權利要求12所述的系統(tǒng)，其特征在于固定裝置包括冷卻結構的第一凹陷部分，其構造能與組合式燃料電池組件的第一表面匹配；和組合式燃料電池組件第二表面的第二凹陷部分，其構造能與第二冷卻結構的突起表面匹配。
16.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于大量組合式燃料電池系統(tǒng)被排列成組合式燃料電池系統(tǒng)的互聯(lián)疊加，成為燃料電池疊加組合體。
17.如權利要求16所述的系統(tǒng)，其特征在于一個或多個燃料電池疊加組合體被復合在燃料電池系統(tǒng)中。
18.如權利要求16所述的系統(tǒng)，其特征在于燃料電池疊加組合體的壓縮裝置中包括與疊加的第一組合式燃料電池系統(tǒng)相鄰的第一末端平板和與疊加的最后一個組合式燃料電池系統(tǒng)相鄰的第二末端平板，壓縮裝置對疊加施加壓力。
19.如權利要求18所示的系統(tǒng)，其特征在于壓縮裝置包括至少一個可分離的壓縮單元，有助于疊加中選定組合式燃料電池組件的插入和取出。
20.一種可疊加的組合式燃料電池系統(tǒng)，包括組合式燃料電池組件，包括第一流道板；第二流道板；和位于第一和第二流道板之間的薄膜電極組件(MEA)；可與組合式燃料電池組件分離的冷卻結構；位于組合式燃料電池組件和/或冷卻結構上的固定裝置，固定裝置的構造有助于組合式燃料電池組件和冷卻結構之間的配對嚙合，并在預定方向上固定組合式燃料電池組件；和鎖定裝置，其構造能在配對嚙合時定位和對準相鄰的組合式燃料電池系統(tǒng)。
21.如權利要求20所述的系統(tǒng)，其特征在于鎖定裝置的構造能在配對嚙合時定位相鄰的組合式燃料電池系統(tǒng)。
22.如權利要求20所述的系統(tǒng)，其特征在于組合式燃料電池組件，包括第一表面和第二表面；固定裝置，包括冷卻結構的凹陷部分，其構造能與組合式燃料電池組件的第一表面匹配；和鎖定裝置，包括從冷卻結構的凹陷部分向外突起的組合式燃料電池組件的全部或部分第二表面。
23.如權利要求22所述的系統(tǒng)，其特征在于組合式燃料電池組件第二表面向外突起部分的構造能與相鄰的一個組合式燃料電池系統(tǒng)的凹陷表面匹配。
24.如權利要求23所述的系統(tǒng)，其特征在于相鄰的一個組合式燃料電池系統(tǒng)的凹陷表面包括相鄰的一個組合式燃料電池系統(tǒng)冷卻結構的凹陷表面。
25.如權利要求20所述的系統(tǒng)，其特征在于組合式燃料電池組件，包括第一表面和第二表面；固定裝置，包括冷卻結構的第一突起表面，其構造能與組合式燃料電池組件第一表面的凹陷部分相匹配；和鎖定裝置，包括冷卻結構的第二突起表面。
26.如權利要求25所述的系統(tǒng)，其特征在于冷卻結構的第二突起表面的構造能與相鄰的一個組合式燃料電池系統(tǒng)中組合式燃料電池組件的凹陷表面匹配。
27.如權利要求20所述的系統(tǒng)，其特征在于大量組合式燃料電池組件的鎖定裝置是配對嚙合的，形成組合式燃料電池組件的疊加體。
28.如權利要求27所述的系統(tǒng)，其特征在于組合式燃料電池組件的疊加進一步包括壓縮裝置，其中包括與疊加的第一組合式燃料電池組件相鄰的第一末端平板和與疊加的最后一個組合式燃料電池組件相鄰的第二末端平板，壓縮裝置對疊加施加壓力。
29.如權利要求28所述的系統(tǒng)，其特征在于壓縮裝置包括至少一個可分離的壓縮單元，有助于疊加中選定組合式燃料電池組件的插入和取出。
30.如權利要求27所述的系統(tǒng)，其特征在于一個或多個燃料電池疊加被復合成燃料電池系統(tǒng)。
31.一種可疊加的組合式燃料電池組件，包括第一平板，具有第一表面，第二表面和第一嚙合裝置，第一平板的第一表面包括第一流道，第一平板的第二表面包括整合的冷卻裝置；第二平板，具有第一表面，第二表面和第二嚙合裝置，第二平板的第一表面包括第二流道；和位于第一和第二流道之間的薄膜電極組件(MEA)，MEA包括第一和第二流體傳輸層(FTL)以及位于陽極和陰極催化層之間的薄膜；其特征在于當?shù)谝粐Ш涎b置與第二嚙合裝置配對嚙合時，第一流道對準第二流道。
32.如權利要求31所述的組件，其特征在于第二嚙合裝置包括位于第二平板第一表面上的凹陷部分，第二嚙合裝置包括位于第一平板第一表面上的突起部分，當?shù)谝缓偷诙Ш涎b置之間配對嚙合時，第二平板的凹陷部分與第二平板的突起部分匹配。
33.如權利要求31所述的組件，其特征在于第二嚙合裝置包括位于第二平板第一表面上的突起部分，第一嚙合裝置包括位于第一平板第一表面上的凹陷部分，當?shù)谝缓偷诙Ш涎b置之間配對嚙合時，第二平板的突起部分與第二平板的凹陷部分匹配。
34.如權利要求31所述的組件，其特征在于第一和第二嚙合裝置包括位于第一和第二平板的各個第一表面上的一個或多個微觀結構圖案。
35.如權利要求31所述的組件，其特征在于第一和第二嚙合裝置包括位于第一和第二平板的各個第一表面上的一個或多個可松開的緊固件。
36.如權利要求31所述的組件，其特征在于第一嚙合裝置的構造能與相鄰的一個組合式燃料電池組件的第二嚙合裝置配對嚙合。
37.如權利要求36所述的組件，其特征在于第一平板的冷卻裝置為相鄰的一個組合式燃料電池組件提供冷卻。
38.如權利要求36所述的組件，其特征在于第二嚙合裝置的構造能與相鄰的一個組合式燃料電池組件的第一嚙合裝置配對嚙合。
39.如權利要求31所述的組件，其特征在于第一和第二嚙合裝置包括位于第一和第二平板的各個第二表面上的一個或多個微觀結構圖案，能與相鄰的一個組合式燃料電池組件的各個第二表面嚙合。
40.如權利要求31所述的組件，其特征在于第一和第二嚙合裝置包括位于第一和第二平板的各個第二表面上的一個或多個可松開的緊固件，能與相鄰的一個組合式燃料電池組件的各個第二表面嚙合。
41.如權利要求31所述的組件，其特征在于第一嚙合裝置的構造能與第一個相鄰的組合式燃料電池組件的第二嚙合裝置配對嚙合，第二嚙合裝置的構造能與第二個相鄰的組合式燃料電池組件的第一嚙合裝置配對嚙合，其特征在于第一平板的冷卻裝置為第一個相鄰的組合式燃料電池組件提供冷卻。
42.如權利要求31所述的組件，其特征在于冷卻裝置包括冷卻通道。
43.如權利要求42所述的組件，其特征在于冷卻通道位于第一平板的外圍之內(nèi)。
44.如權利要求42所述的組件，其特征在于冷卻裝置進一步包括與冷卻通道流動偶聯(lián)的進口和出口，傳熱介質(zhì)分別由進口和出口通過冷卻通道。
45.如權利要求31所述的組件，其特征在于冷卻裝置包括大量冷卻劑分散通道。
46.如權利要求31所述的組件，進一步包括在第一嚙合裝置與相鄰的一個組合式燃料電池組件的第二嚙合裝置配對嚙合時，將冷卻裝置的冷卻流體與相鄰的一個組合式燃料電池組件的第一流道隔離的密封裝置。
47.如權利要求31所述的組件，其特征在于冷卻裝置能容納氣相傳熱介質(zhì)。
48.如權利要求31所述的組件，其特征在于冷卻裝置能容納液體傳熱介質(zhì)。
49.如權利要求31所述的組件，其特征在于大量組合式燃料電池組件的第一和第二嚙合裝置配對嚙合，形成組合式燃料電池組件的疊加體。
50.如權利要求49所述的組件，其特征在于組合式燃料電池組件的疊加進一步包括壓縮裝置，其中包括與疊加的第一組合式燃料電池組件相鄰的第一末端平板，和與疊加的最后一個組合式燃料電池組件相鄰的第二末端平板，壓縮裝置對疊加施加壓力。
51.如權利要求50所述的組件，其特征在于壓縮裝置包括至少一個可分離的壓縮單元，有助于疊加中選定組合式燃料電池組件的插入和取出。
52.如權利要求49所述的組件，其特征在于一個或多個燃料電池疊加被復合形成燃料電池系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種包括冷卻功能的可疊加組合式燃料電池系統(tǒng)。組合式燃料電池系統(tǒng)中包括組合式燃料電池組件，它具有第一流道板、第二流道板和位于第一與第二流道板之間的薄膜電極組件(MEA)。在一種構造中，冷卻結構可以與組合式燃料電池組件分離。在另一種構造中，冷卻結構與組合式燃料電池組件整合在一起。在組合式燃料電池組件和/或冷卻結構上具有固定裝置。固定裝置的構造有助于組合式燃料電池組件、冷卻結構和燃料電池疊加體的相鄰組合式燃料電池系統(tǒng)之間的配對嚙合。
文檔編號F28F3/12GK1714466SQ03825531
公開日2005年12月28日 申請日期2003年9月9日 優(yōu)先權日2002年11月15日
發(fā)明者D·M·皮爾龐特, K·B·索爾斯伯里, S.S.毛, J·M·列 申請人:3M創(chuàng)新有限公司