專利名稱：可變壓降電池組的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池，更特別地涉及在操作期間被壓縮變化的量以獲得燃料電池所需操作的燃料電池。
背景技術(shù)：
燃料電池在許多應(yīng)用中已被用作電源。例如，燃料電池已被提議用于電車發(fā)電裝置以替代內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)。在質(zhì)子交換膜(PEM)型燃料電池中，氫氣被供給至燃料電池陽(yáng)極，氧氣作為氧化劑被供給至陰極。PEM燃料電池包括膜電極組件(MEA)，膜電極組件含有薄的、可傳送質(zhì)子、非導(dǎo)電性固體聚合物電解質(zhì)膜，膜的一面有陽(yáng)極催化劑，相對(duì)面有陰極催化劑。MEA夾在一對(duì)無(wú)孔、導(dǎo)電性元件或板之間，元件或板(1)用作陽(yáng)極和陰極的集流器，以及(2)含有在其中形成的適當(dāng)通道和/或開口，用于將燃料電池的氣體反應(yīng)物分配至各自陽(yáng)極和陰極催化劑的表面上。
術(shù)語(yǔ)“燃料電池”根據(jù)上下文一般用來(lái)指代單個(gè)電池或者多個(gè)電池(電池組)。多個(gè)單獨(dú)電池一般束在一起形成燃料電池組，通常電路串聯(lián)排列。電池組中的每個(gè)電池包括前文所述的膜電極組件(MEA)，每個(gè)此類MEA提供電壓增量。電池組中的一組相鄰電池稱為簇。
PEM燃料電池中，氫氣(H2)是陽(yáng)極反應(yīng)物(即燃料)，氧氣是陰極反應(yīng)物(即氧化劑)。氧氣可以是純凈形式(O2)或空氣(O2和N2的混合物)。固體聚合物電解質(zhì)一般由離子交換樹脂如全氟磺酸制備。陽(yáng)極/陰極一般含有細(xì)分散催化顆粒，其經(jīng)常載于碳粒子上，且與質(zhì)子導(dǎo)電性樹脂混合在一起。催化顆粒一般是昂貴的貴金屬顆粒。因?yàn)榇祟怣EA的制造相對(duì)昂貴并且需要某些條件，包括適當(dāng)?shù)乃幚?、濕?rùn)以及對(duì)催化劑污損組分如一氧化碳(CO)進(jìn)行控制才能有效操作。
把MEA夾在中間的導(dǎo)電性板可在其表面含有凹槽陣列，定義用于在陰極和陽(yáng)極各自的表面上分配燃料電池的氣體反應(yīng)物(即氫氣和呈空氣形式的氧氣)的反應(yīng)物流場(chǎng)。這些反應(yīng)物流場(chǎng)通常包括多個(gè)連接盤(land)，連接盤之間定義多個(gè)流道，氣體反應(yīng)物通過(guò)流道從流道一端的給料歧管流出至流道相對(duì)一端的排氣歧管。
插入反應(yīng)物流場(chǎng)與MEA之間的是起到幾種功能的擴(kuò)散介質(zhì)。這些功能之一是反應(yīng)物氣體通過(guò)其擴(kuò)散以與各自催化劑層反應(yīng)。另一功能是擴(kuò)散反應(yīng)產(chǎn)物如水穿過(guò)燃料電池。為了適當(dāng)?shù)貓?zhí)行這些功能，擴(kuò)散介質(zhì)必須足夠多孔同時(shí)維持足夠的強(qiáng)度。需要一定強(qiáng)度以防止擴(kuò)散介質(zhì)在組裝入燃料電池組中時(shí)撕裂。
仔細(xì)設(shè)計(jì)流場(chǎng)尺寸以便在反應(yīng)物的一定流速下，獲得流場(chǎng)入口與流場(chǎng)出口間的指定壓降。在較高流速下獲得較高壓降，而在較低流速下獲得較低壓降。但是，流場(chǎng)入口與流場(chǎng)出口間經(jīng)歷的壓降可能不同于設(shè)計(jì)的壓降。此類偏差可能是由燃料電池和燃料電池組制造中的偏差和/或燃料電池和燃料電池組中所用部件的公差的偏差引起的。與設(shè)計(jì)壓降的這種偏差可能對(duì)燃料電池和燃料電池組的操作和/或性能有害。
另外，燃料電池和電池組在低功率牽引期間可能變得不穩(wěn)定。換言之，在燃料電池和燃料電池組低功率要求期間，流過(guò)燃料電池和燃料電池組的反應(yīng)物減少，反應(yīng)物通過(guò)流場(chǎng)的速度降低，這可能使燃料電池組變得不穩(wěn)定。不穩(wěn)定的一個(gè)原因是降低的反應(yīng)物速度不能提供足夠的剪切力或動(dòng)壓力來(lái)將反應(yīng)產(chǎn)物(H2O)輸送出燃料電池。不充足的剪切力或動(dòng)壓力可能不允許氣體反應(yīng)物暢通地通向反應(yīng)表面(催化劑層)并且可能允許來(lái)自流場(chǎng)的水和/或其它反應(yīng)物在流道內(nèi)堆積。改進(jìn)燃料電池組低功率操作的一個(gè)方法是將流道設(shè)計(jì)成具有較高壓降以便在低功率牽引期間得到較高流速。但是，這不切實(shí)際，因?yàn)閴航低ǔｋS流速線性提高。這樣，如果在低功率點(diǎn)壓降增加10％，那么壓降在較高功率點(diǎn)也增加10％。因?yàn)閴航荡砝速M(fèi)的能量，所以不希望在較高燃料電池組輸出功率下增加壓降。因此，需要具有改進(jìn)流場(chǎng)設(shè)計(jì)的改進(jìn)燃料電池和/或燃料電池組。
發(fā)明概述本發(fā)明提供一種可動(dòng)態(tài)控制以使流過(guò)燃料電池組的反應(yīng)物流中出現(xiàn)不同壓降的燃料電池和/或燃料電池組。動(dòng)態(tài)控制允許定制燃料電池和/或電池組的操作，以獲得所需操作狀態(tài)。
本發(fā)明的燃料電池組具有多個(gè)彼此相鄰排列的燃料電池。多個(gè)燃料電池的至少一個(gè)燃料電池具有其中形成有流場(chǎng)的電極板、質(zhì)子交換膜以及與電極板相鄰的可壓縮、可滲透流體的擴(kuò)散介質(zhì)。可操作壓縮元件以可變地將多個(gè)燃料電池壓縮在一起。通過(guò)壓縮元件將燃料電池壓縮在一起以便至少一個(gè)燃料電池中的部分?jǐn)U散介質(zhì)侵入相鄰電極板中的流場(chǎng)。
本發(fā)明還提供了一種方法，用于操作具有多個(gè)燃料電池的燃料電池組，其中多個(gè)燃料電池中的至少一個(gè)燃料電池具有其中形成有流場(chǎng)的電極板、質(zhì)子交換膜以及與電極板相鄰、可壓縮、可滲透流體、可壓縮進(jìn)入流場(chǎng)的擴(kuò)散介質(zhì)。該方法包括下列步驟(a)將反應(yīng)物流供給至燃料電池組；以及(b)根據(jù)燃料電池組的操作條件調(diào)節(jié)燃料電池組的壓縮量，使擴(kuò)散介質(zhì)相對(duì)流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)以改變其有效通流面積。
如同所見，本發(fā)明提供一種具有可調(diào)壓降的燃料電池和電池組，在燃料電池和電池組運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)可改變所述壓降，這樣壓降被改變并且獲得了燃料電池和電池組的所需操作狀態(tài)。
本發(fā)明的其它適用領(lǐng)域?qū)南挛奶峁┑脑敿?xì)說(shuō)明中清楚看出。應(yīng)了解詳細(xì)說(shuō)明和特定實(shí)施例雖然說(shuō)明了本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方案，但只是用于說(shuō)明目的，并非用于限制本發(fā)明的范圍。


從詳細(xì)說(shuō)明和附圖將更充分地理解本發(fā)明，其中圖1是根據(jù)本發(fā)明原理的單電池燃料電池的分解透視圖；圖2是含有多個(gè)圖1的燃料電池的PEM燃料電池組一部分的部分透視剖視圖，示出了包括擴(kuò)散介質(zhì)的層；圖3是圖2所示部分的詳圖；以及圖4A和4B是根據(jù)本發(fā)明原理壓縮在一起的燃料電池組的簡(jiǎn)化剖視圖，其分別被可調(diào)壓縮元件如流體囊和沖頭(ram)可調(diào)地壓縮在一起。
優(yōu)選實(shí)施方式詳細(xì)說(shuō)明下面對(duì)優(yōu)選實(shí)施方案的說(shuō)明僅僅作為示例，絕非用來(lái)限制本發(fā)明、其應(yīng)用或用途。
參考圖1，示出了含有MEA 12與一對(duì)夾在一對(duì)導(dǎo)電性電極板14之間的擴(kuò)散介質(zhì)32的單電池燃料電池。但是應(yīng)明白如下文所述的本發(fā)明同樣適用于含有多個(gè)串聯(lián)、并通過(guò)本領(lǐng)域公知的雙性電極板彼此隔開的單電池的燃料電池組15。此類燃料電池組15示于圖4A與4B中。為簡(jiǎn)便起見，可進(jìn)一步參考燃料電池組15，或單燃料電池10，但是應(yīng)了解，與燃料電池組15有關(guān)的討論與說(shuō)明也適用于單燃料電池10，反之亦然，并且均在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
板14可由碳、石墨、涂層板或耐蝕金屬形成。MEA 12與電極板14一起夾在端面板16間。每個(gè)電極板14含有多個(gè)定義出多個(gè)流道20的連接盤18，流道20形成流場(chǎng)22以將反應(yīng)物氣體(即H2和O2)分配至MEA 12的另一面。在多電池燃料電池組15中，雙極板兩邊都形成了流場(chǎng)，一個(gè)用于H2，一個(gè)用于O2。絕緣墊圈24在燃料電池10的幾個(gè)部件間提供密封和電絕緣。
特別參考圖2和3，MEA 12包括夾在陽(yáng)極催化劑層28與陰極催化劑層30間的膜26。陽(yáng)極擴(kuò)散介質(zhì)32a與陰極擴(kuò)散介質(zhì)32c插入MEA12與板14間。如同所示，形成陽(yáng)極側(cè)H2流場(chǎng)的H2流道20緊鄰陽(yáng)極擴(kuò)散介質(zhì)32a，并與之直接流體連通。類似地，形成陰極側(cè)O2流場(chǎng)的O2流道20緊鄰陰極擴(kuò)散介質(zhì)32c，并與之直接流體連通。膜26優(yōu)選是質(zhì)子交換膜(PEM)，含有PEM的電池稱為PEM燃料電池。
操作中，含H2重整流或純H2流(燃料供給流)流入陽(yáng)極側(cè)流場(chǎng)的入口端，同時(shí)，含O2重整流(空氣)或純O2流(氧化劑供給流)流入陰極側(cè)流場(chǎng)的入口端。H2流過(guò)陽(yáng)極擴(kuò)散介質(zhì)32a，陽(yáng)極催化劑28的存在使H2裂解為氫離子(H+)，每個(gè)H放出一個(gè)電子。電子從陽(yáng)極側(cè)移動(dòng)至電路(未示出)中使操作進(jìn)行(即旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī))。膜層26使H+離子能夠流過(guò)，同時(shí)阻止電子流過(guò)。這樣，H+離子直接流過(guò)膜到達(dá)陰極催化劑28。在陰極側(cè)，H+離子與O2結(jié)合，電子從電路返回，從而形成水。
仍然參照?qǐng)D2和3，示出了流道20與MEA 12。設(shè)計(jì)流道20尺寸使其具有供給流流過(guò)的特定通流區(qū)域34。設(shè)計(jì)通流區(qū)域34的尺寸以便在供給流通過(guò)流道20的一定流速下，跨越流場(chǎng)22產(chǎn)生特定壓降。換言之，在一定流速下流過(guò)通道20的氣體反應(yīng)物將經(jīng)歷流場(chǎng)22入口與出口的壓降。通過(guò)流場(chǎng)22的供給流流速可根據(jù)燃料電池組15的操作改變，如在需要較高或越低功率輸出時(shí)。如上文所述，需要能夠改變跨越流場(chǎng)22發(fā)生特定的壓降，以調(diào)節(jié)和/或優(yōu)化燃料電池組15的操作。
為改變?cè)诠┙o流的特定流速下跨越流場(chǎng)22產(chǎn)生的壓降，如圖2和3所示，擴(kuò)散介質(zhì)32是可壓縮的并且可被壓入流場(chǎng)22的流道20。具體來(lái)說(shuō)，在相鄰電極板14間壓縮MEA 12使可壓縮介質(zhì)32的部分36侵入流道20。如圖4A與4B所示，燃料電池組15由可調(diào)節(jié)壓縮元件38壓縮在一起，壓縮元件38施加壓縮力F，使多個(gè)燃料電池10壓縮在一起并使可壓縮擴(kuò)散介質(zhì)壓縮并侵入流場(chǎng)22的流道20。優(yōu)選可壓縮介質(zhì)32彈性變形約0-50％。更具體地說(shuō)，可壓縮介質(zhì)32的橫截面積優(yōu)選彈性變形約0-50％。擴(kuò)散介質(zhì)32侵入流道20的部分36減少了通流面積。通流面積34的減少限制了供給流通過(guò)流道20和流場(chǎng)22的流動(dòng)。這種限制在給定供給流流速下使壓降增大。介質(zhì)32侵入流道20的量取決于各種因素，如擴(kuò)散介質(zhì)32的特定特性，流道20的幾何結(jié)構(gòu)/尺寸(深度與寬度)以及施加的力F的大小。流道20的可變限制允許對(duì)流過(guò)流道20的供給流進(jìn)行控制。
如上文所述，擴(kuò)散介質(zhì)32用作陽(yáng)極擴(kuò)散介質(zhì)32a和陰極擴(kuò)散介質(zhì)32c。擴(kuò)散介質(zhì)32在施加于燃料電池組15的典型力F下可以是可壓縮或不可壓縮的。一般燃料電池組15被壓縮至使跨越燃料電池組15的總橫截面積上出現(xiàn)約25-200psi的壓力。由于構(gòu)成燃料電池10與燃料電池組15的各種部件中的缺口、空隙與間距，一般只有約50％的總橫截面積與其它部件接觸。因此，典型的燃料電池組15被壓縮至使燃料電池組15中出現(xiàn)約50-400psi的壓縮力或壓力。但是應(yīng)理解可施加其它壓縮力并且仍然在本發(fā)明范圍內(nèi)。也應(yīng)該理解此處所用術(shù)語(yǔ)“可壓縮”與“不可壓縮”是相對(duì)術(shù)語(yǔ)，用來(lái)描述一種擴(kuò)散介質(zhì)32在燃料電池組15中預(yù)期遇到的壓縮力范圍內(nèi)被壓縮并侵入流道20的能力，相對(duì)于另一擴(kuò)散介質(zhì)32在預(yù)期遇到的同樣范圍壓縮力下未以任何顯著量侵入流道20。侵入流道20的顯著量是允許如此處描述地調(diào)節(jié)與控制流道中的流動(dòng)的量。換言之，不可壓縮表示介質(zhì)對(duì)通過(guò)通道的流動(dòng)基本沒有可辨別的或功能化影響。
參照?qǐng)D4A和4B，可調(diào)壓縮元件38施加壓縮力F至燃料電池組15。壓縮元件38施加的壓縮力F的大小可在燃料電池組15的操作(靜態(tài)或動(dòng)態(tài))和非操作期間調(diào)節(jié)。設(shè)計(jì)壓縮元件38的尺寸至能夠施加一定大小的壓縮力F使燃料電池組15能夠在所需操作狀態(tài)下運(yùn)行?？墒褂枚喾N不同壓縮元件38施加壓縮力F。例如，如圖4A所示，壓縮元件38可以是流體囊40。囊40具有在給定壓力下可充滿不同量流體(如空氣、水)的內(nèi)部。囊40根據(jù)囊40中流體的量和/或壓力而膨脹與收縮。添加流體時(shí)，囊40膨脹，產(chǎn)生流體壓力，使壓縮力F增大，導(dǎo)致燃料電池組15壓縮量增加。相反地，排出流體時(shí)，囊40收縮，流體壓力降低，使壓縮力F減小，導(dǎo)致燃料電池組15壓縮量減少。
可以使用的壓縮元件38的另一例子是沖頭42，如圖4B所示。沖頭42具有可調(diào)長(zhǎng)度，可流體控制或機(jī)械控制。流體控制沖頭42具有響應(yīng)于流體移動(dòng)的活塞(如液壓的，氣動(dòng)的)。當(dāng)流體供給至沖頭42以及從沖頭42排出時(shí)，長(zhǎng)度增加與減少，相應(yīng)地使壓縮力F增大與減小，導(dǎo)致燃料電池組15壓縮量增加與減少。機(jī)械控制沖頭42可具有旋轉(zhuǎn)環(huán)形式的傳動(dòng)裝置與響應(yīng)于環(huán)的旋轉(zhuǎn)移動(dòng)的起重螺旋。另一選擇，凸輪或齒輪傳動(dòng)桿可用作致動(dòng)裝置。當(dāng)致動(dòng)裝置移動(dòng)時(shí)，壓縮力F的大小改變，導(dǎo)致燃料電池組15壓縮量改變。
出于示例目的，示出并將壓縮元件38描述為囊38或沖頭42。應(yīng)了解其它器件和/或裝置也可用作壓縮元件38，在操作期間其允許響應(yīng)于控制信號(hào)而改變?nèi)剂想姵亟M15的壓縮量，這也在本發(fā)明范圍內(nèi)。
如上文所述，擴(kuò)散介質(zhì)32可以以可壓縮形式或不可壓縮形式提供，取決于燃料電池10的應(yīng)用和設(shè)計(jì)規(guī)范。優(yōu)選只有一種擴(kuò)散介質(zhì)32a或32c可壓縮，而其它不可壓縮。借助于只有一種(陽(yáng)極或陰極)擴(kuò)散介質(zhì)32可壓縮，可設(shè)計(jì)一套流道20的尺寸以在給定流速下獲得特定壓降，而另一套通道20具有將隨燃料電池10的壓縮而變化的通流面積34。這又允許將燃料電池組15的操作調(diào)節(jié)到所需操作，如下文將要描述的那樣。但應(yīng)明白擴(kuò)散介質(zhì)32a和32c可以都是可壓縮的并且仍然在本發(fā)明范圍之內(nèi)。還應(yīng)明白不是所有構(gòu)成燃料電池組15的燃料電池10都需要具有可壓縮介質(zhì)32才可在本發(fā)明范圍之內(nèi)。換言之，具有可壓縮介質(zhì)32、構(gòu)成燃料電池組15的燃料電池10的數(shù)量可根據(jù)燃料電池組15的設(shè)計(jì)改變。因此，燃料電池組15可包括沒有可壓縮介質(zhì)32的燃料電池10并且仍然在本發(fā)明范圍之內(nèi)。
選擇使用可壓縮陽(yáng)極擴(kuò)散介質(zhì)32a或是使可壓縮陰極擴(kuò)散介質(zhì)32c將取決于燃料電池組15所需操作和控制。例如，當(dāng)供給至燃料電池10的燃料是來(lái)自重整系統(tǒng)的含H2重整流時(shí)，優(yōu)選通過(guò)提供可壓縮陽(yáng)極擴(kuò)散介質(zhì)32a來(lái)調(diào)節(jié)陽(yáng)極流道20的通流面積34。使用可壓縮陽(yáng)極擴(kuò)散介質(zhì)32a使流過(guò)陽(yáng)極流道20的重整燃料能夠受到準(zhǔn)確控制。優(yōu)選如此是因?yàn)橹卣剂弦话阌蓹C(jī)載(onboard)重整系統(tǒng)提供，機(jī)載重整系統(tǒng)使用燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)生的能量來(lái)生成重整燃料。由于能量被消耗于生產(chǎn)重整燃料，所以優(yōu)選只供給需要(所需)量的重整燃料以使生成的廢物最少。陽(yáng)極廢氣(廢物)中重整燃料量的減少允許更有效操作其內(nèi)部進(jìn)行燃料電池10運(yùn)行的燃料電池系統(tǒng)。因此，使用重整燃料時(shí)，優(yōu)選陽(yáng)極擴(kuò)散介質(zhì)32a可壓縮，而陰極擴(kuò)散介質(zhì)32c不可壓縮。
相反，當(dāng)燃料供給流是來(lái)自機(jī)載H2儲(chǔ)罐的H2時(shí)，優(yōu)選通過(guò)提供可壓縮陰極擴(kuò)散介質(zhì)32c來(lái)調(diào)節(jié)陰極流道20的通流面積34。優(yōu)選如此是因?yàn)槿剂想姵叵到y(tǒng)幾乎沒有消耗能量以便從儲(chǔ)罐提供H2燃料供給流，而來(lái)自燃料電池系統(tǒng)的能量被用來(lái)提供壓縮機(jī)功形式的氧化劑供給流。經(jīng)由可壓縮陰極擴(kuò)散介質(zhì)32c控制陰極流道20的壓降，可最小化和/或優(yōu)化壓縮氧化劑供給流的使用，以使與過(guò)量壓縮機(jī)功有關(guān)的能量損失最小化。另外，通過(guò)控制陰極流道20的流量，更易于保持燃料電池組15潤(rùn)濕。
關(guān)于擴(kuò)散介質(zhì)32的性能要求，除了可壓縮或不可壓縮，擴(kuò)散介質(zhì)32應(yīng)該有足夠?qū)щ娦?、?dǎo)熱性和流體滲透性。擴(kuò)散介質(zhì)32的流體滲透率必須較高以在流道20間安置的連接盤18下面輸送反應(yīng)氣體和/或H2O，電導(dǎo)率必須較高以經(jīng)流道20從連接盤輸送電子至MEA12，熱導(dǎo)率必須足以使熱遷移至板，然后熱通過(guò)與板接觸的冷卻劑散失。
擴(kuò)散介質(zhì)32使反應(yīng)物(即H2和O2)以及反應(yīng)產(chǎn)物(即H2O)能夠擴(kuò)散。這樣，反應(yīng)物能從流道20流入，通過(guò)擴(kuò)散介質(zhì)32與各自的催化劑接觸，使所需反應(yīng)發(fā)生。如前文所述，一種反應(yīng)產(chǎn)物是H2O。H2O在燃料電池10中的再分布對(duì)燃料電池10的性能非常重要。擴(kuò)散介質(zhì)32使H2O能通過(guò)其從含水量更高的區(qū)域向更干燥的區(qū)域流動(dòng)，以均勻水化燃料電池10。此外，電子流動(dòng)也是影響燃料電池10性能的重要因素。受抑電子流動(dòng)使性能變差，效率降低。
具有上述特征的不可壓縮擴(kuò)散介質(zhì)，如060 TORAY碳紙，在本領(lǐng)域是已知的，不再進(jìn)一步描述。具有這些特征的可壓縮介質(zhì)32可由多種材料制備。例如，織造碳紙、如可從E-TEK division of De Nora N.A.of Sommerset，New Jersey商購(gòu)得到的V3 elat單面格片，與可從SGLCarbon AG of Wiesbaden，Germany商購(gòu)得到的CF布可用作可壓縮擴(kuò)散介質(zhì)。此外，其它具有與上述材料相似性能的材料也可使用。
燃料電池組15的壓縮可在操作期間調(diào)節(jié)以在給定操作狀態(tài)下提供特定壓降?？缭桨宓牡湫蛪航禐榧s0.1-6psi。但是，可使用其它未偏離本發(fā)明范圍的壓降。供給流經(jīng)歷的特定壓降將根據(jù)供給流流速以及通過(guò)流道20的通流面積34大小改變。
通過(guò)調(diào)節(jié)燃料電池組15的壓縮量，控制了可壓縮擴(kuò)散介質(zhì)32侵入流道20的部分36。控制侵入量使壓降得以控制?？刂茐航悼纱_保流過(guò)流場(chǎng)22的供給流的最小速度得以維持，或者獲得燃料電池組15所需的操作條件。例如，在較低功率水平(減少的供給流流量)下可增加燃料電池組15的壓縮量，從而增大可壓縮介質(zhì)32侵入流道20的量。增加的侵入量提高了越過(guò)流道20的壓降，并且使供給流通過(guò)流道20的速度增大。作為另一例子，在較高功率級(jí)(增加的供給流流量)中可減少燃料電池組15的壓縮量，從而減小可壓縮介質(zhì)32侵入流道20的量。減小的侵入量使越過(guò)流道20的壓降降低并且能量損失較低。較高的供給流流量(由于較高的功率水平)并不需要與較低功率下同樣大小的壓降以維持最小流速。需要維持最小速度以確保供給流產(chǎn)生足夠剪切力或動(dòng)壓力以將反應(yīng)產(chǎn)物(H2O)輸送出燃料電池10，使氣體反應(yīng)物通向催化劑層28和30的進(jìn)路暢通。這樣，燃料電池組15的操作可基于其操作狀態(tài)進(jìn)行定制。
可壓縮擴(kuò)散介質(zhì)32可壓縮至由使用可壓縮擴(kuò)散介質(zhì)32的應(yīng)用場(chǎng)合所需的不同程度。我們預(yù)期典型壓縮量將為約10至50％。但是，應(yīng)了解可使用未偏離本發(fā)明范圍的其它壓縮量。實(shí)際壓縮量將尤其根據(jù)通道幾何形態(tài)(通道寬度和深度)、燃料電池組15所需操作(所需壓降和/或所需流速)、以及所用特定擴(kuò)散介質(zhì)而改變。電極板14可使用需要壓縮以有效導(dǎo)電的導(dǎo)電性涂層。換言之，電極板14上的涂層顯現(xiàn)接觸電阻，未壓縮時(shí)不能充分導(dǎo)電。預(yù)期的10％最低壓縮量解釋了制造中的偏差與構(gòu)成燃料電池組15的部件的公差，其確保在可壓縮擴(kuò)散介質(zhì)32與相鄰電極板14間有足夠壓縮和接觸，以使電極板14的接觸電阻小于標(biāo)稱值。此類涂層的壓縮要求可根據(jù)涂層確實(shí)性質(zhì)與板14的設(shè)計(jì)改變。
現(xiàn)在參照?qǐng)D4A和4B，顯示了本發(fā)明的可調(diào)壓縮燃料電池組15。多個(gè)燃料電池10彼此相鄰排列成燃料電池組件44。燃料電池組件44置于一對(duì)用來(lái)傳導(dǎo)電流出/入燃料電池組件44的接線板46之間。一對(duì)端面板16在燃料電池組件44任何一側(cè)與接線板46鄰接。一個(gè)或多個(gè)壓縮元件38置于端面板16與燃料電池組件44間。壓縮元件38可根據(jù)控制信號(hào)操作以改變壓縮元件38施加在燃料電池組件44上的壓縮力F。通過(guò)機(jī)械緊固件或其它本領(lǐng)域已知方法將端面板16固定至側(cè)板48。
燃料電池組15操作期間，反應(yīng)物供給流以對(duì)應(yīng)于所需輸出功率的速度供給至燃料電池組15。在操作期間測(cè)量和/或監(jiān)測(cè)燃料電池組15的輸出功率與跨越燃料電池組15的一道或兩道供給流的壓降。非必要地，在操作期間也可測(cè)量和/或監(jiān)測(cè)一道或兩道流過(guò)燃料電池組15的供給流流速。基于燃料電池組15的測(cè)量操作狀態(tài)產(chǎn)生控制信號(hào)，并且根據(jù)控制信號(hào)通過(guò)壓縮元件調(diào)節(jié)燃料電池組15的壓縮量。調(diào)節(jié)壓縮量直到獲得所需操作狀態(tài)(如壓降、流速)。對(duì)燃料電池組15壓縮量的調(diào)節(jié)是動(dòng)態(tài)的，因?yàn)閴嚎s量可基于燃料電池組15操作的變化連續(xù)地改變以維持所需操作狀態(tài)。例如，如上所述，可使用控制反饋以調(diào)節(jié)燃料電池組15的壓縮量直到跨越燃料電池組15的壓降達(dá)到預(yù)定大小，或直到超過(guò)一道或多道通過(guò)燃料電池組15的供給流的最小流速。
雖然流道20顯示為基本矩形，應(yīng)了解允許可壓縮擴(kuò)散介質(zhì)32侵入流道20并減小通流面積34的其它形狀和輪廓也可使用而不偏離本發(fā)明范圍。此外雖然特定壓降和功率級(jí)已被用來(lái)描述和說(shuō)明本發(fā)明，應(yīng)了解其它壓降和其它燃料電池組15和/或燃料電池10的運(yùn)行條件也可使用而不偏離本發(fā)明范圍。
本發(fā)明說(shuō)明書本質(zhì)上僅僅作為示范，這樣未偏離本發(fā)明要旨的變化仍確定為在本發(fā)明范圍內(nèi)。此類變化不被認(rèn)為偏離了本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求書(按照條約第19條的修改)1.一種燃料電池組，包括多個(gè)彼此相鄰排列的燃料電池，所述多個(gè)燃料電池的至少一個(gè)燃料電池具有其中形成有流場(chǎng)的電極板、膜電極組件以及置于所述膜電極組件與所述電極板間的可壓縮可滲透流體的擴(kuò)散介質(zhì)；以及可操作以在操作期間可變地將所述多個(gè)燃料電池壓縮在一起的壓縮元件，通過(guò)所述壓縮元件將所述燃料電池壓縮在一起以使在所述至少一個(gè)燃料電池中，部分所述擴(kuò)散介質(zhì)作為所述壓縮元件壓縮量的函數(shù)可變地侵入所述相鄰電極板的所述流場(chǎng)。
2.如權(quán)利要求1所述的燃料電池組，其中所述壓縮元件響應(yīng)于燃料電池組的操作條件改變所述燃料電池的壓縮量。
3.如權(quán)利要求2所述的燃料電池組，其中所述操作條件是燃料電池組的輸出功率。
4.如權(quán)利要求2所述的燃料電池組，其中所述操作條件是流過(guò)燃料電池組的供給流的壓降。
5.如權(quán)利要求2所述的燃料電池組，其中所述操作條件是流過(guò)燃料電池組的供給流的流速。
6.如權(quán)利要求1所述的燃料電池組，其中所述壓縮元件包括流體囊。
7.如權(quán)利要求1所述的燃料電池組，其中所述壓縮元件包括流體控制沖頭。
8.如權(quán)利要求1所述的燃料電池組，其中所述壓縮元件包括機(jī)械控制沖頭。
9.如權(quán)利要求1所述的燃料電池組，其中所述電極板是陽(yáng)極板。
10.如權(quán)利要求1所述的燃料電池組，其中所述電極板是陰極板。
11.一種操作具有多個(gè)燃料電池的燃料電池組的方法，其中多個(gè)燃料電池的至少一個(gè)燃料電池具有其中形成有流場(chǎng)的電極板、膜電極組件(MEA)以及置于所述MEA和所述電極板間的流體可滲透擴(kuò)散介質(zhì)，通過(guò)將反應(yīng)物供給流供給至所述燃料電池組；以及響應(yīng)于所述燃料電池組的操作條件改變所述燃料電池組的壓縮量，使所述擴(kuò)散介質(zhì)作為所述燃料電池組操作期間所述壓縮量函數(shù)相對(duì)所述流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)以改變其有效通流面積。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，進(jìn)一步包含監(jiān)測(cè)所述燃料電池組的操作條件并且響應(yīng)于所述操作條件調(diào)節(jié)所述燃料電池組的所述壓縮量。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其中所述監(jiān)測(cè)包括監(jiān)測(cè)所述燃料電池組的輸出功率，流過(guò)所述燃料電池組的反應(yīng)物供給流流速，以及流過(guò)所述燃料電池組的反應(yīng)物供給流壓降中的至少之一。
14.如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述調(diào)節(jié)包括當(dāng)所述燃料電池組的輸出功率增加時(shí)減小所述燃料電池組的所述壓縮量。
15.如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述調(diào)節(jié)包括當(dāng)所述燃料電池組的輸出功率降低時(shí)增大所述燃料電池組的所述壓縮量。
16.如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述調(diào)節(jié)包括改變所述燃料電池組的所述壓縮量，以使流過(guò)所述燃料電池組的反應(yīng)物供給流流速維持在預(yù)定水平以上。
17.如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述調(diào)節(jié)包括改變所述燃料電池組的所述壓縮量，以使預(yù)定壓降出現(xiàn)于流過(guò)所述燃料電池組的供給流中。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其中所述預(yù)定壓降是約0.1至約6psi。
19.如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述調(diào)節(jié)包括改變壓縮所述燃料電池組的囊中的流體壓力。
20.如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述調(diào)節(jié)包括改變壓縮所述燃料電池組的沖頭中的流體壓力。
21.如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述調(diào)節(jié)包括改變壓縮所述燃料電池組的機(jī)械沖頭。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池組，包括多個(gè)彼此相鄰排列的燃料電池，所述多個(gè)燃料電池的至少一個(gè)燃料電池具有其中形成有流場(chǎng)的電極板、膜電極組件以及置于所述膜電極組件與所述電極板之間的可壓縮可滲透流體的擴(kuò)散介質(zhì)；以及可操作以可變地將所述多個(gè)燃料電池壓縮在一起的壓縮元件，通過(guò)所述壓縮元件將所述燃料電池壓縮在一起以使在所述至少一個(gè)燃料電池中，部分所述擴(kuò)散介質(zhì)侵入所述相鄰電極板的所述流場(chǎng)。
2.如權(quán)利要求1所述的燃料電池組，其中所述壓縮元件響應(yīng)于燃料電池組的操作條件改變所述燃料電池的壓縮量。
3.如權(quán)利要求2所述的燃料電池組，其中所述操作條件是燃料電池組的輸出功率。
4.如權(quán)利要求2所述的燃料電池組，其中所述操作條件是流過(guò)燃料電池組的供給流的壓降。
5.如權(quán)利要求2所述的燃料電池組，其中所述操作條件是流過(guò)燃料電池組的供給流的流速。
6.如權(quán)利要求1所述的燃料電池組，其中所述壓縮元件包括流體囊。
7.如權(quán)利要求1所述的燃料電池組，其中所述壓縮元件包括流體控制沖頭。
8.如權(quán)利要求1所述的燃料電池組，其中所述壓縮元件包括機(jī)械控制沖頭。
9.如權(quán)利要求1所述的燃料電池組，其中所述電極板是陽(yáng)極板。
10.如權(quán)利要求1所述的燃料電池組，其中所述電極板是陰極板。
11.一種操作具有多個(gè)燃料電池的燃料電池組的方法，其中多個(gè)燃料電池的至少一個(gè)燃料電池具有其中形成有流場(chǎng)的電極板、膜電極組件(MEA)以及置于所述MEA和所述電極板間的流體可滲透擴(kuò)散介質(zhì)，通過(guò)將反應(yīng)物供給流供給至所述燃料電池組；以及響應(yīng)于所述燃料電池組的操作條件調(diào)節(jié)所述燃料電池組的壓縮量，使所述擴(kuò)散介質(zhì)相對(duì)所述流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)以改變其有效通流面積。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，進(jìn)一步包含監(jiān)測(cè)所述燃料電池組的操作條件并且響應(yīng)于所述操作條件調(diào)節(jié)所述燃料電池組的所述壓縮量。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其中所述監(jiān)測(cè)包括監(jiān)測(cè)所述燃料電池組的輸出功率，流過(guò)所述燃料電池組的反應(yīng)物供給流流速，以及流過(guò)所述燃料電池組的反應(yīng)物供給流壓降中的至少之一。
14.如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述調(diào)節(jié)包括當(dāng)所述燃料電池組的輸出功率增加時(shí)減小所述燃料電池組的所述壓縮量。
15.如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述調(diào)節(jié)包括當(dāng)所述燃料電池組的輸出功率降低時(shí)增大所述燃料電池組的所述壓縮量。
16.如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述調(diào)節(jié)包括改變所述燃料電池組的所述壓縮量，以使流過(guò)所述燃料電池組的反應(yīng)物供給流流速維持在預(yù)定水平以上。
17.如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述調(diào)節(jié)包括改變所述燃料電池組的所述壓縮量，以使預(yù)定壓降出現(xiàn)于流過(guò)所述燃料電池組的供給流中。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其中所述預(yù)定壓降是約0.1至約6psi。
19.如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述調(diào)節(jié)包括改變壓縮所述燃料電池組的囊中的流體壓力。
20.如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述調(diào)節(jié)包括改變壓縮所述燃料電池組的沖頭中的流體壓力。
21.如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述調(diào)節(jié)包括改變壓縮所述燃料電池組的機(jī)械沖頭。
全文摘要
多個(gè)燃料電池彼此相鄰排列并壓縮在一起的燃料電池組。至少一個(gè)燃料電池具有其中形成有流場(chǎng)的電極板、質(zhì)子交換膜以及與電極板相鄰的可壓縮可滲透流體的擴(kuò)散介質(zhì)?？刹僮鲏嚎s元件以在操作期間改變?nèi)剂想姵氐膲嚎s量，其改變可壓縮擴(kuò)散介質(zhì)對(duì)相鄰電極板中流場(chǎng)的侵入。擴(kuò)散介質(zhì)對(duì)流場(chǎng)侵入的改變?cè)试S控制跨越燃料電池組的壓降，并且能夠動(dòng)態(tài)控制燃料電池組以獲得所需操作狀態(tài)。
文檔編號(hào)H01M8/10GK1774828SQ200480009979
公開日2006年5月17日 申請(qǐng)日期2004年4月12日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月14日
發(fā)明者D·查普曼, J·A·羅克 申請(qǐng)人:通用汽車公司