專利名稱：鈍性進(jìn)料區(qū)中無擴(kuò)散介質(zhì)的沖壓板燃料電池的加壓冷卻劑的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及質(zhì)子交換薄膜(PEM)燃料電池，尤其涉及在燃料電池堆中分隔相鄰燃料電池的非粘合雙極板中的加壓冷卻劑。
背景技術(shù)：
在許多裝置中，已經(jīng)將燃料電池用作電源。例如，提議將燃料電池用于電動車發(fā)電廠中來替代內(nèi)燃機(jī)。在質(zhì)子交換薄膜(PEM)型燃料電池中，把氫氣(或含氫的氣體)提供給燃料電池的陽極，而把氧氣作為氧化劑提供給陰極。氧氣可以是純氧的形式(O2)或者是空氣(O2和N2的混合物)。PEM燃料電池包括薄膜電極組件(MEA)，它包含一面具有陽極催化劑而另一面具有陰極催化劑的、薄的、可傳送質(zhì)子的、無電傳導(dǎo)的、固體聚合物電解質(zhì)薄膜。
典型地，根據(jù)上下文，術(shù)語“燃料電池”用于指單個(gè)的電池或者多個(gè)電池(堆)。典型地，多個(gè)單獨(dú)的電池捆在一起以形成燃料電池堆并且通常設(shè)置在電位序中。堆中的每個(gè)電池包括早先所述的薄膜電極組件(MEA)，并且每個(gè)這樣的MEA提供其電壓增量。把堆中一組相鄰的電池稱為簇。舉例來說，美國專利號5,763,113中示出并描述了用于堆中多級電池的一些典型設(shè)置。
燃料電池堆接收陰極輸入氣體，典型地是由壓縮機(jī)施力穿過堆的空氣流。不是所有的氧氣都由堆來消耗，一些空氣當(dāng)作可包括作為堆的副產(chǎn)物的水的陰極廢氣輸出。該燃料電池堆還接收流進(jìn)堆的陽極側(cè)的陽極氫氣輸入氣體。
燃料電池堆包括堆中位于數(shù)個(gè)MEA之間的一系列流場板或雙極板。雙極板包括堆中用于相鄰燃料電池的陽極側(cè)和陰極側(cè)。在雙極板的陽極側(cè)提供使陽極氣體流到每個(gè)MEA的陽極側(cè)的陽極氣體流動通道。在雙極板的陰極側(cè)提供使陰極氣體流到每個(gè)MEA的陰極側(cè)的陰極氣體流動通道。雙極板由導(dǎo)電材料例如不銹鋼制成，使得它們把燃料電池產(chǎn)生的電能從一個(gè)電池傳導(dǎo)到下一個(gè)電池以及傳導(dǎo)到堆外。
之前，美國專利申請2005/0058864A1、題為“用于燃料電池的嵌套雙極板及方法”
公開日為2005年3月17日的發(fā)明人提出，燃料電池堆的厚度和重復(fù)距離可通過在燃料電池的活性進(jìn)料區(qū)域中嵌套流動通道而減小，該美國專利申請公開的內(nèi)容在此全部引作參考。在這種設(shè)計(jì)中，燃料電池堆包括堆中用于相鄰燃料電池的兩個(gè)MEA(每個(gè)雙極板有一個(gè)MEA)。每個(gè)MEA包括上面提到的類型的薄膜、陽極側(cè)催化劑層和陰極側(cè)催化劑層。陽極側(cè)氣體擴(kuò)散介質(zhì)層設(shè)置成與MEA相鄰，并且陰極側(cè)氣體擴(kuò)散介質(zhì)層設(shè)置成與MEA相鄰。雙極板組件位于擴(kuò)散介質(zhì)層之間。雙極板組件包括在嵌套結(jié)構(gòu)中組裝在一起的兩個(gè)沖壓的金屬板。嵌套板限定了平行的陽極氣體流動通道和平行的陰極氣體流動通道，其中陽極流動通道提供了到MEA的陽極側(cè)的氫氣流，陰極流動通道提供了到MEA的陰極側(cè)的空氣流。此外，該板限定了冷卻劑流動通道，通過該通道流動冷卻流以冷卻燃料電池堆。
之前，美國專利申請序列號11/009,378、題為“用于緊湊型燃料電池的嵌套沖壓(stamped)板的反應(yīng)物進(jìn)料”、申請日為2004年12月10日的發(fā)明人已經(jīng)提出一種燃料電池堆中的燃料電池，該電池提供了從堆的活性進(jìn)料區(qū)域中的嵌套雙極板到堆的鈍性進(jìn)料區(qū)域中的非嵌套雙極板的過渡，而沒有中止由嵌套板提供的堆厚度的減小或者沒有改變流動通道的尺寸，該美國專利申請公開的內(nèi)容在此全部引作參考。尤其是，堆的燃料電池中的擴(kuò)散介質(zhì)層在雙極板非嵌套的鈍性進(jìn)料區(qū)域中去除了，從而提供了維持流動通道的尺寸所必需的容積而無需增加相鄰MEA之間的距離。此外，MEA的薄膜在鈍性進(jìn)料區(qū)域中沒有催化。在鈍性進(jìn)料區(qū)域中的薄膜和板之間可以提供薄的墊片來支撐去除了擴(kuò)散介質(zhì)層以防止薄膜侵入流動通道和阻塞反應(yīng)物流動的薄膜。然而，需要鈍性進(jìn)料區(qū)域中的接頭間隙來保證活性進(jìn)料區(qū)域中的擴(kuò)散介質(zhì)層和雙極板的充分接觸以減少接觸電阻。由于部分厚度中的公差的變化，這些接頭間隙導(dǎo)致反應(yīng)物流動均勻性的變化以及在電池中和在堆中從電池到電池的壓力的變化。
因此，現(xiàn)有技術(shù)中所需的是在鈍性進(jìn)料區(qū)域中控制接頭間隙的方法來提供反應(yīng)物的流動均勻性以及燃料電池和利用活性進(jìn)料區(qū)域中的嵌套雙極板的燃料電池堆中的壓力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是一種在利用非粘合、非嵌套的雙極板的鈍性進(jìn)料區(qū)域中控制接頭間隙的方法來提供反應(yīng)物流動均勻性以及燃料電池和其中活性進(jìn)料區(qū)域中的雙極板是嵌套的燃料電池堆中的壓力。
在燃料電池和燃料電池堆中，剛一組裝就必需壓制負(fù)荷使之基本上延伸到活性進(jìn)料區(qū)域中的擴(kuò)散介質(zhì)層以減小擴(kuò)散介質(zhì)和雙極板之間的接觸電阻。要保證這種情況，需要鈍性進(jìn)料區(qū)域中的雙極板和薄膜或墊片之間的接頭間隙。由于部分厚度中的公差的變化，鈍性進(jìn)料區(qū)域中的接頭間隙能夠在燃料電池之間變化，從而產(chǎn)生反應(yīng)物通道的高度的變化，由此影響了反應(yīng)物流動。與活性進(jìn)料區(qū)域相比，由于較大部分的反應(yīng)物總壓力的下降發(fā)生在鈍性進(jìn)料區(qū)域，所以反應(yīng)物流動對接頭間隙的變化更敏感。但是，對于冷卻劑流動，大多數(shù)冷卻劑壓力的下降發(fā)生在活性進(jìn)料區(qū)域，所以鈍性進(jìn)料區(qū)域中的冷卻劑壓力的變化不那么重要。
根據(jù)本發(fā)明，為了控制利用非嵌套的雙極板的鈍性進(jìn)料區(qū)域中的接頭間隙以提供反應(yīng)物流動均勻性和燃料電池以及其中活性進(jìn)料區(qū)域中的雙極板是嵌套的燃料電池堆中的壓力，鈍性進(jìn)料區(qū)域的非嵌套雙極板是非粘合的，在反應(yīng)物的壓力以上向冷卻劑流體施壓，并且沖壓雙極板從而使鈍性進(jìn)料區(qū)域中非粘合的雙極板的雙極板高度保證了燃料電池堆中每個(gè)燃料電池的鈍性進(jìn)料區(qū)域中的接頭間隙。
在鈍性進(jìn)料區(qū)域中利用非粘合的雙極板連同在反應(yīng)物的壓力以上向冷卻劑流體施壓，僅在鈍性進(jìn)料區(qū)域中的冷卻劑通道中提供了接頭間隙，從而消除了反應(yīng)物通道的高度的變化。因此，像之前提及的，由于冷卻劑壓力的下降比鈍性進(jìn)料區(qū)域中的反應(yīng)物流體壓力的下降對鈍性進(jìn)料區(qū)域中的接頭間隙的變化更不敏感，所以具有嵌套的活性進(jìn)料區(qū)域的燃料電池堆中每個(gè)燃料電池的鈍性進(jìn)料區(qū)域的冷卻劑通道中的接頭間隙提供了反應(yīng)物流動均勻性以及燃料電池和燃料電池堆中的壓力。


這里參照附圖進(jìn)行說明，其中相同的參考數(shù)字代表數(shù)個(gè)視圖中的相同部件。
圖1是使用了嵌套的沖壓雙極板的燃料電池堆的活性進(jìn)料區(qū)域的部分截面圖，其中陽極反應(yīng)物通道底部和陰極反應(yīng)物區(qū)域的后側(cè)之間以及這些嵌套的通道側(cè)上的間隙(為了簡化未示出)使得組件厚度對陽極的深度變化不敏感。
圖2是去除了氣體擴(kuò)散介質(zhì)層的、使用了非嵌套的壓制雙極板的燃料電池堆的鈍性進(jìn)料區(qū)域的部分截面圖。
圖3是去除了氣體擴(kuò)散介質(zhì)層并增加墊片的、使用了非嵌套的壓制雙極板的燃料電池堆的鈍性進(jìn)料區(qū)域的部分截面圖。
圖4是燃料電池堆的鈍性進(jìn)料區(qū)域和活性進(jìn)料區(qū)域之間的過渡的部分截面圖。
圖5是燃料電池堆中板的頂視圖。
圖6是包括具有嵌套的沖壓雙極板的活性進(jìn)料區(qū)域和壓制的雙極板是非嵌套的鈍性進(jìn)料區(qū)域的燃料電池的冷卻劑容積的固體模型。
圖7是去除了氣體擴(kuò)散介質(zhì)層并引入接頭間隙的、使用了非嵌套的沖壓雙極板的燃料電池堆的鈍性進(jìn)料區(qū)域的部分截面圖。
圖8是根據(jù)本發(fā)明去除氣體擴(kuò)散介質(zhì)層并引入接頭間隙的、使用了非嵌套、非粘合的壓制雙極板的燃料電池堆的鈍性進(jìn)料區(qū)域的部分截面圖。
圖9是現(xiàn)在包括墊片的、如圖8的使用非嵌套、非粘合的沖壓雙極板的燃料電池堆的鈍性進(jìn)料區(qū)域的部分截面圖。
圖10是如圖8的燃料電池堆的鈍性進(jìn)料區(qū)域的部分截面圖，現(xiàn)在示出了以雙極板的周期的、間隔的點(diǎn)焊為特征的可替換實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式
圖1是根據(jù)本發(fā)明的燃料電池堆10的鈍性區(qū)域的部分截面圖(它在上面提到的美國專利申請2005/0058864A1中也有說明)。陽極側(cè)氣體擴(kuò)散介質(zhì)層16設(shè)置成與MEA 12相鄰，陰極側(cè)氣體擴(kuò)散介質(zhì)層18設(shè)置成與MEA 14相鄰。擴(kuò)散介質(zhì)層16和18是將輸入的氣體輸送到MEA 12和14并從MEA 12和14輸送水的多孔層。用于沉積MEA 12和14中的薄膜上或擴(kuò)散介質(zhì)層16和18上的催化劑層的多種技術(shù)在現(xiàn)有技術(shù)中是已知的。
雙極板組件20位于擴(kuò)散介質(zhì)層16和18之間。雙極板組件20包括所示的一起組裝在嵌套結(jié)構(gòu)中的兩個(gè)沖壓的金屬雙極板22和24。嵌套板22和24限定了平行的陽極氣體流動通道28和平行的陰極氣體流動通道30，其中陽極流動通道28提供到MEA 12陽極側(cè)的氫氣流，陰極流動通道30提供到MEA 14陰極側(cè)的空氣流。此外，板22和24限定了冷卻流體從中流動以冷卻燃料電池堆10的冷卻劑流動通道32，這在現(xiàn)有技術(shù)中是很好理解的。在這種設(shè)計(jì)中，冷卻劑流動通道32的尺寸由現(xiàn)有技術(shù)中非嵌套的沖壓雙極板提供的冷卻通道的尺寸減小，它提供了燃料電池堆10的重復(fù)距離的減小。由于較大的通道更適合提供必需的冷卻，所以相對于已知的冷卻通道，冷卻劑流動通道32的尺寸減小沒有顯著影響冷卻通道的冷卻能力。冷卻容積的減小還減少了系統(tǒng)啟動期間必須加熱的熱量。
陽極流動通道28和燃料電池堆10每端的陽極流動通道集管(header)進(jìn)行流體交換，其中一個(gè)集管接收將其分布到陽極流動通道28的陽極氣體流，另一個(gè)陽極集管接收從陽極流動通道的陽極排出氣體。同樣，陰極流動通道30和堆10每端的陰極流動通道集管進(jìn)行流體交換。冷卻劑流動通道32和堆10每端的冷卻劑流動通道集管進(jìn)行流體交換。但是，為了將陽極流動通道28連接到陽極通道集管，將陰極流動通道30連接到陰極通道集管，以及將冷卻劑流動通道32連接到冷卻劑通道集管，必需在堆的鈍性進(jìn)料區(qū)域中分隔并非嵌套板22和24。
因?yàn)榱鲃油ǖ?8、30和32的非嵌套結(jié)構(gòu)需要比通道28、30和32的嵌套結(jié)構(gòu)更多的空間，所以由嵌套結(jié)構(gòu)提供的堆10厚度的減少會由于在鈍性進(jìn)料區(qū)域中使用已知的非嵌套結(jié)構(gòu)而消除。有可能在非嵌套的鈍性進(jìn)料區(qū)域中減小流動通道28、30和32的尺寸使得流動通道28、30和32不使用比嵌套結(jié)構(gòu)中它們使用的空間更多的空間。但是，這種流動通道28、30和32尺寸的減小會造成穿過通道的壓力下降，這對堆10的流動率和性能產(chǎn)生不利影響。
圖2是穿過燃料電池堆40的鈍性進(jìn)料區(qū)域的部分截面圖。堆40包括相鄰薄膜42和44，它們是堆40中兩個(gè)相鄰MEA的部分。燃料電池堆40還包括具有兩個(gè)沖壓的非嵌套雙極板48和50的雙極板組件46。沖壓板48和50使得它們限定陽極流動通道52、陰極流動通道54和冷卻劑流動通道56。
必需使堆40的鈍性進(jìn)料區(qū)域中的板48和50非嵌套，從而可以分隔輸入氣體和冷卻流體并把它們連接到合適的多種集管。燃料電池堆40包括下面將要討論的在燃料電池堆40的活性進(jìn)料區(qū)域和鈍性進(jìn)料區(qū)域之間的過渡區(qū)域，在該區(qū)域陽極流動通道52和陽極流動通道28流體交換，陰極流動通道54和陰極流動通道30流體交換，并且冷卻劑流動通道56和冷卻劑流動通道32流體交換。
根據(jù)本發(fā)明，通過除去燃料電池堆40的鈍性進(jìn)料區(qū)域中的擴(kuò)散介質(zhì)層16和18，非嵌套通道52和54的尺寸分別與嵌套通道28和30的尺寸相同或幾乎相同。在鈍性進(jìn)料區(qū)域中，還除去了MEA 12和14的催化劑層(圖1)而留下副墊圈或副襯墊薄膜42和44。要注意的是，典型地，MEA 12和14包括活性進(jìn)料區(qū)域外側(cè)的副襯墊(未示出)。該副襯墊防止離子交聯(lián)聚合物薄膜與板48和50或密封物的直接接觸。典型地，該副襯墊是25微米厚的Kapton膜或其它合適的塑料。因此，燃料電池堆40的活性進(jìn)料區(qū)域中擴(kuò)散介質(zhì)層16和18(圖1)使用的容積可以用于容納鈍性進(jìn)料區(qū)域中的非嵌套雙極板48和50從而可以維持流動通道的尺寸而不增加堆40的重復(fù)距離。通常擴(kuò)散介質(zhì)層16和18約0.2mm厚，這足夠提供必需的空間。
冷卻劑流動通道56的尺寸從嵌套結(jié)構(gòu)到非嵌套結(jié)構(gòu)增加到大約兩倍，但是由冷卻劑通道過渡提供的壓力降對堆40的性能沒有不利影響。而且，帶有非嵌套板的鈍性進(jìn)料區(qū)域可以增加用于活性進(jìn)料區(qū)域的板的覆蓋區(qū)域，但是由于嵌套板提供的堆高度的下降堆的全部容積減少了。
因?yàn)槎?0的鈍性進(jìn)料區(qū)域中擴(kuò)散介質(zhì)層16和18不支撐薄膜42和44，所以薄膜42和44有侵入到流動通道52和54的趨勢。典型地，由于MEA在活性進(jìn)料區(qū)域較遠(yuǎn)的一邊包括具有足夠厚度的副襯墊，該副襯墊能夠在鈍性進(jìn)料區(qū)域中提供充足的薄膜支撐。圖3是與燃料電池堆40相似的燃料電池堆60的截面圖，其中相同的參考數(shù)字限定相同部件。燃料電池堆60包括位于薄膜42和板48之間的薄墊片62以及位于薄膜44和板50之間的薄墊片64。墊片62和64防止薄膜42和44分別侵入到流動通道52和54。可以將墊片62和64設(shè)置在適當(dāng)?shù)牡胤?，或者將它們分別粘合到薄膜42和44，或者分別粘合到板48和50。還可以將墊片62和64用作襯墊載體。墊片62和64可以由任何合適的材料制成，例如金屬或塑料，并且可以具有適當(dāng)?shù)暮穸?，例?00微米，來提供預(yù)期的支撐。還可以通過使用粘合到相鄰薄膜42或44的單個(gè)墊片62或64來獲得足夠的支撐。
圖4是示出了燃料電池堆70的活性進(jìn)料區(qū)域78中嵌套雙極板74和76與燃料電池堆70的鈍性進(jìn)料區(qū)域84中非嵌套雙極板80和82之間的過渡區(qū)域72的例子的燃料電池堆70的部分截面圖。燃料電池堆70包括延伸穿過活性進(jìn)料區(qū)域78和鈍性進(jìn)料區(qū)域84的薄膜86和88。在活性進(jìn)料區(qū)域78中，與薄膜86和88相鄰分別設(shè)置氣體擴(kuò)散介質(zhì)層90和92。墊片94和96分別位于鈍性進(jìn)料區(qū)域84中非嵌套板80和82以及薄膜86和88之間。鈍性進(jìn)料區(qū)域84與活性進(jìn)料區(qū)域78中陽極和陰極流動通道98和100的相對尺寸基本相同?；钚赃M(jìn)料區(qū)域78中的流動通道102能夠表示陽極流動通道、陰極流動通道或冷卻劑流動通道的任何一個(gè)。
圖5是燃料電池堆112中雙極板組件110的頂視圖。燃料電池堆112包括具有嵌套的沖壓雙極板的活性進(jìn)料區(qū)域114以及在活性進(jìn)料區(qū)域114的相對端的鈍性進(jìn)料區(qū)域116和118，沖壓的雙極板是非嵌套的，與上面討論的一致。該沖壓的雙極板包括上面討論的各種流動通道。在燃料電池堆112一端的陰極入口集管120使陰極空氣流到鈍性進(jìn)料區(qū)域116中的陰極流動通道中。陰極空氣流過鈍性進(jìn)料區(qū)域116中的陰極流動通道、流過活性進(jìn)料區(qū)域114中的陰極流動通道，并流過鈍性進(jìn)料區(qū)域118中的陰極流動通道。陰極排出氣體由陰極出口集管122收集。
在燃料電池堆112一端的陽極入口集管126使氫氣流到鈍性進(jìn)料區(qū)域118中的陽極流動通道中。氫氣流過鈍性進(jìn)料區(qū)域118中的陽極流動通道、流過活性進(jìn)料區(qū)域114中的陽極流動通道，并流過鈍性進(jìn)料區(qū)域116中的陽極流動通道。陽極排出氣體由陽極出口集管128收集。在這種無限制的實(shí)施例中，陽極氣體和陰極氣體是反向流動的。
在燃料電池堆112一端的冷卻劑入口集管132使冷卻流體流到鈍性進(jìn)料區(qū)域116中的冷卻劑流動通道中。冷卻流體流過鈍性進(jìn)料區(qū)域116中的冷卻劑流動通道、流過活性進(jìn)料區(qū)域114中的冷卻劑流動通道，以及流過鈍性進(jìn)料區(qū)域118中的冷卻劑流動通道。冷卻流體由冷卻劑出口集管134收集。
圖6是包括具有嵌套雙極板的活性進(jìn)料區(qū)域142和其中雙極板是非嵌套的鈍性進(jìn)料區(qū)域144的燃料電池140的冷卻劑容積的固體模型透視圖?；钚赃M(jìn)料區(qū)域142和鈍性進(jìn)料區(qū)域144之間的過渡區(qū)域146提供了從嵌套結(jié)構(gòu)到非嵌套結(jié)構(gòu)的通道的過渡。將冷卻流體從冷卻劑集管(圖6未示出)到鈍性進(jìn)料區(qū)域144中的流動通道148中，將氫氣流從陽極集管(圖6未示出)到鈍性進(jìn)料區(qū)域144中的流動通道150中，以及將陰極氣體從陰極集管(圖6未示出)到鈍性進(jìn)料區(qū)域144中的流動通道152中。在這個(gè)實(shí)施例中，陽極氣體和陰極氣體是共流向的。
下面的表I提供了根據(jù)本發(fā)明用于在鈍性進(jìn)料區(qū)域中不具有擴(kuò)散介質(zhì)的嵌套板設(shè)計(jì)、非嵌套板設(shè)計(jì)、以及鈍性進(jìn)料區(qū)域中具有擴(kuò)散介質(zhì)的嵌套板設(shè)計(jì)的上面所討論的各種參數(shù)的比較。該數(shù)據(jù)來自具有360cm2活性面積、200個(gè)電池、66kW輸出功率、1.5A/cm2電流密度和低壓的燃料電池堆。嵌套設(shè)計(jì)比非嵌套設(shè)計(jì)更小，具有更高的功率密度(更高的kW/liter)，并且由于降低的冷卻劑容積而在熱量上具有從27到19-20kJ/kg甚至更大的下降。在鈍性進(jìn)料區(qū)域中具有擴(kuò)散介質(zhì)的嵌套板設(shè)計(jì)在鈍性進(jìn)料區(qū)域中產(chǎn)生了非常淺的進(jìn)料通道，并導(dǎo)致了不充分的高壓力下降(陰極側(cè)85kPa對30kPa)。


像之前提及的，在燃料電池和燃料電池堆中，剛一組裝就必需壓制負(fù)荷使之基本上延伸到活性進(jìn)料區(qū)域中的擴(kuò)散介質(zhì)層以減小擴(kuò)散介質(zhì)和雙極板之間的接觸電阻。要保證這種情況，需要鈍性進(jìn)料區(qū)域中的雙極板和薄膜或墊片之間的接頭間隙。這由圖7例示出。圖7是與燃料電池堆40相似的燃料電池堆40′的截面圖的例子，其中相同的附圖標(biāo)記表示相同部件。燃料電池堆40′包括引入到圖2的燃料電池堆40中的接頭間隙58，以保證壓制負(fù)荷基本上延伸到活性進(jìn)料區(qū)域中的擴(kuò)散介質(zhì)以減小擴(kuò)散介質(zhì)和雙極板之間的接觸電阻，由該接觸電阻產(chǎn)生了陽極流動通道52的高度52′和陰極流動通道54的高度54′之間的變化。在圖3的燃料電池堆60和圖4的燃料電池堆70中引入相似的接頭間隙。還要注意的是，由于部分厚度中公差的變化，鈍性進(jìn)料區(qū)域中的接頭間隙，例如58，能在燃料電池堆中的燃料電池之間變化，因此還產(chǎn)生了反應(yīng)物通道的高度的變化，由此影響了反應(yīng)物流動。
與活性進(jìn)料區(qū)域相比，由于較大部分的反應(yīng)物總壓力的下降發(fā)生在鈍性進(jìn)料區(qū)域，所以反應(yīng)物流動對接頭間隙的變化更敏感。但是，對于冷卻劑流動，大多數(shù)冷卻劑壓力的下降發(fā)生在活性進(jìn)料區(qū)域，所以鈍性進(jìn)料區(qū)域中冷卻劑壓力的變化對每個(gè)板上的全部流體不那么重要。
圖8是根據(jù)本發(fā)明的燃料電池堆800的鈍性進(jìn)料區(qū)域的部分截面圖。堆800包括應(yīng)用了由具有根據(jù)本發(fā)明的接頭間隙818、820的非粘合雙極板810-816組成的非嵌套雙極板組件806、808的相鄰電池802、804。由于部分厚度的變化，接頭間隙818、820可以具有不同的高度。電池802、804限定了陽極流動通道822、824，陰極流動通道826、828，以及冷卻劑流動通道830、832。電池802、804包括薄膜834-838。雖然描述的薄膜834-838沒有墊片，但是優(yōu)選像圖9例示的在堆800中包括墊片。
在冷卻劑通道830、832中，以陽極流動通道822、824和陰極流動通道826、828的壓力以上對冷卻劑施壓，使非粘合的雙極板810-816靠著薄膜834-838，從而控制接頭間隙818、820并保證接頭間隙僅在冷卻劑通道中。因?yàn)閿U(kuò)散介質(zhì)層沒有支撐薄膜834-838(見圖1的例16和18)，薄膜834-838有侵入到流動通道822-828的趨勢。典型地，由于MEA在活性進(jìn)料區(qū)域較遠(yuǎn)的一邊包括有足夠厚度的副襯墊，該副襯墊能夠在鈍性進(jìn)料區(qū)域中提供充足的薄膜支撐。
圖9(最優(yōu)選)是與圖8的燃料電池堆800相似的燃料電池堆800′的鈍性進(jìn)料區(qū)域的部分截面圖，其中相同的附圖標(biāo)記表示相同部件。現(xiàn)在，燃料電池堆800′包括位于薄膜834和板810之間的薄墊片840、位于薄膜838和板816之間的薄墊片842、位于薄膜836和板812之間的薄墊片844、以及位于薄膜836和板814之間的薄墊片846。墊片840-846分別防止薄膜834-838侵入到流動通道822-828。將墊片設(shè)置在適當(dāng)?shù)牡胤剑蛘邔⑺鼈兎謩e粘合到薄膜，或者分別粘合到板。還可以將墊片用作襯墊載體。墊片可以由任何合適的材料制成，例如金屬或塑料，并且可以具有適當(dāng)?shù)暮穸?，例?00微米，來提供預(yù)期的支撐。還可以通過使用粘合到薄膜836的單個(gè)墊片(844或846)來獲得足夠的支撐。
例如，電池802可以例示圖7的電池40′，其中雙極板組件46是非粘合的，并且冷卻劑通道56中的冷卻劑壓力在陽極流動通道52和陰極流動通道54的壓力之上，從而從陽極流動通道到冷卻劑流動通道傳遞接頭間隙58。由于冷卻劑通道830、832中的冷卻劑流體對鈍性進(jìn)料區(qū)域中的壓力下降比鈍性進(jìn)料區(qū)域中的陽極流動通道822、824和陰極流動通道826、828中的反應(yīng)物流體對壓力下降更不敏感，鈍性進(jìn)料區(qū)域中的冷卻劑通道中的接頭間隙818、820保證了電池對活性進(jìn)料區(qū)域中電池流動和壓力的均勻性。
下面的表II提供了根據(jù)本發(fā)明的冷卻劑流動通道例如830、832中的各種計(jì)算出的冷卻劑壓力下降對鈍性進(jìn)料區(qū)域中的接頭間隙例如818、820的高度的比較。

表II中，從沒有間隙到0.1mm間隙的0.1mm的接頭間隙范圍具有大約+/-15％的冷卻劑壓力下降的范圍，而從0.1mm間隙到0.2mm間隙的0.1mm的接頭間隙范圍具有大約+/-7％的冷卻劑壓力下降的范圍。根據(jù)本發(fā)明，沖壓雙極板從而使鈍性進(jìn)料區(qū)域中的非粘合雙極板的雙極板高度保證了燃料電池堆中每個(gè)燃料電池的鈍性進(jìn)料區(qū)域中的接頭間隙。這樣做以保證像表II中呈現(xiàn)的冷卻劑壓力下降對接頭間隙的高度變化較不敏感。根據(jù)計(jì)算流體動力學(xué)的計(jì)算，發(fā)現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的鈍性進(jìn)料區(qū)域中冷卻劑流動通道中的接頭間隙對燃料電池中的冷卻劑流動分布沒有不利的影響，反而改進(jìn)了它。
沿部件的長度有一些小的板對板的尺寸差異。即使將全部的板入口和出口連接到相同的入口和出口集管，尺寸的變化也會造成沿板的長度的壓力分布的差異。在圖8中，認(rèn)為由于板內(nèi)部更多限制的尺寸，流體穿過上部板的中心區(qū)域的殼體小于平均值。這種限制將使全部流體小于平均值并造成通常全部壓力下降的較少部分都出現(xiàn)在該板的入口和出口進(jìn)料區(qū)域中(即，陽極和陰極進(jìn)料通道)。這使得上部板的冷卻劑流動通道830中的平均壓力和入口壓力接近相同并因此高于相鄰的下部板的冷卻劑流動通道832的內(nèi)部壓力。這提供了間隙818擴(kuò)張的趨勢而間隙820趨于收縮。測試顯示出非常小的壓力差會迅速使全部尺寸的板偏移板間平均間隙多倍的距離。間隙818的擴(kuò)張還減少了冷卻劑流動通道830中的壓力下降，甚至大大增加了內(nèi)部壓力，產(chǎn)生了能夠在向上和向下方向上的不僅從第一相鄰板還從幾個(gè)相鄰板收縮的條件。
為了緩和這種反應(yīng)，如圖10所示，進(jìn)料區(qū)域中可以包括臨時(shí)點(diǎn)焊900的方式，圖10和圖8相似并且具有指示相同部件的相同數(shù)字。這種方式使得相鄰板的焊接點(diǎn)不對齊?？梢哉{(diào)整這種方式的間隔來產(chǎn)生足夠的韌性以避免板的完全變形，相對而言，雖然板具有周期焊接的局限性，但還使板保持“非粘合”。
應(yīng)該注意的是，板只在鈍性進(jìn)料區(qū)域中必須非粘合。可以粘合活性進(jìn)料區(qū)域以保證低的板對板的接觸電阻或者可以不粘合而依靠半板之間的壓制壓力。
由于與目前認(rèn)為是最實(shí)用和優(yōu)選的實(shí)施例相聯(lián)系來說明本發(fā)明，可以理解，本發(fā)明并不局限于公開的實(shí)施例，相反，而是覆蓋了包括在附加的權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)的各種變形和等價(jià)設(shè)置，該權(quán)利要求的范圍與最廣的說明一致，從而正如法律所允許，其包含全部這樣的變形和等價(jià)結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池堆，包括雙極板組件；包括燃料電池的堆的活性進(jìn)料區(qū)域，每個(gè)燃料電池包括具有陰極側(cè)和陽極側(cè)的薄膜電極組件，薄膜電極組件陰極側(cè)上的陰極側(cè)擴(kuò)散介質(zhì)層，薄膜電極組件陽極側(cè)上的陽極側(cè)擴(kuò)散介質(zhì)層，以及位于相鄰燃料電池中相對的擴(kuò)散介質(zhì)層之間的雙極板組件的活性進(jìn)料區(qū)域，其中雙極板組件的活性進(jìn)料區(qū)域包括限定陰極側(cè)流動通道和陽極側(cè)流動通道的嵌套的雙極板；以及包括在燃料電池的堆中形成每個(gè)薄膜電極組件部分的薄膜的堆的鈍性進(jìn)料區(qū)域和雙極板組件的鈍性進(jìn)料區(qū)域，其中雙極板組件的鈍性進(jìn)料區(qū)域包括限定陰極側(cè)流動通道和陽極側(cè)流動通道的非嵌套的雙極板；其中鈍性進(jìn)料區(qū)域中的陰極側(cè)流動通道與活性進(jìn)料區(qū)域中的陰極側(cè)通道進(jìn)行流體交換并且具有和活性進(jìn)料區(qū)域中的陰極側(cè)通道基本相同的尺寸；其中鈍性進(jìn)料區(qū)域中的陽極側(cè)流動通道與活性進(jìn)料區(qū)域中的陽極側(cè)通道進(jìn)行流體交換并且具有和活性進(jìn)料區(qū)域中的陽極側(cè)通道基本相同的尺寸；其中燃料電池在鈍性進(jìn)料區(qū)域中無擴(kuò)散介質(zhì)層；其中雙極板組件的鈍性進(jìn)料區(qū)域的非嵌套雙極板彼此互不粘合。
2.如權(quán)利要求1的燃料電池堆，其中接頭間隙可以選擇地存在于雙極板組件的鈍性進(jìn)料區(qū)域的非嵌套雙極板之間。
3.如權(quán)利要求1的燃料電池堆，還包括分別設(shè)置成與鈍性進(jìn)料區(qū)域中的薄膜相鄰的墊片來支撐薄膜。
4.如權(quán)利要求1的燃料電池堆，其中鈍性進(jìn)料區(qū)域的雙極板組件的鈍性進(jìn)料區(qū)域的非嵌套雙極板還限定了冷卻劑流動通道，其中活性進(jìn)料區(qū)域的雙極板組件的活性進(jìn)料區(qū)域的嵌套雙極板也限定了冷卻劑流動通道，其中鈍性進(jìn)料區(qū)域中的冷卻劑流動通道與活性進(jìn)料區(qū)域的冷卻劑流動通道進(jìn)行流體交換。
5.如權(quán)利要求4的燃料電池堆，其中鈍性進(jìn)料區(qū)域中的冷卻劑流動通道基本上是活性進(jìn)料區(qū)域中的冷卻劑流動通道尺寸的兩倍。
6.如權(quán)利要求2的燃料電池堆，還包括設(shè)置成與鈍性進(jìn)料區(qū)域中的薄膜相鄰的墊片來支撐薄膜。
7.如權(quán)利要求6的燃料電池堆，其中鈍性進(jìn)料區(qū)域的雙極板組件的鈍性進(jìn)料區(qū)域的非嵌套雙極板還限定了冷卻劑流動通道，其中活性進(jìn)料區(qū)域的雙極板組件的活性進(jìn)料區(qū)域的嵌套雙極板也限定了冷卻劑流動通道，其中鈍性進(jìn)料區(qū)域中的冷卻劑流動通道與活性進(jìn)料區(qū)域的冷卻劑流動通道進(jìn)行流體交換。
8.如權(quán)利要求7的燃料電池堆，其中鈍性進(jìn)料區(qū)域中的冷卻劑流動通道基本上是活性進(jìn)料區(qū)域中的冷卻劑流動通道尺寸的兩倍。
9.一種燃料電池堆，包括雙極板組件；包括燃料電池的堆的活性進(jìn)料區(qū)域，每個(gè)燃料電池包括具有陰極側(cè)和陽極側(cè)的薄膜電極組件，薄膜電極組件陰極側(cè)上的陰極側(cè)擴(kuò)散介質(zhì)層，薄膜電極組件陽極側(cè)上的陽極側(cè)擴(kuò)散介質(zhì)層，以及位于相鄰燃料電池中相對的擴(kuò)散介質(zhì)層之間的雙極板組件的活性進(jìn)料區(qū)域，其中雙極板組件的活性進(jìn)料區(qū)域包括限定陰極側(cè)流動通道和陽極側(cè)流動通道的嵌套的雙極板；包括在燃料電池的堆中形成每個(gè)薄膜電極組件部分的薄膜的堆的鈍性進(jìn)料區(qū)域和雙極板組件的鈍性進(jìn)料區(qū)域，其中雙極板組件的鈍性進(jìn)料區(qū)域包括限定陰極側(cè)流動通道和陽極側(cè)流動通道的非嵌套的雙極板；以及在雙極板組件的鈍性進(jìn)料區(qū)域的雙極板之間的多個(gè)互相間隔的焊接點(diǎn)；其中鈍性進(jìn)料區(qū)域中的陰極側(cè)流動通道與活性進(jìn)料區(qū)域中的陰極側(cè)通道進(jìn)行流體交換并且具有和活性進(jìn)料區(qū)域中的陰極側(cè)通道基本相同的尺寸；其中鈍性進(jìn)料區(qū)域中的陽極側(cè)流動通道與活性進(jìn)料區(qū)域中的陽極側(cè)通道進(jìn)行流體交換并且具有和活性進(jìn)料區(qū)域中的陽極側(cè)通道基本相同的尺寸；其中燃料電池在鈍性進(jìn)料區(qū)域中無擴(kuò)散介質(zhì)層；其中接頭間隙可以選擇地存在于雙極板組件的鈍性進(jìn)料區(qū)域的非嵌套雙極板之間；其中鈍性進(jìn)料區(qū)域的雙極板組件的鈍性進(jìn)料區(qū)域的非嵌套雙極板還限定了冷卻劑流動通道，其中活性進(jìn)料區(qū)域的雙極板組件的活性進(jìn)料區(qū)域的嵌套雙極板也限定了冷卻劑流動通道，其中鈍性進(jìn)料區(qū)域中的冷卻劑流動通道與活性進(jìn)料區(qū)域的冷卻劑流動通道進(jìn)行流體交換，并且其中焊接點(diǎn)的尺寸限制了雙極板組件的鈍性進(jìn)料區(qū)域中雙極板之間的接頭間隙。
10.如權(quán)利要求9的燃料電池堆，還包括分別設(shè)置成與鈍性進(jìn)料區(qū)域中的薄膜相鄰的墊片來支撐薄膜。
11.如權(quán)利要求10的燃料電池堆，其中鈍性進(jìn)料區(qū)域中的冷卻劑流動通道基本上是活性進(jìn)料區(qū)域中的冷卻劑流動通道尺寸的兩倍。
12.一種用于控制燃料電池堆的鈍性進(jìn)料區(qū)域中接頭間隙的方法，所述方法包括組裝燃料電池堆的活性進(jìn)料區(qū)域，其中該活性進(jìn)料區(qū)域包括燃料電池的堆，每個(gè)燃料電池包括具有陰極側(cè)和陽極側(cè)的薄膜電極組件，薄膜電極組件陰極側(cè)上的陰極側(cè)擴(kuò)散介質(zhì)層，薄膜電極組件陽極側(cè)上的陽極側(cè)擴(kuò)散介質(zhì)層，以及位于相鄰燃料電池中相對的擴(kuò)散介質(zhì)層之間的雙極板組件的活性進(jìn)料區(qū)域，其中雙極板組件的活性進(jìn)料區(qū)域包括限定陰極側(cè)流動通道和陽極側(cè)流動通道的嵌套的雙極板；組裝燃料電池堆的鈍性進(jìn)料區(qū)域，該鈍性進(jìn)料區(qū)域包括在燃料電池的堆中形成每個(gè)薄膜電極組件部分的薄膜的堆和雙極板組件的鈍性進(jìn)料區(qū)域，其中雙極板組件的鈍性進(jìn)料區(qū)域包括限定陰極側(cè)流動通道和陽極側(cè)流動通道的非嵌套的雙極板；其中鈍性進(jìn)料區(qū)域中的陰極側(cè)流動通道與活性進(jìn)料區(qū)域中的陰極側(cè)通道進(jìn)行流體交換并且具有和活性進(jìn)料區(qū)域中的陰極側(cè)通道基本相同的尺寸；其中鈍性進(jìn)料區(qū)域中的陽極側(cè)流動通道與活性進(jìn)料區(qū)域中的陽極側(cè)通道進(jìn)行流體交換并且具有和活性進(jìn)料區(qū)域中的陽極側(cè)通道基本相同的尺寸；其中該燃料電池在鈍性進(jìn)料區(qū)域沒有擴(kuò)散介質(zhì)層；以及，其中非嵌套雙極板還限定了冷卻劑流動通道，嵌套雙極板也限定了冷卻劑流動通道，其中鈍性進(jìn)料區(qū)域中的冷卻劑流動通道與活性進(jìn)料區(qū)域的冷卻劑流動通道進(jìn)行流體交換；在陽極流動通道中以第一壓力向陽極反應(yīng)物施壓；在陰極流動通道中以第二壓力向陰極反應(yīng)物施壓；在冷卻劑流動通道中以所述第一和第二壓力之上的第三壓力向冷卻劑施壓，其中在鈍性進(jìn)料區(qū)域的雙極板之間設(shè)置對應(yīng)于所述壓入步驟的接頭間隙。
13.如權(quán)利要求12的方法，其中接頭間隙還對應(yīng)于活性進(jìn)料區(qū)域中的嵌套雙極板的組裝。
14.如權(quán)利要求12的方法，所述組裝鈍性進(jìn)料區(qū)域的步驟包括非嵌套的雙極板彼此互不粘合。
15.如權(quán)利要求14的方法，其中接頭間隙還對應(yīng)于活性進(jìn)料區(qū)域中的嵌套雙極板的組裝。
16.如權(quán)利要求12的方法，其中所述組裝鈍性進(jìn)料區(qū)域的步驟包括以預(yù)先確定的、間隔的位置互相點(diǎn)焊彼此非嵌套的雙極板。
17.如權(quán)利要求16的方法，其中接頭間隙還對應(yīng)于活性進(jìn)料區(qū)域中的嵌套雙極板的組裝。
全文摘要
用非粘合、非嵌套的雙極板控制燃料電池堆的鈍性進(jìn)料區(qū)域中的接頭間隙來提供反應(yīng)物的流動均勻性和燃料電池中的壓力以及利用活性進(jìn)料區(qū)域中的嵌套雙極板和鈍性進(jìn)料區(qū)域中的非嵌套雙極板的燃料電池堆中的壓力。
文檔編號H01M8/02GK1945888SQ200610149209
公開日2007年4月11日 申請日期2006年10月7日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月7日
發(fā)明者S·G·格貝爾, J·A·羅克, D·倫辛克, S·J·斯潘塞, W·H·佩蒂特 申請人:通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作公司