專利名稱：用于燃料電池裝置的極板的制作方法
用^f^料電tfe^a的極板
駄領域
本發(fā)明涉及一種燃料電池裝置，并且更具體地涉及一種具有多個彼此電絕
緣的活性區(qū)(activeregion)的極板，例如用于燃料電、皿置的雙極性極板。 背景駄
燃料電池已經(jīng)被建議作為電動辦咯種其它應用的清潔、高效和環(huán)保的 功率源。特別地，燃料電池已經(jīng)被認為是用在現(xiàn)代車輛中的傳統(tǒng)內(nèi)燃機的潛在靴品。
—種^的燃料電池被稱為質(zhì)子^W (PEM)燃料電池。PEM燃料電池 通常包括三個基本部件陰極、陽極、和電解質(zhì)膜。該陰極和陽t鵬常包括支 撐在翻粒上并與離子交麟，(ionomer)混合的磨碎的催化劑，例如拍。 該電解質(zhì)膜夾在陰極和陽極之間以形成薄膜-電解質(zhì)-裝置 (membrane-electrolyte-assembly; MEA)。該MEA通常設置在多孔擴散介質(zhì) (DM)之間，其鵬用于電化學燃料電池反應的氣態(tài)反應物的輸送，該氣態(tài)反 應物通常M自空氣的穀口氧。
如美國專利號6,127,058所述，單個的燃料電池可以排列成經(jīng)由互連墊圈 (interconnecttab)電連接的平面陣列。在美國專利號6,080,503和6,495,278中， 也描述了具有用于單^hM料電池模塊的粘合層的電化學燃料電池堆。美國專利 號5945232也公開了具有多個并聯(lián)燃料電池子堆的PEM M^料電、皿置，所述 燃料電池子堆采用共享的流體極板^S以及共享的膜電極^g。
在汽車/S用中，單個燃料電、M常串聯(lián)堆疊在一起以形成具有足以為電動 車輛Jlf共動力的電壓的燃料電池堆。然而，串聯(lián)連接單個燃料電池需要制造和 處理大量的單個燃料電池。具有該大量的單個燃料電池的所得燃料電池堆的高 度限制了燃料電池堆在電動車輛中的放置。而且，通常在燃料電池系統(tǒng)中采用 DC-DC電壓轉(zhuǎn)換器來娜料電池堆能夠產(chǎn)狄夠的電壓。極轉(zhuǎn)換器和相關部 件^M料電池系統(tǒng)增加了不期望的復雜性。
存在對于簡化的燃料電池裝置的持續(xù)需求，該簡化的燃料電池裝置不再需
要DC-DC轉(zhuǎn)換器，不再需要帶臘大量的單個燃料電池，從而艦了燃料電、鵬
置在，中的力JCg。
發(fā)明內(nèi)容
與目前所公開的相一致，公開了一種簡化的燃料電池裝置，其不再需要 DC-DC轉(zhuǎn)換器、不再需要制造眾多的單個燃料電池、并且有利于燃料電池裝置
在，中的皿。
在一個實施例中， 一種組合(unitized)燃料電池極板包括形成于其上并彼 此電絕緣的多個活性區(qū)。該組合燃料電池極板還包括形成于其中的多個入口孔 和出口孔。該多個活性區(qū)中的每一個與其中一個入口孔 體連通。所述其中 一個入口 US于選擇性地向該多個活性區(qū)中的該一^Mf送反應物。
在另一個實施例中，提供了一種燃料電池裝置。該燃料電池,包括彼此 鄰近設置并串聯(lián)電連接的多個燃料電池堆單元。該燃料電池堆可以由多個組合 極板形成。該多個燃料電池堆產(chǎn)^￡以給電動$ 1供動力的電壓。
在又一個實施例中， 一種操作燃料電池裝置的方、皿括以下步驟提供包 括多個組合雙極性極板和多個組合膜電極組件的多個燃料電池堆，串聯(lián)電連接 iMm電池堆，并選擇性地將氣態(tài)^物提供到該多個燃料電池堆中的每一個。 從而提供了一種具有足以給電動，提供動力的電壓的燃料敏蝶置。
根據(jù)以下的詳細說明，尤其是結(jié)合以下所描述的附圖考慮時，M的以及 本發(fā)明的其它優(yōu)點對于本領域技術人員會變得顯而易見。
圖1示出了現(xiàn)有技術的PEM燃料電池堆的示意性，透視圖，其中僅顯示 了兩個電池；
圖2是根據(jù)本發(fā)明實施例的燃料電、 fe^g的透視圖，OT料電池錢包括 串^^的多個燃料電池堆；
圖3是根據(jù)本發(fā)明實施例的^m電、 &^S的透視圖，繊料電池錢包括 串^^接的多^^燃料電池堆；以及
圖4是圖3所示的燃料電池裝置的組合燃料電池極板和組合膜^g的放大 透視圖。
具體實施例方式
以下的說明本質(zhì)上僅是示例性的并不打算限制本發(fā)明、用途或應用。應當
理解的是，在所有附圖中，對應的參考數(shù)字指示相似的或?qū)牟考吞卣鳌?就所公開的方法而言，所提供的步驟本質(zhì)上是示例性的，因此不是必須的或必 要的。
圖1描述了示意性的燃料電池堆2，其具有M導電雙極性極板8彼此分離 的一對MEA4、 6。為了簡單起見，僅在圖1中示出和說明了雙電池堆(即，一 個雙極性極板)，可以理解的是，典型的燃料電池堆2具有更多的這種電池和雙 極性極板。
MEA4、 6和雙極性極板81堆疊在一對夾板10、 12和一對^^及性端板 14、 16之間。夾板IO、 12Miffl:片或介電涂層(未示出)與端板14、 16電絕 緣。該M性端板14、頗極性極板8的兩個工作面、和該鞭性端板16包括 相應的活性區(qū)域18、 20、 22、 24?；钚詤^(qū)域18、 20、 22、 24通常是繊，用于 將例如氫氣和空氣的氣態(tài)皿物分別分配到MEA4、 6的陽極和陰m。
一 31用于使金屬片成形的常規(guī)工藝形成^^極性極板8，所述常規(guī)工藝 例如沖壓、切削、模制艦過光刻用掩模進行光刻。在一個實施例中，由接合 在一起的單極性極板形成該雙極性極板8。還應當理解的是，該雙極性極板8 也可以由復合材料形成。在一個具體實施例中，皿極性極板8由石墨或填充 石墨的聚^tl形成。
非導電墊片26、 28、 30、 32^^料電池堆2的幾^P件之間麟密封和電 絕緣。酌性擴散介質(zhì)34、 36、 38、 40鄰近MEA4、 6的陽極和陰極。該端板 14、 16分別鄰近擴散介質(zhì)34、 40設置，而雙極性極板8鄰近MEA4的陽極面 上的擴散介質(zhì)36設置。iM極性極板8進一步鄰近MEA 6的陰極面上的擴散 介質(zhì)38體。
雙極性極板8， ##性端板14、 16和墊片26、 28、 30、 32的每一個都包括 陰極供應孔(supply aperture)72和陰豐翻一出孔74、辨卩齊U供應孔(coolant supply aperture) 75和^4P劑排出孔(coolant exhaust aperture) 77、以及陽極供應孔76 和陽極排出孔78。 amm^極性極板8, ^!及性端板14、 16和墊片26、 28、 30、 32中的相應孔72、 74、 75、 77、 76、 78來形^m電池堆2的供應歧管和 排出歧管。經(jīng)由陽極入口導管80將氫氣,給陽極供應歧管(supply manifdd)。 經(jīng)由陰極入口導管82將空氣提供^M料電池堆2的陰極供應歧管。也為陽極排 氣歧管(exhaust manifold)和陰豐翻愾歧管分別衝共陽極出口導管84和陰極出口
導管86。 il^令卻劑入口導管88用于將液態(tài)辨卩劑提供給7賴卩劑供應歧管。提
微賴卩劑出口導管90用于從m卩劑排出歧管移除冷卻抓應當理解的是，圖l 中各種入口80、 82、 88和出口84、 86、 90的配置是為了描述的目的，也可以 按照需要選,它配置。
圖2顯示了燃料電、;t^g 200中的多個個體燃料電池堆2單元。該多個個 體燃料電池堆2彼此鄰近設置以形 ^料電池堆2的"組(bank)"，從而使得能 夠方便地在 中方 燃料電、 ^5 200。 ^h燃料電池堆2適于接收專門供給 的氣態(tài)反應物。氣態(tài)反應物的專門供給使得育嫩^il控制燃料電池裝置200的 燃料電池堆2。
i^t料電池堆2串聯(lián)電難到第一端子202和第1子204。例如，織一 端子202可以連接到^^料電池堆2的其中一個端板14，并_^二端子204可 以連接到該燃料電池堆2的其中一個端板16。第一端子202和第二端子204與 外部負荷(未示出)電通信，所游卜部負荷例如電動糊的驅(qū)動器或電池組。.
圖3顯示了根據(jù)本發(fā)明實施例的接合到一起形 料電、，置200的多個 燃料電池堆2。在所示實施例中，該^m電、皿置200包括設置在相鄰燃料電池 堆2之間的至少一個電絕緣層300。該電絕緣層300由本領域中公知的任意常規(guī) 電絕緣材料形成，例如熱塑性材料和熱固性材料。可以理解的是，熱塑性材料 和熱固性材料可以是剛性的或彈性的。本領域技術人員應該理解也可以按照需 要采用其它^M的絕緣材料。
圖4示出了;H斗電^g 200的組合極板400。在基本上如圖1所示的iea 中，該組合極板400適于與相應的燃料電池部件堆疊在一起，例如MEA、墊片 和端板。如這里所用的，術語"組合'標當堆娜^^料電、^1！ 200時，組 合極板400提供獨立,作燃料電池堆2單元?？梢岳斫獾氖?，如果需要，組 合極板400可以是雙極性極板或單極性極板。在所示的實施例中，該組合極板 400形成有多個活性區(qū)402、 404。該組合極板400的活性區(qū)402、 404是導電的 并作為燃料電池裝置200中的燃料電池堆2的 器。該活性區(qū)402、 404彼此
ML排(header) 406設置在組合極板400的第一終端和第二終端。在具體 實施例中，該集流排(header) 406由具有足以阻止電M過的電阻的電絕誠 介電材料形成。艦電絕緣分離器408進一步分離活性區(qū)402、 404。由本領域
中公知的任意常規(guī)電絕緣材料形成該電絕緣分離器408,所述電絕緣材料例如熱 塑性材料和熱固性材料?？梢岳斫獾氖牵瑹崴苄圆牧虾蜔峁绦圆牧峡梢允莿傂?的或電測的。本領域M人員應該知道也可以按照需要采用其它合適的絕緣材 料。
^M料電池裝置200可以包括纖離架(未示出)。在具體實施例中，該 框架固定該組合極板400。該框架可以由許多合適的材料制造，包括但不限于介 電材料，例如剛性熱塑性材料、熱固性材料、彈性體(elastomer)、和熱塑性彈 性體。在具體實施例中，該框架與集流排406和電絕緣分離器408中的至少一 個成為整體。例如，進一步希望經(jīng)由該框架^^密封件(integral seal)模制到
!組合極板400。由本領域中公知的模制工藝可以形成爐體密封件。
當燃料電' fe^g 200完勉且裝時，繊排406可以包括多個入口孔410和 多個出口孔412,其分別限定多個入口歧管和多個出口歧管。在另一個實施例中， 入口孑LI礎口孔410、 412形^邊g框架中。在一個實施例中，皿排406 包括鄉(xiāng)形鵬其上的密封件。
; i^A口孔和出口孔410、 412基本上對應于入口孔和出口孔72、 74、 76、 78。 應當理解，^hM料電池堆2單元經(jīng)由入口孔410形成的專用供應歧管接收供 給的反應物。用組合極板400形成的該燃料電池堆2因此可3te操作。
在具體實施例中，活性區(qū)402、 404中的每一個與專用入口孔410皿體連 通。從而該入口孔410適于將諸如空氣和氫氣的氣態(tài)反應物選擇性地按照需要
i m^U活性區(qū)402、 404。該多個活性區(qū)402、 404中的每一個還可以與專用出口 孔412皿體)iffl。在示意性實施例中，該單個入口孔410將氣態(tài)反應 送 到其中一個活性區(qū)402。該單個出口孔412適于從單個活性區(qū)402獨立接iten 流(exhaust stream)。
本領^術人員應該理解，ffi^限制至,組合極板400形成的燃料電池堆2 的一部分的氣態(tài)反應物的供給，可以將燃料電池裝置200調(diào)節(jié)到期望電壓。例 如，將氣態(tài)鵬物選擇性地提供到由組合極板400形成的某些燃料電池堆2而 不麟到其它燃料電池堆2。例如，當一個燃料電池堆2單元變得不倉脇行棘 開始顯示不期望的性能時，引導氣態(tài)反應物離開該不能運行的單元并相應調(diào)節(jié) 到其它單元的供應。
類似地，本領域^:人員應該理解，該組合極板400具有適于選擇性地將
氣態(tài)反應物輸送到活性區(qū)402 、 404的入口孔410，實現(xiàn)了諸如流轉(zhuǎn)移(flow shifting)和堆次序切換(stack order switching)的操作策略。流轉(zhuǎn)移包括氣態(tài)反 應物艦串聯(lián)連接的第一堆和第二堆的交替流動，其中艦堆的流方向交替改 變。堆 娘切換包括氣態(tài)反應物艦串聯(lián)連接的第一堆到第二堆的交替流動， 其中MP4電池堆2的流方向保持不變。操作燃料電池堆2的這些方鞭于 、M控制^t;化了燃料電池堆2的可操作性。
如圖4進一步所示,單^N且合MEA414可以具有多個催化劑區(qū)域416、418， 該催化劑區(qū)娜^M料電池堆2單元的陽極和陰極?？梢杂闪|(zhì)膜隔開該多 ^H崔化劑區(qū)域416、 418，例如由補城(patch)涂覆工藝涂覆該催化劑區(qū)域416、 418。在另一個實施例中，該MEA414具有^:上均勻地沿MEA414表面的長 度^g的催化劑，催化劑區(qū)域416、 418由結(jié)合到MEA414表面的,(matrix) 或屏蔽層中的開口形成。該基體，,設置在該催化劑之上并具有暴露且限 定該催化劑區(qū)域416、 418的邊界的開口。該辦離蔽由如 :描述的介電材 料形成。也可以按照需要細涂敷催化劑區(qū)域416、 418的其它維方法。
該組合MEA414 MSS成與該組合極板400組裝。組合極板400 —般設置在 一對組合MEA414之間。作為非限制性的示例，當該組合極板400和該組合 MEA 414布置^M料電tl^g 200中時，該催化劑區(qū)域416、 418與組合極板 400的活性區(qū)402、 404對準并適于與其鄰接。
本領,術人員應該理解，在組裝時，該組合極板400和該組合MEA414 形成多,teii行的燃料電池堆2。從而，M51^制到娜料電池堆2的氣態(tài)反 應物流，可以彼此基賴蟲1^作用組合極板400形成的燃料電池堆2。也可以 串聯(lián)電鏈接由該組合極板400和該組合MEA414形成的3te燃料電池堆2以提 供期望的^H。
在典型的燃料電池裝置中，采用電壓轉(zhuǎn)換器(未示出)以提高，料電池 堆的電壓。在本發(fā)明中，串聯(lián)連接的該多個燃料電池堆2單元形^^^斗電池裝 置200，其中所產(chǎn)生的電壓被最大化。在具體實施例中，該燃料電池裝置200 可以用多個組合極板400和多個MEA414構(gòu)造。例如，根據(jù)歐姆定律，串聯(lián)電 連接該活性區(qū)402、 404以提高燃料電、^S200的腿。作為又一個的非限制 性示例，可以用每電池具有約300cm2的活性區(qū)域的三個200-電池堆代替每電池 具有約800cm2的活性區(qū)域的一個230-電池堆。從而本領域駄人員應該知道，可以用本發(fā)明的燃沐斗電池裝置200代替具有用以提高電壓的電壓轉(zhuǎn)換器的單燃 料電池堆。進一步應該知道，用組合極板400和組合MEA414構(gòu)^I料電池裝 置200使其g^離最小化。
本發(fā)明進一步包括一種操作燃料電池^S 200的方法。在一個實施例中， 該方^括,如這里所述的燃料電ttk^S200的步驟,其中燃料電tfe^fi200 具有用組合極板400形成的該多個燃料電池堆2。裝置200的每個燃料電池堆2 適于接收供給的氣態(tài)反應物。然后，串,接i^m電池堆2。該氣態(tài)反應物可 以選擇性地供應到該多i^N"電池堆2中的每一個。例如，可以選雜地供應 氣態(tài)，物以將電壓調(diào)節(jié)到期望的電平。在其他實施例中，如上所述，可以根 據(jù)一個或多個操作策略(例如堆次序切換)選擇 供應該氣態(tài)反應物。應該 離的是，MM^雜鵬氣態(tài)反應物供應到該多個燃料電池堆2中的一個或 多個，其它^I的操作策略也可以用于本發(fā)明的燃料電M^a200。
雖然出于說明本發(fā)明的目的描述了某些代表實施例和細節(jié)，對于本領域技 術人員顯而易見的是，可以做出各種改變而不偏離本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的范 圍進一步頓附權(quán)利要求書中記載。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池極板，包括極板，具有形成于其中的多個入口孔和出口孔，以及形成于其上的多個活性區(qū)，該多個活性區(qū)中的每一個與其中一個入口孔成流體連通，該其中一個入口孔適于將反應物選擇性地輸送到該多個活性區(qū)之一。
2. 權(quán)利要求1所述的燃料電池極板，其中該多個活性區(qū)中的每一個與該多 個出口孔的其中之一 體,。
3. 權(quán)利要求2所述的TO電池極板，其中該活性區(qū)包括適于接收該氣態(tài)反 應物的流場。
4. 權(quán)利要求1所述的燃料電池極板，其中通過介電分離器分離該活性區(qū)。
5. 權(quán)利要求1所述的^^斗電池極板，進一步包括位于該極板的第一終端和 第二終端的皿排。
6. 權(quán)利要求5所述的燃料電池極板，其中該 排是介電的并與適于設置 在該極板上的介電框架形成整體。
7. 權(quán)利要求1所述的燃料電池極板，其中該極板由導電復合材料形成。
8. 權(quán)利要求7所述的燃料電池極板，其中該導電復合材料是石墨填充聚合物。
9. 權(quán)利要求1所述的^I4電池極板，其中該極板艦極性極板。
10. 權(quán)利要求1戶脫的燃料電池極板,其中該極板具有辦形成于其上的密 封件。
11. 一種燃料電池裝置，包括多個燃料電池堆，其彼此鄰近設置并串聯(lián)電連接以提供足以給電動車輛提 供動力的M,其中該燃料電池堆的每一個可獨立操作并適于接收氣態(tài)反應物的專用供給。
12. 權(quán)利要求11所述的燃料電tl^S，其中iMI料電池堆彼此耦合以形成 配置為用于放置在電動，中的一組燃料電池堆。
13. 權(quán)利要求11所述的燃料電 KS,其中該多個燃料電池堆的一對具有 位于其間的電絕緣層。
14. 權(quán)利要求ii戶腐的燃料電tt^fi,其中由多個組合極板形成^m電池堆，旨組合極板位于一對組合MEA之間。
15. 權(quán)利要求14所述的燃料電池錢，其中該組合MEA具有多個催化劑 區(qū)域。
16. 權(quán)利要求15所述的燃料電 蝶置，其中該催化劑區(qū)域與該組合極板的 活性區(qū)對準。
17. 權(quán)利要求ii所述的燃料電tt^a，進一步包括適于獨^tk將氣態(tài)反應物的供給輸送至IJ^^燃料電池堆的多個入口歧管，以及適于獨立跳^h燃料 電池堆接l^n的多個出口歧管。
18. 權(quán)利要求17所述的燃料電、 fe^S，其中由形成于該組合極板和該組合 MEA中的孔限定該入口歧管的截面周邊和出口歧管的截面周邊。
19. 權(quán)利要求17所述的燃料電池體，其中駄口歧管和該出口歧管形成 在齢到該多個燃料電池堆的框架中。
20. —種操作燃料電、 tfe^g的方法，該方,，驟 提供包括多個組合雙極性極板和多個組合膜電極組件的多個燃料電池堆，旨組合雙極性極板堆疊在一對組合膜電極組件之間，每^h燃料電池堆適于接 收氣態(tài)反應物的專用供給串聯(lián)電連接i^料電池堆；以及選擇性地將氣態(tài)^Z物供應到該多個燃料電池堆中的每一個。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于燃料電池裝置的極板。提供用于燃料電池裝置的一種組合極板，諸如雙極性極板。該組合極板包括彼此電絕緣的多個活性區(qū)，以及形成在該極板中的多個入口孔和出口孔。每個活性區(qū)與適于選擇性地給其傳輸氣態(tài)反應物的專用入口孔成流體連通。也提供了一種具有多個獨立可操作的燃料電池堆單元的燃料電池裝置，以及一種操作燃料電池裝置的方法。
文檔編號H01M8/02GK101373837SQ20081016860
公開日2009年2月25日 申請日期2008年8月21日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月21日
發(fā)明者I·D·查普曼, M·K·布丁斯基, W·佩蒂特 申請人:通用汽車環(huán)球科技運作公司