CN101373837A - 用于燃料电池装置的极板 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于燃料电池装置的极板。提供用于燃料电池装置的一种组合极板，诸如双极性极板。该组合极板包括彼此电绝缘的多个活性区，以及形成在该极板中的多个入口孔和出口孔。每个活性区与适于选择性地给其传输气态反应物的专用入口孔成流体连通。也提供了一种具有多个独立可操作的燃料电池堆单元的燃料电池装置，以及一种操作燃料电池装置的方法。

Description

用于燃料电池装置的极板

技术领域

本发明涉及一种燃料电池装置，并且更具体地涉及一种具有多个彼此电绝缘的活性区(activeregion)的极板，例如用于燃料电池装置的双极性极板。

背景技术

燃料电池已经被建议作为电动车辆和各种其它应用的清洁、高效和环保的功率源。特别地，燃料电池已经被认为是用在现代车辆中的传统内燃机的潜在替代品。

一种类型的燃料电池被称为质子交换膜(PEM)燃料电池。PEM燃料电池通常包括三个基本部件：阴极、阳极、和电解质膜。该阴极和阳极通常包括支撑在碳颗粒上并与离子交联聚合物(ionomer)混合的磨碎的催化剂，例如铂。该电解质膜夹在阴极和阳极之间以形成薄膜-电解质-装置(membrane-electrolyte-assembly；MEA)。该MEA通常设置在多孔扩散介质(DM)之间，其促进用于电化学燃料电池反应的气态反应物的输送，该气态反应物通常是来自空气的氢和氧。

如美国专利号6,127,058所述，单个的燃料电池可以排列成经由互连垫圈(interconnect tab)电连接的平面阵列。在美国专利号6,080,503和6,495,278中，也描述了具有用于单个燃料电池模块的粘合层的电化学燃料电池堆。美国专利号5945232也公开了具有多个并联燃料电池子堆的PEM型燃料电池装置，所述燃料电池子堆采用共享的流体极板装置以及共享的膜电极装置。

在汽车应用中，单个燃料电池通常串联堆叠在一起以形成具有足以为电动车辆提供动力的电压的燃料电池堆。然而，串联连接单个燃料电池需要制造和处理大量的单个燃料电池。具有该大量的单个燃料电池的所得燃料电池堆的高度限制了燃料电池堆在电动车辆中的放置。而且，通常在燃料电池系统中采用DC-DC电压转换器来使燃料电池堆能够产生足够的电压。电压转换器和相关部件给燃料电池系统增加了不期望的复杂性。

存在对于简化的燃料电池装置的持续需求，该简化的燃料电池装置不再需要DC-DC转换器，不再需要制造大量的单个燃料电池，从而促进了燃料电池装置在车辆中的放置。

发明内容

与目前所公开的相一致，公开了一种简化的燃料电池装置，其不再需要DC-DC转换器、不再需要制造众多的单个燃料电池、并且有利于燃料电池装置在车辆中的放置。

在一个实施例中，一种组合(unitized)燃料电池极板包括形成于其上并彼此电绝缘的多个活性区。该组合燃料电池极板还包括形成于其中的多个入口孔和出口孔。该多个活性区中的每一个与其中一个入口孔成流体连通。所述其中一个入口孔适于选择性地向该多个活性区中的该一个输送反应物。

在另一个实施例中，提供了一种燃料电池装置。该燃料电池装置包括彼此邻近设置并串联电连接的多个燃料电池堆单元。该燃料电池堆可以由多个组合极板形成。该多个燃料电池堆产生足以给电动车辆提供动力的电压。

在又一个实施例中，一种操作燃料电池装置的方法包括以下步骤：提供包括多个组合双极性极板和多个组合膜电极组件的多个燃料电池堆，串联电连接该燃料电池堆，并选择性地将气态反应物提供到该多个燃料电池堆中的每一个。从而提供了一种具有足以给电动车辆提供动力的电压的燃料电池装置。

附图说明

根据以下的详细说明，尤其是结合以下所描述的附图考虑时，上述的以及本发明的其它优点对于本领域技术人员会变得显而易见。

图1示出了现有技术的PEM燃料电池堆的示意性分解透视图，其中仅显示了两个电池；

图2是根据本发明实施例的燃料电池装置的透视图，该燃料电池装置包括串联连接的多个燃料电池堆；

图3是根据本发明实施例的燃料电池装置的透视图，该燃料电池装置包括串联连接的多个燃料电池堆；以及

图4是图3所示的燃料电池装置的组合燃料电池极板和组合膜装置的放大透视图。

具体实施方式

以下的说明本质上仅是示例性的并不打算限制本发明、用途或应用。应当理解的是，在所有附图中，对应的参考数字指示相似的或对应的部件和特征。就所公开的方法而言，所提供的步骤本质上是示例性的，因此不是必须的或必要的。

图1描述了示意性的燃料电池堆2，其具有通过导电双极性极板8彼此分离的一对MEA 4、6。为了简单起见，仅在图1中示出和说明了双电池堆(即，一个双极性极板)，可以理解的是，典型的燃料电池堆2具有更多的这种电池和双极性极板。

MEA 4、6和双极性极板8一起堆叠在一对夹板10、12和一对单极性端板14、16之间。夹板10、12通过垫片或介电涂层(未示出)与端板14、16电绝缘。该单极性端板14、该双极性极板8的两个工作面、和该单极性端板16包括相应的活性区域18、20、22、24。活性区域18、20、22、24通常是流场，用于将例如氢气和空气的气态反应物分别分配到MEA4、6的阳极和阴极上。

一般通过用于使金属片成形的常规工艺形成该双极性极板8，所述常规工艺例如冲压、切削、模制或通过光刻用掩模进行光刻。在一个实施例中，由接合在一起的单极性极板形成该双极性极板8。还应当理解的是，该双极性极板8也可以由复合材料形成。在一个具体实施例中，该双极性极板8由石墨或填充石墨的聚合物形成。

非导电垫片26、28、30、32在燃料电池堆2的几个部件之间提供密封和电绝缘。透气性扩散介质34、36、38、40邻近MEA 4、6的阳极和阴极。该端板14、16分别邻近扩散介质34、40设置，而双极性极板8邻近MEA4的阳极面上的扩散介质36设置。该双极性极板8进一步邻近MEA6的阴极面上的扩散介质38设置。

双极性极板8，单极性端板14、16和垫片26、28、30、32的每一个都包括阴极供应孔(supply aperture)72和阴极排出孔74、冷却剂供应孔(coolant supplyaperture)75和冷却剂排出孔(coolant exhaust aperture)77、以及阳极供应孔76和阳极排出孔78。通过对准双极性极板8，单极性端板14、16和垫片26、28、30、32中的相应孔72、74、75、77、76、78来形成燃料电池堆2的供应歧管和排出歧管。经由阳极入口导管80将氢气提供给阳极供应歧管(supply manifold)。经由阴极入口导管82将空气提供给燃料电池堆2的阴极供应歧管。也为阳极排气歧管(exhaust manifold)和阴极排气歧管分别提供阳极出口导管84和阴极出口导管86。提供冷却剂入口导管88用于将液态冷却剂提供给冷却剂供应歧管。提供冷却剂出口导管90用于从冷却剂排出歧管移除冷却剂。应当理解的是，图1中各种入口80、82、88和出口84、86、90的配置是为了描述的目的，也可以按照需要选择其它配置。

图2显示了燃料电池装置200中的多个个体燃料电池堆2单元。该多个个体燃料电池堆2彼此邻近设置以形成燃料电池堆2的“组(bank)”，从而使得能够方便地在车辆中放置燃料电池装置200。每个燃料电池堆2适于接收专门供给的气态反应物。气态反应物的专门供给使得能够独立控制燃料电池装置200的燃料电池堆2。

该燃料电池堆2串联电连接到第一端子202和第二端子204。例如，该第一端子202可以连接到该燃料电池堆2的其中一个端板14，并且第二端子204可以连接到该燃料电池堆2的其中一个端板16。第一端子202和第二端子204与外部负荷(未示出)电通信，所述外部负荷例如电动车辆的驱动器或电池组。

图3显示了根据本发明实施例的接合到一起形成燃料电池装置200的多个燃料电池堆2。在所示实施例中，该燃料电池装置200包括设置在相邻燃料电池堆2之间的至少一个电绝缘层300。该电绝缘层300由本领域中公知的任意常规电绝缘材料形成，例如热塑性材料和热固性材料。可以理解的是，热塑性材料和热固性材料可以是刚性的或弹性的。本领域技术人员应该理解也可以按照需要采用其它合适的绝缘材料。

图4示出了燃料电池装置200的组合极板400。在基本上如图1所示的配置中，该组合极板400适于与相应的燃料电池部件堆叠在一起，例如MEA、垫片和端板。如这里所用的，术语“组合”表示当堆叠形成燃料电池装置200时，组合极板400提供独立地操作燃料电池堆2单元。可以理解的是，如果需要，组合极板400可以是双极性极板或单极性极板。在所示的实施例中，该组合极板400形成有多个活性区402、404。该组合极板400的活性区402、404是导电的并作为燃料电池装置200中的燃料电池堆2的集流器。该活性区402、404彼此电绝缘。

集流排(header)406设置在组合极板400的第一终端和第二终端。在具体实施例中，该集流排(header)406由具有足以阻止电流通过的电阻的电绝缘或介电材料形成。通过电绝缘分离器408进一步分离活性区402、404。由本领域中公知的任意常规电绝缘材料形成该电绝缘分离器408，所述电绝缘材料例如热塑性材料和热固性材料。可以理解的是，热塑性材料和热固性材料可以是刚性的或电测的。本领域技术人员应该知道也可以按照需要采用其它合适的绝缘材料。

该燃料电池装置200可以包括边缘或框架(未示出)。在具体实施例中，该框架固定该组合极板400。该框架可以由许多合适的材料制造，包括但不限于介电材料，例如刚性热塑性材料、热固性材料、弹性体(elastomer)、和热塑性弹性体。在具体实施例中，该框架与集流排406和电绝缘分离器408中的至少一个成为整体。例如，进一步希望经由该框架将整体密封件(integral seal)模制到组合极板400。由本领域中公知的模制工艺可以形成该整体密封件。

当燃料电池装置200完全组装时，集流排406可以包括多个入口孔410和多个出口孔412，其分别限定多个入口歧管和多个出口歧管。在另一个实施例中，入口孔和出口孔410、412形成在边缘或框架中。在一个实施例中，集流排406包括整体形成在其上的密封件。

该入口孔和出口孔410、412基本上对应于入口孔和出口孔72、74、76、78。应当理解，每个燃料电池堆2单元经由入口孔410形成的专用供应歧管接收供给的反应物。用组合极板400形成的该燃料电池堆2因此可独立操作。

在具体实施例中，活性区402、404中的每一个与专用入口孔410成流体连通。从而该入口孔410适于将诸如空气和氢气的气态反应物选择性地按照需要输送到活性区402、404。该多个活性区402、404中的每一个还可以与专用出口孔412成流体连通。在示意性实施例中，该单个入口孔410将气态反应物输送到其中一个活性区402。该单个出口孔412适于从单个活性区402独立接收废气流(exhaust stream)。

本领域技术人员应该理解，通过限制到用组合极板400形成的燃料电池堆2的一部分的气态反应物的供给，可以将燃料电池装置200调节到期望电压。例如，将气态反应物选择性地提供到由组合极板400形成的某些燃料电池堆2而不提供到其它燃料电池堆2。例如，当一个燃料电池堆2单元变得不能运行或者开始显示不期望的性能时，引导气态反应物离开该不能运行的单元并相应调节到其它单元的供应。

类似地，本领域技术人员应该理解，该组合极板400具有适于选择性地将气态反应物输送到活性区402、404的入口孔410，实现了诸如流转移(flowshifting)和堆次序切换(stack order switching)的操作策略。流转移包括气态反应物通过串联连接的第一堆和第二堆的交替流动，其中通过堆的流方向交替改变。堆次序切换包括气态反应物通过串联连接的第一堆到第二堆的交替流动，其中通过燃料电池堆2的流方向保持不变。操作燃料电池堆2的这些方法便于湿度控制并优化了燃料电池堆2的可操作性。

如图4进一步所示，单个组合MEA 414可以具有多个催化剂区域416、418，该催化剂区域形成燃料电池堆2单元的阳极和阴极。可以由电解质膜隔开该多个催化剂区域416、418，例如由补块式(patch)涂覆工艺涂覆该催化剂区域416、418。在另一个实施例中，该MEA 414具有基本上均匀地沿MEA 414表面的长度设置的催化剂，催化剂区域416、418由结合到MEA 414表面的基体(matrix)或屏蔽层中的开口形成。该基体或屏蔽层设置在该催化剂之上并具有暴露且限定该催化剂区域416、418的边界的开口。该基体或屏蔽由如在此描述的介电材料形成。也可以按照需要采用涂敷催化剂区域416、418的其它合适方法。

该组合MEA 414配置成与该组合极板400组装。组合极板400一般设置在一对组合MEA414之间。作为非限制性的示例，当该组合极板400和该组合MEA 414布置在燃料电池装置200中时，该催化剂区域416、418与组合极板400的活性区402、404对准并适于与其邻接。

本领域技术人员应该理解，在组装时，该组合极板400和该组合MEA 414形成多个独立运行的燃料电池堆2。从而，通过控制到该燃料电池堆2的气态反应物流，可以彼此基本独立地操作用组合极板400形成的燃料电池堆2。也可以串联电链接由该组合极板400和该组合MEA 414形成的独立燃料电池堆2以提供期望的电压。

在典型的燃料电池装置中，采用电压转换器(未示出)以提高该燃料电池堆的电压。在本发明中，串联连接的该多个燃料电池堆2单元形成燃料电池装置200，其中所产生的电压被最大化。在具体实施例中，该燃料电池装置200可以用多个组合极板400和多个MEA 414构造。例如，根据欧姆定律，串联电连接该活性区402、404以提高燃料电池装置200的电压。作为又一个的非限制性示例，可以用每电池具有约300cm²的活性区域的三个200-电池堆代替每电池具有约800cm²的活性区域的一个230-电池堆。从而本领域技术人员应该知道，可以用本发明的燃料电池装置200代替具有用以提高电压的电压转换器的单燃料电池堆。进一步应该知道，用组合极板400和组合MEA 414构造燃料电池装置200使其复杂程度最小化。

本发明进一步包括一种操作燃料电池装置200的方法。在一个实施例中，该方法包括提供如这里所述的燃料电池装置200的步骤，其中燃料电池装置200具有用组合极板400形成的该多个燃料电池堆2。装置200的每个燃料电池堆2适于接收供给的气态反应物。然后，串联连接该燃料电池堆2。该气态反应物可以选择性地供应到该多个燃料电池堆2中的每一个。例如，可以选择性地供应气态反应物以将电压调节到期望的电平。在其他实施例中，如上所述，可以根据一个或多个操作策略(例如堆次序切换)选择性地供应该气态反应物。应该理解的是，通过选择性地将气态反应物供应到该多个燃料电池堆2中的一个或多个，其它合适的操作策略也可以用于本发明的燃料电池装置200。

虽然出于说明本发明的目的描述了某些代表实施例和细节，对于本领域技术人员显而易见的是，可以做出各种改变而不偏离本发明的范围，本发明的范围进一步在所附权利要求书中记载。

Claims (20)

1.一种燃料电池极板，包括：

极板，具有形成于其中的多个入口孔和出口孔，以及形成于其上的多个活性区，该多个活性区中的每一个与其中一个入口孔成流体连通，该其中一个入口孔适于将反应物选择性地输送到该多个活性区之一。

2.权利要求1所述的燃料电池极板，其中该多个活性区中的每一个与该多个出口孔的其中之一成流体连通。

3.权利要求2所述的燃料电池极板，其中该活性区包括适于接收该气态反应物的流场。

4.权利要求1所述的燃料电池极板，其中通过介电分离器分离该活性区。

5.权利要求1所述的燃料电池极板，进一步包括位于该极板的第一终端和第二终端的集流排。

6.权利要求5所述的燃料电池极板，其中该集流排是介电的并与适于设置在该极板上的介电框架形成整体。

7.权利要求1所述的燃料电池极板，其中该极板由导电复合材料形成。

8.权利要求7所述的燃料电池极板，其中该导电复合材料是石墨填充聚合物。

9.权利要求1所述的燃料电池极板，其中该极板是双极性极板。

10.权利要求1所述的燃料电池极板，其中该极板具有整体形成于其上的密封件。

11.一种燃料电池装置，包括：

多个燃料电池堆，其彼此邻近设置并串联电连接以提供足以给电动车辆提供动力的电压，

其中该燃料电池堆的每一个可独立操作并适于接收气态反应物的专用供给。

12.权利要求11所述的燃料电池装置，其中该燃料电池堆彼此耦合以形成配置为用于放置在电动车辆中的一组燃料电池堆。

13.权利要求11所述的燃料电池装置，其中该多个燃料电池堆的一对具有位于其间的电绝缘层。

14.权利要求11所述的燃料电池装置，其中由多个组合极板形成该燃料电池堆，每个组合极板位于一对组合MEA之间。

15.权利要求14所述的燃料电池装置，其中该组合MEA具有多个催化剂区域。

16.权利要求15所述的燃料电池装置，其中该催化剂区域与该组合极板的活性区对准。

17.权利要求11所述的燃料电池装置，进一步包括适于独立地将气态反应物的供给输送到每个燃料电池堆的多个入口歧管，以及适于独立地从每个燃料电池堆接收废气的多个出口歧管。

18.权利要求17所述的燃料电池装置，其中由形成于该组合极板和该组合MEA中的孔限定该入口歧管的截面周边和出口歧管的截面周边。

19.权利要求17所述的燃料电池装置，其中该入口歧管和该出口歧管形成在耦合到该多个燃料电池堆的框架中。

20.一种操作燃料电池装置的方法，该方法包括步骤：

提供包括多个组合双极性极板和多个组合膜电极组件的多个燃料电池堆，每个组合双极性极板堆叠在一对组合膜电极组件之间，每个燃料电池堆适于接收气态反应物的专用供给；

串联电连接该燃料电池堆；以及

选择性地将气态反应物供应到该多个燃料电池堆中的每一个。

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