CN101483229B - 用于阻挡膜支承件的结构 - Google Patents

Abstract

提供一种用于燃料电池的阻挡膜，包括具有多个支承结构的聚合薄膜。支承结构适用于防止薄膜在薄膜上的压力差的作用下偏移。采用该阻挡膜的燃料电池具有带有形成其中的孔口的第一板以及靠近第一板的第二板。阻挡膜布置在第一板和第二板之间。阻挡膜的支承结构防止薄膜侵入孔口。还提供一种由多个燃料电池形成的燃料电池组。

Description

用于阻挡膜支承件的结构

技术领域

本发明涉及一种燃料电池，并且更特别是本发明涉及一种防止软物品(softgood)侵入燃料电池堆摞板的流场的燃料电池阻挡膜。

背景技术

燃料电池作为清洁、有效和环保的能源被推荐用于多种应用。特别是，单个燃料电池可串联叠置在一起以便形成能够供应一定量的电能从而为电动车辆供能的燃料电池组。

常见类型的燃料电池公知为质子交换薄膜(PEM)燃料电池。PEM燃料电池包括三个基本部件：阴极、阳极和电解质薄膜。阴极和阳极通常包括例如铂的细分的催化剂，支承在阴极颗粒上并与离子交联聚合物混合。电解质薄膜夹在阴极和阳极之间，以便形成薄膜-电极-组件(MEA)。MEA布置在多孔的扩散介质(DM)之间。DM有助于例如来自于空气的氢和氧的气态反应剂输送到由MEA限定的活性区域，以便电化学燃料电池反应。非传导性的垫片和密封件将燃料电池的多种部件电隔离。

在MEA和DM作为一个单元与例如垫片和类似物的其它部件层压在一起时，组件称为集成电极组件(UEA)。UEA布置在燃料电池板之间，用作燃料电池的电流收集器。布置在燃料电池板之间的UEA部件通常称为“软物品”。燃料电池板具有将气态反应剂均匀分布到燃料电池组的燃料电池及其之间的供应区域。供应区域可具有宽的跨度，有助于燃料电池板例如通过焊接结合，以及有助于在结合的板内在不同高度之间流动变化。供应区域包括将气态反应剂从供应歧管经由形成在燃料电池板内的流场分布到燃料电池的活性区域的供应孔口。供应区域还包括将残留气态反应剂和产品从流场分布到排放歧管的排放孔口。

在公知为“软物品侵入”的现象中，在至少一个软物品部件被迫进入孔口结构时，观察到由于反应剂缺乏或反应剂流动不均匀而造成的较低电池性能降低(LPC)情况、燃料电池不稳定以及退化。软物品侵入出现在阻挡膜的阴极侧和阳极侧之间的压力差足以将软物品偏移到孔口结构内的情况下。压力差通常出现在燃料电池的正常操作过程中。

本领域公知的是在供应区域内支承软物品并通过添加金属垫片或箔片来防止软物品侵入。金属垫片用来夹持和充分支承软物品而不偏移。但是，使用金属垫片是不希望的，这是由于垫片必须具有强度和厚度来抵抗软物品在压力差下偏移。金属垫片还必须充分结合到软物品上，以便在燃料电池的重复操作过程中防止从中分离。采用金属垫片不希望地增加了燃料电池的复杂性和成本。

持续地需要一种燃料电池，来提供充分的软物品支承，而不使用金属垫片。希望的是，燃料电池减小软物品侵入，并且防止由于反应剂缺乏或反应剂不均匀流到燃料电池造成的电池性能降低情况、燃料电池不稳定以及燃料电池退化。

发明内容

按照本披露，令人吃惊地发现一种用于燃料电池的阻挡膜，减小了软物品侵入，并防止由于反应剂缺乏或反应剂不均匀流到燃料电池造成的电池性能降低情况、燃料电池不稳定以及燃料电池退化。

在一个实施例中，用于燃料电池的阻挡膜包括具有多个支承结构的聚合薄膜。支承结构适用于防止薄膜在薄膜上的压力差的作用下偏移。

在另一实施例中，提供具有该阻挡膜的燃料电池。该燃料电池包括具有形成其中的孔口的第一板以及靠近第一板布置的第二板。阻挡膜布置在第一板和第二板之间，并且适用于在燃料电池操作过程中防止薄膜侵入孔口。

多个燃料电池可串联配置以便形成燃料电池组。由此提供具有充分的软物品支承而不使用金属垫片的燃料电池组。

附图说明

特别是在结合随后描述的附图时，本领域的普通技术人员容易从下面的详细描述中明白本发明的以上以及其它优点。

图1A表示现有技术的示例性PEM燃料电池组的示意分解透视图，只表示两个电池；

图1B是图1A的燃料电池组的局部截面图，在燃料电池的操作过程中软物品部件偏移到燃料电池组的孔口内；

图1C是图1B所示的燃料电池的放大局部截面图；

图2是按照本发明一个实施例的燃料电池组的局部截面图，燃料电池组包括供应区域，供应区域具有带有中空支承结构的阻挡膜；

图3是按照本发明另一实施例的燃料电池组的局部截面图，燃料电池组包括供应区域，供应区域具有带有大致实体支承结构的阻挡膜；

图4是示例性阻挡膜的局部透视图，表示多个支承结构；

图5是图4所示的阻挡膜的放大局部透视图，表示支承结构的交错；以及

图6是图4所示的阻挡膜的放大局部透视图，表示支承结构的偏压。

具体实施方式

下面描述本质上是示例性的，并且不打算限制本发明、应用或使用。还应该理解到在所有附图中，相应的参考标号指的是类似或相应的部件和特征。

图1A、1B和1C表示现有技术的示例性燃料电池组2。为了说明目的，只表示两个燃料电池3，应该理解到典型燃料电池组2将具有多个燃料电池3。燃料电池3通常在一对夹紧板(未示出)和一对单极端板(未示出)之间叠置在一起。燃料电池组2具有构造成来往于燃料电池组2的活性区域5输送气态反应剂。

燃料电池组2还包括第一板6和第二板8。第一和第二板6、8可以是单极或双极板，例如具有多个流动通道10和形成其上的多个平台(land)11。流动通道10构造成将气态反应剂输送到燃料电池组2的活性区域5。应该理解到在燃料电池组2组装时供应区域4通常布置在第一和第二板6、8之间。类似地，在板6、8组装以形成燃料电池组2时，活性区域5还靠近供应区域4，布置在第一和第二板6、8之间。

燃料电池组2的至少一个未支承的软物品12布置在第一和第二燃料电池板6、8之间。作为非限定实例，软物品12包括至少一个电解质薄膜和阳极或阴极。电解质薄膜、阳极和阴极可例如组装成MEA14。未支承的软物品12还可包括本领域公知的其它软物品12部件。由于未支承，软物品12没有通过金属垫片或箔片支撑。软物品12可从燃料电池组2的活性区域5延伸到布置在第一和第二燃料电池板6、8之间的垫片16。作为非限定实例，软物品12是沿着燃料电池组2的活性区域5和供应区域4布置并且大致终止于垫片16处的电解质薄膜。垫片16可具有至少一个形成其上的密封件17。

软物品12可具有层压结构。层压结构可包括至少一个电解质薄膜、阳极、阴极、DM以及其它所需的适当软物品部件。在供应区域4内的软物品12是电解质薄膜、阳极和阴极之一时，软物品12可涂覆或层压大致惰性的材料，以便防止于第一和第二燃料电池板6、8的不希望的相互作用。不希望的相互作用可包括第一和第二燃料电池板6、8的腐蚀以及软物品12的退化。

燃料电池组12包括通过燃料电池板6、8以及软物品部件12内的各自歧管开口对准来形成的歧管18。歧管18与例如空气压缩机或氢存储罐的气态反应剂源流体连通。歧管18构造成根据需要经由供应区域4将气态反应剂输送到燃料电池组2。在特别实施例中，供应区域4通过靠近歧管18的第一和第二板6、8之间的容积来限定。垫片16的至少一个密封件17可靠近歧管18布置，并且防止气态反应剂不希望地泄漏到燃料电池组2内。

第一燃料电池板6具有形成其中的多个孔口20。至少一个孔口20与歧管18流体连通。应该理解到孔口20可包括构造成将气态反应剂输送到燃料电池组2的活性区域5的入口孔口以及构造成从活性区域5去除气态反应剂的出口孔口之一。

如图1B和1C所示，未支承的软物品12在燃料电池组2的操作过程中可偏移到孔20内。偏移会例如由于软物品12上出现的压力差造成的。压力差是由软物品12的阳极侧和阴极侧上的气态反应剂的压力差别造成的。偏移是由燃料电池组2操作过程中获得的高温下材料整体性或刚性变化造成的。应该理解到未支承的软物品12被迫进入孔20不希望地限制了气态反应剂来往于燃料电池组组2的多个区域的流动。

按照本发明的多个实施例在图2-6中表示。为了清楚起见，图1A、1B和1C相关结构包括相同参考标号，但具有撇号(’)。

参考图2和3，本发明的燃料电池组2’包括布置在第一和第二板6’、8’之间的阻挡膜200。阻挡膜200由聚合薄膜形成。阻挡膜200在暴露于燃料电池操作温度和例如用于燃料电池2’的电化学反应的气态反应剂的流体下不显著退化。阻挡膜200可以是适用于根据需要优化其强度的大致均匀的片材或层压结构。

阻挡膜200提供燃料电池组2’的单个电池之间的电隔离。阻挡膜200还可具有形成其上的至少一个聚合密封件202。作为非限定实例，阻挡膜200由聚萘二甲酸乙二酯(PEN)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚酰亚胺聚合物(例如

)之一形成。聚合密封件202由硅橡胶、三元乙丙橡胶(EPDM)、氟硅酮之一形成。应该理解到用于阻挡膜200和聚合密封件202的其它适当聚合材料可根据需要来选择。本领域普通技术人员还应该理解到阻挡膜200和聚合密封件202可根据需要由相同材料形成。

阻挡膜200连接在燃料电池组2’的其它软物品(未示出)上。作为非限定实例，阻挡膜200可连接在电解质薄膜、阳极和阴极中的至少一个上。在另一实施例中，阻挡膜200连接在DM上。在特别实施例中，阻挡膜200还连接在非传导的垫片上。例如，阻挡膜200可与非传导垫片形成整体。在特别示例性实施例中，阻挡膜200连接在电解质薄膜和非传导垫片上。

通过化学粘合剂或例如物理互锁或摩擦造成的结合的物理结合中的至少一种方式，阻挡膜200可连接在燃料电池组2’的其它软物品上。应该理解到电解质薄膜、阳极、阴极和DM中的至少一个可在供应区域4’的一部分上层压阻挡膜200。在另一实施例中，电解质薄膜、阳极、阴极和DM中的至少一个基本上不延伸到供应区域4’内。其它适当的构造可以根据需要来选择。

本发明的阻挡膜200具有多个支承结构204。支承结构204适用于在阻挡膜200上形成压力差时防止阻挡膜200的不希望的偏移。例如，在燃料电池组2’在阻挡膜200的阳极侧和阴极侧之间具有压力差时，支承结构204可邻靠第一板6’并且支承阻挡膜200。由于支承结构204邻靠第一板6’，并防止阻挡膜200偏移，防止了阻挡膜200侵入孔口20’。

阻挡膜200的支承结构204可与薄膜201形成整体。如图2所示，至少一个支承结构204可以是由阻挡膜200的聚合薄膜形成的中空节点(node)。中空节点可通过用于在阻挡膜200内形成节点的任何适当操作形成，例如通过模制操作或冲压操作。至少一个支承结构可以是大致实体的节点，如图3所示。在某些实施例中，支承结构204布置在阻挡膜200上。用于沉积支承结构204的适当材料包括适用于阻挡膜200的聚合薄膜的材料，并且可根据需要来选择。本领域普通技术人员还应该理解到适当支承结构204形状可根据需要来选择。

参考图4，多个支承结构204可在阻挡膜200上具有大致柱形的配置。例如，多个支承结构204包括第一数量的支承结构300和第二数量的支承结构302。第一和第二数量300、302以隔开的配置布置。在一个实施例中，第一和第二数量300、302以大致相互平行的柱的形式布置在阻挡膜200内。参考图5，支承结构204的至少一个第一数量300和第二数量302可在阻挡膜200上具有交错配置。使得支承结构204交错可防止阻挡膜200在操作中不希望地连续弯曲偏移。还可选择多个支承结构204的其它适当构造。

在特定实施例中，支承结构204的底部600可布置在由阻挡膜200的表面限定的平面之下。如图6所示，支承结构204的第一数量300可布置在形成在阻挡膜200内的通道602内。支承结构204的第一和第二数量300、302还可构造成在所需方向上偏压阻挡膜200。阻挡膜200内产生的偏压可足以在操作中产生阻挡膜200的所需弯曲偏移。应该理解到阻挡膜200的偏压可增加布置在阻挡膜上的附加部件在垂直于弯曲方向上的方向上的梁强度。

令人吃惊地发现在本发明的阻挡膜200上包括支承结构204减小了阻挡膜200和任何其它层压软物品侵入孔口20’的情况。通过阻挡膜200防止软物品侵入电池性能降低(LPC)情况、燃料电池不稳定以及反应剂缺乏或者反应剂不均匀流到燃料电池以及造成燃料电池的退化。

虽然出于说明本发明的目的描述了某些代表性实施例和细节，本领域普通技术人员将理解到可以进行多种变化而不偏离在下面所附权利要求中进一步描述的本发明的范围。

Claims (19)

1.一种用于燃料电池的阻挡膜，所述燃料电池包括：第一板，具有形成于其中的孔口；以及第二板，靠近第一板布置，所述阻挡膜包括：

聚合薄膜，具有多个支承结构，所述支承结构在靠近所述孔口的位置处邻靠第一板，所述支承结构的高度大于所述阻挡膜的厚度，支承结构适用于防止薄膜偏移。

2.如权利要求1所述的阻挡膜，其特征在于，支承结构是与薄膜形成整体以及沉积在薄膜上的至少一种情况。

3.如权利要求1所述的阻挡膜，其特征在于，支承结构之一是大致实体的节点。

4.如权利要求1所述的阻挡膜，其特征在于，支承结构之一是由薄膜形成的中空节点。

5.如权利要求4所述的阻挡膜，其特征在于，中空节点通过模制操作和冲压操作之一来形成。

6.如权利要求4所述的阻挡膜，其特征在于，中空节点的底部与薄膜表面限定的平面隔开。

7.如权利要求1所述的阻挡膜，其特征在于，多个支承结构在薄膜上具有大致柱形的配置。

8.如权利要求1所述的阻挡膜，其特征在于，多个支承结构包括与第二数量的支承结构隔开的第一数量的支承结构。

9.如权利要求7所述的阻挡膜，其特征在于，第一数量和第二数量以大致相互平行的柱的方式配置。

10.如权利要求7所述的阻挡膜，其特征在于，支承结构的第一数量和第二数量在所需方向上偏压薄膜。

11.如权利要求1所述的阻挡膜，其特征在于，多个支承结构在薄膜上具有交错配置。

12.如权利要求1所述的阻挡膜，其特征在于，薄膜由聚萘二甲酸乙二酯(PEN)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚酰亚胺聚合物中的至少一种形成。

13.如权利要求1所述的阻挡膜，其特征在于，薄膜由多个薄膜层层压而成。

14.一种燃料电池，包括：

第一板，具有形成于其中的孔口；

第二板，靠近第一板布置；以及

阻挡膜，布置在第一板和第二板之间，并且阻挡膜包括聚合薄膜，聚合薄膜具有多个支承结构，所述支承结构在靠近所述孔口的位置处邻靠第一板，所述支承结构的高度大于所述阻挡膜的厚度，支承结构适用于防止薄膜侵入孔口。

15.如权利要求14所述的燃料电池，其特征在于，靠近供应歧管并在第一板和第二板之间的容积限定燃料电池的供应区域，阻挡膜布置在供应区域内。

16.如权利要求14所述的燃料电池，其特征在于，还包括布置在第一板和第二板之间的阳极、电解质薄膜以及阴极，电解质薄膜连接在阻挡膜上。

17.如权利要求14所述的燃料电池，其特征在于，第一板和第二板具有形成其上的流场，每个流场包括通过多个平台限定的多个流动通道。

18.如权利要求17所述的燃料电池，其特征在于，支承结构布置在第二板的至少一个平台和第一板的流动通道以及第二板的流动通道和第一板的流体通道之间。

19.一种燃料电池组，包括：

多个燃料电池，至少一个燃料电池还包括：

第一板，具有形成于其中的孔口；

第二板，靠近第一板布置；以及

阻挡膜，布置在第一板和第二板之间，并且阻挡膜包括聚合薄膜，聚合薄膜具有多个支承结构，所述支承结构在靠近所述孔口的位置处邻靠第一板，所述支承结构的高度大于所述阻挡膜的厚度，支承结构适用于防止薄膜侵入孔口。

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