CN101919096A - 模块单元燃料电池组件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种模块单元燃料电池组件，其包括：膜电极组件(MEA)；阳极电流收集器/多孔传输层(PTL)；双极隔板(BSP)；波状或翅片弹簧冷却及传输结构；阴极电流收集器/PTL；以及阳极框。在该实施例中，空气通过翅片弹簧冷却及传输结构，并且空气用作阴极反应物和冷却剂。

Description

模块单元燃料电池组件
相关申请的交叉引用
本申请是于2007年12月28日提交的第11/966，887号美国申请的延续，该美国申请的全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明涉及聚合物电解质膜(PEM)燃料电池及其部件的制造方法。更具体地，本发明涉及低生产成本的模块单元燃料电池的设计及结构。
背景技术
聚合物电解质膜(PEM)燃料电池是一种电化学装置，其包括阳极电极、阴极电极和以薄聚合物膜形式设置在阳极电极和阴极电极之间的电解质。多个单个聚合物电解质膜燃料电池或燃料电池单元与双极隔板堆叠在一起，从而制造出聚合物电解质膜燃料电池堆，其中双极隔板将一个燃料电池单元的阳极电极与相邻燃料电池单元的阴极电极分隔开。
包括聚合物电解质膜的电化学电池可以用作燃料电池(其中燃料和氧化剂在电池电极处进行电化学变换以产生电能)，或用作电解槽(其中外部电流(通常通过水)在电池电极之间流过，从而在电池的各电极处产生氢和氧)。燃料电池是不进行燃烧也不具有有害放射物、使用通常来自空气的氢和氧通过化学变换处理而产生电的能量变换装置。所输出的电压和电流取决于燃料电池堆中的电池数量、总有效表面积以及效率。图1中示出了单个电池的基本工艺。
传统的燃料电池堆10(见图2、图3和图4)由堆叠在一起的多个单个电池20构成。这样的燃料电池通常具有由经过加工的石墨制成的双极隔板(BSP)12、膜电极组件(MEA)14、衬垫16、18、燃料歧管24，并且可以具有氧化剂和冷却剂歧管。见图3和图4。
为了使燃料电池进行正确的操作，氢气必须被密封在电池内部且与气态氧化剂(空气或氧)分隔开。在一些燃料电池中，还需要进行冷却，这是因为在正常的工作期间会产生热量。该热量通常利用液体冷却(通常使用水作为冷却剂)来从燃料电池堆去除。
此外，BSP 12与MEA 14紧密、连续的电接触是很关键的。
如图2和图4所示，燃料电池堆典型地使用了“压滤”结构(“filter-press”structure)，在该结构中，在每个燃料电池堆10的各端部放置厚且重的“端板”32、34，并通过重的拉杆、或螺栓38和螺母40、或其它紧固件将“端板”32、34结合在一起。出于以下两个目的而尝试使用“压滤”结构：(i)如果使用了氢、氧化剂、和液体冷却剂，则对它们进行密封；以及(ii)保持BSP 12和MEA14之间的紧密电接触，见图2和图4。对利用传统方法构建的燃料电池堆的拆卸和分解显示了该“压滤”结构布置并不能很好地执行上述两个功能。这样的分解已经揭示了BSP 12和MEA 14之间不能完全电接触、从而导致了不良的导电性和较低的电池性能的证据。该分解还显示了气体和液体泄漏的证据。
发明内容
本发明的一个方面提供了一种PEM模块单元燃料电池组件，该PEM模块单元燃料电池组件包括：膜电极组件(MEA)，其具有阳极侧和阴极侧；阳极多孔传输层(PTL)，其具有第一侧和第二侧，其包括适于气体扩散以及电和热的传导的三维孔穴结构，该阳极PTL的第一侧与MEA的阳极侧并列且电接触；导电双极隔板，其具有第一侧和第二侧，该导电隔板的第一侧与阳极气流场的第二侧并列且电接触；弹簧翅片热传递结构，其具有第一侧和第二侧，该热传递结构的第一侧与导电隔板的第二侧并列；以及阴极PTL，其具有第一侧和第二侧，其包括适于气体扩散以及电和热传导的三维孔穴结构，该阴极PTL的第一侧与弹簧翅片热传递结构的第二侧并列且电接触。
本发明的另一个方面提供了一种PEM模块单元燃料电池组件，该PEM模块单元燃料电池组件包括：膜电极组件(MEA)，其具有阳极侧和阴极侧；阳极多孔传输层(PTL)，其具有第一侧和第二侧，其包括适于气体扩散以及电和热传导的三维孔穴结构，该阳极PTL的第一侧与MEA的阳极侧并列且电接触；导电双极隔板，其具有第一侧和第二侧，该导电隔板的第一侧与阳极气流场的第二侧并列且电接触；弹簧翅片热传递结构，其具有第一侧和第二侧，该热传递结构的第一侧与导电隔板的第二侧并列；以及阴极PTL，其具有第一侧和第二侧，其包括适于气体扩散以及电和热传导的三维孔穴结构，该阴极PTL的第二侧与MEA的阴极侧并列且电接触。
本发明的再一个方面提供了一种燃料电池堆组件，该燃料电池堆组件包括：第一端板和第二端板，第二端板与第一端板对齐；根据本发明第一方面或第二方面所述的模块单元燃料电池组件中的至少一个模块单元燃料电池组件，其设置在第一端板和第二端板之间；以及加压结构。
本发明的其他部分将在说明书的下面部分得以呈现，其中，详细的说明用于充分公开本发明的优选实施例的目的，而非对其加以限制。
附图说明
通过参照下面仅用于说明目的的附图将会更加充分地理解本发明，附图中：
图1是基本的传统燃料电池处理的现有技术示意性表示。该图示出了穿过PEM膜与氧结合以产生电能的所提取的氢离子。
图2示出了利用重的端板和拉杆螺栓将电极压紧在一起的传统现有技术PEM燃料电池堆。
图3是燃料电池组件的传统现有技术PEM单个电池的分解图。
图4是示出内部部件和外部部件的布置的电极的传统现有技术PEM燃料电池堆的分解图。
图5是孔穴三维网状网络结构或泡沫的放大示图。
图6是波状或翅片弹簧冷却及传输结构的放大表示。
图7示出了本发明的模块单元电池的各元件的分解截面图。
图8示出了被组装为模块单元电池的图7的各元件的截面图。
图9示出了布置为燃料电池堆的连同端板和终端结构(termination structure)一起的图8的模块单元电池的截面图。
图10示出了图9的燃料电池堆元件的分解截面图。
具体实施方式
具体结合附图，出于示例性目的，在图1至图10概要地示出的设备中实现本发明。应该理解，在不背离本文所公开的基本构思的条件下，本发明的设备可以在部件的配置和细节方面有所改变，以及本发明的方法可以在具体步骤和顺序方面有所改变。
图7和图8示出了本发明的模块单元燃料电池45的优选实施例。为了清楚而示出了图7的分解图。模块单元燃料电池45包括：膜电极组件(MEA)62，其具有与阳极电流收集器/多孔传输层(PTL)70并列且电接触的阳极侧，所述PTL 70与双极隔板(BSP)50并列且电接触，所述双极隔板50与波状或翅片弹簧冷却及传输结构(CTS)85并列且电接触，所述CTS 85与阴极电流收集器/多孔传输层75及阳极框80(为了清楚未在图8中示出)并列。在所有的实施例中，空气都垂直于该视图、并如图6中由方向箭头64所示地通过翅片弹簧冷却及传输结构85，并且所述空气用作阴极反应物和冷却剂。
在模块单元燃料电池的第一替换实施例(未示出)中，阴极PTL75不与翅片弹簧冷却及传输结构85并列且电接触，而是与MEA 62的阴极侧并列且电接触，所述MEA 62与阳极PTL 70并列且电接触，所述阳极PTL 70与BSP 50并列且电接触，所述BSP 50与CTS 85并列且电接触。
在第二替换实施例(未示出)中，CTS 85不与BSP 50并列且电接触，而是与阴极PTL 75的第一侧并列且电接触，该阴极PTL 75具有与MEA 62的阴极侧并列且电接触的第二侧，所述MEA 62与阳极PTL 70并列且电接触，所述阳极PTL 70与BSP 50并列且电接触。所有的实施例都形成了模块单元燃料电池，可以在进一步被组装成图9和图10所示的燃料电池堆之前对该模块单元燃料电池进行组装。
在图7和图8中，MEA 62(其可以通过本领域技术人员已知的多种方法来构建)包括质子交换膜(PEM)55、阳极气体扩散(GDL)层60和阴极气体扩散层65、以及阳极电极(未示出)和阴极电极(未示出)。该组装的MEA可以具有或不具有围绕周界的边界，其中该周界可以被增强或不被增强。通常以本领域技术人员已知的两种方法之一来构建MEA。
第一方法是催化剂涂覆膜(CCM)方法，在该方法中，将催化阳极电极施加给PEM 55的第一侧，将催化阴极电极施加给PEM 55的第二侧，然后将阳极GDL 60和阴极GDL 65施加给形成MEA 62的CCM的各侧。
MEA构建的第二方法是气体扩散电极(GDE)方法，在该方法中，将催化阳极电极施加给形成阳极GDE的阳极GDL 60的第一侧，并且将催化阴极电极施加给形成阴极GDE的阴极GDL 65的第一侧。阳极GDE的催化阳极电极侧施加给PEM 55的第一侧，而阴极GED的催化阴极电极侧施加给形成MEA 62的PEM 55的相对侧。
在第一和第二方法中，组装成本发明的模块单元电池45之前，可以将上述各部件组装成MEA 62，或者在组装本发明的模块单元电池45期间将这些部件组装成MEA 62。可以从大量供应商(例如3M、DuPont、W.A.Gore、SGL Carbon、Ballard、Freudenberg等)处得到MEA及MEA部件。
BSP 50是薄片金属部件，其可以通过冲压、冲切、剪切和打孔或本领域已知的其他片状金属加工技术来廉价地制造。双极板可以由各种金属以及金属合金(诸如不锈钢、钛、镍或其合金)制成；出于成本的考虑，有利以及优选地，优选的材料是300系列不锈钢。
阳极电流收集器/多孔传输层(PTL)70和阴极电流收集器/多孔传输层75允许将反应物传输至催化电极、从电极上去除反应产物，它们还有助于传输膜的热量、它们是电导体，并且它们还在将模块单元燃料电池压缩到燃料电池堆中时用于均匀地散布压缩应力。PTL可以是网状结构，也称为泡沫、线编网或织物(woven mesh or cloth)、无纺布或纸、烧结材料、膨胀材料或其他多孔结构。PTL可以是铝、镍或其合金、钛或其合金、不锈钢、碳或石墨、或其他导电材料，并可以由ERG、SGL、Toray、INCO Special Products、RECEMAT等提供。优选实施例使用了图5所示的金属泡沫，其具有介于0.040mm到1.0mm之间的孔穴尺寸(cell size)，且其厚度为0.1mm到3mm。各PTL可以为相同或不同的材料，且可以按照各种组合的方式来使用。作为一个非限定性的实例，阳极PTL可以是金属泡沫，而阴极PTL可以是由金属网或织物制成的纸或毡。
波状或翅片弹簧冷却及传输结构85允许传输阴极空气(包括用于阴极反应的氧)、允许去除反应产物以及作为通过使反应物/冷却剂通过翅片来去除在燃料电池工作期间所产生的热量的冷却结构。在将多个电池堆叠并压在一起时，还在燃料电池堆中提供一定量的弹性柔量。此外，在一个优选实施例中，弹簧翅片冷却结构85由厚度为0.05mm到0.25mm的材料构建，所述材料可以是铝、镍、钛或它们的合金、或不锈钢(优选的为300系列)。高度约为0.5mm到5mm，波纹间距介于0.25mm到3mm之间。这样的翅片结构的供应商有Robinson Fin Machines公司。
阳极框80包括阳极PTL并且包括用于将氢燃料馈送至电化学活性区的通道和用于允许清除氢燃料以及去除可能包含在阳极中的多余的冷凝水的通道。阳极框80的可选材料包括聚合或弹性材料，诸如PVC、聚碳酸酯、ABS、硅树脂、聚氨酯等。
图8的实施例示出了作为一个完整组件的本发明的模块单元燃料电池45。图8中，为了清楚，省略了阳极框80。在组装各金属部件(即阳极PTL 70、BSP 50、翅片弹簧冷却及传输结构85和阴极PTL)时，可以与该模块单元燃料电池45的其余部件同时进行组装，或者可以通过冶金手段(诸如铜焊或焊接，或通过本领域技术人员已知的其他手段)将该金属结构预组装成一个完整单元。
模块单元燃料电池45随后被组装成图9所示的燃料电池堆100。为了清楚，在图10中示出了显示该组件各部件的燃料电池堆100的分解图。燃料电池堆100包括一个或多个模块单元燃料电池45、两个端板(阴极端板90和阳极端板92)以及阴极终端结构95。重要的是阴极端电池96、阳极端电池98和各中央堆叠电池94。电池堆可以包括单一的模块单元燃料电池45，在此情况中，该单一的电池作为阴极端电池96和阳极端电池98，而没有中央堆叠电池94。两个电池的电池堆包含独立的阴极端电池96和独立的阳极端电池98，而没有中央堆叠电池94。具有多于两个电池的电池堆包含独立的阴极端电池96和独立的阳极端电池98以及一个或多个中央堆叠电池94。
阴极终端结构95与阴极端板90和阴极端电池96并列且电接触。阴极终端结构95包括翅片弹簧冷却及传输结构85以及与其并列且电接触的阴极电流收集器/多孔传输层75。阴极终端结构95可以利用冶金手段(诸如铜焊或焊接，或通过本领域技术人员已知的其他手段)进行组装，并且可以与或不与阴极端板90冶金聚合(metallurgicalcongress)在一起以形成完整的端板终端组件99。
在模块单元燃料电池的第一替换实施例(未示出)中，阴极终端结构95不包括阴极PTL 75，而只包括与阴极端板90并列的翅片弹簧冷却及传输结构85，并且终端结构95可以与或不与阴极端板90冶金聚合在一起，阴极PTL与该替换实施例的模块单元燃料电池合并在一起。
在第一替换实施例的模块单元燃料电池中，阴极PTL 75可以与阳极端板92和阳极端电池98并列且电接触，并且阴极PTL可以与或不与阳极端板92和阳极端电池98两者都冶金聚合在一起，或可以与第一替换实施例的模块单元燃料电池或阳极端板92冶金聚合在一起，或者与其中的任何一个都不冶金聚合在一起。
在模块单元燃料电池的第二替换实施例(未示出)中，未采用阴极终端结构95，而是使用了阳极终端结构。冷却及传输结构85的第一侧与阳极端电池98的BSP并列且电接触，而其第二侧也与阳极端板92并列且电接触。该阳极终端结构可以与或不与阳极端板92和阳极端电池98冶金聚合在一起，或可以与第二替换实施例的模块单元燃料电池或阳极端板92冶金聚合在一起，或者与其中的任何一个都不冶金聚合在一起。
在组装时，利用本领域技术人员公知的手段以通常从2.5到50kg/cm2范围的压紧力将各堆叠部件夹在一起。阳极端板92和阴极端板90均电连接至外部电负载。
尽管在本文中仅是示出并描述了本发明的几个实施例，但是对本领域技术人员显而易见的是，在不背离本发明的精神和范围的条件下，可以在制造模块单元燃料电池45以及随后将其结合到燃料电池堆中以制成功能完全的燃料电池装置中进行各种改进和改变。此外，本文中所述的尺寸、材料和工艺都是出于示例性的目的，并不意味着排除使用其他的尺寸、材料或工艺。
尽管上述的说明书包含许多细节，但是这些都不应被理解为限制本发明的范围，而应被理解为仅提供本发明的当前优选实施例中一些示例说明。因此，应该理解，本发明的范围充分包括对于本领域技术人员变得显而易见的其他实施例，并且本发明的范围相应地不受除所附权利要求以外的其他任何限制，除非明确地说明，否则权利要求中对单数元件的引用并不意味着“一个且仅为一个”，而是其意味着“一个或多个”。本领域技术人员已知的上述优选实施例的各元件的所有结构的、化学的、以及功能的等同物明确地通过引用并入本文中，并旨在被所述权利要求所包含。此外，对于包括在权利要求中的装置或方法不必要解决由本发明试图解决的每一问题。此外，本公开中的元件、部件或方法步骤都不为公众专用，而不管该元件、部件、或方法步骤是否在权利要求中进行了明确地引用。

Claims (3)

1.一种PEM模块单元燃料电池组件，包括：
膜电极组件(MEA)，其具有阳极侧和阴极侧；
阳极多孔传输层(PTL)，其具有第一侧和第二侧，其包括适于气体扩散以及电和热的传导的三维孔穴结构，该阳极PTL的第一侧与MEA的阳极侧并列且电接触；
导电双极隔板，其具有第一侧和第二侧，该导电隔板的第一侧与阳极气流场的第二侧并列且电接触；
弹簧翅片热传递结构，其具有第一侧和第二侧，该弹簧翅片热传递结构的第一侧与导电隔板的第二侧并列；以及
阴极PTL，其具有第一侧和第二侧，其包括适于气体扩散以及电和热传导的三维孔穴结构，该阴极PTL的第一侧与弹簧翅片热传递结构的第二侧并列且电接触。
2.一种PEM模块单元燃料电池组件，包括：
膜电极组件(MEA)，其具有阳极侧和阴极侧；
阳极多孔传输层(PTL)，其具有第一侧和第二侧，其包括适于气体扩散以及电和热的传导的三维孔穴结构，该阳极PTL的第一侧与MEA的阳极侧并列且电接触；
导电双极隔板，其具有第一侧和第二侧，该导电隔板的第一侧与阳极气流场的第二侧并列且电接触；
弹簧翅片热传递结构，其具有第一侧和第二侧，该弹簧翅片热传递结构的第一侧与导电隔板的第二侧并列；以及
阴极PTL，其具有第一侧和第二侧，其包括适于气体扩散以及电和热传导的三维孔穴结构，该阴极PTL的第二侧与MEA的阴极侧并列且电接触。
3.一种燃料电池堆组件，包括：
第一端板和第二端板，第二端板与第一端板对齐；
根据权利要求1或权利要求2所述的模块单元燃料电池组件中的至少一个模块单元燃料电池组件，其设置在第一端板和第二端板之间；以及
加压结构。
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