CN102447120A - 带导电层的复合端电池热障 - Google Patents

带导电层的复合端电池热障 Download PDF

Info

Publication number
CN102447120A
CN102447120A CN2011102968206A CN201110296820A CN102447120A CN 102447120 A CN102447120 A CN 102447120A CN 2011102968206 A CN2011102968206 A CN 2011102968206A CN 201110296820 A CN201110296820 A CN 201110296820A CN 102447120 A CN102447120 A CN 102447120A
Authority
CN
China
Prior art keywords
fuel cell
layer
heat insulation
barrier layer
cell module
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN2011102968206A
Other languages
English (en)
Other versions
CN102447120B (zh
Inventor
E.J.康诺尔
G.W.弗利
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
GM Global Technology Operations LLC
Original Assignee
GM Global Technology Operations LLC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by GM Global Technology Operations LLC filed Critical GM Global Technology Operations LLC
Publication of CN102447120A publication Critical patent/CN102447120A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN102447120B publication Critical patent/CN102447120B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
    • H01M8/2483—Details of groupings of fuel cells characterised by internal manifolds
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/023—Porous and characterised by the material
    • H01M8/0232—Metals or alloys
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/023—Porous and characterised by the material
    • H01M8/0239—Organic resins; Organic polymers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/023—Porous and characterised by the material
    • H01M8/0241—Composites
    • H01M8/0245—Composites in the form of layered or coated products
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0247—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the form
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04253—Means for solving freezing problems
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/241—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2300/00—Electrolytes
    • H01M2300/0017—Non-aqueous electrolytes
    • H01M2300/0065—Solid electrolytes
    • H01M2300/0082—Organic polymers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

本发明涉及带导电层的复合端电池热障，具体公开了一种用于燃料电池组件的屏障层，该屏障层具有绝热层和导电层；绝热层具有第一表面和第二表面，导电层形成于绝热层的第一表面上。绝热层可以包括形成于其中的多个孔，导电层可形成于绝热层的第二表面上和形成孔的绝热层的壁上。

Description

带导电层的复合端电池热障
技术领域
本发明涉及一种燃料电池组件，更具体地涉及一种具有设置在终端板与单极性端板之间的绝热导电层的燃料电池组件；所述绝热导电层用以减少单极性端板的热损失以及在端部燃料电池中的流体凝结和冰形成，同时使流经该绝热导电层的电流最大化。
背景技术
燃料电池组件将燃料和氧化剂转变成电力。一种类型的燃料电池动力系统采用质子交换膜(在下文中称为“PEM”)来分隔便于燃料(如氢气)与氧化剂(如空气或氧气)发生催化反应的电极而产生电力。PEM通常是固体聚合物电解质膜；在燃料电池动力系统中通常使用的各个单独的燃料电池中，PEM便于质子从阳极转移至阴极。
在燃料电池动力系统内的典型燃料电池组件(或者燃料电池堆)中，单独的燃料电池板包括各种反应物和冷却流体所流经的通道。燃料电池板通常被设计成具有平直的或蛇形的流道。这种流道是合乎需要的，因为它们有效地使反应物分布于正在运行的燃料电池的活性区域上，由此使性能和稳定性最大化。在冰点以下温度下，燃料电池组件中的水蒸汽会发生凝结。此外，在燃料电池组件中冷凝水可以形成冰。冷凝水和冰的存在会影响燃料电池组件的性能。
在典型的运行状态下，冷凝水也可在与燃料电池组件出口歧管相邻的燃料电池板的边缘积聚，因此限制了从流道至出口歧管的流体流动。在冰点以下温度下燃料电池组件的起动运行期间，在燃料电池板的流道中以及在出口歧管边缘的冷凝水处于冰的形态，这会限制反应物的流动。类似地，可引起由于在正常运行期间液态水的停滞而导致的反应物流动的不良分布。
通常，为了减少在燃料电池组件出口歧管处凝结的发生，而提高燃料电池组件的运行温度。然而，如果提高运行温度，则由于因膜增湿程度下降所造成的膜质子阻力增加，因而会对欧姆电阻具有负面影响。而且，通过降低进口阳极与阴极气流的相对湿度可以获得与提高燃料电池组件运行温度相同的效果，因而由于膜质子阻力增加而对欧姆电阻产生负面影响。为了减少至燃料电池组件端部单元的热损失，可将阻热的屏障层设置在燃料电池堆与端部单元之间。随着热阻率的增加导电性通常会下降，因此会在屏障层中产生废热并导致燃料电池组件运行效率低下。为了经受在高电流水平下由于在屏障层中产生此废热而会出现的高温，端部单元必须由昂贵的塑料或者能够经受高温的其它材料构成，因而增加了燃料电池组件的成本。
在燃料电池组件运行期间，由燃料电池反应热所产生的废热加热燃料电池组件并且减少该组件中的水凝结和冰形成。然而，燃料电池组件的端板温度往往低于燃料电池组件的中间板温度。单极性端板由于向环境的热损失以及向与其相邻的燃料电池组件终端板的热损失而具有较低温度。整个燃料电池组件中的各燃料电池板的温度差会导致低效率的运行、反应物的不良分布、可导致冰形成的水凝结、以及燃料电池组件使用寿命的缩短。
通常，为了确保燃料电池组件中各板之间大致均匀的温度分布，而将加热机构设置在与单极性端板相邻的位置，用以将热能直接传递给单极性端板。加热机构也可设置在与终端板相邻的位置，用以将热能传递给终端板。然后，热能从终端板被传递至单极性端板。可替代地，适合于加热单极性端板的电阻性加热机构，可并联地连接到燃料电池组件。如果加热机构失效并处于供电状态，那么端部燃料电池会变干，因而导致在燃料电池组件中发生电短路。用以加热单极性端板的其它方法包括：催化加热、以及提供设置在单极性端板与终端板之间的旁路板。
另外，在燃料电池组件运行期间，由燃料电池堆所产生的电流被收集在各导电性燃料电池中。电流经由燃料电池板被传递通过燃料电池堆，到达在燃料电池堆两端的终端板。终端板与集电体(例如汇流条)电连通。集电体与堆接口单元(SIU)或者燃料电池动力系统的其它电气构件电连通。电池堆端部单元中的高温将会导致热与电流一起流向SIU和/或其它电气构件，因而造成SIU 和/或其它电气构件中的温度升高，这会导致构件失效或者需要可在高温下运行的昂贵构件。
理想的是制造这样一种燃料电池组件，它具有设置在其终端板与单极性端板之间的绝热导电层；所述绝热导电层用以减少单极性端板的热损失以及单极性端板上的流体凝结和冰形成，同时使流经该绝热导电层的电流最大化。
发明内容
根据本发明，已令人惊讶地发现一种具有设置在终端板与单极性端板之间的绝热导电层的燃料电池组件；所述绝热导电层用以减少来自单极性端板的热损失以及在单极性端板上的流体凝结和冰形成，同时使流经该层的电流最大化。
在一个实施例中，用于燃料电池组件的屏障层包括：具有第一表面和第二表面的绝热层、以及形成于所述绝热层第一表面上的导电层。
在另一个实施例中，用于燃料电池组件的屏障层包括：具有第一表面、第二表面、和形成于其中的多个孔的绝热层；以及形成于所述绝热层的第一表面、所述绝热层的第二表面、和形成所述多个孔的所述绝热层的各部分上的导电层。
在另一个实施例中，燃料电池组件包括：布置成电池堆的多个燃料电池；设置在所述燃料电池堆的第一端的第一终端板；设置在所述燃料电池堆的第二端的第二终端板；以及具有形成于绝热层第一表面上的导电层的屏障层。
本发明还涉及以下技术方案。
方案1. 一种用于燃料电池组件的屏障层，包括：
具有第一表面和第二表面的绝热层；以及
形成于所述绝热层的第一表面上的导电层。
方案2. 如方案1所述的屏障层，其中，所述导电层形成于所述绝热层的第二表面上。
方案3. 如方案1所述的屏障层，其中，所述绝热层包括形成于其中的多个孔。
方案4. 如方案3所述的屏障层，其中，所述导电层形成于形成所述多个孔的所述绝热层的各部分上。
方案5. 如方案3所述的屏障层，其中，所述导电层形成于所述绝热层的第二表面以及形成所述多个孔的所述绝热层的各部分上。
方案6. 如方案3所述的屏障层，其中，所述绝热层包括形成于其第一表面上的多个突出部。
方案7. 如方案6所述的屏障层，其中，所述多个孔分别穿过形成于所述绝热层的第一表面上的所述突出部中的一个。
方案8. 如方案6所述的屏障层，其中，多个突出部形成于所述绝热层的第二表面上，在所述第一表面上的各突出部与在所述第二表面上的相应突出部相互配合而形成柱。
方案9. 如方案8所述的屏障层，其中，所述多个孔中的各孔均穿过柱。
方案10. 如方案1所述的屏障层，其中，所述绝热层是由碳泡沫、复合泡沫、和塑料中的一种材料所构成。
方案11. 如方案1所述的屏障层，其中，所述绝热层是微桁架结构。
方案12. 如方案1所述的屏障层，其中，所述导电层是由金属构成。
方案13. 如方案8所述的屏障层，其中，所述金属是镍基金属和铬基金属中的一种。
方案14. 一种用于燃料电池组件的屏障层，包括：
绝热层，其具有第一表面、第二表面、和形成于所述绝热层中的多个孔；以及
导电层，其形成于所述绝热层的第一表面、所述绝热层的第二表面、以及形成所述多个孔的所述绝热层的各部分上。
方案15. 如方案14所述的屏障层，其中，所述绝热层包括形成于其第一表面上的多个突出部。
方案16. 如方案15所述的屏障层，其中，所述多个孔分别穿过形成于所述绝热层的第一表面上的所述突出部。
方案17. 如方案16所述的屏障层，其中，多个突出部形成于所述绝热层的第二表面上，在所述第一表面上的各突出部与在所述第二表面上的相应突出部相互配合而形成柱。
方案18. 如方案17所述的屏障层，其中，所述多个孔中的各孔均穿过柱。
方案19. 如方案14所述的屏障层，其中，所述绝热层是微桁架结构。
方案20. 一种燃料电池组件，包括：
布置成电池堆的多个燃料电池；
第一终端板，其设置在所述燃料电池堆的第一端；
第二终端板，其设置在所述燃料电池堆的第二端；以及
屏障层，其具有形成于绝热层第一表面上的导电层。
附图说明
根据以下对优选实施例的详细描述并结合附图，本领域技术人员将容易地了解本发明的上述优点以及其它优点。
图1是根据本发明一个实施例的燃料电池堆的分解透视图。
图2是根据本发明一个实施例的沿线2-2剖切的、图1中所示燃料电池组件的一部分的放大局部侧视截面图。
图3是根据本发明另一个实施例的屏障层的局部俯视平面图。
图4是沿线4-4剖切的、图3中所示屏障层的放大局部侧视截面图。
图5是根据本发明另一个实施例的屏障层的放大局部透视图。
图6是沿线6-6剖切的、图5中所示屏障层的放大局部示意性截面图。
具体实施方式
以下的详细描述和附图描述并说明了本发明的各种示例性实施例。描述和附图的目的是使本领域技术人员能够制作和利用本发明，而不是意图以任何方式来限制本发明的范围。
图1示出了具有两个燃料电池堆的燃料电池组件10。燃料电池组件10是质子交换膜(PEM)燃料电池组件。两个燃料电池中的各燃料电池包括组合式电极组件(UEA)12。利用导电性双极板14将UEA 12彼此隔开。UEA 12具有阳极和阴极的扩散介质(DM)34、阳极62、阴极64、和电解质膜60。为简单起见，图1中示出并描述了带双电池燃料电池堆(即一块双极板)的燃料电池组件10，应理解的是，典型的燃料电池组件可具有更多的这种燃料电池和双极板。
在一对终端板16、18与一对单极性端板20、22之间，将UEA 12和双极板14堆叠在一起。单极性端板20、双极板14的两个工作面和单极性端板22均包括各自的活性区域24、26、28、30。活性区域24、26、28、30通常包含用以将气体反应物(如氢气和空气)分别分布于UEA 12的阳极62和阴极64上的流场。
双极板14通常是通过用以成形金属板的常规工艺(例如冲压、机械加工、模制、或者经过光刻掩膜的光蚀刻法)而形成。在一个实施例中，双极板14是由单极性板构成，然后利用任何常规工艺(如焊接或粘接)将单极性板连接起来。还应理解的是，双极板14也可以由复合材料构成。在一个具体实施例中，双极板14是由石墨或经石墨填充的聚合物所构成。透气性扩散介质34设置在与双极板14两侧相邻的位置。单极性端板20、22也设置在与扩散介质34相邻的位置。在图1和图2所示的实施例中，屏障层32设置在单极性端板22与终端板18之间。
如图2中最佳地示出，屏障层32是由具有第一表面68和第二表面70的绝缘层66所构成。屏障层32具有形成于其中的多个孔72。孔72形成于线性的一排中，但根据期望，孔72也可随机地形成于屏障层32中或者孔72也可以按另一种图案而形成。导电层74分别形成于第一表面68、第二表面70、和形成孔72的屏障层32的各部分上。根据期望，导电层74可形成于第一表面68、第二表面70、和形成孔72的屏障层32的各壁中的任意一个或多个上。在图示的实施例中，绝缘层66是碳泡沫，但绝缘层66也可由任何绝热材料(如塑料、复合泡沫和陶瓷)构成。绝缘层66也可以是由塑料构成的微桁架结构（micro-truss structure），正如下文中更详细的描述以及图5和图6中所示。导电层74通常是由镍基金属构成。已从具有厚度为约0.5微米至约2微米的镍基导电层74的屏障层32获得了更有利的结果。已从厚度约为0.5微米的镍基导电层74获得了更有利的结果。导电层74也可由厚度为约10微米至约17微米的铬基金属(如铬合金)构成。可以理解的是，根据期望和需求，基于燃料电池组件10的尺寸和运行条件，导电层74可由任意金属或其它导电材料构成并可具有任意厚度。可利用无电镀工艺、电镀工艺、刷涂工艺、喷涂工艺、浸涂工艺等将导电层74涂布于绝缘层66上。可以理解的是，根据期望，第二屏障层(未图示)可设置在单极性端板20与终端板16之间。
双极板14、单极性端板20、22以及UEA 12分别包括阴极供应孔36和阴极排放孔38、冷却剂供应孔40和冷却剂排放孔42、以及阳极供应孔44和阳极排放孔46。燃料电池组件10的供应歧管和排放歧管是通过将双极板14、单极性端板20、22和UEA 12中相应的孔36、38、40、42、44、46对准而形成。经由阳极进口导管48将氢气提供至阳极供应歧管。经由阴极进口导管50将空气提供至燃料电池组件10的阴极供应歧管。也分别为阳极排放歧管和阴极排放歧管提供阳极出口导管52和阴极出口导管54。提供用以将液体冷却剂提供至冷却剂供应歧管的冷却剂进口导管56。提供用以将冷却剂从冷却剂排放歧管中除去的冷却剂出口导管58。应当理解的是，图1中各种进口导管48、50、56和出口导管52、54、58的构造是以说明为目的，根据期望可选择其它构造。
供燃料电池组件10使用的UEA 12可包括多个构件。如图2中所示，UEA 12包括：电解质膜60、阳极62、阴极64、和扩散介质34。在UEA 12的制造期间对UEA 12的各构件进行组装，并且利用任何常规工艺(例如热压)使UEA 12的各构件彼此附着。根据期望，可在单独的构件之间使用胶粘剂。为了清楚起见，已将图1中的扩散介质34和电解质膜60线性地移动，从而更清楚地显示电解质膜60。
燃料电池组件10的阳极62和阴极64可设置在电解质膜60和/或扩散介质34上。电极可由利用任何常规工艺(例如喷涂、浸涂、刷涂、滚筒转移、狭缝型挤压涂布(slot die coating)、凹面涂布（gravure coating）、迈耶棒涂布(Meyer rod coating)、印花转移(decal transfer)、和印刷)涂布于构件上的催化剂浆料（catalyst ink）所构成。阳极62或阴极64均可称为电极。
电解质膜60可以是由离聚物所构成的膜层。例如以商标Nafion® NRE211而销售的离聚物全氟磺酸(PFSA)是一种本领域熟知的典型的离聚物，它被用作燃料电池的电解质膜60。电解质膜60设置在阳极62与阴极64之间。
通常，在燃料电池动力系统运行期间，将氢气流提供至燃料电池组件10的阳极侧。同时，将氧气流提供至燃料电池组件10的阴极侧。在阳极侧，氢气流中的氢被催化分裂成质子和电子。H2 ↔ 2H+ + 2e-代表半电池氧化反应。在PEM燃料电池中，质子渗透穿过电解质膜到达阴极侧。电子沿外负载电路移动至阴极侧，从而产生燃料电池组件10的电流。在阴极侧，氧化剂流中的氧气与渗透穿过电解质膜的质子和来自外电路的电子结合而形成水分子。4H+ + 4e- + O2 ↔ 2H2O代表此半电池还原反应。来自阳极侧的阳极排气通常被再循环经过该系统以维持高的阳极电转换率和低的氢气排放。
来自阴极侧的阴极排气被排放到大气中。控制模块(未图示)通过响应于来自连接到燃料电池组件10的压力传感器(未图示)和电功率传感器(未图示)的信号来操纵各种控制阀(未图示)和压缩机(未图示)，而调节氢气流、氧气流和排气流的状态。在名称为《FUELL CELL SYSTEM BACK-PRESSURE CONTROL WITH DISCRETE VALVE》的共同所有的美国专利7,235,318号中公开了一种示例性排气系统，其全部内容以参考的方式并入本文中。
当燃料电池组件10正在运行时，屏障层32减小从单极性端板22至环境的、以及从单极性端板22到终端板18和到燃料电池组件10的下端单元(未图示)的热能损失。使下端单元的温度最小化，减小了对包含燃料电池组件10的燃料电池动力系统的其它构件(如堆接口单元(SIU))中的独立冷却系统和其它热能管理系统的需求。通过减小对用于燃料电池动力系统其它构件的独立冷却系统的需求，而使燃料电池动力系统的成本和复杂性最小化。而且，通过使传递至屏障层32随后传递至下端单元的热能最小化，而使下端单元所需要的热能容限最小化。通过使下端单元的所需要的热能容限最小化，而使得在其制造中不再需要特殊塑料并且使制造下端单元的成本最小化。
因为单极性端板22的热能被屏障层32的绝缘层66保存，所以在所有运行模式期间单极性端板22的温度被最大化，特别是在燃料电池组件10在冰点以下温度下的启动操作期间。通过在典型运行期间使单极性端板22的温度最高化，而使单极性端板22的通道中由冷凝的水蒸汽所形成的液态水最少化。类似地，因为凝结被最小化，所以在冰点以下温度下单极性端板22的通道中的冰形成也被最小化，因而利于燃料电池组件10在低于冰点温度下的高效率的启动。另外，通过使在冰点以下温度下启动燃料电池系统期间单极性端板22的温度最高化，而使阳极62和阴极64内液态水或冰的形成最小化，因而利于燃料电池组件10的高效率的冷启动。可利用流经燃料电池组件10的一定量的冷却剂，来补偿由于屏障层32的电阻所造成的不期望的热能产生的增加。通过保存单极性端板22的热能，而不再需要加热机构来加热单极性端板22，因而使燃料电池组件10的复杂性和成本最小化。
导电层74提供使从燃料电池组件10的板14、20、22流到终端板18的电流最大化的导电材料。因为利用在绝缘层66的形成孔72的部分上所形成的导电层74的部分将形成于第一表面68上的导电层74 的部分连接到形成于第二表面70上的导电层74的部分，所以导电层74形成了使电流穿过屏障层32的厚度的连续路径。由于具有导电层74的各部分的连续连接，因而使屏障层32的导电率及流过屏障层32的电流最大化。通过使从燃料电池组件10经过屏障层32流到终端板18的电流最大化，也使燃料电池动力系统的功率输出最大化。这在包含燃料电池组件10的燃料电池动力系统的高峰使用期间尤为重要。
图3和图4示出了根据本发明另一个实施例的屏障层76。除了在下文中所描述的以外，屏障层76类似于屏障层32。类似于屏障层32，屏障层76可用于图1的燃料电池组件10，并且设置在终端板18与单极性端板22之间。可以理解的是，根据期望，类似于屏障层32或屏障层76的第二屏障层(未图示)可设置在燃料电池组件10的单极性端板20与终端板16之间。
屏障层76是由绝缘层78构成，绝缘层78具有第一表面80、第二表面82、和形成于各表面80、82上的多个突出部86。如图4中最佳地示出，在第一表面80上的突出部86与在第二表面82上的相应突出部86配合而形成横截面形状大致为圆形的柱。根据期望，突出部86的横截面形状可以是卵形、三角形、或者矩形。由所述多个突出部86所构成的各柱具有形成于其中的孔84。突出部86形成于线性的一排中，但突出部86可按随机的图案或者按期望的设计形成于屏障层76中。因为屏障层76包括柱状的突出部86(与实心层相反)，所以在突出部86之间形成屏障76的材料被最小化，因此使屏障层76的热质量和热接触面积最小化。
导电层88分别形成于第一表面80、第二表面82、以及形成孔84的绝缘层78的各部分上。根据期望，导电层88可形成于第一表面80、第二表面82、以及形成孔84的屏障层76的各部分中的任何一个或多个上。绝缘层78通常是由绝热的塑料材料构成。导电层88通常是由镍基金属(例如无电镀镍)构成。已从具有厚度约为10微米至约50微米的导电性镍层88的屏障层76中获得更有利的结果。已从厚度为25微米的导电层镍88中获得了更有利的结果。理想的是用提供屏障层76与终端板18以及单极性板22之间的低接触电阻的材料来构成导电层88。可以理解的是，根据期望和需求，基于燃料电池组件10的尺寸和运行条件，导电层88可由任何金属或者其它导电材料构成，并且可具有任意厚度。可利用例如无电镀工艺、电镀工艺、刷涂工艺、喷涂工艺、浸涂工艺等将导电层88涂布于绝缘层78上。
图5和图6示出了根据本发明另一个实施例的屏障层90。除了如下文中所描述的以外，屏障层90类似于屏障层32。类似于屏障层32，屏障层90可用于图1的燃料电池组件10中，并且设置在终端板18与单极性端板22之间。可以理解的是，根据期望，类似于屏障层32、屏障层76或者屏障层90的第二屏障层(未图示)可设置在燃料电池组件10的单极性端板20与终端板16之间。
屏障层90是由具有第一表面94和第二表面96的微桁架结构 92所构成。多个柱状构件98相互配合而形成微桁架结构92。在功能上等同于孔72、84的空隙空间，形成于微桁架结构92的构件98之间。构件98为大致柱状并且横截面形状大致为圆形，但根据期望，构件98也可具有卵形、三角形、矩形、或者其它的横截面形状。导电层102形成于各构件98的外表面100上。屏障层90的表面94、96适合于分别接触单极性端板22和终端板18。如图5中所示，屏障层90包括4层堆叠的微桁架层。可以理解的是，根据期望，屏障层90可包括任意数量的微桁架层。
微桁架结构92是由绝热的塑料材料所构成的绝热层。塑料材料可以是光/辐射固化的聚合物，例如共同所有的美国专利申请序列号12/339,308中所公开的那些，其全部内容以参考的方式并入本文中。可以理解的是，根据期望，微桁架结构92也可由任何绝热材料构成。采用绝热的微桁架结构92可给屏障层90提供能够承受在组装期间施加于燃料电池组件10上的压缩力的增大的强度和刚度。而且，与片状结构相比，用于构建微桁架结构92的材料的量会被最小化。通过使构成微桁架结构92的材料最少化，也使屏障层90的热质量和热接触面积最小化。
导电层102是由镍基金属构成。已从具有厚度为约2微米至约20微米的镍基导电层102的屏障层90获得了更有利的结果。已从厚度约为5微米的镍基导电层102获得了更有利的结果。导电层102也可由镍铬合金或镍钴合金构成，其厚度为约10微米至约20微米。可以理解的是，根据期望，根据期望和需求，基于燃料电池组件10的尺寸和运行条件，导电层102也可由任何金属或者其它导电材料构成，并且可具有任意厚度。可利用无电镀工艺、电镀工艺、刷涂工艺、喷涂工艺、浸涂工艺等将导电层102涂布于微桁架结构92上。
根据前面的描述，本领域技术人员可以容易地确定本发明的基本特征，在不背离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明做各种变化和修改以使其适应各种用途和条件。

Claims (10)

1.一种用于燃料电池组件的屏障层，包括：
具有第一表面和第二表面的绝热层；以及
形成于所述绝热层的第一表面上的导电层。
2.如权利要求1所述的屏障层，其中，所述导电层形成于所述绝热层的第二表面上。
3.如权利要求1所述的屏障层，其中，所述绝热层包括形成于其中的多个孔。
4.如权利要求3所述的屏障层，其中，所述导电层形成于形成所述多个孔的所述绝热层的各部分上。
5.如权利要求3所述的屏障层，其中，所述导电层形成于所述绝热层的第二表面以及形成所述多个孔的所述绝热层的各部分上。
6.如权利要求3所述的屏障层，其中，所述绝热层包括形成于其第一表面上的多个突出部。
7.如权利要求6所述的屏障层，其中，所述多个孔分别穿过形成于所述绝热层的第一表面上的所述突出部中的一个。
8.如权利要求6所述的屏障层，其中，多个突出部形成于所述绝热层的第二表面上，在所述第一表面上的各突出部与在所述第二表面上的相应突出部相互配合而形成柱。
9.一种用于燃料电池组件的屏障层，包括：
绝热层，其具有第一表面、第二表面、和形成于所述绝热层中的多个孔；以及
导电层，其形成于所述绝热层的第一表面、所述绝热层的第二表面、以及形成所述多个孔的所述绝热层的各部分上。
10.一种燃料电池组件，包括：
布置成电池堆的多个燃料电池；
第一终端板，其设置在所述燃料电池堆的第一端；
第二终端板，其设置在所述燃料电池堆的第二端；以及
屏障层，其具有形成于绝热层第一表面上的导电层。
CN201110296820.6A 2010-10-08 2011-09-30 带导电层的复合端电池热障 Expired - Fee Related CN102447120B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US12/900709 2010-10-08
US12/900,709 US9029033B2 (en) 2010-10-08 2010-10-08 Composite end cell thermal barrier with an electrically conducting layer

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN102447120A true CN102447120A (zh) 2012-05-09
CN102447120B CN102447120B (zh) 2015-12-09

Family

ID=45872582

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201110296820.6A Expired - Fee Related CN102447120B (zh) 2010-10-08 2011-09-30 带导电层的复合端电池热障

Country Status (3)

Country Link
US (2) US9029033B2 (zh)
CN (1) CN102447120B (zh)
DE (1) DE102011114895A1 (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112219300A (zh) * 2018-04-18 2021-01-12 智能能源有限公司 用于燃料电池堆组件的热管理端板
US12003004B2 (en) 2018-04-18 2024-06-04 Intelligent Energy Limited Thermal managing end plate for fuel cell stack assembly

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6606351B2 (ja) * 2015-05-25 2019-11-13 本田技研工業株式会社 燃料電池スタックの製造方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050277009A1 (en) * 2004-06-15 2005-12-15 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Fuel cell separator and a method for manufacturing the same
US20060240300A1 (en) * 2005-04-22 2006-10-26 Thompson Eric L Combustion-thawed fuel cell
CN101075689A (zh) * 2006-05-15 2007-11-21 通用汽车环球科技运作公司 用于复合燃料电池堆的不可透过的低接触电阻垫片
TW200810223A (en) * 2006-05-30 2008-02-16 Toshiba Kk Fuel cell

Family Cites Families (30)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR876M (zh) * 1960-10-12 1961-10-16
US3948346A (en) * 1974-04-02 1976-04-06 Mcdonnell Douglas Corporation Multi-layered acoustic liner
JPS61230273A (ja) * 1985-04-03 1986-10-14 Sanyo Electric Co Ltd 燃料電池のスタツク端板
JPH01294365A (ja) * 1988-02-04 1989-11-28 Fuji Electric Co Ltd 燃料電池の冷却板構造
JP2715884B2 (ja) * 1993-12-10 1998-02-18 日東紡績株式会社 透光性吸音体
US7098163B2 (en) * 1998-08-27 2006-08-29 Cabot Corporation Method of producing membrane electrode assemblies for use in proton exchange membrane and direct methanol fuel cells
JP4303899B2 (ja) * 2001-07-30 2009-07-29 本田技研工業株式会社 燃料電池スタックおよびその運転方法
JP4629952B2 (ja) * 2002-02-13 2011-02-09 パナソニック株式会社 二次電池の製造方法
US7160640B2 (en) * 2003-01-15 2007-01-09 Ballard Power Systems Inc. Fuel cell stack with passive end cell heater
US20040247967A1 (en) * 2003-06-06 2004-12-09 Gennady Resnick Maintaining PEM fuel cell performance with sub-freezing boot strap starts
US20050058865A1 (en) * 2003-09-12 2005-03-17 Thompson Eric L. Self -thawing fuel cell
US20050084732A1 (en) * 2003-10-16 2005-04-21 Breault Richard D. Fuel cell stack having an improved current collector and insulator
US7235318B2 (en) 2004-02-24 2007-06-26 General Motors Corporation Fuel cell system back-pressure control with a discrete valve
CA2597461A1 (en) * 2005-03-11 2006-09-21 Ballard Power Systems Inc. Shutdown methods and designs for fuel cell stacks
ES2495091T3 (es) * 2005-04-22 2014-09-16 Dai Nippon Printing Co., Ltd. Lámina receptora de imagen por transferencia térmica, y un método para la fabricación de la misma
JPWO2007086432A1 (ja) * 2006-01-30 2009-06-18 株式会社東芝 燃料電池
US7947404B2 (en) * 2006-04-04 2011-05-24 GM Global Technology Operations LLC Thermally enhanced insulator plates and fuel cell stack incorporating the same
BRPI0710925A2 (pt) * 2006-04-27 2011-05-31 3M Innovative Properties Co pelìculas estruturadas que têm propriedades de absorção acústica
GB0608974D0 (en) * 2006-05-06 2006-06-14 Gunton Bruce S Drive arrangement
US7687132B1 (en) * 2008-03-05 2010-03-30 Hrl Laboratories, Llc Ceramic microtruss
US8287895B1 (en) * 2008-04-24 2012-10-16 Hrl Laboratories, Llc Three-dimensional biological scaffold compromising polymer waveguides
WO2008067366A2 (en) * 2006-11-28 2008-06-05 Usa As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Composite panel with reinforced recesses
BRPI0912585B1 (pt) * 2008-05-05 2019-03-26 3M Innovative Properties Company. Compósito acústico e método para fornecer absorção acústica e perda de transmissão
KR100980927B1 (ko) * 2008-05-13 2010-09-07 현대자동차주식회사 연료전지 스택용 엔드플레이트 및 그 제조 방법
KR101709353B1 (ko) * 2008-05-22 2017-02-22 쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 컴파니 메시 층을 포함하는 다층 흡음 구조물
US8906597B2 (en) 2008-12-19 2014-12-09 GM Global Technology Operations LLC Layered radiation-sensitive materials with varying sensitivity
JP2010257957A (ja) * 2009-04-01 2010-11-11 Seiko Epson Corp 有機エレクトロルミネッセンス装置
US8155496B1 (en) * 2009-06-01 2012-04-10 Hrl Laboratories, Llc Composite truss armor
US8206871B2 (en) * 2009-07-10 2012-06-26 GM Global Technology Operations LLC Insulating layer for a fuel cell assembly
US8530106B2 (en) * 2010-05-21 2013-09-10 GM Global Technology Operations LLC End cell thermal barrier having variable properties

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050277009A1 (en) * 2004-06-15 2005-12-15 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Fuel cell separator and a method for manufacturing the same
US20060240300A1 (en) * 2005-04-22 2006-10-26 Thompson Eric L Combustion-thawed fuel cell
CN101075689A (zh) * 2006-05-15 2007-11-21 通用汽车环球科技运作公司 用于复合燃料电池堆的不可透过的低接触电阻垫片
TW200810223A (en) * 2006-05-30 2008-02-16 Toshiba Kk Fuel cell

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112219300A (zh) * 2018-04-18 2021-01-12 智能能源有限公司 用于燃料电池堆组件的热管理端板
US12003004B2 (en) 2018-04-18 2024-06-04 Intelligent Energy Limited Thermal managing end plate for fuel cell stack assembly

Also Published As

Publication number Publication date
US9029033B2 (en) 2015-05-12
US20120088174A1 (en) 2012-04-12
CN102447120B (zh) 2015-12-09
US20160322658A1 (en) 2016-11-03
DE102011114895A1 (de) 2012-04-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11784326B2 (en) Fuel cell, bipolar plate and bipolar plate assembly for fuel cell
USRE41577E1 (en) High power density fuel cell stack using micro structured components
US8367270B2 (en) Flow field plate arrangement for a fuel cell
US7951506B2 (en) Bipolar plate and direct liquid feed fuel cell stack
CN104157895B (zh) 聚合物电解质膜燃料电池轻型电堆及其制造方法
JPH11354142A (ja) 固体高分子電解質型燃料電池
US10756357B2 (en) Bipolar plate with coolant flow channel
US20080318114A1 (en) Separator for fuel cell and its manufacturing method and fuel cell stack using the separator
US8206871B2 (en) Insulating layer for a fuel cell assembly
US6864010B1 (en) Apparatus of high power density fuel cell layer with micro for connecting to an external load
US20090068519A1 (en) Fuel cell and method of manufacturing the same
US7150933B1 (en) Method of manufacturing high power density fuel cell layers with micro structured components
JP4259041B2 (ja) 燃料電池
CN102447120B (zh) 带导电层的复合端电池热障
KR101534940B1 (ko) 연료전지용 분리판 및 이를 이용한 연료전지
JP4040863B2 (ja) 燃料電池スタック
CA2781095A1 (en) Fuel cell capable of miniaturization
CN112928293B (zh) 电池单元和电堆
US8530106B2 (en) End cell thermal barrier having variable properties
JP2008277178A (ja) 燃料電池用セル
US6989215B1 (en) Apparatus of high power density fuel cell layer with micro structured components
JP5136051B2 (ja) 燃料電池
JP2002198072A (ja) 固体高分子型燃料電池
CN112236889A (zh) 具有波形通道的双极板
US20220109164A1 (en) Fuel Cell

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20151209

CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee