CN113054214A - 带有非导电塑料框架双极板的多孔板燃料电池电堆 - Google Patents

Abstract

多孔板氢‑空燃料电池在交通领域的应用展现了最佳的耐久性。高耐久性主要是由于多孔双极板的使用，它既可以使液体水加湿质子交换膜，同时保持独立水管理性能的稳定。然而，多孔板的高初始材料和加工成本限制了它们的应用。本发明公开了一种新型多孔板燃料电池堆设计，该设计使用了一种用于双极板的非导电塑料框架设计。所述设计将多孔板材料控制在仅有活性区域大小，并将设计的复杂性从多孔板材料转移到塑料框架上。

Description

带有非导电塑料框架双极板的多孔板燃料电池电堆

技术领域

此技术属于交通用燃料电池领域，具体领域针对使用多孔双极板并具有特殊设计的燃料电池电堆。

背景技术

燃料电池在固定和交通能源应用领域一直持续的增长、发展和应用。对于交通能源领域，燃料电池和纯电动汽车(BEV)具有互补的特性。虽然燃料电池汽车不能达到纯电动汽车的高效率，但是由于燃料电池汽车使用了压缩氢气，使其具有更高的能量密度和操作灵活性，而这在重型车辆应用中是非常重要的特性。

重型车辆的应用包括市政运输服务中的公共汽车、仓库中的叉车等物料搬运应用，以及用于长途运输货物的卡车。这些应用领域中，每个车辆正常每日运行时间百分比非常高，因为它们都需要提供连续或近连续的运营服务。如果此类车辆像纯电动车辆一样花费大量时间充电，就会减少每日正常运行时间的百分比，而从而导致需要更多的车辆完成运营任务。与此相比，氢-空燃料电池每次充电的续航里程要长很多，同时每次充电时间要短很多。因此，完成相同运营所需的固定资产(车辆)就会更少，并且大大减少非运营时间的等待。这样，即使燃料电池的初始每千瓦成本略高，也能保证燃料电池在重型车辆应用中的经济性。

氢-空燃料电池的另一个优点是其卓越的耐久性。相比之下，即使燃料电池车辆初始的每千瓦成本更高，但是在全生命周期中，其具有比纯电动汽车更低的生命周期成本。由美国加州AC-Transit公司运营的燃料电池汽车，已经路测连续运行超过25000小时。期间只进行了如滤芯、保险丝等的常规维护。柴油发动机超常规运行时间定义为20000小时，纯电动汽车的电池寿命终止时间通常在15000小时，相比之下此燃料电池汽车已证实具有明显优势。虽然纯电动车辆已经在重型车辆应用中得到了推广，但长运行时间意味着纯电动汽车必须最大化其每次充电可行驶的里程。这就需要在成本和耐用性之间进行关键性权衡，通常增加纯电动车辆的放电程度会降低电池的使用寿命。因此，即使纯电动车辆具有较高的效率，降低了初始的每千瓦成本和初始运营成本，在重型车辆应用中，牺牲运行时间和频繁更换车辆将增加纯电动车辆的生命周期成本。

氢的成本经常被认为是燃料电池在运输应用中实现成本效益的障碍。这个论点正变得越来越不准确，因为一方面太阳能电池板的成本一直在下降，另一方面人们使用电解来平滑可再生的风电输出。对于风电来说，许多风能机组无法在需要时有效地向电网输送可用电力，而且由于风力发电和使用配置的不可预测性，用电池来平滑风电输出也被证明是不经济的。随着高度耐用的电解槽和基本上免费的风能发电的发展，低成本的氢发电在未来几年可能会越来越普遍。

回到燃料电池耐久性的问题，如果燃料电池的低生命周期成本可以通过极高的耐久性实现，重型车辆应用将普遍采用燃料电池。AC Transit的案例重点介绍了利用UTCPower公司开发的多孔板电堆技术的应用。因此，本发明的重点是针对重型车辆应用而设计的一种高成本效益及可制造性的多孔板氢-空燃料电池电堆。

总结

本发明的一般实施例涉及塑料相框多孔双极板设计的使用。在优选实施案例中，每个单电池都具有独立框架。在一些实施例中，框架将多孔输水板作为连续的、单独的封闭起来。在其他实施例中，将框架的两个部分组合在一起形成连续框架。在所有实施例中，多孔输水板组件和/或电极组件使用某种形式的聚合物粘合剂粘附在框架的组件上。此外，在所有实施例中，每个电池的单个塑料框架以对齐的方式堆叠，这些框架包围了输水板组件并支撑电极组件。通过不同组合的载荷压力将密封圈压在塑料框架构件和/或粘合剂上，从而使电堆成为一个连续的结构，单电池被串联起来从而达到更高的可用电压。无论哪种方式，单个电池通过框架装载到固定的位置，此设计将使无论是单电池内部还是单电池之间的压缩量都保证在多孔板燃料电池电堆运行的理想条件下。

发明内容

本发明的概念参考图1，其描述了用于多孔板燃料电堆设计的400cm2联合电池组件(UCA) 实例的立体结构图。如图1所示，展示了两个膜电极组件，一个结合图中上层输水板，另一个紧邻图中下层输水板。每个膜电极含两个气体扩散层(GDL)，并具有框架式密封圈的联合组件，下文统一称为联合电极组件(UEA)。空气从上层UEA的下平面进入，并穿过冷却液/空气- 输水板(WTP)的顶部，构成电池的阴极。上述WTP的下平面包含冷却剂流动的通道。其中，冷却剂通常是去离子水，但也可能在其中加入添加剂。所述上下两层WTP相连，下层WTP的上表面作为冷却通道的下表面，同时，燃料供给通道在下层WTP的下表面。燃料通道将燃料(通常是氢或重整产物)输送到下层UEA的上平面，构成电池的阳极。应该注意的是，这只是UCA 的许多可能实施形式之一，它们可能在各个层的配置和功能上有所不同。然而，图1中所示的UCA设计适用于外部歧管设计，以输送燃料、空气和冷却剂到UCA。

外部歧管设计的意思是输送到各个UCA流道的流体是由外部结构或连接到UCA侧面的结构实现的。这可以是单个UCA，也可以是串联的UCA形成的高电压电堆。图2和图3分别描述了使用外部歧管结构的电堆内各个流体平面的流动形式，以及外部歧管与电堆之间流体互通的模式。如图2所示，描述了图1中UCA各流体平面具有代表性的流动模式。其中包括双向平行通道的阳极流道，单向交叉指形式的阴极通道，以及相邻的蛇形结构的冷却剂通道。

如图3所示，将图2中的各个流体平面是叠加，以展示流体与外部歧管的相互关系。燃料歧管连接到电堆的两个相对的侧面，以适配双向流道模式。空气冷却剂流道是单向流道，连接到与前述平面正交、对立的两侧。由此，根据WTP中流体通道的配置以及流道与电堆的相互作用，可以实现不同的流动模式。图1-3实例代表了不局限于现有通道设计，对于每一种流体都可以组合许多可能的流道形式。

然而，决定使用外部歧管的方案提供流体输送需要有一些基本前提。通过让燃料通过单侧进出的方式，让以下两种主要的失效模式得到了缓解。第一种是燃料与空气的混合，这可能导致在UEA催化剂表面上可燃气体混合。第二种是燃料与冷却剂的混合，这可能导致局部或总体缺氢的情况，而导致电堆材料的快速破坏。因此，将空气和冷却剂在电堆的不同侧面结合起来，会使潜在的流体混合仅出现在空气和冷却剂之间。这样的重叠会导致空气供给不足，虽然会暂时影响燃料电池的性能，但一般不会造成永久性的损坏。

虽然外部歧管已成功在多孔板燃料电池中得到应用，但其仍有几个关键的不足。第一个是需要将外部歧管独立装配在电堆的侧面并且需要另外密封。在实际应用中，通常电堆包含许多单电池，外部歧管设计必须精确的与重复组件的压缩尺寸匹配(如图1所示)。此外，上述重复组件的设计必须在侧面也能够承受装配的水平应力。而且，将外部流道固定到电堆侧面的密封方法通常包含几个步骤，包括组合使用一次性密封件和弹性密封件。这些密封材料都可能对多孔WTP产生负面的作用，从而影响流体在其中的理想状态。

外部歧管的独立装配和密封，不利于多孔板电堆装配的时效性。由于外部歧管不易移除，电堆在初始组装和装配期间评估是否存在缺陷电池时，通常使用临时的歧管。在上述评估过程中多孔板必须吸水，因此在后续装配最终外部歧管时将使用湿电堆上进行。这种组装操作既不方便又耗时，并可能导致密封组件施加不足。

最后，由于需要拆卸密封组件，当安装最终外部歧管后再去评估单电池时，电堆的任何后续操作都要更加困难。由于水运输板附近的密封组件是一次性的固化密封材料，如果后续需要将电堆打开再重新密封，移除这种密封材料既费时又有潜在风险。所以，在移除初始密封材料时必须非常仔细，否则第二次密封装载可能不成功。

然而，尽管有这些缺点，外部歧管也为多孔板燃料电池的设计展现了一些明显的优势。首先，其可以尽量减少昂贵的WTP材料费用。通过利用外部结构进行流体输送，WTP材料的大小可以控制在反应活性区域。其次，任何复杂的流体输送方案都可以在外部歧管内单独设计和处理。第三，流道可以用便宜但具有更好机械性能的材料制造。因此，在本发明在单电池周围进行塑料歧管的设计。当组装成电堆后，其保持了外部歧管的优点，同时很大程度上避免了其原有缺点。

图4是该发明的非比例简化图，以展示塑料框架支撑的UCA的横截面。如图所示，WTP 嵌入在塑料框架结构中，其中水和冷却液方向在图中从右到左，燃料方向与显示平面垂直。 WTP在嵌入到框架之前预先粘合在一起，此步骤只是辅助组装，不一定要做到隔离各路流体。如图所示，燃料侧WTP的面积可以做得更小并可作为一个支架，把塑料框架粘在上面。框架周围有连续的黏合密封圈以隔绝燃料与其他流体。在UEA与塑料框架之间也有连续的黏合密封圈，并且保证UEA和底层WTP之间的压缩量。

如图3所示，冷却剂和空气流道在UCA的同一侧。但和外部歧管不同的是，空气和冷却通道入口之间不需要特别设计密封。只需将WTP与塑料框架结构贴合装配，并保证流道位置一致，就可以达到密封效果。这种适贴方式既可以通过挑选塑料材质，以达到WTP通过摩擦力安装到框架上，也可以通过将框架分两个部分黏合在WTP上实现。当电堆在运行过程中升温时，石墨板发生膨胀，即可达到有效贴合，从而省去了相关密封设计。

虽然途中没有绘出，但所述塑料框架可以密封各类复杂流道，从而实现反应物均匀分配。由于塑料比WTP材料便宜许多，加工流道特征、机械装配，以及整体结构设计都可以通过低成本实现。同时，电堆的所有应力可以通过所述塑料框架在单电池间的密封件承担。密封件设计不局限于图4所示的带有凸台的弹性密封，所述密封件也可以采用粘性密封。通过这种设计，可以将WTP的材料成本降至最低，只将WTP用于电池性能设计，而用不用考虑结构设计。而且，与外部歧管设计不同，电堆组装过程仅需要在与极板平面垂直方向施加应力。所有的密封件和沟槽都可以设计在塑料框架上，从而使电池间的流体的密封和结构上的应力都集中在电池的塑料框架上。

本发明仅对所述优选的、示意性的实施例进行了描述，但其并不局限于此实例的限制，而是忠于权利要求的内容。人们可以在不偏离本发明的范围和精神的情况下，针对此实例进行变化和修改。

附图说明

图1是用于多孔板燃料电堆设计的400cm2联合电池组件实例的立体结构图。为了简单起见，没有显示密封

图2是对图1实例中单电池的每个流体平面中具有代表性的流体几何平面图

图3是使用外部歧管来输送反应物和冷却剂的多孔板燃料电堆实例的二维截面图

图4是利用塑料框架来进行电堆密封和流体输送功能的发明实例截面图

其中：

1-联合电极组件

2-冷却液/空气-输水板

3-燃料-输水板

4-空气/冷却剂流道

5-燃料进/出流道

6-燃料转向流道

7-粘性密封

8-电池间密封

9-塑料框架

10-空气通道

11-燃料通道

12-水通道

13-导水管。

Claims (11)

1.一种多孔板燃料电池电堆，其双极板孔隙率在1-30％之间；并且

所述多孔板中很大一部分孔隙在燃料电池运行过程中充满冷却液；并且

冷却液、阳极反应气体(燃料)，以及阴极反应气体(氧化剂)都通过歧管输送至不同单电池指定的流道中；同时

所述歧管是通过包围着双极板的单个塑料边框连续叠加而形成的。

2.根据权利要求1所述，其冷却液至少有一部分是由去离子水构成。

3.根据权利要求2所述，所述冷却液为去离子水和乙二醇的混合液。

4.根据权利要求1所述，所述燃料中的干燥组分部分至少含有75％以上的氢气。

5.根据权利要求4所述，燃料中干燥组分部分为成分大于99％的氢气。

6.根据权利要求1所述，所述氧化剂的干燥组分部分至少含有20％以上氧气。

7.根据权利要求1所述，所述燃料电池电堆在有效发电过程中，电堆中所有位置燃料压力大于空气压力，空气压力大于冷却液压力。

8.根据权利要求1所述，所述塑料框架也包围着整个联合电池组件(UCA)，其中UCA包括联合电极组件(UEA)和双极板。

9.根据权利要求8，所述每个包围UCA的塑料框架中需要输送的流体可通过弹性密封封闭起来。

10.根据权利要求8，所述每个包围UCA的塑料框架中需要输送的流体可通过粘性密封封闭起来。

11.根据权利要求8，所述每个包围UCA的塑料框架中需要输送的流体可通过在装堆过程中使用连续超声焊接进行密封。

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