CN1871730A - 用于燃料电池的电接触 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于燃料电池的片状电接触。通过优化分离器板与膜电极组件之间的接触面积和压力，本发明的片状体改进了燃料电池效率和性能。该片状体可设于将该片状体推到邻接的膜电极组件中的柔顺构件或弹簧上，由此确保分离器板与膜电极组件之间持续和稳健的电接触。

Description

用于燃料电池的电接触
技术领域
本发明涉及燃料电池。
背景技术
燃料电池是使用氢作为燃料和氧作为氧化剂以生成电而无燃烧和无有害散发的能量转换装置。燃料电池系统的电压和电流输出依赖于组中的电池数目、总的有效表面面积和效率。用于单个电池的基本过程在图1中示出。
传统的燃料电池组由堆叠在一起的许多单独的电池10构成，见图2、3和4。这样的燃料电池典型地具有一般由经机械加工的石墨构成的双极性分离器板(BSP)12、膜电极组件(MEA)14、垫16、18、燃料管(fuel manifold)24，并且可具有氧化剂和冷却剂管，见图3和4。
为了燃料电池的恰当操作，氢气必须密封于电池内并且与气态氧化剂(空气或氧气)分离。在一些燃料电池中，由于在正常工作期间生成的热而要求冷却。该热通常通过液体冷却从燃料电池组中去除，通常利用水作为冷却剂。
此外，关键的是BSP 12与MEA 14处于紧密、持续的电接触。
如图2和4中所示，燃料电池组典型地使用了“压滤机”结构，其中厚重的“端板”32、34置于每个燃料电池组10的端处，并且通过沉重的连杆或螺栓38和螺母40或者其他紧固件来保持在一起。
“压滤机”结构试图用于两个目的：(i)密封氢、氧化剂和液体冷却剂(如果使用)；以及(ii)在BSP 12与MEA 14之间维持紧密的电接触，见图2和4。通过对传统方法构建的燃料电池组的分解和分析揭示了“压滤机”配置对上述两个功能都进行得不好。这样的分析已经揭示了BSP 12与MEA 14之间不完全电接触、导致不良的电传导和较低的电池性能的证明。该分析还示出了气体和液体泄漏的证明。
为了解决维持电接触的难题，本专利的发明人已经开发了独立作用的电接触的系统，这些接触能够稳健地维持BSP与MEA之间的接触。这些接触在序列号为10/068,154的美国申请中有所描述。该专利申请的全部内容通过引用在此引入。
如下所述，本发明是允许BSP与MEA之间的更佳电接触的进一步改进。
发明内容
本发明涉及燃料电池组内的单个片状电接触或独立作用的片状电接触的阵列。本发明通过提供基本均匀内部负载分布以在MEA之上施加均匀的电接触来改进燃料电池操作。
在本发明的一个实施例中，电接触是借助于柔顺电接触来按压在相邻的燃料电池电极上的片状体，其可采用多种形式。柔顺电接触可以各种方式连接到传导的基板或BSP和该片状体，包括电、机械或冶金的连接或其组合。
片状接触可以规则图案排列，在接触表面之间提供基本均匀的距离，或者它们可以不规则图案排列，在接触表面之间提供不均匀的距离。接触可由许多传导物质构成，包括但不限于铁、铜、金、银、铂、铝、镍、铬及其组合的合金。
附图说明
图1是基本的常规燃料电池过程的示意图。
图2是常规的PEM燃料电池组的透视图。
图3是单个常规PEM燃料电池的分解透视图。
图4是常规PEM燃料电池组的分解透视图。
图5a是根据本发明的一个实施例的单个组合式双极性分离器板的透视图，其示出了片状电极接触。
图5b是图5a中示出的单个组合式双极性分离器板的背面透视图。
图6是图5a中所示的单个组合式双极性分离器板的放大透视图。
图7是根据本发明的一个实施例的组合式双极性分离器板组的顶视图，其示出了与相邻电池的MEA相接触的每个电池的片状体。
具体实施方式
本发明是用于在燃料电池中使用的片状电接触。片状电接触的目的是优化BSP或其他电接触与MEA之间的接触面积。通过优化该接触面积，改进了燃料电池整体的性能和效率。
本发明的片状接触可与许多不同种类的燃料电池一起使用。例如，本发明能够与质子交换膜燃料电池(PEMFC)、碱燃料电池(AFC)或磷酸燃料电池(PAFC)一起使用。为了本专利的目的起见，“片状体(lamina)”是指用于改进燃料电池组的电池之间电接触的任何薄板、片或层。
本专利描述了本发明的一个特定实施例，该实施例使用了与序列号为09/834,389的美国专利申请中描述的燃料电池相似的集成和模块化的燃料电池。该专利申请的全部内容通过引用在此引入。
在这里所述的燃料电池模块50实施例中，使用薄金属BSP 52替代了传统的石墨BSP。见图5a、5b、6和7。尽管本发明可与传统的BSP一起使用，但是本发明将更典型地与薄金属板BSP一起使用，如本实施例中一样。
如图5a、5b、6和7中所示，该实施例的燃料电池模块50具有单个薄金属板BSP 52，在其上MEA 54和反应物管56在合并到完整的燃料电池单元(组)80之前组装到模块化的单元50上。见图5a、5b和7。在这样的组80中，如图7中所示，BSP 52可包含反应物流动图案，并且MEA 54可在需要时具有或不具有合并的扩散层以及分离的扩散层。
模块50还可具有粘性或背涂粘合剂的垫或密封58及管密封或粘合60。见图5a或5b。图中描绘的其它特征包括连杆开孔62、反应物通路64和边缘密封66。
此外，图5至7中描绘的实施例具有用于维持BSP 52与MEA 54之间电接触的柔顺构件70和片状体72。在所示的实施例中，柔顺构件70是弹簧。这些柔顺构件70的阵列附着于每个BSP 52。见图5a、6和7。
如图5a、6和7中所示，片状体72附着于柔顺构件70的阵列，远离BSP 52。柔顺构件70将片状体72按压至与邻接的MEA 54紧密接触，由此确保与相邻的BSP 52的持续的电接触，如图7中所示。由于柔顺构件70和片状体72，根据本发明制成的燃料电池组不需要传统燃料电池组中所需的沉重端板和连杆以及大量压缩力。
片状体72可具有有助于燃料电池模块中气体流动的孔74。见图5a和6。这些孔可以是各种大小和形状，范围从小开孔到许多英寸或厘米长的大开口。利用这些孔，片状体72不仅改进如上所述的电接触，而且有益地增大阴极空气在流动于表面之上时的湍流。
本发明的片状电接触方式不受应用的大小或形状限制。片状体通常介于0.005″[.0127cm]与0.100″高[.254cm]之间。有赖于这里所述的构造，电池内片状体上的力(例如接触压力)通常介于每平方英寸约10与1000磅之间。片状体可以是1/4″×1/4″[.635cm×.635cm]那样小(对于很小、轻、便携的装置，如摄像机、电影摄影机等)，到家庭、商务、大型建筑或者甚至是小型城市所需的大尺寸。
本发明的片状体72可采用如图5a、6和7中所示单个板的形式，或者该片状体可以是独立作用的片层(laminae)的阵列，每个片层附着于柔顺构件阵列的子集。
各种材料可用于这样的片状电接触。不锈钢或带有金板的不锈钢由于其对于与燃料电池工作相关联的高潮湿环境的抗潮性及其抗腐蚀性而成为明显的选择。片状体72可以是本领域的技术人员所熟悉的任何其他材料。
优选的制造方法是蚀刻或压印金属传导的片状体72。片状体72可通过本领域的技术人员所熟悉的其他方法来形成。然后片状体72可通过熔焊(weld)、铜焊(braze)或焊料焊接(solder)或者经由预先施加的焊膏来附着于柔顺构件70并使用常规电子电路板制造设备及技术来用焊料焊接，或者可仅处于机械和电接触。柔顺构件70可通过熔焊、铜焊或焊料焊接或者经由预先施加的焊膏来附着于BSP 52并使用常规电子电路板制造设备及技术来用焊料焊接，或者可仅机械和电接触。
尽管这里仅示出和描述了本发明的数个实施例，但是对于本领域的技术人员将变得明显的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，在具有片状体的柔顺电极接触中能够做出各种改型和变化，该片状体在完全起作用的燃料电池装置中提供了电极之间基本上均匀或非均匀的间隔以及电极的一致电接触。另外，这里记载的尺度、材料和过程是用于说明的目的，并非有意于排除其他尺度、材料或过程的使用。

Claims (21)

1.一种燃料电池组件，包括：
双极性分离器板，具有第一侧面和第二侧面；
膜电极组件，附着于所述第一侧面；
独立作用的柔顺构件，附着于所述第二侧面；以及
传导性片状电接触，附着于所述独立作用的柔顺构件。
2.根据权利要求1的燃料电池组件，还包括所述传导性片状电接触中的孔。
3.根据权利要求2的燃料电池组件，还包括附着于所述独立作用的柔顺构件的第二传导性片状电接触。
4.根据权利要求3的燃料电池组件，还包括附着于所述独立作用的柔顺构件之间的第三片状电接触。
5.根据权利要求2的燃料电池组件，其中所述独立作用的柔顺构件包括弹簧。
6.根据权利要求5的燃料电池组件，其中所述片状电接触形成为具有一长度的阵列，其中所述膜电极组件具有一长度，并且其中所述阵列的所述长度约等于所述膜电极组件的所述长度。
7.根据权利要求5的燃料电池组件，其中所述片状电接触形成为具有一宽度的阵列，其中所述膜电极组件具有一宽度，并且其中所述阵列的所述宽度约等于所述膜电极组件的所述宽度。
8.根据权利要求6的燃料电池组件，其中所述片状电接触形成为具有一宽度的阵列，其中所述膜电极组件具有一宽度，并且其中所述阵列的所述宽度约等于所述膜电极组件的所述宽度。
9.一种燃料电池组，包括根据权利要求1的第一组件和根据权利要求1的第二组件，其中所述第一组件的片状电接触与所述第二组件的膜电极组件电接触。
10.一种片状电接触，用于在燃料电池组中维持独立作用的柔顺构件与膜电极组件之间的电接触。
11.根据权利要求10的片状电接触，其中所述独立作用的柔顺构件是弹簧。
12.一种用于维持燃料电池组中双极性分离器板与膜电极组件之间电接触的方法，包括在所述双极性分离器板与所述膜电极组件之间设置独立作用的柔顺构件和片状电接触。
13.一种燃料电池模块，包括：
双极性分离器板，具有第一侧面和第二侧面；
膜电极组件，附着于所述第一侧面；
挠性装置，用于使电接触附着于所述第二侧面；以及
片状电接触，附着于所述挠性装置。
14.根据权利要求13的燃料电池模块，还包括附着于所述挠性装置的第二片状电接触。
15.根据权利要求14的燃料电池模块，还包括附着于所述挠性装置的第三片状电接触。
16.根据权利要求13的燃料电池模块，还包括每个所述片状电接触中的孔。
17.一种燃料电池组，包括根据权利要求13的第一模块和根据权利要求13的第二模块，其中所述第一模块的片状电接触由所述挠性装置按压到与所述第二模块的膜电极组件电接触。
18.一种燃料电池组，包括根据权利要求14的第一模块和根据权利要求14的第二模块，其中所述第一模块的片状电接触由所述挠性装置按压到与所述第二模块的膜电极组件电接触。
19.一种燃料电池组，包括根据权利要求15的第一模块和根据权利要求16的第二模块，其中所述第一模块的片状电接触由所述挠性装置按压到与所述第二模块的膜电极组件电接触。
20.一种燃料电池组，包括根据权利要求16的第一模块和根据权利要求16的第二模块，其中所述第一模块的片状电接触由所述挠性装置按压到与所述第二模块的膜电极组件电接触。
21.一种用于在燃料电池中使用的双极性分离器板，包括：
双极性分离器板；
独立作用的柔顺构件，附着于所述双极性分离器板；
分离器板；以及
片状电接触，附着于所述独立作用的柔顺构件。
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