CN1890830A - 用于燃料电池组件的配准排列 - Google Patents

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Abstract

一种用于燃料电池堆组件的配准排列，引入配准柱(212)和配准孔或凹陷(210)。堆的燃料电池组件包括第一(202)和第二(206)流场盘，以及具有有源区的隔膜电极组件(MEA)(204)。配准孔在MEA、第一流场盘和第二流场盘的每一个中限定。当第一和第二流场盘以及MEA轴向对准时，各个配准孔位于MEA的非有源区内。配准柱配置为容纳在配准孔中。每一个配准柱具有与配准孔的内表面形状不同的外表面。配准孔的内表面在多个离散的压配合位置处接触配准柱的外表面。

Description

用于燃料电池组件的配准排列
技术领域
本发明通常涉及燃料电池，更具体，涉及用于对准燃料电池堆中的燃料电池配件和组件的配准排列。
背景技术
典型的燃料电池系统包括电源部分，其中一个或多个燃料电池生成电能。燃料电池是能量转换设备，其将氢和氧转换为水，在该工序中产生电和热。每个燃料电池单元包括在中心的质子交换部件，在质子交换部件的任意侧上具有气体扩散层。阳极和阴极层分别位于气体扩散层的外侧。
单个燃料电池中的反应典型地产生小于1伏特。可以堆叠并电串连多个燃料电池，以获得期望的电压。从燃料电池堆收集电流并用于驱动负载。燃料电池可用于向从汽车到膝上电脑的多种应用提供能量。
燃料电池能量系统的效率主要地部分取决于各个燃料电池中和堆的相邻燃料电池之间的各种接触和密封接口的完整性。这种接触和密封接口包括与在堆的燃料电池内以及之间的燃料、冷冻剂和污水的运输相关的那些。在燃料电池堆中的燃料电池配件和组件的正确的位置对准对于确保燃料电池系统的有效操作是至关重要的。
发明内容
本发明涉及用于燃料电池堆组件的配准(registration)排列(arrange)。根据一个实施例，燃料电池堆组件包括多个燃料电池组件，每个包括第一流场盘(plate)、第二流场盘、和在第一和第二流场盘之间设置的并具有有源区的隔膜电极组件(MEA)。在MEA、第一流场盘和第二流场盘的每一个中限定配准孔。当第一和第二流场盘以及MEA在堆组件内轴向对准时，各个配准孔位于MEA的非有源区内。配准柱配置为容纳在配准孔中。每一个配准柱具有与配准孔的内表面形状不同的外表面。配准孔的内表面在多个离散的压配合(press-fit)位置处接触配准柱的外表面。
根据另一实施例，燃料电池堆组件包括多个燃料电池组件，每个包括第一和第二流场盘以及在第一和第二流场盘之间设置的并具有有源区的MEA。在MEA、第一流场盘和第二流场盘的每一个中限定配准孔。当第一和第二流场盘以及MEA在堆组件内轴向对准时，各个配准孔位于MEA的非有源区内。配准柱配置为容纳在配准孔中。每一个配准柱的长度大于单个燃料电池组件的高度，但是小于限定燃料电池堆组件的多个燃料电池组件的总高度。
根据本发明的还一实施例，燃料电池堆组件包括多个燃料电池组件，每个包括第一和第二流场盘以及在第一和第二流场盘之间设置的并具有有源区的MEA。在MEA、第一流场盘和第二流场盘的每一个中限定配准孔。当第一和第二流场盘以及MEA在堆组件内轴向对准时，各个配准孔位于MEA的非有源区内。配准柱配置为容纳在配准孔中。第一流场盘的至少某些配准孔配置为容纳两个配准柱，以及第二流场盘的至少某些配准孔配置为容纳一个配准柱。
根据本发明的另一实施例，用于合并到燃料电池堆组件中的燃料电池子组件包括流场盘和MEA，该MEA位于相邻于流场盘并具有有源区。在流场盘和MEA的每一个中限定配准孔。当流场盘以及MEA在堆组件内轴向对准时，各个配准孔位于MEA的非有源区内。配准柱配置为容纳在配准孔中。每一个配准柱具有与配准孔的内表面形状不同的外表面。配准孔的内表面在多个离散的压配合位置处接触配准柱的外表面。
在还一实施例中，燃料电池堆组件包括多个燃料电池组件，每个包括第一、第二流场盘以及在第一和第二流场盘之间设置的并具有有源区的MEA。在每个MEA中限定配准孔。配准凹陷被模制到第一和第二流场盘的每一个的第一表面。配准柱被模制到第一和第二流场盘的每一个的第二表面。当第一和第二流场盘以及MEA在堆组件内轴向对准时，各个配准孔、凹陷和柱位于MEA的非有源区内。分别地，第一流场盘的配准柱延伸穿过MEA的配准孔并进入第一燃料电池组件的第二流场盘的配准凹陷，并且第一燃料电池组件的第二流场盘的配准柱延伸进入第二燃料电池组件的第一流场盘的配准凹陷，该第二燃料电池组件位于邻近第一燃料电池组件。
根据本发明的另一实施例，形成燃料电池堆组件的方法包括提供第一流场盘、第二流场盘和具有有源区的MEA。在MEA、第一流场盘和第二流场盘的每一个中限定配准孔。该方法还包括对准第一和第二流场盘以及MEA，使得各个配准孔轴向对准。提供配准柱，每个具有与配准孔的内表面形状不同的外表面。将配准柱插入配准孔，使得配准孔的内表面在多个离散的压配合位置处接触配准柱的外表面。
在还一个实施例中，形成燃料电池堆组件的方法包括提供多个燃料电池组件，每个包括第一流场盘、第二流场盘和具有有源区的MEA。在MEA、第一流场盘和第二流场盘的每一个中限定配准孔。对准第一和第二流场盘以及MEA，使得各个配准孔轴向对准。提供配准柱，每个具有大于单个燃料电池组件的高度的长度。该方法还包括将配准柱插入配准孔，使得每个配准柱延伸穿过某些但不是所有的限定燃料电池堆组件的燃料电池组件。
根据还一实施例，形成燃料电池堆组件的方法包括提供多个燃料电池组件，每个包括第一流场盘、第二流场盘和具有有源区的MEA。在MEA、第一流场盘和第二流场盘的每一个中限定配准孔。对准第一和第二流场盘以及MEA，使得各个配准孔轴向对准。提供配准柱。该方法还包括将配准柱插入配准孔，使得第一流场盘的至少某些配准孔容纳两个配准柱，以及第二流场盘的至少某些配准孔容纳一个配准柱。
根据另一实施例，形成燃料电池堆组件的方法包括提供多个燃料电池组件，每个包括第一流场盘、第二流场盘和具有有源区的MEA。在每个MEA中限定配准孔，以及多个配准凹陷被模制到第一和第二流场盘的每一个的第一表面。多个配准柱被模制到第一和第二流场盘的每一个的第二表面。对准第一和第二流场盘和MEA，使得配准孔、配准柱和配准凹陷轴向对准。该方法还包括排列燃料电池堆组件的第一和第二燃料电池组件，使得分别地，第一流场盘的配准柱延伸穿过MEA的配准孔并进入第一燃料电池组件的第二流场盘的配准凹陷，并且第一燃料电池组件的第二流场盘的配准柱延伸进入第二燃料电池组件的第一流场盘的配准凹陷，该第二燃料电池组件位于邻近第一燃料电池组件。
根据还一实施例，可以在不位于MEA的非有源区内的位置上的MEA中限定配准孔。通常，配准孔和配准柱可以位于MEA上的任何位置，但是优选地位于MEA的非有源区内。尽管通常不期望，一个或多个配准孔、凹陷和/或柱可以位于MEA的有源区或者可以另外包括在MEA的有源区内的区域内。
本发明的上述总结不旨在描述本发明的每种实现的每个实施例。通过参照下面的参考附图的详细说明和权利要求，本发明的优势和成就以及更完整的理解将变得更加显而易见。
附图说明
图1a是燃料电池及其构成层的说明；
图1b说明根据本发明的实施例的具有单极结构的组合电池组件；
图1c说明根据本发明的实施例的具有单极/双极结构的组合电池组件；
图2-6说明根据本发明的结合了用于对准燃料电池配件和组件的配准柱和配准孔的配准排列的实施例；
图7-14示出根据本发明的用于对准燃料电池配件和组件的配准柱和配准孔各种说明性结构；
图15-17说明根据本发明的结合了用于对准燃料电池配件和组件的配准柱和配准孔的配准排列的实施例；
图18和19说明根据本发明的结合了用于对准燃料电池配件和组件的配准柱、配准插入物和配准孔的配准排列的实施例；
图20-22说明根据本发明的结合了用于对准燃料电池配件和组件的模制到流场盘的配准柱和配准凹陷的配准排列的实施例；以及
图23-26说明燃料电池系统，在其中可以使用采用本发明的配准排列的一个或多个燃料电池堆。
尽管对于各种改进和可替换的形式而言本发明是可以修改的，通过附图中的实例的方式示出其细节并将详细描述。然而，应理解，本发明不限制于所描述的特定实施例。相反，本发明覆盖落入由所附权利要求限定的本发明的范围内的所有改进、等效和替换。
具体实施方式
在所说明的下面的描述中，参考附图，该附图构成这里的一部分并且其中通过说明的方式示出各种实施例，以这些实施例实践本发明。应理解，可以使用实施例并且可以做出结构的改变而不背离本发明的范围。
本发明涉及燃料电池组件，其引入用于燃料电池堆内的燃料电池组件对准的配准排列。本发明的实施例涉及配准方法，其提供单个燃料电池内的配件的电池内排列，以及此外燃料电池堆的燃料电池之间的电池件对准。还可以将配准应用到具有端盘(end plate)的电池配准。引入根据本发明的配准方法有利地简化燃料电池/燃料电池堆配件排列，例如通过消除用于电池内对准和电池间对准的分开配准排列的需要。
根据一个实施例，燃料电池堆的每个燃料电池组件包括一对流场盘和在其间设置的隔膜电极组件(MEA)。在堆的每个燃料电池组件的流场盘和MEA中设置配准孔。在MEA中设置的配准孔位于MEA的非有源位置。配准柱配置为在多个离散压配合位置处接触配准孔的内表面。配准柱具有与配准孔的内表面形状不同的外表面，以获得在配准孔和柱之间的在两个或多个离散位置的压配合接触界面。将配准柱装配到单个燃料电池组件的流场盘和MEA的配准孔中提供了MEA相对于流场盘对的电池间对准。
还通过使用本发明的配准排列完成燃料电池堆中的电池到电池对准。根据一个方法，提供第一燃料电池组件的燃料电池配件的电池内对准的配准柱，还用作用于相邻设置的第二燃料电池的配准排列。在一种结构中，配准柱配置为从第一燃料电池组件突起，并啮合第二燃料电池组件的相应的配准孔。提供第二燃料电池组件的燃料电池配件的电池内对准的第二燃料电池组件的配准柱被配置为啮合第三燃料电池组件的相应的配准孔。对于限定燃料电池堆的任何数目的燃料电池组件可以采用该配准方法。
在另一结构中，配准柱可以被配置为提供用于燃料电池堆的两个、三个或更多的燃料电池组件的电池内和电池间配准。例如，可以采用配准柱的单个组来提供燃料电池堆的所有燃料电池组件的电池内和电池间对准。通过另一实例的方式，可以采用两个、三个或更多个组的配准柱来提供电池内和电池间对准，用于燃料电池组件的相应组，称为多电池组件(MCA)。第一组配准柱可配置为提供用于两个或三个电池组件(MCA)的电池内和电池间配准，以及第二组配准柱可配置为提供用于额外的两个或三个燃料电池组件(MCA)的电池内和电池间配准。在该示例性实例中的两组燃料电池或MCA可以装配为形成燃料电池堆，使得第一MCA的配准柱配准第二MCA的相应的配准孔。
根据另一结构，配准柱可配置为提供燃料电池子组件间的配准。在一个结构中，可以将第一燃料电池子组件限定为包括第一流场盘和第一MEA，具有位于第一流场盘和第一MEA的相应配准孔内的第一组配准柱(例如，两个配准柱)。将第二燃料电池子组件限定为包括第二流场盘和第二MEA，具有位于第二流场盘和第二MEA的相应配准孔内的第二组配准柱。在该说明性实例中的第二流场盘可具有双极结构，使得第二流场盘的第一表面可以位于相邻于第一燃料电池子组件的第一MEA，以及第二流场盘的第二表面可以位于相邻于第二燃料电池子组件的第二MEA。
第一组配准柱提供用于第一流场盘和第一MEA的配准，以及第二组配准柱提供用于第二流场盘和第二MEA的配准。第一组配准柱配置为啮合第二燃料电池子组件的配准孔。第二组配准柱配置为啮合第三燃料电池子组件的配准孔。应理解，可以构建任何数目的燃料电池子组件，以限定任何期望数目的燃料电池组件的燃料电池堆。应注意，限定燃料电池堆的端的流场盘典型地配置为单极流场盘。
根据另一实施例，将配准柱和配准凹陷直接模制到流场盘。第一流场盘的配准柱对准并穿过在第一燃料电池组件的第一MEA中设置的配准孔。由第二流场盘的配准凹陷容纳配准柱。第二流场盘的配准柱提供视觉上可见的定位和极性(即，阳极侧对阴极侧)标识特性，用于将第二燃料电池组件增加到燃料电池堆。第一燃料电池组件的第二流场盘的配准柱对准并穿过第二燃料电池组件的第一流场盘的配准凹陷。
第一流场盘的配准柱对准并穿过在第二燃料电池组件的第二MEA中设置的配准孔。由第二燃料电池组件的第二流场盘的配准凹陷容纳配准柱。流场盘可以配置为单极或双极盘，取决于燃料电池堆的期望结构。模制的配准柱可以具有与配准凹陷相同或不同的形状，以分别提供其间的连续或不连续的压配合接触界面。根据该实施例的模制的配准柱和凹陷提供燃料电池堆的燃料电池组件和子组件的电池中和电池间配准。
根据本发明的燃料电池配准方法提供阳极和阴极流场盘的容易的可辨别标识，其有助于燃料电池堆中的燃料电池组件的正确安装。可容易地从配准凹陷或孔的存在中辨别突起的配准柱的存在。基于所采用的特定标识传统，可以通过配准柱的存在标识每个燃料电池组件的阳极或阴极盘。可以通过孔/凹陷的存在标识阳极和阴极盘的另一个。可以通过采用根据本发明的原理的配准方法便于燃料电池配件的定位、对准和标识。
本发明的配准方法可以被引入任何类型、结构和技术的燃料电池组件和堆。在图1a中描述了典型的燃料电池。燃料电池是电化学设备，其结合氢燃料和来自空气的氧来产生电、热和水。燃料电池不使用燃烧，并因此燃料电池产生很少的有害排放，如果有的话。燃料电池将氢燃料和氧直接转换为电，并可以操作于比诸如内燃发电机更高的效率。
图1a中所示的燃料电池10包括邻近于阳极14的第一液体传送层(FTL)12。邻近阳极14的是电解质隔膜16。阴极18位于邻近于电解质隔膜16，并且第二液体传送层19位于邻近阴极18。在操作中，氢燃料被引入燃料电池10的阳极部分，穿过第一液体传送层12并在阳极14之上。在阳极14，氢燃料被分解为氢离子(H+)和电子(e-)。
电解质隔膜16仅允许氢离子或质子穿过电解质隔膜16到燃料电池10的阴极部分。电子不能穿过电解质隔膜16，而是以电流的形式流过外部电路。该电流可以驱动电负载17，例如电机，或者可以被导入能量存储设备，例如可充电电池。
氧经由第二液体传送层19流入燃料电池的阴极侧。当氧穿过阴极18时，氧、质子和电子组合产生水和热。
单个的燃料电池，例如图1a所示，可以被封装成单元(unitized)燃料电池组件，如下所述。单元燃料电池组件，在此称为单元电池组件(UCA)，可以组合多个其他UCA以形成燃料电池堆。UCA可以与堆内的多个UCA电串联，确定堆的总电压，并且每个电池的有源表面区确定总电流。由给定的燃料电池堆生成的总电功率可以由总堆电压乘以总电流来确定。
根据本发明的原理，可以采用多种不同的燃料电池技术来构建UCA。例如，可以采用本发明的UCA封装技术来构建质子交换隔膜(PEM)燃料电池组件。PEM燃料电池以相对低温(约175/80℃)操作，具有高功率密度，可以快速变化它们的输出以满足功率需求的变化，并且适于其中需要快速启动的应用，例如在汽车中。
在PEM燃料电池中使用的质子交换隔膜典型地是薄塑料片，其允许氢离子穿过。典型地在隔膜两侧涂敷为活性催化剂高度分散的金属或金属合金微粒(例如铂或铂/钌)。所使用的电解质典型地是固体全氟化的磺酸聚合物。使用固体电解质是有优势的，由于其减小腐蚀和管理的问题。
将氢供给燃料电池的阳极，其中催化剂促使氢原子释放电子并变为氢离子(质子)。电子在返回燃料电池的阴极侧之前，以可利用的电流的形式移动，在阴极侧引入氧。此时，质子扩散通过隔膜到阴极，其中氢离子重新结合并与氧反应以产生水。
隔膜电极组件(MEA)是PEM燃料电池例如氢燃料电池的中心元件。如上所述，典型的MEA包括聚合物电解液隔膜(PEM)(也称为离子导电隔膜(ICM))，其用作固体电解液。
PEM的一个面接触阳极电极层，以及相反面接触阴极电极层。每个电极层包括电化学催化剂，典型地包括铂金属。液体传送层(FTL)利于气体传送到阳极和阴极电极材料并从阳极和阴极电极材料传送，并产生电流。
在典型的PEM燃料电池中，经由氢氧化在阳极形成质子并传送到阴极以与氧反应，允许电流在连接电极的外部电路中流动。FTL还可以称为气体扩散层(GDL)或扩散体/电流收集极(DCC)。在制造期间，可以将阳极和阴极电极层施加到PEM或FTL，只要它们在完成的MEA的PEM和FTL之间设置。
在本发明的实践中可以使用任何适宜的PEM。PEM典型地具有小于50um的厚度，更典型小于40um，更典型小于30um，以及最典型约25um。PEM典型地包括聚合物电解液，其为酸性官能的含氟聚合物，例如Nafion(Asahi Glass Co.Ltd.，Tokyo，Japan)。在本发明中实用的聚合物电解质典型地优选四氟乙烯的共聚物和一个或多个氟化的酸性官能共聚单体。
典型地，聚合物电解质具有磺官能团。最典型地，聚合物电解质是Nafion。聚合物电解质典型地具有1200或以下的酸等效重量，更典型地1100，以及最典型约1000。
在本发明的实践中可以使用任何适宜的FTL。典型地，FTL包括含有碳纤维的片材料。FTL典型地是从编织(woven)和非编织的碳纤维结构中选择的碳纤维结构。在本发明的实践中有用的碳纤维结构可包括：Toray Carbon Paper，SpectraCarb Carbon Paper，AFN non-wovencarbon cloth，Zoltek Carbon Cloth等。可以用各种材料，包括碳粒子涂敷、亲水化(hydrophilizing)处理和疏水化(hydrophobizing)处理例如聚四氟乙烯(PTFE)，来涂敷或者浸渍FTL。
在本发明的实践中可以使用任何适宜的催化剂。典型地，使用碳支撑催化剂粒子。典型的碳支撑催化剂粒子是重量上50-90％的碳和10-50％的催化剂金属，催化剂金属典型地包括用于阴极的Pt以及用于阳极的重量比2∶1的Pt和RU。催化剂典型地以催化剂油墨(ink)的形式施用到PEM或FTL。催化剂油墨典型地包括聚合物电解质材料，其可以是或者不是相同的包括PEM的聚合物电解质材料。
催化剂油墨典型地包括在聚合物电解质的分散体中的催化剂粒子分散体。该油墨典型地包含5-30％的固体(即，聚合物和催化剂)以及更典型地10-20％的固体。电解质分散体典型地是含水的聚合体，其额外地包含乙醇、多元醇，例如丙三醇和乙烯乙二醇，或者其它溶剂例如N-甲基吡咯烷酮(NMP)和二甲基甲酰胺(DMF)。可以调节水、乙醇、和多元醇成分以改变该油墨的流变学特性。该油墨典型地包含0-50％的乙醇和0-20％的多元醇。此外，该油墨可包含0-2％的适宜分散剂。该油墨典型地由加热搅动然后稀释到可涂敷的浓度来制成。
可以通过任何适宜的装置将催化剂施用到PEM或FTL，包括手工和机械装置，包括手持刷、切口试片(notch bar)涂敷、液态轴承管芯(fluid bearing die)涂敷、绕线棒(wire-wound rod)涂敷、液态轴承涂敷、槽供刀具(slot-fed knife)涂敷、三辊(three-roll)涂敷或贴花转移(decal transfer)。可以在一个应用或多个应用中获得涂敷。
直接甲醇燃料电池(DMFC)与PEM电池相似，在于它们都使用聚合物隔膜作为电解质。然而，在DMFC中，阳极催化剂本身从液体甲醇燃料中提取氢，消除了对燃料重整器的需要。DMFC典型地在120-190/49-88℃之间的温度下操作。根据本发明的原理，直接甲醇燃料电池可以经受UCA封装。
现在参照图1b，说明了根据PEM燃料电池技术实现的UCA的实施例。如图1b所示，UCA20的隔膜电极组件(MEA)25包括5个配件层。PEM层12夹在一对液体传送层24和26之间，该液体传送层例如扩散电流收集极(DCC)或气体扩散层(GDL)。阳极30位于第一FTL24和隔膜22之间，以及阴极32位于隔膜22和第二FTL26之间。
在一种结构中，将PEM层22制造为包括在一个表面上的阳极催化剂涂敷30和在另一表面上的阴极催化剂涂敷32。该结构应经常称为催化剂涂敷的隔膜或CCM。根据另一种结构，将第一和第二FTL24和26制造为分别包括阳极和阴极催化剂涂敷30、32。在还一种结构中，可以将阳极催化剂涂敷30部分地设置在第一FTL24上，并部分地设置在PEM22的一个表面上，以及可以将阴极催化剂涂敷32部分地设置在第二FTL26上，并部分地设置在PEM22的另一个表面上。
典型地从碳纤维纸或非编织材料或编织布(woven cloth)制造FTL24、26。基于产品结构，FTL24、26可具有在一侧上的碳粒子涂敷。如上所述，可以将FTL24、26制造为包括或不包括催化剂涂敷。
在如图1b所示的特定实施例中，MEA25示为夹在第一边缘密封系统34和第二边缘密封系统36之间。相邻于第一和第二边缘密封系统34和36的是流场盘40和42。流场盘40和42的每一个包括气流通道场43和出入口(port)，氢和氧供给燃料穿过该出入口。在图1b所示的结构中，流场盘40和42配置为单极流场盘，其中单个MEA25夹在其之间。在该实施例和其它实施例中的流场可以是低横向通量流场，如在2001年9月17日递交的未决申请09/954,601中所公开。
边缘密封系统34、36提供UCA封装中必需的密封，以隔离各种液体(气体/液体)传送和反应区不互相污染，并隔离不适宜地存在的UCA20，以及还进一步提供流场盘40、42之间的电隔离和硬阻挡(hardstop)压缩控制。在此使用的术语“硬阻挡”通常指近乎或基本上不可压缩的材料，其在操作压力和温度下在厚度上不会显著变化。更具体，术语“硬阻挡”指隔膜电极组件(MEA)中基本上不可压缩的部件或层，其在固定厚度或应力停止MEA的压缩。在此所称的“硬阻挡”不旨在指离子导电隔膜层、催化剂层或气体扩散层。
在一种结构中，边缘密封系统34、36包括从弹性材料形成的密封垫系统。在其它结构中，如将在下所述，可以采用各种所选材料的一个、两个或多个层，以提供UCA20中的必备的密封。其它结构采用就地形成的密封系统。
图1c说明UCA50，其通过采用一个或多个双极流场盘56引入多MEA25。在图1c所示的结构中，UCA50引入两个MEA25a和25b以及单极流场盘56。MEA25a包括夹在FTL66a和64a之间的阴极62a/隔膜61a/阳极60a的分层结构。FTL66a位于相邻于流场端盘52，其配置为单极流场盘。FTL64a位于相邻于双极流场盘56的第一流场表面56a。
相似地，MEA25b包括夹在FTL66b和64b之间的阴极62b/隔膜61b/阳极60b的分层结构。FTL66a位于相邻于流场端盘54，其配置为单极流场盘。FTL66b位于相邻于双极流场盘56的第二流场表面56b。应理解，可以将N个MEA25和N-1个双极流场盘56引入单个UCA50。然而，通常相信，引入一个或两个MEA56(N＝1，双极盘＝0或N＝2，双极盘＝1)的UCA50对于更有效的热管理是优选的。
如图1b和1c所示的UCA结构表示两个特定排列，其可以实现为在本发明的上下文中使用。提供这两种排列仅用于说明的目的，而不旨在表示在本发明的范围内的所有可能的结构。而是，图1b和1c旨在说明选择性地引入根据本发明的原理封装的单元化燃料电池组件中的各种配件。
通过其它实施例的方式，可以采用各种密封技术以提供包括在单极流场盘对之间设置的单个MEA的UCA的必须的密封，并且还可以被采用以密封包括多MEA、单极流场盘对和一个或多个双极流场盘的UCA。例如，可以将具有单极或双极结构的UCA构建为引入就地形成的固体密封垫，例如扁平固体硅树脂密封垫。
在特定实施例中，UCA除了包括密封密封垫之外，可以引入硬阻挡排列。一个或多个硬阻挡可以被内嵌、在内设置到UCA、或集成到单极和/或双极流场盘。可以将其它特性引入UCA，例如在流场盘上提供的过量密封垫材料阱沟道和微复制(replicated)图形。将硬阻挡引入UCA封装有利地限制在制造(例如，压力)期间和在使用(例如，外部堆压力系统)期间施加到MEA上的压缩力总量。例如，在UCA构建期间，可以计算UCA硬阻挡的高度以提供MEA压缩的特定总量，例如30％，这种压缩被硬阻挡限制在特定的总量。将硬阻挡引入流场盘还用作用于两个流场盘的配准工具。因此，本发明的燃料电池不限制于特定的UCA结构。
在图2中，示出根据本发明的配准排列的实施例。图2中所示的配准排列采用配准柱和配准孔，其提供燃料电池内的电池间和电池内配准。图2示出第一流场盘202、第二流场盘206以及位于其间的MEA204。假设第一和第二流场盘202、206和MEA204的外围拐角是配准孔210。通常，配准孔210位于第一和第二流场盘202、204以及MEA204上，使得MEA204的有源区不被配准排列所冲击。在图2中，示出两个这种配准孔210。应理解可以提供多于两个的配准孔210，并且在沿着第一和第二流场盘202、206和MEA204的外围边缘的不同于外围拐角的位置上提供配准孔210。
图2进一步示出配准柱212，其尺寸为穿过在第一和第二流场盘202、206和MEA204上提供的配准孔210。如在下文详细讨论，配准柱212配置为在多个离散的压配合位置上啮合配准孔210。在相对于采用具有一致几何结构(即，连续圆周/外围接触界面)的针和孔的传统压配合排列的其它优势中，在两个或多个离散压配合位置上提供配准柱和孔212、210之间的接触界面提供了增加的安装简易度(例如，下柱/孔插入力)和减小的制造容差要求。
当将配准柱212插入各个配准孔210时，第一和第二流场盘202、206以及MEA204精确地对准，这对于确保燃料电池堆的燃料电池组件内和之间的正确密封是必须的。每个燃料电池组件内的燃料电池配件的正确对准对于确保燃料电池系统的有效操作是至关重要的。
图3说明燃料电池堆内的相邻定位的燃料电池组件之间的电池间对准。图3示出第一UCA201和第二UCA203经受使用本发明的配准方法的对准。将UCA201和203的每一个描述为具有在流场盘202、206对之间设置的MEA204。通过将配准柱211插入穿过在第一和第二流场盘202、206以及MEA204中提供的配准孔210，完成第一UCA201内的电池内配件对准。当正确地插入时，配准柱212从第二流场盘206的表面突起。突起的配准柱212提供容易地可察觉的特性，便于标识将增加到燃料电池堆的下一个UCA或UCA配件的盘极性(例如，阳极侧或阴极侧)和位置。
在图3所示的示例性实例中，UCA203的第一流场盘202位于UCA201之上，使得从UCA201的第二流场盘206突起的配准柱212与第二UCA203的第一流场盘的配准孔210对准。在该结构中，当UCA203与第一UCA201啮合时，配准柱212突起进入，但不是穿过第二UCA203的配准孔210。第一UCA201的配准柱212突起进入第二UCA203的配准孔201，提供了第一和第二UCA201、203之间的电池间配准和对准。
图4是图3中以虚线示出的拐角部分的分解原理图。图4示出UCA201和203在对准、邻接的取向上，具有两个配准柱212、214。第一配准柱212示为穿过UCA201的第一和第二流场盘202、206以及MEA204的配准孔210。部分第一配准柱212从UCA201的第二流场盘206突起。UCA203的第一流场盘202位于UCA201上，使得部分UCA201的第一配准柱212突起进入部分UCA203的配准孔210(示为UCA201的部分216)。
将第二配准柱214插入配准孔的UCA203的第一流场盘202的剩余部分。MEA204和第二流场盘206的配准孔210与第二配准柱214对准。当正确地安装时，MEA204接触第一流场盘202，并且第二流场盘206接触MEA204，以限定第二UCA203。部分第二配准柱214从UCA203的第二流场盘206突起。可以由另一个UCA(未示出)的第一流场盘的配准孔或者在电池堆组件的端盘(未示出)中设置的凹陷来容纳第二配准柱214的突起部分。
图5示出另一个配准排列的原理图，其中在两个或更多UCA201、203的配件中提供的轴向对准的配准孔210可以容纳单个配准柱212。在图5所说明的结构中，单个的配准柱212示为安装在两个UCA201、203的配准孔210中。部分配准柱212从UCA203突起。可以由在另一对UCA(未示出)的配件中提供的配准孔来容纳配准柱212的该突起部分。应理解，可以选择配准柱212的长度以提供任何数目的电池配件和组件之间的电池中和电池内配准。还应理解，配准柱212的长度可以相同或者相对于给定的燃料电池组件变化。
可以采用本发明的配准方法，以提供在燃料电池子组件内和之间的对准。在该方法的上下文中，燃料电池子组件表示限定UCA的组件的子集。例如，并参照图6的原理性描述，在由单个流场盘205和MEA204限定的燃料电池子组件的上下文中示出配准排列。图6示出第一UCA子组件201和第二UCA子组件203，每个包括流场盘205和MEA204。如所示，流场盘205具有双极结构，其中将上和下流场盘209、205引入单个盘结构。
将UCA子组件201的配准柱212安装在流场盘205和MEA204的配准孔210内，以提供UCA子组件201的这些元件的电池内对准。UCA子组件203位于UCA子组件201上，使得由UCA子组件210的流场盘205的部分216容纳配准柱212的突起部分。由另一UCA子组件(未示出)的流场盘205的配准孔210或者在电池堆组件的端盘(未示出)中提供的凹陷容纳第二配准柱214的突起部分。
如前所述，配准柱和相应的配准孔被配置为在多个离散的压配合位置上匹配地啮合。可以通过使用具有与配准柱不同的几何形状的配准孔获得具有离散的压配合啮合位置的接触界面。配准孔和柱之间的该非一致的几何关系在接触界面的设计中提供增强的灵活性、归功于减小的柱/孔插入力的增强的安装简易度、以及相对于传统压配合排列的较小的制造容差需求。
在通常意义上，通过使用具有与配准孔不同的形状的配准柱获得本发明的配准排列，该配准孔实现为容纳配准柱。更具体，每个配准柱具有与配准孔的内表面的性状不同的外表面。在接触表面形状中的该差异提供具有多个离散的压配合位置的接触界面。
在一种结构中，配准孔的内表面和配准柱的外表面的至少一个的形状可以例如限定凸面的弯曲形状。配准孔的内表面和配准柱的外表面的至少一个的形状还可以限定通常弯曲的形状，其包括两个或多个凹面或突起部分。在另一结构中，配准孔的内表面和配准柱的外表面的至少一个的形状可以限定圆形或椭圆形。例如，配准孔的内表面和配准柱的外表面的一个的形状可以限定圆，以及配准孔的内表面和配准柱的外表面的另一个的形状可以限定椭圆。
配准孔的内表面和配准柱的外表面的至少一个的形状可以限定多边形。例如，配准孔的内表面和配准柱的外表面的一个的形状可以限定第一多边形，以及配准孔的内表面和配准柱的外表面的另一个的形状可以限定第二多变形。通过另一实例的方式，配准孔的内表面和配准柱的外表面的一个的形状可限定多边形，而配准孔的内表面和配准柱的外表面的另一个的形状可限定圆或者椭圆。配准孔的内表面的形状还可以限定三角形，以及配准柱的外表面的形状可限定圆。其他说明性配准柱结构包括具有锥形形状或楔形形状的那些。
在一个特定结构中，配准孔的内表面的形状还可以限定圆，以及配准柱可限定中心配件，其具有从中心组件向外放射的多个突起。配准柱可包括实心的中心配件或者空心的中心配件。例如，配准柱可包括空心的外部配件和实心的中心配件，其中空心的外部配件配置为容纳实心的中心配件。
在另一方法中，配准柱包括可压缩的空心的外部配件和实心的中心配件。实心的中心配件的外径大于的空心的外部配件的内径。当实心的中心配件位于空心的外部配件内时，实心的中心配件可压缩地使空心的外部配件变形。
图7-14说明各种配准排列，其提供具有配准柱和孔之间的离散压配合啮合位置的接触界面，例如上述的那些。应理解，仅为了非限定说明的目的提供这些结构，并且预期在配准柱和孔之间提供离散压配合啮合位置的各种其他形状、尺寸和啮合结构。
图7和8说明由具有三角形状的配准孔210和具有圆形形状的配准柱212限定的配准排列。该配准排列在配准孔210和柱212之间提供三个离散的压配合位置。在图7中，配准柱212是空心的，其提供配准孔210内的配准柱212的更大压缩。使用空心的配准柱212还提供减小的制造容差要求。在一个特定结构中，实心或者坚硬的配件可以插入图7的空心配准柱212，以增强在UCA内和之间的位置对准。
图9-14示出具有变化的结构的各种配准排列。图9说明由具有圆形截面的配准孔210和具有三角形截面的配准柱212限定的配准排列。图10和11说明由具有圆形截面的配准孔210和具有星形截面的配准柱212限定的配准排列。图10中的配准柱212是实心的，而图11中的配准柱212是空心的。图12示出具有圆形截面的配准孔210和具有椭圆形截面的配准柱212。图13示出具有椭圆形截面的配准孔210和具有圆形截面的配准柱212。图14示出具有圆形截面的配准孔210和具有交叉形截面的配准柱212。
现在转向图15-17，示出了在两个UCA201、203之间限定的配准排列的实施例。在该实施例中，第一和第二UCA201、203每个引入三角形配准孔210。每个配准孔210示为包括在孔210的入口和出口部分中的引入端(lead-in)230。引入端230示为在孔210的入口和出口部分中的斜面区，在其间限定接触区232。在该结构中，引入端230是斜面引入端。将接触区232的尺寸限定为啮合配准柱212。在该结构中，配准柱212包括中心部分和棱纹部分220。棱纹(rib)220优选地适应，使得当将配准柱212插入配准孔210时它们压缩。棱纹220优选地分隔开，使得当将配准柱212安装在配准孔210内时，两个或多个棱纹220接触接触区232。
图18和19说明本发明的配准排列的另一实施例。在该排列中，设置在第一和第二流场盘202、206以及MEA204内的配准孔210尺寸限定为容纳包括空心的配准插入物240和配准柱212的多部配准柱排列。配准插入物240具有与配准孔210不同的截面形状。
根据一个安装方法，第一和第二流场盘202、206以及MEA204的配准孔210轴向对齐，以及配准插入物240前进到各个配准孔210。将配准柱212插入配准插入物240，其相对着配准孔210的内壁压缩配准插入物240。图19示出将四个配准插入物240和柱212安装在相应的配准孔210中。如所示，每个配准柱212从第二流场盘206突起，并可由相邻定位的UCA的配准插入物240所容纳。尽管仅配准柱212示为从第二流场盘206突起，除了或者除配准柱212以外，期望配置配准插入物240从第二流场盘206突起。
图20-22说明根据本发明的配准方法的另一实施例。图22是图20和21的配准排列的更具体的示意图。根据该实施例，可以将配准排列模制到流场盘。根据该实施例的模制的配准柱和凹陷提供燃料电池堆的燃料电池组件和子组件的电池内和电池间配准。使用模制的配准排列避免了在燃料电池配件安装期间，将配准柱插入相应的配准孔的二次安装工序。
如图20-22所示，将配准柱312和配准凹陷316直接模制到流场盘302、306。第一流场盘302a的配准柱312与在UCA301的MEA304a(图21和22中所示)中设置的配准孔310对准并穿过配准孔310。由UCA301的第二流场盘306b的配准凹陷316容纳第一流场盘302a的配准柱312。第二流场盘302a的配准柱312从UCA301突起，并提供视觉可察觉的定位和极性标识特性，用于将另一UCA例如UCA303增加到包括UCA301的燃料电池堆。
将UCA303的第一流场盘302b移动到接触UCA301的第二流场盘306a，使得UCA303的第二流场盘306a的配准凹陷316容纳从UCA301突起的配准柱312。第一流场盘302b的配准柱312与在UCA303的MEA304b(在图21和22中所示)中设置的配准孔310对准，并穿过该配准孔310。由UCA303的第二流场盘306a的配准凹陷316容纳第一流场盘302b的配准柱312。第二流场盘306b的配准柱312从UCA303突起并提供视觉可察觉的定位和极性标识特性，用于将另一UCA(未示出)增加到包括UCA301和303的燃料电池堆。
图23-26说明用于功率生成的各种燃料电池系统，其可引入具有在此描述的配准排列的燃料电池组件。图23中所示的燃料电池系统1000描述了许多可能的系统的一种，其中可应用由在此的实施例所说明的燃料电池组件。
燃料电池系统1000包括燃料处理器1004、功率部分1006、以及功率调节器1008。包括燃料重整器的燃料处理器1004接收例如天然气的源燃料，并处理源燃料以产生富氢燃料。将富氢燃料供给到功率部分1006。在功率部分1006中，将富氢燃料引入包括在功率部分906中的一个或多个燃料电池堆的UCA堆中。还将空气供给提供到功率部分1006，其提供氧源，用于燃料电池的一个或多个堆。
功率部分1006的一个或多个燃料电池堆产生DC功率、可用的热量和清洁的水。在再生的系统中，某些或全部副产品可用于产生蒸汽，其反过来可由燃料处理器1004使用来执行其各种处理功能。将由功率部分1006产生的DC电压传送到功率调节器1008，其将DC电压转换为AC电压用于后续的使用。应理解，AC电压转换不需要被包括在提供DC输出功率的系统中。
图24说明包括燃料供给单元1105、燃料电池功率部分1106以及功率调节器1108的燃料电池功率供给1100。燃料供给单元1105包括容纳供给到燃料电池功率部分1106的氢燃料的蓄水池。在功率部分1106内，氢燃料以及空气或氧被引入包含在功率部分1106中的一个或多个燃料电池堆的UCA中。
燃料电池功率供给系统1100的功率部分1106产生DC功率、可使用的热量和清洁的水。如果期望的话，可以将由功率部分1106产生的DC功率传送到功率调节器1108，用于转换为AC功率。在图24中说明的燃料电池功率供给系统1100可以被实现为例如固定的或便携的AC或DC功率生成器。
在图25所说明的实现中，燃料电池系统使用由燃料电池功率供给所生成的功率来向计算机提供功率。如结合图25所描述，燃料电池功率供给系统包括燃料供给单元1205和燃料电池功率部分1206。燃料供给单元1205将氢燃料提供给燃料电池功率部分1206。功率部分1206的一个或多个燃料电池堆产生功率，其可以用于操作计算机210，例如台式机或膝上计算机。
在另一实现中，如图26所示，来自燃料电池功率供给的功率用于操作汽车。在该结构中，燃料供给单元1305将氢燃料提供给燃料电池功率部分1306。功率部分1306的一个或多个燃料电池堆产生功率，其可以用于操作连接到汽车1310的驱动装置的马达1308。
本发明的不同实施例的上述说明仅仅是为了说明和描述的目的。其旨在是无遗漏的或者将本发明限制于所公开的精确形式。在上述教导的范围内可以有许多改进和变化。旨在不由详细的说明，而是由所附的权利要求来限制本发明的范围。

Claims (9)

1.一种燃料电池堆组件，包括：
多个燃料电池组件，每个燃料电池组件包括：
第一流场盘；
第二流场盘；以及
在第一和第二流场盘之间设置的并具有有源区的隔膜电极组件(MEA)；
多个配准孔，其限定在MEA、第一流场盘和第二流场盘的每一个中，当第一和第二流场盘以及MEA在堆组件内轴向对准时，各个配准孔位于MEA的非有源区内，配准孔具有内表面；以及
多个配准柱，配置为容纳在多个配准孔中，每一个配准柱具有与配准孔的内表面形状不同的外表面，配准孔的内表面在多个离散的压配合位置处接触配准柱的外表面。
2.一种燃料电池堆组件，包括：
多个燃料电池组件，每个燃料电池组件包括：
第一流场盘；
第二流场盘；以及
在第一和第二流场盘之间设置的并具有有源区的隔膜电极组件(MEA)；
多个配准孔，其限定在MEA、第一流场盘和第二流场盘的每一个中，当第一和第二流场盘以及MEA在堆组件内轴向对准时，各个配准孔位于MEA的非有源区内；以及
多个配准柱，配置为容纳在多个配准孔中，每一个配准柱的长度大于单个燃料电池组件的高度，但是小于限定燃料电池堆组件的多个燃料电池组件的总高度。
3.一种燃料电池堆组件，包括：
多个燃料电池组件，每个燃料电池组件包括：
第一流场盘；
第二流场盘；以及
在第一和第二流场盘之间设置的并具有有源区的隔膜电极组件(MEA)；
多个配准孔，其在MEA、第一流场盘和第二流场盘的每一个中限定，当第一和第二流场盘以及MEA在堆组件内轴向对准时，各个配准孔位于MEA的非有源区内；以及
多个配准柱，配置为容纳在多个配准孔中，第一流场盘的至少某些配准孔配置为容纳两个配准柱，以及第二流场盘的至少某些配准孔配置为容纳一个配准柱。
4.一种用于合并到燃料电池堆组件中的燃料电池子组件，包括：
流场盘；
位于相邻于流场盘并具有有源区的隔膜电极组件(MEA)；
多个配准孔，其限定在流场盘和MEA的每一个中，当流场盘和MEA轴向对准时，各个配准孔位于MEA的非有源区内，配准孔具有内表面；以及
多个配准柱，配置为容纳在多个配准孔中，每一个配准柱具有与配准孔的内表面形状不同的外表面，配准孔的内表面在多个离散的压配合位置处接触配准柱的外表面。
5.一种燃料电池堆组件，包括：
多个燃料电池组件，每个燃料电池组件包括：
第一流场盘；
第二流场盘；以及
在第一和第二流场盘之间设置的并具有有源区的隔膜电极组件(MEA)；
在每个MEA中限定的多个配准孔，
多个配准凹陷，被模制到第一和第二流场盘的每一个的第一表面；以及
多个配准柱，被模制到第一和第二流场盘的每一个的第二表面，当第一和第二流场盘以及MEA在堆组件内轴向对准时，各个配准孔、凹陷和柱位于MEA的非有源区内，分别地，第一流场盘的配准柱延伸穿过MEA的配准孔并进入第一燃料电池组件的第二流场盘的配准凹陷，并且第一燃料电池组件的第二流场盘的配准柱延伸进入第二燃料电池组件的第一流场盘的配准凹陷，该第二燃料电池组件位于邻近于第一燃料电池组件。
6.一种形成燃料电池堆组件的方法，包括：
提供第一流场盘、第二流场盘和具有有源区的隔膜电极组件(MEA)，在MEA、第一流场盘和第二流场盘的每一个中限定多个配准孔；
对准第一和第二流场盘以及MEA，使得各个配准孔轴向对准，配准孔具有内表面；
提供多个配准柱，每个具有与配准孔的内表面形状不同的外表面；以及
将多个配准柱插入多个配准孔，使得配准孔的内表面在多个离散的压配合位置处接触配准柱的外表面。
7.一种形成燃料电池堆组件的方法，包括：
提供多个燃料电池组件，每个包括第一流场盘、第二流场盘和具有有源区的隔膜电极组件(MEA)，在MEA、第一流场盘和第二流场盘的每一个中限定多个配准孔；
对准第一和第二流场盘以及MEA，使得各个配准孔轴向对准；
提供多个配准柱，每个具有大于单个燃料电池组件的高度的长度；以及
将多个配准柱插入多个配准孔，使得每个配准柱延伸穿过某些但不是所有的限定燃料电池堆组件的燃料电池组件。
8.一种形成燃料电池堆组件的方法，包括：
提供多个燃料电池组件，每个包括第一流场盘、第二流场盘和具有有源区的隔膜电极组件(MEA)，在MEA、第一流场盘和第二流场盘的每一个中限定多个配准孔；
对准第一和第二流场盘以及MEA，使得各个配准孔轴向对准；
提供多个配准柱；以及
将多个配准柱插入多个配准孔，使得第一流场盘的至少某些配准孔容纳两个配准柱，以及第二流场盘的至少某些配准孔容纳一个配准柱。
9.一种形成燃料电池堆组件的方法，包括：
提供多个燃料电池组件，每个包括第一流场盘、第二流场盘和具有有源区的隔膜电极组件(MEA)，在每个MEA中限定多个配准孔，多个配准凹陷被模制到第一和第二流场盘的每一个的第一表面，以及多个配准柱被模制到第一和第二流场盘的每一个的第二表面；
对准第一和第二流场盘以及MEA，使得配准孔、配准柱和配准凹陷轴向对准；
排列燃料电池堆组件的第一和第二燃料电池组件，使得分别地，第一流场盘的配准柱延伸穿过MEA的配准孔并进入第一燃料电池组件的第二流场盘的配准凹陷，并且第一燃料电池组件的第二流场盘的配准柱延伸进入第二燃料电池组件的第一流场盘的配准凹陷，该第二燃料电池组件位于邻近于第一燃料电池组件。
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