燃料電池組件的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種燃料電池技術(shù)，尤其涉及一種陰極開(kāi)放式質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)組件。
【背景技術(shù)】
[0002]陰極開(kāi)放式質(zhì)子交換膜(PEM)燃料電池具有簡(jiǎn)單的構(gòu)造和最小的電站成套以外的輔助設(shè)備。這種燃料電池在周?chē)諝庵羞\(yùn)行，因此成本較小、不太復(fù)雜，并且比需要提供氧化劑流動(dòng)通道和外部氧化劑供應(yīng)系統(tǒng)的陰極封閉式燃料電池消耗更少的寄生功率。
[0003]然而，在高功率運(yùn)行中，由于在小的、有限的空間里產(chǎn)生大量的熱，所以陰極開(kāi)放式質(zhì)子交換膜燃料電池的熱管理是一個(gè)問(wèn)題，尤其是對(duì)于緊湊的燃料電池堆。
[0004]燃料電池的穩(wěn)定運(yùn)行需要有效、均勻的冷卻。累計(jì)的熱使質(zhì)子導(dǎo)電膜干燥并且導(dǎo)致高歐姆損耗和劣化的功率輸出。不均勻的熱氣流分布不可逆地破壞膜并且損害燃料電池的耐久性。
[0005]因此，希望有一種可以被有效冷卻并且以大致均勻的熱氣流分布運(yùn)行的燃料電池組件。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]由此，第一方面，提供一種燃料電池組件，包括第一端板，第二端板，設(shè)在第一端板和第二端板之間的多個(gè)隔離板，以及形成燃料電池堆的多個(gè)燃料電池，每個(gè)燃料電池設(shè)在隔離板的相鄰隔離板之間。多個(gè)氧化劑流動(dòng)通道形成在隔離板里。氧化劑流動(dòng)通道限定出第一流動(dòng)通路。每個(gè)燃料電池具有活性區(qū)域。隔離板的一部分延伸出燃料電池的活性區(qū)域以在第一流動(dòng)通路的下游部限定出第二流動(dòng)通路。
[0007]本發(fā)明的其他方面和優(yōu)勢(shì)將在以下結(jié)合附圖以本發(fā)明的原理的實(shí)例的方式說(shuō)明的詳細(xì)描述中變得更易理解。
【附圖說(shuō)明】
[0008]本發(fā)明的實(shí)施例將參照附圖僅以實(shí)例的方式進(jìn)行描述。
[0009]圖1是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的燃料電池組件的局部剖視圖；
[0010]圖2是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的設(shè)在一對(duì)隔離板的相鄰隔離板之間的燃料電池的放大的示意性局部剖視圖；
[0011]圖3是圖2中的燃料電池和隔離板的放大的示意截面圖；
[0012]圖4是根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的燃料電池組件的前透視圖；
[0013]圖5是圖4中的燃料電池組件的局部剖后視立體圖；
[0014]圖6A是傳統(tǒng)燃料電池組件的熱像圖；
[0015]圖6B是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的燃料電池組件的熱像圖；
[0016]圖7是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的燃料電池組件的電流密度和傳統(tǒng)的燃料電池的電流密度的比較曲線(xiàn)；以及
[0017]圖8是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的燃料電池組件的功率密度和傳統(tǒng)的燃料電池的功率密度的比較曲線(xiàn)。
【具體實(shí)施方式】
[0018]以下結(jié)合附圖的詳細(xì)描述意指本發(fā)明當(dāng)前優(yōu)選的實(shí)施例的描述，并不指代本發(fā)明可以被實(shí)踐的唯一形式?？梢岳斫獾氖?，相同或等同的功能可以被包含在本發(fā)明范圍內(nèi)的不同的實(shí)施例完成。
[0019]現(xiàn)參考圖1，示出了燃料電池組件10的局部剖視圖。該燃料電池組件10包括第一端板12，第二端板14，設(shè)在第一端板12和第二端板14之間的多個(gè)隔離板16，以及形成燃料電池堆20的多個(gè)燃料電池18。每個(gè)燃料電池18具有活性區(qū)域并設(shè)在多個(gè)隔離板16的相鄰隔離板之間。多個(gè)氧化劑流動(dòng)通道22形成在隔離板16里。在本實(shí)施例中，燃料入口24形成在第一端板12里，燃料出口(未示出)形成在第二端板14里。連接燃料入口 24到燃料出口的多個(gè)燃料流動(dòng)通道26 (部分示出)形成在燃料電池堆20內(nèi)。
[0020]氧化劑流動(dòng)通道22限定出第一流動(dòng)通路。由圖1可見(jiàn)，隔離板16的第一部分28延伸出燃料電池18的活性區(qū)域以在第一流動(dòng)通路的下游部限定出第二流動(dòng)通路。在本實(shí)施例中，隔離板16的第二部分30向第一流動(dòng)通路的上游部延伸出燃料電池18的活性區(qū)域。
[0021]排出室32設(shè)在第一流動(dòng)通路和第二流動(dòng)通路的下游。排出室32限定在對(duì)接隔離板16的第一部分28的框34里。流動(dòng)引導(dǎo)裝置36被接收在框34里并被布置為抽動(dòng)流體流通過(guò)第一流動(dòng)通路和第二流動(dòng)通路。
[0022]本實(shí)施例的燃料電池組件10是陰極開(kāi)放式的設(shè)計(jì)。在第一端板12和第二端板14之間，多個(gè)單體的燃料電池18被堆在一起以形成陰極開(kāi)放式的燃料電池堆20。
[0023]隔離板16包括和單體燃料電池18接觸并和燃料電池18形成活性區(qū)域的中間部分。在本實(shí)施例中，延伸出燃料電池18的活性區(qū)域的隔離板16的第一部分28和第二部分30分別形成為多個(gè)散熱片，且因此具有特殊的散熱功能。由于散熱片28和30的相鄰兩片之間不存在活性區(qū)域，因此呈現(xiàn)開(kāi)放的空間。取決于應(yīng)用需要，散熱片28和30與燃料電池18的活性區(qū)域的長(zhǎng)度比例可以在大約1:3和大約1:15之間。在一個(gè)實(shí)施例中，散熱片28和30與燃料電池18的活性區(qū)域的長(zhǎng)度比例大約為1:6。為了便于活性區(qū)域中產(chǎn)生的熱到散熱片28和30繼而到流經(jīng)的空氣的傳導(dǎo)，隔離板16用具有良好熱傳導(dǎo)性的材料制作。制作隔離板的材料也優(yōu)選為抗腐蝕和導(dǎo)電的。在優(yōu)選的實(shí)施例中，隔離板16由石墨、含碳復(fù)合物或多個(gè)瓦楞金屬板形成。在本實(shí)施例中，散熱片28和30和隔離板16的中心部分一體形成。有利地，這允許燃料電池組件10以先前存在的燃料電池制造設(shè)備制造，減小應(yīng)對(duì)為燃料電池組件10的制造提供額外新設(shè)備的需要的實(shí)施成本。盡管以第一流動(dòng)通路的下游和上游均延伸來(lái)說(shuō)明，但是本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)該理解，本發(fā)明并不限于帶在燃料電池堆20的兩側(cè)均延伸的隔離板的燃料電池組件。在一個(gè)可選的實(shí)施例中，隔離板16可以?xún)H向第一流動(dòng)通路的下游部延伸。
[0024]現(xiàn)參照?qǐng)D2，示出了設(shè)在成對(duì)隔離板16的相鄰隔離板之間的燃料電池18之一的放大的示意局部剖視圖。由圖2可見(jiàn)，單個(gè)的燃料電池18夾在一對(duì)隔離板16之間。一個(gè)隔離板16的一部分被剖開(kāi)以展示單個(gè)電池18。帶有單個(gè)電池18的區(qū)域是在電池運(yùn)行期間發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的活性地帶。延伸出活性地帶的隔離板16的部分28形成散熱片28。在示出的實(shí)施例中，隔離板16是具有多個(gè)平行槽38的瓦楞金屬板。槽38提供燃料電池堆20的相鄰層之間的氣流通道。在本實(shí)施例中，隔離板16以開(kāi)放的、網(wǎng)格狀的超級(jí)結(jié)構(gòu)形成以便于在同時(shí)提供電池壓縮和電流收集時(shí)空氣進(jìn)入。
[0025]現(xiàn)參照?qǐng)D3，示出了圖2中的燃料電池18和隔離板16的放大的示意性截面圖。如圖3所示，燃料電池18包括設(shè)在第一氣體擴(kuò)散層(GDL)42和第二氣體擴(kuò)散層44之間的催化劑涂層膜(CCM)40。陽(yáng)極板46設(shè)在隔離板16之一和第二氣體擴(kuò)散層44之間。陽(yáng)極板46在第一側(cè)接觸隔離板16，在第二側(cè)接觸第二氣體擴(kuò)散層44。氧化劑流動(dòng)通道22鄰近第一氣體擴(kuò)散層42和陽(yáng)極板46形成在隔離板16里。在本實(shí)施例中，多個(gè)通孔48形成在隔離板16的接觸燃料電池18的陰極側(cè)的表面中。
[0026]氧化劑流動(dòng)通道22作為氣流通過(guò)燃料電池堆20的管路。氣流為燃料電池反應(yīng)提供氧化劑并且也帶走燃料電池18里產(chǎn)生的熱。
[0027]陽(yáng)極板46將燃料從氧化劑分離，提供電池壓縮并具有電流收集功能。
[0028]在隔離板16接觸第一氣體擴(kuò)散層42的部分提供通孔48幫助改善氧化劑分布。更具體的，氧化劑流動(dòng)通道22里的氧化劑穿過(guò)通孔48到第一氣體擴(kuò)散層42，這改善了出現(xiàn)在燃料電池18的陰極側(cè)的電化學(xué)反應(yīng)。
[0029]燃料通過(guò)多個(gè)燃料流動(dòng)通道被供給到第二氣體擴(kuò)散層44。燃料通過(guò)第二氣體擴(kuò)散層44的多孔介質(zhì)分布并在催化劑涂層膜40的催化劑位點(diǎn)被分裂成質(zhì)子和電子。質(zhì)子穿過(guò)膜40并和來(lái)自氧化劑流動(dòng)通道22、在第一氣體擴(kuò)散層42里擴(kuò)散的氧化劑結(jié)合以形成水。電子穿過(guò)集電器和外電路，電由此產(chǎn)生。
[0030]再參照?qǐng)D1，燃料通過(guò)燃料入口24被供給到燃料電池堆20。在一個(gè)實(shí)施例中，被供給到燃料電池堆20的燃料是氫。盡管在本實(shí)施例中以燃料入口24和燃料出口的位置被設(shè)在不同的端板上來(lái)描述，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)該理解，本發(fā)明并不限于此。在一個(gè)可選的實(shí)施例中，燃料入口 24和燃料出口可以被設(shè)在相同的端板上。
[0031]如圖1所示，排出室32形成在設(shè)在第一流動(dòng)通路的下游部的框34中。在一個(gè)實(shí)施例中，排出室32為真空室。
[0032]流動(dòng)引導(dǎo)裝置36被保持在框34中并被用來(lái)抽動(dòng)或吸取空氣通過(guò)氧化劑流動(dòng)通道22以為出現(xiàn)在燃料電池18的活性地帶的電化學(xué)反應(yīng)提供氧化劑。通過(guò)氧化劑流動(dòng)通道22的空氣的流動(dòng)也幫助移除在電化學(xué)反應(yīng)期間產(chǎn)生的熱。由于設(shè)有第二流動(dòng)通路，當(dāng)使用流動(dòng)引導(dǎo)裝置36時(shí)，空氣也在隔離板16的第一部分28被收入。更具體地，當(dāng)流動(dòng)引導(dǎo)裝置36以吸氣模式運(yùn)行時(shí)，負(fù)壓形成在排出室32內(nèi)，空氣被抽動(dòng)通過(guò)第一和第二流動(dòng)通路。通過(guò)第一流動(dòng)通路收入的空氣穿過(guò)隔離板16的第二部分30、氧化劑流動(dòng)通道22、繼而穿過(guò)隔離板16的第一部分28進(jìn)入排出室32中。通過(guò)第二流動(dòng)通路收入的空氣穿過(guò)隔離板16的第一部分28周?chē)拈_(kāi)放空間繼而進(jìn)入排出室32。通過(guò)第一流動(dòng)通路的氣流為燃料電池18提供氧化劑以及移除在活性地帶產(chǎn)生的熱。通過(guò)第二流動(dòng)通路的氣流在穿過(guò)的空氣和散熱片表面接觸時(shí)為散熱片28提供額外的冷卻。通過(guò)第一流動(dòng)通路的氣流因穿過(guò)活性地帶而變的更熱，因此和燃料電池堆20的上游部比較，該氣流獨(dú)自不能有效冷卻燃料電池堆20的下游部，所以第二氣流幫助沿活性地帶建立均勻的熱分布。在一個(gè)實(shí)施例中，流動(dòng)引導(dǎo)裝置36是軸流風(fēng)機(jī)。
[0033]有利地，從燃料電池組