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放式質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)組件。
【背景技術(shù)】
[0002]陰極開放式質(zhì)子交換膜(PEM)燃料電池具有簡單的構(gòu)造和最小的電站成套以外的輔助設(shè)備。這種燃料電池在周圍空氣中運行，因此成本較小、不太復(fù)雜，并且比需要提供氧化劑流動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，所以陰極開放式質(zhì)子交換膜燃料電池的熱管理是一個問題，尤其是對于緊湊的燃料電池堆。
[0004]燃料電池的穩(wěn)定運行需要有效、均勻的冷卻。累計的熱使質(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隔離板，以及形成燃料電池堆的多個燃料電池，每個燃料電池設(shè)在隔離板的相鄰隔離板之間。多個氧化劑流動通道形成在隔離板里。氧化劑流動通道限定出第一流動通路。每個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)域以在第一流動通路的下游部限定出第二流動通路。
[0007]本發(fā)明的其他方面和優(yōu)勢將在以下結(jié)合附圖以本發(fā)明的原理的實例的方式說明的詳細(xì)描述中變得更易理解。
【附圖說明】
[0008]本發(fā)明的實施例將參照附圖僅以實例的方式進行描述。
[0009]圖1是根據(jù)本發(fā)明一個實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)明一個實施例的設(shè)在一對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)明另一個實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)明一個實施例的燃料電池組件的熱像圖；
[0016]圖7是根據(jù)本發(fā)明的一個實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；以及
[0017]圖8是根據(jù)本發(fā)明的一個實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。
【具體實施方式】
[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)選的實施例的描述，并不指代本發(fā)明可以被實踐的唯一形式?？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之間的多個隔離板16，以及形成燃料電池堆20的多個燃料電池18。每個燃料電池18具有活性區(qū)域并設(shè)在多個隔離板16的相鄰隔離板之間。多個氧化劑流動通道22形成在隔離板16里。在本實施例中，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到燃料出口的多個燃料流動通道26 (部分示出)形成在燃料電池堆20內(nèi)。
[0020]氧化劑流動通道22限定出第一流動通路。由圖1可見，隔離板16的第一部分28延伸出燃料電池18的活性區(qū)域以在第一流動通路的下游部限定出第二流動通路。在本實施例中，隔離板16的第二部分30向第一流動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)在第一流動通路和第二流動通路的下游。排出室32限定在對接隔離板16的第一部分28的框34里。流動引導(dǎo)裝置36被接收在框34里并被布置為抽動流體流通過第一流動通路和第二流動通路。
[0022]本實施例的燃料電池組件10是陰極開放式的設(shè)計。在第一端板12和第二端板14之間，多個單體的燃料電池18被堆在一起以形成陰極開放式的燃料電池堆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)域的長度比例可以在大約1:3和大約1:15之間。在一個實施例中，散熱片28和30與燃料電池18的活性區(qū)域的長度比例大約為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)選的實施例中，隔離板16由石墨、含碳復(fù)合物或多個瓦楞金屬板形成。在本實施例中，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)對為燃料電池組件10的制造提供額外新設(shè)備的需要的實施成本。盡管以第一流動通路的下游和上游均延伸來說明，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。在一個可選的實施例中，隔離板16可以僅向第一流動通路的下游部延伸。
[0024]現(xiàn)參照圖2，示出了設(shè)在成對隔離板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，單個的燃料電池18夾在一對隔離板16之間。一個隔離板16的一部分被剖開以展示單個電池18。帶有單個電池18的區(qū)域是在電池運行期間發(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。在示出的實施例中，隔離板16是具有多個平行槽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。在本實施例中，隔離板16以開放的、網(wǎng)格狀的超級結(jié)構(gòu)形成以便于在同時提供電池壓縮和電流收集時空氣進入。
[0025]現(xiàn)參照圖3，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)在第一氣體擴散層(GDL)42和第二氣體擴散層44之間的催化劑涂層膜(CCM)40。陽極板46設(shè)在隔離板16之一和第二氣體擴散層44之間。陽極板46在第一側(cè)接觸隔離板16，在第二側(cè)接觸第二氣體擴散層44。氧化劑流動通道22鄰近第一氣體擴散層42和陽極板46形成在隔離板16里。在本實施例中，多個通孔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]氧化劑流動通道22作為氣流通過燃料電池堆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，氧化劑流動通道22里的氧化劑穿過通孔48到第一氣體擴散層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]燃料通過多個燃料流動通道被供給到第二氣體擴散層44。燃料通過第二氣體擴散層44的多孔介質(zhì)分布并在催化劑涂層膜40的催化劑位點被分裂成質(zhì)子和電子。質(zhì)子穿過膜40并和來自氧化劑流動通道22、在第一氣體擴散層42里擴散的氧化劑結(jié)合以形成水。電子穿過集電器和外電路，電由此產(chǎn)生。
[0030]再參照圖1，燃料通過燃料入口24被供給到燃料電池堆20。在一個實施例中，被供給到燃料電池堆20的燃料是氫。盡管在本實施例中以燃料入口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。在一個可選的實施例中，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)在第一流動通路的下游部的框34中。在一個實施例中，排出室32為真空室。
[0032]流動引導(dǎo)裝置36被保持在框34中并被用來抽動或吸取空氣通過氧化劑流動通道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。通過氧化劑流動通道22的空氣的流動也幫助移除在電化學(xué)反應(yīng)期間產(chǎn)生的熱。由于設(shè)有第二流動通路，當(dāng)使用流動引導(dǎo)裝置36時，空氣也在隔離板16的第一部分28被收入。更具體地，當(dāng)流動引導(dǎo)裝置36以吸氣模式運行時，負(fù)壓形成在排出室32內(nèi)，空氣被抽動通過第一和第二流動通路。通過第一流動通路收入的空氣穿過隔離板16的第二部分30、氧化劑流動通道22、繼而穿過隔離板16的第一部分28進入排出室32中。通過第二流動通路收入的空氣穿過隔離板16的第一部分28周圍的開放空間繼而進入排出室32。通過第一流動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。通過第二流動通路的氣流在穿過的空氣和散熱片表面接觸時為散熱片28提供額外的冷卻。通過第一流動通路的氣流因穿過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。在一個實施例中，流動引導(dǎo)裝置36是軸流風(fēng)機。
[0033]有利地，從燃料電池組