钝性进料区中无扩散介质的冲压板燃料电池的加压冷却剂制造技术

用非粘合、非嵌套的双极板控制燃料电池堆的钝性进料区域中的接头间隙来提供反应物的流动均匀性和燃料电池中的压力以及利用活性进料区域中的嵌套双极板和钝性进料区域中的非嵌套双极板的燃料电池堆中的压力。

【技术实现步骤摘要】
钝性进料区中无扩散介质的冲压板燃料电池的加压冷却剂
本专利技术涉及质子交换薄膜(PEM)燃料电池，尤其涉及在燃料电池堆中分隔相邻燃料电池的非粘合双极板中的加压冷却剂。
技术介绍
在许多装置中，已经将燃料电池用作电源。例如，提议将燃料电池用于电动车发电厂中来替代内燃机。在质子交换薄膜(PEM)型燃料电池中，把氢气(或含氢的气体)提供给燃料电池的阳极，而把氧气作为氧化剂提供给阴极。氧气可以是纯氧的形式(O2)或者是空气(O2和N2的混合物)。PEM燃料电池包括薄膜电极组件(MEA)，它包含一面具有阳极催化剂而另一面具有阴极催化剂的、薄的、可传送质子的、无电传导的、固体聚合物电解质薄膜。典型地，根据上下文，术语“燃料电池”用于指单个的电池或者多个电池(堆)。典型地，多个单独的电池捆在一起以形成燃料电池堆并且通常设置在电位序中。堆中的每个电池包括早先所述的薄膜电极组件(MEA)，并且每个这样的MEA提供其电压增量。把堆中一组相邻的电池称为簇。举例来说，美国专利号5,763,113中示出并描述了用于堆中多级电池的一些典型设置。燃料电池堆接收阴极输入气体，典型地是由压缩机施力穿过堆的空气流。不是所有的氧气都由堆来消耗，一些空气当作可包括作为堆的副产物的水的阴极废气输出。该燃料电池堆还接收流进堆的阳极侧的阳极氢气输入气体。燃料电池堆包括堆中位于数个MEA之间的一系列流场板或双极板。双极板包括堆中用于相邻燃料电池的阳极侧和阴极侧。在双极板的阳极侧提供使阳极气体流到每个MEA的阳极侧的阳极气体流动通道。在双极板的阴极侧提供使阴极气体流到每个MEA的阴极侧的阴极气体流动通-->道。双极板由导电材料例如不锈钢制成，使得它们把燃料电池产生的电能从一个电池传导到下一个电池以及传导到堆外。之前，美国专利申请2005/0058864A1、题为“用于燃料电池的嵌套双极板及方法”、公开日为2005年3月17日的专利技术人提出，燃料电池堆的厚度和重复距离可通过在燃料电池的活性进料区域中嵌套流动通道而减小，该美国专利申请公开的内容在此全部引作参考。在这种设计中，燃料电池堆包括堆中用于相邻燃料电池的两个MEA(每个双极板有一个MEA)。每个MEA包括上面提到的类型的薄膜、阳极侧催化剂层和阴极侧催化剂层。阳极侧气体扩散介质层设置成与MEA相邻，并且阴极侧气体扩散介质层设置成与MEA相邻。双极板组件位于扩散介质层之间。双极板组件包括在嵌套结构中组装在一起的两个冲压的金属板。嵌套板限定了平行的阳极气体流动通道和平行的阴极气体流动通道，其中阳极流动通道提供了到MEA的阳极侧的氢气流，阴极流动通道提供了到MEA的阴极侧的空气流。此外，该板限定了冷却剂流动通道，通过该通道流动冷却流以冷却燃料电池堆。之前，美国专利申请序列号11/009,378、题为“用于紧凑型燃料电池的嵌套冲压(stamped)板的反应物进料”、申请日为2004年12月10日的专利技术人已经提出一种燃料电池堆中的燃料电池，该电池提供了从堆的活性进料区域中的嵌套双极板到堆的钝性进料区域中的非嵌套双极板的过渡，而没有中止由嵌套板提供的堆厚度的减小或者没有改变流动通道的尺寸，该美国专利申请公开的内容在此全部引作参考。尤其是，堆的燃料电池中的扩散介质层在双极板非嵌套的钝性进料区域中去除了，从而提供了维持流动通道的尺寸所必需的容积而无需增加相邻MEA之间的距离。此外，MEA的薄膜在钝性进料区域中没有催化。在钝性进料区域中的薄膜和板之间可以提供薄的垫片来支撑去除了扩散介质层以防止薄膜侵入流动通道和阻塞反应物流动的薄膜。然而，需要钝性进料区域中的接头间隙来保证活性进料区域中的扩散介质层和双极板的充分接触以减少接触电阻。由于部分厚度中的公差的变化，这些接头间隙导致反应物流动均匀性的变化以及在电池中和在堆中从电池到电池的压力的变化。-->因此，现有技术中所需的是在钝性进料区域中控制接头间隙的方法来提供反应物的流动均匀性以及燃料电池和利用活性进料区域中的嵌套双极板的燃料电池堆中的压力。
技术实现思路
本专利技术是一种在利用非粘合、非嵌套的双极板的钝性进料区域中控制接头间隙的方法来提供反应物流动均匀性以及燃料电池和其中活性进料区域中的双极板是嵌套的燃料电池堆中的压力。在燃料电池和燃料电池堆中，刚一组装就必需压制负荷使之基本上延伸到活性进料区域中的扩散介质层以减小扩散介质和双极板之间的接触电阻。要保证这种情况，需要钝性进料区域中的双极板和薄膜或垫片之间的接头间隙。由于部分厚度中的公差的变化，钝性进料区域中的接头间隙能够在燃料电池之间变化，从而产生反应物通道的高度的变化，由此影响了反应物流动。与活性进料区域相比，由于较大部分的反应物总压力的下降发生在钝性进料区域，所以反应物流动对接头间隙的变化更敏感。但是，对于冷却剂流动，大多数冷却剂压力的下降发生在活性进料区域，所以钝性进料区域中的冷却剂压力的变化不那么重要。根据本专利技术，为了控制利用非嵌套的双极板的钝性进料区域中的接头间隙以提供反应物流动均匀性和燃料电池以及其中活性进料区域中的双极板是嵌套的燃料电池堆中的压力，钝性进料区域的非嵌套双极板是非粘合的，在反应物的压力以上向冷却剂流体施压，并且冲压双极板从而使钝性进料区域中非粘合的双极板的双极板高度保证了燃料电池堆中每个燃料电池的钝性进料区域中的接头间隙。在钝性进料区域中利用非粘合的双极板连同在反应物的压力以上向冷却剂流体施压，仅在钝性进料区域中的冷却剂通道中提供了接头间隙，从而消除了反应物通道的高度的变化。因此，像之前提及的，由于冷却剂压力的下降比钝性进料区域中的反应物流体压力的下降对钝性进料区域中的接头间隙的变化更不敏感，所以具有嵌套的活性进料区域的燃料电池堆中每个燃料电池的钝性进料区域的冷却剂通道中的接头间隙提供了反应物流动均匀性以及燃料电池和燃料电池堆中的压力。-->附图说明这里参照附图进行说明，其中相同的参考数字代表数个视图中的相同部件。图1是使用了嵌套的冲压双极板的燃料电池堆的活性进料区域的部分截面图，其中阳极反应物通道底部和阴极反应物区域的后侧之间以及这些嵌套的通道侧上的间隙(为了简化未示出)使得组件厚度对阳极的深度变化不敏感。图2是去除了气体扩散介质层的、使用了非嵌套的压制双极板的燃料电池堆的钝性进料区域的部分截面图。图3是去除了气体扩散介质层并增加垫片的、使用了非嵌套的压制双极板的燃料电池堆的钝性进料区域的部分截面图。图4是燃料电池堆的钝性进料区域和活性进料区域之间的过渡的部分截面图。图5是燃料电池堆中板的顶视图。图6是包括具有嵌套的冲压双极板的活性进料区域和压制的双极板是非嵌套的钝性进料区域的燃料电池的冷却剂容积的固体模型。图7是去除了气体扩散介质层并引入接头间隙的、使用了非嵌套的冲压双极板的燃料电池堆的钝性进料区域的部分截面图。图8是根据本专利技术去除气体扩散介质层并引入接头间隙的、使用了非嵌套、非粘合的压制双极板的燃料电池堆的钝性进料区域的部分截面图。图9是现在包括垫片的、如图8的使用非嵌套、非粘合的冲压双极板的燃料电池堆的钝性进料区域的部分截面图。图10是如图8的燃料电池堆的钝性进料区域的部分截面图，现在示出了以双极板的周期的、间隔的点焊为特征的可替换实施例。具体实施方式图1是根据本专利技术的燃料电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料电池堆，包括：双极板组件；包括燃料电池的堆的活性进料区域，每个燃料电池包括具有阴极侧和阳极侧的薄膜电极组件，薄膜电极组件阴极侧上的阴极侧扩散介质层，薄膜电极组件阳极侧上的阳极侧扩散介质层，以及位于相邻燃料电池中相对的扩散介质层之间的双极板组件的活性进料区域，其中双极板组件的活性进料区域包括限定阴极侧流动通道和阳极侧流动通道的嵌套的双极板；以及包括在燃料电池的堆中形成每个薄膜电极组件部分的薄膜的堆的钝性进料区域和双极板组件的钝性进料区域，其中双极板组件的钝性进料区域包括限定阴极侧流动通道和阳极侧流动通道的非嵌套的双极板；其中钝性进料区域中的阴极侧流动通道与活性进料区域中的阴极侧通道进行流体交换并且具有和活性进料区域中的阴极侧通道基本相同的尺寸；其中钝性进料区域中的阳极侧流动通道与活性进料区域中的阳极侧通道进行流体交换并且具有和活性进料区域中的阳极侧通道基本相同的尺寸；其中燃料电池在钝性进料区域中无扩散介质层；其中双极板组件的钝性进料区域的非嵌套双极板彼此互不粘合。

【技术特征摘要】
US 2005-10-7 11/2459691、一种燃料电池堆，包括：双极板组件；包括燃料电池的堆的活性进料区域，每个燃料电池包括具有阴极侧和阳极侧的薄膜电极组件，薄膜电极组件阴极侧上的阴极侧扩散介质层，薄膜电极组件阳极侧上的阳极侧扩散介质层，以及位于相邻燃料电池中相对的扩散介质层之间的双极板组件的活性进料区域，其中双极板组件的活性进料区域包括限定阴极侧流动通道和阳极侧流动通道的嵌套的双极板；以及包括在燃料电池的堆中形成每个薄膜电极组件部分的薄膜的堆的钝性进料区域和双极板组件的钝性进料区域，其中双极板组件的钝性进料区域包括限定阴极侧流动通道和阳极侧流动通道的非嵌套的双极板；其中钝性进料区域中的阴极侧流动通道与活性进料区域中的阴极侧通道进行流体交换并且具有和活性进料区域中的阴极侧通道基本相同的尺寸；其中钝性进料区域中的阳极侧流动通道与活性进料区域中的阳极侧通道进行流体交换并且具有和活性进料区域中的阳极侧通道基本相同的尺寸；其中燃料电池在钝性进料区域中无扩散介质层；其中双极板组件的钝性进料区域的非嵌套双极板彼此互不粘合。2、如权利要求1的燃料电池堆，其中接头间隙可以选择地存在于双极板组件的钝性进料区域的非嵌套双极板之间。3、如权利要求1的燃料电池堆，还包括分别设置成与钝性进料区域中的薄膜相邻的垫片来支撑薄膜。4、如权利要求1的燃料电池堆，其中钝性进料区域的双极板组件的钝性进料区域的非嵌套双极板还限定了冷却剂流动通道，其中活性进料区域的双极板组件的活性进料区域的嵌套双极板也限定了冷却剂流动通道，其中钝性进料区域中的冷却剂流动通道与活性进料区域的冷却剂流动通道进行流体交换。-->5、如权利要求4的燃料电池堆，其中钝性进料区域中的冷却剂流动通道基本上是活性进料区域中的冷却剂流动通道尺寸的两倍。6、如权利要求2的燃料电池堆，还包括设置成与钝性进料区域中的薄膜相邻的垫片来支撑薄膜。7、如权利要求6的燃料电池堆，其中钝性进料区域的双极板组件的钝性进料区域的非嵌套双极板还限定了冷却剂流动通道，其中活性进料区域的双极板组件的活性进料区域的嵌套双极板也限定了冷却剂流动通道，其中钝性进料区域中的冷却剂流动通道与活性进料区域的冷却剂流动通道进行流体交换。8、如权利要求7的燃料电池堆，其中钝性进料区域中的冷却剂流动通道基本上是活性进料区域中的冷却剂流动通道尺寸的两倍。9、一种燃料电池堆，包括：双极板组件；包括燃料电池的堆的活性进料区域，每个燃料电池包括具有阴极侧和阳极侧的薄膜电极组件，薄膜电极组件阴极侧上的阴极侧扩散介质层，薄膜电极组件阳极侧上的阳极侧扩散介质层，以及位于相邻燃料电池中相对的扩散介质层之间的双极板组件的活性进料区域，其中双极板组件的活性进料区域包括限定阴极侧流动通道和阳极侧流动通道的嵌套的双极板；包括在燃料电池的堆中形成每个薄膜电极组件部分的薄膜的堆的钝性进料区域和双极板组件的钝性进料区域，其中双极板组件的钝性进料区域包括限定阴极侧流动通道和阳极侧流动通道的非嵌套的双极板；以及在双极板组件的钝性进料区域的双极板之间的多个互相间隔的焊接点；其中钝性进料区域中...

【专利技术属性】
技术研发人员：SG格贝尔，JA罗克，D伦辛克，SJ斯潘塞，WH佩蒂特，
申请(专利权)人：通用汽车环球科技运作公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]