燃料电池堆及其制法制造技术

本发明专利技术提供一种燃料电池堆，包括围绕隔板、膜电极组件以及反应物歧管周边设置的封装材料层，其中，该封装材料至少部分地限定反应物歧管。该燃料电池堆还包括自第二面贯穿板体至第一面的第一开口，以及在该第二面中自该第一开口向隔板周边延伸的开放沟道。本发明专利技术还提供另一燃料电池堆，其具有第一面，该第一面包括供反应物通过的开口、在该第一面上界定的第一反应物流场、以及形成于第一面上并大体包围该开口的第一突起表面。该第一突起表面被调整及配置为与相邻板一面的第二表面配合，从而形成封装材料的流阻塞。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及用来产生电能的燃料电池堆(fuel cell stacks)，尤其涉及一种包括 封装材料层的燃料电池堆。
技术介绍
基于膜的电化学电池，尤其是质子交换膜(proton exchangemembrane ；PEM)燃料 电池已为业界熟知。PEM燃料电池将化学能转化为电能而几乎没有任何环境排放。与普通 电池不同的是，PEM燃料电池并不储存能量，而是从供应燃料中提取能量。因此，燃料电池 不存在充/放电周期，只要持续供应燃料，燃料电池就能保持特定的功率输出。已有大量的 资金投资于燃料电池的研究和商业化，表明此技术蕴含巨大的市场潜力。不过，与传统发电 技术相比，燃料电池的高成本阻碍了其广泛的应用。相关的材料和人力成本导致燃料电池 的制造和组装成本极高。事实上，高达85%的燃料电池成本来自制造。一般来说，PEM燃料电池单元由阳极输送室和阴极输送室组成，并由离子导电薄 膜将彼此隔离。无论有无气体扩散层，通常都将该经催化的膜称作膜电极组件(membrane electrode assembly ；MEA)。当向PEM燃料电池的阳极输送室和阴极输送室分别供应反应 物、还原剂和氧化剂时，能量转换开始。氧化剂包括纯氧、含氧气体例如空气、以及卤素例如 氯气。还原剂，这里也称作燃料，包括氢、天然气、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、甲醛、甲醇、乙醇、 酒精混合物以及其他富氢有机物。还原剂在阳极被氧化生成质子，质子通过该膜迁移至阴 极。质子在阴极与氧化剂发生化学反应。整体的电化学氧化还原反应是自发的，并释放能 量。在此反应过程中，质子交换膜用于防止氧化剂与还原剂混合，并允许离子迁移。现有技术的燃料电池设计包括不止一个单元，事实上，通常连续结合多个膜电极 组件、流场和隔板，从而形成燃料电池“堆”，以提供大部分商业应用所需的更高的电压和有 效功率输出。在燃料电池中可通过流场分配反应物，流场通常与燃料电池中的多孔电极层 相互分离。根据堆的配置，可在堆设计中使用一个或多个隔板，以防止燃料、氧化剂和冷却 流在燃料电池堆里发生混合。此隔板还可为堆提供结构支持。双极板的功能等同于氧化剂流场、燃料流场和隔板三者相结合，由于使用双极板可减少燃料电池中的元件数量，因而经常用于燃料电池设计中。双极板包括沟道阵列，其形 成于与膜电极组件接触的板表面，起流场的作用。岛部(lands)传导电极电流，而岛部间 的沟道则用来分配燃料电池所使用的反应物，并促进移除例如水等反应副产品。通过沟道 的引导，将双极板一面的燃料自燃料入口分配至燃料出口，同时将双极板反面的氧化剂自 氧化剂入口分配至氧化剂出口，双极板的这两面不通过板连接。可针对燃料电池堆的运行 参数，例如温度、功率输出、气体加湿和流率等进行双极板流场沟道的设计优化。燃料电池 堆所使用的理想双极板应当轻薄耐用，具有高导电性和防腐蚀结构，例如可为碳/高分子 复合材料或石墨。燃料电池堆中的各个双极板分别通过其燃料流场面向膜电极组件分配燃 料，而其反面的氧化剂流场面则向另一膜电极组件分配氧化剂。可将由石墨或碳制成的多 孔纸、布或毛毡的薄片设在各流场和膜电极组件的催化面之间，以在膜电极组件遇到流场中用来将电流传导至相邻岛部的沟槽的地方提供支持，并辅助向膜电极组件分配反应物。通常将该薄片称作气体扩散层(gasdiffusion layer ；⑶L)，其可纳入膜电极组件中。必要时，特定的堆元件，例如膜电极组件的气体扩散层部分，可为多孔状，用于分 配进入、离开以及燃料电池堆中的反应物和副产品。由于堆中元件的多孔性，还需要提供装 置来防止堆元件之间(或堆外部)的液体或气体的渗漏，以及防止各种堆元件由于暴露于 环境中而变干。因此，通常将垫圈或其他密封件设在膜电极组件或质子交换膜的表面与其 他堆元件之间以及堆外围部分。无论是否由弹性体材料或粘性材料构成，这些密封件都可 放置、安装、形成、或直接涂在要密封的表面上。这些制程都是劳动密集型，不利于大批量生 产，增加了燃料电池的成本。此外，这些制程的易变性降低了产品良率和器件可靠性。燃料电池堆还可包括具有一个或多个冷却剂流场的加湿沟道。这些加湿沟道在尽 可能接近燃料电池的运行温度下加湿燃料和氧化剂。当进入燃料电池的气体和质子交换膜 的温度差异较大而使水蒸气自质子交换膜转移至燃料流和氧化剂流时，这些加湿沟道有利 于防止质子交换膜脱水。燃料电池堆的涉及范围取决于功率输出、冷却以及其他技术要求，但可能利用大 量膜电极组件、密封件、流场和隔板，导致组装复杂，制造难度增加，并增加了燃料电池成 本。通常将大量的独立元件组装在单个复合单元里。通过使用端板和螺栓来压缩该复合单 元，从而形成燃料电池堆，不过还可使用捆绑等其他方法，以使垫圈密封件和堆元件紧密结 合从而保持其间的电接触。传统的压缩方法增加了元件数量，增加了堆的复杂性，并产生了 额外的密封要求。现有技术做出了多种尝试来解决燃料电池堆组装设计中存在的缺陷，以降低生产 成本。但是，大多数堆组装设计仍然需要手工排列元件、主动放置密封装置和/或多步骤 制程，这些都给实施带来明显缺点，参见如Schmid的美国专利6，080, 503，Chi的美国专利 4，397，917，Epp的美国专利5，176，966等描述的制程。此外，传统燃料电池盒中，两种类型的膜电极组件占主导地位1)膜延伸至气体 扩散层的边界以外；2)垫圈材料形成膜电极组件的边，同时膜和气体扩散层具有大约相同 的尺寸和形状(参见Ballard的美国专利6，423，439)。第一种类型中，在延伸超过气体扩 散层的膜边缘和堆的其他部分(双极板)之间用独立垫圈密封。第二种类型中，膜电极组 件的垫圈直接密封堆的其他部分。上述各种方法都需要压缩以形成密封。这些基于压缩的 密封要求堆中的所有元件高度精确，以保持一致的负载。膜电极组件供应商习惯于供应上 述格式的膜电极组件。现有技术中用于燃料电池的各种堆和其他电化学应用使用具有基于压缩密封的 内部歧管设计。但是，上述结构具有一些值得注意的缺点。例如，在传统密封的歧管位于内 部的堆中，围绕膜电极组件和内部歧管的密封牺牲了大量面积。一个解决办法是把部分或 全部歧管置于堆外部。但是，这种结构的堆存在一些困难，例如对歧管和堆之间密封的困 难。与传统的堆一样，通常密封由垫圈和压缩实现。不过，基于垫圈/压缩的密封件具有大 量内在缺陷，包括对热循环的敏感性、对压缩一致性以及相关硬件的要求、高耐受部分以及 细微的组装要求。还有其他一些为改进燃料电池设计和性能而做的尝试。例如，美国专利4，212，929描述一种用于燃料电池堆的改进密封方法。该专利提出一种在歧管和堆之间夹置高分子密 封架的密封系统。所述密封架与堆一起移动，降低了压缩期间普通歧管密封件的泄漏率。美 国专利5，514，487和美国专利5，750，281描述包括大量歧管板的边缘歧管组。这些歧管板 安装在燃料电池堆的相对侧，其功能是沿堆的周边有选择地导引反应物和冷却流。尽管这 些设计对传统组件做了有限的改进，但通常不适于大批量生产。基于现有技术的缺点和其他不足，本申请提出一系列新颖的在堆或模组中密封歧 管口的方法以及密封堆或模组周边的方法，以减少劳动密集，适合大批量生产流程(见国 际申请WO 03/本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料电池堆，包括：ａ）至少一个双极板组件，包括大体平坦的第一板体，该第一板体具有大体平坦的第一面，该第一面包括：ｉ）由该第一板体界定的供反应物从中通过的开口；ｉｉ）界定于该第一面上的第一反应物流场；以及ｉｉｉ）在该第一面上大体包围该开口的第一突起表面，该第一突起表面被调整和配置为与位于相邻双极板组件一面上的第二表面配合，其中，当该突起表面配合时，该第一突起表面与第二表面产生流阻塞；ｂ）第一膜电极组件，可与该第一反应物流场相通；ｃ）反应物歧管，经由第一流体流道与该反应物流场流体连通，该反应物歧管被调整和配置为促进反应物在该燃料电池堆中的传输；以及ｄ）封装材料层，设于该隔板、膜电极组件和反应物歧管周边，其中，该流阻塞大体阻止该封装材料流入由该第一板体所界定的该开口中。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：T维泰拉，J巴尔迪克，R雷扎克，N劳德，S阿维斯，P奥森那，
申请(专利权)人：布罗托尼克斯技术公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]