技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種燃料電池組件，更具體地涉及一種具有設(shè)置在終端板與單極性端板之間的絕熱導(dǎo)電層的燃料電池組件；所述絕熱導(dǎo)電層用以減少單極性端板的熱損失以及在端部燃料電池中的流體凝結(jié)和冰形成，同時(shí)使流經(jīng)該絕熱導(dǎo)電層的電流最大化。

背景技術(shù)

燃料電池組件將燃料和氧化劑轉(zhuǎn)變成電力。一種類型的燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)采用質(zhì)子交換膜(在下文中稱為“PEM”)來分隔便于燃料(如氫氣)與氧化劑(如空氣或氧氣)發(fā)生催化反應(yīng)的電極而產(chǎn)生電力。PEM通常是固體聚合物電解質(zhì)膜；在燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)中通常使用的各個(gè)單獨(dú)的燃料電池中，PEM便于質(zhì)子從陽(yáng)極轉(zhuǎn)移至陰極。

在燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)內(nèi)的典型燃料電池組件(或者燃料電池堆)中，單獨(dú)的燃料電池板包括各種反應(yīng)物和冷卻流體所流經(jīng)的通道。燃料電池板通常被設(shè)計(jì)成具有平直的或蛇形的流道。這種流道是合乎需要的，因?yàn)樗鼈冇行У厥狗磻?yīng)物分布于正在運(yùn)行的燃料電池的活性區(qū)域上，由此使性能和穩(wěn)定性最大化。在冰點(diǎn)以下溫度下，燃料電池組件中的水蒸汽會(huì)發(fā)生凝結(jié)。此外，在燃料電池組件中冷凝水可以形成冰。冷凝水和冰的存在會(huì)影響燃料電池組件的性能。

在典型的運(yùn)行狀態(tài)下，冷凝水也可在與燃料電池組件出口歧管相鄰的燃料電池板的邊緣積聚，因此限制了從流道至出口歧管的流體流動(dòng)。在冰點(diǎn)以下溫度下燃料電池組件的起動(dòng)運(yùn)行期間，在燃料電池板的流道中以及在出口歧管邊緣的冷凝水處于冰的形態(tài)，這會(huì)限制反應(yīng)物的流動(dòng)。類似地，可引起由于在正常運(yùn)行期間液態(tài)水的停滯而導(dǎo)致的反應(yīng)物流動(dòng)的不良分布。

通常，為了減少在燃料電池組件出口歧管處凝結(jié)的發(fā)生，而提高燃料電池組件的運(yùn)行溫度。然而，如果提高運(yùn)行溫度，則由于因膜增濕程度下降所造成的膜質(zhì)子阻力增加，因而會(huì)對(duì)歐姆電阻具有負(fù)面影響。而且，通過降低進(jìn)口陽(yáng)極與陰極氣流的相對(duì)濕度可以獲得與提高燃料電池組件運(yùn)行溫度相同的效果，因而由于膜質(zhì)子阻力增加而對(duì)歐姆電阻產(chǎn)生負(fù)面影響。為了減少至燃料電池組件端部單元的熱損失，可將阻熱的屏障層設(shè)置在燃料電池堆與端部單元之間。隨著熱阻率的增加導(dǎo)電性通常會(huì)下降，因此會(huì)在屏障層中產(chǎn)生廢熱并導(dǎo)致燃料電池組件運(yùn)行效率低下。為了經(jīng)受在高電流水平下由于在屏障層中產(chǎn)生此廢熱而會(huì)出現(xiàn)的高溫，端部單元必須由昂貴的塑料或者能夠經(jīng)受高溫的其它材料構(gòu)成，因而增加了燃料電池組件的成本。

在燃料電池組件運(yùn)行期間，由燃料電池反應(yīng)熱所產(chǎn)生的廢熱加熱燃料電池組件并且減少該組件中的水凝結(jié)和冰形成。然而，燃料電池組件的端板溫度往往低于燃料電池組件的中間板溫度。單極性端板由于向環(huán)境的熱損失以及向與其相鄰的燃料電池組件終端板的熱損失而具有較低溫度。整個(gè)燃料電池組件中的各燃料電池板的溫度差會(huì)導(dǎo)致低效率的運(yùn)行、反應(yīng)物的不良分布、可導(dǎo)致冰形成的水凝結(jié)、以及燃料電池組件使用壽命的縮短。

通常，為了確保燃料電池組件中各板之間大致均勻的溫度分布，而將加熱機(jī)構(gòu)設(shè)置在與單極性端板相鄰的位置，用以將熱能直接傳遞給單極性端板。加熱機(jī)構(gòu)也可設(shè)置在與終端板相鄰的位置，用以將熱能傳遞給終端板。然后，熱能從終端板被傳遞至單極性端板。可替代地，適合于加熱單極性端板的電阻性加熱機(jī)構(gòu)，可并聯(lián)地連接到燃料電池組件。如果加熱機(jī)構(gòu)失效并處于供電狀態(tài)，那么端部燃料電池會(huì)變干，因而導(dǎo)致在燃料電池組件中發(fā)生電短路。用以加熱單極性端板的其它方法包括：催化加熱、以及提供設(shè)置在單極性端板與終端板之間的旁路板。

另外，在燃料電池組件運(yùn)行期間，由燃料電池堆所產(chǎn)生的電流被收集在各導(dǎo)電性燃料電池中。電流經(jīng)由燃料電池板被傳遞通過燃料電池堆，到達(dá)在燃料電池堆兩端的終端板。終端板與集電體(例如匯流條)電連通。集電體與堆接口單元(SIU)或者燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)的其它電氣構(gòu)件電連通。電池堆端部單元中的高溫將會(huì)導(dǎo)致熱與電流一起流向SIU和/或其它電氣構(gòu)件，因而造成SIU?和/或其它電氣構(gòu)件中的溫度升高，這會(huì)導(dǎo)致構(gòu)件失效或者需要可在高溫下運(yùn)行的昂貴構(gòu)件。

理想的是制造這樣一種燃料電池組件，它具有設(shè)置在其終端板與單極性端板之間的絕熱導(dǎo)電層；所述絕熱導(dǎo)電層用以減少單極性端板的熱損失以及單極性端板上的流體凝結(jié)和冰形成，同時(shí)使流經(jīng)該絕熱導(dǎo)電層的電流最大化。

發(fā)明內(nèi)容

根據(jù)本發(fā)明，已令人驚訝地發(fā)現(xiàn)一種具有設(shè)置在終端板與單極性端板之間的絕熱導(dǎo)電層的燃料電池組件；所述絕熱導(dǎo)電層用以減少來自單極性端板的熱損失以及在單極性端板上的流體凝結(jié)和冰形成，同時(shí)使流經(jīng)該層的電流最大化。

在一個(gè)實(shí)施例中，用于燃料電池組件的屏障層包括：具有第一表面和第二表面的絕熱層、以及形成于所述絕熱層第一表面上的導(dǎo)電層。