[發明專利]包括至少兩個具有多個相互連接燃料電池單元的堆疊印刷電路板的燃料電池

有效

• 申請號: 201280015509.2
• 申請日: 2012-02-29
• 公開（公告）號: CN103620842B
• 公開（公告）日: 2017-05-24
• 發明（設計）人: 丹尼爾·約翰·萊斯利·布雷特;安東尼·羅伯特·約翰·庫森那可
• 申請（專利權）人: 帝國創新有限公司;UCL商業有限公司
• 主分類號: H01M8/2465
• 分類號: H01M8/2465;H01M8/0228;H01M8/0202;H01M8/0297;H01M8/04082;H01M8/10
• 代理公司: 北京路浩知識產權代理有限公司11002
• 代理人: 謝順星,張晶

技術領域

本發明涉及燃料電池，例如，涉及固體聚合物電解質燃料電池。本發明還涉及印刷電路板(PCB)技術在本發明的燃料電池制造中的應用、耐腐蝕涂層的應用、以及形狀記憶合金(SMA)在燃料電池的小側面閥中的應用。

背景技術

燃料電池是一種電化學裝置，其通過氧化劑(如，純氧或空氣)和燃料(如氫氣或含氫混合物、或碳氫化合物或烴衍生物)產生電能和熱能。燃料電池可應用于便攜、移動和固定場合，如可應用于發電站、車輛和膝上型電腦。

通常，電池包括兩個電極，即陽極和陰極，它們被電解質膜分開，這使得離子(如氫離子，但不是自由電子)可穿過電解質膜，從一個電極移到另一個電極上。電極上的催化劑層促進燃料(位于陽極電極上)和氧化劑(位于陰極電極上)之間的反應，從而產生或消耗離子和電子。陽極上的自由電子形成電流，可使用電流來執行工作，然后電流流向消耗電子的陰極處。

被電解質膜分開的一對電極稱之為膜電極組(MEA)。在合適負載下運行的燃料電池MEA產生的輸出電壓大致為0.7V，對于許多實際情況而言，該電壓值過低。為了增加該電壓，傳統上，MEA被組裝成圖1所示的堆。每個MEA1具有一層“電解質膜”1a，該層膜是夾置在兩個電極層之間的離子滲透膜，陽極2和陰極3位于電解質膜的相對表面上。相鄰的MEA被導電雙極隔板4分開，氫氣燃料5和氧氣6穿過設置在雙極板的相對表面上的通道。端板9通過電連接器7,8連接到外部電路上。燃料電池堆中的這些MEA的數量決定總電壓、每個 膜電極的表面積決定總電流。

現有的燃料電池幾何結構涉及到的問題是，當燃料電池以這種方式堆疊在一起時，電流垂直MEA的表面流動。因此，這種堆疊結構要求讓電流從一個電池的正極流到下一個電池的負極。另外，例如，由于膜電極中形成小孔或者由于膜兩側的電極之間的短路，會讓MEA出現故障，從而需要讓整個堆關閉。另外，如果一個MEA不運行，其他MEA也不運行，那么電流就直接穿過MEA，這樣MEA就會迅速退化。如果一個MEA被破壞，那么整個燃料電池堆就不能使用。

在公知結構中，雙極板通常由石墨碳或不銹鋼制成，雙極板必須導電、透氣，并具有流場通道，這些通道用于分配反應物經過MEA的表面，也可以用于分配冷卻劑經過MEA的表面。因此，雙極板的材料成分受到限制，板復雜、制造成本高昂。另外，為了讓電解質膜的性能最優，需要保持電解質膜中的含水量合適。膜要求具有一定的濕度，以有效地運行和傳導離子電流，這樣電池電流就不會降低。電池產生的水可通過沿陰極流動的氣流被去除，或被吸走。金屬雙極板在電池的潮濕環境下出現腐蝕是常見的問題，因而，雙極板的制造材料受到限制。另一個問題是燃料電池堆會出現過熱，因而需要進行冷卻。為了達到冷卻效果，通常的做法是，配置其他板，使這些板包括可讓冷卻劑(水)在電池堆中循環流通的通道；但是在許多應用場合中這會讓電池笨重、不實用。另外，通過使用整體式電力電子元件來調節和調整電池堆的電輸出。這樣成本就高昂，這些電力電子元件出現點故障也會引起整個燃料電池系統出現故障。

K.Ledjeff和R.Nolte于1995年在燃料電池系統材料第一屆國際研討會論文集的第128-134頁所發表的“新的固體聚合物燃料電池(SPFC)技術與材料”(New SPFC-Technology with Plastics,by K.Ledjeff and R.Nolte,Proceedings of the First International Symposium on New Materials for Fuel Cell Systems,1995,p128-134)描述了一種公 知的替換手段。文章作者描述了一種單一電解質膜的帶狀結構來產生高的輸出電壓，但沒有使用堆技術。標準結構的燃料電池的電極和雙極板安裝在共面結構上，每個燃料電池MEA以帶的結構形式呈現，每個MEA帶連接到相鄰的第二MEA帶上。這種方法出現的問題是，膜結構要求小心組裝、并要求密封相鄰帶以避免氧化劑和燃料混合。

權利要求書中闡釋了本發明。與復雜、昂貴的雙極板不同的是，在本發明中，塑料或其他非導電墊片使用在相鄰的MEA之間，因此，大大簡化了堆疊的燃料電池的結構。由于本發明的燃料電池采用這種結構，因而燃料與氧氣混合的風險低。燃料電池堆中的各MEA或燃料電池板也可與單獨的開關組合在一起，從而可輔助控制燃料電池。

下面參照三個實施例描述了本發明。應該理解為，對這些實施例的描述并沒有限制本發明的范圍，僅用于作為例子來闡釋本發明。

附圖說明

現在將參照附圖描述本發明的具體實施例，附圖如下：