[發明專利]模塊單元燃料電池組件

在審

• 申請號: 201510475200.7
• 申請日: 2008-12-23
• 公開（公告）號: CN105161727A
• 公開（公告）日: 2015-12-16
• 發明（設計）人: 彼得·戴維·德弗里斯
• 申請（專利權）人: 阿爾特吉系統公司
• 主分類號: H01M4/86
• 分類號: H01M4/86;H01M8/02;H01M8/24
• 代理公司: 北京天昊聯合知識產權代理有限公司 11112
• 代理人: 麥善勇;張天舒

本申請是申請號為200880123015.X、申請日為2008年12月23日、發明名稱為“模塊單元燃料電池組件”的專利申請的分案申請。

相關申請的交叉引用

本申請是于2007年12月28日提交的第11/966,887號美國申請的延續，該美國申請的全部內容通過引用并入本文。

技術領域

本發明涉及聚合物電解質膜(PEM)燃料電池及其部件的制造方法。更具體地，本發明涉及低生產成本的模塊單元燃料電池的設計及結構。

背景技術

聚合物電解質膜(PEM)燃料電池是一種電化學裝置，其包括陽極電極、陰極電極和以薄聚合物膜形式設置在陽極電極和陰極電極之間的電解質。多個單個聚合物電解質膜燃料電池或燃料電池單元與雙極隔板堆疊在一起，從而制造出聚合物電解質膜燃料電池堆，其中雙極隔板將一個燃料電池單元的陽極電極與相鄰燃料電池單元的陰極電極分隔開。

包括聚合物電解質膜的電化學電池可以用作燃料電池(其中燃料和氧化劑在電池電極處進行電化學變換以產生電能)，或用作電解槽(其中外部電流(通常通過水)在電池電極之間流過，從而在電池的各電極處產生氫和氧)。燃料電池是不進行燃燒也不具有有害放射物、使用通常來自空氣的氫和氧通過化學變換處理而產生電的能量變換裝置。所輸出的電壓和電流取決于燃料電池堆中的電池數量、總有效表面積以及效率。圖1中示出了單個電池的基本工藝。

傳統的燃料電池堆10(見圖2、圖3和圖4)由堆疊在一起的多個單個電池20構成。這樣的燃料電池通常具有由經過加工的石墨制成的雙極隔板(BSP)12、膜電極組件(MEA)14、襯墊16、18、燃料歧管24，并且可以具有氧化劑和冷卻劑歧管。見圖3和圖4。

為了使燃料電池進行正確的操作，氫氣必須被密封在電池內部且與氣態氧化劑(空氣或氧)分隔開。在一些燃料電池中，還需要進行冷卻，這是因為在正常的工作期間會產生熱量。該熱量通常利用液體冷卻(通常使用水作為冷卻劑)來從燃料電池堆去除。

此外，BSP12與MEA14緊密、連續的電接觸是很關鍵的。

如圖2和圖4所示，燃料電池堆典型地使用了“壓濾”結構(“filter-press”structure)，在該結構中，在每個燃料電池堆10的各端部放置厚且重的“端板”32、34，并通過重的拉桿、或螺栓38和螺母40、或其它緊固件將“端板”32、34結合在一起。

出于以下兩個目的而嘗試使用“壓濾”結構：(i)如果使用了氫、氧化劑、和液體冷卻劑，則對它們進行密封；以及(ii)保持BSP12和MEA14之間的緊密電接觸，見圖2和圖4。對利用傳統方法構建的燃料電池堆的拆卸和分解顯示了該“壓濾”結構布置并不能很好地執行上述兩個功能。這樣的分解已經揭示了BSP12和MEA14之間不能完全電接觸、從而導致了不良的導電性和較低的電池性能的證據。該分解還顯示了氣體和液體泄漏的證據。

發明內容

本發明的一個方面提供了一種PEM模塊單元燃料電池組件，該PEM模塊單元燃料電池組件包括：膜電極組件(MEA)，其具有陽極側和陰極側；陽極多孔傳輸層(PTL)，其具有第一側和第二側，其包括適于氣體擴散以及電和熱的傳導的三維孔穴結構，該陽極PTL的第一側與MEA的陽極側并列且電接觸；導電雙極隔板，其具有第一側和第二側，該導電隔板的第一側與陽極氣流場的第二側并列且電接觸；彈簧翅片熱傳遞結構，其具有第一側和第二側，該熱傳遞結構的第一側與導電隔板的第二側并列；以及陰極PTL，其具有第一側和第二側，其包括適于氣體擴散以及電和熱傳導的三維孔穴結構，該陰極PTL的第一側與彈簧翅片熱傳遞結構的第二側并列且電接觸。

本發明的另一個方面提供了一種PEM模塊單元燃料電池組件，該PEM模塊單元燃料電池組件包括：膜電極組件(MEA)，其具有陽極側和陰極側；陽極多孔傳輸層(PTL)，其具有第一側和第二側，其包括適于氣體擴散以及電和熱傳導的三維孔穴結構，該陽極PTL的第一側與MEA的陽極側并列且電接觸；導電雙極隔板，其具有第一側和第二側，該導電隔板的第一側與陽極氣流場的第二側并列且電接觸；彈簧翅片熱傳遞結構，其具有第一側和第二側，該熱傳遞結構的第一側與導電隔板的第二側并列；以及陰極PTL，其具有第一側和第二側，其包括適于氣體擴散以及電和熱傳導的三維孔穴結構，該陰極PTL的第二側與MEA的陰極側并列且電接觸。