[發明專利]燃料電池堆組件

有效

• 申請號: 201910370051.6
• 申請日: 2019-05-06
• 公開（公告）號: CN110571449B
• 公開（公告）日: 2022-06-24
• 發明（設計）人: J·A·羅克
• 申請（專利權）人: 通用汽車環球科技運作有限責任公司
• 主分類號: H01M8/0258
• 分類號: H01M8/0258;H01M8/0267;H01M8/0276;H01M8/2483
• 代理公司: 廣州嘉權專利商標事務所有限公司 44205
• 代理人: 林偉峰

一種燃料電池堆組件包括第一和第二雙極板、有源區膜和可選的子墊片。第一雙極板限定多個第一通道，并且第二雙極板限定多個第二通道。多個第二通道可以與多個第一通道接合并且嵌套在多個第一通道之間。有源區膜可以設置在第一與第二雙極板之間的子墊片的內周邊內，其中子墊片可以可選地位于在多個第一通道與多個第二通道之間。

技術領域

本公開總體上涉及PEM燃料電池，更具體地涉及用于分離燃料電池堆中相鄰燃料電池的雙極板。

背景技術

燃料電池已經在許多應用中用作電源。例如，已經提出將燃料電池用于電動車輛動力裝置中以替代內燃機。在質子交換膜(PEM)型燃料電池中，氫氣被提供到燃料電池的負極，氧氣作為氧化劑被提供到正極。PEM燃料電池包括膜電極組件(MEA)，該膜電極組件包括薄的、質子可透過的、不導電的固體聚合物電解質膜，該膜在一個面上具有負極催化劑，在相反面上具有正極催化劑。MEA夾設在一對無孔導電元件或板之間。這對無孔導電元件或板(1)將電子從一個燃料電池的負極傳遞到燃料電池堆的相鄰電池的正極；(2)包含形成于其中的適當通道和/或開口，用于將燃料電池的氣態反應物分布在相應負極和正極催化劑的表面上；以及(3)包含形成于其中的適當通道和/或開口，用于在整個燃料電池堆中分配適當的冷卻劑以保持溫度。

根據上下文，術語“燃料電池”通常用于指單個電池或多個電池(堆)。多個單獨的電池通常捆綁在一起以形成燃料電池堆，并且通常以電串聯方式布置。電池堆內的每個電池包括前述的膜電極組件(MEA)，并且每個這種MEA提供其電壓增量。電池堆內的一組相鄰單元被稱為簇。作為示例，美國專利第5,663,113號中示出并描述了電池堆中多個電池的一些典型布置。在PEM燃料電池中，氫氣(H2)是負極反應物(即燃料)，氧氣是正極反應物(即氧化劑)。氧氣可以是純態(O2)或空氣(O2和N2的混合物)。

夾設MEA的導電板可以在其表面中包含凹槽陣列，該凹槽陣列在有源區區域中限定反應物流場，以將燃料電池的氣態反應物(即，空氣形式的氫氣和氧氣)分布在相應的正極和負極的表面上。在歧管入口/出口和有源區區域之間的區域中也限定有通道。冷卻劑通道設置成在冷卻劑入口/出口和有源區區域中的流場之間路由冷卻劑流體。反應物通道設置成將每種反應物從特定反應物入口路由到流場，并且還將每種反應物從流場路由到特定反應物出口。這些通道通常是多個流道，氣態反應物和/或冷卻劑通過這些流道從位于流道一端的供應集管流向位于流道相對端的排出集管。反應物流場是在直接與氣體擴散層的表面相鄰的相鄰雙極板的負極半片和正極半片中的每一個中限定的預定流場圖案，以便促進它們之間的反應。

在燃料電池堆中，多個燃料電池電以電氣串聯方式堆疊在一起，同時由不透氣的導電雙極板隔開。在某些情況下，雙極板是通過固定一對薄金屬片(負極半片和正極半片的形式)形成的組件，其中每個片/半片限定形成于其外表面上的反應物流場。當薄金屬片(負極半片和正極半片)連接在一起時，用于冷卻劑和反應物流體的通道限定在薄金屬片之間。通常，在燃料電池堆中的各雙極板的金屬板之間設置內部冷卻劑流場。還眾所周知的是，在金屬板之間設置隔板以優化傳熱特性，從而改善燃料電池冷卻。

通常，與燃料電池堆相關聯的冷卻系統包括循環泵，用于使液體冷卻劑通過燃料電池堆循環到熱交換器，在熱交換器中將廢熱能(即熱量)傳遞到環境中。典型液體冷卻劑的熱性質要求較大的體積循環通過系統以排出足夠的廢能，以便將電池堆的溫度保持在可接受的范圍內，特別是在最大功率條件下。