[發(fā)明專利]改進(jìn)的封閉的燃料電池堆排

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201980031885.2
• 申請日: 2019-05-07
• 公開（公告）號: CN112204790A
• 公開（公告）日: 2021-01-08
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 瑞伊·哈特韋爾;克里斯多夫·理查茲;伊麗莎白·芬克·伍爾萊姆斯;凱思琳·梅加萊
• 申請（專利權(quán)）人: 戴姆勒股份公司;福特汽車公司
• 主分類號: H01M8/247
• 分類號: H01M8/247;H01M8/248;H01M8/1018;H01M8/0204;H01M8/2475;H01M8/021;H01M8/0221;H01M8/0206
• 代理公司: 北京高沃律師事務(wù)所 11569
• 代理人: 王立普

固體聚合物電解質(zhì)燃料電池堆需要顯著的額定壓縮載荷以進(jìn)行適當(dāng)?shù)牟僮骱兔芊狻＿@種載荷典型地使用相對厚的端板和緊固帶來提供。在某些燃料電池應(yīng)用中，一個或更多個固體聚合物電解質(zhì)燃料電池堆被固定在較大的外殼中(例如，用于汽車應(yīng)用中的隔離和防撞性)。然而，外殼本身可以足夠堅固以提供燃料電池堆內(nèi)的必要載荷。本發(fā)明利用了該優(yōu)點，以允許使用更薄的端板和/或更弱的帶，否則這些更薄的端板和/或更弱的帶將不足以供使用。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及改進(jìn)的封閉的燃料電池堆排，其中一排一個或更多個固體聚合物電解質(zhì)燃料電池堆被插入外殼中。

背景技術(shù)

燃料電池電化學(xué)轉(zhuǎn)換燃料和氧化劑反應(yīng)物(例如分別為氫氣和氧氣或空氣)以產(chǎn)生電功率。一種類型的燃料電池是固體聚合物電解質(zhì)燃料電池，該固體聚合物電解質(zhì)燃料電池通常在陰極電極和陽極電極之間采用質(zhì)子傳導(dǎo)聚合物膜電解質(zhì)。電極包含合適的催化劑，并且通常還包括導(dǎo)電粒子、粘合劑和用于改變潤濕性的材料。包括夾在兩個電極之間的質(zhì)子傳導(dǎo)聚合物膜的結(jié)構(gòu)被稱為膜電極組件(MEA)。這種組件可以通過將催化劑混合物適當(dāng)?shù)赝扛苍诰酆衔锬ど隙杂行У姆绞街苽洌虼送ǔ７Q為催化劑涂覆膜(CCM)。為了處理、組裝和電絕緣的目的，CCM通常用合適的電絕緣塑料框來建造。

通常在催化劑涂覆膜的任一側(cè)上鄰近陽極和陰極各自的電極采用陽極和陰極氣體擴散層。氣體擴散層用于將反應(yīng)物均勻地分配到催化劑電極并從催化劑電極去除副產(chǎn)物。然后，燃料和氧化劑流場板典型地設(shè)置在它們各自的氣體擴散層附近，所有這些部件的組合代表典型的單個燃料電池組件。流場板包括通常包含多個流體分配通道的流場。流場板提供多種功能，包括：將反應(yīng)物分配到氣體擴散層，將副產(chǎn)物從氣體擴散層中去除，結(jié)構(gòu)支撐和容納，以及電流收集。通常，燃料和氧化劑流場板被組裝成單一的雙極板，以便在其間結(jié)合冷卻劑流場和/或用于其它組裝目的。

因為單個電池的輸出電壓為1V的量級，所以多個燃料電池組件通常串聯(lián)堆疊在一起用于商業(yè)應(yīng)用。燃料電池堆可以進(jìn)一步以串聯(lián)和/或并聯(lián)的互連的堆的排和/或陣列連接，以用于汽車應(yīng)用等。

與水一起，熱量是燃料電池內(nèi)發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)的重要副產(chǎn)物。因此，通常需要用于冷卻燃料電池堆的裝置。設(shè)計成實現(xiàn)高功率密度的堆(例如汽車堆)通常使液體冷卻劑在整個堆中循環(huán)，以便快速且有效地去除熱量。為了實現(xiàn)這一點，包括多個冷卻劑通道的冷卻劑流場也被典型地結(jié)合在堆中的電池的流場板中。冷卻劑流場典型地形成在陽極側(cè)流場板和陰極側(cè)流場板兩者的電化學(xué)非活性表面上，并且通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)計，當(dāng)陽極側(cè)板和陰極側(cè)板兩者一起配對到雙極板組件時，形成密封的冷卻劑流場。

在典型的燃料電池堆構(gòu)造中需要多個密封件，并且以適合于商業(yè)的、大批量制造的方式實現(xiàn)充分、可靠的密封是具有挑戰(zhàn)性的。在MEA的周邊周圍，加壓燃料和氧化劑氣體必須彼此分離(即，必須防止膜的邊緣周圍的氣體短路)，并且還防止泄漏到外部環(huán)境。框架通常用于密封MEA邊緣處的工作流體。

需要向燃料電池堆中的堆疊部件施加顯著的壓縮力或載荷，以便實現(xiàn)MEA或CCM中的各種部件之間的緊密接觸，以獲得相關(guān)部件之間的低接觸電阻，并充分壓縮各種密封件以實現(xiàn)可靠的密封。此外，由于許多部件中涉及的小特征和公差，設(shè)置和保持堆中的所有各種部件的對準(zhǔn)也是非常重要的。通常，在組裝期間，通過使用精密的對準(zhǔn)夾具來對準(zhǔn)部件，然后在使用環(huán)繞端板的捆扎布置所需的額定載荷下，將部件固定就位，從而實現(xiàn)在堆部件上所需的或額定的載荷以及堆部件所需的對準(zhǔn)。然后，由固定后的端板提供的力保持部件的期望的對準(zhǔn)并保持在堆上的額定載荷。在這種堆中，用于帶和端板的硬件顯然必須足夠堅固以支撐該額定載荷，而不會分別經(jīng)受不可接受的伸長或偏轉(zhuǎn)。

如上所述，對于某些應(yīng)用(例如汽車)，采用包括以各種串聯(lián)和/或并聯(lián)配置互連的兩個或更多個堆的燃料電池堆的排或陣列。通常，這些排被封閉在用于其它目的(例如，在汽車應(yīng)用中，其可以提供隔離、防撞性、防水和防塵，以及提供實用的硬件以用于安裝目的)的特殊外殼中。這些外殼本身可以是堅固的以用于這些其它目的，另外，外殼可以為堆內(nèi)部提供額外的壓縮。