[发明专利]具有一体的端板组件的燃料电池堆

说明书

技术领域

本发明的披露内容涉及适用于交通运输工具、便携式发电设备中 或适于用作固定发电设备的燃料电池，且本发明的披露内容尤其涉及 一种具有一体式端板组件的燃料电池堆，由于使用了集流器、轻质压 力板和覆盖该压力板的刚性骨架的组合，因此使得该一体式端板组件 具有低热容量。

背景技术

燃料电池是众所周知的且通常由还原性反应剂流体和氧化性反应 剂流体而产生电能，从而为电气设备如位于空间飞行器、交通运输工 具上的设备提供电力，或者用作建筑物的现场使用的发电机。多个平 面的燃料电池通常被布置成燃料电池堆，所述燃料电池堆被电绝缘的 框架结构围绕，所述电绝缘的框架结构限定出作为燃料电池发电设备 的一部分的用于引导还原流体流、氧化剂流体流、冷却剂流体流和产 物流体流的歧管。每个单独的燃料电池通常包括通过电解质分开的阳 极电极和阴极电极。正如本领域众所周知地，燃料电池还可包括水传 输板或隔板。

燃料电池堆由还原性流体和工艺氧化剂物质流产生电力。正如示 出了现有技术中的燃料电池堆的简化示意图图1所示，该现有技术的 燃料电池堆10包括由多个燃料电池14形成的反应部分12，所述多个 燃料电池彼此相邻地叠置在一起从而以众所周知的方式产生电力。该 多个燃料电池14包括位于燃料电池堆10的反应部分12的彼此相对的 端部处的第一端部电池16和与之相对的第二端部电池18。第一压力板 20和第二压力板22覆盖所述端部电池16、18上面且压力板20、22 通常通过多根系杆(未示出)而彼此紧固在一起，从而将压缩载荷施 加到燃料电池堆上以便对燃料电池堆10内的多个压缩密封件进行密 封。最公知的压力板20、22由大块导电金属材料制成。

在这种燃料电池堆10的运行过程中，燃料电池堆10所产生的热 量以及流动通过该燃料电池堆10的压缩流体流导致燃料电池堆10的 尺寸在燃料电池堆10的运行动态极限值范围内产生膨胀和收缩。因此， 为了允许燃料电池堆10在这种限制内产生膨胀，已公知的燃料电池堆 10采用载荷随动(load follow-up)系统。普通的载荷随动系统包括 位于系杆紧固螺母(未示出)与压力板20、22之间的被紧固到燃料电 池堆10的每根系杆上的一个或多个贝勒维尔(belleville)垫圈(未 示出)。这种载荷随动系统使燃料电池堆10可在运行动态极限值范围 内进行有限膨胀，同时将恒定的最小载荷施加到燃料电池堆10上。传 统意义上而言，为了获得有效的载荷随动系统，已公知的燃料电池堆 10会使用大且重的金属压力板20、22作为载荷随动系统的一部分。

这些已公知的燃料电池堆10带来与大压力板20、22的高热容量 相关的许多问题。例如，在燃料电池堆从低于冰点的状态进行自持式 启动(“bootstrap”start up)的过程中，优选没有辅助的加热流 体被施加到燃料电池堆10上，同时还原性流体如氢和氧化剂如氧或空 气被供应至燃料电池14。在使用质子交换膜(“PEM”)作为电解质的 燃料电池14中，氢在阳极电极的催化剂表面处产生电化学反应从而产 生氢离子和电子。电子被传导至外部载荷电路且随后返回阴极电极， 而氢离子则传送通过电解质而到达阴极电极，在所述阴极电极处所述 氢离子与氧化剂和电子产生反应从而产生水并释放热能。由燃料电池 14产生的电力流入传导性压力板20、22和/或流动通过该传导性压力 板20、22。

在这种“自持式”启动过程中，与燃料电池堆10的相对端相邻的 端部电池16、18相比，处于燃料电池堆10的中心区域处的燃料电池 14会迅速升温。该端部电池16、18会更为缓慢地变热，这是因为由端 部电池16、18产生的热量被迅速传导进入大的传导性金属压力板20、 22内。如果端部电池16、18的温度并未迅速升高至高于0摄氏度(“℃”) 的温度，则燃料电池堆10内的水传输板中的水将保持冻结状态，由此 阻碍了产物水的去除，这会导致端部电池16、18中的燃料电池产物水 泛溢出来。端部电池16、18所产生的泛溢妨碍了反应剂流体到达端部 电池16、18的催化剂且可导致在端部电池16、18中出现负电压。端 部电池16、18中的负电压可导致在阴极电极处形成氢气和/或导致端 部电池16、18的电极中的碳担载层产生腐蚀。这种情况将使燃料电池 堆10的性能和长期稳定性产生劣化。