[发明专利]用于燃料电池组件的绝缘层

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池组件，并且更具体地涉及具有绝热导电层的燃料电池组件，其中该绝热导电层被置于其终端板和端部板之间，以便减少端部板的热损失以及在端部燃料电池内的流体冷凝和冰的生成。燃料电池组件也可以包括膜和/或阴极，所述膜和/或阴极的厚度大于燃料电池组件的大部分燃料电池中使用的膜和/或阴极的厚度。这些膜和/或阴极可以与绝缘层结合或代替绝缘层被用于端部燃料电池中，从而进一步减少端部板的热损失以及在端部燃料电池中的流体冷凝和冰的生成。

背景技术

燃料电池组件将燃料和氧化剂转化为电。一种燃料电池电源系统使用质子交换膜(此后称“PEM”)来分离有助于燃料(例如氢)和氧化剂(例如空气或氧)的催化反应来生成电的电极。PEM通常是固体聚合物电解质膜，其有助于质子在通常布置于燃料电池电源系统中的每个单个燃料电池中从阳极传递到阴极。汽车应用中的典型PEM是15-25微米厚。

在燃料电池电源系统中的典型燃料电池组件(或堆叠体)中，各个燃料电池板包括通道，各种反应物和冷却流体流过所述通道。燃料电池板通常被设计成具有直的或蜿蜒的流动通道。这样的流动通道是理想的，因为它们有效地使得反应物分布在工作燃料电池的活性区域上，从而最大化性能和稳定性。在零下温度时，燃料电池组件中的水蒸气可能会冷凝。此外，冷凝物可能在燃料电池组件中形成冰。冷凝物和冰的存在会影响燃料电池组件的性能。

在典型工作条件下，冷凝物也会聚积在燃料电池组件的出口歧管附近的燃料电池板边缘处，从而约束从流动通道到出口歧管的流体流动。在零下温度中燃料电池组件的启动操作期间，燃料电池板的流动通道内的和出口歧管的边缘处的冷凝水是可能约束反应物流的冰的形式。类似地，在正常操作期间可能会由于液态水的停滞而导致反应物流分布不均。

通常，为了减少在燃料电池组件的出口歧管处形成冷凝，增加燃料电池组件的工作温度。不过，增加工作温度可能会对欧姆阻抗产生不利影响，因为随膜湿度减小膜的质子阻抗增大。而且，减小阳极和阴极气流的入口相对湿度将实现与增加工作温度相同的效果，并且由于膜质子阻抗增大而对欧姆阻抗造成不利影响。

在燃料电池组件工作期间，来自燃料电池反应的废热加热燃料电池组件并且减少组件内的水冷凝和冰的生成。不过，燃料电池组件的端部板倾向于具有比燃料电池组件的中间板的温度更低的温度。端部板由于向环境损失热以及向其附近的燃料电池组件的终端板损失热而具有更低的温度。燃料电池组件中各燃料电池板的温度差可能会导致低效率工作、反应物分布不均、可导致冰生成的水冷凝以及燃料电池组件的使用寿命减小。

通常，为了确保在燃料电池组件内的板之间具有基本均一的温度分布，在端部板附近放置加热机构以便直接向其传递热能。加热机构也可以被置于终端板附近以便向其传递热能。之后，热能从终端板传递到端部板。可替代地，适于加热端部板的电阻加热机构可以被并联于燃料电池组件。如果加热机构失效并且处于动力状态，则端部燃料电池可能变干，从而导致燃料电池组件内的短路。用于加热端部板的其他方法包括催化加热以及在端部板和终端板之间设置旁路板。

理想的是，开发一种燃料电池组件，该燃料电池组件具有：被置于其终端板和端部板之间的绝热导电层从而减少从端部板的热损失以及端部板上的流体冷凝和冰的生成；并且具有端部燃料电池，端部燃料电池具有的膜和/或阴极的厚度大于燃料电池组件的剩余部分内的燃料电池中使用的膜和阴极的平均厚度，从而进一步减少从端部板的热损失以及在端部电池燃料内的流体冷凝和冰的生成。

发明内容

根据并符合本发明，令人瞩目地公开了一种燃料电池组件，该燃料电池组件具有被置于其终端板和端部板之间的绝热导电层从而减少从端部板的热损失以及端部板上的流体冷凝和冰的生成。

在一个实施例中，燃料电池组件包括：设置在堆叠体中的多个燃料电池；设置在燃料电池堆叠体的第一端处的第一终端板；设置在燃料电池堆叠体的第二端处的第二终端板；以及置于燃料电池之一和第一终端板之间来提供其间的热阻隔(热障)的绝缘层。

在另一个实施例中，燃料电池组件包括：一对终端板，所述终端板被分别置于燃料电池组件的各端；置于终端板之间的一对端部燃料电池，每个端部燃料电池均具有置于其内的电解质膜；设置在堆叠体中且被置于端部燃料电池之间的多个燃料电池，每个燃料电池均包括置于其内的电解质膜，其中被置于端部燃料电池内的电解质膜具有的厚度是被置于燃料电池内的电解质膜的平均厚度的至少约1.5倍；以及，被置于燃料电池和至少一个终端板之间从而提供其间的热阻隔的绝缘层。