[发明专利]燃料电池堆组件

说明书

一种燃料电池堆组件包括第一和第二双极板、有源区膜和可选的子垫片。第一双极板限定多个第一通道，并且第二双极板限定多个第二通道。多个第二通道可以与多个第一通道接合并且嵌套在多个第一通道之间。有源区膜可以设置在第一与第二双极板之间的子垫片的内周边内，其中子垫片可以可选地位于在多个第一通道与多个第二通道之间。

技术领域

本公开总体上涉及PEM燃料电池，更具体地涉及用于分离燃料电池堆中相邻燃料电池的双极板。

背景技术

燃料电池已经在许多应用中用作电源。例如，已经提出将燃料电池用于电动车辆动力装置中以替代内燃机。在质子交换膜(PEM)型燃料电池中，氢气被提供到燃料电池的负极，氧气作为氧化剂被提供到正极。PEM燃料电池包括膜电极组件(MEA)，该膜电极组件包括薄的、质子可透过的、不导电的固体聚合物电解质膜，该膜在一个面上具有负极催化剂，在相反面上具有正极催化剂。MEA夹设在一对无孔导电元件或板之间。这对无孔导电元件或板(1)将电子从一个燃料电池的负极传递到燃料电池堆的相邻电池的正极；(2)包含形成于其中的适当通道和/或开口，用于将燃料电池的气态反应物分布在相应负极和正极催化剂的表面上；以及(3)包含形成于其中的适当通道和/或开口，用于在整个燃料电池堆中分配适当的冷却剂以保持温度。

根据上下文，术语“燃料电池”通常用于指单个电池或多个电池(堆)。多个单独的电池通常捆绑在一起以形成燃料电池堆，并且通常以电串联方式布置。电池堆内的每个电池包括前述的膜电极组件(MEA)，并且每个这种MEA提供其电压增量。电池堆内的一组相邻单元被称为簇。作为示例，美国专利第5,663,113号中示出并描述了电池堆中多个电池的一些典型布置。在PEM燃料电池中，氢气(H2)是负极反应物(即燃料)，氧气是正极反应物(即氧化剂)。氧气可以是纯态(O2)或空气(O2和N2的混合物)。

夹设MEA的导电板可以在其表面中包含凹槽阵列，该凹槽阵列在有源区区域中限定反应物流场，以将燃料电池的气态反应物(即，空气形式的氢气和氧气)分布在相应的正极和负极的表面上。在歧管入口/出口和有源区区域之间的区域中也限定有通道。冷却剂通道设置成在冷却剂入口/出口和有源区区域中的流场之间路由冷却剂流体。反应物通道设置成将每种反应物从特定反应物入口路由到流场，并且还将每种反应物从流场路由到特定反应物出口。这些通道通常是多个流道，气态反应物和/或冷却剂通过这些流道从位于流道一端的供应集管流向位于流道相对端的排出集管。反应物流场是在直接与气体扩散层的表面相邻的相邻双极板的负极半片和正极半片中的每一个中限定的预定流场图案，以便促进它们之间的反应。

在燃料电池堆中，多个燃料电池电以电气串联方式堆叠在一起，同时由不透气的导电双极板隔开。在某些情况下，双极板是通过固定一对薄金属片(负极半片和正极半片的形式)形成的组件，其中每个片/半片限定形成于其外表面上的反应物流场。当薄金属片(负极半片和正极半片)连接在一起时，用于冷却剂和反应物流体的通道限定在薄金属片之间。通常，在燃料电池堆中的各双极板的金属板之间设置内部冷却剂流场。还众所周知的是，在金属板之间设置隔板以优化传热特性，从而改善燃料电池冷却。

通常，与燃料电池堆相关联的冷却系统包括循环泵，用于使液体冷却剂通过燃料电池堆循环到热交换器，在热交换器中将废热能(即热量)传递到环境中。典型液体冷却剂的热性质要求较大的体积循环通过系统以排出足够的废能，以便将电池堆的温度保持在可接受的范围内，特别是在最大功率条件下。