组合式燃料电池组件和冷却器件的制作方法

专利名称：组合式燃料电池组件和冷却器件的制作方法
技术领域：
本发明总地涉及燃料电池，更具体地涉及组合式燃料电池组件和冷却器件。
背景技术：
包括电源部分的典型燃料电池动力系统，其中提供了一个或多个燃料电池叠加体。燃料电池动力系统的效率大部分取决于单个燃料电池中和叠加中的相邻燃料电池之间各个接触与密封界面的完整性。这些接触和密封界面包括与电池叠加之中和之间燃料，冷却剂和废液的传输相关的界面。
目前，利用传统方法制造燃料电池叠加的过程是繁琐费时的，不容易推广到大规模生产中。比如，典型的5000千瓦燃料电池叠加包括大约80个薄膜电极组件(MEA)，大约160个流道板和大约160个密封垫圈。要求叠加的这些和其他不见都仔细对准和安装。即使少数不见没有对准也会导致漏气，氢交叉，冷却剂泄漏和性能/耐用性变差。
而且，燃料电池MEA是非常脆弱的，必须小心操作，比如避免在薄膜上发生电短路，形成针孔和褶皱。MEA沾污是燃料电池叠加组装时要考虑的另一个重要问题。目前已知的叠加组装过程是劳动力密集型的，导致用常规手段无法成本合算地制造燃料电池系统。
必须提出结合了冷却功能的改进型燃料电池组件和封装方法。所提出的燃料电池组件和冷却器件还必须能高效地组装和拆卸配备有冷却结构的燃料电池叠加体。还要求燃料电池叠加和系统中的有用不见能被循环利用。本发明能够满足这些和其他要求。
发明概述本发明涉及可叠加的组合式燃料电池系统或具有冷却功能的UCA(组合式燃料电池组件)。组合式燃料电池系统是单元模块、或者包括一个或多个电池的单元，所述电池能单独作为功能性燃料电池工作、或在叠加体中与其他UCA共同工作。在一个实施例中，组合式燃料电池系统中包括组合式燃料电池组件和可分离的冷却结构。组合式燃料电池组件包括第一流道板、第二流道板和位于第一与第二流道板之间的薄膜电极组件(MEA)。冷却结构可以与组合式燃料电池组件分离。组合式燃料电池组件和/或冷却结构上具有固定装置。固定装置的构造有助于组合式燃料电池组件和冷却结构之间的配对啮合，并且有助于组合式燃料电池组件在预定方向上的固定。
在另一个实施例中，可叠加的组合式燃料电池系统中包括组合式燃料电池组件和可分离的冷却结构。组合式燃料电池组件包括第一流道板，第二流道板和位于第一与第二流道板之间的MEA。冷却结构与组合式燃料电池组件是分离的。组合式燃料电池组件和/或冷却结构上具有固定装置。固定装置的构造有助于组合式燃料电池组件和冷却结构之间的配对啮合。锁定装置构造成在配对啮合时，定位和对准相邻的一个组合式燃料电池系统。
在另一个实施例中，可叠加的组合式燃料电池组件包括具有第一表面、第二表面和第一啮合装置的第一平板。第一平板的第一表面上包括第一流道、第一平板的第二表面上包括整合的冷却装置。该组件的第二平板包括第一表面、第二表面和第二啮合装置。第二平板的第一表面上包括第二流道。MEA位于第一和第二流道之间。MEA包括第一与第二流体传输层(FTL)和位于阳极与阴极催化层之间的薄膜。当第一啮合装置配对啮合第二啮合装置时，第一平板的第一流道对齐第二平板的第二流道。
以上发明简述并非对本发明每个实施例或实施方式的描述。参考以下具体说明和权利要求以及附图，其优点和效果，以及对本发明更完整的理解是显而易见的。
附图简要说明附

图1a所示是燃料电池及其组成层；附图1b所示是对应于本发明实施例的具有单极构造的组合式电池组件；附图1c所示是对应于本发明实施例的具有单极/双极构造的组合式电池组件；附图2a是对应于本发明实施例的包括外部硬质端点装置和就地形成的密封垫圈的组合式电池组件剖面图；附图2b是对应于本发明实施例的包括内部硬质端点装置和就地形成的密封垫圈的组合式电池组件剖面图；附图3a和3b是对应于本发明实施例的包括内置式硬质端点装置和就地形成的密封垫圈的组合式电池组件剖面图；附图4a和4b是对应于本发明另一实施例的包括内部硬质端点装置和就地形成的密封垫圈的组合式电池组件剖面图；附图5a和5b分别是组合式电池组件在联合过程之前和之后的剖面图，组合式电池组件包括对应于本发明实施例的内部硬质端点装置和就地形成的热塑性密封垫圈；附图5c和5d分别是组合式电池组件在联合过程之前和之后的剖面图，组合式电池组件包括对应于本发明另一实施例的内部硬质端点装置和就地形成的热塑性密封垫圈；附图5e和5f分别是组合式电池组件在联合过程之前和之后的剖面图，组合式电池组件包括对应于本发明另一实施例的就地形成的热塑性密封垫圈，不包括硬质端点装置；附图6a和6b分别是组合式电池组件在联合过程之前和之后的剖面图，组合式电池组件包括对应于本发明另一实施例的内部硬质端点装置和就地形成的热塑性密封垫圈；附图6a-6c所示是对应于本发明实施例的包括单极组合式电池组件和可分离的冷却结构的组合式电池组件系统；附图6d所示是对应于本发明另一实施例的包括单极/双极组合式电池组件和可分离的冷却结构的组合式电池组件系统；附图7a和7b所示是对应于本发明实施例的位于压缩系统内的组合式电池组件叠加；附图8a-8c所示是对应于本发明实施例的包括锁定和啮合功能的组合式电池组件各剖面图；附图9a-9e所示是对应于本发明实施例的结合有整合的冷却装置的组合式电池组件各视图；附图10所示简化的燃料电池叠加有助于理解燃料进出燃料电池叠加的方式，其中优选的燃料电池构造是对应于本发明原理的组合式电池组件；和附图11所示燃料电池系统中的一个或多个燃料电池叠加中包括本发明的组合式电池组件。
虽然可以对本发明作出各种改进和变化，但是其特征如附图中所示，下文将具体说明。但是应该理解，并非试图将本发明限制在所述的特定实施例中。相反，试图将所有改进，等同和替代都包括在权利要求所限定的范围内。
本发明优选实施方式在以下说明性实施例的描述中，参考了作为其组成部分的示范性附图和本发明实施例。应该理解在利用实施例时，可以对结构进行变化，但是不超出本发明的范围。
本发明涉及改进型的燃料电池组件和冷却器件。在一个实施例中，冷却器件可以与组合式燃料电池组件分离。在另一个实施例中，冷却器件与组合式燃料电池组件是整合的。
本发明各实施例所涉及的组合式燃料电池组件和冷却器件使燃料电池的组装和拆卸变得简单。本发明的具有冷却功能的组合式燃料电池封装还能在制造，修理和保养单个燃料电池和燃料电池叠加时循环利用为叠加装置所设计的燃料电池。
某些实施例涉及单极或双极构造的组合式燃料电池组件。在其他实施例中，组合式燃料电池具有热量控制装置。在这些实施例中，热量控制装置可以与组合式燃料电池组件整合，或者作为与组合式燃料电池组件分离的结构。本发明的其他实施例涉及组合式燃料电池组件构成的燃料电池叠加和系统。
燃料电池是用氢燃料和空气中的氧产生电，热和水的电化学器件。燃料电池无须燃烧，所以几乎不产生任何有害废液。燃料电池将氢燃料和氧直接转化成电，其效率比内燃发电机高得多。
典型的燃料电池如附图1a中所示。附图1a中所示燃料电池10包括第一流体传输层(FTL)12和相邻的阳极14。与阳极14相邻的是电解质薄膜16。阴极18与电解质薄膜16相邻，第二流体传输层19与阴极18相邻。工作时，氢燃料被引入燃料电池10的阳极区，通过第一流体传输层12和阳极14。在阳极14处，氢燃料被分解成氢离子(H+)和电子(e-)。
电解质薄膜16只能允许氢离子或质子通过，到达燃料电池10的阴极区。电子无法通过电解质薄膜16，因此以电流形式通过外部电路。电流能驱动电负载17，比如电动马达，或者被导向储能器件，比如可充电电池。
氧通过第二流体传输层19流入燃料电池10的阴极侧。氧通过阴极18时，氧，质子和电子结合生成水和热。
如附图1a中所示单个燃料电池，可以被封装成组合式燃料电池组件，以下具体说明。被简称为组合式电池组件或UCA的组合式燃料电池组件可以与许多其他UCA组合成燃料电池叠加体。叠加中UCA的数量决定叠加总电压，每个电池的活性表面积决定总电流。给定燃料电池叠加产生的总电能等于叠加总电压乘总电流。
按照本发明原理，可以用各种燃料电池技术制造UCA。比如，利用本发明的UCA封装方法可以制造质子交换薄膜(PEM)燃料电池组件。PEM燃料电池能在较低温度(大约175°F/80℃)下工作，具有高功率密度，能迅速改变其输出以配合功率漂移的要求，非常适合于要求快速启动的应用，比如汽车。
PEM燃料电池中所用的质子交换薄膜通常是薄塑料片，能允许氢离子通过。薄膜的两个侧面上通常涂布有作为活性催化剂的高度分散金属或金属合金颗粒(比如铂或铂/钉)。所用电解质通常是固态有机聚合物，比如聚-全氟磺酸。使用固体电解质的优点是，能减轻腐蚀和控制问题。
氧被送至燃料电池的阳极侧，催化剂促进氢原子释放出电子，变成氢离子(质子)。电子以电流形式运动，在其回到燃料电池阴极侧之前可以对其进行利用，氧被引入阴极侧。同时，质子扩散通过薄膜到达阴极，氢离子与氧再次结合并反应生成水。
薄膜电极组件(MEA)是氢燃料电池等PEM燃料电池的中央单元。如上所述，典型的MEA包括聚合物电解质薄膜(PEM)(也被称为离子传导薄膜(ICM))，起到固体电解质的作用。
PEM的一个侧面与阳极层接触，其相对侧面与阴极层接触。每个电极层都包括电化学催化剂，通常含有铂金属。流体传输层(FTL)帮助气体在阳极与阴极材料之间的传输，并传导电流。
在典型的PEM燃料电池中，质子通过氢的氧化反应而在阳极处形成，被传输至阴极与氧反应，使电流在连接电极的外部电路中流动。FTL也可以被称为气体扩散层(GDL)或扩散器/集电器(DCC)。阳极和阴极层可以在制造过程中被应用于PEM或FTL，只要它们在整个MEA中位于PEM和FTL之间即可。
实施本发明时可以使用任何适用的PEM。PEM通常具有小于50微米的厚度，较常见小于40微米，更常见小于30微米，最常见是约25微米。PEM通常由酸性官能团的含氟聚合物电解质构成，比如Nafion(DuPont Chemicals，Wilmington DE)和Flemion(Asahi Glass Co.Ltd.，Tokyo，Japan)。适用于本发明的聚合物电解质通常优选是四氟乙烯和一种或多种氟化酸性官能团共聚单体的共聚物。
聚合物电解质通常具有磺酸酯官能团。最常见的聚合物电解质是Nafion。聚合物电解质通常具有1200或以下的酸当量，较常见是1100或以下，更常见是1050或以下，最常见是约1000。
实施本发明时可以使用任何适用的FTL。通常FTL由含有碳纤维的片材构成。FTL通常选自机织和无纺碳纤维构件。适用于实施本发明的碳纤维构件包括Toray复写纸，SpectraCarb复写纸，AFN无纺碳织物，Zoltek碳织物和类似物。可以用各种材料涂布或浸渍FTL，包括碳粒涂布，亲水性处理和用聚四氟乙烯(PTFE)涂布等疏水性处理。
实施本发明时可以使用任何适用的催化剂。通常使用碳负载的催化剂颗粒。典型的碳负载催化剂颗粒是50到90重量％的碳和10-50重量％的催化剂金属，催化剂金属通常包括作为阴极的Pt，作为阳极的2∶1重量比Pt和Ru。通常以催化剂油墨的形式将催化剂应用于PEM或FTL上。催化剂油墨通常包括聚合物电解质材料，与组成PEM的聚合物电解质材料相同或不同。
催化剂油墨通常包括催化剂颗粒在聚合物电解质中形成的分散体。油墨中通常含有5-30％的固体(即聚合物和催化剂)，更常见是10-20％的固体。电解质分散体通常是水分散体，还可能含有醇，多元醇，比如丙三醇和乙二醇，或其他溶剂，比如N-甲基吡咯烷酮(NMP)和二甲基甲醛(DMF)。可以通过改变水，醇和多元醇的含量，改变油墨的流变性质。油墨中通常含有0-50％的醇和0-20％的多元醇。另外，油墨中可以含有0-2％的适用分散剂。通常在加热条件下搅拌然后稀释到可涂布的稠度，制造油墨。
可以采用任何适用的手动和机械方法将催化剂应用于PEM或FTL上，包括手刷，缺口刮涂，液压轴承模涂，绕线棒涂，液压轴承涂布，槽馈刮涂，三重辊涂和贴花转印。可以通过一次应用或多次应用获得涂层。
直接甲醇燃料电池(DMFC)与PEM的类似之处在于，都使用聚合物薄膜作为电解质。但是在DMFC中，阳极催化剂本身能从液体甲醇燃料中分离氢，无须使用燃料重整器。DMFC通常在120-190°F/49-88℃之间的温度下工作。可以将直接甲醇燃料电池用于本发明的UCA封装中。
参见附图1b所示以PEM燃料电池技术实现的UCA实施例。如附图1b中所示UCA20的薄膜电极组件(MEA)25包括5个组成层。PEM层22被夹在一对流体传输层24和26之间，比如扩散电流集电器(DCC)或气体扩散层(GDL)。阳极30位于第一FTL24和薄膜22之间，阴极32位于薄膜22和第二FTL26之间。
在一种构造中，制造的PEM层22中包括位于一个表面上的阳极催化剂涂层30和位于另一个表面上的阴极催化剂涂层32。该结构通常被称为催化剂涂布的薄膜或CCM。在另一种构造中，制造的第一和第二FTL24，26中分别包括阳极和阴极催化剂涂层30，32。在另一种构造中，阳极催化剂涂层可以部分位于第一FTL24上，部分位于PEM22的一个表面上，阴极催化剂涂层32可以部分位于第二FTL26上，部分位于PEM22的另一个表面上。
FTL24，26通常是由碳纤维纸或无纺材料或机织布制造的。根据产品构造，FTL24，26的一个侧面上可以具有碳颗粒涂层。如上所述，制造的FTL24，26中可以包括或不包括催化剂涂层。
在附图1b中所示的特定实施例中，MEA25被夹在第一边缘密封系统34和第二边缘密封系统36之间。与第一和第二边缘密封系统34和36相邻的分别是流道板40和42。每个流道板40、42包括气流管道场43和氢与氧燃料进入的端口。在如附图1b所示的构造中，流道板40、42的构造是单极流道板，其中夹有单个MEA25。这个和其他实施例中的流道可以是如2001年9月17日提交的申请09/954601中公开的低横流流道。
边缘密封系统34、36为UCA封装内部提供必要的密封，隔离各个流体(气体/液体)传输和反应区，以免彼此沾污和逸出UCA20，进一步在流道板40、42之间提供电绝缘和硬质端点压缩控制。这里用术语“硬质端点”表示接近或基本不可压缩的材料，在操作压力和温度下其厚度不会发生明显变化。更具体地说，术语“硬质端点”表示薄膜电极组件(MEA)中基本不可压缩的单元或层，能够在固定厚度或应变条件下停止对MEA的压缩。这里用“硬质端点”并非表示离子传导薄膜层，催化剂层或气体扩散层。
在一种构造中，边缘密封系统34，36包括由弹性材料制成的垫圈系统。在其他构造中，如下所述，可以包括一个，两个或多个由不同选定材料制成的层，在UCA20内提供要求的密封。其他构造使用就地形成的密封系统。
在某些实施例中，垫圈是如2002年11月14日提交的申请10/294098中所公开的闭孔泡沫橡胶垫圈，该申请的序号是58218US002。在其他实施例中，垫圈由具有凸棱微观结构密封图案的接触面形成，如2002年5月10日提交的申请10/143273中所公开。
附图1C所示UCA50中结合有多重MEA25，由一个或多个双极流道板56构成。在附图1C所示构造中，UCA50包括两个MEA25a和25b，以及单个双极流道板56。MEA25a包括夹在FTL66a和64a之间的阴极62a/薄膜61a/阳极60a层状结构。FTL66a与流道末端板52相邻，其构造是单极流道板。FTL64a与双极流道板56的第一流道表面56a相邻。
类似的，MEA25b包括夹在FTL66b和64b之间的阴极62b/薄膜61b/阳极60b层状结构。FTL64b与流道末端板54相邻，其构造是单极流道板。FTL66b与双极流道板56的第二流道表面56b相邻。能够理解，单个UCA50中包括N个MEA25和N-1个双极流道板56。但是相信总体而言，包括一个或两个MEA56(N＝1，双极板＝0或N＝2，双极板＝1)的UCA50对更有效的热控制是优选的。
附图1b和1c中所示的UCA构造是实施本发明的两种特定装置。这两种装置只是说明性的，并不代表本发明范围内的所有可能构造。比如，可以用这里公开的其他密封体系替代或补充附图1b中所示的密封系统34。而且，附图1b和1c所示是本发明组合式燃料电池组件中选择性封装的各种部件。
再比如，可以使用各种密封方法，为包括夹在一对单极流道板之间的单个MEA的UCA提供要求的密封，并密封包括多重MEA，一对单极流道板和一个或多个双极流道板的UCA。比如，具有单极或双极结构的UCA中可以包括就地形成的固体垫圈，比如平面固体硅酮垫圈。
在特定实施例中，UCA除了包括密封垫圈之外，还具有硬质端点装置。硬质端点装置可以是内置式的，位于UCA内部，或者被固定在单极和/或双极流道板上。UCA还可以具有其他特征，比如流道板上具有过量垫圈物质收集沟和微型重复图案。UCA封装中具有硬质端点能限制制造过程(压力)和使用过程(比如外部叠加压力系统)中施加在MEA上的压力大小。比如，可以通过计算UCA硬质端点的高度，提供确切的MEA压力大小，比如在UCA制造过程中是30％，硬质端点将这种压缩限制在特定数量内。流道板中具有硬质端点还能起到帮助连接两块流道板的作用。
而且，实施本发明时可以在多种UCA构造中增加热量控制功能。比如，给定UCA构造可以结合整合式热量控制系统。或者，使给定UCA与可分离的热量控制结构机械偶联，以下将进行说明。因此，本发明的燃料电池组件并不限于所述特定UCA构造或特定热量控制系统。
对本领域技术人员显而易见的是，必须改进燃料电池技术，能以市场化价格大规模生产。目前的传统燃料电池封装方法限制了获得高效燃料电池叠加的能力。而且，目前的封装和叠加方法不适合于燃料电池部件的循环利用，导致燃料电池性能变差后，整个组件成为废品。燃料电池循环利用电能在更换和拆卸有缺陷的燃料电池之后再次用于某些燃料电池组件。本发明和UCA组装方法能够高效地组装和拆卸燃料电池叠加，而且，能够回收利用不同的UCA部件。
参见附图2a所示本发明UCA的剖面图。该实施例的UCA80包括就地形成的平面固体硅酮垫圈和硬质端点装置。在附图2a所示的实施例和所述其他实施例中，可以使用液态的硅酮密封剂。能够理解，硅酮密封剂材料代表一种适用于本发明UCA构造的材料。还可以换用其他密封材料，条件是这些材料表现出适用于密封燃料电池环境的弹性和足够的耐用性。
可以按照以下说明过程，制造附图2a中所示的UCA80。将流道板84置于平面上，使流体通道85朝上。举例来说，流道板84是13厘米×13厘米的平板，具有10厘米×10厘米的流体通道区域。要注意的是，可以用碳/聚合物复合材料，石墨，金属或涂布有传导性物质的金属制造流道板84、82。
液态硅酮密封材料以预定速率，比如大约0.35毫克/分的速率，在流道板84中形成MEA垫圈的表面上分散。适用的硅酮材料是D98-55，组分A和B，从Dow Corning获得。流体通道区域上覆盖有11厘米×11厘米的FTL88。在下方FTL88的一个表面上放置催化剂涂布薄膜(CCM)90，即一个表面上涂布有阳极催化剂材料，另一个表面上涂布有阴极催化剂材料的PEM，使CCM90中央对准FTL中央。
在CCM90上方安置11厘米×11厘米的FTL86，分别对准中央。FTL86，88略大于CCM90，硅酮能从形成的空间中流过并注入FTL86，88的多孔碳纤维中，形成边缘密封。FTL86，88的尺寸超过CCM90，还能防止硅酮流入流体通道85中，导致堵塞外部流体通道。
如图所示，CCM90的薄膜91或整个CCM90从MEA向外延伸至邻近硬质端点92处。延伸的薄膜或CCM部分能加强流道板84和82之间的电绝缘。但是能够理解，薄膜91或CCM90也可以不从MEA向外延伸，如附图2a和其他附图中所示。而且，能够理解薄膜91或CCM90可以从MEA延伸至MEA与硬质端点92之间要求的位置处。
外部硬质端点92在UCA80中作为垫片，控制MEA压缩。可以用多种材料制造硬质端点92，比如包括聚邻苯二甲酸乙二醇酯(PEN)，聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)，特氟隆或其他不可压缩材料或这些材料的组合。在附图2a所示的实施例中，外部硬质端点92由PEN制造，涂布有特氟隆，保证不发粘和在形成UCA之后的可剥离性。调整硬质端点92的厚度获得要求程度的MEA压缩。在附图2a中，调整硬质端点92的厚度，保持MEA30％的压缩率。
以大约0.35毫克/分的速率将预先混合的两组分(A和B)液态硅酮分散在上方流道板82和下方流道板85中形成MEA垫圈的表面上。MEA组分和外部硬质端点92和分散的硅酮夹在两个流道板82和85之间。然后将整个层叠结构80置于压机中。优选的层叠结构80压制条件是，270°F，3吨压力10分钟，形成具有就地形成的平面固体垫圈的UCA80。在形成UCA的过程中，将FTL88，86和CCM90结合在一起形成具有很好界面的MEA。注意到如果没有预先结合MEA，则通常需要10分钟的结合时间。进一步注意到在远比10分钟短的时间内，硅酮材料会熟化，则当该MEA被预先结合时，可以缩短10分钟的压制/结合时间。
附图2b所示是本发明的另一种UCA实施例。在该实施例中，除了就地形成的硅酮垫圈之外，还使用了内部硬质端点装置。将具有10厘米×10厘米流体通道区域85的13厘米×13厘米流道板84置于平面上，使流体通道朝上。这种UCA构造中包括位于每个流道板82，84中硅酮垫圈形成区域的收集通道95。如图所示，收集通道95位于各个流道板82，84的硬质端点装置93a/93b和外围之间。收集通道95为过量液态硅酮的流入提供了空间，不至于堵塞流体通道。还提供了内锁机制，从而在要求的MEA密封之外加强了UCA封装的整体性。
以大约0.35毫克/分的速率将液态硅酮分散在流道板84中形成MEA垫圈的表面上。由于存在整体式硬质端点装置，所以被分散在流道板表面上的硅酮量可以是附图2a计算量的大约50％。
该实施例的硬质端点装置中包括由PEN、PET、聚乙烯、聚丙烯、聚酯、玻璃纤维、尼龙、Delrin、Lexan、Mylar、Kapton、Teflon或类似适用材料所形成的框架93a和93b。还可以使用这些材料与碳，玻璃，陶瓷等的混合物或复合物作为硬质端点。能够理解并不要求硬质端点装置是一体式单元，相反，可以由许多不连续的或离散连接的分立硬质端点组成。
附图2b中所示框架93a和93b是由PEN制造的。该实施例中的PEN框架93b具有12.5厘米×12.5厘米的外部尺寸，和11厘米×11厘米的窗口。框架93b位于流道板84上，使框架93b覆盖大多数液态硅酮94。调整PEN框架94的厚度，保证MEA30％的压缩量。
将11厘米×11厘米的FTL88置于PET框架93b的内部窗口中。将CCM90置于FTL88上，使CCM中央对准FTL中央。另一个与框架93b同样尺寸的PET框架93a置与CCM90上，彼此中央对准。将第二块11厘米×11厘米的FTL86置于PEN框架93a的窗口中。
以大约0.35毫克/分的速率将液态硅酮94分散在第二流道板82中形成MEA垫圈的表面上。将第二块流道板92置于流道板84/FTL88/CCM90/FTL86结构顶部，并置于压机中，优选压制条件是270°F、3吨压力10分钟。
附图3a所示的另一个实施例中，用内置式硬质端点代替就地形成的硅酮垫圈。附图3a中所示UCA80的基本构造与附图2b中所示相似，区别在于硬质端点的构造不同。在附图3a所示实施例中，硬质端点内置于流道板82、84中。如图所示，每个流道板82、84都具有附图3b中所示的突起外缘82a、84a。外缘82a、84a能彼此定位，在内部流道板表面之间提供预定尺寸的空隙，足以容纳硅酮密封剂94。调整突起外缘82a、84a的高度，提供恰当的MEA压缩度。
如附图3b中所示，外缘82a包括突起界面，外缘84a包括凹陷界面。在压机的压力作用下，两个流道板82、84互相靠近，外缘82a的突起界面与外缘84a的凹陷界面接触。在外缘82a、84a之间具有绝缘层89，比如一种绝缘薄膜，在流道板82、84之间提供要求的电绝缘。
在另一种密封方法中，可以对流道板的表面进行机械加工，形成微型重复图案，通常称之为微观结构表面。各种微观结构图案及其制造方法是本领域中已知的。可以对微观结构图案进行机械加工，形成流道板的特定区域，在相对流道板表面接触时，在UCA流道板之间形成偶联。比如，这些图案中的棱宽是5到25密尔，高度在大约1.5和2.5密尔之间。
比如，可以对微观结构图案进行机械加工，在垫圈区域中加工成流道表面，在垫圈表面形成许多小的半棱形。还可以在流道中机械加工出微观结构图案。如以下所具体讨论，通过微观结构图案和聚合垫圈的组合运用(比如就地形成的硅酮垫圈或分离的弹性垫圈)，或者只使用微观结构图案或其他机械装置(比如定位针、螺丝、螺栓/螺母、联锁装置)，实现UCA密封。
附图4a和4b所示的另一种UCA中包括内部硬质端点和就地形成的硅酮密封或垫圈。在该实施例中，UCA100包括作为燃料电池阴极侧的上方流道板102，和作为燃料电池阳极侧的下方流道板104。硬质端点装置110最好如附图4b中所示，包括一体式硬质端点内核或线圈112，位于下方流道板104的螺栓114中。
可以预先对螺栓114进行机械加工，或者在制造过程中模制2。螺栓114的深度随着硬质端点内核112的直径而变化。上方流道板102中具有曲面凹陷116，其半径与硬质端点内核112相匹配。下方流道板104中可以包括收集通道105，用于容纳形成垫圈时可能流出的过量密封剂。
硬质端点内核112以及所述其他硬质端点由不可压缩的材料制成，比如PET，PEN或特氟隆。硬质端点内核112的厚度通常是0.5到2.0毫米。总体而言，硬质端点内核的厚度应当是MEA厚度的大约70％，MEA厚度通常是大约0.012毫米。
在将线圈112置于螺栓114中之前，将液体硅酮分散在硬质端点线圈112的顶部，形成硅酮垫圈。然后使硬质端点线圈112沉入螺栓114中，保持沿着螺栓114中心线的方法。这样有助于保持硅酮层与硬质端点线圈112具有大致相同的厚度。正确定位MEA106和上方流道板102，将层叠结构100置于恰当温度和压力条件的压机中，保持上述预定的持续时间。
注意到薄膜的尺寸与FTL相同。即使出乎预料地接触到催化剂，由于硅酮能避免燃料接触到催化剂，所以也不成问题。如果希望UCA能循环利用，则可以在直接接触硅酮垫圈/密封材料的流道板102，104表面上应用附加的剥离涂层。这样，就能很容易地从制得的流道板102，104上分离损坏UCA的MEA和密封/垫圈。
参见附图5a-5f所示包括本发明另一种密封装置的UCA部分区域。附图5a-5f中所示实施例中结合了热塑性密封材料，通常以薄膜，胶带或其他固体形式分布。热塑性材料可以是含氟塑料，比如THV(四氟乙烯，六氟丙烯和偏二氟乙烯的三元共聚物)；聚乙烯；聚乙烯的共聚物，比如乙烯和丙烯酸的共聚物；Thermo-Bond 845(由3M制造，比如聚乙烯马来酸酐共聚物)和Thermo-Bond686(由3M制造，比如聚酯)。这些物质与碳，玻璃，陶瓷等填料的混合或复合物也可以作为热塑性材料。优选熔化范围是50-180℃，更优选是100-150℃，接近于MEA结合的温度。热塑性材料还应当与硬质端点和流道板粘合。
在某些UCA/MEA构造中，热塑性密封材料在UCA密封之外提供加强的边缘防护。除了其他好处之外，使用固体热塑性密封薄膜还能显著降低或消除因为使用液态密封剂而产生流动通道堵塞的危险。而且，FTL可以位于UCA/MEA中，以免热塑性密封薄膜流入进气孔和通道中。
使用固体热塑性密封薄膜的特别的好处是，这种密封薄膜会溶解进入FTL，从而在密封薄膜覆盖FTL时，不会改变FTL边缘的厚度。而传统的MEA制造方法会导致MEA的边缘厚度略微发生变化，产生所受到的压力比MEA其他区域大许多的位置。如果MEA的边缘处受到太大压力，则MEA很容易在这些区域出问题。因为本实施例的热塑性密封薄膜在扩散进入FTL表面之后，没有明显的厚度变化，所以MEA在UCA叠加中受到的压力与整个MEA表面的相等。
如上所述，在本发明中使用热塑性密封薄膜的另一个好处是薄膜边缘防护。在耐久性试验中，发现导致MEA出问题的主要原因是FTL和垫圈硬质端点之间的区域中产生了应力，导致撕裂，产生大量氢交换。这种交换使MEA变得完全无法使用，使UCA叠加的剩余部分出问题，因为无法传送氢燃料至其他叠加中的其他MEA去。
这种边缘撕裂现象会出现在某些MEA结构中，因为阳极和阴极层之间通常存在压差，薄膜几乎没有支撑物，所以那个区域的薄膜强度是很小的。这时，热塑性密封薄膜在薄膜上熔化，形成不太容易被撕裂的强有力支撑。制得的薄膜边缘处具有FTL，有更高的使用寿命和可靠性能的潜力，因为显著降低了在边缘出问题的机会。
这种UCA构造的另一个优点是，薄膜得到保护以免受到FTL锐角的影响。在许多情况下发现，特别是对更硬的FTL，有时候FTL的边缘会戳穿薄膜，导致短路，使MEA出问题。传统方法只能部分控制这个问题。在该实施例中，优选在结合之前，有一个热塑性密封薄膜位于FTL边缘下方。热塑性密封薄膜能保护薄膜防止在结合过程中受到锋利边缘的损坏。与传统方法相比，使用该实施例的热塑性密封薄膜，能够完全避免发生FTL导致的薄膜穿刺现象的发生。
在某些实施例中增加硬质端点，能够进一步提供精确控制UCA中压缩的优点，当FTL压缩到达最佳程度时停止燃料电池的压缩。硬质端点的厚度随着FTL的厚度变化，能够提供最佳压缩率。
附图5a所示在被置于结合压机中之前的UCA边缘部分，附图5b所示是附图5a的UCA部分在完成结合步骤之后的情况。UCA200包括第一和第二流道板202，204，每个板都具有进气口206，210和许多气流管道208，212。MEA212位于第一和第二流道板202，204之间。MEA212中包括一对FTL220，222，其间有CCM214。CCM214包括阴极和阳极催化剂层224，226，以及从MEA212向外延伸的薄膜228。如图所示，薄膜228超出FTL220，222的边缘，大致在第一和第二流道板202，204的边缘处结束。
UCA200中复合的硬质端点装置包括分别位于薄膜228和第一与第二流道板202，204之间的第一与第二硬质端点框架234，240。硬质端点框架234，240可以由合适的硬质端点材料制成，比如PET，PEN，特氟隆或类似物。第一硬质端点框架234通过使用粘性薄膜或者位于第一硬质端点框架234和薄膜228之间的层236而保持在薄膜228上。类似的，第二硬质端点框架240通过使用粘性薄膜或位于第二硬质端点框架240和薄膜228之间的层238而保持在薄膜228上。
第一热塑性薄膜230的第一末端位于第一FTL220和部分超出阴极催化剂层224的部分薄膜228之间。第一热塑性薄膜230通过在第一FTL220的末端和第一硬质端点框架234之间所形成的空隙211。在附图5a的构造中，第一热塑性薄膜230位于第一硬质端点框架234和第一流道板202之间。第一热塑性薄膜230的第二末端在第一流道板202的边缘处结束。
第二热塑性薄膜232的第一末端位于第二FTL222和超出阳极催化剂层226的部分薄膜228之间。第二热塑性薄膜232通过在第二FTL222的末端和第二硬质端点框架240之间所形成的空隙211b。在附图5a的构造中，第二热塑性薄膜232位于第二硬质端点框架240和第二流道板204之间。第二热塑性薄膜232的第二末端在第二流道板204的边缘处结束。
通常每个热塑性薄膜230，232的厚度都是大约2.5密尔，单个硬质端点框架234，240的厚度通常是大约5密尔。在使用单个硬质端点框架的UCA构造中，比如附图5c-5d所示的实施例中，硬质端点框架235的厚度是大约10密尔。注意到FTL220，222的厚度通常是大约8密尔。能够理解这些尺寸随着特定的UCA设计而变化。
在另一种构造中，第一热塑性薄膜230位于第一FTL220和超出阴极催化剂层224的部分薄膜228之间。该构造中的第一热塑性薄膜230通过空隙211a并在第一硬质端点框架234的边缘处结束。在第一硬质端点框架234和第一流道板202之间具有粘性薄膜或类似于层236的层。
在该实施例中，第二热塑性薄膜232位于第二FTL222和超出阳极催化剂层226的部分薄膜228之间。这种构造中的第二热塑性薄膜232通过空隙211b，并在第二硬质端点框架240的边缘处结束。在第二硬质端点框架240和第二流道板204之间由粘性薄膜或类似于层238的层。
附图5b所示是结合过程完成之后的边缘保护UCA。从附图5b中可知，UCA200的不同部件通过熔融的热塑性薄膜230，232而结合在一起。热塑性材料浸渍FTL220，222，但是没有渗入进气口206，210中。而且，FTL220，222相对气体通道208，212的恰当位置能防止气体通道在结合步骤中被堵塞。薄膜228在第一与第二硬质端点框架234，240和第一与第二FTL220，222之间的易损坏边缘处周围包裹着相当大的熔融热塑性材料层。
附图5c和5d所示另一种UCA封装构造中复合有热塑性密封剂材料以及硬质端点装置。附图5c所示是被置于结合压机之前的UCA边缘部分，而附图5d所示是附图5c的UCA部分在完成结合过程之后的情况。在该实施例中，MEA212包括在第一和第二FTL220，222处或附近结束的薄膜228。在附图5a和5b的实施例中，附图5c和5d中的第一和第二热塑性薄膜230，232分别超出催化剂层224，226的薄膜228和第一与第二FTL220，222之间。
第一和第二热塑性薄膜230，232分别通过在第一与第二FTL220，222末端和硬质端点框架235之间所形成的空隙211。由于薄膜228没有超出硬质端点装置，所以可以使用单个硬质端点框架235。注意到薄膜228延伸进入空隙211，并到达硬质端点框架235，从而加强第一和第二流道板202，204之间的电绝缘。
第一和第二热塑性薄膜203，232分别硬质端点框架235和第一与第二流道板202，204之间。在附图5a和5b所示的构造中，第一和第二热塑性薄膜203，232可以延伸至硬质端点框架235，这时在硬质端点框架235和第一与第二流道板202，204之间分别具有粘性薄膜或层。
附图5e和5f所示另一种UCA中复合有本发明的热塑性密封剂材料。在该实施例中，与附图5a-5d的实施例相同没有使用硬质端点装置。附图5e所示是被置于结合压机中之前UCA200的边缘部分，附图5f所示是附图5e的UCA部分在完成结合步骤之后的情况。
在该实施例中，MEA212包括从MEA212向外延伸的薄膜228，在每个第一和第二流道板202，204处或附近结束。第一热塑性薄膜230位于第一FTL220和超出阴极催化剂层224的部分薄膜228之间。该构造中的第一热塑性薄膜230位于薄膜228的超出部分上，并在第一流道板202的边缘处结束。
该实施例的第二热塑性薄膜232位于第二FTL222和超出阳极催化剂层226的部分薄膜228之间。第二热塑性薄膜232位于薄膜228的超出部分上，并在第二流道板202的边缘处结束。能够理解薄膜228不一定必须超出MEA212的边缘，或者分别超出第一和第二流道板202，204的边缘。
以下是本发明的另一方面，进一步的实施例涉及具有热控制特征的UCA组件。在某些实施例中，热控制特征包括能与UCA分离的冷却结构。在其他实施例中，热控制特征包括与UCA封装整合的冷却机构。在进一步的实施例中，与UCA整合或分离的UCA冷却结构有助于UCA叠加的组装和拆卸。
在其他实施例中，使用各种锁定/啮合装置帮助简化将UCA组件插入叠加和从叠加中拆卸UCA。在进一步的实施例中，使用各种锁定/啮合装置帮助简化将MEA插入一对流道板或从一对流道板中取出MEA。以下将具体说明这些和其他特征。
总体而言，组装包括流道板，MEA和冷却结构的燃料电池叠加时，要小心对准所有部件，将这些部件压制在一起，使每个燃料电池都受到一定程度的压缩。传统的燃料电池叠加使用具有固定孔的连杆通过流道板内部压缩叠加。电池出问题时，要求拆除故障电池并更换，从而使叠加体或模块继续工作。
对于传统燃料电池叠加组合体，拆除或替换损坏的电池或损坏的叠加体是复杂而耗时的。为了从使用传统方法组装的燃料电池叠加体中拆除损坏的电池，必须拆卸整个叠加体然后完全重建。包括拆卸整个连杆和每个电池，然后在从叠加体中拆除问题电池之后重建整个叠加体。
本发明叠加燃料电池的方法能高效地拆除和替换叠加组合体中的缺陷电池，从而降低与叠加体拆卸和再组装操作相关的复杂性和时间消耗。而且，本发明叠加燃料电池的方法能加强燃料电池部件的循环利用，从而再次利用从叠加中拆除的某些缺陷燃料电池部件(比如，流道板，硬质端点部件，弹性密封，冷却组分等)。
在一种热控制构造中，如附图6a-6c中所示，UCA组件300中包括UCA302和可分离的平板304。该实施例中的UCA302具有矩形或方块形状，能够理解其他形状和构造也是可能的。冷却平板304中包括凹陷表面308，其尺寸正好能容纳UCA302。冷却平板304的一个或多个表面，比如背面和/或侧面，具有冷却装置306，比如冷却通道或散热片。可以有流体传热介质，比如空气，水或其他气相或流体冷却剂，能够通过冷却装置306，控制UCA302的温度(即加热和/或冷却UCA302)。
从附图6b和6c中可知，第一UCA302可以位于冷却板304第一表面的凹陷308中。另外，冷却板304的第二表面，比如包括冷却装置306的表面中，可以包括其尺寸与第二UCA302匹配的凹陷307。通过这种方法，能够用单个冷却板304提供冷却，并与两个UCA302对准啮合。
因此，可以用UCA302和冷却板304之间的凹陷匹配关系，联锁UCA组件的叠加300。注意到在替代构造中，UCA302的一个或多个表面上具有凹陷，冷却板304中可以包括一个或多个能嵌入UCA302相关凹陷表面的突起表面。
UCA302和冷却板304之间的凹陷匹配能简化对准操作并简化其间的插入/取出操作。在这种实施方式中，最好如附图7a和7b中所示，使用压缩设备320压制UCA组件叠加300(即UCA320和相关的冷却板304)，压缩设备中连杆326完全位于UCA组件300的外侧。通过这种设计，叠加组合体就不需要特别的对准操作。与使用通过流道板的连杆的传统方法相比，使用这种设计拆卸或替换叠加系统中特定电池需要的工作量特别少。
附图7a和7b中所示的压缩设备320包括一对末端平板322，324，连杆326在其间延伸。为了简化而没有表示出燃料和冷却剂多支管和对准针。开始时，将每个UCA302置于其相关冷却板304的凹陷308中，在该实施例中确定UCA组合300。将连杆326穿入各个末端平板322，324的孔中。
如图所示，开始时一个连杆326a可以未被安装，从而有助于将UCA组件300插入压缩设备320中。插入全部UCA组件300之后，在相关连杆326上拧紧螺母325，产生恰当的叠加压力(比如大约150磅/平方英寸)。可以用转矩扳手适当拧紧螺母325。可以发现UCA302和冷却板304之间的凹陷匹配使叠加中的UCA302精确对准，并UCA302在叠加组装和拆卸过程中发生滑脱。
如附图7a和7b中所示，可以拆除单个连杆326a，帮助从叠加中拆除缺陷的UCA302。如图所示，拆除连杆326a并松开所有其他的连杆326。拆除损坏的UCA302。然后将替换的UCA302插入拆除损坏UCA302后留出的冷却板凹陷。或者，可以从叠加中取出与拆除的UCA302相关的冷却板304，使叠加中的UCA组件300减少一个。替换先前拆除的连杆326a，适当拧紧所有连杆326。
通过该实施例的凹陷匹配设计，只需要松开燃料电池叠加并拆除损坏的电池(UCA)，替换或者再次拧紧少了一个电池(UCA)的叠加体。凹陷匹配设计能使模块中的所有电池(UCA)精确对准，处于完全相同的位置。不允许电池(UCA)运动或滑动，否则会形成高压缩率部分或密封损坏。由于连杆孔不再位于流道板中，所以制造流道板不象以前那样复杂和高成本。另外，由于没有需要在每个流道板两侧进行密封的连杆孔，所以需要进行的密封更少。通过减少密封数量，能够相应地减少交叉和泄漏。
附图6d中所示是本发明的另一种可循环利用的UCA组件。与附图6a-6c所示实施例相同，附图6d中所示的UCA构造中包括可分离的冷却板404a，404b和类似的凹陷匹配联锁机制。可以使用与附图6d中所示类似的UCA组件设计构造包括如附图7a和7b中所示压缩设备的燃料电池叠加体。
附图6d中所示UCA组件包括复合两个UCA402a，402b的双极UCA402。双极UCA402位于一对冷却板404a，404b之间。UCA402包括第一单极流道板410，双极流道板414和第二单极流道板420。第一MEA412位于第一流道板410和双极流道板414之间，第二MEA416位于第二流道板420和双极流道板414之间。第一MEA412的冷却只要由冷却板404a实现，第二MEA416的冷却主要由冷却板404b实现。
附图6d中所示UCA封装构造中的各个部件能在识别缺陷MEA之后被循环利用。估计UCA的密封垫圈装置是可分离的弹性密封装置或上述热塑性密封装置，能从电池叠加中拆除缺陷的UCA并进行拆卸。在一种方法中，可以从相关的冷却板404a，404b中拆除附图6d中所示缺陷的双极UCA组件402，按照上述单极UCA的实施方法，更换可以工作的双极UCA组件402。
在另一种方法中，可以拆除缺陷的双极UCA组件，并进一步拆卸从双极UCA封装中取出每个MEA。比如，可以加热双极UCA组件使就地形成的热塑性密封装置软化或重新流动。然后分离流道板410，414和420，暴露出两个MEA412，416。然后取出缺陷的MEA。清洁并修复流道板410，414和420，再次使用。如上所述，可以在流道板中就地形成垫圈的表面上应用剥离涂层，有助于简化UCA部件的拆卸。
参见附图8a-8c所示的UCA组件，其中使用了本发明的锁定或啮合功能。UCA500包括第一流道板502和第二流道板504。第一流道板502进一步包括其尺寸与MEA匹配的凹陷表面512。第二流道板504中也包括其尺寸与MEA匹配的凹陷表面514。
在该特定实施例中，第一流道板502中复合的冷却装置510与第一流道板502是整合的。冷却装置510中包括冷却通道，散热片，或其他能帮助输送传热介质通过第一流道板502后表面的结构。
附图8a-8c中所示UCA500中复合了锁定或啮合装置506，在构造UCA叠加501时有助于精确对准和方便组装UCA。在附图8a-8c所示实施例中，锁定装置506包括分别位于第一和第二流道板502和504相对末端上的机械锁定结构520和524。锁定结构524包括第二流道板504的突起表面，优选靠近第二流道板504的外缘。锁定结构520包括第一流道板502的凹陷表面，同样优选靠近第一流道板502的外缘。
每个锁定结构520，524在第一和第二流道板502和504之间，在组装的UCA500和相邻的分别具有锁定结构520，524的UCA之间提供对准的凹陷匹配。能够理解锁定结构520，504通过恰当的绝缘材料彼此电绝缘。
这种机械锁定装置能简化UCA500叠加501的组装和拆卸，如附图8c中所示。能够理解可以通过其他凹陷和突起的表面构造实现该发明实施例的机械锁定功能。比如，第一流道板502中可以复合其尺寸与第二流道板504中的突起表面相匹配的凹陷表面。
可以使用其他机械锁定装置，使UCA的相对流道板发生机械偶联和去偶联。这种用于流道板的装置包括定位针，钩环材料，微观结构图案，螺丝，螺栓，咬合的偶联装置，和其他种类的机械紧固件。
参见附图9a-9e所示复合了本发明整合冷却装置的UCA组件。该实施例中包括许多优点，包括定位和对准特征，机械锁定结构和整合的冷却装置。在本发明中这些特征中的部分或全部都能被复合在UCA组件中。
附图9a所示UCA600中包括两个平板602，604以及位于其间的MEA(未示出)。平板602中包括第一表面606，该表面中具有整合的冷却装置630，和第二表面608，该表面中包括流道。平板602的第一表面606如附图9e中所示，平板602的第二表面608如附图9b中所示。附图9a中所示平板604中具有位于第一表面610上的流道650，还具有位于第二表面612上的平滑区域。平板604的第一表面610如附图9c中所示，第二表面612如附图9d中所示。
平板602和604具有锁定结构，有助于定义燃料电池叠加中UCA的重复对平板602，604之间的凹陷匹配。最好如附图9a中所示，第一和第二平板602，604按所示方向彼此配对啮合，使平板602的第二表面608与平板604的第一表面610配对啮合。沿着第一和第二平板602，604边缘处的凹陷和突起表面定义了UCA600的主要啮合或锁定结构。彼此靠近时，这些表面啮合在一起，形成机械的凹陷匹配。
组合两个这样的UCA600之后，使两个UCA600面对面地彼此机械偶联，在UCA600平板602的第一表面606和第二UCA600第二平板604的第二表面612之间形成凹陷匹配。通过这种方法，能够组合任意数量的UCA600，构成要求的燃料电池叠加体。
除了提供定位，对准和联锁功能之外，UCA平板602和604的各种凹陷，平滑和突起表面有助于密封UCA的各个区域，比如冷却区域，燃料多支管区域622，624，628和626，以及UCA的外缘区域。
平板602的第一表面606，如附图9a和9e中所示，包括冷却区域620，其中的冷却剂分散区630位于冷却剂多支管口634和632之间。燃料进口和出口690，688，682和692分别位于燃料多支管区域622，624，628和626中。燃料多支管区622，624，628，626和冷却区域620是相对于平板606底面抬升的表面。这些抬升的表面能与平板604第二表面612上的相应凹陷和/或平滑表面匹配。
具体而言，位于第一UCA600平板602表面606上的抬升冷却区域620能够与第二UCA600平板604第二表面612上的平滑表面啮合并形成密封。第一UCA600平板602第一表面606上抬升的燃料多支管区域622，624，628和626能与第二相邻UCA600的平板604第二表面612上最接近的燃料多支管区域652，662，660和658的平滑表面啮合并形成密封。燃料多支管区域622和626中的燃料口635和637能使燃料通过UCA600的流道。
第一平板602的第一表面608包括流道680，如附图9b中所示。流道680包括燃料进口684和燃料出口686。燃料进口684与平板602第一表面606的燃料口635发生流动偶联，如附图9e中所示。燃料出口686与平板602第一表面606上的燃料口637发生流动偶联。
同样，第二平板604的第一表面610包括流道650，如附图9c中所示。流道650包括燃料进口656和燃料出口654。燃料进口656与平板604第二表面612上的燃料口701发生流动偶联，如附图9d中所示。燃料出口654与平板604第二表面612上的燃料口703发生流动偶联。
在构建UCA600时，将MEA正确定位于第一或第二平板602，604的一个流道680，650上。平板602或604中还可以具有一个或多个硬质端点框架。可以按照上述方法形成预制密封或就地形成的密封(比如，液态硅同或热塑性密封)。
还可以采用多种其他机械偶联方法，比如定位针，钩环材料，微观结构图案，螺丝，螺栓，咬合偶联装置，和上述其他种类的机械紧固件。可以用金属，碳或复合材料，比如传导性石墨或碳/聚合物复合材料，加工或形成平板602，604。
构建之后，在组装燃料电池叠加时将UCA600与其他的类似UCA600排列在一起。在其他实施例中，如果UCA600工作表现很差，则能采用上述方法循环利用附图9a-9e中所示的UCA600。
附图10所示的简化的燃料电池叠加，有助于理解燃料进出叠加的方式。能够理解附图10中所示叠加中使用的多个具有上述构造的UCA，附图10中所示叠加的特定部件和构造仅是说明性的。本领域技术人员能够理解可以使用按照本发明原理构建的UCA组装这种燃料电池叠加体。
附图10中所示燃料电池叠加800包括第一末端平板802和第二末端平板804。每个末端平板802，804都包括单极流道板。有许多MEA820和双极流道板830位于第一和第二末端平板802，804之间。这些MEA和流道部件优选是所述种类的，能够理解叠加800中可以包括冷却装置。
第一末端平板802包括第一燃料进口806，该端口能接受氧，和第二燃料出口808，该端口能排出氢。第二末端平板804包括第一燃料出口809，该端口能排出氧，和第二燃料进口810，该端口能接受氢。燃料以特定方式由末端平板802，804中的各个端口以及叠加800中每个MEA820和流道板8259比如UCA)上的多支管端口825通过叠加。
附图11所示燃料电池系统中的一个或多个燃料电池叠加中使用了本发明的UCA。附图11中所示燃料电池系统900说明了一种可能的系统，其中使用了基于UCA的燃料电池叠加体。
燃料电池系统900包括燃料加工机904，动力部分906和功率调节器908。包括燃料重整器的燃料加工机904接受原料燃料，比如天然气，将其加工成氢富集的燃料。氢富集燃料被输送至动力部分906。在动力部分906中，氢富集燃料被引入动力部分906中燃料电池叠加的UCA中。空气也被输送至动力部分906，为燃料电池叠加提供氧。
动力部分906的燃料电池叠加产生DC功率，可用的热量和清洁水。在再生系统中，可以用部分或全部的副产品热量来制造蒸汽，然后被燃料加工机904利用，实现各种加工功能。动力部分906产生的DC功率被输送至功率分配器908，使DC功率转化成AC功率，以备后用。能够理解提供DC输出功率的系统中不必包括AC功率转化。
上述对本发明各实施例的说明是说明和描述目的的。并非试图穷举或将本发明限制在所公开的形式中。通过以上说明能够作出许多改进和变化。本发明的范围并不受限于这些详细说明，而是由权利要求限定。
权利要求
1.一种可叠加的组合式燃料电池系统，包括组合式燃料电池组件，包括第一流道板；第二流道板；和位于第一与第二流道板之间的薄膜电极组件(MEA)；可与组合式燃料电池组件分离的冷却结构；和位于组合式燃料电池组件和/或冷却结构上的固定装置，固定装置的构造有助于组合式燃料电池组件和冷却结构之间的配对啮合，并在预定方向上固定组合式燃料电池组件。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于固定装置包括冷却结构的凹陷部分，其构造成接受组合式燃料电池组件。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于固定装置包括组合式燃料电池组件的凹陷部分，其构造成接受冷却结构。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于冷却结构包括导热复合材料。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于冷却结构包括金属化材料。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于冷却结构包括大量冷却散热器。
7.如权利要求1所述的系统，其特征在于冷却结构包括一个或多个冷却通道。
8.如权利要求1所述的系统，其特征在于冷却结构能容纳气相传热介质。
9.如权利要求1所述的系统，其特征在于冷却结构能容纳液体传热介质。
10.如权利要求1所述的系统，其特征在于第二流道板确定了双极流道板，组合式燃料电池组件进一步包括第三流道板和位于第二流道板和第三流道板之间的第二MEA。
11.如权利要求10所述的系统，其特征在于组合式燃料电池组件包括第一表面和第二表面，该系统进一步包括可与组合式燃料电池组件分离的第二冷却结构。
12.如权利要求10所述的系统，其特征在于组合式燃料电池组件包括第一表面和第二表面；系统进一步包括可与组合式燃料电池组件分离的第二冷却结构；和固定装置，其构造有助于冷却结构和组合式燃料电池组件第一表面之间以及第二冷却结构和组合式燃料电池组件第二表面之间的配对啮合。
13.如权利要求12所述的系统，其特征在于固定装置包括冷却结构的第一凹陷部分，其构造能与组合式燃料电池组件的第一表面匹配；和第二冷却结构的第二凹陷部分，其构造能与组合式燃料电池组件的第二表面匹配。
14.如权利要求12所述的系统，其特征在于固定装置包括组合式燃料电池组件第一表面的第一凹陷部分，其构造能与冷却结构的突起表面匹配；和组合式燃料电池组件第二表面的第二凹陷部分，其构造能与第二冷却结构的突起表面匹配。
15.如权利要求12所述的系统，其特征在于固定装置包括冷却结构的第一凹陷部分，其构造能与组合式燃料电池组件的第一表面匹配；和组合式燃料电池组件第二表面的第二凹陷部分，其构造能与第二冷却结构的突起表面匹配。
16.如权利要求1所述的系统，其特征在于大量组合式燃料电池系统被排列成组合式燃料电池系统的互联叠加，成为燃料电池叠加组合体。
17.如权利要求16所述的系统，其特征在于一个或多个燃料电池叠加组合体被复合在燃料电池系统中。
18.如权利要求16所述的系统，其特征在于燃料电池叠加组合体的压缩装置中包括与叠加的第一组合式燃料电池系统相邻的第一末端平板和与叠加的最后一个组合式燃料电池系统相邻的第二末端平板，压缩装置对叠加施加压力。
19.如权利要求18所示的系统，其特征在于压缩装置包括至少一个可分离的压缩单元，有助于叠加中选定组合式燃料电池组件的插入和取出。
20.一种可叠加的组合式燃料电池系统，包括组合式燃料电池组件，包括第一流道板；第二流道板；和位于第一和第二流道板之间的薄膜电极组件(MEA)；可与组合式燃料电池组件分离的冷却结构；位于组合式燃料电池组件和/或冷却结构上的固定装置，固定装置的构造有助于组合式燃料电池组件和冷却结构之间的配对啮合，并在预定方向上固定组合式燃料电池组件；和锁定装置，其构造能在配对啮合时定位和对准相邻的组合式燃料电池系统。
21.如权利要求20所述的系统，其特征在于锁定装置的构造能在配对啮合时定位相邻的组合式燃料电池系统。
22.如权利要求20所述的系统，其特征在于组合式燃料电池组件，包括第一表面和第二表面；固定装置，包括冷却结构的凹陷部分，其构造能与组合式燃料电池组件的第一表面匹配；和锁定装置，包括从冷却结构的凹陷部分向外突起的组合式燃料电池组件的全部或部分第二表面。
23.如权利要求22所述的系统，其特征在于组合式燃料电池组件第二表面向外突起部分的构造能与相邻的一个组合式燃料电池系统的凹陷表面匹配。
24.如权利要求23所述的系统，其特征在于相邻的一个组合式燃料电池系统的凹陷表面包括相邻的一个组合式燃料电池系统冷却结构的凹陷表面。
25.如权利要求20所述的系统，其特征在于组合式燃料电池组件，包括第一表面和第二表面；固定装置，包括冷却结构的第一突起表面，其构造能与组合式燃料电池组件第一表面的凹陷部分相匹配；和锁定装置，包括冷却结构的第二突起表面。
26.如权利要求25所述的系统，其特征在于冷却结构的第二突起表面的构造能与相邻的一个组合式燃料电池系统中组合式燃料电池组件的凹陷表面匹配。
27.如权利要求20所述的系统，其特征在于大量组合式燃料电池组件的锁定装置是配对啮合的，形成组合式燃料电池组件的叠加体。
28.如权利要求27所述的系统，其特征在于组合式燃料电池组件的叠加进一步包括压缩装置，其中包括与叠加的第一组合式燃料电池组件相邻的第一末端平板和与叠加的最后一个组合式燃料电池组件相邻的第二末端平板，压缩装置对叠加施加压力。
29.如权利要求28所述的系统，其特征在于压缩装置包括至少一个可分离的压缩单元，有助于叠加中选定组合式燃料电池组件的插入和取出。
30.如权利要求27所述的系统，其特征在于一个或多个燃料电池叠加被复合成燃料电池系统。
31.一种可叠加的组合式燃料电池组件，包括第一平板，具有第一表面，第二表面和第一啮合装置，第一平板的第一表面包括第一流道，第一平板的第二表面包括整合的冷却装置；第二平板，具有第一表面，第二表面和第二啮合装置，第二平板的第一表面包括第二流道；和位于第一和第二流道之间的薄膜电极组件(MEA)，MEA包括第一和第二流体传输层(FTL)以及位于阳极和阴极催化层之间的薄膜；其特征在于当第一啮合装置与第二啮合装置配对啮合时，第一流道对准第二流道。
32.如权利要求31所述的组件，其特征在于第二啮合装置包括位于第二平板第一表面上的凹陷部分，第二啮合装置包括位于第一平板第一表面上的突起部分，当第一和第二啮合装置之间配对啮合时，第二平板的凹陷部分与第二平板的突起部分匹配。
33.如权利要求31所述的组件，其特征在于第二啮合装置包括位于第二平板第一表面上的突起部分，第一啮合装置包括位于第一平板第一表面上的凹陷部分，当第一和第二啮合装置之间配对啮合时，第二平板的突起部分与第二平板的凹陷部分匹配。
34.如权利要求31所述的组件，其特征在于第一和第二啮合装置包括位于第一和第二平板的各个第一表面上的一个或多个微观结构图案。
35.如权利要求31所述的组件，其特征在于第一和第二啮合装置包括位于第一和第二平板的各个第一表面上的一个或多个可松开的紧固件。
36.如权利要求31所述的组件，其特征在于第一啮合装置的构造能与相邻的一个组合式燃料电池组件的第二啮合装置配对啮合。
37.如权利要求36所述的组件，其特征在于第一平板的冷却装置为相邻的一个组合式燃料电池组件提供冷却。
38.如权利要求36所述的组件，其特征在于第二啮合装置的构造能与相邻的一个组合式燃料电池组件的第一啮合装置配对啮合。
39.如权利要求31所述的组件，其特征在于第一和第二啮合装置包括位于第一和第二平板的各个第二表面上的一个或多个微观结构图案，能与相邻的一个组合式燃料电池组件的各个第二表面啮合。
40.如权利要求31所述的组件，其特征在于第一和第二啮合装置包括位于第一和第二平板的各个第二表面上的一个或多个可松开的紧固件，能与相邻的一个组合式燃料电池组件的各个第二表面啮合。
41.如权利要求31所述的组件，其特征在于第一啮合装置的构造能与第一个相邻的组合式燃料电池组件的第二啮合装置配对啮合，第二啮合装置的构造能与第二个相邻的组合式燃料电池组件的第一啮合装置配对啮合，其特征在于第一平板的冷却装置为第一个相邻的组合式燃料电池组件提供冷却。
42.如权利要求31所述的组件，其特征在于冷却装置包括冷却通道。
43.如权利要求42所述的组件，其特征在于冷却通道位于第一平板的外围之内。
44.如权利要求42所述的组件，其特征在于冷却装置进一步包括与冷却通道流动偶联的进口和出口，传热介质分别由进口和出口通过冷却通道。
45.如权利要求31所述的组件，其特征在于冷却装置包括大量冷却剂分散通道。
46.如权利要求31所述的组件，进一步包括在第一啮合装置与相邻的一个组合式燃料电池组件的第二啮合装置配对啮合时，将冷却装置的冷却流体与相邻的一个组合式燃料电池组件的第一流道隔离的密封装置。
47.如权利要求31所述的组件，其特征在于冷却装置能容纳气相传热介质。
48.如权利要求31所述的组件，其特征在于冷却装置能容纳液体传热介质。
49.如权利要求31所述的组件，其特征在于大量组合式燃料电池组件的第一和第二啮合装置配对啮合，形成组合式燃料电池组件的叠加体。
50.如权利要求49所述的组件，其特征在于组合式燃料电池组件的叠加进一步包括压缩装置，其中包括与叠加的第一组合式燃料电池组件相邻的第一末端平板，和与叠加的最后一个组合式燃料电池组件相邻的第二末端平板，压缩装置对叠加施加压力。
51.如权利要求50所述的组件，其特征在于压缩装置包括至少一个可分离的压缩单元，有助于叠加中选定组合式燃料电池组件的插入和取出。
52.如权利要求49所述的组件，其特征在于一个或多个燃料电池叠加被复合形成燃料电池系统。
全文摘要
本发明涉及一种包括冷却功能的可叠加组合式燃料电池系统。组合式燃料电池系统中包括组合式燃料电池组件，它具有第一流道板、第二流道板和位于第一与第二流道板之间的薄膜电极组件(MEA)。在一种构造中，冷却结构可以与组合式燃料电池组件分离。在另一种构造中，冷却结构与组合式燃料电池组件整合在一起。在组合式燃料电池组件和/或冷却结构上具有固定装置。固定装置的构造有助于组合式燃料电池组件、冷却结构和燃料电池叠加体的相邻组合式燃料电池系统之间的配对啮合。
文档编号F28F3/12GK1714466SQ03825531
公开日2005年12月28日 申请日期2003年9月9日 优先权日2002年11月15日
发明者D·M·皮尔庞特, K·B·索尔斯伯里, S.S.毛, J·M·列 申请人:3M创新有限公司