专利名称：钝性进料区中无扩散介质的冲压板燃料电池的加压冷却剂的制作方法
技术领域：
本发明涉及质子交换薄膜(PEM)燃料电池，尤其涉及在燃料电池堆中分隔相邻燃料电池的非粘合双极板中的加压冷却剂。
背景技术：
在许多装置中，已经将燃料电池用作电源。例如，提议将燃料电池用于电动车发电厂中来替代内燃机。在质子交换薄膜(PEM)型燃料电池中，把氢气(或含氢的气体)提供给燃料电池的阳极，而把氧气作为氧化剂提供给阴极。氧气可以是纯氧的形式(O2)或者是空气(O2和N2的混合物)。PEM燃料电池包括薄膜电极组件(MEA)，它包含一面具有阳极催化剂而另一面具有阴极催化剂的、薄的、可传送质子的、无电传导的、固体聚合物电解质薄膜。
典型地，根据上下文，术语“燃料电池”用于指单个的电池或者多个电池(堆)。典型地，多个单独的电池捆在一起以形成燃料电池堆并且通常设置在电位序中。堆中的每个电池包括早先所述的薄膜电极组件(MEA)，并且每个这样的MEA提供其电压增量。把堆中一组相邻的电池称为簇。举例来说，美国专利号5,763,113中示出并描述了用于堆中多级电池的一些典型设置。
燃料电池堆接收阴极输入气体，典型地是由压缩机施力穿过堆的空气流。不是所有的氧气都由堆来消耗，一些空气当作可包括作为堆的副产物的水的阴极废气输出。该燃料电池堆还接收流进堆的阳极侧的阳极氢气输入气体。
燃料电池堆包括堆中位于数个MEA之间的一系列流场板或双极板。双极板包括堆中用于相邻燃料电池的阳极侧和阴极侧。在双极板的阳极侧提供使阳极气体流到每个MEA的阳极侧的阳极气体流动通道。在双极板的阴极侧提供使阴极气体流到每个MEA的阴极侧的阴极气体流动通道。双极板由导电材料例如不锈钢制成，使得它们把燃料电池产生的电能从一个电池传导到下一个电池以及传导到堆外。
之前，美国专利申请2005/0058864A1、题为“用于燃料电池的嵌套双极板及方法”
公开日为2005年3月17日的发明人提出，燃料电池堆的厚度和重复距离可通过在燃料电池的活性进料区域中嵌套流动通道而减小，该美国专利申请公开的内容在此全部引作参考。在这种设计中，燃料电池堆包括堆中用于相邻燃料电池的两个MEA(每个双极板有一个MEA)。每个MEA包括上面提到的类型的薄膜、阳极侧催化剂层和阴极侧催化剂层。阳极侧气体扩散介质层设置成与MEA相邻，并且阴极侧气体扩散介质层设置成与MEA相邻。双极板组件位于扩散介质层之间。双极板组件包括在嵌套结构中组装在一起的两个冲压的金属板。嵌套板限定了平行的阳极气体流动通道和平行的阴极气体流动通道，其中阳极流动通道提供了到MEA的阳极侧的氢气流，阴极流动通道提供了到MEA的阴极侧的空气流。此外，该板限定了冷却剂流动通道，通过该通道流动冷却流以冷却燃料电池堆。
之前，美国专利申请序列号11/009,378、题为“用于紧凑型燃料电池的嵌套冲压(stamped)板的反应物进料”、申请日为2004年12月10日的发明人已经提出一种燃料电池堆中的燃料电池，该电池提供了从堆的活性进料区域中的嵌套双极板到堆的钝性进料区域中的非嵌套双极板的过渡，而没有中止由嵌套板提供的堆厚度的减小或者没有改变流动通道的尺寸，该美国专利申请公开的内容在此全部引作参考。尤其是，堆的燃料电池中的扩散介质层在双极板非嵌套的钝性进料区域中去除了，从而提供了维持流动通道的尺寸所必需的容积而无需增加相邻MEA之间的距离。此外，MEA的薄膜在钝性进料区域中没有催化。在钝性进料区域中的薄膜和板之间可以提供薄的垫片来支撑去除了扩散介质层以防止薄膜侵入流动通道和阻塞反应物流动的薄膜。然而，需要钝性进料区域中的接头间隙来保证活性进料区域中的扩散介质层和双极板的充分接触以减少接触电阻。由于部分厚度中的公差的变化，这些接头间隙导致反应物流动均匀性的变化以及在电池中和在堆中从电池到电池的压力的变化。
因此，现有技术中所需的是在钝性进料区域中控制接头间隙的方法来提供反应物的流动均匀性以及燃料电池和利用活性进料区域中的嵌套双极板的燃料电池堆中的压力。
发明内容
本发明是一种在利用非粘合、非嵌套的双极板的钝性进料区域中控制接头间隙的方法来提供反应物流动均匀性以及燃料电池和其中活性进料区域中的双极板是嵌套的燃料电池堆中的压力。
在燃料电池和燃料电池堆中，刚一组装就必需压制负荷使之基本上延伸到活性进料区域中的扩散介质层以减小扩散介质和双极板之间的接触电阻。要保证这种情况，需要钝性进料区域中的双极板和薄膜或垫片之间的接头间隙。由于部分厚度中的公差的变化，钝性进料区域中的接头间隙能够在燃料电池之间变化，从而产生反应物通道的高度的变化，由此影响了反应物流动。与活性进料区域相比，由于较大部分的反应物总压力的下降发生在钝性进料区域，所以反应物流动对接头间隙的变化更敏感。但是，对于冷却剂流动，大多数冷却剂压力的下降发生在活性进料区域，所以钝性进料区域中的冷却剂压力的变化不那么重要。
根据本发明，为了控制利用非嵌套的双极板的钝性进料区域中的接头间隙以提供反应物流动均匀性和燃料电池以及其中活性进料区域中的双极板是嵌套的燃料电池堆中的压力，钝性进料区域的非嵌套双极板是非粘合的，在反应物的压力以上向冷却剂流体施压，并且冲压双极板从而使钝性进料区域中非粘合的双极板的双极板高度保证了燃料电池堆中每个燃料电池的钝性进料区域中的接头间隙。
在钝性进料区域中利用非粘合的双极板连同在反应物的压力以上向冷却剂流体施压，仅在钝性进料区域中的冷却剂通道中提供了接头间隙，从而消除了反应物通道的高度的变化。因此，像之前提及的，由于冷却剂压力的下降比钝性进料区域中的反应物流体压力的下降对钝性进料区域中的接头间隙的变化更不敏感，所以具有嵌套的活性进料区域的燃料电池堆中每个燃料电池的钝性进料区域的冷却剂通道中的接头间隙提供了反应物流动均匀性以及燃料电池和燃料电池堆中的压力。
这里参照附图进行说明，其中相同的参考数字代表数个视图中的相同部件。
图1是使用了嵌套的冲压双极板的燃料电池堆的活性进料区域的部分截面图，其中阳极反应物通道底部和阴极反应物区域的后侧之间以及这些嵌套的通道侧上的间隙(为了简化未示出)使得组件厚度对阳极的深度变化不敏感。
图2是去除了气体扩散介质层的、使用了非嵌套的压制双极板的燃料电池堆的钝性进料区域的部分截面图。
图3是去除了气体扩散介质层并增加垫片的、使用了非嵌套的压制双极板的燃料电池堆的钝性进料区域的部分截面图。
图4是燃料电池堆的钝性进料区域和活性进料区域之间的过渡的部分截面图。
图5是燃料电池堆中板的顶视图。
图6是包括具有嵌套的冲压双极板的活性进料区域和压制的双极板是非嵌套的钝性进料区域的燃料电池的冷却剂容积的固体模型。
图7是去除了气体扩散介质层并引入接头间隙的、使用了非嵌套的冲压双极板的燃料电池堆的钝性进料区域的部分截面图。
图8是根据本发明去除气体扩散介质层并引入接头间隙的、使用了非嵌套、非粘合的压制双极板的燃料电池堆的钝性进料区域的部分截面图。
图9是现在包括垫片的、如图8的使用非嵌套、非粘合的冲压双极板的燃料电池堆的钝性进料区域的部分截面图。
图10是如图8的燃料电池堆的钝性进料区域的部分截面图，现在示出了以双极板的周期的、间隔的点焊为特征的可替换实施例。
具体实施例方式
图1是根据本发明的燃料电池堆10的钝性区域的部分截面图(它在上面提到的美国专利申请2005/0058864A1中也有说明)。阳极侧气体扩散介质层16设置成与MEA 12相邻，阴极侧气体扩散介质层18设置成与MEA 14相邻。扩散介质层16和18是将输入的气体输送到MEA 12和14并从MEA 12和14输送水的多孔层。用于沉积MEA 12和14中的薄膜上或扩散介质层16和18上的催化剂层的多种技术在现有技术中是已知的。
双极板组件20位于扩散介质层16和18之间。双极板组件20包括所示的一起组装在嵌套结构中的两个冲压的金属双极板22和24。嵌套板22和24限定了平行的阳极气体流动通道28和平行的阴极气体流动通道30，其中阳极流动通道28提供到MEA 12阳极侧的氢气流，阴极流动通道30提供到MEA 14阴极侧的空气流。此外，板22和24限定了冷却流体从中流动以冷却燃料电池堆10的冷却剂流动通道32，这在现有技术中是很好理解的。在这种设计中，冷却剂流动通道32的尺寸由现有技术中非嵌套的冲压双极板提供的冷却通道的尺寸减小，它提供了燃料电池堆10的重复距离的减小。由于较大的通道更适合提供必需的冷却，所以相对于已知的冷却通道，冷却剂流动通道32的尺寸减小没有显著影响冷却通道的冷却能力。冷却容积的减小还减少了系统启动期间必须加热的热量。
阳极流动通道28和燃料电池堆10每端的阳极流动通道集管(header)进行流体交换，其中一个集管接收将其分布到阳极流动通道28的阳极气体流，另一个阳极集管接收从阳极流动通道的阳极排出气体。同样，阴极流动通道30和堆10每端的阴极流动通道集管进行流体交换。冷却剂流动通道32和堆10每端的冷却剂流动通道集管进行流体交换。但是，为了将阳极流动通道28连接到阳极通道集管，将阴极流动通道30连接到阴极通道集管，以及将冷却剂流动通道32连接到冷却剂通道集管，必需在堆的钝性进料区域中分隔并非嵌套板22和24。
因为流动通道28、30和32的非嵌套结构需要比通道28、30和32的嵌套结构更多的空间，所以由嵌套结构提供的堆10厚度的减少会由于在钝性进料区域中使用已知的非嵌套结构而消除。有可能在非嵌套的钝性进料区域中减小流动通道28、30和32的尺寸使得流动通道28、30和32不使用比嵌套结构中它们使用的空间更多的空间。但是，这种流动通道28、30和32尺寸的减小会造成穿过通道的压力下降，这对堆10的流动率和性能产生不利影响。
图2是穿过燃料电池堆40的钝性进料区域的部分截面图。堆40包括相邻薄膜42和44，它们是堆40中两个相邻MEA的部分。燃料电池堆40还包括具有两个冲压的非嵌套双极板48和50的双极板组件46。冲压板48和50使得它们限定阳极流动通道52、阴极流动通道54和冷却剂流动通道56。
必需使堆40的钝性进料区域中的板48和50非嵌套，从而可以分隔输入气体和冷却流体并把它们连接到合适的多种集管。燃料电池堆40包括下面将要讨论的在燃料电池堆40的活性进料区域和钝性进料区域之间的过渡区域，在该区域阳极流动通道52和阳极流动通道28流体交换，阴极流动通道54和阴极流动通道30流体交换，并且冷却剂流动通道56和冷却剂流动通道32流体交换。
根据本发明，通过除去燃料电池堆40的钝性进料区域中的扩散介质层16和18，非嵌套通道52和54的尺寸分别与嵌套通道28和30的尺寸相同或几乎相同。在钝性进料区域中，还除去了MEA 12和14的催化剂层(图1)而留下副垫圈或副衬垫薄膜42和44。要注意的是，典型地，MEA 12和14包括活性进料区域外侧的副衬垫(未示出)。该副衬垫防止离子交联聚合物薄膜与板48和50或密封物的直接接触。典型地，该副衬垫是25微米厚的Kapton膜或其它合适的塑料。因此，燃料电池堆40的活性进料区域中扩散介质层16和18(图1)使用的容积可以用于容纳钝性进料区域中的非嵌套双极板48和50从而可以维持流动通道的尺寸而不增加堆40的重复距离。通常扩散介质层16和18约0.2mm厚，这足够提供必需的空间。
冷却剂流动通道56的尺寸从嵌套结构到非嵌套结构增加到大约两倍，但是由冷却剂通道过渡提供的压力降对堆40的性能没有不利影响。而且，带有非嵌套板的钝性进料区域可以增加用于活性进料区域的板的覆盖区域，但是由于嵌套板提供的堆高度的下降堆的全部容积减少了。
因为堆40的钝性进料区域中扩散介质层16和18不支撑薄膜42和44，所以薄膜42和44有侵入到流动通道52和54的趋势。典型地，由于MEA在活性进料区域较远的一边包括具有足够厚度的副衬垫，该副衬垫能够在钝性进料区域中提供充足的薄膜支撑。图3是与燃料电池堆40相似的燃料电池堆60的截面图，其中相同的参考数字限定相同部件。燃料电池堆60包括位于薄膜42和板48之间的薄垫片62以及位于薄膜44和板50之间的薄垫片64。垫片62和64防止薄膜42和44分别侵入到流动通道52和54。可以将垫片62和64设置在适当的地方，或者将它们分别粘合到薄膜42和44，或者分别粘合到板48和50。还可以将垫片62和64用作衬垫载体。垫片62和64可以由任何合适的材料制成，例如金属或塑料，并且可以具有适当的厚度，例如100微米，来提供预期的支撑。还可以通过使用粘合到相邻薄膜42或44的单个垫片62或64来获得足够的支撑。
图4是示出了燃料电池堆70的活性进料区域78中嵌套双极板74和76与燃料电池堆70的钝性进料区域84中非嵌套双极板80和82之间的过渡区域72的例子的燃料电池堆70的部分截面图。燃料电池堆70包括延伸穿过活性进料区域78和钝性进料区域84的薄膜86和88。在活性进料区域78中，与薄膜86和88相邻分别设置气体扩散介质层90和92。垫片94和96分别位于钝性进料区域84中非嵌套板80和82以及薄膜86和88之间。钝性进料区域84与活性进料区域78中阳极和阴极流动通道98和100的相对尺寸基本相同。活性进料区域78中的流动通道102能够表示阳极流动通道、阴极流动通道或冷却剂流动通道的任何一个。
图5是燃料电池堆112中双极板组件110的顶视图。燃料电池堆112包括具有嵌套的冲压双极板的活性进料区域114以及在活性进料区域114的相对端的钝性进料区域116和118，冲压的双极板是非嵌套的，与上面讨论的一致。该冲压的双极板包括上面讨论的各种流动通道。在燃料电池堆112一端的阴极入口集管120使阴极空气流到钝性进料区域116中的阴极流动通道中。阴极空气流过钝性进料区域116中的阴极流动通道、流过活性进料区域114中的阴极流动通道，并流过钝性进料区域118中的阴极流动通道。阴极排出气体由阴极出口集管122收集。
在燃料电池堆112一端的阳极入口集管126使氢气流到钝性进料区域118中的阳极流动通道中。氢气流过钝性进料区域118中的阳极流动通道、流过活性进料区域114中的阳极流动通道，并流过钝性进料区域116中的阳极流动通道。阳极排出气体由阳极出口集管128收集。在这种无限制的实施例中，阳极气体和阴极气体是反向流动的。
在燃料电池堆112一端的冷却剂入口集管132使冷却流体流到钝性进料区域116中的冷却剂流动通道中。冷却流体流过钝性进料区域116中的冷却剂流动通道、流过活性进料区域114中的冷却剂流动通道，以及流过钝性进料区域118中的冷却剂流动通道。冷却流体由冷却剂出口集管134收集。
图6是包括具有嵌套双极板的活性进料区域142和其中双极板是非嵌套的钝性进料区域144的燃料电池140的冷却剂容积的固体模型透视图。活性进料区域142和钝性进料区域144之间的过渡区域146提供了从嵌套结构到非嵌套结构的通道的过渡。将冷却流体从冷却剂集管(图6未示出)到钝性进料区域144中的流动通道148中，将氢气流从阳极集管(图6未示出)到钝性进料区域144中的流动通道150中，以及将阴极气体从阴极集管(图6未示出)到钝性进料区域144中的流动通道152中。在这个实施例中，阳极气体和阴极气体是共流向的。
下面的表I提供了根据本发明用于在钝性进料区域中不具有扩散介质的嵌套板设计、非嵌套板设计、以及钝性进料区域中具有扩散介质的嵌套板设计的上面所讨论的各种参数的比较。该数据来自具有360cm2活性面积、200个电池、66kW输出功率、1.5A/cm2电流密度和低压的燃料电池堆。嵌套设计比非嵌套设计更小，具有更高的功率密度(更高的kW/liter)，并且由于降低的冷却剂容积而在热量上具有从27到19-20kJ/kg甚至更大的下降。在钝性进料区域中具有扩散介质的嵌套板设计在钝性进料区域中产生了非常浅的进料通道，并导致了不充分的高压力下降(阴极侧85kPa对30kPa)。
像之前提及的，在燃料电池和燃料电池堆中，刚一组装就必需压制负荷使之基本上延伸到活性进料区域中的扩散介质层以减小扩散介质和双极板之间的接触电阻。要保证这种情况，需要钝性进料区域中的双极板和薄膜或垫片之间的接头间隙。这由图7例示出。图7是与燃料电池堆40相似的燃料电池堆40′的截面图的例子，其中相同的附图标记表示相同部件。燃料电池堆40′包括引入到图2的燃料电池堆40中的接头间隙58，以保证压制负荷基本上延伸到活性进料区域中的扩散介质以减小扩散介质和双极板之间的接触电阻，由该接触电阻产生了阳极流动通道52的高度52′和阴极流动通道54的高度54′之间的变化。在图3的燃料电池堆60和图4的燃料电池堆70中引入相似的接头间隙。还要注意的是，由于部分厚度中公差的变化，钝性进料区域中的接头间隙，例如58，能在燃料电池堆中的燃料电池之间变化，因此还产生了反应物通道的高度的变化，由此影响了反应物流动。
与活性进料区域相比，由于较大部分的反应物总压力的下降发生在钝性进料区域，所以反应物流动对接头间隙的变化更敏感。但是，对于冷却剂流动，大多数冷却剂压力的下降发生在活性进料区域，所以钝性进料区域中冷却剂压力的变化对每个板上的全部流体不那么重要。
图8是根据本发明的燃料电池堆800的钝性进料区域的部分截面图。堆800包括应用了由具有根据本发明的接头间隙818、820的非粘合双极板810-816组成的非嵌套双极板组件806、808的相邻电池802、804。由于部分厚度的变化，接头间隙818、820可以具有不同的高度。电池802、804限定了阳极流动通道822、824，阴极流动通道826、828，以及冷却剂流动通道830、832。电池802、804包括薄膜834-838。虽然描述的薄膜834-838没有垫片，但是优选像图9例示的在堆800中包括垫片。
在冷却剂通道830、832中，以阳极流动通道822、824和阴极流动通道826、828的压力以上对冷却剂施压，使非粘合的双极板810-816靠着薄膜834-838，从而控制接头间隙818、820并保证接头间隙仅在冷却剂通道中。因为扩散介质层没有支撑薄膜834-838(见图1的例16和18)，薄膜834-838有侵入到流动通道822-828的趋势。典型地，由于MEA在活性进料区域较远的一边包括有足够厚度的副衬垫，该副衬垫能够在钝性进料区域中提供充足的薄膜支撑。
图9(最优选)是与图8的燃料电池堆800相似的燃料电池堆800′的钝性进料区域的部分截面图，其中相同的附图标记表示相同部件。现在，燃料电池堆800′包括位于薄膜834和板810之间的薄垫片840、位于薄膜838和板816之间的薄垫片842、位于薄膜836和板812之间的薄垫片844、以及位于薄膜836和板814之间的薄垫片846。垫片840-846分别防止薄膜834-838侵入到流动通道822-828。将垫片设置在适当的地方，或者将它们分别粘合到薄膜，或者分别粘合到板。还可以将垫片用作衬垫载体。垫片可以由任何合适的材料制成，例如金属或塑料，并且可以具有适当的厚度，例如100微米，来提供预期的支撑。还可以通过使用粘合到薄膜836的单个垫片(844或846)来获得足够的支撑。
例如，电池802可以例示图7的电池40′，其中双极板组件46是非粘合的，并且冷却剂通道56中的冷却剂压力在阳极流动通道52和阴极流动通道54的压力之上，从而从阳极流动通道到冷却剂流动通道传递接头间隙58。由于冷却剂通道830、832中的冷却剂流体对钝性进料区域中的压力下降比钝性进料区域中的阳极流动通道822、824和阴极流动通道826、828中的反应物流体对压力下降更不敏感，钝性进料区域中的冷却剂通道中的接头间隙818、820保证了电池对活性进料区域中电池流动和压力的均匀性。
下面的表II提供了根据本发明的冷却剂流动通道例如830、832中的各种计算出的冷却剂压力下降对钝性进料区域中的接头间隙例如818、820的高度的比较。
表II中，从没有间隙到0.1mm间隙的0.1mm的接头间隙范围具有大约+/-15％的冷却剂压力下降的范围，而从0.1mm间隙到0.2mm间隙的0.1mm的接头间隙范围具有大约+/-7％的冷却剂压力下降的范围。根据本发明，冲压双极板从而使钝性进料区域中的非粘合双极板的双极板高度保证了燃料电池堆中每个燃料电池的钝性进料区域中的接头间隙。这样做以保证像表II中呈现的冷却剂压力下降对接头间隙的高度变化较不敏感。根据计算流体动力学的计算，发现根据本发明的钝性进料区域中冷却剂流动通道中的接头间隙对燃料电池中的冷却剂流动分布没有不利的影响，反而改进了它。
沿部件的长度有一些小的板对板的尺寸差异。即使将全部的板入口和出口连接到相同的入口和出口集管，尺寸的变化也会造成沿板的长度的压力分布的差异。在图8中，认为由于板内部更多限制的尺寸，流体穿过上部板的中心区域的壳体小于平均值。这种限制将使全部流体小于平均值并造成通常全部压力下降的较少部分都出现在该板的入口和出口进料区域中(即，阳极和阴极进料通道)。这使得上部板的冷却剂流动通道830中的平均压力和入口压力接近相同并因此高于相邻的下部板的冷却剂流动通道832的内部压力。这提供了间隙818扩张的趋势而间隙820趋于收缩。测试显示出非常小的压力差会迅速使全部尺寸的板偏移板间平均间隙多倍的距离。间隙818的扩张还减少了冷却剂流动通道830中的压力下降，甚至大大增加了内部压力，产生了能够在向上和向下方向上的不仅从第一相邻板还从几个相邻板收缩的条件。
为了缓和这种反应，如图10所示，进料区域中可以包括临时点焊900的方式，图10和图8相似并且具有指示相同部件的相同数字。这种方式使得相邻板的焊接点不对齐。可以调整这种方式的间隔来产生足够的韧性以避免板的完全变形，相对而言，虽然板具有周期焊接的局限性，但还使板保持“非粘合”。
应该注意的是，板只在钝性进料区域中必须非粘合。可以粘合活性进料区域以保证低的板对板的接触电阻或者可以不粘合而依靠半板之间的压制压力。
由于与目前认为是最实用和优选的实施例相联系来说明本发明，可以理解，本发明并不局限于公开的实施例，相反，而是覆盖了包括在附加的权利要求的精神和范围内的各种变形和等价设置，该权利要求的范围与最广的说明一致，从而正如法律所允许，其包含全部这样的变形和等价结构。
权利要求
1.一种燃料电池堆，包括双极板组件；包括燃料电池的堆的活性进料区域，每个燃料电池包括具有阴极侧和阳极侧的薄膜电极组件，薄膜电极组件阴极侧上的阴极侧扩散介质层，薄膜电极组件阳极侧上的阳极侧扩散介质层，以及位于相邻燃料电池中相对的扩散介质层之间的双极板组件的活性进料区域，其中双极板组件的活性进料区域包括限定阴极侧流动通道和阳极侧流动通道的嵌套的双极板；以及包括在燃料电池的堆中形成每个薄膜电极组件部分的薄膜的堆的钝性进料区域和双极板组件的钝性进料区域，其中双极板组件的钝性进料区域包括限定阴极侧流动通道和阳极侧流动通道的非嵌套的双极板；其中钝性进料区域中的阴极侧流动通道与活性进料区域中的阴极侧通道进行流体交换并且具有和活性进料区域中的阴极侧通道基本相同的尺寸；其中钝性进料区域中的阳极侧流动通道与活性进料区域中的阳极侧通道进行流体交换并且具有和活性进料区域中的阳极侧通道基本相同的尺寸；其中燃料电池在钝性进料区域中无扩散介质层；其中双极板组件的钝性进料区域的非嵌套双极板彼此互不粘合。
2.如权利要求1的燃料电池堆，其中接头间隙可以选择地存在于双极板组件的钝性进料区域的非嵌套双极板之间。
3.如权利要求1的燃料电池堆，还包括分别设置成与钝性进料区域中的薄膜相邻的垫片来支撑薄膜。
4.如权利要求1的燃料电池堆，其中钝性进料区域的双极板组件的钝性进料区域的非嵌套双极板还限定了冷却剂流动通道，其中活性进料区域的双极板组件的活性进料区域的嵌套双极板也限定了冷却剂流动通道，其中钝性进料区域中的冷却剂流动通道与活性进料区域的冷却剂流动通道进行流体交换。
5.如权利要求4的燃料电池堆，其中钝性进料区域中的冷却剂流动通道基本上是活性进料区域中的冷却剂流动通道尺寸的两倍。
6.如权利要求2的燃料电池堆，还包括设置成与钝性进料区域中的薄膜相邻的垫片来支撑薄膜。
7.如权利要求6的燃料电池堆，其中钝性进料区域的双极板组件的钝性进料区域的非嵌套双极板还限定了冷却剂流动通道，其中活性进料区域的双极板组件的活性进料区域的嵌套双极板也限定了冷却剂流动通道，其中钝性进料区域中的冷却剂流动通道与活性进料区域的冷却剂流动通道进行流体交换。
8.如权利要求7的燃料电池堆，其中钝性进料区域中的冷却剂流动通道基本上是活性进料区域中的冷却剂流动通道尺寸的两倍。
9.一种燃料电池堆，包括双极板组件；包括燃料电池的堆的活性进料区域，每个燃料电池包括具有阴极侧和阳极侧的薄膜电极组件，薄膜电极组件阴极侧上的阴极侧扩散介质层，薄膜电极组件阳极侧上的阳极侧扩散介质层，以及位于相邻燃料电池中相对的扩散介质层之间的双极板组件的活性进料区域，其中双极板组件的活性进料区域包括限定阴极侧流动通道和阳极侧流动通道的嵌套的双极板；包括在燃料电池的堆中形成每个薄膜电极组件部分的薄膜的堆的钝性进料区域和双极板组件的钝性进料区域，其中双极板组件的钝性进料区域包括限定阴极侧流动通道和阳极侧流动通道的非嵌套的双极板；以及在双极板组件的钝性进料区域的双极板之间的多个互相间隔的焊接点；其中钝性进料区域中的阴极侧流动通道与活性进料区域中的阴极侧通道进行流体交换并且具有和活性进料区域中的阴极侧通道基本相同的尺寸；其中钝性进料区域中的阳极侧流动通道与活性进料区域中的阳极侧通道进行流体交换并且具有和活性进料区域中的阳极侧通道基本相同的尺寸；其中燃料电池在钝性进料区域中无扩散介质层；其中接头间隙可以选择地存在于双极板组件的钝性进料区域的非嵌套双极板之间；其中钝性进料区域的双极板组件的钝性进料区域的非嵌套双极板还限定了冷却剂流动通道，其中活性进料区域的双极板组件的活性进料区域的嵌套双极板也限定了冷却剂流动通道，其中钝性进料区域中的冷却剂流动通道与活性进料区域的冷却剂流动通道进行流体交换，并且其中焊接点的尺寸限制了双极板组件的钝性进料区域中双极板之间的接头间隙。
10.如权利要求9的燃料电池堆，还包括分别设置成与钝性进料区域中的薄膜相邻的垫片来支撑薄膜。
11.如权利要求10的燃料电池堆，其中钝性进料区域中的冷却剂流动通道基本上是活性进料区域中的冷却剂流动通道尺寸的两倍。
12.一种用于控制燃料电池堆的钝性进料区域中接头间隙的方法，所述方法包括组装燃料电池堆的活性进料区域，其中该活性进料区域包括燃料电池的堆，每个燃料电池包括具有阴极侧和阳极侧的薄膜电极组件，薄膜电极组件阴极侧上的阴极侧扩散介质层，薄膜电极组件阳极侧上的阳极侧扩散介质层，以及位于相邻燃料电池中相对的扩散介质层之间的双极板组件的活性进料区域，其中双极板组件的活性进料区域包括限定阴极侧流动通道和阳极侧流动通道的嵌套的双极板；组装燃料电池堆的钝性进料区域，该钝性进料区域包括在燃料电池的堆中形成每个薄膜电极组件部分的薄膜的堆和双极板组件的钝性进料区域，其中双极板组件的钝性进料区域包括限定阴极侧流动通道和阳极侧流动通道的非嵌套的双极板；其中钝性进料区域中的阴极侧流动通道与活性进料区域中的阴极侧通道进行流体交换并且具有和活性进料区域中的阴极侧通道基本相同的尺寸；其中钝性进料区域中的阳极侧流动通道与活性进料区域中的阳极侧通道进行流体交换并且具有和活性进料区域中的阳极侧通道基本相同的尺寸；其中该燃料电池在钝性进料区域没有扩散介质层；以及，其中非嵌套双极板还限定了冷却剂流动通道，嵌套双极板也限定了冷却剂流动通道，其中钝性进料区域中的冷却剂流动通道与活性进料区域的冷却剂流动通道进行流体交换；在阳极流动通道中以第一压力向阳极反应物施压；在阴极流动通道中以第二压力向阴极反应物施压；在冷却剂流动通道中以所述第一和第二压力之上的第三压力向冷却剂施压，其中在钝性进料区域的双极板之间设置对应于所述压入步骤的接头间隙。
13.如权利要求12的方法，其中接头间隙还对应于活性进料区域中的嵌套双极板的组装。
14.如权利要求12的方法，所述组装钝性进料区域的步骤包括非嵌套的双极板彼此互不粘合。
15.如权利要求14的方法，其中接头间隙还对应于活性进料区域中的嵌套双极板的组装。
16.如权利要求12的方法，其中所述组装钝性进料区域的步骤包括以预先确定的、间隔的位置互相点焊彼此非嵌套的双极板。
17.如权利要求16的方法，其中接头间隙还对应于活性进料区域中的嵌套双极板的组装。
全文摘要
用非粘合、非嵌套的双极板控制燃料电池堆的钝性进料区域中的接头间隙来提供反应物的流动均匀性和燃料电池中的压力以及利用活性进料区域中的嵌套双极板和钝性进料区域中的非嵌套双极板的燃料电池堆中的压力。
文档编号H01M8/02GK1945888SQ200610149209
公开日2007年4月11日 申请日期2006年10月7日 优先权日2005年10月7日
发明者S·G·格贝尔, J·A·罗克, D·伦辛克, S·J·斯潘塞, W·H·佩蒂特 申请人:通用汽车环球科技运作公司