燃料电池板组件的制作方法
【专利摘要】一种燃料电池板组件(400)包括：双极板(102)，其具有用于接收流体的端口(104)；流体扩散层(210)；和界定有效区域(105)的电极。所述流体扩散层被配置来将在所述端口(104)处接收的流体传送至所述有效区域(105)。
【专利说明】燃料电池板组件
【背景技术】
[0001]本公开涉及燃料电池板组件领域，并且尤其但是不独占地涉及可装配在一起以形成燃料电池堆叠的燃料电池板组件。
[0002]常规的电化学燃料电池将通常均以气态流的形式的燃料和氧化剂转化成电能和反应产物。用于使氢和氧反应的常见类型的电化学燃料电池包括聚合物离子(质子)转移膜，其中燃料和空气通过膜的各个侧。质子(即氢离子)被引导通过膜、由电子平衡，所述电子被引导通过连接燃料电池的阳极和阴极的电路。为了提高可用电压，可形成包括许多这种膜的堆叠，所述膜被设置为具有分开的阳极流体流动路径和阴极流体流动路径。这种堆叠通常以块的形式，所述块包括许多单个燃料电池板，所述单个燃料电池板通过堆叠的任一端处的端板保持在一起。
[0003]因为燃料与氧化剂的反应产生热量以及电功率，所以一旦达到操作温度，燃料电池堆叠需要冷却。冷却可经由强迫空气通过阴极流体流动路径来实现。在开放阴极堆叠中，氧化剂流动路径和冷却剂路径是相同的，即迫使空气通过堆叠将氧化剂供应至阴极并且冷却堆叠。
【发明内容】
[0004]根据本发明的第一个方面，提供燃料电池板组件，其包括:
[0005]双极板，其包括用于接收流体的端口 ；
[0006]流体扩散层；和
[0007]界定有效区域的电极；
[0008]其中所述流体扩散层被配置来将在所述端口处接收的流体传送至所述有效区域。
[0009]使用流体扩散层来传送流体可避免使用双极板中的任何沟槽以提供流体的通道的需要。这类沟槽可不利的，尤其在电极组件的辅助衬垫位于沟槽顶部时，因为沟槽上方的材料层可下陷至沟槽中并且妨碍流体的运输。
[0010]流体扩散层可在端口与有效区域之间延伸。流体扩散层可包括位于有效区域的覆盖区外部的延伸区域或突舌。使用这类突舌提供传送流体的便利手段，并且也可有效使用流体扩散层材料。
[0011]流体扩散层的延伸区域可与端口与有效区域之间的双极板接触。以这种方式，在流体扩散层与双极板之间不需要额外衬垫或辅助衬垫。
[0012]端口还可被配置来穿过燃料电池板组件的厚度往返相邻燃料电池板组件输送流体。以这种方式，多个燃料电池板组件的端口可沿着堆叠为每个单独燃料电池板组件运输流体。
[0013]流体扩散层可被配置来沿着燃料电池板组件的平面将在所述端口处接收的流体传送至所述有效区域。以这种方式，流体的流动可从它穿过组件的厚度在端口处接收的第一方向重定向至组件平面中的第二方向。第一和第二方向可为总体上彼此横向或垂直的。
[0014]燃料电池板组件可进一步包括围绕端口的第一道粘着剂(或密封剂)。第一道粘着剂可被配置来提供双极板与堆叠中的相邻燃料电池板组件的第二双极板之间的密封。此密封使得能够流体在连续燃料电池板组件之间传送而没有显著渗漏。
[0015]第一道粘着剂可在流体扩散层的延伸区域上方延伸。以这种方式，延伸区域的一部分暴露于端口中的流体以使得它可将流体传送至有效区域。
[0016]双极板可包括一个或多个流体流动通道。流体扩散层可被配置来将在所述端口处接收的流体传送至一个或多个流体流动通道。流体流动通道可被配置来横跨燃料电池板组件的宽度将流体侧向分散至外部到达流体扩散层。
[0017]双极板可包括一个或多个端口通道，其被配置来将在所述端口处接收的流体传送至一个或多个流体流动通道或有效区域的覆盖区。端口通道可为双极板中的沟槽或凹口。端口通道可用于将从端口运输的流体经由流体扩散层补充至有效区域。流体扩散层可具有足够刚性以使得它不下陷至端口通道中，并且可不需要衬垫或辅助衬垫来增加流体扩散层的刚度。
[0018]流体扩散层可被配置来在双极板中的多个流体流动通道之间传送流体。或者或另夕卜，双极板可包括一个或多个连接通道，其被配置来在流体流动通道之间传送流体。连接通道可为双极板中的沟槽或凹口。以这种方式，流体可横跨电极的有效区域来分散。
[0019]双极板可进一步包括相对于所述端口的相反末端处的双极板的第二端口。流体扩散层可被配置来在有效区域与第二端口之间传送流体。第二端口可为将流体提供至有效区域的入口，或可为接收来自有效区域的流体的出口。
[0020]流体扩散层可为阳极流体扩散层。燃料电池板组件可进一步包括层压层，其包括阴极流体扩散层和构成电极的膜电极组件。
[0021]可提供燃料电池堆叠，其包括如本文描述的多个燃料电池板组件。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]现在仅作为举例参照附图来给出描述，其中:
[0023]图1至4示意性地展示如何可建造根据本发明的一个实施方案的燃料电池板组件；
[0024]图5展示定位在图4的燃料电池板组件顶部上的第二双极板的剖视图；
[0025]图6至12示意性地示出根据本发明的一个实施方案可如何构建燃料电池板组件；
[0026]图13示意性地示出根据本发明的一个实施方案可如何将燃料电池堆叠装配在一起;
[0027]图14示意性地示出根据本发明的一个替代实施方案可如何将燃料电池堆叠装配在一起；并且
[0028]图15示出根据本发明的一个实施方案的燃料电池堆叠。
【具体实施方式】
[0029]本文公开的一个或多个实施方案涉及燃料电池板组件，其可安置于其它燃料电池板组件附近以形成燃料电池堆叠。燃料电池板组件包括双极板、流体扩散层和界定有效区域的电极。双极板具有接收流体如氢气的端口。流体扩散层被配置来将在所述端口处接收的流体传送至所述有效区域。在一些实施方案中，流体扩散层可具有在端口与流体流动通道之间延伸的突舌。
[0030]使用流体扩散层来将流体传送至有效区域可避免使用双极板中的任何沟槽以提供流体的通道的需要。这类沟槽可为不利的，因为否则可位于沟槽上方的电极组件的辅助衬垫可下陷至沟槽中并且妨碍流体的运输。另外，辅助衬垫可为相对昂贵部件，并且因此避免对于辅助衬垫的需求可降低燃料电池板组件的总体成本和部件计数。
[0031]另外，这类燃料电池板组件可使得能够在不需要粘合辅助衬垫的情况下使用电极材料。否则需要这类粘合衬垫来为电极提供支撑，所述电极可极易受变化机械力和直接暴露于燃料和氧化气体损坏。GDL中的突舌可允许在不产生机械应力的情况下将气体传送至电极，否则在单独衬垫与⑶L之间存在间隙时会产生机械应力。此外，由于在⑶L与单独衬垫之间消除间隙，可减少或消除任何气体逃逸问题(在阳极气体绕过GDL从入口端到达排出端而非穿过所述GDL时)。突舌也可允许将整个堆叠组件胶结在一起的相对粗制过程并且在将气体分配至阳极中提供良好均匀性(电池至电池)。
[0032]图1至4展示如何可建造根据本发明的一个实施方案的燃料电池板组件。图1展示双极板102。图2展示安置在双极板上的第一流体扩散层210。图3展示分配于双极板102和第一流体扩散层210上的粘着剂314、316。图4展示安置于第一流体扩散层和粘着剂316上的层压层418，其包括膜电极组件和第二流体扩散层。进一步细节在以下提供。
[0033]图1展示可提供根据本发明的一个实施方案的燃料电池板组件的一部分的双极板102的一个末端。在图1中展示的双极板102的末端具有端口 104。应认识到双极板102的另一个末端也可具有端口，如图6中展示。端口 104用于接收流体，如氢气，其被提供至电极的有效区域。电极的有效区域的覆盖区在图1中用参考符号105展示，虽然电极本身未展示。电极在以下参照图4来更详细描述。
[0034]有效区域105可被认为是与电极表面接触以使得为电极提供所需反应气体以促进经由膜的质子交换的气体扩散层(GDL)的覆盖区/区域。
[0035]端口 104在穿过双极板102的厚度的方向上接收流体。除了将流体提供至电极以夕卜，当在构建堆叠时，双极板的端口对齐时，端口 104也将流体传送至燃料电池堆叠中的相邻燃料电池组件。
[0036]在此实例中，双极板102具有多个流体流动通道106，其为不连续的并且横跨双极板102的侧向宽度来延伸。以这种方式，在流体进入流体流动通道106时，流体可横跨有效区域105的宽度来侧向分散。
[0037]如以下更详细地论述，流体经由气体扩散层沿着双极板102的纵向长度来传送。然而，一个或多个任选端口通道108可提供端口 104与有效区域105之间的流体连接。端口通道108可以双极板102中的沟槽形式来提供。端口通道108与流体扩散层之间的关系在以下参照图2来更详细描述。
[0038]另外，一个或多个任选连接通道107也可将流体在沿着双极板102的长度的连续流体流动通道106之间运输。这类连接通道107也可以双极板102中的沟槽形式来提供。连接通道107可在连接流体流动通道106的不同末端之间交替以便提供沿着双极板102的纵向长度的曲折或指状交叉路径。这可促进流体渗透较大比例的流体扩散层以使得它均匀地提供至电极。
[0039]图2展示位于图1的双极板102上的流体扩散层210。流体扩散层通常被称为气体扩散层(GDL)，并且在此实例中被称为阳极GDL210，因为它将气体提供至电极的阳极侧的有效区域。
[0040]阳极⑶L 210具有延伸区域212，其在双极板102的端口 104与有效区域105之间延伸。突舌212在有效区域105的覆盖区外部。延伸区域被称为突舌212。突舌212从阳极⑶L 210的主体延伸，所述阳极⑶L 210在此实例中总体上与有效区域105共定位。阳极⑶L的突舌212可将在端口 104接收的氢气传送至有效区域105。如以上识别，在图1中展示的端口通道108也可将氢气从端口 104传送至有效区域105。然而，应认识到这些端口通道108是任选的，因为氢气的运输可单独经由阳极⑶L 210来发生。类似地，图1的连接通道107也是任选的，因为阳极⑶L 210可为将氢气在流体流动通道106之间传送的单独手段。
[0041]图3展示沉积于图2的双极板102和阳极⑶L 210上的两道粘着剂314、316。第一道粘着剂314提供围绕端口 104的连续环并且越过阳极⑶L 210的突舌212。第二道粘着剂316围绕阳极⑶L 210的外部沉积于双极板102上，其也越过阳极⑶L 210的突舌212。以这种方式，将第二道粘着剂316定位以使得当膜电极组件位于部分燃料电池板组件上时，它提供围绕阳极GDL 210的密封。
[0042]选择粘着剂以使得粘着剂在阳极⑶L 210的突舌212中的渗透最小化，从而不显著阻碍经由阳极⑶L 210的流体运输。
[0043]图4展示燃料电池板组件400，其中层压层418添加至图3的部分燃料电池板组件。层压层是4层膜电极组件(MEA)并且包括阴极流体扩散层、第一层催化剂、电极膜和第二层催化剂。两个催化剂层和电极膜可在一起被称为构成电极的膜电极组件。
[0044]4层MEA 418定位于第二道粘着剂316上。从图4中可以看出第二道粘着剂316已经移置并且展开以使得它抵靠第一道粘着剂314，从而提供围绕在端口 104外部的阳极⑶L 210的突舌212的密封。另外，两个移置粘着剂道314、316在突舌212的表面上相遇，从而完全罩住阳极并且提供电池的整体阳极密封。
[0045]当4层MEA 418的外部条带定位于粘着剂316上时，有效区域界定于4层MEA 418的外围内，所述粘着剂316防止将阳极气体(氢气)运输至电极。应认识到可控制粘着剂的安置以便将粘着剂移置至预定有效区域105中降低至最低限度。
[0046]图5展示定位在图4的燃料电池板组件400顶部上的第二双极板502的剖视图。如在本领域中已知，可建造多个燃料电池板组件400以形成燃料电池堆叠。
[0047]如图5中展示，当第二双极板502定位于燃料电池组件400顶部时，它接触围绕第一双极板102的端口 104的第一道粘着剂314。因此，此第一道粘着剂314产生围绕两个双极板的端口的密封，阳极⑶L 210的突舌212经过所述双极板下方。如果双极板102包括端口通道(如在图1中以参考符号108展示)，那么阳极⑶L 210的突舌212可具有足够刚性以防止坍塌至端口通道的沟槽中。这可与现有技术燃料细胞相反，其中与电极相关联的辅助衬垫位于沟槽上方，并且可下陷至沟槽中。
[0048]图6至12示意性地示出根据本发明的一个实施方案可如何构建燃料电池板组件。
[0049]图6示出提供至建造点的双极板102的条带。可以看出双极板102在此实例中具有两个端口 104、622。第一端口 104是如以上详细论述的入口。第二端口 622可为出口或入口。在一些实施方案中，在燃料电池中的与氢气的反应的化学计量效率大于一，因此第二端口 622应用作出口以便提供用于产物水管理的贯通流。在其它实施方案中，如果化学计量效率和/或水管理技术允许，第二端口 622也可为入口。
[0050]双极板可包括单独阳极板602a和阴极板602b，其只在双极板102进入建造点之前不久连接在一起，例如电阻、激光或粘着剂粘合在一起。这在图6中展示为阳极板602a和阴极板602b最初单独地提供。
[0051]阳极⑶L 210的堆叠和4层MEA418的堆叠定位于建造点的任一侧。
[0052]图7展示第一阳极⑶L 210已经从堆叠中获取以准备用与图2展示相同的方式定位于双极板上。应认识到此操作和以下操作可为自动的。图8展示阳极GDL 210位于双极板102上的适当位置。
[0053]图9展示粘着剂分配器930位于阳极⑶L 210和双极板102上方的适当位置处。
[0054]图10展示由粘着剂分配器930分配的三道粘着剂314、316、1040。第一道314和第二道316与参照图3所描述的相同。在图10中还展示提供围绕第二端口 622的连续环的第三道粘着剂1040。这与第一道粘着剂314提供围绕第一端口 104的连续环的方式相同。
[0055]图11展示4层MEA已经从堆叠中获取以准备用与图4中展示的相同的方式定位于双极板102和阳极⑶L 210上。图12展示位于双极板102和阳极⑶L 210上适当位置的 4 层 MEA418。
[0056]应认识到由图6至12示出的每个构建步骤可在相同建造点执行。
[0057]图13阐明由图6至12示出的构建方法以使得燃料电池堆叠可装配在一起。图13示出与图6至12中所示出的相同的双极板102条带、阳极⑶L 210堆叠和4层MEA 418堆叠。另外，图13展示燃料电池堆叠的顶部端板的两个部件堆叠1350、1352和燃料电池堆叠的底部端板的两个部件堆叠1354、1356。在开始构建燃料电池板组件之前，将来自底部端板的堆叠1354、1356的板定位于建造点，并且当燃料电池堆叠已经建造至所需大小时，将来自顶部端板的堆叠1350、1352的板定位于建造点的燃料电池板组件的顶部。然后，燃料电池堆叠可从建造点移动，如图13中以参考符号1362所展示。
[0058]最后，夹具1358、1360可连接至燃料电池堆叠1362的每一侧以在预定工作尺寸下将燃料电池板组件保持在一起以便提供完整燃料电池堆叠1361。
[0059]图14示出根据本发明的一个实施方案构建燃料电池堆叠的替代方法。在此实例中，阳极⑶L、4层MEA和端板部件以条带形式供应并且恰好在拾取和安置过程之前分割。
[0060]图15示出根据本发明的一个实施方案的燃料电池堆叠1500。燃料电池堆叠的顶部端板1570包括两个孔1572、1574，其分别与燃料电池板组件的每一末端处的端口(在图15中未展示)流体连接。应认识到如果需要，类似孔可提供于底部端板1576中。
【权利要求】
1.一种燃料电池板组件，其包括: 双极板，其包括用于接收流体的端口； 流体扩散层；和 界定有效区域的电极； 其中所述流体扩散层被配置来将在所述端口处接收的流体传送至所述有效区域。
2.如权利要求1所述的燃料电池板组件，其中所述流体扩散层在所述端口与所述有效区域之间延伸。
3.如权利要求2所述的燃料电池板组件，其中所述流体扩散层包括位于所述有效区域的覆盖区外部的延伸区域。
4.如权利要求2或权利要求3所述的燃料电池板组件，其中所述流体扩散层的延伸区域与在所述端口和所述有效区域之间的所述双极板接触。
5.如前述权利要求中任一项所述的燃料电池板组件，其中所述端口还被配置来穿过所述燃料电池板组件的厚度往返相邻燃料电池板组件输送流体。
6.如前述权利要求中任一项所述的燃料电池板组件，其中所述流体扩散层被配置来沿着所述燃料电池板组件的平面将在所述端口处接收的流体传送至所述有效区域。
7.如前述权利要求中任一项所述的燃料电池板组件，其进一步包括围绕所述端口的第一道粘着剂(或密封剂)，所述第一道粘着剂被配置来在所述双极板与相邻燃料电池板组件的第二双极板之间提供密封。
8.如直接或间接地从属于权利要求2的权利要求7所述的燃料电池板组件，其中所述第一道粘着剂在所述流体扩散层的延伸区域上方延伸。
9.如前述权利要求中任一项所述的燃料电池板组件，其中所述双极板包括一个或多个流体流动通道，并且所述流体扩散层被配置来将在所述端口处接收的所述流体传送至所述一个或多个流体流动通道。
10.如权利要求9所述的燃料电池板组件，其中所述双极板包括一个或多个端口通道，所述端口通道被配置来将在所述端口处接收的所述流体传送至所述一个或多个流体流动通道。
11.如权利要求9或权利要求10所述的燃料电池板组件，其中所述双极板包括一个或多个连接通道，所述连接通道被配置来在所述流体流动通道之间传送流体。
12.如前述权利要求中任一项所述的燃料电池板组件，其中所述双极板进一步包括相对于所述端口的所述双极板的相反末端处的第二端口，并且其中所述流体扩散层被配置来在所述有效区域与所述第二端口之间传送流体。
13.如前述权利要求中任一项所述的燃料电池板组件，其中所述流体扩散层是阳极流体扩散层，并且所述燃料电池板组件进一步包括层压层，所述层压层包括阴极流体扩散层和构成所述电极的膜电极组件。
14.一种燃料电池堆叠，其包括多个如前述权利要求中任一项所述的燃料电池板组件。
15.一种燃料电池板组件，其大致上如本文中所描述并且如附图中所示。
16.一种燃料电池堆叠，其大致上如本文中所描述并且如附图中所示。
【文档编号】H01M8/02GK104364950SQ201380027946
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2013年5月20日 优先权日:2012年5月28日
【发明者】彼得·戴维·胡德 申请人:智慧能量有限公司