燃料电池端板组件的制作方法

专利名称：燃料电池端板组件的制作方法
技术领域：
本发明总的涉及燃料电池，并更具体地涉及燃料电池端板组件。
背景技术：
典型的燃料电池系统包括电力区域，其中一个或多个燃料电池产生电力。燃料电池是能量转换装置，它将氢和氧转换成水，在此过程中产生电能和热量。每个燃料电池单元都可以包括位于中央的质子交换部件，在该质子交换部件的任一侧上都有气体扩散层。阳极层和阴极层被分别定位在该气体扩散层的外侧。
单个燃料电池中的反应通常产生小于一伏特的电压。数个燃料电池可以堆叠并串行电连接起来，以获得期望的电压。电流从燃料电池堆中收集并用于驱动负载。燃料电池可以用于对从汽车到便携式计算机的各种应用供电。
燃料电池供电系统的功效部分地取决于单独燃料电池内和燃料电池堆的相邻燃料电池之间的各个接触及密封接口的完整性。这种接触及密封接口包括与燃料、冷却剂及燃料电池堆内和燃料电池之间的流出物的输送相关的接口。
存在对促进燃料电池堆的紧压的装置的需要。还存在对提供有效从燃料电池堆收集电流的系统的需要。本发明实现了这些需要和其它需要。

发明内容
本发明涉及燃料电池系统，其结合有端板组件，用于紧压燃料电池堆和/或从燃料电池堆收集电流。根据一个实施例，燃料电池电流收集系统包括燃料电池堆，该燃料电池堆包括沿预定堆叠方向堆叠的若干燃料电池。该燃料电池电流收集系统还包括被设置在燃料电池堆的一端处的端板组件和通过该端板的电流收集器。该电流收集器被电连接到燃料电池堆上，并被构造成从燃料电池堆收集电流。
根据本发明的另一实施例，燃料电池组件包括燃料电池堆，该燃料电池堆包括沿预定堆叠方向布置的若干燃料电池；和包括两个或多个紧压机构的紧压设备。每个紧压机构都被构造成择优地紧压燃料电池堆的单独区域。
在本发明的又一实施例中，燃料电池系统包括沿预定堆叠方向布置的若干燃料电池；和紧压设备。该紧压设备包括被构造成择优地紧压燃料电池堆的单独区域的紧压机构。其中一个紧压机构包括电流收集/紧压机构，它被构造成择优地紧压燃料电池堆的第一区域，并从燃料电池堆收集电流。
在本发明的再一实施例中，燃料电池紧压设备包括燃料电池端板。该燃料电池端板包括框架和至少部分覆盖该框架的结构元件。
本发明的上述概述不意图描述本发明的每个实施例或每一个实施方案。通过参照结合附图的下述详细描述和权利要求，将更加明确和理解本发明的优点和收获，并且更加完全理解本发明。


附图1a是燃料电池及其组成层的图示；附图1b示出了具有根据本发明的实施例所述的单极构造的组合电池组件；附图1c示出了具有根据本发明的实施例所述的单级/双极构造的组合电池组件；
附图2是根据本发明的实施例所述的燃料电池组件；附图3a至3b示出了根据本发明的实施例所述的燃料电池电流收集系统；附图4a至4e示出了包括根据本发明的实施例所述的一个或多个电流收集板的燃料电池电流收集系统；附图5是一图表，示出了根据本发明的实施例所述的燃料电池堆的多个区域的择优紧压；附图6示出了根据本发明的实施例所述的带有电流收集功能的双区域紧压机构；附图7示出了根据本发明的实施例所述的端板；附图8a至8d示出了根据本发明的实施例所述的双区域紧压机构；附图9是简化的燃料电池堆的说明性描述，它有助于理解根据本发明的原理所述的燃料电池的工作；及附图10至13示出了若干燃料电池系统，在这些燃料电池系统内，可以采用使用本发明的紧压机构和/或电流收集系统的一个或多个燃料电池堆。
尽管本发明可以改成各种修改和替换形式，但是其细节已借助于例子在附图中示出并将详细描述。然而，应当理解的是，不意图将本发明局限于所述的具体实施例。相反，意图覆盖所有落入由所附权利要求限定的本发明范围之内的修改、等同物和替换。
具体实施例方式
在以下所述实施例的描述中，对形成其一部分的附图进行参照，并且其中通过说明示出了可以实施本发明的各实施例。应当理解的是，在不脱离本发明的范围的情况下，可以使用这些实施例并可以进行结构变化。
本发明涉及燃料电池系统，其结合了用于紧压燃料电池堆和/或从燃料电池组收集电流的端板组件。本发明的各实施例涉及多功能端板和/或多区域紧压组件。根据一种方法，提供多区域紧压功能的端板组件包括两个或两个以上的紧压机构，它们操作以择优紧压燃料电池堆的单独区域。
根据另一种方法，多功能端板组件提供了允许从燃料电池堆收集电流的电连接机构。该电连接机构还可以起到紧压机构的作用，用于择优紧压燃料电池堆的内部区域。
在各实施例中，端板组件可以包括端板，该端板包括多重结构元件。例如，端板可以包括框架结构，该框架结构由一种材料与设置在框架部件中和/或覆盖该框架的第二材料制成。
在附图1a中说明了典型的燃料电池。燃料电池是电化学装置，它将氢燃料和空气中的氧结合起来以产生电、热量和水。燃料电池不利用燃烧，因而即使燃料电池产生任何危险排放物，也很少。燃料电池将氢燃料和氧直接转换成电，并可以以比例如内燃发电机高得多的效率工作。
附图1a中所示的燃料电池10包括阳极14附近的第一流体输送层(FTL)12。与阳极14相邻的是电解膜16。阴极18位于该电解膜16附近，并且第二流体输送层19位于该阴极18附近。在工作中，氢燃料被导入到燃料电池10的阳极部分中，通过第一流体输送层12并越过阳极14。在阳极14处，氢燃料被分离成氢离子(H+)和电子(e-)。
电解膜16只允许氢离子或质子通过电解膜16到达燃料电池10的阴极部分。电子无法通过电解膜16，而是以电流形式流过外部电路。该电流能够向如电机之类的电负载17供电，或者被直接导向如可充电电池之类的能量存储装置中。
氧经过第二流体输送层19而流入燃料电池10的阴极侧。随着氧通过阴极18，氧、质子和电子结合起来产生水和热量。
如附图1a中所示的单独燃料电池可以被组装成下述组合燃料电池组件。此处被称为组合电池组件(UCA)的组合燃料电池组件可以与数个其它的UCA组合形成燃料电池堆。在燃料电池堆中，该UCA可以与这数个UCA串联电连接，决定电池堆的总电压，并且每个电池的有效表面积决定了总电流。给定燃料电池堆所产生的总电功率可以通过电池堆的总电压与总电流相乘而决定。
可以使用数种不同燃料电池技术来构成根据本发明的原理所述的UCA。例如，本发明的UCA组装方法可以用于构造质子交换膜(PEM)燃料电池组件。PEM燃料电池在相对较低的温度下工作(约175/80℃)，具有较高功率密度，能够快速改变其输出，以满足功率需要的转变，并很好地适用于需要快速启动的应用，如汽车。
PEM燃料电池中所使用的质子交换膜通常是允许氢离子通过的薄塑料片。该质子交换膜通常在两边都涂有为活性催化剂的高扩散金属或金属合金颗粒(例如，铂或铂/钌)。所使用的电解质通常是固态全氟磺酸聚合物。由于固态电解质减小了碰撞和管理问题，所以它的使用是有利的。
将氢送到燃料电池的阳极侧，在该阳极侧，催化剂促使氢原子释放电子并变为氢离子(质子)。在电子返回到已经导入氧的燃料电池的阴极侧之前，电子以可以使用的电流的形式运动。同时，质子通过隔膜扩散到阴极，在该阴极处，氢离子被重新组合起来，并与氧反应，产生水。
膜电极组件是如氢燃料电池之类的PEM燃料电池的中心元件。如上所述，典型的MEA包括起到固态电解质作用的聚合电解膜(PEM)(也称为离子导电膜(ICM))。
PEM的一个表面与阳极电极层接触，并且相对表面与阴极电极层接触。每个电极层都包括通常包括铂金属的电化学催化剂。流体输送层(FTL)帮助从阳极和阴极电极材料输送气体并将气体输送到阳极和阴极电极材料，并传导电流。
在典型PEM燃料电池中，质子经过氢氧化而在阳极处形成，并被输送到阴极，与氧反应，允许电流流入连接电极的外部电路。FTL也可以称为气体扩散层(GDL)或扩散/电流收集器(DCC)。阳极电极层和阴极电极层可以在制造期间涂敷到PEM或FTL上，只要它们在做好的MEA中被设置在PEM和FTL之间即可。
任何合适的PEM都可以用于本发明的实施。PEM的厚度通常小于50μm，更典型地小于40μm，更典型地小于30μm，最典型地大约为25μm。PEM通常由聚合电解质组成，该聚合电解质为酸功能的含氟聚合物，如Nafion(美国特拉华州威尔明顿杜邦化学品公司)和Fiemion(日本东京Asahi Glass有限公司)。可在本发明中使用的聚合电解质通常优选地是四氟乙烯和一个或多个氟化的酸功能的共聚单体的共聚物。
通常，聚合电解质带有磺化官能团。最为典型地，聚合电解质为Nafion。该聚合电解质的酸当量通常为1200或1200以下，更为典型地是1100，最为典型地是大约1000。
任何合适的FTL都可以用于本发明的实施。通常，FTL由含有碳纤维的片材组成。FTL通常是从纺织和无纺碳纤维结构中选出的碳纤维结构。可以在本发明的实施中使用的碳纤维结构可以包括TorayCarbon Paper、SpectraCarb Carbon Paper、AFN无纺碳布、Zoltek碳布等。FTL可以涂有或浸渍有多种材料，这些材料包括碳颗粒涂覆、亲水处理和疏水处理，如用聚四氟乙烯(PTFE)涂覆。
在本发明的实施中可以使用任何合适的催化剂。通常，使用碳支撑催化剂颗粒。典型的碳支撑催化剂颗粒是50-90％重量的碳和10-50％重量的催化剂金属，该催化剂金属通常包括用于阴极的铂和用于阳极的、重量比为2∶1的铂和钌。催化剂通常以催化剂墨的形式涂敷在PEM或FTL上。该催化剂墨通常包括聚合电解质材料，它可以是包括该PEM的相同或者不同的聚合电解质材料。
催化剂墨通常包括聚合电解质的分散体中的催化剂颗粒的分散体。该催化剂墨通常含有5-30％的固体(即聚合物和催化剂)，且更通常含有10-20％的固体。电解质分散体通常是水分散体，它可以另外含有乙醇、多元醇，如丙三醇和乙二醇，或如N-甲基吡咯烷酮(NMP)和二甲基甲酰胺(DMF)之类的其它溶剂。可以调节水、乙醇和多元醇含量，以改变墨的流变性质。催化剂墨通常含有0-50％的乙醇和0-20％的多元醇。另外，催化剂墨可以含有0-2％的合适分散剂。通常通过加热搅拌，然后稀释至可涂覆浓度，从而制造出该催化剂墨。
催化剂可以通过任何合适的手段而涂敷于PEM或FTL，包括手工方法和机器方法，包括手工刷涂、凹口杆(notch bar)涂覆、流体承载模(fluid bearing die)涂覆、绕线杆(wire-wound rod)涂覆、流体承载(fluid bearing)涂覆、槽口进给刀(slot-fed knife)涂覆、三辊涂覆或贴花转印。可以在一个应用或多个应用中实现涂覆。
直接甲醇燃料电池(DMFC)类似于PEM电池，类似之处在于它们都使用聚合物膜作为电解质。然而，在DMFC中，阳极催化剂自己从液态甲醇燃料中提取氢，消除了燃料重整装置的需要。DMFC通常在120-190/49-88℃之间范围内的温度下工作。直接甲醇燃料电池可以用根据本发明的原理所述的UCA组装。
现在参照附图1b，示出了根据PEM燃料电池技术实现的UCA的实施例。如附图1b中所示，UCA 20的膜电极组件(MEA)25包括五个组成层。PEM层22被夹在一对流体输送层24和26之间，如扩散电流收集器(DCC)或气体扩散层(GDL)。阳极30位于第一FTL 24和膜22之间，而阴极32位于该膜22和第二FTL 26之间。
在一个构造中，PEM层22被制造成在一个表面上包括阳极催化剂涂层30和在另一个表面上包括阴极催化剂涂层32。该结构通常被称作催化剂涂覆膜或CCM。根据另一构造，第一和第二FTL 24、26被制造成分别包括阳极催化剂涂层和阴极催化剂涂层30、32。在又一构造中，阳极催化剂涂层30可以被部分设置在第一FTL 24上，并且被部分设置在PEM 22的一个表面上，而阴极催化剂涂层32可以被部分设置在第二FTL 26上，并且被部分设置在PEM 22的另一表面上。
FTL 24、26通常由碳纤维纸或无纺材料或纺织布制成。根据产品结构，FTL 24、26在一侧上可以具有碳颗粒涂层。如上所述，FTL 24、26可以被制造成包括或不包括催化剂涂层。
在附图1b中所示的具体实施例中，显示出MEA 25被夹在第一边缘密封系统34和第二边缘密封系统36之间。与该第一和第二边缘密封系统34和36相邻的分别是流场板40和42。每个流场板40、42都包括气流通道场43及供氢氧进料燃料通过的若干口。在附图1b中所示的构造中，流场板40、42被构造为单极流场板，其中在它们之间夹着单个MEA 25。该实施例和其它实施例中的流场可以是如2001年9月17日提交的美国待审申请09/954,601中公开的低横向流量流场。
边缘密封系统34、36在UCA组装中提供了必要密封，从而将各种流体(气体/液体)输送和反应区域隔离开，防止彼此污染和不适当地离开UCA 20，并还可以设置用于电隔离和流场板40、42之间的硬停紧压控制。此处所使用的词语“硬停”一般指的是几乎或基本上不可压缩的材料，它在工作压力和温度下厚度不会明显改变。更具体地说，该词语“硬停”指的是膜电极组件(MEA)中基本不可压缩的部件或层，它使MEA的压缩停止在固定厚度或应变处。此处所指的“硬停”并不表示离子导电膜层、催化剂层或气体扩散层。
在一个构造中，边缘密封系统34、36包括由弹性体材料制成的垫片系统。在另一构造中，如将在下面描述的那样，可以使用一层、两层或者多层各种所选材料，从而在UCA 20中提供必要的密封。其它构造使用原地形成的密封系统。
附图1c说明了UCA 50，其通过采用一个或多个双极流场板56而结合有多个MEA 25。在附图1c所示的构造中，UCA 50结合有两个MEA 25a和25b及单个双极流场板56。MEA 25包括夹在FTL 66a和64a之间的阴极62a/膜61a/阳极60a的分层结构。FTL 66a位于流场端板52附近，它被构造成单极流场板。FTL 64a位于双极流场板56的第一流场表面56a附近。
类似地，MEA 25b包括夹在FTL 66b和64b之间的阴极62b/膜61b/阳极60b的分层结构。FTL 64b位于流场端板54附近，它被构造成单极流场板。FTL 66b位于双极流场板56的第二流场表面56b附近。将认识到的是，在单个UCA 50中可以结合N个MEA 25和N-1个双极流场板56。然而，认为通常结合有一个或两个MEA 56(N＝1，双极板＝0或N＝2，双极板＝1)的UCA50对于更加有效的热管理是优选的。
附图1b和1c中所示的UCA构造是可以用于本发明的两个具体设置的代表。提供这两个设置只用于说明目的，且并不期望代表本发明范围内的所有可能的构造。而是，附图1b和1c旨在示出可以选择性地结合到根据本发明原理组装的组合燃料电池组件中的各种部件。
作为另一个例子，可以使用多种密封方法，用以提供UCA所需的密封，该UCA包括设置在一对单极流场板之间的单个MEA，并且还能够用于密封包括多个MEA、一对单极流场板和一个或多个双极流场板的UCA。例如，具有单极或双极结构的UCA可以被构造成结合原地形成的固体垫片，如平的固体硅垫片。
在具体实施例中，除了包括密封垫片之外，UCA还能够结合硬停装置。硬停装置可以固定设置在UCA内部，或一体设置在单极和/或双极流场板中。其它特征可以结合到UCA中，如多余垫片材料收集通道和设置在流场板上的微复制图案。将硬停装置结合到UCA组装中有利地限制了制造期间(例如，按压力)和使用期间(例如，外部堆叠紧压系统)施加到MEA上的压力大小。例如，可以计算出UCA硬停装置的高度，以提供UCA构造期间指定量的MEA紧压，如30％，硬停装置将这种紧压限制到指定量。将硬停装置结合到流场板中还能够起到帮助两个流场板对齐的作用。因此，本发明的燃料电池组件不局限于具体的UCA构造。
附图2示出了燃料电池组件200，它包括被布置形成燃料电池堆215的多个UCA 210。根据这一应用，用紧压设备220紧压UCA 210的燃料电池堆215，该紧压设备220包括设置在燃料电池堆215的相对端部处的端板222、224和连接端板222、224的杆226。紧压设备220可以包括根据本发明的实施例所述的多区域紧压机构和/或多功能端板组件，如下所述。根据下述的其它实施例，端板222、224可以由多种材料制成。
在常规燃料电池系统设计中，端板的主要目的是提供用于将UCA物理容纳在具体封装设备中的装置，并提供燃料电池堆中的UCA的机械紧压。常规端板通常由主要根据其强度所选择的导电金属制造成。然而，金属端板的热性质和电性质可以产生不希望的影响。例如，金属端板可以产生跨越燃料电池堆的热梯度，并且/或者可以导致燃料电池组件的部件之间电短路。可能需要额外的电和/或热绝缘部件，以避免或减小这些影响。
优选的是，在不因为通过紧压设备的端板和/或其它部件短路而造成损耗的情况下，实现从燃料电池堆中收集电流。而且，为了有效工作，必须在电流收集部件与燃料电池气体和冷却剂之间保持密封。在典型的电池堆设计中，电流收集部件被设置在端板和起作用的电池之间。于是，电流收集部件和金属端板电绝缘以及将电流收集部件与气体和冷却剂密封存在挑战。
本发明的实施例涉及用于从燃料电池堆收集电流的系统和方法。附图3a示出了根据一个实施例所述的电流收集系统300的一个实施例的侧视图。沿预定堆叠方向350堆叠了数个UCA 340，从而形成燃料电池堆330。该电流收集系统300包括端板310，该端板310可以与如拉杆(tie rod)或其它连接部件之类的辅助紧压装置部件结合使用，用于紧压燃料电池堆330。
在一优选实施例中，端板310由电绝缘和热绝缘的材料制成，如G-11玻璃布和环氧树脂(Accurate Plastic公司s，扬克斯，美国纽约州)。这些材料的使用在端板不过度变形的情况下提供了充分紧压的强度，并且还允许相对紧凑的端板构造。通过使用G-11玻璃/环氧、或具有类似属性的材料，端板可以形成例如具有大约57000psi的挠曲强度和大约2.5×106的弹性模量。
通过允许端板材料与燃料电池活性区域直接接触，根据本实施例所述的端板310提供与燃料电池堆330的电绝缘，而不担心电压下降和能量损失。端板材料的体积电阻率可以是大约5×106兆欧×厘米，且表面电阻率为例如大约1.5×106兆欧/平方英寸(square)。
而且，G-11或类似材料的使用产生出良好热绝缘的端板310。导热端板，例如金属端板可以在燃料电池堆的中芯UCA和位于端部处的UCA之间产生出明显的温度梯度。根据本发明的实施例所述的热绝缘端板310减小了跨越燃料电池堆330的热梯度，并允许端板310和双极板之间的直接接触。横跨燃料电池堆的热梯度通过使用热绝缘端板材料而减小，改善了燃料电池系统的工作，并降低了燃料电池系统的成本。
电流收集系统300还包括在附图3a中以螺栓示出的电流收集器320，该电流收集器通过端板310并电连接到位于燃料电池堆330的端部处并与端板310相邻的UCA 340上。在一个实施例中，电流收集器320大致相对于堆叠方向350纵向定向。
尽管在附图3a中将电流收集器320示出为单个螺栓，但是其它电流收集构造是可以的，并且认为在本发明的范围之内。例如，电流收集器320可以被作为延伸穿过不导电端板310的一个或数个螺栓、销、杆或其它结构。
附图3b示出了电流收集系统300的等轴视图。端板310可以包括数个孔360，供紧压设备的连接杆可以插过，以有效地紧压燃料电池堆。端板310还可以包括适合于容纳气体设备的一个或多个孔365。电流收集器320可以定位在端板310的中央区域中，或者可以定位在从燃料电池堆有效收集电流的任何位置处。
附图4a和4b分别示出了根据本发明的实施例所述的电流收集系统400的侧视图和等轴视图。该系统400包括由参照附图3a和3b所述的电绝缘和热绝缘材料制成的端板410。
在附图4a和4b中以螺栓示出的电流收集器420延伸穿过该端板410。该端板410可以与如拉杆或其它连接部件之类的辅助紧压机构连同使用，用于紧压燃料电池堆430。在最后流场板490和端板410之间可以定位一个或多个辅助电流收集板480，用以增强电流收集，如下所述。在最后流场板490和端板410之间可以定位有密封件470，用以阻挡在端板410与最后流场板490的界面处泄漏的气体和冷却剂。
如附图4b中所示，燃料电池堆430的最后流场板490可以包括用于容纳电流收集板480的凹口袋491。该电流收集板480可以由如铜之类的金属材料制成。来自燃料电池堆430中的起作用的电池的电流通过最后流场板490到达电流收集板480。电流经过如附图4a和4b中以螺栓示出的电流收集器420而被从电流收集板480上消除。电流收集螺栓420通过端板410，接触电流收集板480。端板材料的高电阻率防止了在端板410处损失过多电流。可以将电流收集螺栓420的头部钻孔并攻丝，以容纳螺栓424，例如标准1/4-20螺栓，该螺栓可以用于固定高电流端子422。
附图4c-4e示出了用于帮助从燃料电池堆收集电流的端板组件的另一实施例。附图4c-4e示出了结合有用于容纳电流收集板480的凹槽493的端板(附图4a和4b)。
如前所述，电流收集板可以由铜或其它金属材料制成。如附图4c-4e中所示，端板410中的凹槽493可以被构造成容纳电流收集板，使得电流收集板的表面与燃料电池的表面在燃料电池堆的端部处齐平。
端板410可以包括例如数个歧管口495。这些歧管口495在端板410的外侧412(附图4e)或侧面413(附图4c)处可以具有大致圆形的形状，以便于接纳圆形配件。歧管口495在端板410的内侧411(附图4c和4d)处可以具有非圆形形状，以便于提供与流场板的非圆形歧管口(未示出)的兼容性。
端板410还可以包括被构造成接纳紧压设备的连接杆的数个孔465。另外，端板410可以包括中央定位的孔466，例如被构造成容纳上述电流收集螺栓的螺纹孔。在端板410附近、例如形成在端板410中的槽471或其它合适特征中可以定位有密封件。该密封件阻止了气体和冷却剂在端板410和燃料电池堆的第一燃料电池的界面处泄漏。附图4c所示的端板410在它的一个或多个侧面413处包括若干圆形气体和/或冷却剂口495。附图4d-4e示出了端板410的正视图和后视图，该端板410包括用于电流收集板的凹槽493。附图4d-4e所示的端板410在其外表面412处包括若干圆形气体口和/或入口495。
如前所述，燃料电池堆受到紧压设备的紧压，从而密封气体和冷却剂歧管。借助于使用采用了通过并且/或者机械联接端板222、224的连接杆226或其它连接部件的紧压设备220，可以紧压紧压如附图2中所示的燃料电池堆215。一般地，不期望将连接设备、例如连接杆226通过燃料电池堆中UCA的活性区域。这种构造防止了辅助密封的需要和其它复杂化。
为了避免连接设备通过燃料电池堆215的活性区域，紧压硬件、例如连接杆226可以移动到端板222、224的周边区域，从而避开UCA210的活性区域。然而，当紧压硬件位于超出活性区域的周边处时，变得更难以将力均匀地分布在双极板上。在这种情况下，端板222、224的外边缘可能会挠曲并约束，同时板的中央将沿相反方向向外弯曲。尽管这在UCA 210的外边缘处产生良好的压力，但是在中央处可能压力不足。尽管可以增加端板的厚度，以避免弯曲，但是该限制可能使端板变得不期望的厚、笨重和/或昂贵。
根据本发明的实施例，可以采用多区域紧压组件，以择优地紧压燃料电池堆的多个区域。在各实施例中，双区域紧压装置可以包括用于择优地紧压燃料电池堆的单独区域的第一和第二紧压机构。例如，如附图5中所示，第一紧压机构可以用于在燃料电池堆510的周边区域520中施加力Fp1、Fp2、Fp3、Fp4。第二紧压机构可以用于在燃料电池堆510的中央区域530中施加力Fc。这种双区域紧压系统可以包括第一紧压机构，以择优地提供第一区的机械紧压，该第一区包括燃料电池堆的内部歧管的周边密封区域。单独和独立活动的紧压机构可以用于提供包括中央定位的活性区域的第二区的机械紧压。
在附图6所示的一个实施例中，第一紧压机构包括如螺纹拉杆之类的数个连接杆615，这些连接杆615插过位于燃料电池组件的一个或两个端板610的周边区域中的孔。设置在螺纹连接杆615上的螺母617可以用于在端板610的边缘处产生力，以择优地紧压燃料电池堆(附图6中未示出)的周边。
借助于插过端板610的螺栓620或其它结构，可以实现第二紧压机构。如前所述，螺栓620可以拧紧，产生力，以择优地紧压燃料电池堆的中央区域。螺栓620可以另外用于从燃料电池堆收集电流，如前所述。端板610可以由不导电材料制成。如前所述，燃料电池组件可以另外包括最后流场板690、电流收集板680和密封件670。
附图7中所示的端板700可以用于根据本发明的各实施例的端板组件中，该端板组件被构造用于收集电流和/或多区域紧压。在本例子中，端板700由两种材料制成。第一材料、例如金属材料用于形成端板框架715。第二材料、例如塑料至少部分覆盖该框架，并且/或者被设置在该框架部件内。
框架715可以由相对较高的弹性模量的材料制成，所呈的形状有利于将紧压载荷传递到端板700上。在附图7a和7b所示的实施例中，框架715为星形结构，带有从中央区域伸出的若干径向框架部件750。附图7b所示的端板包括在这些径向框架构件750之间延伸的一个或多个连结板部件760。其它的框架形状也是可能的。框架715可以由如铝、铁或其它金属之类的金属材料、或非金属材料制成。与由例如专用塑料制成的框架或端板相比，金属框架受到塑性变形较小。而且，由于关于塑料的塑性变形数据有限，所以金属框架的塑性变形更可预测。
可以借助于包括压铸、砂型铸造、锻造或冲压的几种方法形成框架715。如上所述，位于框架715的中央区域中的螺纹孔730可以被提供来用于延伸穿过框架715的电流收集/紧压螺栓。该螺纹孔730可以例如被铸入、加工出或插入。
端板700还可以包括数个孔740，这些孔740允许紧压设备的连接杆延伸穿过端板700。将紧压杆插过框架715允许将紧压载荷直接传递给框架715。孔740、730可以是电绝缘的，以防止与电流收集螺栓电连接。
第二结构720可以用于覆盖框架715的若干部分，该第二结构720由具有模量小于框架材料模量的材料制成。第二材料可以是例如可模制的热塑性或热固性材料。框架715可以夹物模压在该第二材料中。第二材料可以用于提供金属框架715用的不导电外壳。与常规端板相比，除了减小重量和/或尺寸之外，包括嵌入塑料中的金属框架的多种材料端板700还可以提供热绝缘性和电绝缘性。
本发明的另一实施例包括双端板组件，以实现多区域紧压。这种紧压设备可以用于向燃料电池堆的活性区域施加紧压力，同时仍然在周边区域中提供充分紧压，以在内部歧管周围产生基本防止泄漏的密封。
在附图8a-8d中示出了根据本发明的实施例的双端板紧压组件800。第一端板和第二端板810、820被定位在燃料电池堆830的每个端部处(附图8d)。其中一组连接杆815(附图8a)通过第一端板810。第二组连接杆825通过第一端板和第二端板810、820。在本例子中，第一端板810相对于燃料电池堆830被定位成方形，如附图8c中所示的端板810、820的端视图中所示。第二端板820从第一端板810处旋转大约45度。
为了有利于燃料电池堆830的活性区域的择优紧压，第二端板820中的一个或两个在其中央区域中可以具有升高部分850。附图8b示出了具有升高部分850的第二端板820的内表面。该升高部分850可以在位置上大约与例如UCA的活性区域的相对位置对应。第二端板820可以被布置成使得升高部分850(附图8b)定位在第一端板810附近。当第二端板820的螺母827(附图8a和8c)拧紧时，升高部分850在第一端板810的中央处产生力。该力阻止拧紧第一端板810的螺母817时通常将会产生的变形。
可以通过两组螺纹杆815、825和相对应螺母817、827而独立地拉动约束(pull in)端板。螺母817、827可以被均匀扭转，例如从第二端板820的螺母827开始，然后是第一端板810的螺母817。如果第二端板820在中央具有突出区域850，则可以标定紧固其螺母827，以在第一端板810的外边缘处产生最小的力。
第二端板820的功能包括通过减小第一端板810向外弯曲、远离燃料电池堆830的变形(附图8d)，帮助第一端板810在燃料电池的活性区域上提供一致的压力。当螺母827在第二端板820上被拧紧时，在第一端板810的中央上施加有压力。当螺母817在第一电极810上被拧紧时，在第一端板810的外周上施加有压力，从而控制施加在内部歧管密封件和燃料电池的活性区域上的密封力。该方法增强了紧压力的均匀分布。第二端板820的变形不会降低燃料电池的总体性能。第一端板和第二端板810、820的厚度可以由尺寸和工作条件决定，例如燃料电池密封所需的压力等。
通过在设置成增强其活性区域的紧压的燃料电池堆的中央处施加额外的力，双端板组件能够补偿端板变形。结合附图8a-8d所述的实施例提供了燃料电池堆的周边区域和中央区域的紧压，而不需要通过UCA的活性区域的孔。本实施例中所述的双端板组件可以用于减小端板厚度，从而减小重量和材料成本。
附图9描绘了简化的燃料电池系统，该燃料电池系统有利于理解作为电源的燃料电池的工作。应当理解的是，上述的任何电流收集系统和/或端板组件都可以用在通常附图9中所述类型的系统中。附图9中所示的燃料电池堆的具体部件和构造只提供用于说明目的。
附图9中所示的燃料电池系统900包括根据上述实施例构造并被设置在燃料电池堆的每个端部处的第一和第二端板组件。例如，在一个实施例中，端板组件可以包括端板902、904、电流收集/紧压螺栓912、914、密封件922、924和电流收集板942、944。燃料电池堆包括流场板932、934，这些流场板被构造为设置在端板902、904附近的单级流场板。在第一和第二端板902、904之间有数个MEA 960和双极流场板970。这些MEA和流场板优选地属于上述类型。
当拧紧连接杆螺母985时，通过端板902、904的连接杆980可以用于择优地紧压燃料电池的周边区域。通过拧紧电流收集/紧压螺栓912、914，可以择优地紧压燃料电池堆的中央区域。电流收集/紧压螺栓912、914还可以用于从燃料电池堆收集电流。从燃料电池堆收集的电流被用于驱动负载990。
如附图9中所示，燃料电池系统900包括第一端板902，该第一端板902包括第一燃料入口906和第二燃料出口908，第一燃料入口906能够接收例如氧气，第二燃料出口908能够排出例如氢气。第二端板904包括第一燃料出口909和第二燃料入口910，第一燃料出口909能够排出例如氧气，第二燃料入口910能够接收例如氢气。燃料经过设置在端板902、904中的各个口906、908、909、910和设置在燃料电池堆的每个MEA 960和流场板970(例如，UCA)上的歧管口以特定方式通过该燃料电池堆。
附图10至13示出了多种燃料电池系统，它们可以结合有此处所述的燃料电池组，并使用燃料电池发电。附图10中所示的燃料电池系统1000描绘了多个可能系统中的一个，其中可以使用如此处的实施例所述的燃料电池组件。
燃料电池系统1000包括燃料处理器1004、电力部分1006、电力调节器1008。包括有燃料重整装置的燃料处理器1004接收如天然气之类的源燃料，并处理该源燃料，以产生富氢燃料。将该富氢燃料供给电力部分1006。在该电力部分1006中，富氢燃料被导入到盛放在该电力部分1006中的燃料电池堆的UCA的堆中。还向电力部分1006提供空气供给，为燃料电池堆提供氧气源。
电力部分1006的燃料电池堆产生直流电、可使用的热量和清洁水。在再生系统中，副产品热量中的一些或全部可以用于产生蒸汽，蒸汽又能被燃料处理器1004使用，用以实现其各种处理功能。电力部分1006所产生的直流电被输送到电力调节器1008，将直流电转换为交流电，以便于随后使用。应当理解的是，交流电转换不需要包括在提供直流输出电源的系统中。
附图11示出了燃料电池电源1100，它包括燃料供给单元1105、燃料电池电力部分与1106和电力调节器1108。燃料电池供给单元1105包括装有供给燃料电池电力部分1106的氢燃料的储存器。在该电力部分1106中，氢燃料与空气或氧气一起被导入到盛放在该电力部分1106中的燃料电池堆的UCA中。
燃料电池电源1100的电力部分1106产生直流电、可使用的热量和清洁水。电力部分1106所产生的直流电可以输送到电力调节器1108，如果需要的话，则转换成交流电。附图11中所述的燃料电池电源系统1100可以实现为例如固定或便携交流或直流发电机。
在附图12所示的实施例中，燃料电池系统使用燃料电池电源产生的电力提供能量以操作计算机。如结合附图11所述，燃料电池电源系统包括燃料供给单元1205和燃料电池电力部分1206。燃料供给单元1205向燃料电池电力部分1206提供氢气。电力部分1206的燃料电池堆产生电力，用于操作如台式计算机或便携计算机之类的计算机1210。
在另一实施例中，如附图13中所示，来自燃料电池电源的电力用于操作汽车。在该构造中，燃料供给单元1305将氢燃料供给到燃料电池电力区域1306。电力部分1306的燃料电池堆产生电力，用于操作马达1308，该马达1308被联接到汽车1310的驱动机构上。
本发明的各实施例的前述描述是出于说明和描述目的。不希望它是全面的或将本发明局限于精简形式的公开。鉴于上述教导，许多修改和变化都是可能的。期望本发明的范围不由详细描述所限定，而是由所附权利要求限定。
权利要求
1.一种燃料电池电流收集系统，包括燃料电池堆，其包括沿预定堆叠方向堆叠的若干燃料电池；及设置在该燃料电池堆的一端处的端板组件，该端板组件包括端板；及电流收集器，它通过端板，被电联接到该燃料电池堆上，并被构造成从燃料电池堆收集电流。
2.一种燃料电池电流收集系统，包括用于提供沿预定堆叠方向布置在端板之间的燃料电池堆的装置；及用于从燃料电池堆收集电流的装置，用于收集电流的该装置包括通过端板并与该燃料电池堆电联接的电流收集器。
3.一种燃料电池组件，包括包括沿预定堆叠方向布置的若干燃料电池的燃料电池堆；及包括两个或多个紧压机构的紧压设备，每个紧压机构都被构造成择优地紧压燃料电池堆的单独区域。
4.如权利要求3所述的燃料电池组件，其中，所述紧压设备包括第一紧压机构，其包括分别被设置在燃料电池堆的相对端部处的第一外紧压板和第二外紧压板；及在该第一外紧压板和第二外紧压板之间延伸的一个或多个外连接部件，该第一紧压机构被构造成促进对该燃料电池堆的第一区域的择优紧压；及第二紧压机构，其包括分别被设置在燃料电池堆的相对端部处的第一内紧压板和第二内紧压板；及在该第一内紧压板和第二内紧压板之间延伸的一个或多个内连接部件，该第二紧压机构被构造成促进对该燃料电池堆的第二区域的择优紧压。
5.如权利要求3所述的燃料电池组件，其中，所述紧压设备包括第一紧压机构，其包括分别被设置在燃料电池堆的相对端部处的第一紧压板和第二紧压板；及在该第一紧压板和第二紧压板之间延伸的一个或多个连接部件，该第一紧压机构被构造成促进对该燃料电池堆的周边区域的紧压；及第二紧压机构，其延伸穿过第一紧压板和第二紧压板的至少其中一个的大致中央部分，并被构造成紧压该燃料电池堆的内部区域。
6.一种用于紧压燃料电池堆的系统，包括通过第一紧压机构择优紧压燃料电池堆的第一区域的装置；及通过第二紧压机构择优紧压燃料电池堆的第二区域的装置。
7.一种用于紧压燃料电池堆的系统，包括用于择优紧压燃料电池堆的密封区域的装置；及用于择优紧压燃料电池堆的活性区域的装置。
8.一种燃料电池系统，包括燃料电池堆，其包括沿预定堆叠方向布置的若干燃料电池；及紧压设备，其包括被构造成择优紧压燃料电池堆的若干单独区域的若干紧压机构，该紧压机构包括被构造成择优紧压燃料电池堆的第一区域并从燃料电池堆收集电流的电流收集/紧压机构。
9.一种燃料电池组件，包括通过第一紧压机构择优紧压燃料电池堆的周边区域的装置；及通过第二紧压机构择优紧压燃料电池堆的活性区域并从燃料电池堆收集电流的装置。
10.一种燃料电池端板，包括框架；及至少部分覆盖该框架的结构元件。
全文摘要
燃料电池系统结合有用于紧压燃料电池堆和/或从该燃料电池堆收集电流的端板组件。燃料电池系统包括具有沿预定堆叠方向堆叠的若干燃料电池的燃料电池堆。多功能或多区域紧压端板组件被设置在燃料电池堆的端部处。多区域紧压端板组件包括被构造成择优紧压燃料电池堆的若干单独区域的紧压机构。多功能端板组件采用了通过端板的电流收集器以从燃料电池堆收集电流。该电流收集器可以用于择优紧压燃料电池堆的区域。
文档编号H01M8/24GK1886845SQ200480035301
公开日2006年12月27日 申请日期2004年10月13日 优先权日2003年10月31日
发明者金·B·索尔斯布里, 丹尼斯·E·弗格森, 丹尼尔·M·皮尔蓬, 丹尼斯·P·奥布赖恩, 谢恩·S·毛 申请人:3M创新有限公司