专利名称：用于燃料电池组件的绝缘层的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池组件，并且更具体地涉及具有绝热导电层的燃料电池组件， 其中该绝热导电层被置于其终端板和端部板之间，以便减少端部板的热损失以及在端部燃 料电池内的流体冷凝和冰的生成。燃料电池组件也可以包括膜和/或阴极，所述膜和/或 阴极的厚度大于燃料电池组件的大部分燃料电池中使用的膜和/或阴极的厚度。这些膜和 /或阴极可以与绝缘层结合或代替绝缘层被用于端部燃料电池中，从而进一步减少端部板 的热损失以及在端部燃料电池中的流体冷凝和冰的生成。
背景技术：
燃料电池组件将燃料和氧化剂转化为电。一种燃料电池电源系统使用质子交换膜 (此后称“PEM”)来分离有助于燃料(例如氢)和氧化剂(例如空气或氧)的催化反应来 生成电的电极。PEM通常是固体聚合物电解质膜，其有助于质子在通常布置于燃料电池电 源系统中的每个单个燃料电池中从阳极传递到阴极。汽车应用中的典型PEM是15-25微米厚。在燃料电池电源系统中的典型燃料电池组件(或堆叠体)中，各个燃料电池板包 括通道，各种反应物和冷却流体流过所述通道。燃料电池板通常被设计成具有直的或蜿蜒 的流动通道。这样的流动通道是理想的，因为它们有效地使得反应物分布在工作燃料电池 的活性区域上，从而最大化性能和稳定性。在零下温度时，燃料电池组件中的水蒸气可能会 冷凝。此外，冷凝物可能在燃料电池组件中形成冰。冷凝物和冰的存在会影响燃料电池组 件的性能。在典型工作条件下，冷凝物也会聚积在燃料电池组件的出口歧管附近的燃料电池 板边缘处，从而约束从流动通道到出口歧管的流体流动。在零下温度中燃料电池组件的启 动操作期间，燃料电池板的流动通道内的和出口歧管的边缘处的冷凝水是可能约束反应物 流的冰的形式。类似地，在正常操作期间可能会由于液态水的停滞而导致反应物流分布不 均。通常，为了减少在燃料电池组件的出口歧管处形成冷凝，增加燃料电池组件的工 作温度。不过，增加工作温度可能会对欧姆阻抗产生不利影响，因为随膜湿度减小膜的质子 阻抗增大。而且，减小阳极和阴极气流的入口相对湿度将实现与增加工作温度相同的效果， 并且由于膜质子阻抗增大而对欧姆阻抗造成不利影响。在燃料电池组件工作期间，来自燃料电池反应的废热加热燃料电池组件并且减少 组件内的水冷凝和冰的生成。不过，燃料电池组件的端部板倾向于具有比燃料电池组件的 中间板的温度更低的温度。端部板由于向环境损失热以及向其附近的燃料电池组件的终端 板损失热而具有更低的温度。燃料电池组件中各燃料电池板的温度差可能会导致低效率工 作、反应物分布不均、可导致冰生成的水冷凝以及燃料电池组件的使用寿命减小。通常，为了确保在燃料电池组件内的板之间具有基本均一的温度分布，在端部板 附近放置加热机构以便直接向其传递热能。加热机构也可以被置于终端板附近以便向其传递热能。之后，热能从终端板传递到端部板。可替代地，适于加热端部板的电阻加热机构可 以被并联于燃料电池组件。如果加热机构失效并且处于动力状态，则端部燃料电池可能变 干，从而导致燃料电池组件内的短路。用于加热端部板的其他方法包括催化加热以及在端 部板和终端板之间设置旁路板。理想的是，开发一种燃料电池组件，该燃料电池组件具有被置于其终端板和端部 板之间的绝热导电层从而减少从端部板的热损失以及端部板上的流体冷凝和冰的生成；并 且具有端部燃料电池，端部燃料电池具有的膜和/或阴极的厚度大于燃料电池组件的剩余 部分内的燃料电池中使用的膜和阴极的平均厚度，从而进一步减少从端部板的热损失以及 在端部电池燃料内的流体冷凝和冰的生成。
发明内容
根据并符合本发明，令人瞩目地公开了一种燃料电池组件，该燃料电池组件具有 被置于其终端板和端部板之间的绝热导电层从而减少从端部板的热损失以及端部板上的 流体冷凝和冰的生成。在一个实施例中，燃料电池组件包括设置在堆叠体中的多个燃料电池；设置在 燃料电池堆叠体的第一端处的第一终端板；设置在燃料电池堆叠体的第二端处的第二终端 板；以及置于燃料电池之一和第一终端板之间来提供其间的热阻隔(热障)的绝缘层。在另一个实施例中，燃料电池组件包括一对终端板，所述终端板被分别置于燃料 电池组件的各端；置于终端板之间的一对端部燃料电池，每个端部燃料电池均具有置于其 内的电解质膜；设置在堆叠体中且被置于端部燃料电池之间的多个燃料电池，每个燃料电 池均包括置于其内的电解质膜，其中被置于端部燃料电池内的电解质膜具有的厚度是被置 于燃料电池内的电解质膜的平均厚度的至少约1.5倍；以及，被置于燃料电池和至少一个 终端板之间从而提供其间的热阻隔的绝缘层。在另一个实施例中，燃料电池组件包括一对终端板，所述终端板被分别置于燃料 电池组件的各端；置于终端板之间的一对端部燃料电池，每个端部燃料电池均具有置于其 内的阴极；设置在堆叠体中且被置于端部燃料电池之间的多个燃料电池，每个燃料电池均 具有置于其内的阴极，其中被置于端部燃料电池内的阴极具有的厚度是被置于燃料电池内 的阴极的平均厚度的至少约1. 5倍；以及被置于燃料电池和至少一个终端板之间从而提供 其间的热阻隔的绝缘层。本发明还提供以下技术方案。方案1. 一种燃料电池组件，包括设置在堆叠体内的多个燃料电池；置于所述燃 料电池的堆叠体的第一端处的第一终端板；置于所述燃料电池的堆叠体的第二端处的第二 终端板；以及，置于所述燃料电池中的一个燃料电池和所述第一终端板之间以提供其间的 热阻隔的绝缘层。方案2.根据方案1所述的燃料电池组件，其中所述绝缘层由导电绝热材料形成。方案3.根据方案1所述的燃料电池组件，其中所述绝缘层由碳泡沫、碳布和碳纸 中的一种形成。方案4.根据方案1所述的燃料电池组件，其中所述绝缘层具有在约2mm至约6mm 之间的厚度。
方案5.根据方案1所述的燃料电池组件，还包括被置于所述燃料电池中的一个燃 料电池和所述第二终端板之间的第二绝缘层。方案6.根据方案1所述的燃料电池组件，还包括第一端部燃料电池和第二端部燃 料电池，所述第一端部燃料电池被置于邻近所述第一终端板并且所述第二端部燃料电池被 置于邻近所述第二终端板，其中所述第一端部燃料电池、所述第二端部燃料电池和所述燃 料电池包括被置于其内的电解质膜。方案7.根据方案6所述的燃料电池组件，其中被置于所述第一端部燃料电池内和 所述第二端部燃料电池内的电解质膜的厚度是被置于所述燃料电池内的电解质膜的平均 膜厚度的至少约1. 2倍至约1. 5倍。方案8.根据方案6所述的燃料电池组件，其中被置于所述第一端部燃料电池内和 所述第二端部燃料电池内的电解质膜的厚度是被置于所述燃料电池内的电解质膜的平均 膜厚度的约1.5倍。方案9.根据方案6所述的燃料电池组件，其中被置于所述第一端部燃料电池内和 所述第二端部燃料电池内的电解质膜具有大约25微米至大约35微米的厚度。方案10.根据方案1所述的燃料电池组件，还包括第一端部燃料电池和第二端部 燃料电池，所述第一端部燃料电池被置于邻近所述第一终端板并且所述第二端部燃料电池 被置于邻近所述第二终端板，其中所述第一端部燃料电池、所述第二端部燃料电池和所述 燃料电池包括被置于其内的阴极。方案11.根据方案10所述的燃料电池组件，其中被置于所述第一端部燃料电池内 和所述第二端部燃料电池内的阴极的厚度是被置于所述燃料电池内的阴极的平均明极厚 度的至少约1. 2倍至约1. 5倍。方案12.根据方案10所述的燃料电池组件，其中被置于所述第一端部燃料电池内 和所述第二端部燃料电池内的阴极的厚度是被置于所述燃料电池内的阴极的平均阴极厚 度的约1. 5倍。方案13.根据方案10所述的燃料电池组件，其中被置于所述第一端部燃料电池内 和所述第二端部燃料电池内的阴极具有至少大约20微米的厚度。方案14.根据方案10所述的燃料电池组件，其中所述第一端部燃料电池和所述第 二端部燃料电池的阴极包括第一层和第二层。方案15.根据方案14所述的燃料电池组件，其中所述第一端部燃料电池和所述第 二端部燃料电池的阴极的所述第一层和所述第二层由催化剂、导电材料和离聚物形成。方案16. —种燃料电池组件，包括一对终端板，所述终端板分别设置在所述燃料 电池组件的各端；置于所述终端板之间的一对端部燃料电池，每个所述端部燃料电池均具 有被置于其内的电解质膜；设置在堆叠体中并被置于所述端部燃料电池之间的多个燃料电 池，每个所述燃料电池均包括被置于其内的电解质膜，其中被置于所述端部燃料电池内的 电解质膜的厚度是被置于所述燃料电池内的电解质膜的平均厚度的至少约1.5倍；以及， 置于所述燃料电池和至少一个所述终端板之间以提供其间的热阻隔的绝缘层。方案17.根据方案16所述的燃料电池组件，其中所述端部燃料电池的电解质膜具 有大约25微米至大约35微米的厚度。方案18.根据方案16所述的燃料电池组件，其中所述端部燃料电池和所述燃料电
5池中的每个均包括被置于其内的阴极，被置于所述端部燃料电池内的阴极的厚度是被置于 所述燃料电池内的阴极的平均厚度的至少约1. 5倍。方案19. 一种燃料电池组件，包括一对终端板，所述终端板分别设置在所述燃料 电池组件的各端；置于所述终端板之间的一对端部燃料电池，每个所述端部燃料电池均具 有被置于其内的阴极；设置在堆叠体中并被置于所述端部燃料电池之间的多个燃料电池， 每个所述燃料电池均具有被置于其内的阴极，其中被置于所述端部燃料电池内的阴极的厚 度是被置于所述燃料电池内的阴极的平均厚度的至少约1.5倍；以及，置于所述燃料电池 和至少一个所述终端板之间以提供其间的热阻隔的绝缘层。方案20.根据方案19所述的燃料电池组件，其中所述端部燃料电池和所述燃料电 池中的每个均包括被置于其内的电解质膜，被置于所述端部燃料电池内的电解质膜的厚度 是被置于所述燃料电池内的电解质膜的平均厚度的至少约1. 5倍。
当考虑到附图时从下面对于优选实施例的详细描述中，本领域的技术人员将显而 易见到本发明的上述及其他优点，附图中图1是根据本发明实施例的燃料电池堆的分解立体图；图2是沿线2-2截取的图1所示的燃料电池组件的一部分的局部截面侧视图；图3是根据本发明的另一实施例的燃料电池组件的一部分的局部截面侧视图；以 及图4是根据本发明的另一实施例的燃料电池组件的一部分的局部截面侧视图。
具体实施例方式下述详细说明和附图描述并示出了本发明的各种示例性实施例。说明和附图用于 使本领域技术人员能够制造并使用本发明，而不试图以任何方式限制本发明范围。图1示出了具有两个燃料电池堆的燃料电池组件10。燃料电池组件是质子交换膜 (PEM)燃料电池组件。两个燃料电池中的每一个均包括组合电极组件(UEA) 12。UEA 12被 导电双极板14彼此分开。UEA 12具有阳极和阴极扩散介质(DM) 34、阳极电极70和阴极电 极71以及电解质膜60。为了简化，在图1中示出且描述了具有双电池的燃料电池堆(即一 个双极板)的燃料电池组件10，不过可以理解通常的燃料电池组件可以具有更多这样的燃 料电池和双极板。UEA 12和双极板14被一同堆叠在一对终端板16、18以及一对单极端部板20、22 之间。单极端部板20、双极板14的两个工作面以及单极端部板22包括相应的活性区域24、 26、28、30。活性区域24、26、28、30通常包含流场以使得例如氢气和空气的气体反应物分别 分布在UEA 12的阳极和阴极上。通常通过用于成形金属板材的常规工艺来形成双极板14，例如通过冲压、机加工、 模制或例如通过光刻掩模的光刻。在一个实施例中，通过例如焊接或粘接的任何常规工艺 将单极板结合在一起从而由单极板形成双极板14。还可以理解，双极板14也可以由复合材 料形成。在一个具体实施例中，双极板14由石墨或石墨填充的聚合物形成。透气扩散介质 34被置于邻近双极板14的两侧。端部板20、22也被置于邻近扩散介质34。在图1和图2所示的实施例中，绝缘层68被置于端部板22和终端板18之间。绝缘层68是导电绝热层， 例如碳泡沫、碳布或碳纸。已经使用具有约2mm至约6mm之间厚度的绝缘层68获得了令人 满意的结果，不过根据需要绝缘层68可以具有任意厚度。应该理解，根据需要，第二绝缘层 可以被置于单极板20和终端板16之间。双极板14、单极端部板22、22和UEA 12均包括阴极供应孔36和阴极排出孔38、冷 却剂供应孔40和冷却剂排出孔42以及阳极供应孔44和阳极排出孔46。通过双极板14、 单极端部板20、22和UEA 12内的相应孔36、38、40、42、44、46的对齐来形成燃料电池组件 10的供应歧管和排出歧管。氢气经由阳极入口导管48被供应至阳极供应歧管。空气经由 阴极入口导管50被供应到燃料电池组件10的阴极供应歧管。阳极出口导管52和阴极出 口导管54也分别用于阳极排出歧管和阴极排出歧管。冷却剂入口导管56用于向冷却剂供 应歧管供应液体冷却剂。冷却剂出口导管58用于从冷却剂排出歧管去除冷却剂。应该理 解，图1中各入口 48、50、56和出口 52、54、58的构造仅是示意性目的，并且根据需要可以选 择其他构造。燃料电池组件中使用的UEA 12可以包括多个部件。如图2所示，UEA 12包括电 解质膜60、阳极70、阴极71和扩散介质34。UEA 12的部件在UEA 12的生产期间被组装并 且通过例如热压的任何常规工艺被彼此固定。根据需要，粘结剂可以被用在各个部件之间。 为了清楚，图1中的扩散介质34和电解质膜60已被线性放置以便示出电解质膜60。燃料电池组件10的阳极70和阴极71可以被置于电解质膜60和/或扩散介质34 上。可以通过任何常规工艺将催化剂墨水施用于部件而形成电极，其中所述常规工艺例如 喷涂、浸渍、涂刷、辊转印(rollertransfer)、槽缝式模具涂布(slot die coating)、凹版涂 布、Meyer杆涂布、贴花转印以及印刷。阳极或阴极可以被称为电极。电解质膜60可以是由离聚物形成的膜层。例如商标Nafion NRE211名下售出的 离聚物全氟磺酸(PFSA)是本领域公知的用作燃料电池的电解质膜60的一种典型离聚物。 电解质膜60被置于阳极70和阴极71之间。一般而言，在燃料电池电源系统工作期间，氢气流被供给到燃料电池组件10的阳 极侧内。同时氧气流被供给到燃料电池组件10的阴极侧内。在阳极侧，氢气流中的氢被催 化分解成质子和电子。通常由H2H 2H+ + 2e_来表示半电池氧化反应。在PEM燃料电池 中，质子通过膜渗透到阴极侧。电子沿外负载电路行进到阴极侧产生燃料电池组件 ο的电 流。在阴极侧，氧化剂流中的氧与渗透通过膜的质子和来自外电路的电子相结合从而形成 水分子。由411+ + 4& + 02^^21120来表示这个半电池还原反应。来自阳极侧的阳极 排气通常再循环通过系统从而维持高的阳极电转换以及低的氢排放。来自阴极侧的阴极排气被排放到大气。控制模块(未示出)通过响应来自连接于 燃料电池组件10的压力传感器(未示出)和电力传感器(未示出)的信号来操作各种控 制阀(未示出)和压缩机(未示出)从而调节氢气流、氧气流和排气流的状态。一个示例 性排气系统被公开于名为 “FUEL CELL SYSTEM BACK-PRESSURE CONTROLffITH A DISCRETE VALVE”的共有美国专利No. 7，235，318中，其全部内容并入本文以供参考。当燃料电池组件10工作时，绝缘层68减少从端部板22到环境以及从端部板22到 终端板18的热能损失。因为保存了端部板22的热能，所以在所有工作模式期间，特别是在燃料电池组件10在寒冷温度中的启动操作期间，最大化了端部板22的温度。通过在通常 工作期间最大化端部板22的温度，最小化了在端部板22的通道内的冷凝水蒸气所形成的 液态水。类似地，因为最小化了冷凝，所以也最小化了在寒冷条件下端部板22的通道内的 冰的生成，从而有助于燃料电池组件10的高效冷启动。此外，通过最大化燃料电池系统从 寒冷温度启动期间端部板22的温度，最小化了阳极70和阴极71内的液态水或冰的生成， 从而有助于燃料电池组件的高效冷启动。可以通过流经燃料电池组件10的一定量的冷却 剂流来补偿由于绝缘层68的电阻导致的热能生成量的不期望增大。通过保存端部板22的 热能，不需要加热机构来加热端部板22，从而最小化了燃料电池组件10的复杂性和成本。图3示出了根据本发明的实施例的燃料电池组件10’的一部分，其除了下述内容 之外类似于图1和图2的燃料电池组件10。燃料电池组件10'包括在堆叠体内的多个燃料 电池。对于与图1和图2重复的同样的结构，图3包括相同的附图标记和单引号(’)。燃 料电池组件10'的该部分包括uea 12’，该uea 12’包括被置于阳极70’和阴极71’之间 的膜60’以及多个扩散介质34’。uea 12’被置于双极板14’和端部板22’之间。绝缘层 68’被置于端部板22’和终端板18’之间。在图3所示实施例中，邻近终端板18’的燃料电池(端部燃料电池)的膜60’是 由离聚物形成的膜层。例如商标Nafion nre2ii名下售出的离聚物全氟磺酸(pfsa)是 本领域公知的用作燃料电池的电解质膜60’的一种典型离聚物。电解质膜60’被置于阳极 70'和阴极71’之间。端部燃料电池膜60’的厚度大于燃料电池组件10’的其他膜的平均 厚度的大约1. 2倍至大约1. 5倍；不过，根据需要，端部燃料电池膜60’可以具有任意厚度。 在其他燃料电池中使用的膜具有小于25微米的厚度。应该理解，邻近燃料电池组件10’的 端部燃料的一个或更多个燃料电池可以包括其厚度大于燃料电池组件10’的其他膜的平均 厚度约1. 2倍至约1. 5倍的膜60’。已经使用具有25-35微米厚度的膜60’获得了令人满 意的结果。当燃料电池组件10’工作时，绝缘层68’减少从端部板22’到环境以及从端部板 22’到终端板18’的热能损失。因为最小化了端部板22’的热能损失，所以最大化了端部板 22’的温度。通过最大化端部板22’的温度，最小化了在端部板22’的通道内的冷凝水蒸 气所形成的液态水。类似地，因为最小化了冷凝，所以也最小化了在寒冷条件下端部板22’ 的通道内的冰的生成，从而有助于燃料电池组件10的高效冷启动。此外，通过最大化燃料 电池组件10在寒冷温度下的启动操作期间端部板22的温度，最小化了阳极70’和阴极71’ 内的液态水或冰的生成，从而有助于燃料电池组件10’的高效冷启动。因为端部电池的膜 60’的厚度大于典型燃料电池膜，所以最大化了膜60’所吸收的冷凝量，从而进一步最小化 了阳极70’和阴极71’内以及端部板22’的流动通道内所形成的冷凝。可以通过流经燃料 电池组件10’的一定量的冷却剂流来补偿由于较厚膜60’的质子阻抗和绝缘层68’的电阻 导致的热能生成量的不期望增大。通过保存端部板22’的热能，不需要加热机构来加热端 部板22’，从而最小化了燃料电池组件10’的复杂性和成本。图4示出了根据本发明的实施例的燃料电池组件10”的一部分，其除了下述内容 之外类似于图1和图2的燃料电池组件10。燃料电池组件10”包括在堆叠体内的多个燃料 电池。对于与图1和图2重复的同样的结构，图4包括相同的附图标记和双引号(”)。燃 料电池组件10”的该部分是邻近终端板18”的燃料电池(被称作端部燃料)。端部燃料包括UEA 12”，该UEA 12”包括被置于阳极70”和阴极71”中间的膜60”，该阴极71”具有第 一层74和第二层72。根据需要，阴极71”可以由单个层形成。无论是由单个层形成还是由 第一层74和第二层72形成，阴极71”的厚度均大于燃料电池组件10”的其他阴极的平均 厚度的约1. 2倍至1. 5倍；不过阴极72”可以根据需要具有任意厚度。膜60”、阳极70”和 阴极71”被置于多个扩散介质34”之间。UEA 12”被置于双极板14”和端部板22”之间。 绝缘层68”被置于端部板22”和终端板18”之间。第一层74和第二层72可以是参与燃料电池组件10”内的电化学反应的任意多孔 导电材料。第一层74和第二层72还可以包含不参与燃料电池组件10”内的电化学反应的 任意多孔导电材料。例如，阴极71”的第一层74和/或第二层72可以包括含碳质材料，例 如碳黑、石墨和活性碳中的至少一种。第一层74和/或第二层72的催化剂可以由钼或一 种钼族金属形成，所述钼族金属包括钯、铱、铑、钌及其合金。可以使用基于钼和例如钌等的 其他金属的适当合金。催化剂可以包括其他合金化添加物，例如钴、铬、钨、钼、钒、铁、铜和 镍。根据需要也可以使用其他适当的传导材料。层72、74的催化剂的比例可以从大约二十 (20)重量百分比Pt/C到大约七十(70)重量百分比Pt/C。根据需要，可以为层72、74选择 其他适当重量百分比的催化剂。第一层74和/或第二层72也可以由包含不传导增强材料的材料的组合而形成， 只要阴极71”保持实质上导电即可。纤维可以是例如实质上直的、分叉的或有纤丝的。纤 维可以是高纤丝聚合物浆的形式，例如本领域公知的Kevlar 芳族聚酰胺浆和丙烯酸浆。 纤维可以包括碳纳米纤维、碳纳米管、玻璃纳米纤维、聚合物纳米纤维和金属氧化物纳米纤 维中的至少一种。应该意识到，碳纳米纤维在直径上通常小于常规连续或磨碎碳纤维(例 如大约5微米到大约 ο微米)，不过在直径上大于碳纳米管(例如大约ι纳米到大约10 纳米)。典型的纳米纤维可以包括俄亥俄州的Cedarville的Applied Sciences, Inc.生 产的Pyrograf III碳纳米纤维以及可从南卡罗来纳州的Ridgeville的Showa Denko Carbon, Inc.获得的气相生长碳纤维(VGCF)。不传导增强材料可以具有改性表面以便增加 其物理缠结和化学缠结中的至少一种。可以使用有机硅烷来处理增强材料，所述有机硅烷 例如六甲基二硅氧烷(HMDSO)、正硅酸乙酯(TEOS)、六甲基二硅氮烷(HMDSN)或类似有机硅 烷涂层。不传导增强材料还可以被处理以便在其表面上形成一种或更多种官能团(例如羟 基基团、羧基基团、醛基基团、酰胺基基团、胺基基团)从而增加增强材料与形成阴极71”的 传导材料的相互作用。在非限制性示例中，阴极71”的第一层74由离聚物、例如碳纳米纤维的导电 材料以及钼催化剂形成。在碳载钼催化剂中离聚物与碳的重量比是从大约0.1到大约 0.6(0. 1-0.6 1离聚物/碳)。在第一层74中的导电材料与碳的重量比是大约1比1(1 1 导电材料/碳)。第一层74包括大约0.2mg/cm2的钼。在非限制性示例中，第二层72由离 聚物、导电材料和钼催化剂形成。在碳载钼催化剂中离聚物与碳的重量比是从大约0. 6到 大约1.8。第二层72包括大约0.2mg/cm2的钼。已经使用具有1. 5离聚物/碳重量比的第 二层72以及具有0. 33离聚物/碳重量比的第一层74获得了令人满意的结果。由于第一 层74和第二层72均具有大约12微米的厚度，所以阴极71”具有大约24微米的厚度。典 型阴极具有小于20微米的厚度。在第一层74和第二层72中的离聚物可以是电绝缘且质 子传导的任意聚合物，例如全氟磺酸(PFSA)。应该理解，根据需要，阳极70”也可以包括类似于阴极71”的第一层74和第二层72的第一层和第二层。当燃料电池组件10”工作时，绝缘层68”减少从端部板22”到环境以及从端部板 22”到终端板18”的热能损失。因为保存了端部板22”的热能，所以最大化了端部板22”的 温度。通过最大化端部板22”的温度，最小化了在端部板22”的通道内的冷凝水蒸气所形 成的液态水。类似地，因为最小化了冷凝，所以也最小化了在寒冷条件下端部板22”的通道 内的冰的生成，从而有助于燃料电池组件10”的高效冷启动。此外，通过最大化燃料电池组 件10在寒冷温度下的启动操作期间端部板22的温度，最小化了阳极70”和阴极71”内的 液态水或冰的生成，从而有助于燃料电池组件10”的高效冷启动。因为端部燃料的阴极71” 的厚度大于典型阴极及燃料电池组件10”的剩余燃料电池内的阴极的厚度，所以最大化了 适于接收冷凝水的阴极71”内的孔的量和尺寸，从而最小化对流向阳极70”和阴极71”内 的催化剂的气流的阻挡并且最小化在端部板22”的流动通道内形成的冷凝。通过最小化对 流向阳极70”和阴极71”内的催化剂的气流的阻挡并且最小化在流动通道内形成的冷凝， 提高了燃料电池组件10”的效率。可以通过流经燃料电池组件10”的一定量的冷却剂来补 偿由于较厚阴极的质子阻抗和绝缘层68”的电阻导致的热能生成量的可能的不期望增大。 通过保存端部板22”的热能，不需要加热机构来加热端部板22”，从而最小化了燃料电池组 件10”的复杂性和成本。从上述说明中，本领域的普通技术人员可以容易地知道本发明的实质性特点，并 且在不背离其精神和范围的情况下可以对本发明进行各种修改和改进以使其适于各种用 途和条件。
权利要求
一种燃料电池组件，包括设置在堆叠体内的多个燃料电池；置于所述燃料电池的堆叠体的第一端处的第一终端板；置于所述燃料电池的堆叠体的第二端处的第二终端板；以及置于所述燃料电池中的一个燃料电池和所述第一终端板之间以提供其间的热阻隔的绝缘层。
2.根据权利要求1所述的燃料电池组件，其中所述绝缘层由导电绝热材料形成。
3.根据权利要求1所述的燃料电池组件，其中所述绝缘层由碳泡沫、碳布和碳纸中的 一种形成。
4.根据权利要求1所述的燃料电池组件，其中所述绝缘层具有在约2mm至约6mm之间的厚度。
5.根据权利要求1所述的燃料电池组件，还包括被置于所述燃料电池中的一个燃料电 池和所述第二终端板之间的第二绝缘层。
6.根据权利要求1所述的燃料电池组件，还包括第一端部燃料电池和第二端部燃料电 池，所述第一端部燃料电池被置于邻近所述第一终端板并且所述第二端部燃料电池被置于 邻近所述第二终端板，其中所述第一端部燃料电池、所述第二端部燃料电池和所述燃料电 池包括被置于其内的电解质膜。
7.根据权利要求6所述的燃料电池组件，其中被置于所述第一端部燃料电池内和所述 第二端部燃料电池内的电解质膜的厚度是被置于所述燃料电池内的电解质膜的平均膜厚 度的至少约1.2倍至约1.5倍。
8.根据权利要求6所述的燃料电池组件，其中被置于所述第一端部燃料电池内和所述 第二端部燃料电池内的电解质膜的厚度是被置于所述燃料电池内的电解质膜的平均膜厚 度的约1.5倍。
9.一种燃料电池组件，包括一对终端板，所述终端板分别设置在所述燃料电池组件的各端； 置于所述终端板之间的一对端部燃料电池，每个所述端部燃料电池均具有被置于其内 的电解质膜；设置在堆叠体中并被置于所述端部燃料电池之间的多个燃料电池，每个所述燃料电池 均包括被置于其内的电解质膜，其中被置于所述端部燃料电池内的电解质膜的厚度是被置 于所述燃料电池内的电解质膜的平均厚度的至少约1. 5倍；以及置于所述燃料电池和至少一个所述终端板之间以提供其间的热阻隔的绝缘层。
10.一种燃料电池组件，包括一对终端板，所述终端板分别设置在所述燃料电池组件的各端； 置于所述终端板之间的一对端部燃料电池，每个所述端部燃料电池均具有被置于其内 的阴极；设置在堆叠体中并被置于所述端部燃料电池之间的多个燃料电池，每个所述燃料电池 均具有被置于其内的阴极，其中被置于所述端部燃料电池内的阴极的厚度是被置于所述燃 料电池内的阴极的平均厚度的至少约1.5倍；以及置于所述燃料电池和至少一个所述终端板之间以提供其间的热阻隔的绝缘层。
全文摘要
本发明涉及用于燃料电池组件的绝缘层。公开了一种燃料电池组件，该燃料电池组件包括一对终端板，所述终端板分别被置于燃料电池组件的各端；被置于一对端部燃料电池和所述终端板之间的燃料电池；以及在燃料电池和一个终端板之间形成的适于减少从端部板损失的热及减少端部燃料电池内的流体冷凝和冰生成的绝热导电层。燃料电池组件的端部燃料电池具有膜和/或阴极，该膜和/或阴极的厚度大于设置在燃料电池内的膜和/或阴极的平均厚度，其可与绝缘层结合或代替绝缘层来进一步减少从端部板损失的热并且减少端部燃料电池内的流体冷凝和冰的生成。
文档编号H01M8/02GK101950809SQ20101022892
公开日2011年1月19日 申请日期2010年7月9日 优先权日2009年7月10日
发明者D·P·米勒, E·J·康诺尔, J·E·奥维简, M·马蒂亚斯, W·古 申请人:通用汽车环球科技运作公司