專利名稱：模塊單元燃料電池組件的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及聚合物電解質膜(PEM)燃料電池及其部件的制造方法。更具體地，本 發(fā)明涉及低生產(chǎn)成本的模塊單元燃料電池的設計及結構。
背景技術：
聚合物電解質膜(PEM)燃料電池是一種電化學裝置，其包括陽極電極、陰極電極 和以薄聚合物膜形式設置在陽極電極和陰極電極之間的電解質。多個單個聚合物電解質 膜燃料電池或燃料電池單元與雙極隔板堆疊在一起，從而制造出聚合物電解質膜燃料電池 堆，其中雙極隔板將一個燃料電池單元的陽極電極與相鄰燃料電池單元的陰極電極分隔開。包括聚合物電解質膜的電化學電池可以用作燃料電池(其中燃料和氧化劑在電 池電極處進行電化學變換以產(chǎn)生電能)，或用作電解槽(其中外部電流(通常通過水)在電 池電極之間流過，從而在電池的各電極處產(chǎn)生氫和氧)。燃料電池是不進行燃燒也不具有有 害放射物、使用通常來自空氣的氫和氧通過化學變換處理而產(chǎn)生電的能量變換裝置。所輸 出的電壓和電流取決于燃料電池堆中的電池數(shù)量、總有效表面積以及效率。圖1中示出了 單個電池的基本工藝。傳統(tǒng)的燃料電池堆10 (見圖2、圖3和圖4)由堆疊在一起的多個單個電池20構 成。這樣的燃料電池通常具有由經(jīng)過加工的石墨制成的雙極隔板(BSP) 12、膜電極組件 (MEA) 14、襯墊16、18、燃料歧管24，并且可以具有氧化劑和冷卻劑歧管。見圖3和圖4。為了使燃料電池進行正確的操作，氫氣必須被密封在電池內(nèi)部且與氣態(tài)氧化劑 (空氣或氧)分隔開。在一些燃料電池中，還需要進行冷卻，這是因為在正常的工作期間會 產(chǎn)生熱量。該熱量通常利用液體冷卻(通常使用水作為冷卻劑)來從燃料電池堆去除。此外，BSP 12與MEA 14緊密、連續(xù)的電接觸是很關鍵的。如圖2和圖4所示，燃料電池堆典型地使用了“壓濾”結構 (“filter-press” structure)，在該結構中，在每個燃料電池堆10的各端部放置厚且重的 “端板”32、34，并通過重的拉桿、或螺栓38和螺母40、或其它緊固件將“端板”32、34結合在 一起。出于以下兩個目的而嘗試使用“壓濾”結構(i)如果使用了氫、氧化劑、和液體冷卻 劑，則對它們進行密封；以及(ii)保持BSP 12和MEA14之間的緊密電接觸，見圖2和圖4。 對利用傳統(tǒng)方法構建的燃料電池堆的拆卸和分解顯示了該“壓濾”結構布置并不能很好地 執(zhí)行上述兩個功能。這樣的分解已經(jīng)揭示了 BSP 12和MEA 14之間不能完全電接觸、從而 導致了不良的導電性和較低的電池性能的證據(jù)。該分解還顯示了氣體和液體泄漏的證據(jù)。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個方面提供了一種PEM模塊單元燃料電池組件，該PEM模塊單元燃料 電池組件包括膜電極組件(MEA)，其具有陽極側和陰極側；陽極多孔傳輸層(PTL)，其具有 第一側和第二側，其包括適于氣體擴散以及電和熱的傳導的三維孔穴結構，該陽極PTL的 第一側與MEA的陽極側并列且電接觸；導電雙極隔板，其具有第一側和第二側，該導電隔板 的第一側與陽極氣流場的第二側并列且電接觸；彈簧翅片熱傳遞結構，其具有第一側和第 二側，該熱傳遞結構的第一側與導電隔板的第二側并列；以及陰極PTL，其具有第一側和第 二側，其包括適于氣體擴散以及電和熱傳導的三維孔穴結構，該陰極PTL的第一側與彈簧 翅片熱傳遞結構的第二側并列且電接觸。本發(fā)明的另一個方面提供了一種PEM模塊單元燃料電池組件，該PEM模塊單元燃 料電池組件包括膜電極組件(MEA)，其具有陽極側和陰極側；陽極多孔傳輸層(PTL)，其具 有第一側和第二側，其包括適于氣體擴散以及電和熱傳導的三維孔穴結構，該陽極PTL的 第一側與MEA的陽極側并列且電接觸；導電雙極隔板，其具有第一側和第二側，該導電隔板 的第一側與陽極氣流場的第二側并列且電接觸；彈簧翅片熱傳遞結構，其具有第一側和第 二側，該熱傳遞結構的第一側與導電隔板的第二側并列；以及陰極PTL，其具有第一側和第 二側，其包括適于氣體擴散以及電和熱傳導的三維孔穴結構，該陰極PTL的第二側與MEA的 陰極側并列且電接觸。本發(fā)明的再一個方面提供了一種燃料電池堆組件，該燃料電池堆組件包括第一 端板和第二端板，第二端板與第一端板對齊；根據(jù)本發(fā)明第一方面或第二方面所述的模塊 單元燃料電池組件中的至少一個模塊單元燃料電池組件，其設置在第一端板和第二端板之 間；以及加壓結構。本發(fā)明的其他部分將在說明書的下面部分得以呈現(xiàn)，其中，詳細的說明用于充分 公開本發(fā)明的優(yōu)選實施例的目的，而非對其加以限制。
通過參照下面僅用于說明目的的附圖將會更加充分地理解本發(fā)明，附圖中圖1是基本的傳統(tǒng)燃料電池處理的現(xiàn)有技術示意性表示。該圖示出了穿過PEM膜 與氧結合以產(chǎn)生電能的所提取的氫離子。圖2示出了利用重的端板和拉桿螺栓將電極壓緊在一起的傳統(tǒng)現(xiàn)有技術PEM燃料 電池堆。圖3是燃料電池組件的傳統(tǒng)現(xiàn)有技術PEM單個電池的分解圖。圖4是示出內(nèi)部部件和外部部件的布置的電極的傳統(tǒng)現(xiàn)有技術PEM燃料電池堆的 分解圖。圖5是孔穴三維網(wǎng)狀網(wǎng)絡結構或泡沫的放大示圖。圖6是波狀或翅片彈簧冷卻及傳輸結構的放大表示。圖7示出了本發(fā)明的模塊單元電池的各元件的分解截面圖。圖8示出了被組裝為模塊單元電池的圖7的各元件的截面圖。圖9示出了布置為燃料電池堆的連同端板和終端結構(termination structure) 一起的圖8的模塊單元電池的截面圖。
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圖10示出了圖9的燃料電池堆元件的分解截面圖。
具體實施例方式具體結合附圖，出于示例性目的，在圖1至圖10概要地示出的設備中實現(xiàn)本發(fā)明。 應該理解，在不背離本文所公開的基本構思的條件下，本發(fā)明的設備可以在部件的配置和 細節(jié)方面有所改變，以及本發(fā)明的方法可以在具體步驟和順序方面有所改變。圖7和圖8示出了本發(fā)明的模塊單元燃料電池45的優(yōu)選實施例。為了清楚而示 出了圖7的分解圖。模塊單元燃料電池45包括膜電極組件(MEA)62，其具有與陽極電流 收集器/多孔傳輸層(PTL) 70并列且電接觸的陽極側，所述PTL 70與雙極隔板(BSP) 50并 列且電接觸，所述雙極隔板50與波狀或翅片彈簧冷卻及傳輸結構(CTS)85并列且電接觸， 所述CTS 85與陰極電流收集器/多孔傳輸層75及陽極框80 (為了清楚未在圖8中示出) 并列。在所有的實施例中，空氣都垂直于該視圖、并如圖6中由方向箭頭64所示地通過翅 片彈簧冷卻及傳輸結構85，并且所述空氣用作陰極反應物和冷卻劑。在模塊單元燃料電池的第一替換實施例(未示出)中，陰極PTL75不與翅片彈簧 冷卻及傳輸結構85并列且電接觸，而是與MEA 62的陰極側并列且電接觸，所述MEA 62與 陽極PTL 70并列且電接觸，所述陽極PTL 70與BSP 50并列且電接觸，所述BSP 50與CTS 85并列且電接觸。在第二替換實施例(未示出)中，CTS 85不與BSP 50并列且電接觸，而是與陰極 PTL 75的第一側并列且電接觸，該陰極PTL 75具有與MEA 62的陰極側并列且電接觸的第 二側，所述MEA 62與陽極PTL 70并列且電接觸，所述陽極PTL 70與BSP 50并列且電接觸。 所有的實施例都形成了模塊單元燃料電池，可以在進一步被組裝成圖9和圖10所示的燃料 電池堆之前對該模塊單元燃料電池進行組裝。在圖7和圖8中，MEA 62 (其可以通過本領域技術人員已知的多種方法來構建) 包括質子交換膜(PEM) 55、陽極氣體擴散(GDL)層60和陰極氣體擴散層65、以及陽極電極 (未示出)和陰極電極(未示出)。該組裝的MEA可以具有或不具有圍繞周界的邊界，其中 該周界可以被增強或不被增強。通常以本領域技術人員已知的兩種方法之一來構建MEA。第一方法是催化劑涂覆膜(CCM)方法，在該方法中，將催化陽極電極施加給PEM 55的第一側，將催化陰極電極施加給PEM 55的第二側，然后將陽極⑶L 60和陰極⑶L 65 施加給形成MEA 62的CCM的各側。MEA構建的第二方法是氣體擴散電極(GDE)方法，在該方法中，將催化陽極電極施 加給形成陽極GDE的陽極GDL 60的第一側，并且將催化陰極電極施加給形成陰極GDE的陰 極⑶L 65的第一側。陽極⑶E的催化陽極電極側施加給PEM 55的第一側，而陰極GED的 催化陰極電極側施加給形成MEA 62的PEM 55的相對側。在第一和第二方法中，組裝成本發(fā)明的模塊單元電池45之前，可以將上述各部件 組裝成MEA 62，或者在組裝本發(fā)明的模塊單元電池45期間將這些部件組裝成MEA 62?？?以從大量供應商(例如 3M、DuPont, W. A. Gore、SGL Carbon、Ballard、Freudenberg 等)處 得到MEA及MEA部件。BSP 50是薄片金屬部件，其可以通過沖壓、沖切、剪切和打孔或本領域已知的其他 片狀金屬加工技術來廉價地制造。雙極板可以由各種金屬以及金屬合金(諸如不銹鋼、鈦、鎳或其合金)制成；出于成本的考慮，有利以及優(yōu)選地，優(yōu)選的材料是300系列不銹鋼。陽極電流收集器/多孔傳輸層(PTL) 70和陰極電流收集器/多孔傳輸層75允許將 反應物傳輸至催化電極、從電極上去除反應產(chǎn)物，它們還有助于傳輸膜的熱量、它們是電導 體，并且它們還在將模塊單元燃料電池壓縮到燃料電池堆中時用于均勻地散布壓縮應力。 PTL可以是網(wǎng)狀結構，也稱為泡沫、線編網(wǎng)或織物(woven mesh or cloth)、無紡布或紙、燒 結材料、膨脹材料或其他多孔結構。PTL可以是鋁、鎳或其合金、鈦或其合金、不銹鋼、碳或 石墨、或其他導電材料，并可以由ERG、SGL、Toray、INCO Special Products、RECEMAT等提 供。優(yōu)選實施例使用了圖5所示的金屬泡沫，其具有介于0.040mm到1.0mm之間的孔穴尺 寸(cell size)，且其厚度為0. Imm到3mm。各PTL可以為相同或不同的材料，且可以按照 各種組合的方式來使用。作為一個非限定性的實例，陽極PTL可以是金屬泡沫，而陰極PTL 可以是由金屬網(wǎng)或織物制成的紙或氈。波狀或翅片彈簧冷卻及傳輸結構85允許傳輸陰極空氣(包括用于陰極反應的 氧)、允許去除反應產(chǎn)物以及作為通過使反應物/冷卻劑通過翅片來去除在燃料電池工作 期間所產(chǎn)生的熱量的冷卻結構。在將多個電池堆疊并壓在一起時，還在燃料電池堆中提供 一定量的彈性柔量。此外，在一個優(yōu)選實施例中，彈簧翅片冷卻結構85由厚度為0.05mm到 0. 25mm的材料構建，所述材料可以是鋁、鎳、鈦或它們的合金、或不銹鋼(優(yōu)選的為300系 列)。高度約為0. 5mm到5mm，波紋間距介于0. 25mm到3mm之間。這樣的翅片結構的供應 商有 Robinson Fin Machines 公司。陽極框80包括陽極PTL并且包括用于將氫燃料饋送至電化學活性區(qū)的通道和用 于允許清除氫燃料以及去除可能包含在陽極中的多余的冷凝水的通道。陽極框80的可選 材料包括聚合或彈性材料，諸如PVC、聚碳酸酯、ABS、硅樹脂、聚氨酯等。圖8的實施例示出了作為一個完整組件的本發(fā)明的模塊單元燃料電池45。圖8中， 為了清楚，省略了陽極框80。在組裝各金屬部件(即陽極PTL 70、BSP 50、翅片彈簧冷卻及 傳輸結構85和陰極PTL)時，可以與該模塊單元燃料電池45的其余部件同時進行組裝，或 者可以通過冶金手段(諸如銅焊或焊接，或通過本領域技術人員已知的其他手段)將該金 屬結構預組裝成一個完整單元。模塊單元燃料電池45隨后被組裝成圖9所示的燃料電池堆100。為了清楚，在圖 10中示出了顯示該組件各部件的燃料電池堆100的分解圖。燃料電池堆100包括一個或多 個模塊單元燃料電池45、兩個端板(陰極端板90和陽極端板92)以及陰極終端結構95。重 要的是陰極端電池96、陽極端電池98和各中央堆疊電池94。電池堆可以包括單一的模塊 單元燃料電池45，在此情況中，該單一的電池作為陰極端電池96和陽極端電池98，而沒有 中央堆疊電池94。兩個電池的電池堆包含獨立的陰極端電池96和獨立的陽極端電池98， 而沒有中央堆疊電池94。具有多于兩個電池的電池堆包含獨立的陰極端電池96和獨立的 陽極端電池98以及一個或多個中央堆疊電池94。陰極終端結構95與陰極端板90和陰極端電池96并列且電接觸。陰極終端結構95 包括翅片彈簧冷卻及傳輸結構85以及與其并列且電接觸的陰極電流收集器/多孔傳輸層 75。陰極終端結構95可以利用冶金手段(諸如銅焊或焊接，或通過本領域技術人員已知的 其他手段)進行組裝，并且可以與或不與陰極端板90冶金聚合(metallurgicalcongress) 在一起以形成完整的端板終端組件99。
在模塊單元燃料電池的第一替換實施例(未示出)中，陰極終端結構95不包括陰 極PTL 75，而只包括與陰極端板90并列的翅片彈簧冷卻及傳輸結構85，并且終端結構95 可以與或不與陰極端板90冶金聚合在一起，陰極PTL與該替換實施例的模塊單元燃料電池
合并在一起。在第一替換實施例的模塊單元燃料電池中，陰極PTL 75可以與陽極端板92和陽 極端電池98并列且電接觸，并且陰極PTL可以與或不與陽極端板92和陽極端電池98兩者 都冶金聚合在一起，或可以與第一替換實施例的模塊單元燃料電池或陽極端板92冶金聚 合在一起，或者與其中的任何一個都不冶金聚合在一起。在模塊單元燃料電池的第二替換實施例(未示出)中，未采用陰極終端結構95， 而是使用了陽極終端結構。冷卻及傳輸結構85的第一側與陽極端電池98的BSP并列且電 接觸，而其第二側也與陽極端板92并列且電接觸。該陽極終端結構可以與或不與陽極端板 92和陽極端電池98冶金聚合在一起，或可以與第二替換實施例的模塊單元燃料電池或陽 極端板92冶金聚合在一起，或者與其中的任何一個都不冶金聚合在一起。在組裝時，利用本領域技術人員公知的手段以通常從2. 5到50kg/cm2范圍的壓緊 力將各堆疊部件夾在一起。陽極端板92和陰極端板90均電連接至外部電負載。盡管在本文中僅是示出并描述了本發(fā)明的幾個實施例，但是對本領域技術人員顯 而易見的是，在不背離本發(fā)明的精神和范圍的條件下，可以在制造模塊單元燃料電池45以 及隨后將其結合到燃料電池堆中以制成功能完全的燃料電池裝置中進行各種改進和改變。 此外，本文中所述的尺寸、材料和工藝都是出于示例性的目的，并不意味著排除使用其他的 尺寸、材料或工藝。盡管上述的說明書包含許多細節(jié)，但是這些都不應被理解為限制本發(fā)明的范圍， 而應被理解為僅提供本發(fā)明的當前優(yōu)選實施例中一些示例說明。因此，應該理解，本發(fā)明的 范圍充分包括對于本領域技術人員變得顯而易見的其他實施例，并且本發(fā)明的范圍相應地 不受除所附權利要求以外的其他任何限制，除非明確地說明，否則權利要求中對單數(shù)元件 的引用并不意味著“一個且僅為一個”，而是其意味著“一個或多個”。本領域技術人員已知 的上述優(yōu)選實施例的各元件的所有結構的、化學的、以及功能的等同物明確地通過引用并 入本文中，并旨在被所述權利要求所包含。此外，對于包括在權利要求中的裝置或方法不必 要解決由本發(fā)明試圖解決的每一問題。此外，本公開中的元件、部件或方法步驟都不為公眾 專用，而不管該元件、部件、或方法步驟是否在權利要求中進行了明確地引用。
權利要求
一種PEM模塊單元燃料電池組件，包括膜電極組件(MEA)，其具有陽極側和陰極側；陽極多孔傳輸層(PTL)，其具有第一側和第二側，其包括適于氣體擴散以及電和熱的傳導的三維孔穴結構，該陽極PTL的第一側與MEA的陽極側并列且電接觸；導電雙極隔板，其具有第一側和第二側，該導電隔板的第一側與陽極氣流場的第二側并列且電接觸；彈簧翅片熱傳遞結構，其具有第一側和第二側，該彈簧翅片熱傳遞結構的第一側與導電隔板的第二側并列；以及陰極PTL，其具有第一側和第二側，其包括適于氣體擴散以及電和熱傳導的三維孔穴結構，該陰極PTL的第一側與彈簧翅片熱傳遞結構的第二側并列且電接觸。
2.—種PEM模塊單元燃料電池組件，包括 膜電極組件(MEA)，其具有陽極側和陰極側；陽極多孔傳輸層(PTL)，其具有第一側和第二側，其包括適于氣體擴散以及電和熱的傳 導的三維孔穴結構，該陽極PTL的第一側與MEA的陽極側并列且電接觸；導電雙極隔板，其具有第一側和第二側，該導電隔板的第一側與陽極氣流場的第二側 并列且電接觸；彈簧翅片熱傳遞結構，其具有第一側和第二側，該彈簧翅片熱傳遞結構的第一側與導 電隔板的第二側并列；以及陰極PTL，其具有第一側和第二側，其包括適于氣體擴散以及電和熱傳導的三維孔穴結 構，該陰極PTL的第二側與MEA的陰極側并列且電接觸。
3.一種燃料電池堆組件，包括第一端板禾口第二端板，第二端板與第一端板對齊；根據(jù)權利要求1或權利要求2所述的模塊單元燃料電池組件中的至少一個模塊單元燃 料電池組件，其設置在第一端板和第二端板之間；以及 加壓結構。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種模塊單元燃料電池組件，其包括膜電極組件(MEA)；陽極電流收集器/多孔傳輸層(PTL)；雙極隔板(BSP)；波狀或翅片彈簧冷卻及傳輸結構；陰極電流收集器/PTL；以及陽極框。在該實施例中，空氣通過翅片彈簧冷卻及傳輸結構，并且空氣用作陰極反應物和冷卻劑。
文檔編號H01M4/86GK101919096SQ200880123015
公開日2010年12月15日 申請日期2008年12月23日 優(yōu)先權日2007年12月28日
發(fā)明者彼得·戴維·德弗里斯 申請人:阿爾特吉系統(tǒng)公司