[发明专利]质子交换薄膜燃料电池堆叠和燃料电池堆叠模块

说明书

技术领域

本发明涉及一种质子交换薄膜燃料电池堆叠和一种燃料电池堆叠模块，且更具体来 说，涉及一种由多个串连电连接的燃料电池堆叠模块组成的质子交换薄膜燃料电池堆 叠，所述燃料电池堆叠模块通过减少的压缩力耦合在一起，且在小于所述减少的压缩力 的压力下实现最佳电性能。

背景技术

燃料电池是一种电化学装置，其将氢气、燃料源和通常得自环境空气的氧气进行反 应以产生电、水和热。基本过程是高度有效的，且以纯氢为燃料的燃料电池大体上无污 染。此外，由于燃料电池可被组装为具有各种大小的模块，因此已开发出电力系统以产 生广阔范围的电功率输出。由于这些属性的结果，燃料电池电力系统很有希望作为用于 大量应用的环境友好且可行的电来源。

多种已知燃料电池技术中的一者是质子交换薄膜(PEM)燃料电池。PEM燃料电池 操作所根据的基本电化学过程在此项技术中充分地被理解且知道。典型的单个PEM燃 料电池产生约0.45到约0.70伏DC的有用电压，但大多数燃料电池在约0.60伏DC下 操作以便从其提取最大效率。为了实现有用电压，通常将若干个别燃料电池串联地电组 合或耦合。在一个常见配置中，若干个别燃料电池以燃料电池堆叠的形式串联地电耦合。 在堆叠配置中，一个燃料电池的阳极电耦合到另一燃料电池的阴极，以便串联连接所述 两个燃料电池。任何数目的燃料电池可类似地堆叠在一起以实现所需的输出电压和电 流。通常，这些个别燃料电池由导电双极隔板分离。此外，个别燃料电池放置于两个端 板之间且对其施加相当大的压缩力，以便有效将其密封且实现相应燃料电池之间的操作 上有效的欧姆电连接。

除了所提到的相对低操作温度PEM燃料电池以外，已开发出上文的固体氧化物燃 料电池(SOFC)。SOFC是直接从化学反应产生电的燃料电池，但不同于PEM燃料电池， SOFC通常由固体陶瓷材料组成。此类现有技术SOFC装置中所采用的材料的选择在较 大程度上由此类装置所经历的高操作温度(600-800摄氏度)规定。鉴于致使基于陶瓷 的电解质变为电离活性所需的极高操作温度，SOFC装置不需要使用昂贵的催化剂(铂)， 而如上文论述的PEM燃料电池需要如此。由于这些高操作温度的结果，对于SOFC可 采用各种各样的在PEM燃料电池中无法正常使用的燃料。因此，SOFC装置可采用例如 甲烷、丙烷、丁烷、发酵气、气化生物燃料等燃料。在典型的SOFC装置中，由例如氧 化锆等材料形成的基于陶瓷的电解质夹在多孔的导电阴极层与多孔的导电阳极层之间。 这些阴极和阳极层通常是出于其结构刚性和高温容限而选择的陶瓷气体扩散层。所选的 电解质必须不透空气(氧气)且必须电绝缘，使得从阳极侧上的氧化反应产生的电子受 迫行进通过外部电路，之后到达SOFC的阴极侧。在典型的SOFC装置中，金属或导电 互连件以串联布置电耦合相应电池。如果采用陶瓷互连件，那么其必须极端稳定，因为 其暴露于处于高温下的SOFC的氧化侧和还原侧两者。

从上文论述应了解，制造此类SOFC装置的成本是显著的。此外，为了致使此类装 置操作，必须采用相当显著且复杂的设备平衡布置来以可控制方式将SOFC装置加热直 到操作温度，且随后将装置维持在可接受的温度范围内。相比之下，PEM燃料电池不需 要SOFC装置中所采用的极高温度以便致使电解质(通常为Nafion)变为电离活性。此 外，这些高温已规定针对阳极和阴极使用耐热陶瓷材料。制造这些组件的成本是显著的。 在典型的PEM燃料电池装置中，其设计者已持续努力采用较低成本组件，且简化任何 设备平衡要求以便减少其成本且使每产生的功率瓦特的成本对于谨慎的市场应用来说 更加可接受。

虽然传统的PEM燃料电池堆叠已以某种程度的成功来操作，但若干缺点持续分散 其有用性。这些缺点中的第一者是传统堆叠设计的个别组件的高制造成本。这些高成本 组件中的首要组件是对于其而采用的双极板。为了节约成本，许多燃料电池堆叠制造商 已尝试将若干功能组合到双极板中。现代的双极板是精确制造的组件，其执行若干功能， 包含燃料管理、冷却、电传导和气体分离。此功能组合的结果是必须牺牲许多区域中的 性能以便节省成本。此布置的实例参见第5,252,410号和第5,863,671号美国专利，其教 示以引用的方式并入本文中。