[发明专利]燃料电池组

说明书

本申请是分案申请，原申请的申请号为“200780038456.5”，申请日为2007年06月04日，发明名称为“用于燃料电池的金属隔板以及具有该隔板的燃料电池组”。

技术领域

本发明涉及一种用于燃料电池的金属隔板以及具有该隔板的燃料电池组，并且更具体地讲，本发明涉及一种用于燃料电池的金属隔板，其包括反应气体通道以及冷却剂通道，并且其进一步包括连接冷却剂通道的冷却剂入口和出口，并且涉及具有该隔板的燃料电池组。

另外，本发明涉及一种用于燃料电池的金属隔板，其包括防止反应气体流入部分变形的结构，并且涉及具有该隔板的燃料电池组。

背景技术

总体来讲，燃料电池是一种通过使用氢和氧的氧化作用和还原作用将化学能转换为电能的发电装置。氢在阳极被氧化以分离为氢离子和电子。氢离子通过电解质传送到阴极，而电子通过电路传送到阴极。还原作用在阴极发生。也就是说，氢离子、电子和氧气彼此反应以产生水。

包含在燃料电池，特别是聚合物电解质薄膜燃料电池(PEMFC)中的聚合物电解质薄膜中所含的水的量，是决定燃料电池性能的重要因素之一。这是因为水作为传送氢离子到阴极的介质。

除了水，必须谨慎地控制温度。当燃料电池中发生反应时，因为活化损失、在阴极的还原作用以及焦耳加热产生了大量的热。当活化催化剂时，这种热加速电解质薄膜的含水量降低，以降低离子导电性。如果该电解质薄膜长时间暴露在高温下，该电解质薄膜的寿命会缩短。因此，除了水分管理和寿命改善之外，温度控制也是决定燃料电池性能的一个重要因素。

通常，采用使用冷却剂的冷却法来控制燃料电池的温度。传统的燃料电池使用由石墨材料或者金属材料制成的隔板。通过铣削处理在石墨隔板上形成冷却剂通道，而通过压制处理在金属隔板上形成冷却剂通道。反应表面和冷却表面的通路可以在石墨隔板上独立地制造。

然而，反应气体通道在金属隔板上冲压处理，并且其形状按照原样被反映在相反的表面上。因此，很难独立地形成冷却剂的通路。此外，冷却剂通道是窄和弯曲的，因此冷却剂不能流畅地流入或者流出。

为了解决上述问题，通过在歧管和通道之间形成缓冲区域而引入冷却剂的结构被用来将冷却剂流畅地引入没有特殊冷却剂流入结构的金属隔板。尽管如此，冷却剂也不能很好地流入累积了大量热的隔板中间部分。另外，缓存区域增加了隔板的尺寸。

美国专利公报6924052公开了一种具有由蚀刻形成的冷却通路的隔板。大量冷却剂可以被引入到累积了相对更多的反应热的隔板的中间部分。

然而，高密度的金属增加了电池组的重量。同时，可将散热片应用到隔板。但是，它增加了电池组的体积。因为多个隔板彼此交叠，还增加了生产成本。另一方面，可以在隔板之间安装薄板。然而，它增加了成本并导致在电池组层叠中的结构性困难。

燃料电池包括一些组件，诸如电化学反应在其中发生的MEA(membrane-electrode assembly，薄膜电极组件)；GDL(gas diffusion layer，气体扩散层)，其为在MEA的表面上均匀分散反应气体的多孔介质；以及隔板，用于支承MEA和GDL，传递反应气体和冷却剂，以及收集和传送产生的电力。几十到几百个组件层叠以形成燃料电池组。燃料电池的发电容量与MEA的反应面积和电池组的层叠量成比例增加。在燃料电池的发电期间，持续提供氢、氧和冷却剂至MEA、GDL和隔板的每个表面。保持气密性以防止每种反应气体和冷却剂混合是燃料电池系统操作中的最重要的因素之一。

大部分聚合物电解质燃料电池通过在隔板的两个表面都安装密封垫来形成气密结构。在安装密封垫以获得气密性的情况下，预定紧固压力施加于燃料电池组以改善气密性和导电性。当施加这种负载时，GDL和密封垫大部分变形以获得气密性和导电性。然而，在通过薄板模压制造金属隔板的情况下，预定紧固压力使得部分金属隔板以及密封垫变形。具体而言，由于在密封垫部分和流体流动部分中缺少支承构件，反应气体和冷却剂的流入部分很容易变形。

这种变形中断了反应气体和冷却剂的流入，因此对外围设备，尤其是对风机或泵施加了许多负载。结果降低了系统效率。

在传统的燃料电池组中，诸如燃料气体和还原气体的反应气体流入MEA的两个表面。金属隔板隔离燃料气体、还原气体和冷却剂以便通过连接单元电池形成燃料电池组。这里，密封垫密封该结构以防止反应气体和冷却剂的泄漏。与石墨隔板不同，由薄板模压制造的金属隔板不可避免地具有从反应气体歧管到反应气体通道的复杂的反应气体流入结构，以便获得反应气体和冷却剂之间的气密性。