[发明专利]包括至少两个具有多个相互连接燃料电池单元的堆叠印刷电路板的燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池，例如，涉及固体聚合物电解质燃料电池。本发明还涉及印刷电路板(PCB)技术在本发明的燃料电池制造中的应用、耐腐蚀涂层的应用、以及形状记忆合金(SMA)在燃料电池的小侧面阀中的应用。

背景技术

燃料电池是一种电化学装置，其通过氧化剂(如，纯氧或空气)和燃料(如氢气或含氢混合物、或碳氢化合物或烃衍生物)产生电能和热能。燃料电池可应用于便携、移动和固定场合，如可应用于发电站、车辆和膝上型电脑。

通常，电池包括两个电极，即阳极和阴极，它们被电解质膜分开，这使得离子(如氢离子，但不是自由电子)可穿过电解质膜，从一个电极移到另一个电极上。电极上的催化剂层促进燃料(位于阳极电极上)和氧化剂(位于阴极电极上)之间的反应，从而产生或消耗离子和电子。阳极上的自由电子形成电流，可使用电流来执行工作，然后电流流向消耗电子的阴极处。

被电解质膜分开的一对电极称之为膜电极组(MEA)。在合适负载下运行的燃料电池MEA产生的输出电压大致为0.7V，对于许多实际情况而言，该电压值过低。为了增加该电压，传统上，MEA被组装成图1所示的堆。每个MEA1具有一层“电解质膜”1a，该层膜是夹置在两个电极层之间的离子渗透膜，阳极2和阴极3位于电解质膜的相对表面上。相邻的MEA被导电双极隔板4分开，氢气燃料5和氧气6穿过设置在双极板的相对表面上的通道。端板9通过电连接器7,8连接到外部电路上。燃料电池堆中的这些MEA的数量决定总电压、每个 膜电极的表面积决定总电流。

现有的燃料电池几何结构涉及到的问题是，当燃料电池以这种方式堆叠在一起时，电流垂直MEA的表面流动。因此，这种堆叠结构要求让电流从一个电池的正极流到下一个电池的负极。另外，例如，由于膜电极中形成小孔或者由于膜两侧的电极之间的短路，会让MEA出现故障，从而需要让整个堆关闭。另外，如果一个MEA不运行，其他MEA也不运行，那么电流就直接穿过MEA，这样MEA就会迅速退化。如果一个MEA被破坏，那么整个燃料电池堆就不能使用。

在公知结构中，双极板通常由石墨碳或不锈钢制成，双极板必须导电、透气，并具有流场通道，这些通道用于分配反应物经过MEA的表面，也可以用于分配冷却剂经过MEA的表面。因此，双极板的材料成分受到限制，板复杂、制造成本高昂。另外，为了让电解质膜的性能最优，需要保持电解质膜中的含水量合适。膜要求具有一定的湿度，以有效地运行和传导离子电流，这样电池电流就不会降低。电池产生的水可通过沿阴极流动的气流被去除，或被吸走。金属双极板在电池的潮湿环境下出现腐蚀是常见的问题，因而，双极板的制造材料受到限制。另一个问题是燃料电池堆会出现过热，因而需要进行冷却。为了达到冷却效果，通常的做法是，配置其他板，使这些板包括可让冷却剂(水)在电池堆中循环流通的通道；但是在许多应用场合中这会让电池笨重、不实用。另外，通过使用整体式电力电子元件来调节和调整电池堆的电输出。这样成本就高昂，这些电力电子元件出现点故障也会引起整个燃料电池系统出现故障。

K.Ledjeff和R.Nolte于1995年在燃料电池系统材料第一届国际研讨会论文集的第128-134页所发表的“新的固体聚合物燃料电池(SPFC)技术与材料”(New SPFC-Technology with Plastics,by K.Ledjeff and R.Nolte,Proceedings of the First International Symposium on New Materials for Fuel Cell Systems,1995,p128-134)描述了一种公 知的替换手段。文章作者描述了一种单一电解质膜的带状结构来产生高的输出电压，但没有使用堆技术。标准结构的燃料电池的电极和双极板安装在共面结构上，每个燃料电池MEA以带的结构形式呈现，每个MEA带连接到相邻的第二MEA带上。这种方法出现的问题是，膜结构要求小心组装、并要求密封相邻带以避免氧化剂和燃料混合。

权利要求书中阐释了本发明。与复杂、昂贵的双极板不同的是，在本发明中，塑料或其他非导电垫片使用在相邻的MEA之间，因此，大大简化了堆叠的燃料电池的结构。由于本发明的燃料电池采用这种结构，因而燃料与氧气混合的风险低。燃料电池堆中的各MEA或燃料电池板也可与单独的开关组合在一起，从而可辅助控制燃料电池。

下面参照三个实施例描述了本发明。应该理解为，对这些实施例的描述并没有限制本发明的范围，仅用于作为例子来阐释本发明。

附图说明

现在将参照附图描述本发明的具体实施例，附图如下：