[发明专利]模块单元燃料电池组件

说明书

本申请是申请号为200880123015.X、申请日为2008年12月23日、发明名称为“模块单元燃料电池组件”的专利申请的分案申请。

相关申请的交叉引用

本申请是于2007年12月28日提交的第11/966,887号美国申请的延续，该美国申请的全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及聚合物电解质膜(PEM)燃料电池及其部件的制造方法。更具体地，本发明涉及低生产成本的模块单元燃料电池的设计及结构。

背景技术

聚合物电解质膜(PEM)燃料电池是一种电化学装置，其包括阳极电极、阴极电极和以薄聚合物膜形式设置在阳极电极和阴极电极之间的电解质。多个单个聚合物电解质膜燃料电池或燃料电池单元与双极隔板堆叠在一起，从而制造出聚合物电解质膜燃料电池堆，其中双极隔板将一个燃料电池单元的阳极电极与相邻燃料电池单元的阴极电极分隔开。

包括聚合物电解质膜的电化学电池可以用作燃料电池(其中燃料和氧化剂在电池电极处进行电化学变换以产生电能)，或用作电解槽(其中外部电流(通常通过水)在电池电极之间流过，从而在电池的各电极处产生氢和氧)。燃料电池是不进行燃烧也不具有有害放射物、使用通常来自空气的氢和氧通过化学变换处理而产生电的能量变换装置。所输出的电压和电流取决于燃料电池堆中的电池数量、总有效表面积以及效率。图1中示出了单个电池的基本工艺。

传统的燃料电池堆10(见图2、图3和图4)由堆叠在一起的多个单个电池20构成。这样的燃料电池通常具有由经过加工的石墨制成的双极隔板(BSP)12、膜电极组件(MEA)14、衬垫16、18、燃料歧管24，并且可以具有氧化剂和冷却剂歧管。见图3和图4。

为了使燃料电池进行正确的操作，氢气必须被密封在电池内部且与气态氧化剂(空气或氧)分隔开。在一些燃料电池中，还需要进行冷却，这是因为在正常的工作期间会产生热量。该热量通常利用液体冷却(通常使用水作为冷却剂)来从燃料电池堆去除。

此外，BSP12与MEA14紧密、连续的电接触是很关键的。

如图2和图4所示，燃料电池堆典型地使用了“压滤”结构(“filter-press”structure)，在该结构中，在每个燃料电池堆10的各端部放置厚且重的“端板”32、34，并通过重的拉杆、或螺栓38和螺母40、或其它紧固件将“端板”32、34结合在一起。

出于以下两个目的而尝试使用“压滤”结构：(i)如果使用了氢、氧化剂、和液体冷却剂，则对它们进行密封；以及(ii)保持BSP12和MEA14之间的紧密电接触，见图2和图4。对利用传统方法构建的燃料电池堆的拆卸和分解显示了该“压滤”结构布置并不能很好地执行上述两个功能。这样的分解已经揭示了BSP12和MEA14之间不能完全电接触、从而导致了不良的导电性和较低的电池性能的证据。该分解还显示了气体和液体泄漏的证据。

发明内容

本发明的一个方面提供了一种PEM模块单元燃料电池组件，该PEM模块单元燃料电池组件包括：膜电极组件(MEA)，其具有阳极侧和阴极侧；阳极多孔传输层(PTL)，其具有第一侧和第二侧，其包括适于气体扩散以及电和热的传导的三维孔穴结构，该阳极PTL的第一侧与MEA的阳极侧并列且电接触；导电双极隔板，其具有第一侧和第二侧，该导电隔板的第一侧与阳极气流场的第二侧并列且电接触；弹簧翅片热传递结构，其具有第一侧和第二侧，该热传递结构的第一侧与导电隔板的第二侧并列；以及阴极PTL，其具有第一侧和第二侧，其包括适于气体扩散以及电和热传导的三维孔穴结构，该阴极PTL的第一侧与弹簧翅片热传递结构的第二侧并列且电接触。

本发明的另一个方面提供了一种PEM模块单元燃料电池组件，该PEM模块单元燃料电池组件包括：膜电极组件(MEA)，其具有阳极侧和阴极侧；阳极多孔传输层(PTL)，其具有第一侧和第二侧，其包括适于气体扩散以及电和热传导的三维孔穴结构，该阳极PTL的第一侧与MEA的阳极侧并列且电接触；导电双极隔板，其具有第一侧和第二侧，该导电隔板的第一侧与阳极气流场的第二侧并列且电接触；弹簧翅片热传递结构，其具有第一侧和第二侧，该热传递结构的第一侧与导电隔板的第二侧并列；以及阴极PTL，其具有第一侧和第二侧，其包括适于气体扩散以及电和热传导的三维孔穴结构，该阴极PTL的第二侧与MEA的阴极侧并列且电接触。