[发明专利]燃料电池端板单元和电池堆

说明书

提供一种用于在电动汽车的燃料电池堆中使用的端板单元，其中端板包括外表面、设置成与外表面相反的内表面以及集电体。内表面至少限定第一区以及与第一区间隔开并大致平行于第一区的第二区。集电体可以附接到内表面。

技术领域

本公开涉及电池堆的压缩，更具体地涉及用于燃料电池堆特别是质子交换膜(PEM)燃料电池堆的力分配器。

背景技术

下面提供与质子交换膜(PEM)电池堆相关的本公开。然而，根据本发明的力分配器还可以用于其他类型的燃料电池诸如SOFC燃料电池堆、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)或直接甲醇燃料电池(DMFC)。此外，本发明还可以用于电解电池，诸如固体氧化物电解电池和这类电池堆。燃料电池或电解电池的电化学反应和功能不是本发明的实质内容，因此不会详细阐释，而认为是本领域技术人员所知晓的。

在传统的燃料电池堆(如图1所示)中，多个燃料电池单元112和传统的平端板110装配形成堆114。应当理解的是，UEA116可以设置在一对燃料电池板(双极板)之间，由此形成处在其他以类似方式构造的燃料电池单元中的燃料电池单元，示意性地由虚线115表示。UEA116可以包括设置成与膜电解质组件(MEA)的阳极面和阴极面相邻的扩散介质(也称为气体扩散层)。MEA包括薄的质子传导性聚合物膜电解质，该膜电解质在其一个面上形成阳极电极膜，在其相反面上形成阴极电极膜。一般而言，这类膜电解质由离子交换树脂制成，通常包含全氟磺酸聚合物诸如E.I.DuPont de NemeoursCo.售卖的NAFION^TM。另一方面，阳极和阴极膜通常包含(1)承载在碳颗粒的内外表面上的细化碳颗粒、极细化催化剂颗粒，以及与催化剂和碳颗粒混合的质子传导性材料(例如，NAFION^TM)；或者(2)无碳、分散于整个聚四氟乙烯(PTFE)粘合剂中的催化剂颗粒。

燃料电池堆114的效率依赖于各UEA’s116与双极板118之间小的接触电阻，因此施加合适的压缩力到燃料电池堆上是至关重要的。此压缩力必须足够大并均匀分布在燃料电池堆114的整个区域以确保电接触，但又不至于大得使其损伤电解质、电极、电互连件或阻碍燃料电池上的气体流动。燃料电池堆114的压缩对于电池堆的层之间的密封以保持电池堆气密性也很重要。此外，电池堆的不同区域可能需要不同的压缩力，电池堆114的电化学活性(GDL——气体扩散层)区域可能需要比密封区域(双极板的周边区域)更高的压缩力。更重要的是，UEA’s、双极板和密封件的堆叠容限可能改变活性区域(GDL)与密封区域之间的力分布，导致密封件上的压缩力要么过高要么过低。因此，压缩力不仅必须在一些区域均匀地分布，根据所讨论的区域的具体压缩要求，还可以需要专门调整压缩力使得第一大小的压缩力均匀地施加到电池堆的一些表面区域，而第二、第三以及更多种大小的压缩力均匀地施加到电池堆的其他表面区域。

在WO2008089977中提出了一个解决这个问题的方案，描述了燃料电池堆如何具有隔热端块，该端块具有面向电池堆的一个矩形平面侧以及具有凸形形状的相反侧。弹簧抵靠端块的凸形形状面而绷紧柔性薄片，由此弹簧力均匀地分布在电池堆端区域。

在DE10250345中，提供了包围SOFC的壳体，电池堆与壳体之间的可压缩垫既在径向也在轴向上向电池提供压缩力。

WO2005045982描述了多功能端板组件如何可以用于优先压缩燃料电池堆的区域。

在WO2008003286中，由热隔离元件来压缩电池堆，该热隔离元件通过弹性套筒压靠在电池堆上。套筒可以例如由硅树脂制成。

然而，考虑到每种设计的复杂性和部件的数量，上述参考文献的制造成本相当高。而且，上述参考文献公开了运行和开始/停止期间由于变化的条件特别是温度和压力而仍可能出现不均匀荷载的设计。不均匀可能导致燃料电池堆的损伤或性能下降。

还有，如已知的，传统的平端板110(在图1中示出)不能根据电池堆端表面的不同区域来调整不同大小的力。因此，不能在涉及到堆叠容限时根据电池堆不同区域的不同要求而专门调整压缩力。