包括虚拟电池的燃料电池堆的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及包括虚拟电池(du_y cell)的燃料电池堆。更特别地，本发明涉及包括用于有效地排放电池堆冷凝水的虚拟电池的燃料电池堆。
【背景技术】
[0002]一般来说，燃料电池是通过在燃料电池堆中执行电化学反应将燃料的化学能转变成电能，而不通过燃烧将化学能变换成热的一类发电装置。燃料电池不仅为工业、家庭和交通工具，而且为小尺寸电气/电子产品特别是便携装置供电。
[0003]例如，作为用于交通工具驱动的电源广泛研究的聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)包括膜电极组件(MEA)和催化电极，该MEA包括氢离子移动穿过的电解质膜，该催化电极附装到电解质膜两个表面且其中发生电化学反应。气体扩散层(GDL)均匀分配反应气体并传输生成的电能。衬垫与耦合部件维持反应气体和冷却水的气密性以及适当的耦合压力，并且双极板(BP)允许反应气体和冷却水经过。这里，BP分成其中形成流场以供应氢的阳极板(AP)，以及其中形成流场以供应包括氧的空气的阴极板(CP)。
[0004]因此，在燃料电池堆中，作为燃料的氢和作为氧化剂的氧(空气)分别通过AP和CP的流场供应到膜电极组件的阳极和阴极。供应到阳极的氢由布置在电解质膜两侧的电极层的催化剂分解成氢离子和电子。这里，仅氢离子选择性地经过作为阳离子交换膜的电解质膜从而传递到阴极，并同时电子通过作为导体的BP和GDL传递到阴极。
[0005]然后在阴极，通过电解质膜供应的氢离子和通过双极板传递的电子与供应到阴极的空气的氧反应从而生成水。在此情况下，由于氢离子的移动，发生通过外部导线的电子流，生成电流。
[0006]在燃料电池堆的循环中，在阴极入口侧，冷凝水可通过加湿器、共用分配器、端板、堆(双极板)歧管引入。在阳极入口侧，冷凝水可通过燃料处理系统(FPS)、共用分配器、端板、堆(双极板)歧管引入。同样，从阴极经过MEA膜的水可引入。
[0007]尽管这样的水引入接触开放端板的最外电池，但可发生由大量水存在引起的电池电压的反复迅速上升和下降以及MEA催化剂变质。
[0008]该现象在包括闭合回路的阳极循环回路更严重发生。在无歧管孔的闭合端板周围最外电池的情况下，当氢或空气通过双极板入口歧管供应时，在堆长度方向上布置的歧管中冷凝的水波及闭合端板从而引入最外电池。因此，按照燃料电池交通工具的性能稳定性和耐用性，将除了加湿电池内MEA的水分之外的冷凝水从堆内移除是重要的。
[0009]在相关技术中，水通过使用交通工具的驱动/控制技术或安装脱水器移除，但完全移除水有困难。
[0010]美国专利N0.7，163，760披露了一种排水结构，其中通过在燃料电池堆的端电池和端板部件分别地包括旁路板和中间板的结构，在氢和空气供应到堆发电装置(stackpower generator)时可能一起冲入堆发电装置的冷凝水,可以被排出电池堆而不引入堆发电装置。
[0011]然而在该排水结构中，旁路板和中间板需要在除了堆组件之外分离地发展并制造，使电池堆的总体部件配置复杂化。
[0012]韩国专利N0.10-1251254披露了一种排水结构，其中在堆发电装置的反应电池与端板之间，于两端堆叠一个或多个阴极虚拟电池(CD)和阳极虚拟电池(AD)作为用于电池堆排水的虚拟电池。
[0013]然而，该排水结构在虚拟电池的配置上是复杂的，并且在堆生产自动化中存在困难。特别地，因为双极板阳极/阴极结需要总共四个类型，例如端阴极板/端阳极板(ECP/EAP)、阴极板/端阳极板(CP/EAP)、端阴极板/阳极板(ECP/AP)和阴极板/阳极板(CP/AP)，所以该排水结构具有规格变得非常复杂的限制。
[0014]S卩，如图4中示出，双极板组的规格包括ECP/EAP、CP/EAP、ECP/AP和CP/AP四个类型。由于GG(OTLAiDL)不可在阳极和阴极的表面上中断反应气体，因此阴极虚拟电池(EAP/GG/CP)和阳极虚拟电池(AP/GG/ECP)需要分离地制造。
[0015]在该【背景技术】部分中披露的上面信息仅用于增强理解本发明的背景，并因此其可以含有不形成本领域普通技术人员在该国已知的现有技术的信息。
【发明内容】
[0016]本发明提供包括虚拟电池的燃料电池，其可根据简化的堆配置实现整个堆工艺的自动化，以及有效地排放电池堆的冷凝水。虚拟电池在堆发电装置的反应电池与两端的端板之间布置从而有效地排放冷凝水，并且在气体扩散层(GDL)之间插入金属板或导电板来代替GG (⑶L/⑶L),从而实施应用虚拟层(dummy layer) (D-L)以中断氢/空气混合的新排水结构。
[0017]根据本发明的示例性实施方式，燃料电池堆包括虚拟电池，其中至少一个阴极/阳极虚拟电池在堆发电装置的反应电池与电池堆两端的端板之间堆叠，从而将水排出电池堆。
[0018]阴极/阳极虚拟电池可包括阳极板(AP)、阴极板(CP)和在其间堆叠的虚拟层(D-L)的组合。
[0019]燃料电池堆可包括至少一个阴极虚拟电池，其在位于一端的端板和阴极/阳极虚拟电池之间包括端阳极板(ΕΑΡ)、阴极板(CP)和在其间堆叠的虚拟层(D-L)的组合。
[0020]燃料电池堆可包括至少一个阳极虚拟电池，其在位于一端的端板和阴极/阳极虚拟电池之间包括端阴极板(ECP)、阳极板(AP)和在其间堆叠的虚拟层(D-L)的组合。
[0021]D-L可经配置以使金属板或导电板在气体扩散层(OTL)之间插入。
[0022]端阴极板(ECP)或端阳极板(EAP)可在虚拟电池接触位于电池堆两端的端板的表面上进一步堆叠。
[0023]气体扩散层(GDL)可在位于电池堆两端的端板(EP)和端阴极板(ECP)或端阳极板(EAP)之间进一步堆叠。
[0024]本发明的其他方面和示例性实施方式在下面讨论。
【附图说明】
[0025]现在将参考某些示例性实施方式详细描述本发明的上面和其他特征，这些示例性实施方式在下文中仅以举例说明的方式通过附图进行说明，并因此不限制本发明。
[0026]图1是示出根据本发明的实施方式的包括虚拟电池的燃料电池堆的堆结构的视图。
[0027]图2是示出根据本发明的实施方式的包括虚拟电池的燃料电池堆的虚拟层(D-L)的平面和剖面图。
[0028]图3是示出典型的虚拟电池结构和根据本发明的实施方式的虚拟电池结构之间的比较的示意图。
[0029]图4是示出包括典型的虚拟电池的燃料电池堆的堆结构的示意图。
[0030]应理解附图不一定按比例绘制，仅仅呈现图解本发明的基本原理的各种示范特征的稍微简化的表示。在此公开的本发明的具体设计特征，包括例如具体尺寸、取向、位置和形状，将由特别的既定应用和使用环境部分地决定。
[0031]在附图中，参考数字在整个附图的若干图中指代本发明的相同或等效部件。
【具体实施方式】
[0032]在下文中将详细参考本发明的各种实施方式，其实施例在附图中图解并在下面描述。尽管本发明将连同示例性实施方式描述，但应该理解本描述不意图将本发明限于这些示例性实施方式。相反，本发明意图不仅涵盖示例性实施方式，而且涵盖可以包括在由所附权利要求定义的本发明的精神和保护范围内的各种替换、修改、等效和其他实施方式。
[0033]应该理解，本文使用的术语“交通工具”或“交通工具的”或其他类似术语一般包括机动交通工具，例如包括运动型多用途汽车(SUV)的乘用车、公共汽车、卡车、各种商业交通工具、包括各种船只和船舶的水上交通工具、飞行器，等等，并包括混合动力交通工具、电动交通工具、插入式混合动力电动交通工具、氢能交通工具，以及其他代用燃料交通工具(例如，得自除石油之外的资源的燃料)。如在此提到，混合动力交通工具是具有两个或更多动力源的交通工具，例如汽油动力和电动力的交通工具。
[0034]本发明的上面和其他特征在下面讨论。
[0035]在下文中将参考附图详细描述本发明的示例性实施方式，使得本领域技术人员可容易地执行本发明。
[0036]图1是示出根据本发明的实施方式的包括虚拟电池的燃料电池堆的堆结构的视图。如在图1中示出，燃料电池堆可包括在堆发电装置的反应电池与电池堆两端的端板(EP)之间堆叠的虚拟电池，从而有效地排放弓I入电池堆的冷凝水。
[0037]作为一般的电池结构的堆发电装置反应电池可包括阳极板(AP)、气体扩散层(GDL)、膜电极组件(MEA)、气体扩散层(GDL)、阴极板(CP)。虚拟电池可包括阴极/阳极虚拟电池，该阴极/阳极虚拟电池包括CP和AP。
[0038]这里，阴极/阳极虚拟电池可具有虚拟层(D-L)在AP与CP之间堆叠的结构。一个或多个阴极/阳极虚拟电池可在堆发电装置的反应电池与电池堆两端的EP之间分别堆叠。
[0039]特别地，D-L可包括金属板或导电板，在⑶L之间插入以代替通常的GG(OTLAiDL)，从而形成可中断反应气体例如氢与空气混合的结构。
[0040]例如，如在图2中示出，D-L可包括基础材料10和支撑部件20。基础材料10可具有与双极板的轮廓相等的轮廓。在此情况下，基础材料10的厚度可不受限制，但可比双极板的厚度薄。同样，基础材料10可包括金属(或导电板)，例如Fe、Ti和Cu，并且如必需则可包括导电涂层(碳基或金属基)。除上述材料外，可应用不允许气体渗透的任何导电材料。
[0041]支撑部件20可具有与⑶I相同的轮廓。在此情况下，支撑部件20可以是⑶L自身，并可由与基础材料10相同的材料例如Fe、Ti和Cu形成。除上述材料外可应用任何导电材料。
[0042]因此，通过实施包括AP、D_L和CP组合的阴极/阳极虚拟电池，该组合可在一个电池中在阳极和阴极的表面上间隔反应气体，从而改善在相同的虚拟电池体积下将水排出虚拟电池的效果。
[0043]在本发明的示例性实施方式中，具有D-L在AP与CP之间一起堆叠的结构的三个阴极/阳极虚拟电池，可在渗透端板(开放EP)和反应电池之间提供，并且一个虚拟电池可在非渗透端板(闭合EP)和反应电池之间堆叠。这里，虚拟电池的数目可随着堆耦合状况和操作状况而变化。
[0044]参考图4，燃料电池堆可包括在一端的端板，S卩非渗透端板，与阴极/阳极虚拟电池之间