燃料电池组件的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种燃料电池技术，尤其涉及一种阴极开放式质子交换膜燃料电池(PEMFC)组件。
【背景技术】
[0002]阴极开放式质子交换膜(PEM)燃料电池具有简单的构造和最小的电站成套以外的辅助设备。这种燃料电池在周围空气中运行，因此成本较小、不太复杂，并且比需要提供氧化剂流动通道和外部氧化剂供应系统的阴极封闭式燃料电池消耗更少的寄生功率。
[0003]然而，在高功率运行中，由于在小的、有限的空间里产生大量的热，所以阴极开放式质子交换膜燃料电池的热管理是一个问题，尤其是对于紧凑的燃料电池堆。
[0004]燃料电池的稳定运行需要有效、均匀的冷却。累计的热使质子导电膜干燥并且导致高欧姆损耗和劣化的功率输出。不均匀的热气流分布不可逆地破坏膜并且损害燃料电池的耐久性。
[0005]因此，希望有一种可以被有效冷却并且以大致均匀的热气流分布运行的燃料电池组件。
【发明内容】
[0006]由此，第一方面，提供一种燃料电池组件，包括第一端板，第二端板，设在第一端板和第二端板之间的多个隔离板，以及形成燃料电池堆的多个燃料电池，每个燃料电池设在隔离板的相邻隔离板之间。多个氧化剂流动通道形成在隔离板里。氧化剂流动通道限定出第一流动通路。每个燃料电池具有活性区域。隔离板的一部分延伸出燃料电池的活性区域以在第一流动通路的下游部限定出第二流动通路。
[0007]本发明的其他方面和优势将在以下结合附图以本发明的原理的实例的方式说明的详细描述中变得更易理解。
【附图说明】
[0008]本发明的实施例将参照附图仅以实例的方式进行描述。
[0009]图1是根据本发明一个实施例的燃料电池组件的局部剖视图；
[0010]图2是根据本发明一个实施例的设在一对隔离板的相邻隔离板之间的燃料电池的放大的示意性局部剖视图；
[0011]图3是图2中的燃料电池和隔离板的放大的示意截面图；
[0012]图4是根据本发明另一个实施例的燃料电池组件的前透视图；
[0013]图5是图4中的燃料电池组件的局部剖后视立体图；
[0014]图6A是传统燃料电池组件的热像图；
[0015]图6B是根据本发明一个实施例的燃料电池组件的热像图；
[0016]图7是根据本发明的一个实施例的燃料电池组件的电流密度和传统的燃料电池的电流密度的比较曲线；以及
[0017]图8是根据本发明的一个实施例的燃料电池组件的功率密度和传统的燃料电池的功率密度的比较曲线。
【具体实施方式】
[0018]以下结合附图的详细描述意指本发明当前优选的实施例的描述，并不指代本发明可以被实践的唯一形式。可以理解的是，相同或等同的功能可以被包含在本发明范围内的不同的实施例完成。
[0019]现参考图1，示出了燃料电池组件10的局部剖视图。该燃料电池组件10包括第一端板12，第二端板14，设在第一端板12和第二端板14之间的多个隔离板16，以及形成燃料电池堆20的多个燃料电池18。每个燃料电池18具有活性区域并设在多个隔离板16的相邻隔离板之间。多个氧化剂流动通道22形成在隔离板16里。在本实施例中，燃料入口24形成在第一端板12里，燃料出口(未示出)形成在第二端板14里。连接燃料入口 24到燃料出口的多个燃料流动通道26 (部分示出)形成在燃料电池堆20内。
[0020]氧化剂流动通道22限定出第一流动通路。由图1可见，隔离板16的第一部分28延伸出燃料电池18的活性区域以在第一流动通路的下游部限定出第二流动通路。在本实施例中，隔离板16的第二部分30向第一流动通路的上游部延伸出燃料电池18的活性区域。
[0021]排出室32设在第一流动通路和第二流动通路的下游。排出室32限定在对接隔离板16的第一部分28的框34里。流动引导装置36被接收在框34里并被布置为抽动流体流通过第一流动通路和第二流动通路。
[0022]本实施例的燃料电池组件10是阴极开放式的设计。在第一端板12和第二端板14之间，多个单体的燃料电池18被堆在一起以形成阴极开放式的燃料电池堆20。
[0023]隔离板16包括和单体燃料电池18接触并和燃料电池18形成活性区域的中间部分。在本实施例中，延伸出燃料电池18的活性区域的隔离板16的第一部分28和第二部分30分别形成为多个散热片，且因此具有特殊的散热功能。由于散热片28和30的相邻两片之间不存在活性区域，因此呈现开放的空间。取决于应用需要，散热片28和30与燃料电池18的活性区域的长度比例可以在大约1:3和大约1:15之间。在一个实施例中，散热片28和30与燃料电池18的活性区域的长度比例大约为1:6。为了便于活性区域中产生的热到散热片28和30继而到流经的空气的传导，隔离板16用具有良好热传导性的材料制作。制作隔离板的材料也优选为抗腐蚀和导电的。在优选的实施例中，隔离板16由石墨、含碳复合物或多个瓦楞金属板形成。在本实施例中，散热片28和30和隔离板16的中心部分一体形成。有利地，这允许燃料电池组件10以先前存在的燃料电池制造设备制造，减小应对为燃料电池组件10的制造提供额外新设备的需要的实施成本。尽管以第一流动通路的下游和上游均延伸来说明，但是本领域的普通技术人员应该理解，本发明并不限于带在燃料电池堆20的两侧均延伸的隔离板的燃料电池组件。在一个可选的实施例中，隔离板16可以仅向第一流动通路的下游部延伸。
[0024]现参照图2，示出了设在成对隔离板16的相邻隔离板之间的燃料电池18之一的放大的示意局部剖视图。由图2可见，单个的燃料电池18夹在一对隔离板16之间。一个隔离板16的一部分被剖开以展示单个电池18。带有单个电池18的区域是在电池运行期间发生电化学反应的活性地带。延伸出活性地带的隔离板16的部分28形成散热片28。在示出的实施例中，隔离板16是具有多个平行槽38的瓦楞金属板。槽38提供燃料电池堆20的相邻层之间的气流通道。在本实施例中，隔离板16以开放的、网格状的超级结构形成以便于在同时提供电池压缩和电流收集时空气进入。
[0025]现参照图3，示出了图2中的燃料电池18和隔离板16的放大的示意性截面图。如图3所示，燃料电池18包括设在第一气体扩散层(GDL)42和第二气体扩散层44之间的催化剂涂层膜(CCM)40。阳极板46设在隔离板16之一和第二气体扩散层44之间。阳极板46在第一侧接触隔离板16，在第二侧接触第二气体扩散层44。氧化剂流动通道22邻近第一气体扩散层42和阳极板46形成在隔离板16里。在本实施例中，多个通孔48形成在隔离板16的接触燃料电池18的阴极侧的表面中。
[0026]氧化剂流动通道22作为气流通过燃料电池堆20的管路。气流为燃料电池反应提供氧化剂并且也带走燃料电池18里产生的热。
[0027]阳极板46将燃料从氧化剂分离，提供电池压缩并具有电流收集功能。
[0028]在隔离板16接触第一气体扩散层42的部分提供通孔48帮助改善氧化剂分布。更具体的，氧化剂流动通道22里的氧化剂穿过通孔48到第一气体扩散层42，这改善了出现在燃料电池18的阴极侧的电化学反应。
[0029]燃料通过多个燃料流动通道被供给到第二气体扩散层44。燃料通过第二气体扩散层44的多孔介质分布并在催化剂涂层膜40的催化剂位点被分裂成质子和电子。质子穿过膜40并和来自氧化剂流动通道22、在第一气体扩散层42里扩散的氧化剂结合以形成水。电子穿过集电器和外电路，电由此产生。
[0030]再参照图1，燃料通过燃料入口24被供给到燃料电池堆20。在一个实施例中，被供给到燃料电池堆20的燃料是氢。尽管在本实施例中以燃料入口24和燃料出口的位置被设在不同的端板上来描述，本领域的普通技术人员应该理解，本发明并不限于此。在一个可选的实施例中，燃料入口 24和燃料出口可以被设在相同的端板上。
[0031]如图1所示，排出室32形成在设在第一流动通路的下游部的框34中。在一个实施例中，排出室32为真空室。
[0032]流动引导装置36被保持在框34中并被用来抽动或吸取空气通过氧化剂流动通道22以为出现在燃料电池18的活性地带的电化学反应提供氧化剂。通过氧化剂流动通道22的空气的流动也帮助移除在电化学反应期间产生的热。由于设有第二流动通路，当使用流动引导装置36时，空气也在隔离板16的第一部分28被收入。更具体地，当流动引导装置36以吸气模式运行时，负压形成在排出室32内，空气被抽动通过第一和第二流动通路。通过第一流动通路收入的空气穿过隔离板16的第二部分30、氧化剂流动通道22、继而穿过隔离板16的第一部分28进入排出室32中。通过第二流动通路收入的空气穿过隔离板16的第一部分28周围的开放空间继而进入排出室32。通过第一流动通路的气流为燃料电池18提供氧化剂以及移除在活性地带产生的热。通过第二流动通路的气流在穿过的空气和散热片表面接触时为散热片28提供额外的冷却。通过第一流动通路的气流因穿过活性地带而变的更热，因此和燃料电池堆20的上游部比较，该气流独自不能有效冷却燃料电池堆20的下游部，所以第二气流帮助沿活性地带建立均匀的热分布。在一个实施例中，流动引导装置36是轴流风机。
[0033]有利地，从燃料电池组