使PEM燃料电池中由催化燃烧生成的热能消散的子垫片设计

摘要

本发明涉及使PEM燃料电池中由催化燃烧生成的热能消散的子垫片设计，具体提供一种燃料电池部件，该燃料电池部件包括具有结构部件和热传导层的子垫片。子垫片限定中心开口，而结构部件包括第一侧和第二侧。子垫片还具有外部和紧邻中心开口的内部。内部位于阴极层外缘和离子传导膜外缘之间或者位于阳极层外缘和离子传导膜外缘之间。最后，热传导层与结构部件的第二侧接触。有利地，热传导层消散由非故意地落在子垫片上的颗粒所引起的局部生成热量。

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池部件的散热。

背景技术

燃料电池作为电源被用在多种应用中。特别地，人们提出将燃料电池用在 汽车中以取代内燃机。一种常用的燃料电池设计是采用固体聚合物电介质 (“SPE”)膜或质子交换膜(“PEM”)，以提供阳极和阴极之间的离子传导。

在质子交换膜型燃料电池中，向阳极提供氢作为燃料，并且向阴极提供氧 气作为氧化剂。氧气既可以是纯的形式(O₂)也可以是空气(O₂和N₂的混合物)。 PEM燃料电池通常具有膜电极组件(“MEA”)，在该组件中固体电解质膜(即 离子传导膜)的一个表面上具有阳极催化剂，在相对的另一表面上具有阴极催 化剂。典型的PEM燃料电池的阳极和阴极层由多孔传导材料制成，例如编织石 墨、石墨化薄片、或者碳纸，从而使燃料能够在朝向燃料供应电极的膜表面上 分散。每个电极都具有承载在碳颗粒上的细微催化剂颗粒(例如铂颗粒)，用于 促进阳极处氢的氧化以及阴极处氧的还原。来自阳极的质子流经离子传导性聚 合物膜到达阴极，并且它们在阴极与氧结合形成水，然后水从电池中排出。MEA 夹在一对多孔的气体扩散层(“GDL”)之间，然后它们进一步夹在一对非多孔 的导电元件或板之间。这些板作为阳极和阴极的集流器，并包含形成于其中的 合适的通道和开口，以便将燃料电池的气态反应物分配到相应阳极和阴极催化 剂的表面上。为了有效地产生电力，PEM燃料电池的聚合物电解质膜必须是薄 的、化学稳定的、可传导质子的、不导电的和不可透过气体的。在典型应用中， 燃料电池构造成包含多个单独燃料电池堆的阵列以提供高水平的电功率。

某些现有技术的燃料电池包括位于催化剂电极和离子传导膜之间的子垫 片。在制造和运行燃料电池的过程中，一个或多个包含催化剂的颗粒可能会变 得附着到子垫片上，而这些非有意附着的颗粒能够生成一定水平的热能，当暴 露于氢和氧的易燃混合物时该热能会使聚合物基子垫片材料的温度升高到它们 的熔化温度。作为从冷冻状态启动燃料电池的方法或者当阳极充入到阴极以清 除氮气时，燃料电池堆会定期地暴露于这种易燃混合物。在很多情况下，子垫 片材料成为用于所生成能量的主要热传导媒介。尽管现有技术的子垫片设计在 常规操作过程中运行地相当好，但是这些颗粒表现出的生产缺陷抵消了这些子 垫片的热性能。

因此，本发明提供一种用于消散导致燃料电池中局部发热的由非有意颗粒 产生的热能的改善的设计。

方案1.一种燃料电池部件包括：

具有阴极催化剂层外缘的阴极催化剂层；

具有阳极催化剂层外缘的阳极催化剂层；

具有离子传导膜外缘的离子传导膜，该离子传导膜夹在阴极催化剂层和阳 极催化剂层之间；以及

包括结构部件和热传导层的子垫片，该子垫片限定中心开口，结构部件具 有第一侧和第二侧，子垫片具有外部和紧邻中心开口的内部，内部位于阴极层 外缘和离子传导膜外缘之间或者位于阳极层外缘和离子传导膜外缘之间，热传 导层与结构部件的第二侧接触。

方案2.如方案1所述的燃料电池部件，其中子垫片包括聚酯。

方案3.如方案1所述的燃料电池部件，其中子垫片包括聚萘二甲酸乙二醇 酯。

方案4.如方案1所述的燃料电池部件，其中热传导层包括金属层。

方案5.如方案2所述的燃料电池部件，其中该金属层是沉积在子垫片上的 金属膜或者是与子垫片接触的金属箔。

方案6.如方案1所述的燃料电池部件，其中热传导层包括分散在粘接剂内 的热传导颗粒。

方案7.如方案6所述的燃料电池部件，其中热传导颗粒包括选自由碳、银、 铜、镍、钢、其它金属、以及金属合金组成的集合中的成分。

方案8.如方案6所述的燃料电池部件，其中粘接剂是热激活的粘接剂。

方案9.如方案6所述的燃料电池部件，其中粘接剂包括选自由聚酯、热塑 性塑料、聚氨酯、多元醇聚合物、聚胺聚合物、乙烯共聚物、环氧树脂、尿烷、 聚酰亚胺及其组合组成的集合中的成分。

方案10.如方案6所述的燃料电池部件，其中粘接剂包括选自由乙烯丙烯 酸共聚物、乙烯醋酸乙烯酯及其组合组成的集合中的成分。

方案11.如方案6所述的燃料电池部件，其中粘接剂在从大约50℃到大约 125℃的温度下熔化。

方案12.一种燃料电池部件包括：

具有阴极层外缘的阴极催化剂层；

具有阳极层外缘的阳极催化剂层；

具有离子传导膜外缘的离子传导膜，离子传导膜夹在阴极催化剂层和阳极 催化剂层之间；

包括结构部件和热传导层的子垫片，子垫片限定中心开口，结构部件具有 第一侧和第二侧，子垫片具有外部和紧邻中心开口的内部，内部位于阴极催化 剂层外缘和离子传导膜外缘之间或者位于阳极催化剂层外缘和离子传导膜外缘 之间，热传导层与结构部件的第二侧接触；以及

与热传导层接触的隔片。

方案13.如方案12所述的燃料电池部件，其中该结构部件包括聚萘二甲酸 乙二醇酯。

方案14.如方案12所述的燃料电池部件，其中该热传导层包括金属层。

方案15.如方案12所述的燃料电池部件，其中该热传导层包括分散在粘接 剂内的热传导颗粒。

方案16.如方案15所述的燃料电池部件，其中所述热传导颗粒包括选自由 碳、银、铜、镍、钢、其它金属、以及金属合金组成的集合中的成分。

方案17.如方案15所述的燃料电池部件，其中粘接剂是热激活的粘接剂。

方案18.一种用于在聚合物层内提供散热的燃料电池部件，该燃料电池部 件包括：

具有第一侧、第二侧以及限定中心开口的外围部分的子垫片，外围部分具 有外部和紧邻中心开口的内部，紧邻部分位于燃料电池阴极层外缘和燃料电池 离子传导膜外缘之间或者位于燃料电池阳极层外缘和燃料电池离子传导膜外缘 之间，中心开口可在燃料电池中对齐以使燃料电池的活性区定位在其中；

粘接到子垫片的外部区域的热传导层；以及

与子垫片的第二侧接触的隔片。

方案19.如方案18所述的燃料电池部件，其中热传导层包括金属层。

方案20.如方案12所述的燃料电池部件，其中热传导层包括分散在粘接剂 内的热传导颗粒。

发明内容

本发明通过在至少一个实施例中提供用于散热的燃料电池部件，解决了现 有技术中的一个或多个问题。该燃料电池部件包括具有结构部件和热传导层的 子垫片。子垫片限定了一个中心开口，而结构部件包括第一侧和第二侧。子垫 片还具有外部和邻近中心开口的内部。内部位于阴极层外缘和离子传导膜外缘 之间或者位于阳极层外缘和离子传导膜外缘之间。最后，热传导层与结构部件 的第二侧接触。有利地，热传导层裁剪成用于消散热能。基于层的厚度，可以 在子垫片暴露于会导致过早失效(即，导致阳极和阴极气流混合的聚合物子垫 片层的熔化)的热能(或熔化温度)之前将热能消散掉。

在另一实施例中，提供一种燃料电池部件。该燃料电池部件包括具有阴极 层外缘的阴极催化剂层、具有阳极层外缘的阳极催化剂层、离子传导膜、子垫 片、和隔片(Shim)。离子传导膜具有夹在阴极催化剂层和阳极催化剂层之间的 离子传导膜外缘。子垫片包括结构部件和热传导层并限定了中心开口。结构部 件具有第一侧和第二侧，而子垫片具有外部和邻近中心开口的内部。内部位于 阴极催化剂层外缘和离子传导膜外缘之间或者阳极催化剂层外缘和离子传导膜 外缘之间。热传导层与结构部件的第二侧接触。最后，隔片与热传导层接触。

在另一实施例中，提供一种用于在聚合物层内提供散热的燃料电池部件。 该燃料电池部件包括子垫片，其具有第一侧、第二侧以及限定了中心开口的外 围部分。外围部分具有外部和紧邻中心开口的内部。紧邻部分可位于燃料电池 阴极层外缘和燃料电池离子传导膜外缘之间或者燃料电池阳极层外缘和燃料电 池离子传导膜外缘之间。中心开口在燃料电池中对齐以使燃料电池的活生区在 其中定位。该燃料电池部件还包括粘接到子垫片的外部区域的热传导层以及与 子垫片的第二侧接触的隔片。

附图说明

根据详细描述和附图，本发明的示范性实施例将变得更好理解，其中：

图1提供了结合有隔离件的燃料电池的示意图；

图2是结合有子垫片的燃料电池的示意性截面图；

图3是子垫片的立体图；

图4是结合有子垫片的燃料电池的局部分解图；

图5是结合有子垫片的燃料电池的分解图；

图6提供了具有热传导粘接剂的子垫片的部分立体图；以及

图7提供了具有热传导金属层的子垫片的立体图。

具体实施方式

现在将详细展示本发明的优选组成、实施例和方法，其构成本发明人当前 所知的实现本发明的最佳模式。附图不一定按比例绘出。然而，应当理解，所 公开的实施例只是本发明的示例，本发明可以以各种不同的和可替换的方式实 施。因此，这里所公开的具体细节并非解释为限制，而只是作为本发明任何方 面的代表性基础和／或教导本领域技术人员多方面地采用本发明的代表性基础。

除非在实例中或其它地方明确指出，说明书中表示材料量或者反应和／或使 用条件的所有数值量应被理解为可被词语“大约”修饰，以描述本发明的最大 范围。在所给的数值限值内实施一般是优选的。同时，除非有明确的相反指示： 百分比、“份数”和比值是指重量；术语“聚合物”包括“低聚物”、“共聚物”、 “三元共聚物”、以及类似物；对与本发明相关联的特定目的相适合或优选的一 组或类材料的描述意味着，这一组或类中任意两个或多个成分的混合也是等价 适合或优选的；所提供的任何聚合物的分子量是指数值平均分子量；以化学术 语描述的成分是指加入到说明书中指定的任何组合时的成分，并不一定排除进 行混合时混合成分之间的化学相互作用；第一次定义的首字母缩写或其它缩写 适用于这里所有随后使用的相同缩写，并且适用于对初始定义的缩写在细节上 作必要修改的常规语法变化；以及除非有明确的相反指示，对性能的测量是由 此前或者之后对同一性能提出的同一技术来确定的。

还应当理解，该发明并不局限于下面所描述的特定实施例和方法，因为具 体的部件和／或条件当然是可以改变的。此外，这里所使用的术语只是用于描述 本发明的特定实施例，而不是要被解释为任何形式的限制。

还应当注意，如说明书和所附权利要求书中所使用的，单数形式“一”、“一 个”和“该”包括多个指示物，除非上下文清楚地作出相反的指示。例如，以 单数表示的部件可包括多个部件。

贯穿本申请的全文，在参考了出版物的地方，这些出版物的公开内容据此 整体上通过引用被结合到本申请中，以更全面地描述与本发明相关的技术现状。

参见图1，该图提供了结合有子垫片的实施例的燃料电池的截面示意图。 燃料电池10包括膜电极组件12，该组件包括阳极催化剂层14、阴极催化剂层 16、以及离子传导膜(即质子交换膜、离聚物等)20。离子传导膜20夹在阳极 催化剂层14和阴极催化剂层16之间，其中阳极催化剂层14设置在离子传导膜 20的第一侧，而阴极催化剂层16设置在离子传导膜20的第二侧。子垫片21 的一部分夹在阳极催化剂层14和离子传导膜20之间。子垫片21的细节在下面 给出。作为种变化，燃料电池10还包括多孔的气体扩散层22和24。气体扩 散层22设置在阳极催化剂层14上，而气体扩散层24设置在阴极催化剂层16 上。燃料电池10包括设置在气体扩散层22上的阳极流场板26，以及设置在气 体扩散层24上的阴极流场板28。

参见图2和3，其中提供了用于燃料电池应用的子垫片。图2是结合有子 垫片的燃料电池的截面示意图。图3是子垫片的立体图。燃料电池10包括具有 阳极层外缘30的阳极催化剂层14和具有阴极层外缘的32的阴极催化剂层16。 离子传导膜20具有离子传导膜外缘34。如上所述，离子传导膜20夹在阳极催 化剂层14和阴极催化剂层16之间。子垫片40包括具有第一侧44和第二侧46 的结构部件42。通常，结构部件42是能够承受从0℃到150℃的温度而没有实 质退化的聚合物部件(例如熔点为250℃到260℃)。具体地，结构部件42包括 酯，例如聚萘二甲酸乙二醇酯(polyethylene naphthalate)和聚对苯二甲酸乙二 醇酯(PET)。可以用于结构部件42的其它聚合物包括但不限制于，聚酰亚胺(例 如KAPTON^TM)、热塑生塑料(例如聚对苯硫醚)、以及能够相对于温度、氢和 氧渗透和模量有效操作的其它类型的聚合物。在另一变化中，结构部件42具有 从大约1到3密耳(mil)的厚度。结构部件42限定中心开口48。结构部件42 包括外部52和紧邻中心开口48的内部50。内部50位于阴极层边缘32和离子 传导膜外缘34之间或者位于阳极层外缘30和离子传导膜外缘34之间。子垫片 40包括热传导层56，其粘接到子垫片40的第二侧。具体地，热传导层56具有 从大约5微米到大约50微米的厚度。特别地，当热传导层56包括金属层和粘 接剂时，金属层可以是大约5微米而粘接剂层是大约25微米。垫片58与热传 导层56接触。典型地，隔片58包括诸如酯(聚萘二甲酸乙二醇酯)的聚合物。 在另一实施例中，隔片58具有大约2到6密耳的厚度。隔片58提供结构支撑， 限制板由于供给区压力不同而弯曲，并提供硬停止以控制板与板的间隔。

图4和5提供了图示子垫片40到燃料电池中的集成的分解图。燃料电池 10包括活性区60，该活性区包括阳极催化剂层／气体扩散介质组合62、阴极催 化剂层／气体扩散介质64、以及离子传导膜20。通过使子垫片40夹在阳极催化 剂层／气体扩散介质组合62和离子传导膜20的边缘区域之间，阳极催化剂层／ 气体扩散介质组合62设置在离子传导膜20上。离子传导膜20设置在阴极催化 剂层／气体扩散介质64上。阴极流场板28包括阴极半板66和阴极半板68。应 当理解，通常有多个图4和5所示的燃料电池单元堆叠以形成燃料电池堆。图4 还显示了隔片58。密封件70用于有效地在这种堆叠的燃料电池单元之间提供密 封。

参见图6和7，其中提供了子垫片的各种变化。图6提供了具有热传导粘 接剂的子垫片的部分立体图。在该变化中，粘接剂层74(图2的层56)粘接到 结构部件42。粘接剂层74由分散有导热颗粒的粘接剂形成。具体地，热传导颗 粒包括选自由碳、银、铜、镍、钢、其它金属、金属合金以及它们的组合组成 的集合中的成分。在另一实例中，粘接剂是热激活的粘接剂，例如聚酯、热塑 性塑料、聚氨酯、多元醇聚合物、聚胺聚合物、乙烯共聚物、环氧树脂、尿烷、 聚酰亚胺以及它们的组合。更多具体的粘接剂的例子包括但不限于，乙烯丙烯 酸共聚物、乙烯醋酸乙烯酯以及它们的组合。通常，粘接剂在从大约50℃到大 约125℃的温度下熔化或固化。在另一实例中，粘接剂在从大约50℃到大约95 ℃的温度下熔化或固化。

图7提供了具有热传导金属层的子垫片的立体图。在该变化中，金属层76 (图2的层56和42之间)设置在结构部件42上并与之接触。具体地，金属层 76是沉积在子垫片上的金属膜或者是与子垫片接触的金属箔。这种金属层可以 通过溅射、蒸发、化学气相沉积和类似方法沉积。在另一实例中，在金属层76 上设置粘接剂层78以提供与隔片58的粘接(图2)。

虽然已对本发明的实施例进行了展示和描述，但是这些实施例不是要去展 示和描述本发明的所有可能的形式。相反，说明书中所使用的词语是描述用词 而不是限制性的，应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的前提下可以做出 各种不同的改变。