具有可变特性的端部电池热屏障

摘要

本发明涉及具有可变特性的端部电池热屏障，具体公开了一种燃料电池组件，该燃料电池组件包括：多块燃料电池板，其布置在一个堆中，每块燃料电池板均具有反应物入口和出口以及冷却剂入口和出口；第一端子板，其设置在燃料电池板的堆的第一端处；以及阻挡层，其设置在多块燃料电池板中的一块燃料电池板与第一端子板之间，以在该一块燃料电池板与该第一端子板之间提供热屏障，其中阻挡层包括具有第一热导率的第一部分和具有第二热导率的第二部分。

说明书

技术领域

本发明涉及一种燃料电池组件，更具体地涉及一种如下所述的燃料电池组件，其包括设置在该燃料电池组件的端子板与端板之间的具有可变特性的阻挡层，以便于组件在冰点的外部温度下的起动和使组件的端部单元中的温度在高电流水平时最低。

背景技术

燃料电池组件将燃料和氧化剂转变成电。一种燃料电池功率系统将质子交换膜(在下文中称为“PEM”)用于分开电极，这有助于燃料(诸如氢)与氧化剂(诸如空气或氧)的催化反应以便发电。PEM通常为固体聚合物电解质膜，其在通常配置于燃料电池功率系统中的每个单独的燃料电池中有助于质子从阳极到阴极的传输。

在燃料电池功率系统内的典型燃料电池组件(或堆)中，单独的燃料电池板包括各种反应物和冷却流体流过的通道。燃料电池板通常设计有直的或蛇形的流动通道。这样的流动通道是合乎需要的，因为它们有效地将反应物分布在运转的燃料电池的有效区域上，从而使性能和稳定性最佳。在零下温度中，燃料电池组件中的水蒸汽可能凝结。冷凝物可在燃料电池组件中形成冰。冷凝物和冰的存在可能会影响燃料电池组件的性能。

在典型的运转条件下，冷凝物还可积聚在燃料电池板的邻近燃料电池组件的出口歧管的边缘处，从而限制从流动通道到出口歧管的流体流动。在燃料电池组件于零下温度中的起动操作期间，燃料电池板的流动通道中以及出口歧管的边缘处的冷凝水呈冰的形式，冰可限制反应物流动。类似地，可产生在正常操作期间由液体水停滞引起的反应物流的不当分布。此外，组件的端部单元失去由组件的燃料电池产生的热能，从而延迟组件的加热。

通常，为了缓和冷凝物在燃料电池组件的出口歧管处的形成，提高燃料电池组件的运转温度。然而，由于作为降低的膜润湿的结果的提高的膜质子电阻，所以提高运转温度可对欧姆电阻具有负面影响。此外，降低入口阳极和阴极气体流的相对湿度可获得与提高运转温度相同的效果，并导致由提高的膜质子电阻引起的对欧姆电阻的负面影响。为了缓和组件的端部单元的热损失，在燃料电池堆与端部单元之间可设置有耐热阻挡层。由于热阻率提高，所以电导率降低，从而在阻挡层中产生废热并使燃料电池组低效地运转。为了经受住由于阻挡层中的该废热的产生而可能在高电流水平时出现的高温，端部单元必须由能够经受住高温的昂贵的塑料或其他材料形成，从而增加燃料电池组件的成本。

在燃料电池组件的操作期间，来自燃料电池反应的废热加热燃料电池组件并缓和组件中的水的冷凝和冰的形成。然而，燃料电池组件的端板倾向于具有比燃料电池组件的中间板的温度低的温度。由于向环境中的热损失和向燃料电池组件的邻近端板的端子板和端部单元的热损失，端板具有较低的温度。遍及燃料电池组件的燃料电池板的温度差可导致低效的操作、反应物的分布不当、水在燃料电池板上的可导致形成冰的冷凝、和燃料电池组件缩短的使用寿命。

通常，为了确保燃料电池组件中的板之间大致均匀的温度分布，邻近端板设置有加热机构，以直接向端板传输热能。还可邻近端子板设置加热机构，以向端子板传输热能。于是，热能从端子板传输至端板。替代性地，燃料电池组件可并联连接有适于加热端板的电阻加热机构。如果加热机构失效并处于带电状态，则端部燃料电池可能变透，从而导致燃料电池组件中的电短路。用于加热端板的其他方法包括催化加热，和提供设置在端板与端子板之间的旁通板。

此外，在燃料电池组件的操作期间，由燃料电池堆产生的电流被收集在每个导电的燃料电池中。电流通过电池堆经由燃料电池板传送至燃料电池堆的任一端部处的端子板。例如，端子板与诸如汇流线的电流收集体电连通。电流收集体与燃料电池功率系统的堆接口单元(SIU)或其他电气部件电连通。电池堆端部单元中的高温将使热量通过电流流向SIU和/或其他电气部件，从而导致SIU和/或其他电气部件中的温度升高，这可导致部件失效或需要能在高温下工作的昂贵的部件。

期望研制一种燃料电池组件，其具有设置在该燃料电池组件的端子板与端板之间的阻挡层，该阻挡层具有可变特性，以便于燃料电池组件在冰点的外部温度中的起动和使组件的端部单元中的温度在高电流水平时最低。

发明内容

与本发明一致并适合本发明地，已令人惊讶地发现一种设置在燃料电池组件的端子板与端板之间的阻挡层，该阻挡层具有可变特性，以便于燃料电池组件在冰点的外部温度中的起动和使组件的端部单元中的温度在高电流水平时最低。

在一个实施例中，燃料电池组件包括：多块燃料电池板，其布置在一个堆中，所述燃料电池板中的每块燃料电池板均具有反应物入口和反应物出口以及冷却剂入口和冷却剂出口；第一端子板，其设置在所述燃料电池板的堆的第一端处；以及阻挡层，其设置在所述多块燃料电池板中的一块燃料电池板与所述第一端子板之间，以便在所述一块燃料电池板与所述第一端子板之间提供热屏障，其中所述阻挡层包括具有第一热导率的第一部分和具有第二热导率的第二部分。

在另一实施例中，燃料电池组件包括：一对端子板，所述端子板中的一块端子板设置在所述燃料电池组件的每个端部处；一对端部燃料电池板，其设置在所述端子板之间；多块燃料电池板，其布置在一个堆中并设置在所述端部燃料电池板之间；以及一对阻挡层，其每个都包括具有第一热导率的第一部分和具有第二热导率的第二部分，所述每个阻挡层均设置在所述端部燃料电池板中的一块燃料电池板与所述端子板中的一块端子板之间，以便在所述一块燃料电池板与所述一块端子板之间提供热屏障。

在另一实施例中，燃料电池组件包括：一对端子板，所述端子板中的一块端子板设置在所述燃料电池组件的每个端部处；一对端部燃料电池板，其设置在所述端子板之间；多块燃料电池板，其布置在一个堆中并设置在所述端部燃料电池板之间；以及一对阻挡层，其每个都包括具有第一热导率的第一部分和具有比所述第一热导率低的第二热导率的第二部分，所述每个阻挡层均设置在所述端部燃料电池板中的一块燃料电池板与所述端子板中的一块端子板之间，以在所述一块燃料电池板与所述一块端子板之间提供热屏障。

方案1. 一种燃料电池组件，包括：

多块燃料电池板，其布置在一个堆中，所述燃料电池板中的每块燃料电池板均具有反应物入口和反应物出口以及冷却剂入口和冷却剂出口；

第一端子板，其设置在所述燃料电池板的堆的第一端处；以及

阻挡层，其设置在所述多块燃料电池板中的一块燃料电池板与所述第一端子板之间，以便在所述一块燃料电池板与所述第一端子板之间提供热屏障，其中所述阻挡层包括具有第一热导率的第一部分和具有第二热导率的第二部分。

方案2. 根据方案1所述的燃料电池组件，其中所述阻挡层由导电材料形成。

方案3. 根据方案1所述的燃料电池组件，其中所述第一热导率大于所述第二热导率。

方案4. 根据方案1所述的燃料电池组件，其中所述阻挡层的第一部分邻近所述燃料电池板的阴极入口设置。

方案5. 根据方案1所述的燃料电池组件，其中所述阻挡层的第二部分邻近所述燃料电池板的阴极入口设置。

方案6. 根据方案1所述的燃料电池组件，还包括设置在所述燃料电池板的堆的第二端处的第二端子板。

方案7. 根据方案6所述的燃料电池组件，还包括第二阻挡层，该第二阻挡层设置在所述燃料电池板中的另一块燃料电池板与所述第二端子板之间，以便在所述另一块燃料电池板与所述第二端子板之间提供热屏障，其中所述第二阻挡层包括具有第一热导率的第一部分和具有第二热导率的第二部分。

方案8. 根据方案1所述的燃料电池组件，还包括具有邻近所述燃料电池板的冷却剂入口的第一端的电连接器，所述电连接器的第一端适于提供所述第一端子板与电气部件之间的电连通。

方案9. 根据方案1所述的燃料电池组件，其中所述阻挡层的第一部分与所述阻挡层的第二部分单独地形成。

方案10. 根据方案1所述的燃料电池组件，其中所述第一阻挡层的第一部分和所述阻挡层的第二部分由具有热导率梯度的单一材料形成。

方案11. 根据方案10所述的燃料电池组件，其中所述热导率梯度通过所述第一部分和所述第二部分的变化的碳密度产生。

方案12. 根据方案10所述的燃料电池组件，其中所述热导率梯度通过所述第一部分和所述第二部分的不同的加工温度产生。

方案13. 根据方案10所述的燃料电池组件，其中所述热导率梯度通过用发泡石墨形成所述第一部分和用煤基材料形成所述第二部分而产生。

方案14. 一种燃料电池组件，包括：

一对端子板，所述端子板中的一块端子板设置在所述燃料电池组件的每个端部处；

一对端部燃料电池板，其设置在所述端子板之间；

多块燃料电池板，其布置在一个堆中并且设置在所述端部燃料电池板之间；以及

一对阻挡层，其每个都包括具有第一热导率的第一部分和具有第二热导率的第二部分，每个阻挡层均设置在所述端部燃料电池板中的一块燃料电池板与所述端子板中的一块端子板之间，以便在所述一块燃料电池板与所述一块端子板之间提供热屏障。

方案15. 根据方案14所述的燃料电池组件，其中所述第一热导率大于所述第二热导率。

方案16. 根据方案14所述的燃料电池组件，其中所述阻挡层的第一部分邻近所述燃料电池板的阴极入口设置。

方案17. 根据方案14所述的燃料电池组件，还包括设置在所述燃料电池板的堆的第二端处的第二端子板。

方案18. 根据方案14所述的燃料电池组件，其中所述阻挡层的第一部分和所述阻挡层的第二部分由具有热导率梯度的单一材料形成。

方案19. 根据方案18所述的燃料电池组件，其中所述热导率梯度通过用第一材料形成所述第一部分和用第二材料形成所述第二部分而产生。

方案20. 一种燃料电池组件，包括：

一对端子板，所述端子板中的一块端子板设置在所述燃料电池组件的每个端部处；

一对端部燃料电池板，其设置在所述端子板之间；

多块燃料电池板，其布置在一个堆中并且设置在所述端部燃料电池板之间；以及

一对阻挡层，其每个都包括具有第一热导率的第一部分和具有比所述第一热导率低的第二热导率的第二部分，每个阻挡层均设置在所述端部燃料电池板中的一块燃料电池板与所述端子板中的一块端子板之间，以便在所述一块燃料电池板与所述一块端子板之间提供热屏障。

附图说明

当根据附图考虑时，对本领域技术人员而言，本发明的上述以及其他的优点将通过以下详细说明而变得显而易见，其中：

图1是根据本发明实施例的包括阻挡层的燃料电池组件的分解立体图；

图2是结合有图1所示的阻挡层的燃料电池功率系统的局部分解立体图；以及

图3是结合有图1所示的多个阻挡层的燃料电池功率系统的局部分解立体图。

具体实施方式

以下的详细说明和附图描述并图示了本发明的各种示例性实施例。该说明和附图用于使本领域技术人员能够制造并使用本发明，并且不以任何方式限制本发明的范围。

图1描绘了具有双电池燃料电池堆的燃料电池组件10。燃料电池组件10为质子交换膜(PEM)燃料电池组件。两块燃料电池中的每块燃料电池均包括单元化的电极组件(UEA)12。UEA12被导电双极板14彼此分开。UEA12具有阳极与阴极扩散介质(DM)34、阳极电极62和阴极电极64、以及电解质膜60。为简单起见，在图1中图示并描绘了具有双电池燃料电池堆(即一块双极板)的燃料电池组件10，但应理解的是，典型的燃料电池组件具有很多这样的燃料电池和双极板。如以下更详细地说明的，图2示出燃料电池功率系统11，其具有与燃料电池组件10类似的燃料电池组件23，但具有超过两个的燃料电池。

UEA12和双极板14一起堆叠在一对端子板16、18和一对单极端板20、22之间。单极端板20、双极板14的两个工作面、和单极端板22均包括相应的有效区域24、26、28、30。有效区域24、26、28、30通常包含用于将诸如氢气和空气的气体反应物分别分布到UEA12的阳极和阴极上的流场。阻挡层66设置在端子板16与端板20之间。

例如，双极板14通常通过用于成形片状金属的常规工艺形成，诸如冲压、机加工、模制、或通过光刻用掩模的光蚀刻。在一个实施例中，双极板14由单极板形成，而单极板然后通过诸如焊接或粘附的任何常规工艺结合。还应理解的是，双极板14还可由复合材料形成。在一个特定的实施例中，双极板14由石墨或石墨填充聚合物形成。透气性扩散介质34可邻近双极板14的两侧设置。端板20、22还可邻近扩散介质34设置。

阻挡层66包括第一部分68和第二部分70。第一部分68具有比第二部分70的热导率高的热导率。例如，阻挡层66的部分68、70可由导电材料形成，诸如发泡碳、碳布或碳纸。例如，阻挡层66的部分68、70可由通过烧结、粘合剂等结合到一起的单独的材料形成。部分68、70还可由在第一部分68与第二部分70之间具有热导率梯度的相同材料形成。为了确保第一部分68的热导率大于第二部分70的热导率，部分68、70可在相应的碳密度方面不同；可以在不同的加工温度下形成；以及可分别由发泡石墨和煤基材料形成。应理解的是，阻挡层66可由多于第一部分68和第二部分70的部分形成。例如，阻挡层66可包括任何期望数量的部分，诸如第三部分(未示出)和第四部分(未示出)。还应理解的是，阻挡层66可由具有热导率梯度或另一特性梯度的单层材料形成。

双极板14、单极端板20、22和UEA12每个都包括阴极供应孔36和阴极排出孔38、冷却剂供应孔40和冷却剂排出孔42、以及阳极供应孔44和阳极排出孔46。燃料电池组件10的供应歧管和排出歧管通过双极板14、单极端板20、22以及UEA12中的相应孔36、38、40、42、44、46的对准来形成。氢气经由阳极入口48供应至阳极供应歧管。空气经由阴极入口50供应至燃料电池组件10的阴极供应歧管。阳极出口52和阴极出口54还分别设置为用于阳极排出歧管和阴极排出歧管。冷却剂入口58设置为用于将液体冷却剂供应至冷却剂供应歧管。冷却剂出口56设置为用于从冷却剂排出歧管去除冷却剂。应理解的是，图1中的各种入口48、50、58和出口52、54、56的构造是为了解释的目的，并且可以根据需要选择其它构造。

供燃料电池组件10中使用的UEA12可包括多个部件。如图1最清楚示出的，UEA12包括电解质膜60、阳极62、阴极64和扩散介质34。例如，UEA12的部件在UEA12的生产期间装配并通过诸如热压的任何常规工艺彼此固定。根据需要，可在单独的部件之间使用粘合剂。

燃料电池组件10的阳极62和阴极64可设置在电解质膜60和/或扩散介质34上。阳极62或阴极64可称为电极。例如，电极62、64可由通过任何常规工艺涂覆至部件的催化剂墨形成，该常规工艺诸如是喷雾、浸渍、刷光、辊转印、狭缝式涂布、照相凹板式涂敷、Meyer杆涂覆、贴花转印和打印。

电解质膜60可以是由离聚物形成的膜层。诸如以商标Nafion? NRE211销售的离子键全氟磺酸(PFSA)是在本领域中众所周知的用作燃料电池的电解质膜60的典型离聚物。电解质膜60设置在阳极62与阴极64之间。

根据本发明的实施例，图2示出一种燃料电池组件23，其具有与图1的双燃料电池堆组件10类似的堆叠的期望数量的燃料电池。燃料电池组件23包括图1所示的阻挡层66。燃料电池功率系统11的反应物和冷却剂入口和出口在取向和流动方向方面类似于燃料电池组件10的取向和流动方向，并因此包括相同的附图标记。

燃料电池组件23在燃料电池功率系统11中设置在下端部单元74与邻近上端部单元72的端子电流收集器板78之间。阻挡层66以第一部分68邻近阴极入口50和冷却剂入口58的方式设置在端子收集器板78与燃料电池组件23的端部燃料电池25之间，并且第二部分70邻近端部燃料电池25的有效区域、阴极出口48和冷却剂出口56。电连接器76耦联至端子收集器板78的接触突出物82和燃料电池功率系统11的接触突出物84。例如，接触突出物84与燃料电池功率系统11的另一部件电连通，诸如电池堆接口单元(SIU)(未示出)、另一燃料电池堆(未示出)、或燃料电池功率系统11的其它电气部件。第二电连接器80耦联至下端部单元74和接触突出物88。例如，接触突出物88与燃料电池功率系统11的另一部件电连通，诸如SIU、另一燃料电池堆、或燃料电池功率系统11的其它电气部件。应理解的是，例如，接触突出物88可以是适于提供燃料电池功率系统11与其它部件－诸如导线、断开单元等之间的电连通的任何装置。电连接器76与燃料电池组件23的阳极侧电连通，而电连接器80与燃料电池堆23的阴极侧电连通。如本领域已知的，电连接器76、80通过合适的紧固件86耦联至燃料电池功率系统11的相应部件。

通常，在燃料电池功率系统11的操作期间，氢气流通过阳极入口48被馈送到燃料电池组件23的阳极侧。同时，氧气流通过阴极入口50被馈送到燃料电池组件23的阴极侧。在阳极侧上，氢气流中的氢被催化地分裂成质子和电子。氧化半电池反应表示为：H₂?2H⁺+2e^-。在PEM燃料电池中，质子通过膜渗透至阴极侧。电子沿外部负载电路移动至阴极侧，从而形成燃料电池组件23的电流。电流被收集在设置于燃料电池组件23的每个端部处的收集器板中，诸如收集器板78。然后，使电流通过电连接器76、80从收集器板流动并流动至燃料电池功率系统11的各种部件。由于收集器板中的所有电流都流过电连接器76、80，所以连接器76、80附接至收集器板的区域通常产生比收集器板的与连接器76、80的附接点间隔开的区域更多的热能。在阴极侧上，氧化剂流中的氧与渗透通过膜的质子和来自外部电路的电子结合，以形成水分子。该还原半电池反应表示为：4H⁺+4e^-+O₂?2H₂O。来自阳极侧的阳极排气通常被再循环通过系统，以维持高的阳极电转换和低的氢排放。

来自阴极侧的阴极排气被排出至大气。控制模块(未示出)通过响应于来自连接至燃料电池组件23的压力传感器(未示出)和电功率传感器(未示出)的信号而操作各种控制阀(未示出)和压缩机(未示出)来调节氢气流、氧气流和排气流的状况。一种示例性的排气系统公开于共同拥有的美国专利No.7,235,318“FUEL CELL SYSTEM BACK-PRESSURE CONTROL WITH A DISCRETE VALVE”，该专利的全部内容因此在这里以引用的方式全文并入。

当在环境温度接近或低于冰点时进行燃料电池功率系统11的起动操作时，合乎需要的是在维持燃料电池组件23期望的性能水平的同时，尽可能快地加热燃料电池功率系统11。在燃料电池功率系统11的起动操作期间，使氢气流入阳极入口48，并使例如氧或空气的氧化剂流入阴极入口50。总体来说，氢气和氧化剂合称为“反应物”。同时，使冷却剂通过冷却剂入口56流入燃料电池功率系统11。

如在上文中所描述的，阻挡层66的第一部分68邻近反应物入口48、50和冷却剂入口58设置。由于阻挡层的第二部分70具有比第一部分68低的热导率，所以第二部分70隔离并保持由燃料电池组件23的邻近第二部分70的部分内的反应物的反应产生的热能，从而便于在起动操作期间加热燃料电池组件23。例如，在没有隔离第二部分70的情况下，热能会流失到燃料电池组件23的周围部件，诸如上端部单元72。通过具有较低的热导率，第二部分70还具有较低的电导率。然而，入流反应物在反应物的入口处具有最高浓度。因此，在燃料电池组件23的板的入口处比在板的任何其他部分处产生更大量的电流。阻挡层66的第一部分68的相对较高的电导率减少当以高的电流水平运转时在阻挡层66的该部分中产生的热能的量。通过使在阻挡层中产生和随后传输至上端部单元72的热能最少，使上端部单元72的热能容限(thermal energy tolerance)变得最小。通过使上端部单元72的所需热能容限最小，不需要特殊塑料来制造该上端部单元72，并且使上端部单元72的制造成本最低。此外，由于通过燃料电池组件23流动至冷却剂出口56的冷却剂从每个燃料电池中的反应物反应吸收了热能，所以隔离的第二部分70保持燃料电池组件23中的冷却剂流中的热能，以进一步使燃料电池组件23的起动时间最短。

如在上文中所描述的，阻挡层66的第一部分68邻近反应物出口52、54和冷却剂出口56设置。由于阻挡层的第一部分68具有比第二部分70高的热导率，所以第一部分68将热能传导离开燃料电池组件23的有效区域和出口。通过具有较高的热导率，第一部分68还具有较高的电导率。通过使第一部分68的电导率最高，使得在电连接器76处测得的电压最高，从而使燃料电池功率系统11的功率输出最大。这在燃料电池功率系统11的峰值使用期间具有特殊的重要性。

如在上文中所描述的，第一部分68较高的相对电导率使上端部单元72的温度最低。燃料电池组件23的电连接器76、80经由接触突出物84、88与燃料电池功率系统11的端部单元72、74以及各种部件热连通和电连通。因此，使上端部单元72的温度最低能够缓和对燃料电池功率系统11的各种部件中的独立冷却系统和其他热能管理系统－诸如SIU的需求。通过缓和对用于燃料电池功率系统11的其他部件的独立冷却系统的需求，得以使燃料电池功率系统11的成本和复杂性最低。

类似于图2所示的实施例，图3示出本发明的另一实施例。图3的燃料电池组件23包括类似于阻挡层66的第二阻挡层67，其设置在燃料电池组件23的邻近下端部单元74的相对端。第二阻挡层的第一部分69邻近燃料电池功率系统11的具有反应物入口48、50和冷却剂入口58的端部设置。第二阻挡层67的第二部分71邻近燃料电池功率系统11的具有反应物出口52、54和冷却剂出口56的端部设置。和阻挡层66一样，第二阻挡层67在也使下端部单元74于高电流操作期间的温度最低的同时在加热期间阻止向下端部单元74的热能损失。因此，使下端部单元74的热能容限最小，从而使下端部单元74的制造成本最低。类似于阻挡层66，第二阻挡层67在燃料电池组件23内的取向有助于燃料电池组件23更快速的起动时间，并使燃料电池组件23的峰值操作期间的电压最高。

通过前述说明，本领域普通技术人员将能够容易地认识到本发明的本质特征，并且在不偏离本发明的精神和范围的情况下，能够对本发明做出各种变化和变型以使本发明适用于各种用途和情况。