液體冷卻燃料電池堆疊體的制作方法

專利名稱：液體冷卻燃料電池堆疊體的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種提供了貫穿堆疊體冷卻并均勻溫度操作的液體冷卻燃料電池堆疊體。
發明概述簡要地，本發明提供一種液體冷卻燃料電池堆疊體包括含有一個或多個膜電極組件(MEA’s)的燃料電池模塊、含有冷卻溝槽的冷卻板、與每個冷卻溝槽入口相通的歧管盒和在歧管盒之中的擴散體，該擴散體具有相對于冷卻溝槽入口均勻分布的多個擴散體出口。代表性地使用兩室歧管盒，使得在堆疊體相對面上冷卻溝槽中的冷卻劑在相反方向上逆流。代表性地堆疊體環繞其外表面而絕熱。
本領域中沒有描述，并且在本發明中提供的是一種裝置，該裝置通過提供均勻的冷卻劑流動、冷卻劑逆向流動和外部絕熱使得貫穿燃料堆疊體冷卻并保持基本均勻的溫度。
本發明的一個優勢是在維持貫穿堆疊體基本均勻溫度時提供一種用于燃料電池堆疊體的冷卻。
附圖簡介

圖1是描述用于本發明實踐中燃料電池堆疊體正交投影的等角投影圖。
圖2是用于本發明實踐中歧管盒和擴散體的分解圖。
圖3是用于本發明實踐中歧管盒和擴散體的分解圖。
圖4是描述依照本發明(跡線A)和比較燃料電池堆疊體(跡線B)的堆疊體溫度變化作為燃料電池堆疊體發熱函數的圖。
發明詳述燃料電池堆疊體的操作引出冷卻一塊發電裝置的問題，該發電裝置在三維延伸表現為大塊的形式并且在維持貫穿塊均勻溫度時始終產生大量的熱。
本發明提供一種液體冷卻燃料電池堆疊體包括含有一個或多個膜電極組件(MEA’s)的燃料電池模塊、含有冷卻溝槽的冷卻板、與每個冷卻溝槽入口相通的歧管盒和在歧管盒之中的擴散體，該擴散體代表性地具有相對于冷卻溝槽入口而均勻分布的多個擴散體出口。代表性地使用兩室歧管盒，使得在堆疊體相對面上冷卻溝槽中的冷卻劑在相反方向上逆流。代表性地堆疊體環繞其外表面而絕熱。
燃料電池利用例如氫的燃料和例如氧的氧化劑以產生電流。兩種化學反應物，例如燃料和氧化劑，在含有催化劑的兩個隔離電極上分別地反應。離子交換元件位于電極之間以防止兩種反應物的直接化學反應和離子傳導。在典型的氫燃料電池的情況下，離子交換元件是離子傳導膜(ICM)。該傳導膜ICM將質子(H+)從氫電極傳導到氧電極上。電子沿隔離的外部電子通道流通，因此產生電流。通常將ICM和電極的結合物稱作“膜電極組件”或MEA。可直接將催化劑電極材料涂覆于ICM上以形成催化劑涂布膜(CCM)。代表性地施加液體傳輸層于ICM的每個面上，這被稱作氣體擴散層(GDL)、擴散體/電流集電極(DCC)或者液體傳輸層(FTL)。GDL是多孔材料層，該多孔材料具有導電性并且是反應物和產物液體的流動的通道。典型的氣體擴散層含有通常以紙或者布的形式的碳纖維。術語MEA描述了與GDL連接或未連接的CCM。術語5層MEA特別地描述連接有GDL’s地CCM。在制造過程中可以將催化劑電極層應用于ICM或GDL，只要它們在完成MEA中位于ICM和GDL之間，以使得得到的5層MEA包括順序的GDL、催化劑、ICM、催化劑GDL。在本發明的實踐中，可以使用任何適宜的MEA。
代表性地將MEA夾于兩個剛性板之間，該剛性板是公知的分布板、雙極板(BPP’s)或單極板。類似于GDL，分布板必須是導電性的。分布板典型地由碳化合物、金屬或電鍍金屬材料制成。代表性地通過雕刻、碾軋、澆鑄或沖壓在面對MEA的表面里的一個或多個液體引導溝槽，分布板將反應物或產物液體分布到MEA電極表面和從電極表面移出。這些溝槽有時設計成流動區域。分布板可將液體分布到堆疊體中兩個連續的MEA’s中和從中移出，其中一個面引導燃料到第一MEA的陽極且另一個面引導氧化劑到下一個MEA的陰極(并且除去產物水)，因此術語“雙極板”。可選擇地，分布板可以僅在一側上具有溝槽，使得僅從這側在MEA中分布液體或者移出，把這個稱作“單極板”。在本領域中使用的術語雙極板代表性地同樣包含單極板。典型的燃料電池堆疊體包括許多與雙極板交替堆疊的MEA’s。
在使用中MEA維持加壓。參考給定的MEA選擇加壓的程度以避免過加壓或者欠加壓。欠加壓會導致在不同層之間的電接觸不足和在墊圈的密封不足。因為在GDL中封閉了氣孔或因為使GDL塞入(tenting)進入到分布板的流動區域溝槽中，過加壓會導致損害MEA和氣體通道的閉塞。通過以普通的壓力共同加壓堆疊體中所有的MEA’s的裝置來加壓MEA’s，例如使用位于堆疊體周邊或穿透堆疊體中央的尖端桿、長螺釘或緊固裝置。可選擇地，通過使用例如在同日提交的共同待批的專利申請號10/294,224中描述的機構來加壓MEA’s。在這個系統中，加壓板與燃料電池模塊交替布置并且通過連接一對加壓板的機械聯接的作用單獨地加壓每一個燃料電池模塊。其中描述的加壓板可以是兩用的作為冷卻板，這將在下面介紹。
在使用過程中MEA產生有效的熱，且因此需要一些裝置用于移出熱。貫穿堆疊體溫度的一致對于避免加熱器或冷卻器場所有害的影響是重要的，包括性能的下降和對MEA的損害。本發明關注一種液體冷卻的燃料電池堆疊體。
參考圖1，用于本發明實踐中的燃料電池堆疊體包括與燃料電池模塊(20)交替堆疊的冷卻板(10)。燃料電池模塊(20)包括至少一個膜電極組件(MEA)(30)且含有兩個或更多的MEA’s(30)。在MEA’s(30)中插入分布板(40)以形成燃料電池模塊(20)。冷卻板(10)可以由任何適宜的材料制成。冷卻板(10)代表性地由導熱材料例如金屬或電鍍金屬材料制成。代表性地冷卻板由導電材料組成。另外考慮的包括重量、成本和可制造性。代表性地，冷卻板是鋁。冷卻板(10)包括代表性地在板相對側具有入口和出口的液體冷卻溝槽(111)。冷卻溝槽可以具有任何適宜的橫截面形狀，例如圓形、矩形、橢圓形等等。代表性地，燃料電池模塊(20)包括一個或兩個MEA’s(30)使得每個MEA(30)接近至少一個冷卻板(10)。
冷卻板(10)包括入口和出口部分，以與外部的歧管(121，122，123，124)相適應，使得傳遞反應物或者產物液體給分布板(40)和從其移出，分布板依次傳遞反應物或產物液體給MEA’s(30)和從其移出。因此入口和出口部分包括反應物/產物通道用于給所述分布板傳輸液體和/或從其移出。冷卻板(10)的入口和出口部分經由O環密封墊與分布板(40)中的部分相合。因為入口和出口部分攜帶對冷卻板(10)的材料具有腐蝕性的液體，所以入口和出口部分在其內表面上涂布有抗腐蝕劑或者安裝與冷卻板材料不同材料的插入片，代表性地與在其中傳輸的反應物或產物是惰性的材料，可以包括聚醚醚酮(PEEK)聚合物。選擇地，反應物/產物歧管在燃料電池堆疊體內部。在內部歧管的情況下，每個歧管包括一連串的穿過連續的燃料電池模塊(20)和冷卻板(10)的相符合的孔，代表性地在每個板或模塊的平面的直交的方向上。代表性地，O環或其它密封墊位于燃料電池模塊(20)和冷卻板(10)之間以形成密封的歧管通路。反應物和產物的歧管與每個燃料電池模塊(20)中的通道相通，其通向分布板(40)的適當溝槽。
圖1描述了其中冷卻板同時作為加壓板的系統，正如同日提交的共同待批專利申請號10/295518中描述的。通過包含插銷(50)的機械聯接來連接一對加壓板(10)，其中插銷(50)通過螺釘(60，61)保持在適當的位置。插銷(50)必須是非導電性的，以避免燃料電池模塊(20)的短路，并且代表性地包括堅固的非導體的聚合體例如聚醚醚酮(PEEK)。
參考圖2和3，在本發明實踐中有用的液體傳輸裝置包括歧管盒(200，201，202)。所述的歧管盒包括盒體(200)和蓋子(201)，通過螺絲孔(205)的螺絲蓋子與墊圈(202)結合到盒體上。通過歧管盒和冷卻板中螺絲孔(210，211)的螺絲歧管盒結合到堆疊體(見圖1)。歧管盒盒體(200)必須由非電傳導性材料制成或者必須與堆疊體電絕緣，否則會產生燃料電池模塊的短路。歧管盒出口(220)與冷卻板的冷卻溝槽(111)的入口相通(見圖1)。外部冷卻液體源例如蛇管或與冷卻液體泵相連接的導管連接到歧管盒入口(230)。擴散體(240)位于歧管盒的內部。擴散體(240)具有與歧管盒入口(230)相通的擴散體入口(250)以接收所有液體冷卻劑流到歧管盒入口(230)。擴散體(240)具有多個沿其長度分布的擴散體出口(260)。擴散體出口(260)的分布可以是任何適宜的方式，使得在歧管盒外部的擴散體中保持基本均勻的冷卻劑液體壓力。代表性地，參考歧管盒出口(220)的位置均勻的分布擴散體出口(260)且因此參考冷卻板的冷卻溝槽(111)的位置(見圖1)。代表性地，切割擴散體出口(260)使得與進入到擴散體(240)的流向垂直。擴散體(240)在其遠端閉合。可選擇地，擴散體包括網眼、織物或其它滲透性的結構，該結構具有在歧管盒外部的擴散體中保持基本均勻的冷卻劑液體壓力的能力。
在本發明的一個實施例中，圖2和3中描述的，歧管盒(200，201，202)分成兩個室，即入口室(270)和出口室(280)。入口室(270)的功能如上面所述。出口室(280)通過歧管盒收集端口(281)與冷卻板的冷卻溝槽(111)的出口相通(見圖1)，并且使得冷卻液體通過歧管盒出口(282)、通常經軟管或導管流出到外部冷卻液體蓄池或冷卻液體泵。在出口室(280)中不需要擴散體。在堆疊體每個面上安裝兩室歧管盒引起冷卻劑相反方向的流動，其在相對的方向上通過在堆疊體相對面上的溝槽，因為多個第一冷卻溝槽在冷卻板第一面上具有冷卻溝槽入口和在冷卻板第二面上具有冷卻溝槽出口，并且多個第二冷卻溝槽在第二面上具有入口和在第一面上具有出口。結果，提供了四個歧管為以下進行供給多個第一冷卻溝槽的冷卻溝槽入口；多個第一冷卻溝槽的冷卻溝槽出口；多個第二冷卻溝槽的冷卻溝槽入口；和多個第二冷卻溝槽的冷卻溝槽出口。所得到的相反方向的流動提高了堆疊體上溫度的均勻性。
本發明的實踐中，堆疊體代表性地以熱絕緣材料包覆使得堆疊體內部和外部的部分保持類似的溫度。可以使用任何適宜的絕熱材料例如絕熱玻璃纖維等等。熱絕緣材料代表性地具有至少是3的R值(R-value)，更具有代表性的至少是5，且更具有代表性的至少是8。堆疊體代表性地是基本在所有的至少兩個面絕熱，并且更具有代表性地是基本在所有的四個面絕熱。
本發明對于燃料電池堆疊體和系統的設計、制造和操作都是有用的。
在隨后的實施例中對本發明的目標和優勢進行進一步的描述，但是在這些實施例中敘述的詳細的材料和數量以及其它條件和細節并不解釋為對本發明不適當的限制。
實施例基本按照圖1的燃料電池堆疊體安裝有基本按照圖2和3的歧管盒，使用或不使用擴散體(240)。在這兩種情況中，使用絕熱玻璃纖維材料包覆堆疊體。圖4報告測量了在不同功率水平下擴散體(軌跡A)和沒有擴散體(比較軌跡B)情況下的測量的冷卻板最頂端和最低端之間的溫度差。在每個運轉中所有變量都是相同的，除了當使用擴散體時冷卻劑流速是4.5L/min和當不使用擴散體時冷卻劑流速是3.1L/min。
在不超出本發明范圍和原理的情況下本發明多樣的修改和變更對本領域技術人員來說是顯然的，并且可以理解的是本發明不局限于上文提出的實施例中的描述。
權利要求
1.一種液體冷卻燃料電池堆疊體，包括一個或多個燃料電池模塊，每個燃料電池模塊包括至少一個膜電極組件；一個或多個冷卻板，每個冷卻板包括多個均具有冷卻溝槽入口和冷卻溝槽出口的冷卻溝槽；第一歧管盒，其具有第一歧管盒入口且通過一個或多個第一歧管盒出口與冷卻溝槽入口相通；和位于所述第一歧管盒內的第一擴散體，其具有a)與所述第一歧管盒入口相通的第一擴散體入口以接收流入所述第一歧管盒入口的所有液體冷卻劑，和b)多個第一擴散體出口；其中在擴散體外部的所述第一歧管盒中保持基本均勻的冷卻劑液體壓力。
2.權利要求1所述的液體冷卻燃料電池堆疊體，其還包括第二歧管盒，其中所述第一和第二歧管盒安裝在所述液體冷卻燃料電池堆疊體的相對面上。
3.權利要求2所述的液體冷卻燃料電池堆疊體，其中所述第一和第二歧管盒是均包括入口室和出口室的兩室歧管盒。
4.權利要求3所述的液體冷卻燃料電池堆疊體，其中所述出口室通過歧管盒收集端口與冷卻溝槽出口相通。
5.權利要求1所述的液體冷卻燃料電池堆疊體，其基本在所有的至少四個面上具有熱絕緣材料。
6.權利要求2所述的液體冷卻燃料電池堆疊體，其基本在所有的至少四個面上具有熱絕緣材料。
7.權利要求3所述的液體冷卻燃料電池堆疊體，其基本在所有的至少四個面上具有熱絕緣材料。
8.權利要求4所述的液體冷卻燃料電池堆疊體，其基本在所有的至少四個面上具有熱絕緣材料。
9.一種液體冷卻燃料電池堆疊體，包括一個或多個燃料電池模塊，每個燃料電池模塊包括至少一個膜電極組件；一個或多個冷卻板，每個冷卻板包括多個均具有冷卻溝槽入口和冷卻溝槽出口的冷卻溝槽；第一歧管盒，其具有第一歧管盒入口且通過一個或多個第一歧管盒出口與冷卻溝槽入口相通；和位于所述第一歧管盒內的第一擴散體，其具有a)與所述第一歧管盒入口相通的第一擴散體入口以接收流入所述第一歧管盒入口的所有液體冷卻劑，和b)相對于所述冷卻溝槽入口均勻分布的多個第一擴散體出口。
10.權利要求9所述的液體冷卻燃料電池堆疊體，其還包括第二歧管盒，其中所述的第一和第二歧管盒安裝在所述液體冷卻燃料電池堆疊體的相對面上。
11.權利要求10所述的液體冷卻燃料電池堆疊體，其中所述第一和第二歧管盒是均包括入口室和出口室的兩室歧管盒。
12.權利要求11所述的液體冷卻燃料電池堆疊體，其中所述出口室通過歧管盒收集端口與冷卻溝槽出口相通。
13.權利要求9所述的液體冷卻燃料電池堆疊體，其基本在所有的至少四個面上具有熱絕緣材料。
14.權利要求10所述的液體冷卻燃料電池堆疊體，其基本在所有的至少四個面上具有熱絕緣材料。
15.權利要求11所述的液體冷卻燃料電池堆疊體，其基本在所有的至少四個面上具有熱絕緣材料。
16.權利要求12所述的液體冷卻燃料電池堆疊體，其基本在所有的至少四個面上具有熱絕緣材料。
17.一種液體冷卻燃料電池堆疊體，包括一個或多個冷卻板，每個冷卻板包括均具有冷卻溝槽入口和冷卻溝槽出口的多個第一冷卻溝槽，和均具有冷卻溝槽入口和冷卻溝槽出口的多個第二冷卻溝槽，其中所述多個第一冷卻溝槽的冷卻溝槽入口和所述多個第二冷卻溝槽的冷卻溝槽出口位于所述冷卻板的第一面上，其中所述多個第一冷卻溝槽的冷卻溝槽出口和所述多個第二冷卻溝槽的冷卻溝槽入口位于所述冷卻板的第二面上。
18.權利要求17所述的液體冷卻燃料電池堆疊體，其還包括與所述多個第一冷卻溝槽的所述冷卻溝槽入口相通的第一歧管；與所述多個第一冷卻溝槽的所述冷卻溝槽出口相通的第二歧管；與所述多個第二冷卻溝槽的所述冷卻溝槽入口相通的第三歧管；和與所述多個第二冷卻溝槽的所述冷卻溝槽出口相通的第四歧管。
19.權利要求17所述的液體冷卻燃料電池堆疊體，其中所述冷卻板是加壓板。
20.權利要求18所述的液體冷卻燃料電池堆疊體，其中所述冷卻板是加壓板。
全文摘要
提供了一種液體冷卻燃料電池堆疊體包括燃料電池模塊，其包括一個或多個膜電極組件(MEA’s)；包括冷卻溝槽的冷卻板；與每個冷卻溝槽入口相通的歧管盒；和位于歧管盒中的擴散體，其相對于冷卻溝槽入口具有均勻分布的多個擴散體出口。代表性地使用兩室歧管盒，以實現在堆疊體相對面的冷卻溝槽中冷卻劑在相對方向的逆向流動。代表性地，堆疊體環繞其外部絕熱。
文檔編號H01M8/04GK101027809SQ03825079
公開日2007年8月29日 申請日期2003年9月3日 優先權日2002年11月14日
發明者T·赫德特勒, H·R·莫塔扎維, A·J·斯坦恩巴赫, M·K·德比, L·A·舒萊夫 申請人:3M創新有限公司