[发明专利]微燃料电池结构

说明书

本申请为国际申请日2004年6月25日、国际申请号为PCT/US2004/020304、中国申请号为200480024523.4的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及燃料电池技术。具体而言，本发明涉及设计用于便携式应用的燃料电池。

背景技术

燃料电池使氢气和氧气电化学地结合产生电能。到目前为止，燃料电池的发展集中在大规模的应用，例如用于电源备用设备的工业尺寸的发电机。

消费电子产品和其它便携式电源应用当前依赖于锂离子电池和类似的电池技术。然而替代这些传统电池技术的需求在增加。燃料电池工业致力于制造足够小的燃料电池来为便携式消费电子装置例如膝上电脑供电。

燃料电池中产生电能的电化学反应的副产物包括水蒸气和二氧化碳。该电化学反应也产生热量。在堆叠的板式燃料电池中，多个板堆叠在一起，并夹着多个电化学层，其中热量从电池堆中的消散问题仍然是一个挑战。目前的热管理技术依赖于设置于相邻每个电化学层并位于每组板之间的热量冷却层。对于具有二十个板和十九个电化学层的燃料电池来说，传统的除热技术则需要十九个冷却层。这些间隔的散热层明显增加了燃料电池组件的厚度、体积和尺寸。

考虑到前述状况，需要寻找在燃料电池内管理热量的替代技术。另外，减少组件尺寸的技术也将是大有益处的。

发明内容

本发明涉及产生电能的燃料电池以及用在燃料电池中的组件。本发明的一个方面是改善了燃料电池的热管理。此时，燃料电池堆的双极板包含一个或多个热量传输附件。在双极板的外部设置一个附件以允许在该板的内部和外部附件之间传导热量。该附件由此可以对燃料电池堆内部的热量进行外部调节。该热量传输附件可以与双极板材料成为一个整体，以促进在双极板的内部和热量传输附件之间进行热量的传导。

热量传输附件可用于加热或冷却。在氢气消耗和能量产生期间，为了冷却燃料电池堆的放热的中心部分，燃料电池组件是利用流经热量传输附件的冷却介质。这样允许在燃料电池内部产生的热量a)从产生热的膜电极组件向与膜电极组件接触的双极板的中心部分转移，b)从双极板的中心部分经过双极板基板向热量传输附件转移，以及c)从热量传输附件向用于加热燃料电池废气的冷却介质转移。

在初始燃料电池预热期间，为了加热燃料电池堆的中心部分，放热的催化剂与热量传输附件接触或者与其相邻。加热介质流经催化剂与催化剂反应并产生热量，热量被热量传输附件吸收。这些热量经过双极板向燃料电池堆的内部例如向膜电极组件传导。在这种方式中，热催化剂和热量传输附件减少了在燃料电池内开始发电所需的预热时间。

这里描述的热量传输附件不需要传统的位于双极板之间的除热层。消除传统的除热层减小了燃料电池堆的厚度，并减小了燃料电池的尺寸和体积。

此外，消除传统的用在双极板两板之间的除热层可以使具有流场的双极板被设置在一个单板的相对的表面上。使双极板从传统的双板变化为单板明显减少了燃料电池堆的厚度。由此，燃料电池的尺寸和体积也被减小。

单板双极板也可以包括交错的通道设计，其降低了单板的厚度。交错的通道设计允许双极板具有两个相对表面之间的厚度小于2x，其中x为用在通道场中的通道的大致的深度。这样进一步减小了燃料电池组件的厚度和尺寸。

由冷却热量传输附件提供的改善的热管理方式也允许新的通道场和气体流动设计，其向膜电极组件分配反应气体。例如，这里提供了平行的、交叉的流动、协同流动和相反的流动通道场设计。

用在双极板中的气体分配通道场也可以包括一个或多个流动缓冲器，其改善反应气体的传输和反应产物的去除。该流动缓冲器在各个通道之间为气体流动提供公共的存储区域。如果某一个通道被堵塞或者相反遇到压力扰动或波动，缓冲器减小流场中的压力变化，避免由扰动引起下游效应。通过减小供给到膜电极组件的气体的压力变化，流动缓冲器提高了燃料电池的性能。

这里描述的另一种用于燃料电池的创新涉及预弯曲端板，其在燃料电池堆上更加均匀地施加压力。

一方面，本发明涉及用于燃料电池的双极板。该双极板包含基板，在基板的第一表面上具有第一通道场，在基板的第二表面上具有第二通道场。第一通道场包括一组通道，用于分配用在燃料电池中的一种气体。第二通道场包括另一组通道，用于分配用在燃料电池中的一种气体。该双极板也包含与基板热传导地连通的位于第一通道场外部的热量传输附件。