[发明专利]具有可变特性的端部电池热屏障

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。