[发明专利]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

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；