[实用新型]用于燃料电池的混合双极板组件及基于其的燃料电池堆

说明书

本实用新型公开了一种用于燃料电池的混合双极板组件及基于其的燃料电池堆，混合双极板组件包括成形阴极半板和冲压金属阳极半板。所述冲压金属阳极半板嵌套并固定于所述成形阴极半板。各半板具有反应物侧和冷却剂侧、进料区域和具有多个集管孔的集管。成形阴极半板的冷却剂侧具有支撑特征，其可以与形成在相对的反应物侧上的阴极通道不同并且不需要对应。冲压金属阳极半板的冷却剂侧具有与在相对的氧化剂侧形成的阳极通道相对应的平台。平台在冲压金属阳极半板的冷却剂侧上限定多个冷却剂通道，并邻接成形阴极半板的冷却剂侧。

技术领域

本实用新型涉及燃料电池堆，且更具体地，涉及用于燃料电池堆的双极板组件及基于其的燃料电池堆。

背景技术

燃料电池作为用于各种工业的清洁、有效和环境负责的电源被提出，包括制造中心、家庭和电动车辆以及其他应用。

燃料电池的一个例子是质子交换膜(PEM)燃料电池。PEM燃料电池包括膜-电极-组件(MEA)，其通常具有薄的固体聚合物膜-电解质，其具有阳极和阴极，在膜-电解质的相对面上具有催化剂。MEA通常设置在一对多孔导电材料之间，也称为气体扩散介质，其将气态反应物(例如氢气和氧气或空气)分配到阳极层和阴极层。氢反应物在阳极引入，在催化剂存在下发生电化学反应产生电子和质子。电子通过设置在其间的电路从阳极传导到阴极。同时，质子通过电解质到达阴极，在阴极，氧化剂如氧气或空气在电解质和催化剂存在下发生电化学反应，产生氧负离子。氧负离子与质子反应形成水作为反应产物。

PEM燃料电池的MEA夹在一对导电双极板之间，该双极板用作阳极层和阴极层的集电器。双极板包含流体并将流体引导到燃料电池内部和外部，并将流体分配到操作所需的完整电池区域。此外，双极板为扩散介质、膜、密封件等提供结构支撑。它们还能够将一个燃料电池与下一个燃料电池密封，传导由燃料电池内的反应形成的热量，并且重要的是还传导由燃料电池反应产生的电力。

特别地，双极板包括多个平台和流道，用于将气态反应物分配到燃料电池的阳极和阴极。双极板用作相邻燃料电池之间的电导体，并且还设置有多个内部冷却剂通道，当冷却剂流过时，多个内部冷却剂通道适于与燃料电池交换热量。

传统的双极板是由两个单独的单极板或半板构成的连接组件。每个半板可以具有外表面和内表面，外表面具有用于气态反应物的流道，内表面具有冷却剂通道。为了在燃料电池堆中的相邻燃料电池的阳极和阴极之间传导电流，形成每个双极板组件的成对半板机械和电连接。例如，这种双极板通常构造成具有通过粘合密封、钎焊或焊接连接的一对半板。

已知由碳复合材料或金属形成双极板。每种方法都有优点和局限性。嵌套复合材料描述于Carlstrom的美国专利No.7,029,784中。Goebel的美国专利No.6,974,648和AbdElhamid等人的美国专利No.7,687,175中已经分别提出了嵌套的冲压金属和非嵌套的复合和冲压金属双极板。Goebel的美国专利No.7,291,414中也描述了嵌套板的进料区域的支撑。这些专利的全部公开内容在此引入作为参考。然而，这些已知的双极板中没有一个保留了如本文所公开的将成形阴极半板与冲压金属阳极半板组合的优点。

一直需要一种混合双极板组件，其保留了成形双极板半板和冲压金属双极板半板的优点。理想地，混合双极板组件很薄但可以支持非常高的电流密度。

实用新型内容

与本实用新型一致，令人惊讶地发现了一种混合双极板组件，其保留了成形双极板和冲压金属双极板的优点，并且薄且可以支持非常高的电流密度。

如本文所用，术语“成形半板”是指其中形成有通道的实心半板。成形半板通常由碳复合材料形成，但也可以由石墨、填充有树脂的石墨或甚至机加工或蚀刻的金属(例如不锈钢或钛)形成。

如本文所用，术语“通道”是指设置在密封件下方的覆盖通道，以允许流体(例如，氢气、空气或氧气和冷却剂)流出和流到燃料电池的相应集管。