[发明专利]带有非导电塑料框架双极板的多孔板燃料电池电堆

说明书

多孔板氢‑空燃料电池在交通领域的应用展现了最佳的耐久性。高耐久性主要是由于多孔双极板的使用，它既可以使液体水加湿质子交换膜，同时保持独立水管理性能的稳定。然而，多孔板的高初始材料和加工成本限制了它们的应用。本发明公开了一种新型多孔板燃料电池堆设计，该设计使用了一种用于双极板的非导电塑料框架设计。所述设计将多孔板材料控制在仅有活性区域大小，并将设计的复杂性从多孔板材料转移到塑料框架上。

技术领域

此技术属于交通用燃料电池领域，具体领域针对使用多孔双极板并具有特殊设计的燃料电池电堆。

背景技术

燃料电池在固定和交通能源应用领域一直持续的增长、发展和应用。对于交通能源领域，燃料电池和纯电动汽车(BEV)具有互补的特性。虽然燃料电池汽车不能达到纯电动汽车的高效率，但是由于燃料电池汽车使用了压缩氢气，使其具有更高的能量密度和操作灵活性，而这在重型车辆应用中是非常重要的特性。

重型车辆的应用包括市政运输服务中的公共汽车、仓库中的叉车等物料搬运应用，以及用于长途运输货物的卡车。这些应用领域中，每个车辆正常每日运行时间百分比非常高，因为它们都需要提供连续或近连续的运营服务。如果此类车辆像纯电动车辆一样花费大量时间充电，就会减少每日正常运行时间的百分比，而从而导致需要更多的车辆完成运营任务。与此相比，氢-空燃料电池每次充电的续航里程要长很多，同时每次充电时间要短很多。因此，完成相同运营所需的固定资产(车辆)就会更少，并且大大减少非运营时间的等待。这样，即使燃料电池的初始每千瓦成本略高，也能保证燃料电池在重型车辆应用中的经济性。

氢-空燃料电池的另一个优点是其卓越的耐久性。相比之下，即使燃料电池车辆初始的每千瓦成本更高，但是在全生命周期中，其具有比纯电动汽车更低的生命周期成本。由美国加州AC-Transit公司运营的燃料电池汽车，已经路测连续运行超过25000小时。期间只进行了如滤芯、保险丝等的常规维护。柴油发动机超常规运行时间定义为20000小时，纯电动汽车的电池寿命终止时间通常在15000小时，相比之下此燃料电池汽车已证实具有明显优势。虽然纯电动车辆已经在重型车辆应用中得到了推广，但长运行时间意味着纯电动汽车必须最大化其每次充电可行驶的里程。这就需要在成本和耐用性之间进行关键性权衡，通常增加纯电动车辆的放电程度会降低电池的使用寿命。因此，即使纯电动车辆具有较高的效率，降低了初始的每千瓦成本和初始运营成本，在重型车辆应用中，牺牲运行时间和频繁更换车辆将增加纯电动车辆的生命周期成本。

氢的成本经常被认为是燃料电池在运输应用中实现成本效益的障碍。这个论点正变得越来越不准确，因为一方面太阳能电池板的成本一直在下降，另一方面人们使用电解来平滑可再生的风电输出。对于风电来说，许多风能机组无法在需要时有效地向电网输送可用电力，而且由于风力发电和使用配置的不可预测性，用电池来平滑风电输出也被证明是不经济的。随着高度耐用的电解槽和基本上免费的风能发电的发展，低成本的氢发电在未来几年可能会越来越普遍。

回到燃料电池耐久性的问题，如果燃料电池的低生命周期成本可以通过极高的耐久性实现，重型车辆应用将普遍采用燃料电池。AC Transit的案例重点介绍了利用UTCPower公司开发的多孔板电堆技术的应用。因此，本发明的重点是针对重型车辆应用而设计的一种高成本效益及可制造性的多孔板氢-空燃料电池电堆。

总结

本发明的一般实施例涉及塑料相框多孔双极板设计的使用。在优选实施案例中，每个单电池都具有独立框架。在一些实施例中，框架将多孔输水板作为连续的、单独的封闭起来。在其他实施例中，将框架的两个部分组合在一起形成连续框架。在所有实施例中，多孔输水板组件和/或电极组件使用某种形式的聚合物粘合剂粘附在框架的组件上。此外，在所有实施例中，每个电池的单个塑料框架以对齐的方式堆叠，这些框架包围了输水板组件并支撑电极组件。通过不同组合的载荷压力将密封圈压在塑料框架构件和/或粘合剂上，从而使电堆成为一个连续的结构，单电池被串联起来从而达到更高的可用电压。无论哪种方式，单个电池通过框架装载到固定的位置，此设计将使无论是单电池内部还是单电池之间的压缩量都保证在多孔板燃料电池电堆运行的理想条件下。