燃料电池组件

摘要

本发明涉及聚电解质膜燃料电池装置，包括底板（11）、顶部夹持板（15）、插入到所述顶板（15）和所述底板（11）之间的至少一个面内平面燃料电池组件（13），以及插入到一个或多个平面燃料电池（13）和顶部夹持板（15）之间的集电器箔（14），所述集电器箔（14）包括非导电箔，其在面向所述平面燃料电池的一侧上具有在其上提供的导电材料的图形。所述燃料电池装置被通过所述顶部夹持板和所述底板（11）之间的点焊保持在一起。

权利要求

1.聚合物电解质膜燃料电池装置，包括

底板（11）；

顶部夹持板（15）；

插入到所述顶部夹持板（15）和所述底板（11）之间的至少一个面内平面燃料电池组件（13）；

插入到一个或多个平面燃料电池组件（13）和顶部夹持板（15）之间的集电器箔（14），所述集电器箔（14）包括非导电箔，其在面向所述平面燃料电池组件的一侧上具有在其上提供的导电材料的图形；

其特征在于

所述聚合物电解质膜燃料电池装置被通过所述顶部夹持板和所述底板（11）之间的点焊保持在一起。

2.如权利要求1中所述的聚合物电解质膜燃料电池装置，其中所述底板（11）具有多个形成隔离物构件和点焊接触点的焊接支撑构件（21），并且其中所述组件被通过所述顶部夹持板（11）和所述底板上的所述焊接支撑构件（21）之间的点焊保持在一起。

3.如权利要求2中所述的聚合物电解质膜燃料电池装置，其中所述支撑构件（21）已经通过在所述底板中冲孔而被形成。

4.如权利要求2或3中所述的聚合物电解质膜燃料电池装置，其中所述支撑构件（21）包括从所述底板（11）突出的柄（21）。

5.如权利要求4中所述的聚合物电解质膜燃料电池装置，其中以弯曲的舌片（21）的形式来提供所述柄。

6.如权利要求2-3的任何一项中所述的聚合物电解质膜燃料电池装置，其中所述支撑构件（21）是有弹性的。

7.如权利要求1中所述的聚合物电解质膜燃料电池装置，其中所述集电器箔具有＜0.25mm的厚度。

8.如权利要求1中所述的聚合物电解质膜燃料电池装置，其中所述导电图形形成包括用于输送由所述集电器箔所包括的一个或多个燃料电池生成的电流的导线的电导体以及用于将所述集电器箔所包括的燃料电池耦合到外部设备的连接器。

9.如权利要求1中所述的聚合物电解质膜燃料电池装置，其中所述聚合物电解质膜燃料电池装置包括按成一直线配置的至少两个平面燃料电池组件，并且其中所述集电器箔在整个平面燃料电池组件上方延伸。

10.如权利要求1中所述的聚合物电解质膜燃料电池装置，其中所述集电器箔包括在纵向上从所述组件延伸出的舌片部以提供用于外部耦合的连接器。

11.如权利要求1中所述的聚合物电解质膜燃料电池装置，其中所述导电图形包括铜。

12.如权利要求1中所述的聚合物电解质膜燃料电池装置，其中所述导电图形包括用于将在所述集电器箔所包括的燃料电池中生成的电力传送到输出终端的电导线。

13.如权利要求1中所述的聚合物电解质膜燃料电池装置，其中所述导电图形包括可用作用于感测温度和/或电压的感测装置的元件。

14.如权利要求12中所述的聚合物电解质膜燃料电池装置，其中所述导电图形包括用于供应用于操作和/或控制阀的电压的导线。

15.如权利要求13中所述的聚合物电解质膜燃料电池装置，其中所述感测装置包括热电偶和/或热电阻。

16.如权利要求1-3和7-15中任一项所述的聚合物电解质膜燃料电池装置，其中所述集电器箔包括非导电且柔性的材料的基/底箔;

在所述底箔上提供的导电材料的图形，所述图形包括电导线和可选的功能部件;其中所述导电图形被适配为匹配所述面内聚合物电解质膜燃料电池的布局，从而使得当所述集电器箔被附连到所述面内平面燃料电池组件时，组成所述面内平面燃料电池组件的所述面内平面燃料电池通过所述集电器箔串联连接。

17.如权利要求16中所述的聚合物电解质膜燃料电池装置，其中所述可选的功能部件为传感器。

说明书

燃料电池组件

技术领域

[0001] 本发明涉及燃料电池组件，其包括成一直线的平面燃料电池。

背景技术

[0002] 上述类型的燃料电池组件已经被尤其在 WO 2006/041397中公开。

[0003] 在WO2006/041397中公开了平面结构吸气聚合物电解质燃料电池组件，其在本申请中的图10中被示出。它包括燃料电池120，其用于在平面结构吸气聚合物电解质电化学设备中以串联布置使用。燃料电池120因此被适配为被串联地连接到一个或多个类似的燃料电池120'，并且被适配为被附连到具有用于气体进入的开口112、113的阳极支撑110。因此，燃料电池120包括集电器元件118和膜电极组件MEA 103。集电器元件118包括包含阴极集电器部102和阳极集电器部101的导电箔。MEA 103包括固体离子导电聚合物膜电解质104、阳极105、阳极气体背衬（gas backing）106或气体扩散层(GDL)、阴极107和阴极GDL108，并且被布置在燃料电池120中从而使得朝着集电器元件118的阴极部102引导阴极GDL108，并且远离集电器元件118引导阳极GDL 106。所述MEA通过集电器元件118的阴极部102上提供的粘合层114附连到集电器元件118，所述粘合层114覆盖邻近并且对应于阴极GDL108的区114a，并且在至少所述区114a内是导电的。根据这个实施例的燃料电池的不同元件和粘合层可以与针对上述单个电池燃料电池所描述的相同。集电器元件118的阳极部101从阴极集电器部102横向延伸并且当使用时用作相邻的串联的燃料电池120' 的阳极集电器。阳极集电器部101具有用于气体进入的开口112、113，并且在被远离燃料电池120的膜电极组件103的阴极侧引导的集电器元件118的表面上被提供有粘合层109。

[0004] 还在WO 2009/025613中公开了平面结构吸气聚合物电解质燃料电池组件，其在本申请中的图11中被示出。示出了分别被串联连接的两个电池200a和200b。每个分别包括阳极GDL 208a和208b、阴极GDL 210a和210b、MEA 209a和209b、以及惰性导电夹持元件204a和204b。在第一电池200a（在左边）的阳极部分的下方提供导电箔206，并且导电箔206向外延伸到右边以便连接到第二相邻的电池200b。绝缘隔离物构件201被插入到阳极导电箔206（从一个电池200a的阳极侧下方延伸到图中的左侧）和相邻的电池的MEA209b之间，从而使得当所述组件被按压到顶部夹持板（例如，通过将顶部夹持板和底板夹持/拧在一起，未在图中示出）时，确保到相邻的电池200b的夹持装置部件204b（例如，镀金网或钢板）的电连接，而同时确保所述箔206与相邻的电池200b的MEA 209b用电化学方法绝缘。因此，当被所述惰性导电构件204b抵靠着隔离物构件201夹持时，第一集电器206具有同所述隔离物构件201的上表面相接触的延伸部。

[0005] 在US 6,127,058（摩托罗拉）中公开了平面燃料电池。在一个实施例中，通过用具有金属集电器的塑料膜代替塑料框架（例如，使用非常类似柔性电路板的结构）以非常薄并且柔性的形式来制作集电器组件。一般意义上来讲，包括被设置在两个集电器组件之间的MEA的层积结构被通过超声焊接或通过在接口处使用粘合剂保持在一起。没有特定的组装方法的公开。

发明内容

[0006] 在各种行业中，总是存在努力来简化制造并且降低制造成本。作为示例，在任何产品中的部件的数量将必然影响制造成本，并且因此使部件的数量最小化是期望的。

[0007] 本发明提供聚合物电解质膜燃料电池，其具有更少的部件并且其更容易制造。

[0008] 特别地，本发明提供了一种组装燃料电池的新颖方式，也就是通过点焊的方式。

[0009] 根据本发明的燃料电池组件在权利要求1中被限定。

[0010] 特别地，提供了焊接支撑构件，其形成限定组件中的顶板和底板之间的厚度/间隔的隔离物。在优选实施例中，底板被提供有点焊支撑舌片，该点焊支撑舌片也用作隔离物来限定燃料电池组件的厚度。采用这种方式，制造被进一步简化。

[0011] 此外，本发明提供了一种集电器的新结构，使用柔性箔作为底基，在该底基上提供必要的导电图形。新颖特征是集电器箔被插入到组件的顶板和一个或多个平面燃料电池之间，并且优选地覆盖组件中的所有单元电池。

[0012] 集电器柔性箔还包括附加功能，诸如传感器以及用于控制燃料电池组件的操作的控制装置。

[0013] 根据下文给出的详细描述以及仅通过图示的方式给出并且因此不应被认为是对本发明的限制的附图，本发明的适用性的进一步范围将变得显而易见，并且其中[0014] 图1以分解图示出了根据本发明的燃料电池组件；

[0015] 图2示出了根据本发明的具有焊接支撑构件的底板；

[0016] 图3以截面图示出了焊接支撑构件；

[0017] 图4示出了具有在其上提供的气体分布构件的底板；

[0018] 图5a以分解图示出了“粘附物（sticker）”组件；

[0019] 图5b示出了在如图4中所示的底板和气体分布构件上布置的根据图5的粘附物组件；

[0020] 图6示出了具有在顶部布置的柔性箔的图5b的组件；

[0021] 图7示出了具有在其上提供的顶部夹持板的图6的组件；

[0022] 图8以俯视图示意性地示出了根据本发明的集电器柔性箔；

[0023] 图9a示意性地图示出了根据本发明的组件的拱形实施例;

[0024] 图9b以截面图图示出了位于中心的焊接支撑构件;

[0025] 图9c示意性地图示出了根据本发明并且包括附加的焊接支撑构件的组件的另外的拱形实施例;

[0026] 图10是现有技术设备的示例;

[0027] 图11是现有技术设备的另一个示例;并且

[0028] 图12是示出了根据本发明的组件的两个示例的电化学性能的图。

具体实施方式

[0029] 为了本申请的目的，以下术语将具有所给出的含义。

[0030] “面内燃料电池组件”意指以串联和/或并联连接并排布置的多个单独的燃料电池单元。电流和燃料气二者的供应可以以串联和/或以并联的方式加以布置。

[0031] “粘附物组件”是包括多个被布置成在基箔上的“面内燃料电池组件”的单独的燃料电池单元（“粘附物”）的单元。特别地，“粘附物组件”包括所有活性燃料电池部件（即，阳极和阴极气体扩散层（GDL），膜电极组件(MEA)，框架限定隔间）和用于将部件固定于彼此的粘合剂以及活性部件被附连在其上的基箔。

[0032] “柔性箔（flexfoil）”是类似于印刷电路板(PCB)的物品，只是其是非常薄的并且是柔性的。在本发明中柔性箔被用作集电器。

[0033] “柔性箔”是覆铜的塑料箔，铜已经被选择性地从其中移除以便形成在所述箔中的不同区域之间的电线。为了改善例如阴极GDL和铜层之间的电接触，可以采用例如金通过例如电镀术对铜层进行涂覆。可以在不应该被涂覆金的区域上通过采用涂料涂覆（例如，喷涂）铜层来在所选择的区域上完成所述涂覆，并且这在金涂覆之前完成。铜层的典型厚度是20到50微米。塑料支撑膜可以由例如便宜的PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)或聚酰亚胺制成，聚酰亚胺更昂贵但是如果需要的话可以禁得起焊接操作。

[0034] 本发明的核心是平面多电池燃料电池组件的设计，其中顶板（阴极侧）和底板被夹持在一起并且通过焊接接合。这样的设计需要顶板和底板与在这些板之间放置的活性燃料电池部件电绝缘。

[0035] 将顶板同燃料电池粘附物绝缘的一种优选方式是使用柔性箔，如上文定义的，其具有覆金铜箔，该覆金铜箔还可以用作所述活性燃料电池部件的集电器。在柔性箔上的附加的电线可以用作用于监测例如单独的电池的电池电压的探测器。该柔性箔可以具有到电触点的延伸，因此，使得将燃料电池组件电附连到燃料电池设备的电子电源和控制电路变得非常简单。

[0036] 根据本发明的包括新颖的并且有创造性的点焊接合处和新的集电器结构的燃料电池组件在图1中被以分解图加以公开并且被一般地指定为10。

[0037] 自下而上该组件包括底板11、气体分布构件12、粘附物组件13、柔性集电器构件14和顶盖/夹持板15。

[0038] 为了控制燃料电池内的气流，提供了机电阀16和“伞状阀”17。

[0039] 图2示出了底板11。其适当地由金属制成，因为其将用于将燃料电池单元点焊在一起。为了提供用于点焊的适合的接触点，并且也为了提供隔离物功能，所述底板被提供有突出的焊接支撑构件21，在示出的实施例中采用弯曲的舌片21的形式。所述舌片通过完全穿过板厚度移除底板中的材料区域的三侧上的材料而形成，因此形成舌片。因此形成的舌片向上弯曲，而且此外舌片被弯曲从而使得其部分与底板表面基本平行地延伸。可以通过冲孔操作适当地提供这些舌片。

[0040] 在替换实施例中，所述舌片可以在顶部夹持板上形成。

[0041] 采用这样的配置的优点是该支撑是有弹性的，当组件被放在一起的时候其是有用的。当随着时间的过去，燃料电池粘附物中的部件中的某些被压缩和变形的时候（例如，GDL），舌片的弹性特性还有助于维持夹持力。

[0042] 然而，如果弹性是次要的，则该舌片可以通过简单地使底板在相应点处变形以在表面上提供小“山”（每个“山”的高度限定顶板和底板之间的间隔）而制得。

[0043] 突出的焊接支撑的高度适当地是略小于底板和夹持板之间的期望的间隔，并且是大约0.3-3mm，适当地是0.7-1.5mm。这是因为下述事实：组件中的部件作为整体将略有弹性，并且当在点焊期间施加压缩力的时候，支撑构件将在堆叠的部件会施加对抗力、促使所述板分离的状态下接触顶部夹持板。

[0044] 图3示出了通过点焊支撑构件21的一个实施例的截面图。每个构件21包括杆部22和柄部23并且用作弹性舌片。杆22在设备的装配期间和之后提供弹性，并且柄23是实际的焊接接触点。

[0045] 杆22从底板11的水平面的偏离角度α将影响舌片的弹性和强度。小角度产生较好的弹性而大角度增加了接合处的强度和刚度。当其应当弹回并且压缩在夹持板之间的燃料电池部件时，大角度还需要支撑板和顶板之间的较大横向移动。期望的角度是10-60度，适当地是20-45度。顶板的厚度和支撑板的厚度在0.2和1.2mm之间，适当地在0.4和0.7mm之间。

[0046] 焊点之间的适当距离取决于顶板和支撑板的厚度和机械强度。对于0.5mm的顶板和支撑板厚度而言，焊点间的距离适当地不应当超过20mm。

[0047] 图4示出了在底板11上布置的气体分布构件12。气体分布构件12包括贯穿所述材料的凹槽12'，以使得当气体分布构件被夹持在组件的其他部件之间时形成气体通道。气体分布构件还包括孔25或切去部25'以容纳点焊支撑构件21，从而使得后者可以贯穿气体分布构件12。

[0048] 图5a以分解图示出了粘附物组件13的一个实施例。此类粘附物的细节将不在本文中给出，因为它的设计完全在PCT SE2008/050932中公开，其是申请人自己的发明中的一个发明的专利申请。然而，为了公开的完整性，给出以下简要描述。

[0049] 在示出的实施例中，粘附物组件13包括基箔13a，在其上定位有多个涂覆Sn的铜箔13b，每个单元燃料电池都有一个。这些箔是阳极集电器，并且每个具有在相邻的单元电池（即，元件13c-h的组件）之间向上延伸的部分。这些部分因此形成在框架13h的上表面上安置的“舌片”，其中它们通过下文描述的集电器柔性箔接触。膜电极组件(MEA)13e被放置在每个GDL 13d上，并且提供了用于将膜电极组件(MEA)13e粘到铜箔上的粘合剂13c。阴极GDL13g被放置在每个MEA上，并且附加的粘合剂13f被插入到MEA和多孔可压缩框架材料13h之间。

[0050] 图5b示出了位于气体分布构件（在图中看不见）上的组装的粘附物组件13。

[0051] 正如可以被看到的，还通过具有带有孔14和切去部15的适当设计的外形来配装（adapt）粘附物组件13以使得允许点焊支撑构件21贯穿粘附物组件13的上表面。

[0052] 图6示出了在粘附物组件13的顶部上放置的新颖的且具有创造性的集电器箔26的供应。集电器箔26包括非导电的薄片，优选聚合物基材。箔26被提供有通气孔28以给燃料电池阴极提供空气。在面向粘附物组件的一侧上，集电器被提供有导电材料的图形27，优选铜（Cu）。该图形提供到粘附物中的单独的电池以及来自粘附物中的单独的电池的电导线，并且还提供用于检测尤其是温度和电池电压的感测点。结合图8更详细地描述集电器箔。

[0053] 图7示出了在集电器箔26上方布置的顶部夹持板32。该夹持板被提供有对应于集电器箔中的孔28的通气孔33。

[0054] 如在上文中已经讨论的那样，整个组件最后通过适当地在具有匹配底板11上的点焊支撑构件21的电极图形的焊接机中的一个单个操作中进行点焊而接合。除了采用电流进行点焊之外，激光点焊也是可能的。

[0055] 根据本发明的集电器箔在图8中示出，其被适配用于包括以成一直线配置的五个燃料电池和一个传感器电池的设备。集电器由柔性箔材料制成并且被称为如上述定义的“柔性箔”，其被提供有导电图形。优选地，导电图形包括铜（Cu），可选地涂覆以金（Au）。集电器箔在整个组件上方延伸。

[0056] 柔性箔80具有两个电线，连接到第五个电池（在图8中的最右边）的阴极的阴极电线82和连接到第一个电池（在图8中的最左边）的阳极侧的阳极电线84以用于将在燃料电池中生成的电力传送到输出终端。

[0057] 燃料电池的接触部被分别称为FC1-FC5，并且传感器电池的接触部被称为SC。从面内组件中的每个电池提供使得实现每个电池电压的探测的探测器导线PL1、PL2、PL3、PL4。探测器导线还可以用于每个电池的短路，例如在燃料电池的关闭期间。

[0058] 因此，导电图形形成包括用于输送由一个或多个燃料电池生成的电流的导线的电导体以及用于将燃料电池耦合到外部设备的连接器。导电图形还可以包括用于供应用于操作和/或控制阀的电压的导线。

[0059] 导电图形还适当地包括可用作用于感测温度和/或电压的感测装置的元件。这样的感测装置可以包括热电偶和/或热电阻。

[0060] 优选地，集电器箔包括在纵向或横向上从组件延伸出的舌片部86以提供用于外部耦合的连接器。

[0061] 因此，用于根据本发明的面内聚合物电解质膜燃料电池组件的集电器箔在一个实施例中包括底板、顶部夹持板、至少一个包括多个插入到所述顶板和所述底板之间的燃料电池单元的平面燃料电池组件。集电器箔特别地包括非导电且柔性的材料的基/底箔；在所述底箔上提供的导电材料的图形，该图形包括电导线和可选的功能部件，诸如传感器；其中所述导电图形被适配为匹配所述面内聚合物电解质膜燃料电池的布局，从而使得当集电器箔被附连到所述组件时，组成该组件的燃料电池单元通过所述集电器箔串联连接。

[0062] 在覆盖粘附物的活性电池的箔的区域上提供用于空气进入燃料电池的通气孔28。

[0063] 类似整个组件中的其他部件的箔26具有多个孔29以及切去部以容纳点焊支撑构件21，并且以使得它们能够与顶部夹持板进行接触以便进行焊接操作。

[0064] 此外，所述箔至少在其端部之一处具有片状物30，该片状物30在纵向上适当地突出，在所述片状物30上导电图形27的电导线终止，以使得形成用于组件的外部连接的接触区域31。通过供应这样的终端接触区域，可以避免外部部件的焊接，其进一步简化了制造和组装。

[0065] 在替换实施例中，还可以按圆形或拱形形状来制作燃料电池组件。

[0066] 图9a示出了这样的圆形组件（一般地指定为90）的示意性截面图。在这里提供了两个不同种类的支撑构件。一方面，构件类似于之前结合图3描述的那些。在这个实施例中，偏心地（off-centre）提供的舌片全都向外指向，即，朝着板的边缘。另一方面，提供了位于中心的支撑构件92。这些位于中心的支撑构件具有如图9b中示出的结构。

[0067] 如果顶板和支撑板不是完全预成形的，则在顶板和支撑板中将存在弹性（各方的向上运动），其将在焊接后提升弯曲组件的外端部（“完全预成形”指的是所述板在焊接之前已经被弯曲到最终形状的情形；因此“不完全预成形”意味着所述弯曲板的外端部在焊接期间被压低）。在相反的情形下，即，如果在焊接期间向上压外端部，则支撑板上的舌片应当优选地向内指向。由于这样的弹性，在支撑板上的向外指向的舌片的设计将提供增加的夹持力（替换地，如果舌片在顶板上，那么向内指向舌片）。

[0068] 在这样的实施例中，在图9b中详细示出的位于中心的支撑92本身是有弹性的，并且其将保持顶板和支撑板不仅垂直地而且横向地固定于彼此。

[0069] 当这个实施例中的燃料电池组件90的外端部由于所述顶和支撑的弹力而向上弯曲时，支撑板的向外指向的舌片将甚至比焊接期间施加的压缩中更多地压缩定位在所述板之间的部件。如果存在多于一个外侧焊点，如在图9c中例示的那样，则在焊接支撑的杆和内侧91i和外侧91o舌片的底板11的水平面之间的角度可以是不同的，在外侧舌片处适当地更大。

[0070] 示例

[0071] 使用根据本发明的新颖的焊接构建两个五-电池（五个活性电池和一个传感器电池）组件。一个具有有着0.5mm厚度的顶板，另一个具有0.6mm厚的顶板。对于两个组件而言，支撑板是0.5mm。

[0072] 自上而下顶板15是具有横向尺寸120×46mm的不锈钢（EN1.4310）材料。在其下方放置由70微米厚度的聚酰亚胺制成的、被提供有限定用于每个电池的接触区域和用于传感器的电导线的20微米厚的铜（Cu）图形的柔性箔14。通过在与燃料电池粘附物的集电器箔和阴极GDL相接触的区域上进行电镀来对柔性箔涂覆金。

[0073] 燃料电池粘附物13包含五个尺寸为16×36 mm的MEA（Gore P-05215）以及十个尺寸为13×33 mm的GDL(SGL BC34)。较小块的MEA和GDL用于传感器电池。阳极集电器箔是涂覆锡（Sn）的铜（Cu）箔（Tesa 4385），具有朝下势走（turn downward）的粘合剂，并且框架材料13h是可压缩的泡沫材料（Poron 4790）。在燃料电池粘附物中使用的粘合剂材料是3M F9469PC。

[0074] 0.48mm厚度的聚碳酸酯材料用于气体分布构件12。

[0075] 支撑板和顶板二者被通过化学蚀刻方法切去（cut out）。支撑板是由与顶板相同的钢制成的。支撑板的舌片在组装和焊接整个组件之前被预成形。

[0076] 在焊接操作期间，用专用工具将支撑板和顶板压缩在一起。以2000A和3-5V操作点焊装置。

[0077] 在开口模式下对该组件进行电化学测试。电连接是14极连接器（JAE，IL-FPR-14S-HF）。在图12中示出了激活后两个组件的电化学性能。一个曲线示出了作为每个组件的电流的函数的功率和其它电压。

[0078] 该曲线示出了具有更厚顶板（0.6mm）的组件表现更好，并且这样的组件可以在2.15V的电压下提供几乎6W。