專利名稱：用于低接觸阻抗雙極板應(yīng)用的石墨/金屬箔/聚合物基底層合物的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及PEM燃料電池，特別涉及一種具有降低接觸阻抗的分 割板.
背景技術(shù)：
在許多應(yīng)用中，將燃料電池用作電源。例如，燃料電池已經(jīng)被提 議用于電動車動力裝置以代替內(nèi)燃機。在質(zhì)子交換膜(PEM)類型的燃料 電池中，將氫供應(yīng)到燃料電池陽極，而氧作為氧化劑供應(yīng)到陰極。PEM 燃料電池包括膜電極組件(MEA),該膜電極組件包括薄的、質(zhì)子穿透性 的、不導(dǎo)電實體聚合物電解膜，該電解膜的一個面具有陽極催化劑，另 一相對面具有陰極催化劑。該MEA夾于一對無孔性導(dǎo)電元件或分割板 之間，該導(dǎo)電元件或分割板(l).用作陽極和陰極的集電器；(2).包 括形成在其中的適宜通道和/或開孔，以將燃料電池的氣體反應(yīng)物分配 在相應(yīng)的陽極和陰極催化劑表面之上。
術(shù)語"燃料電池"通常根據(jù)上下文用于指單個電池或者多個電池 (堆)。通常將多個獨立電池捆綁在一起以形成燃料電池堆，并且一 般以電串連方式布置。堆中的每個電池包括在先描述的膜電極組件 (MEA)，且每個MEA提供了電壓增量。將堆中相鄰的每組電池稱為簇。
對任一電路元件而言，其承載電流的能力由于功耗因素即元件阻 抗通常要低于理想值。在典型分割板或稱為背對背取向的雙極板中， 具有兩種功耗 一種歸因于板的體積阻抗，另一種歸因于與相鄰集電 器/MEA的接觸阻抗。導(dǎo)電分割板通常由金屬如不銹鋼制成，以充當(dāng)集電 器。盡管這種金屬表現(xiàn)出有利的導(dǎo)電性能，但是它們也表現(xiàn)出橫過板 平面的不利接觸阻抗。

發(fā)明內(nèi)容
一種用于PEM燃料電池的分割板及其制造方法，該方法包括提供 片材料，該片材料中具有貫穿平面的通道。將石墨片置于片材料的第 一面和第二面的每一個上以形成層合構(gòu)件。將壓縮力施加到層合構(gòu)件
上。石墨的第一部分被擠壓成流動到貫穿平面的通道中。形成貫穿該 片的導(dǎo)電路徑陣列。將石墨的第二部分結(jié)合到第一面和第二面的每一個。
根據(jù)其它特征，將粘合劑施加到該片的第一面和第二面的每一 個。該粘合劑包括熱活性粘合劑，以通過應(yīng)用壓縮力而將石墨結(jié)合到 第一面和第二面的每一個。片材料包括聚合物基底比如聚酰亞胺基
底。形成貫穿片材料的通道包括去除約40%的片材料。放置石墨包括放 置石墨片，每個石墨片的厚度為片材料厚度的約5-10倍。施加壓縮 力包括碾壓結(jié)合相應(yīng)的石墨片到片材料。該方法還包括在所述層合構(gòu) 件中形成流場。
當(dāng)理解，詳細(xì)描述和特定實例盡管標(biāo)明為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，但是 仍然僅為了示例的目的而不是來限制本發(fā)明的范圍。


本發(fā)明將通過結(jié)合以下的詳細(xì)描述和

而變得相當(dāng)明晰， 其中
圖1是位于PEM燃料電池堆中的燃料電池的立體分解圖2是根據(jù)本發(fā)明教導(dǎo)的分割板的截面圖3是根據(jù)本發(fā)明教導(dǎo)所使用的基底的透視圖4是圖3的基底的透視圖，示有施加到兩相對面的熱活性粘合
劑；
圖5是圖4的基底的透視圖，示有橫過其平面的穿孔； 圖6是圖5的基底的透視圖，示有施加到兩相對面的石墨和施加 到其上的壓縮力；以及
圖7是制造本發(fā)明分割板的步驟的流程圖。
具體實施例方式
以下實施例的描述本質(zhì)上僅僅是示例性的，并非試圖限制本發(fā)明 及其應(yīng)用和用途。
圖1示例性地示出了部分PEM燃料電池堆10，其具有由無孔導(dǎo)電 雙極板20相互隔開的膜-電極-組件(MEA) 14， 16。該MEA14， 16和雙 極板20疊合在一起并介于無孔導(dǎo)電雙極板22, 24之間。多孔、可透 過氣體的導(dǎo)電片或擴散媒介26, 28， 30， 32壓靠在MEA 14, 16的電 極面上并作為電極的初級集電器。擴散媒介26， 28, 30, 32還為MEA 14， 16提供機械支撐，尤其在MEA在流場中未被支撐的地點。適宜的擴散媒介包括碳/石墨紙/布料，細(xì)孔貴金屬篩網(wǎng)，開孔泡沫貴金屬等，它 們導(dǎo)通來自電極的電流，同時允許氣體從其中通過。
雙極板22, 24將初級集電器26壓靠在MEA 14的陰極面14c上并 將初級集電器32壓靠在MEA 16的陽極面16a。雙極板20將初級集電 器28壓靠在MEA 14的陽極面14a上并將初級集電器30壓靠在MEA 16 的陰極面16c上。氧化性氣體如氧或空氣從儲罐38藉由適宜的供給管 道40供應(yīng)到燃料電池堆10的陰極側(cè)。類似地，燃料如氬從儲罐48藉 由適宜的管道50供應(yīng)到燃料電池堆10的陽極側(cè)。
在優(yōu)選的實施例中，氧罐38可以去除，空氣可以從周圍環(huán)境供應(yīng) 到陰極側(cè)。同樣，氳罐48可以去除，氬可以從轉(zhuǎn)化器供應(yīng)到陽極側(cè)， 該轉(zhuǎn)化器從曱醇或液態(tài)烴(如汽油)催化產(chǎn)生氫。MEA的H2側(cè)和02/空氣 側(cè)的排出管道52還用于從陽極流場移除氫氣耗盡了的陽極氣和從陰極 流場移除氧氣耗盡了的陰極氣。盡管所示出的排出管道52為單個管 道，應(yīng)當(dāng)理解可以提供不同的管道以排出每種氣體。
參考圖2-6，將詳細(xì)描述根據(jù)本發(fā)明的分割板60。分割板60被構(gòu) 造成將反應(yīng)氣體之一承載到MEA 16的相應(yīng)面。應(yīng)當(dāng)理解，每個雙極板 20， 22， 24包括兩個布置成背對背取向的分割板60。根據(jù)本發(fā)明教導(dǎo) 的分割板60提供有層合的石墨聚合物基底，該石墨聚合物基底具有通 過其離散導(dǎo)電路徑。更具體而言，分割板60包括可透過氣體的聚合物 基底64如聚酰亞胺基底。聚合物基底優(yōu)選約為0.002〃厚。適宜的聚 酰亞胺材料包括由E. I. DuPont Corporation所制造的Kapton 。將第 一和第二石墨片66, 70層合在聚合物基底64的相對面上。石墨層66， 70的厚度優(yōu)選約為比聚酰亞胺基底64厚5-10倍。因此，聚合物基底 提供的片材料不導(dǎo)電，并且更重要的是，在分割板60中作為支撐基底， 并具有足夠的機械強度以在制造和組裝過程中容易地進行處理。這 樣，本發(fā)明的優(yōu)點是通過使用石墨來達(dá)到所需的導(dǎo)電性，而不會產(chǎn)生 與純石墨片相關(guān)的易脆性，該易脆性是相比于石墨/聚合物層合物而言 的。還應(yīng)當(dāng)理解，圖2和圖6所示的分割板60被表示成在形成圖1所 示雙極板20， 22， 24上的流場通道之前。
正如以下所詳述的一樣，石墨66， 70起初位于聚合物基底64的 相對面，隨后受到壓力作用。石墨的材料性能還允許石墨在受壓作用 過程中，橫過聚合物基底64的平面流動到通道或穿孔72中。延伸過穿孔72的石墨通過聚合物基底64而形成離散的導(dǎo)電路徑或?qū)щ娭?74 (圖2),以提供相鄰的MEA 14， 16之間的電連通。最終提供了具有 高強度和低接觸阻抗的分割板60,該高強度部分地由聚合物基底64來 提供，該低接觸阻抗部分地由石墨層66, 70來提供。
繼續(xù)請參考圖2-6，并結(jié)合圖7,將描述制造分割板60的方法。 一種制造根據(jù)本發(fā)明教導(dǎo)的分割板60的方法示于流程7中。該方 法總體上用附圖標(biāo)記80來表示。在步驟84中，提供聚合物基底64 (圖 3)。在步驟90中，熱活性干粘合劑92被施加到聚合物基底64的相對 表面(圖4)。在步驟96中，將基底64以穿過其平面的方式進行穿孔而 形成穿孔72(圖5)。穿孔72可由任何適宜的加工操作而成形。穿孔72 可以從基底64去除約30%-50°/。的材料，優(yōu)選去除基底64的40%的材 料。所示出的穿孔72具有大體呈柱形的構(gòu)造，這筒化了成形所必需的 加工操作。然而，應(yīng)當(dāng)理解，在分割板60中，穿孔72(以及所導(dǎo)致的 延伸通過其的石墨柱74)的大小、形狀、密度、分布和位置可根據(jù)所給 定燃料電池應(yīng)用的規(guī)范和運行參數(shù)來選定。
接著在步驟112中(圖6 ),將石墨片66, 70的材料放置在基底 64的相對面上。石墨片66, 70優(yōu)選約為0. 010〃厚。然而，如上所述， 石墨層66， 70的厚度可以約為比聚合物基底64厚5-IO倍，但是也可 以是其它厚度，這取決于所給定應(yīng)用的需要和尤其是體積阻抗的需 要。需要注意，因為干粘合劑92是熱活性的，所以這時石墨片66， 70 未粘合到基底64。在步驟116中，將相對面上具有石墨片66, 70的聚 合物基底64如通過滾壓組件以壓縮方式放置(如圖6中的箭頭F所 示)。施加到相應(yīng)的石墨片66, 70上的壓縮力使得石墨橫過基底64流 動或擠壓到穿孔72中(圖2)。此外，熱活性粘合劑92將殘留石墨結(jié)合 到聚合物基底64的缺少穿孔的相對面(如圖2中122所指示)。例如橫 過材料平面通過諸如沖壓操作使得所期望的流動圖案最終在步驟120 中形成(未具體示出)。
本領(lǐng)域技術(shù)人員可以通過以上的敘述理解到本發(fā)明寬泛的教導(dǎo)可 以以各種形式得以應(yīng)用。因此，盡管本發(fā)明已經(jīng)結(jié)合特定的實施例進 行了描述，本發(fā)明的真正范圍不應(yīng)當(dāng)被限制與此，因為對本領(lǐng)域技術(shù) 人員來說，通過研究附圖、說明書和權(quán)利要求書，使得其它變更將變 得明顯。
權(quán)利要求
1. 一種制造用于PEM燃料電池的分割板的方法，該方法包括提供片材料；在所述片材料中形成貫穿平面的通道；將石墨片置于所述片材料的第一面和第二面的每一個上以形成層合構(gòu)件；以及將壓縮力施加到所述層合構(gòu)件上，由此將所述石墨的第一部分?jǐn)D壓成流動到所述貫穿平面的通道中且形成貫穿所述片的導(dǎo)電路徑陣列，而將石墨的第二部分結(jié)合到所述第一面和所述第二面中的每一個。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，還包括將粘合劑施加到所述片的所 述第一、第二面中的每一個。
3. 如權(quán)利要求2所述的方法，其中施加粘合劑包括施加熱活性粘 合劑，所述熱活性粘合劑通過應(yīng)用所述壓縮力將所述石墨結(jié)合到所述 第一、第二面中的每一個。
4. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中提供所述片材料包括提供聚合 物基底。
5. 如權(quán)利要求4所述的方法，其中所述聚合物基底包括聚酰亞胺。
6. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中形成貫穿所述片材料的通道包 括去除約40%的所述片材料。
7. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中放置石墨片包括放置多層石墨 片，每個石墨片的厚度為所述片材料厚度的約5-10倍。
8. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中施加壓縮力包括碾壓結(jié)合所述 相應(yīng)的石墨片到所述片材料。
9. 如權(quán)利要求1所述的方法，還包括在所述層合構(gòu)件中形成流場。
10. —種制造用于PEM燃料電池的分割板的方法，該方法包括 對不導(dǎo)電基底進行開孔以形成從所述基底的第一面到第二面延伸過所述基底的穿孔組；將第一石墨片定位成與所述第一面接觸，以形成層合構(gòu)件； 壓縮所述層合構(gòu)件以將所述第一石墨片的第一部分?jǐn)D壓通過所述穿孑L組；以及將所述第 一石墨片的第二部分結(jié)合到所述第 一面。
11. 如權(quán)利要求10所述的方法，還包括將第二石墨片定位成與所述第二面接觸。
12. 如權(quán)利要求10所述的方法，還包括施加粘合劑到所述基底的 所述第一、第二面中的每一個。
13. 如權(quán)利要求11所述的方法，其中壓縮所述層合構(gòu)件包括當(dāng)施 加壓縮力到所述第一、第二石墨片時，將所述第一、第二石墨片擠壓 通過所述穿孔。
14. 如權(quán)利要求10所述的方法，其中對不導(dǎo)電基底進行開孔包括去除約4oy。的所述不導(dǎo)電基底。
15. 如權(quán)利要求10所述的方法，其中施加壓縮力包括將所述相應(yīng)的石墨片碾壓結(jié)合到所述基底。
16. 如權(quán)利要求IO所述的方法，其中所述基底包括聚合物基底。
17. 如權(quán)利要求16所述的方法，其中所述聚合物基底包括聚酰亞胺。
18. 如權(quán)利要求11所述的方法，其中定位第一和第二石墨片包括 放置石墨片，每個石墨片的厚度為所述基底厚度的約5-10倍。
19. 如權(quán)利要求10所述的方法，還包括在所述層合構(gòu)件中形成流場。
20. —種用于PEM料電池的分割板，包括不導(dǎo)電基底材料，其具有多個延伸在第一、第二面之間的穿孔； 石墨層，其被設(shè)置成橫過所述第一、第二面中的每一個，從而界 定層合構(gòu)件；石墨被擠壓通過所述多個穿孔，并可以在所述第一、第二面之間 形成電連通；在所述層合構(gòu)件中形成流場的幾何形狀。
21. 如權(quán)利要求20所述的分割板，其中所述不導(dǎo)電基底包括聚合 物材料。
22. 如權(quán)利要求21所述的分割板，其中所述聚合物材料包括聚酰亞胺。
全文摘要
一種用于PEM燃料電池的分割板及其制造方法，該方法包括提供片材料，該片材料中具有貫穿平面的通道。將石墨片置于片材料的第一面和第二面的每一個上以形成層合構(gòu)件。將壓縮力施加到層合構(gòu)件上。石墨的第一部分被擠壓成流動到貫穿平面的通道中。形成貫穿該片的導(dǎo)電路徑陣列。將石墨的第二部分結(jié)合到第一面和第二面的每一個。
文檔編號B32B37/00GK101432138SQ200580032065
公開日2009年5月13日 申請日期2005年8月5日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月22日
發(fā)明者M·W·墨菲 申請人:通用汽車公司