專利名稱：具有改進(jìn)液封部分的雙極隔板的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及雙極隔板，尤其是用于碳酸鹽燃料電池的雙極隔板。
這種類型的典型雙極板包括具有第一和第二相對表面的薄平金屬板部件，其中第一和第二表面形成活性區(qū)域并分別與氧化劑和燃料氣體相容。這些區(qū)域的第一和第二相對端被向上并朝向彼此折疊，以形成第一和第二槽。這些區(qū)域的第三和第四相對端被向下并朝向彼此折疊，以形成第三和第四槽。第一和第二槽在板部件的第一表面?zhèn)戎稳剂想姵啬赴澹谌偷谒牟墼诎宀考牡诙砻鎮(zhèn)戎稳剂想姵啬赴?。因此這些槽形成了其中采用雙極隔板的碳酸鹽燃料電池的液封部分。
設(shè)計雙極隔板的一個重要考慮是制造板部件從而使得該液封部分和板部件的邊緣保持不被腐蝕以實現(xiàn)長期穩(wěn)定性。該液封部分在還原和氧化氣氛存在下被熔融的碳酸鹽電解液所潤濕。這極大地加速了腐蝕。但是由于液封部分不處在電通路上，因此不需要高導(dǎo)電性。另一方面，板部件的活性區(qū)域提供導(dǎo)電性。因此需要這些區(qū)域以傳導(dǎo)所產(chǎn)生的電子，并因此需要具有高導(dǎo)電性，以將任何內(nèi)部的歐姆耗散減至最小。
當(dāng)前，制造這種雙極隔板的一種技術(shù)是由Ni涂布的或包層不銹鋼板形成隔板。這種類型的制造方法是理想的，因為在碳酸鹽燃料電池的低氧分壓燃料環(huán)境中純Ni保持為金屬，而不銹鋼在這種電池的氧化陰極環(huán)境中在某種程度上更加穩(wěn)定。但是當(dāng)用這種片制造雙極板時，對于這種片的前述液封部分需要額外的腐蝕保護(hù)涂層，以緩和在這些區(qū)域出現(xiàn)的更具侵蝕性的熱腐蝕。要求這種額外的涂層厚度均勻并且接近致密。在碳酸鹽燃料電池工作溫度下，在涂層和基底金屬之間的相互擴(kuò)散形成了高度耐腐蝕的保護(hù)層。
迄今為止，液封保護(hù)涂層通常由Al或Al/Fe形成(參見日本專利09025822)。可以通過熱噴涂(見日本專利09025822、07295276)、高速氧燃料火焰噴涂(HVOF)(見US5698337)、Al涂漆、離子真空沉積或熔融Al浸涂(見日本專利07230175)來形成該涂層。通常廣泛采用熱噴涂技術(shù)例如傳統(tǒng)的熱噴涂和HVOF。
當(dāng)使用熱噴涂技術(shù)施加Al涂層時，出于涂層粘和性和基板翹曲的考慮，需要在雙極隔板已經(jīng)形成之后施加該涂層。這使得在涂布過程中必須大的薄不銹鋼板進(jìn)行處理和遮蔽。對處理和遮蔽板的需要明顯增加了雙極隔板制造成本。
另外，必須對涂布過程進(jìn)行廣泛的控制，以滿足燃料電池使用中的質(zhì)量需求。只有通過以下昂貴的質(zhì)量控制程序才能獲得令人滿意的涂層，包括預(yù)表面處理、涂層厚度和粗糙度檢測、目測缺陷和覆蓋度檢測以及定期金相學(xué)檢測。
另外，即使采用這些程序，所得到的涂層仍然在燃料電池操作過程中在相互擴(kuò)散區(qū)的頂部上形成厚厚的氧化鋁松散層。這導(dǎo)致了暴露表面處出現(xiàn)不需要的片狀碎屑。為了避免片狀氧化物層并獲得無缺陷相互擴(kuò)散的保護(hù)區(qū)，需要在燃料電池應(yīng)用之前進(jìn)行高溫擴(kuò)散熱處理。這種處理會引起雙極板出現(xiàn)不理想的熱變形。
如上所述，形成雙極隔板液封部分的槽位于金屬板的端部，并向上或向下延伸，然后朝向彼此延伸。如果該雙極隔板采用Ni涂布的不銹鋼板，則一組槽將在它們的外表面上具有Ni。這種Ni必須在用Al涂布槽之前被除去，因為將Al涂層噴涂在Ni上會在燃料電池環(huán)境中提供不充分的防腐作用。
至于由雙極板的第一和第二表面相對而形成的活性區(qū)域，高Cr不銹鋼對于在陰極側(cè)表面上的防腐是理想的。但是過量的Cr會導(dǎo)致導(dǎo)電率低的腐蝕產(chǎn)物以及額外的電解質(zhì)損耗。
因此本發(fā)明的一個目的是提供一種避免上述缺陷的雙極隔板。
本發(fā)明的另一個目的是提供能夠制造容易并且節(jié)約成本的雙極隔板。
通過與板部件分開形成所有的槽部件，從而這些槽部件能夠由其本身在燃料電池環(huán)境中具有高抗腐蝕性的材料制成。更具體的說，根據(jù)本發(fā)明，采用設(shè)有耐腐蝕包層的不銹鋼材料。優(yōu)選的是，所述包層由鋁制成。
另外，分開形成的板部件可以由具有形成隔板活性區(qū)域的板的第一和第二表面所需特征的材料制成，即具有高導(dǎo)電率、高抗腐蝕性和低電解液損耗。根據(jù)本發(fā)明，使用不銹鋼材料。該材料可以具有鎳包層。
在本發(fā)明的另一個方面，用于將槽部件連接或固定在板部件上的焊縫其本身形成為能夠具有耐腐蝕性。優(yōu)選的是，在每個焊縫中引入鋁來獲得所需的耐腐蝕性。


圖1顯示出根據(jù)本發(fā)明原理的雙極隔板；圖2顯示出在分開形成的板部件以及槽部件結(jié)合在一起之前的圖1所示的雙極隔板；
圖3示意性地顯示出在圖1和圖2的雙極隔板中使用的其中兩個槽部件的形成；圖4A和4B顯示出在圖1和2雙極隔板的氧化或陰極側(cè)上的槽部件的可選實施方案的端部；圖5A和5B顯示出圖1和2所示雙極隔板燃料側(cè)上的槽部件的可選實施方案的端部；圖6顯示出槽部件與圖1和2所示雙極隔板的板部件的代表性焊接區(qū)域；圖7顯示出裝進(jìn)燃料電池疊置組件中圖1-2的雙極隔板。
詳細(xì)說明圖1和圖2是根據(jù)本發(fā)明的原理用于碳酸鹽燃料電池的雙極隔板1。該雙極隔板1包括板部件2，板部件2具有分別與氧化和燃料氣體相容的第一表面和第二表面。部件2也具有相對的端部2C和2D以及2E和2F。
在每個端部分附近，板1包括有槽部件。更具體地說，槽部件3和4位于端部2C和2D附近，而槽部件5和6位于端部2E和2F附近。
每個端部槽部件包括頂壁7A、側(cè)壁7B和7C、后壁7D以及后延伸部分7E。槽部件3和4其頂壁7A面向部件2的與氧化氣體相容的第一表面2A，因此位于雙極隔板1的氧化側(cè)上。而槽部件5和6其頂壁7A面向部件2的與燃料氣體相容的第二表面2B，因此位于雙極隔板1的燃料側(cè)上。
根據(jù)本發(fā)明，板部件2與槽部件3-6分開形成。因此，可以對用于板部件的材料進(jìn)行選擇，從而最好地滿足燃料電池環(huán)境對這種部件的需求，同時可以對用于槽部件3-6的材料進(jìn)行選擇，以最好地滿足這些部件燃料電池環(huán)境的需求。實際上，當(dāng)隔板裝進(jìn)碳酸鹽燃料電池疊置組件中時，其第一和第二表面形成雙極隔板1的活性區(qū)域的板部件必須是與氧化劑和燃料氣體相容的，同時耐腐蝕、高導(dǎo)電并具有與腐蝕相關(guān)聯(lián)的低電解液損耗。由于槽部件形成與它們直接接觸的碳酸鹽電解液的液封部分，并且因為它們暴露在還原性和氧化性熱氣體的雙重氛圍中，但不是處于電通路中，因此當(dāng)將隔板1裝進(jìn)碳酸鹽燃料電池疊置組件中時，槽部件不必是高導(dǎo)電的，但必須是高度耐腐蝕的，并能防止與腐蝕相關(guān)聯(lián)的電解液損耗。
根據(jù)本發(fā)明，通過利用第一種材料形成板部件2和利用與之不同的第二種材料形成槽部件3-6，從而就可以滿足這些不同的需求。實際上，當(dāng)希望電解液在部件2的燃料氣體側(cè)上滑移時，部件2由具有Ni包層或涂層的不銹鋼制成。該涂層形成板部件2的燃料氣體側(cè)上的第二表面2B。優(yōu)選的是，該不銹鋼與310不銹鋼相比是具有中等Cr含量(18-26％重量比)的高合金奧氏體不銹鋼，并且與18-8型不銹鋼相比具有高Ni含量(11-33％重量比)。而且優(yōu)選的是，Ni包層或涂層的厚度為25-50μm。通過將這種類型的材料用于板部件2，與其腐蝕與導(dǎo)電率之比高于310不銹鋼的18-8型不銹鋼相比，這種類型的材料就顯示出優(yōu)異的耐熱腐蝕性/耐氧化性。因此對碳酸鹽燃料電池應(yīng)用而言，部件2具有足夠的使用壽命。
在不希望電解液在部件2的燃料氣體側(cè)滑移并且相鄰的燃料電池元件具有未潤濕表面時，在燃料氣體側(cè)即表面2B上不必具有Ni保護(hù)層。因此部件2可以由沒有Ni包層的高合金不銹鋼形成，它使得部件2對于長期碳酸鹽燃料電池應(yīng)用來說具有足夠的耐腐蝕性。
而根據(jù)本發(fā)明，槽部件3-6由Al涂布或包層的不銹鋼制成。該Al涂層可以位于不銹鋼材料的一個或兩個表面上。該Al涂層是完全致密的、厚度均勻并很好的結(jié)合在基底不銹鋼材料上。利用這種涂層，在500-650℃溫度擴(kuò)散之后，在槽部件上就形成了無缺陷且就地擴(kuò)散的防腐層。這些是在將雙極隔板1組裝在碳酸鹽燃料電池疊置組件中之后并且在疊置開始的過程中發(fā)生的。因此無需進(jìn)行任何額外的用于產(chǎn)生防腐層的熱處理。
對于雙極隔板氧化氣體側(cè)上的槽部件3和4來說，Al涂層可以在部件的外表面(即與面對表面2A的面相對的面)上或在外表面和內(nèi)表面(即面對表面2A的面)上。如圖4A和4B所示。對于板部件2的燃料氣體側(cè)上的槽部件5和6來說，Al涂層可以在部件的內(nèi)表面或外表面上?；蛘咴谶@種情況下，外表面可以是涂布Al，內(nèi)表面可以是涂布Ni。這如圖5A和5B所示。
對于槽部件，Al涂層的厚度可以是12-40μm。如果采用Ni涂層，其厚度可以是25-50μm。在采用雙側(cè)涂層的情況下，不銹鋼可以是Cr含量為16-20％重量比并且Ni含量是8-14％重量比的奧氏體不銹鋼。對于單側(cè)涂層的情況下，需要更高耐腐蝕性的不銹鋼。在這種情況下，其Cr含量高于18％重量比并且Ni含量高于11％重量比的奧氏體不銹鋼或耐腐蝕合金是適合的。
在形成槽部件3和4組以及槽部件5和6組的情況下，每一組可以由適當(dāng)涂布的不銹鋼坯料同時壓制而成。然后該坯料可以從中間分開以形成兩個槽。圖3中顯示了槽3和4。
如前所述，槽部件3和4以及槽部件5和6與板部件2分開形成。根據(jù)本發(fā)明，然后通過焊接將槽部件連接至它們在板部件上的相應(yīng)側(cè)。如圖1焊縫8、9、11和12所示，圖6示意性地顯示出槽5。
由于焊縫區(qū)域8、9、11和12暴露于相同的燃料電池?zé)釟怏w腐蝕環(huán)境中，所以根據(jù)本發(fā)明，在焊縫材料中也包含耐腐蝕材料。優(yōu)選的是，為此在焊縫材料中包含有Al。這可以通過在焊接過程中采用含Al的焊絲來實現(xiàn)。該焊絲可以是純Al、Al合金或高Al含量合金例如Kanthal和Fecralloy。它們可以在焊接過程中通過自動焊絲供料機(jī)或沿著焊縫填充焊絲來提供。
圖7顯示了燃料電池單元70，包括如圖1-2所示的上和下雙極板1。該燃料電池單元還包括陰極元件71，它由陰極電極71A和具有與陰極電極一個表面相鄰接的表面的陰極電流集電極71B構(gòu)成。該陰極元件71延伸越過上雙極隔板1的表面2A的長度和寬度。具體地說，該元件的縱向端部延伸至槽部件3和4，橫向端部延伸至板2的側(cè)面2E和2F。由隔離段72A、73A和電流集電極段72B和73B形成的隔離元件72和73從陰極元件71的各端部延伸進(jìn)入槽部件3和4。
可以理解，陰極電流集電極元件71B、72B和73B可以整體形成為一個單片元件。類似地，陰極元件71A、72A和73A可以整體形成為一個單片。
使得陰極元件71的高度等于槽部件3和4的高度。這樣元件71和槽部件形成了齊平表面，用于接收鄰接并在該整個表面之上延伸的電解液母板或片74。
由陽極電極75A和波紋狀陽極電流集電極75B形成的陽極元件75在母板元件74之后。陽極電極75A的一個表面鄰接母板74，另一個表面鄰接并支撐著陽極電流集電極75B的一個表面。陽極電流集電極75B的另一個表面坐落在下隔板1的表面2B上。
陽極元件75在下隔板1的槽區(qū)域5和6之間橫向延伸，并縱向延伸至板2的端部2C和2D。隔離元件76和77從陽極元件75延伸，并裝配在后面的槽部件中。隔離元件76和77包括隔離段76A和77A以及電流集電極段76B和77B。
與陰極電流集電極元件一樣，陽極電流集電極元件75B、76B和77B能夠形成為單片元件。陰極元件75A、76A和77A的情況也是一樣的。
陽極元件75位于表面2B所形成的平面上。陽極元件75的陽極電極75A提供了用于安置電極母板74下表面的平面。
可以理解，上隔板1的槽部件3和4以及下隔板1的槽形區(qū)域5和6用作軌道，這些軌道的表面與母板74形成了液封部分。這些液封部分保證了氧化氣體和燃料氣體不從陰極和陽極元件以及隔板所形成的氣體腔中漏出，從而防止氣體從燃料電池單元橫穿和逸出。
可以理解，上述布置方案只是本發(fā)明應(yīng)用中存在的多種可能的特定實施方案的一個示例。根據(jù)本發(fā)明的原理可以容易的作出多種和各種其它的布置方案，而不會脫離本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于燃料電池的雙極隔板，包括板部件，具有分別與燃料氣體和氧化氣體相容的相對的第一和第二表面，其中所述板部件包含第一材料，并具有第一和第二相對端以及第三和第四相對端；第一和第二槽部件和第三和第四槽部件，它們與所述板部件分開形成，每個槽部件包含第二材料，其中第一和第二槽部件靠近所述板部件的第一和第二相對端，并在所述第一表面之外延伸，然后朝向彼此延伸，第三和第四槽部件靠近所述板部件的第三和第四相對端，并在所述第二表面之外延伸，然后朝向彼此延伸；以及第一和第二部件，用于將所述第一和第二槽部件分別連接至在所述板部件的所述第一和第二端部處的所述板部件的所述第一表面；以及第三和第四部件，用于將所述第三和第四槽部件分別連接至在所述板部件的所述第三和第四端部處的所述板部件的所述第二表面。
2.如權(quán)利要求1的雙極隔板，其中所述第一、第二、第三和第四部件的每一個是焊縫。
3.如權(quán)利要求2的雙極隔板，其中所述第一材料是燃料氣體相容的，并被包含在所述板部件的第一表面上；所述第二材料與所述第一材料不同，是耐腐蝕材料。
4.如權(quán)利要求3的雙極隔板，其中所述板部件的所述第一材料包括不銹鋼；以及每個所述槽部件的所述第二材料包括涂有鋁的不銹鋼。
5.如權(quán)利要求4的雙極隔板，其中所述焊縫包含鋁。
6.如權(quán)利要求4的雙極隔板，其中所述第三和第四槽部件的所述鋁涂布不銹鋼上的鋁涂層在與面對所述板部件所述第二表面的表面相對的表面上。
7.如權(quán)利要求6的雙極隔板，其中形成所述第三和第四槽部件的不銹鋼是Cr含量高于18％重量比并且Ni含量高于11％重量比的奧氏體不銹鋼。
8.如權(quán)利要求4的雙極隔板，其中所述第三和第四槽部件的所述鋁涂布不銹鋼上的鋁涂層在面對所述板部件所述第二表面的表面并在相對的表面上。
9.如權(quán)利要求8的雙極隔板，其中形成所述第三和第四槽部件的不銹鋼是Cr含量為16-20％重量比并且Ni含量為8-14％重量比的奧氏體不銹鋼。
10.如權(quán)利要求4的雙極隔板，其中所述第一和第二槽部件的所述鋁涂布不銹鋼上的鋁涂層在與面對所述板部件所述第一表面的表面相對的表面上；還包括在形成所述第一和第二槽部件的所述材料表面上的Ni涂層，它面對所述板部件的所述第二表面。
11.如權(quán)利要求10的雙極隔板，其中形成所述第一和第二槽部件的不銹鋼是Cr含量為16-20％重量比并且Ni含量為8-14％重量比的奧氏體不銹鋼。
12.如權(quán)利要求10的雙極隔板，其中形成所述第一和第二槽的材料上的所述Ni涂層的厚度為25-50μm。
13.如權(quán)利要求4的雙極隔板，其中所述第一和第二槽部件的所述鋁涂布不銹鋼上的鋁涂層在面對所述板部件所述第一表面的表面上并在相對的表面上。
14.如權(quán)利要求13的雙極隔板，其中形成所述第一和第二槽部件的不銹鋼是Cr含量為16-20％重量比并且Ni含量為8-14％重量比的奧氏體不銹鋼。
15.如權(quán)利要求4的雙極隔板，其中所述槽部件的所述鋁涂布的不銹鋼上的鋁涂層厚度為12-40μm。
16.如權(quán)利要求4的雙極隔板，其中所述第一材料的所述不銹鋼在所述板部件的所述第一表面上具有鎳涂層。
17.如權(quán)利要求16的雙極隔板，其中所述第一材料的所述不銹鋼的所述Ni涂層的厚度是25-50μm。
18.如權(quán)利要求4的雙極隔板，其中所述板部件的不銹鋼是Cr含量為18-26％重量比并且Ni含量為11-33％重量比的奧氏體不銹鋼。
19.如權(quán)利要求4的雙極隔板，其中所述焊縫含有通過將包括純鋁、鋁合金、高鋁含量的合金、Kanthal以及Fecralloy中的一種或多種的焊絲而引入到所述焊縫中的鋁。
20.包括如權(quán)利要求1所述的一個或多個雙極隔板的燃料電池疊置組件。
全文摘要
由板部件(2)和與該板部件分開形成的第一(3)、第二(4)、第三(5)和第四(6)槽部件形成的雙極隔板(1)。板部件由不銹鋼制成，每個槽部件由帶有鋁涂層的不銹鋼制成。包括鋁的焊縫(8、9、11、12)將槽部件固定在板部件上。
文檔編號H01M8/02GK1402891SQ00816492
公開日2003年3月12日 申請日期2000年10月19日 優(yōu)先權(quán)日1999年11月30日
發(fā)明者李箭, 喻肇宜, 托馬斯·盧卡斯, 邁克爾·普里梅蘭諾 申請人:燃料電池能有限公司