專利名稱：燃料電池隔板組件的制作方法
技術領域：
本發(fā)明主要涉及燃料電池。特別是，本發(fā)明涉及用于燃料電池的隔板組件。
背景技術：
燃料電池是眾所周知的。陽極和陰極在適當?shù)倪\行條件下按照已公知的方式運行從而產(chǎn)生電能。陰極和陽極通常通過隔板隔開，所述隔板具有傳導電子的導電性但可將相鄰的陰極和陽極的電解質(zhì)和反應劑隔開。
傳統(tǒng)上，隔板被結合到一個電池的陰極流場板上和相鄰電池的陽極流場板上。由于典型的隔板由碳制成，因此典型的結合方法包括碳氟化合物膜。典型的流場板由碳-碳復合材料制成。在絕大多數(shù)布置中，流場板是多孔且親水的以便用作電解質(zhì)貯存板，過量的電解質(zhì)可按照已公知的方式被貯存在所述電解質(zhì)貯存板中。
已經(jīng)認識到存在與這些布置相關聯(lián)的一些缺點。在美國專利No.5,558,955中描述了一種改進方式，其中介紹了大體上無孔和疏水性的陰極流場板。該文獻中所披露的布置給出了對位于碳隔板的兩側上的傳統(tǒng)碳-碳流場板作出的改進。
本領域的技術人員總是努力進行改進。例如，提供更為成本有效的隔板組件將是有利的。
本發(fā)明提供了一種經(jīng)過改進的隔板組件，所述組件避免了傳統(tǒng)布置所存在的缺點和缺陷且改善了與這種組件相關聯(lián)的經(jīng)濟性。

發(fā)明內(nèi)容
一種用于燃料電池中的典型隔板組件包括隔板層。第一無孔疏水性流場層包括將所述第一流場層緊固到所述隔板層的第一側上的疏水性樹脂。第二無孔疏水性流場層包括將所述第二流場層緊固到所述隔板層的第二側上的疏水性樹脂。
在一個實例中，所述第一和第二流場層包括天然片狀石墨和所述疏水性樹脂。
在一個實例中，所述隔板層包括石墨和疏水性樹脂。在該實例中，所述隔板層的所述疏水性樹脂還用于將所述流場層緊固到所述隔板層的相對側上。
在另一個實例中，所述隔板是碳隔板。
另一種用于燃料電池中的典型隔板組件包括隔板層，所述隔板層包括石墨和疏水性樹脂。第一和第二流場層通過所述隔板層的至少所述疏水性樹脂被分別緊固到所述隔板層的相對側上。在一個實例中，至少一個所述流場層包括石墨和疏水性樹脂。在另一個實例中，至少一個所述流場是多孔石墨。在另一個實例中，兩個流場層都包括石墨和疏水性樹脂。
在另一個實例中，所述隔板組件是在整個組件范圍內(nèi)具有一致的材料成分的整體式結構。在這種實例中，在所述隔板層與所述流場層之間不存在材料邊界。
一種制造用于燃料電池中的隔板組件的典型方法包括形成隔板層。至少一個無孔疏水性流場層是利用石墨和疏水性樹脂形成的。所述典型方法包括利用所述流場層的至少所述疏水性樹脂將所述流場層緊固到所述隔板層上。
在一個實例中，形成所述隔板層包括利用石墨和疏水性樹脂。在這些實例中，所述隔板層的所述疏水性樹脂和所述流場層的所述疏水性樹脂將所述兩個層緊固在一起。
從下面對目前優(yōu)選的實施例進行的詳細描述中，本領域的技術人員將更易于理解本發(fā)明的各個特征和優(yōu)點。該詳細描述的附圖可簡要說明如下。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例設計的典型隔板組件的透視示意圖；和圖2A-圖2C示意性地示出了一種制造根據(jù)本發(fā)明的一個實施例設計的隔板組件的典型方法。
具體實施例方式
圖1示出了可用于燃料電池中的隔板組件20。該典型的隔板組件20包括隔板層22。第一流場層24被緊固到隔板層22的一側上。第二流場層26被緊固到隔板層22的第二相對的面向側上。
流場層24和26分別包括按照已公知的方式在流場層內(nèi)機加工而成或成形出的流道。第一流場層24包括多條流道28，而第二流場層26包括多條流道30。從圖1中可以看到，流道優(yōu)選相對于彼此成垂直取向進行布置。
被選擇用于形成隔板組件20的不同層的材料可以改變以滿足特定情況的需要。披露了多種獨特的組合作為本發(fā)明的典型實施例。
在一個實例中，隔板層22包括石墨和疏水性樹脂。在一個實例中，所述石墨包括天然片狀石墨且所述疏水性樹脂包括碳氟樹脂。在一個實例中，天然片狀石墨受到熱純化以將石墨腐蝕降至最小程度，例如從Superior Graphite Company of Chicago，Illinois獲得的SGC 2900級石墨。一種典型的碳氟樹脂在商業(yè)上可從DuPont Company得到且商品名為FEP TEFLON。PFA TEFLONS也是適合的。
一種典型的隔板層22包括介于70％與80％之間的片狀石墨和相應的剩余百分比的疏水性樹脂。一個優(yōu)選實例中包括25％的疏水性樹脂和75％的片狀石墨。
利用石墨和疏水性樹脂形成隔板層22的一個優(yōu)點在于隔板層22內(nèi)的疏水性樹脂可用于將一個或多個流場層24、26緊固到隔板層22上。這種布置消除了在制造工藝中設置在所述層之間的中間膜，從材料和勞動力角度考慮，這節(jié)省了成本。
另一種典型隔板組件包括由石墨和疏水性樹脂形成的隔板層22。至少一個流場層24、26包括石墨和疏水性樹脂。與隔板層相比，流場層利用的石墨和疏水性樹脂的混合比是不同的。在一個實例中，流場層24包括約11％的FEP TEFLON疏水性樹脂和約89％的片狀石墨。該實例中的隔板層22包括75％的石墨和25％的FEP TEFLON。
在另一個實例中，流場之一包括多孔石墨。在一個實例中，隔板層22包括75％的石墨和25％的樹脂，流場層26包括89％的石墨且流場層24包括多孔石墨。
所希望的是在隔板層22中使用更高濃度的疏水性樹脂以使氫擴散穿過隔板層的速率足夠低。進一步地，隔板層22中具有的足夠高的疏水性樹脂含量使酸遷移通過隔板的速率足夠低。與以前的布置相比，根據(jù)本發(fā)明的一個實施例設計的隔板層提供了獨特的較低的酸遷移速率。
在一個實例中，流場層24和26都是利用石墨和疏水性樹脂形成的。通過這種布置，每層中的疏水性樹脂被用于將該層結合到相應的相鄰層上。同樣，利用至少一個層的疏水性樹脂將該層緊固到鄰接層上使得不需要利用獨立的膜、樹脂或粘結劑就可以將各個層緊固在一起。
在一個實例中，隔板層22也包括石墨和疏水性樹脂。疏水性樹脂可以是在化學和物理上與燃料電池的運行環(huán)境相容且具有小于25達因/厘米的表面能的任何熱塑性樹脂。
一種典型組件包括隔板層22，所述隔板層包括介于約15％與約30％之間的可從DuPont Company得到的TEFLON FEPTE9050。通過占剩余的相應百分比的來自Superior Graphite Company的#2901C級的熱純化片狀石墨完整地構成了隔板層22的成份。在一個優(yōu)選實例中，約25％的TEFLON FEP疏水性樹脂與約75％的片狀石墨結合使用。該優(yōu)選成份提供了4.2 BTU/hr/ft/F的熱導率、使得在100 AMPS每平方英尺(ASF)的電流下的每密耳厚度的電壓降達0.055mV的電阻、約2-3％的孔隙率、0.005微米的中值孔隙尺寸、約35達因/厘米的表面能、約5-10ppm/F的熱膨脹系數(shù)和在400的100％的H3PO4中1150mV的電壓下100分鐘的時間內(nèi)達約0.5μA/mg的腐蝕電流。
在另一個實例中，兩個流場層24和26分別包括石墨和疏水性樹脂。隔板層22包括碳且被形成傳統(tǒng)的隔板層。
另一種典型的隔板組件20包括整體式結構，其中流場24、26和隔板層22具有均勻的成分且在隔板組件中不存在離散的區(qū)域。換句話說，該實例中的隔板組件20在組件范圍內(nèi)具有一致的材料成分且在層22、24和26之間不存在材料或物理邊界。
典型的隔板20包括片狀石墨和疏水性樹脂。在一個實例中，整體式隔板組件20包括約15-25％的疏水性樹脂且余量為片狀石墨。一種優(yōu)選的成分是20％的疏水性樹脂且余量為經(jīng)過熱純化的片狀石墨。
參見圖2A-圖2C，制造這種隔板組件的典型方法包括利用具有型腔42的模具40和協(xié)同作用的模沖44以形成組件的各層。如圖2A示意性示出地，可通過沉積適當量的選定的材料混合物以形成流場層26從而使流場層26預成型在模具40中。為了進行說明的目的，將要描述的典型方法包括將石墨和疏水性樹脂用于隔板組件的所有三個層。在該實例中，石墨和疏水性樹脂的適當混合物被插入型腔42內(nèi)。模沖44在適當?shù)膲毫θ?,000psi的壓力下壓縮所述混合物。
如圖2B示意性示出地，石墨和疏水性樹脂混合物隨后被沉積在流場層26的壓緊材料的頂部上以構建出形成隔板層22的材料層。如上所述，用于隔板層22的石墨與樹脂的混合物比優(yōu)選包括更高量的疏水性樹脂以實現(xiàn)如上所述有利的氣體擴散和酸遷移速率。一旦用于隔板層22的材料被分配進入型腔42內(nèi)，則模沖44在適當?shù)膲毫θ?,000psi的壓力下壓縮該層和流場層26從而壓緊兩個層。
如圖2C示意性示出地，石墨和疏水性樹脂混合物層被沉積在型腔42內(nèi)鄰近壓緊材料層的位置處從而構建出隔板層22。所述實例中的流場層24被沉積在隔板層22的壓緊材料的頂部上。模沖44隨后利用適當?shù)膲毫θ?,000psi的壓力壓緊所有三個層。
一旦所有的層在所需布置中被壓緊且彼此鄰近，則在一個實例中，整個組件在750psi的壓力下約20分鐘的時間內(nèi)被加熱至約650的溫度。整個組件隨后在相同的壓力下被冷卻至小于400的溫度。此外，可在更低的壓力(即小于750psi的壓力)下實施冷卻至環(huán)境溫度的過程。將組件加熱至650使得疏水性樹脂產(chǎn)生熔融且允許其流入石墨顆粒之間的空隙內(nèi)。這使所述層的孔隙率最小化。將所述層冷卻至400使熔融樹脂固化且導致石墨顆粒和多個層結合在一起。
隨后可從型腔42中去除整個組件且在組件的最外部表面上使用的任何釋壓膜隨后可被去除。隨后可按照已公知的方式在流場層內(nèi)機加工而成或成形出流場通道。
在僅有隔板層22包括石墨和疏水性樹脂的實例中，流場層可被預成型且可能僅在將用于隔板層22的材料沉積在型腔內(nèi)后才需要進行上述壓緊步驟。
在另一個實例中，層26、22、24的粉末在室溫下被順序地裝入模具內(nèi)，而不利用任何壓緊裝置。
在僅有一個流場層包括石墨和疏水性樹脂的實例中，例如可在完成如圖2B示意性示出的步驟之后利用上述加熱順序以提供子組件，隨后可利用已公知的技術將所述子組件緊固到另一個流場層上。
在另一個實例中，利用按照已公知的方式運行的雙鋼帶壓機對隔板組件20進行壓縮。
在隔板層的相對側上設置無孔的疏水性流場層且利用流場層的疏水性樹脂將所述流場層緊固到隔板層上，使得提供了如上所述的改進布置。通過這種布置可能實現(xiàn)性能的改進并節(jié)省成本。此外，利用包括石墨和疏水性樹脂的隔板層提供了改進的性能并節(jié)省了成本?？衫靡粋€或多個這種層的組合以滿足特定情況的需要。掌握了本說明書的優(yōu)點的本領域的技術人員將能夠決定對于他們的情況而言最佳的組合。
前面的描述在本質(zhì)上是示例性而非限制性的。本領域的技術人員將易于理解在不必偏離本發(fā)明的本質(zhì)的情況下對所披露的實例作出的改變和變型。僅可通過研究下列權利要求書確定賦予本發(fā)明的法律保護范圍。
權利要求
1.一種用于燃料電池中的隔板組件，所述隔板組件包括隔板層；鄰近所述隔板層的第一側的第一無孔疏水性流場層；和鄰近所述隔板層的第二側的第二無孔疏水性流場層。
2.根據(jù)權利要求1所述的組件，其中所述第一和第二流場層包括片狀石墨和疏水性樹脂。
3.根據(jù)權利要求2所述的組件，其中所述石墨包括天然片狀石墨。
4.根據(jù)權利要求3所述的組件，其中所述石墨包括經(jīng)過熱純化的天然片狀石墨。
5.根據(jù)權利要求4所述的組件，其中所述隔板層包括碳隔板。
6.根據(jù)權利要求2所述的組件，其中所述隔板層包括片狀石墨和疏水性樹脂。
7.根據(jù)權利要求6所述的組件，其中所述疏水性樹脂具有小于25達因/厘米的表面能。
8.根據(jù)權利要求6所述的組件，其中所述隔板層的石墨包括經(jīng)過熱純化的天然片狀石墨。
9.根據(jù)權利要求6所述的組件，其中所述第一和第二流場層包括片狀石墨與疏水性樹脂的第一混合比且所述隔板層包括片狀石墨與疏水性樹脂的第二不同的混合比。
10.根據(jù)權利要求6所述的組件，其中所述隔板層包括介于約70％與約80％之間的片狀石墨和相應的剩余百分比的疏水性樹脂。
11.根據(jù)權利要求6所述的組件，其中所述組件在所述組件范圍內(nèi)具有一致的材料成分，所述材料成分包括所述片狀石墨和所述疏水性樹脂。
12.根據(jù)權利要求11所述的組件，其中每個所述層包括約80％的片狀石墨和約20％的疏水性樹脂。
13.根據(jù)權利要求2所述的組件，其中所述疏水性樹脂將所述流場層緊固到所述隔板層上。
14.一種用于燃料電池中的隔板組件，所述隔板組件包括包括片狀石墨和疏水性樹脂的隔板層；和分別鄰近所述隔板層的相對側的第一和第二流場層。
15.根據(jù)權利要求14所述的組件，其中所述流場層通過所述隔板層的至少所述疏水性樹脂被緊固到所述隔板層上。
16.根據(jù)權利要求14所述的組件，其中所述第一和第二流場層中的至少一個流場層是無孔且疏水性的并且包括片狀石墨和疏水性樹脂。
17.根據(jù)權利要求16所述的組件，其中所述至少一個流場層包括石墨與疏水性樹脂的第一混合比且所述隔板層包括石墨與疏水性樹脂的第二不同的混合比。
18.根據(jù)權利要求16所述的組件，其中兩個所述流場層都是無孔且疏水性的。
19.根據(jù)權利要求18所述的組件，其中所述組件在所述組件范圍內(nèi)具有一致的材料成分，所述材料成分包括所述片狀石墨和所述疏水性樹脂。
20.根據(jù)權利要求19所述的組件，其中每個所述層包括約80％的片狀石墨和約20％的疏水性樹脂。
21.根據(jù)權利要求20所述的組件，其中所述片狀石墨是經(jīng)過熱純化的天然片狀石墨。
22.根據(jù)權利要求20所述的組件，其中所述疏水性樹脂具有小于25達因/厘米的表面能。
23.根據(jù)權利要求14所述的組件，其中所述疏水性樹脂具有小于25達因/厘米的表面能。
24.根據(jù)權利要求14所述的組件，其中所述流場層之一是多孔的且包括石墨。
25.根據(jù)權利要求14所述的組件，其中所述隔板層包括介于約70％與約80％之間的片狀石墨和相應的剩余百分比的疏水性樹脂。
26.一種制造用于燃料電池中的隔板組件的方法，所述方法包括形成隔板層；形成至少一個流場層；利用片狀石墨和疏水性樹脂形成所述隔板層或所述流場層中的至少一個層以使得所述至少一個層是無孔且疏水性的；并且利用所述疏水性樹脂將所述流場層緊固到所述隔板層上。
27.根據(jù)權利要求26所述的方法，包括利用片狀石墨和疏水性樹脂形成所述流場層和所述隔板層并且利用所述隔板層和所述流場層的所述疏水性樹脂將所述流場層緊固到所述隔板層上。
28.根據(jù)權利要求26所述的方法，包括利用片狀石墨和疏水性樹脂形成兩個無孔疏水性流場層并且利用相應的流場層的所述疏水性樹脂將所述流場層分別緊固到所述隔板層的相對側上。
29.根據(jù)權利要求26所述的方法，包括壓緊所述片狀石墨和疏水性樹脂以形成所述流場層；壓緊附加的片狀石墨和疏水性樹脂以形成鄰近所述流場層的壓緊材料的所述隔板層；并且加熱壓緊材料以將所述隔板層緊固到所述流場層上。
30.根據(jù)權利要求29所述的方法，包括在進行所述加熱前壓緊附加的片狀石墨和疏水性樹脂以在所述壓緊的隔板層的相對側上形成第二無孔疏水性流場層；并且分別利用所述隔板層和所述流場層的所述疏水性樹脂將所述兩個流場層緊固到所述隔板層上。
全文摘要
一種燃料電池隔板組件(20)包括隔板層(22)和流場層(24、26)。在一個披露的實例中，所述隔板層(22)包括石墨和疏水性樹脂。所述隔板層(22)中的所述疏水性樹脂用于將所述隔板層緊固到位于所述隔板層的相對側上的流場層上。在一個實例中，至少一個所述流場層(24、26)包括石墨和疏水性樹脂以使得所述流場層是疏水性且無孔的。在另一個實例中，兩個石墨和疏水性樹脂流場層被用于隔板層的相對側上。一個披露的實例包括使所有三個層包括石墨和疏水性樹脂的情況。
文檔編號H01M2/02GK101091270SQ200480044761
公開日2007年12月19日 申請日期2004年12月29日 優(yōu)先權日2004年12月29日
發(fā)明者R·D·布勞爾特, W·L·羅馬, R·P·羅徹 申請人:Utc電力公司