專(zhuān)利名稱(chēng)：用于燃料電池組件的柔性石墨/金屬分布板的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有離子交換聚合物膜的燃料電池組件。尤其涉及用 于分布這種燃料電池組件中所使用的流體的分布板，即安裝在基本電 化電池中的每一個(gè)基本電化電池之間的雙極板和安裝在一組各種電 化電池的任一側(cè)的端板。
背景技術(shù)：
燃料電池組件中使用的雙極板執(zhí)行兩種顯著不同的功能。公知的 是，燃料電池組件必須被供給燃料氣體和助燃?xì)怏w，即相應(yīng)地被供給 氫氣和空氣或純氧氣，且電池還必須冷卻，即冷卻劑例如水必須通過(guò) 電池。雙極板的一種功能是可使燃料電池組件工作所需的上述各種流 體通過(guò)。而且，雙極板還執(zhí)行電功能，即在相鄰的電化電池中的每一 個(gè)電化電池的陽(yáng)極和陰極之間提供導(dǎo)電?，F(xiàn)在，燃料電池組件均包括 大量串聯(lián)組裝的基本電化電池，其中基本電化電池串聯(lián)連接，且燃料 電池組件的額定電壓是每個(gè)基本電化電池的電壓之和。這些不同功能，傳送流體和導(dǎo)電，決定了用于制造這些雙極板的 材料必須滿足的要求。所使用的材料必須具有非常高的電導(dǎo)率。所使 用的材料也必須不能被所使用的流體透過(guò)，且相對(duì)于這些流體必須具 有非常高的化學(xué)穩(wěn)定性。而且，雙極板必須具有足夠高的機(jī)械性能，以使得可并置許多基本電化電池和相關(guān)的雙極板、以及通過(guò)借助桿使端板之間產(chǎn)生壓縮而 將組件保持在一起。雙極板必須具有足夠高的機(jī)械性能，以承受該壓 縮。石墨通常使用，因?yàn)檫@種材料不僅具有高的電導(dǎo)率，而且對(duì)所使用流體有著化學(xué)惰性。專(zhuān)利申請(qǐng)WO2005/006472描述了這樣的雙極 板的一種可能實(shí)施例?？梢钥闯觯鼈儼▌傂韵鄬?duì)較大的重疊的兩 個(gè)石墨片、和用于適應(yīng)多種層的厚度公差的由柔性相對(duì)較大的石墨材 料制成的插入中間的箔。石墨片包括為分布燃料和助燃?xì)怏w即氫氣和 空氣或純氧氣所需的通道網(wǎng)絡(luò)、和可使冷卻劑例如水通過(guò)每個(gè)雙極板 的通道。遺憾地，構(gòu)成石墨雙極板的剛性構(gòu)件具有相當(dāng)?shù)偷臎_擊阻力，特 別是在燃料電池組件組裝時(shí)的處理過(guò)程中。由上述柔性石墨材料制成 的層絕大部分在工業(yè)狀態(tài)下還特別難于處理。所有這些均顯著增加了 這種雙極板的制造成本。專(zhuān)利US6379476提出了一種由不銹鋼制成的雙極板，該不銹鋼 的表面上涂覆有鈍化膜，且具有在該表面上突出的碳化物夾雜。根據(jù) 該專(zhuān)利的申請(qǐng)人所述，所提供的制品必須具有足夠低的接觸電阻，以 便由其制造雙極板。然而，盡管這種解決方案與完全由石墨制成的雙 極板相比具有一些優(yōu)點(diǎn)，特別是在機(jī)械性能方面，但它實(shí)施起來(lái)復(fù)雜， 且電阻率可能太高，特別是如果目的是使燃料電池組件具有非常高的 功率密度。專(zhuān)利申請(qǐng)US2005/0221158描述了 一種由具有傳導(dǎo)耐腐蝕涂層的 鋼支撐件形成的復(fù)合雙極板，通道形成在石墨層中，所述石墨層在合 適位置處被穿孔以限定出所述通道。因此，這種解決方案具有與對(duì)專(zhuān) 利申請(qǐng)WO2005/006472所作的評(píng)述中提及到的缺點(diǎn)相同的缺點(diǎn)。其他專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)岢隽擞煞墙饘俨牧侠缢芰现圃祀p極板，因?yàn)檫@些材料中的許多種材料對(duì)使用的氣體和冷卻劑的化學(xué)侵蝕非常不敏感。 一個(gè)可提及到的示例是專(zhuān)利申請(qǐng)WO2006A00029。使用金屬板作為雙極板與石墨板相比具有許多優(yōu)點(diǎn)。要提及的主 要優(yōu)點(diǎn)是金屬的較高機(jī)械強(qiáng)度，這使得可降低板的厚度且避免板的破 裂問(wèn)題。經(jīng)特殊的表面處理的金屬是陰極側(cè)(用于化學(xué)還原反應(yīng))的 良好解決方案。它的耐腐蝕性和它的傳導(dǎo)性是良好的。然而，在陽(yáng)極 側(cè)(用于化學(xué)氧化反應(yīng))，即使經(jīng)良好的表面處理，但經(jīng)幾百個(gè)小時(shí) 的工作后仍會(huì)出現(xiàn)腐蝕。本發(fā)明的目的是提供一種用于燃料電池組件的電化電池的氣體 分布板的配置，其避免了上述缺點(diǎn)，同時(shí)還盡可能地堅(jiān)固和相當(dāng)容易 地制造。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提供了一種用于燃料電池組件的流體分布板，包括由不 能被燃料電池組件中所使用的所有流體透過(guò)的導(dǎo)電材料制成的第一 板，所述分布板具有有效部分，所述有效部分是電化學(xué)反應(yīng)使用的氣體 分布在上面的表面，所述有效部分被所述周邊部分完全限界，所述第一 板在周邊部分處具有給定厚度e,，在有效部分處具有較小厚度e2，從而限定出凹部，柔性石墨箔施加在所述第一板的凹部的整個(gè)表面上，柔性石 墨箔的可見(jiàn)面具有用于一種流體的分布通道，所述通道完全形成在石墨 箔中，使得在有效部分中通道不與第一板的表面接觸。當(dāng)然，本發(fā)明應(yīng)用于雙極板，即一側(cè)形成燃料電池組件的基本電 化電池的陽(yáng)極、另一側(cè)形成相鄰基本電化電池的陰極的板。然而，本 發(fā)明也應(yīng)用于端板。事實(shí)上，本發(fā)明任何時(shí)候均可用于制造一種具f 內(nèi)部通道網(wǎng)絡(luò)的分布板，該通道網(wǎng)絡(luò)用于傳送由燃料電池組件消耗的多種氣體中的一種氣體，甚至是冷卻劑。


通過(guò)對(duì)附圖所示的一個(gè)實(shí)施例的詳細(xì)描述，可更好地理解本發(fā) 明，附圖包括圖1是分解圖，示出了根據(jù)本發(fā)明的分布板當(dāng)處于第一制造階段 時(shí)的各種組成元件；圖2示出了第一制造階段結(jié)束時(shí)獲得的結(jié)果；圖3是分解圖，示出了據(jù)本發(fā)明的分布板當(dāng)處于第二制造階段時(shí) 的各種組成元件；圖4示出了第二制造階段結(jié)束時(shí)獲得的結(jié)果；圖5示意性地示出了處于一種結(jié)構(gòu)下的根據(jù)本發(fā)明的分布板，其 中，所述分布板包括它的基本特征，且所述結(jié)構(gòu)在第三制造階段結(jié)束 時(shí)獲得；圖5A是沿圖5中的軸線所作的橫截面； 圖6是圖5中圓圈Z所標(biāo)示的區(qū)域的放大圖； 圖7是分解圖，示出了具有根據(jù)本發(fā)明的分布板的雙極板的各種 組成元件；以及圖8是透視圖，示出了圖7中的雙極板在組裝時(shí)所呈現(xiàn)出的狀態(tài)。
具體實(shí)施方式
現(xiàn)開(kāi)始描述分布板的中心處的凹部的一個(gè)特殊實(shí)施例，它是本發(fā) 明提供的多個(gè)顯著特征之一。第一板，即包括用于接納柔性石墨箔的 凹部的板，由底板11A和框架11B形成，這些被示于圖1中。對(duì)于第一板，優(yōu)選為不銹鋼的金屬材料例如用作不能被燃料電池組件中使 用的所有流體透過(guò)的導(dǎo)電材料。這種金屬材料使得分布板具有良好的 堅(jiān)固度。底板IIA和框架11B由合適厚度的平的不銹鋼片切割而成。例如，O.lmm厚度的片用于底板IIA。例如，0.6mm厚度的片用于框架 IIB。底板IIA和框架IIB例如通過(guò)釬焊疊放并緊固在一起。對(duì)于通 過(guò)釬焊使底板IIA和框架11B之間產(chǎn)生結(jié)合的更多細(xì)節(jié)，請(qǐng)?jiān)谙旅?參看圖7和8的描述，該描述解釋了通過(guò)釬焊將根據(jù)本發(fā)明的分布板 緊固到另一分布板12來(lái)制造雙極板。這些圖還示出了底板上的兩個(gè) 孔llla和lllb，它們構(gòu)成流體分布通道的一部分，這將在下面更清 楚地解釋。在底板IIA和框架11B它們的一側(cè)上存在具有橫截面相對(duì)較大 的三個(gè)開(kāi)口31、 31和33的區(qū)，而且，在相反側(cè)上還存在具有橫截面 相對(duì)較大的三個(gè)開(kāi)口 34、 35和36的另一區(qū)。所有開(kāi)口 31、 32、 33 和34、 35、 36分別與形成在燃料電池組件的多種組成元件中的相同 開(kāi)口對(duì)齊，以形成用于傳送流體的供送結(jié)構(gòu)開(kāi)口31和34例如用于 傳送氫氣，開(kāi)口 33和36例如用于傳送氧氣，開(kāi)口32和35可使冷卻 劑循環(huán)?？蚣軜?gòu)成周邊部分P和框架內(nèi)部，所述框架內(nèi)部的區(qū)域與有效部 分S對(duì)應(yīng)，并限定出凹部llv。底板IIA和框架11B的組件示于圖2 中，且構(gòu)成所謂的第一板ll，該第一板11在周邊部分P處具有給定 厚度e,。該厚度e〗對(duì)應(yīng)于底板11A的厚度和框架11B的厚度再加上 釬焊料的厚度，釬焊料的厚度實(shí)際中如果通過(guò)以下所述的技術(shù)執(zhí)行釬 焊則可以忽略。第一板11在有效部分S處具有較小的厚度e2 (即底 板IIA的厚度)。圖3示出了將施加在所述第一板11的凹部llv的整個(gè)表面上的 柔性石墨箔11C，以獲得圖4所示的組件。用于柔性石墨箔的合適材料是由SGL Carbon AG制造的"Sigraflex"的0.5mm的厚箔。最后，或較早地，用于一種流體的分布通道111壓印在石墨箔 IIC中。這可通過(guò)壓印實(shí)現(xiàn)。優(yōu)選地，首先可在石墨箔中形成分布通 道，然后將它加裝到凹部中。在所有情況下，均獲得了圖5中所示的 結(jié)果，它構(gòu)成根據(jù)本發(fā)明的分布板1的示例。從而，有效部分S中，在分布通道111中循環(huán)的流體不與第一板 ll的表面接觸，這可從圖5A中看出。分布通道形成在石墨箔的厚度 中。剩留了一定厚度的石墨111A，該石墨111A將通道111與底板 11A的表面隔離開(kāi)。石墨箔IIC對(duì)可能要在分布通道111中循環(huán)的流 體的化學(xué)侵蝕不敏感或幾乎不敏感。這為第一板11的材料提供了較 寬的選擇。在所述的示例性實(shí)施例中，鋼可用于底板11A。優(yōu)選地，周邊部分P，即在此處所述的實(shí)施例中的框架IIB，的 外面llo覆蓋有耐腐蝕涂層(見(jiàn)圖7)。如上所述，不必在底板11A 上提供這種涂層。優(yōu)選地，耐腐蝕涂層是非導(dǎo)電性的。在后一種情況 下，使耐腐蝕涂層也覆蓋著分布板的邊緣IIT具有大的優(yōu)點(diǎn)，這是因 為這樣使得燃料電池組件在已安裝和使用時(shí)可從外部接近的所有表 面電絕緣。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，如果凹部llv的底部也覆蓋有隨后嵌在第一板11和 柔性石墨箔11C之間的薄銅層(或鎳或金)，則改善了柔性石墨箔 IIC和第一板11之間的導(dǎo)電性。還應(yīng)當(dāng)指出，分布通道111的一端終止于孔llla中，另一端終 止于孔lllb中，所述兩個(gè)孔加工在底板11A中。為了知道孔llla 和lllb終止于何處，請(qǐng)參看下面對(duì)圖7和8的描述。為了使燃料電池組件更為氣密，柔性石墨箔iic優(yōu)選具有稍小于凹部的截面S的橫截面(即面積)，且柔性石墨箔IIC的邊緣和凹部的邊緣即框架11B的邊緣之間的間隙填充有填充材料IID，該填充材 料IID不能被要在通道中流動(dòng)的流體透過(guò)，這可從圖6中看出。該材 料可以是粘合劑，它有助于將柔性石墨箔11C固定到第一板11。為 此，粘合劑嵌在柔性石墨箔IIC和所述第一板之間的限于柔性石墨箔 11C的周邊11E的表面上。絕大部分的合適材料(環(huán)氧樹(shù)脂、硅)是 非導(dǎo)體體。驚奇地發(fā)現(xiàn)，當(dāng)根據(jù)本發(fā)明的分布板是用于分布由燃料電 池組件消耗的氣體的板時(shí)，使非導(dǎo)電粘合劑也嵌在柔性石墨箔和所述 第一板之間流體入口和出口孔眼lllb的整個(gè)周邊上是有利的。這降 低了這些位置處的電流強(qiáng)度，并增大了離子交換膜的壽命。圖7和8示出了通過(guò)將根據(jù)本發(fā)明的分布板1與另一分布板12 組裝起來(lái)形成的雙極板3。分布板1和分布板12在一側(cè)具有三個(gè)開(kāi)口 31、 32和33，在相 反側(cè)具有三個(gè)開(kāi)口 34、 35和36。 一個(gè)板11的開(kāi)口 31與另一板12 的開(kāi)口31對(duì)齊。該組開(kāi)口31、 32、 33和34、 35和36分別相應(yīng)地對(duì) 齊。開(kāi)口31和33的組合形成供送結(jié)構(gòu)，用于傳送多種氣體中的一種 氣體在一種情況下，開(kāi)口 31和33兩者之一 31傳送氫氣，兩者中 的另一個(gè)33傳送氧氣。開(kāi)口 34和36的組合形成供送結(jié)構(gòu)，用于返 回多種氣體中的一種氣體在一種情況下，開(kāi)口34和36兩者之一34 返回未被燃料電池組件消耗的氫氣，開(kāi)口 34和36兩者中的另一個(gè)36 返回未被燃料電池組件消耗的氧氣。而且，所有開(kāi)口 32形成傳送冷 卻劑的供送結(jié)構(gòu)，而所有開(kāi)口 35形成用于返回控制燃料電池組件的 溫度的冷卻劑的供送結(jié)構(gòu)。 j第二分布板12的一個(gè)面12i包括內(nèi)部通道122，所述內(nèi)部通道122設(shè)計(jì)成在第二板12的整個(gè)有效部分上分布用于控制燃料電池組件的溫度的冷卻劑?？籽踠lla與在面12i上凹進(jìn)的通道部分lllc的 端部對(duì)齊?？籽踠llb與在同一面12i上凹進(jìn)的通道部分llld的端部 對(duì)齊。這些通道部分lllc和llld分別相應(yīng)地與開(kāi)口 31和34連通。 這在第一分布通道111和所述供送結(jié)構(gòu)之間提供連通。第二分布板12的另一面(未示出)上設(shè)置有與分布通道111類(lèi) 似的第二分布通道，且也設(shè)計(jì)成在第二分布板12的整個(gè)有效部分上 分布燃料電池組件所使用的兩種氣體中的另一種氣體。第二板12的 開(kāi)口 33和36分別相應(yīng)地與通道部分121c和通道部分121d連通，所 述兩個(gè)通道部分凹進(jìn)在面12i中。通道部分121c和121d分別相應(yīng)地 終止于孔眼121a和121b中，所述孔眼121a和121b貫穿第二板12 的厚度，以使用于傳送氣體的第二通道與所述供送結(jié)構(gòu)連通。根據(jù)本發(fā)明的組裝方法如下。釬焊片(或焊膏)2置入分布板1 和第二分布板12之間。 一種有利的解決方案是如上所述地使分布板 使用不銹鋼，釬焊片2使用銅(純的或合金的)。在分布板1和12 已與釬焊片2接觸之后，該組件被加熱到釬焊金屬的熔點(diǎn)，在冷卻之 后，獲得雙極板3，所述雙極板3包括位于通道111的一個(gè)面上的 例如陽(yáng)極氣體回路、位于通道的另一個(gè)面上的陰極氣體回路、和在組 裝后看不見(jiàn)的通道122的板之間的冷卻劑回路。如上所建議的，因此， 可有利地利用相同的釬焊技術(shù)組裝底板IIA和框架IIB，以形成所述 第一板11。根據(jù)本發(fā)明的雙極板用于與形成電化電池的元件組合。公知基本 電化電池9目前(此不以任何方式限制本發(fā)明)通常由重疊的五層形 成離子交換聚合物膜、由發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)所需的化學(xué)元素例如鉑制 成的兩個(gè)電極、和兩個(gè)氣體擴(kuò)散層，所述氣體擴(kuò)散層用于確保由雙極板的通道網(wǎng)絡(luò)傳送的氣體均勻擴(kuò)散在離子交換膜的整個(gè)表面上。因此，由于本發(fā)明，對(duì)于每個(gè)分布板的基本組成材料，可選擇具 有足夠高的機(jī)械性能的導(dǎo)電材料，所述高的機(jī)械能夠不僅用于使得可 傳遞燃料電池組件的服役應(yīng)力，而且用于使分布板可自動(dòng)制造。這種 自動(dòng)制造設(shè)想通過(guò)制造機(jī)器人處理，由于這種處理因底板的組成材料 的堅(jiān)固性而幾乎不需要預(yù)防措施，因此，自動(dòng)制造的執(zhí)行只是較簡(jiǎn)單 的、較可靠的和更經(jīng)濟(jì)的。
權(quán)利要求
1.一種用于燃料電池組件的流體分布板(1)，包括由不能被燃料電池組件中使用的所有流體透過(guò)的導(dǎo)電材料制成的第一板(11)，所述分布板具有有效部分(S)，所述有效部分(S)是電化學(xué)反應(yīng)所使用的氣體分布在上面的表面，所述有效部分(S)被周邊部分(P)完全限界，所述第一板在周邊部分處具有給定厚度e1，在有效部分處具有較小厚度e2，從而限定出凹部(11v)，柔性石墨箔(11C)施加在所述第一板(11)的所述凹部的整個(gè)表面上，柔性石墨箔的可見(jiàn)面具有用于一種流體的分布通道(111)，所述通道完全形成在石墨箔中，使得在有效部分(S)中通道與第一板的表面不接觸。
2. 如權(quán)利要求1所述的分布板，其特征在于，它具有內(nèi)面(Hi) 和外面(llo)，所述外面(llo)用于與離子交換膜配合，所述柔性石 墨箔可從面向外面(llo)的一側(cè)看見(jiàn)，所述通道是用于電池消耗的第一 氣體的分布通道(111)。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的分布板，其特征在于，第一板(11)由 金屬材料制成。
4. 如權(quán)利要求3所述的分布板，其特征在于，第一板由不銹鋼制成。
5. 如權(quán)利要求3和4中任一所述的分布板，其特征在于，周邊部分 (P)的外面(llo)覆蓋有耐腐蝕涂層。
6. 如權(quán)利要求5所述的分布板，其特征在于，所述耐腐蝕涂層是導(dǎo) 電的。
7. 如權(quán)利要求5和6中任一所述的分布板，其特征在于，所述耐腐 蝕涂層也覆蓋著所述分布板的邊緣(11T)。
8. 如權(quán)利要求1至7中任一所述的分布板，其特征在于，柔性石墨 箔(11C)具有稍小于所述凹部的截面(S)的橫截面，且柔性石墨箔(11C) 的邊緣與周邊部分(P)的邊緣之間的間隙填充有不能被用于在通道中流 動(dòng)的流體透過(guò)的填充材料(11D)。
9. 如權(quán)利要求8所述的分布板，其特征在于，所述填充材料(11D) 是非導(dǎo)電的粘合劑，所述粘合劑還嵌在柔性石墨箔和所述第一板之間的 限于柔性石墨箔G1C)的周邊(11E)的表面上、包括流體入口和出口 孔眼的整個(gè)周邊上。
10. 如權(quán)利要求4所述的分布板，其特征在于，所述凹部的底部覆 蓋有嵌在第一板和柔性石墨箔之間的薄銅層。
11. 如權(quán)利要求1至10中任一所述的分布板，其特征在于，它包括 由導(dǎo)電材料制成的第二分布板(12)，所述第二分布板(12)具有外面(12o)和用于施加到第一板(1)的內(nèi)面(lli)上的內(nèi)面(12i)，用 于循環(huán)冷卻劑的通道(122)設(shè)在第二板(12)的內(nèi)面(12i)上，所述 板經(jīng)由覆蓋第一板和第二板中的每一個(gè)板的整個(gè)內(nèi)面的均勻的導(dǎo)電連接 材料層連接起來(lái)，以形成雙極板(3)。
全文摘要
用于燃料電池組件的流體分布板(1)包括由不能被燃料電池組件中使用的所有流體透過(guò)的導(dǎo)電材料制成的第一板(11)，所述分布板具有有效部分(S)，所述有效部分(S)是電化學(xué)反應(yīng)所使用的氣體分布在上面的表面，所述有效部分(S)被周邊部分(P)完全限界，所述第一板在周邊部分處具有給定厚度e₁，在有效部分處具有較小厚度e₂，使得從面向外面的一側(cè)形成凹部、和具有平的內(nèi)表面，柔性石墨箔(11C)施加在所述第一板(11)的所述凹部的整個(gè)表面上，柔性石墨箔的可見(jiàn)面具有用于一種流體的分布通道(111)，所述通道完全形成在石墨箔中。
文檔編號(hào)H01M8/10GK101237053SQ200810002280
公開(kāi)日2008年8月6日 申請(qǐng)日期2008年1月8日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月9日
發(fā)明者A·德?tīng)柗浦Z, D·奧爾索默, F·布其 申請(qǐng)人:米其林技術(shù)公司;米其林研究和技術(shù)股份公司;保羅·謝爾研究所