專利名稱：采用集流控制方式的塑料小板燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種塑料薄片燃料電池，更具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及由多層薄片構(gòu)成、具有集流控制結(jié)構(gòu)的燃料電池以及制造和使用這種集流控制電池的方法。利用本發(fā)明原理的一個(gè)具體實(shí)例是一種氫-空氣/O2燃料電池，它將多復(fù)合隔板作為一個(gè)流動(dòng)控制芯，外加金屬或其他導(dǎo)電型的表面薄片使其具有集流器的功能，此多復(fù)合隔板由粘結(jié)著的塑料薄片構(gòu)成。這些塑料薄片上分別構(gòu)成微通道區(qū)與反應(yīng)氣體區(qū)、冷卻區(qū)以及增濕區(qū)。本發(fā)明中典型的集流控制塑料薄片電池的正常工作溫度范圍在50～150℃之間，用于靜止和移動(dòng)燃料電池站的電池在開(kāi)環(huán)或閉環(huán)組態(tài)下輸出功率均在0.25-1.0kW/kg(0.5-1.0kW/L)數(shù)量級(jí)。在整個(gè)燃料電池疊層中，集流控制薄片和隔板可根據(jù)其在電池疊層中的不同位置來(lái)調(diào)整以滿足變化的溫度和濕度的需要。本發(fā)明的背景技術(shù)燃料電池將氫氣或碳酸鹽燃料直接轉(zhuǎn)化成電能，在理論上已顯示出巨大的應(yīng)用前景，但由于技術(shù)上的問(wèn)題和經(jīng)濟(jì)上的考慮，商業(yè)上仍未大量使用。在氫-空氣/O2燃料電池領(lǐng)域，電池的比能量，也就是每千克的輸出功率千瓦一直較低，電池的使用壽命也較短?，F(xiàn)有的技術(shù)水平使燃料電池在使用過(guò)程中常常因?yàn)榇呋瘎┗螂娊饽げ糠直欢净饶芰拷档?，而且由于電池?nèi)部燃料氣體分布不均勻產(chǎn)生局部過(guò)熱導(dǎo)致電池失效之類的情況時(shí)有發(fā)生。
其中最重要和最有希望用于靜止和移動(dòng)電站的一類燃料電池是低溫H2/O2燃料電池，在電池的電極之間有一兩邊都鍍覆了一層貴金屬催化劑的固體高分子聚合物質(zhì)子交換膜。這些燃料電池以H2作為燃料，或直接提供氫或在電池內(nèi)部通過(guò)電解等化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氫，例如采用金屬氫化物或改性的碳?xì)浠衔锂a(chǎn)生氫。氧化劑是O2或適合的空氣。水被用來(lái)冷卻和增濕膜，以防止膜過(guò)度干燥而失去功效或開(kāi)裂和拉伸引起結(jié)構(gòu)破壞。通常，陽(yáng)極一邊由于以下一些因素最先干燥從陽(yáng)極到陰極的電滲析作用；氣體的供應(yīng)量高于電化學(xué)反應(yīng)速率；陰極一邊的空氣或氧氣氣流帶走了通過(guò)交換膜來(lái)自氫氣陽(yáng)極邊的水和水蒸汽。因而，燃料電池疊層中的燃料氣體需要被增濕以降低脫水效應(yīng)。冷卻水可散去電池中電化學(xué)催化緩慢燃燒產(chǎn)生的過(guò)量熱量。在一些設(shè)計(jì)中，冷卻水被用來(lái)增濕反應(yīng)物氣體。
現(xiàn)已有一些適合的電極薄膜件(電極膜組合件)可用于這種低溫燃料電池。一種是新澤西州Belleview市的氫能源公司生產(chǎn)的，它用DuPont NAFION牌的全氟磺化碳?xì)浠衔镒鹘粨Q膜，并在膜上鍍覆鉑作催化劑。另外一種是Dow Chemical提供的已在美國(guó)專利US5,316,869報(bào)道的全氟磺化高分子聚合物，它可承受的電流密度為4000 amps/s.f.，對(duì)應(yīng)的單體電池電壓超過(guò)0.5V，電池疊層比能量超過(guò)2kW/s.f.。
目前燃料電池疊層通常的設(shè)計(jì)方式是Ballard燃料電池疊層，它具有35個(gè)活性電化學(xué)室，19個(gè)熱控制室，和14個(gè)反應(yīng)物增濕室，在許多1/4英寸厚的石墨電極板之間使用鍍鉑的NAFION-117電極膜。據(jù)報(bào)道，這種燃料電池疊層總體積超過(guò)0.5立方英尺，重量94磅，輸出功率3kW。
然而，石墨電極板必須具有一定的厚度才能保持結(jié)構(gòu)完整和防止反應(yīng)物滲透。也就是說(shuō)，由于石墨相對(duì)于H2和O2是一個(gè)多孔的物質(zhì)，它至少需要0.060英寸的厚度，才能將反應(yīng)物的滲透控制在允許的范圍之內(nèi)。此外，石墨較脆，當(dāng)電池疊層結(jié)構(gòu)緊密時(shí)，石墨層容易開(kāi)裂。石墨電極熱傳導(dǎo)和導(dǎo)電性差，容易引起局部過(guò)熱和斷路。同時(shí)它很難制造，特別是其中的氣體分布通道很難加工。這種燃料電池疊層的輸出功率相對(duì)較低，在0.03kW/lb數(shù)量級(jí)。在上面引用的例子中，非活性的冷卻室和增濕室的數(shù)量幾乎和活性電化學(xué)室的數(shù)量相同。這實(shí)際上就使電池疊層中密封材料的數(shù)目增大了一倍，因而降低了電池疊層的可靠性和性能。
前面提到的美國(guó)專利US 5,316,869沒(méi)有提供改善石墨電極燃料電池疊層設(shè)計(jì)的辦法，它涉及的只是電池疊層外部閉環(huán)系統(tǒng)的微處理器控制。
因而，有必要對(duì)燃料電池的設(shè)計(jì)及制造和使用燃料電池的方法進(jìn)行改進(jìn)，以克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題。
發(fā)明概述本發(fā)明的目的在于改進(jìn)由多個(gè)單體電池疊層成的燃料電池疊層，每個(gè)單體電池包含一系列相互連接的塑料、陶瓷、和金屬薄片，以具有集流控制(Integrated Fluid Management，IFM)功能。本發(fā)明還涉及燃料電池疊層設(shè)計(jì)、制作、薄片成型、用薄片裝配和粘結(jié)成單元極隔板(分電池疊層)的方法以及利用集流控制技術(shù)和本發(fā)明的金屬和塑料薄片制作的燃料電池疊層的使用方法。
更進(jìn)一步地說(shuō)，本發(fā)明介紹的技術(shù)不僅適合以H2和空氣/O2作燃料的質(zhì)子交換膜燃料電池(這是最恰當(dāng)?shù)?，同樣適用于熔融碳酸鹽和固體氧化物型堿性燃料電池以及和燃料電池一起使用的重整爐。諸如NH3/O2、H2/Cl2、H2/Br2、CH3OH/O2等各類其他燃料/氧化劑組合也能使用，其中的O2包括空氣。應(yīng)當(dāng)明白，這里所說(shuō)的燃料電池不僅包括一個(gè)或多個(gè)單體電池，而且包括末端都與電流集流板相連的電池組，每個(gè)單體電池包含一個(gè)與適當(dāng)電極膜相接觸的雙極隔板。
本發(fā)明中的燃料電池由一個(gè)或多個(gè)單體電池疊層成，每個(gè)單體電池依次包含一對(duì)雙極隔板，其間插入一電極膜組合件(EMA)。隔板可以是單極(用于兩邊電極板)，也可以是雙極，其一邊是陽(yáng)極(H2)，另一邊是陰極(O2)。本發(fā)明中每個(gè)單極或雙極隔板依次帶有一個(gè)流動(dòng)控制芯組合件(FMCA)，夾于一對(duì)微孔篩網(wǎng)薄片(MSP)之間。每個(gè)流動(dòng)控制芯組合件和微孔篩網(wǎng)薄片由相互接觸的多層薄片制成，最好粘結(jié)成一個(gè)單一的整體。微孔篩網(wǎng)薄片作為電流集流器，將電子傳輸?shù)竭吘墝?dǎo)體(電橋、接頭、彈簧夾、邊緣接線、折疊的導(dǎo)電電橋、邊緣匯流條等)和內(nèi)部匯流條上，它由金屬或?qū)щ娝芰系葘?dǎo)電材料構(gòu)成。微孔篩網(wǎng)薄片可以設(shè)計(jì)成具有窗框結(jié)構(gòu)，凹進(jìn)或插入的中間部分由四周的框架固定。在匯流條實(shí)例中，窗框框架是塑料或陶瓷等非金屬材料，而中間部分是導(dǎo)電性的，如導(dǎo)電塑料、金屬、石墨、含金屬石墨紙等。取名微孔篩網(wǎng)薄片，就意味著它是片狀結(jié)構(gòu)，允許分布的氣流通過(guò)，如其上有很多小孔和通道的紡織或無(wú)紡片狀材料。
流動(dòng)控制芯組合件由多層薄片構(gòu)成，薄片最好是不導(dǎo)電的塑料、陶瓷或其他適合的材料，其上有大量交錯(cuò)的微槽作為流動(dòng)分布通道，這些通道最好借助模壓成型形成貫通結(jié)構(gòu)和部分深度結(jié)構(gòu)，也可通過(guò)注射成型、激光燒蝕或切削、鏤刻、溶劑侵蝕、壓、沖或其他壓制方法形成貫通結(jié)構(gòu)和部分深度結(jié)構(gòu)。相鄰的薄片要具有配位的部分深度結(jié)構(gòu)(即半通道)，一旦粘結(jié)在一起，就能為氣體、冷卻劑、和水蒸汽提供流動(dòng)通道，從橫截面上看，通道通常是圓形或橢圓形，否則，由于它們是連續(xù)的、正弦曲線形、和分枝形的結(jié)構(gòu)，這些通道是不能構(gòu)造出的。薄片集流控制回路是由貫通結(jié)構(gòu)和部分深度結(jié)構(gòu)決定的。這些結(jié)構(gòu)的組合用于建立具有流動(dòng)區(qū)、停閉、集流管、通孔(vias)、通孔基底(via bases)、通道、濾器、測(cè)量管口、混料器、氣流分割器、分流器、導(dǎo)帶，支柱(islands)，NACA口，和附壁效應(yīng)的流動(dòng)控制回路。制作流動(dòng)控制芯組合件最好的材料是塑料，因而本發(fā)明涉及塑料薄片燃料電池。這些塑料流動(dòng)控制芯組合件和微孔篩網(wǎng)簿片窗框薄片或其組合也可通過(guò)激光蝕刻法制作，用激光束撞擊單體或預(yù)聚物，通過(guò)光致聚合作用將單體轉(zhuǎn)化成一個(gè)牢固的結(jié)構(gòu)，并一層一層增加。這項(xiàng)技術(shù)可用于單獨(dú)的薄片的制作，也可用于制作整個(gè)流動(dòng)控制芯組合件，這樣就不需要將單個(gè)的薄片粘結(jié)在一起，但是在制作過(guò)程中微槽和通道必須建于流動(dòng)控制芯組合件內(nèi)部。
當(dāng)兩個(gè)單極隔板與處于其間的一個(gè)電極膜組合件組合時(shí)，就構(gòu)成了一個(gè)電化學(xué)電池。將這些電池排成一列，用粘結(jié)或夾緊固定的辦法將其組合在一起，并在電池之間有選擇的添加密封材料，就形成了一個(gè)燃料電池疊層，即一個(gè)完整的燃料電池。
在典型的例子中，所有燃料電池疊層中構(gòu)成一個(gè)單獨(dú)電池隔板組件所需薄片的數(shù)量在3-10片之間，最好在4-7片。電極膜組合件被放在兩個(gè)相鄰的極隔板之間，最好是嵌入陰極和陽(yáng)極的凹槽中?，F(xiàn)有最好的電極膜組合件由2-17mil厚的全氟磺化膜構(gòu)成，膜的兩邊涂覆了一層以溶劑形式混合的超細(xì)鉑黑和碳黑，又外罩了一層10mil厚的帶有Teflon憎水粘合劑的、孔隙率為65％的石墨紙。
以下，我們只利用一個(gè)雙極氫氣/空氣或氧氣燃料電池來(lái)介紹本發(fā)明中IFMT燃料電池的原理，這個(gè)電池使用鉑黑/NAFION制備的電極膜組合件，操作溫度范圍在70-115℃之間。
本發(fā)明中塑料薄片設(shè)計(jì)的一個(gè)重要特點(diǎn)是大大改進(jìn)了氣體和電解膜的溫度和濕度控制，使本發(fā)明中薄片構(gòu)成的燃料電池的輸出功率同現(xiàn)有技術(shù)水平相比，有了很大地提高。在一個(gè)最佳的實(shí)例中，表面導(dǎo)電(集流器)薄片由金屬制作，通常是鋁、銅、不銹鋼、鈮或鈦，而流動(dòng)控制芯板由塑料制作，通常是諸如聚碳酸酯、聚酰胺、聚苯乙烯、polyplefin、PVC、尼龍或共聚物、三元共聚物等填充塑料或純塑料。金屬薄片使表面具有導(dǎo)電性，通向邊緣導(dǎo)電電橋或?qū)щ妳R流橋。金屬表面薄片包覆或夾在流動(dòng)控制塑料芯板兩邊。金屬集流器薄片在裝配進(jìn)雙極隔板之后，最好在裝配之前進(jìn)行滲氮等處理，以提高其耐蝕性能。
薄片制成以后，用適當(dāng)?shù)慕M合粘結(jié)劑將它們層層粘結(jié)在一起，加熱加壓后形成極隔板組。然后，將電極膜組合件嵌入隔板上所選的特殊的膜凹處和窗框凹處，形成單獨(dú)的電化學(xué)電池，然后將多個(gè)電化學(xué)電池疊層合在一起形成燃料電池疊層。整個(gè)電池疊層需在一定壓力下壓合以提高密封性，如借助螺拴、螺母、和恒壓裝置以及必要的密封材料形成一個(gè)完全統(tǒng)一的燃料電池疊層。
可利用的固體多孔的高聚物質(zhì)子交換膜有很多，通常的磺化氟碳化合物膜是由Dow Chemical公司、Aaahi Chemical公司、Gore或DuPont公司生產(chǎn)的，目前最好的是duPont公司的NAFION。膜的兩邊鍍覆了一層貴金屬催化劑，如Pd、Pt、Rh、Ru和貴金屬氧化物或它們的化合物。新澤西Belleview的H能源公司生產(chǎn)的膜是這種類型中最好。電極膜組合件中其他類型的膜有多孔的碳或石墨薄片，或鍍覆催化劑的聚咪唑膜。
雖然一種具體類型的膜和制造商能改善電池的某些性能，本發(fā)明不依靠任何一種類型的膜或電極膜組合件。本發(fā)明的集流控制技術(shù)、塑料薄片方法適用于一大類燃料電池，并由此改善了電池性能。
對(duì)燃料電池的外部構(gòu)造而言，塑料薄片技術(shù)提供了各式各樣的微型通道設(shè)計(jì)，因而氣體的分布與流動(dòng)更加有效，不存在燃料和氧氣缺乏的現(xiàn)象，具有更優(yōu)良的熱交換和增濕控制，電流的輸出更加平穩(wěn)。
本發(fā)明中集流控制塑料薄片技術(shù)的一個(gè)重大優(yōu)點(diǎn)就是它能使燃料電池的生產(chǎn)自動(dòng)化，利用高效的光蝕刻、侵蝕、壓、鏤刻、或沖工藝將通常4-40mil厚的薄金屬片和塑料片制成薄片。鏤刻、模壓成型、注射成型、或數(shù)控磨最適宜用來(lái)制造塑料流動(dòng)控制芯組合件。
集流控制薄片技術(shù)一個(gè)明顯的工業(yè)適用性和技術(shù)優(yōu)勢(shì)是它在用光蝕刻法進(jìn)行隔板組設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)塑料和金屬薄片都能作出迅速的變化。一個(gè)單獨(dú)的工廠能夠進(jìn)行多種型號(hào)燃料電池的設(shè)計(jì)，而不需通常生產(chǎn)中所需的很高的支出。這就是說(shuō)，即使生產(chǎn)很少量的不同型號(hào)的燃料電池，也是經(jīng)濟(jì)可行的。此外，資本投資明顯減少，因?yàn)樯a(chǎn)設(shè)備僅限于光刻、掩模、侵蝕、或沖壓設(shè)備。
根據(jù)光刻“印刷”工藝的例子，隔板的多層薄片能被精確地設(shè)計(jì)成一個(gè)大的形式，照相似的模壓并從連續(xù)的金屬、塑料、或?qū)щ娝芰暇碇袥_壓、鏤刻、或模壓成板。另外一種也是目前最好的方式是，集流器金屬片用保護(hù)層作光刻掩模，蝕刻形成流動(dòng)控制微槽，光刻掩模層可用化學(xué)法或物理法去除，然后清洗薄片。塑料控制芯薄片是用塑料薄片模壓成型的。塑料控制芯薄片成型的替代方法是滾輪鏤刻、注射成型、或沖壓。最好的鏤刻和壓制成型方法是在金屬上光刻，正如以上介紹的用負(fù)的掩模代替正的掩模，反之亦然。
做好的薄片裝配形成隔板，放入具有一定壓力的烘箱中，在一定的溫度和壓力下，按照一定的形式，層與層之間相互粘結(jié)起來(lái)，形成一個(gè)整體的復(fù)合隔通板組件，它的表面導(dǎo)電，內(nèi)部有復(fù)雜的塑料控制芯微通道，包括在不同水平相互正交的通道，不同的氣體、水、或其他冷卻劑就通過(guò)這些通道流動(dòng)。層間粘合用的粘結(jié)劑助劑、如粘接劑、溶劑、或膠水被涂在塑料薄片和金屬薄片的表面以利于粘結(jié)和密封。如果需要，由具體的金屬和塑料芯決定具體選用的粘結(jié)劑助劑。
金屬表面薄片要用特殊的化學(xué)方法處理，形成一鈍化或耐蝕導(dǎo)電層。在最佳的實(shí)例中，將鈦微孔篩網(wǎng)薄片放入高溫氮?dú)鈿夥罩校c鈦發(fā)生反應(yīng)，使所有暴露在外的表面包括內(nèi)部氣體和水的通道，形成了一層鈍化、防腐、并導(dǎo)電的氮化鈦層。
薄片極隔板的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)能在一條連續(xù)的生產(chǎn)線上完成，類似于一條PC板生產(chǎn)線。電極膜組合件插在兩個(gè)單獨(dú)的雙極隔板之間，將單體電池疊層合在一起，然后加上最外部的端板，就形成了一個(gè)完整的燃料電池疊層，這個(gè)電池疊層要用螺栓和螺母或其他恒壓裝置緊合在一起，使其具有氣密性。連接電流引線、反應(yīng)物氣體、和冷卻水，引入氣體或液體燃料，這個(gè)燃料電池就算完成了。
在本發(fā)明通常的4板IFMT雙極隔板組件中，有4塊不同的薄片，其中薄片1和4與一個(gè)電橋連接，而板2和3之間互不相同。這4塊薄片按順序依次是1、陽(yáng)極金屬微孔篩網(wǎng)薄片(提供從電極膜組合件出來(lái)的電流導(dǎo)體)；2、陽(yáng)極流動(dòng)區(qū)塑料薄片(提供陽(yáng)極流動(dòng)區(qū)分布，陽(yáng)極反應(yīng)物增濕和陰極水循環(huán))；
3、陰極流動(dòng)區(qū)塑料薄片(提供隔板、電池散熱控制，陰極流動(dòng)區(qū)分布，陰極反應(yīng)物增濕和陽(yáng)極水循環(huán))；4、陰極金屬微孔篩網(wǎng)薄片(提供進(jìn)入電極膜組合件的電流導(dǎo)體)。
在沿邊的導(dǎo)電實(shí)例中，兩個(gè)微孔篩網(wǎng)集流動(dòng)薄片被連接在至少一個(gè)邊緣電橋上，以確保電子由陽(yáng)極流向陰極。
電流電橋允許通過(guò)的最大電流可用一個(gè)或多個(gè)電流片迭加并電焊在一起來(lái)提高，以確保通過(guò)隔板的導(dǎo)電性。
在匯流條實(shí)例中，兩個(gè)微孔篩網(wǎng)集流動(dòng)薄片被連接在至少一個(gè)，最好是兩個(gè)匯流條上，橫著通過(guò)流動(dòng)控制芯隔板，使電子能從陽(yáng)極流向陰極。至少有一個(gè)，最好兩個(gè)與陽(yáng)極和陰極電焊在一起的匯流條處于塑料芯薄片中，確保通過(guò)隔板的導(dǎo)電性。
我們可通過(guò)一個(gè)例子來(lái)詳細(xì)介紹薄片的制作過(guò)程，并以此來(lái)證明在電池層層粘結(jié)的過(guò)程中，沒(méi)有微通道坍塌和填滿的現(xiàn)象發(fā)生。
在上述兩個(gè)雙極隔板的例子中，薄片1和薄片4每個(gè)大約12mil厚，薄片2和薄片3每個(gè)分別是35和45mil厚。將這些薄片層層粘合在一起并壓緊到一定程度，整個(gè)雙極隔板的厚度大約是100mil。
在并入安放電極膜組合件的窗框凹陷例子中，陽(yáng)極凹陷和陰極凹陷的深度是11mil深，用以容納11mil厚的電極膜組合件石墨紙電極。整個(gè)電極膜組合件的厚度在一定程度上決定于石墨紙電極、催化劑漿和膜的厚度，一般在26-30mil數(shù)量級(jí)。最好的Dupont生產(chǎn)的NAFION膜，兩邊鍍覆有分散著鉑黑催化劑的碳黑，厚度大約是4-5mil，膜外部石墨/特氟隆紙層的厚度大約是11mil。石墨紙大約有65％的孔洞，使反應(yīng)物氣體具有良好和均勻的分布。在陽(yáng)極一邊，電子通過(guò)石墨紙離開(kāi)電解膜上的催化反應(yīng)點(diǎn)到達(dá)隔板上的導(dǎo)帶溢出，作為燃料電池的輸出。電子經(jīng)由陰極從外電路返回。在陰極一邊，電子通過(guò)石墨紙從隔板上的導(dǎo)帶到達(dá)電解膜的催化反應(yīng)點(diǎn)。
燃料電池的多個(gè)雙極隔板組的兩個(gè)末端是由陽(yáng)極或陰極單極隔板構(gòu)成的末端板，此板也具有電極集流器的功能。對(duì)于單極陽(yáng)極隔板，我們用一個(gè)陽(yáng)極微孔篩網(wǎng)(薄片1)；一個(gè)陽(yáng)極流動(dòng)區(qū)薄片(薄片2)；以及單側(cè)的陰極薄片，也就是帶有陰極流動(dòng)區(qū)回路封閉端(面)的陰極流動(dòng)區(qū)薄片(薄片3)的冷卻回路。對(duì)于單極陰極隔板，我們用一個(gè)單側(cè)薄片，也就是帶有陽(yáng)極流動(dòng)區(qū)封閉端(面)的陽(yáng)極流動(dòng)區(qū)薄片(薄片2)；一個(gè)陰極流動(dòng)區(qū)薄片(薄片3)；以及一個(gè)陰極微孔篩網(wǎng)薄片(薄片4)。在邊緣導(dǎo)電和匯流條導(dǎo)引的實(shí)例中，末端板將電能輸向外部載荷。這兩個(gè)實(shí)例都用了相同設(shè)計(jì)和組成的末端板。
在另一個(gè)不需將反應(yīng)物氣體增濕的例子中，使用了一個(gè)4板雙極隔板組，薄片的順序如下1、陽(yáng)極金屬微孔篩網(wǎng)薄片(提供從電極膜組合件出來(lái)的電流導(dǎo)體)；2、陽(yáng)極塑料流動(dòng)區(qū)薄片(提供陽(yáng)極流動(dòng)區(qū)分布和陰極水循環(huán))；3、陰極塑料流動(dòng)區(qū)薄片(提供隔板、電池散熱控制，陰極流動(dòng)區(qū)分布和陽(yáng)極水循環(huán))；4、陰極金屬微孔篩網(wǎng)薄片(提供進(jìn)入電極膜組合件的電流導(dǎo)體)。
以上兩個(gè)4板組合，電流的傳輸都是利用前面描述的邊緣導(dǎo)電和匯流條導(dǎo)電機(jī)理完成的。
組合隔板(多個(gè)薄片組件)大約100mil厚，重3-6oz(85-170grams)，這取決于所用極板和材料的厚度和數(shù)量。在一個(gè)燃料電池疊層中，通常是每千瓦10個(gè)隔板。制好的雙極隔板與電極膜組合件交替裝配在螺栓上，使其對(duì)齊和壓緊。在螺栓上裝配后，裝上厚度約為1.5英寸的施壓端板，擰緊螺栓，施加的壓力為50-200psi，形成一個(gè)單一完整的燃料電池疊層。電池在1-65psi的操作壓力下，能很容易地獲得70-150安培的電流，電池的電壓由電池疊層的數(shù)量決定。為了密封相鄰的隔板組件，將相互連接、高度在1-2mil的密封脊(橫截面通常是三角形)蝕刻，擠壓，或模塑在包圍著多個(gè)集管和流動(dòng)區(qū)的密封面(外表面)上，以至這個(gè)密封脊與相鄰隔板組的對(duì)應(yīng)密封脊或適合的末端板充分閉鎖。
本發(fā)明中IFMT薄片設(shè)計(jì)的燃料電池能附帶一個(gè)重整爐以提供H2，例如利用一個(gè)欠氧化爐和蒸汽經(jīng)由蒸汽轉(zhuǎn)化過(guò)程來(lái)制備H2、O2、和CO2。其他任何一種欠碳重整爐都能用來(lái)與本發(fā)明中IFMT薄片電池相結(jié)合。
本發(fā)明中薄片的一個(gè)關(guān)鍵特點(diǎn)是將氣體和水的分布通道聯(lián)合使用，這些通道由對(duì)應(yīng)的半通道組成。其中半通道的每對(duì)坐標(biāo)相反的吻合表面(即毗彼薄片的彼此面對(duì)且彼此接觸的吻合表面要對(duì)準(zhǔn))，傳輸集管也同樣按此種方式形成?？梢缘詈脴O板外圍形成密封脊，有利于相鄰電池疊層件的密封。
使PEM電池具有高效、大功率輸出的關(guān)鍵是正確的熱平衡和水化作用，這由均勻的氣體流動(dòng)控制?，F(xiàn)有的PEM燃料電池存在熱控制和水平衡能力差，石墨的延展性和導(dǎo)電性低，有限的可測(cè)量性和反應(yīng)物過(guò)量消耗等問(wèn)題。在PEM燃料電池中正確的熱控制十分關(guān)鍵。最好的膜的最大使用溫度范圍在90-98℃，高于這一溫度，就會(huì)破壞離子移動(dòng)的孔結(jié)構(gòu)，而使膜永久損壞。同石墨PEM電池中每4-5個(gè)隔板連接一個(gè)熱交換器相比，本發(fā)明中的IFMT塑料薄片燃料電池具有集成在每個(gè)雙極隔板中的熱交換器，因而我們的燃料電池疊層很容易做成一個(gè)很大的型號(hào)，因?yàn)闊峤粨Q器隨之增大。針對(duì)不同類型的膜和燃料電池以及電池疊層內(nèi)單體電池的位置，我們能隨意設(shè)計(jì)熱交換器，所以我們能使用高性能的電極膜組合件，產(chǎn)生高的比能量。
關(guān)于水平衡，集成在每個(gè)隔板中的增濕系統(tǒng)維持了更好的水平衡，因?yàn)槊總€(gè)增濕系統(tǒng)是不同的，以滿足燃料電池中陽(yáng)極和陰極邊的不同需要。陽(yáng)極邊的水可通過(guò)膜利用電滲析壓送和干的反應(yīng)物氣流去除。陰極一邊，由電滲析抽送和反應(yīng)生成的水都可通過(guò)干的空氣/O2氣流去除。
同石墨PEM燃料電池相比，本發(fā)明中的金屬、塑料IFMT復(fù)合隔板導(dǎo)電性提高30多倍。因而減少了在高電流密度下燃料電池疊層的I2R損失。這些損失降低了電池應(yīng)有的電壓和功率。復(fù)合隔板較低的內(nèi)阻使電流分布更加均勻，因而減少了電池中局部過(guò)熱和斷路現(xiàn)象的發(fā)生。石墨隔板在一定壓力下才能密封，但壓力以某種非線性方式影響著石墨的電阻。石墨的這種特性使石墨燃料電池很難有均勻地輸出。相反，復(fù)合隔板具有優(yōu)良的熱交換和導(dǎo)電性，減少了局部過(guò)熱和斷路的現(xiàn)象。
石墨對(duì)H2、O2和空氣來(lái)說(shuō)是多孔性的，這降低了石墨燃料電池的化學(xué)效率，因?yàn)橐恍〩2被無(wú)效地消耗，甚至導(dǎo)致一些破壞性的氧化反應(yīng)。為克服石墨的多孔問(wèn)題，常常使用一些不導(dǎo)電的塑料粘合劑，這進(jìn)一步降低了隔板的導(dǎo)電性。另一種常常用來(lái)減少石墨板孔隙的方法是增加板的厚度，但這對(duì)熱傳導(dǎo)和電導(dǎo)帶來(lái)不利影響。
當(dāng)燃料電池進(jìn)行必要的密封以防止氣體泄漏時(shí)，常處于壓緊狀態(tài)，如在1-60psi，此時(shí)石墨隔板也容易破裂。這嚴(yán)重制約了燃料電池疊層中單體電池的數(shù)量和尺寸。當(dāng)電池疊層內(nèi)部一個(gè)或多個(gè)隔板發(fā)生泄漏時(shí)，電流就不能輸出或大大降低。而復(fù)合金屬/塑料薄片，由于延展性好，不會(huì)出現(xiàn)這種問(wèn)題。
更進(jìn)一步講，本發(fā)明的一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)是本發(fā)明中的集流控制技術(shù)允許改變電池疊層內(nèi)薄片設(shè)計(jì)，以具有更好的熱交換性能。這就是說(shuō)，在一個(gè)沒(méi)冷卻的電池疊層中部，單體電池所處的熱環(huán)境不同，因而不需要與處于電池疊層邊緣的單體電池相同的增濕系統(tǒng)。薄片的設(shè)計(jì)，能根據(jù)相關(guān)陽(yáng)極、陰極冷卻劑、和增濕微通道的設(shè)計(jì)而隨意變化，它在疊層內(nèi)的位置要能滿足疊層內(nèi)不同的梯度變化。同樣，疊層也能被設(shè)計(jì)成各種形式，以適應(yīng)不同外部環(huán)境，如用在北極地區(qū)的設(shè)計(jì)不同于用在熱帶的，用在海下的設(shè)計(jì)不同于用在空中的。
這種設(shè)計(jì)靈活性的優(yōu)點(diǎn)，即改變隔板的每個(gè)區(qū)(陽(yáng)極、陰極、熱交換、和增濕)中微通道的形狀、長(zhǎng)度、和寬度以及在疊層內(nèi)從隔板到隔板(電池到電池)逐個(gè)調(diào)整以適應(yīng)疊層內(nèi)不同環(huán)境和梯度變化的能力，必然會(huì)很容易增大電池的輸出功率，如高于50-100kW數(shù)量級(jí)。
串聯(lián)/并聯(lián)的蛇形通道設(shè)計(jì)，使反應(yīng)物氣體的分布更加均勻。這對(duì)改善以空氣為氧化劑電池的陰極性能十分重要，因?yàn)镺2是在空氣在通道中傳輸時(shí)被消耗的。在現(xiàn)在的通道設(shè)計(jì)中，由于O2在電化學(xué)反應(yīng)中被消耗，因此空氣進(jìn)入時(shí)富氧，離開(kāi)是O2被耗盡。H2在電池中發(fā)生了同樣的消耗過(guò)程，這增加了有關(guān)H2雜質(zhì)的濃度。在本發(fā)明中，較短的并行通道束、設(shè)計(jì)和重新設(shè)計(jì)不同形狀通道的能力、以及漸變的通道寬度都能改善陰極的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，而它是目前燃料電池中的重要限制因素。在本發(fā)明中，流動(dòng)流量被分配到一系列平行的通道中，在這些通道中能夠得到精確的壓力降。通過(guò)增加平行通道的數(shù)量，由于流動(dòng)流速降低，壓力降降低，并且由于路徑長(zhǎng)度變短，通道壁的摩擦作用減小。
盡管目前本發(fā)明中最好的方式是使用窗框薄片，這種薄片具有在鍍覆催化劑/碳黑的膜上加碳紙的電極膜組合件以提供具有任意氣體分布通道的高孔隙率的薄板，但在本發(fā)明的另一個(gè)重要的實(shí)例中，是利用無(wú)碳紙的膜，其中的超細(xì)微孔是在窗框的“窗格板區(qū)域”侵蝕而成的，使其具有同樣的氣體分布功能。在生產(chǎn)窗框薄片時(shí)，窗格板區(qū)域限于位于外板邊緣內(nèi)部的板的中部適當(dāng)?shù)牟糠帧?在薄片制作過(guò)程中，除了一些將窗格板部分連在一起的薄電橋外，定義窗格板區(qū)域的邊線可直接形成。電橋后來(lái)被切除，移去窗格板或讓其脫落，就形成了窗框薄片。)在相鄰兩個(gè)薄片之間一大塊薄片膜的壓力下，開(kāi)放區(qū)域能容納碳纖維紙。在另外一個(gè)實(shí)例中，不去除窗格板區(qū)域的材料，而是在窗格板區(qū)域通過(guò)形成超細(xì)孔建立一個(gè)“窗屏”區(qū)，孔的數(shù)量大約在5,000-10,000/平方英寸。然后將無(wú)紙?zhí)寄涸谙噜彽膬蓚€(gè)隔板之間。
本發(fā)明的目的和優(yōu)點(diǎn)之一就是提供一種改善燃料電池設(shè)計(jì)以及制造和使用的方法，更詳細(xì)地說(shuō)，就是利用集流控制技術(shù)設(shè)計(jì)氫氧或空氣型塑料薄片燃料電池，同現(xiàn)有的石墨燃料電池相比，本發(fā)明在成本和性能上能改善3倍或更多一些。
本發(fā)明中改進(jìn)的燃料電池疊層具有使用了塑料薄片隔板的優(yōu)點(diǎn)，在通過(guò)模壓成型、注射成型、鏤刻、侵蝕、激光蝕刻、或切削或沖壓，在這些薄片上構(gòu)成特殊的氣體和水的分布微通道。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供改進(jìn)的雙極和單極復(fù)合隔板以及制造方法，它的優(yōu)點(diǎn)是它由外部包有導(dǎo)電的微孔篩網(wǎng)集流器薄片的塑料流動(dòng)控制薄片構(gòu)成，微孔篩網(wǎng)集流器由金屬或?qū)щ娝芰现瞥伞?br> 發(fā)明中集流控制薄片的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是由其構(gòu)成的雙極和單極隔板通過(guò)使用一個(gè)或多個(gè)邊緣導(dǎo)電電橋和/或直接導(dǎo)電金屬匯流條顯示出更好的電流集流功能。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一個(gè)由多個(gè)疊合的隔板組件制造燃料電池的整體流水線，包括一系列單個(gè)的金屬電流集流板的光刻；然后通過(guò)侵蝕(化學(xué)磨)、打擊或沖壓形成一些特殊形狀，并選擇性地對(duì)金屬集流器薄片進(jìn)行表面處理使其具有抗氧化性；接著是塑料流動(dòng)控制芯板的模壓、侵蝕、沖壓或注射成型；然后將金屬薄片和塑料薄片裝配成隔板組件，再在一定的溫度和壓力下將復(fù)合單極或雙極隔板組低溫層層粘結(jié)起來(lái)，這種流水線具有成本低、容易制造和快速改變?cè)O(shè)計(jì)以滿足功率輸出需要等優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是在燃料電池的設(shè)計(jì)中，特別是在由塑料、導(dǎo)電塑料、塑料和金屬、復(fù)合薄片裝配成單極或雙極的隔板(單體電池)以及由多個(gè)單體電池裝配成燃料電池疊層的設(shè)計(jì)中使用了集流控制，這改善了燃料和氧化劑氣體的濕度以及與膜接觸的分布，有利于熱交換和濕度控制，抑制了由于脫水造成的膜退化和局部過(guò)熱。
本發(fā)明的另一個(gè)目的和優(yōu)點(diǎn)是提供了光刻和化學(xué)切削的工具，用于加工利用集流控制原理的模壓或注射成型的塑料薄片。本發(fā)明中塑料薄片的集流控制設(shè)計(jì)能通過(guò)合適的塑料板加工技術(shù)而快速生產(chǎn)是本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，這些技術(shù)包括注射成型、沖壓、溶劑、或等離子侵蝕以及在適當(dāng)單體或預(yù)聚物池中的激光蝕刻。本發(fā)明的另一個(gè)目的是為具有密封脊的燃料電池隔板組提供模壓或注射成型的塑料薄片，密封脊的優(yōu)點(diǎn)是能使兩個(gè)極隔板之間的電極膜組合件具有良好的封閉性，兩個(gè)極隔板形成電池后在一定的壓力下緊合就制成了燃料電池疊層。
本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是集流控制設(shè)計(jì)原理允許對(duì)薄片極隔板進(jìn)行快速設(shè)計(jì)、重設(shè)計(jì)或修改，這包括在由多個(gè)塑料、復(fù)合或?qū)щ娝芰媳∑澈铣梢粋€(gè)完整結(jié)構(gòu)的薄片極隔板內(nèi)部集成的反應(yīng)物增濕系統(tǒng)、熱控制系統(tǒng)、以及反應(yīng)物流量和分布控制系統(tǒng)。本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供在一個(gè)燃料電池疊層內(nèi)部多變的集流控制薄片極隔板設(shè)計(jì)，這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是在一個(gè)電池疊層內(nèi)部使用多個(gè)不同的薄片和極隔板能滿足電池疊層內(nèi)部各個(gè)位置上不同熱環(huán)境和濕度的需要。其他仍有很多目的和優(yōu)勢(shì)將在本發(fā)明介紹、附圖、和權(quán)利要求范圍中體現(xiàn)出來(lái)。
附圖的簡(jiǎn)要說(shuō)明這里我們將參照附圖對(duì)本發(fā)明做更詳細(xì)地介紹，各圖的小標(biāo)題被集中列在下面。
整體燃料電池、隔板、和薄片

圖1是橫貫一個(gè)燃料電池疊層的剖視圖，這個(gè)燃料電池疊層利用了塑料/導(dǎo)電集流控制薄片極隔板，體現(xiàn)了本發(fā)明的原理，特別適合以H2和空氣/O2做燃料。
圖2A和2B是本發(fā)明中一個(gè)冷卻但沒(méi)增濕(圖2A)和一個(gè)增濕而且冷卻(2B)的燃料電池IFMT薄片隔板的剖視圖，它反映了所用大量薄片多種變化的可能性。
圖3是電極膜組合件結(jié)構(gòu)的橫截面圖，其中一部分被分解開(kāi)來(lái)。
圖4A是本發(fā)明中具有增濕和熱控制的集成雙極隔板的流動(dòng)路線圖。
圖4B是本發(fā)明中具有熱控制的集成雙極隔板的流動(dòng)路線圖。
圖5是本發(fā)明中具有集成的增濕和熱控制系統(tǒng)的燃料電池PEM電化學(xué)過(guò)程示意圖。
圖6A和6B是在金屬上通過(guò)化學(xué)侵蝕形成的單水平深度和通道與通過(guò)塑料的模壓或注射成型形成的多水平深度和通道的對(duì)比圖。
圖7金屬導(dǎo)電塑料或金屬化的塑料集流器的平面示意圖，上端的陰極部分與下端的邊緣導(dǎo)電電橋相連，其上的板孔是小條形的。
圖8A-D是金屬集流器微孔篩網(wǎng)薄片上通常的但不是全部的孔形。圖8A是六邊形的，圖8B是橢圓形的，圖8C是交替變換的T字形的，圖8D是交替變換的交錯(cuò)人字形的；邊緣導(dǎo)電雙極隔板圖9是一個(gè)燃料電池疊層中2個(gè)單體電池小組的等比例分解圖，它由邊緣導(dǎo)電雙極隔板制成，帶有窗框以及本發(fā)明中的集成增濕、熱交換、和反應(yīng)物流動(dòng)區(qū)控制系統(tǒng)，示于圖10和圖11A-G中。
圖10是一個(gè)4板復(fù)合邊緣導(dǎo)電雙極隔板的等比例分解圖，帶有窗框以及本發(fā)明中用于IFMT燃料電池隔板的集成增濕、熱交換、和反應(yīng)物流動(dòng)區(qū)控制系統(tǒng)。
圖11A-G是圖10中一個(gè)4板邊緣導(dǎo)電隔板實(shí)例中一系列詳細(xì)的平面圖，其中圖11A-C描繪的是一個(gè)雙微孔篩網(wǎng)薄片，陽(yáng)極微孔篩網(wǎng)的正面在底端，陰極微孔篩網(wǎng)的背面在頂端(板1和板4)，由一個(gè)單獨(dú)的電橋連接。
圖11A是一個(gè)帶有窗框的一個(gè)單獨(dú)電橋的雙微孔篩網(wǎng)薄片的正視圖，插圖詳細(xì)描繪了通常微孔篩網(wǎng)小孔的式樣。
圖11B是圖11A中的雙微孔篩網(wǎng)薄片及其對(duì)應(yīng)的剖視圖。
圖11C是沒(méi)有窗框的雙微孔篩網(wǎng)薄片及其對(duì)應(yīng)的剖視圖。
圖11D和11E分別是塑料陽(yáng)極流動(dòng)區(qū)薄片(板2)的正面和背面。
圖11F和11G分別是塑料陰極流動(dòng)區(qū)薄片(板3)的正面和背面。
圖12是一個(gè)燃料電池疊層中2個(gè)單體電池小組的等比例分解圖，它由邊緣導(dǎo)電雙極隔板制成，帶有窗框以及本發(fā)明中的集成熱交換和反應(yīng)物流動(dòng)區(qū)控制系統(tǒng)，示于圖10和圖11A-G中。
圖13是一個(gè)4板復(fù)合邊緣導(dǎo)電雙極隔板的等比例分解圖，帶有窗框以及本發(fā)明中用于IFMT燃料電池隔板的集成熱交換和反應(yīng)物流動(dòng)區(qū)控制系統(tǒng)。
圖14A-G是圖13中一個(gè)4板邊緣導(dǎo)電隔板實(shí)例中一系列詳細(xì)的平面圖，其中圖14A-C是一個(gè)雙微孔篩網(wǎng)薄片，陽(yáng)極微孔篩網(wǎng)的正面在底端，陰極微孔篩網(wǎng)的背面在頂端(板1和板4)，由一個(gè)單獨(dú)的電橋連接。插圖詳細(xì)描繪了通常微孔篩網(wǎng)小孔的式樣。
圖14A是一個(gè)帶有窗框的一個(gè)單獨(dú)電橋的雙微孔篩網(wǎng)薄片的正視圖。
圖14B是圖14A中的雙微孔篩網(wǎng)薄片及其對(duì)應(yīng)的剖視圖。
圖14C是沒(méi)有窗框的雙微孔篩網(wǎng)薄片及其對(duì)應(yīng)的剖視圖。
圖14D和14E分別是塑料陽(yáng)極流動(dòng)區(qū)薄片(板2)的正面和背面。
圖14F和14G分別是塑料陰極流動(dòng)區(qū)薄片(板3)的正面和背面。
圖15是一個(gè)具有多個(gè)電流電橋和/或分接的微孔篩網(wǎng)薄片的平面圖。
圖16是一個(gè)4板復(fù)合邊緣導(dǎo)電雙極隔板的等比例分解圖，帶有窗框、4個(gè)邊緣導(dǎo)電電流電橋以及本發(fā)明中用于IFMT燃料電池隔板的集成增濕、熱交換和反應(yīng)物流動(dòng)區(qū)控制系統(tǒng)。
匯流條導(dǎo)通的雙極隔板圖17是一個(gè)燃料電池疊層中2個(gè)單體電池小組的等比例分解圖，它由匯流條導(dǎo)通的雙極隔板制成，帶有窗框以及本發(fā)明中的集成熱交換和反應(yīng)物流動(dòng)區(qū)控制系統(tǒng)，示于圖19A-G中。
圖18是一個(gè)4板復(fù)合匯流條導(dǎo)通的雙極隔板的等比例分解圖，帶有本發(fā)明中用于IFMT燃料電池隔板的集成增濕、熱交換和反應(yīng)物流動(dòng)區(qū)控制系統(tǒng)。
圖19A-G是圖18中一個(gè)4板匯流條導(dǎo)通隔板實(shí)例中一系列詳細(xì)的平面圖，其中
圖19A是在較低的右側(cè)陽(yáng)極(左邊)和陰極(右邊)的集流器微孔篩網(wǎng)薄片(板1和板4)；圖19B是陽(yáng)極流動(dòng)區(qū)薄片(板2)和位于其上的陽(yáng)極集流器微孔篩網(wǎng)(板1)易碎部分的平面圖；圖19C和19D分別是塑料陽(yáng)極流動(dòng)區(qū)薄片(板2)的正面和背面；圖19E和19F分別是塑料陰極流動(dòng)區(qū)薄片(板3)的正面和背面；圖19G是陰極流動(dòng)區(qū)薄片(板3)和陰極集流器微孔篩網(wǎng)(板4)易碎部分的平面圖；圖20是一個(gè)燃料電池疊層中2個(gè)單體電池小組的等比例分解圖，它由匯流條導(dǎo)通的雙極隔板制成，帶有本發(fā)明中的集成熱交換和反應(yīng)物流動(dòng)區(qū)控制系統(tǒng)，示于圖22A-G中；圖21是一個(gè)4板復(fù)合匯流條導(dǎo)通的雙極隔板的等比例分解圖，帶有本發(fā)明中用于一個(gè)IFMT燃料電池隔板的集成熱交換和反應(yīng)物流動(dòng)區(qū)控制系統(tǒng)。
圖22A-G是圖21中一個(gè)4板匯流條導(dǎo)通隔板實(shí)例中詳細(xì)的平面圖，其中圖22A是完全相同的陽(yáng)極和陰極集流器微孔篩網(wǎng)薄片(板1和板4)；圖22B是陽(yáng)極流動(dòng)區(qū)薄片(板2)和陽(yáng)極集流器微孔篩網(wǎng)(板1)易碎部分的平面圖22C和22D分別是塑料陽(yáng)極流動(dòng)區(qū)薄片(板2)的正面(22C)和背面(22D)；圖22E和22F分別是塑料陰極流動(dòng)區(qū)薄片(板3)的正面和背面；圖22G是陰極流動(dòng)區(qū)薄片(板3)和陰極集流器微孔篩網(wǎng)(板4)易碎部分的平面圖；邊緣和中間導(dǎo)通圖圖23A-23D是被用于有關(guān)圖16中隔板內(nèi)中心塑料薄片邊緣導(dǎo)電的金屬微孔篩網(wǎng)集流動(dòng)，延23-23截面多種變化交替的結(jié)構(gòu)。
圖24A和24B是圖18中用于隔板組的導(dǎo)通匯流條延24-24截面的兩種交替變化的結(jié)構(gòu)。
薄片、雙極隔板、和電池制造過(guò)程圖25是連續(xù)金屬薄片制造方法的流程圖，板中的構(gòu)造特點(diǎn)通過(guò)深度和直通上的侵蝕形成。
圖26是連續(xù)塑料薄片制造方法的流程圖，板中的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)通過(guò)壓縮成型形成并且復(fù)合雙極隔板通過(guò)將板層層粘合起來(lái)制成。
圖27是快速對(duì)單個(gè)薄片設(shè)計(jì)進(jìn)行不同光刻工藝以符合本發(fā)明的IFMT原理的流程圖。
本發(fā)明的最佳實(shí)施例下面詳細(xì)的敘述將通過(guò)例子來(lái)解釋本發(fā)明，但其并不是對(duì)本發(fā)明原理的限制。這個(gè)詳述將能很清晰地使技術(shù)熟練的人制造和使用本發(fā)明，并介紹了一些本發(fā)明的實(shí)例、修改、變化、替代和使用，包括我們目前認(rèn)為是實(shí)施本發(fā)明的最好方式。
圖1是本發(fā)明中一個(gè)燃料電池疊層的橫截面示意圖，燃料電池疊層使用了多個(gè)多層雙極隔板2A、B、C和一對(duì)陽(yáng)極和陰極單極末端板3、4。質(zhì)子交換電極膜組合件(電極膜組合件)5A、B、C、和D被放在所示的兩個(gè)隔板之間?？諝夂?或O2經(jīng)過(guò)集管系統(tǒng)6進(jìn)入；H2和/或其他燃料經(jīng)過(guò)集管7進(jìn)入；而冷卻/增濕水經(jīng)8進(jìn)入，經(jīng)9流出。
圖2A和2B是復(fù)合雙極隔板2結(jié)構(gòu)的剖視圖，在圖2A中，隔板由粘合在一起的金屬和塑料或陶瓷薄片12形成，沒(méi)有增濕系統(tǒng)，在圖2B中隔板由同樣的薄片13形成，具有增濕系統(tǒng)15。這個(gè)圖也闡明了通過(guò)對(duì)金屬薄片深度侵蝕(即形成結(jié)構(gòu))和直通侵蝕(形成直通結(jié)構(gòu))的不同結(jié)合，用來(lái)構(gòu)成一個(gè)隔板所用數(shù)量和型號(hào)的范圍很寬。塑料薄片的結(jié)構(gòu)是通過(guò)模壓或注射成型形成的。例如圖2A示出了如下一個(gè)4板構(gòu)形12-1是陽(yáng)極微孔篩網(wǎng)集流器，12-2是陽(yáng)極流動(dòng)區(qū)薄片，12-3是陰極流動(dòng)區(qū)薄片，12-4是陰極微孔篩網(wǎng)集流器。金屬陽(yáng)極微孔篩網(wǎng)薄片12-1被電焊到導(dǎo)電電橋14，而14又被電焊到陰極微孔篩網(wǎng)集流器12-4上。陽(yáng)極流動(dòng)區(qū)薄片由塑料或陶瓷構(gòu)成，并為陽(yáng)極活性反應(yīng)區(qū)提供蛇形通道。陰極流動(dòng)區(qū)薄片由塑料或陶瓷構(gòu)成，并為冷卻水熱交換器和陰極活性反應(yīng)區(qū)提供蛇形通道。
同樣，圖2B示出了如下一個(gè)4板構(gòu)形13-1是陽(yáng)極微孔篩網(wǎng)集流器，13-2是陽(yáng)極流動(dòng)區(qū)薄片，13-3是陰極流動(dòng)區(qū)薄片，13-4是陰極微孔篩網(wǎng)集流器。金屬陽(yáng)極微孔篩網(wǎng)薄片13-1被電焊到導(dǎo)電電橋14，而14又被電焊到陰極微孔篩網(wǎng)集流器13-4上。陽(yáng)極流動(dòng)區(qū)薄片由塑料或陶瓷構(gòu)成，并為氫氣增濕流動(dòng)區(qū)、陰極增濕水流動(dòng)區(qū)以及陽(yáng)極活性反應(yīng)區(qū)環(huán)提供形通道。陰極流動(dòng)區(qū)薄片由塑料或陶瓷構(gòu)成，并為冷卻水熱交換器、陽(yáng)極水流動(dòng)區(qū)、空氣增濕流動(dòng)區(qū)、以及陰極活性反應(yīng)區(qū)提供蛇形通道。
圖3是本發(fā)明中所用型號(hào)的電極膜組合件(電極膜組合件)H1構(gòu)造的部分分解圖。電極膜組合件H1與圖1中的電極膜組合件5(5A-D)對(duì)應(yīng)。一塊電極膜組合件是由一片石墨陽(yáng)極電極H3、陽(yáng)極催化劑層H4、電解膜H2、陰極催化劑層H6、以及一片石墨陰極電極H5的疊層構(gòu)成。在通常的電極膜組合件構(gòu)造中，電極、催化劑層、和電解膜被層層粘合在一起，形成一個(gè)離子導(dǎo)電的復(fù)合機(jī)構(gòu)。
電極用石墨紙制造，通常使用的石墨紙是Toray TGP-H090型的。在與電解膜層層粘合在一起之前，電極上要鍍覆一層復(fù)合鉑催化劑。通常催化劑是鉑黑、碳黑和憎水劑的混合物。碳黑是VulcanXC-72R型的，通常被用來(lái)懸浮鉑黑。Teflon(特氟隆)用來(lái)使電極具有憎水性。Dupont Teflon PTFE懸浮液TFE027是常被用來(lái)處理電極的憎水劑。Dupont Nafion是用在PEM燃料電池中的標(biāo)準(zhǔn)電解膜。用Naflon高聚物的5％的溶液處理電極，有利于層層粘合陽(yáng)極和陰極電極組，分別是H8和H7(從H2處分解)。層層粘合以后，再用預(yù)定的溫度和壓力下處理，使電極組H8和H7以及膜H2有機(jī)地結(jié)合在一起。
雙極隔板示意圖圖4A是用于具有集成增濕和熱控制的集流控制隔板的單體電池流動(dòng)流程示意圖。示意圖畫出電化學(xué)反應(yīng)電池的中心線D32。中心線經(jīng)過(guò)電解膜D2的中心。隔板的陽(yáng)極邊在左邊，標(biāo)著陽(yáng)極，描繪出與陽(yáng)極流動(dòng)區(qū)薄片的結(jié)構(gòu)。隔板的陰極邊在右邊，標(biāo)著陰極，描繪出與陰極流動(dòng)區(qū)薄片的結(jié)構(gòu)。示意圖清晰地顯示出7個(gè)流動(dòng)控制裝置被集成在一個(gè)粘合的復(fù)合隔板中。7個(gè)流動(dòng)控制裝置是陰極增濕水的蛇形通道D10流動(dòng)區(qū)，氫氣增濕的蛇形通道D18流動(dòng)區(qū)，陽(yáng)極活性反應(yīng)區(qū)蛇形通道D21流動(dòng)區(qū)，陽(yáng)極增濕水蛇形通道D14，冷卻水蛇形通道D6熱交換區(qū)，陰極增濕蛇形通道D26流動(dòng)區(qū)，以及陰極活性反應(yīng)區(qū)的蛇形通道D29流動(dòng)區(qū)。這些裝置用一系列內(nèi)部集管連接起來(lái)。這種機(jī)械流動(dòng)和熱交換的集成是本發(fā)明的一個(gè)關(guān)鍵因素。
通過(guò)電解膜D2的逆流增濕流D1是本發(fā)明的一個(gè)關(guān)鍵因素，它被代表分子水流動(dòng)的方向箭頭清晰地表示出來(lái)。逆流增濕是用陽(yáng)極邊上的水(被稱作陰極水)增濕陰極空氣(氧氣)來(lái)完成的。同樣，陰極邊上的水(被稱作陽(yáng)極水)被用來(lái)增濕陽(yáng)極氫氣。在集流控制燃料電池中，電解膜作為增濕膜和固體電解質(zhì)，起到雙重功效的作用。
電解膜D2對(duì)水化質(zhì)子來(lái)說(shuō)是離子導(dǎo)通的。在正常的運(yùn)行中，在陽(yáng)極上形成的質(zhì)子D3通過(guò)膜被電滲析到陰極。在大功率輸出中，被滲析穿過(guò)膜的質(zhì)子攜帶著一個(gè)或更多的與之相連的水分子而引起陽(yáng)極膜干燥。對(duì)陽(yáng)極氫氣增濕可減緩這個(gè)問(wèn)題。
因?yàn)榭諝庵袃H有20％的氧氣，其余78％是氮?dú)?，所以陰極空氣也需要增濕。為了補(bǔ)償空氣中組分較低的氧氣，陰極通道的橫截面要比對(duì)應(yīng)純氧設(shè)計(jì)中的大。而為了維持合理的壓力降，大的橫截面就需要有更高的流動(dòng)流速。高的空氣流速使陰極容易干燥，這可通過(guò)陰極空氣增濕來(lái)減緩。
增濕量的控制是通過(guò)改變陽(yáng)極活性反應(yīng)區(qū)對(duì)氫氣增濕面的面積比以及陰極活性反應(yīng)區(qū)對(duì)空氣(O2)增濕面的面積比來(lái)實(shí)現(xiàn)的。通常的陽(yáng)極和陰極面積比是15％-24％增濕面對(duì)活性反應(yīng)區(qū)。
干燥的氫氣進(jìn)入氫氣進(jìn)口D16，通過(guò)內(nèi)部集管和回路流向陽(yáng)極增濕蛇形通道進(jìn)口D17，在通過(guò)陽(yáng)極蛇形通道D18流動(dòng)時(shí)接收水蒸汽(成為水化的)，流出陽(yáng)極蛇形通道出口D19，通過(guò)內(nèi)部的匯集和分流集管到達(dá)陽(yáng)極活性反應(yīng)區(qū)蛇形通道進(jìn)口D20，在通過(guò)陽(yáng)極活性反應(yīng)區(qū)蛇形通道D21時(shí)，氫氣被氧化產(chǎn)生質(zhì)子和電子，通過(guò)陽(yáng)極活性反應(yīng)區(qū)蛇形通道出口D22離開(kāi)活性反應(yīng)區(qū)，流過(guò)內(nèi)部的匯流集管，被消耗的氫氣通過(guò)氫氣出口D23最后離開(kāi)。
干燥的空氣(氧氣)進(jìn)入空氣(氧氣)進(jìn)口D24，通過(guò)內(nèi)部集管和回路流向陰極增濕蛇形通道進(jìn)口D25，在陰極增濕蛇形通道D26中流動(dòng)時(shí)接收水蒸汽(成為水化的)，流出陰極增濕蛇形通道出口D27，通過(guò)內(nèi)部匯集和分流集管到達(dá)陰極活性反應(yīng)區(qū)蛇形通道進(jìn)口D28，在通過(guò)陰極活性反應(yīng)區(qū)蛇形通道D29時(shí)，空氣(氧氣)被電子還原和質(zhì)子反應(yīng)生產(chǎn)水，通過(guò)陰極活性反應(yīng)區(qū)蛇形通道出口D30離開(kāi)活性反應(yīng)區(qū)，流過(guò)內(nèi)部的匯流集管，被消耗的空氣(氧氣)和生成水通過(guò)空氣(氧氣)出口D31最后離開(kāi)。
冷卻和增濕水進(jìn)入冷卻水進(jìn)口D4，通過(guò)內(nèi)部集管流向冷卻水蛇形通道進(jìn)口D5，在通過(guò)冷卻水蛇形通道流動(dòng)時(shí)吸收電化學(xué)反應(yīng)生成的熱，流出冷卻水蛇形通道出口D7，進(jìn)入內(nèi)部集管，到達(dá)增濕水流入集管連接處D8，送入兩條增濕水路線中。熱水從增濕水流入集管連接處D8通過(guò)內(nèi)部集管到達(dá)陰極增濕水蛇形通道進(jìn)口D9，在流進(jìn)陰極增濕水蛇形通道D10時(shí)，一小部分質(zhì)子在滲析作用下穿過(guò)電解膜D2去增濕陰極空氣(氧氣)，流出陰極增濕水蛇形通道出口D11，通過(guò)內(nèi)部集管和冷卻水出口D12最后離開(kāi)。
同樣，熱水從增濕水流入集管連接處D8通過(guò)內(nèi)部集管到達(dá)陽(yáng)極增濕水蛇形通道進(jìn)口D13，在流進(jìn)陽(yáng)極增濕水蛇形通道D14時(shí)，一小部分質(zhì)子在滲析作用下穿過(guò)電解膜D2去增濕陽(yáng)極氫氣，流出陽(yáng)極增濕水蛇形通道出口D15，通過(guò)內(nèi)部集管和冷卻水出口D12最后離開(kāi)。
圖4B是具有集成熱交換控制(唯一)的集流控制隔板的流動(dòng)路線圖。示意圖畫出電化學(xué)反應(yīng)電池的中心線E18。中心線經(jīng)過(guò)電解膜El的中心。隔板的陽(yáng)極邊在左邊，標(biāo)著陽(yáng)極，描繪出與陽(yáng)極流動(dòng)區(qū)薄片結(jié)構(gòu)。隔板的陰極邊在右邊，標(biāo)著陰極，描繪出與陰極流動(dòng)區(qū)薄片結(jié)構(gòu)。示意圖清晰地顯示出三個(gè)流動(dòng)控制裝置被集成在一個(gè)的粘合單一裝置復(fù)合隔板中。三個(gè)流動(dòng)控制裝置是陽(yáng)極活性反應(yīng)區(qū)蛇形通道E10流動(dòng)區(qū)，冷卻水蛇形通道E5熱交換區(qū)，以及陰極和陰極活性反應(yīng)區(qū)的蛇形通道E15流動(dòng)區(qū)。這些裝置用一系列內(nèi)部分散和匯流集管連接起來(lái)。這種機(jī)械、流動(dòng)和熱交換的集成是本發(fā)明的一個(gè)關(guān)鍵因素。
電解膜E1對(duì)水化質(zhì)子來(lái)說(shuō)是離子導(dǎo)通的。在正常的運(yùn)行中，在陽(yáng)極上形成的質(zhì)子E2通過(guò)膜被電滲析到陰極。在大功率輸出中，被滲析穿過(guò)膜的質(zhì)子攜帶著一個(gè)或更多的與之相連的水分子而引起陽(yáng)極膜干燥。在小功率輸出時(shí)，水分子從陰極到陽(yáng)極的返回?cái)U(kuò)散可減緩這個(gè)問(wèn)題。在大功率輸出時(shí)，可通過(guò)在外部增濕氫氣來(lái)減緩這個(gè)問(wèn)題。在大功率輸出過(guò)程中產(chǎn)生的陰極干燥，也可通過(guò)外部增濕陰極空氣來(lái)減緩。
氫氣進(jìn)入氫氣進(jìn)口E8，通過(guò)內(nèi)部分流集管和回路流向陽(yáng)極活性反應(yīng)區(qū)蛇形通道進(jìn)口E9，在通過(guò)陽(yáng)極活性反應(yīng)區(qū)蛇形通道E10時(shí)，氫氣被氧化產(chǎn)生質(zhì)子和電子，通過(guò)陽(yáng)極活性反應(yīng)區(qū)蛇形通道出口E11離開(kāi)活性反應(yīng)區(qū)，流過(guò)內(nèi)部的匯流集管，被消耗的氫氣通過(guò)氫氣出口E12最后離開(kāi)。
空氣(氧氣)進(jìn)入空氣(氧氣)進(jìn)口E13，通過(guò)內(nèi)部分流集管和回路流向陰極活性反應(yīng)區(qū)蛇形通道進(jìn)口E14，在通過(guò)陰極活性反應(yīng)區(qū)蛇形通道E15時(shí)，空氣(氧氣)被電子還原并和質(zhì)子反應(yīng)生產(chǎn)水，通過(guò)陰極活性反應(yīng)區(qū)蛇形通道出口E16離開(kāi)活性反應(yīng)區(qū)，流過(guò)內(nèi)部的匯流集管，被消耗的空氣(氧氣)和生成水通過(guò)空氣(氧氣)出口E17最后離開(kāi)。
冷卻和增濕水進(jìn)入冷卻水進(jìn)口E3，通過(guò)內(nèi)部集管流向冷卻水蛇形通道進(jìn)口E4，在通過(guò)冷卻水蛇形通道流動(dòng)時(shí)吸收電化學(xué)反應(yīng)生成的熱，流出冷卻水蛇形通道出口E5，進(jìn)入內(nèi)部集管，到達(dá)增濕水流入集管連接處E6，流進(jìn)內(nèi)部集管并通過(guò)冷卻水出口E7最后離開(kāi)。
圖5描述的是具有集成增濕和熱控制的燃料電池中總的電化學(xué)燃料電池運(yùn)行過(guò)程。圖5的中心部分是總的燃料電池的電化學(xué)過(guò)程，可參閱圖3的H1。在陽(yáng)極邊上的H2被催化氧化，產(chǎn)生兩個(gè)電子(在方向箭頭的末端用2e-表示)和兩個(gè)水化質(zhì)子(在膜中用H+/H2O表示)。電子被石墨電極從陽(yáng)極催化活性點(diǎn)導(dǎo)出，石墨電極與金屬微孔篩網(wǎng)薄片連接。在電滲析作用下，水化質(zhì)子通過(guò)濕的電解膜(在膜中用H+/H2O表示)到達(dá)陰極催化活性點(diǎn)，在這里它們與O2和兩個(gè)電子(用2e-表示)結(jié)合，生成水(H2O)。圖5的上半部分和下半部分描述的是逆流增濕機(jī)理，它是本發(fā)明中的一個(gè)重要組成部分。電解膜具有固體電解質(zhì)和增濕膜雙重功效的作用。上半部分示出的是在陰極邊上的氧氣被陽(yáng)極邊上的水增濕。相反地，在陽(yáng)極邊上的氫氣被陰極邊上的水增濕。
薄片圖例介紹圖6A是在金屬薄片16上由化學(xué)、等離子侵蝕或電弧、高壓流等相關(guān)技術(shù)磨蝕而成的單一水平深度結(jié)構(gòu)17和直通通道18的對(duì)比圖。圖6B示出的是用鏤刻、模壓、或注射成型的塑料薄片上的不同水平深度結(jié)構(gòu)20、21、和直通通道22?；瘜W(xué)(溶劑)侵蝕或前面提到的磨蝕或等離子技術(shù)也可用于塑料。薄片上的深度結(jié)構(gòu)通常被設(shè)計(jì)到薄片厚度的60％。直通通道18可通過(guò)在薄片兩邊同時(shí)侵蝕深度結(jié)構(gòu)17來(lái)形成。侵蝕產(chǎn)生的圓形底部造成侵蝕形成的直通通道有一個(gè)殘余的尖點(diǎn)23。尖點(diǎn)對(duì)通過(guò)其中的流動(dòng)流動(dòng)特性產(chǎn)生很大的影響，在設(shè)計(jì)侵蝕的薄片裝置時(shí)，必須考慮這一影響。
圖6B示出的是由模壓成型的薄片的結(jié)構(gòu)，它更接近于矩形，并略受脫模時(shí)的影響。這種結(jié)構(gòu)具有變化和預(yù)先選擇的深度20、21。在模壓成型薄片中獲得的多種深度的結(jié)構(gòu)，減少了常規(guī)方法中為營(yíng)造這種深度結(jié)構(gòu)而必需的薄片數(shù)量，因而大大降低了生產(chǎn)成本和設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。由于沒(méi)有殘余尖點(diǎn)，分析流動(dòng)的模型更簡(jiǎn)化了。
圖7是具有槽形流動(dòng)區(qū)式樣Z1和Z2的微孔篩網(wǎng)集流器的平面圖。小槽的位置與塑料流動(dòng)控制芯片中的槽和通道同位。在很多燃料電池疊層的設(shè)計(jì)中，槽形流動(dòng)區(qū)式樣Z1和Z2是最好的設(shè)計(jì)方式。
圖8A-D是金屬集流器微孔篩網(wǎng)薄片上通常的但不是全部的孔形。圖8A是六邊形的，圖8B是橢圓形的，圖8C是T字形的，圖8D是交替變換的交錯(cuò)人字形的；這些式樣是通過(guò)在薄金屬板上化學(xué)磨削，沖壓或扎穿的方法制成。微孔篩網(wǎng)通常具有65％均勻分布的孔洞?？椎某叽缤ǔＪ?-20mil，而隔條通常是4-10mil。圖8A中的六邊形主軸和小軸與下面的蛇形通道對(duì)齊是微孔篩網(wǎng)薄片最好的設(shè)計(jì)方式。六邊形能使孔和隔條的尺寸比達(dá)到最佳設(shè)計(jì)。在另一個(gè)實(shí)例中，x-met(按圖案裂開(kāi)成開(kāi)孔再展平的薄片)也是很有用的。
薄片隔板圖形詳述有兩大類金屬/塑料復(fù)合隔板，一類帶有一個(gè)或多個(gè)電流電橋的邊緣導(dǎo)電隔板，另一類是依靠一個(gè)或多個(gè)匯流條直接導(dǎo)通的隔板。這兩大類將先從邊緣導(dǎo)電方式開(kāi)始，依次在下面介紹。
邊緣導(dǎo)電集成增濕熱控制隔板圖9是一個(gè)燃料電池疊層內(nèi)部一個(gè)單體電池的等比例分解圖，燃料電池疊層含有兩個(gè)隔板F2A和F2B，F(xiàn)2B夾在電極膜組合件F3A和電極膜組合件F3B之間，F(xiàn)2B屬于疊層中下一個(gè)單體電池。在這個(gè)圖上，只有雙極隔板的H2(陽(yáng)極)一邊是可以看見(jiàn)的，但在下面討論的，有被掩蓋(陰極)一邊上與之同位的空氣(氧氣)區(qū)。雙極隔板上大的矩形區(qū)是覆蓋在電極膜組合件上電化學(xué)活性反應(yīng)區(qū)上的導(dǎo)電屏，F(xiàn)4A代表陽(yáng)極一邊，F(xiàn)4C(被掩蓋)代表陰極一邊。在活性反應(yīng)區(qū)上面和下面的小矩形區(qū)分別是陰極水增濕區(qū)F6和陽(yáng)極氫氣增濕流動(dòng)區(qū)F5，這些將在下面做更詳細(xì)地介紹。
電極膜組合件F3A和F3B包括鍍有催化劑的區(qū)域F7A和F7C，它們與對(duì)應(yīng)的活性反應(yīng)區(qū)F4A、F4C同位。反應(yīng)物和冷卻水集管明顯位于邊緣空白處。氫氣燃料通過(guò)氫氣流入集管F9進(jìn)入，流經(jīng)氫氣增濕流動(dòng)區(qū)F5，通過(guò)陽(yáng)極活性反應(yīng)區(qū)F4A并經(jīng)由氫氣流出集管F8離開(kāi)?？諝?氧氣)通過(guò)空氣(氧氣)流入集管進(jìn)入，流經(jīng)空氣(氧氣)增濕流動(dòng)區(qū)F14，通過(guò)陰極活性反應(yīng)區(qū)F4C并經(jīng)由空氣(氧氣)流出集管F12離開(kāi)。用于增濕和熱交換的水通過(guò)水流入集管F11，流經(jīng)內(nèi)部的一個(gè)熱交換器，分流通過(guò)陰極水增濕區(qū)F6和陽(yáng)極水增濕區(qū)F5。水通過(guò)水流出集管F10離開(kāi)。集管穿過(guò)雙極隔板F2和電極膜組合件F3。壓緊用的螺栓孔F16在雙極隔板和電極膜組合件的邊緣空白處十分明顯。
圖10是本發(fā)明中一個(gè)能增濕的復(fù)合4板雙極IFMT隔板F2的等比例分解圖，它包含有三種不同類型的板，板F17-1和F17-4是相同形狀的導(dǎo)電的集流器微孔篩網(wǎng)薄片。盡管這兩塊板的形狀可以不同，但最好是相同的，導(dǎo)電材料可以是金屬、導(dǎo)電塑料、導(dǎo)電陶瓷、或表面通過(guò)電鍍或真空沉積而金屬化了的陶瓷或塑料。電流通過(guò)一個(gè)或多個(gè)邊緣電流電橋F18在兩個(gè)塑料芯片之間傳輸，圖中F18被部分截開(kāi)。微孔篩網(wǎng)薄片邊緣四周可用陽(yáng)極微孔篩網(wǎng)密封面F23密封，F(xiàn)23可以包括反應(yīng)物和水的集管F93周圍的密封脊(沒(méi)有示出)。密封脊(沒(méi)有示出)也可被選用用來(lái)密封活性反應(yīng)區(qū)和增濕區(qū)四周。
薄片F(xiàn)17-1是陽(yáng)極集流器微孔篩網(wǎng)，它含有重復(fù)的通過(guò)侵蝕、沖孔、或其他方式形成的孔、溝或槽的式樣。薄片F(xiàn)17-2是塑料或陶瓷材料的陽(yáng)極流動(dòng)區(qū)薄片，它含有模塑的深度結(jié)構(gòu)和直通通道。薄片F(xiàn)17-2包含了定義氫氣增濕流動(dòng)區(qū)F5，陽(yáng)極活性反應(yīng)區(qū)F21以及陰極水增濕區(qū)F6的結(jié)構(gòu)。薄片F(xiàn)17-2的背面形成了薄片F(xiàn)17-3上熱控制回路F20的封閉端(面)(the close out)。薄片F(xiàn)17-3是塑料和陶瓷材料的陰極流動(dòng)區(qū)薄片，它含有模塑的深度結(jié)構(gòu)和直通通道。薄片F(xiàn)17-3包含定義熱控制熱交換器F20，空氣(氧氣)增濕流動(dòng)區(qū)F14，陰極活性反應(yīng)區(qū)F22以及陽(yáng)極水增濕區(qū)F15的結(jié)構(gòu)。空氣(氧氣)增濕流動(dòng)區(qū)F14，陰極活性反應(yīng)區(qū)F22以及陽(yáng)極水增濕區(qū)F15在薄片F(xiàn)17-3的背面。
在所有從F17-2到F17-3的板中，橫向邊界通道或集管F93以及壓緊用的螺栓孔F16都與圖9中電極膜組合件上的同位。
圖11A-G示出的是每個(gè)薄片正面的一系列平面圖以及圖10所示按照本發(fā)明集流控制原理制作的4板雙極隔板上直通通道和深度結(jié)構(gòu)的一個(gè)具體實(shí)例。板的排列方向按圖10所示方向，圖中所指的“正面”是指從圖10的陽(yáng)極(最前端)一邊看板的前面，而所指的“背面”是當(dāng)板顛倒過(guò)來(lái)后圖10中看不見(jiàn)的一面。這就是說(shuō)，這些圖都是“原圖”或板的正視圖。薄片1和4除了使用密封脊時(shí)有所不同外，在本質(zhì)上是完全一樣的。圖11A-11C示出的是將薄片1的正面和薄片4的背面用電流電橋F18連接起來(lái)的平面圖。畫在下面的陽(yáng)極薄片集流器微孔篩網(wǎng)F17-1和畫在上面的陰極薄片集流器微孔篩網(wǎng)F17-4被電流電橋F18被連接起來(lái)。陽(yáng)極和陰極集流器微孔篩網(wǎng)薄片上被構(gòu)造了稱作微孔篩網(wǎng)(以交叉線陰影顯示)的直通通道。該直通通道有圖7和圖8中描述的多種形狀和尺寸。
如圖11A所示，陽(yáng)極集流器微孔篩網(wǎng)薄片F(xiàn)17-1上的結(jié)構(gòu)規(guī)定了陰極水增濕區(qū)F6，陽(yáng)極活性反應(yīng)區(qū)F4A以及氫氣增濕流動(dòng)區(qū)F5。一個(gè)帶有選用密封脊的密封面F23圍繞著活性反應(yīng)區(qū)和增濕區(qū)F19。陽(yáng)極流動(dòng)區(qū)薄片F(xiàn)17-2的分散和匯流集管的封閉端(面)由陽(yáng)極微孔篩網(wǎng)集管的封閉端(面)F25形成。陰極集流器微孔篩網(wǎng)薄片F(xiàn)17-4上的結(jié)構(gòu)規(guī)定了空氣(氧氣)增濕流動(dòng)區(qū)F14，陰極活性反應(yīng)區(qū)F4C以及陽(yáng)極水增濕區(qū)F15。一個(gè)帶有選用密封脊的密封面F24圍繞著活性反應(yīng)區(qū)和增濕區(qū)F19。陰極流動(dòng)區(qū)薄片F(xiàn)17-3的分散和匯流集管的封閉端(面)由陰極微孔篩網(wǎng)集管的封閉端(面)F26形成。
圖11B是通常的帶有窗屏凹陷的金屬微孔篩網(wǎng)集流器薄片的平面圖及其對(duì)應(yīng)的剖視圖。陽(yáng)極集流器微孔篩網(wǎng)凹陷處F31，陰極集流器微孔篩網(wǎng)凹陷處F90，橫向邊界通道或集管F93，陽(yáng)極微孔篩網(wǎng)密封面F23，陰極微孔篩網(wǎng)密封面F24，陽(yáng)極微孔篩網(wǎng)集管封閉端(面)F25以及陰極微孔篩網(wǎng)集管封閉端(面)F16都在平面圖和剖視圖中描述出來(lái)。窗屏凹陷處F31和F90的深度要設(shè)計(jì)成與陽(yáng)極和陰極流動(dòng)區(qū)薄片F(xiàn)17-2和F17-3上的凹陷深度配位。
圖11C是沒(méi)有窗屏凹陷的金屬微孔篩網(wǎng)集流器薄片的平面圖及其對(duì)應(yīng)的剖視圖。橫向邊界通道或集管F93，陽(yáng)極微孔篩網(wǎng)密封面F23，陰極微孔篩網(wǎng)密封面F24，陽(yáng)極微孔篩網(wǎng)集管封閉端(面)F25以及陰極微孔篩網(wǎng)集管封閉端(面)F16都在平面圖和剖視圖中描述出來(lái)。
圖11D是塑料陽(yáng)極流動(dòng)區(qū)薄片的正面F17-2-Front。這個(gè)薄片同時(shí)具有直通通道和深度結(jié)構(gòu)。主要的直通通道是壓緊用的螺栓孔F16，橫向集管，氫氣的流出集管F8，氫氣流入集管F9，水流入集管F10，水流出集管F11，空氣(氧氣)流出集管F12以及空氣(氧氣)流入集管F13。其他的直通通道是經(jīng)由F32的氫氣進(jìn)口，經(jīng)由F35的氫氣出口，經(jīng)由F44的陰極增濕水進(jìn)口以及經(jīng)由F41的陰極增濕水出口。在陽(yáng)極流動(dòng)區(qū)薄片正面上的主要深度結(jié)構(gòu)是氫氣增濕蛇形通道F36，陽(yáng)極活性反應(yīng)區(qū)蛇形通道F39以及陰極增濕水蛇形通道F43。這些結(jié)構(gòu)要設(shè)計(jì)成使流動(dòng)流速和通道的壓力降達(dá)到最佳值。
陽(yáng)極的氫氣燃料經(jīng)由F32流過(guò)氫氣進(jìn)口進(jìn)入增濕區(qū)，通過(guò)氫氣分流集管進(jìn)口F33進(jìn)入氫氣分流集管F27并經(jīng)過(guò)氫氣蛇形通道進(jìn)口F34被分流到兩個(gè)氫氣蛇形通道F36。氫氣被從與氫氣增濕蛇形通道F36相接觸的電解膜滲透過(guò)來(lái)的水增濕。被增濕的氫氣通過(guò)氫氣蛇形通道出口F37離開(kāi)增濕區(qū)，進(jìn)入氫氣匯流集管F28，并流經(jīng)陽(yáng)極活性反應(yīng)區(qū)分流集管F29，通過(guò)陽(yáng)極活性反應(yīng)區(qū)蛇形通道進(jìn)口F38流進(jìn)陽(yáng)極活性反應(yīng)區(qū)蛇形通道F39。在活性反應(yīng)區(qū)內(nèi)，氫氣在電極膜組合件的陽(yáng)極邊上被催化氧化，產(chǎn)生電子和質(zhì)子。電子通過(guò)石墨電極從陽(yáng)極催化活性點(diǎn)流出。從石墨電極上出來(lái)的電子被陽(yáng)極集流器微孔篩網(wǎng)F17-1匯集并通過(guò)復(fù)合雙極隔板被邊緣導(dǎo)體F18輸出。
被消耗的氫氣經(jīng)由陽(yáng)極活性反應(yīng)區(qū)蛇形通道出口F40離開(kāi)活性反應(yīng)區(qū)并流進(jìn)氫氣匯流集管F31，最后經(jīng)由F35通過(guò)氫氣出口離開(kāi)。
用于陰極(空氣，氧氣)增濕的熱水經(jīng)由F44通過(guò)陰極增濕水進(jìn)口進(jìn)入，通過(guò)陰極增濕水蛇形通道進(jìn)口F45流進(jìn)陰極增濕水蛇形通道F43，經(jīng)過(guò)陰極增濕水蛇形通道出口F42出來(lái)，并經(jīng)由F41通過(guò)陰極增濕水出口離開(kāi)。部分流過(guò)蛇形通道的熱水在電滲析作用下穿過(guò)電解膜去增濕陰極空氣(氧氣)。
陽(yáng)極集流器微孔篩網(wǎng)薄片F(xiàn)17-1被粘合到陽(yáng)極流動(dòng)區(qū)薄片F(xiàn)17-2上并形成了氫氣分流集管F27的集管封閉端(面)。
選用的陽(yáng)極微孔篩網(wǎng)凹陷F31能容納與圖F11B中陽(yáng)極微孔篩網(wǎng)凹陷F31相應(yīng)的陽(yáng)極集流器微孔篩網(wǎng)薄片F(xiàn)17-1。陽(yáng)極集流器微孔篩網(wǎng)薄片凹陷F31的深度要能放置陽(yáng)極集流器微孔篩網(wǎng)薄片F(xiàn)17-1的表面，使它與陽(yáng)極流動(dòng)區(qū)薄片F(xiàn)17-2平齊或使它形成一個(gè)能容納電極膜組合件中的石墨紙電極的凹處。
圖11E是塑料陽(yáng)極流動(dòng)區(qū)薄片的背面F17-2-Back。這個(gè)薄片具有貫通和深度兩種結(jié)構(gòu)。主要的直通通道是壓緊用的螺栓孔F16，橫向集管，氫氣的流出集管F8，氫氣流入集管F9，水流入集管F10，水流出集管F11，空氣(氧氣)流出集管F12以及空氣(氧氣)流入集管F13。其他的直通通道是經(jīng)由F32的氫氣進(jìn)口，經(jīng)由F35的氫氣出口，經(jīng)由F44的陰極增濕水進(jìn)口以及經(jīng)由F41的陰極增濕水出口。主要深度結(jié)構(gòu)是氫氣進(jìn)口通道F47，氫氣出口通道F50，空氣(氧氣)出口通道F53以及穿越基座的空氣(氧氣)出口F55。陽(yáng)極流動(dòng)區(qū)薄片F(xiàn)17-2的大部分表面被用作陰極流動(dòng)區(qū)薄片F(xiàn)17-3上冷卻水通道的一個(gè)封閉端(面)。
氫氣從氫氣流入集管F9，通過(guò)氫氣進(jìn)口通道進(jìn)口F48，流進(jìn)氫氣進(jìn)口通道F47，經(jīng)過(guò)氫氣進(jìn)口通道出口F46，最后經(jīng)由F32進(jìn)入氫氣進(jìn)口。氫氣經(jīng)由F32通過(guò)氫氣進(jìn)口，從圖11D中陽(yáng)極流動(dòng)區(qū)薄片的背面流向正面。被消耗的氫氣通過(guò)陽(yáng)極流動(dòng)區(qū)薄片流回，經(jīng)由F35通過(guò)氫氣出口，進(jìn)入氫氣出口通道進(jìn)口F49，通過(guò)氫氣出口通道F50和氫氣出口通道出口F51，最后進(jìn)入氫氣流出集管F8離開(kāi)。
被消耗的空氣(氧氣)經(jīng)由F55通過(guò)空氣(氧氣)出口、空氣(氧氣)出口通道進(jìn)口F54、空氣(氧氣)出口通道F53、空氣(氧氣)出口通道出口F52、從陰極增濕和活性反應(yīng)區(qū)離開(kāi)，最后流進(jìn)空氣(氧氣)流出集管。
圖11F是塑料陰極流動(dòng)區(qū)薄片F(xiàn)17-3-Front的正面。這個(gè)薄片具有貫通和深度兩種結(jié)構(gòu)。主要的直通通道是壓緊用的螺栓孔F16，橫向集管，氫氣的流出集管F8，氫氣流入集管F9，水流入集管F10，水流出集管F11，空氣(氧氣)流出集管F12以及空氣(氧氣)流入集管F13。其他的直通通道是經(jīng)由F60的空氣(氧氣)進(jìn)口，經(jīng)由F61的空氣(氧氣)出口，經(jīng)由F58的陽(yáng)極增濕水進(jìn)口以及經(jīng)由F57的陽(yáng)極增濕水出口。主要深度結(jié)構(gòu)是冷卻水蛇形通道F62，增濕水流入集管F64，以及增濕水流出集管F63。
冷卻水通過(guò)水流入集管F10、冷卻水通道進(jìn)口F65、冷卻水通道F66進(jìn)入，最后通過(guò)冷卻水蛇形通道進(jìn)口F67進(jìn)入冷卻水蛇形通道F62。在冷卻水蛇形通道流動(dòng)時(shí)，冷卻水吸收電化學(xué)反應(yīng)生成的熱。熱水通過(guò)冷卻水蛇形通道出口F68離開(kāi)并流進(jìn)增濕水流入集管連接處F69，進(jìn)入增濕水流入集管F64，并經(jīng)由F56通過(guò)增濕水陰極出口F70和陰極水增濕進(jìn)口或經(jīng)由F58通過(guò)增濕水陽(yáng)極出口F71和陽(yáng)極水增濕進(jìn)口最后離開(kāi)。熱水由于具有高的擴(kuò)散能力而被用作增濕水。
空氣(氧氣)從空氣(氧氣)流入集管F13進(jìn)入陰極，流進(jìn)空氣(氧氣)進(jìn)口通道進(jìn)口F72，通過(guò)空氣(氧氣)進(jìn)口通道F73，進(jìn)入空氣(氧氣)進(jìn)口通道出口F74，并經(jīng)由F60通過(guò)空氣(氧氣)進(jìn)口流到陰極增濕和活性反應(yīng)區(qū)通道。空氣(氧氣)在流過(guò)空氣(氧氣)增濕通道時(shí)被增濕并在圖11G中描述的陰極活性反應(yīng)區(qū)被消耗。被消耗的空氣(氧氣)和生成水經(jīng)由空氣(氧氣)出口F61離開(kāi)，F(xiàn)61通過(guò)陽(yáng)極流動(dòng)區(qū)薄片F(xiàn)17-2上的空氣(氧氣)出口通道與空氣(氧氣)流出集管F12相連。
圖11G是塑料陰極流動(dòng)區(qū)薄片F(xiàn)17-3-Back的背面。這個(gè)薄片具有貫通和深度兩種結(jié)構(gòu)。主要的直通通道是壓緊用的螺栓孔F16，橫向集管，氫氣的流出集管F8，氫氣流入集管F9，水流入集管F10，水流出集管F11，空氣(氧氣)流出集管F12以及空氣(氧氣)流入集管F13。其他的直通通道是經(jīng)由F60的空氣(氧氣)進(jìn)口，經(jīng)由F61的空氣(氧氣)出口，經(jīng)由F58的陽(yáng)極增濕水進(jìn)口以及經(jīng)由F59的陰極增濕水出口。在陰極流動(dòng)區(qū)薄片上的主要深度結(jié)構(gòu)是空氣(氧氣)增濕蛇形通道F80，陰極活性反應(yīng)區(qū)蛇形通道F86以及陽(yáng)極增濕水蛇形通道F77。
在陰極的空氣(氧氣)經(jīng)由F60通過(guò)空氣(氧氣)進(jìn)口進(jìn)入增濕區(qū)，通過(guò)空氣(氧氣)分流集管進(jìn)口F78進(jìn)入空氣(氧氣)分流集管F79并通過(guò)空氣(氧氣)蛇形通道進(jìn)口F80被分流進(jìn)入到兩個(gè)空氣(氧氣)蛇形通道F81中。空氣(氧氣)被從與空氣(氧氣)增濕蛇形通道F81相接觸的電解膜滲透過(guò)來(lái)的水增濕。被增濕的空氣(氧氣)通過(guò)空氣(氧氣)蛇形通道出口F82離開(kāi)增濕區(qū)，進(jìn)入空氣(氧氣)增濕匯流集管F83，并流經(jīng)陰極活性反應(yīng)區(qū)分流集管F84，通過(guò)陰極活性反應(yīng)區(qū)蛇形通道進(jìn)口F85流進(jìn)陰極活性反應(yīng)區(qū)蛇形通道F86。在活性反應(yīng)區(qū)內(nèi)，氧氣接收在陽(yáng)極產(chǎn)生的電子和質(zhì)子被催化還原生成水。電子經(jīng)由電流電橋F18從陽(yáng)極流向陰極，進(jìn)入陰極集流器微孔篩網(wǎng)17-4，通過(guò)電極膜組合件上的陰極石墨電極最后到達(dá)陰極催化反應(yīng)活性點(diǎn)，在這里電子與陽(yáng)極產(chǎn)生的質(zhì)子和氧氣發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生多余熱量和生成水。被消耗的空氣(氧氣)和生成水經(jīng)由陰極活性反應(yīng)區(qū)蛇形通道出口F87離開(kāi)活性反應(yīng)區(qū)并流進(jìn)空氣(氧氣)匯流集管F88，通過(guò)空氣(氧氣)匯流集管出口F89，最后經(jīng)由F61通過(guò)空氣(氧氣)出口離開(kāi)。
用于陽(yáng)極(氫氣)增濕的熱水經(jīng)由F58通過(guò)陽(yáng)極增濕水進(jìn)口進(jìn)入，通過(guò)陽(yáng)極增濕水蛇形通道進(jìn)口F76，流入陽(yáng)極增濕水蛇形通道F77，通過(guò)陽(yáng)極增濕水蛇形通道出口流出，并經(jīng)由F59通過(guò)陽(yáng)極增濕水出口離開(kāi)。部分流過(guò)蛇形通道的熱水在電滲析作用下穿過(guò)電解膜來(lái)增濕陽(yáng)極氫氣。
薄片F(xiàn)17-3被粘合到帶有一個(gè)選用的集流器微孔篩網(wǎng)凹陷F90的薄片F(xiàn)17-4上，并形成了空氣(氧氣)增濕分流集管F79、空氣(氧氣)增濕匯流集管F83、陰極活性反應(yīng)區(qū)分流集管F84、以及陰極活性反應(yīng)區(qū)匯流集管的封閉端(面)。
陰極集流器微孔篩網(wǎng)薄片凹陷F90的深度要能放置陰極集流器微孔篩網(wǎng)薄片F(xiàn)17-4，使它與陰極流動(dòng)區(qū)薄片F(xiàn)17-3的表面平齊或形成一個(gè)能容納圖9中電極膜組合件F3的石墨紙電極的凹處。
邊緣導(dǎo)電集成熱控制圖12是一個(gè)燃料電池疊層內(nèi)部一個(gè)單體電池的等比例分解圖，燃料電池疊層含有夾著電極膜組合件G3A的隔板G2A和G2B，并和電池疊層中與之相鄰的下一個(gè)單體電池的電極膜組合件G3B相接觸。在這個(gè)圖上，只有雙極隔板的2(陽(yáng)極)一邊是可以看見(jiàn)的，但在下面討論的，有被掩蓋(陰極)一邊上與之同位的空氣(氧氣)區(qū)。大的矩形區(qū)G4A是電池的活性反應(yīng)區(qū)，G4A代表陽(yáng)極一邊，G4C代表陰極一邊。
電極膜組合件G3A和G3B包括鍍有催化劑的區(qū)域G7A和G7C，它們與對(duì)應(yīng)的活性反應(yīng)區(qū)G4A、G4C同位。反應(yīng)物和冷卻水集管明顯位于邊緣空白處。氫氣燃料經(jīng)由氫氣流入集管G7進(jìn)入，流過(guò)陽(yáng)極活性反應(yīng)區(qū)G4A并經(jīng)由氫氣流出集管G6離開(kāi)?？諝?氧氣)經(jīng)由空氣(氧氣)流入集管G10進(jìn)入，流過(guò)陰極活性反應(yīng)區(qū)F4C并經(jīng)由空氣(氧氣)流出集管G11離開(kāi)。用于熱交換的冷卻水通過(guò)水流入集管G9進(jìn)入，流經(jīng)內(nèi)部的一個(gè)熱交換器并通過(guò)水流出集管G8離開(kāi)。橫向的反應(yīng)物和冷卻水進(jìn)口和流出集管G6、G7、G9、G11、G10、以及G12穿過(guò)雙極隔板F2和電極膜組合件3。壓緊用的螺栓孔G12在雙極隔板和電極膜組合件的邊緣空白處十分明顯。
圖13是本發(fā)明中一個(gè)4板雙極IFMT隔板G2的等比例分解圖，它包含有三種不同類型的板，板G13-1和G13-4是完全相同的集流器微孔篩網(wǎng)薄片，被圖中用部分虛線表示的電流電橋G14連接在一起。薄片G13-2是塑料或陶瓷材料的陽(yáng)極流動(dòng)區(qū)薄片，它含有模塑的深度結(jié)構(gòu)和直通通道。薄片G13-2包含了定義陽(yáng)極活性反應(yīng)區(qū)G16的結(jié)構(gòu)。薄片G13-2的背面形成了用于薄片G13-3上熱控制回路G17的封閉端(面)(the close out)。薄片G13-3是塑料和陶瓷材料的陰極流動(dòng)區(qū)薄片，它含有模塑的深度結(jié)構(gòu)和直通通道。薄片G13-3包含了定義熱控制熱交換器G17、陰極活性反應(yīng)區(qū)G18的結(jié)構(gòu)。陰極活性反應(yīng)區(qū)G18在薄片F(xiàn)G13-3的背面。微孔篩網(wǎng)薄片G13-1和G13-2邊緣四周要密封。密封脊(沒(méi)有示出)也可被選用用來(lái)密封活性反應(yīng)區(qū)G4A和G4C四周。
在所有從G13-2到G13-3的板中，橫向邊界通道即集管G15以及壓緊用的螺栓孔G12都與圖12中電極膜組合件上的同位。
圖14A-G示出的是每個(gè)薄片正面的一系列平面圖以及圖13中按照本發(fā)明集流控制原理制作的4板雙極隔板上深度結(jié)構(gòu)和直通通道的一個(gè)具體實(shí)例。板的排列方向與正/反面與圖F11A-G的序列相同。
圖14A是陽(yáng)極和陰極集流器微孔篩網(wǎng)薄片G13-1和G13-4的平面圖，陽(yáng)極薄片集流器微孔篩網(wǎng)在下面，陰極薄片集流器微孔篩網(wǎng)在上面。微孔篩網(wǎng)的直通通道具有圖8中描述的多種形狀和尺寸。陽(yáng)極集流器微孔篩網(wǎng)薄片具有定義陽(yáng)極活性反應(yīng)區(qū)G4A的結(jié)構(gòu)。一個(gè)帶有選用密封脊G60(示于剖視圖)的密封面G19圍繞著活性反應(yīng)區(qū)G4A。陽(yáng)極流動(dòng)區(qū)薄片G13-2的分散和匯流集管的封閉端(面)由陽(yáng)極微孔篩網(wǎng)集管的封閉端(面)G21形成。
陰極集流器微孔篩網(wǎng)薄片G13-4上的結(jié)構(gòu)規(guī)定了陰極活性反應(yīng)區(qū)G4C。一個(gè)帶有選用密封脊的密封面G22圍繞著活性反應(yīng)區(qū)G4C。陰極流動(dòng)區(qū)薄片G13-3的分散和匯流集管的封閉端(面)由陰極微孔篩網(wǎng)集管的封閉端(面)G22形成。
圖14B是帶有窗屏凹陷的金屬微孔篩網(wǎng)集流器薄片的平面圖，右側(cè)是剖視圖。兩個(gè)薄片G13-1和G13-2被電流電橋G14連接起來(lái)。陽(yáng)極集流器微孔篩網(wǎng)凹陷G25、陰極集流器微孔篩網(wǎng)凹陷G59、橫向邊界通道或集管G15、陽(yáng)極微孔篩網(wǎng)密封面G19、陰極微孔篩網(wǎng)密封面G20、陽(yáng)極微孔篩網(wǎng)集管封閉端(面)G21、以及陰極微孔篩網(wǎng)集管封閉端(面)G22都在平面和剖視圖中描述出來(lái)。窗屏凹陷G25和G59的深度要設(shè)計(jì)成與陽(yáng)極和陰極流動(dòng)區(qū)薄片G13-2和G13-3上的凹陷深度配位。
圖14C是沒(méi)有窗屏凹陷的金屬微孔篩網(wǎng)集流器薄片的平面圖及其對(duì)應(yīng)的剖視圖。兩個(gè)薄片G13-1和G13-4通過(guò)電流電橋G14連接起來(lái)。橫向邊界通道或集管G15，陽(yáng)極微孔篩網(wǎng)密封面G19，陰極微孔篩網(wǎng)密封面G20，陽(yáng)極微孔篩網(wǎng)集管封閉端(面)G21，以及陰極微孔篩網(wǎng)集管封閉端(面)G22都在平面圖和剖視圖中描述出來(lái)。
圖14D是塑料陽(yáng)極流動(dòng)區(qū)薄片的正面G13-2-Front。這個(gè)薄片具有貫通和深度兩種結(jié)構(gòu)。主要的直通通道是壓緊用的螺栓孔G12，橫向集管，氫氣的流出集管G6，氫氣流入集管G7，水流入集管G8，水流出集管G9，空氣(氧氣)流出集管G11，以及空氣(氧氣)流入集管G10。其他的直通通道是經(jīng)由G26的氫氣進(jìn)口，經(jīng)由G28的氫氣出口。在陽(yáng)極流動(dòng)區(qū)薄片正面上的主要深度結(jié)構(gòu)是陽(yáng)極活性反應(yīng)區(qū)蛇形通道G31，陽(yáng)極活性反應(yīng)區(qū)分流集管G23和陽(yáng)極活性反應(yīng)區(qū)匯流集管G24。這些結(jié)構(gòu)要設(shè)計(jì)成使流動(dòng)流速和通道的壓力降達(dá)到最佳值。
陽(yáng)極的氫氣燃料經(jīng)由G26通過(guò)氫氣進(jìn)口進(jìn)入，流經(jīng)陽(yáng)極活性反應(yīng)面分流集管進(jìn)口G27，進(jìn)入陽(yáng)極活性反應(yīng)區(qū)分流集管G23，通過(guò)陽(yáng)極活性反應(yīng)區(qū)蛇形通道進(jìn)口G30進(jìn)入陽(yáng)極活性反應(yīng)區(qū)蛇形通道G31。在活性反應(yīng)區(qū)內(nèi)，氫氣在電極膜組合件的陽(yáng)極側(cè)上被催化氧化而產(chǎn)生電子和質(zhì)子。通過(guò)電解膜，質(zhì)子從陽(yáng)極催化區(qū)到達(dá)陰極。電子則通過(guò)石墨電極從陰極催化區(qū)移去。石墨電極的電子則由陽(yáng)極集電微孔篩網(wǎng)GB-1匯集，并由接頭或橋G14傳導(dǎo)到陰極微孔篩網(wǎng)G13-4。
廢氫通過(guò)陽(yáng)極活性反應(yīng)區(qū)蛇形通道出口G32，通過(guò)活性反應(yīng)區(qū)匯流集管出口G29流入陽(yáng)極活性反應(yīng)區(qū)匯流集管G24，最后通過(guò)氫出口通路G28排出。
將薄片G13-1粘到陽(yáng)極電流集電器微孔篩網(wǎng)凹陷處G25中，并形成陽(yáng)極活性反應(yīng)區(qū)分流集管G23和陽(yáng)極活性反應(yīng)區(qū)匯流集管G24的集管密閉出口。
陽(yáng)極電流集電器微孔篩網(wǎng)區(qū)G25的厚度可設(shè)計(jì)成使陽(yáng)極微孔篩網(wǎng)薄片G13-1的表面與陽(yáng)極流動(dòng)區(qū)薄片G13-2齊平，或者使它嵌入并形成凹槽，此凹槽可以容納電極膜組件的石墨紙電極。
圖14E所示為塑料陽(yáng)極流動(dòng)區(qū)薄片的背面G13-2-Back。該薄片既有縱向也有深度結(jié)構(gòu)。其主要穿式結(jié)構(gòu)有模壓系桿孔G12，橫向集管；氫流出集管G6，氫流入集管G7，進(jìn)水集管G9，出水集管G8，空氣(氧氣)流出集管G11，和空氣(氧氣)流入集管G10。別的穿式結(jié)構(gòu)有氫入口G28和氫出口G26。其主要深度結(jié)構(gòu)有氫進(jìn)氣通道G34，氫流出通道G37。陽(yáng)極流動(dòng)區(qū)薄片G13-2的大部分表面被用作陽(yáng)極流動(dòng)區(qū)薄片G13-3的冷卻水通道的封閉端(面)。
氫從氫流入集管G7通過(guò)氫進(jìn)氣通道入口G35流入氫進(jìn)氣通道G34，通過(guò)氫進(jìn)氣通道出口G33，最后流入氫入口G26。氫氣通過(guò)氫入口G26從陽(yáng)極流動(dòng)區(qū)薄片的后部流向前部圖14D。來(lái)自活性區(qū)的廢氫通過(guò)陽(yáng)極流動(dòng)區(qū)薄片由氫出口G28流回到氫流出通道入口G36，通過(guò)氫流出通道G37和氫流出通道出口G38，最后流入氫流出集管G6中。
圖14F所示為塑料陰極流動(dòng)區(qū)薄片的正面G13-3-Front。該薄片既有縱向也有深度結(jié)構(gòu)。其主要穿式結(jié)構(gòu)有壓緊用的系桿孔G12，橫向集管；氫流出集管G6，氫流入集管G7，進(jìn)水集管G9，出水集管G8，空氣(氧氣)流出集管G11，和空氣(氧氣)流入集管G10。別的穿式結(jié)構(gòu)有空氣(氧氣)入口G44和空氣(氧氣)出口G45。其主要深度結(jié)構(gòu)有冷卻水蛇形通道G46，空氣(氧氣)流入和流出通道G50和G40。
冷卻水從冷卻水進(jìn)水集管G9進(jìn)入，流入冷卻水蛇形通道G46。流過(guò)冷卻水蛇形通道G46時(shí)，冷卻水獲得熱，該熱是電化學(xué)反應(yīng)的副產(chǎn)物。熱水從冷卻水蛇形通道出口G48流出，最后從冷卻水出水集管G8離開(kāi)。
空氣(氧氣)從空氣(氧氣)流入集管G10流過(guò)空氣(氧氣)進(jìn)氣通道入口G49，進(jìn)入空氣(氧氣)進(jìn)氣通道G50，通過(guò)空氣(氧氣)進(jìn)氣通道出口G51，最后通過(guò)底座G42進(jìn)入空氣(氧氣)入口，該底座與圖14D中的陰極流動(dòng)區(qū)薄片G13-3上的空氣(氧氣)入口G44相通。空氣(氧氣)入口G44將空氣(氧氣)帶到陰極活性反應(yīng)區(qū)流動(dòng)區(qū)。
廢空氣(氧氣)從陰極活性反應(yīng)區(qū)通過(guò)G45(圖14G)經(jīng)過(guò)空氣(氧氣)出口通過(guò)底座口G28排入空氣(氧氣)出口，進(jìn)入空氣(氧氣)流出通道入口G36，經(jīng)過(guò)空氣(氧氣)流出通道G37，通過(guò)空氣(氧氣)流出通道出口G38，最后從空氣(氧氣)流出集管G6。
圖14G所示為塑料陰極流動(dòng)區(qū)薄片G13-3-Back的后側(cè)。該薄片既有縱向也有深度結(jié)構(gòu)。其主要穿式結(jié)構(gòu)有壓緊用的系桿孔G12，橫向集管；氫流出集管G6，氫流入集管G7，進(jìn)水集管G9，出水集管G8，空氣(氧氣)流出集管G11，和空氣(氧氣)流入集管G10。別的穿式結(jié)構(gòu)有空氣(氧氣)入口G44和空氣(氧氣)出口G45。陰極流動(dòng)區(qū)薄片的主要深度結(jié)構(gòu)有陰極活性反應(yīng)區(qū)分流集管G53，陰極活性反應(yīng)區(qū)匯流集管G57，和陰極活性反應(yīng)區(qū)蛇形通道G55。
陰極的空氣(氧氣)經(jīng)過(guò)空氣(氧氣)入口G44，通過(guò)陰極分流集管入口G52，流入陰極分流集管G53并經(jīng)過(guò)陰極活性反應(yīng)區(qū)蛇形通道入口G54分配到陰極活性反應(yīng)區(qū)蛇形通道G55，進(jìn)入潤(rùn)濕區(qū)。在活性反應(yīng)區(qū)內(nèi)，氧氣被催化還原，從陽(yáng)極得到質(zhì)子和電子以產(chǎn)生水。電子通過(guò)電橋G14從陽(yáng)極流到陰極，進(jìn)入陰極集電器微孔篩網(wǎng)13-4，經(jīng)過(guò)電極膜組合件上的陰極石墨電極，最后進(jìn)入陰極催化部位，在此處電子與陽(yáng)極產(chǎn)生的質(zhì)子以及氧氣反應(yīng)產(chǎn)生過(guò)剩的熱和產(chǎn)物水。廢空氣(氧氣)和產(chǎn)物水通過(guò)陰極活性反應(yīng)區(qū)蛇形通道出口G56離開(kāi)陰極活性區(qū)，并流入陰極活性反應(yīng)區(qū)匯流集管G57，經(jīng)過(guò)空氣(氧氣)匯流集管出口G58最后通過(guò)與圖14F的陰極流動(dòng)區(qū)薄片13-3-Front上的空氣(氧氣)出口通道G40以及空氣(氧氣)流出集管G11相通的空氣(氧氣)出口G45流出。
圖15是分別具有電橋F18和多個(gè)電流片的陽(yáng)極(底部)和陰極(頂部)集電器微孔篩網(wǎng)薄片F(xiàn)17-1和F17-4的平面圖。陽(yáng)極集電器微孔篩網(wǎng)薄片的結(jié)構(gòu)定義了陰極水潤(rùn)濕區(qū)域F6，陽(yáng)極活性反應(yīng)區(qū)F4A，和氫氣潤(rùn)濕流動(dòng)區(qū)F5。三個(gè)電流傳導(dǎo)片F(xiàn)94從薄片F(xiàn)17-1的邊緣伸出。這些電流片與薄片F(xiàn)17-4上的三個(gè)相應(yīng)的電流片配位并通過(guò)電焊，微釬焊，焊接或用導(dǎo)電粘合劑粘結(jié)連接起來(lái)。預(yù)先選定作為給定焊縫所需要的載流要求的函數(shù)的電橋的數(shù)目。F95是可選的。
陰極集電器微孔篩網(wǎng)薄片F(xiàn)17-4的結(jié)構(gòu)定義了空氣(氧氣)潤(rùn)濕流動(dòng)區(qū)F14，陽(yáng)極活性反應(yīng)區(qū)F4C，和陽(yáng)極水潤(rùn)濕區(qū)域F15。三個(gè)電流傳導(dǎo)片F(xiàn)94從薄片F(xiàn)17-4的邊緣伸出。這些電流片與薄片F(xiàn)17-1上的三個(gè)相應(yīng)的電流片配位并通過(guò)電焊，微釬焊，焊接或用導(dǎo)電粘合劑粘結(jié)連接起來(lái)。
正如圖14A所示的單橋方式那樣，反應(yīng)物和冷卻水的集管F93和系桿孔F16同樣處于外圍位置。
圖16是本發(fā)明的包括三種不同形狀的板的一4片潤(rùn)濕的雙極IFMT隔板F2的等比例分解圖，板F17-1和F17-4是完全相同的如上所述的集電器微孔篩網(wǎng)板。電流通過(guò)電橋F18和三個(gè)相連的電流片F(xiàn)94從兩塑料芯片F(xiàn)17-2和F17-3的周圍傳導(dǎo)。
板F17-1是陽(yáng)極集電器微孔篩網(wǎng)板，由重復(fù)樣式的穿蝕孔或沖孔組成。片F(xiàn)17-2是塑料或陶瓷陽(yáng)極流動(dòng)區(qū)薄片，由模塑的橫向和縱向部件組成。F17-3是塑料或陶瓷陰極流動(dòng)區(qū)薄片，由模塑的橫向和縱向部件組成。片F(xiàn)17-4是陰極集電器微孔篩網(wǎng)，由重復(fù)樣式的穿蝕孔或沖孔組成。
匯流條傳導(dǎo)和濕度和熱集成控制圖17是單電池A1的疊層內(nèi)部的等比例分解圖，該疊層包括夾有一電極膜組合件A3A的隔板A2A和A2B，并且與相鄰電池的電極膜組合件A3B相接觸。板的順序和視圖如上所述。微孔篩網(wǎng)A4A表示陽(yáng)極側(cè)，A4C表示陰極側(cè)，他們通過(guò)下面詳細(xì)描述的內(nèi)部匯流條相連。陽(yáng)極氫潤(rùn)濕流動(dòng)區(qū)A5和陰極水潤(rùn)濕區(qū)域A6置于隔板中，下面更詳細(xì)描述。
電極膜組合件A3A和A3B包括與相應(yīng)的活性反應(yīng)區(qū)A4A，A4C配位的催化劑涂敷區(qū)A7A和A7C。邊界上的反應(yīng)器和冷卻水集管很明顯。氫燃料從氫入口集管A9進(jìn)入，流經(jīng)氫潤(rùn)濕流動(dòng)區(qū)A5，經(jīng)過(guò)陽(yáng)極活性反應(yīng)區(qū)A4A，從氫流出集管A8流走?？諝?氧氣)從空氣(氧氣)流入集管進(jìn)入，流經(jīng)空氣(氧氣)潤(rùn)濕流動(dòng)區(qū)A14，經(jīng)過(guò)陰極活性反應(yīng)區(qū)A4C，從空氣(氧氣)流出集管A12流走。用來(lái)潤(rùn)濕和熱控制的水由進(jìn)水集管A11進(jìn)入，流經(jīng)一內(nèi)部熱交換器，分流并流經(jīng)陰極水潤(rùn)濕區(qū)A6和陽(yáng)極水潤(rùn)濕區(qū)A5。水經(jīng)出水集管A10流走。集管通過(guò)雙極隔板A2和電極膜組合件A3。雙極隔板和電極膜組合件的邊界上的壓緊用的系桿孔A16很明顯。
圖18是本發(fā)明的包括三種不同類型的板的4片潤(rùn)濕的雙極IFMT隔板A2的等比例分解圖，板A17-1和A17-4是完全相同的集電器微孔篩網(wǎng)薄片。電流由一個(gè)或幾個(gè)內(nèi)部匯流條A18通過(guò)兩塑料芯片A17-2和A17-3傳導(dǎo)。雖然只描繪了兩長(zhǎng)方形截面的匯流條，但是不管是在篩網(wǎng)區(qū)域內(nèi)還是在其外部，均可以使用任何數(shù)目、幾何截面、和取向的匯流條。借助塑料芯片A17-2和A17-3實(shí)現(xiàn)圍繞微孔篩網(wǎng)薄片的邊緣密封，該塑料芯片可以包括在反應(yīng)物和水的集管周圍，在活性反應(yīng)區(qū)A21，A22周圍，以及在潤(rùn)濕區(qū)域A5，A6，A14，A15，和A19周圍的密封脊(未示出)。
兩金屬集電器微孔篩網(wǎng)薄片A17-1(陽(yáng)極)和A17-4(陰極)是相同的。薄片A17-2是塑料或陶瓷陽(yáng)極流動(dòng)區(qū)薄片，由模塑的橫向和穿式結(jié)構(gòu)組成。薄片A17-2包含定義氫潤(rùn)濕流動(dòng)區(qū)A5，陽(yáng)極活性反應(yīng)區(qū)流動(dòng)區(qū)A21，和陰極水潤(rùn)濕區(qū)域A6的結(jié)構(gòu)。薄片A17-2的正面構(gòu)成薄片A17-3的熱控制回路A20的封閉端(面)。薄片A17-3是塑料或陶瓷陰極流動(dòng)區(qū)薄片，由模塑的縱向和深度結(jié)構(gòu)組成。薄片A17-3包含定義用于熱控制熱交換器A20，空氣(氧氣)潤(rùn)濕流動(dòng)區(qū)A14，陰極活性反應(yīng)區(qū)A22和陽(yáng)極水潤(rùn)濕區(qū)域A15的結(jié)構(gòu)?？諝?氧氣)潤(rùn)濕流動(dòng)區(qū)A14，陰極活性反應(yīng)區(qū)A22和陽(yáng)極水潤(rùn)濕區(qū)域A15在薄片A17-3的正面上。
從A17-2至A17-3所有的薄片上，橫向貫穿邊界的通道即集管A93和壓緊用的系桿孔A16都與圖17中的電極膜組合件A3的那些同位。
圖19A-G是根據(jù)本發(fā)明集流控制原則的一系列平面圖，從每個(gè)薄片的正面顯示圖18的4片雙極隔板的縱向和深度結(jié)構(gòu)的一個(gè)實(shí)施方案的細(xì)節(jié)。應(yīng)該說(shuō)明的是薄片的順序如圖18所示，而且使用與上面邊界傳導(dǎo)實(shí)施方案相同的約定。
薄片1和4基本相同，只是在使用密封脊時(shí)，圖19A的左側(cè)顯示的是A17-1的薄片1的正面，右側(cè)顯示的是A17-4的薄片4的背面。陽(yáng)極集電器微孔篩網(wǎng)薄片的結(jié)構(gòu)定義了陰極水潤(rùn)濕區(qū)域A6，陽(yáng)極活性反應(yīng)區(qū)A4，和氫潤(rùn)濕流動(dòng)區(qū)A5。具有可選的密封脊的一密封表面A23環(huán)繞活性反應(yīng)區(qū)和潤(rùn)濕區(qū)域A19。陽(yáng)極流動(dòng)區(qū)薄片A17-2的分流和匯流集管的集管封閉端(面)是通過(guò)陽(yáng)極微孔篩網(wǎng)集管封閉端(面)A25形成的。
陰極集電器微孔篩網(wǎng)薄片A17-4結(jié)構(gòu)定義了空氣(氧氣)潤(rùn)濕流動(dòng)區(qū)A14，陰極活性反應(yīng)區(qū)A4C，和陽(yáng)極水潤(rùn)濕區(qū)A15。具有可選的密封脊的密封表面A24環(huán)繞活性反應(yīng)區(qū)和潤(rùn)濕區(qū)A19。陽(yáng)極流動(dòng)區(qū)薄片A17-3的分流和匯流集管的集管封閉端(面)是通過(guò)陰極微孔篩網(wǎng)集管封閉端(面)A26形成的。
圖19B是塑料陽(yáng)極流動(dòng)區(qū)薄片A17-2-Front的平面圖，陽(yáng)極集電器微孔篩網(wǎng)薄片A17-1的部分疊置在右下角以顯示其位置和取向。薄片A17-1粘結(jié)在陽(yáng)極集電器微孔篩網(wǎng)凹陷A31中并形成氫分流集管A27，氫匯流集管A28，陽(yáng)極活性反應(yīng)區(qū)分流集管A29，和陽(yáng)極活性反應(yīng)區(qū)匯流集管A30的集管封閉端(面)。兩條匯流條A18電粘結(jié)在陽(yáng)極集電器微孔篩網(wǎng)薄片上。
陽(yáng)極集電器微孔篩網(wǎng)區(qū)域A31可以與薄片的其余部分處于同一平面以使陽(yáng)極集電器微孔篩網(wǎng)薄片A17-1的表面與陽(yáng)極流動(dòng)區(qū)薄片A17-2的表面平齊，或者將其嵌入以形成一接收電極膜組合件的石墨紙電極的凹陷。
圖19C所示為塑料陽(yáng)極流動(dòng)區(qū)薄片的正面A17-2-Front。該薄片既有縱向也有深度結(jié)構(gòu)。其主要穿式結(jié)構(gòu)有壓緊用的系桿孔A16，橫向集管；氫流出集管A8，氫流入集管A9，進(jìn)水集管A10，出水集管A11，空氣(氧氣)流出集管A12，和空氣(氧氣)流入集管A13。別的穿式結(jié)構(gòu)有氫入口A32和氫出口A35，陰極潤(rùn)濕水入口A44，和陰極潤(rùn)濕水出口A41。陽(yáng)極流動(dòng)區(qū)薄片的正面的主要深度結(jié)構(gòu)有氫潤(rùn)濕蛇形通道A36，陽(yáng)極活性反應(yīng)區(qū)蛇形通道A39，和陰極潤(rùn)濕水蛇形通道A43。這些結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化了設(shè)備的流速和壓力降。
陽(yáng)極氫燃料經(jīng)氫入口A32，進(jìn)入潤(rùn)濕區(qū)域，經(jīng)氫分流集管入口A33進(jìn)入氫分流集管A27，經(jīng)過(guò)氫氣蛇形通道入口A34分流到兩條氫氣蛇形通道A36。氫氣經(jīng)過(guò)與氫氣潤(rùn)濕蛇形通道A36相接觸的滲水的電解膜時(shí)被潤(rùn)濕。被潤(rùn)濕的氫氣經(jīng)氫氣蛇形通道出口A37離開(kāi)，進(jìn)入氫氣匯流集管A28，然后進(jìn)入陽(yáng)極活性反應(yīng)區(qū)分流集管A29，經(jīng)陽(yáng)極活性反應(yīng)區(qū)蛇形通道入口A38流進(jìn)陽(yáng)極活性反應(yīng)區(qū)蛇形通道A39。在活性反應(yīng)區(qū)內(nèi)，氫氣在電極膜組合件的陽(yáng)極側(cè)被催化氧化以產(chǎn)生電子和質(zhì)子。質(zhì)子從陽(yáng)極催化處穿越電解膜運(yùn)動(dòng)到陰極。電子經(jīng)石墨電極從陽(yáng)極催化處流出。石墨電極上的電子被陽(yáng)極集電器微孔篩網(wǎng)A17-1匯集起來(lái)并由匯流條A18傳導(dǎo)通過(guò)復(fù)合雙極隔板。
廢氫經(jīng)陽(yáng)極活性反應(yīng)區(qū)蛇形通道出口A40離開(kāi)活性反應(yīng)區(qū)并流進(jìn)氫氣匯流集管A31，最后經(jīng)氫氣出口A35流出。
用來(lái)潤(rùn)濕陰極(空氣，氧氣)的熱水經(jīng)陰極潤(rùn)濕水入口A44進(jìn)入，經(jīng)陰極潤(rùn)濕水蛇形通道入口A45流進(jìn)陰極潤(rùn)濕水蛇形通道A43，經(jīng)陰極潤(rùn)濕水蛇形通道出口A42流出，并經(jīng)陰極潤(rùn)濕水出口A41離開(kāi)。部分流經(jīng)蛇形通道的熱水滲透過(guò)電解膜以潤(rùn)濕陰極空氣(氧氣)。
圖19D所示為塑料陽(yáng)極流動(dòng)區(qū)薄片的背面A17-2-Back。該薄片既有縱向也有深度結(jié)構(gòu)。其主要穿式結(jié)構(gòu)有壓緊用的系桿孔A16，橫向集管；氫流出集管A8，氫流入集管A9，進(jìn)水集管A10，出水集管A11，空氣(氧氣)流出集管A12，和空氣(氧氣)流入集管A13。別的穿式結(jié)構(gòu)有氫入口A32和氫出口A35，陰極潤(rùn)濕水入口A44，和陰極潤(rùn)濕水出口A41。陽(yáng)極流動(dòng)區(qū)薄片的前側(cè)的主要深度結(jié)構(gòu)有氫流入通道A47，氫流出通道A50，空氣(氧氣)流出通道A53，和通過(guò)底座A55的空氣(氧氣)出口。陽(yáng)極流動(dòng)區(qū)薄片A17-2的大部分表面被用作陰極流動(dòng)區(qū)薄片A17-3上的冷卻水通道的封閉端(面)。
氫氣從氫氣流入集管A9流經(jīng)氫氣流入通道入口A48，進(jìn)入氫氣流入通道A47，經(jīng)氫氣進(jìn)氣通道出口A46，最后經(jīng)A32進(jìn)入氫氣入口。氫氣經(jīng)氫氣入口A32從陽(yáng)極流動(dòng)區(qū)薄片(圖19C)的背面流到正面。活性反應(yīng)區(qū)的廢氫從陽(yáng)極流動(dòng)區(qū)薄片經(jīng)氫氣出口A35流回背面，進(jìn)入氫氣流出通道入口A49，經(jīng)氫氣流出通道A50和氫氣流出通道出口A51，最后流出進(jìn)入到氫氣流出集管A8。
廢空氣(氧氣)從陰極潤(rùn)濕和活性反應(yīng)區(qū)(圖19F)排出，通過(guò)底座口A55經(jīng)空氣(氧氣)流出通道入口A54，空氣(氧氣)流出通道A53，空氣(氧氣)流出通道A52，最后流進(jìn)空氣(氧氣)流出集管。
電流通過(guò)兩條匯流條A18傳導(dǎo)通過(guò)陽(yáng)極流動(dòng)區(qū)薄片。
圖19E所示為塑料陰極流動(dòng)區(qū)薄片的正面A17-3-Front。該薄片既有縱向也有深度結(jié)構(gòu)。其主要穿式結(jié)構(gòu)有壓緊用的系桿孔A16，橫向集管；氫流出集管A8，氫流入集管A9，進(jìn)水集管A10，出水集管A11，空氣(氧氣)流出集管A12，和空氣(氧氣)流入集管A13。別的穿式結(jié)構(gòu)有空氣(氧氣)入口A60，空氣(氧氣)出口A61，陽(yáng)極潤(rùn)濕水入口A58，和陽(yáng)極潤(rùn)濕水出口A57。其主要深度結(jié)構(gòu)有冷卻水蛇形通道A62，潤(rùn)濕水進(jìn)水集管A64和潤(rùn)濕水出水集管A63。
冷卻水經(jīng)進(jìn)水集管A10進(jìn)入，經(jīng)冷卻水通道入口A65，冷卻水通道A66，最后經(jīng)冷卻水蛇形通道入口A67進(jìn)入冷卻水蛇形通道A62。流經(jīng)冷卻水蛇形通道時(shí)，冷卻水吸收電化學(xué)反應(yīng)的副產(chǎn)物——熱。熱水經(jīng)冷卻水蛇形通道出口A68離開(kāi)，流進(jìn)潤(rùn)濕水進(jìn)水集管接頭A69，進(jìn)入潤(rùn)濕水進(jìn)水集管A64，最后經(jīng)潤(rùn)濕水陰極出口A70和陰極水潤(rùn)濕入口A56，或潤(rùn)濕水陽(yáng)極出口A71和陽(yáng)極水潤(rùn)濕入口A58流出。用熱水來(lái)潤(rùn)濕是因?yàn)槠涓邤U(kuò)散活性。
空氣(氧氣)從空氣(氧氣)流入集管A13進(jìn)入陰極，流進(jìn)空氣(氧氣)進(jìn)入通道入口A72，流經(jīng)空氣(氧氣)進(jìn)入通道A73，進(jìn)入空氣(氧氣)進(jìn)入通道A74，經(jīng)空氣(氧氣)入口A60流到陰極潤(rùn)濕通道和活性反應(yīng)區(qū)通道?？諝?氧氣)在流經(jīng)空氣(氧氣)潤(rùn)濕通道時(shí)被潤(rùn)濕，在圖19F所示的活性反應(yīng)區(qū)被消耗掉。廢空氣(氧氣)和產(chǎn)物水經(jīng)與空氣(氧氣)流出集管A12相連的出口A61，經(jīng)陽(yáng)極流動(dòng)區(qū)薄片A17-2上的空氣(氧氣)流出通道離開(kāi)。
電流通過(guò)兩條匯流條A18傳導(dǎo)通過(guò)陰極流動(dòng)區(qū)薄片。
圖19F所示為塑料陰極流動(dòng)區(qū)薄片的背面A17-2-Back。該薄片既有縱向也有深度結(jié)構(gòu)。其主要穿式結(jié)構(gòu)有壓緊用的系桿孔A16，橫向集管；氫流出集管A8，氫流入集管A9，進(jìn)水集管A10，出水集管A11，空氣(氧氣)流出集管A12，和空氣(氧氣)流入集管A13。別的穿式結(jié)構(gòu)有空氣(氧氣)入口A60，空氣(氧氣)出口A61，陽(yáng)極潤(rùn)濕水入口A58，和陽(yáng)極潤(rùn)濕水出口A59。陰極流動(dòng)區(qū)薄片上的主要深度結(jié)構(gòu)有空氣(氧氣)潤(rùn)濕蛇形通道A80，陰極活性反應(yīng)區(qū)蛇形通道A86，和陽(yáng)極潤(rùn)濕水蛇形通道A77。
陰極的空氣(氧氣)經(jīng)空氣(氧氣)入口A60進(jìn)入潤(rùn)濕區(qū)域，經(jīng)空氣(氧氣)分流集管入口A78流進(jìn)空氣(氧氣)分流集管A79，并經(jīng)空氣(氧氣)蛇形通道入口A80被分流到兩條空氣(氧氣)蛇形通道A81。空氣(氧氣)經(jīng)過(guò)與空氣(氧氣)潤(rùn)濕蛇形通道A81相接觸的滲水的電解膜時(shí)被潤(rùn)濕。被潤(rùn)濕的空氣(氧氣)經(jīng)空氣(氧氣)蛇形通道出口A82離開(kāi)潤(rùn)濕區(qū)域，進(jìn)入空氣(氧氣)潤(rùn)濕匯流集管A83，然后進(jìn)入陰極活性反應(yīng)區(qū)分流集管A84，經(jīng)陰極活性反應(yīng)區(qū)蛇形通道入口A85流進(jìn)陰極活性反應(yīng)區(qū)蛇形通道A86。在活性反應(yīng)區(qū)內(nèi)，氧氣被催化還原，從陽(yáng)極接收電子和質(zhì)子以產(chǎn)生水。電子通過(guò)匯流條A18從陽(yáng)極傳導(dǎo)到陰極，進(jìn)入陰極集電器微孔篩網(wǎng)17-4，經(jīng)電極膜組合件上的陰極石墨電極最后會(huì)合在陰極催化處，在此處電子與陽(yáng)極產(chǎn)生的質(zhì)子和氧氣反應(yīng)產(chǎn)生過(guò)量的熱和產(chǎn)物水。廢空氣(氧氣)和產(chǎn)物水通過(guò)陰極活性反應(yīng)區(qū)蛇形通道出口A87離開(kāi)活性反應(yīng)區(qū)，流進(jìn)空氣(氧氣)匯流集管A88，經(jīng)空氣(氧氣)匯流集管出口A89最后經(jīng)空氣(氧氣)A61流出。
用來(lái)潤(rùn)濕陽(yáng)極(氫)的熱水經(jīng)陽(yáng)極潤(rùn)濕水入口A58進(jìn)入，經(jīng)陽(yáng)極潤(rùn)濕水蛇形通道入口A76流進(jìn)陽(yáng)極潤(rùn)濕水蛇形通道A77，經(jīng)陽(yáng)極潤(rùn)濕水蛇形通道出口A75流出，并經(jīng)陽(yáng)極潤(rùn)濕水出口A59離開(kāi)。部分流經(jīng)蛇形通道的熱水滲透過(guò)電解膜以潤(rùn)濕陽(yáng)極氫。
匯流條A18(頂端和底端)從板上伸出以接觸微孔篩網(wǎng)匯集板A17-4，這一點(diǎn)在圖19G中可以看出，圖19G是塑料陰極流動(dòng)區(qū)薄片A17-3-Back的平面圖，其右下角為陰極集電器微孔篩網(wǎng)薄片A17-4的一部分。薄片A17-4被粘在陰極集電器微孔篩網(wǎng)凹陷A90中并成為空氣(氧氣)潤(rùn)濕分流集管A79，空氣(氧氣)潤(rùn)濕分流集管A83，陰極活性反應(yīng)區(qū)分流集管A84和陰極活性反應(yīng)區(qū)匯流集管A88的封閉端(面)。兩匯流條A18被粘在陰極集電器微孔篩網(wǎng)薄片A17-4上以提供良好的電連接。
陰極集電器微孔篩網(wǎng)區(qū)域A90既可以選擇使陰極集電器微孔篩網(wǎng)薄片A17-4的表面與陰極流動(dòng)區(qū)薄片A17-3的表面平齊，也可以將其嵌入以形成一個(gè)接受圖17中的電極膜組合件A3的石墨紙電極的凹陷。
匯流條傳導(dǎo)綜合熱控制下面通過(guò)實(shí)施例，但并不限制本發(fā)明的原則的方式，敘述說(shuō)明本發(fā)明的匯流條直通傳導(dǎo)的實(shí)現(xiàn)。這一敘述將清楚地使得本領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員能夠制造和使用本發(fā)明，這一敘述描述了本發(fā)明的幾種實(shí)施方案，調(diào)整，變化，替換和使用，包括目前我認(rèn)為的本發(fā)明的最佳實(shí)施方式。
圖20是單電池B1的疊層的內(nèi)部的等比例分解圖，該疊層包括夾有一電極膜組合件B3A、隔板B2B、和B2B，并且與相鄰電池的電極膜組合件B3B相接觸。在此視圖中，只有雙極隔板的H2(陽(yáng)極)側(cè)是可見(jiàn)的，但如下所示，在隱藏(陰極)側(cè)有與之配位的氧氣區(qū)。大的長(zhǎng)方形區(qū)域B4A是電池的活性反應(yīng)區(qū)，B4A表示陽(yáng)極側(cè)，B4C表示陰極側(cè)。
電極膜組合件B3A和B3B包括與相應(yīng)的活性反應(yīng)區(qū)B4A和B4C配位的催化劑涂敷區(qū)域B7A和B7C。邊界上的反應(yīng)物和冷卻水集管很明顯。氫燃料從氫入口集管B7進(jìn)入，流經(jīng)陽(yáng)極活性反應(yīng)區(qū)B4A，從氫流出集管B6流走?？諝?氧氣)從空氣(氧氣)流入集管B10進(jìn)入，流經(jīng)陰極活性反應(yīng)區(qū)A4C，從空氣(氧氣)流出集管B11流走。用來(lái)控制熱的冷卻水由進(jìn)水集管B9進(jìn)入，流經(jīng)內(nèi)部熱交換器，經(jīng)出水集管B8流走。橫向的反應(yīng)物的流入和流出集管和冷卻水進(jìn)水集管和出水集管B6，B7，B9，B11，B10，和B12通過(guò)雙極隔板B2和電極膜組合件B3。雙極隔板和電極膜組合件的邊界上的壓緊用的系桿孔A16很明顯。
圖21是本發(fā)明的包括三種不同類型的薄片的4片潤(rùn)濕的雙極IFMT隔板B2的等比例分解圖，板B13-1和B13-4是完全相同的集電器微孔篩網(wǎng)薄片。電流借助一個(gè)或幾個(gè)內(nèi)部匯流條B14穿越兩塑料芯片B13-2和B13-3傳導(dǎo)。雖然只描繪了兩條長(zhǎng)方形截面的匯流條，但是不管是在篩網(wǎng)區(qū)域內(nèi)還是在其外部，均可以使用任何數(shù)目，任何幾何截面和取向的匯流條。借助塑料芯片B13-2和B13-3實(shí)現(xiàn)圍繞微孔篩網(wǎng)薄片的邊緣密封，該芯片可以包括在反應(yīng)物和水的集管周圍，以及在活性反應(yīng)區(qū)B4A和B4C周圍的密封脊(未示出)。
兩塊金屬集電器微孔篩網(wǎng)薄片B13-1和B13-4是相同的。薄片B13-1是陰極集電器微孔篩網(wǎng)薄片，由重復(fù)樣式的穿蝕或沖擊孔組成。薄片B13-2塑料或陶瓷陽(yáng)極流動(dòng)區(qū)薄片，由模塑的橫向和穿式結(jié)構(gòu)組成。薄片B13-2包含定義陽(yáng)極活性反應(yīng)區(qū)流動(dòng)區(qū)B16的結(jié)構(gòu)。薄片B13-2的正面形成薄片B13-3的熱控制回路B17的封閉端面。薄片B13-3是塑料或陶瓷陰極流動(dòng)區(qū)薄片，由模塑的縱向和深度結(jié)構(gòu)組成。薄片B13-3包含定義熱控制熱交換器B17和陰極活性反應(yīng)區(qū)流動(dòng)區(qū)B18的結(jié)構(gòu)。陰極活性反應(yīng)區(qū)流動(dòng)區(qū)B18在薄片B13-3的正面。
從B13-2至B13-3所有薄片上，橫向貫穿邊界的通道或集管B15和壓緊用的系桿孔B12是與圖20中的電極膜組合件B3的那些配位的。
圖22A-G是根據(jù)本發(fā)明集流控制原則的一系列平面圖，從每個(gè)薄片的前部顯示圖21的4片雙極隔板的縱向和深度結(jié)構(gòu)的一個(gè)實(shí)施方案的細(xì)節(jié)的一個(gè)系列。每片的progression如上所示，圖22A的左側(cè)顯示的是薄片1(陽(yáng)極B13-1)的前部，右側(cè)顯示的是薄片4(陰極B13-4)的后部。陽(yáng)極集電器微孔篩網(wǎng)薄片B13-1具有定義陽(yáng)極活性反應(yīng)區(qū)B4A的結(jié)構(gòu)。具有可選的密封脊的一密封表面B19環(huán)繞活性反應(yīng)區(qū)B4A。陽(yáng)極流動(dòng)區(qū)薄片B13-2的分流和匯流集管的集管封閉端是通過(guò)陽(yáng)極微孔篩網(wǎng)集管封閉端B21形成的。陰極集電器微孔篩網(wǎng)薄片B13-4的形貌定義了陰極活性反應(yīng)區(qū)B4C。陽(yáng)極流動(dòng)區(qū)薄片B13-3的分流和匯流集管的集管封閉端(面)是通過(guò)陰極微孔篩網(wǎng)集管封閉端(面)B22形成的。
圖22B是塑料陽(yáng)極流動(dòng)區(qū)薄片的正面B13-2-Front平面圖，陽(yáng)極集電器微孔篩網(wǎng)薄片B13-1的部分疊置在右下角。薄片B13-1粘結(jié)在一陽(yáng)極集電器微孔篩網(wǎng)凹陷B25中并形成陽(yáng)極活性反應(yīng)區(qū)分流集管B23和陽(yáng)極活性反應(yīng)區(qū)匯流集管B24的集管封閉端(面)。兩條匯流條B14電粘結(jié)在陽(yáng)極集電器微孔篩網(wǎng)薄片上以形成良好的電連接。
選擇陽(yáng)極集電器微孔篩網(wǎng)凹陷B25使陽(yáng)極微孔篩網(wǎng)薄片B13-1的表面與陽(yáng)極流動(dòng)區(qū)薄片片B13-2的表面平齊，也可以將其嵌入以形成一個(gè)接受電極膜組合件的石墨紙電極的凹陷。
圖22C所示為塑料陽(yáng)極流動(dòng)區(qū)薄片的正面B13-2-Front。該薄片既有縱向也有深度結(jié)構(gòu)。其主要穿式結(jié)構(gòu)有壓緊用的系桿孔B12，橫向集管；氫流出集管B6，氫流入集管B7，進(jìn)水集管B8，出水集管B9，空氣(氧氣)流出集管B11，和空氣(氧氣)流入集管B10。別的穿式結(jié)構(gòu)有氫入口B26和氫出口B28。陽(yáng)極流動(dòng)區(qū)薄片的正面的主要深度結(jié)構(gòu)有陽(yáng)極活性反應(yīng)區(qū)蛇形通道B31，陽(yáng)極活性反應(yīng)區(qū)分流集管B23和陽(yáng)極活性反應(yīng)區(qū)匯流集管B24。這些結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化了設(shè)備的流速和壓力降。
陽(yáng)極氫燃料經(jīng)氫入口B26進(jìn)入，經(jīng)陽(yáng)極活性反應(yīng)區(qū)分流集管入口B27，進(jìn)入陽(yáng)極活性反應(yīng)區(qū)分流集管B23，經(jīng)陽(yáng)極活性反應(yīng)區(qū)蛇形通道入口B30流進(jìn)陽(yáng)極活性反應(yīng)區(qū)蛇形通道B31。在活性反應(yīng)區(qū)內(nèi)，氫氣在電極膜組合件的陽(yáng)極側(cè)被催化氧化以產(chǎn)生電子和質(zhì)子。質(zhì)子從陽(yáng)極催化處穿過(guò)電解膜運(yùn)動(dòng)到陰極。電子經(jīng)石墨電極從陽(yáng)極催化處流出。石墨電極上的電子被陽(yáng)極集電器微孔篩網(wǎng)B13-1匯集起來(lái)并由匯流條B14傳導(dǎo)經(jīng)過(guò)復(fù)合雙極隔板。
廢氫經(jīng)陽(yáng)極活性反應(yīng)區(qū)蛇形通道出口B32離開(kāi)活性反應(yīng)區(qū)并流進(jìn)陽(yáng)極活性反應(yīng)區(qū)匯流集管B24，經(jīng)陽(yáng)極活性反應(yīng)區(qū)匯流集管出口B29，最后經(jīng)氫氣出口B28流出。
圖22D所示為塑料陽(yáng)極流動(dòng)區(qū)薄片的背面B13-2-Back。該薄片既有縱向也有深度結(jié)構(gòu)。其主要穿式結(jié)構(gòu)有壓緊用的系桿孔B12，橫向集管；氫流出集管B6，氫流入集管B7，進(jìn)水集管B9，出水集管B8，空氣(氧氣)流出集管B11，和空氣(氧氣)流入集管B10。別的穿式結(jié)構(gòu)有氫入口B28和氫出口B26。其主要深度結(jié)構(gòu)有氫流入通道B34，氫流出通道B37，空氣(氧氣)流出通道B40，和通過(guò)底座的空氣(氧氣)出口B43，空氣(氧氣)流入通道B50，和空氣(氧氣)通過(guò)底座的入口B42。陽(yáng)極流動(dòng)區(qū)薄片B13-2的大部分表面被用作陰極流動(dòng)區(qū)薄片B13-3上的冷卻水通道的封閉端(面)。
氫氣從氫氣流入集管B7流經(jīng)氫氣流入通道入口B35，進(jìn)入氫氣流入通道B34，經(jīng)氫氣進(jìn)氣通道出口B33，最后進(jìn)入氫氣入口B26。氫氣從圖22D的陽(yáng)極流動(dòng)區(qū)薄片的背面流到正面，通過(guò)氫氣入口B26?；钚苑磻?yīng)區(qū)的廢氫從陽(yáng)極流動(dòng)區(qū)薄片通過(guò)氫氣出口B28流回，進(jìn)入氫氣流出通道入口B36，經(jīng)氫氣流出通道B37和氫氣流出通道出口B38，最后流出進(jìn)入到氫氣流出集管B6。
空氣(氧氣)從空氣(氧氣)流入集管B10流經(jīng)空氣(氧氣)流入通道入口B49，進(jìn)入空氣(氧氣)流入集管B50，經(jīng)空氣(氧氣)流入通道出口B51，最后通過(guò)與圖22E中的陰極流動(dòng)區(qū)薄片B13-3上的空氣(氧氣)入口B44相通的底座中的口B42進(jìn)入空氣(氧氣)入口。空氣(氧氣)入口B44將空氣(氧氣)帶到陰極活性反應(yīng)區(qū)。
廢空氣(氧氣)從陰極活性反應(yīng)區(qū)經(jīng)空氣(氧氣)出口B45(圖22E)排出，通過(guò)底座中的口B43進(jìn)入空氣(氧氣)出口，進(jìn)入空氣(氧氣)流出通道入口B41，空氣(氧氣)流出通道B40，經(jīng)過(guò)空氣(氧氣)流出通道出口B39，最后經(jīng)空氣(氧氣)流出集管B11流出。
電流借助兩條匯流條B14傳導(dǎo)通過(guò)陽(yáng)極流動(dòng)區(qū)薄片。
圖22F所示為塑料陰極流動(dòng)區(qū)薄片的正面B13-3-Front。該薄片既有縱向也有深度結(jié)構(gòu)。其主要穿式結(jié)構(gòu)有壓緊用的系桿孔B12，橫向集管；氫流出集管B6，氫流入集管B7，進(jìn)水集管B9，出水集管B8，空氣(氧氣)流出集管B11，和空氣(氧氣)流入集管B10。別的穿式結(jié)構(gòu)有空氣(氧氣)入口B44，空氣(氧氣)出口B45。其主要深度結(jié)構(gòu)有冷卻水蛇形通道B46。
涼水經(jīng)冷卻水進(jìn)水集管B9進(jìn)入，流過(guò)冷卻水蛇形通道入口B47進(jìn)入冷卻水蛇形通道B46。流經(jīng)冷卻水蛇形通道B46時(shí)，冷卻水吸收電化學(xué)反應(yīng)的副產(chǎn)物——熱。熱水經(jīng)冷卻水蛇形通道出口B48流出，最后經(jīng)冷卻水出水集管B8離開(kāi)。
空氣(氧氣)經(jīng)與通過(guò)底座的空氣(氧氣)入口B42和圖22D中的陽(yáng)極流動(dòng)區(qū)薄片B13-2-Back上的空氣(氧氣)流入集管B10相通的空氣(氧氣)入口B44流到陰極流動(dòng)區(qū)薄片B13-3。廢空氣(氧氣)和產(chǎn)物水經(jīng)與通過(guò)底座B43的空氣(氧氣)出口B43相通的空氣(氧氣)出口B45和圖22D中的陽(yáng)極流動(dòng)區(qū)薄片B13-2上的空氣(氧氣)流出集管B11離開(kāi)陰極流動(dòng)區(qū)活性反應(yīng)區(qū)。
電流借助兩條匯流條B14傳導(dǎo)通過(guò)陰極流動(dòng)區(qū)薄片。
圖22G所示為是塑料陰極流動(dòng)區(qū)薄片的背面B13-3-Back，并且示出了陰極集電器微孔篩網(wǎng)薄片B13-4的一部分(該部分示于右下角)。該薄片既有縱向也有深度結(jié)構(gòu)。其主要穿式結(jié)構(gòu)有壓緊用的系桿孔B12，橫向集管；氫流出集管B6，氫流入集管B7，進(jìn)水集管B9，出水集管B8，空氣(氧氣)流出集管B11，和空氣(氧氣)流入集管B10。別的穿式結(jié)構(gòu)有空氣(氧氣)入口B44，空氣(氧氣)出口B45。陰極流動(dòng)區(qū)薄片上的主要深度結(jié)構(gòu)有陰極活性反應(yīng)區(qū)分流集管B53陰極活性反應(yīng)區(qū)匯流集管B57和陰極活性反應(yīng)區(qū)蛇形通道B55。
陰極的空氣(氧氣)經(jīng)空氣(氧氣)入口B44進(jìn)入潤(rùn)濕區(qū)域，經(jīng)空氣(氧氣)分流集管入口B52流進(jìn)空氣(氧氣)分流集管B53，并經(jīng)陰極活性反應(yīng)區(qū)蛇形通道入口B54被分流到陰極活性反應(yīng)區(qū)蛇形通道B55。在活性反應(yīng)區(qū)內(nèi)，氧氣被催化還原，從陽(yáng)極接收電子和質(zhì)子以產(chǎn)生水。電子通過(guò)匯流條B14從陽(yáng)極傳導(dǎo)進(jìn)陰極集電器微孔篩網(wǎng)17-4，經(jīng)電極膜組合件上的陰極石墨電極最后會(huì)合在陰極催化處，在此處電子與陽(yáng)極產(chǎn)生的質(zhì)子和氧氣反應(yīng)產(chǎn)生過(guò)量的熱和產(chǎn)物水。廢空氣(氧氣)和產(chǎn)物水通過(guò)陰極活性反應(yīng)區(qū)蛇形通道出口B58離開(kāi)活性反應(yīng)區(qū)，流進(jìn)陰極活性反應(yīng)區(qū)匯流集管B57，經(jīng)空氣(氧氣)匯流集管出口B58最后經(jīng)與通過(guò)底座的空氣(氧氣)出口B43和圖22D中的陽(yáng)極流動(dòng)區(qū)薄片上的空氣(氧氣)流出集管B11相通的空氣(氧氣)B45流出。
薄片B13-4被粘在陰極集電器微孔篩網(wǎng)凹陷B59中并成為空氣(氧氣)活性反應(yīng)區(qū)分流集管B53，空氣(氧氣)活性反應(yīng)區(qū)匯流集管B57的封閉端(面)。兩匯流條B14被粘在陽(yáng)極集電器微孔篩網(wǎng)薄片上以提供良好的電流連接。陰極集電器微孔篩網(wǎng)區(qū)域B59既可以選擇使其陰極集電器微孔篩網(wǎng)薄片B13-4的表面與陰極流動(dòng)區(qū)薄片B13-3的表面放置平齊，也可以將其嵌入以形成一個(gè)接受圖20中的電極膜組件B3的石墨紙電極的凹陷。
邊緣和直通傳導(dǎo)剖視圖圖23A-D顯示了沿圖16的剖面線23-23的幾種邊緣傳導(dǎo)的變換構(gòu)造。圖23A顯示了圖16的實(shí)施方案，其中陽(yáng)極微孔篩網(wǎng)F17-1和陰極微孔篩網(wǎng)F17-4通過(guò)電橋F18連接起來(lái)，并被折疊起來(lái)粘在薄片F(xiàn)17-2和F17-3之間形成BSP。關(guān)于圖16前面已經(jīng)描述了不同深度的構(gòu)槽，通孔和封閉端(面)的形貌(以及相關(guān)的薄片圖)，所以此處或圖23B-D中不再重復(fù)。
圖23B顯示了陽(yáng)極微孔篩網(wǎng)F17-1和陰極微孔篩網(wǎng)薄片F(xiàn)17-4上的嵌片F(xiàn)94，它們?cè)诘撞繌澢蠛显谝黄鸩⒔柚玮F焊，焊接，電焊，導(dǎo)電膠粘劑，滾轉(zhuǎn)壓制等方式焊接或粘接。圖23C顯示了嵌片F(xiàn)94的搭接并在F96處粘結(jié)在一起。這種形式的接觸也可以是薄片將F1701的嵌片F(xiàn)94壓入薄片F(xiàn)17-4的嵌片F(xiàn)94和兩芯片的底部之間縫隙的壓配合。圖23D所示為兩條邊緣匯流條的或帶F97在頂部和底部F98處點(diǎn)焊或粘接的一個(gè)例子。
圖24A和B為匯流條傳導(dǎo)的不同實(shí)施方案沿圖18中線24-24的剖面圖。圖24A顯示了其中微孔篩網(wǎng)A17-1和A17-4分別插在芯板A17-2和A17-3的凹陷A95中。前面結(jié)合圖18和相應(yīng)的薄片圖描述了不同的深度結(jié)構(gòu)，貫穿結(jié)構(gòu)和封閉端(面)。圖24B所示為周邊與芯片的周邊配位的微孔篩網(wǎng)。
組合雙極隔板制造過(guò)程圖25是一流程圖，描述了薄片生產(chǎn)過(guò)程中的主要步驟，包括通過(guò)化學(xué)銑削(蝕刻)形成薄片結(jié)構(gòu)。雖然這一流程主要用于下面實(shí)施例中敘述的金屬微孔篩網(wǎng)薄片，但是塑料芯片的金屬模具也是用這種方法生產(chǎn)的。另外，這一方法被用于通過(guò)化學(xué)銑削，通常是用溶劑生產(chǎn)塑料芯片本身。其步驟如下A.薄片原料檢測(cè)對(duì)新進(jìn)的金屬薄片原料或壓模原料C1進(jìn)行檢測(cè)(C2)以確認(rèn)材料類型，軋制硬度，軋制厚度，表面均一性和相關(guān)的供料信息。
B.薄片原料的清潔和干燥借助自動(dòng)機(jī)器打磨，脫脂和化學(xué)清洗，清潔和干燥(C3)薄片原料以便應(yīng)用光刻膠，這一操作去除金屬上的殘余軋制油脂或油污或塑料上的污物和靜電吸附的污染物。脫脂后，在室溫下用稀釋的蝕刻溶液對(duì)薄片進(jìn)行溫和的化學(xué)清潔以除去氧化物和表面不純物質(zhì)。對(duì)鈦而言清洗液為3-9％的HF和10-18％的HNO3。對(duì)別的金屬如不銹鋼或鋁而言，用室溫下30～45玻美度的氯化鐵作為清洗液。對(duì)塑料而言，可以使用合適的塑料溶劑。在強(qiáng)制對(duì)流干燥機(jī)中干燥塑料作為涂布光刻膠前的最后步驟。
根據(jù)光刻膠是濕還是干，分別采用如下涂布光刻膠的步驟C-1和C-2，或C-3。
C-1.濕法涂布光刻膠濕法涂布光刻膠由于光刻膠層的薄度允許對(duì)細(xì)節(jié)的最精細(xì)的分辨。濕法涂布光刻膠(C4)通常使用浸漬槽。小的薄片可以用為半導(dǎo)體工業(yè)制造的旋轉(zhuǎn)涂敷機(jī)旋轉(zhuǎn)涂敷。
C-2.涂層爐濕涂層在爐C5中烘烤(固化)以形成硬的彈性層。
C-3.干法涂布光刻膠干膜光刻膠用于對(duì)公差要求不嚴(yán)的地方。就燃料電池隔板而言，通常使用干膜涂層。用加熱的滾壓機(jī)使干膜保護(hù)層與襯板剝離并粘接(C6)，該滾壓機(jī)和印刷線路板工業(yè)所用的類似。滾壓過(guò)程自動(dòng)地將襯板從光刻層上剝離下來(lái)。典型干膜光刻膠材料是duPont公司生產(chǎn)的2mil的“Riston 4620”。
D.光敏掩膜紫外爆光薄片用紫外接觸曝光機(jī)曝光(C7)。要多加小心以使原圖兩側(cè)均精確定位?？梢允褂醚谀ど系亩ㄎ荒繕?biāo)來(lái)輔助這一過(guò)程。
E.圖像沖洗將爆光的薄片通過(guò)沖洗溶液和烘烤爐(C8)。濕法涂層在烴顯影劑中沖洗，顯影劑除去未固化的涂層。常用的顯影劑是Great Western Chemicals生產(chǎn)的“Stoddard’s Solution”，件號(hào)GW 325，和從Van Waters and Rogers得到的Butyl Acetate，件號(hào)CAS 104-46-4。濕法沖洗使用室溫下飽和濃度的這些溶液。沖洗后將剩下的濕涂層重新烘烤以形成彈性層。干法沖洗使用的duPont的“Liquid Developer Concentrate”，件號(hào)D-4000，在80°F使用1.5％的溶液。
F.噴蝕槽化學(xué)處理沖洗好的薄片放在噴蝕槽中蝕刻(C9)。由于較高的蝕刻速率(這會(huì)導(dǎo)致較高的生產(chǎn)速率)，優(yōu)選噴蝕槽而不是浸漬蝕刻器。有時(shí)用浸漬劑器得到的分辨率可以比用噴蝕器得到的高。蝕刻過(guò)程對(duì)蝕刻液的濃度，傳送帶的速度，噴涂壓力和操作溫度特別敏感。對(duì)這些參數(shù)的操作反饋(C11)是通過(guò)在加工過(guò)程中的連續(xù)檢測(cè)(C10)得到的。通常改變線速度以得到所希望的蝕刻結(jié)果。既可以使用氯化鐵作為蝕刻劑也可以使用HF/硝酸溶液作為蝕刻劑。氯化鐵蝕刻劑用于銅、鋁、和不銹鋼，HF/硝酸用于鈦。對(duì)鈦而言，蝕刻劑濃度為3～10％HF和10-l8％HNO3。蝕刻鈦的溫度范圍為80～130°F。對(duì)別的金屬而言，通常氯化鐵的濃度為30～45玻美度，蝕刻溫度維持在80～130°F范圍內(nèi)。根據(jù)所用的不同金屬，可以控制特定的濃度和溫度條件。線速度是所用蝕刻槽的數(shù)目的函數(shù)。通常蝕刻器是由通用傳送機(jī)與多個(gè)獨(dú)立的蝕刻槽改裝成的。典型的蝕刻器可以從Schmid Systems，Inc of Maumee，OH和Atotech Chemcut of state College，PA買到。通過(guò)最后一個(gè)蝕刻槽后，薄片在串聯(lián)沖洗器中沖洗。該串聯(lián)沖洗器在檢測(cè)前除去多余的蝕刻劑。
G.加工過(guò)程中的檢測(cè)在C10工序?qū)Ρ∑M(jìn)行檢測(cè)以便為蝕刻操作反饋蝕刻速度和線速度信息。加工過(guò)程中的檢測(cè)通常是目測(cè)進(jìn)行的。
H.剝離涂層用烴類剝離劑在200°F剝離濕法光敏涂層C12。一種合適的剝離劑為Alpha metals of Carson，CA生產(chǎn)的“ChemStrip”，件號(hào)PC 1822。用商品剝離溶液離干法光敏涂層。如ArdroxofLa Mirada，CA生產(chǎn)的“Ardox”，件號(hào)PC 4055。Ardox被稀釋到1～3％并在130°F下使用。剝離后，薄片用串聯(lián)沖洗器清洗干凈。
I.最后的檢測(cè)(13)通過(guò)測(cè)量和與臨界尺寸——在CAD設(shè)計(jì)過(guò)程中選取的薄片檢測(cè)信息(C30)進(jìn)行比較，進(jìn)行最后的目測(cè)。反回這一信息以控制蝕刻設(shè)計(jì)操作。完成最后檢測(cè)后，對(duì)加工好的金屬薄片進(jìn)行J-1或J-2操作。
J-1.氮化爐將加工好的鈦薄片放在真空爐中進(jìn)行氮化(C14)，將隔板裝入抽真空至10-6Torr的真空爐中。往爐中充入干燥的N2至壓力為1 Psig。重復(fù)這一循環(huán)。一旦達(dá)到最后的1 Psig壓力，立即將爐子加熱到1200～1625°F約20～90分鐘。該特定時(shí)間和溫度取決于所希望的氮化鈦厚度。冷卻爐子、恢復(fù)壓力，加工好的產(chǎn)品氮化的(鈍化的)薄片可以與塑料芯流動(dòng)控制薄片一起裝配生產(chǎn)復(fù)合隔板了。
J-2.氮化爐支路除鈦外，別的金屬不氮化。
K.金屬微孔篩網(wǎng)母片放入加工緩沖隔離裝置中做好的金屬微孔篩網(wǎng)母片按類型或按組放在一起在緩沖隔離裝置中排隊(duì)。注意軋制原料通常是4-25密爾厚(視薄片設(shè)計(jì)要求而定)36英寸寬的鈦，空白薄片為6英寸×8英寸，因此在上面敘述的連續(xù)進(jìn)料過(guò)程中，薄片是按6片排列的，也就是說(shuō)在片材寬度方向排列有6片薄片。
必須注意的是這一操作可用于成形塑料芯片壓制模具或壓花模具。
圖26是描述目前優(yōu)選的生產(chǎn)塑料流動(dòng)控制薄片和與金屬微孔篩網(wǎng)薄片層壓形成完整的雙極復(fù)合隔板的方法流程圖A.模壓加工對(duì)新進(jìn)的塑料薄片原料(C17)進(jìn)行檢測(cè)以確認(rèn)材料類型、軋制硬度、軋制厚度、表面均一性和相關(guān)的供料信息。檢測(cè)后，塑料片原料模壓成型(C18)形成深度和穿式結(jié)構(gòu)。模壓模壓成型能夠形成深度和寬度無(wú)限變化的深度結(jié)構(gòu)。
B.塑料薄片整形器用塑料薄片整形器給塑料母薄片整形(C19)。剪、鋸、刀和打孔器是常用的塑料片整形方法。
C.粘合劑粘接助劑使用操作使用粘合劑粘接助劑C20來(lái)協(xié)助無(wú)滲漏粘接。粘接助劑的特定性能依賴于被粘接的塑料的類型。粘接助劑可以是溶劑，環(huán)氧膠或接觸粘合劑。根據(jù)所用塑料薄片，粘接助劑可以采用噴涂或絲網(wǎng)印刷法施用。
粘接助劑涂在薄片的配合面上，但必須防止流到深度結(jié)構(gòu)中，否則會(huì)引起流動(dòng)通道的部分或完全堵塞。這要求精確控制粘接助劑的粘度和施用厚度。粘度和厚度參數(shù)隨不同的塑料/粘接助劑組合面變化，這在本領(lǐng)域是熟知的。
D.金屬薄片的整形金屬微孔篩網(wǎng)薄片母片C16用金屬薄片整形器C21整形。剪或鋸是金屬薄片的常用整形方法。
E.疊層操作將金屬和塑料薄片按水平方向排列(按適當(dāng)?shù)捻樞?，然后按順序垂直疊放在熱臺(tái)板上(C22)。薄片的定位孔(不同數(shù)目的壓緊螺栓孔)對(duì)準(zhǔn)定位銷以精確校準(zhǔn)薄片。以使薄片的配合結(jié)構(gòu)相關(guān)聯(lián)，以形成通路，平臺(tái)，集管和管路。用這種方法，在底板和頂板之間一個(gè)粘接疊層中一次可以層疊高達(dá)100個(gè)復(fù)合雙極隔板以進(jìn)行層壓。
F.層壓粘接將裝配好的薄片疊層裝入加熱的層壓機(jī)中進(jìn)行粘接C23。不同的金屬、塑料和粘接助劑組合要求不同的粘接計(jì)劃。粘接條件根據(jù)特定的施壓和溫度的具體計(jì)劃而定。通常粘接溫度在150℃至300℃之間。必須精確控制粘接壓力和溫度以免在得到防漏粘接的同時(shí)使內(nèi)部通道的過(guò)度變形。
G.性能檢驗(yàn)和/或滲漏檢查對(duì)粘接好的隔板進(jìn)行滲漏檢查，C24，用一試驗(yàn)裝置往通道、集管和通路中施加內(nèi)壓以確證粘接完整性，即，設(shè)有邊緣泄漏或內(nèi)部管路短路。
H.最后的修飾操作輔助設(shè)備，如操作架和薄片順序號(hào)(形成于薄片的邊緣)在最后的修飾操作C25中除去(切除)以生成具有上述復(fù)雜的內(nèi)部微通道的復(fù)合粘接薄片隔板。
圖27說(shuō)明了為前面描述的圖25和26中的照相平板印刷干法或濕法蝕刻薄片準(zhǔn)備薄片設(shè)計(jì)原圖的過(guò)程。其步驟如下A.薄片圖案薄片裝配圖是在計(jì)算機(jī)上用自動(dòng)畫圖CAD系統(tǒng)C27制作的。測(cè)量圖案的凈尺寸。每片薄片的兩側(cè)最后均以平面圖畫出其正面和反面。這些圖案均用電子系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到薄片掩模原圖生成CAD系統(tǒng)C29上。根據(jù)CAD圖案，產(chǎn)生薄片檢測(cè)數(shù)據(jù)C30。這些檢測(cè)數(shù)據(jù)由需要在原圖產(chǎn)生和生產(chǎn)過(guò)程中證實(shí)的臨界尺寸組成。在生產(chǎn)過(guò)程中原圖和薄片均被檢測(cè)。
B.掩膜原圖的產(chǎn)生掩模原圖CAD系統(tǒng)C29中的薄片CAD圖案被轉(zhuǎn)移到每片薄片的光制模掩模上。將蝕刻因素均應(yīng)用到每幅圖案的每個(gè)結(jié)構(gòu)上。蝕刻因素將光刻掩模的寬度調(diào)整到結(jié)構(gòu)的寬度以補(bǔ)償在每片薄片的化學(xué)蝕刻過(guò)程(用來(lái)拋光)中產(chǎn)生的底層蝕刻。這要求縮小光刻掩模中的通道的尺寸，以補(bǔ)償?shù)讓右笪g刻。蝕刻因素依賴于金屬的類型、化學(xué)蝕刻設(shè)備的類型、蝕刻速度、所用蝕刻劑的類型和強(qiáng)度。在產(chǎn)生掩模的過(guò)程中添加生產(chǎn)輔助標(biāo)志。生產(chǎn)輔助標(biāo)志包括幫助疊層和粘接操作的對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)，薄片號(hào)和操作架。
C.原圖攝影測(cè)圖用自動(dòng)攝影測(cè)圖儀C31在膠片上按1倍放大畫出薄片原圖。
D.正檢測(cè)用在薄片CAD畫圖操作產(chǎn)生的檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)完成的原圖進(jìn)行視頻檢測(cè)C32。檢查后將頂(前)和底(后)薄片的原圖按精確對(duì)準(zhǔn)結(jié)合起來(lái)形成薄片原圖C33。
將薄片原圖用于生產(chǎn)金屬微孔篩網(wǎng)薄片的化學(xué)蝕刻操作，也可用于制作模壓模具。
應(yīng)該理解的是，在本發(fā)明的范圍內(nèi)，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以做出許多改進(jìn)而不脫離本發(fā)明的精神。因此我們希望后面的權(quán)利要求定義的我們的發(fā)明范圍在現(xiàn)有技術(shù)允許的情況下盡可能寬，且必要的時(shí)候參考說(shuō)明書。
權(quán)利要求書按照條約第19條的修改33.一種燃料電池疊層，包括有效組合a)多個(gè)電池，包括按疊層排列的雙極隔板和膜電極裝配件；在所述的疊層的一端一與所述的膜電極裝配件相接觸的陽(yáng)極隔板端板；在所述的疊層的另一端與所述的膜電極裝配件相接觸的陰極隔板端板；b)所述雙極隔板，和所述的陽(yáng)極和陰極隔板包括如權(quán)利要求18所述的芯片；和c)所述電池在加壓下按順序裝配以形成一有效電池。
34.根據(jù)權(quán)利要求33所述的燃料電池疊層，其中所述的構(gòu)件包括至少一微通道冷卻場(chǎng)區(qū)域。
35.根據(jù)權(quán)利要求34所述的燃料電池疊層，其中所述的構(gòu)件包括至少一個(gè)燃料和氧化劑的微通道潤(rùn)濕場(chǎng)，該潤(rùn)濕場(chǎng)與所述的冷卻場(chǎng)相通以提供給所述的潤(rùn)濕場(chǎng)加熱的流體。
36.根據(jù)權(quán)利要求35所述的燃料電池疊層，其中所述的場(chǎng)在長(zhǎng)度，微通道截面尺寸和蛇形構(gòu)型上是根據(jù)以氫氣為燃料，以空氣/氧氣作為氧化劑定做的。
37.根據(jù)權(quán)利要求36所述的燃料電池疊層，其中所述隔板包括不導(dǎo)電的塑料芯片和陶瓷層壓在選自Ti，Al，Cu，W，鈮，不銹鋼，合金，層壓件，鍍層板及其復(fù)合材料的擴(kuò)散粘結(jié)的電流收集微孔篩網(wǎng)薄片隔板之間。
權(quán)利要求
1.一種生產(chǎn)燃料電池隔板的方法，其特征在于包括如下步驟以片狀原料形成許多種不同的專用薄片，這些薄片具有選自微通道，通路，和集管的配位結(jié)構(gòu)，所述結(jié)構(gòu)一起至少形成一個(gè)與膜電極組合件相接觸的供氧化劑或燃料消耗的活性反應(yīng)區(qū)場(chǎng)；將所述的薄片逐層疊起來(lái)，使所述的專用薄片結(jié)構(gòu)匹配的相鄰薄片的對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)精確對(duì)準(zhǔn)，以為所述的氧化劑或燃料提供連續(xù)的循環(huán)路徑；以及粘結(jié)所述的對(duì)準(zhǔn)的薄片以形成一個(gè)具有內(nèi)部微通道并與它的集管連通的整體隔板。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述的片狀原料是金屬；和所述的成型步驟包括蝕刻形成所述結(jié)構(gòu)的步驟。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述蝕刻成型包括深度蝕刻和貫穿蝕刻的結(jié)合。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中所述的貫穿蝕刻包括對(duì)從所述片狀原料的兩側(cè)選定的區(qū)域進(jìn)行深度蝕刻到大于片狀原料厚度50％的深度。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中所述的金屬選自Ti，A1，Cu，W，鈮，不銹鋼，合金，層壓件，鍍層板，及其復(fù)合材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中用光刻保護(hù)層涂敷所述的片狀金屬原料以定義其上的結(jié)構(gòu)。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，包括如下步驟粘結(jié)后鈍化所述的隔板。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中所述粘結(jié)是在加熱加壓下的擴(kuò)散粘結(jié)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中所述的金屬是Ti；和所述的鈍化包括在升高的溫度下暴露在氮?dú)庵小?br> 10. 一種極性燃料電池隔板組合件，其特征在于按運(yùn)行組合包括至少一種選自具有第一表面和第二表面的陶瓷或塑料薄片材料的芯片；每塊芯片至少有一個(gè)表面形成流動(dòng)分流結(jié)構(gòu)，所述的結(jié)構(gòu)至少選自場(chǎng)，封閉端(面)，導(dǎo)流板，通路底座，平臺(tái)，計(jì)量孔，通道，通路，混合器，過(guò)濾器，附壁效應(yīng)回路，分流器，和集管中的一種；所述的結(jié)構(gòu)在薄片與薄片之間是配位的，以便提供至少一個(gè)微通道反應(yīng)物流動(dòng)區(qū)區(qū)域；所述的芯片被粘結(jié)在選定的集電器薄片上以形成一單極末端集電器，再粘結(jié)到另一芯片上，或再粘結(jié)到至少另一芯片和至少另一集電器上以形成一個(gè)整體的雙極隔板，以與一個(gè)電解膜組合件聯(lián)合形成一燃料電池疊層。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的極性燃料電池隔板組合件，其中所述的集電器薄片選自金屬，導(dǎo)電塑料，導(dǎo)電陶瓷，金屬化塑料，金屬化陶瓷，或其復(fù)合材料。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的極性燃料電池隔板組合件，其中至少部分所述的結(jié)構(gòu)形成至少一個(gè)用于熱控制的冷卻場(chǎng)。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的極性燃料電池隔板組合件，其中至少一個(gè)所述的結(jié)構(gòu)形成至少一個(gè)燃料或氧化劑的潤(rùn)濕場(chǎng)。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的極性燃料電池隔板組合件，其中至少一個(gè)所述的結(jié)構(gòu)形成至少一個(gè)燃料或氧化劑的潤(rùn)濕場(chǎng)。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的極性燃料電池隔板組合件，其中所述的冷卻場(chǎng)與至少一個(gè)所述的潤(rùn)濕場(chǎng)相通以給所述的潤(rùn)濕場(chǎng)提供加熱的潤(rùn)濕流動(dòng)。
16.根據(jù)權(quán)利要求10所述的極性燃料電池隔板組合件，其中所述的結(jié)構(gòu)是通過(guò)深度成型和貫穿成型相結(jié)合形成的。
17.根據(jù)權(quán)利要求11所述的極性燃料電池隔板組合件，其中所述的芯片排列在一對(duì)隔開(kāi)的微孔篩網(wǎng)匯集薄片中間，或排列在一微孔篩網(wǎng)匯集薄片和一端板之間，且借助于選自電橋，導(dǎo)電嵌片，彈簧夾，邊緣跳線，折疊導(dǎo)電電橋，邊緣匯流條，內(nèi)部匯流條，或其組合，使所述的微孔篩網(wǎng)薄片對(duì)和所述的微孔篩網(wǎng)和端板組合相互之間電相通。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的極性燃料電池隔板組合件，其中所述的芯片是塑料的，所述的內(nèi)部的結(jié)構(gòu)是通過(guò)選自模壓，壓紋，沖孔，片狀原料的壓塑和注塑的壓制技術(shù)形成的。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的極性燃料電池隔板組合件，其中所述結(jié)構(gòu)的每一側(cè)均至少形成有一些所述的結(jié)構(gòu)。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的極性燃料電池隔板組合件，其中所述的芯片包括至少一對(duì)相互粘結(jié)的薄片，其中的第一薄片是陽(yáng)極流動(dòng)流動(dòng)薄片而另一薄片包括一陰極流動(dòng)區(qū)薄片。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的極性燃料電池隔板組合件，包括粘結(jié)在所述芯片上的一對(duì)微孔篩網(wǎng)薄片，所述一對(duì)微孔篩網(wǎng)薄片包括第一陽(yáng)極微孔篩網(wǎng)薄片和第二陰極微孔篩網(wǎng)薄片。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的極性燃料電池隔板組合件，其中所述的微孔篩網(wǎng)薄片包括其上有孔的區(qū)域，所述的孔選自園孔，六角孔，狹孔，T形孔，V形孔，方孔，菱形孔，三角孔，橢圓形孔，和NACA結(jié)構(gòu)。
23.一種用于極性燃料電池隔板組合件的薄片，其特征在于包括選自陶瓷，塑料，金屬，導(dǎo)電塑料，導(dǎo)電陶瓷，金屬化塑料，金屬化陶瓷，或其復(fù)合材料的薄片材料，每片所述的薄片材料均具有第一表面和第二表面。所述薄片的至少一個(gè)表面形成流動(dòng)分流結(jié)構(gòu)，所述的結(jié)構(gòu)至少選自場(chǎng)，計(jì)量孔，通道，通路，通路底座，平臺(tái)，混合器，過(guò)濾器，導(dǎo)流板，分流器，附壁效應(yīng)回路，和集管中的一種；所述結(jié)構(gòu)與燃料電池隔板中的另一薄片或電解膜組合件合作提供至少一個(gè)微通道反應(yīng)物流動(dòng)區(qū)區(qū)域；
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的薄片，其中所述的薄片材料選自金屬，導(dǎo)電塑料，導(dǎo)電陶瓷，金屬化塑料，金屬化陶瓷，或其復(fù)合材料，且所述流動(dòng)區(qū)區(qū)域中的所述結(jié)構(gòu)包括形成微孔篩網(wǎng)集電器薄片的貫穿結(jié)構(gòu)。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的薄片，其中所述的薄片材料選自不導(dǎo)電塑料或不導(dǎo)電陶瓷，且包括其內(nèi)形成有一選自陽(yáng)極流動(dòng)區(qū)薄片和一陰極流動(dòng)區(qū)薄片的芯片的結(jié)構(gòu)。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的薄片，其中所述的結(jié)構(gòu)包括至少形成一個(gè)微通道冷卻場(chǎng)結(jié)構(gòu)。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的薄片，其中所述的結(jié)構(gòu)包括至少形成一個(gè)微通道潤(rùn)濕場(chǎng)的結(jié)構(gòu)。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的薄片，其中所述的冷卻場(chǎng)和所述的潤(rùn)濕場(chǎng)相通以提供反應(yīng)氣體的逆流潤(rùn)濕。
29.根據(jù)權(quán)利要求28所述的薄片，其中所述的反應(yīng)物流動(dòng)區(qū)區(qū)域在多個(gè)薄片的外表面內(nèi)，所述多個(gè)薄片形成一個(gè)芯，且所述的冷卻劑場(chǎng)是在其內(nèi)部，且使其大部分區(qū)域與所述的反應(yīng)物流動(dòng)區(qū)區(qū)域配位。
30.根據(jù)權(quán)利要求29所述的薄片，其中一薄片在所述的第一表面上包括至少一個(gè)反應(yīng)物流動(dòng)區(qū)區(qū)域且在所述的第二表面上包括所述的冷卻場(chǎng)。
31.根據(jù)權(quán)利要求30所述的薄片，其中所述的第一表面包括至少一個(gè)潤(rùn)濕微通道區(qū)域。
32.根據(jù)權(quán)利要求23所述的薄片，其中所述的微通道在長(zhǎng)度，截面尺寸，和蛇形構(gòu)型上均是根據(jù)反應(yīng)流動(dòng)的組成和粘度定做的。
33.一種燃料電池疊層，其特征在于按運(yùn)行組合包括a)多個(gè)電池，包括按疊層排列的雙極隔板和膜電極組合件；在所述的疊層的一端與所述的膜電極組合件相接觸的陽(yáng)極隔板端板；在所述的疊層的另一端與所述的膜電極組合件相接觸的陰極隔板端板；b) 所述雙極隔板，和所述的陽(yáng)極和陰極隔板包括如權(quán)利要求18所述的芯片；和c) 所述電池在加壓下按順序裝配以形成工作電池。
34.根據(jù)權(quán)利要求33所述的燃料電池疊層，其中所述的結(jié)構(gòu)包括至少一微通道冷卻場(chǎng)區(qū)域。
35.根據(jù)權(quán)利要求34所述的燃料電池疊層，其中所述的結(jié)構(gòu)包括至少一個(gè)燃料和氧化劑的微通道潤(rùn)濕場(chǎng)，該潤(rùn)濕場(chǎng)與所述的冷卻場(chǎng)相通以給所述的潤(rùn)濕場(chǎng)提供加熱的流動(dòng)。
36.根據(jù)權(quán)利要求35所述的燃料電池疊層，其中所述的場(chǎng)在長(zhǎng)度，微通道截面尺寸，和蛇形構(gòu)型上是根據(jù)以氫氣為燃料，以空氣/氧氣作為氧化劑定做的。
37.根據(jù)權(quán)利要求36所述的燃料電池疊層，其中包括所述的不導(dǎo)電的塑料芯片或陶瓷芯片層壓在選自Ti，Al，Cu，W，鈮，不銹鋼，合金，層壓件，鍍層板，及其復(fù)合材料的擴(kuò)散粘結(jié)的集電器微孔篩網(wǎng)薄片隔板之間。
38.根據(jù)權(quán)利要求37所述的燃料電池疊層，其中所述膜電極組合件選自涂敷有PEM的碳素紙和無(wú)碳素紙PEM，和所述隔板包括一與所述的涂敷有PEM的碳素紙相接觸的窗框薄片或一與所述的無(wú)碳素紙PEM相接觸的紗窗薄片。
39.一種為燃料電池隔板生產(chǎn)薄片的方法，其特征在于按任何作業(yè)順序包括如下步驟提供具有第一表面和第二表面的片狀材料；至少在所述片狀材料的至少一個(gè)表面上形成部分的和貫通的流體分流結(jié)構(gòu)，所述的結(jié)構(gòu)至少選自微通道場(chǎng)，計(jì)量孔，通道，通路，分流器，封閉端(面)，通路底座，平臺(tái)，混合器，過(guò)濾器，附壁效應(yīng)回路，導(dǎo)流板，和集管中的一種；和調(diào)整所述微通道結(jié)構(gòu)的位置以與集電器，相鄰芯片，端板，和電極膜組合件配位以便為所述燃料電池提供至少一個(gè)微通道反應(yīng)物流動(dòng)區(qū)區(qū)域。
40.根據(jù)權(quán)利要求39所述的方法，其中所述的成型步驟包括在所述片狀材料的兩面上的結(jié)構(gòu)成型。
41.根據(jù)權(quán)利要求40所述的方法，其中所述的成型步驟包括在第一表面上形成所述的微通道反應(yīng)物流動(dòng)區(qū)和在所述的第二表面上形成一微通道冷卻場(chǎng)，至少所述冷卻場(chǎng)區(qū)域的一部分與所述的反應(yīng)場(chǎng)區(qū)域重疊。
42.根據(jù)權(quán)利要求41所述的方法，其中所述的成型步驟包括在所述的第一表面上形成至少一個(gè)微通道潤(rùn)濕場(chǎng)。
43.根據(jù)權(quán)利要求39所述的方法，其中所述的形成步驟包括根據(jù)反應(yīng)流動(dòng)的組成和粘度定做所述的微通道長(zhǎng)度，截面尺寸，和通道構(gòu)型。
44.根據(jù)權(quán)利要求43所述的方法，還包括以下步驟按照相平板印刷設(shè)計(jì)至少一種具有多種微通道圖案的模具圖案；按所述的模具圖案往金屬片材上涂敷保護(hù)層；蝕刻所述的片材以為所述的微通道型式形成一模具；和用所述的模具在所述的薄片上形成所述的結(jié)構(gòu)。
45.根據(jù)權(quán)利要求39所述的方法，其中所述的薄片材料選自塑料和陶瓷，微孔篩網(wǎng)匯集薄片的導(dǎo)電材料選自金屬，導(dǎo)電塑料，導(dǎo)電陶瓷，表面金屬化的塑料，表面金屬化的陶瓷，或其復(fù)合材料。
46.根據(jù)權(quán)利要求45所述的方法，還包括以下步驟按照相平板印刷設(shè)計(jì)至少一種具有多種微通道圖案的模具圖案；按所述的模具圖案往金屬片材上涂敷保護(hù)層；蝕刻所述的片材以為所述的微通道型式形成一模具；和用所述的模具在所述的薄片上形成所述的結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明涉及由多個(gè)單體電池疊層成的燃料電池組,每個(gè)單體電池包含相互聯(lián)系的單極和雙極隔板,集流板由夾在金屬或?qū)щ娞沾苫驅(qū)щ娝芰喜牧系奈⒖妆∑g的相互聯(lián)系的不導(dǎo)電的塑料或陶瓷板層層粘合而成,電極膜組合件在相鄰的隔板之間。復(fù)合隔板的金屬和塑料薄片都由具有直通通道和深度結(jié)構(gòu)的片狀材料制成,這些結(jié)構(gòu)通過(guò)侵蝕、壓制、沖壓、鑄造、鏤刻等技術(shù)形成。具有對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)的兩個(gè)相鄰薄片結(jié)合在完整的薄片/燃料電池疊層內(nèi)形成具有集流和熱控制功能的蛇形通道。
文檔編號(hào)H01M8/24GK1184559SQ96193935
公開(kāi)日1998年6月10日 申請(qǐng)日期1996年5月17日 優(yōu)先權(quán)日1995年5月17日
發(fā)明者小雷吉納德·G·斯比爾, 耶羅德·E·富蘭克林, 威廉姆·A·海斯, 大衛(wèi)·E·楊克 申請(qǐng)人:H動(dòng)力公司