用于薄片不銹鋼雙極板形成的沖模間隙控制的制作方法
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明一般涉及表現(xiàn)出容易的可制造性的用于燃料電池環(huán)境中的金屬雙極板，并且更具體來說，涉及易于制造且制造不昂貴同時可能維持最佳機械/結(jié)構(gòu)性質(zhì)的這樣的雙極板。
【背景技術(shù)】
[0002]在許多燃料電池系統(tǒng)中，通過流徑將氫氣或富含氫氣的氣體供應到燃料電池的陽極側(cè)，同時通過分開的流徑將氧氣(諸如以大氣氧的形式)供應到燃料電池的陰極側(cè)。通常安置適當?shù)拇呋瘎?例如，鉑)以在這些相應側(cè)上形成促進氫氧化的陽極和形成為促進氧還原的陰極。由此，產(chǎn)生電流，其中高溫水蒸氣作為反應副產(chǎn)物。在稱為質(zhì)子交換膜或聚合物電解質(zhì)膜(在任一種情況下，PEM)的一種形式的燃料電池中，將離聚物膜形式的電解質(zhì)放在陽極與陰極之間以形成膜電極組件(MEA)，所述膜電極組件被進一步鋪設在擴散層之間，所述擴散層允許氣態(tài)反應物流動到MEA以及電流和水流從MEA流出。上述催化劑層可以安置在擴散層或膜上或者作為其一部分。
[0003]為了增加電輸出，堆疊單個燃料電池單元，其中在擴散層與一個MEA的陽極電極之間并且在擴散層與相鄰MEA的陰極電極之間安置雙極板。通常，雙極板由金屬或其他導電材料制成，以便在MEA與外部電路之間形成電氣通路。在這種堆疊配置中，將相鄰堆疊的MEA分開的雙極板具有相反的表面，每個表面包括由升高的平臺彼此分開的流動通道。通道用作導管以將氫和氧反應物流運送到MEA的各自陽極和陰極，而平臺憑借其與導電擴散層的接觸(導電擴散層又與催化劑位置處產(chǎn)生的電流電氣連通)用作用于MEA中產(chǎn)生的電力的傳輸路徑。以此方式，使得電流通過雙極板和導電擴散層。
[0004]因為雙極板在高溫且腐蝕性的環(huán)境中工作，所以諸如普通碳鋼的常規(guī)金屬可能并不適用于需要長壽命(例如，具有6000小時的約10年的壽命)的某些應用(諸如在汽車環(huán)境中)。在典型的PEM燃料電池堆疊操作期間，質(zhì)子交換膜處于在約75°C與約175°C之間的范圍中的溫度下，并且處于約100 kPa與200 kPa (S卩，大約一個或兩個大氣壓)之間的范圍中的絕對壓力下。在一些情況下，由諸如不銹鋼的合金金屬制成的板可能是有利的，因為它們具有所需的抗腐蝕性質(zhì)。在燃料電池制造的成本是重要考量的情況下，基于金屬的雙極板可能比其他高溫、導電材料(諸如石墨)優(yōu)選。除了相對便宜之外，不銹鋼可以形成為相對薄的零件(例如，厚度在0.1與1.0毫米之間)。
[0005]在各種類型的不銹鋼中，通常具有高鉻含量并且通常沒有鎳的具有鐵素體微結(jié)構(gòu)的那些不銹鋼表現(xiàn)出體心立方(BCC)晶體結(jié)構(gòu)并且趨向于具有相對低成本且高抗腐蝕性(后者是由于氧化鉻障壁形成)的所需屬性。雖然如此，但是它們的硬化曲線使得它們在暴露于常規(guī)沖壓或相關金屬形成操作時比它們的更常規(guī)奧氏體(例如，304不銹鋼)對等物更易受縮頸、變薄(這都是表面材料的厚度的偏差的測量)以及因此破裂。這些困難在可能發(fā)生顯著的側(cè)壁變形的單步驟拉伸操作(例如，涉及相對大(諸如深度在約200微米與400微米之間)平面外變形的那些操作)中特別普遍。這種早期縮頸和破裂在用來形成反應物流動通道的相鄰壁的緊密半徑中特別普遍。雖然其他更可形成的不銹鋼(諸如上述奧氏體)的硬化曲線通常允許由常規(guī)的一步驟方法施加的更苛刻的彎曲狀態(tài)，但是這種單步驟形成的早期縮頸和破裂在拉伸深度相對大(諸如大于約400至500微米)的情況下也普遍。
[0006]此外，當前雙極板制造占據(jù)總?cè)剂想姵囟询B成本中的大部分。雖然使用沖壓的不銹鋼雙極板在解決此成本的顯著部分方面將是有益的，但是一般而言不銹鋼(且具體而言鐵素體不銹鋼)的低可形成性是重大挑戰(zhàn)，特別是對于沖壓擁有所要求的通道強度和深度以滿足功能要求的非常薄(例如，0.100毫米或更薄)片而言。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]根據(jù)本發(fā)明的一個方面，披露一種形成用于燃料電池的金屬雙極板的方法。在本發(fā)明上下文中，雖然本發(fā)明的方法可以操作若干基于鐵和基于鋁的金屬，但是一般而言不銹鋼并且具體而言鐵素體不銹鋼特別有益，工件中所有這些金屬的使用認為是在本發(fā)明的范圍內(nèi)。方法包括使用微小的負間隙以沿由板形成工具變形的片的表面的至少部分引入壓縮應力。更具體來說，方法包括將片放置于至少兩個沖模(或者替代地，沖頭和沖模，因為任一個變體被認為是彼此的功能等效物且因此在本發(fā)明的范圍內(nèi))之間，所述片被轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂锌梢杂糜谌剂想姵胤磻?諸如氫和氧)的通路的若干流動通道的雙極板的形狀。在本發(fā)明上下文中，片通?？梢允瞧矫娴?，或者可能已經(jīng)經(jīng)受一些預形成，后一種情況使得一些非平面(即，三維)屬性已經(jīng)包括在其最終形狀中。在任一種情況下，工具沖模的操作所產(chǎn)生的負間隙限定沖模之間的小于片的厚度的間距。以此方式，沖模的壓縮操作趨向于通過擠壓運動將材料從片的經(jīng)受負間隙的部分重新分配到未經(jīng)受負間隙的部分。在燃料電池雙極板特有的一種示例性形式中，片的材料從其移動的部分是與隨后形成的雙極板的包括通常平面表面的部分相鄰的部分，諸如通道壁和平臺，而片的材料移動到其的部分是隨后形成的雙極板的包括通常彎曲表面的部分的相鄰部分(或是其一部分)，諸如形成在壁與平臺的交會部的有角度的半徑。此外，片的限定通道形狀的部分包括壁和平臺，其中前者通常對應于平面外部分而后者對應于在電池單元形成時將與相鄰擴散層或MEA實質(zhì)面對接觸的平面中部分。
[0008]工具(其在一種形式下可以是在壓力下合在一起的一對合作形成的沖模(也稱為沖頭和沖模))可以形成雙極板的最終形狀。將負間隙引入到工具中利用片或相關工件在暴露于工具的壓縮力時的相對可形成性，從而使得片材料的部分被有效地擠壓或熨燙從片表面的一個部分離開到另一個部分。因此，通過本形成操作，構(gòu)成片厚度的材料從表面的通常平面部分到構(gòu)成沖模半徑(或彎曲部半徑)的有角度部分的選擇性移動將有助于使得彎曲部分中和周圍的縮頸保持最小。在一種形式中，在用于鐵素體不銹鋼上的沖模之間引入不超過約20%負間隙足以實現(xiàn)縮頸的所需減少同時使得工具上的負荷(通常稱為“壓力機噸位”等)和所得的沖模磨損沖擊保持低水平。如以上所提及，本方法適于一步驟和多步驟形mt程，實中后考泳靈％用于不銹鋼燃料電池雙極板的兩步驟形成的獨特預形成設計飽美國專利8，778，567中論述，該專利由本發(fā)明的受讓人擁有并且其全文以引用的方式并入本文。
[0009]根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，一種制備用于燃料電池的雙極板的方法包括將基本上平面的金屬片放置成與工具合作嚙合并且使用一個或多個成形步驟來將片形成為其中形成有若干反應物通道的基本上非平面的形狀。進行成形是使得將負間隙引入到片的至少一部分中，作為將構(gòu)成片的不銹鋼的一部分從基本上平面部分重新分配(諸如通過擠壓等)到隨后形成的雙極板的基本上有角度部分(例如，在彎曲部半徑處或其附近)的方式。在優(yōu)選形式中，片在其表面的至少對應于雙極板的部分中具有基本上恒定的厚度。
[0010]根據(jù)本發(fā)明的又一個方面，披露一種制備燃料電池的方法。方法包括:將MEA布置成具有陽極、陰極和安置于陽極與陰極之間的膜，從而使得可以將反應物放置成與其相應電極流體連通；以及隨后將限定多個反應物流動通道的金屬雙極板放置成與陽極和陰極中的每一個相鄰，從而使得在燃料電池操作時，分別從燃料源和氧源引入的反應物可以通過反應物流動通道傳遞到陽極和陰極。雙極板是通過將片放置成與工具或相關形成裝置合作嚙合來形成，從而使得在片由裝置變形時，裝置的至少一部分的移動將負間隙引入到片的至少一部分中，作為將構(gòu)成片的不銹鋼的一部分從反應物流動通道的基本上平面部分重新分配到反應物流動通道的基本上有角度部分的方式。
[0011]本領域技術(shù)人員將了解，其他部件可以構(gòu)成燃料電池，諸如可以放置于相應電極(即，陽極和陰極)與雙極板之間以提供到外部負荷消耗電路的反應物流動路徑和電流路徑中的一個或兩個的一個或多個氣體