具有被不导电框体集管分开的多个活性区域的燃料电池双极板

摘要

一种制造双极板的方法包括模制出限定了多个接收区域的不导电壳体。第一系列的多块导电装料被设置在所述多个接收区域中的每个接收区域内。压缩力被施加到所述第一系列的多块导电装料中的每块导电装料上，由此限定出第一系列的多块导电板，所述第一系列的多块导电板在外边缘上被连结到所述不导电壳体上。第二系列的多块导电板被设置到所述第一系列的导电板上。所述第一系列的多块导电板和所述第二系列的多块导电板被连结在一起以在其间限定出冷却剂流场。

说明书

技术领域

本发明涉及质子交换膜燃料电池，且特别是，本发明涉及一种制造用于燃料电池堆内的双极板的方法。

背景技术

燃料电池已在多种应用中被用作电源。例如，已经提出将燃料电池用于电动车辆的动力设备中以替换内燃机。在质子交换膜(PEM)型燃料电池中，氢被供应至燃料电池的阳极且氧作为氧化剂被供应至阴极。质子交换膜燃料电池包括膜电极组件(MEA)，所述膜电极组件包括薄的传送质子的不导电固体聚合物电解质膜，所述固体聚合物电解质膜具有位于一个面上的阳极催化剂和位于相对的面上的阴极催化剂。膜电极组件被夹在一对无孔的导电元件或导电板之间，所述一对无孔的导电元件或导电板(1)用作阳极和阴极的集电器，并且(2)包含在其中形成的适当的通道和/或开口以便将燃料电池的气态反应物分布到相应的阳极催化剂和阴极催化剂的表面上。

根据上下文，术语“燃料电池”通常用于表示单个电池或多个电池(电池堆)。多个单独的电池通常被组装在一起以形成燃料电池堆且多个单独的电池通常以电串联的方式进行布置。燃料电池堆内的每个电池包括如前文所述的膜电极组件(MEA)，且每个这种膜电极组件提供了其电压增量。燃料电池堆内的成组相邻电池被称作电池组(cluster)。

在质子交换膜燃料电池中，氢(H₂)是阳极反应剂(即燃料)且氧是阴极反应剂(即氧化剂)。氧可以纯氧的形式(O₂)或空气(O₂和N₂的混合物)的形式存在。固体聚合物电解质通常由离子交换树脂如全氟磺酸制成。阳极/阴极通常包括极细分散的催化颗粒，所述极细分散的催化颗粒通常被担载在碳颗粒上并与质子传导树脂混合在一起。催化颗粒通常是成本昂贵的贵金属颗粒。因而，这些膜电极组件的制造成本相对昂贵且需要一定的条件，包括适当的水管理和湿化以及对污染催化剂的组分如一氧化碳(CO)的控制，从而实现有效运行。

夹住膜电极组件的导电板在其表面上可包含沟槽阵列，所述沟槽阵列限定出反应剂流场以便将燃料电池的气态反应剂(即氢和以空气的形式存在的氧)分布在相应的阴极和阳极的表面上。这些反应剂流场通常包括多个槽脊，所述多个槽脊在其间限定出多条流道，通过所述多条流道，气态反应剂从位于流道的一端处的供应集管流至位于流道的相对端处的排出集管。

通常情况下，所希望的是提供一种具有高电压的燃料电池堆。提供高电压的一种方式是实施以串联的方式电连接在一起的多个燃料电池堆。与处理和组装应用于汽车的大容量燃料电池相关联的成本是高昂的。除了要提供高电压以外，车辆内的封装限制需要减少燃料电池堆所占据的面积。结果是，所希望的是提供一种同时满足相关的封装限制的高电压燃料电池堆。

发明内容

一种制造双极板的方法包括模制出限定了多个接收区域的不导电壳体。第一系列的多块导电装料(conductive charge)被设置在所述多个接收区域的每个接收区域内。压缩力被施加到所述第一系列的多块导电装料的每块导电装料上，由此限定出第一系列的多块导电板，所述第一系列的多块导电板在外边缘上被连结到所述不导电壳体上。第二系列的多块导电板被设置到所述第一系列的导电板上。所述第一系列的多块导电板和所述第二系列的多块导电板被连结在一起以在其间限定出冷却剂流场。

根据其它特征，压缩力被施加到第二系列的多块导电装料上，由此限定出所述第二系列的多块导电板。将压缩力施加到所述第一系列的多块导电装料的每块导电装料上包括在相应的第一系列的多块导电板上限定出第一反应剂流场。将压缩力施加到第二系列的多块导电装料上包括在相应的第二系列的多块导电板上限定出第二反应剂流场。将所述第一系列的多块导电板与所述第二系列的多块导电板连结在一起包括将粘结剂施加到在所述第一系列的多块导电板与所述第二系列的多块导电板之间限定出的接触表面上。压缩力被施加到所述第一系列的多块导电板和所述第二系列的多块导电板上，由此使所述粘结剂热活化并且在所述接触表面处形成连结。

通过下文提供的详细描述将易于理解本发明的其它适用领域。应该理解，尽管通过详细描述和特定实例对本发明的优选实施例进行了说明，但所述详细描述和特定实例仅旨在用于示例性的目的而并非旨在限制本发明的范围。

附图说明

通过详细描述和附图将更充分地理解本发明，在所述附图中：

图1是根据本教导的燃料电池堆的部分剖视图；

图2是图1所示的燃料电池堆的部分分解视图；

图3是根据本教导的双极板组件的俯视图；

图4是用于构造图3所示的双极板组件的不导电壳体的透视图；

图5是用于形成图4所示的不导电壳体中的第一系列的多块导电板的模制成型工艺的透视图；和

图6是被附接到第一系列的多块导电板上的第二系列的多块导电板的透视图。

具体实施方式

以下对一个或多个优选实施例进行的描述在本质上仅是示例性的且绝不旨在限制本发明、其应用或使用。

图1示意性地示出了部分质子交换膜燃料电池堆10，所述质子交换膜燃料电池堆具有通过无孔导电双极板组件20彼此分开的膜电极组件(MEAs)14、16。膜电极组件14和16以及双极板组件20在无孔导电双极板组件22与24之间被叠置在一起。多孔的气体可透过的导电板片或扩散介质26、28、30和32压靠在膜电极组件14和16的电极面上且可用作电极的初级集电器。扩散介质26、28、30和32还为膜电极组件14和16提供了机械支承，尤其是在膜电极组件在流场中未以其它方式受到支承的位置处更是提供了这种支承。适当的扩散介质包括碳/石墨纸/布、细网格的贵金属筛网、开室贵金属泡沫材料、以及传导来自电极的电流同时允许气体通过其中的类似介质。

双极板组件22和24压靠在位于膜电极组件14的阴极面14c上的初级集电器26上并且压靠在位于膜电极组件16的阳极面16a上的初级集电器32上。双极板组件20压靠在位于膜电极组件14的阳极面14a上的初级集电器28上并且压靠在位于膜电极组件16的阴极面16c上的初级集电器30上。

继续参见图1且进一步参见图2和图6，将结合所述附图对双极板组件20进行描述。双极板组件20通常包括一系列分离开的阳极板40和阴极板44(图6)，下面将对所述阳极板和阴极板进行更详尽地描述。阳极流场46(图1和图2)被限定以穿过双极板组件20的阳极板40中的每块阳极板，阴极流场48(图1)被限定以穿过双极板组件20的阴极板44中的每块阴极板，且冷却剂流场50被限定在阳极板40与阴极板44之间。来自贮罐56的氧化剂气体如氧或空气通过适当的供应管道58被供应至燃料电池堆10的阴极侧。相似地，来自贮罐60的燃料如氢通过适当的管道62被供应至燃料电池堆10的阳极侧。来自冷却剂罐64的冷却剂被供应到相邻的阳极板40与阴极板44之间。

在一个优选实施例中，可不设置氧罐56，且将来自环境的空气供应至阴极侧。相似地，可不设置氢罐60且将来自重整器的氢供应至阳极侧，所述重整器通过甲醇或液态烃(例如汽油)而催化生成氢。膜电极组件的H₂和O₂空气侧的排出管道(未具体示出)还被设置以从相应的阳极流场46中去除贫H₂的阳极气体并且从相应的阴极流场48中去除贫O₂的阴极气体。

下面具体参见图1-图3，将结合所述附图对燃料电池堆10中的相应反应剂的孔口进行进一步地描述。图3示出了双极板组件20的顶视图(阳极侧向上)。正如下面将要进行更详细描述地，双极板组件20通常包括第一系列的多块阳极板40、互补系列的阴极板44(如图3所示被设置在阳极板下面)和不导电壳体66。阳极板40和阴极板44分别形成了多块(图2示出了4块)单独的双极板70，所述双极板借助于不导电壳体66而彼此侧向电绝缘。此外，阳极板40和阴极板44在燃料电池堆10内串联地电连接在一起从而在减小的空间中提供高输出电压。尽管相应的阳极板40和阴极板44分别被示作圆形形状，但应该意识到该几何形状仅是示例性的且可相似地采用其它形状，例如但不限于矩形。此外，相应的流场44、46和50仅是示例性的且可包括其它流型。类似地，尽管壳体66呈现出大体上类似苜蓿的形状以便容纳圆形的阳极板40和阴极板44，但可相似地采用其它适当形状以便包含包括双极板70的相应的阳极板40和阴极板44。

双极板组件20通常包括以垂直地通过双极板组件20的中部的方式进行布置的进入集管74和以水平地通过双极板组件20的中部的方式进行布置的排出集管78。进入集管74通常限定出一系列入口孔I₁-I₆。相似地，排出集管通常限定出一系列排出孔E₁-E₆。在一种实施方式中，入口孔I₁和I₆协同作用以便将第一反应剂气体(例如H₂)分别输送至阳极板A₁、A₂和A₃、A₄。在运行过程中，一旦第一反应剂气体流过相应的阳极流场46，则通过排出孔E₃和E₄将所述第一反应剂气体排出。其余的入口孔和排出孔被分别用于输送第二反应剂气体(例如O₂)和冷却剂。在如图所示的典型构型中，入口孔I₂和I₅协同作用以便沿阴极板44(尽管图2中未具体示出所述阴极板，但阴极板44被操作性地定位在阳极板40中的每块阳极板下面)将第二反应剂气体(例如H₂)输送至相应的阴极流场48。

在运行过程中，一旦第二反应剂气体流过相应的阴极流场48，则通过排出孔E₂和E₅将所述第二反应剂气体排出。最后，入口孔I₃和I₄协同作用以便将冷却剂输送至在阳极板40与阴极板44之间限定出的相应的冷却剂流场50。通过排出孔E₁和E₆将该冷却剂排出。应该意识到，尽管相应的入口孔I_1-6和出口孔E_1-6被特别地设定为传送给定的流体，但这些孔是可互换的且可被构造以便根据需要输送给定流体。易于理解，这些构型是根据由不导电壳体66所提供的孔口构型所限定的。此外，尽管描述了利用单个入口孔和出口孔供应一对流场的情况，但可相似地采用其它构型。

下面特别地参见图3-图6，将结合所述附图对根据本教导的双极板的制造方法进行描述。起初，壳体66(图4)由适当的不导电绝缘材料形成。可通过任何适当的工艺例如注射成型而成形出壳体66。如图4所示，壳体66限定出多个接收部分82。相似地，在壳体66中限定出必要的孔口以便传送适当的流体使其从进入集管74流过相应的流场46、48和50并流出排出集管78。除了孔口以外，在不导电壳体66内可以模制出必要的垫圈和密封件(未具体示出)。中心孔口84被布置以便在模制成型工艺过程中容纳定位杆(未示出)。

接下来，不导电壳体66被置于压塑模型90内(图5)。多块导电装料100被设置在相应的接收区域内。导电装料100限定出模塑料且可例如采取球或圆盘的形式。导电装料100包括具有良好的双极板性质的任何适当材料。一种适合的材料是由Bulk Molding Compounds，Inc.生产的BMC 940。一旦装料100被置于相应的接收区域82内，则将压缩力施加到导电装料100上。结果是，相应的导电装料100沿朝向在壳体66中限定出的接收区域82的相应的内径104的方向受到驱动。同时，在新形成的板的相对面上限定出具有相关联的槽脊和通道的所需流场48和50(图1)。流场的图案由模型90的模具部分110和112限定。此外，压塑模型90被布置以使相应的板44上的流场48和50的适当的入口和出口与适当的孔口I_1-6和E_1-6对齐。尽管板被示作阴极板44，但应该意识到，另一种可选方式是，可在该步骤中成形出阳极板40。压塑成型工艺在壳体66与阴极板44之间的界面处(在接收区域的内径104处)形成了一体的化学密封件(图5)。

现在参见图6，图中示出了在进行了图5所示的模制成型工艺之后的阴极板44。在这一点上，热活化的导电粘结剂120被施加到每块阴极板44的顶面上。接下来，互补的多块阳极板40被放置到阴极板44上。作为预备步骤，阳极板46可在互补的压塑模型中被成形为独立的部件。接下来，组件被置于压具130内，所述压具适于保持阳极板40靠在阴极板44上同时使组件暴露于必要的热量水平中从而使阳极板40与阴极板44之间的连结粘结剂(粘结剂120有利于进行所述粘结剂连结)活化。应该注意，冷却剂流场50由阴极板44的顶面和阳极板40的底面上的液流共同限定出来。结果是，在该步骤中将阳极板40放置在阴极板44顶上时，必须保持适当的对齐。尽管未具体示出，但预想到的情况是，阳极板40可具有从周部延伸出来的楔部从而被置于限定在内径104上的沟槽内。另一种可选方式是，如前所述，阳极板40(和阴极板44)可限定出其它几何形状如矩形，从而有利于进行适当对齐。通常情况下，粘结剂连结有助于在相对的阳极板40与阴极板44之间实现槽脊与槽脊的接触，从而有利于导电。这样就实现了双极板组件20的构造。

优选根据上述方法制造一系列双极板组件20。接下来，通过将相应的膜电极组件14和16以及扩散介质26、28、30和32包括在如图1A所示的相邻的双极板组件20之间而实现燃料电池堆10。

通过前面的描述，现在本领域技术人员可以意识到，可通过多种形式实施本发明的广义教导。例如，尽管在本文的描述中，必要的垫圈和密封件是与不导电壳体同时模制成型的，但可在附加的模制成型步骤中包括垫圈和密封件。此外，在进入集管74和排出集管78上限定出的孔口是示例性的，所述孔口包括通过壳体66限定出的相应的阳极、阴极和冷却剂路径，且可采用其它布置，例如通过模制成型工艺形成的布置。因此，尽管已经结合本发明的特定实例对本发明进行了描述，但本发明的真实范围不应由此受到限制，原因在于本领域技术人员通过研究附图、说明书和以下的权利要求书将易于理解其它变型。