专利名称：用于燃料电池堆的双极隔膜的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池之间的双极隔离元件，特别是被层压在压滤结构的叠组中的聚合物膜燃料电池。
背景技术：
本领域公知，燃料电池是将燃料和氧化剂反应的化学能转化为电能的电化学发生器，其产生的副产物是水。在多种公知的燃料电池中，聚合物膜类型是其中一种，其工作在最低的温度，通常在70-100℃，在容易性和操作安全，材料稳定性方面，且特别在快速启动和达到终态工作条件(final regime operating conditions)方面具有明显的优势。使这种技术工业扩散减慢的所有主要问题中，一个最重要的问题在于这样一个事实，即由单个电池产生的能量形式是相对高强度的直流电流和非常有限的电压(在任何情形中低于1V，且通常在0.5和0.8V之间)。源自动力学本质且过程固有的该特征使得需要层压一定数目的电池，按照压滤型结构组装成堆。为工业应用提出的层堆因此由几十个元件组成，大都超过100个单电池；这使得除了与构造公差和最终模块密封关联的表面问题外，而且组装次数严重影响最终成本，每个电池由多个件组成，包括双极板，衬垫，集流器和电化学元件，如电极和膜。
聚合物膜燃料电池构造复杂性是由使燃料氧化和氧化剂还原高效进行所要求的多种功能引起的。除了两个反应地点的电极最优工作，电极还必须提供适当的催化，通常基于贵金属，临界因子由用作固体电介质的离子交换膜给出，且其必须用于输运作为离子流的电流；特别地，由大多情况下为纯的或混合的氢的燃料氧化生成的质子必须在厚度方向上跨过膜并输运到阴极侧，这里它们通过与氧化剂的反应而消耗，通常氧化剂包含纯的或混合的氧。目前市场上可利用的离子交换膜包含聚合物主架，为了化学稳定性通常要全氟化，并带有阴离子功能团，能够键合质子，虽然键合程度足够弱从而允许在反应物产生的电场作用下迁移。为了使该机理有效，换句话说，为了使膜离子导电性足够，有必要保持膜在操作中高度水合。对于多数实际有意义的操作条件，氧与来自阳极侧的质子反应在阴极产生的水不足以保证总是满足水合条件；供应到电场的反应物气流实际上倾向于持续蒸发，这需要弥补。保持适当的水平衡暗示电池精确的热控制，这构成另一个没有解决的问题。在实用中电功率发生的条件下，系统不可逆性实际上产生大量相关的热，这必须有效地从电池中排出。
对于上面所述的原因，聚合物膜燃料电池必须提供有适当的装置，以便湿化气体反应物并用于排出生成的热。这显然与市场对于越来越紧凑系统需求相矛盾，这样的系统特征为快速且易于组装。
然而，现有技术的第一膜电化学发生器由有棱纹石墨成分构成并进一步长时间加工，最近的技术方案给出使用减薄的金属材料，其具有更有利的机械特征。例如，它们按照美国专利5578388构造，将湿化的反应物供应到优选由金属双极板界定的电池堆阳极和阴极两个室，并耦合到框形平面衬垫上，该衬垫适于放置适当的集流器，除了确保板自身和所谓电化学包装的电气连续性，其也用作分配腔室；后者包含离子交换膜-气体扩散电极组件。集流器是金属网状元件，其支持电气接触离开原位和流动气流沿膜-电极组件表面分布。热排出通常是通过水循环或嵌入在金属板内弯曲结构内其它温度调节流体实现的；然而这要求使用相当厚重的板且成本昂贵，因为它们是通过精密的铸模获得的。可替换地，提出了在同一压层内的燃料电池和恒温电池(thermostatting cell)交替的电池堆结构，水或其它冷却流体横过燃料电池和恒温电池，而水和其它冷却流体能够通过划定不同电池的金属板壁交换热。以该方式，可采用非常薄的板从而实现适当减小结构的重量，这对于移动应用特别重要，例如专用于电动车辆运输的燃料电池。另一方面，该解决方案在尺寸方面没有显著改进，因为板厚度减小被恒温电池增加到压滤结构而抵消。
因此，提出了几种旨在减小重量且紧凑的燃料电池堆，其以最佳方式集成有不同功能并最小化无用体积例如共同申请的国际申请PEC/EP 03/01207提供了通过冷却流体循环区域外分隔板上获得的一系列的开口，利用恒温电池外围部分将气体反应物分配至燃料电池中。
对于水冷电池，共同申请的国际申请PCT/EP03/06327中描述的更先进的设计，其通过适当的修正孔提供物质交换，而且也在冷却区域内；换句话说，部分冷却水被允许渗透到燃料电池的内部，原位执行气体湿化，同时由于在燃料电池内部分蒸发而执行甚至更有效的冷却。除了增强散热效率，这也简化了总体系统，允许没有外部湿化单元；然而，从水压密封的观点看，两个后来公开的实施例相当复杂。其中一个主要问题是在用许多层压的元件制造压滤结构中，耦合大量弹性衬垫，它们必须以一致压缩的方式一次密封加载，为了不伤害刚性元件对齐(且间接电接触)，同时确保不同流体的密封，其中某些特别关键，如氢气。尽管衬垫设计和材料方面一致改进，最小化它们的数量以便增加相关系统的可靠性是很重要的。国际申请PCT/EP03/012107和PCT/EP03/06327中揭示的发现相反给出明显的缺点，即一致量的气-液和气-气密封，例如是美国专利US5578388的两倍量。该类设计另一个固有的不足是由组装复杂性产生的，其要求层压相当数量的元件，这些元件必须以固定的顺序精确地居中放置，这一般也涉及到任何提供燃料电池和恒温电池交替结构的任何设计。
发明内容
本发明的目的是提供燃料电池堆设计，其克服现有技术的局限性。
本发明的第二个目的是提供高效率的燃料电池堆设计，其包括最小量的层压元件和对于给定量安装电池的相对水压密封。
本发明的进一步目的是为燃料电池提供集成的隔膜，同时实现冷却液体的内部循环，气体反应物分配到电池，并可选湿化后者或其中一种。
在第一个方面，本发明包含双极隔膜，该隔膜由阴极片和阳极片定界，至少一个提供有流体通道孔，其中所述片通过导电皱褶元件焊接或冶金学接合的，以便界定冷却流体通道部分。
在第二个方面，本发明包含由安置在压滤结构中并由集成的导电元件分开的燃料电池堆，该导电元件在不同实施例中执行一个或多个功能，其中包括电池的热调节，反应物的分布和湿度，而不求助于额外的恒温单元。
本发明的隔膜由两个导电片界定，其中至少一个提供有流体通道孔，在压滤型双极结构中分别适于用作阴极和阳极片。两个导电片彼此焊接或通过中置的导电元件固定，其几何结构为褶皱型，以便在优选实施例中确定用于恒温流体(优选液体状态的水)的通道的形成。本文中褶皱元件，倾向于是一种一般元件(如从平面片获得的)具有波形的或其它形状的外形，以便形成凸起或凹陷；所述凸起和凹陷是焊接的或固定到一个或其它界定隔膜的片。褶皱元件有两个目的，即机械连接阳极和阴极片和确保它们之间的电连续性。褶皱的元件可仅提供于隔膜的外围部分，例如相应于两个相对侧，或可沿整个片表面安置。在后者的情形中，褶皱导电元件有利地界定可用于冷却流体循环的通道。在褶皱元件仅在隔膜外围区域的情形中，通常在电池的活性区域外部，内部可有利地填充网状材料，其适用于冷却流体的循环。作为网状材料，金属泡沫或网，延展片(expanded sheet)，烧结多孔材料都可有利地相互组合或并置使用；然而，也可使用其它类型网状材料而不偏离本发明的范围。
如上所述，一个或两个界定隔膜的片提供有流体通道孔；通过本文流体通道孔，希望任何形状或轮廓的穿孔适于为液体或气体跨过，该穿孔是在相应片的主表面上获得的，优选沿外围区域安置，并与气体馈送管相连；这样的孔因此可用来供应气体反应物至相邻的燃料电池中，以如PCT/EP 03/01207中所揭示的类似方式。与排放管相连的等效孔优选被用于排放废反应物和反应产物。
在优选实施例中，流体通道孔优选为校准的开口形式，其在隔膜主表面的内部并与冷却流体通道部分相连。该实施例中特别有利，特别是在冷却流体为液体水的情形中，因为部分从隔膜内部到外部的所述冷却水的控制通道，其朝向一个或两个相邻燃料电池，确定一个或两个反应物的湿化，而且通过蒸发而对热排出作贡献，其方式与PCT/EP0306327中所述的类似。本发明因此展示出PCT/EP 03/01207和PCT/EP0306327中发明相同的优点，然而，利用直接插置在燃料电池之间的集成的隔膜，其取代恒温电池和要逐个组装的相关元件，通过消除相关衬垫简化水力密封系统，并极大地促进组装过程。
为了进一步支持快速组装，和在元件排列中的防错，本发明的隔膜也可提供于集流器和/或衬垫的外部，焊接的或固定在阴极和阳极片中的一个或优选地两者上。以该方式，在最极端的情形中，电池堆的组装将用最小可能数量的件实现，其中除了如本领域公知的那样，包含活化的膜或膜-电极组件的电化学包装，仅提供有集成集流器和衬垫的隔膜。某些优选实施例将参考
，其仅为示例说明的目的，而不是为了构成对本发明的限制。
图1示出按照现有技术的燃料电池堆。
图2示出本发明隔膜的两个实施例。
图3示出本发明隔膜的两个其它实施例，包括集成的衬垫和集流器。
具体实施例方式
图1中的燃料电池堆是按照本领域最广泛的教导配置的，包括层压的单燃料电池(100)的并列放置(juxtaposition)，由隔膜(1)以双极片的形式定界，其封闭电化学包装(2)，该电化学包装包含在两个面上用催化剂活化的离子交换膜，或通过离子交换膜/气体扩散电极组件，如本领域公知。电化学包装(2)将电池分成2个室，阴极的和阳极的。隔膜(1)和电化学包装(2)之间的电化学连续性通过插入适当集流器(3)而得到保证，其在所示的情形中是网状导电材料并用作气体分配器。电池的水力密封是通过合适的衬垫(4)确保的，通常为平面衬垫。通过图中未示出的合适的导管，如压滤型模块设计领域中公知的导管，每个电池(100)填有气体反应物，燃料和氧化剂，在各阳极和阴极室中。该类设计不提供集成的反应物湿化装置，湿化必须在外部执行，同时热调节通常是用没有示出的弯曲件执行的，其嵌入在用作隔膜(1)的片中。可替换地，恒温电池也可以嵌入到燃料电池(100)中，其由同一隔膜(1)界定并通过液体冷却剂内部横过，在该情形中，组件和水力密封显然被额外的指定元件复杂化。
图2示出本发明隔膜(1)两个可能的实施例；在这两个情形中，隔膜被片(5)界定，一个为阴极的一个为阳极的，通过由焊点(6，9)或其它形式冶金接合固定的皱褶元件(8)连接；在图中左手侧示出的情形中，皱褶元件(8)沿界定弯曲通道的表面连接阴极片和阴极片(5)，该弯曲通道可有利地被来自适当的连接线路供应的冷却流体横过，该连接线路没有示出。在图中右手侧所示的情形中，褶皱元件仅在隔膜(1)的外部，通常在电池活性区域的外部，同时在内部两个片(5)界定的凹槽内有网状元件(10)，来自没有示出的适当连接线路的冷却流体横过该网状元件。在两个所示实施例中，因此能够为邻近燃料电池的热调节提供隔膜。而且，在两种实施例中都有与隔膜(1)外围区域相通的合适孔(7)，其可用来馈送来自气体输送管的气体反应物，该没有示出的输送管将所述外部区域连接到各邻近燃料电池。相似地，有用于将反应产品的废物排放到外部排放管(其没有示出)的相关孔(11)。以该方式，本发明的隔膜(1)执行气体分配到电池的功能，从而允许获得紧凑的设计，该设计利用否则是死区的区域。图1中隔膜(1)的构成元件显然没有按比例示出；馈送孔(7)和排放孔(11)通常是，例如微细的，在图中被放大以便更清楚地解释它们的功能。
在右手侧所示的情形中，隔膜(1)的内部和外部的连接孔也包括校准开口(7’)，其用于允许冷却水向邻近燃料电池的控制通道在该情形中，隔膜(1)也执行湿化邻近电池反应物的功能；从所示电池中排出的热被通过同一电池内的开口(7’)的部分水蒸发而增加。
图2中隔膜的不同特征以随意的方式组合，且所示的不构成本发明的限制；例如，用于馈送水的校准开口(7’)已经耦合到沿整个表面设置的皱褶元件(8)，如左侧图中的情形。
图3示出两个与图2中实施例等价的实施例，其进一步包括集成的燃料电池(100)的集流器(3)和衬垫(4)。以该方式，为实现压滤结构的要层压的元件的量被减小到最小。集流器(3)可通过本领域技术人员公知的点焊型焊接，软焊或其它冶金接合集成到本发明的隔膜(1)。衬垫(4)可通过模制、胶粘或其它本领域技术人员已知的系统集成。所示实施例不偏离本发明范围的变化显然是可能；例如集成的双极隔膜(1)可包括集流器(3)而不包括衬垫(4)，反之亦然，或其一侧或两侧也可以包括一个或两个这些元件。
对于本领域技术人员来说，显然本发明所描述的实施例也可做出变化和修正。
因此，上面的描述不应限制本发明，其可按照不同实施例采用，而不偏离本发明的范围，本发明的范围明确地由权利要求限定。
在本申请权利要求中的描述中，术语“包括”与其变型“包含”和“由……构成”不排除其它元件和额外的成分。
权利要求
1.用于燃料电池堆的双极隔膜，其包括阴极片和阳极片，至少一个所述片提供有流体通道孔，其中通过至少一个皱褶导电元件所述片被焊接或冶金接合，并且所述片界定冷却流体的通道部分。
2.如权利要求1所述的隔膜，其中所述流体通道孔是气体馈送和/或排放孔，其被设置在所述至少一个片的一个或多个外围区域。
3.如权利要求1或2所述的隔膜，其中所述流体通道孔包括校准的开口以便馈送所述冷却流体至所述燃料电池的流动。
4.如权利要求1到3中任一条所述的隔膜，其中所述至少一个皱褶导电元件总体上沿隔膜的整个表面的邻接所述阴极片和阳极片，且所述冷却流体通路部分包括由所述褶皱导电元件的表面界定的通道。
5.如权利要求1到3中任一条所述的隔膜，其中所述至少一个褶皱导电元件仅在所述隔膜的一个或多个外围区域中邻接所述阴极片和阳极片。
6.如权利要求5所述的隔膜，其中所述冷却流体通路部分包括至少一个网状元件，其插置在所述阴极片和所述阳极片之间。
7.如权利要求6所述的隔膜，其中所述至少一个网状元件是导电的，且可选是金属的。
8.如权利要求7所述的隔膜，其中所述至少一个导电网状元件是从下面组中选择的，该组包括金属泡沫，金属网，延展片和烧结的金属材料。
9.如前面任一条权利要求所述的隔膜，其中所述阳极片和阴极片的至少一个包括密封衬垫，密封衬垫被固定到所述褶皱导电元件被焊接或冶金接合到其上的一侧的相对侧。
10.如前面任一条权利要求所述的隔膜，其中至少一个所述阳极片和阴极片包括集流器，包括集流器被固定到所述褶皱导电元件被焊接或冶金接合到其上的一侧的相对侧。
11.如权利要求10所述的隔膜，其中所述集流器是导电网状元件，其是从由金属泡沫，金属网，延展片和烧结的金属材料组成的组中选择的。
12.一种燃料电池堆，包括至少一个前面任一权利要求所述的隔膜。
13.如权利要求12所述的电池堆，其包括至少一个与所述流体通路孔相通的馈送或排放导管。
14.一种燃料电池堆双极隔膜，其基本如参考附图描述的那样。
全文摘要
本发明描述了其用于聚合物膜燃料电池堆的双极隔膜，其由具有流体通路孔的两片界定，该通路孔由褶皱元件连接并包括用于恒温液体的通道部分，其允许实现热从邻近电池中排出并用单个集成片湿化和分配气体，简化组件和水力密封电池堆。
文档编号H01M8/04GK1860633SQ200480028622
公开日2006年11月8日 申请日期2004年9月30日 优先权日2003年10月1日
发明者安东尼奥·托罗 申请人:纽韦拉燃料电池欧洲有限责任公司