专利名称：用于复合燃料电池堆的不可透过的低接触电阻垫片的制作方法
技术领域：
本发明主要涉及一种燃料电池堆，且特别是，本发明涉及一种包括位于燃料电池堆的两端处的不可透过的低接触电阻垫板以防止透过复合单极板的冷却流体对位于燃料电池堆端部处的端子板产生侵蚀的燃料电池堆。
背景技术：
氢由于其清洁以及可用于在燃料电池中高效发电的性能而是一种非常有吸引力的燃料。氢燃料电池是包括阳极和阴极以及位于其间的电解质的电化学装置。阳极接收氢气且阴极接收氧或空气。氢气在阳极产生离解以产生自由氢质子和电子。氢质子通过电解质到达阴极。氢质子在阴极与氧和电子进行反应以产生水。来自阳极的电子不能通过电解质，且因此在被传送至阴极之前被引导通过负载而作功。
质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种普遍采用的用于车辆的燃料电池。质子交换膜燃料电池通常包括固体聚合物电解质质子传导膜，如全氟磺酸膜。阳极和阴极通常包括担载在碳颗粒上且与离聚物混合在一起的极细分散的催化颗粒，所述催化颗粒通常为铂(Pt)。催化混合物被沉积在膜的相对侧上。阳极催化混合物、阴极催化混合物和膜的组合限定出膜电极组件(MEA)。膜电极组件的制造成本相对较为昂贵且需要特定条件以实现有效操作。
多个燃料电池通常被组合在燃料电池堆中以产生所需功率。例如，用于车辆的典型燃料电池堆可具有两百或更多叠置在一起的燃料电池。燃料电池堆接收阴极输入气体，所述阴极输入气体通常为在压缩机的作用下受力通过燃料电池堆的空气流。燃料电池堆并未消耗所有的氧且一些空气作为阴极排气被输出，所述阴极排气可包括作为燃料电池堆副产物的水。燃料电池堆还接收阳极氢输入气体，所述阳极氢输入气体流入燃料电池堆的阳极侧。
燃料电池堆包括位于燃料电池堆中的多个膜电极组件之间的一系列双极板。双极板包括用于燃料电池堆中的相邻燃料电池的阳极侧和阴极侧。阳极气体流道被设置在双极板的阳极侧上，所述阳极气体流道允许阳极反应剂气体流至相应的膜电极组件。阴极气体流道被设置在双极板的阴极侧上，所述阴极气体流道允许阴极反应剂气体流至相应的膜电极组件。双极板由传导材料如不锈钢制成，以使得它们将由燃料电池产生的电力传导出燃料电池堆。
双极板还包括供冷却流体流动通过的流道。在一种已公知的燃料电池堆设计中，双极板是吸收冷却流体且导致其泄漏进入相邻流场内的复合双极板，如基于酯的压塑成型板。
单极板被设置在燃料电池堆的两端处，其中单极板包括位于燃料电池堆的最后的燃料电池的阴极侧或阳极侧处的流道。端子板被设置在燃料电池堆的单极板的相对侧处，且用作燃料电池堆所产生电流的集电器。在某些设计中，端子板是涂覆有镍或锡的铜板。绝缘板被设置在邻近端子板的燃料电池堆端部处。对于由复合材料制成的那些燃料电池堆板而言，流动通过单极板中的流道的冷却流体泄漏通过单极板且被收集在单极板与绝缘板之间的腔体中，端子板被设置在所述腔体中。冷却流体对端子板上的涂层产生侵蚀，使其传导性变得更低，这进一步导致燃料电池堆性能大大下降。
发明内容
根据本发明的教导，披露了一种燃料电池堆，所述燃料电池堆包括被设置在位于所述燃料电池堆的两端处的复合单极板与端子板之间的不可透过的垫板，其中所述垫板由抗蚀性材料如不锈钢制成。由于所述垫板是不可透过的，因此其防止了扩散通过所述单极板的冷却流体接触所述端子板，所述接触要不然将对所述端子板产生侵蚀。所述垫板上可涂覆有传导材料如金以降低其与所述复合板的接触电阻。
通过以下描述和所附权利要求书并结合附图将易于理解本发明的附加特征。
图1是根据本发明的实施例的包括不可透过的低接触电阻垫板的燃料电池堆的端部部段的分解透视图。
具体实施例方式
下面对本发明的实施例进行的针对一种包括防止端子板发生腐蚀的不可透过的低接触电阻垫板的燃料电池堆的描述在本质上仅是示例性的，且绝不旨在限制本发明的应用或使用。
图1是燃料电池堆10的端部部段的分解透视图。正如上面所讨论地，燃料电池堆包括重复系列的燃料电池，所述燃料电池包括具有用于燃料电池堆10中的相邻燃料电池的阳极侧和阴极侧的双极板。图1中未示出双极板。在燃料电池堆10的端部处，设置了复合单极板12，所述单极板包括用于燃料电池堆10中的最后的燃料电池的阴极侧或阳极侧的流道(未示出)。复合单极板通常包括胶粘在一起的两个成型的半件。两个半件限定出延伸通过板中心的平行的冷却流体流道。在燃料电池堆10中，冷却流体将从开口14流动通过板12中的冷却流体通道并流出开口16。开口18和20用于阴极反应剂气体流且开口22和24用于阳极反应剂气体流。
单极板12包括被成形结合到板12的底表面上的成型的垫圈(未示出)。两个扩散介质层30和32通常被设置在邻近单极板12的位置处且与双极板相对以提供电子传输。设置传导端子板34以收集由燃料电池堆10产生的电力，且所述传导端子板通常为涂覆有镍或锡的铜板。端子板34被设置在由在燃料电池堆10的端部处提供电绝缘的绝缘板36限定出的腔体内。结构基板(未示出)随后将通过螺栓或类似装置被附接到绝缘板36上以提供燃料电池堆10的最终结构。
正如上面讨论地，冷却流体将透过复合板材。在已公知的复合板设计中，冷却流体将扩散通过扩散介质层30和32且被收集在端子板34周围的腔体内，导致对所述端子板产生侵蚀。根据本发明，不可透过的低接触电阻垫板40被设置在扩散介质层32与端子板34之间。垫板40具有与单极板12相同的构型，且被密封靠在板12的底表面上的成型垫圈上。包括垫圈且同样具有与垫板40相同的外部构型的成型垫圈托板42被设置在垫板40与绝缘板36之间。因此，当对燃料电池堆10进行组装时，垫板40被密封到单极板12的下侧上，且透过单极板12朝向端子板34流动的任何冷却流体被收集在板12与垫板40之间的腔体中，且被扩散介质层30和32吸收。进一步地，垫板40通过垫圈托板42被密封到绝缘板36上，且因此防止冷却流体接触端子板34。
垫板40可由不产生侵蚀的任何适当材料制成。在一个实施例中，垫板40为不透过气体或液体的不锈钢或不锈钢合金。适当的合金包括C-276、CARP20、C-625、合金22、G-35、G-30、904L不锈钢、钛及其合金。这些耐腐蚀材料的表面上具有氧化物钝化膜，所述钝化膜与气体扩散介质与复合板材产生了高的接触电阻。因此，垫板40上可涂覆有导电材料如金、铂、氧化钌或其混合物的薄层。可采用任何适当的沉积工艺如等离子体气相沉积(PVD)将传导涂层沉积在板40上达任何适当厚度，如10nm。进一步地，垫板40可在面向端子板34的表面处具有包覆层，这可使得端子板34上不需要涂覆有镍或锡。
根据本发明的另一实施例，扩散介质层30和32上也涂覆有传导材料如金的薄层，以进一步降低燃料电池堆10的最终组件的接触电阻。可采用任何适当工艺如PVD工艺将传导涂层沉积在扩散介质层30和32上达任何适当厚度。
在另一可选实施例中，垫板40由密封石墨材料如可从PocoCorporation得到的Poco Graphite制成，所述材料具有不可透过性和高导电性。在该实施例中，密封石墨垫板将不需要涂覆有外部传导层。在另一实施例中，GrafoilTM层被设置在复合板与石墨垫板之间以便在复合板上保持良好的压力分布且避免当将压力施加到所述密封石墨板上时使所述密封石墨板发生破裂。
前面的讨论仅披露和描述了本发明的典型实施例。本领域的技术人员将易于通过这种讨论且通过附图以及权利要求书意识到可在不偏离由以下权利要求书限定的本发明的精神和范围的情况下，对本发明作出多种改变、变型和变化。
权利要求
1.一种燃料电池堆，所述燃料电池堆包括被设置在所述燃料电池堆的两端处的单极板；被设置在邻近每块单极板的位置处的不可透过的垫板；和被设置在邻近每块垫板且与所述单极板相对的位置处的端子板，所述不可透过的垫板被密封到所述单极板上以使得可透过所述单极板的冷却流体被截留在所述单极板与所述垫板之间。
2.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其中所述单极板是复合板。
3.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其中所述垫板是不锈钢或不锈钢合金垫板。
4.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其中所述垫板是钛或钛合金垫板。
5.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其中所述垫板包括导电材料的外层。
6.根据权利要求5所述的燃料电池堆，其中所述外部传导层选自包括金层、氧化钌层、铂层及其混合物的组群。
7.根据权利要求5所述的燃料电池堆，其中所述外部传导层厚约10nm。
8.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其中所述垫板是密封石墨垫板。
9.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其中所述垫板在面向所述端子板的侧部处具有包覆层。
10.根据权利要求1所述的燃料电池堆，进一步包括被设置在所述单极板与所述垫板之间的至少一个扩散介质层。
11.根据权利要求10所述的燃料电池堆，其中所述至少一个扩散介质层包括导电材料的外涂层。
12.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其中所述燃料电池堆是车辆上的燃料电池系统的一部分。
13.一种燃料电池堆，所述燃料电池堆包括被设置在所述燃料电池堆的两端处的复合单极板；被设置在邻近每块单极板的位置处的至少一个扩散介质层；被设置在邻近所述至少一个扩散介质层且与所述单极板相对的位置处的不锈钢或不锈钢合金垫板，所述垫板包括外部传导层；和被设置在邻近所述垫板且与所述单极板相对的位置处的端子板，所述垫板被密封到所述单极板上以使得可透过所述单极板的冷却流体被截留在所述单极板与所述垫板之间。
14.根据权利要求13所述的燃料电池堆，其中所述外部传导层选自包括金层、氧化钌层、铂层及其混合物的组群。
15.根据权利要求13所述的燃料电池堆，其中所述外部传导层具有约10nm的厚度。
16.根据权利要求13所述的燃料电池堆，其中所述至少一个扩散介质层包括导电材料的外涂层。
17.根据权利要求13所述的燃料电池堆，其中所述垫板在面向所述端子板的侧部处具有包覆层。
18.一种燃料电池堆，所述燃料电池堆包括被设置在所述燃料电池堆的两端处的复合单极板；被设置在邻近所述单极板的位置处的至少一个扩散介质层；被设置在邻近所述至少一个扩散介质层且与所述单极板相对的位置处的密封石墨垫板；和被设置在邻近所述垫板且与所述单极板相对的位置处的端子板，所述垫板被密封到所述单极板上以使得可透过所述单极板的冷却流体被截留在所述单极板与所述垫板之间。
19.根据权利要求18所述的燃料电池堆，其中所述至少一个扩散介质层包括导电材料的外涂层。
20.根据权利要求18所述的燃料电池堆，其中所述垫板在面向所述端子板的侧部处具有包覆层。
21.一种燃料电池堆，所述燃料电池堆包括被设置在所述燃料电池堆的两端处的复合单极板；被设置在邻近每块单极板的位置处的至少一个扩散介质层；被设置在邻近所述至少一个扩散介质层且与所述单极板相对的位置处的钛或钛合金垫板，所述垫板包括外部传导层；和被设置在邻近所述垫板且与所述单极板相对的位置处的端子板，所述垫板被密封到所述单极板上以使得可透过所述单极板的冷却流体被截留在所述单极板与所述垫板之间。
22.根据权利要求21所述的燃料电池堆，其中所述外部传导层选自包括金层、氧化钌层、铂层及其混合物的组群。
23.根据权利要求21所述的燃料电池堆，其中所述外部传导层具有约10nm的厚度。
24.根据权利要求21所述的燃料电池堆，其中所述至少一个扩散介质层包括导电材料的外涂层。
全文摘要
一种燃料电池堆，所述燃料电池堆包括被设置在位于所述燃料电池堆的两端处的复合单极板与端子板之间的不可透过的垫板，其中所述垫板由抗蚀性材料如不锈钢、钛或密封石墨制成。由于所述垫板是不可透过的，因此其防止了扩散通过所述单极板的冷却流体接触所述端子板，所述接触要不然将对所述端子板产生侵蚀。所述垫板上可涂覆有传导材料如金、铂、氧化钌或其混合物以降低其接触电阻。
文档编号H01M8/02GK101075689SQ20071010392
公开日2007年11月21日 申请日期2007年5月15日 优先权日2006年5月15日
发明者B·安德里斯-肖特, R·M·布里斯班, 埃尔哈米德 M·H·阿布德 申请人:通用汽车环球科技运作公司