专利名称：用于燃料电池叠组的流场板的制作方法
技术领域：
本发明涉及流场板，特别用于燃料电池叠组中，所述板件包括至少一个以导电 材料制成的双极电极和位于所述双极电极每一侧的离子交换膜。
背景技术：
流场板(例如，双极电极和/或分隔器板)是带有开放通道的盘件/板件，所述 通道必须分布供应的反应剂、气体或液体，并且还可以赋予燃料电池/反应器电池机械 强度。所述通道将压模阳极反应剂分布在所述电极一侧而将阴极反应剂分布在另一侧。 例如，已经建议使用金属、塑料和陶瓷作为材料，并且已经指出，所述通道可以通过蚀 刻也可以通过以激光消除、碎屑消除、压印、压制、冲压的方法实现。观点一般是阳极 侧的通道必须交叉阴极侧的通道，这暗示出双极电极必须相当厚，所以在制造时消耗大 量材料。因此它们制造起来昂贵。一般来说，双极电极可以由例如石墨构成，通过模制 或碎屑消除来实现通道图案；或者由金属板构成，利用蚀刻或碎屑消除来实现图案。而 且，已经使用了带有压制通道图案的金属板，其中两块板件相连，形成双极电极，参见 例如WOOO/31815以及US6,051,331，其中光刻蚀刻板相接合，用于形成所谓的双极分隔器。
发明内容
本发明的目标是提供一种流场板，例如组成双极电极和/或分隔器板，所述流 场板制造过程中消耗的材料较少，并且较之以前重量更轻而且成本显著更低。另一个目标是提供一种流场板/双极电极和/或分隔器板(为了简化，以下仅用 于指代电极)，较之以前的电极而言，使得结构高度降低(沿着垂直于电极的方向)。利用开头提出的这种电极和/或分隔器板，在所述电极根据权利要求1设计时， 实现了所述目标。通过这种方式，可以选择节省材料和成本的制造过程，并且完成的电 极的结构高度和重量将低于以前的产品。符合本发明优选方面的额外优势将从以下描述中体现出来。
以下，将参照优选实施方式以及包含的附图更为详细地描述本发明。图1是根据本发明，包括在电极中的带有通道图案的板件第一优选实施方式的 一侧的平面图，所述板件为方形；图2是图1中右下角的局部视图；图3是根据图2中的线III-III的截面图，并且部分示出了入口 /出口与通道图案 之间的流动连接如何形成，部分地示出了燃料电池叠组中的电极在两侧如何被质子交换 膜包围；图4是根据本发明，包含在电极中的带有通道图案的板件的第二优选实施方式的一侧的平面图，该板件为方形；图5是根据图4中的线V-V的截面图，并且部分示出了入口 /出口与通道图案 之间的流动连接如何形成，部分地示出了燃料电池叠组中的电极在两侧如何被质子交换 膜包围；图6是根据图4中的线VI-VI的截面图，并且部分示出了入口 /出口与通道图案 之间的流动连接如何通过密封框架中的凹部形成，和部分地示出了燃料电池叠组中的电 极在两侧如何被质子交换膜包围。
具体实施例方式图1至6示出了旨在表示用于燃料电池叠组的电极的两种不同实施方式。本发明的巨大优势在于，根据叠组中期望的流动图案，借助密封件15A、15B， 可以仅用同一种类型的压印板1、流动分布区域12、12来布置双重引入流和排出流通道 7、27、8、28(参见图 1 至 3)。板件1的图案2被框架区域6、26包围，孔7、8、27、28布置在所述框架区域 中，部分地分别用于送往板件两侧的通道的反应剂的引入流7、27(在平行流时)和7、 28(在逆流时)，部分地分别用于来自板件两侧的通道3、23的所形成的反应产物的排出 流8、28(在平行流时)和8、27(在逆流时)。在图中所示板件1的实施方式中，额外的 孔布置在框架区域6、26中，即用于供应/排泄循环介质诸如冷却水的孔19和用于插入 未示出的拉条用于将燃料电池叠组保持在一起的孔20。框架区域6、26位于双极电极的平面P(参见图3)内，该平面位于电极一侧的脊 部5的顶部与电极另一侧的脊部25的顶部之间。所述平面可以由位于板件一侧的脊部的 顶部和板件另一侧的脊部的顶部之间中途的中间平面构成。根据需要，还可以向着板件 一侧的脊部的顶部方向偏移所述平面，以减小板件一侧的压力降，与此同时可以在板件 另一侧实现压力降增大。这种可能性是特定类型的燃料电池所关心的内容。根据图1所示并且以下将会参照仅示出一个拐角的图2和3更为详细解释的实 施方式，通过在两个区域中(这里为拐角区域)部分地布置流动分布空间13A、13B，部 分地布置密封件15A、15B，可以实现所述方案，在所述两个区域中分别布置有入口和出 口。流动分布区域13A、13B由基本上平坦的部分13构成，该基本上平坦的部分位于电 极一侧的脊部的顶部与电极另一侧的脊部的顶部之间，优选位于板件1的中间平面P内。 通过在部分13的上侧抵靠出口 28的边缘布置密封件15B，从流动分布空间13向出口 28 运行的通道部分3A被阻挡，从而能接受流入上部分布空间13A中的气体(例如，02)。 从图3中可以更为明显地看出，在存在平行流的实施方式中，形成在“锯齿”板件上侧 的通道3，即具有谷部4作为底部(在图1中从上方观察)的通道3将包含流入上部分布 空间13A中的气体(这里是02)。由于存在密封件15A，02气流被迫经由通道部分3’ B 通过另一个排出孔8流出。利用通道部分3’ A、3’ B、23’ A、23’ B的优势在于， 它们保证所述膜被支持抵靠分布区域12、13和入口 /出口 7、27、8、28之间的区域中的 脊部5’ A、25’ B形成平坦/不透水抵靠件。采用对应方式，密封件15A布置在底侧，阻止流向第二出口 8的排出流。相反， 在板件1底侧的通道23中(在边缘5以下，从图1中的上方观察)运动的气体(例如，H2)将首先流入底部13B的分布空间中，并从中排出，经由形成在分布空间13和出口 28 之间的脊部5’ A下的通道部分23，A到达第一出口 28。与入口 27和7相关的流动可以分别采用对应方式布置。在图3中的截面(图2中的III-III)中，根据本发明构想的示例的功能在平行流 的实施方式中清楚地示出，其中示出板件1是包括下部MEA(膜电极组件)39A和上部 MEA39B的叠组。因此图中示出，在该构想实施方式中，该叠组中的氢气氏通过入口 27流入，并馈送到下部通道23中，流过所述通道23，这些通道形成在下部MEA39A和 板件1之间，而氧气02经由入口 7流入，并经过形成在板件1和上部MEA39B之间的通 道3。此外，图中示出密封框架9、29向外密封在所述板件1和相应MEA39A、39B之 间的外部框架区域中，以便经由上部分布空间13A并经由细分通道3’ B馈送的气体(这 里是02)向下贯穿馈送，而其他气体(这里是压)向下经过第二出口 28馈送。根据本发明，流场板以单一板件1构成，板件1材料厚度非常小，即材料厚度范 围为0.1到1mm，优选最大0.5mm，更优选最大0.2mm，这样带来了重量和成本优势。 开放通道3的图案2布置在板件一侧，而开放通道23的图案22布置在板件另一侧，以使 板件一侧的图案中的谷部4、24在另一侧形成脊部25、5，反之亦然。板件的图案部分可以具有许多不同形状/外观，例如基本上正弦形截面，或者 像在该实施方式中，脊部和谷部表现为基本上等腰平行梯形截面。此外，谷部的宽度可 以不同于脊部的宽度，其中位于一侧的较宽谷部和较窄脊部对应于位于另一侧的较宽脊 部和较窄谷部，从而在板件所述一侧允许较大的流量。例如，这种可能性是特定类型的 燃料电池感兴趣的内容。通过这种方式，可以选择制造过程以节省材料和成本，并且可 以比以前降低完成的双极电极的结构高度。此外，要指出的示出，通道图案可以具有不 同形状，例如3条平行通道布置成如图1所示的迂回形状。不同的已知方法适合制造图案化的板件，但是根据特定的方面，特别适合在金 属材料中实现通道图案2、22的压制方法是绝热压制法，例如W00183132所述，该文件 通过引用而包含在本文中。在替代实施方式中，板件1由具有良好导电性的非金属材料构成，这种材料本 身是已知的，并且这种材料能耐受供应的反应剂和燃料电池叠组中形成的反应剂。作为 替代，非导电或导电不良的材料也可以以本身已知的方式利用，这种材料以良导体例如在符合图1至3的具有逆流的双极电极实施方式中，用于反应剂引入流的孔布置在相对拐角处；用于形成的反应产物的排出流的孔也布置在相对拐角处；第一未图案化部分12靠近框架部分6、26布置并布置在平面P内，所述第一未 图案化部分经由中间通道3' A、3' B； 23' A、23' B分别运行到出口孔7和27，并 且该第一未图案化部分12布置成将出口孔7与板件一侧的通道3连接，将入口孔27与板 件另一侧的通道23连接；和第二未图案化部分13靠近框架区域6、26布置并布置在平面P内，所述第二未 图案化部分经由中间通道3' A，、3' B; 23' A、23' B分别运行到第二出口孔8和出 口孔28，并且该第二未图案化部分13布置成将板件一侧的通道3与第二入口孔8连接，将板件另一侧的通道23与第二出口孔28连接。在具有平行流的实施方式中，一个入口 孔7或27以及相关的出口孔8和28分别改变位置。在图4所示实施方式中，板件为方形，并且示出所述未图案化部分12和13大小 相等且基本上为三角形。但是，部分12、12的形状对于它们的作用并没有影响，因此它 们可以为任意形状，例如卵形、菱形等。与图1至3相反，这里不存在细分通道，即板 件1并不用于对于通过平行通道部分的流动进行任何特殊控制和/或将所述膜支撑在流动 分布空间12、13与入口 /出口 7、8、27、28之间的区域中。但是，这两个未图案化部 分12、13应该构造成让它们一起对每个个别通道中的流动产生基本上相同的影响。在具有平行流的构想方法中，应用为入口孔7经由未图案化区域12，以直线形 式进入到达板件一侧的通道3。入口 7位置靠近第一拐角，但是位于该拐角本身的一侧。 相关出口孔8位置靠近对角对置的拐角。此外，用于经由未图案化区域12到达通道23 的垂直引入流的第二入口孔27布置在板件另一侧，而用于来自通道23的垂直排出流的第 二出口孔28布置在板件的所述另一侧。应该理解，孔7、8、27、28可以根据应用场合 /情况以多种形式定位。在图5和6中，示出了燃料电池叠组中的双极电极在两侧如何被质子交换膜 39A、39B包围。所述膜本身以33指代，并且在两侧设置有用于催化剂的薄载体34、 35，所述催化剂适配燃料电池中发生的反应。载体34、35导电并且例如可以以碳纤维网 片或石墨纸构成。由膜33本身以及催化剂载体34、35构成的单元39A、39B有时称为 MEA(膜电极组件)。而且，39A、39B可以具有密封框架形式的框架区域36。膜单元 的框架区域36(例如，密封框架)密封地抵靠双极电极的密封框架9、29。此外，一个膜 单元抵靠双极电极一侧的脊部5的顶部，用于界定脊部5之间的谷部4，而另一个膜单元 抵靠双极电极另一侧的脊部24的顶部，用于界定脊部25之间的谷部24。当然，所述膜 单元也可以设置与双极电极上的孔对应的孔。在图5中，形成的反应产物经过通道23运行并流出到第二未图案化部分13，在 这里，它们以直角横向转弯，从而经由缺口 31(该缺口终止于截面V-V后面的孔28中) 到达密封框架29中的出口孔28。在图6中，形成的反应产物将以相应的方式经过通道3 运行并流出到第一未图案化部分13上，在这里，它们继续直线前进，从而经由密封框架 9中的缺口 11 (该缺口终止于截面VI-VI前面的孔8中)到达出口孔8。如果板件1由会被反应剂或形成的反应产物损害的材料构成，则板件1两侧应该 适当地设置以不会被损害的材料制成的薄保护层。密封框架9、29和板件1具有必须适配膜单元33至36的总厚度，因为膜单元33 至36必须抵靠脊部5、25的顶部并与其形成良好的电接触，以及抵靠MEA39A、39B形 成良好的密封。密封框架9、29的材料从充分耐受所用反应剂和形成的反应产物的材料组群中 选择，并且它们不导电。工业实用性符合上述本发明的双极电极的主要目的是用在电化学电池诸如燃料电池和电解 器中，但是本领域技术人员当然能在以下权利要求书的范围内简单地且不需创造性工作 地改动所述双极电极，以使其可以用在类似应用场合中。
应该认识到，例如通道图案可以通过许多不同的方式实现，其中绝热压制法仅 是一种可行方法。此外，应该认识到，原则上板件1和电极分别可以被赋予任何形状(例如，方 形、卵形、六边形等)并实现本发明的主要目标。此外，框架区域的任何部分，在当前 情况下为中央部分，可以设置孔，用于引入流和排出流，并且例如所述冷却通道的位置 可以位于电极上的任何地方。此外，在除了所述框架区域之外的其他地方具有引入通道和排出通道的原理可 以适用于全部形状的板件，以及圆形板件可以仅在外部区域布置有通道。
权利要求
1.一种构成双极电极和/或分隔器板的流场板，用于经由入口 /出口在燃料电池叠 组或电解器中分布气体和液体，所述流场板包括板件(1)，所述板件设置有入口 /出口 (7、8、27、28)、位于一侧的连接第一入口与第一出口的开放通道(3)和位于另一侧的 连接第二入口与第二出口的开放通道(23)，其中流动分布区域(12、13)布置在所述入口 /出口(7、8、27、28)和所述开放通道(3、23)之间，其特征在于，所述流动分布区域 (12、13)分别针对双重引入流和排出流通道(7、8、27、28)而布置，并且单独的密封元 件(15A-15B)布置成能任意连接各通道(3、23)和所述入口 /出口(7、8、27、28)。
2.如权利要求1所述的流场板，其特征在于，所述板件由单一板件(1)构成，其中开 放通道(3、23)的图案(2)设置成使得位于所述板件一侧的所述图案(2)中的谷部(4、 24)在另一侧形成脊部(25、5)，反之亦然。
3.如权利要求1或2所述的流场板，其特征在于，所述板件(1)由金属材料构成，所 述金属材料的厚度最大2mm，优选为0.1到1mm，更优选最大0.8mm。
4.如权利要求2所述的流场板，其特征在于，所述通道图案(2)通过压制法优选通过 绝热压制法实现。
5.如前述权利要求任一项所述的流场板，其特征在于，所述通道图案(2)布置在所述 板件(1)的中央部分，并且被框架区域(6、26)包围，孔设置在所述框架区域中，用于引 入流和排出流(7、27、8、28)。
6.如权利要求1所述的流场板，其特征在于，所述板件(1)以导电性良好并且耐受供 应的反应剂和形成的反应产物的非金属材料构成。
7.如权利要求5、6任一项所述的流场板，其特征在于，所述框架区域(6、26)位于 所述流场板(1)的平面内，所述平面位于所述电极一侧的脊部(5)的顶部和所述电极另一 侧的脊部(25)的顶部之间。
8.如前述权利要求任一项所述的流场板，其特征在于，所述流动分布区域(12、13) 的数量至少为2，并且所述入口 /出口(7、8、27、28)至少其中两个靠近一个流动分布区 域(12)布置，而另外两个入口 /出口(7、8、27、28)靠近另一个流动分布区域(13)布 置。
9.如权利要求8所述的流场板，其特征在于，根据所述通道(3、23)形成的所述图案 (2)，所述至少两个流动分布区域(12、13)相对于彼此基本上径向对置。
10.如权利要求9所述的流场板，其特征在于，每个流动分布区域(12、13)布置在所 述板件(1)的中间平面(P)内，在所述板件(1)中并在每个所述流动分布区域(12、13) 的每一侧，存在通往至少两个相邻入口 /出口孔(7、8、27、28)的流动连接部。
11.如权利要求10所述的流场板，其特征在于，所述流动连接部(3’A、3’ B、 23，A、23’ B)设置有脊部(5、25)和谷部(4、24)。
12.如前述权利要求任一项所述的流场板，其特征在于，所述框架区域(12)设置有用 于例如冷却介质的引入流和排出流的孔(19)，所述冷却介质用于在需要冷却时取代反应 剂流入所述板件(1) 一侧的通道中。
13.如前述权利要求任一项所述的流场板，其特征在于，所述流场板包括在燃料电池 叠组、电解器或任何类似设备中，所述燃料电池叠组、电解器或任何类似设备中包括至 少两个如权利要求1至13任一项所述的流场板(1)，在每一对双极电极之间存在密封件(9、29)和膜电极组件(MEA) (39A、39B)。
全文摘要
本发明涉及一种优选构成双极电极和/或分隔器板的流场板，用于经由入口/出口在例如燃料电池叠组中分布气体和液体，所述流场板包括板件(1)，所述板件设置有入口/出口(7、8、27、28)、位于一侧的连接第一入口与第一出口的开放通道(3)和位于另一侧的连接第二入口与第二出口的开放通道(23)，其中流动分布区域(12、13)布置在所述入口/出口(7、8、27、28)和所述开放通道(3、23)之间，以允许各通道(3、23)与所述入口/出口(7、8、27、28)任意连接。
文档编号H01M8/02GK102017252SQ200880126276
公开日2011年4月13日 申请日期2008年12月11日 优先权日2007年12月18日
发明者奥洛夫·达尔伯格, 汉斯-阿克·奥尔森, 珀·西德 申请人:莫菲克科技股份公司