专利名称：双极隔板的制作方法
背景技术：
本发明涉及一种双极隔板，特别是涉及一种用在燃料电池组件中的双极隔板。
转让予本申请同一受让人的1996.10.2提出的序列号为08/725,286的美国专利申请中公开了一种双极隔板，其能被更容易并更有效地制造。结果，隔板的成本降低，因此燃料电池组件的成本降低。
更准确地说，′286申请中的双极隔板包括形成为一平板的一个镍和不锈钢包层，其中一些槽形成到该板四侧的板的镍表面中。一组相对的槽被弯曲并环绕，以使不锈钢表面朝外以形成第一组相对的侧导轨。第二组相对的槽已使其不锈钢表面朝外，并形成第二组相对的侧导轨。当所述隔板用于分隔一燃料电池组的相邻燃料电池时，这两组侧导轨支撑电解质基体。
与用于早期设计的现有工序相比，通过形成具有槽的双极隔板，弯曲工序被大大简化了。现有工序需要八个弯曲步骤和一个浸蚀步骤，浸蚀步骤用于除掉一组侧导轨的朝外的镍包层。
但是，′286申请中的双极隔板也具有一些缺点。因此，在与被支撑的电解质基体最初接触的位置，所述隔板的每个槽具有一个方向上的突变，其中该槽的垂直和水平壁相交。这种突变产生了一个应力区，其会引起被支撑基体中的裂缝。基体中的裂缝反过来会导致燃料电池组件中的氢气和氧气的横向流动，从而使燃料电池的性能严重恶化。
因此，本发明的目的在于提供一种没有上述缺点的双极隔离。
本发明的另一个目的在于提供一种双极隔板，其所具有的侧导轨结构具有减小了的应力产生区域。
发明概述根据本发明的原理，上述和其它目的通过一个由一平板形成的双极隔板实现，其具有相对的、分别与燃料和氧化剂气体相容的第一和第二表面。槽区域被整体形成到该平板的中央区域的第一和第二相对侧的平板的第一表面中。槽区域被弯曲并环绕，以使每个槽区域的第一表面朝向中央区域的第一表面，并且每个槽区域的第二表面朝向外。
具有与氧化剂气体相容的第一和第二表面的槽元件分别由所述板形成。所述槽元件被固定到中央区域的相对的第三和第四侧，以使每个槽元件的第一表面朝向中央区域的第二表面，并且每个槽元件的第二表面朝向外。
各个槽区域和各个槽元件被形成以具有一个底部(basemember)和第一、第二及第三侧壁。第一侧壁与底部成一角度并将底部连接到板的中央区域的相应侧。第二和第三侧壁被连接到第一侧壁的相对侧和底部的相对侧。每个槽区域和每个槽元件在第一侧壁的对面开口。
对于前述双极隔板，当所述板和邻近的燃料电池组件一起使用时，槽区域和槽元件用作电解质基体的导轨。但是，由于现在槽区域和槽元件在其第一侧的对面开口，所以在与相应的电解质基体最初接触的位置，在整个延伸范围内没有突变。结果，施加在基体上的应力减小，从而使产生裂纹的可能性减至最小。
附图的详细描述根据下面参照附图的详细说明，本发明的上述和其它特征及方式将变得更显然，其中
图1、2和3表示根据本发明原理的一个双极隔板；图4表示沿和燃料电池元件装配的图1-3的双极隔板的一部分剖开的剖面图；图5和6表示用于形成图1-3隔板的不同焊接技术；以及图7表示装在一燃料电池组件中的图1至3的隔板。
详细说明图1-3表示根据本发明原理的一个双极隔板。如图所示，隔板1包括一个平板2，该板具有第一和第二表面2A和2B。第一表面2A与一种燃料气(例如氢气)环境相容，第二表面与一种氧化剂气体环境相容。通常，板2可以由不锈钢形成，其与氧化剂气体相容，而且其设置在一个具有一个诸如镍的涂层或包层的表面上，该层与燃料气相容以形成第一表面。
从图中可以看出，板2包括一中央区域3，该区域具有第一和第二相对侧3A和3B以及第三和第四相对侧3C和3D。从相对侧3A和3B中的每侧延伸的是形成到所述板的第一表面2A的一个槽状或盒状区域。因此表面2A限定了中央区域的一个表面的范围和槽区域4A-4B的内表面的范围。
如图所示，槽区域4A和4B中的每个都包括一底部5及第一、第二和第三侧壁6、7和8(未示出)。侧壁6连接底部5到板2的中央区域，而且与该区域成一角度。底部5包括延伸元件或唇5A、5B(未示出)，其在侧壁7和8之外延伸。槽区域4A和4B在侧壁6的对面开口。
从图1和2中可以看出，槽区域4A和4B还沿中央区域3的侧边3A和3B处的折线9A和9B弯曲并环绕。中央区域3中的切口11A和11B便于槽区域的弯曲。这种弯曲使槽区域的第一表面2A朝向中央区域的第一表面2A，使槽区域的第二表面2B朝向外。
如图所示，隔板1还包括由板2分别形成的槽元件12A和12B。这些槽元件具有与氧化剂气体相容的第一和第二表面，而且每个都包括一底部13及第一、第二和第三侧壁14、15和16(未示出)。侧壁15和16连接到第一侧壁14的相对侧和底部13的相对侧。每个底部13包括延伸件或唇13A、13B(未示出)，其在侧壁15和16之外延伸。槽元件12A和12B还在它们的第一侧壁对面开口。
槽元件12A和12B固定到板2的中央区域3的相对侧3C和3D。更详细地说，每个槽元件的侧壁14、15和16的上端接触所述板各侧上的板的第二表面2B。如图3所示，沿该接触区域，例如通过滚焊，将槽侧壁和板表面连在一起或固定。由于槽元件被如此固定到板2上，所以每个槽元件的第二表面朝向中间区域的第二表面，而且每个槽元件的第一表面朝向外。
双极隔板1能被用作一燃料电池组中相邻的燃料电池组件之间的一个隔板。在这种情况中，槽区域4A和4B形成导轨，其形成用于相邻燃料电池组件中的一个装置的阳极元件上的电解质基体的液封。反过来，槽元件12A和12B形成导轨，其形成用于相邻燃料电池组件中的阴极元件上的基体的液封。
由于形成隔板1的这种方式，所以暴露到外界空气中的导轨的所有表面是第二表面的一部分，即为不锈钢，因此与氧化剂气体相容。结果，不需要将任何镍包层从隔板去掉就能保持液封区域的抗腐蚀性。
而且，由于槽区域4A、4B和槽元件12A、12B现在是在它们的第一侧的对面开口，所以在它们最初接触相应的燃料电池基体的整个范围上没有突变。这从图4的剖面图中可以看出，该图局部地表示了与隔板1成一体的一燃料电池组件的一个电流集电极41、垫片42、阴极电极43和电解质基体44，这是从板的中央区域3的一侧3C看去的。从图中可以看出，在活性区域/液封区域的交界，槽元件或导轨12A简单地终结，而且没有垂直壁以产生一个突变，该突变将在基体上产生应力。
在每个槽区域4A、4B和槽元件12A、12B的水平终端还提供了基体应力释放，这是通过设置在该区域或元件的各底部上的唇或延伸部5A、5B、13A、13B实现的。这些唇或延伸部将电解质基体和相应槽区域或元件接触的初始位置向垂直壁的前方移动或远离垂直壁，所述垂直壁位于底壁和侧壁的连接处。从而，由于这些垂直壁而在基体上产生的应力基本上被减小或消除。因此，隔板1在被支撑在每个槽区域和每个槽元件上的电解质基体上几乎没有产生或没有产生应力。
图1-3的板2和槽元件12A和12B能通过一种简单的冲压或拉延操作，结合以或跟以一个有限的弯曲操作制成。而且，由于导轨的所有被暴露表面由可与氧化剂相容的材料制成，所以所述导轨不必被进一步加工以实现这些。
如上所示，槽元件12A、12B能通过滚焊被固定到板2的表面。图5和图6表示了这种焊接的两种形式。在图5中，槽元件的侧边14被平行于板拉伸，而且板和槽元件在它们的终端处被焊接在一起。在图6中，板端部被弯曲并抵靠在槽元件的侧边，而且槽元件和板在它们抵靠的地方被焊接在一起。
图7表示一个燃料电池组件70，该装置包括图1-3中所示的上和下隔板1。该燃料电池组件还包括一阴极元件71，该元件71由一阴极电极71A和一阴极电流集电极71B组成，集电极71B有一个表面邻接所述阴极电极的一个表面。阴极元件71在上隔板1的中央区域3的整个长度和宽度上延伸。特别是，该元件的纵向端部延伸到槽元件12A和12B，横向端部延伸到中央区域的侧边3A和3B。由垫片段72A、73A和电流集电极段72B、73B形成的垫片元件72和73从阴极元件71的各个端部延伸到槽元件12B和12A。
使阴极元件71的高度等于槽元件12A和12B的高度。元件71和槽元件因此形成一个同高的表面，用以容纳电解质基体或板74，板74邻接该表面并在整个表面上延伸。
由一阳极电极75A和一波纹形的阳极电流集电极75B形成的一阳极元件75跟着基体元件74。阳极电极75A的一个面邻接基体74，而另一面邻接并支撑阳极电流集电极75B的一个表面。阳极电流集电极75B的另一个表面靠在下隔板1的中央区域3上。
阳极元件75在下隔板1的槽区域4A和4B之间水平地延伸，并纵向延伸到该板的中央区域3的端部3C和3D。垫片元件76和77从阳极元件75延伸并装入后面的槽区域。垫片元件76和77包括隔板段76A和77A以及电流集电极段76B和77B。
阳极元件75座靠在由中央区域3形成的一个平的表面上。阳极元件75的阳极电极75A提供了一个平的表面，用于座靠电解质基体74的下表面。
由于可以理解，上隔板1的槽元件12A和12B以及下隔板1的槽区域4A和4B用作导轨，而且这些导轨的表面形成与基体74的液封。这些液封反过来避免氧化剂气体和燃料气体从气室中泄漏，以便防止气体横向流动并防止气体逸出燃料电池组件，所述气室由阴极和阳极元件以及隔板形成。
而且，导轨的暴露表面全由一种可与氧化剂相容的材料，即铝化的不锈钢形成，因此具有高的防周围空气氧化和腐蚀的性能。
虽然未示出，但槽元件和槽区域还能被用在′286申请中，以促进用于燃料电池组件的电解质处理。因此，这些元件可以被修改以允许到装置的电解质基体74的电解质扩散和从电解质基体74的电解质吸附。例如，通孔可以被设在这些元件中作为一种结构，通过该结构电解质能被虹吸到基体74或者从基体74被虹吸。
在所有这些情况中，应该理解上述设置仅用于解释许多可能的特定实施例，这些实施例代表本发明的申请。在不偏离本发明的精神和范围的情况下，易于根据本发明的原理进行许多其它设置。
权利要求
1．一种和燃料电池一起使用的双极隔板，该燃料电池被供给一种燃料气体和一种氧化剂气体，所述双极隔板包括一具有相对的第一和第二表面的平板，所述表面分别与一种燃料气体和一种氧化剂气体相容，所述平板还具有一个中央区域和相对的第一和第二槽区域，所述第一和第二槽区域形成到所述板的第一表面并从所述中央区域的相对的第一和第二侧延伸，所述第一和第二个槽区域中的每个都具有一个底壁和第一、第二及第三侧壁，每个槽区域的第一侧壁将该槽区域连接到中央区域的相应侧，并相对该中央区域成一角度，每个槽区域的第二和第三侧壁被连接到第一侧壁的相对侧和那个槽区域的底壁的相对侧，每个第一和第二槽区域在与那个槽区域的第一侧壁相对的侧上开口，并被环绕弯曲，以使那个槽区域的第一表面朝向中央区域的第一表面，并且那个槽区域的第二表面朝向外；由所述板分别形成的第一和第二个槽元件，所述第一和第二个槽元件中的每个具有与所述氧化剂气体相容的第一和第二表面，而且每个还包括一个底壁和第一、第二及第三侧壁，每个槽元件的第二和第三侧壁被连接到第一侧壁的相对侧和那个槽元件的底壁的相对侧，每个第一和第二槽元件在与那个槽元件的第一侧壁相对的侧上开口；所述第一和第二个槽元件被分别固定到所述中央区域的相对的第三和第四侧，以致每个槽元件的第一侧壁将那个槽元件连接到中央区域的相应侧，而且该第一侧壁相对于中央区域成一角度，而且槽元件的第一表面朝向中央区域的第一表面，槽元件的第二表面朝向外。
2．根据权利要求1所述的双极隔板，其特征在于每个槽区域和每个槽元件的各底壁的相对侧在连接到那个底壁上的第二和第三侧壁之外延伸。
3．根据权利要求1所述的双极隔板，其特征在于第一和第二个槽元件通过焊接固定到所述中央区域的第三和第四侧。
4．根据权利要求1所述的双极隔板，其特征在于所述板包括一个镍铝包层，以使所述第一表面是镍，所述第二表面是不锈钢；所述第一和第二个槽元件中的每个都包含不锈钢。
5．一种适于被供给氧化剂和燃料气体的燃料电池组件，其包括至少一第一双极隔板，每个双极隔板包括一具有相对的第一和第二表面的平板，所述表面分别与一种燃料气体和一种氧化剂气体相容，所述平板还具有一个中央区域和相对的第一和第二槽区域，所述第一和第二槽区域形成到所述板的第一表面并从所述中央区域的相对的第一和第二侧延伸，所述第一和第二个槽区域中的每个都具有一个底壁和第一、第二及第三侧壁，每个槽区域的第一侧壁将该槽区域连接到中央区域的相应侧，并相对该中央区域成一角度，每个槽区域的第二和第三侧壁被连接到第一侧壁的相对侧和那个槽区域的底壁的相对侧，每个第一和第二槽区域在与那个槽区域的第一侧壁相对的侧上开口，并被环绕弯曲，以使那个槽区域的第一表面朝向中央区域的第一表面，并且那个槽区域的第二表面朝向外；由所述板分别形成的第一和第二个槽元件，所述第一和第二个槽元件中的每个具有与所述氧化剂气体相容的第一和第二表面，而且每个还包括一个底壁和第一、第二及第三侧壁，每个槽元件的第二和第三侧壁被连接到第一侧壁的相对侧和那个槽元件的底壁的相对侧，每个第一和第二槽元件在与那个槽元件的第一侧壁相对的侧上开口；所述第一和第二个槽元件被分别固定到所述中央区域的相对的第三和第四侧，以致每个槽元件的第一侧壁将那个槽元件连接到中央区域的相应侧，而且该第一侧壁相对于中央区域成一角度，槽元件的第一表面朝向中央区域的第一表面，槽元件的第二表面朝向外；一阳极元件，其延伸到所述第一和第二个槽区域的端部并位于所述第一双极隔板的所述第一和第二个槽元件之间，所述阳极元件朝向所述第一双极隔板的所述平板的所述第一表面，并在其间限定了用于容纳所述阳极元件用的燃料气体的沟槽。
6．根据权利要求5所述的燃料电池组件，还包括一电解质元件，其邻接所述阳极元件并延伸到所述第一双极隔板的所述平板的所述第一和第二个槽区域的端部，以及所述第一双极隔板的所述第一和第二个槽元件的端部；一阴极元件，其邻接所述电解质元件，所述阴极元件在所述第一和第二槽区域之间延伸，并延伸到所述第一双极隔板的所述平板的中央区域的第三和第四侧。
7．根据权利要求6所述的燃料电池组件，其特征在于所述第一双极隔板的所述平板的所述第一表面包括镍；所述双极隔板的所述平板的所述第二表面包括不锈钢；所述槽元件包括不锈钢。
8．根据权利要求6所述的燃料电池组件，其特征在于每个槽区域和每个槽元件的各底壁的相对侧在连接到那个底壁上的第二和第三侧壁之外延伸。
9．根据权利要求6所述的燃料电池组件，其特征在于第一和第二个槽元件通过焊接固定到所述中央区域的第三和第四侧。
全文摘要
一种由一平板形成的双极隔板(1)具有形成在一中央区域的相对第一和第二侧上的槽元件(12A和12B)。单独形成的槽元件被固定到中央区域的相对的第三和第四侧。形成槽元件和槽区域,以便减小由其支撑的电解质基体(44)上的应力。
文档编号H01M8/14GK1312961SQ99809623
公开日2001年9月12日 申请日期1999年8月3日 优先权日1998年8月18日
发明者喻肇宜, 迈克尔·普利默兰诺, 莫汗默德·法鲁克 申请人:能量研究公司