专利名称：用于聚合电解隔膜燃料电池的片状金属双极型板设计的制作方法
背景技术：
发明领域本发明涉及一种用于聚合电解隔膜(PEM)燃料电池中的双极型隔离板。更特别地，本发明涉及用于聚合电解隔膜燃料电池中的一种液冷却双极型片状金属隔离板。尽管本发明的思想可以应用于各种燃料电池设计的双极型隔离板，它特别适合于用在聚合电解隔膜燃料电池堆，其中燃料和氧化剂通过内部支管被提供到构成燃料电池堆的每个燃料电池单元。
现有技术的描述当前存在和/或正在开发的多种燃料电池系统，其已经被设计并且推荐用于各种应用领域，包括发电、汽车以及要避免环境污染的其它应用。这些包括熔碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池磷酸燃料电池以及聚合电解隔膜燃料电池。与每种燃料电池的成功应用相关的一个问题是控制燃料电池的温度以及除去由在燃料电池内的电化学反应所产生的产物。
聚合电解隔膜燃料电池特别具有优势，因为它能够提供潜在的高能量输出，并且具有轻重量和小体积。聚合电解隔膜燃料电池在本领域内是众所周知的。每种这样的燃料电池包括一个“隔膜电极组件”，其中包含具有形成在它的一个表面上的阳极膜以及形成在其相对表面上的阴极膜的薄的质子传导聚合隔膜电解质。通常，这种隔膜电解质由离子交换树脂所制成，并且一般包括全氟化磺酸聚合物，例如可以从E.I.DuPont DeNemours & Co.公司获得的NAFION。阳极和阴极膜一般包括精细分割的碳粒、在该碳粒的内外表面上的非常精细分割的催化颗粒、以及与催化和碳颗粒相混合的质子传导材料，或者催化颗粒分散在聚四氟乙烯(PTFE)粘合剂中。
用于每个燃料电池的隔膜电极组件被夹在一对导电元件中，该导电元件作为阳极/阴极的集电器，并且通常包含在其表面上的一个凹槽阵列，用于在各个阳极和阴极的表面上分布燃料电池气态反应物。
商用的燃料电池堆可能包含多达600个燃料电池(或者燃料电池单元)，每个具有多达几个平方英尺的平面区域。在一个燃料电池堆中，多个燃料电池单元被以电串联的方式堆叠在一起，在一个燃料电池单元的阳极与相邻燃料电池单元的阴极之间由一个不可渗透的导电双极型隔离板所隔离，该隔离板在其两个外表面上提供反应气体分布，并在该堆叠中的一个电池的阳极与相邻电池的阴极之间导电，并且在大多数情况中，包括在其中的由内部热交换表面所确定的内部通道，冷却剂通过该通道以从该堆叠中排除热量。这种双极型隔离板例如由美国专利5,776,624所公开。在这种燃料电池堆中，燃料在隔离板的一个表面与电解质的阳极侧之间导入，并且氧化剂在隔离板的另一个表面与第二电解质的阳极侧之间导入。
包括600个电池的电池堆可能高达几英尺高，在燃料电池堆的升温和工作过程中要保持电池的完整性是一个严重的问题。由于电池组件与电池工作环境之间的热梯度、不同的热膨胀、以及各种部件所需的材料的必要强度，存在严格的容限和非常困难的工程问题。在这种考虑下，电池温度控制是非常重要的，如果它没有用最小温度梯度来实现的，则将不能保持均匀的电流密度，并且将出现电池老化的情况。
除了温度方面的考虑之外，燃料电池堆的完整性也是该堆叠的物理尺寸的一个函数。燃料电池堆越大，则越难维持堆叠的完整性和工作。相应地，除了温度控制之外，对于给定的电池输出，其是构成该燃料电池堆的燃料电池单元数目的一个函数，希望使燃料电池堆的尺寸，特别是燃料电池堆的高度对于给定的电能输出尽可能的小。
发明概述相应地，本发明的一个目的是提供一种聚合电解隔膜燃料电池，其具有紧凑的设计，使得对于给定的电能输出，每英寸燃料电池的高度的燃料电池单元的数目比常规的聚合电解隔膜燃料电池堆增加。
本发明的另一个目的是提供一种用于聚合电解隔膜燃料电池堆中的紧凑的水冷却双极型隔离板。
本发明的这些和其它目的是通过一种聚合电解隔膜燃料电池堆来实现的，该聚合电解隔膜燃料电池堆包括多个聚合电解隔膜燃料电池单元，每个单元包括一个隔膜电极组件，其中包含具有形成在它的一个表面上的阳极膜以及形成在其相对表面上的阴极膜的薄的质子传导聚合隔膜电解质。置于一个燃料电池单元的隔膜电极组件的阳极电极膜侧与相邻燃料电池单元的隔膜电极组件的阴极电极膜侧之间的是具有用于把燃料和氧化气体分别分布到阳电极和阴电极上的引导装置。隔离板由至少两个同延片状金属元件所构成，其具有基本相同形状的引导装置，该同延片状金属元件紧贴在一起，并且在它们之间形成冷却剂流动空间。
根据本发明的一个优选实施例，该引导装置包括多个形成在两个片状金属元件中的皱折。根据本发明的另一个优选实施例，该引导装置包括多个形成在两个片状金属元件中的波纹。尽管两个同延片状金属元件紧贴在一起，但是它们相互保持小的距离，从而在它们之间形成冷却剂流动空间。贴在一起的同延片状金属元件之间的距离由隔离装置所维持，例如置于至少一个面对另一个所述同延片状金属元件的多个节结或者凸块，或者用于维持同延片状金属元件之间的间隔的其它装置，并且仍然在同延片状金属元件之间提供良好的导电性。
附图简述从下文结合附图的详细描述中，本发明的这些和其它目的和特点将得到更好的理解，其中
图1为根据本发明一个实施例包括隔离板的一个聚合电解隔膜燃料电池堆的一部分的部件分解透视图；图2为根据本发明一个实施例用于聚合电解隔膜燃料电池的一个隔离板的顶示图；图3为在图2中所示的隔离板的一部分沿着III-III的箭头方向截取的一部分的截面视图；图4为根据本发明一个实施例的隔离板的片装金属元件的电极表面侧的平面示图；以及图5为根据本发明一个实施例的隔离板的片状金属元件的冷却流体侧的平面示图。
优选实施例的描述图1为根据本发明一个实施例的聚合电解隔膜燃料电池堆10的一部分的部件分解透视图。聚合电解隔膜燃料电池堆10包括多个聚合电解隔膜燃料电池单元，每个单元包括一个隔膜电极组件(MEA)20，其中包含具有形成在它的一个表面上的阳极膜(阳极)以及形成在其相对表面上的阴极膜(阴极)的薄的质子传导聚合隔膜电解质，该隔膜电极组件20夹在用作为集电器的导电元件26、27和用于阳极和阴极的气体分布层之间。隔离板40隔离相邻的聚合电解隔膜燃料电池单元，并且置于一个所述聚合电解隔膜燃料电池单元的阳极侧与相邻的所述聚合电解隔膜燃料电池单元的阴极侧之间。隔离板40由用于把燃料和氧化反应气体分别分布到阳极和阴极的引导装置所形成。这种引导装置可以采用任何适当的形式，但是根据本发明的一个优选实施例，其包括如图2中所示的多个皱折60，其形成用于把反应气体分布到电极上的通道。根据本发明的另一个实施例，所述引导装置包括如图2中所示的多个波纹。如图2中所示，隔离板40可以包括多个引导装置，例如皱折与波纹的组合。
根据本发明的一个特定优选实施例，本发明的聚合电解隔膜燃料电池堆是一个具有完全内部支管的燃料电池堆，从而反应气体被提供到电极，并且反应产物被从燃料电池堆内的反应区域通过由置于一个隔离板和聚合电解隔膜上的对齐穿孔所形成的内部支管排出。具有内部支管的燃料电池由美国专利4,963,442号、美国专利5,077,148号、美国专利5,227,256号以及美国专利5,342,706号所公开，这些发明的思想被包含于此以供参考。但是本领域内的专业人员显然可以看出包括外部支管的燃料电池堆的其它燃料电池结构也适合于采用本发明的隔离板。
如图1中所示，根据本发明一个实施例的聚合电解隔膜燃料电池堆的一个燃料电池单元包括隔离板40、隔膜电极组件20，其中包含具有形成在它的一个表面上的阳极膜以及形成在其相对表面上的阴极膜的薄的质子传导聚合隔膜电解质、以及阴极集电器27。隔离板40、隔膜电极组件20、以及集电器26、27延伸到电池的边缘区域，并且在隔膜电极组件20和/或集电器26、27之间的隔离板40的两个表面上形成封条，该封条在外围密封区域中围绕电池的整个外围。外围密封结构43从隔离板40的主平面向上和向下延伸，以提供与集电器26、27和/或隔膜电极组件20的外围之间的接触。隔离板40、隔膜电极组件20和集电器26、27分别被相应的燃料支管孔24和氧化剂支管孔25所穿透，其中一个燃料支管孔用于供料另一个用于排出，并且一个氧化剂支管孔用于供料，另一个用于排出。尽管图1中所示的支管孔是优选的三角形状，它容易直接形成在薄的片状支管密封区域中，但是该支管孔可以是圆形、方形或者其它任何所需形状。图1中所示的支管孔为单个开孔，但是可以在单个开孔中采用分割，以便于把气流引导通过电池反应腔。燃料支管密封区域45和氧化剂支管密封区域46从隔离板40的主平面向上和向下延伸，以提供与集电器26、27和/或隔膜电极组件20之间的接触，以在隔膜电极组件与相邻的集电器26、27之间形成封条。
氧化剂支管孔25由氧化剂支管封条46所密封，仅仅使氧化剂流通过氧化剂供给开孔48和氧化剂排出开孔48’流进和流出与隔离板40的上表面相邻的阴极腔，并且避免气体流进和流出阳极腔，而燃料支管孔24由燃料支管封条45所密封，仅仅使燃料流通过燃料供给开孔47和燃料排出开孔47’流进和流出与隔离板40的下表面相邻的阳极腔，并且避免气体流进和流出阴极腔。尽管所示的是直接压紧的片状金属结构，但是支管封条45、46可以是避免气体流动的任何所需形状或结构。支管封条45、46形成燃料支管孔24和氧化剂支管孔25之间的双重封条。
如上文所述，在聚合电解隔膜燃料电池堆的工作过程中必须解决的一个实质问题是控制由构成燃料电池堆的燃料电池单元内的燃料和氧化反应剂的电化学反应所产生的燃料电池温度。该目的是通过根据本发明的隔离板40所实现的，该隔离板如图1和3中所示包括至少两个同延片状金属元件30、31，其具有基本上相同形状的引导装置，例如皱折60a和60b，其中至少两个同延片状金属元件30、31被贴在一起，以在它们之间形成冷却剂流动空间32。冷却剂流动空间32是通过使至少两个贴在一起的同延片状金属元件30、31之间相互保持一段距离而形成的。根据本发明的一个特定优选实施例，该距离是通过在两个贴在一起的同延片状金属元件30、31的至少一个的片状金属元件相对表面上的多个凸块或节结33而维持的。本领域内的专业人员显然可以看出这种凸块或节结33可以置于两个贴在一起的同延片状金属元件30、31的片状金属元件相对表面上。另外，本领域内的专业人员显然可以看出在这些点的熔焊或铜焊可以提供更好的导电性。本领域内的专业人员还可以看出包括两个以上的贴在一起的同延片状金属元件从而提供冷却剂流动空间的一个隔离板40也可以用于根据本发明的聚合电解隔膜燃料电池堆中。
为了把冷却剂提供到冷却剂流动空间32，隔离板40、隔膜电极组件20、以及集电器26、27被提供有冷却剂流体支管开孔50、50’，用于输入和输出冷却流体。冷却剂流体支管密封区域51从隔离板40的主平面在两个表面延伸，以提供用于在隔离板40与隔膜电极组件20和/或集电器26、27之间的密封的接触，并且确定一个冷却剂流体支管。冷却剂流体支管开孔50、50’在每个电池部件中具有相同的直径，以使得冷却剂流体密封区域51的平坦表面强制使隔膜电极组件20在一侧与阳极集电器26相接触，并且在另一侧与阴极集电器27相接触，以形成一个环绕冷却剂流体支管的封条。延伸的冷却剂流体支管密封区域51的侧壁固定在隔离板40中，从而排除冷却剂流体进入到阳极腔或者阴极腔。在延伸的冷却剂流体支管密封区域51的侧壁中的冷却剂流体开孔53提供冷却剂流体支管开孔50、50’与冷却剂流动空间32之间的连通。
本发明的另一个方面是提供一种具有比常规燃料电池堆更高的能量密度的燃料电池堆。通过贴紧构成根据本发明的双极型隔离板的片状金属元件，可以提供在每英寸的燃料电池堆中具有15-30个燃料电池单元的燃料电池堆。也就是说，根据本发明的聚合电解隔膜燃料电池的1英尺高的燃料电池堆包含多达360个燃料电池单元。如果每个燃料电池单元具有大约一平方英尺的面积，则获得86400瓦每立方英尺或者3050瓦每升的能量密度(360燃料电池单元×400安培每平方英尺×0.6v/电池)。
如上文所述，隔离板40包括至少两个贴在一起并形成冷却剂流动空间32的同延片状金属元件30、31。同延片状金属元件30、31之间的距离使得通过冷却剂流动空间32的冷却剂流体压差尽可能的低。根据本发明一个优选实施例，同延片状金属元件30、31之间的距离在大约0.002英寸到大约0.010之间的范围内。同延片状金属元件30、31最好由镍、不锈钢、高合金钢、钛和/或涂有防蚀层的金属所构成，其具有在大约0.002至大约0.004英寸范围内的厚度。由于片状金属元件30、31的厚度，使得片状金属元件30、31之间保持一定距离的凸块或节结33，最好被嵌入在片状金属元件30、31中。但是，本领域内的专业人员显然可以看出还可以采用用于在片状金属元件30、31之间保持距离的其它方法，包括至少一些凸块和节结的电阻焊接。电阻焊接至少一些凸块或节结除了能够在片状元件30、31之间保持距离之外，还提供片状金属元件30、31之间的较低接触电阻，从而防止在隔离板40上产生高电阻。
图4示出根据本发明一个实施例的隔离板的片状金属元件70的电极面对表面的平面视图。片状金属元件70的中部是活动区域，并且包括皱折60形式的引导装置，用于把气态反应物分布到隔膜电极组件的一个电极上，该引导装置一般被压在所述片状金属元件70上。围绕活动区域的片状金属元件70的区域通常为平坦，该区域提供构成本发明的隔离板的片断金属元件之间以及隔离板与燃料电池堆的相邻元件之间的密封。为了有助于反应气体分布到电极，一般相应于图2中所示的隔离板的波纹部分的平坦区域的一部分被提供有把反应气体分布到隔离板的活动区域的反应气体引导装置。与图2中所示的波纹61不同，其通常通过片状金属元件的冲压而形成，通过本领域内所公知的丝网印刷方法把也为波纹61a形式的图4中所示的引导装置应用到片状金属元件70的平坦部位。本领域内的专业人员显然可以看出，还要以采用其它形式的丝网印刷的引导装置，例如导轨，并且这也被认为在本发明的范围内。
图5为片状金属元件70的冷却流体相对侧的平面示图，其包括对应于在片状金属元件70的电极相对侧上的皱折和平坦部分的皱折和平坦部分。如图4和5中所示，片状金属元件70的平坦部分包括片状金属元件70的外围以及围绕气体支管开孔24、25和冷却流体支管开孔50、50’。如图3中所示，片状金属元件30、31之间的密封是由垫圈材料34所提供的，该垫圈绕着隔离板的周围以及绕着由片状金属元件30、31所形成的支管开孔周围延伸。垫圈材料34可以是适用于执行该功能的任何密封材料。根据本发明的一个优选实施例，该垫圈是通过直接丝网印刷到片状金属元件70的平坦部分上而形成的。
为了把进入冷却流体空间32的冷却流体分布通过冷却流体开孔50，在其冷却流体相对表面上的片状金属元件70的平坦部分被提供有冷却流体引导装置，该装置也是丝网印在该表面上的。所述冷却流体引导装置最好为波纹或导轨66的形式。除了提供用于分布冷却流体的装置之外，冷却流体引导装置以及垫圈34适合于维持片状金属元件之间的间隔。
尽管在上述说明中已经描述了与特定实施例相关的本发明，并且为了说明目的提供了许多细节，但是本领域内的专业人员显然可以构思出其它实施例，并且在此所述的特定细节可以被相当大地改变，而不脱离本发明的基本原理。
权利要求
1.一种聚合电解隔膜燃料电池堆包括多个聚合电解隔膜燃料电池单元，每个所述燃料电池单元具有隔膜电极组件，其在一个表面上具有阳极膜，以及在一个相对表面上具有阴极膜，一个阳极集电器在所述隔膜电极组件的阳极膜侧，以及一个阴极集电器在所述隔膜电极组件的所述阴极膜侧，以及一个隔离板置于一个所述燃料电池单元的所述隔膜电极组件的所述阳极膜侧与一个相邻的所述燃料电池单元的所述隔膜电极组件的所述阴极膜之间，其具有用于把燃料和氧化气体分别分布到所述阳极膜侧和所述阴极膜侧的引导装置，其改进包括所述隔离板由至少两个具有基本相同形状的所述引导装置的同延片状金属元件所构成，所述至少两个同延片状金属元件贴在一起并在它们之间形成冷却剂流动空间。
2.根据权利要求1所述的聚合电解隔膜燃料电池堆，其中所述引导装置包括形成在所述至少两个片状金属元件中的多个皱折。
3.根据权利要求1所述的聚合电解隔膜燃料电池堆，其中所述引导装置包括形成在所述至少两个片状金属元件中的多个波纹。
4.根据权利要求1所述的聚合电解隔膜燃料电池堆，其中所述至少两个贴在一起的同延片状金属元件相互之间由嵌入在所述至少两个贴在一起的同延片状金属元件的至少一个的片状金属元件相对表面上的多个凸块保持一定距离。
5.根据权利要求1所述的聚合电解隔膜燃料电池堆，其中所述燃料电池堆在每英寸燃料电池堆高度中包括大约15至30个聚合电解隔膜燃料电池单元。
6.根据权利要求1所述的聚合电解隔膜燃料电池堆，其中所述至少两个片状金属元件之间的距离在约0.002至约0.010英寸的范围内。
7.根据权利要求1所述的聚合电解隔膜燃料电池堆，其中所述至少两个片状金属元件由从包括镍、不锈钢、高合金钢、钛和涂有防蚀层的金属的组中选择的一种材料所构成。
8.根据权利要求1所述的聚合电解隔膜燃料电池堆，其中包括多个内部支管，用于把所述燃料和氧化气体提供到每个所述聚合电解隔膜燃料电池，以及用于排除从燃料电池排出的气体。
9.根据权利要求2所述的聚合电解隔膜燃料电池堆，其中所述至少两个贴在一起的同延片状金属元件相互之间由嵌入在所述至少两个贴在一起的同延片状金属元件的至少一个的片状金属元件相对表面上的多个凸块保持一定距离。
10.根据权利要求1所述的聚合电解隔膜燃料电池堆，其中所述至少两个贴在一起的同延片状金属元件相互之间由在所述贴在一起的同延片状金属元件之间置于所述贴在一起的同延片状金属元件外围的垫圈材料保持一定距离。
11.根据权利要求1所述的聚合电解隔膜燃料电池堆，其中所述隔离板包括一个位于中心的活动区域，以及包括所述隔离板的所述同延片状金属元件在所述位于中心的活动区域周围基本上为平坦。
12.根据权利要求11所述的聚合电解隔膜燃料电池堆，其中所述同延片状金属元件的所述平坦部位包括所述引导装置，用于把燃料和氧化气体分布到所述位于中心的活动区域分别到达所述阳极膜侧和所述阴极膜侧，所述引导装置包括丝网印刷到所述平坦部分上的至少一个导轨和波纹。
13.根据权利要求11所述的聚合电解隔膜燃料电池堆，其中所述同延片状金属元件的所述平坦部位包括在所述同延片状金属元件的所述相对表面上的冷却流体引导装置。
14.根据权利要求13所述的聚合电解隔膜燃料电池堆，其中所述冷却流体引导装置是丝网印刷在所述平坦部位上的导轨和波纹中的一个。
15.一种聚合电解隔膜燃料电池堆包括多个聚合电解隔膜燃料电池单元，每个所述燃料电池单元具有隔膜电极组件，其在一个表面上具有阳极膜，以及在一个相对表面上具有阴极膜，一个阳极集电器在所述隔膜电极组件的阳极膜侧，以及一个阴极集电器在所述隔膜电极组件的所述阴极膜侧，以及一个隔离板置于一个所述燃料电池单元的所述隔膜电极组件的所述阳极膜侧与一个相邻的所述燃料电池单元的所述隔膜电极组件的所述阴极膜之间，其具有用于把燃料和氧化气体分别分布到所述阳极膜侧和所述阴极膜侧的引导装置，并且在所述隔离板的阳极膜相对表面与所述阳极膜之间形成一个阳极腔，并且在所述隔离板的相对阴极膜的相对表面与相邻的所述燃料电池单元的阴极膜之间形成一个阴极腔，所述阳极腔与一个燃料气体源和出口之间气体连通，所述阴极腔与一个氧化气体源和出口之间气体连通，其改进包括所述隔离板由至少两个具有基本相同形状的所述引导装置的同延片状金属元件所构成，所述至少两个同延片状金属元件贴在一起并在它们之间形成冷却剂流动空间；所述隔离板具有一个平坦的外围密封结构，其延伸到分别与在所述隔离板的每个表面上的所述隔膜电极组件与所述集电器中的一个相接触，完全环绕所述阳极腔和所述阴极腔，在电池工作条件下形成一个外围封条；所述同延片状金属元件和所述隔离板分别具有多个对齐通孔，在所述隔离板中的所述通孔在所述阳极膜相对表面和所述阴极膜相对表面上被平坦的支管密封结构所环绕，该支管密封结构延伸到与所述隔离板的所述阳极膜相对侧和所述阴极膜相对侧上的所述同延片状金属元件与所述集电器中的一个相接触，在电池工作条件下形成支管封条，以形成通过所述电池堆延伸的多个燃料气体和氧化气体支管；通过所述平坦支管密封结构的燃料导管提供所述燃料气体支管与在所述隔离板的所述阳极膜相对表面上的阳极腔之间的燃料气体连通，从而提供通向在所述燃料电池堆中的每个所述燃料电池单元的完全内部的燃料支管；以及通过所述平坦支管密封结构的氧化剂导管提供所述氧化气体支管与在所述隔离板的所述阴极膜相对表面上的阴极腔之间的氧化气体连通，从而提供通向在所述燃料电池堆中的每个所述燃料电池单元的完全内部的氧化剂支管。
16.根据权利要求15所述的聚合电解隔膜燃料电池堆，其中所述隔离板和所述隔膜电极组件形成多个对齐的冷却流体开孔，在所述隔离板中的开孔在所述阳极膜相对表面和所述阴极膜相对表面上被延伸到所述隔离板的所述阳极膜相对表面和所述阴极膜相对表面上的所述隔膜电极组件和所述集电器中的一个相接触的平坦冷却流体支管密封结构所环绕，在电池工作条件下形成一个冷却流体支管封条，以形成通过所述电池堆延伸的多个冷却流体支管。
17.根据权利要求15所述的聚合电解隔膜燃料电池堆，其中所述至少两个贴在一起的同延片状金属元件相互之间由嵌入在所述至少两个贴在一起的同延片状金属元件的至少一个的片状金属元件相对表面上的多个凸块保持一定距离。
18.根据权利要求15所述的聚合电解隔膜燃料电池堆，其中所述至少两个片状金属元件之间的距离在约0.002至约0.010英寸的范围内。
19.根据权利要求15所述的聚合电解隔膜燃料电池堆，其中所述至少两个片状金属元件由从包括镍、不锈钢、高合金钢、钛和涂有防蚀层的金属的组中选择的一种材料所构成。
全文摘要
一种用于聚合电解隔膜燃料电池堆的隔离板由至少两个同延片状金属元件(30,31)所构成,该同延片状金属元件被构形为促使反应气体分布到燃料电池和燃料电池单元的电极上。同延片状金属元件贴在一起并在它们之间形成一个冷却流体空间(32)。
文档编号H01M8/10GK1342333SQ99813732
公开日2002年3月27日 申请日期1999年11月17日 优先权日1998年11月25日
发明者L·G·马里尔诺夫斯基 申请人:瓦斯技术研究所