燃料电池组的集成的电流收集器和电部件板的制作方法

专利名称：燃料电池组的集成的电流收集器和电部件板的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电化学燃料电池组，尤其涉及电化学燃料电池组的集成的电流收集器和电部件板。
背景技术：
电化学燃料电池转换反应物，即燃料和氧化剂以产生电功率和反应产物。电化学燃料电池一般使用在两个电极(即阴极和阳极)之间布置的电解质。在所述电解质和所述电极之间的接口布置的电催化剂通常在电极处引发期望的电化学反应。电催化剂的位置一般限定了燃料电池的电化学作用区域。
聚合物电解质薄膜(PEM，polymer electrolyte membrane)燃料电池一般使用薄膜电极组件(MEA，membrane electrodeassembly)，所述薄膜电极组件包括布置在两个电极层之间的固体聚合物电解质或者离子交换薄膜作为流体扩散层，包括多孔导电片状材料，诸如碳化纤维纸或者碳织物。在通常的MEA中，所述电极层向通常薄和柔性的离子交换薄膜提供结构上的支撑。所述薄膜是离子导通的(通常是质子导通的)，并且也作为用于将反应物流彼此隔离的障碍物。所述薄膜的另一个功能是作为在所述两个电极层之间的电绝缘体。一种典型的商用PEM是E.I.Du Pont de Nemours andCompany在商业名称NAFION下销售的磺化全氟碳薄膜。
如上所述，所述MEA还包括电催化剂，所述电催化剂通常包括布置在每个薄膜/电极层接口的层中的精细粉碎的铂颗粒，用于引发期望的电化学反应。所述电极被电耦合以提供用于通过外部负载而在电极之间导通电子的路径。
在燃料电池中，MEA通常被插在两个分离板之间，所述分离板牢固地不能被反应物流体流渗透。所述板作为电流收集器，并且对电极提供支撑。为了控制反应物流体流对于电化学作用区域的分布，面向MEA的所述板表面可以具有在其中形成的露面沟道。这样的沟道限定了一个流场区域，其一般对应于相邻的电化学作用区域。这样的分离板(其中形成了反应物沟道)通常被称为流场板。
在燃料电池组中，多个燃料电池连接在一起(通常是串联)以提高组件的整体输出功率。在这样的布置中，给定分离板的一侧可以作为一个电池的阳极板，而所述板的另一侧可以作为相邻电池的阴极板。在这种布置中，所述板可以被称为双极板。所述燃料电池组通常通过连杆和端板以其组装状态保持在一起。一般需要压缩机构来保证内部电池组歧管和流场周围的密封，并且也保证所述板的表面和薄膜电极组件之间的充分电接触，以提供构成所述电池组的燃料电池之间的电串联。
通常，在燃料电池系统中，经由一对电流收集器或者汇流条从燃料电池组中引出电流，所述电流收集器或者汇流条通常由铜或者镀铜形成，其中之一位于装配的燃料电池和端板之间的燃料电池组的每一端。为了最小化功耗，当前在燃料电池系统中使用的所述汇流条通常很厚(例如对于汽车尺寸的电池组大约2毫米，但是，所述厚度预期根据燃料电池尺寸而在一定程度上不同)。但是，这导致高的通过平面和平面内的热导率。这样的高的通过平面的热导率的结果是，从燃料电池组去除了热量，并且这样的高的平面内的热导率的结果是，降低了汇流条附近的燃料电池内的热梯度。这两种结果可能导致汇流条附近的燃料电池中的运行问题，诸如溢流。
去除这些运行问题的现有手段主要涉及在燃料电池组的汇流条和端板之间并入附加加热元件，诸如电加热器或者电阻加热元件(参见例如日本专利公开第8-167424，美国专利申请公开第2001/0036568号和美国专利申请公开第2004/0137295号)。也已经向燃料电池系统中并入诸如高电势泄放电阻器和热电绝缘层的其他附加部件。但是，这些附加部件的存在具有缺点增加了燃料电池系统设计的复杂性，增加了燃料电池系统空间要求，增加了燃料电池系统的重量。这些是在诸如燃料电池供电的摩托车之类的移动应用中的大缺点。
因此，虽然已经在所述领域中有进步，但是在本领域中一般仍然需要改进的燃料电池系统，特别是需要简单的、空间有效的轻重量燃料电池系统。本发明处理这些需要，并且提供另外的相关联优点。

发明内容
简而言之，本发明涉及一种燃料电池组的集成的电流收集器和电部件板。
在一个实施例中，本发明提供了一种燃料电池组的集成的电流收集器和电部件板，包括印刷电路板，所述印刷电路板包括下列层(1)电流收集层，包括电流收集器；(2)第一绝缘层，包括第一表面和第二表面；(3)电部件层，包括具有第一连接位置和第二连接位置的电部件；以及(4)第二绝缘层，包括第一表面和第二表面，其中，所述电流收集层被层叠到第一绝缘层的第一表面，以及所述电部件层被层叠在第一绝缘层的第二表面和第二绝缘层的第一表面之间。在特定的实施例中，所述电部件可以是电阻器。
在上述内容的另一个实施例中，所述第一绝缘层还包括第一导电通孔，以及所述电部件的第一连接位置通过第一导电通孔电连接到电流收集器。另外，在另外的实施例中，所述第一绝缘层可以进一步包括第二导电通孔，所述电流收集层可以进一步包括与所述电流收集器电隔离的电流去除区域，并且所述电部件的第二连接位置可以通过所述第一绝缘层的第二导电通孔电连接到所述电流收集层的电流去除区域。
在另外的实施例中，电流收集层包括一个或多个从铜、镍和金中选择的附加层，并且所述电部件本身(例如电阻器)可以包括铜，和/或所述电部件层可以包括多个电部件。
本发明的其他实施例包括燃料电池组，其包括上述集成的电流收集器和电部件板。一个这样的实施例包括(1)末端电池；(2)端板；以及(3)上述集成的电流收集器和电部件板，其中，所述集成的电流收集器和电部件板被布置在所述末端电池和端板之间，所述电流收集器与所述末端电池相邻并与其电接触，所述第二绝缘层的第二表面与所述端板相邻。在其他实施例中，所述电部件可以电串联或者并联到燃料电池组。
在另外的实施例中，本发明提供了一种简单有效的方法，用于制造燃料电池组，所述燃料电池组包括上述的集成的电流收集器和电部件板。所述方法包括经由印刷电路板制造方法来制作所述集成的电流收集器和电部件板，并且将其并入燃料电池组中。所述方法用于并入电池行电阻器作为电阻加热器来加热燃料电池组的末端电池。或者，这样的电阻器可以用于降低开路期间的电压或者泄放关闭期间的电池电压。所述方法也用于向所述燃料电池组中并入部件阵列，所述部件阵列包括多个电部件。这样的阵列可以用于映射燃料电池组的物理特性，诸如局部电流或者温度分布。所述电部件可以因此包括分流电阻器和/或电阻温度计。
通过参见附图和下面的详细说明，本发明的这些和其他方面将显而易见。


图1图解了包括本发明的集成的电流收集器和电部件板的代表性燃料电池组。
图2图解了图1的代表性集成的电流收集器和电部件板的配置的分解图。
图3a图解了包括分流电阻器阵列的本发明的代表性集成的电流收集器和电部件板的示意图，所述分流电阻器阵列用于映射燃料电池组中的电流分布。图3b图解了图3a的阵列中的分流电阻器之一的配置的分解图。
具体实施例方式
在下面的说明中，给出了特定的具体细节，以便彻底明白本发明的各个实施例。但是，本领域内的技术人员可以明白，可以在没有这些细节的情况下实践本发明。在其他情况下，未详细说明与燃料电池组相关联的公知结构(诸如端板、汇流条和供应歧管、传感器、功率产生控制系统和燃料电池系统)，以便避免不必要地混淆本发明实施例的说明。除非上下文另外要求，否则在说明书和权利要求中，词“包括”要在开放的包含意义上被理解，即理解为“包括但是不限于”。
图1图解了本发明的包括两个集成的电流收集器和电部件板40的代表性电化学燃料电池组10。如图所示，燃料电池组10包括布置在一对端板18a、18b之间的多个燃料电池组件16，所述燃料电池组件16之一被部分地从燃料电池组10中去除，以更好地说明代表性燃料电池组件16的结构。连杆(未示出)在端板18a、18b之间延伸，并且与紧固螺母17合作，以便通过向各种部件施加压力来一起偏置端板18a、18b，以保证其间的良好接触。
每个燃料电池组件16包括薄膜电极组件20，其具有两个电极，即阳极22和阴极24，它们被离子交换薄膜26分离。可以由多孔导电片状材料形成电极22、24，所述多孔导电片状材料诸如碳纤维纸或者织物，其对于反应物是能透过的。电极22、24的每一个在其与离子交换薄膜26相邻的表面上被涂敷了催化剂27，诸如铂薄层，以使得每个电极电化学地活动。
每个燃料电池组件16还包括一对分离器或者流场板28，其夹住薄膜电极组件20。在所说明的实施例中，流场板28的每一个包括一个或多个反应物沟道30，形成在与相关联的一个电极22、24相邻的流场板28的平坦表面上，用于分别向阳极22传送燃料，以及向阴极24传送氧化剂。而且，每个流场板28包括多个冷却沟道32，形成在与具有反应物沟道30的平坦表面相对的流场板28的平坦表面上。当装配燃料电池组10时，相邻燃料电池组件16的冷却沟道32配合，以便在相邻薄膜电极组件20之间形成闭合的冷却沟道32。
虽然所说明的实施例在每个燃料电池组件16中包括两个流场板28，但是其他实施例可以包括在相邻薄膜电极组件20之间的单个双极流场板(未示出)。在这样的实施例中，所述双极板一侧上的沟道向一个相邻薄膜电极组件20的阳极传送燃料，而所述板另一侧上的沟道向另一个相邻薄膜电极组件20的阴极传送氧化剂。在这样的实施例中，具有用于传送冷却剂流体(例如液体或者气体，诸如冷却空气)的沟道的多个附加流场板28可以在整个燃料电池组10中相间，这被需要用于充分冷却燃料电池组10。
端板18a包括燃料流进入端口(未示出)，用于向燃料电池组10引入供应的燃料流。端板18b包括燃料流输出端口35，用于从燃料电池组10中排放排出的燃料流。如果需要，可以使用阀门来关闭燃料流输出端口35，使得燃料电池组10工作在没有出口模式(即，其中在运行期间供应的基本上所有燃料都被消耗的模式)。每个燃料电池组件16在其中形成开口，以便与相邻组件16中的对应开口配合以形成内部燃料供应和排放歧管(未示出)，所述歧管延长了燃料电池组10的长度，并且流体连接到燃料反应物沟道30。
端板18b包括氧化剂流进入端口37，用于向燃料电池组10引入供应氧化剂流；氧化剂流输出端口39，用于从燃料电池组10中排放排出的氧化剂流。每个燃料电池组件16具有在其中形成的开口31、34，以便与相邻燃料电池组件16中的对应开口配合以形成内部氧化剂供应和排出歧管(未示出)，所述歧管延长了燃料电池组10的长度，并且流体连接到氧化剂反应物沟道30。
如图1中所示，燃料电池组10包括两个集成的电流收集器和电部件板40。虽然未具体示出，在所说明的实施例中，所述电部件是电阻器。每个电流收集器和电阻器板40被布置在端板18a或18b和位于燃料电池组10端部的相应燃料电池组件16(如图1中所示，并且在此被称为末端电池36)之间。
图2图解了图1的代表性集成的电流收集器和电阻器板40的配置的分解图。如图所示，所述代表性集成的电流收集器和电阻器板40包括印刷电路板，其包括多个层，即，包括电流收集器52的导电电流收集层50、电绝缘的第一绝缘层60、包括电阻器72的电部件层70和电绝缘的第一绝缘层80。所述电流收集层50还包括电流去除区域54，它与电流收集器52电隔离。第一绝缘层60包括第一表面62、第二表面64、第一导电通孔66和第二导电通孔68。电阻器72包括第一连接位置74和第二连接位置76。第二绝缘层80包括第一表面82和第二表面84。
当装配时，包括电流收集器52和电流去除区域54的电流收集层50被层叠道第一绝缘层60的第一表面62，包括电阻器72的电部件层70被层叠在第一绝缘层60的第二表面64和第二绝缘层80的第一表面82之间，并且电阻器72的第一连接位置74通过第一绝缘层60的第一导电通孔66电连接到电流收集器52。而且，在所说明的实施例中，电阻器72的第二连接位置76通过第一绝缘层60的第二导电通孔68电连接到电流去除区域54。
如上所述，当被集成到燃料电池组10中时，集成的电流收集器和电阻器板40被布置在燃料电池组的末端电池36和燃料电池组的端板18a或者18b之间。以这种方式，当燃料电池组10处于其压缩和装配状态下时，电流收集层50将与末端电池36相邻并且电接触，以及第二绝缘层80的第二表面84将与端板18a或者18b相邻。
在运行期间，来自燃料电池组10的电流以下述方式穿过(1)从电流收集器52通过第一导电通孔66到电阻器72的第一连接位置74，(2)通过电阻器72，(3)从第二连接位置76通过第二导电通孔68到电流去除区域54。以这种方式，在所说明的实施例中，电阻器72电串联到燃料电池组10。通过适当地确定电阻的幅度大小，可以按照从燃料电池组引出的电流，经由来自电阻器72的电阻加热向相邻末端电池36提供热量。在这种情况下，不必使用包括诸如传感器、控制器、电源和电加热器的部件的外部温度调节系统来加热末端电池。
在一个替代实施例(未示出)中，电阻器72可以不是串联而是电并联到燃料电池组。这可以例如通过下述方式来完成通过从电流收集器52上的不同位置引出电流，并且通过将电流去除区域54电连接到(即，将第二连接位置76电连接到)所述燃料电池组的相对端。这样的配置可以用于在开路期间降低燃料电池组的电压，或者在燃料电池组的关闭期间作为泄放电阻器(即，电阻器72引出小量电流，并且以这种方式，可以降低燃料电池组电压或者可以“泄漏”或者消耗保留在燃料电池组中的多余氢)。
电流收集层50可以包括一个或多个铜、镍和/或金的附加层。在包括这样的层的每一个的实施例中，所述铜层可以用于从燃料电池组收集和分布大部分电流，并且所述镍和金层可以用于当集成板暴露于腐蚀条件时确保低的电接触电阻。例如，镍层在硬划痕下保护铜导电层，而金层提供具有低电接触电阻的无氧化物表面。
在一个典型实施例中，电阻器72可以由铜制成。电阻器72可以是连续的(如图2中所示)，或者可以被形成为一个或多个迹线。本领域内的技术人员可以明白，所期望的电阻或者热量将控制电阻器72的厚度、长度和宽度。如果要使用迹线，则所述迹线的间距(即每个长度的迹线数量)和/或宽度可以变化，以便在期望位置提供特定电阻或者热耗散。
已经发现，可能期望将较薄的电流收集器用于特定燃料电池组应用中，尽管作为结果可能导致较小的输出功耗。使用较薄的电流收集器的一个优点是，它允许也使用印刷电路板设计和制造技术。使用典型的印刷电路板技术，可以容易地在多层板上形成由铜或其他金属薄片构成的多个部件(诸如简单的电阻器)。以这种方式，可以容易地形成导电迹线的复杂图案。在一种典型的制造处理中，钻孔适当的裸层叠材料以形成开口，然后用导体(例如铜)电镀所述层叠材料。然后，按照期望的导电图案来掩盖所述导体，并且蚀刻掉不需要的导体(例如通过施加适当的光致抗蚀剂，使用紫外线来构图以及酸蚀刻)。然后可以并入附加层(诸如绝缘体)、材料(例如焊料)和/或部件。
如上所述，在集成的电流收集器和电部件板的制造中使用印刷电路板技术提供了较薄的电流收集器(即汇流条)。虽然这可能导致一些较小的功耗并且因此导致来自燃料电池组的输出功耗，但是存在这样的优点使得电流收集器具有很低的平面内或者通过平面的热导率。结果，从燃料电池组中去除较少热量，并且降低了汇流条附近的燃料电池内的热梯度。这可用于减小汇流条附近的燃料电池中的溢流。以这种方式，降低了末端电池经历性能问题的可能性。而且，其提供了一种使用所建立的以及实质上更合算的高容量电路板制造方法来制造的手段。
另外，这种设计也提供将电流收集层和其他燃料电池部件，诸如电热绝缘体、末端电池加热器、高电势泄放电阻器和分流电阻器集成到单个板中。通过最小化独立部件的数量，本发明允许开发更容易处理、轻的和空间有效的燃料电池系统。
图3a示出了本发明的另一个实施例，其中，所述集成的电流收集器和电部件板包括多个电部件(例如简单的电阻器)，用于映射燃料电池组中的电流分布。在所描述的示意图中，在印刷电路板上形成适当选择形状的铜迹线以形成分流电阻器的阵列。参见图3a，通过局部电流收集器101从流场板100收集局部电流。所述集成的电流收集器和分流电阻器板包括三个电绝缘层102、106和110。导电通孔103将局部电流收集器101电连接到电部件层105中的独立分流电阻器104的一端(即第一连接位置)。以类似的方式，导电通孔107将分流电阻器104的另一端(即第二连接位置)电连接到作为汇流条的电流收集器108。如果已知每个分流电阻器的电阻，则可以通过测量每个分流电阻器两端的电压降来映射所述燃料电池组中的电流分布。为此，在印刷电路板上提供了成对的铜迹线(在图3a中未示出)，以将每个分流电阻器的端部连接到适当的电压获取单元。图3b图解了图3a的阵列中的分流电阻器之一的配置的分解图。图3b示出了用于获取分流电阻器104两端的电压降的一对迹线112。
在图3a和图3b的实施例中，分流电阻器104的电阻将是温度的函数。例如，在典型燃料电池的实际操作范围上(例如0°-100℃)，所述电阻预期改变大约10％。为了某些目的，这个级别的测量误差可能足够准确。但是，为了更敏感的测量，可以将电阻温度计的阵列并入所述集成板中，以便测量并且因此校正每个分流电阻器附近的局部温度。这可以通过在独立层(即，与包括所述分流电阻器阵列的层电绝缘但却相邻)中形成电阻迹线的阵列(以便作为电阻温度计)来实现。经由串联的迹线，可以将已知的电流通过每个电阻温度计。然后，以与分流电阻器阵列类似的方式，可以经由在所述层中另外形成的成对电压迹线，来获取每个电阻温度计两端的电压降。这些电压降只是局部温度的指示，并且这个数据可用于校正分流电阻器测量。本领域内的技术人员可以明白，将在电阻温度计中耗散一些功率。因此，需要设计所述集成板，使得这个耗散的功率与燃料电池的热输出相比可以忽略，以便避免干扰燃料电池组。
从上述内容，可以明白，虽然已经在此为了说明而描述了本发明的特定实施例，但是可以在不偏离本发明的精神和范围的情况下进行各种修改。因此，本发明除了被所附的权利要求限定之外不受限。
权利要求
1.一种燃料电池组的集成的电流收集器和电部件板，包括印刷电路板，所述印刷电路板包括下列层电流收集层，包括电流收集器；第一绝缘层，包括第一表面和第二表面；电部件层，包括具有第一连接位置和第二连接位置的电部件；以及第二绝缘层，包括第一表面和第二表面，其中，所述电流收集层被层叠到第一绝缘层的第一表面，并且所述电部件层被层叠在第一绝缘层的第二表面和第二绝缘层的第一表面之间。
2.按照权利要求1的集成的电流收集器和电部件板，其中，所述电部件是电阻器。
3.按照权利要求1的集成的电流收集器和电部件板，其中，所述第一绝缘层进一步包括第一导电通孔，并且所述电部件的第一连接位置通过所述第一导电通孔电连接到所述电流收集器。
4.按照权利要求3的集成的电流收集器和电部件板，其中所述第一绝缘层进一步包括第二导电通孔；所述电流收集层进一步包括与所述电流收集器电隔离的电流去除区域；以及所述电部件的第二连接位置通过所述第一绝缘层的第二导电通孔电连接到所述电流收集层的电流去除区域。
5.按照权利要求1的集成的电流收集器和电部件板，其中，所述电流收集层包括一个或多个从铜、镍和金中选择的附加层。
6.按照权利要求2的集成的电流收集器和电部件板，其中，所述电阻器包括铜。
7.按照权利要求1的集成的电流收集器和电部件板，其中，所述电部件层包括多个电部件。
8.一种燃料电池组，包括末端电池；端板；以及权利要求1的集成的电流收集器和电部件板，其中，所述集成的电流收集器和电部件板被布置在所述末端电池和端板之间，所述电流收集器与所述末端电池相邻并与其电接触，所述第二绝缘层的第二表面与所述端板相邻。
9.包括权利要求1的集成的电流收集器和电部件板的燃料电池组，其中，所述电部件电串联到燃料电池组。
10.包括权利要求1的集成的电流收集器和电部件板的燃料电池组，其中，所述电部件电并联到燃料电池组。
11.一种用于制造燃料电池组的方法，包括经由印刷电路板制造方法来制作权利要求1的集成的电流收集器和电部件板，以及将所述集成的电流收集器和电部件板并入燃料电池组中。
12.按照权利要求11的方法，其中，所述电部件是用于加热燃料电池组的末端电池的电阻加热器。
13.按照权利要求11的方法，其中，所述电部件是用于降低开路期间燃料电池组的电压的电阻器。
14.按照权利要求11的方法，其中，所述电部件是电阻器，用于泄放关闭期间燃料电池组的电压。
15.按照权利要求11的方法，其中，所述电部件是分流电阻器，用于测量由所述燃料电池组产生的电流。
16.按照权利要求11的方法，其中，所述电部件是电阻温度计，用于测量所述燃料电池组的温度。
17.按照权利要求11的方法，其中，所述集成的电流收集器和电部件板包括多个电部件。
18.按照权利要求17的方法，其中，所述多个电部件排列在阵列中，用于映射所述燃料电池组的物理特性。
19.按照权利要求18的方法，其中，所述物理特性是局部电流或局部温度。
全文摘要
本发明公开了一种燃料电池组的集成的电流收集器和电部件板，其包括印刷电路板，所述印刷电路板包括下列层电流收集层，包括电流收集器；第一绝缘层，包括第一表面和第二表面；电部件层，包括具有第一连接位置和第二连接位置的电部件；以及第二绝缘层，包括第一表面和第二表面，其中，所述电流收集层被层叠到第一绝缘层的第一表面，并且所述电部件层被层叠在第一绝缘层的第二表面和第二绝缘层的第一表面之间。还公开了一种燃料电池组和用于制造包括所述集成的电流收集器和电部件板的燃料电池组的方法。
文档编号H01M8/10GK101091277SQ200580045227
公开日2007年12月19日 申请日期2005年12月27日 优先权日2004年12月28日
发明者罗伯特·H·阿特拜塞, 弗雷德里克·D·麦肯尼, 约尔格·齐莫尔曼, 史蒂文·D·佳贝斯, 亚历山大·莫森 申请人:百拉得动力系统公司