专利名称：模制具有加固外边缘的复合双极板的方法
技术领域：
本发明总的说来涉及一种模制用于燃料电池组的复合双极板(compositebipolar plate)的方法，尤其涉及， 一种包括以下步骤的模制用于燃料电池组的复合双极板的方法，其中该方法包括当模制双极板时在双极板的集管(header)区域设置一片或多片加固(reinforcement) ^A物以增力卩板外，的强度。
背景技术：
由于氢是清洁的并且能用于在燃料电池中有效地产生电能，因此氢是非常有吸引力的燃料。Mit料电池是包括阳极、阴极和处于它们两者之间的电解质的电化学装置。阳极接收氢气，阴极接收氧或空气。氢气在阳极，产生自由质子和电子。质子Mil电解质到达阴极。质子与阴极的氧和电子反应产生水。来自阳极的电子不能通过电解质，因此在传递到阴极之前直接通过负载进行工作。
质子^I奂H^料电池(PEMFC) Jiil用的汽车燃料电池。PEMFC —般包括固体聚合物-电解质质子传导膜，例如全氟磺酸膜。阳极和阴极通常包括磨碎的催化剂颗粒， 一般是担载在ffi粒上并与离聚物混合的铂(PO。催化剂混合物沉积在膜的相对面。阳极催化剂混合物、阴极催化剂混合物和膜的组合定义为膜电极组件(MEA)。 MEA需要有效运行的特定条件，包括适当的水管理和增湿。
通常燃料电池组中几^h燃料电池组合产生预定的功率。对于上 及的汽车燃料电池组，组可以包括大约两百或更多的燃料电池。燃料电池组接收阴极反应气体，通常由压缩机促使空气流舰组。不是所有的氧都被组消耗， 一些空气作为可以包括组废料水的阴极废气排出。燃料电池组也接收、iitlA组阳极侧
的阳极氢反应气体。
燃料电池组包括一系列处于组中几个MEA之间的双极板，其中双极板和MEA处于两个端板之间。双极板包括与组中燃料电池邻接的阳极顶,阴极侧。阳极气体流体通道设置
阴极气体流体通道^a.
一端板包括阳极气体流体通道，另一端板包括阴极气体流体通道。双极板和端板由导电材料制成，例如不锈钢或导电复合物。端板将燃料电池产生的电能传导到纟M卜。双极板还包括冷却流体流动的流体通道。
根据本发明的教导，公开了一种模制用于燃料电池组的复合单极板的方法，该方法增加板集管区域强度。因为集管区域不必导电，所以高强度预制拴^A
物(prepeg inserts)设置在被成形为集管区域结构的模具中，集管区域包括限定多个入口和出口歧管的开口。将主体模制复合物(compound)装料(bulk moldingcompound charge)體在模具中，并在高热下压制使得主術難愎，分散在模具中，并覆盖预制m^物。当从模具中移除单极板时，预制^A物增加集管区域的强度以^>板在后续工艺中,的可能性。
结合附图，从下述的描述和附带的权禾腰求本发明的客砂卜的优点将变得更
图1是用于燃料电池组的单极板的俯视图；以及
图2是根据本发明实施例的、制造图1所示包括用来增加单极板集管区域弓贼的预制^A物的单极板的模具的咅岍侧视图。
具体实施例方式
下述本发明的实施例的讨论实际上仅^/示例性，并不意在限定本发明或其实施或使用，其中本发明的实施例涉及模制用 料电池组复合单极板的方法。
图1是用于燃料电池组的单极板10的俯视图。单极板10可以，极板的阳极侧或阴极侧，其中形成板10的模制方法应当形成阳极流体通道(未示出)或阴极流体M (未示出)。另一个阳极侧单极板或阴极侧斜及板应当包括其它流体通道，并且一个或其它阳极侧单极板或阴极侧单极板的背部应当包括^4口流体鹏以使当阳极侦,阴极侧单极m过粘合等方法固定在一起时，冷却流
发明内容体ilii应当在两个板之间。
一旦阳极侧和阴极侧单极板固定在一起，面对双极板的每一面的流体通道
设置扩散介质层，并将MEA设置在两层扩散介质层之间以定义出燃料电池。燃料电池组是多^括夹持在两个相对双极板之间的MEA和两个扩散介质层的
燃料电池。
单极板10包括发生燃料电池电化学反应的活性区域12。斜及板10的夕卜边缘限定出包括各种歧管的集管区域14，空气、MM料和冷却流体M从该歧管流入到燃料电池中，并且阳极废气、阴极废气和被加热的冷却流体通过该歧管排出至,料电池纟M卜。特另哋，单极板10包括阴极输入歧管16、 18和20和阴极出口歧管22、 24和26。而且，集管区域14包括阳极入口歧管28和阳极出口歧管30。而且，集管区域14包括冷却流体入口歧管32和34以及冷却流体出口歧管36和38。密封区域40提供可以设置密封来密封活性区域12中的 通道和各种歧管的区域。
单极板10是单片模制结构。由于单极板10需要从电化学反应传导电能，因此仅特定的材料是合适的板10的成分。在一个实施例中，材料是包括石墨颗粒、热固性树脂，例如乙烯酯，和维持石墨颗粒悬浮在板10中的填料的主体模伟愎合物(BMC)。主術莫制复合物的装料方嫘在加热到特定驗(例如400下)的模具中。模头相对装料压制来促使装料流入模具的所有区，提供斜及板10的跳
一旦模制成单极板，那么进行修边步骤来从集管区域14的各种开口和沿集管区域14的驗除去多余的材料。接下来，单极M行从樹及板的两侧除去薄
的树脂富集的夕卜层的刮擦(scuff)操作。己经发m^t于模制Mi呈的结果，石墨
颗粒可能从模制板的表面除去，这增加了它的接触电阻。因此， 一般除去单极板的夕卜表面来提高导电性是必要的。刮擦操作之后，单极板粘接在一起以形成随后组装在燃料电池组中的完整的双极板。
单极板通常很薄，为lmm级。而且，形鹏用賴管区域14中的入口和出口歧管的几个幵口产生单极板10容易爆裂和/或,的区域。由于存在几个加工单极板10的操作步骤，因此单极板将在集管区域14损坏的可能是显著的。因此，期望不显著增加电池组或组装M^呈的成本的情况下，增加集管区域14的赚。
6本发明确认集管区域14不需對专导燃料电池组运行的电能。因此，本发明 将在单极板10的集管区域14添加非导电但是高3破的材料。在一个实施例中， 高强度材料是冲切成集管区域14形状的预制^A物。在模制过程中，预制拴 嵌入物粘接或固定到主体模制复合物。在一个实施例中，预制m^物的增强 材料是玻璃纤维织物。然而，本领域技术人员可以理解，可以等价地使用其它 材料。
图2是根据本发明一个实驗案的模制斜及板10的模具50的剖刑舰图。 模具50包括模具空腔基底部分52和可移动模具插塞(plug) 54，可移动模具插 塞54将主体模制复合物60压制成模具50的形状。在关闭模具50之前，将预 制imA物56设置在模具空腔基底结构52中的适当雌。而且，邻接预伟膀 !^A物56设置模具肋板58以防ihi体模制复合物60在模制过程中流入到预制 拴56下面。在一个实施例中，模制肋板58體在密封通道处以在模制逝呈中 限定出密封鹏，密封鹏在密封区域40用于密封。当模制插塞54被J1A下 到主1^莫制复合物装料中时，主鹏制复合物60将展幵填充模具空腔，并舰 模具肋板和预制拴^A物56。模制过程产生的热和压力使主体模制复合物60 固化到预制^A物56以使得当被从模具中移除时，预制^\物56延伸到 其它区域14周围。
预制^A物56可以通过由适当的热固性树月舒跌-浸渍细玻璃纤维织物 高固化度来制备。预制^A物56可以il31真空保持到固定装置，来将其 方爐在模具空腔基底部分52， ^!tb该预制^A物56 M接触粘到热钢上。
期望主体模制复合物(component) 60和预制^A物56的热膨胀系数几 乎相等。特别是，期望当板10的温度增加时防止由于热膨胀系数不同产生的单 极板10巻曲。主体模制复合物60的热膨胀系数应当是已知的，因此可以设定 预制m^物56与其热膨胀系数相匹配。可以将各种糊添加到预制拴^A物 56的树脂中来微调热膨胀系数以与主体模制复合物60的热膨胀系数相匹配。
用于特定单极板模制所需的预制拴嵌入物数量依赖于单极板的形状和结 构。单极板10可以需要两个预制m^物， 一个用于板10包括开口22、 24、 26、 28、 32和34的一端， 一个用于单极板10包括开口 16、 18、 20、 30、 36 和38的另一端。其它单极板设计可以需要更少或更多预制^A物。在一个非 限定性实施例中，预制拴^A物56的厚度是单极板10总厚度的大约三分之一。例如，如果单极板10是大约1 mm，那么预制^A物56的厚度可以是大约 03 ram。
前述的讨论和描述仅是本发明的示例性实施例。本领域技术人员从这些讨 论以及从附图和权利要求容易地认为作出各种变化、修改和变形不脱离附带的 权利要求限定的本发明的精神和范围。
权利要求
1、一种模制用于燃料电池组的复合单极板的方法，所述方法包括提供至少一个预制拴嵌入物；将该预制拴嵌入物设置在模具中以使其定位在模制单极板的集管区域；将主体模制复合物装料放置在模具中；以及压制主体模制复合物装料来将主体模制复合物模制为模具的形状，并使其固化到预制拴嵌入物。
2、 根据权利要求1的方法，其中提供至少一个预制拴^A物包括提供浸渍 有玻璃纤维织物的热固性树脂。
3、 根据权利要求l的方法，其中提供至少一个预制拴^A物包括提供至少 一个具有模制的复合单极板总厚度的大约三分之一厚度的预制MA物。
4、 根据权利要求的方法，其中I^共至少一个预制拴^A物包括提供至少--个热膨胀系数与主体模制复合物的热膨胀系数相同的预制m^物。
5、 根据权利要求l的方法，其中提供至少一个预制^A物包括提供多个与单极板所有阳极入口歧管、阳极出口歧管、阴极入口歧管、阴极出口歧管、冷却流体入口歧管和冷却流体出口歧管相配合的预制^A物。
6、 根据权利要求1的方法，还包括在模制单极板之前，在模具中邻近预制m^物处设置模具肋板以防止主体漠制复，流入到预制拴^A物的下面。
7、 根据权利要求6的方法，其中模具肋板设置在模具的限定复合单极板密封区域的位置。
8、 根据权利要求1的方法，其中主体模制复^t/包括悬浮在热固性树脂中的石墨颗粒。
9、 一种用于燃料电池组的单极板，包括限定出活性区域、集管区域和该活性区域与集管区域之间的密封区域的复合体部分；以及至少一个固化至集管区域中的复合体部分来增加集管区域强度的预制, 入物o
10、 根据权利要求9的单极板，其中至少一个预制拴^A物由非导电性材料制成。
11、 根据权利要求10的单极板，其中至少一个预制拴^A物是浸渍有玻璃 纤维织物的热固性树脂。
12、 根据权利要求9的单极板，其中至少一个预制拴嵌入物和复合体部分 具有大致相同的热膨胀系数。
13、 根据权利要求9的单极板，其中复合体部分是悬浮在热固性树脂中的
14、 根据权禾腰求9的斜及板，其中集管区域包括阴^A口歧管、阴极出 口歧管、阳极入口歧管、阳极出口歧管、歧管中的)ti卩流体和H^卩流体出口歧管。
15、 根据权利要求9的单极板，其中至少一个预制m^物的厚度为单极板总厚度的大约三分之一。
16、 根据权利要求9的单极板，其中至少一个预制m^物是多个预制拴駄物。
17、 一种用于燃料电池组的单极板，包括限定出活性区域、集管区域和该活性区域与集管区域之间的密封区域的复合体部分；以及至少一个固化至集管区域中的复合体部分来增加集管区域强度的预制,入物，所述预制m^物是浸渍有玻璃纤维织物的热固性树脂，其中预制拴嵌入物和复合体部分具有大致相同的热膨胀系数。
18、 根据权利要求9的斜及板，其中至少一个预制拴^A物的厚度为单极板总厚度的大约三分之一。
19、 根据权利要求9的斜及板，其中至少一个预制^A物是多个预制拴駄物。
全文摘要
一种模制燃料电池组用复合单极板的方法，该方法增加了板的集管区域的强度。高强度、不导电的预制拴嵌入物设置在被成形为集管区域结构的模具中，集管区域包括限定多个入口和出口歧管的开口。将主体模制复合物装料设置在模具中，并在高热下压制使得主体模制复合物分散在模具中，并覆盖预制拴嵌入物以使预制拴嵌入物固化到主体模制复合物。
文档编号H01M4/88GK101465427SQ200710300370
公开日2009年6月24日 申请日期2007年12月21日 优先权日2006年12月21日
发明者H·G·基亚, J·N·欧文斯 申请人:通用汽车环球科技运作公司