专利名称：用于具有聚合物膜的燃料电池的双极板的制作方法
技术领域：
本发明涉及具有离子交换聚合物膜的燃料电池。更特别地，本发明涉 及在这种燃料电池中使用的流体分布板，例如安装在单个电化学电池中的 每个电化学电池之间的双极板、和安装在不同的电化学电池堆的任一侧的
端板o
背景技术：
在燃料电池中使用的双极板实现两种明显不同的功能。公知的是，电 池必须被供给燃料气体和氧化气体，即氢气、和空气或纯氧气，且还必须 冷却它，即，使冷却剂例如水通过它。双极板的多个功能中的一个功能是 使得可传送对于燃料电池的操作所必需的这些不同流体。而且，双极板还
具有电功能提供相邻的电化学电池中的每个电化学电池的阳极和阴极之 间的导电。实际中，燃料电池总是包括由大量基本电化学电池构成的串联 组件；基本电化学电池串联连接，燃料电池的额定电压是每个基本电化学 电池的电压的总和。
这些不同的功能，传送流体和导电，限定了用于制造这些双极板的材 料必需满足的规格。所使用的材料必须具有非常高的电导率。所使用的材 料还必须防止所使用的流体泄露，且对于这些流体展示出非常高的化学稳 定性。
而且，双极板必须具有这样的机械特性，该机械特性足以使大量的基 本电化学电池和相关联的双极板可并置，且通过使用拉杆使组件可压縮地 保持在端板之间。双极板必须具有足以经受该压缩的机械特性。通常使用 石墨，这是因为这种材料不仅具有高的电导率，而且对于使用的流体具有 化学惰性。专利申请WO2005/006472示出了这种双极板的一种可能实施方 式。可以看出，它们通过叠置的两个相对刚性的石墨板并将由相当柔性的 石墨材料制成的片插入两个石墨板之间而制成，以适应不同层的厚度公差。石墨板包括通道网络，所述通道网络对于燃料和氧化气体，即，氢气和空 气或纯氧气，的分布是必须的，且通道网络可使每个双极板被冷却剂例如 水经过。
不幸的是，在石墨双极板的构造中涉及的刚性元件相当易碎而会损坏， 特别是在组装电池时的操纵过程中。先前所述的由柔性石墨材料制成的层 也特别难以在工业上操作。所有这些严重地加重这种双极板的制造成本。
专利US6379476提出了制造由不锈钢制成的双极板，所述不锈钢覆盖 有表面钝化膜、且具有在表面上突出的碳化物夹杂物。根据该专利的申请 人，所提议的制品应具有足够低而能够由它制造双极板的接触电阻。然而， 尽管该解决方案与完全由石墨制造的双极板相比特别是在机械性能方面可 提供一些优点，但实施起来仍复杂，且电阻率证明太高，尤其是如果目的 是使燃料电池具有非常高的功率密度。
其他专利申请提出了制造由非金属材料例如塑料制成的双极板，这是 因为这些材料中的许多材料对于所用的气体和冷却剂的化学侵蚀具有非常 高的钝性。专利申请WO2006/100029可被引用作为一个例子。
专利申请US2005/0100771描述了一种用于燃料电池的双极板，该双极 板通过使两个板形成电流接触形成，每个板由具有中心导电区域的金属基 板形成，导电区域覆盖有超薄的导电金属层。制造这种涂层加重了双极板 的成本。
专利申请US2003/0228512和US2005/0252892描述了一种用于燃料电 池的双极板，所述双极板由两个板和插在它们之间的第三分离板形成，两 个板中的每个板由具有中心导电区域的金属基板形成，导电区域涂覆有超 薄的导电金属层。在此，这种涂层的制造也加重了双极板的成本，且所提 出的结构甚至更为复杂。
然后，还有专利申请EP0955686。在此，又描述了一种用于燃料电池 的双极板，该双极板通过使两个凃锡不锈钢板形成电流接触形成。如上所 述，这种涂层的制造加重了双极板的成本，且所获得的电接触大大取决于 形成燃料电池的元件的堆叠的质量和它们的老化。
金属板用作双极板相对于石墨板具有许多优点。要提及的主要优点在 于，金属的较大的机械耐力，这意味着可降低板的厚度，且板裂的问题可
5得到避免。
另一方面，金属板，特别是由不锈钢制成的那些金属板，具有比石墨 板高的接触电阻。因此，与石墨板或甚至与具有由塑料制成的基板的板相 比，所获得的性能较低，导电通过另外增加的导电元件提供。在由不锈钢 制成的双极板的情况下，电阻损失在电接触处产生
- 在气体扩散层(GDL)和金属板本身之间；
- 在并置以包括冷却回路的两个金属板之间。
本发明的目的是提出一种双极板或端板的配置方式，该配置制造起来 尽可能容易，且相对于燃料电池的重量和体积可实现非常高的输出功率比， 即特别是可通过冷却剂冷却，以使得燃料电池可明显更容易地用于机动车 辆中。由于金属双极板具有高的坚固性，本发明的目的是改进金属双极板， 同时消除在上述两个接触部位的第二接触部位处的电损失的问题。
发明内容
本发明提供了一种用于燃料电池的分布板，包括叠置的第一板和第二 板，所述第一板由导电材料制成，且具有内面和外面，所述外面设计成与 离子交换膜配合，且所述外面包括用于第一气体的分布通道网络，所述分 布板具有的第二板由导电材料制成，且具有外面和内面，所述内面设计成 被施加在第一板的内面上，而且用于循环冷却剂的通道网络设在第一板的 内面上或第二板的内面上或设在这两者上，至少第一和第二板的内面不具 有表面涂层，所述第一板和第二板通过一层导电连接材料被接合，所述层 附着到第一和第二板中的每个板的内面上。用于接合第一和第二板的合适 技术是硬焊(brazing),优选在高温下。
本发明显然适用于双极板，即一侧形成燃料电池的基本电化学电池的 阳极、另一侧形成相邻的基本电化学电池的阴极的板。然而，本发明也适 用于端板。实际中，在制造包括设计成可使冷却剂循环的内部通道网络的 分布板时，本发明也适用。说明书的其余部分仅但是以非限制性的方式涉 及双极板，其中，第二板的外面设计成与离子交换膜配合，且包括用于气 体的分布通道网络。
优选地，用于第一和第二板的导电材料是金属材料。对于第一和第二板之间的导电连接材料层，使用一种片，该片覆盖第一和第二板中的每个 板的内面的全部或一部分，以产生硬焊，该硬焊提供良好的电接触，且还
之间具有最优的密封。
本发明还涉及一种制造用于燃料电池的钢分布板的方法，所述分布板 包括由导电材料制成的第一板，所述第一板具有内面和外面，所述外面设 计成与离子交换膜配合，且所述分布板具有由导电材料制成的第二板，所 述第二板具有外面和内面，所述内面设计成被施加在第一板的内面上，而 且用于循环冷却剂的通道网络设在第一板的内面上或第二板的内面上或设 在这两者上，所述方法包括叠置所述第一和第二板，同时将一片导电连 接材料插入它们之间；在所述第一和第二板保持挤压在彼此上的情况下将 获得的组件加热超过连接材料的熔化温度；使组件冷却；然后释放保持板 的压力，以获得所述分布板。
本发明允许至少在表面上、更特别地讲至少在与所述流体接触的表面 上使用不锈钢， 一种对使用的流体具有化学惰性的材料。实际中，非常重 要的是，使材料的表面不受氢气、氧气、改性的水、在通道中传送的其他 任何物质的侵蚀，以及特别是使材料的表面对在工作中的燃料电池中存在 的恶劣条件保持惰性。
下面，详细地描述双极板。显然，如上所述，本发明并不局限于双极 板；它还扩展到定位在基本燃料电池堆的的任一侧的分布板。
通过详细地描述附图中所示的实施例，本发明将变得更好理解，附图 包括
图l是分解视图，示出了根据本发明的双极板的各个组成元件； 图2是分解视图，从另一观看角度示出了根据本发明的双极板的各个 组成元件；
图3是透视图，示出了组装时显现的根据本发明的双极板； 图4是透视图，从另一观看角度示出了组装时显现的根据本发明的双 极板；图5是根据本发明的双极板的多个外面中的一个外面的正视图； 图6是通过图5的AA的横截面； 图7是图6中的圆圈B所限定的部分的放大图；以及 图8图解地示出了使用了根据本发明的分布板的燃料电池的基本电化 学电池。
具体实施例方式
图1和2示出了由第一板11和第二板12的组件形成的双极板1的组 成元件。双极板1在组装时可参见图3和4。
第一板11和第二板12在一侧包括一个区域，该区域具有截面相对较 大的三个开口 31、32和33，第一板11和第二板12在相反侧包括另一区域， 该区域也具有截面相对较大的三个开口 34、 35和36。第一板11和另一板 12两者的所有开口 31是对齐的。类似地，第一板11和另一板12两者的所 有开口 32、 33、 34、 35和36都是相应对齐的。 一组开口 31和开口 33相 应地形成用于传送一种气体的给送部开口 31和33中的一个开口 (例如 31)传送氢气，另一个(例如33)传送氧气。 一组开口34和36形成用于 返回气体的给送部开口 34和36中的一个开口 (34)返回未被电池消耗 的氢气，另一个开口 (36)返回未被电池消耗的氧气。所有开口32形成传 送冷却剂的给送部，而所有开口 35形成返回用于调节燃料电池的温度的冷 却剂的给送部。
第一板11的面中的一个面llo包括第一分布通道111，所述第一分布 通道111被设计成在第一板11的所有有效部分上扩散燃料电池所用的两种 气体中的一种气体。第一分布通道111以穿过第一板11的厚度的孔眼llla 开始，且以也穿过第一板ll的孔眼lllb终止。
第二板12的面中的一个面12i包括内部通道122，该内部通道设计成 在第二板12的所有有效部分上扩散用于调节燃料电池的温度的冷却剂。冷 却剂可以是液体或可以是空气。在后一种情况下，流体通路截面通常应较 大些。
孔眼llla与在面12i上挖出的通道段lllc的末端对齐。孔眼lllb与 在相同的面12i上挖出的通道段llld的末端对齐。这些通道段lllc和llld
8分别与相应的开口 31和34连通。这确保了第一分布通道111与相关的给 送部之间的连通。
在可从图2中看出的这些面中的另一个面12o上，第二板12具有与分 布通道111类似的第二分布通道121 ，该第二分布通道121也被设计成在第 二板11的所有有效部分上扩散由燃料电池使用的两种气体中的另一种气 体。第二板12的开口 33和36与均在面12i上挖出的通道段121c和通道段 121d分别连通。这些通道段121c和121d分别以穿过第二板12的厚度的相 应的孔眼121a和121b终止，以使第二通道121与相关的给送部连通。
现考虑采用硬焊以永久性地连接第一和第二板。对于分布板， 一种有 利的材料是不锈钢。对于硬焊，有利地使用镍或铜(纯镍或铜，优选纯的 -如本领域的技术人员众所周知，"纯"应理解为包含99%以上的相关元素 -或铜基合金或镍基合金)。下面纯粹示例性地给出一些合金Cu-P(近似 95%铜，平衡磷)、Ni-P (89%Ni和11%P)、 Ni-Cr-Si (71%Ni， 19%Cr和 10%Si)、 Ni-B-Cr國Fe-Si (74%Ni， 3%B， 14%Cr， 4.5%Fe和4.5%Si)。
用于硬焊的材料以软膏的形式或优选以片的形式使用。硬焊片被切割 到第一和第二板的尺寸。制造由第一板11、第二板12以及插入它们之间的 硬焊片12形成的组件。该硬焊片的厚度选择成使得硬焊一方面在第一和 第二板之间提供了非常均匀的电接触，另一方面确保良好的密封性，而不 会阻止冷却剂的有效循环。通常但不是限制性地，该硬焊片的厚度为百分 之一毫米左右。请注意，第一和第二板的内面lli和12i不具有表面涂层。
该组件至少被加热到硬焊金属的熔化温度。通常，该温度超出大约10°C -2(TC,以确保所有硬焊片均变为液相。显而易见，确切的温度依赖于硬焊所 选择的材料。在冷却之后，获得了双极板1，所述双极板1在一个面上包括 通道lll，例如用于阳极气体回路；在另一个面上包括通道121，在该示例中 用于阴极气体回路；以及在板之间具有用于冷却剂回路的通道122,该通道 在组装后看不见。
优选地，所获得的组件在惰性气体氛围(例如氮)中被加热到比材料 的熔化温度低的温度水平(例如，对于利用纯铜的硬焊，80(TC左右)。然 后，对于利用纯铜的硬焊，形成真空，以继续将温度升高到近似110(TC。 还优选地，在将温度升高到超过连接材料的熔化温度的阶段之后，使组件在真空中冷却到材料的熔化温度以下的温度水平(例如，与升高温度时相 同的温度水平)，且冷却在惰性气体氛围(例如，氮)中继续。
以如此方式组装的板之间的电接触是优异的。此外，不必在双极板自
身中、即在两个分布板11和12之间提供密封件。仅在双极板与离子交换 膜之间需要密封件8。图5、 6和7示出了这种密封件的布置。特别地，图 7的放大视图以横截面示出了这种密封件的配置。
根据本发明的双极板设计成与形成电化学电池的元件关联。图8示出 了与两个相同的双极板1A和1B关联的电化学电池9。公知的是，基本电化 学电池9当前(不是以任何方式限制本发明)通常包括叠置的五层离子 交换聚合物膜91;两个电极92 (在图中仅一个可见)，它们包括电化学反 应的进行所需的化学元素，例如铂；以及两个气体扩散层93 (在图中仅一 个可见)，它们用于确保在双极板中的通道网络中传送的气体在离子交换膜 的所有表面上均匀扩散。
开口31、 32、 33、 34、 35和36也分别设在聚合物膜91上，且与分布 板的相应的开口对齐。双极板的面llo和12o中的每个面可与相邻的电化 学电池9的扩散层中的相应的一个配合。叠置大量的电化学电池9，并使双 极板1插在中间，而且简单(非双极的)的分布板在端部处设置，以形成 燃料电池。
从而，作为本发明的结果，单个板中的每个板的基本组成材料可选择 导电材料，该导电材料提供了这样的机械特性，该机械特性不仅足以传递 燃料电池的工作应力，而且可使得双极板的制造实现自动化。实际中，这 种自动预示着可釆用制造机器人操纵，如果这种操纵由于基板的组成材料 的稳固性而不太需要小心操作，则自动制造可更为简单、更为可靠和更为 低成本地实施。
权利要求
1.一种用于燃料电池的分布板(1)，包括叠置的第一板(11)和第二板(12)，所述第一板(11)由导电材料制成，且具有内面(11i)和外面(11o)，所述外面(11o)设计成与离子交换膜配合，且所述外面(11o)包括用于第一气体的分布通道网络(111)，第二板(12)由导电材料制成，且具有外面(12o)和内面(12i)，所述内面(12i)设计成被施加在第一板(11)的内面(11i)上，而且用于循环冷却剂的通道网络(122)设在第一板(11)的内面(11i)上或第二板(12)的内面(12i)上或设在这两者上，至少第一和第二板的内面(11i和12i)不具有表面涂层，所述第一板和第二板通过一层导电连接材料(2)被接合，所述层附着到第一和第二板中的每个板的内面上。
2. 如权利要求1所述的分布板，所述分布板形成双极板，其中，第二 板(12)的外面(12o)设计成与离子交换膜配合，且包括用于第二气体的 分布通道网络(121)。
3. 如权利要求1或2所述的分布板，其特征在于，所述第一和第二板 由金属材料制成。
4. 如权利要求3所述的分布板，其特征在于，所述第一和第二板由不 锈钢制成。
5. 如权利要求1至3中任一所述的分布板，其特征在于，连接材料是 从由铜基合金和镍基合金构成的系列中选择。
6. 如权利要求1至3中任一所述的分布板，其特征在于，连接材料从 由纯铜和纯镍构成的系列中选择。
7. —种制造用于燃料电池的钢分布板的方法，所述分布板包括由导电材料制成的第一板(11)，所述第一板(11)具有内面(lli)和外面(llo)， 所述外面(llo)设计成与离子交换膜配合，且所述分布板具有由导电材料 制成的第二板(12)，所述第二板具有外面(12o)和内面(12i),所述内 面(12i)设计成被施加在第一板(11)的内面(lli)上，而且用于循环冷 却剂的通道网络(122)设在第一板(11)的内面(lli)上或第二板(12) 的内面(12i)上或设在这两者上，所述方法包括叠置所述第一和第二板， 同时将一片导电连接材料(2)插入它们之间；在所述第一和第二板保持挤 压在彼此上的情况下将获得的组件加热刚好超过连接材料的熔化温度；使 组件冷却；然后释放保持板的压力，以获得所述分布板。
8. 如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述第一和第二板由不锈 钢制成。
9. 如权利要求7所述的方法，其特征在于，连接材料是铜基合金。
10. 如权利要求7所述的方法，其特征在于，连接材料由纯铜制成。
11. 如权利要求7所述的方法，其特征在于，所获得的组件在惰性气体 氛围中被加热到材料的熔化温度以下的温度水平，且形成真空，以继续升 高温度。
12. 如权利要求11所述的方法，其特征在于，在将温度升高到超过连 接材料的熔化温度的阶段之后，使组件在真空中冷却到材料的熔化温度以 下的温度水平，且冷却在惰性气体氛围中继续。
全文摘要
本发明涉及一种用于燃料电池的分布板，包括由导电材料制成的第一板(11)，所述第一板具有内面和外面(11o)，所述外面(11o)与离子交换膜相互作用，外面(11o)包括用于第一气体的分布通道网络(111)，且所述分布板具有由导电材料制成的第二板(12)，所述第二板具有外面和内面(12i)，所述内面(12i)要被施加在第一板(11)的内面上，且用于循环冷却剂的通道网络(122)设在第一板(11)的内面上或第二板(12)的内面(12i)上或设在这两者上，所述板通过覆盖在第一和第二板中的每个板的内面上的一层均匀的导电连接材料(2)连接。
文档编号H01M8/02GK101601155SQ200780049604
公开日2009年12月9日 申请日期2007年12月21日 优先权日2007年1月9日
发明者D·奥尔索默, R·埃罗 申请人:米其林技术公司;米其林研究和技术股份公司