专利名称：用于燃料电池组件的柔性石墨/金属分布板的制作方法
技术领域：
本发明涉及具有离子交换聚合物膜的燃料电池组件。尤其涉及用 于分布这种燃料电池组件中所使用的流体的分布板，即安装在基本电 化电池中的每一个基本电化电池之间的双极板和安装在一组各种电 化电池的任一侧的端板。
背景技术：
燃料电池组件中使用的双极板执行两种显著不同的功能。公知的 是，燃料电池组件必须被供给燃料气体和助燃气体，即相应地被供给 氢气和空气或纯氧气，且电池还必须冷却，即冷却剂例如水必须通过 电池。双极板的一种功能是可使燃料电池组件工作所需的上述各种流 体通过。而且，双极板还执行电功能，即在相邻的电化电池中的每一 个电化电池的阳极和阴极之间提供导电。现在，燃料电池组件均包括 大量串联组装的基本电化电池，其中基本电化电池串联连接，且燃料 电池组件的额定电压是每个基本电化电池的电压之和。这些不同功能，传送流体和导电，决定了用于制造这些双极板的 材料必须满足的要求。所使用的材料必须具有非常高的电导率。所使 用的材料也必须不能被所使用的流体透过，且相对于这些流体必须具 有非常高的化学稳定性。而且，双极板必须具有足够高的机械性能，以使得可并置许多基本电化电池和相关的双极板、以及通过借助杆使端板之间产生压縮而 将组件保持在一起。双极板必须具有足够高的机械性能，以承受该压 縮。石墨通常使用，因为这种材料不仅具有高的电导率，而且对所使用流体有着化学惰性。专利申请WO2005/006472描述了这样的双极 板的一种可能实施例。可以看出，它们包括刚性相对较大的重叠的两 个石墨片、和用于适应多种层的厚度公差的由柔性相对较大的石墨材 料制成的插入中间的箔。石墨片包括为分布燃料和助燃气体即氢气和 空气或纯氧气所需的通道网络、和可使冷却剂例如水通过每个双极板 的通道。遗憾地，构成石墨双极板的刚性构件具有相当低的冲击阻力，特 别是在燃料电池组件组装时的处理过程中。由上述柔性石墨材料制成 的层绝大部分在工业状态下还特别难于处理。所有这些均显著增加了 这种双极板的制造成本。专利US6379476提出了一种由不锈钢制成的双极板，该不锈钢 的表面上涂覆有钝化膜，且具有在该表面上突出的碳化物夹杂。根据 该专利的申请人所述，所提供的制品必须具有足够低的接触电阻，以 便由其制造双极板。然而，尽管这种解决方案与完全由石墨制成的双 极板相比具有一些优点，特别是在机械性能方面，但它实施起来复杂， 且电阻率可能太高，特别是如果目的是使燃料电池组件具有非常高的 功率密度。专利申请US2005/0221158描述了 一种由具有传导耐腐蚀涂层的 钢支撑件形成的复合双极板，通道形成在石墨层中，所述石墨层在合 适位置处被穿孔以限定出所述通道。因此，这种解决方案具有与对专 利申请WO2005/006472所作的评述中提及到的缺点相同的缺点。其他专利申请提出了由非金属材料例如塑料制造双极板，因为这些材料中的许多种材料对使用的气体和冷却剂的化学侵蚀非常不敏感。 一个可提及到的示例是专利申请WO2006A00029。使用金属板作为双极板与石墨板相比具有许多优点。要提及的主 要优点是金属的较高机械强度，这使得可降低板的厚度且避免板的破 裂问题。经特殊的表面处理的金属是阴极侧(用于化学还原反应)的 良好解决方案。它的耐腐蚀性和它的传导性是良好的。然而，在阳极 侧(用于化学氧化反应)，即使经良好的表面处理，但经几百个小时 的工作后仍会出现腐蚀。本发明的目的是提供一种用于燃料电池组件的电化电池的气体 分布板的配置，其避免了上述缺点，同时还尽可能地坚固和相当容易 地制造。发明内容本发明提供了一种用于燃料电池组件的流体分布板，包括由不 能被燃料电池组件中所使用的所有流体透过的导电材料制成的第一 板，所述分布板具有有效部分，所述有效部分是电化学反应使用的气体 分布在上面的表面，所述有效部分被所述周边部分完全限界，所述第一 板在周边部分处具有给定厚度e,，在有效部分处具有较小厚度e2，从而限定出凹部，柔性石墨箔施加在所述第一板的凹部的整个表面上，柔性石 墨箔的可见面具有用于一种流体的分布通道，所述通道完全形成在石墨 箔中，使得在有效部分中通道不与第一板的表面接触。当然，本发明应用于双极板，即一侧形成燃料电池组件的基本电 化电池的阳极、另一侧形成相邻基本电化电池的阴极的板。然而，本 发明也应用于端板。事实上，本发明任何时候均可用于制造一种具f 内部通道网络的分布板，该通道网络用于传送由燃料电池组件消耗的多种气体中的一种气体，甚至是冷却剂。
通过对附图所示的一个实施例的详细描述，可更好地理解本发 明，附图包括图1是分解图，示出了根据本发明的分布板当处于第一制造阶段 时的各种组成元件；图2示出了第一制造阶段结束时获得的结果；图3是分解图，示出了据本发明的分布板当处于第二制造阶段时 的各种组成元件；图4示出了第二制造阶段结束时获得的结果；图5示意性地示出了处于一种结构下的根据本发明的分布板，其 中，所述分布板包括它的基本特征，且所述结构在第三制造阶段结束 时获得；图5A是沿图5中的轴线所作的横截面； 图6是图5中圆圈Z所标示的区域的放大图； 图7是分解图，示出了具有根据本发明的分布板的双极板的各种 组成元件；以及图8是透视图，示出了图7中的双极板在组装时所呈现出的状态。
具体实施方式
现开始描述分布板的中心处的凹部的一个特殊实施例，它是本发 明提供的多个显著特征之一。第一板，即包括用于接纳柔性石墨箔的 凹部的板，由底板11A和框架11B形成，这些被示于图1中。对于第一板，优选为不锈钢的金属材料例如用作不能被燃料电池组件中使 用的所有流体透过的导电材料。这种金属材料使得分布板具有良好的 坚固度。底板IIA和框架11B由合适厚度的平的不锈钢片切割而成。例如，O.lmm厚度的片用于底板IIA。例如，0.6mm厚度的片用于框架 IIB。底板IIA和框架IIB例如通过钎焊叠放并紧固在一起。对于通 过钎焊使底板IIA和框架11B之间产生结合的更多细节，请在下面 参看图7和8的描述，该描述解释了通过钎焊将根据本发明的分布板 紧固到另一分布板12来制造双极板。这些图还示出了底板上的两个 孔llla和lllb，它们构成流体分布通道的一部分，这将在下面更清 楚地解释。在底板IIA和框架11B它们的一侧上存在具有横截面相对较大 的三个开口31、 31和33的区，而且，在相反侧上还存在具有横截面 相对较大的三个开口 34、 35和36的另一区。所有开口 31、 32、 33 和34、 35、 36分别与形成在燃料电池组件的多种组成元件中的相同 开口对齐，以形成用于传送流体的供送结构开口31和34例如用于 传送氢气，开口 33和36例如用于传送氧气，开口32和35可使冷却 剂循环。框架构成周边部分P和框架内部，所述框架内部的区域与有效部 分S对应，并限定出凹部llv。底板IIA和框架11B的组件示于图2 中，且构成所谓的第一板ll，该第一板11在周边部分P处具有给定 厚度e,。该厚度e〗对应于底板11A的厚度和框架11B的厚度再加上 钎焊料的厚度，钎焊料的厚度实际中如果通过以下所述的技术执行钎 焊则可以忽略。第一板11在有效部分S处具有较小的厚度e2 (即底 板IIA的厚度)。图3示出了将施加在所述第一板11的凹部llv的整个表面上的 柔性石墨箔11C，以获得图4所示的组件。用于柔性石墨箔的合适材料是由SGL Carbon AG制造的"Sigraflex"的0.5mm的厚箔。最后，或较早地，用于一种流体的分布通道111压印在石墨箔 IIC中。这可通过压印实现。优选地，首先可在石墨箔中形成分布通 道，然后将它加装到凹部中。在所有情况下，均获得了图5中所示的 结果，它构成根据本发明的分布板1的示例。从而，有效部分S中，在分布通道111中循环的流体不与第一板 ll的表面接触，这可从图5A中看出。分布通道形成在石墨箔的厚度 中。剩留了一定厚度的石墨111A，该石墨111A将通道111与底板 11A的表面隔离开。石墨箔IIC对可能要在分布通道111中循环的流 体的化学侵蚀不敏感或几乎不敏感。这为第一板11的材料提供了较 宽的选择。在所述的示例性实施例中，钢可用于底板11A。优选地，周边部分P，即在此处所述的实施例中的框架IIB，的 外面llo覆盖有耐腐蚀涂层(见图7)。如上所述，不必在底板11A 上提供这种涂层。优选地，耐腐蚀涂层是非导电性的。在后一种情况 下，使耐腐蚀涂层也覆盖着分布板的边缘IIT具有大的优点，这是因 为这样使得燃料电池组件在已安装和使用时可从外部接近的所有表 面电绝缘。已经发现，如果凹部llv的底部也覆盖有随后嵌在第一板11和 柔性石墨箔11C之间的薄铜层(或镍或金)，则改善了柔性石墨箔 IIC和第一板11之间的导电性。还应当指出，分布通道111的一端终止于孔llla中，另一端终 止于孔lllb中，所述两个孔加工在底板11A中。为了知道孔llla 和lllb终止于何处，请参看下面对图7和8的描述。为了使燃料电池组件更为气密，柔性石墨箔iic优选具有稍小于凹部的截面S的横截面(即面积)，且柔性石墨箔IIC的边缘和凹部的边缘即框架11B的边缘之间的间隙填充有填充材料IID，该填充材 料IID不能被要在通道中流动的流体透过，这可从图6中看出。该材 料可以是粘合剂，它有助于将柔性石墨箔11C固定到第一板11。为 此，粘合剂嵌在柔性石墨箔IIC和所述第一板之间的限于柔性石墨箔 11C的周边11E的表面上。绝大部分的合适材料(环氧树脂、硅)是 非导体体。惊奇地发现，当根据本发明的分布板是用于分布由燃料电 池组件消耗的气体的板时，使非导电粘合剂也嵌在柔性石墨箔和所述 第一板之间流体入口和出口孔眼lllb的整个周边上是有利的。这降 低了这些位置处的电流强度，并增大了离子交换膜的寿命。图7和8示出了通过将根据本发明的分布板1与另一分布板12 组装起来形成的双极板3。分布板1和分布板12在一侧具有三个开口 31、 32和33，在相 反侧具有三个开口 34、 35和36。 一个板11的开口 31与另一板12 的开口31对齐。该组开口31、 32、 33和34、 35和36分别相应地对 齐。开口31和33的组合形成供送结构，用于传送多种气体中的一种 气体在一种情况下，开口 31和33两者之一 31传送氢气，两者中 的另一个33传送氧气。开口 34和36的组合形成供送结构，用于返 回多种气体中的一种气体在一种情况下，开口34和36两者之一34 返回未被燃料电池组件消耗的氢气，开口 34和36两者中的另一个36 返回未被燃料电池组件消耗的氧气。而且，所有开口 32形成传送冷 却剂的供送结构，而所有开口 35形成用于返回控制燃料电池组件的 温度的冷却剂的供送结构。 j第二分布板12的一个面12i包括内部通道122，所述内部通道122设计成在第二板12的整个有效部分上分布用于控制燃料电池组件的温度的冷却剂。孔眼llla与在面12i上凹进的通道部分lllc的 端部对齐。孔眼lllb与在同一面12i上凹进的通道部分llld的端部 对齐。这些通道部分lllc和llld分别相应地与开口 31和34连通。 这在第一分布通道111和所述供送结构之间提供连通。第二分布板12的另一面(未示出)上设置有与分布通道111类 似的第二分布通道，且也设计成在第二分布板12的整个有效部分上 分布燃料电池组件所使用的两种气体中的另一种气体。第二板12的 开口 33和36分别相应地与通道部分121c和通道部分121d连通，所 述两个通道部分凹进在面12i中。通道部分121c和121d分别相应地 终止于孔眼121a和121b中，所述孔眼121a和121b贯穿第二板12 的厚度，以使用于传送气体的第二通道与所述供送结构连通。根据本发明的组装方法如下。钎焊片(或焊膏)2置入分布板1 和第二分布板12之间。 一种有利的解决方案是如上所述地使分布板 使用不锈钢，钎焊片2使用铜(纯的或合金的)。在分布板1和12 已与钎焊片2接触之后，该组件被加热到钎焊金属的熔点，在冷却之 后，获得双极板3，所述双极板3包括位于通道111的一个面上的 例如阳极气体回路、位于通道的另一个面上的阴极气体回路、和在组 装后看不见的通道122的板之间的冷却剂回路。如上所建议的，因此， 可有利地利用相同的钎焊技术组装底板IIA和框架IIB，以形成所述 第一板11。根据本发明的双极板用于与形成电化电池的元件组合。公知基本 电化电池9目前(此不以任何方式限制本发明)通常由重叠的五层形 成离子交换聚合物膜、由发生电化学反应所需的化学元素例如铂制 成的两个电极、和两个气体扩散层，所述气体扩散层用于确保由双极板的通道网络传送的气体均匀扩散在离子交换膜的整个表面上。因此，由于本发明，对于每个分布板的基本组成材料，可选择具 有足够高的机械性能的导电材料，所述高的机械能够不仅用于使得可 传递燃料电池组件的服役应力，而且用于使分布板可自动制造。这种 自动制造设想通过制造机器人处理，由于这种处理因底板的组成材料 的坚固性而几乎不需要预防措施，因此，自动制造的执行只是较简单 的、较可靠的和更经济的。
权利要求
1.一种用于燃料电池组件的流体分布板(1)，包括由不能被燃料电池组件中使用的所有流体透过的导电材料制成的第一板(11)，所述分布板具有有效部分(S)，所述有效部分(S)是电化学反应所使用的气体分布在上面的表面，所述有效部分(S)被周边部分(P)完全限界，所述第一板在周边部分处具有给定厚度e1，在有效部分处具有较小厚度e2，从而限定出凹部(11v)，柔性石墨箔(11C)施加在所述第一板(11)的所述凹部的整个表面上，柔性石墨箔的可见面具有用于一种流体的分布通道(111)，所述通道完全形成在石墨箔中，使得在有效部分(S)中通道与第一板的表面不接触。
2. 如权利要求1所述的分布板，其特征在于，它具有内面(Hi) 和外面(llo)，所述外面(llo)用于与离子交换膜配合，所述柔性石 墨箔可从面向外面(llo)的一侧看见，所述通道是用于电池消耗的第一 气体的分布通道(111)。
3. 如权利要求1或2所述的分布板，其特征在于，第一板(11)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，第一板由不锈钢制成。
5. 如权利要求3和4中任一所述的分布板，其特征在于，周边部分 (P)的外面(llo)覆盖有耐腐蚀涂层。
6. 如权利要求5所述的分布板，其特征在于，所述耐腐蚀涂层是导 电的。
7. 如权利要求5和6中任一所述的分布板，其特征在于，所述耐腐 蚀涂层也覆盖着所述分布板的边缘(11T)。
8. 如权利要求1至7中任一所述的分布板，其特征在于，柔性石墨 箔(11C)具有稍小于所述凹部的截面(S)的横截面，且柔性石墨箔(11C) 的边缘与周边部分(P)的边缘之间的间隙填充有不能被用于在通道中流 动的流体透过的填充材料(11D)。
9. 如权利要求8所述的分布板，其特征在于，所述填充材料(11D) 是非导电的粘合剂，所述粘合剂还嵌在柔性石墨箔和所述第一板之间的 限于柔性石墨箔G1C)的周边(11E)的表面上、包括流体入口和出口 孔眼的整个周边上。
10. 如权利要求4所述的分布板，其特征在于，所述凹部的底部覆 盖有嵌在第一板和柔性石墨箔之间的薄铜层。
11. 如权利要求1至10中任一所述的分布板，其特征在于，它包括 由导电材料制成的第二分布板(12)，所述第二分布板(12)具有外面(12o)和用于施加到第一板(1)的内面(lli)上的内面(12i)，用 于循环冷却剂的通道(122)设在第二板(12)的内面(12i)上，所述 板经由覆盖第一板和第二板中的每一个板的整个内面的均匀的导电连接 材料层连接起来，以形成双极板(3)。
全文摘要
用于燃料电池组件的流体分布板(1)包括由不能被燃料电池组件中使用的所有流体透过的导电材料制成的第一板(11)，所述分布板具有有效部分(S)，所述有效部分(S)是电化学反应所使用的气体分布在上面的表面，所述有效部分(S)被周边部分(P)完全限界，所述第一板在周边部分处具有给定厚度e<sub>1</sub>，在有效部分处具有较小厚度e<sub>2</sub>，使得从面向外面的一侧形成凹部、和具有平的内表面，柔性石墨箔(11C)施加在所述第一板(11)的所述凹部的整个表面上，柔性石墨箔的可见面具有用于一种流体的分布通道(111)，所述通道完全形成在石墨箔中。
文档编号H01M8/10GK101237053SQ200810002280
公开日2008年8月6日 申请日期2008年1月8日 优先权日2007年1月9日
发明者A·德尔菲诺, D·奥尔索默, F·布其 申请人:米其林技术公司;米其林研究和技术股份公司;保罗·谢尔研究所