专利名称：燃料电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及PEM燃料电池，并且更具体地涉及一种其中需要相 对较小的压降来实现必要流速的分离流场板。
背景技术：
10 燃料电池已经在许多应用中用作能源。例如，已经提议将燃料电池用于电车的动力设备中来代替内燃机。在质子交换膜(PEM)类型 的燃料电池中，氢作为燃料供应到燃料电池的阳极，而氧作为氧化剂 供应到阴极。PEM燃料电池包括膜电极组(MEA),包括薄的透质 子的非导电性固态聚合物电解质膜，其在一面上具有阳极催化剂，而15 反面为阴极催化剂。MEA夹在一对无孔导电元件或板之间，该板(1 ) 作为阳极和阴极的集电器，以及(2)包含形成于其内部用于分配各 阳极和阴极催化剂表面上的燃料电池气态反应物的适当通道和/或开 口 。术语"燃料电池"根据情况通常用来指单个电池或多个电池(堆 20栈)。多个独立的电池通常捆绑在一起形成燃料电池堆栈并且一般配 置成电串联。堆栈内的各电池包括上述的膜电极组(MEA)，并且每 个这种MEA提供其电压增量。雄栈内相邻电池的群组称为蔟。在PEM燃料电池中，氢(H2)是阳极反应物(即，燃料)而氧 是阴极反应物(即，氧化剂)。氧可以是純净形式(02)或空气(02 25 和N2的混合物)。固态聚合物电解质通常由离子交换树脂制成，例如 全氟(perfluoronated)磺酸。阳极/阴极通常包括极细的催化粒子，该催 化粒子经常支撑在碳粒子上，并且与导质子树脂混合。催化粒子通常 是昂贵的贵金属粒子。由于这种MEA的制造成本相对高并且需要特 定的条件来进行有效操作，包括适当的水分管理和湿度以及催化剂污垢成分的控制，例如一氧化石灰(CO)。传统上，夹持MEA的导电板包含用于在各阳极和阴极表面(本 申请中统称为有效区域)分配燃料电池气态反应物(即，气态形式的 氢和氧)的反应物流场。这些反应物流场通常包括多个在其间限定多 5 个流动通道的槽脊，气态反应物经该通道从位于流动通道一端的供应集管(header)流动到位于流动通道相对端的排气集管。对于性能良好的流场的要求可以表现为局部要求和整体要求。局 部要求一般用于有效区域上的每个点，而整体需求用于整个流场设计。为了满足性能良好的流场的局部要求，流场应该(1)输送气体 10 和湿度，(2 )去除废气并且(3 )去除液态水。为了满足性能良好的 流场的整体要求，流场应该(4)在有效区域上的所有点处满足局部 要求，(5)以合理低的总压降满足局部要求，(6)随时间始终满足 局部要求因而产生稳定的流动，并且(7)在所有所需的流动和负荷 条件下满足局部要求。 15 对稳定流动的要求(6)是难以满足的要求。对于这种困难引用了两个原因。首先，很难精确确定何时已经实现了稳定流动，因为存 在多个根据其能够成功完成稳定流动的条件。稳定流动需要恒定地去 除液态水。然而，可以通过多种方式去除水。例如，在某些情况下， 气体速度可能太高，以至于不可能收集液态水。在其它情况下，液态 20 水可以收集并随后出现压力增大，使得液态水移出。在有些情况下， 低气体速度以及无力构建压力产生不利的水去除条件以及不稳定的 气体流动。稳定流动难以实现的第二个原因是为了满足它，必须平衡其它 的流场要求。例如，满足要求(3)和(6)的流场设计方面直接与满 25 足要求(4)和(5)的设计方面竟争。后续三个实例示范了目前设计满足所有要求的流场的难度，包括 建立恒定的水去除所需的两种可能稳定流动条件中的任意一种。在第 一实例中，通过建立高气体速度条件可能实现稳定流动。通过设计具 有高气压梯度的流动路径建立高气体速度条件。然而，对于均匀大小的有效区域，这种设计的后果是总流场压降高到无法接收的的流场。通过这种方式，实现了要求(3) 、 (4)和(6)，而(5)没有得到 满足。在第二实例中，为了减小总压降，可以修改实例1以便获得长度5 更短的更多平行流动路径。然而，在达到可接受的低压降时，气体速 度降低到允许形成液态水的水平。因而，随着建立许多平行流动路径， 不再可能通过压力增大来去除液态水，因为不能形成压力增大。因而， 实现了要求(4)和(5)，而(3)和(6)仍无法满足。在第三实例中，为了便于通过压力增大进行液体去除，可以通过 10 取走某些平行流动路径来修改实例2。然而，如果要保持低的总压降 要求，加到各流动路径以补偿去除的流动路径的长度是有限的。在这 种情况下，可实现所有的要求，除了需要流场覆盖整个有效区域的要 求。具体说来，可实现要求(3)、 (5)和(6),而(4)无法满足。15 发明内容本发明针对一种用于在存在液态水的情况下实现稳定气流以及 用于提高催化剂层内的氧分压以便提升电池性能的流场设计。该流场 设计包括配置在两个偏离平面内的给进歧管和排出歧管。相对较短的 通路从给进歧管延伸到排出歧管并且终结在扩散介质处，以便提供从 20 给进歧管经通路和扩散介质到达排出歧管的流体连通。因而，可以采 用本发明还建立经扩散介质的对流的相互交叉流动，以便提高催化剂 层的氧分压。在一方面中，本发明针对一种具有限定在膜电极组(MEA)和第 一不透气元件之间的第 一歧管的燃料电池，第 一歧管内设置一组间隔 25物。第二歧管限定在第一平面元件和第二不透气元件之间。第一不透 气元件和间隔物具有经其形成的孔口 ，以便建立从第一歧管横越MEA 的反应面到达第二歧管的流动路径。在另一方面中，本发明针对一种燃料电池，具有MEA、与扩散 介质片成间隔关系设置以便在其间限定第 一歧管的第 一隔离片以及设置在第一歧管内得第一组间隔物，第一组间隔物的每一个间隔物具 有与形成于其中的第一歧管横向的孔口。第二隔离片与第一隔离片成 间隔关系设置，以便在其间限定与该孔口横向的第二歧管，并且第二 组间隔物设置在第二歧管内。在第 一歧管和第二歧管之间限定经孔口 5 ^争越MEA反应面的流动路径。在又一方面中，本发明针对一种用于制造燃料电池的隔离板的方 法，其中第一导电片层压在第一膜片上，并且所述第一导电片的一部分A/v第 一膜片上去除，以便第一导电片的剩余部分限定第 一间隔物阵歹lj。经第一间隔物阵列中的各间隔物和第一膜片形成通^^，以建立一10 系列平行的流动路径。第二导电片层压到第二膜片上，并且第二导电片的一部分从第二膜片去除，以使第二导电片的剩余部分限定第二间 隔物阵列。第二间隔物阵列在第 一 间隔物阵列的对面层压到第 一 膜 片，以使第一歧管形成在第一膜片和第二膜片之间。通过下文提供的详细描述，本发明实用性的更多领域显而易见。15应该理解尽管显示了本发明的优选实施例，但详细描述和特定实例倾 向于仅出于说明目的，并不倾向于限制本发明的范围。
通过详细描述和所附附图能够更全面的理解本发明，其中 20 图1是PEM燃料电池堆栈中包括一对互补弹簧封口的燃料电池的等大分解示意图；图2是图1所示的双极板的部分分解透视图；图3A是根据本发明优选实施例的隔离板的排出侧的平面示意图；25 图3B是图3A的隔离板入口侧的平面示意图；图4A是沿线4-4的图3A的隔离板的部分截面示意图； 图4B是显示流动路径的各输送、活性区域以及排出段的图4A的 隔离板的部分截面示意4C是隔离板入口侧的细节；图4D是隔离板排出侧的细节；图5A是根据本发明备选实施例的隔离板入口侧的部分平面示意图；图5B是根据本发明另一备选实施例的隔离板入口侧的部分平面 5 示意图；图6A是经入口集管的双极板的截面示意图；图6B是经排气集管的双极板的截面示意图；以及图7是显示用于根据本发明制造隔离板的步骤的流程图。10具体实施方式
后续的优选实施例描述实质上仅是示范性的，并且决不倾向于限 制本发明及其应用或使用。图1示意性描述具有由无孔导电双极板20彼此分离的膜电极组 (MEA) 14、 16的部分PEM燃料电池堆栈10。 MEA14和16以及双 15极板20在无孔导电双极板22和24之间堆叠到一起。作为多孔、透 气并导电片的流动干扰介质26、 28、 30和32相对MEA14和16的电 极面挤压并作为电极的主集电器。流动干扰介质26、 28、 30和32还 为MEA14和16 4是供机械支撑，特别是在MEA在流场内未通过其它 方式支撑的位置。流动干扰介质26、 28、 30和32进一步提供从入口 20 歧管跨越MEA反应面到达排出歧管的流体传送机构。双极板22和24将主集电器26挤压在MEA14的反应阴极面14c 上并将主集电器32挤压在MEA16的反应阳极面16a上。双极板20 将扩散介质28挤压在MEA14的反应阳极面14a上并将主集电器或扩 散介质30挤压在MEA16的反应阴极面16c上。氧化剂气体(例如氧 25 或空气)从氧或空气源38经适当的供应管件40供应到燃料电池堆栈 10的阴极侧。类似的，燃料(例如氢)从氬源48通过适当的管件50 供应到燃料电池堆栈10的阳极侧。现参照图2、 3A、 3B和4A,更详细地描述才艮据本发明的隔离板 60。隔离板60配置为将一种反应物气体携带到MEA16的各面。应该知道，各双极板20、 22和24包括两个以背对背方位平放的隔离板60 (图5A和5B)。隔离板60包括沿不透气片66配置的第一导电间隔 物或盘64阵列。经间隔物64和片66形成孔口 72。隔离板60还包括 沿不透气片76配置的第二导电间隔物或柱阵列68,如图6A和6B最 5 佳看到的，入口集管80A、 80C将反应物气体从适当的供应管件40、 50连通到隔离板60内。排气集管82A、 82C以将要描述的方式从隔 离板60去除废气。作为目前优选的，第一阵列中的间隔物64是以嵌套阵列设置在 第一片66上的直径为大约0.375"的圆盘，以使邻近行/列内的间隔物10 64的中心相对另一个偏离。经间隔物64形成的孔口 72为大约0.050" (50密耳)。间隔物64以大约每平方英寸6.25个间隔物的密度分布 在第一片66上。作为目前优选的，第二阵列内的柱68也是设置在第 一片66上的直径为大约0.125'，的圓盘，以使四个柱68的子组等角叠 放在由下层间隔物64限定的区域的至少一部分上。柱68以每平方英15寸大约25个柱的密度分布在第一片66上。尽管上述的间隔物64和柱68的配置目前是优选的，但本领域技 术人员应承认根据给定燃料电池应用的规格和搡作参数可以选定燃 料电池内的间隔物和柱的尺寸、形状、密度、分布以及位置。例如， 如图5A中所示的，间隔物64'配置为具有经其形成的孔口 72，的嵌20 套六边形。 一组柱68，配置为三角形，并且六个三角形的子组叠放在 由下层间隔物64，限定的区域的一部分上。在图5B所示的另 一实例中， 间隔物64"配置为具有经其形成的孔口 72，的嵌套正方形。 一组柱68" 配置为正方形，其中四个正方形的子组叠放在由多个下层间隔物64" 限定的区域上。术语"叠放"和"下层"在本申请中以相对条件使用，25并且本领域才支术人员应该承认燃料电池60内相邻部件的次序可以颠 倒。再次参照图2、图3A-图3B、图4A -图4D以及图6A -图6B， 将更详细地描述隔离板60。第一片66的内侧主面84以及第二片76的内侧主面88在其间限定了入口歧管90。入口歧管90和入口集管 80之间的流体连通由形成于框架122内的多个流道92建立。入口歧 管90的高度由柱68的高度限定。排出歧管100限定在第一片66的 外面104和扩散介质30的相邻面108之间。通过这种方式，入口歧 5 管90和排出歧管100作为其全部范围内压力基本恒定的充压元件， 即歧管区域内的压力差非常小。通过直接将该歧管连接到大气实现了 从排出歧管IOO到堆栈外部的流体连通。换句话说，歧管100沿其周 边完全开放到大气。排出歧管100的高度由盘64的高度限定。作为 目前优选的，入口集管80沿隔离板60的一个边际形成。除了存在歧10 管IOO到大气的直接连接，不存在排气集管。然而，本领域技术人员 应该承认可以以任何适当的方式配置入口集管和排气集管，以便提供 反应物气体进入和排出流场的流体连通。导电连接器IIO设置为通过经第一片66、柱68和第二片76形成 的通道112。连接器IIO对准成将柱68与对应的盘64电连接。15 连接器110提供从扩散介质30到第二片76的外侧面116的电连续性，由此允许携带电流跨越整个隔离板60的厚度并因而跨越整个 燃料电池堆栈IO。连接器IIO可以包括通道，这些通道具有例如完全 设置于其中或者作为备选方案的设置在其内周壁上的导电材料。例 如，这些导电材料可以包括石墨。20 接着参考图4B-图4D以及6A-6B，将描述隔离板60的操作。反应物气体的流动路径的特征在于三个独特的流动部分，也就是输送 段(D)、有效区域段(A)以及排出段(E)。在输送段(D)的过 程中，反应物气体在入口集管80进入隔离板60并流经入口歧管90。 反应物气体在各柱68周围相对自由的流动，(即，没有明显的压降25 并没有预定的路径)并且包含在由框架122的内部边缘120限定的入 口歧管90内的^黄向边界内(图3)。从入口歧管90,反应物气体导 引通过盘64和第一片66的各孔口 72。有效区域段(A)设计为具有可控压降。因为有效区域段(A)几乎占据流动路径的所有压降，它包括具有可极好控制的渗透性、长 度和截面区域的流动干扰介质。流动干扰介质具有相对入口/出口歧管90、 100内的空间更低的渗透性，以便保证有效区域段(A)的压降 明显高于输送段(D)和排出段(E)。在有效区域段(A)过程中， 5反应物气体从通过MEA的面(未图示)孑L口 72流过流动干扰介质 30并在间隔物64的外边界126流出流动干扰介质30。如图2和图4D所示，有效区域l殳(A)从与间隔物64的表面相 邻的孔口 72成放射状。与槽形或一维流场相比，通过这种方式，提 供了能够在MEA的反应面上形成差异流动分布的平面或二维流场。10 间隔物64的尺度确定流动路径(A)的长度。间隔物64的数量确定 平行路径的数量。因而，平面流场类似于相互交叉的通道流场，但对 更少影响到水流阻挡，因为并不限制反应物气体在通道的一维方向内 流动。这种类相互交叉的流场是有利的，因为通过对流而不是扩散携 带氧通过主集电器，允许明显更低的质量输运损失。15 由扩散介质厚度增加的间隔物64的周边确定流动路径(A)的截面积。扩散介质的渗透性确定流动路径的渗透性。因而，这些参数确 定有效区域段(A)的压力梯度和总压降，这取决于有效区域上平行 路径的数量。各平行通道上所获得的平均流动分布的程度由这些参数 所能保持的公差确定。因而，与扩散介质渗透性差异相比，尺寸偏差20 (半径和厚度)最有可能小，扩散介质的渗透性确定流动如何平均分 布。本发明流场对于去除水非常有效，因而压降集中在相对短的有效 区域段上。结果，这部分流动路径内的气体速度非常高，使得液态水 在远离MEA的速度方向上强有力地移动并进入将其从燃料电池排出 的排出歧管内。25 现在回到图4B和图4D,从反应物流在间隔物64的边缘126离开流动干扰介质30的点到气流经排气集管82流出隔离板60的点限 定排出路径(E)。排气流相对自由地(即，没有明显的压降或预定 路径)通过间隔物64的外边界126周围，并包含在框架或封口 130内(图2)。现在转向图6A和图6B,两个如本申请所描述的隔离板60以背 对背结构配置并形成双极板20。应该知道，如图4A中所表示的第二 片76在配置在双极板20内时可以包括单个片。为了清楚其见，第二 5 隔离板显示为具有类似元件并且由200递增的数字所表示。在所示的 结构中，隔离板60配置为输送阴极反应物到流动干扰介质30。并且 隔离板260配置为输送阳极反应物到流动干扰介质28。电连接器110 与互补电连接器210对准，以便在相邻MEA14和16之间提供电连通。 现在参考图7 ，在一般为附图标记300的流程图中以图解方式展10 示了制造隔离板60的方法。使用柔性电路材料以及制造技术完成流 场的结构。在步骤302中，第一片导电材料层压到不透气聚合物薄膜， 例如聚酰亚胺薄膜上。例如，导电材料优选是厚度为0.010" ( 10密耳) 的不锈钢。聚酰亚胺薄膜优选为0.002" (2密耳)厚的材料片。适当 的聚酰亚胺薄膜包括由E丄DuPont公司制造KaptoiA在步骤304中，15 导电材料蚀刻成所需要的图案，例如盘阵列。蚀刻之后，盘阵列优选 从聚酰亚胺延伸0.010"。在步骤306中，在盘内形成通路。通路可通过任何适当的技术形 成，例如蚀刻。在步骤308中，第二片导电材料层压到第二片不透气 聚合物薄膜上。作为目前优选的，第二片导电材料0.010" ( 10密耳)20的不锈钢并且第二片聚合物薄膜是0.002" ( 2密耳)的Kaptoi^薄膜。 在步骤312中，蚀刻导电层以便与相对盘所描述的类似方式形成柱。 在步骤318中，第二片聚酰亚胺薄膜的柱侧层压到第一片聚酰亚胺薄 膜与盘相反的表面上。在第一和第二聚酰亚胺片之间所产生的空间限 定了输送路径或入口歧管。在步骤324中，通路合成到隔离板内并经25第二片聚酰亚胺、经各柱并经第一片聚酰亚胺延伸。在步骤330中，经过通路设置导电材料，以形成导电路径。导电的周壁形成。导电路径允许在整个流场上以及在相邻隔离板和最终作为整体的燃料电池堆栈之间携带电流。本领域技术人员现在能够从上面的描述中知道可以以各种形式时间本领域的广泛教导。例如，在隔离板60上所示的间隔物64的数量确定平行流动路径的数量并且可以配置有更少或更多的盘。作为备5 选方案，间隔物64的几何构型可以包括其它形状，例如矩形、三角 形或梯形。此外，限定入口歧管90高度的柱68可以包括上述备选形 状。另外，尽管显示了四个柱68配合单个间隔物64，但可以类似采 用其它比例。因而，尽管结合其特定实例描述了本发明，但本发明的 真实范围并不受此限制，因为对于本领域技术人员在学习附图、说明 10书以及后续权利要求后，其它的修改显而易见。
权利要求
1.一种燃料电池，包括具有反应面的膜电极组；与所述反应面相邻的平面歧管；插入所述平面歧管和所述膜电极组之间以便在所述反应面上提供差异流动分布的平面流场。
2. 如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于所述平面流场包 括流动干扰介质。
3.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于进一步包括定位成处于间隔关系以便在其间限定所述平面歧管的 一对不透气片。
4. 如权利要求3所述的燃料电池，其特征在于进一步包括在所 述一对不透气片之间设置在所述平面歧管内的多个间隔物。
5. 如权利要求4所述的燃料电池，其特征在于所述多个间隔物 15 包括嵌套的间隔物阵列。
6. 如权利要求3所述的燃料电池，其特征在于所述平面歧管包 括与所述膜电极组相邻设置的排出歧管部分和与所述排出歧管部分 相邻的入口歧管部分。
7. 如权利要求3所述的燃料电池，其特征在于进一步包括定位 20 成间隔关系以便在其间限定所述入口歧管部分的第 一 不透气片和第二不透气片，所述膜电极组和所述第二不透气片定位成间隔关系以限 定所述排出歧管部分。
8. 如权利要求7所述的燃料电池，其特征在于进一步包括设置 在所述排出歧管部分内的多个间隔物。
9.如权利要求8所述的燃料电池，其特征在于各所述多个间隔平面流场之间^是供流体连通的通路。
10.如权利要求9所述的燃料电池，其特征在于所述多个间隔物包括嵌套的间隔物阵列。
11.如权利要求8所述的燃料电池，其特征在于进一步包括在所述平面入口歧管内设置在所述第一不透气片和所述第二不透气片 之间的多个第二间隔物。
全文摘要
本发明针对一种燃料电池，其包括具有反应面的膜电极组；与所述反应面相邻的平面歧管；以及插入所述平面歧管和所述膜电极组之间以便在所述反应面上提供差异流动分布的平面流场。相对较短的通路从给进歧管经排出歧管延伸并终止在膜电极组(MEA)的反应面，以便提供从给进歧管经通路并跨越MEA的反应面到达排出歧管的差异流动分布。
文档编号H01M8/24GK101335361SQ20081012720
公开日2008年12月31日 申请日期2004年12月3日 优先权日2004年1月16日
发明者L·J·迪皮特罗, M·W·默菲, 顾文斌 申请人:通用汽车公司