专利名称：用于燃料电池堆的双极板的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池系统，更具体地，涉及燃料电池堆的双极板。
背景技术：
燃料电池已经作为一种用于电动车辆和各种其它应用的清洁、高效和环保的能源提出。燃料电池的一个示例是质子交换膜(PEM)燃料电池。PEM燃料电池包括膜电极组件(MEA)，膜电极组件通常包括薄的固态聚合物膜电解质，所述膜电解质的两个表面上具有催化剂和电极。 MEA通常包括多孔导电材料，也称为气体扩散介质，所述多孔导电材料将反应物分配在电极层的表面上。燃料(例如氢气)在阳极处引入，其中，它在存在催化剂的情况下发生电化学反应以产生电子和氢阳离子。电子从阳极通过设置在阳极和阴极之间的电路引导到阴极。同时，氢阳离子穿过电解质到达阴极，在阴极处，氧化剂(例如，氧气或空气)在存在电解质和催化剂的情况下发生电化学反应以产生氧阴离子。氧阴离子与氢阳离子反应形成水作为反应产物。 MEA通常设置在一对导电接触元件或双极板之间以形成单个PEM燃料电池。双极
板用作阳极和阴极的电流集电器，且具有在其中形成的适当的流动通道和开口，以将燃料
电池的气体反应物(即，H2和02/空气)分配在相应电极的表面上。双极板可用于多种附
加目的，例如提供机械支撑以承受用于将燃料电池堆保持在一起而施加的压縮力，并提供
了去除例如由燃料电池中发生的放热燃料电池反应产生的过多的热量的手段。 燃料电池的重要度量是其容积功率密度。对于燃料电池的车辆应用而言期望高的
容积功率密度。容积功率密度测量为单个燃料电池的每cm2的瓦特密度乘以每线性厘米燃
料电池堆高度的燃料电池数。因而，期望设计薄的燃料电池以实现高的容积功率密度。容
积功率密度通常是燃料电池部件的物理设计和双极板的设计的函数。现有技术中，双极板
的设计受到大范围的许多因素驱使，例如，燃料电池化学属性、反应物流配置、材料选择、系
统增压、操作温度和系统冷却需求。 因此，需要制造一种在高电流密度时最小化质量传输阻力的双极板，尤其是在燃料电池的阴极侧上。期望地，双极板也实现最小的材料成本、优化的冷却剂使用以及较简单的制造，同时最大化容积功率密度。
发明内容
根据本发明，令人惊奇地发现一种双极板，所述双极板在高电流密度时最小化质量传输阻力，从而实现减小的材料成本、优化的冷却剂使用以及较简单的制造，同时保持高的容积功率密度。 在一个实施例中，一种用于燃料电池的双极板，包括第一板，所述第一板适合于将反应物气体分配到膜电极组件的阴极表面，其中，所述第一板由多孔材料制成；第二板，所述第二板适合于将反应物气体分配到膜电极组件的阳极表面；和第三板，所述第三板设置在所述第一板和所述第二板之间。 在另一个实施例中，一种用于燃料电池的双极板，包括第一板，所述第一板适合于邻接扩散介质并将反应物气体分配到膜电极组件的阴极表面，其中，所述第一板由多孔材料制成；第二板，所述第二板包括多个脊台(land)，所述脊台中的至少一个适合于邻接扩散介质，从而在它们之间形成通道，其中，所述通道将反应物气体分配到膜电极组件的阳极表面；和第三板，所述第三板设置在所述第一板和所述第二板之间，所述第三板适合于邻接第二板的脊台中的至少一个，从而在它们之间形成通道，其中，所述通道允许流体流过以辅助燃料电池的热调节。 在另一个实施例中，一种燃料电池堆，包括具有膜电极组件的至少一个燃料电
池，所述膜电极组件具有阳极表面和阴极表面，所述膜电极组件设置在一对双极板之间，每
个双极板包括第一板，所述第一板适合于将反应物气体分配到阴极表面；第二板，所述第
二板适合于将反应物气体分配到阳极表面；和第三板，所述第三板设置在所述第一板和所
述第二板之间，其中，所述第一板由多孔材料制成以最小化阴极质量传输阻力。 —种用于燃料电池的双极板，包括第一板，所述第一板适合于将反应物气体分配
到膜电极组件的阴极表面，其中，所述第一板由多孔材料制成；第二板，所述第二板适合于
将反应物气体分配到膜电极组件的阳极表面；和第三板，所述第三板设置在所述第一板和
所述第二板之间。 所述第一板的多孔材料是多孔金属材料、多孔碳基材料和微桁架材料中的至少一种。 所述第一板的多孔材料是多层多孔材料。所述第一板的厚度为约0. 25mm至约1. 0mm。 所述第二板由金属材料和非金属材料中的至少一种制成。 所述第二板是基本不透流体的、导电的、导热的、和抗腐蚀的材料中的至少一种。所述第二板的厚度为约0. 05mm至约0. lmm。 所述第二板适合于允许流体流过以辅助燃料电池的热调节。 所述第三板由金属材料和非金属材料中的至少一种制成。 所述第三板是基本不透流体的、导电的、导热的、和抗腐蚀的材料中的至少一种。所述第三板的厚度为约0. 02mm至约0. lmm。 所述第三板适合于允许流体流过以辅助燃料电池的热调节。 —种用于燃料电池的双极板，包括第一板，所述第一板适合于邻接扩散介质并将反应物气体分配到膜电极组件的阴极表面，其中，所述第一板由多孔材料制成；第二板，所述第二板包括多个脊台，所述脊台中的至少一个适合于邻接扩散介质，从而在它们之间形成通道，其中，所述通道将反应物气体分配到膜电极组件的阳极表面；和第三板，所述第三板设置在所述第一板和所述第二板之间，所述第三板适合于邻接第二板的脊台中的至少一个，从而在它们之间形成通道，其中，所述通道允许流体流过以辅助燃料电池的热调节。
所述第一板的多孔材料是多孔金属材料、多孔碳基材料和微桁架材料中的至少一种。 所述第一板的多孔材料是多层多孔材料。 所述第二板和所述第三板中的至少一个由金属材料和非金属材料中的至少一种
4制成。 —种燃料电池堆，包括具有膜电极组件的至少一个燃料电池，所述膜电极组件具有阳极表面和阴极表面，所述膜电极组件设置在一对双极板之间，每个双极板包括第一板，所述第一板适合于将反应物气体分配到阴极表面；第二板，所述第二板适合于将反应物气体分配到阳极表面；和第三板，所述第三板设置在所述第一板和所述第二板之间，其中，所述第一板由多孔材料制成以最小化阴极质量传输阻力。 所述第一板的多孔材料是多孔金属材料、多孔碳基材料、微桁架材料和多孔多层材料中的至少一种。 所述第二板和所述第三板中的至少一个由金属材料和非金属材料中的至少一种制成。 所述第二板和所述第三板中的至少一个适合于允许流体流过以辅助燃料电池的热调节。
本发明的上述以及其它优点对本领域技术人员来说从将从以下详细说明尤其是结合本文所述的附图显而易见。 图1示出了 PEM燃料电池堆(仅示出两个燃料电池)的示意性分解透视 图2是图1所示的燃料电池堆的局部截面图；禾口 图3是用于制造图2的圆3内所示的燃料电池堆的双极板的多孔材料的放大图。
具体实施例方式
以下说明本质上仅仅是示例性的且不旨在限制本发明、应用或使用。还应当理解的是，在整个附图中，相应的附图标记指代相同或相应的部件和特征。 为了简单起见，仅仅两个电池的燃料电池堆(即，一个双极板)被示出和在下文描
述，应当理解的是，典型的燃料电池堆将具有更多这样的电池和双极板。 图1示出了具有一对膜电极组件(MEA) 4、6的两个电池的PEM燃料电池堆2，膜电
极组件4、6通过导电流体分配元件8 (下文称为双极板8)彼此分开。MEA 4、6和双极板8
在端部元件10、 12以及端板14、 16之间堆叠在一起。端板14、 16适合于将燃料(例如H2)
和氧化剂气体(例如，02)例如分配到MEA 4、6。不导电密封垫26、28、30、32在燃料电池堆
2的部件之间提供密封和电绝缘。 多孔导电扩散介质(DM)34、36、38、40邻接MEA 4、6的电极表面。这种DM34、36、38、40可由便于反应物扩散到电极表面上且因此扩散到面对电极的膜上的材料制成，例如编织石墨、石墨化片材和碳纸。端板14、16分别抵靠匿34、40压縮。双极板8在MEA4的阳极表面上邻接DM36，且配置成接收具有氢的反应物。双极板8在MEA6的阴极表面上邻接DM38，且配置成接收具有氧的反应物。具有氧的反应物通过合适的供应管道42从氧气源46供应给燃料电池堆2的阴极侧，而具有氢的反应物通过合适的供应管道44从氢气源48供应给燃料电池堆2的阳极侧。替代地，例如，环境空气可作为具有氧的反应物供应给阴极侧，且氢可以从甲醇或汽油重整器等供应给阳极侧。还设置用于MEA4、6的阳极侧和阴极侧的排出管道(未示出)。设置额外的管道50、 52、 54用于将冷却剂供应到双极板8和端板14、 16 。还设置用于将冷却剂从双极板8和端板14、 16排出的合适管道(未示出)。 图2示出了根据本发明一个实施例的两个电池的燃料电池堆2的截面图。MEA 4、
6包括夹在阴极56和阳极57之间的质子交换膜(PEM) 55。阴极56和阳极57典型地包括
多孔导电材料，催化剂颗粒分布在多孔导电材料中以利于阴极56中的氧气和阳极57中的
氢气的电化学反应。 如图所示，MEA 4、6分别在双极板8和端板14、 16之间堆叠在一起。双极板8包括第一外部片材或单极板58、第二外部片材或单极板60、以及设置在单极板58、60之间的内部间隔片材或分隔板62。典型地，单极板58、60和分隔板62例如通过粘结剂结合在一起以形成组装的双极板8。结合可例如通过钎焊、扩散结合、激光焊接或用导电粘结剂粘结来实现，这是本领域熟知的。合适的粘合剂是本领域技术人员已知的且可以根据需要选择。
在图2和3所示的实施例中，单极板58由多孔材料制成，例如金属泡沫(例如，镍泡沫和不锈钢泡沫)、碳基泡沫(例如，石墨泡沫)和微桁架材料。这种泡沫的供应商例如是Ultramet， Platingtech， Mitsubishi Materials Corporation, Siping AKS MetalMaterial TechnologyCorporation, Sumitomo Electric Industries, Ltd.，以及Porvairplc。形成具有有序微桁架结构的一种方法和系统在Jacobsen的美国专利No. 7， 382， 959中公开，所述专利全部内容通过参考引入本文。应当理解的是，微桁架材料可以根据需要通过任何方法和系统制成。还应当理解的是，如果需要，微桁架材料可以是金属化、碳化和陶瓷化中的至少一种。还应当认识到，多孔材料可以设置成具有适合于单极板58的任何厚度、孔隙率和孔径尺寸。作为非限制性示例，单极板58厚为约0. 25mm至约1. 0mm。单极板58的内表面64适合于邻接分隔板62。单极板58的外表面66适合于邻接匿38。如图所示，与典型的流动通道配置相比，单极板58的多孔材料允许反应物气体接触MEA6的阴极表面的实质部分。因而，最小化阴极质量传输阻力。在1.5A/cn^时，典型流动通道配置的估计阴极质量传输阻力是60mV。在非限制性示例中，单极板58的多孔材料引起阴极质量传输阻力减小大约百分之三十三(33%)或者额外的20mV。在另一个非限制性示例中，当最大功率和最大电流保持恒定时，燃料电池堆2的总有效面积减少约百分之三(3% )，冷却需求减少约百分之六(6% )，氢消耗减少约百分之三(3% )。在另一个非限制性示例中，当冷却需求和最大功率保持恒定且最大电流增加时，燃料电池堆2中使用的阴极56和匿38可以具有比典型燃料电池堆中的阴极和DM少大约百分之十至百分之十五(10%-15%)的表面面积。虽然单极板58具有约10 ii m至约1500 y m的孔径尺寸，但是应当理解的是，单极板58可以根据需要具有任何孔径尺寸。还应当认识到，单极板58的多孔材料的孔径尺寸可以影响匿38的厚度(即，多孔材料的孔径尺寸越小，在燃料电池堆2中可以采用的匿38越薄或者消除DM38)。期望用于制造单极板58的多孔材料具有足以与分隔板62的可能粗糙度相符的可变形性和弹性、与分隔板62之间的可忽略的接触电阻、以及足以驱散所产生的热能的导热率。应当理解的是，单极板58的多孔材料可以具有各种其它物理特性，例如亲水性和可渗透性。还应当理解的是，如果需要，具有上述特性的多层多孔材料可以用于制造单极板58。 单极板60是基本不透流体的、导电和导热的、以及抗腐蚀的片材。单极板60可以从金属材料和非金属材料中的至少一种制造，例如，不锈钢材料、铝材料、钛材料、石墨材料和复合材料。可以采用用于形成单极板60的任何常规方法，例如压制、辊轧成型、压力成型和电磁成型。应当认识到，形成单极板60的材料和方法可以影响单极板60的可成形性。作 为非限制性示例，单极板60厚为约0. 05mm至约0. lmm。然而，应当理解的是，单极板60可 根据需要具有任何厚度。 单极板60的内表面68包括多个脊台69。脊台69适合于邻接匿36以在它们之 间限定多个大致平行的隔开的通道70。通道70配置用于在燃料电池堆2的操作期间反应 物气体从中流过。单极板60的外表面72也包括多个脊台73。脊台73适合于邻接分隔板 62以在它们之间限定多个大致平行的隔开的通道74。通道74配置用于在燃料电池堆2的 操作期间流体(例如冷却剂)从中流过且辅助其热调节。与典型流动通道配置相比，通道 74适合于允许流体流更靠近反应位置且没有无流动容积。因此，与典型燃料电池堆相比， 燃料电池堆2中允许更高的流体温度和更低的流体容积。单极板60的可成形性允许通道 70的半径Rl、 R2和通道74的半径根据需要形成。在所示实施例中，半径Rl、 R2形成为允 许在单极板60和匿36之间限定比典型流动通道配置更窄的通道70，从而防止阳极压力的 降低。 分隔板62是基本不透流体的、导电和导热的、以及抗腐蚀的片材。分隔板62可以 从金属材料和非金属材料中的至少一种制造，例如，不锈钢材料、铝材料、钛材料、石墨材料 和复合材料。可以采用用于形成分隔板62的任何常规方法，例如压制、辊轧成型、压力成型 和电磁成型。作为非限制性示例，分隔板62厚为约0.02mm至约0. lmm。然而，应当理解的 是，分隔板62可根据需要具有任何厚度。如图所示，分隔板62是大致平面的，但是应当理 解的是，分隔板62可根据需要包括孔和非平面特征，例如凹部、通道、肋部等。分隔板62还 可以适合于允许流体(例如，冷却剂)从中流过且辅助燃料电池堆2的热调节。
在所示实施例中，端板14包括分隔板80和单极板82。典型地，板80、82例如通过 粘结剂结合在一起，以形成组装的端板14。结合可例如通过钎焊、扩散结合、激光焊接或用 导电粘结剂粘结来实现，这是本领域熟知的。合适的粘合剂是本领域技术人员已知的且可 以根据需要选择。 分隔板80是基本不透流体的、导电和导热的、以及抗腐蚀的片材。分隔板80可以 从金属材料和非金属材料中的至少一种制造，例如，不锈钢材料、铝材料、钛材料、石墨材料 和复合材料。可以采用用于形成分隔板80的任何常规方法，例如压制、辊轧成型、压力成型 和电磁成型。作为非限制性示例，分隔板80厚为约0.02mm至约0. lmm。然而，应当理解的 是，分隔板80可根据需要具有任何厚度。如图所示，分隔板80是大致平面的，但是应当理 解的是，分隔板80可根据需要包括孔和非平面特征，例如凹部、通道、肋部等。分隔板80还 可以适合于允许流体(例如，冷却剂)从中流过且辅助燃料电池堆2的热调节。
在所示的实施例中，单极板82由多孔材料制成，例如金属泡沫(例如，镍泡沫和不 锈钢泡沫)、碳基泡沫(例如，石墨泡沫)和微桁架材料。应当理解的是，微桁架材料可以根 据需要通过任何方法和系统制成。还应当理解的是，如果需要，微桁架材料可以是金属化、 碳化和陶瓷化中的至少一种。还应当认识到，多孔材料可以设置成具有适合于单极板82的 任何厚度、孔隙率和孔径尺寸。作为非限制性示例，单极板82厚为约0.25mm至约1. Omm。 单极板82的内表面84适合于邻接匿34。单极板82的外表面86适合于邻接分隔板80。如 图所示，与典型的流动通道配置相比，单极板82的多孔材料允许反应物气体接触MEA4的阴 极表面的实质部分。因而，最小化阴极质量传输阻力。在1.5A/cn^时，典型流动通道配置的估计阴极质量传输阻力是60mV。在非限制性示例中，单极板82的多孔材料引起阴极质量传 输阻力减少大约百分之三十三(33%)或者额外的20mV。在另一个非限制性示例中，当最 大功率和最大电流保持恒定时，燃料电池堆2的总有效面积减少约百分之三(3% )，冷却需 求减少约百分之六(6% )，氢消耗减少约百分之三(3% )。在另一个非限制性示例中，当冷 却需求和最大功率保持恒定且最大电流增加时，燃料电池堆2中使用的阴极56和匿38可 以具有比典型燃料电池堆中的阴极和mi少大约百分之十至百分之十五(10%-15%)的表 面面积。虽然单极板82具有约10iim至约1500iim的孔径尺寸，但是应当理解的是，单极 板82可以根据需要具有任何孔径尺寸。还应当认识到，单极板82的多孔材料的孔径尺寸 可以影响匿34的厚度(S卩，多孔材料的孔径尺寸越小，在燃料电池堆2中可以采用的匿34 越薄或者消除DM34)。期望用于制造单极板82的多孔材料具有足以与分隔板80的可能粗 糙度相符的可变形性和弹性、与分隔板80之间的可忽略的接触电阻、以及足以驱散所产生 的热能的导热率。应当理解的是，单极板82的多孔材料可以具有各种其它物理特性，例如 亲水性和可渗透性。还应当理解的是，如果需要，具有上述特性的多层多孔材料可以用于制 造单极板82。 在所示实施例中，端板16包括单极板90和分隔板92。单极板90是基本不透流体 的、导电和导热的、以及抗腐蚀的片材。单极板90可以从金属材料和非金属材料中的至少 一种制造，例如，不锈钢材料、铝材料、钛材料、石墨材料和复合材料。可以采用用于形成单 极板90的任何常规方法，例如压制、辊轧成型、压力成型和电磁成型。应当认识到，形成单 极板90的材料和方法可以影响单极板90的可成形性。作为非限制性示例，单极板90厚为 约0. 05mm至约0. lmm。然而，应当理解的是，单极板90可根据需要具有任何厚度。
单极板90的内表面94包括多个脊台96。脊台96适合于邻接匿40以在它们之 间限定多个大致平行的隔开的通道98。通道98配置成用于在燃料电池堆2的操作期间反 应物气体从中流过。单极板90的外表面100也包括多个脊台102。脊台102适合于邻接 分隔板92以在它们之间限定多个大致平行的隔开的通道104。通道104配置成用于在燃 料电池堆2的操作期间流体(例如冷却剂)从中流过且辅助热调节。与典型流动通道配置 相比，通道104适合于允许流体流更靠近反应位置且没有无流动容积。因此，与典型燃料电 池堆相比，燃料电池堆2中允许更高的流体温度和更低的流体容积。单极板90的可成形性 允许通道98的半径R3、R4和通道104的半径根据需要形成。在所示实施例中，半径R3、R4 形成为允许在单极板90和匿40之间限定比典型流动通道配置更窄的通道98，从而防止阳 极压力的降低。 通道74、104紧邻相应MEA 4、6的阳极57，单极板58、82的多孔材料具有相对小的 导热率，上述特性的结合导致MEA 4、6的阳极表面上的较陡的热梯度。因此，MEA 4、6的阳 极57比具有典型流动通道配置的燃料电池的阳极更冷。MEA 4、6的较冷阳极57使得水从 MEA 4、6的阴极56朝MEA 4、6的阳极57驱动，从而抵抗渗透拉拽力(osmotic drag)。因 此，最大化MEA 4、6的离子传导性以及燃料电池堆2的液体水管理，同时最小化燃料电池堆 2的外部润湿需求。 分隔板92是基本不透流体的、导电和导热的、以及抗腐蚀的片材。分隔板92可以 从金属材料和非金属材料中的至少一种制造，例如，不锈钢材料、铝材料、钛材料、石墨材料 和复合材料。可以采用用于形成分隔板92的任何常规方法，例如压制、辊轧成型、压力成型和电磁成型。作为非限制性示例，分隔板92厚为约0. 02mm至约0. lmm。然而，应当理解的 是，分隔板92可根据需要具有任何厚度。如图所示，分隔板92是大致平面的，但是应当理 解的是，分隔板92可根据需要包括孔和非平面特征，例如凹部、通道、肋部等。分隔板92还 可以适合于允许流体(例如，冷却剂)从中流过且辅助燃料电池堆2的热调节。
操作中，本发明的双极板8可以用于燃料电池堆2中。这种燃料电池堆2可以用于 例如操作车辆的动力系统中。在作为燃料电池堆2的一部分操作时，单极板58、82提供反 应物气体在MEA 4、6的阴极56的活性表面上的基本均匀的分配。反应物气体消除了阴极 56中的液体水滞留。具体地，反应物气体的压力促使由燃料电池电化学反应产生的以及来 自外部润湿的水分通过单极板58、82的多孔材料的孔。滞留的液体水可能降低燃料电池堆 2的总体效率并可导致燃料电池堆2的故障。抑制了液体水滞留导致了 MEA 4、6中的碳催 化剂载体的腐蚀的发生减少。借助于本发明也最大化了在寒冷条件下操作期间燃料电池堆 2的冻结容量。应当理解的是，最小化高电流密度时的阴极质量传输阻力同时保持高的容积 效率，会相对于具有典型流动通道配置的燃料电池堆改进燃料电池堆2的性能。具体地，最 小化阴极质量传输阻力等同于较高的燃料电池电压，从而导致较低的燃料电池堆2的冷却 需求、燃料电池堆2中的较少燃料电池、燃料电池堆2的较高效率和较低成本。
虽然为了说明本发明已经示出了某些代表性实施例和细节，但是本领域技术人员 将理解，在不偏离由所附权利要求进一步描述的本发明的范围的情况下可作出各种变化。
权利要求
一种用于燃料电池的双极板，包括第一板，所述第一板适合于将反应物气体分配到膜电极组件的阴极表面，其中，所述第一板由多孔材料制成；第二板，所述第二板适合于将反应物气体分配到膜电极组件的阳极表面；和第三板，所述第三板设置在所述第一板和所述第二板之间。
2. 根据权利要求1所述的双极板，其中，所述第一板的多孔材料是多孔金属材料、多孔 碳基材料和微桁架材料中的至少一种。
3. 根据权利要求1所述的双极板，其中，所述第一板的多孔材料是多层多孔材料。
4. 根据权利要求1所述的双极板，其中，所述第一板的厚度为约0. 25mm至约1. 0mm。
5. 根据权利要求1所述的双极板，其中，所述第二板由金属材料和非金属材料中的至 少一种制成。
6. 根据权利要求1所述的双极板，其中，所述第二板是基本不透流体的、导电的、导热 的、和抗腐蚀的材料中的至少一种。
7. 根据权利要求1所述的双极板，其中，所述第二板的厚度为约0. 05mm至约0. lmm。
8. 根据权利要求1所述的双极板，其中，所述第二板适合于允许流体流过以辅助燃料 电池的热调节。
9. 根据权利要求1所述的双极板，其中，所述第三板由金属材料和非金属材料中的至 少一种制成。
10. 根据权利要求1所述的双极板，其中，所述第三板是基本不透流体的、导电的、导热 的、和抗腐蚀的材料中的至少一种。
全文摘要
本发明涉及用于燃料电池堆的双极板。提供一种用于燃料电池的双极板，包括一对单极板，所述单极板之间设置有分隔板。所述单极板之一由多孔材料制成，以最小化高电流密度时的阴极传输阻力。还提供包括燃料电池和双极板的燃料电池堆。
文档编号H01M4/86GK101789508SQ201010002158
公开日2010年7月28日 申请日期2010年1月13日 优先权日2009年1月13日
发明者D·A·马斯滕, E·J·康诺尔, G·W·弗利, J·C·法利, W·古, Y·-H·赖 申请人:通用汽车环球科技运作公司