CN100367555C - 质子交换膜燃料电池堆中双极板的连接 - Google Patents

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Abstract

一种用于质子交换膜燃料电池堆的双极板组件有利地连接导电板表面，而不需要焊接或者钎焊该板对。每块板具有形成在内部衬面上的交替的冷却剂通道和凸台。导电层至少沉积在冷却剂通道和凸台上。对准多对板使具有面对的导电层。流体密封件设置在围绕冷却剂通道周边的该内部衬面之间。压缩每块板对以在周边密封件内相邻的凸台之间形成多个电粘结层。周边密封件防止电池堆反应气体氧发生接触并氧化导电层。还可以使用绝缘冷却剂以减少对导电层的氧化。

Description

质子交换膜燃料电池堆中双极板的连接
技术领域
本发明主要涉及燃料电池堆，更具体地涉及一种用于质子交换膜燃料电池堆的双极板结构的装置和方法。
背景技术
质子交换膜(PEM)燃料电池堆一般被构造具有多个呈堆叠构型的燃料电池部件。燃料电池部件一般包括由双极板隔开的一对PEM部件。双极板一般被构造具有通过粘合密封、钎焊和焊接而连接在一起的一对板。
双极板一般被构造具有上板和下板。上板和下板都包括形成在两块板的外衬面上的多条反应气体通道或者沟槽。多条冷却剂通道或者部分冷却剂通道成形在双极板的内衬面上。当这两块板成对连接在一起时，就形成了完整的冷却剂通道。每条冷却剂通道一般由多个凸台分隔开。电流从每个双极板组件中导出；由此形成双极板组件的每对板都形成机械和电连接是有必要的。
已公知用导电金属涂覆每一接口面(包括该冷却剂通道)。金已被用于这一目的。由此，这两块板可以被对接，具有跨过相互连接以电连接双极板组件的多个凸台的镀金表面。使用金作为涂镀材料的缺点是涂镀所需的厚度以及金的成本。镀金层厚度为大约25μm。如果仅仅使用压力来连接该板对以形成双极板组件，那么燃料电池堆的成本将由于金的成本，以及为提供凸台与凸台间的足够的接触表面所需的镀金材料的厚度而增加。注意到的是，在典型PEM燃料电池堆中使用的反应剂(加湿空气)和冷却剂可能会对用于涂镀该板对的金属表面的涂镀材料产生有害的影响。
未涂覆的金属板也可以用于形成双极板组件。直接对接未涂覆的金属板对形成双极板组件的缺点是在进行连接之前在该板对中的每块板的表面上很快地形成氧化层，其在以后阻碍了连接的板对之间的导电性。
因此所希望的是提供一种双极板组件，其可以减少与使用金作为涂镀材料相关的成本，并解决反应气体和冷却剂同与双极板组件的板对之间的冷却剂通道相邻的涂镀表面相接触而存在的潜在问题。
发明内容
根据本发明的一个优选实施例，提供了一种用于质子交换膜(PEM)燃料电池堆的双极板组件。该双极板组件包括具有板衬面的板对。每个衬面包括内部和周围外部。每一内部上形成有多个交替的冷却剂沟槽和冷却剂凸台。导电层至少被沉积在每一内部的冷却剂凸台上。衬面被连接在一起，以在相应面连接的凸台之间形成多个电粘合层，以及在相应面连接的冷却剂沟槽之间形成多条冷却剂通道。在衬面的内部和周围外部之间设置流体密封，该流体密封外接限定每个内部。
在一个优选实施例中，银被镀在每块板内部的整个表面上以形成导电层。也可以仅仅在冷却剂凸台上镀银，或者在每个板对的内部的冷却剂凸台和冷却剂通道上都镀银。金可以取代银作为涂镀材料，但是银比金更优选作为导电层，以降低涂镀材料的成本。下述为其它优选的可以替代银或者金的涂镀材料：银合金、金合金、锡、锡合金、铅以及铅合金。
周边密封防止电池堆反应气体接触和氧化导电层(比如银层)。优选围绕双极板对的两个衬面的内部的整个周边设置密封。最少，该密封外接限定了冷却剂通道和凸台以使导电层和用在燃料电池堆中的反应气体相隔离。该密封件优选成形为导电或者不导电粘结剂的珠状物。粘结剂珠状物可以施加在双极板对的一块板上，也可以施加在两块板上。可以使用垫圈代替密封剂。周边密封还用于防止冷却剂从内部冷却剂通道中泄漏出来。
为了进一步减小导电层氧化的可能，优选使用绝缘冷却剂来冷却电池堆。只要水基溶液在使用之前经过去离子处理，并借助离子交换剂在电池堆的整个使用期限内保持去离子状态，可以使用水基溶液作为冷却剂。
通过此后的详细描述，本发明适用的其它领域将变得显而易见。应该理解的是，该详细描述和具体实例，尽管表示本发明的多个优选实施例，但仅仅旨在用于说明的目的，而非旨在限定本发明的范围。
附图说明
通过详细描述和附图，本发明将得到更全面的理解，其中：
图1为连接两个板对以形成双极板组件的本发明优选实施例的透视图；
图2为图1所示双极板组件的分解视图，图中进一步示出了多个反应气体通道和凸台，多个冷却剂通道和凸台，以及围绕冷却剂通道周边设置的密封件；
图3为图2所示冷却剂通道区域III的分解视图，图中示出了由凸台分隔开的冷却剂通道的典型结构，以及围绕冷却剂通道区域周边的密封件；
图4为沿图1中剖面线4-4的局部剖视图，图中示出了在连接形成本发明的双极板组件之前的第一板和第二板；以及
图5为与图4相似的在连接两块板形成本发明的双极板组件之后的局部剖视图，图中进一步示出了设置在冷却剂通道中的绝缘(dielectric)冷却剂。
具体实施方式
对优选实施例的以下描述本质上仅仅是示例性的，绝非是旨在对本发明、其应用或者使用的限制。
参见图1，图中示出了根据本发明优选实施例的双极板组件10。双极板组件10包括形成板对的第一板12和第二板14。多条第一板反应气体通道16的每一个被第一板12的第一板外表面20上的多个第一板反应气体凸台18分隔开。在第二板14的外表面上形成相似的多个反应气体通道和凸台(参见图4和5所示)。
多个反应气体端口22和多个冷却剂端口24也设置在第一板外表面20上。注意到，可设置多个反应气体通道16结构、反应气体凸台18、反应气体端口22和冷却剂端口24。本领域技术人员可以意识到本发明并不限于特定的流场设计，可以应用于具有独立于流场几何形状的相似设计的双极板。
参见图2，图中更详细地示出了本发明的双极板组件10。第一板12包括第一板周边凸缘26，其用于形成双极板组件10的周边。关于第二板14，多条第二板冷却剂沟槽28在第二板内部32上的多个第二板冷却剂凸台30中的每个之间交替。这些特征的镜像设置在第一板12的内部上(参见图4所示)。
密封件34(最佳如图3所示)外接限定出第二板冷却剂沟槽28和第二板冷却剂凸台30的周边。将结合图3对密封件34作更详细的描述。设置密封件34以防止流过反应气体端口22的反应气体接触第二板内部32(和对应的第一板12内部，为清楚起见图中未示出)。第二板内部32由此限定为被密封件34外接的第二板14的表面部分。当双极板组件10被连接在一起时，第二板周边凸缘36邻接第一板周边凸缘26。可选择的密封件在第一板周边凸缘26和第二板周边凸缘36连接处提供了第一板12和第二板14之间的流体密封。
参见图3，图中更详细地示出了第二板内部32的一部分。为清楚起见没有示出第一板内部相似的细节。密封件34部分地沿着两个边缘，第二板平面37的“A”和“B”设置。密封件34还沿着第二板周边凸缘36的第二板凸起的表面38设置。注意密封件34设置在多个冷却剂端口24外部的第二板凸起的表面38上是很重要的。这进一步密封第二板内部32使其不暴露于反应气体中。密封件34也可以应用作为密封剂珠状物，或者可以用作垫圈。密封件34的材料可以是不导电材料或者导电材料。密封件34使第二板内部32中的每个第二板冷却剂沟槽28和第二板冷却剂凸台30，以及第一板12中的相似的冷却剂通道和凸台(参见图4所示)与多个反应气体端口22相隔离，并且由此与通过邻近第二板内部32的多个反应气体端口22供应的反应气体相隔离。反应气体端口22向第一板外表面20上的多条第一板反应气体通道16(以及参见图4所示的相似的反应气体通道44)供应反应气体。
最少，第二板冷却剂凸台30(以及参见图4和图5所示的相似的第一板冷却剂凸台42)的表面用导电材料进行涂镀。在一个优选实施例中，包括冷却剂凸台和冷却剂沟槽的第二板内部32(以及相似的第一板12内部)的整个表面用导电材料进行涂镀(最佳参见图4和5所示)。密封件34隔开涂镀有导电材料的表面与反应气体。密封件34由此优选设置尽可能外接第二板平面37和第二板凸起表面38结合的最大周边。
冷却剂通过一个或多个冷却剂端口24被提供至第二板冷却剂沟槽28。密封件34被延伸以根据需要外接至少部分冷却剂端口24，从而使反应气体与冷却剂通道相隔离，并提供冷却剂流体密封。一种示例性的冷却剂流动由流动方向箭头“C”所示。本领域技术人员将认识到多种冷却剂和反应气体通道设计都是可能的。然而，对于任何使用密封件34使冷却剂通道和凸台与反应气体相隔离的冷却剂通道/凸台的结构，防止施加在冷却剂凸台和/或沟槽区域的金属镀层被反应气体氧化是重要的。
下面参照图4，图中示出了在被组装成本发明的双极板组件10之前时的第一板12和第二板14。每个第二板冷却剂沟槽28与面对的第一板冷却剂沟槽40对准。每个第二板冷却剂凸台30与面对的第一板冷却剂凸台42对准。每个第一板反应气体通道16与相对面对的第二板反应气体通道44对准。
在所示实施例中，第一板外表面20和第二板外表面46没有涂镀金属(即不导电的)。每条第一板冷却剂沟槽40和每个第一板冷却剂凸台42用第一板金属镀层48进行涂镀。相似的，第二板冷却剂沟槽28和第二板冷却剂凸台30用第二板金属镀层50进行涂镀。密封件34设置在第二板凸起表面38的第二板金属镀层50上。密封件34也可以设置在第一板凹进表面51上，或者该密封件34的珠状物可以设置在第一板凹进表面51和第二板凸起表面38二者上。
参照图5，当第一板12与第二板14连接在一起时，邻接对应的多条第二板冷却剂沟槽28和第一板冷却剂沟槽40形成多条冷却剂通道52。在第二板冷却剂凸台30和第一板冷却剂凸台42的每一邻接位置处，形成多个电粘合层中的一个。每一电粘结层54通过在第一板金属镀层48和第二板金属镀层50之间的金属与金属间的接触形成。尽管并不是必需的，可选择的可以在各电粘结层54之间设置密封材料。在这个例子中，密封材料需要是导电材料。图5还示出了在多条冷却剂通道52中流动的绝缘冷却剂56。选择绝缘冷却剂56进一步减小第一板金属镀层48或第二板金属镀层50的氧化的可能。绝缘冷却剂56可以是去离子的水基冷却剂或者是烃基冷却剂。
第一板金属镀层48和第二板金属镀层50的材料优选是银或者银合金材料。在燃料电池堆中使用从大约25psi到大约400psi的组装压力组装双极板，银镀层材料产生了电阻为3毫欧×平方厘米(毫欧×平方厘米)或者更小的电粘结层，并且一般提供电阻等于或者低于金的电粘结层。下表1给出了在电池堆压缩压力从5psi到200psi之间测量出的多种双极板材料的粘结层电阻的比较结果。
表1
  压缩压力，psi   粘结层电阻，mΩ·cm<sup>2</sup>
  SS(Ag)/(Ag)SS  石墨/石墨   SS(Au)/(Au)SS   SS/SS
  200   0.14  0.9   0.4   20.8
  100   0.25  1.34   0.72   27.1
  50   0.61  3.7   1.1   34
  25   1.2  7.2   3.1   40
  5   4.6  36.5   18.1   179
参见表1，表中列出了四组双极板。在第一列中，带有镀银衬面的316L不锈钢(SS)双极板包括在一个电池堆压缩压力范围测量的粘结层电阻，单位为毫欧×平方厘米。在第二列中，石墨-石墨双极板组合在石墨板之间产生了通常更高的粘结层电阻。在第三列中，示出了形成本发明双极板组件的带有镀金衬面的316L不锈钢。镀金双极板组件的粘结层电阻一般较镀银双极板组件更高，直至大约200psi的压缩压力范围。在表1的第四列中，示出了板压缩压力范围为5psi至200psi的未涂镀的不锈钢板-不锈钢板的组合。粘结层电阻显著高于镀银或者镀金的不锈钢板-不锈钢板的双极板组件。未涂镀条件下的更高粘结层电阻的产生是由于不锈钢暴露在氧中其上形成了钝化膜。对于未涂镀的不锈钢-不锈钢双极板组件，在表1所示的各压缩压力下都没有获得3毫欧×平方厘米或者更小的粘结层电阻。
表1示出，镀银不锈钢-不锈钢双极板组件在整个压缩压力为200psi或者更小范围时具有最低的总体粘结层电阻。在压缩压力为200psi时，镀银的不锈钢双极板组件具有与石墨和镀金的不锈钢双极板组件相似的粘结层电阻，但是依然具有更小的总体粘结层电阻。但是，镀银的不锈钢双极板组件的粘结层电阻是视防止氧气接触银涂镀层并氧化该镀银材料的需要而定的。由此，除了在本发明双极板组件的涂镀表面的周边上的密封件外，所希望的是结合使用冷却剂流动通道中的绝缘冷却剂。本发明镀银的双极板的其它有益效果是从所用银涂镀层的厚度得到的。可以使用大约10纳米或者更大厚度的银获得表1所示的粘结层电阻。这与现有技术中已公知的应用金的厚度为大约25μm相反。
在这里，316L不锈钢作为本发明的双极板组件的基材板。也可以使用任何其它金属或者非金属板材料，只要其能够被本发明的金属涂镀材料涂镀即可。应注意的是，表1表明金涂镀层也可以用于本发明的双极板组件中获得可以接受的粘结层电阻值(即在大约25psi或者更大的压缩压力下)。金涂镀层与设置在冷却剂通道周边的密封材料以及和绝缘冷却剂一起使用也可以获得可以接受的粘结层电阻值。
可以使用替代镀金和镀银材料的替代材料。本发明的双极板组件所使用的银合金、金合金、锡、锡合金、铅以及铅合金也可以提供3毫欧×平方厘米或者更小的粘结层电阻。
绝缘电池堆冷却剂还可包括烃基液体和去离子水。可以使用的烃基液体的例子包括煤油和具有微量体积水的水基型煤油(水在烃中的乳浊液)。
双极板组件还设有连接冷却剂或者反应气体流端口的通道，具有形成在双极板对的表面上的各通道。在这些连接通道和本发明双极板组件的冷却剂流动通道之间也需要类似于密封件34的密封剂。
可以使用任何在商业上可以获得的方法在形成本发明双极板组件的该护面板侧施加金属涂镀层，所述方法包括电镀方法，无电涂镀方法以及物理气相沉积方法。在一个优选实施例中，优选使用物理气相沉积金属涂镀层，从而获得适于作为电粘结层的均匀且薄的金属涂镀层。使用物理气相沉积方法，可以获得大约10纳米或者更大厚度的金属涂镀层。本发明并不限于最大厚度的金属涂镀层，由此可以使用从10至大于100纳米的金属涂镀层。为了减少总的涂镀材料成本和处理成本，需要薄的金属涂镀层。为了进一步限制金属涂镀层的成本，只需要在构成双极板组件的两块板的凸台表面上涂镀金属涂镀层。
连接形成本发明双极板组件的板对提供了“低”的粘结层电阻，在此被定义为大约3毫欧×平方厘米或者更小的粘结层电阻。当连接本发明的板对形成燃料电池堆时，可在电池堆部件上施加标称从大约25磅每平方英寸(psi)到大约400psi的压力。这里如表1所示，使用镀银材料，在相邻的一对板之间提供可以接受的粘结层电阻的最低的可接受连接压力为大约5psi到25psi之间。超过200psi的压力也可以提供可接受的粘结层电阻，但是连接本发明的双极板组件形成燃料电池堆的所需压力范围优选低于200psi，以减少损害电池堆部件的可能性。
基于使用本发明的双极板获得的降低的粘结层电阻，在需要配合获得有效电接触(即粘结层电阻为或者低于3毫欧×平方厘米)的护面板之间的相邻凸台对的百分比可以减少至低于100％。在第一和第二板之间的有效电接触提供了大约25％或者更大的结合接触表面(即电连接凸台的相邻凸台对的全部数量相对于护面板对之间的相邻凸台对的全部有效数量)。这能提供使用更小的压缩压力将本发明的双极板组件组装成燃料电池堆的有益效果。当连接双极板组件形成燃料电池堆时所用的更低压缩压力改进了燃料电池堆的整体耐用性。更高的电池堆压缩压力会导致形成在膜电极组件中的并合纸的接触裂缝。
本发明双极板组件提供了多种优点。通过密封双极板组件冷却剂通道部分的周边，防止与来自反应气体的氧相接触，并防止氧化该涂镀金属材料。除了金还可以使用银、铅或者锡涂镀层。通过使用镀银材料，降低了板对的涂镀成本，并减少了粘结层电阻。降低的粘结层电阻提供了连接板对的低接触压力，以及设有减少数量的接触凸台的可接受的电接触面积等有益效果。
本发明的描述本质上仅仅是示例性的，没有偏离本发明要旨的改变将落入本发明的范围内。比如，在图4中所示的第一板12和第二板14在冷却剂沟槽之外具有凸起表面或凹进表面。第一板12和第二板14的几何形状可以改变，只要冷却剂通道/凸台能够与电池堆中的反应气体相隔离。图中示出了多个冷却剂端口。可以使用任何数量的冷却剂端口，与任何的沟槽设计和供给通道结合。示出的冷却剂沟槽和凸台形成在平表面上。只要在护面板之间的相邻凸台可以连接形成一个或者更多的电粘结层，可以不需要平表面。这样的变化不应被视为偏离本发明的精神和范围。

Claims (22)

1.一种双极板组件，包括：
具有板衬面的板对，每个所述衬面包括内部和周边外部；
每个所述内部具有形成在其上面的多个交替的冷却剂沟槽和凸台；
在每块所述板的至少所述凸台上沉积的导电层；
所述衬面被连接以在相应的所述凸台的面对的对之间形成多个电粘结层，以及在相应的所述冷却剂沟槽的面对的对之间形成多条冷却剂通道；和
设置在所述衬面的所述内部和所述周边部分之间的流体密封件，所述流体密封件外接限定出每个所述内部。
2.根据权利要求1所述的组件，其中所述导电层包括从包括银、银合金、金、金合金、铅、铅合金、锡和锡合金的组中选出的金属。
3.根据权利要求2所述的组件，其中所述导电层对于所述银来说具有10纳米的最小厚度。
4.根据权利要求1所述的组件，其中所述内部进一步包括与所述冷却剂通道流体连通的多个冷却剂端口，以提供通过所述冷却剂通道的冷却剂的流入和流出。
5.根据权利要求4所述的组件，进一步包括被所述冷却剂端口穿孔的延伸板区域，其中所述流体密封件可延伸以进一步限定所述冷却剂端口。
6.根据权利要求1所述的组件，其中所述周边外部进一步包括多个反应气体端口。
7.根据权利要求6所述的组件，进一步包括：
所述板对包括向外暴露的表面，在每一个上都形成多条反应气体通道，每条所述反应气体通道与至少一个所述反应气体端口流体连通；以及
其中所述流体密封件可操作地使所述内部与所述反应气体通道以及所述反应气体端口相隔离。
8.根据权利要求1所述的组件，其中所述流体密封件选自包括导电粘结剂、非导电粘结剂和垫圈的组。
9.一种燃料电池堆，包括：
以堆叠构型设置的多个膜电极组件；
设置在所述膜电极组件的相应对之间的双极板组件，每个所述双极板组件包括一对对齐的板，每块板在面对所述膜电极组件的第一表面上具有多条反应气体通道，以及在背对所述膜电极组件的第二表面上具有多条交替的冷却剂沟槽和凸台；
每个所述第二表面具有至少沉积在所述凸台上的导电层；
每个所述双极板组件被连接以在所述凸台的相应面对的对之间形成多个电粘结层，以及在所述冷却剂沟槽的相应面对的对之间形成多条冷却剂通道；
外接限定所述冷却剂通道和每个所述双极板组件的所述凸台以使所述反应气体通道和所述导电层相隔离的流体密封件。
10.根据权利要求9所述的燃料电池堆，进一步包括设置在所述冷却剂通道中的绝缘冷却剂。
11.根据权利要求10所述的燃料电池堆，其中所述绝缘冷却剂包括去离子的水基流体。
12.根据权利要求10所述的燃料电池堆，其中所述绝缘冷却剂包括烃基流体。
13.根据权利要求9所述的燃料电池堆，其中所述导电层进一步包括具有10纳米的最小涂镀厚度的含银材料。
14.根据权利要求9所述的燃料电池堆，其中所述导电层包括选自包括银、银合金、金、金合金、铅、铅合金、锡和锡合金的组中的金属。
15.根据权利要求9所述的燃料电池堆，进一步包括：
范围在25磅每平方英寸到400磅每平方英寸之间的电池堆结构压力；和
至少25％的最小结合的接触表面。
16.根据权利要求9所述的燃料电池堆，进一步包括邻近所述冷却剂通道和所述凸台设置的多个反应气体端口，其中在所述反应气体端口与所述冷却剂通道和所述凸台之间设置所述流体密封件。
17.一种用于隔开燃料电池堆中的反应气体通道和冷却剂接触表面的方法，所述方法包括以下步骤：
在多个板对的衬面上形成交替的冷却剂沟槽和凸台；
在所述多个板对的外衬面上形成多条反应气体通道；
至少导电涂镀所述衬面的所述凸台；
对齐所述衬面以形成面对的凸台对；
密封每一板对的所述衬面的周边以使所述冷却剂沟槽和凸台与所述反应气体通道相隔离；以及
连接所述多个板对以在每个所述板对之间电结合所述面对凸台。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述对齐步骤进一步包括由所述冷却剂沟槽形成至少一条冷却剂通道。
19.根据权利要求18所述的方法，包括在所述冷却剂通道中流动绝缘冷却剂。
20.根据权利要求19所述的方法，包括使水基冷却剂去离子以形成所述绝缘冷却剂。
21.根据权利要求18所述的方法，其中所述密封步骤包括用连续的密封件外接限定至少所述凸台，以使分散在所述反应气体通道中的反应气体与所述凸台相分离。
22.根据权利要求17所述的方法，其中所述连接步骤包括施加从25磅每平方英寸到200磅每平方英寸的压缩压力。
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