CN100423347C - 带有作为冷却剂层的导电泡沫的燃料电池双极板 - Google Patents

带有作为冷却剂层的导电泡沫的燃料电池双极板 Download PDF

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Abstract

提供一种用于燃料电池的双极板，包括在薄金属箔层之间的作为冷却剂层的导电泡沫。在该薄金属箔层的表面上设有蛇形的流场结构。

Description

带有作为冷却剂层的导电泡沫的燃料电池双极板
技术领域
本发明涉及燃料电池，更具体地涉及用于燃料电池堆的具有作为冷却剂层的导电泡沫的双极板。
背景技术
燃料电池已经在很多应用中被用作电源。例如，已经建议将燃料电池代替内燃机用于电动车辆动力装置中。在质子交换膜(PEM)型燃料电池中，氢被供应到燃料电池的阳极，作为氧化剂的氧被供应到阴极。典型的PEM燃料电池及其膜电极组件(MEA)在美国专利5272017和5316871中有所描述，所述美国专利的出版日分别为1993年12月21日和1994年5月31日，所述美国专利被转让给通用汽车公司。PEM燃料电池包括含有薄的、质子传导的、非导电性固体聚合物电解质膜的膜电极组件(MEA)，在膜电极组件的一个表面上具有阳极催化剂，在相对的表面上具有阴极催化剂。MEA被夹在一对导电元件之间，所述导电元件(1)作为阳极和阴极的集流器，并且(2)其中包含适当的通道和/或开口，用于在相应的阳极和阴极催化剂的表面上分配燃料电池的气体反应物。
术语燃料电池一般根据上下文被用于指代单个电池或多个电池(堆)。多个单个的电池通常被束在一起构成燃料电池堆，并且通常串联进行布置。电池堆中的每个电池包括前面描述过的膜电极组件(MEA)，并且每个这样的MEA都提供其电压增量。燃料电池在很多应用中已被用作电源。在PEM燃料电池中，氢气(H2)为阳极反应物(即燃料)，氧气为阴极反应物(即氧化剂)。在电池堆中多个电池的典型布置在转让给通用汽车公司的美国专利US 5763113中已有描述。
夹住MEAs的导电元件的表面内可包含一排通道或凹槽，用于在相应的阴极和阳极表面上分配燃料电池的气体反应物(即氢气和以空气形式存在的氧气)。在燃料电池堆中，多个电池以电串联方式堆叠在一起，同时所述电池被可渗透气体的导电双极板彼此隔开。迄今为止，双极板具有多种功能(1)作为介于相邻的两个电池之间的导电气体隔板元件；(2)大体上在膜的整个表面上分配反应气体；(3)在电池堆中的一个电池的阳极和下一个相邻电池的阴极之间传导电流；(4)使反应物气体保持在被隔离的状态以防止发生自燃；(5)为质子交换膜提供支撑；以及(6)在大多数情况下，在其中提供内部冷却通道，冷却剂流动通过该通道，从电池堆中除去热量。双极板也可以适应与重整过程相关的气体压力负载以及施加在板上的压缩负载。双极板包括在一侧上的多个通道和在另一侧上的多个通道，在相应侧面上的通道被脊面隔开。所述在两个侧面上的脊面和通道布置必须使双极板能够承受压缩负载，由此布置脊面和通道使得双极板不会发生破裂或翘曲。在双极板中这些流动通道通常的设置包括优选的蛇形通道，用于把氢气和氧气传送到覆盖在双极板上的质子交换膜组件。在Neutzler的美国专利US 5776624中披露了一种金属双极板和具有这种类型通道的PEM组件。
燃料电池系统的有效操作取决于对于给定尺寸、重量和成本的燃料电池来说产生大量电能的能力。对于给定尺寸、重量和成本的燃料电池，其电能输出的最大化在机动车辆应用中尤其重要，其中全部车辆部件的尺寸、重量和造价对于有效率地制造和操作车辆是非常重要的。因此，需要提供一种对于给定尺寸、重量和成本的燃料电池来说能够产生更大量的电能的燃料电池构造，尤其是对于机动车辆应用。
发明内容
本发明涉及一种包括膜电极组件(MEA)的燃料电池，该膜电极组件在其一个表面具有阳极催化剂，在其另一个表面具有阴极催化剂。一对双极板组件设置在膜电极组件的相对面上，每个双极板组件都包括导电多孔核心材料以及结合在导电多孔材料的第一和第二表面上的第一和第二金属箔层。所述导电多孔材料在其内限定出冷却剂流动通道，并且形成第一和第二金属箔层以在其上限定出反应气体通道。
根据本发明的进一步特征，所述导电多孔材料被扩散结合或者被钎焊在第一和第二金属箔层上。
根据本发明的进一步特征，所述第一和第二金属箔层的厚度约为0.001英寸。
根据本发明的进一步特征，所述导电多孔材料含有导电石墨泡沫介质或者导电金属泡沫介质。使用这些相对便宜的导电泡沫介质进一步降低了燃料电池的成本和重量，而没有损害电池的性能。
根据本发明的进一步特征，提供了一种制备双极板的方法，其中将第一和第二薄金属箔层结合到多孔导电材料上，并且冲压第一和第二薄金属箔层，在第一和第二薄金属箔上形成流场图案。
附图说明
本发明的各种特征、优点以及其他应用通过参考下列附图和描述会变得更加明显，其中：
图1为根据本发明的燃料电池堆的示意性透视图；
图2为在燃料电池中使用的膜电极组件的横断面视图；和
图3为根据本发明原理的双极板的横断面视图。
具体实施方式
本发明针对燃料电池10，并且尤其是针对该燃料电池的结构，由此可以使燃料电池更轻、更小、更便宜，同时不损害其性能。从图1为燃料电池10的示意性透视图。广泛进行考虑，重整产物12和空气14输送至燃料电池堆，且消耗掉氧气的空气16和氢气废料从电池堆中排出。
总的来说，电池堆包括多个膜电极组件(MEA)20，而每一个膜电极组件都设置在多个双极板22之间。正如在本技术领域中已公知的，电池堆还可以包括叠置进行布置的多个气体分配层，多个阳极岐管，多个阴极岐管，多个冷却剂岐管，和上下端板。根据所需的燃料电池电压输出重复MEAs和双极板的顺序。
每个MEA 20(图2)包括以薄的质子传导不导电固体聚合物电解质形式存在的膜46，贴靠在膜上表面设置的另一个密封件或者垫圈48，靠着膜上表面设置的另一密封或者垫圈构件48，在上垫圈48内膜上表面上的阳极催化剂层50，和在下垫圈48内膜下表面上的阴极催化剂层52。
本发明的双极板22，最佳如图3中所示，包括第一薄金属箔70，其结合到导电多孔材料72例如金属泡沫或碳泡沫材料上。该泡沫材料具有小于0.02英寸，优选0.005到0.01英寸左右的孔径。金属泡沫或碳泡沫材料具有一定的孔径大小和渗透性，所述孔径大小和渗透性使得冷却剂压力下降，足够散热和压力下降，并使厚度保持最小。第二薄金属箔74结合到导电泡沫材料72的第二侧上。第一和第二薄金属箔层的厚度小于0.005英寸，优选0.001英寸左右。在阳极和阴极的不同环境中，金属箔可以选用不同的材料以适应该差异。然后把流场结构冲压到该材料中，提供阳极和阴极气体通道76、78，同时将泡沫材料局部压缩成具有更高密度的在下面的阳极流动通道76。以这种方式，低密度区域被高密度区域所限制形成了冷却剂通道80使冷却剂从中流过。高密度区域也通过降低高密度区域的体电阻从而增大了双极板的导电性。当前优选的是，阳极和阴极流动通道76、78被布置成蛇形的几何形状。然而，有经验的实施者会认识到，本发明中也可以使用其它的流场形状例如平行的、互相交叉的或者同心的几何形状。
优选使用金属泡沫材料，以使泡沫材料可以通过扩散结合、钎焊或其它结合方式结合到构成流场通道的薄金属箔层70、74上。金属泡沫材料在金属箔层70、74的冲压操作中可以发生变形，同时当场形成在泡沫72内的控制流动所需的密度差异。另一种选择是，可以使用石墨或碳泡沫材料，其可以被切割成或者形成具有高密度和低密度区域的形状，接着金属箔可以成形并结合到石墨或碳泡沫材料层上。
集管82设置在双极板周围由此接收从其中通过的反应气体和冷却剂。集管82与垫圈48配合作用使反应气体传送至流动通道76、78，冷却剂传送到通道80。集管82是在将泡沫材料结合到薄金属上的结合步骤中通过用另一个薄金属片代替从双极板周边的集管区域伸出的泡沫材料而形成的。第三金属片具有已经形成在其中的流动路径。垫圈48的作用是使除了相应的流动路径的流动通道外的集管82与流动通道76、78、80密封，即阳极集管到流动通道76，阴极集管到流动通道78，冷却剂集管到流动通道80。
另一种可选的形成双极板的方法是从已被冲压在薄金属箔之间的前驱泡沫材料(即，具有金属化表面的聚氨酯泡沫)开始。然后加热该夹心结构到泡沫材料烧结温度，使位于金属箔层70、74之间的金属泡沫材料72结合。该方法使金属泡沫材料原位地烧结成金属箔层，同时提供较强的并使得接触电阻最小化的结合，这样从根本上就没有界面电压损失。
另一种方法包括提供泡沫材料例如在粘结剂和金属粉末的浆料中洗涤的聚氨酯泡沫。然后将该材料置于两个被冲压的箔层之间，接着灼烧除去泡沫材料，而粘结剂和金属颗粒以泡沫中的空隙的形式留下来。然后继续烧除粘结剂，剩下烧结在一起并烧结成箔层的金属颗粒。
进一步的方法包括通过电镀或其它沉积方法使金属沉积(例如通过化学气相沉积)到夹在第一和第二箔层中间的泡沫材料上。该泡沫材料也在电镀或沉积过程中结合到箔层上。
根据本发明，提供一种很轻的双极板，其可以应用大部分当前的技术，使用经过测试的流场设计、压力降、MEA，扩散介质，垫圈设计等等。本发明也特别适合不同的优化流场和集管设计。本发明双极板与现有的流场/双极板设计相比具有多种优点。本发明的双极板更轻、使用大约0.001英寸厚的金属箔，而已有设计使用0.03英寸厚的板材。由于与双极板接触的单位面积的冷却剂更多，以及因为金属板更薄而提高了传热性能，而提高了冷却效率。因为金属箔很薄，因此本设计可以使用本身更致密并在燃料电池环境中更耐蚀的材料，比如可以使用不锈钢或者钛。重复距离被减至最小，由此增大了体积能量密度。泡沫材料作为箔的支撑体，由此提供了非常轻质的、坚固的薄板。重量被减轻，由此增大了重量能量密度。此外，如果非集管侧未被密封，可能使用这种类型的设计作为由空气冷却的堆。然而，在空气冷却构造中，需要增大泡沫材料的厚度以使空气通过堆流动达到足够的流动速率来承受热负载。
本发明提供一种比现有技术中的燃料电池更轻、造价更低的、并且电能输出不受损失的燃料电池。具体而言，取代现有技术中的金属双极板的具有限定出冷却剂通道的导电泡沫核心层的双极板减轻了燃料电池的重量。

Claims (23)

1. 一种用于燃料电池的双极板，包括：
导电多孔材料；
结合到所述导电多孔材料第一表面上的第一金属箔层；和
结合到所述导电多孔材料第二表面上的第二金属箔层，所述导电多孔材料在其内限定出冷却剂流动通道，并且形成所述第一和第二金属箔层，以在其上限定出反应气体通道。
2. 如权利要求1所述的双极板，其中所述导电多孔材料为金属泡沫材料。
3. 如权利要求1所述的双极板，其中所述第一和第二金属箔层的厚度小于0.005英寸。
4. 如权利要求1所述的双极板，其中所述导电多孔材料扩散结合到所述第一和第二金属箔层上。
5. 如权利要求1所述的双极板，其中所述导电多孔材料被钎焊到所述第一和第二金属箔层上。
6. 如权利要求1所述的双极板，其中所述导电多孔材料为石墨泡沫材料。
7. 如权利要求1所述的双极板，其中所述导电多孔材料为碳泡沫材料。
8. 如权利要求1所述的双极板，其中所述导电多孔材料具有限定出流动通道的低密度区域，所述低密度区域受到所述冷却剂流动通道内高密度导电多孔材料区域的限制。
9. 一种燃料电池，包括：
膜电极组件，在其一个表面上具有阳极催化剂，在其另一表面上具有阴极催化剂；
设置在所述膜电极组件的相对的侧面上的一对双极板，每个所述的双极板包括导电多孔材料，结合到所述导电多孔材料第一表面上的第一金属箔层，和结合到所述导电多孔材料第二表面上的第二金属箔层，所述导电多孔材料在其内限定出冷却剂流动通道，并且形成所述第一和第二金属箔层，以在其上限定出反应气体通道。
10. 如权利要求9所述的燃料电池，其中所述导电多孔材料为金属泡沫材料。
11. 如权利要求9所述的燃料电池，其中所述第一和第二金属箔层的厚度小于0.005英寸。
12. 如权利要求9所述的燃料电池，其中所述导电多孔材料扩散结合到所述第一和第二金属箔层上。
13. 如权利要求9所述的燃料电池，其中所述导电多孔材料被钎焊到所述第一和第二金属箔层上。
14. 如权利要求9所述的燃料电池，其中所述导电多孔材料为石墨泡沫材料。
15. 如权利要求9所述的燃料电池，其中所述导电多孔材料为碳泡沫材料。
16. 一种形成用于燃料电池的双极板的方法，包括以下步骤：
将第一金属箔结合到导电多孔材料的第一侧面上；
将第二金属箔结合到导电多孔材料的第二侧面上；
模制第一和第二金属箔以成形出相应的流场结构；以及
将所述双极板安装到燃料电池中。
17. 如权利要求16所述的方法，其中所述导电多孔材料为金属泡沫材料。
18. 一种形成用于燃料电池的双极板的方法，包括以下步骤：
将第一金属箔结合到导电多孔材料的第一侧面上；
将第二金属箔结合到导电多孔材料的第二侧面上；
模制第一和第二金属箔以成形出相应的流场结构，
其中所述导电多孔材料为石墨泡沫材料。
19. 一种形成用于燃料电池的双极板的方法，包括以下步骤：
将第一金属箔结合到导电多孔材料的第一侧面上；
将第二金属箔结合到导电多孔材料的第二侧面上；
模制第一和第二金属箔以成形出相应的流场结构，
其中所述导电多孔材料为碳泡沫材料。
20. 一种形成用于燃料电池的双极板的方法，包括以下步骤：
将第一金属箔结合到导电多孔材料的第一侧面上；
将第二金属箔结合到导电多孔材料的第二侧面上；
模制第一和第二金属箔以成形出相应的流场结构，
其中所述第一和第二金属箔层的厚度小于0.005英寸。
21. 一种形成用于燃料电池的双极板的方法，包括以下步骤：
模制第一金属箔层和模制第二金属箔层以构成相应的流场结构；
在夹心结构中在所述第一和第二金属箔层之间放置具有金属化表面的泡沫材料；
将所述夹心结构加热到足够使所述金属泡沫材料烧结到所述第一和第二金属箔层上的温度；以及
将所述双极板安装到燃料电池中。
22. 一种形成用于燃料电池的双极板的方法，包括以下步骤：
在粘合剂和金属粉末浆料中浸泡泡沫材料；
将该泡沫材料置于两个箔层之间；以及
灼烧中间夹有泡沫材料的两个箔层，直到金属粉末被烧结到箔层上。
23. 一种形成用于燃料电池的双极板的方法，包括以下步骤：
提供置于第一和第二箔层之间的泡沫材料；和
用化学气相沉积法在第一和第二箔层之间的泡沫材料上沉积金属。
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