CN101147288B - 聚合物膜燃料电池 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种包括双极板(1)的聚合物膜燃料电池。该板的第一面包括槽，该槽形成用于分配气体中的一种的第一通道(111)，而该板的第二面包括槽，该槽形成用于分配另一种气体的第二通道。另外，在该板的厚度内设置用于冷却流体循环的内部通道(122)。所述板由表面不导电且化学惰性的结构性支撑体形成。所述板还包括插针(10)，该插针(10)延伸穿过其整个厚度且在有效的同一区域中通向每一所述第一面和所述第二面的两侧，所述插针分配在所述板的整个有效区域上。

Description

聚合物膜燃料电池

技术领域

本发明涉及聚合物膜燃料电池。更具体地，本发明涉及安装在每一单个电化学电池单元之间的双极板和安装在层叠的各个电化学电池单元两侧上的端板。

背景技术

用于燃料电池的双极板实现两种截然不同的功能。众所周知，必须向电池供应燃料气体和氧化剂气体，即供应氢气和空气或纯氧气，且还必须冷却电池，即使得诸如水等冷却剂通过电池。双极板的一个功能是允许输送燃料电池工作所需的这些各种流体。此外，双极板还实现电气功能：即确保每一相邻的电化学电池单元的阳极和阴极之间的电传导。当然，通常通过串联组装大量的单个电化学电池单元形成燃料电池，通过串联电连接所需数量的单个电化学电池单元得到该电池的额定电压。

这些不同的功能，即输送流体和导电，确定了用于生产这些双极板的材料必须满足的规格。所使用的材料必须具有很高的电导率。所使用的材料还必须不能被所使用的流体渗透且对于这些流体表现出非常高的化学稳定性。

此外，双极板必须具有足够的机械性能，以便能够叠置大量的单个电化学电池单元和相关的双极板，并且允许通过使用连结杆而压缩在端板之间来固定该组件。双极板必须具有足够的机械性能以耐受这种压缩。通常将石墨用作该材料，同时其提供高电导率且不与所使用的流体起化学作用。专利申请WO 2005/006472公开了这种双极板的可行实施例。可以看出，它们是通过对两个比较刚性的石墨板和插入的由比较柔软的石墨材料所制成的薄板进行叠置而形成的，以便允许各个层的厚度偏差。石墨板包括用于分配燃料气体和氧化剂气体(即氢气和空气或纯氧气)所需的通道的网络，以及用于使诸如水等冷却剂能够流过每一双极板的通道的网络。

遗憾的是，涉及形成石墨双极板的刚性部件在压紧的过程中相对易碎，特别是在同时组装电池的操作过程中。另外，前面所提到的由柔软的石墨材料所制成的层在工业工艺中特别难于操作。所有这些都显著增大了这种双极板的生产成本。

专利US 6379476提出制造如下双极板，该双极板由涂覆有表面钝化膜的不锈钢制成且具有在表面处突出的碳化物夹杂。根据该发明的文档，所提出的产品应具有足够低的电接触电阻，以便由其制造双极板。然而，虽然该解决方案相对于完全由石墨所制造的双极板可能具有某些优势，尤其关于机械性能方面，但是其实现起来仍然复杂且电阻率可能太高，尤其是在欲获得燃料电池的非常高的功率密度的情况下。

专利申请WO 00/05775提出制造由聚合物材料制成的双极板，该双极板一直到高温都具有良好的机械强度，并且该双极板在其中存在可能包括微量酸的水蒸气或冷凝物的氧化气氛下具有良好的物理化学特性，通过双极板的电传导由金属圆柱体提供，其中所述金属圆柱体穿过聚合物板并伸入到每一面中，以便穿透到位于每一聚合物板的两侧上的电极中。该公开并未解决冷却双极板的问题。

专利申请FR 2836385描述了一种双极板，其由用于燃料和氧化剂气体的两个由非金属材料制成的分配板形成，两个分配板彼此隔开，以便在其间布置用于循环传热流体的通道。设置在每个双极板的每一侧上(在非金属气体分配板之上)的两个部件确保对每个电化学电池单元所产生电流的收集。每一部件都具有足够的用于气体通过的孔。该部件电连接到每个双极板。由该专利申请的说明书看来显而易见的是，电连接是一种制造起来复杂的特殊类型。在一个实施例中，电连接由将非金属气体分配板隔开的铜夹层提供。作为一个变形例，提出将这些电连接设置在板的外侧。无论如何，这都需要复杂的部件、焊接并使得该结构笨重、体积大且制造费用高。

本发明的目的是提供一种尽可能易于制造的用于双极板或端板的布置，其可以获得相对于燃料电池的重量和尺寸来讲非常高的功率输出水平，换句话说，其尤其允许利用传热液体进行冷却，以便在机动车辆中使用燃料电池更加容易。

发明内容

本发明提供一种分配板，其具有第一面和与所述第一面相对的第二面，将所述第一面设计为与扩散燃料电池所使用的气体中的一种气体的膜相接触，所述分配板具有给定的厚度并且具有被设计为与离子交换膜相对设置的工作部分，所述分配板在所述第一面上包括凹槽，该凹槽形成用于所述气体中的一种气体的第一分配通道，所述第一分配通道几乎遍布在所述第一面的整个工作部分上，其特征在于所述分配板由结构性支撑体形成，其中该结构性支撑体至少在表面上不导电且至少在表面上为化学惰性，其特征还在于所述分配板包括穿透到所述结构性支撑体中的插针，所述插针穿过所述第一面的突出部分未与所述第一通道相交，所述插针由导电的非金属材料制成，其中在所述厚度内包括内部通道，所述内部通道具有几乎覆盖所述整个工作部分的布置、并且所述工作部分中未出现在所述第一面或所述第二面上，设置所述内部通道以循环冷却剂。

当然，虽然以上只提及了一个单个的气体分配通道(特别地，这使人联想到燃料电池的端部处所使用的分配板)，但是本发明还涉及插在两个电化学电池单元之间的双极板，这两个电化学电池单元相邻并且通过所述双极板串联耦合。在这种情况下，本发明扩展到形成双极板的分配板，此时将第二面设计为接触用于使燃料电池所使用的气体中的另一种气体扩散的膜，所述第二面包括凹槽，该凹槽形成用于所述气体中的另一种气体的第二分配通道，所述第二分配通道几乎遍布在第二面上的整个工作部分上。

在分配板中，特别在双极板中，本发明因此提出对一方面输送流体的功能和另一方面导电的功能进行分离。对于结构性支撑体，本发明选择与所使用的流体不起化学作用或者被改变为与所使用的流体不起化学作用的材料，至少在表面上，更确切地是至少在与所述流体相接触的表面上不起化学作用的材料。实际上，非常重要的是所述材料的表面不会被氢气、氧气、重新形成的水或者在通道中输送的任何其他物质侵蚀，并且特别是材料在表面上对燃料电池工作中的苛刻条件保持为惰性。此外，仍然考虑结构性支撑体，这里再次考虑至少结构性支撑体的表面，选择不导电的或导电性能差的。这对于与所冷却的双极板中的冷却剂相接触的所有表面尤其有利。这免除了冷却剂不能导电。

所选择的用于结构性支撑体的材料的机械性能适应于由于制造过程以及工作中的那些过程所产生的机械应力。为了使其至少在表面上不导电，可以采用整体都不导电的材料，例如塑料。然而，为了优化导热性，特别是为了制造双极板，最好选择金属材料，对该金属材料进行适当地处理，以满足表面不导电且充分地化学惰性的要求。

足够数量的由导电材料制成的插针提供了分配板(特别在其双极形式下)的电操作所需的导电性，所述插针穿过板的整个厚度并且优选遍布在其整个表面上。因此，所述插针由其中包括石墨、高度充满碳黑的聚合物和充满短碳黑纤维的聚合物的组中的材料制成。如果在表面上没有任何金属粉末，该组还可以包括充满金属粉末的聚合物，这例如需要具有两个连续注射成型操作的制造工艺。

例如，制造一种由两个叠置的分配板制成的双极板，这是非限制性的。这些分配板中的一个包括用于输送气体中的一种的通道，而这些分配板中的另一个包括用于在其一个面上输送气体中的另一种的通道以及在其另一面上被设计为用于冷却剂通过的通道。通过将冷却剂的通道设置在中心而叠置分配板，因此将冷却剂的通道命名为“内部通道”。

板的结构性支撑体可以是塑料，或者可以由被处理为对所使用流体的化学侵蚀成惰性的铝而制成。实际上，如何使铝板钝化是公知的，并且众所周知的是由于形成了氧化铝，因此这种钝化涂层使得铝不导电。

在组装之前，对每一分配板进行穿孔，或者在组装之后，然后对所生产的双极板进行穿孔，在没有通道通过的区域中形成大量极小直径的孔。接着，可以将由导电材料制成的插针插入这些孔中。因此，有必要对其进行布置，使得第一和第二通道的布置和内部通道的布置在工作部分中留出允许制造这种孔的区域，使得这些孔自身也遍布在整个工作部分上，并考虑到燃料电池将提供的最大电流密度而形成足够的累积部分。值得注意的是，除圆形以外，孔的横截面可以是任意形状，例如方形或椭圆形，各种孔的横截面可以具有不同的形状或者具有不同的直径或尺寸。

插针所用的材料可以是石墨，即使该石墨没有特定的机械性质。然而，值得注意的是，由于其端部将接触所使用的气体，并与通过在每个电化学电池单元的扩散膜上接触所重新形成的水相接触，因此其对于流体具有好的化学钝性是有用的，不对金属材料进行特殊处理不能得到所述化学钝性。

下面的说明书详细描述了双极板。当然，如前所述，本发明不限于双极板；本发明还可以扩展到设置在层叠的单个电池单元两侧上的分配板。在端部处，分配板非常类似于下面描述的第一分配板，这是因为在每一端部，只需要扩散燃料电池所使用的两种气体中的一种，而提供内部冷却通道通常是没有意义的。

附图说明

由于详细说明了附图中所示的一个实施例，因此将更好地理解本发明，在附图中：

图1是示出根据本发明的双极板的各个组成部件的分解图；

图2示出了组装时所呈现出的根据本发明的双极板；

图3示出了一个实施例中的结构性支撑体；

图4示出了用于对所述实施例的插针进行注射成型的装置；

图5示出了用于图4中的注射成型装置的配对模具(counter-mould)；以及

图6示出了根据所述实施例的双极板。

具体实施方式

图1中示出了通过组装第一分配板11和第二分配板12所形成的双极板1。将双极板1设计为与形成电化学电池单元2的部件相结合。众所周知，目前通常通过叠置5层来形成单个的电化学电池单元2(这不以任何方式限制本发明)，所述5层为离子交换聚合物膜、包括开始电化学反应所需的化学元素的两个电极，例如铂、以及两个气体扩散层，这两个气体扩散层可以提供气体的均匀扩散，所述气体由离子交换膜的整个表面上的双极板的网络所传输。位于图1中的电化学电池单元2上的是与燃料电池的工作部分S相对应的表面，即是允许产生电的电化学反应的位置的区域。

第一分配板11、第二分配板12和电化学电池单元2在一侧上包括具有横截面较大的三个开口31、32和33的区域，且在相对侧上还包括具有横截面较大的三个开口34、35和36的另一区域。从一个分配板11到另一分配板12并且从分配板11和12到电化学电池单元2，所有的开口31排列成一直线。类似地，从一个分配板11到另一分配板12并且从分配板11和12到电化学电池单元2，所有的开口32、33、34、35和36分别排列成一直线。开口31和33的集合分别形成用于输送下列气体之一的歧管：对于开口31和33，一些(例如31)输送氢气，而其它的(例如33)输送氧气。开口34和36的集合分别形成用于回流下列气体之一的歧管：对于开口34和36，一些(34)确保未被燃料电池消耗的氢气的回流，而其它的(36)确保未被燃料电池消耗的氧气的回流。所有的开口32形成输送冷却剂的歧管，而所有的开口35形成确保用于控制燃料电池的温度的冷却剂的回流的歧管。

第一分配板11的一个面111包括第一分配通道111，对其进行布置以便于将燃料电池所使用的两种气体中的一种分配在第一板11的整个工作部分S上。第一分配通道111从穿过第一分配板11的厚度的孔口111a开始，并且终止于同样也穿过第一分配板11的孔口111b。

第二分配板12的一个面121包括内部通道122，对其进行布置以便于将用于控制燃料电池的温度的冷却剂分配在第二分配板12的整个工作部分S上。孔口111a与切割到面121内的通道部分111c的端部成一直线，以便与所述通道111c连通。孔口111b与切割到相同面121内的通道部分111d的端部成一直线，以便与所述通道111d连通。这些通道部分111c和111d中的每一个与开口31和34连通。这在第一分配通道111和所述歧管之间提供连通。

在这些面的另一面12r(图1中不可见)上，第二板12具有第二分配通道121(不可见，与所述分配通道111相似，且也对其进行布置以便将燃料电池所使用的两种气体中的另一种分配在第二分配板12的整个工作部分上)。第二分配板12的开口33和36分别与都切割到面121中的通道部分121c和通道部分121d连通。通道部分121c和121d中的每一个都在穿过第二分配板12的厚度的孔口(图1中不可见)内终止，以便使得第二通道121接触所述歧管。

可以看出，第一分配板11和第二分配板12包括大量的孔3。使在第一分配板11上制造的孔3和在第二分配板12上制造的孔3成一直线。可以观察到，如此制造孔3，使得其绝对不会与布置在第一分配板11和第二分配板12中的每一个上的任何通道111、121和122相交。

在图1中，还可以看到设计成被引入到每一个孔3中的插针10。例如，这些插针由例如石墨制成的小圆柱体形成。可以在分配板的表面上制造大量的孔，例如一百个，而不会穿过设置的用于冷却剂循环的气体分配通道或内部通道。这些孔中的每一个的横截面积大约是1mm²。因此，可以看出所有插针的累计横截面积可以通过例如在燃料电池中所产生的那些高的工作电流。

图2示出了在对图1给出的各个部件(分配板11和12和插针10)组装之后的根据本发明的双极板1。例如，可以通过将分配板彼此结合，然后通过压入配合插针10来执行组装，以便确保分配板之间且相对于内部通道的分配通道之间，以及面111和11r之间的良好密封性，从而不会将气体混合。插针10在工作部分中出现在所述第一和第二面中的每一个面的两侧上。

这种双极板的每一面111和11r可以与邻近的电化学电池单元2的扩散层中的一个配合。图2示出厚度为x的双极板1，其与单个电化学电池单元2结合。通过插入双极板1将大量的电化学电池单元2叠置，并在端部设置简单(非双极)分配板，以便形成燃料电池。

因此，由于本发明，可以选择机械性能足以不但能够传递燃料电池的工作应力而且还能够使双极板的制造自动化的材料，以作为每一单个板的基本组成材料。实际上，这种自动化由工艺机器人进行操作，并且在该操作由于基板的组成材料的可靠性而需要很少的预防措施时，执行自动化生产将只会更加简单、更加健壮且更加经济。对于该第一实施例，每一单个板由形成结构性支撑体的单个块制成。结构性支撑体可以由塑料制成，或优选地由被阳极氧化且在表面上覆盖有聚四氟乙烯(PTFE)的铝制成以促进热交换，从而实现非导电表面的要求并提高其化学惰性。

从一个电化学电池单元2到另一个电化学电池单元2的电传导完全由插针10提供，可以看到，插针10的一个端部101在图2中的双极板1的面111上示出。在相对于工作部分S减小的表面上的电气功能集中，仍然可以传输没有达到过高电流密度的工作电流。因此，所使用的板的表面的小部分(通常小于整个工作部分的10％)上的导电部分的集中不会使设置分配通道和内部通道的布置特别困难。

继续如图3所示，现在将分析本发明的一个变形例。在该变形例中，插针10A(见图4)由可注射成型的材料制成，且分配板在第一面的侧面上包括由与插针相同的材料制成的表面层。利用与制造插针相同的注射成型操作在结构性支撑体上包覆成型(overmould)表面层，使得表面层和插针形成促进电传导的连续介质。

为了对插针(以及由此这里所述例子中的表面层)进行注射成型，可以使用将碳黑和热固性或热塑性的含氟聚合物(例如聚偏二氟乙烯PVDF)作为主要成分的胶(paste)。碳和聚合物的量至少为碳黑重量的70％，并且优选为80％，其余的是聚合物。碳的量必须足以使得插针的表面电阻尽可能低。聚合物自身必须提供必要的粘合剂，必须防腐蚀并且能够易于被模压和注射成型。

在图3中，可以观察到结构性支撑体110A，将该结构性支撑体110A设计为用于形成第一分配板11A(见图6)的部分。该结构性支撑体由阳极氧化铝的薄板形成。结构性支撑体110A在一侧上包括具有横截面较大的三个开口31A、32A和33A的区域，并且在相对侧上也包括具有横截面较大的三个开口34A、35A和36A的另一区域。与第一个例子一样，该组开口31A、32A、33A、34A、35A和36A形成用于输送和排出气体的歧管。

结构性支撑体110A包括穿过第一分配板11A的厚度的孔口111aA，且包括同样穿过第一分配板11A的孔口111bA。如在随后能够被更好地理解的那样，这些孔口111aA和111bA为分配通道的开始部分和结束部分。

结构性支撑体110A还包括大量的孔3A。例如，通过冲孔制造上述的开口、孔口和孔。在冲孔之后，将铝薄板阳极氧化，以便具有极好的化学钝性并且同时在表面处不导电，包括在薄板的所有边缘上(开口31A、32A、33A、34A、35A和36A，孔口111aA和111bA，以及孔3A)，从而包括在形成供气体和冷却剂使用的歧管的部分的表面处，且后一特性尤其有利，这是因为其使得使用导电的冷却剂成为可能。当然，表面处的非导电特性对于孔3A来说没有特别的益处，但也不会以任何方式对其造成损害。

在图4中，可以看到注射成型工具4，其包括配备有一定数量的注射成型圆锥体42的头部41。还可以看到注射活塞43以及配对模具44。结构性支撑体110A和结构性支撑体120A安装在注射头部41和配对模具44之间。这些结构性支撑体110A和120A每个分别形成分配板，即第一分配板11A和第二分配板12A的部分。如已对第一示例性实施例所进行的说明那样，第二分配板12A包括内部通道122A，对其进行布置以将用于控制燃料电池的温度的冷却剂分配在第二分配板12A的整个工作部分S上。实施例的所有与在该文件中所述的两个变形例相同的细节不再重复。

如图5中的透视图所示，配对模具44包括形成分配通道111A的凹陷部(negative)的肋45，所述分配通道111A将形成在分配板11A上。特别地，可以看出凸起物46，将所述凸起物46设计为在结构性支撑体110A的孔口111aA和111bA中啮合。还可以看到孔口47，其中该孔口47被巧妙地设置成排出每次注射过程中多余的材料。

图6示出分配板11A经上述注射成型工艺之后而最终产生的状态。可以辨认出结构性支撑体110A和包覆成型的表面层114A。在图4中，可以看到在结构性支撑体110A上包覆成型的表面层114A以及在结构性支撑体120A上包覆成型的表面层124A。可以看到孔口111aA和111bA以及由所述结构性支撑体的表面1100A所形成的分配通道111A，所述分配通道的侧面1140A由所述表面层形成。然后在结构性支撑体的周围、整个表面层上进行不导电且化学惰性材料的包覆成型是合理的，使得分配板组件具有均匀的厚度。

最后，将指出上述本发明的两个变形例的非常有趣的优点。由于如下事实，即双极板的导电部分不穿过任何的通道，尤其不穿过其中流动冷却剂的内部通道，所以不再通过流体系统接地。因此不再需要将它们与主要部分绝缘或使用不导电流体作为冷却剂。例如，通常用于冷却内燃机的传统的水/甘醇混合物完全适用。

Claims (13)

1.分配板(11)，其具有第一面(11l)和与所述第一面(11l)相对的第二面(11r)，将所述第一面(11l)设计为与扩散燃料电池所使用的气体中的一种气体的膜相接触，所述分配板具有给定的厚度并且具有被设计为与离子交换膜相对设置的工作部分(S)，所述分配板(11)在所述第一面上包括凹槽，该凹槽形成用于所述气体中的一种气体的第一分配通道(111)，所述第一分配通道几乎遍布在所述第一面的整个工作部分上，其特征在于所述分配板由结构性支撑体形成，其中该结构性支撑体至少在表面上不导电且至少在所述表面上为化学惰性，其特征还在于所述分配板包括穿透到所述结构性支撑体中的插针(10)，所述插针穿过所述第一面的突出部分未与所述第一通道相交，所述插针由导电的非金属材料制成，其中在所述厚度内包括内部通道(122)，所述内部通道(122)具有几乎覆盖所述整个工作部分的布置、并且所述工作部分中未出现在所述第一面或所述第二面上，设置所述内部通道以循环冷却剂。

2.根据权利要求1所述的分配板，其中所述插针由石墨制成。

3.根据权利要求1所述的分配板，其中所述插针由高度充满碳黑的聚合物制成。

4.根据权利要求1所述的分配板，其中所述插针由充满短碳纤维的聚合物制成。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的分配板，其特征在于所述结构性支撑体由不导电的材料制成。

6.根据权利要求5所述的分配板，其特征在于所述结构性支撑体的材料是塑料。

7.根据权利要求1-4中任一项所述的分配板，其特征在于所述结构性支撑体的材料是表面钝化的铝。

8.根据权利要求1所述的分配板，其中所述插针由可注射成型的材料制成。

9.根据权利要求8所述的分配板，其中所述插针由可注射成型的材料制成，所述分配板在所述第一面的侧面上包括由与所述插针相同的材料制成的表面层，所述第一分配通道的底部由所述结构性支撑体的表面形成，所述第一分配通道的侧面由所述表面层形成。

10.根据权利要求1-4中任一项所述的分配板，其中所述插针(10)在所述工作部分中通过所述第一和第二面中的每一个面而出现在两侧上。

11.根据权利要求1所述的分配板，形成双极板(1)，将所述第二面(12r)设计为与用于使燃料电池所使用的气体中的另一种气体扩散的膜相接触，在所述第二面上包括凹槽，该凹槽形成用于所述气体中的另一种气体的第二分配通道(121)，所述第二分配通道几乎遍布在所述第二面上的整个工作部分上。

12.根据权利要求5所述的分配板，其特征在于其包括叠置在所述厚度内的第一分配板(11)和第二分配板(12)，所述第一分配通道(111)布置在所述第一分配板上，第二分配通道(121)和内部通道(122)布置在所述第二分配板上。

13.根据权利要求1-4中任一项所述的分配板，其中所述插针遍布在所述整个工作部分上。

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