CN101432914B - 模压pem燃料电池板制造 - Google Patents

Abstract

提供一种用于燃料电池的隔离板，包括第一支撑元件和从该板的第一表面延伸的一系列第二支撑元件。一系列孔设置在第一支撑元件和该系列第二支撑元件之间，用于传输反应气体通过其中以将其输送到隔离板的流动区域。

Description

模压PEM燃料电池板制造

技术领域

本发明涉及PEM燃料电池，更具体地涉及隔离板结构。

背景技术

燃料电池已经在许多应用中用作电源。例如，已经提出燃料电池在电动车动力装置中用来代替内燃机。在质子交换膜(PEM)型燃料电池中，氢气供应到燃料电池的阳极，氧气作为氧化剂供应到阴极。PEM燃料电池包括膜电极组件(MEA)，该膜电极组件(MEA)包括薄的可透过质子的非导电固体聚合物电解质膜，该膜在一面具有阳极催化剂，在相对一面具有阴极催化剂。MEA夹在一对非多孔性导电元件或者隔离板之间，该隔离板(1)用作阳极和阴极的电流集电器，和(2)包含形成在其中的适合的通道和/或者开口，用于将燃料电池气体反应剂分布在相应阳极和阴极催化剂表面上。

术语“燃料电池”通常用来指单体电池或者多个电池(堆叠)，这取决于具体情况。多个单体电池通常捆绑在一起以形成燃料电池堆叠，并且通常以电串联的方式布置。堆叠内的每个电池包括上述的膜电极组件(MEA)，每个这样的MEA提供其电压增量。堆叠内一组相邻的电池被称为一簇。

在PEM燃料电池中，氢气(H2)是阳极反应剂(即，燃料)，并且氧气是阴极反应剂(即，氧化剂)。氧气能够是纯氧形式(O2)或者空气(O2和N2的混合物)。固体聚合物电极通常由诸如全氟磺酸(perfluoronated sulfonic acid)树脂的离子交换树脂制成。阳极/阴极通常包括通常支撑在碳颗粒上的精细化的催化剂颗粒，并且与质子传导树脂混合。催化颗粒通常是昂贵的贵重金属颗粒。由于这些MEA制造相对昂贵，并且需要一定的条件以用于有效操作，该条件包括适合的水管理和湿度以及催化剂污垢成分(诸如一氧化碳(CO))控制。

夹持MEA的导电板可以在其面上包含槽阵列，该槽阵列限定出反应剂流动区域以将燃料电池气态反应剂(即，空气形式的氢气和氧气)分布在相应的阴极和阳极的表面上。这些反应剂流动区域一般包括之间限定多个通道的槽脊(land)，气态反应剂从流动通道的一端的供应集管通过该通道流到流动通道的相对端的出气集管。

在传统的隔离板中，通道限定在平面的确定区域中用于传输通过隔离板的流。一旦流传输到隔离板的所期望的表面，限定流动通道的槽脊使流通过隔离板表面。通常，通道布置在隔离板上经过高度变化的位置处。

一种用于制造隔离板的方法包括在模压过程中形成高度变化或槽脊。随后，通道形成在模压板上期望的位置处。在具有预形成高度变化的板中形成通道的过程会是困难的和成本不菲。

发明内容

本发明提供用于PEM燃料电池的隔离板，包括从隔离板的平坦表面延伸的第一支撑元件，和从隔离板的该平坦表面延伸的第二支撑元件，其中平坦表面限定有设置在第一支撑元件和第二支撑元件之间的孔，用于允许反应气体流动通过其中。

从以下提供的详细的描述中本发明的其它应用领域将变得明显可见。应该理解到尽管表明了本发明优选实施例，但详细描述和具体示例意在仅仅示例的目的，不意在限制本发明的范围。

附图说明

本发明从详细的描述和附图中得到更充分的理解，其中：

图1是示例性电池堆叠的一部分的剖视图；

图2A是根据本发明的原理的隔离板的局部透视图，其中示出第一集管部分；

图2B是图2A的隔离板的局部透视图，其中示出第二集管部分；

图3是图2A的隔离板的入口区域的细节透视图；

图4是图2A的隔离板的出口区域的细节透视图；

图5是根据本发明的附加特征的隔离板的局部透视图；和

图6是根据附加特征的入口孔或者出口孔的平面视图。

具体实施方式

下面优选实施例的描述本质上仅仅是示例性，无论如何不意在限定本发明、其应用或者使用。

开始参照图1，图示了燃料电池堆叠10的一部分的剖视图。燃料电池堆叠10包括一系列燃料电池12。每个燃料电池12包括夹在隔离板16之间的膜电极组件(MEA)14。扩散介质18设置在MEA14和每个隔离板16之间。阳极反应剂(即，氢气)和阴极反应剂(即，氧气)由隔离16分配以在MEA14上反应。

在一个情况下，隔离板16组合为双极板20。每个双极板20包括阳极隔离板16a和阴极隔离板16c。阳极隔离板16a具有阳极面22和冷却剂面24a。阳极流动区域26形成在阳极面22中，并且部分冷却剂流动区域28a形成在冷却剂面24a中。阴极隔离板16c包括阴极面30和冷却剂面24c。阴极流动区域32形成在阴极面30，并且部分冷却剂流动区域28c形成在冷却剂面24c中。阳极隔离板16a和阴极隔离板16c堆叠在一起，使得冷却剂面24a和24c彼此相邻。根据本发明，冷却剂面24a和24c的部分冷却剂流动区域28a和28c对齐形成具有流动区域几何结构的流体通道。

如当前所优选的，阳极和阴极16a和16c是可以通过将更详述的模压和成形操作形成的金属板(优选为不锈钢)。本技术领域的一般人员将认识到可以利用其它适合的材料和制造工艺用于阳极和阴极16a和16c。

继续参考图1，还参考图2A-图4，将详述双极板20的阳极板16a。具体参照图2A，阳极板16a包括将第一反应剂分布在双极板20上的第一反应剂入口集管40。第二反应剂入口集管42布置在阳极板16a上，用于将第二反应剂分布在双极板20上。冷却剂入口集管44与冷却剂流动区域28a和28c流体相通。

具体参照图2B，阳极16a包括第一反应剂出口集管50用于排出第一反应剂、第二反应剂出口集管52用于将第二反应剂排出、和冷却剂出口集管54用于排出冷却剂。

阳极板16a构造成通过设置在阳极板16a中入口区域62处的入口孔或者多个入口孔60接收阳极反应气体(图3)。入口孔60沿着阳极板16a以大致线性图案布置。同样，阳极板16a包括设置在阳极板16a中的出口区域72处的出口孔70(图4)。出口孔或者多个出口孔70沿着阳极板16a以大致线性图案布置。布置在阳极面22上的阳极流动区域26可用于将阳极反应气体从入口区域62流通到出口区域72。孔60和/或者70还能够以交错图案布置或者以短轴对齐。例如，如在图6中所示，入口孔60’示出交错在入口区域62’中。

现在具体参照图3，将更加详细描述阳极入口区域62。阳极入口区域62包括以大致线性图案靠近入口孔60布置的一系列第一支撑元件80。该系列第一支撑元件80从阳极面22的大致平坦的第一表面82延伸，并且在大致平坦的第二表面84终止。第一表面82和第二表面84分别限定彼此隔开的第一和第二平面A和B。第二支撑元件90从阳极面22的平坦的第一表面82延伸，并且在第二表面94终止。第一支撑元件80和第二支撑元件90的相应的第二表面84和94大致共面。如所示，入口孔60置于该系列第一支撑元件80和第二支撑元件90之间。入口孔60形成在阳极面22的第一平坦表面82中或者在第一平坦和第二平坦表面82和84之间的中间平面表面中。

现在具体参照图4，将更详细描述阳极出口区域72。阳极出口区域72包括以大致线性图案靠近出口孔70布置的一系列第三支撑元件100。该系列第三支撑元件100从阳极面22的大致平坦的第一表面82延伸，并且在与第二平面B共面的第二表面104处终止。第四支撑元件110从阳极面22的平坦第一表面82延伸，并且在第二表面114处终止。第四支撑元件110还由多个指状部分118限定。第三支撑元件100和第四支撑元件110的相应第二表面104和114大致共面。如所示，出口孔70置于该系列第三支撑元件100和第四支撑元件110之间。出口孔70形成在阳极面22的第一平坦表面82上，或者在第一平坦和第二平坦表面82和84之间的中间平面表面中。

现在参考图3，现在描述阳极入口区域62的操作。在操作中，随着反应气体向上通过入口孔60(从图3可观察)，在阳极入口区域62的第二支撑元件90可用于在第一、第二和第三方向D1、D2和D3上约束反应气体，并且在向着该系列第一支撑元件80的第四方向D4上影响反应气体。进一步说明，第二支撑元件90限定大致U型壁，以建立使反应气体流向最小阻力区域(在方向D4)或者该系列第一支撑元件80之间的区域的边界。以此方式，反应气体导向阳极流动区域26。

现在参照图4，现在将描述阳极入口区域72的操作。在操作中，随着反应气体从阳极流动区域26和该系列第三支撑元件100之间流过，在阳极出口区域72处的第四支撑元件110可用于在第四方向上约束反应气体。进一步说明，第四支撑元件110限定大致U形壁，以建立边界(在D2、D3和D4方向)，使得反应气体流向最小阻力的区域或者向下流过出口孔或多个出口孔70。

阳极板20a包括诸如不锈钢的金属板。流动区域26和相应的支撑元件80、90、100和110在诸如模压或者其它任何适合用于成形金属板的工艺的金属成形操作过程中形成在金属板中。一旦期望流动区域和支撑元件在金属板中形成，入口孔和出口孔60和70分别在各自的入口和出口区域62和72中穿孔。这些能够同时或者依次完成，并且甚至以颠倒的顺序，穿孔然后形成。入口孔和出口孔60和70通过诸如激光切割的任何适合的制造工艺来形成。阳极板结构提供了有利的平坦加工表面(阳极面22的平坦表面A)，以形成孔60和70。具体是，相应的孔60和70仅仅穿过平坦表面A形成，不需要通过设置在阳极板20a上的任何高度变化(诸如与支撑元件80、90、100和110有关的高度变化)。

现在参照图5，示出根据另一个实施例的隔离板200。隔离板200包括具有第一支持结构212的入口区域210和由槽脊222限定的流动区域220。第一支撑结构212在前边缘包含通道216，用于通过该通道并向流动区域220传输反应气体。可以理解到第一支撑结构212还可以包含在出口区域，并可包含用于将反应气体从流动区域传输远离板200的通道。

现在将描述隔离板200的形成。通道216通过诸如激光切割的任何适合制造步骤首先在薄的金属板中形成。流动区域220的槽脊222和相应的支撑结构随后在诸如模压或者任何其它适合的成形金属板工艺的金属成形操作过程中形成在金属板中。开口槽的产生和支撑结构的形成能够同时进行，或者使用分开操作接着成形操作单独地进行，或者反之亦然。

本技术领域的技术人员现在从前述描述能够理解到本发明的宽的技术教导能够以各种形式实现。例如，尽管此处的论述涉及阳极板的入口和出口区域，也可以应用到结合在燃料电池中的任何隔离板(诸如阴极)。同样，入口特征可以用作出口特征，或者反之亦然。此外，尽管入口孔和出口孔60和70以线性图案布置示出，其它图案也可以采用，诸如但不限于交错。因而，尽管本发明已经结合特定的实施例描述，但是本发明的真正的范围不应由此受限，因为本技术领域的技术人员在研究附图、说明书和下列权利要求之后其它修改变得显而易见。

Claims (20)

1.一种用于PEM燃料电池的隔离板，包括：

板部件，该板部件包括入口集管、出口集管、以及在所述入口集管和出口集管之间的流动区域；

第一支撑元件，从所述板部件的平坦表面延伸；和

第二支撑元件，从所述板部件的所述平坦表面延伸；

其中，所述平坦表面限定有置于所述第一支撑元件和所述第二支撑元件之间且设置在板部件的入口区域和出口区域处的孔，所述孔仅仅穿过所述平坦表面形成而不需要通过设置在所述板部件上的任何高度变化。

2.根据权利要求1所述的隔离板，其中所述第一支撑元件包括从所述平坦表面延伸的一系列支撑元件。

3.根据权利要求2所述的隔离板，其中所述平坦表面限定有到所述平坦表面中的一系列孔。

4.根据权利要求3所述的隔离板，其中所述一系列支撑元件以大致线性图案沿着所述平坦表面布置，并且其中所述一系列孔以大致线性图案沿着所述平坦表面并且平行于所述一系列支撑元件布置。

5.根据权利要求4所述的隔离板，其中所述第二支撑元件靠近所述一系列孔延伸。

6.根据权利要求5所述的隔离板，其中所述一系列孔可用于接收反应气体通过其中，并且其中所述第二支撑元件可用于在第一方向约束所述反应气体，所述隔离板可用于在所述一系列第一支撑元件之间沿第二方向引导所述反应气体。

7.根据权利要求6所述的隔离板，其中，所述一系列第一支撑元件可用于将所述反应气体引导到在所述板部件的所述平坦表面上形成的流动区域中。

8.一种用于PEM燃料电池的隔离板，包括：

具有限定第一平面的第一表面的板部件包括入口集管、出口集管、以及在所述入口集管和出口集管之间的流动区域；

从所述第一平面延伸并且终止于限定第二平面的第二表面处的第一支撑元件；和

从所述第一平面延伸并且在与所述第二平面共面的第二表面处终止的第二支撑元件；

其中，所述第一表面限定整个形成在其中并且置于第一支撑元件和所述第二支撑元件之间且设置在板部件的入口区域和出口区域处的孔，所述孔仅仅穿过所述第一平面形成而不需要通过设置在所述板部件上的任何高度变化。

9.根据权利要求8所述的隔离板，其中所述第一支撑元件包括从所述第一平面延伸的一系列支撑元件。

10.根据权利要求9所述的隔离板，其中所述第一表面限定形成在所述第一平面中的一系列孔。

11.根据权利要求10所述的隔离板，其中所述一系列支撑元件以大致线性图案沿着所述第一平面布置，并且其中所述一系列孔以大致线性图案沿着所述第一平面并且平行于所述一系列支撑元件布置。

12.根据权利要求11所述的隔离板，其中所述第二支撑元件靠近所述一系列孔延伸。

13.根据权利要求12所述的隔离板，其中所述一系列孔可用于接收反应气体穿过其中，并且其中所述第二支撑元件可用于在第一方向约束所述反应气体，所述隔离板可用于在所述一系列第一支撑元件之间沿第二方向引导所述反应气体。

14.根据权利要求13所述的隔离板，其中所述一系列第一支撑元件可用于将所述反应气体引到形成在所述第一平面上的流动区域中。

15.根据权利要求12所述的隔离板，其中所述一系列孔可用于接收反应气体穿过其中，并且其中所述第二支撑元件可用于将所述反应气体约束在所述第一和所述第二平面之间，并且影响所述反应气体以通过所述一系列孔。

16.一种用于PEM燃料电池的隔离板，包括：

具有用于传输第一流体的第一表面和用于传输第二流体的第二表面的导电材料板，该导电材料板包括入口集管、出口集管、以及在所述入口集管和出口集管之间的流动区域；和

形成在所述第一表面上并且在第一平面和第二平面之间的延伸的第一支撑元件，所述第一平面和所述第二平面具有大致平行关系；

其中所述第一表面限定整个限定在所述第一平面上且设置在导电材料板的入口区域和出口区域处的孔，所述孔可用于传输所述第一流体通过其中，并且所述孔仅仅穿过所述第一平面形成而不需要通过设置在所述导电材料板上的任何高度变化。

17.根据权利要求16所述的隔离板，其中所述第一支撑元件包括从所述第一表面延伸的一系列支撑元件。

18.根据权利要求17所述的隔离板，其中所述第一表面限定整个限定在所述第一平面上的一系列孔。

19.根据权利要求18所述的隔离板，其中所述一系列支撑元件以大致线性图案沿着所述第一表面布置，并且其中所述一系列孔以大致线性图案沿着所述第一表面并且平行于所述一系列支撑元件布置。

20.根据权利要求19所述的隔离板，还包括：

形成在所述第一表面上并且在所述第一平面和所述第二平面之间延伸的第二支撑元件；

其中，所述第二支撑元件可用于在第一方向约束所述第一流体，所述隔离板可用于在所述一系列第一支撑元件之间沿第二方向引导所述第一流体。