CN102576884A - 燃料电池复合流场元件及其形成方法 - Google Patents

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Abstract

一种复合流场元件(10)，如用于高温空气冷却燃料电池组合件中的分隔板，优选包括不均匀厚度的金属片基底(18)，如网状物，以及通过导电粘合剂(24)结合到所述金属网状物的柔性石墨层(22)。

Description

燃料电池复合流场元件及其形成方法
技术领域
本发明涉及燃料电池，并且更具体地涉及其部件如分隔板和流场元件，以及用于生产这些部件的方法。
背景技术
典型的燃料电池系统包括电源部分，电源部分中一个或更多个燃料电池产生电力。每个燃料电池单元可包括在中间的质子交换部件(PEM)，以及在质子交换部件两侧的气体扩散层。阳极和阴极催化剂层分别置于气体扩散层的内侧。该单元称作膜电极组合件(MEA)。双极分隔板分别置于膜电极组合件的气体扩散层的外侧上，并充当燃料电池组合件的结构支撑，并提供用于燃料和氧化物流通道。这种类型的燃料电池通常称作PEM燃料电池。重要的是双极分隔板机械上牢固、为导电导热性并且不可渗透气体。
双极分隔板可由石墨形成，该石墨具有加工到板中的众多流通通道。这样的石墨分隔板可具有许多缺点。第一，这些板重且随着燃料电池中的温度升高而遭受开裂。第二，由石墨加工这些板的成本对燃料电池单元的总体成本有负面影响。
加工的石墨分隔板的一种替代是由金属片制成的波纹分隔板。波纹金属板消除了在石墨板中加工流通通道的相对昂贵的步骤。该方法减少了每平方英尺最终产品的总体成本。然而，波纹金属分隔板不耐腐蚀，因此该替代也因波纹金属分隔板的两侧均镀金或铂以耐腐蚀而变得昂贵。
因此，还存在机会以通过消除对高成本的加工石墨板和镀铂或金的金属板的需求来改进燃料电池流场元件(如分隔板)，并有助于大规模生产制造。
发明内容
因此本发明的特征是提供具有较低生产成本并且易于大规模生产制造的燃料电池部件，同时实现具有可成型性和耐腐蚀性的燃料电池部件的期望热导率和电导率，尤其是在超过100℃下操作的高温燃料电池应用中。
根据本发明的各方面，燃料电池复合流场元件可包括导电基底片，所述导电基底片具有间插(interspaced)在外表面节点间的一系列凹陷，由此提供不均匀厚度；施加到基底的导电粘合剂；以及结合到基底的一侧或两侧的柔性石墨层。所述燃料电池复合流场元件还提供至少一个流通通道。
节点相对于基底片的基准面可以为基本上相同高度，或者一些节点可相对于基底的基准面具有较之其他节点的高度不同的高度。类似地，凹陷可相对于基底片的基准面具有基本上相同的深度。或者，一些凹陷可相对于基底片的基准面具有较之其他凹陷的深度不同的深度。
凹陷可为基底片中的微坑(dimple)。凹陷可为片中的贯穿孔。基底片可为网筛，其中凹陷为网筛的通孔并且节点由网筛的网带(webbing)提供。基底片可为织造网状物，其中凹陷为网状物的通孔并且节点由网状物的织物结构(weave)提供。网状物可为金属。金属网状物可具有0.001英寸到0.010英寸范围内的厚度。基底可包括金属或金属合金。基底也可包括织造或非织造碳纤维。
粘合剂可作为粉末施加，并且粘合剂粉末可在施加之后固化。优选地，粘合剂厚度在节点上比在凹陷中更薄。导电粘合剂可包括聚合物组分和碳颗粒，其中碳颗粒分散在聚合物组分中。聚合物组分可包括固化的热塑性塑料。优选地，聚合物组分具有超过190℃的连续使用温度。
燃料电池复合流场元件可为MEA支撑板并且流通通道可为穿过支撑板的平面的流体端口。或者，燃料电池复合流场元件可配置为波纹流场插入件。流场元件也可制成分隔板并且流通通道可为穿过支撑板的平面的流体端口。
根据本发明另一方面，可利用一种用于制作燃料电池复合流场元件的方法。在该方法中，导电粘合剂被施加到柔性石墨层。具有由间插在外表面节点间的一系列凹陷提供的不均匀厚度的导电基底片被放置到柔性石墨层上。将导电粘合剂施加到基底。第二柔性石墨层覆盖基底片以形成复合堆叠体。
复合堆叠体固化并被热压。最终，复合堆叠体在负重下冷却到室温。
粘合剂可包括PPS聚合物粉末(100ppw)；水(260ppw)；丙二醇(20ppw)；润湿剂(4ppw)和石墨(100ppw)的组合。对金属网筛基底的优选应用，粘合剂的最小量可由网筛的网带尺寸和开口面积对网筛总面积的开口百分数来计算。粘合剂的最小量可基于粘合剂固化密度平均值、网带尺寸、开口百分数和基底片总面积的乘积以质量计算。
固化步骤可包括在空气循环加热环境中加热复合堆叠体到约375℃约35分钟。热压步骤可包括以约1000psi和约280℃在两块钢板之间压制复合堆叠体约30秒。
本发明的优点是提供具有高的热导率和电导率的燃料电池部件，其消除了对高成本的加工石墨板和镀铂或金的金属板的需要。
本发明的另一优点是提供容易制作的燃料电池部件，包括形成该部件。
通过以下具体实施方式和附图，本发明的这些以及其他特征、目标和优点对于本领域技术人员将变得更明显。
附图说明
图中示出当前优选的实施方案。然而，特别注意的是，本发明不限于图中所示的精确布置和手段。
图1是燃料电池流场元件的透视和剖视图，燃料电池流场元件具有在一对柔性石墨层之间呈网状物形式的不均匀厚度的金属基底，粘合剂施加在金属基底和每层柔性石墨层之间；
图2A示出配置来用作分隔板的燃料电池流场元件的截面视图；
图2B示出褶皱以用作流场插入件的燃料电池流场元件的截面视图；
图3A是呈网筛形式的不均匀厚度的导电基底的透视图；
图3B是置于复合堆叠体中的图3A中基底(未按比例)的部分截面视图；
图4A是呈织造网状物形式的不均匀厚度的导电基底的透视图；
图4B是置于复合堆叠体中的图4A中基底(未按比例)的部分截面视图；
图5A是呈穿孔板形式的不均匀厚度的导电基底的透视图；
图5B是置于复合堆叠体中的图5A中基底(未按比例)的部分截面视图；
图6A是呈带微坑的板形式的不均匀厚度的导电基底的透视图；
图6B是置于复合堆叠体中的图6A中基底(未按比例)的部分截面视图；
图7A是呈波纹网状物形式的不均匀厚度的导电基底的透视图；
图7B是置于复合堆叠体中的图7A中基底(未按比例)的部分截面视图；
图8A是呈粗糙化或经蚀刻的膜或板形式的不均匀厚度的导电基底的透视图；
图8B是图8A中基底(未按比例)的部分截面视图；
图9图示用于制作燃料电池流场元件的方法；
图10是各个分隔板的电和热性质作为柔性石墨层厚度的函数的图；
图11示出用在4-电池燃料电池中的波纹层合样品的BASF极化曲线和压降对电流密度；
图12是带金属板的空气冷却8-电池堆测试结果的图。
图13是带金属板的3kW空气冷却80-电池堆测试结果的图。
图14是使用根据本发明的复合堆叠体的带有板的空气冷却4-电池堆测试结果的图。
图15是示出单电池性能作为在H2/空气下电池温度的函数的图。
具体实施方式
本发明的各实施方案涉及燃料电池复合流场元件，以及涉及制作这些流场元件的方法，所述方法适于改进热导性和电导性与可成形性的组合。本发明的各方面将联系各个流场元件结构来解释，但具体实施方式仅意图为示例性的。本发明的各实施方案示于图1-9中，但本发明不限于所图示的结构或应用。
没有数词限定的名词在本文使用时，定义为一个或多于一个。术语“多个”在本文使用时，定义为两个或多于两个。术语“另外”在本文使用时，定义为至少第二或更多。术语“包括”和/或“具有”在本文使用时，定义为包括(comprising)(即，开放式语言)。
燃料电池复合流场元件可采用燃料电池中的多种形式和应用。流场元件可配置为MEA支撑板、波纹流场插入件或分隔板，以列举几个实施例。如图1中所示，复合流场元件10包括复合堆叠体12并提供至少一个流通通道14。所示的流场通道14为诸如燃料电池堆中燃料和氧化物供应与排出的应用提供贯通平面流动。可有多于一个流场通道，并且当采用多个流场通道时，它们在大小、形状和构造上可相同或可不同。贯通平面流场通道可位于复合堆叠体12周界内堆叠体上的各个位置，或在堆叠体12的边缘上。
根据本发明一方面，复合堆叠体12包括具有不均匀厚度的导电基底片，如网筛16。在本文种使用时，“不均匀厚度”意指基底片具有间插于外表面节点间的一系列凹陷。该结构造成片厚度的变化。凹陷是指低陷处，并可包括片中的通孔，而节点代表凹陷之间的片表面。节点可为平坦或平的，或可呈现相对于基准面的各种高度。术语“片”在用于描述基底时不限制基底为平的或平坦构造，基底和复合堆叠体可形成为其他形状，包括波纹、弯曲和皱褶。
不均匀厚度可提供为若干不同布置。如图1中所示，优选构造的片呈网状物或网筛16的形式，其中通孔18(仅将一个通孔标记编号以辅助阐述)在整个网筛16上重复，形成凹陷并且网筛16的网带20代表节点。
除了不均匀厚度的基底片之外，复合堆叠体12还包括一个，优选两个覆盖基底片的柔性石墨层22。柔性石墨层22为复合堆叠体12提供耐腐蚀性。复合堆叠体12还包括施加在基底片，如网筛16和柔性石墨层22之间的导电粘合剂24。不均匀厚度的基底片的凹陷和节点使得在与没有节点和凹陷的片相比时，导电粘合剂24能够接触基底片的更大表面积，并且允许基底片的凸起节点接触或设置为更接近石墨层22。复合堆叠体12的这些特性进一步增强了流场元件10的热和电导率。
不均匀厚度的导电基底可包括任意合适的导电材料，但优选为金属或金属合金。例如，不均匀厚度的材料基底可包括金属网状物，如不锈钢网状物；皱褶或卷曲金属箔，如不锈钢箔；或织造或非织造碳纤维。
呈网状物16形式的不均匀厚度的基底可包括具有形状保持性质的任意细筛、金属丝布或网筛。例如，网状物16可包括在其间有小开口空隙的织造金属丝。网状物的开口空隙允许在整个层厚度上沉积导电粘合剂24的连续网络，防止基底金属表面的大片剥落。
网状物大小可包括在80×80到600×600之间。诸如100×150目的矩形开口适合于辊到辊浸渍过程，其中网速度和方向可影响浸渍的程度。
具有约30％开口面积的150×150目的机械性质适合于提供匹配用于高温PEM膜的期望压缩负载的压缩弹簧常数。燃料电池压缩期间的过度压力减少MEA的寿命。理想地，针对0.0005英寸到0.002英寸范围的压缩应变，施加在MEA上的压缩应力应保持在150psi以下，并且更具体为100psi以下。利用适当选择的金属加强，对于直到0.002英寸的应变，可获得小于50psi的压缩应力。
网状物的开口面积百分数可在20％到80％的范围。开口尺寸应允许用导电粘合剂浸渍网状物。典型的开口尺寸在从0.0005英寸到0.010英寸范围。较小的开口可与较低粘度的导电粘合剂一起使用。0.001英寸到0.005英寸范围内的开口提供对于在加强层内形成导电粘合剂材料的强网络的最佳范围。
金属网状物提供几个优点，包括不均匀厚度的金属基底的增大的表面积(以及由此而增加的与导电粘合剂的接触面积)，提供与金属箔加强层相比较低的贯通平面电阻。参见下表4。
金属网状物或皱褶或卷曲的金属箔提供几个优点，包括使用机械弯曲如通过折皱将复合体形成为三维结构的能力。薄的非加强柔性石墨的折皱(波纹形状)以其他方式是不可能的，因为机械弯曲应力造成未加强的柔性石墨片容易撕破。另外，柔性石墨在燃料电池堆组装期间生成的压缩负载下将不具有足够的强度来保持波纹形状。如图2A中所示，复合堆叠体26可以以具有通过堆叠体26的平面形成的流体通道28的平面布置来使用。或者，如图2B所示，复合堆叠体30可形成以提供波纹形状，提供流通通道32。金属基底箔厚度可在从0.001英寸到0.010英寸的范围。使用0.002英寸厚金属箔的波纹形状具有令人满意的机械性质，并且使得高速辊到辊制作以及冲压、冲割或冲切操作成为可能。
不均匀厚度的金属基底的另一优点是复合体平面中较低的电阻率。实际上，金属/柔性石墨复合体的使用为给定厚度的分隔板提供面内电和热导率的改善的组合。基底片可在各种构造中呈现不均匀厚度。图3-8包括不同基底轮廓的透视和横截面视图，图示根据本发明各方面的不均匀厚度基底片的各种凹陷和节点布置。基底片的基准面可为中心平面，或表面平面中之一。
如图3A-3B中所示，基底片可为网状物34，其提供在整个网状物34上重复的通孔凹陷36，所述通孔凹陷36间插于由网状物34的网带38提供的节点间，但仅将一个通孔凹陷36编号以帮助阐述。图3A-3B的实施例中，网状物34是非织造的，提供基本上相同高度的节点。图3B中，网状物34示为以不按比例的间隔置于石墨层40之间。中间粘合剂未示出，但应理解为基本上占据网状物34和石墨层40之间的空隙，包括延伸到一个或更多个通孔凹陷36中。
图4A-4B示出织造的替代物网筛42，经纬线44代表在网筛42的通孔凹陷46间的不同高度的节点(再一次，仅一个凹陷用数字标记)。图4B中，网筛42示为以不按比例的间隔置于石墨层48之间。中间粘合剂未示出，但应理解为基本上占据网筛42和石墨层48之间的空隙，包括延伸到一个或更多个通孔凹陷46中。
图5A-5B示出在片中具有穿孔52(仅对一个穿孔编号)的基底片50的轮廓，以在均匀高度节点间如片50的表面区域54间提供通孔凹陷。图5B中，片50示为以不按比例的间隔置于石墨层56之间。中间粘合剂未示出，但应理解为基本上占据片50和石墨层56之间的空隙，包括延伸到一个或更多个通孔凹陷52中。
图6A-6B示出具有均匀高度的节点和均匀深度的凹陷的基底片58。凹陷可形成在一侧上，以提供微坑，如微坑60，其代表节点间如表面区域62间的其他类似示出的微坑。图6B中，片58示为以不按比例的间隔置于石墨层64之间。中间粘合剂未示出，但应理解为基本上占据片58与石墨层64之间的空隙，包括延伸到一个或更多个微坑凹陷60中。
图7A-7B示出具有不同高度的节点和不同深度的凹陷的基底片。该不均匀厚度的布置可例如由卷曲箔66以形成凹陷如示例性的凹陷68、70，以及节点如示例性的节点72、74来获得。图7B中，示出具有基准面76的箔66，，其以不按比例的间隔置于石墨层78之间。中间粘合剂未示出，但应理解为基本上占据箔66和石墨层78之间的空隙，包括延伸到一个或更多个凹陷如凹陷68、70中。
图8A-8B示出另一具有不同高度的节点和不同深度的凹陷的基底片。该不均匀厚度的布置可例如由粗糙化、蚀刻或刮擦箔或板80而得到凹陷如凹陷82、84以及节点如节点86、88来获得。每侧的表面粗糙度或轮廓优选为平均箔厚度的约一半，即2密尔的平均箔厚度可具有1密尔的表面轮廓。图8B中，箔80示为以不按比例的间隔置于石墨层90之间。中间粘合剂未示出，但应理解为基本上占据箔80与石墨层90之间的空隙，包括延伸到一个或更多个凹陷，如凹陷82、84中。
为了使不均匀厚度的基底结合到柔性石墨层并最大化复合体的贯通平面导电性，使用导电粘结剂或粘合剂。典型地，颗粒形的碳被用来为粘合剂赋予导电性。然而，由于增加的耐腐蚀性，石墨颗粒比更无定形形式的碳更为优选。
导电粘合剂还具有聚合物组分，其必须耐受操作高温PEM膜所要求的高温。为了延长寿命，高温PEM膜典型地在120℃到160℃之间操作，但也可在190℃或更高温度下短时间操作，或为达到最大功率。高温PEM燃料电池分隔板的标称操作温度在160℃到180℃之间，获得寿命与功率输出的最佳平衡。
导电粘合剂的聚合物组分必须保护金属免受腐蚀，并应在燃料电池操作期间金属表面不剥落或剥离。大片剥落会阻塞流通通道，并对燃料电池的性能和寿命有负面影响。关于避免剥落或剥离，金属箔不是优化的。
导电粘合剂的聚合物组分可包括任何合适的材料，如热塑性塑料。尽管传统上用作涂层，加强层可通过施加热塑性塑料随后固化而结合到柔性石墨层。例如，导电粘合剂可包括环氧树脂与石墨片屑的混合物。
典型地，用于在超过100℃操作的高温应用的聚合物选自热固性塑料。然而，优选的聚合物包括一般用作涂料或用于模塑部件的基质材料的热塑性塑料。根据本发明各方面的复合堆叠体使用热塑性聚合物作为粘合剂部分，有助于复合堆叠体的可成型性，并通过固化粘合剂解决用在高温燃料电池环境中的热塑性塑料的暴露。
导电粘合剂可呈粉末或浆料形式。尽管粉末形式对于金属网状物基底的应用为优选的，但是粉末可能更难以均一施加。网状物基底的使用可帮助使粉末均一地分布。
导电粘合剂的厚度可在从0.0005英寸到0.01英寸的范围，并且也可延伸成贯穿金属网状物基底厚度的互穿网络。粘合剂可浸渍到金属网状物内的空隙中，简化更高粘度粘合剂配方的施用。
柔性石墨层可由适于在压力下柔曲的石墨形成。柔性石墨层也可由填充有石墨的聚合物材料形成。
柔性石墨层的厚度可以变化，以影响复合体性质。厚度的范围一般在0.001英寸到0.030英寸之间。0.010到0.020英寸的柔性石墨层厚度使得能够更好地传导热，但可能难以通过皱折形成精细通道。
0.001到0.010英寸的柔性石墨层厚度改善了可成形性。例如，具有0.040到0.050英寸的通道高度和0.016英寸复合体厚度的本发明的波纹状分隔板具有两个0.005英寸厚的柔性石墨层。
表1示出结合到不锈钢加强层的具有变化厚度的柔性石墨层的分隔板的性质。
层合复合分隔板与不锈钢
Figure BDA0000149594110000091
层合结构＊
Figure BDA0000149594110000101
＊分析忽略来自导电粘合剂的贡献
＊＊面内(in-plane)性质
表2示出结合到钢加强层的具有变化厚度的柔性石墨层的分隔板的性质。
层合复合分隔板与普通钢
Figure BDA0000149594110000102
层合结构＊
Figure BDA0000149594110000111
＊分析忽略来自导电粘合剂的贡献
＊＊面内性质
表3示出结合到镍加强层的具有变化厚度的柔性石墨层的分隔板的性质。
层合复合分隔板与镍
层合结构＊
＊分析忽略来自导电粘合剂的贡献
＊＊面内性质
图10中的图表图示来自表1到3的结果，有关各个分隔板的电和热性质随柔性石墨层的厚度如何变化。
现在参考图9，根据本发明各方面的复合堆叠体92可以如下方式形成。将由至少一种金属和金属合金形成的不均匀厚度的基底94置于柔性石墨层96之间，柔性石墨层96由适合于在压力下柔曲的石墨或填充有石墨的聚合材料形成。柔性石墨层96通过导电粘合剂98而结合到不均匀厚度的基底94的相反表面，导电粘合剂98施加在柔性石墨层96和不均匀厚度的基底94之间。为了结合部件以形成复合堆叠体92，堆叠体92优选首先固化，并在固化步骤100中施加压力，使得不均匀厚度的基底92与粘合剂98接触，并且柔性石墨层96也与粘合剂98接触。然后可在热压步骤102中热压堆叠体92，由此将柔性石墨层压迫到不均匀厚度的基底，其中粘合剂夹在它们之间以形成一体化复合体。
另一方法中，粘合剂包括具有分散在热塑性塑料内的石墨颗粒的热塑性塑料，热塑性塑料沉积在不均匀厚度的基底与柔性石墨层之间。沉积的方法可包括共挤出或压延粘合剂与不均匀厚度的基底。另外，可在氧存在下施加压力，然后热压以固化热塑性粘合剂，由此形成一体化复合体。
根据上文描述的两种方法，一体化复合体92可然后在成型步骤108中输送通过一对模具104，以使复合体变形呈如图9中所示具有通道的波纹形状。模具104可与波纹化装置(未示出)集成，或可与波纹化装置分开，而不限制本发明的范围。然后将形成的复合体108预切割成期望长度。根据本发明各方面得到的复合体呈现期望的热导率和电导率，同时消除了对高成本加工的石墨板以及镀铂和金的金属板的需要，并且容易制作。
不意图限制本发明的范围，提供以下实施例的复合体以进一步阐述本发明的各方面。描述本文公开的提供期望的电和热传导性质并且可用作燃料电池的分隔板或其他流场元件的示例性复合体。
实施例1。导电和导热复合体可由以下组分形成：
i)316不锈钢(316S.S.)箔，0.003英寸厚
ii)高温导电粘合剂，包括：
a)10mL部分A，MG 832HT环氧树脂(MG Chemicals)
b)5mL部分B，MG 832HT环氧树脂(MG Chemicals)
c)6克Asbury#3243石墨片屑(Asbury Graphite)
iii)GTA Grafoil柔性石墨，0.005英寸厚(Graftech)
使包括以上柔性石墨/导电粘合剂/不锈钢箔/导电粘合剂/柔性石墨的复合体于180华氏度在压力下固化1小时。使上述复合体通过啮合齿条，形成波纹状分隔板或流场插入件。
实施例2。导电和导热复合体可由以下组分形成：
i)316不锈钢100x100网状物，0.0045英寸直径线，30.3％开口面积
ii)高温导电粘合剂，包括：
a)10mL部分A，MG 832HT环氧树脂(MG Chemicals)
b)5mL部分B，MG 832HT环氧树脂(MG Chemicals)
c)6克Asbury#3243石墨片屑(AsburyGraphite)
iii)GTA Grafoil柔性石墨，0.005英寸厚(Graftech)
使包括以上柔性石墨/导电粘合剂/不锈钢网状物/导电粘合剂/柔性石墨于180华氏度在压力下固化1小时。使上述复合体通过啮合齿条，形成波纹状分隔板或流场插入件。
表4示出实施例1的复合体(使用金属箔)与实施例2的复合体(使用金属网状物)之间电阻性质的比较。
实施例1和2贯通面电阻(through-plane electrical resistance)的比较
Figure BDA0000149594110000141
表5示出实施例1描述的复合体的拉伸强度、电阻率和热导率。
实施例1组分性质的比较(面内)
Figure BDA0000149594110000142
实施例3导电和导热复合体可由以下组分形成：
高纯度石墨片屑-Asbury Graphite#3243
PPS聚合物粉末-Chevron Phillips Ryton Vl
丙二醇
Triton X-100表面活性剂
不锈钢网筛-McMaster Carr 9319T41，0.0026″丝直径，37.8％开口
柔性石墨-Graphtec 0.005″厚GTA Grafoil
以以下比例将组分形成为浆料混合物：PPS V-1100每重量份(ppw)；水，260ppw；丙二醇，20ppw；润湿剂(Triton X-100)，4ppw；石墨，100ppw。在30rpm下，将组分放在有5/32″302S.S.研磨介质的球磨机中12小时。
为了确定给定网筛大小所需要的粉末混合物的大致量，作为例子，粉末混合物密度(固化的)＝(1.35g/cc+2.23g/cc)/2＝1.79g/cc，总网状物厚度＝2＊丝直径＝0.0052″＝.0132cm，网状物的％开口面积＝37.8％＝0.378，所需最少混合物[g]＝样品面积(2.375x2x2.54^2cm2)＊.0132cm＊0.378＊1.79g/cc＝.2737g
这代表每平方厘米的0.0026″网状物0.0089g的粉末混合物。假定浆料的混合比率，其转换成每平方厘米0.3542g的浆料混合物。
在空气循环炉中于390摄氏度预焙烤Grafoil 20分钟，以降解任何附有的油并去除任何捕集的气体。不锈钢网筛在含有citrisurf溶液的浴中清洁，并在去离子水中彻底漂净。
网筛基底放置到Grafoil片上。均匀铺展粉末或浆料混合物。增加第二Grafoil层。层合堆叠体在空气循环炉中于375摄氏度固化35分钟。然后将堆叠体以1000psi和280摄氏度下在两块不锈钢板之间热压30秒。在负重下使堆叠体冷却下来。
实施例4。另一导电和导热复合体可由以下组分形成：
高纯度石墨片屑-Asbury Graphte#3243
PPS聚合物粉末-Chevron Phillips Ryton Vl
不锈钢网筛-McMaster Carr 9319T41，0.0026″丝直径，37.8％开口
柔性石墨-Graphtec 0.005″厚GTA Grafoil
干粉末可为与细石墨粉混合的热固性/热塑性聚合物的组合。这种结合基质设计为耐受操作条件和环境。混合物优选由PPS V-I(1ppw)和石墨(1ppw)以50rpm在转鼓中混合1小时构成。
给定网筛大小所需要的粉末混合物的适合量的计算可如以上实施例3中来进行。实施例3中另外的步骤可用来制造复合堆叠体。
支持数据
已在具有本发明各方面的成品层合体上进行了各种测试。测试包括在几个样品上以及结合到4-电池燃料电池系统中的电学测试。
针对测试样品，引导电流通过涂覆有金的铜片，并且跨层合体测量电压降。进行88psi(250kg在45.58平面厘米面积上)的标准化压缩、给定接触面积和引入电流；制作电压降对电流密度的图表。图11示出BASF极化曲线以及用在4-电池燃料电池中的波纹层合体样品的电压降对电流密度。给定内部物理燃料电池堆，其中所有部件电学串联，该图表帮助评估电池电阻，并预测电池性能。来自粗糙表面的接触面积和增加的热性能不是该测试的部分。
如同任何复合材料一样，压力和温度也将影响其材料性质。以下图表描绘这些层合体的电导率如何随着增加的压力而升高，如在表的前两部分中所反映的，压降测量在层合体的两个不同位置，以不同的压力和变化的电流密度在45.58平面厘米面积(直径为3)上进行两次。最后部分比较测试的精确度和可重复性。
Figure BDA0000149594110000161
Figure BDA0000149594110000171
根据本发明的复合堆叠体也在四电池燃料电池堆中进行测试。为了比较，图12是针对具有金属板的空气冷却8电池堆的测试结果的图。在以H2/空气极化到950mA/cm2期间，单个电池温度在125摄氏度到180摄氏度之间。图13示出针对具有金属板的3kW空气冷却80电池堆的测试结果。以H2/空气极化到450mA/cm2期间，单个电池温度(FC温度)在122摄氏度到175摄氏度之间。
图14示出具有使用根据本发明的复合堆叠体的板的空气冷却4电池堆的测试结果。以H2/空气极化到950mA/cm2期间，单个电池温度在160摄氏度到170摄氏度之间。图12和13中具有金属板的燃料电池堆的结果与图14中结果的比较显示改善的热传递。
图15示出利用H2/空气的单电池性能作为电池温度的函数。
前文对本发明优选实施方案的描述已出于举例说明的目的而得以提供。说明书不意图限制本发明为所公开的精确形式或方法。事实上，更改和变动将由前文的描述而显而易见的。因此，所意图的是本发明的范围不限于本文提供的具体实施方式。

Claims (32)

1.一种燃料电池复合流场元件，包括：
导电基底片，所述导电基底片具有间插于外表面节点间的一系列凹陷，由此提供不均匀厚度；
施加到所述基底的导电粘合剂；以及
结合到所述基底一侧的柔性石墨层，所述燃料电池复合流场元件提供至少一个流通通道。
2.根据权利要求1所述的燃料电池复合流场元件，其中所述节点相对于所述基底片的基准面基本上为相同高度。
3.根据权利要求1所述的燃料电池复合流场元件，其中所述节点中的一些节点相对于所述基底片的基准面具有不同于其他节点的高度的高度。
4.根据权利要求1所述的燃料电池复合流场元件，其中所述凹陷相对于所述基底片的基准面具有基本相同的深度。
5.根据权利要求1所述的燃料电池复合流场元件，其中所述凹陷中的一些凹陷相对于所述基底片的基准面具有不同于其他凹陷的深度的深度。
6.根据权利要求1所述的燃料电池复合流场元件，其中所述凹陷是所述基底片中的微坑。
7.根据权利要求1所述的燃料电池复合流场元件，还包括结合到所述基底片相反侧的第二柔性石墨层。
8.根据权利要求7所述的燃料电池复合流场元件，其中所述凹陷是所述片中的贯穿孔。
9.根据权利要求7所述的燃料电池复合流场元件，其中所述基底片是网筛，所述凹陷是所述网筛的通孔并且所述节点由所述网筛的网带提供。
10.根据权利要求7所述的燃料电池复合流场元件，其中所述基底片是织造的网状物，所述凹陷是所述网状物的通孔并且所述节点由所述网状物的织物结构提供。
11.根据权利要求10所述的燃料电池复合流场元件，其中所述网状物是金属。
12.根据权利要求10所述的燃料电池复合流场元件，其中所述金属网状物具有0.001英寸到0.01英寸范围的厚度。
13.根据权利要求1所述的燃料电池复合流场元件，其中所述粘合剂与所述金属网状物共挤出。
14.根据权利要求1所述的燃料电池复合流场元件，其中所述粘合剂作为粉末来施加。
15.根据权利要求1所述的燃料电池复合流场元件，其中所述粘合剂粉末在施加之后固化。
16.根据权利要求1所述的燃料电池复合流场元件，其中所述粘合剂的厚度在所述节点上比在所述凹陷中更薄。
17.根据权利要求1所述的燃料电池复合流场元件，其中所述流场元件是分隔板。
18.根据权利要求1所述的燃料电池复合流场元件，其中所述基底包括金属或金属合金。
19.根据权利要求1所述的燃料电池复合流场元件，其中所述不均匀厚度的基底包括织造或非织造碳纤维。
20.根据权利要求1所述的燃料电池复合流场元件，其中所述导电粘合剂包括聚合物组分和碳颗粒，其中所述碳颗粒分散在所述聚合物组分内。
21.根据权利要求1所述的燃料电池复合流场元件，其中所述聚合物组分包括固化的热塑性塑料。
22.根据权利要求1所述的燃料电池复合流场元件，其中所述聚合物组分具有超出190℃的连续使用温度。
23.根据权利要求1所述的燃料电池复合流场元件，其中所述流场元件具有波纹状横截面。
24.根据权利要求1所述的燃料电池复合流场元件，其中所述流场元件是MEA支撑板并且所述流通通道是穿过所述支撑板的平面的流体端口。
25.根据权利要求1所述的燃料电池复合流场元件，其中所述流场元件是波纹状流场插入件。
26.根据权利要求1所述的燃料电池复合流场元件，其中所述流场元件是分隔板并且所述流通通道是穿过所述支撑板的平面的流体端口。
27.一种用于制造燃料电池复合流场元件的方法，所述方法包括步骤：
将导电粘合剂施加到柔性石墨层；
将导电基底片放置在所述柔性石墨层上，所述导电基底片具有间插于外表面节点间的一系列凹陷，由此提供不均匀厚度；
将导电粘合剂施加到所述基底；
在所述基底片上放置第二柔性石墨层，以形成复合堆叠体；
固化所述复合堆叠体；
热压所述固化的复合堆叠体；以及
在负重下冷却所述复合堆叠体至室温。
28.根据权利要求27所述的方法，其中所述粘合剂包括PPS聚合物粉末(100ppw)、水(260ppw)、丙二醇(20ppw)、润湿剂(4ppw)以及石墨(100ppw)的组合。
29.根据权利要求27所述的方法，其中所述基底片是金属网筛，所述金属网筛具有网带尺寸和开口面积对总面积的开口百分数；并且粘合剂的最小量基于粘合剂的固化密度平均值、所述网带尺寸、所述开口百分数和基底片总面积的乘积按质量计算。
30.根据权利要求27所述的方法，其中所述固化步骤包括在空气循环加热环境中加热所述复合堆叠体至约375℃达约35分钟。
31.根据权利要求27所述的方法，其中所述热压步骤包括在约1000psi和约280℃下在两块钢板之间压所述复合堆叠体约30秒。
32.根据权利要求27所述的方法，其中所述将导电粘合剂施加到所述基底的步骤包括共挤出所述粘合剂合和所述基底。
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