CN105264706A - 低成本燃料电池部件 - Google Patents

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Abstract

燃料电池反应物流场板(22，32)通过挤出碳质材料的细长部(17，25)形成，其或者通过挤压模具或者通过端部铣削或轴式铣削形成直槽(18，28)，然后切割成适当大小，包括如下切口：在所述切口中板的边缘相对于槽呈一角度。冷却器板由可透水材料(39)形成，其中浸渍疏水材料(40)从而限定出具有入口和出口(47，49)的冷却剂通道(42-44)。通过在一个层(51)中冲压限定出带有入口(54)和出口(56)的冷却剂流动通道(52)的空隙且第二层(59)被冲压出限定冷却剂入口和出口集管的空隙(61，62)而形成两层冷却器板；利用粘接或者不利用粘接来将所述层并置而形成冷却器板。冷却器板(65)通过使薄金属片材形成波纹而制成，当插入阳极和阴极之间时，为阴极提供冷却剂通道(68)且为阳极提供冷却剂通道(73)。

Description

低成本燃料电池部件
技术领域
燃料电池反应物和冷却剂流场板被挤压成具有直的流动通道槽，或者具有由排式铣削或轴式铣削而提供的直槽，由旋转模具、冲压、或通过浸渍流动通道限定而形成多层。
背景技术
质子交换膜(PEM)燃料电池已经有利地设有多孔的、亲水性反应物气体流场板，通常设有具有冷却剂流场通道的燃料或氧化剂反应物气体板，所述冷却剂流场通道被设置为从与其中形成有反应物气体流场槽的表面相对的表面向内延伸的槽。这些被称为水传输板。在许多情况下，形成流场的槽被成型成提供多种操作对象。提供具有足够尺寸公差的成型槽要求端部铣削或者类似的工艺，所述工艺是费时且昂贵的。在与反应物槽相对的流场板的侧面上提供冷却剂槽也要求采用端部铣削以保证精确的深度和定位。
多孔的亲水性反应物和冷却剂流动板的使用已经被证明特别有利于在燃料电池中提供能量以驱动电动车辆。但相比于其他燃料电池应用，在常用车辆中的应用受到极限成本的限制。
目前对电动车辆供电的燃料电池的成本中的一大比例是制备反应物和/或冷却剂流场板的成本。
发明内容
利用省去了对端部铣削或其他昂贵制造步骤的需求的工艺来提供反应物和/或冷却剂流场板。本文的一个具体的降低成本的方案是采用在其中仅挤出用于流动通道的直槽的流场板，或者对平板采用排式或轴式铣削进行开槽而形成流动通道，利用疏水冷却剂通道为界浸渍透水的流场板，或者利用旋转模具冲压部件以形成冷却剂流动的空隙或波纹。
在一个实施例中，燃料流动板通过挤出平坦多孔的亲水性碳质片材制成，要么a)具有由挤压模具提供的流场通道，要么b)挤出为平坦的，随后排式或轴式铣削出通道。长片材被挤压和/或铣削，然后切成适当的大小以便在指定的燃料电池中使用。
在另一个实施例中，氧化剂流场类似地被挤压出在挤压模具中提供的通道，或者为长的平板，随后排式或轴式铣削形出直的流场。此后，具有直的流场的挤出和/或铣削的片材被以一定角度被修整以提供连续的元件，所述元件具有相对于每一件的流动通道处于标称角度的边缘，从而容纳冷却剂流动通道。
在另一个实施例中，冷却器板通过旋转模具制成，切割出两层：一层提供空隙以形成直的冷却剂流动通道，另一层提供空隙以形成入口和出口集管通道，两个层在就位以供使用时被叠置。在该实施例的一种替换实施例中，两个层可以在被应用至燃料电池堆之前结合到一起。
在另一个实施例中，冷却器板通过以波纹形式冲压金属片材制成，以便提供冷却剂通道，所述冷却剂通道在冷却器板被插入两个反应物流动表面之间时向所述二者开放。
在另一个实施例中，冷却剂流场板通过利用诸如聚合物的疏水材料浸渍碳质多孔亲水衬底制成，从而在衬底中划定通道，从而根据需要引导水或其它冷却剂的流动。
如附图所示，通过以下示范性实施例的详细描述将更加清楚其他的变型。
附图说明
图1是挤压的多孔亲水性碳质衬底材料的细长条的简化平面图，其中通过挤压模具或是在以平坦形式挤压后通过排式铣削或轴式铣削形成直的燃料流动通道。
图2是适合用作多个氧化剂反应物气体流场板的多孔亲水性碳质衬底材料的细长片材的简化平面图，示出了对其进行切割的方式，所述片材被挤出形成反应物流动通道的直槽，或者具有在被挤压平坦之后经排式铣削或轴式铣削形成的直槽。
图3是多孔亲水性冷却剂板的平面图，其中冷却剂流动路径由疏水屏障形成，所述疏水屏障例如浸渍于其中的聚合物。
图4是通过在固体片材上冲压出供冷却剂流动的空隙而形成的冷却器板的一个层的平面图。
图5是图4的冷却器板的第二层的平面图，其带有在固体片材上冲压出的形成入口和出口集管通道的空隙。
图6是冲压的波纹形冷却器板的简化截面图，其向燃料流场板和氧化剂流场板二者提供冷却剂通道。
具体实施方式
现在参照图1，多孔亲水碳质材料的细长片材17包括由脊部19分开的直槽18，其要么通过在挤压过程中采用挤压模具形成于该细长片材中，要么通过片材17在挤压成平面形状后通过排式铣削或轴式铣削形成于该细长片材中。所述槽为直线型允许其在挤压过程中成型，而且允许使用高速低成本的排式铣削或轴式铣削形成所述槽。片材17随后沿虚线21采用任何合适的工艺例如旋转切片或端部铣削相对于槽28被垂直地切割，以形成多个单独的燃料流场板22。
在图2中，细长的多孔亲水性碳质片材25具有多个由脊部29分开的直槽28，其在挤压过程中形成于所述片材中，或者在片材以平坦形式被挤压后通过排式铣削或轴式铣削形成。此后，片材25可以相对于槽28以一定角度被切割成多个单独的氧化剂流场板32，如由虚线33所示。即使槽28可能需要相比于每个氧化剂流场板32的边缘35处于一定角度，这也是容易实现的，即：首先通过排式或轴式铣削或挤压来形成具有直槽的细长片25，随后相对于槽以一定角度切割流场。
如果在燃料电池堆的任何具体实施方式中适用的话，冷却器板可以通过带有或不带有如上文参照图1和图2所述的附加铣削的挤压来形成。
图3示出冷却器板39，其中区域40浸渍有疏水材料，例如PTFE或其它聚合物。浸渍区域的疏水性引导冷却剂从入口47进入通路42-44到出口49。根据现有技术，疏水冷却剂通道边界可以通过首先施加合适的掩模来容易地形成，其可以是代表大量冷却器板的掩模，此后，可以将合适的聚合物覆盖或喷涂于掩蔽材料，然后如果在任何情况下必要时在压力下加热至高于聚合物的熔点，然后同时仍然处于压力之下冷却至聚合物的固化温度。
冷却器板的另一种形式被示于图4和5。在图4中，第一冷却剂流动通道层51具有从其冲压穿过的冷却剂通道空隙52。该层51可以是在燃料电池中通常使用的薄的不锈钢、镍或其它合适的金属，或者不透水的碳质片材。冲压还提供冷却剂入口空隙54和冷却剂出口空隙56。冷却器板的第二层59通过冲压空隙以创建冷却剂入口集管61和冷却剂出口集管62来提供。当图5的层59并置于图4的层51上时，形成冷却器板。这两个层可以粘合在一起，诸如通过任何形式的粘接，或者可以在燃料电池堆的组装中被简单地并列设置。
冷却器板65的另一种简单形式被示于图6。将板65冲压成波纹形状，其提供与多孔亲水性阴极流场板70相邻的冷却剂流动通路68以及与多孔亲水阳极流场板75相邻的冷却剂通路73。波纹的端部可以是卷曲的，或者其可以填充有在燃料电池中先前所用类型的合适的密封材料。
各种反应物流场板和冷却器板可以以选定的组合形式有效地应用于燃料电池堆的任何给定实施方式中。燃料反应物流场板可以各自设置在多个膜电极组件(MEA)中的相关膜电极组件的一侧，氧化剂反应物流场板可以各自被设置在MEA的第二侧，且冷却器板可以布置在氧化剂和燃料流场板之间，从而形成燃料电池堆。
由于可以在不脱离发明构思的情况下对所公开的实施例做出改变和变化，因此并不意在限制除了所附权利要求所限定内容之外的本公开内容。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种方法，其特征在于：
通过挤出碳质细长材料片材形成燃料电池流体流场板(22，32)，其中，或者a)挤压模具被设置成在挤出的细长片材中产生直槽，或者b)挤压模具提供细长平坦材料片材，并且所述方法还包括在细长材料片材中进行排式铣削或轴式铣削而产生直槽；
随后，将一些具有槽的所述细长材料片材相对于槽垂直地切割成多个块从而形成燃料反应物气体流场板，并且将其他一些具有槽的所述细长材料片材切割成具有相对于所述槽呈一角度的边缘的多个块从而形成多个氧化剂反应物气体流场板；
提供薄片材料制成的冷却器板，所述材料或者包括a)不渗透液体水的材料，所述不渗透液体水的材料被冲压从而在其中限定冷却剂通道，或者包括b)基本渗透液体水的材料，在其中具有浸渍的疏水材料从而限定冷却剂通道；以及
将多个膜电极组件的每个布置在所述燃料反应物气体流场板之一和所述氧化剂反应物气体流场板之一的第一侧之间，所述冷却器板之一布置于所述反应物气体流场板的第二侧之间，从而形成燃料电池堆。
2.一种燃料电池堆，通过包括根据权利要求1所述的方法的工艺所制造。
3.一种方法，其特征在于：
通过挤出碳质细长材料片材形成燃料电池流体流场板(22，32)，其中，或者a)挤压模具被设置成在挤出的细长片材中产生直槽，或者b)挤压模具提供细长平坦材料片材，并且所述方法还包括在细长材料片材中进行排式铣削或轴式铣削产生直槽；
随后，切割细长材料片材以提供用于燃料电池堆的所需尺寸的流场板；以及
所述细长碳质材料片材是多孔的和亲水性的，并且所述槽包括反应物气体流场。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：
所述具有槽的细长材料片材随后相对于槽被垂直地切割成多个块以形成燃料反应物气体流场板。
5.一种多个燃料反应物流场，由包括根据权利要求4所述的方法的工艺所制造。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征还在于：
所述具有槽的细长材料片材随后被切割成具有相对于所述槽形呈一角度的边缘的多个块以形成多个氧化剂反应物流场板。
7.一种多个氧化剂反应物气体流场板，由包括根据权利要求6所述的方法的工艺所制造。
8.一种形成燃料电池冷却器板的方法，其特征在于，浸渍基本上可透过液体水的材料片材，所述浸渍包括以一定样式布置的疏水材料，所述样式在疏水材料之间限定用于引导液体冷却剂流动的通道。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征还在于：
所述疏水材料包括聚四氟乙烯(PTFE)。
10.一种冷却器板，通过包括根据权利要求8所述的方法的工艺所制造。
11.一种形成冷却器板的方法，其特征在于：
通过冲压适于燃料电池使用的不透水材料薄片材而形成第一层，从而提供界定出具有入口和出口的冷却剂流动通道的空隙；以及
通过冲压适于燃料电池使用的不透水材料片材而形成第二层，从而相对于所述第一层的空隙提供形成冷却剂入口集管和冷却剂出口集管的空隙；以及
将所述两层彼此相邻地并置，使得第一层的入口空隙与所述第二层的冷却剂入口集管空隙相邻，在第一层中界定冷却剂流动路径的空隙各自具有与所述第二层的冷却剂入口空隙相邻的第一端部以及与第二层的冷却剂出口集管空隙相邻的第二端部，所述冷却剂出口集管空隙继而与所述第一层的冷却剂出口空隙相邻。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征还在于：所述第一层通过冲压适于燃料电池使用的不透水材料薄片材而形成，从而提供界定出包括所述冷却剂通道的空隙。
13.一种方法，其特征在于：
提供薄片材料制成的冷却器板，所述材料或者包括a)不透液体水的材料，所述不透液体水的材料被冲压从而在其中限定冷却剂通道，或者包括b)基本渗透液体水的材料，在其中具有浸渍的疏水材料从而限定冷却剂通道；以及
将每个所述材料片材布置于多个相邻燃料电池的相应反应物流场板之间，从而进一步限制冷却剂的流动并由此形成燃料电池堆。
14.一种燃料电池堆，通过包括根据权利要求13所述的方法的工艺所制造。
15.根据权利要求13所述的方法，其特征还在于：不透液体水的材料片材被冲压以提供限定冷却剂流动通路的空隙。
16.根据权利要求13所述的方法，其特征还在于：不透液体水的材料片材被冲压以使材料形成波纹，从而提供与每个相邻的燃料电池的相应反应物流场板接触的独立的冷却剂通道。

Claims (20)

1.一种方法，其特征在于：
通过挤出碳质细长材料片材形成燃料电池流体流场板(22，32)，其中，或者a)挤压模具被设置成在挤出的细长片材中产生直槽，或者b)挤压模具提供细长平坦材料片材，并且所述方法还包括在细长材料片材中进行排式铣削或轴式铣削而产生直槽；
随后，将一些具有槽的所述细长材料片材相对于槽垂直地切割成多个块从而形成燃料反应物气体流场板，并且将其他一些具有槽的所述细长材料片材切割成具有相对于所述槽呈一角度的边缘的多个块从而形成多个氧化剂反应物气体流场板；
提供薄片材料制成的冷却器板，所述材料或者包括a)不渗透液体水的材料，所述不渗透液体水的材料被冲压从而在其中限定冷却剂通道，或者包括b)基本渗透液体水的材料，在其中具有浸渍的疏水材料从而限定冷却剂通道；以及
将多个膜电极组件的每个布置在所述燃料反应物气体流场板之一和所述氧化剂反应物气体流场板之一的第一侧之间，所述冷却器板之一布置于所述反应物气体流场板的第二侧之间，从而形成燃料电池堆。
2.一种燃料电池堆，通过包括根据权利要求1所述的方法的工艺所制造。
3.一种方法，其特征在于：
通过挤出碳质细长材料片材形成燃料电池流体流场板(22，32)，其中，或者a)挤压模具被设置成在挤出的细长片材中产生直槽，或者b)挤压模具提供细长平坦材料片材，并且所述方法还包括在细长材料片材中进行排式铣削或轴式铣削产生直槽；以及
随后，切割细长材料片材以提供用于燃料电池堆的所需尺寸的流场板。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征还在于：
所述细长碳质材料片材是多孔的和亲水性的，并且所述槽包括反应物气体流场。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征还在于：
所述具有槽的细长材料片材随后相对于槽被垂直地切割成多个块以形成燃料反应物气体流场板。
6.一种多个燃料反应物流场，由包括根据权利要求5所述的方法的工艺所制造。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征还在于：
所述具有槽的细长材料片材随后被切割成具有相对于所述槽形呈一角度的边缘的多个块以形成多个氧化剂反应物流场板。
8.一种多个氧化剂反应物气体流场板，由包括根据权利要求7所述的方法的工艺所制造。
9.根据权利要求3所述的方法，其特征还在于：
所述细长碳质材料片材是不透水的且所述槽包括冷却剂槽。
10.根据权利要求3所述的方法，其中所述细长碳质材料片材是不透液体水的，并且被切割成多个块以在燃料电池堆中用作冷却器板。
11.一种多个冷却器板，由包括根据权利要求10所述的方法的工艺所制造。
12.一种形成燃料电池冷却器板的方法，其特征在于，浸渍基本上可透过液体水的材料片材，所述浸渍包括以一定样式布置的疏水材料，所述样式在疏水材料之间限定用于引导液体冷却剂流动的通道。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征还在于：
所述疏水材料包括聚四氟乙烯(PTFE)。
14.一种冷却器板，通过包括根据权利要求10所述的方法的工艺所制造。
15.一种形成冷却器板的方法，其特征在于：
通过冲压适于燃料电池使用的不透水材料薄片材而形成第一层，从而提供界定出具有入口和出口的冷却剂流动通道的空隙；以及
通过冲压适于燃料电池使用的不透水材料片材而形成第二层，从而相对于所述第一层的空隙提供形成冷却剂入口集管和冷却剂出口集管的空隙；以及
将所述两层彼此相邻地并置，使得第一层的入口空隙与所述第二层的冷却剂入口集管空隙相邻，在第一层中界定冷却剂流动路径的空隙各自具有与所述第二层的冷却剂入口空隙相邻的第一端部以及与第二层的冷却剂出口集管空隙相邻的第二端部，所述冷却剂出口集管空隙继而与所述第一层的冷却剂出口空隙相邻。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征还在于：所述第一层通过冲压适于燃料电池使用的不透水材料薄片材而形成，从而提供界定出包括所述冷却剂通道的空隙。
17.一种方法，其特征在于：
提供薄片材料制成的冷却器板，所述材料或者包括a)不透液体水的材料，所述不透液体水的材料被冲压从而在其中限定冷却剂通道，或者包括b)基本渗透液体水的材料，在其中具有浸渍的疏水材料从而限定冷却剂通道；以及
将每个所述材料片材布置于多个相邻燃料电池的相应反应物流场板之间，从而进一步限制冷却剂的流动并由此形成燃料电池堆。
18.一种燃料电池堆，通过包括根据权利要求17所述的方法的工艺所制造。
19.根据权利要求17所述的方法，其特征还在于：不透液体水的材料片材被冲压以提供限定冷却剂流动通路的空隙。
20.根据权利要求17所述的方法，其特征还在于：不透液体水的材料片材被冲压以使材料形成波纹，从而提供与每个相邻的燃料电池的相应反应物流场板接触的独立的冷却剂通道。
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