CN114051664A - 用于制造具有改善的电气特性的气体扩散设备的方法 - Google Patents

用于制造具有改善的电气特性的气体扩散设备的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN114051664A
CN114051664A CN202080047938.2A CN202080047938A CN114051664A CN 114051664 A CN114051664 A CN 114051664A CN 202080047938 A CN202080047938 A CN 202080047938A CN 114051664 A CN114051664 A CN 114051664A
Authority
CN
China
Prior art keywords
resin
manufacturing
layer
gas diffusion
face
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202080047938.2A
Other languages
English (en)
Inventor
卢多维克·布鲁永
乔尔·波谢
让-菲利浦·普瓦罗-克鲁弗齐耶
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Publication of CN114051664A publication Critical patent/CN114051664A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/88—Processes of manufacture
    • H01M4/8803—Supports for the deposition of the catalytic active composition
    • H01M4/8807—Gas diffusion layers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/8605—Porous electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/8647—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells consisting of more than one material, e.g. consisting of composites
    • H01M4/8657—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells consisting of more than one material, e.g. consisting of composites layered
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/8663—Selection of inactive substances as ingredients for catalytic active masses, e.g. binders, fillers
    • H01M4/8673—Electrically conductive fillers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/023—Porous and characterised by the material
    • H01M8/0239—Organic resins; Organic polymers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/023—Porous and characterised by the material
    • H01M8/0241—Composites
    • H01M8/0245—Composites in the form of layered or coated products
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
    • H01M8/026—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant characterised by grooves, e.g. their pitch or depth
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)

Abstract

本发明涉及一种用于制造气体扩散设备(3)的方法，其包括以下步骤：‑提供复合层(31)和导电元件(30)的叠置，所述复合层(31)包含导电纤维和浸渍所述导电纤维的可聚合树脂，所述导电元件(30)在第一面(33)与第二面之间具有开孔性；‑压缩所述复合层(31)和导电元件(30)的叠置，以使得所述导电纤维与所述元件(30)的第一面(33)接触，以使得所述树脂流动到所述元件(30)中，而所述树脂不浸渍所述导电元件(30)的整个体积；使已经流动的树脂聚合。

Description

用于制造具有改善的电气特性的气体扩散设备的方法
本发明涉及制造电化学反应器，具体地说涉及制造用于电化学反应器的气体扩散设备。
在电化学反应器中，燃料电池堆经历了重大发展。尤其考虑使用燃料电池堆作为未来大规模生产的机动车辆的能源，或作为航空领域的辅助能源。燃料电池堆是将化学能直接转换成电能的电化学设备。燃料电池堆包括多个电池串联的堆叠。每个电池通常生成约为1伏的电压，并且堆叠电池允许生成更高水平、例如约为一百伏的供电电压。
在已知燃料电池堆类型中，可尤其引用在低温下运作的PEM燃料电池堆(PEM是质子交换膜的缩写)。这样的燃料电池堆具有特别有意义的紧凑性特性。每个电池包括仅允许质子通过而不允许电子通过的电解质膜。膜包括位于第一面上的阳极和位于第二面上的阴极，以形成膜/电极组件(MEA)。
在阳极处，用作燃料的二氢被氧化以产生穿过膜的质子。膜由此形成离子导体。由该反应产生的电子向流动板迁移，然后穿过电池外部的电路，以形成电流。在阴极处，氧被还原并与质子起反应以形成水。
燃料电池堆可包括堆叠在彼此顶部上的例如由金属制成的多个所谓的双极板。膜布置在两个双极板之间。双极板可包括用于向/自膜连续引导反应物和产物的流动孔和通道。双极板随着反应物的消耗给电极的反应区域连续供给反应物。双极板还包括用于引导去除所产生的热量的冷却剂的流动通道。反应产物和非反应性物质种类通过借助于流动的驱动被排到直至流动通道网络的出口。不同流动的流动通道尤其通过双极板分隔。
双极板还是导电的，以收集在阳极处生成的电子。双极板在阳极回路与阴极回路之间还起着不可渗透的隔离的作用。双极板还具有传输对于电接触质量所必需的堆叠夹紧力的机械作用。气体扩散层一般夹置于电极与双极板之间并与双极板接触。气体扩散层布置在膜/电极组件的任一侧上，以确保导电、反应物气体的均匀到达，和去除所产生的水。气体扩散层例如呈碳纤维织物或毡的形式。
电子传导通过双极板实现，离子传导通过膜实现。
燃料电池技术的应用的限制之一在于制造和组装其各个部件的成本。双极板的制造尤其占燃料电池的成本的大部分。
文献US2007/0154779描述了一种用于制造旨在形成多孔电极的预浸渍树脂的纤维的方法。该方法旨在在树脂中形成空穴以使其多孔。
文献US2006/078784描述了一种用于制造气体扩散设备的方法。
文献US2019/027761描述了一种气体扩散设备。所形成的气体扩散设备包括多孔层的堆叠。
文献US2019/123359描述了一种浸渍疏水树脂的导电纤维结构。
一种已知的用于制造双极板的技术在于冲压金属板材。冲压的两个金属板材最经常通过焊接组装以在组件的外部面上限定反应物流动通道并在板材之间限定冷却剂流动通道。在合适位置处布置密封件以密封各种流体的流动。金属板材具有良好的机械特性并形成对于限制二氢扩散有效的屏障。然而，金属板材具有小的抗腐蚀性。而且，它们的损坏可能会形成污染膜并降低燃料电池堆的性能和使用寿命的阳离子。为了减少这些问题，经常对金属板材实施表面处理。然而，这些表面处理不足以对于某些应用改善抗腐蚀性并引起不可忽略的附加成本。
另一已知的用于制造双极板的技术在于模制复合板材(即复合材料板材)以限定各种流动通道的形状。复合板材包含由纤维增强的树脂基质。树脂一般是电绝缘的，并且要求集成大量导电填料以使得板导电。在树脂中集成大量的导电填料高度降低了所获得的复合板材的机械特性。
本发明旨在解决这些缺陷中的一个或更多个。本发明由此涉及一种如所附权利要求1所限定的用于制造气体扩散设备的方法。
本发明还涉及附属权利要求的变型。本领域技术人员可理解，本说明书和附属权利要求所公开的特征中每个可独立地与独立权利要求的特征组合，而不因此构成中位概括。
本发明还涉及一种如在所附权利要求中限定的气体扩散设备。
由以下示意性且绝无限制性地参照附图做出的说明，本发明的其它特征和优点将更清楚地显现，在附图中：
图1是用于燃料电池堆的双极板和膜/电极组件的堆叠的一个示例的分解立体视图；
图2，
图3和
图4是被称为采用侧向流动的根据第一实施例的气体扩散设备在其制造方法的各个步骤中的横截面图；
图5，
图6和
图7是被称为采用竖直流动的根据第二实施例的气体扩散设备在其制造方法的各个步骤中的横截面图；
图8，
图9，
图10，
图11，
图12和
图13是根据第三实施例的具有固化凹槽的气体扩散设备在其制造方法的各个步骤中的横截面图；
图14，
图15，
图16，
图17和
图18是根据第四实施例的具有非固化凹槽的气体扩散设备在其制造方法的各个步骤中的横截面图；
图19和
图20是根据本发明的使用气体扩散设备的一个实施例的双极板的一个示例在其制造方法的各个步骤中的局部横截面图；
图21和
图22是根据本发明的使用气体扩散设备的一个实施例的双极板的一个示例在其制造方法的各个步骤中的局部横截面图；
图23和
图24是根据本发明的使用气体扩散设备的一个实施例的双极板的一个示例在其制造方法的各个步骤中的局部横截面图。
图1是燃料电池堆4的电池1的堆叠的示意性分解立体视图。燃料电池堆4包括多个叠置的电池1。电池1是质子交换膜或聚合物电解质膜电池。
燃料电池堆4包括燃料源40。燃料源40在此给每个电池1的入口供给二氢。燃料电池堆4还包括助燃剂源42。助燃剂源42在此给每个电池1的入口供给空气，空气的氧气用作氧化剂。每个电池1还包括排放通道。一个或更多个电池1还具有冷却回路。
每个电池1包括膜/电极组件110或MEA 110。膜/电极组件110包括电解质113、布置在电解质任一侧并固定到该电解质113的阴极(未示出)和阳极111。电解质层113形成允许传导质子同时对于存在于电池中的气体不可渗透的半渗透膜。电解质层还阻止电子在阳极111与阴极之间通过。
在相邻MEA的每个对之间布置有双极板5。每个双极板5在相对的外部面上限定阳极流动通道和阴极流动通道。双极板5有利地还在两个连续的膜/电极组件之间限定用于流动冷却剂的通道。
以其本身已知的方式，在燃料电池堆4运作期间，空气在MEA与双极板之间流动，二氢在该MEA与另一双极板之间流动。在阳极处，二氢被氧化以产生穿过MEA的质子。在阴极处，氧气被还原并与质子起反应以形成水。通过氢的氧化所产生的电子被双极板5收集。所产生的电子然后被施加到与燃料电池堆1连接的电荷载上以形成电流。在其运作期间，燃料电池堆的电池通常在阳极与阴极之间生成大约为1V的DC电压。
双极板5可每个以本身已知的方式由两个组装的导电金属板材(例如由不锈钢或钛合金、铝合金、镍合金或钽合金制成)形成。每个板材则限定一个分别的外部面。双极板5也可通过任何其它工艺(例如模制或基于碳-聚合物复合材料的注射)获得。双极板5也可由此一体地形成。双极板5的外部面则由这样的一体形成的零件限定。
堆叠也可以包括未在此示出的膜加固件和周边密封件。
每个电池1还可以包括布置在阳极与双极板之间的气体扩散层(未示出)和布置在阴极和另一双极板之间的另一气体扩散层。
通常以预浸渍可聚合树脂的纤维的形式销售复合层(即复合材料层)。这些复合层经常以卷或线轴的形式分布。例如碳纤维的增强纤维是导电的。增强纤维也可以包括与导电的增强纤维组合的不导电的纤维。
使用预浸渍纤维的复合层具有可容易变形以在使树脂聚合之前成形的优点。树脂的聚合然后使得这些层的刚性非常高。本发明旨在在形成可例如与双极板关联的气体扩散设备中利用这样的预浸渍纤维的一定数量的特性。
本发明提出形成气体扩散设备。本发明提出抵着在两个相对的面之间具有开孔性(open porosity)的导电元件压缩包含导电纤维和浸渍其纤维的可聚合树脂的复合层，以使得导电纤维与导电元件的第一面接触并使得树脂流动到该导电元件中，而树脂不浸渍导电元件的整个体积。然后使已经流动的树脂聚合。
在树脂的聚合结束时，导电元件保持气体扩散功能，在高刚性的复合层与导电元件之间确保优化的电连接，并在复合层与导电元件之间确保机械连接。此外，一旦树脂已经聚合，由此形成的气体扩散设备受益于复合材料的刚性。
图2是气体扩散设备2的一个示例在根据第一实施例的制造方法的一个步骤中的横截面图。设备2由在两侧被复合层20和22包围的多孔和导电元件21形成。层20布置为与元件21的侧外部面23接触。层22布置为与元件21的相对的侧外部面24接触。第一实施例也可以通过使得层20和22中仅一个紧靠导电元件21来实现。层20、元件21和层22在此沿着水平方向叠置。
元件21例如在双极板内起着气体扩散层的作用。元件21例如由泡沫、毡或织物制成。层20和22中每个包含有利地由碳制成的导电纤维。碳纤维不仅刚性非常高且具有非常高的导电性。本领域技术人员可理解，可使用其它类型的导电纤维。使用可聚合树脂(未示出)有利地浸渍纤维。一旦聚合之后，树脂是不透氢的。层20和22由此可以用作用于允许氢流动的通道中的密封件或边界。可聚合树脂例如是酚醛树脂；该树脂一旦聚合之后就容易变成是不可透氢的。这样的树脂另外还不大可水解。层20和22由此在制造方法结束时是不透氢的。本领域技术人员可理解，在本发明范围中，也可以使用其它树脂。此外，在压缩期间，层20和22形成尺寸垫块以控制所获得的层21的厚度。
根据本发明的第二方面，尤其是与根据第二实施例的制造方法组合地，复合层中一个可以包含仅不导电的纤维。根据本发明的第二方面，尤其是与根据第二实施例的制造方法组合地，元件21可以是电绝缘的。根据本发明的第二方面，尤其是与根据第二实施例的制造方法组合地，元件21可以不具有开孔性。由此可以使用元件21形成密封功能。
如图3所示，沿着垂直于元件21的上部和下部外表面的方向向设备2施加均匀压强(如白色方框箭头所示)。所施加的压强例如为0.5至1.5MPa。该压缩一方面允许增加层20和22和元件21的高度的均匀化，另一方面通过在元件21的各自面23和24中穿入碳纤维来确保这些纤维的电互连，由此同时确保这些纤维与元件21之间的机械和电接触。该压缩还使得可以获得包含在层20和22中的树脂沿着与所施加的压强的方向垂直的纵向方向向多孔元件21的侧向流动(如黑色方框箭头所示)。从层20和22侧向流动到元件21的树脂不浸渍元件21的整个体积。有利地，已经流动的树脂浸渍导电元件21的体积的最多30％。例如，可以设置导电元件21的体积大于层20和22的体积。具体地，层20和22将不会具有足够浸渍导电元件20的整个体积的能够流动的树脂量。从层22侧向流动到元件21中的树脂在此穿过面24，但不到达面23。同样地，从层20侧向流动到元件21中的树脂在此穿过面23，但不到达面24。
有利地维持压缩并进行树脂在其流动之后的聚合。在聚合之后，获得图4所示的构造。初始包含未聚合树脂的层20和22分别形成固化且导电的复合层201和221。从层20和22流动到元件21中的多余树脂分别形成通过聚合树脂而固化的区域202和222。最后，基于元件21获得的中间区域211不浸渍有树脂，并且在设备2中心处保持其多孔性。
如上所述，该第一实施例也可以通过仅将层20紧靠导电元件21来实现。在该情况(未示出)下，导电元件21的面24将保持其开孔性。
由此，在被称为侧向流动的根据第一实施例的制造方法的步骤结束时，获得了一体形成、刚性、导电的气体扩散设备2，其在其中心处具有多孔区域211并在其端部处具有两个固化的刚性复合层201和221。复合层201和221在其厚度中是导电的。
图5是气体扩散设备3的一个示例在根据第二实施例的制造方法的一个步骤中的横截面图。设备3由在两侧被多孔和导电元件30和32包围的复合层31形成。元件30、层31和元件32在此沿着竖直方向叠置。层30布置为与元件31的上部外部面33接触。层32布置为与元件31的相对的外部下部面34接触。第二实施例也可通过使得层30和32中仅一个与复合层31叠置来实施。
层31包含有利地由碳制成的导电纤维；可聚合树脂(未示出)有利地浸渍纤维。可聚合树脂例如是酚醛树脂；一旦使该树脂聚合之后就是不可透氢的。层30和32由此在制造方法结束时不可透氢。
如图6所示，沿着与元件31的面33和34垂直的方向向设备3施加均匀压强(如白色方框箭头所示)。该压缩允许通过在元件31的分别的面33和34中穿入碳纤维来确保这些纤维的电互连，由此同时确保这些纤维与元件31之间的机械和电接触。该压缩还使得可以获得包含在层31中的树脂沿着与所施加的压强的方向平行的方向向多孔元件30和32的竖直流动(如黑色方框箭头所示)。从元件31向层30和32竖直流动的树脂不浸渍层30和32的整个体积。例如，可以设置层30和层32的体积大于导电元件31的体积。具体地，导电元件31则不会具有足够浸渍导电层30和32的整个体积的能够流动的树脂量。从层31竖直流动到元件32中的树脂在此穿过面34，但不到达元件的相对的外部面。同样地，从层31竖直流动到元件30中的树脂在此穿过面33，但不到达元件的相对的外部面。
维持压缩并进行树脂在其流动之后的聚合。获得图7所示的构造。初始包含未聚合树脂的层31形成固化且导电的复合层311。从层31流动到元件30和32中的多余树脂分别形成通过聚合树脂在其流动之后而固化的区域302和322。最后，基于元件30和32分别获得的区域301和321在设备3的竖直端部处保持是多孔的。
由此，在称为竖直流动的根据第二实施例的制造方法的步骤结束时，获得了一体形成、刚性、导电的气体扩散设备3，其在其竖直端部处具有多孔区域301和321并在其中心处具有固化的刚性复合层311。复合层31在其厚度中是导电的。
图8是在根据第三实施例的气体扩散设备6的制造方法中使用的复合层61的横截面图。层61包含有利地由碳制成的导电纤维；可聚合树脂(未示出)有利地浸渍纤维。可聚合树脂例如是酚醛树脂；一旦该使树脂聚合之后就是不可透氢的。
通过在元件61的外部面67中形成凹槽64，获得图9所示的构造。凹槽64沿着与所示横截面的平面垂直的方向延伸。该形成凹槽64的步骤可以例如通过激光雕刻来实现。形成凹槽64有利地导致在该凹槽64中形成的面的局部加热，以使得树脂在这些面上聚合。激光雕刻或激光束加工允许例如实现这样的局部加热。局部加热允许不使得树脂的其余部分聚合，使得树脂在方法的之后的步骤期间流动。
获得图10所示的构造，其中，形成了聚合的并由此不可是渗透的树脂的层65。层65由此在凹槽64的面上形成壳体。
然后将导电多孔元件60布置为与其中已经产生了凹槽64的层61的面67接触。在此将第二导电多孔元件62布置为面对元件60，与层61的与面67相对的外部面68接触。获得图11所示的构造；设备6目前由元件60和62以及层61的叠置形成。元件60和62有利地具有40至350微米的厚度。
如图12所示，则沿着与层61的表面67和68垂直的方向向设备6施加均匀压强(如白色方框箭头所示)。该压缩允许通过在层61的各自表面67和68中穿入碳纤维来确保这些纤维的电互连，由此同时确保这些纤维与层61之间的机械和电接触。该压缩还允许获得包含在层61中的树脂沿着与所施加的压强的方向平行的方向向多孔元件60和62的竖直流动(如黑色方框箭头所示)。从层61向元件60和62竖直流动的树脂不浸渍这些层60和62的整个体积。例如，可以设置元件60和62的体积大于层61的体积。具体地，层61将不会具有足够浸渍导电元件60和62的整个体积的能够流动的树脂量。从层61竖直流动到元件62中的树脂在此穿过面68，但不到达元件的相对的外部面。同样地，从层61竖直流动到元件60中的树脂在此穿过面67，但不到达元件的相对的外部面。由于在凹槽64的面上存在聚合的且因此不可渗透的树脂的层65，层61的树脂不能够流动到凹槽64中。
维持压缩并进行树脂在其流动之后的聚合。获得图13所示的构造。初始包含未聚合树脂的层61形成固化且导电的复合层611。从层61流动到元件60和62中的多余树脂分别形成通过聚合树脂在其流动之后而固化的区域602和622。基于元件60和62分别获得的区域601和621在设备6的端部处保持是多孔的。
由此，在根据第三实施例的制造方法的步骤结束时，获得了一体形成、刚性、导电的气体扩散设备6，其在其端部处具有多孔区域601和621并在其中心处具有固化的复合层611，在所述层中，存在凹槽64，所述凹槽的底部和壁是不可渗透的并且能够允许反应性流体流通。复合层611在其厚度中是导电的。
图14是在根据第四实施例的气体扩散设备6的制造方法中使用的复合层61的横截面图。层61包含有利地由碳制成的导电纤维；可聚合树脂(未示出)有利地浸渍纤维。可聚合树脂例如是酚醛树脂；一旦该树脂聚合之后就是不可透氢的。
通过沿着与所示横截面的平面垂直的方向，在元件61的外部面67中形成凹槽64，获得图15所示的构造。该形成凹槽64的步骤可以例如通过机械加工来实现。形成凹槽64避免了在凹槽64中过度加热树脂，以免使得树脂在该凹槽64的面上聚合。
然后将导电多孔元件60布置为与其中已经产生了凹槽64的层61的面67接触。在此将第二导电多孔元件62布置为面对元件60，与层61的与面67相对的外部面68接触。获得图16所示的构造；设备6目前由元件60和62以及层61的叠置形成。
如图17所示，则沿着与层61的表面67和68垂直的方向向设备6施加均匀压强(如白色方框箭头所示)。该压缩允许通过在层61的各自表面67和68中穿入碳纤维来确保这些纤维的电互连，由此同时确保这些纤维与层61之间的机械和电接触。该压缩还允许获得包含在层61中的树脂沿着与所施加的压强的方向平行的方向向多孔元件60和62以及向凹槽64的流动(如黑色方框箭头所示)。从层61向元件60和62竖直流动的树脂不浸渍这些层60和62的整个体积。例如，可以设置元件60和62的体积大于层61的体积。具体地，层61将不会具有足够浸渍导电元件60和62的整个体积的能够流动的树脂量。从层61竖直流动到元件62中的树脂在此穿过面68，但不到达元件的相对的外部面。同样地，从层61竖直流动到元件60中的树脂在此穿过面67，但不到达元件的相对的外部面。凹槽64完全被树脂填充。
维持压缩并进行树脂在其流动之后的聚合。获得图18所示的构造。初始包含未聚合树脂的层61形成固化复合导电材料的复合层611。凹槽64形成聚合树脂的插件641。从层61已经流动到元件60和62中的多余树脂分别形成通过聚合树脂在其流动之后而固化的区域602和622。最后，基于元件60和62分别获得的区域601和621在设备6的端部处保持是多孔的。
由此，在根据第四实施例的制造方法的步骤结束时，获得了一体形成、刚性、导电的气体扩散设备6，其在其端部处具有多孔区域601和621并在其中心处具有固化的复合层611。复合层611在其厚度中是导电的。
图19是通过实施上述多个实施例的制造方法获得的双极板7的局部横截面图。双极板7包含导电多孔元件70和78。这些元件例如在双极板的每个外部面上起气体扩散层的作用。
双极板7还包含基于根据以下分布的复合元件形成的层790、791和792：
-元件721、722、723、724和725形成层790。该层布置在多孔元件70与复合元件73之间。布置在层790的外部端部处的元件725被布置在多孔元件70的横向延长部分中的也是复合元件的元件71补充。由此限定的层790可以例如视为气体扩散设备并有利地在双极板7内起着阳极回路的作用。这就是也将该层790称为气体扩散设备790的原因。元件721、722、723、724和725之间的距离构造为足以防止将所述元件分开的凹部被树脂填充；
-元件741、742、743、744和745形成层791。该层布置在元件73与也是复合元件的元件75之间。由此限定的层791有利地在双极板7内起着冷却回路的作用。为了增强层791的不可渗透性并同时保证其机械强度和其起着作为电导体和热交换器的作用的能力，可以有利地将金属层(未示出)引入层791内以实现对于气体的不可渗透性。这样的金属层也可被例如通过化学气相沉积来沉积的石墨烯层代替。元件741、742、743、744和745之间的距离构造为防止将所述元件分开的凹部被树脂填充；
-元件761、762、763、764、765、766、767、768和769形成层792。该层布置在元件75与多孔元件78之间。布置在层792的外部端部处的元件769被布置在多孔元件78的横向延长部分中的也是复合元件的元件77补充。由此限定的层792可以例如视为气体扩散设备并有利地在双极板7内起着阴极回路的作用(流动通道在此更宽以便粘性更大的反应性流体的流动)。这就是也将该层792称为气体扩散设备792的原因。元件761、762、763、764、765、766、767、768和769之间的距离构造为足以防止将所述元件分开的凹部被树脂填充。
元件71、721至725、73、741至745、75、761至769和77中每个包含有利地由碳制成的导电纤维；可聚合树脂(未示出)有利地浸渍纤维。一旦使树脂聚合之后，元件71、721至725、73、741至745、75、761至769和77是不可透氢的。可聚合树脂例如是酚醛树脂；一旦使该树脂聚合之后容易变得是不可透氢的。本领域技术人员可理解，在本发明的范围中也可使用其它类型的树脂。由此可有利地根据在机械强度或对于在燃料电池堆的情况中使用的流体的不可渗透方面所需的特性，可以使用不同的树脂来实现气体扩散设备790和792。
根据根据前述的第三实施例的制造方法，沿着与元件70的上部外表面和元件78的下部外表面垂直的方向施加均匀压强(如白色方框箭头所示)。则使得树脂从复合元件向导电多孔元件70和78流动(如黑色方框箭头所示)。然后进行树脂的聚合。由此获得图20所示的构造(出于简化的考虑，没有示出树脂溢出到所形成的通道中)，其中：
-元件71形成聚合复合元件710；
-元件721至725形成聚合元件7210、7220、7230、7240和7250，以及已经流动到多孔元件70中的聚合树脂的元件7001、7002、7003、7004和7251；
-元件70由此形成导电多孔元件700；
-元件73形成聚合复合元件730；
-元件741至745形成聚合元件7410、7420、7430、7440和7450；
-元件75形成聚合复合元件750；
-元件761至769形成聚合元件7610、7620、7630、7640、7650、7660、7670、7680、7690，以及已经流动到多孔元件78中的聚合树脂的元件7801、7802、7803、7804、7805、7806、7807、7808和7691；
-元件78由此形成导电多孔元件780；
-元件77形成聚合复合元件770。
在层790与层70和73之间、层791与层73和75之间、和层792与层78和73之间形成如上所述的导电连接。
由此，在根据前述第三实施例的制造方法的步骤结束时，获得双极板7，其中：
-阳极回路的功能有利地由层790执行；
-冷却回路的功能有利地由层791执行；
-阴极回路的功能有利地由层792执行。
这些回路由此由与多孔元件机械地关联的聚合复合元件形成，整体是导电的，同时保持对于在燃料电池堆的情况中使用的各种反应性流体是不可渗透的。
聚合操作可以例如通过在有利地高于35℃的温度下向流动通道施加气体流动来实施。
图21是使用实施前述多个实施例的制造方法获得的双极板7的局部横截面图。图21所示的构造基于前述的图19所示的构造，对该构造添加：
-布置在元件70的上部外部面之上的刚性模具711；
-布置在元件78的外部下部面之下的刚性模具771。
在双极板7上实施根据前述第三实施例的制造方法。该制造方法的步骤与参照图19所述的相同，唯一不同之处在于使用模具711和771。模具711和771允许在压缩和聚合期间，将旨在形成双极板7的元件保持就位，同时限制元件70和78的获得的形状。
由此，在模制、压缩和聚合之后，基于元件70获得元件701。同样地，在模制、压缩和聚合之后，基于元件78获得元件781。获得图22所示的构造。模具711和771的形状使得可以精确地和独立地控制元件710和701以及元件770和781的最终厚度。
由此，在根据前述第三实施例的制造方法的步骤结束时，获得双极板7，其中：
-阳极回路的功能有利地由层790执行；
-冷却回路的功能有利地由层791执行；
-阴极回路的功能有利地由层792执行。
这些回路由此由与多孔元件机械地关联的聚合复合元件形成，由此形成的整体是导电的，同时保持对于在燃料电池堆的情况中使用的各种反应性流体是不可渗透的。
聚合操作可以例如通过在有利地高于35℃温度下向流动通道中施加气体流动来实施。
图23是使用实施前述多个实施例的制造方法获得的双极板7的局部横截面图。图23所示的构造基于前述的图19所示的构造，对该构造添加布置在元件78的下部外部面下方的不可渗透膜/电极组件772。
实施根据前述第三实施例的制造方法来制造双极板7。该制造方法的步骤与参照图19所述的相同，在此使用板772。将最终通过堆叠多个双极板7实现燃料电池堆。板772旨在形成未来的燃料电池堆的外部下部面：板772允许确保堆叠的刚性和不可渗透性。
由此，在模制、压缩和聚合之后，获得图24所示的构造。
由此，在根据前述第三实施例的制造方法的步骤结束时，获得双极板7，其中：
-阳极回路的功能有利地由层790执行；
-冷却回路的功能有利地由层791执行；
-阴极回路的功能有利地由层792执行。
这些回路由此由与多孔元件机械地关联的聚合复合元件形成，由此形成的整体是导电的，同时保持对于在燃料电池堆的情况中使用的各种反应性流体、尤其氢是不可渗透的。
聚合操作可以例如通过在有利地高于35℃温度下向流动通道施加气体流动来实施。

Claims (18)

1.一种用于制造气体扩散设备(3)的方法，其包括以下步骤：
-提供复合层(31)和导电元件(30)的叠置，所述复合层(31)包含导电纤维和浸渍所述导电纤维的可聚合树脂，所述导电元件(30)在第一面(33)与第二面之间具有开孔性；
-压缩所述复合层(31)和导电元件(30)的叠置以使得所述导电纤维与所述元件(30)的第一面(33)接触，以使得所述树脂流动到所述元件(30)中，而所述树脂不浸渍所述导电元件(30)的整个体积；
-使已经流动的树脂聚合，并且使所述复合层(31)的树脂聚合，以使得所述复合层(31)变为不透氢。
2.根据权利要求1所述的制造方法，其中，叠置的所述导电元件(21)呈板的形式，该板具有分别形成所述元件的所述第一面(23)和第二面(24)的第一侧边缘和第二侧边缘。
3.根据权利要求2所述的制造方法，其中，叠置的所述导电元件(21)是可压缩的，所述压缩步骤包括沿着与在所述第一侧边缘和第二侧边缘之间延伸的外表面垂直的方向压缩所述导电元件(21)。
4.根据权利要求3所述的制造方法，其中，叠置的所述导电元件(21)和所述复合层(20)在静止时具有不同的厚度，沿着与其外表面垂直的方向实施所述导电元件(21)的压缩，以使得所述导电元件(21)和复合层(20)在所述压缩期间具有相同厚度。
5.根据权利要求1所述的制造方法，其中，叠置的所述复合层(61)包括被叠置的所述导电元件(60)覆盖的凹槽(64)。
6.根据权利要求5所述的制造方法，其包括在所述复合层(61)中形成所述凹槽(64)的预先步骤和在所述凹槽(64)的面上使所述树脂聚合的步骤。
7.根据权利要求6所述的制造方法，其中，通过激光雕刻所述复合层(61)来实现所述凹槽形成步骤(64)和所述聚合步骤。
8.根据权利要求6或7所述的制造方法，其中，所述聚合步骤包括在高于35℃的温度下向所述凹槽(64)施加气体流动。
9.根据上述权利要求中任一项所述的制造方法，其中，叠置的所述导电元件(60)具有40至350微米的厚度。
10.根据上述权利要求中任一项所述的制造方法，其中，所述元件(21)是泡沫、毡或织物层。
11.根据上述权利要求中任一项所述的制造方法，其中，所述树脂是酚醛树脂。
12.根据上述权利要求中任一项所述的制造方法，其中，使用0.5至1.5MPa的压强来压缩所述叠置。
13.根据上述权利要求中任一项所述的制造方法，其中，执行所述压缩以使得所述树脂流动到所述导电元件(21)中，而所述树脂不到达所述第二面(24)。
14.根据上述权利要求中任一项所述的制造方法，其中，执行所述压缩以使得所述树脂浸渍所述导电元件(21)的体积的最多30％。
15.一种用于制造双极板(7)的方法，所述方法包括使用根据上述权利要求中任一项所述的方法来形成第一气体扩散设备(790)，并包括使用根据上述权利要求中任一项所述的方法来形成第二气体扩散设备(792)，用于制造所述双极板的方法还包括叠置所述第一气体扩散设备和第二气体扩散设备(790、792)的步骤。
16.根据权利要求15所述的用于制造双极板的方法，其中，用于形成所述第一气体扩散设备(790)和用于形成所述第二气体扩散设备(792)的可聚合树脂具有不同的化学成分。
17.根据权利要求15或16所述的用于制造双极板的方法，所述方法包括将金属层引入叠置的所述第一气体扩散设备与第二气体扩散设备(790、792)之间的步骤。
18.一种气体扩散设备(3)，其中，所述气体扩散设备包括以下的叠置：
-复合层(31)，其包含导电纤维，所述导电纤维被聚合树脂涂覆，以使得该复合层(31)不透氢；
-导电元件(30)，其具有第一面(33)和第二面，所述导电纤维与所述导电元件(30)的第一面(33)接触，所述导电元件(30)的第一面(33)具有填充有所述聚合树脂的多孔性，所述导电元件(30)的第二面具有不包括所述树脂的开孔性。
CN202080047938.2A 2019-07-01 2020-07-01 用于制造具有改善的电气特性的气体扩散设备的方法 Pending CN114051664A (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR1907260A FR3098357B1 (fr) 2019-07-01 2019-07-01 Procédé de fabrication d’un dispositif de diffusion gazeuse à propriétés électriques améliorées
FRFR1907260 2019-07-01
PCT/FR2020/051150 WO2021001629A1 (fr) 2019-07-01 2020-07-01 Procédé de fabrication d'un dispositif de diffusion gazeuse à propriétés électriques améliorées

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN114051664A true CN114051664A (zh) 2022-02-15

Family

ID=68211037

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202080047938.2A Pending CN114051664A (zh) 2019-07-01 2020-07-01 用于制造具有改善的电气特性的气体扩散设备的方法

Country Status (7)

Country Link
US (1) US20220246946A1 (zh)
EP (1) EP3994751A1 (zh)
JP (1) JP2022538599A (zh)
KR (1) KR20220028023A (zh)
CN (1) CN114051664A (zh)
FR (1) FR3098357B1 (zh)
WO (1) WO2021001629A1 (zh)

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1647301A (zh) * 2002-04-12 2005-07-27 日产自动车株式会社 燃料电池
US20070128464A1 (en) * 2005-12-05 2007-06-07 Jang Bor Z Sheet molding compound flow field plate, bipolar plate and fuel cell
CN101053101A (zh) * 2004-08-25 2007-10-10 通用汽车公司 具有微孔层的扩散介质
US20080032169A1 (en) * 2006-05-25 2008-02-07 Tibor Fabian Heat and water management device and method in fuel cells
KR100805989B1 (ko) * 2007-02-05 2008-02-25 엘에스전선 주식회사 연료전지용 분리판 및 이를 이용한 연료 전지용 스택
US20170229718A1 (en) * 2014-08-26 2017-08-10 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. Fuel cell module, fuel cell stack, and method for producing fuel cell module
WO2018111968A1 (en) * 2016-12-13 2018-06-21 3M Innovative Properties Company Bipolar plate-electrode assemblies and electrochemical cell stacks and liquid flow batteries therefrom
US20190123359A1 (en) * 2017-10-20 2019-04-25 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives Multilayer structure incorporating a mat of carbon nanotubes as diffusion layer in a pemfc

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA1259101A (en) * 1984-04-09 1989-09-05 Hiroyuki Fukuda Carbonaceous fuel cell electrode substrate incorporating three-layer separator, and process for preparation thereof
TW200306031A (en) * 2002-01-22 2003-11-01 Du Pont Unitized membrane electrode assembly and process for its preparation
JP4111133B2 (ja) * 2003-02-19 2008-07-02 セイコーエプソン株式会社 燃料電池及び燃料電池の製造方法
US20050026012A1 (en) * 2003-07-28 2005-02-03 O'hara Jeanette E. Diffusion media tailored to account for variations in operating humidity and devices incorporating the same
GB0319780D0 (en) * 2003-08-22 2003-09-24 Johnson Matthey Plc Membrane electrode assembly
US7629071B2 (en) * 2004-09-29 2009-12-08 Giner Electrochemical Systems, Llc Gas diffusion electrode and method of making the same
TWI296449B (en) * 2006-01-04 2008-05-01 Univ Feng Chia Porous carbon electrode substrates and methods for preparing the same
US20080149900A1 (en) * 2006-12-26 2008-06-26 Jang Bor Z Process for producing carbon-cladded composite bipolar plates for fuel cells
WO2012032922A1 (ja) * 2010-09-10 2012-03-15 日清紡ケミカル株式会社 燃料電池セパレータ
WO2016060045A1 (ja) * 2014-10-17 2016-04-21 東レ株式会社 炭素シート、ガス拡散電極基材、および燃料電池
CN108432007B (zh) * 2015-12-24 2021-03-02 东丽株式会社 气体扩散电极

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1647301A (zh) * 2002-04-12 2005-07-27 日产自动车株式会社 燃料电池
CN101053101A (zh) * 2004-08-25 2007-10-10 通用汽车公司 具有微孔层的扩散介质
US20070128464A1 (en) * 2005-12-05 2007-06-07 Jang Bor Z Sheet molding compound flow field plate, bipolar plate and fuel cell
US20080032169A1 (en) * 2006-05-25 2008-02-07 Tibor Fabian Heat and water management device and method in fuel cells
KR100805989B1 (ko) * 2007-02-05 2008-02-25 엘에스전선 주식회사 연료전지용 분리판 및 이를 이용한 연료 전지용 스택
US20170229718A1 (en) * 2014-08-26 2017-08-10 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. Fuel cell module, fuel cell stack, and method for producing fuel cell module
WO2018111968A1 (en) * 2016-12-13 2018-06-21 3M Innovative Properties Company Bipolar plate-electrode assemblies and electrochemical cell stacks and liquid flow batteries therefrom
US20190123359A1 (en) * 2017-10-20 2019-04-25 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives Multilayer structure incorporating a mat of carbon nanotubes as diffusion layer in a pemfc

Also Published As

Publication number Publication date
FR3098357B1 (fr) 2021-12-24
JP2022538599A (ja) 2022-09-05
WO2021001629A1 (fr) 2021-01-07
KR20220028023A (ko) 2022-03-08
FR3098357A1 (fr) 2021-01-08
EP3994751A1 (fr) 2022-05-11
US20220246946A1 (en) 2022-08-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1265303B1 (en) Polymer electrolyte fuel cell and method of manufacturing the same
CA2630419C (en) Fuel cell component, porous body for fuel cell and method of manufacturing fuel cell component
US7833673B2 (en) Solid polymer electrolytic fuel cell
US6607857B2 (en) Fuel cell separator plate having controlled fiber orientation and method of manufacture
CA2654919C (en) Method for producing fuel cell electrolyte membrane and method for producing membrane-electrode assembly
WO2001029921A1 (fr) Pile a combustible a electrolyte polymere et son procede de production
KR101483282B1 (ko) 전지용 흑연 코팅 복합재료 분리판의 제조 방법
EP1834370A2 (en) Form-in-place fastening for fuel cell assemblies
WO2013161200A1 (en) Solid polymer electrolyte type fuel cell, and electrolyte membrane-electrode-frame assembly
JP2006520067A (ja) 高分子セパレータープレート
JP2009093967A (ja) 燃料電池用セパレータ
KR101173059B1 (ko) 고분자 전해질 연료전지용 복합재료 분리판 및 이의 제조방법
KR20090128974A (ko) 연료전지 스택용 분리판 및 그 제조 방법
CN114051664A (zh) 用于制造具有改善的电气特性的气体扩散设备的方法
JP2005183210A (ja) 燃料電池のシール構造
CN112186202B (zh) 减少头部损失的气体扩散装置
CN109390606B (zh) 用于燃料电池的分离器、燃料电池及其分离器的制造方法
US20040033412A1 (en) Fuel cell separator, fuel cell using the separator, and method of producing the separator
JP2019139993A (ja) 燃料電池モジュールおよびその製造方法
US20220336827A1 (en) Fuel cell and corresponding manufacturing method
JP2008034159A (ja) 燃料電池および燃料電池の製造方法
KR101966096B1 (ko) 연료 전지 및 기체 확산층의 제조 방법
TW202225488A (zh) 混合式雙極板及其製造方法
JP2016131085A (ja) 燃料電池とその製造方法
KR20220155477A (ko) 압출 성형된 직선형 코어 부재를 사용하여 제조된 연료 전지용 세퍼레이터 및 연료 전지용 세퍼레이터 제조 방법

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination