CN1163996C - 质子交换膜燃料电池双极性隔板 - Google Patents

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Abstract

一种用于质子交换膜燃料电池(20)的不透气双极性隔板(20)，具有重量为隔板的约50wt%-约95wt%范围内的至少一种电子传导性材料，重量占所述隔板的至少约5wt%的至少一种树脂和至少一种亲水剂，以及最大重量高达所述隔板的20wt%的碳素纤维，其中电子传导性材料、树脂和亲水剂基本均匀分散在整个隔板中。

Description

质子交换膜燃料电池双极性隔板
发明背景
本发明涉及在质子交换膜燃料电池叠层中使用的双极性隔板。该隔板是亲水的并且具有可控的空隙率，有利于使燃料电池的内部增湿以及从燃料电池去除生成水，并且同时提供控制燃料电池叠层温度的装置。
通常，燃料电池电输出单元是由双极性电子传导性隔板隔开的层叠的多个单电池构成。单个电池层叠在一起并且固定成一个多层单元来得到希望的燃料电池能量输出。每个单个电池通常包括阳极和阴极、公用电解质、以及燃料和氧化剂气体源。燃料和氧化剂气体通过在燃料电池叠层内部或外部的支管引入到隔板和电解质之间的各个反应室。
现有技术
目前已存在和/或正研究的许多燃料电池系统设计成用于各种用途，包括发电、车辆和要避免环境污染的其它用途。包括熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池、磷酸燃料电池和质子交换膜燃料电池。与这些燃料电池中每个的成功运行相关的一个问题是燃料电池温度的控制以及燃料电池内电化学反应产生的产物的排除。
有商业价值的燃料电池叠层包含多至约600个单个燃料电池单元，每个有多至1.115平方米的平面积。在层叠单个电池时，隔板隔开该单个电池，燃料和氧化剂中的每个引入在一组隔板之间，燃料引入在隔板的一面和电解质的阳极侧之间，而氧化剂引入在隔板的另一面和第二电解质的阴极侧之间。包含600个电池的电池叠层可以达6.96米高，对于电池叠层发热和运行期间保持电池整体性存在严重问题。由于电池组件和电池工作环境之间的热梯度、不同的热膨胀和各个部件所需材料的必要强度，提出了紧密容差和很难的工程问题。鉴于此，电池温度控制极为重要，如果用最小温度梯度不能完成，将不能保持均匀电流密度，并且会发生电池退化。
在质子交换膜(PEM)燃料电池中，电解质是呈质子传导膜形式的有机聚合物，例如全氟磺酸聚合物。因为该隔膜在干燥时不能有效运行，当该电解质隔膜用水保持潮湿时这种燃料电池运行最好。伴随着质子通过隔膜的移动，带动水通过隔膜从阳极侧到阴极侧。这趋于使隔膜阳极侧变干，并且趋于在隔膜的阴极侧上产生水膜。电化学反应中形成的生成水进一步润湿阴极表面。因此，从隔膜阴极侧连续地除去生成水，同时保持隔膜阳极侧润湿对PEM燃料电池的运行非常重要，以使电化学反应和隔膜传导容易。
许多美国专利涉及质子交换膜燃料电池的水控制问题。美国专利4769297教导使用固体聚合物燃料电池，其中阳极气体提供水给隔膜阳极侧。一些水通过叠层在电池间迁移，水迁移是水从阳极通过隔膜带动到阴极并且通过使用插入在相邻电池单元之间的亲水多孔隔板的结果。通过在阴极和阳极之间保持的反应物压力差来迫使水通过多孔隔板。阳极支撑板提供由此蒸发水的大表面积以发挥冷却作用。指出该隔板由石墨制成。
美国专利4824741教导了使用多孔石墨阳极板的燃料电池系统。提供给该多孔板和阳极反应物气体的水通过从该板表面蒸发来增湿。通过与湿的多孔阳极板接触来润湿质子交换膜。与阴极板相邻的无孔不透气隔板用于防止气体从阳极穿过到阴极。也参见美国专利4826741、美国专利4826742、美国专利5503944和PCT申请No.WO94/15377。
在由石墨或树脂粘合的石墨碳复合材料构成并具有气流通道的质子交换膜电池中使用的双极性隔板在美国专利4175165中已教导。该专利教导用润湿剂如胶态硅溶胶涂覆表面以使该表面呈亲水性来处理双极性隔板。这样，从该电极吸走燃料电池中的生成水用于后续处理。然而，用润湿剂涂覆表面不利地增加极板的电阻，导致电导率降低。美国专利3634569教导了从石墨粉末和酸燃料电池使用的热固树脂的混合物中制备致密石墨板的方法。该方法采用5wt％-25wt％热固酚树脂粘合剂和75wt％-95wt％筛分粉末石墨的混合物。美国专利4339322(双极性板由模压热塑性氟树脂、石墨和碳素纤维构成)、美国专利4738872(隔板包括50wt％石墨和50wt％热固酚树脂)、美国专利5108849(燃料电池隔板中的蛇状流动板由无孔石墨或其它耐蚀性金属粉末和如聚偏氟乙烯的热塑性树脂构成，其成分是10-30wt％树脂和70-90wt％石墨粉末)、美国专利4670300(燃料电池板包括20-80％石墨，余量是纤维素纤维或相同比例的纤维素纤维和热固树脂)、美国专利4592968(隔板由石墨、焦碳和在2650℃下石墨化的可碳化热固酚树脂构成)、美国专利4737421(燃料电池板的碳或石墨在5％-45％的范围内、热固树脂在40％-80％的范围内、余量是纤维素纤维)、美国专利4627944(燃料电池板由碳或石墨、热固树脂和纤维素纤维构成)、美国专利4652502(燃料电池板由50％石墨和50％热固树脂构成)、美国专利4301222(隔板由40％-65％石墨和35％-55％树脂的混合物构成)和美国专利4360485(隔板由45％-65％石墨和35％-55％树脂的混合物构成)也教导了石墨和树脂双极性板。
AT-B-389′020描述了包括隔膜和隔板的氢氧燃料电池。为减小电池隔膜的脱水，建议使隔膜和隔板多孔(微孔0.001-1μm)或引入尺寸在0.001-1μm范围内的微孔亲水剂如高岭土或微石棉。当使用时微孔充满水并且毛细作用力足以使隔板不透气。
我们已发现在质子交换膜燃料电池中使用的双极性隔板的许多特性，这些特性对于制造和运行是重要的，但它们未被现有技术所研究。包括相对于隔板电子传导性性的隔板透水性；关于能保持吸水性能的隔板功能性；隔板经历冻结和解冻条件之间热循环的能力，正类似于碰到例如燃料电池的车辆应用。此外，该隔板应当能由便宜的原材料构成，该材料优选使用一步法模压工艺并且利用制造隔板的方法容易地形成任何板结构，该材料在低温燃料电池中耐蚀并且不需要进一步处理如高温热处理，其中能控制隔板的亲水性和空隙率。
发明概述
因此，本发明目的是提供适合在质子交换膜燃料电池中使用的双极性隔板，其制造相对便宜。
本发明另一目的是提供一双极性隔板，具有改进的从质子交换膜燃料电池中除去水的性能和质子交换膜燃料电池的内部增湿。
本发明的又一目的是提供挤压强度大于约1379kPa、用于质子交换膜燃料电池的双极性隔板。
本发明的又一目的是提供适合在完全内部支管燃料电池叠层中使用的用于质子交换膜燃料电池的双极性隔板。
本发明的又一目的是提供适合在质子交换膜燃料电池中使用的双极性隔板的制造方法。
通过双极性隔板实现本发明的这些和其它目的，该隔板包括重量在隔板重量的约50％-95％范围内的至少一种电子传导性材料，重量占隔板重量的至少约5％的至少一种树脂，以及适合在质子交换膜燃料电池中使用的用于把水吸入到隔板的至少一种亲水剂。电子传导性材料、树脂和亲水剂基本均匀分散在整个隔板中。根据本发明的一个特定优选实施例，电子传导性材料是电子传导性含碳材料并且亲水剂是亲水树脂。
本发明的双极性隔板的制造是：混合至少一种电子传导性材料即优选含碳材料、至少一种树脂和至少一种亲水剂以形成基本均匀的混合物，该混合物包括重量在混合物重量的约50％-95％范围内的电子传导性材料、重量占混合物重量的至少约5％的至少一种树脂以及所述的至少一种亲水剂。然后该混合物在温度约121℃-427℃的范围内以及在压力约3447kPa-27579kPa的范围内模压成所想要的形状，形成双极性板，该温度是所用树脂的函数。按照该方法制造的双极性隔板的空隙率在隔板体积的约0％-25％的范围内并且优选形成中间孔尺寸在约0.25微米-约2.0微米范围内的多个孔。
附图简述
从结合附图的下面详细描述中将更好理解本发明的这些和其它目的及特征。
图1a是根据本发明的一个实施例、具有一片隔板的PEM燃料电池叠层的侧视图；
图1b是根据本发明的一个实施例、具有两片隔板的PEM燃料电池叠层的侧视图；
图2是作为隔板中润湿剂的二氧化硅的百分比与隔板电导率的关系的图示；
图3是隔板中二氧化硅百分比和隔板所吸收的水之间的关系图示；以及
图4是表示燃料电池叠层的内部支管结构的图。
优选实施例的描述
本发明是用于质子交换膜燃料电池的不透气双极性隔板，包括至少一种电子传导性材料、至少一种树脂和至少一种亲水剂，其中电子传导性材料、树脂和亲水剂基本均匀地分散在整个隔板中。本发明的双极性隔板排除了质子交换膜燃料电池外部增湿的需要并且在燃料电池叠层系统中提供热控制和生成水的排除。本发明双极性隔板的优选成分包括石墨和树脂混合物，当在压力和温度的适当条件下模压生成导电、重量轻的双极性隔板，适合在低温电化学系统如质子交换膜燃料电池中使用。
该隔板可制造成具有用于所希望电化学系统的反应物液体流动的通道。该隔板制造成用于所希望的电化学系统的各种电导率。该隔板制造成有各种空隙率，用于电化学系统的水控制。最后，并且该隔板制造成有各种程度的亲水性，用于电化学系统的水和热控制。
根据本发明的特定优选实施例，该双极性隔板包括重量在隔板重量的约50％-约95％的范围内的至少一种电子传导性材料，重量占隔板重量的至少约5％的至少一种树脂，以及至少一种亲水剂。根据本发明的特定优选实施例，该隔板由包括约50-95wt％石墨材料即石墨、约5-30wt％的一种热固树脂、高达约45wt％碳素纤维和0-约25wt％二氧化硅的混合物的组分形成。然后在约121℃-约427℃范围内的高温下并且在约3447kPa-约27579kPa范围内的压力下模压该组分。以该方式制造的模压材料的电导率是至少约5S/cm，它表示在质子交换膜燃料电池中使用所需要的额定最小电导率。该模压材料的空隙率可高至约25vol％。随着该隔板空隙体积减小而增加的模压材料气泡压力是至少约34.475kPa。
如上所述，当电解质隔膜保持用水润湿时，采用固体聚合物电解质隔膜的质子交换膜燃料电池运行最好。在质子交换膜燃料电池的运行期间，同质子通过隔膜移动一起，水从阳极侧通过隔膜带动到阴极侧。该现象趋于使隔膜阳极侧变干，同时在隔膜的阴极面对表面上产生水滴。在电化学反应中形成的并且出现在阴极面对表面上的生成水进一步润湿阴极面对表面。除非适当控制，否则在阴极面对表面处的水，特别是如果呈水滴形式，将可能阻塞氧化物通道，从而阻止氧化物气体接近催化剂并降低电化学反应。
因此，重要的是把水提供给燃料电池中隔膜的阳极侧以防止变干并且从阴极侧连续地去除水以防止水滴形成在隔膜表面上。因此本发明的隔板必须有足够的亲水性，不仅防止阴极侧上水的积累，而且改进水在整个隔板上的分布。由于水在整个隔板上存在，基本上降低了反应物气体穿过隔板混合的可能。因此，本发明双极性隔板包括用于把水吸入到隔板中的基本均匀分散在整个隔板上的至少一种亲水剂，该隔板适合在质子交换膜电池中使用。按照本发明的一个优选实施例，该隔板的至少一种树脂是亲水的。按照本发明的特定优选实施例，该亲水树脂是酚醛热固树脂。
根据本发明的另一实施例，至少一种亲水剂是优选从Ti、Al、Si的氧化物和其混合物构成的组中选择的润湿剂。通过亲水剂分散在整个隔板上，本发明的隔板有足够的透水能力，从而在小于约68.95kPa的压力差下在电流密度10764安培/平方米时去除生成水5.5cc/每分钟。
质子交换膜燃料电池的一个应用是车辆中的发电。在该应用中，燃料电池暴露于宽的温度范围并且在其使用寿命期间经历无数的冻结/解冻循环。人们相信由于亲水剂分散在整个隔板中，作为水被隔板吸收的结果，在冻结和解冻温度条件之间循环后保持在隔板中的水会导致隔板断裂。令人惊奇的是，本发明的双极性隔板在吸收18wt％的水时在经历12次冻结/解冻循环后未出现断裂。
美国专利4175165教导使用各种润湿剂，如胶态硅溶胶或高表面积氧化铝或氧化铝-二氧化硅组分，它们淀积在在此公开的隔板表面上。然而，氧化铝和二氧化硅，以及其它润湿剂通常是电绝缘体。因此，润湿剂涂覆在隔板表面使表面呈亲水性，但也增加隔板的表面接触电阻，从而增加电池单元的内阻，这又降低了电池功率。
令人惊奇的是，本发明隔板采用均匀分散在整个隔板上的润湿剂仍将能够保持足够的电导率。根据本发明的一个实施例，作为细颗粒的润湿剂加入到电子传导性材料和树脂的混合物中并且与其完全混合，从而产生润湿剂的均匀分散。然而，也能作为分散溶液加入，当与电子传导性材料和树脂完全混合时，产生同样均匀混合的模压混合物。我们相信润湿剂可通过防止树脂和其它成分形成一个连续相来促进模压产物中孔的形成。这些润湿剂对水的亲和力降低了水和模压产物之间的表面张力。结果，与模压隔板接触的水具有在模压隔板表面上形成膜的趋势，而不是形成水滴。因为该模压隔板包含孔，由于隔板的亲水性，这些孔变得更易充满水。如果在隔板的两端提供足够的压力差，水能从隔板的一面转移到另一面。本发明隔板解决的另一问题是隔板稳定性。我们发现本发明隔板在90℃水中超过1200小时后仍保持原来重量的99％。在该时间期间，隔板的吸水率还仍然恒定在18wt％。
本发明隔板的电导率作为二氧化硅含量的函数在图2中示出，其中用均匀分散的不同数量的二氧化硅制造各种隔板。得出这些数据的隔板包括重量占隔板重量的约12.5％的热固树脂、重量在隔板重量的0％-10％之间的二氧化硅和重量在隔板重量的约77.5％-87.5％之间的石墨。
适合在质子交换膜燃料电池中使用的隔板应当具有不小于约5S/cm的电导率并且优选不小于75S/cm。本发明隔板可以是多孔或无孔，但无论如何必须不透气。根据本发明的特定优选实施例，该隔板是多孔的，空隙率小于约25vol％。本发明隔板的孔径优选在约0.25微米-约2微米的范围内，中间孔径优选在约0.5微米-约1.5微米的范围内。
除亲水剂外，本发明隔板还包括至少一种电子传导性材料和至少一种树脂，电子传导性材料以隔板重量的约50％-约95％的数量存在并且至少一种树脂以隔板重量的至少约5％的数量存在。在本发明隔板中使用的适当电子传导性材料从碳素材料、金属、金属合金、金属碳化物、金属氮化物和它们的混合物构成的组中选择。适当的金属包括钛、铌、钽和如耐盐酸镍基合金的合金。根据本发明特定优选实施例，电子传导性材料是从石墨、碳黑、碳素纤维和其混合物构成的组中选择的碳素材料。石墨、或各种可得到的导电碳化合物如导电碳黑是特别优选的。使用碳基材料降低与制造相关的成本，以及简化气体流动控制装置如隔板中通道的制造并且简化隔板的模压。
根据本发明的一个优选实施例，隔板包括高达约10wt％的碳素纤维。加入碳素纤维不仅加强该隔板，而且提高隔板的吸水率和电导率。
本发明隔板还包括大于约5％的树脂。该树脂对模压隔板起粘合剂的作用，并且如上所述，还增加隔板的亲水性。适当的树脂包括热固树脂、热塑性树脂和其混合物。在本发明隔板中使用的合适的热塑性树脂包括聚偏氟乙烯、聚碳酸脂、聚四氟乙烯、聚氨酯、聚酯、聚丙烯和HDPE。优选热固树脂从酚树脂、醛树脂、环氧树脂和乙烯树脂构成的组中选择。下面例子表示本发明隔板的各种组分和由此导致的隔板性能之间的关系。在每种情况下，从Occidental ChemicalCorporation of Dallas，Texas得到的粒径小于3.1×105孔/平方米的Varcum 29338酚树脂、40纳米大小的二氧化硅颗粒、长度约150微米的碳素纤维和粒径小于3.1×105孔/平方米的石墨粉末的各种混合物模压多孔0.102×0.102米隔板。完全混合该粉末并在6895kPa和204℃下模压成板。例子I-IV表示作为润湿剂的二氧化硅在室温下对隔板电导率和亲水性的影响。电导率和亲水性作为二氧化硅含量的函数分别表示在图2和3中。例子V表示根据本发明一个实施例的隔板性能，用碳素纤维代替10wt％的石墨。基于例子I-IV的结果，可见当二氧化硅加入到组分中时，由吸水率数量表示的隔板亲水性增加同时电导率降低。然而，通过由10wt％碳素纤维替代在该组分中使用的部分电子传导性石墨材料，从而隔板空隙率增加，达到基本吸水率(18％)所需的润湿剂(二氧化硅)数量减少并且在降低二氧化硅含量下隔板电导率保持高于有相应二氧化硅数量且没有碳素纤维的隔板(例子II)。
例子I
用下面组分和性能在6895kPa和204℃下模压隔板。
    组分     型号     重量百分比
    树脂     Varcum 29338     12.5
    二氧化硅     *Aerosil OX-50     0.0
    石墨     **HPS-75     87.5
    性能
    电导率(S/cm)     130
    吸收的水(％重量增加)     5.6
*Degussa Corp.Of Richfield，New York
**Dixon-Ticonderoga Company of Lake Hurst，New Jersey
例子II
用下面组分和性能在6895kPa和204℃下模压隔板。
  组分   型号   重量百分比
  树脂   Varcum 29338   12.5
  二氧化硅   Aerosil OX-50   2.5
  石墨   HPS-75   85.0
  性能
  电导率(S/cm)   90
  吸收的水(％重量增加)   5.9
例子III
用下面组分和性能在6895kPa和204℃下模压隔板。
  组分   型号   重量百分比
  树脂   Varcum 29338   12.5
  二氧化硅   Aerosil OX-50   5.0
  石墨   HPS-75   82.5
  性能
  电导率(S/cm)   74
  吸收的水(％重量增加)   6.7
例子IV
用下面组分和性能在6895kPa和204℃下模压隔板。
  组分   型号   重量百分比
  树脂   Varcum 29338   12.5
  二氧化硅   Aerosil OX-50   10.0
  石墨   HPS-75   77.5
  性能
  电导率(S/cm)   53
  吸收的水(％重量增加)   8.2
例子V
用下面组分和性能在6895kPa和204℃下模压隔板。
  组分   型号   重量百分比
  树脂   Varcum 29338   12.5
  二氧化硅   Aerosil OX-50   2.5
  石墨   HPS-75   75.0
  碳素纤维   *Panex 30   10.0
  性能
  电导率(S/cm)   95
  吸收的水(％重量增加)   18
  中间孔尺寸(MPS)     0.5μ
*Zoltek Corporation of St. Louis，Missouri
弹性是例如压应力导致变形后应变体恢复其尺寸和形状的能力。本发明隔板中使用的石墨的弹性变形是约26％。即，在经过压应力后石墨膨胀到其压缩形状的约126％。与此相反，碳素纤维有明显更高的弹性。由于构成隔板的各个组件的弹性而具有更高弹性的隔板的不足是限制了能达到的孔尺寸。具体地，利用有更大弹性的材料产生有更大孔尺寸的隔板，反之，利用低弹性隔板将产生更小孔尺寸的隔板。更大孔尺寸通常降低反应气体从隔板一侧到另一侧所需的压力并导致隔板电导率降低。使用低弹性材料的隔板通常更坚固并且更导电。令人惊奇的是，我们发现在例子V中所用石墨和碳素纤维的混合材料导致弹性与仅有石墨的弹性相一致的隔板。该惊奇在于本领域技术人员期望加入比石墨弹性更大的碳素纤维会产生有更大弹性的隔板。因此，根据本发明的特定优选实施例，在本发明隔板中存在的碳素纤维数量小于约10wt％。
隔板的气泡压力与防止反应气体穿过隔板一侧到另一侧的能力相关。气泡压力是隔板孔中水的正压力，它与隔板中孔尺寸成反比。即，中间孔尺寸越小，吸收在隔板中的水施加的压力越大。因此，气泡压力是高于迫使反应气体通过水饱和隔板，导致两种反应物的不利混合以及反应物气体进入隔板的冷却水通道的压力。我们发现本发明隔板的气泡压力大于34.475kPa。本发明隔板的优选实施例具有大于68.95kPa的气泡压力，更优选为大于137.9kPa。
图1a和1b表示有多个燃料电池单元20的燃料电池叠层15，每个所述燃料电池单元包括质子交换膜25、在一侧上的阳电极30和在另一侧上的阴电极35。阳极催化层31位于阳极30和隔膜25之间以及适当的阴极催化层36位于阴极35和隔膜25之间。双极性隔板39隔开一个燃料电池单元的阳极30与相邻燃料电池单元的阴极35。
根据图1a所示的本发明的另一个实施例，本发明隔板39是包括阴极面对面40和阳极面对面45的一片隔板，阳极面对面40形成由此延伸的多个氧化剂气流通道41以提供阴极通道中氧化剂与阴极35之间的接触。类似地，阳极面对面45在此形成适当的燃料气流通道46以提供燃料气体与阳极30之间的接触。
根据图1b所示的本发明的另一个实施例，隔板39由两个隔板构成，即，阴极面对隔板39a和阳极面对隔板39b。为了提供叠层的水冷却，阴极面对隔板39a和阳极面对隔板39b的界面形成多个冷却水通道34。
燃料电池叠层还包括阴极隔板端板50和阳极隔板端板60。端板50和60不透水，或者密封以防止泄漏。提供适当的张紧机构和垫圈(未示出)来把叠层的组件固定在一起。
据此，本发明的隔板必须足够坚固以承受在燃料电池叠层组装期间作用于此的力的挤压。隔板的挤压强度必须大于1379kPa。根据例子5制造的隔板有大于14479.5kPa的挤压强度。除挤压强度外，本发明隔板必须有一定的弹性以使它能够与燃料电池叠层组件的其它部件相配合。根据本发明的特定优选实施例，隔板具有3.5％的最小弹性或约0.0358米/每米长度，而不会断裂。
如上所述，碳素纤维可加入到本发明的隔板并且最好基本均匀分布在整个隔板中，数量达隔板的约20wt％，但最优选小于隔板重量的10wt％。因为碳素纤维昂贵，其使用是任选的，但是有利的，这是因为它们提供空隙率和结构增强，而不牺牲使用相应数量润湿剂时的电导率。
从例子可见，隔板的组分必须达到平衡以提供具有所希望的电导率和亲水性的隔板。该例子表明当为了增加亲水性，呈SiO2形式的润湿剂数量增加时，隔板的电导率降低。图3表示吸入到隔板中水的数量随着SiO2含量增加而增加，同时图2表示随着SiO2含量增加，电导率降低。该数据点交叉在约5wt％二氧化硅含量处。因此，在本发明隔板中使用的二氧化硅的优选范围是在约1wt％-10wt％的范围内，最优选在约2wt％-4wt％的范围内。如上所述，加入达20wt％的碳素纤维可提供附加的空隙率，而不损失电导率。然而，碳素纤维昂贵，因此使所用数量最小是所希望的。
本发明隔板适合在外部支管燃料电池叠层或内部支管燃料电池叠层中使用。在外部支管燃料电池叠层中，从与燃料电池叠层的边缘区域连接的外部支管提供反应物气体，而与此同时，在内部支管燃料电池叠层中，反应物气体通过电池组件中的穿孔形成的支管提供到反应位置。利用本发明一个实施例的双极性隔板的内部支管燃料电池叠层如图4所示。如图4所示，燃料电池叠层的离子交换膜25和隔板39延伸到叠层的外缘。隔板39配置有从每一面延伸以接触完全围绕其周边的离子交换膜的平坦周边密封结构43，由此形成边缘密封。离子交换膜和隔板中的每个形成一个用于供给和一个用于排除的多个燃料支管孔54，并且形成一个用于供给和一个用于排除的多个氧化物支管孔55。隔板中的支管孔54、55被从隔板的每一面延伸以接触离子交换膜的平坦支管密封结构56、67包围，由此形成支管密封，并且因此形成通过电池叠层延伸的多个燃料和氧化物气体支管。导管47、47`被配置穿过包围在隔板的阳极面对面上的燃料支管孔54的平坦支管密封结构，从而提供一组支管和在阳极与隔板阳极面对面之间形成的阳极气体反应区之间的燃气传输通道，并且导管48、48`被配置穿过包围在隔板的阴极面对面上的氧化物支管孔55的平坦支管密封结构，从而提供第二组支管和在阴极与隔板阴极面对面之间形成的阴极反应区之间的氧化物气体传输通道，由此为供给和来自燃料电池叠层的每个所述燃料电池单元的燃料和氧化物气体提供完全内部支管。
通过混合至少一种电子传导性材料即优选含碳材料、至少一种树脂和至少一种亲水剂以形成基本均匀混合物来制造本发明的双极性隔板，该混合物包括在约50wt％-95wt％范围内的所述电子传导性材料、至少约5wt％的所述树脂和所述亲水剂。然后，该混合物在约121℃-约427℃的温度范围内和在压力约3447kPa-约27579kPa的范围内模压成想要形状，从而形成双极性隔板。
根据本发明一个实施例的PEM燃料电池叠层，本发明隔板包括在所述燃料电池叠层内用于冷却水的循环和排除的水供给和排除装置。如图1b所示，包括阴极面对板39a和阳极面对板39b的隔板39在它们的界面处形成多个冷却水通道34。在图4所示的内部支管燃料电池叠层中，水从水支管孔58提供，孔58配置有与相邻电池组件密封的延伸支管密封结构并且形成在所述水支管孔58和所述冷却水通道34之间传输的导管，以及水通过水支管孔58`排除。
在上述说明书中结合某些优选实施例已描述本发明并且为了示意说明已描述了许多细节，对本领域技术人员显而易见的是，本发明能够附加实施例并且能够极大地改变在此所描述的某些细节，而不脱离本发明的基本原理。

Claims (50)

1.一种用于质子交换膜燃料电池的不透气双极性隔板，包括：
重量在所述隔板的50wt％-95wt％范围内的至少一种电子传导性材料；
重量占所述隔板的至少5wt％的至少一种树脂；
适合在质子交换膜燃料电池中使用的用于把水吸入到所述隔板的至少一种亲水剂，以及
碳素纤维，碳素纤维的最大重量高达所述隔板的20wt％；
所述至少一种电子传导性材料、所述至少一种树脂、所述至少一种亲水剂和所述碳素纤维均匀分散在整个所述隔板中。
2.如权利要求1所述的双极性隔板，其中所述至少一种树脂是亲水的。
3.如权利要求1所述的双极性隔板，其中所述至少一种电子传导性材料从含碳材料、金属、金属合金、金属碳化物、金属氮化物和它们的混合物构成的组中选择。
4.如权利要求3所述的双极性隔板，其中所述至少一种电子传导性材料包括至少一种含碳材料。
5.如权利要求1所述的双极性隔板，其中所述亲水剂是润湿剂。
6.如权利要求5所述的双极性隔板，其中所述润湿剂是从Ti、Al、Si的氧化物和其混合物构成的组中选择。
7.如权利要求1所述的双极性隔板，其中所述至少一种树脂是从热固树脂、热塑树脂和其混合物构成的组中选择。
8.如权利要求1所述的双极性隔板，其中所述至少一种电子传导性材料是从石墨、碳黑、碳素纤维和其混合物构成的组中选择。
9.如权利要求1所述的双极性隔板，其中所述隔板是多孔的。
10.如权利要求9所述的双极性隔板，其中所述隔板的空隙率小于所述隔板的25vol％。
11.如权利要求9所述的双极性隔板，其中所述孔的中间直径是在0.25微米-2.0微米的范围内。
12.如权利要求9所述的双极性隔板，其中所述隔板的气泡压力大于34.47kPa。
13.如权利要求1所述的双极性隔板，其中所述隔板的电导率是至少5S/cm。
14.如权利要求1所述的双极性隔板，包括在70wt％-90wt％范围内的所述电子传导性材料、在8wt％-15wt％范围内的所述热固树脂、高至0-10wt％的碳素纤维和0.01wt％-5.0wt％二氧化硅。
15.如权利要求1所述的双极性隔板，还包括通过所述隔板的阳极面对表面和阴极面对表面之间的所述隔板循环水的装置。
16.一种双极性隔板，包括重量在所述隔板的50wt％-95wt％范围内的电子传导性含碳材料和重量占所述隔板的至少5wt％的树脂，其改进包括：
所述双极性隔板包括适合在质子交换膜燃料电池中使用的均匀分散在整个所述隔板中的亲水剂，由此水能够吸入并通过所述隔板，所述双极性隔板还包括碳素纤维，碳素纤维的最大重量高达所述隔板的20wt％并且所述碳素纤维均匀分散在整个所述隔板中。
17.如权利要求16所述的双极性隔板，其中所述亲水剂是所述亲水树脂。
18.如权利要求16所述的双极性隔板，其中所述亲水剂是润湿剂。
19.如权利要求18所述的双极性隔板，其中所述润湿剂是从Ti、Al、Si的氧化物和其混合物构成的组中选择。
20.如权利要求16所述的双极性隔板，其中所述至少一种树脂是从热固树脂、热塑树脂和其混合物构成的组中选择。
21.如权利要求16所述的双极性隔板，其中所述至少一种电子传导性含碳材料是从石墨、碳黑、碳素纤维和其混合物构成的组中选择。
22.如权利要求16所述的双极性隔板，其中所述隔板是多孔的。
23.如权利要求22所述的双极性隔板，其中所述隔板的空隙率小于所述隔板的25vol％。
24.如权利要求22所述的双极性隔板，其中所述孔的中间直径是在0.25微米-2.0微米的范围内。
25.如权利要求22所述的双极性隔板，其中所述隔板的气泡压力大于34.47kPa。
26.如权利要求16所述的双极性隔板，其中所述隔板的电导率是至少5S/cm。
27.如权利要求16所述的双极性隔板，其中所述隔板的中心区域形成用于燃料电池气体分配的气流导向装置。
28.如权利要求27所述的双极性隔板，其中所述中心区域的挤压强度大于1379kPa。
29.一种质子交换膜燃料电池叠层，包括多个单个燃料电池单元，每个所述燃料电池单元包括阳极、阴极、位于所述阳极和所述阴极之间的离子交换膜，以及具有阳极面对表面和阴极面对表面的隔板，所述隔板分隔开在一个所述燃料电池单元的阳极和相邻所述燃料电池单元的阴极之间的所述燃料电池单元，其改进部分包括：
所述隔板包括重量在所述隔板的50wt％-95wt％范围内的至少一种电子传导性含碳材料，重量占所述隔板的至少5wt％的至少一种树脂，以及适合在质子交换膜燃料电池中使用的用于把水吸入到所述隔板的至少一种亲水剂，所述至少一种电子传导性含碳材料、所述至少一种树脂和所述至少一种亲水剂均匀分散在整个所述隔板中，所述隔板还包括碳素纤维，碳素纤维的最大重量高达所述隔板的20wt％，所述碳素纤维均匀分散在整个所述隔板中。
30.如权利要求29所述的燃料电池叠层，其中所述至少一种树脂是亲水的。
31.如权利要求29所述的燃料电池叠层，其中所述亲水剂是润湿剂。
32.如权利要求31所述的燃料电池叠层，其中所述润湿剂是从Ti、Al、Si的氧化物和其混合物构成的组中选择。
33.如权利要求29所述的燃料电池叠层，其中所述至少一种树脂是从热固树脂、热塑树脂和其混合物构成的组中选择。
34.如权利要求31所述的燃料电池叠层，其中所述至少一种电子传导性含碳材料是从石墨、碳黑、碳素纤维和其混合物构成的组中选择。
35.如权利要求31所述的燃料电池叠层，其中所述隔板是多孔的。
36.如权利要求35所述的燃料电池叠层，其中所述隔板的空隙率小于所述隔板的25vol％。
37.如权利要求35所述的燃料电池叠层，其中所述孔的中间直径是在0.25微米-2.0微米的范围内。
38.如权利要求35所述的燃料电池叠层，其中所述隔板的气泡压力大于34.47kPa。
39.如权利要求29所述的燃料电池叠层，其中所述隔板的电导率是至少5S/cm。
40.如权利要求29所述的燃料电池叠层，其中所述离子交换膜和所述隔板延伸到所述燃料电池叠层的外缘，所述隔板设有从一面延伸以完全接触围绕其周边的所述离子交换膜的平坦周边密封结构，形成边缘密封，所述离子交换膜和所述隔板每个具有多个对直穿孔，在所述隔板中的所述穿孔被从每个所述面延伸以接触所述离子交换膜的平坦支管密封结构包围，形成支管密封，因此形成通过所述电池叠层延伸的多个气体支管，并且通过所述平坦支管密封结构的导管提供在一组所述支管和在所述阳极与所述隔板的所述阳极面对表面之间形成的阳极室之间的燃气传输，以及通过所述平坦支管密封结构的导管提供在第二组所述支管和在所述阴极与所述隔板的所述阴极面对表面之间形成的阴极室之间的氧化物气体传输，由此为所述燃料电池叠层中每个所述燃料电池单元提供氧化物气体和燃料的完全内部支管，并从所述燃料电池叠层中每个所述燃料电池单元中提供氧化物气体和燃料的完全内部支管。
41.如权利要求29所述的燃料电池叠层，其中所述隔板的中心区域形成气流导向装置，用于分配每个燃料电池单元中的燃料电池气体。
42.如权利要求29所述的燃料电池叠层，还包括用于循环和排除来自所述燃料电池叠层的水的水循环装置。
43.一种制造双极性隔板的方法，包括：
混合至少一种电子传导性材料、至少一种树脂、适合在质子交换膜燃料电池中使用的至少一种亲水剂和碳素纤维，形成均匀的混合物，该混合物包括重量在所述混合物重量的50％-95％范围内的所述至少一种电子传导性材料、重量占所述混合物重量的至少5％的所述至少一种树脂、重量高至所述混合物重量的20％的所述碳素纤维以及所述的至少一种亲水剂，并且在温度121℃-260℃的范围内以及在压力3447kPa-27579kPa的范围内模压所述混合物成想要形状，形成双极性板。
44.如权利要求43的方法，其中所述隔板的空隙率小于所述隔板的25vol％。
45.如权利要求44的方法，其中所述隔板形成中间孔尺寸在0.25μm-2.0μm范围内的多个孔。
46.如权利要求43的方法，其中所述亲水剂是润湿剂。
47.如权利要求43的方法，其中所述至少一种电子传导性材料是含碳材料。
48.如权利要求46的方法，其中所述润湿剂是从Ti、Al、Si的氧化物和其混合物构成的组中选择。
49.如权利要求43的方法，其中所述至少一种树脂是从热固树脂、热塑树脂和其混合物构成的组中选择。
50.如权利要求47的方法，其中所述至少一种电子传导性含碳材料是从石墨、碳黑、碳素纤维和其混合物构成的组中选择。
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CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee