CN1454397A - 用于pem燃料电池的双极板 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于PEM燃料电池的双极板，它由内置金属层及位于金属层的两侧上并包围着该金属层的两个非导电的塑料层组成，这些非导电的塑料层构成双极板的表面，其中金属层与两个表面具有一个或多个导电连接及塑料层具有用于气体传输的表面通道；及一种用于PEM燃料电池的双极板，它由非导电的塑料组成，该非导电塑料的两个表面上具有用于气体传输的通道及除边缘区域外进行金属涂层，其中两侧的金属层穿过塑料由一个或多个金属接触部分形成导电连接。

Description

用于PEM燃料电池的双极板

本发明涉及用于PEM燃料电池的双极板，它的制造及在燃料电池堆中的使用及它在移动及静止装置中作为电源的应用。

迄今在机动车中主要使用内燃机来驱动，内燃机则需要石油产品作为燃料。因为石油资源是有限的及燃烧产物可能对环境有不利影响，近年来增强了对替代的驱动方案的研究。

在此情况下人们愈来愈感兴趣使用电化学燃料电池作为移动及静止的电源。

现在已具有不同类型的燃料电池，它们的工作原理通常基于最终产物为水的氢及氧的电化学复合。它们根据所使用的导电电解质类型、工作温度及可实现的功率范围可被分类。对于机动车应用特别适合的是聚合物-电解质-膜片-燃料电池(PEM燃料电池，也缩写为PEFC)。它们通常工作在从50至90℃的温度范围中及目前整个堆可提供1至75Kw(轿车)及至250KW(商务车，公共汽车)的电功率。

在PEM燃料电池中，通过在阳电极及阴电极之间插入一个质子传导膜片使氢与氧生成水的电化学反应分成还原及氧化的两个部分步骤。这里将出现可用作电压源的电荷分离。相应的燃料电池例如被总结在“Brennstoffzellen-Antrieb，innovative Antriebkonzepte，Komponentenund Rahmenbedingungen”(“燃料电池驱动，革新的驱动方案，部件及框架条件”)中，IIR德国公司专业会议的论文，-2000年5月29至31日，斯图加特。

单个PEM燃料电池具有一种对称的结构。在聚合物膜片两侧上各跟随有一个催化剂层及气体分配层，在这些层上连接着双极板。电流收集器用于引出电压，而端板用于保证反应气体的配量及反应产物的导出。

在此情况下，双极板机械及电连接两个电池。因为单个电池的电压在约1V的范围中，故对于实际应用需要多个电池串联连接。通常多至150个电池由双极板分开地彼此叠成堆。其中这些电池被这样地彼此叠成堆，即一个电池的氧侧与下个电池的氢侧通过双极板相连接。这里双极板完成多个功能。它们用于电池的电连接，供给及分配反应物(反应气体)及冷却剂，及用于分隔气体空间。在此情况下双极板必需满足以下性能：

-对潮湿的氧化及还原条件的化学稳定性

-气体密封度

-高电导率

-低接触电阻

-尺寸稳定性

-材料及制造方面的低成本

-构型的自由度

-高机械承载能力

-抗腐蚀性

-低重量。

目前使用了三种不同类型的双极板。其中一方面使用了金属双极板，它例如由合金钢或被涂覆的其它材料如铝或钛构成。

金属材料由于其高气体密封性、尺寸稳定性及高电导性而著称。

石墨双极板可通过压制或铣削制成适合的形状。它有化学稳定性及低接触电阻的特征，但除了重量大外机械性能也不充分。

复合材料可由专门的塑料构成，它们具有导电的填充材料如基于碳的材料。

在WO 98/33224中描述了由铁合金构成的双极板，它具有高份额的铬及镍。

由GB-A-2 326 017公知了由塑料材料作的双极板，它由导电填充材料如碳粉形成导电。此外可设有表面金属层，它通过双极板的边缘实现两个电池之间的导电连接。

根据WO 98/53514，一种聚合物树脂通过导入导电粉末及一种亲水剂被处理。使用填充了氧化硅颗粒及石墨粉末的聚合物物质被用作双极板。在这方面尤其使用酚树脂。

DE-A 196 02 315涉及在电池表面上具有分配沟道的液体冷却燃料电池。电池表面根据其功能可由不同的材料构成。分隔器例如由石墨、钛和/或金属合金组成。为了均衡电流传输使用了与分隔器类似的材料制成的织物或网。框架区域例如由塑料构成。

在US 5,776,624中公开了由焊接在一起的金属层作的双极板。在金属层之间设有用于冷却剂的通道。这些层通过钎焊金属最好是Ni合金形成导电连接。

US 6,071,635涉及由液体或气体通流的板，例如由导电及非导电材料构成的双极板。这些材料构成连接面的一部分和/或板表面上的通道。导电材料构成板表面上的电导体，及非导电材料可构成通道的加强部分和/或密封部分或板表面的外围部分。它们可被注塑模制成形。

因为双极板是PEM燃料电池堆构成了堆的成本及重量的很大部分的关键功能部件，因此对于能满足上述要求及避免公知双极板的缺点的双极板具有很大需求。尤其是应实现双极板既不复杂又成本合理的制造。

根据本发明该目的通过一种用于PEM燃料电池的双极板来解决，它由一内置金属层及位于金属层的两侧上并包围着该金属层的两个非导电的塑料层组成，这些非导电的塑料层组构成双极板的表面，其中金属层与两个表面具有一个或多个导电连接并且塑料层具有用于气体传输的表面通道。

此外该目的通过一种用于PEM燃料电池的双极板来解决，它由非导电的塑料组成，该非导电塑料的两个表面上具有用于气体传输的通道及除边缘区域外设有金属层，其中两侧的金属层通过一个或多个金属接触部分穿过塑料形成导电连接。

在此情况下，在一开始描述的双极板中，在塑料层的两个表面上除边缘区域外具有金属层，它们与导电连接部分形成导电连接。

根据本发明，在双极板设计时在几何结构(气体通道的构型)与导电结构之间进行功能分离。在此情况下，导电功能是通过对金属板(内置金属层)的注塑包封或通过在一个注塑部件或注塑部件表面的一部分上随后设置金属层来实现的。

通过根据本发明的功能分离可使导电的双极板实际上被经济地制造。两个部件的使用就提供了对每单个部件在其功能及材料性能方面优化的可能性。

根据本发明的双极板通常为平面的构型及由此具有两个彼此对置的表面。在边缘区域双极板与燃料电池的其它部件一起被压成堆。因此，根据本发明的双极板在该表面边缘区域中不具有金属层，而具有用于双极板与电池的其它部件气体密封连接的合适装置或被布置成用于接收这种装置。用语“边缘区域”仅用于表达表面的这种边缘区域，即该区域是双极板与燃料电池的其它部件的连接所必需的。

根据本发明的第一实施形式，双极板具有一个内置金属层(板)及两个置于金属层两侧上并包围金属层的非导电塑料层。在此情况下，内置金属层(板)可具有任何合适的几何结构。它例如可为具有与两个表面导电连接的一个片或一个膜。它例如也可为其中设有突起结构的一个片或一个膜，这些突起例如为一直伸到塑料层表面的毛刺、凸块、疙瘩等。金属层也可设计为网格、针织物、纺织品状，或其它的几何结构形状，只要在塑料层两个表面之间可实现导电连接。在此情况下金属层的厚度及特性可自由选择，只要能达到足够的电导率，该电导率可防止高于所需最大接触电阻。

金属层的这种结构用透视图及横截面图表示在图1中。该金属层具有向两侧上突起的舌片，它们一直伸到之后将施加的塑料层的表面。

在此情况下，塑料结构在表面区域具有用于气体传输所必要的通道。

根据本发明的第二实施形式，双极板由一个非导电的塑料构成，其中该板在两个表面上具有金属层。在此情况下板的边界区域或边缘区域不具有这种金属层，以使得两个表面不能通过板的边缘彼此导电地连接。两个表面层的导电连接由金属接触部分来提供，这些金属接触部分穿过塑料连接两侧的金属层。在图2中表示出这种双极板的透视及部分横截面图。

由塑料制的该双极板通常具有＞2mm的板厚。板厚优选为2.1mm至5.0mm，特别优选为2.5mm至3.5mm。金属层的层厚通常为0.05mm至0.15mm，优选为0.12mm至0.15mm。迄今使用的双极板的板厚通常为5mm。因此，在一个燃料电池堆使用多个单板的情况下，通过由根据本发明的双极板达到的板厚度的减小及通过使用塑料代替例如石墨可使燃料电池的总体重量及所需的结构空间显著地减小。

双极板的这两个实施形式也可以组合，如图3中所示。在此情况下，内置金属层可制成带孔金属板。围在金属层旁的塑料层在两个表面上具有气体通道。此外在表面上设有导电层，该导电层通过接触部分与金属层相连接。

在图1至3中所示的几何结构是多个可能构型方案的例子。图中的标号意义如下：

1  气体通道

2  导电层

3  塑料材料

4  金属层，例如(带孔)金属板

5  导电连接部分(接触部分)。

在双极板表面上设置的导电连接部分的数目将根据实际需要自由选择。例如，这样地选择连接部分的尺寸及数目，即双极板的体电阻(Durchgangswiderstand)不会过大。此外应保证与置于双极板上的气体分配层(例如石墨纸)的良好导电连接。

根据本发明，作为塑料材料可使用所有增强及未增强的热塑性或热固性塑料，它们是化学稳定的可抗PEM燃料电池中笼罩的潮湿的氧化及还原条件。此外它们应是气体密封及尺寸稳定的。合适的材料例如有；聚酰胺，聚对苯二甲酸丁二酯，聚甲醛，聚砜，聚醚砜，聚苯醚，聚醚酮，聚丙烯，聚酯，乙烯-丙烯共聚物，不饱和聚酯树脂，酚-甲醛树脂及其它工程上使用的塑料。

此外所述塑料的共混物及纤维或矿物增强塑料也适用。

对于金属表面层适用的材料例如为所有耐腐蚀的金属，如Cr，Ni，Cu，Mo，Pb，Ti，V或甚至石墨亦可。它们可根据任何适合的方法施加，例如通过蒸发、溅射、电镀、等离子涂层或涂漆施加。

内置金属层及导电连接部分可由任何抗腐蚀导电金属或合金构成。例如可使用Cr-Ni钢。其它合适的材料是专业人员公知的。

本发明还涉及制造双极板的方法，即通过一个金属层变形以构成导电连接部分及接着用塑料压力注塑包封或压合包封金属层。此外，双极板可通过塑料注射成型或模压成所需形状及随后用金属施加表面层并构成金属接触部分。

在一个特别优选的实施形式中，使用塑料板来制造双极板，该塑料板具有顶部变窄的孔。图4a中表示这样一种塑料板的例子。通过该塑料板接着用所需金属材料根据上述方法之一进行涂层在变窄部分上形成增强的材料沉积，由此构成一个金属插塞，它封闭了塑料板中的孔及同时在两个表面之间产生电接触(图4b)。通过使用所述的塑料板可在一个工作步骤中用传统的涂层方法制成可供使用的双极板。

图4a及4b表示一个塑料板的适合几何结构的例子。其中图4a表示该塑料板在未涂层的状态下，图4b表示该塑料板在已涂层的状态下。图中的标号意义如下：

1气体通道

2导电层

3塑料材料

5导电连接部分(接触部分)。

尤其是，在使用塑料材料情况下空间构型可通过注塑成型进行简单的制造-即使是复杂的几何结构。

根据本发明的双极板通常使用在由多个单电池组成的燃料电池堆中。这种燃料电池堆通过重复顺次设置双极板，气体分配层，催化剂层，聚合物膜，催化剂层及气体分配层来制造。其中在每两个双极板之间设有一个单电池。此外再加上端部的电流收集器及端板。燃料电池堆彼此叠放的单元将被连接及密封。为了密封，可在根据本发明的双极板边缘区域上施加弹性体密封材料，或由塑料(一体)直接成型出用于随后的焊接、粘接或喷射焊接(Spritzschweissen)的缝几何结构。

在第一种情况下通过板的彼此紧密叠压形成密封。在第二种情况下将板彼此焊接或粘接。焊接可根据任何适当的方法实施，例如用超声波法、加热元件法，振动法或激光焊接法。燃料电池的各个单元也可通过粘接或喷射焊接相连接及密封。

燃料电池堆也可在注塑方法中使用适合的聚合物材料通过整个板堆的注塑包封来密封及连接。

(一体)成型的弹性体密封例如可在两部件注塑成型时同时由塑料层来构成。

尤其是，设置带有一体成型的焊缝几何结构的升高的环行边缘允许成本合算地将各单元气体密封地连接成一个燃料电池堆。

根据本发明的燃料电池堆例如可在移动及静止的设施中用作电源。除了家用电源外尤其可考虑用作交通工具的电源，如用于陆上、水上交通工具及飞机及自给系统如人造卫星。

根据本发明的燃料电池堆可最好在-40至+120℃的温度范围中稳定工作。工作温度范围尤其在100℃左右的范围上。其中温度的稳定可通过适当的冷却介质来达到，该冷却介质至少与堆的一部分形成连接。

根据本发明的双极板提供了低重量、高导电率、良好的气体密封度或密封性及气体通道的良好构型的有利组合。

Claims (10)

1.用于PEM燃料电池的双极板，它由内置金属层及位于金属层的两侧上并包围着该金属层的两个非导电的塑料层组成，这些非导电的塑料层构成双极板的表面，其中金属层具有一个或多个与两个表面的导电连接部位及塑料层具有用于气体传输的表面通道。

2.用于PEM燃料电池的双极板，它由非导电的塑料组成，该非导电塑料的两个表面上具有用于气体传输的通道及除边缘区域外被涂有金属层，其中两侧的金属层通过一个或多个金属接触部分穿过塑料形成导电连接。

3.根据权利要求1的双极板，其特征在于：在塑料层的两个表面上除边缘区域外具有金属层，它们通过导电连接部分形成导电连接。

4.根据权利要求1至3中一项的双极板，其特征在于：在至少一个表面的边缘区域中施加一个弹性体密封件，或由塑料一体成型出一个用于随后焊接、粘接或喷射焊接的缝的几何结构。

5.根据权利要求1至4中一项的双极板，其特征在于：所使用的塑料是从：聚酰胺，聚对苯二甲酸丁二酯，聚甲醛，聚砜，聚醚砜，聚苯醚，聚醚酮，聚丙烯，聚酯，乙烯-丙烯共聚物，不饱和聚酯树脂，酚-甲醛树脂中选择的。

6.使一个金属层变形以形成导电连接部分及接着用塑料注塑包封该金属层而制造根据权利要求1的双极板的方法。

7.将塑料注塑成所需形状及接着在其表面上用金属涂层以构成金属接触部分而制造根据权利要求2的双极板的方法。

8.由多个包含根据权利要求1至5中一项的双极板的燃料电池组成的燃料电池堆。

9.根据权利要求8的燃料电池堆的制造方法，反复依次设置双极板，气体分配层，催化剂层，聚合物膜，催化剂层及气体分配层各端部的电流收集器及端板，进行层的连接及密封以形成燃料电池堆。

10.根据权利要求9的燃料电池堆应用于移动及静止设施中的电源。

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