CN1684825A - 石墨层状燃料电池板 - Google Patents

石墨层状燃料电池板 Download PDF

Info

Publication number
CN1684825A
CN1684825A CNA038078694A CN03807869A CN1684825A CN 1684825 A CN1684825 A CN 1684825A CN A038078694 A CNA038078694 A CN A038078694A CN 03807869 A CN03807869 A CN 03807869A CN 1684825 A CN1684825 A CN 1684825A
Authority
CN
China
Prior art keywords
plate
fuel cell
sheet metal
graphite
graphite linings
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
CNA038078694A
Other languages
English (en)
Inventor
E·C·麦克马纳斯
D·P·莱昂斯
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.)
Webster Plastics Inc
Original Assignee
Webster Plastics Inc
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 Webster Plastics Inc filed Critical Webster Plastics Inc
Publication of CN1684825A publication Critical patent/CN1684825A/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
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0204—Non-porous and characterised by the material
    • H01M8/0206—Metals or alloys
    • 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
    • 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
    • H01M8/0204—Non-porous and characterised by the material
    • H01M8/0223—Composites
    • H01M8/0228—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
    • H01M8/023—Porous and characterised by the material
    • H01M8/0234—Carbonaceous material
    • 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
    • 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
    • H01M8/0271—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes
    • 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
    • H01M8/0271—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes
    • H01M8/028—Sealing means characterised by their material
    • 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
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
    • H01M8/2483—Details of groupings of fuel cells characterised by internal manifolds
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C43/00—Compression moulding, i.e. applying external pressure to flow the moulding material; Apparatus therefor
    • B29C43/003—Compression moulding, i.e. applying external pressure to flow the moulding material; Apparatus therefor characterised by the choice of material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C43/00—Compression moulding, i.e. applying external pressure to flow the moulding material; Apparatus therefor
    • B29C43/02—Compression moulding, i.e. applying external pressure to flow the moulding material; Apparatus therefor of articles of definite length, i.e. discrete articles
    • B29C43/021—Compression moulding, i.e. applying external pressure to flow the moulding material; Apparatus therefor of articles of definite length, i.e. discrete articles characterised by the shape of the surface
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29K—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES B29B, B29C OR B29D, RELATING TO MOULDING MATERIALS OR TO MATERIALS FOR MOULDS, REINFORCEMENTS, FILLERS OR PREFORMED PARTS, e.g. INSERTS
    • B29K2503/00—Use of resin-bonded materials as filler
    • B29K2503/04—Inorganic materials
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29L—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASS B29C, RELATING TO PARTICULAR ARTICLES
    • B29L2031/00—Other particular articles
    • B29L2031/34—Electrical apparatus, e.g. sparking plugs or parts thereof
    • B29L2031/3468—Batteries, accumulators or fuel cells
    • 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
    • H01M8/0204—Non-porous and characterised by the material
    • H01M8/0206—Metals or alloys
    • H01M8/0208—Alloys
    • H01M8/021—Alloys based on iron
    • 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
    • H01M8/0247—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the form
    • 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
    • H01M8/0297—Arrangements for joining electrodes, reservoir layers, heat exchange units or bipolar separators to each other
    • 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
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1007—Fuel cells with solid electrolytes with both reactants being gaseous or vaporised
    • 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)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Laminated Bodies (AREA)

Abstract

一种层状燃料电池板(10)，具有模压在两层膨胀石墨(12，16)之间的片状金属层(14)。该片状金属层为制备更薄的板提供弹性支撑。该片状金属层还作为一种渗透阻挡层，其使得膨胀石墨层的导电性增强。为了对齐、密封和流动控制的目的而向石墨层模压多个部件。

Description

石墨层状燃料电池板
本申请要求于2002年4月5日申请的美国临时申请No.60/370,165的权利，该临时申请结合于本申请作为参考。
技术领域
本发明涉及一种由压缩石墨而制得的电化学燃料电池板，特别是关于将石墨模压成一种压层结构。
背景技术
燃料电池板在电化学燃料电池中表现出许多功能，如作为电流收集器，邻近燃料电池间的串连，结构支撑，流体流量分配器，渗透阻挡层，以及用于输送燃料和氧化剂反应物及水反应产物的导管。这种电池板必须与操作环境在物理和化学上是相容的，包括在反应物流体存在下对高温和酸性的容限。由于燃料电池通常含有大量的(例如100或更多)板，因此这些板应当薄、轻而且廉价。
作为双极性电池板，这样一些电池板能支持邻近电池间的反应。双极板的一侧支持一个电池的阳极反应，另一侧则支撑一个邻近电池的阴极反应。两侧都是有导电性的并支撑其间的一系列的电连接。然而也要求双极板能提供一个邻近电池间的渗透阻挡层以避免电解交换。
金属如钛已经用于燃料电池板，特别是在不考虑成本的地方。通过切割或蚀刻使金属板具有处理流体流动所需要的特性。除材料成本外，形成反应物流动槽所必须的的蚀刻工艺也增加了相当大的生产成本而且费时。
注射成型被认为是一种有效降低大批量生产燃料电池板的生产成本的方法。但是，对于注射成型工艺来讲，拥有包括高电导性在内必备性质的材料通常都不具有足够的流动性。
用石墨或其他含碳化合物填充的模压热塑性板也成功地加工成燃料电池板。热塑性树脂提供渗透阻挡层，含碳填充物提供导电性。然而，为达到结构支撑的要求，模压板容易变得相对厚而重。
在模压板中，板是由用热塑性树脂浸渍的膨胀石墨薄片制得的。将膨胀石墨碾成薄片，用树脂浸渍，再冲压或模压以形成所需的表面特性。浸渍和晾干树脂所必需的步骤增加了成本，所得到的膨胀石墨板仍旧相对厚而重。
发明内容
在一个或多个优选的实施例中所提到的燃料电池板是由两层膨胀石墨材料和一片状金属中间层模压而成的。在层压燃料电池板的对应面上，膨胀石墨优选被压制以形成沟槽、密封结构或定位部件。片状金属层形成渗透阻挡层并提供结构支撑以降低板的总体厚度。另外，依赖于片状金属层提供的结构支撑和渗透阻挡层，膨胀石墨层的导电性得以优化。
层压板的表面部件优选由模压而形成。在模压操作的制备过程中，膨胀石墨可以排列成片状并与中间的片状金属层叠放在一起，或者膨胀石墨可以在含有片状金属层的模压模具中排列成微粒形态。优选通过模压操作在膨胀的石墨层中形成沟槽、密封结构或定位部件。形成的石墨层的厚度和密度可调以提高密封结构或其他部件的性能。
在最高点上所设计的部件是压缩度最低的，这有助于维持定位和密封功能。在燃料电池内部挤压安装时，部件越易弯曲越能通过适应不可避免的变化来更好地适应密封条件。可以通过降低突出的密封结构的宽度来实现额外的密封性能，特别是对于密封流动槽。例如，窄的突起可建在形成板内流动槽的墙体结构的上方。
片状金属层在膨胀石墨层间提供渗透阻挡层并作为膨胀石墨层的弹性支撑。片状金属层所体现出的两种功能减轻了对膨胀石墨层的要求，因此膨胀石墨层可在导电性等其他功能方面得到充分利用。片状金属层优选由不锈钢或其他耐腐蚀金属，如钛、钛合金及金属氮化物制成，以增强导电性，并避免与燃料电池流体间的不利反应。然而，在膨胀石墨层可有效密封片状金属层的范围内，各种各样的其他导电性结构材料也可考虑作为中间层。穿过层压燃料电池板的开口周围的片状金属边缘可由连接开口的膨胀石墨一膨胀石墨结合得到密封。相似的密封技术可用于层压燃料电池板的外部边缘，以提供连接石墨和金属层的更强的结合。
聚硅氧烷或其他密封材料或绝缘体，如特氟隆(TEFLON，聚四氟乙烯)和玻璃纤维，可施用(如喷，涂或注模)在层压燃料电池板的外部边缘或层状板的一面或双面上，来使独自的层压板与周围环境电隔离，或用来封闭在内部，外部或介于层状板之间的流体。在层压燃料电池板间的定位部件中也可以施用相似的密封剂以限制穿过单独的燃料电池板表面的流体运动或限制沿板间管道的流体流动。
我们的新的层压燃料电池板是为低厚度和在某些情况下厚度小于所要求的层压板对应面槽深的总和的制造而设计的。这样，层压板一侧的沟槽与限制层状板另一侧的沟槽的墙体结构对齐，并且片状金属层发生变形以适应形成的形状。尽管沟槽的底部和由模压形成的其他结构优选尽可能与片状金属层紧密结合以降低总体厚度，但高度压缩的底部的高密度会减少片状金属层对燃料电池腐蚀环境的暴露机会。
附图说明
图1是我们的层压燃料电池板的平面图，为了简易，图中省略了穿过板表面的流体流动沟槽。
图2是一部件立体分解图，描述了层压板的三个内模层。
图3是一沿图1中3-3线得到的放大的截面图，展示了介于两板内导管间的中间层的密封情况。
图4是一沿图1中4-4线得到的相似的放大截面图，展示了沿层压板外部边缘的中间层的密封情况。
图5是一断裂的截面图，分别展示了一对双极板和一个燃料电池膜。
图6是一相似的截而图，显示了一个在操作位置的双极板和燃料电池膜的组件。
图7是一附着有聚硅氧烷作为密封及电绝缘体的定位部件的啮合面的断裂截面图。
图8是一具有交替双极板的双颌型模的断裂截面图，在所述交替双极板中模中的压缩过程引起中间层的局部变形用以降低厚度。
图9是一展示单极板的一部分的断裂截面图。
具体实施方式
图1和2给出的一个典型的层压双极燃料电池板10是由两层膨胀的石墨材料12和16与一个片状金属中间层14组成的。两个膨胀石墨层12和16与片状金属层14被模压在一起，形成一个单独的层压体。
膨胀石墨，也可归为一种剥落石墨，可通过用一种添加到天然石墨薄片的晶体结构中来扩大嵌入的粒子的试剂来处理天然的石墨薄片而形成。该材料可以是由各种原材料构成的薄片或轧光片，所述原材料的来源包括俄亥俄州克利夫兰市的UCAR碳技术公司。在该实施例中，膨胀石墨层12和16的最终厚度优选稍大于流体流动槽18所需的深度，所述流动槽是在层压双极板10的正面20和背面22上形成的。例如，当槽深约0.020英寸(0.5mm)时，模压膨胀石墨层12和16至约为0.024英寸到0.028英寸(0.6～0.7mm)。
片状金属层14优选由耐腐蚀导电性金属制成，如不锈钢、钛、钛合金、或金属氮化物(如CR-N，Nb-N，Ti-N和V-N)，其具有支撑两个膨胀石墨层12和16的伸缩性结构特点。片状金属层14的抗腐蚀性能能承受燃料电池苛刻的化学环境。片状金属层14的导电性能能支持邻近燃料电池板间的电连接(如串连接)。片状金属层14的弹性提高了断裂韧度，并在最小整体厚度下保持了层压双极板10的平面整体形状。例如，当形成的片状金属层14的厚度大约是0.007英寸(小于0.2mm)时，具有槽深为0.020英寸的沟槽的层状双极性板10的整合厚度可以小到0.055英寸(1.4mm)。然而，根据层的结构要求不同片状金属层14的厚度可以在很宽的范围内变化，如从0.001英寸(.025mm)到0.010英寸(.254mm)。
在适宜的耐腐蚀导电形式下，片状金属层14还在层压双极性板10的对应面20和22间提供渗透阻挡层。片状金属层14的渗透阻挡层阻止邻近燃料电池间电解质材料或其他反应/副产物材料的交换。防渗透功能要求片状金属层14具有不含有未密封的可使反应物/副产物在邻近电池的操作区域内流动的缺口的连续的结构。在依赖片状金属层14提供渗透阻挡层的程度上，膨胀石墨层12和16的导电性能得以充分利用。例如，片状金属层14的阻隔渗透功能可以避免使用能降低导电性的树脂或其他材料对石墨层的浸渍或涂渍。根据两膨胀石墨层12和16间的片状金属层14的有效密封程度不同，可使用其他一些具有耐腐蚀性更强或稍弱的导电性结构片状金属材料。
图3和4显示了形成于膨胀石墨层12和16间的密封结构和其他部件的详细资料。在图3和图4中片状金属中间层14完全密封于膨胀的石墨层12和16中，其中图3显示了穿过层压双极板10的开口34间的截面部分，图4给出在开口34和层压双极板10的边缘36间的相似的截面部分。片状金属层14的相应开口35优选采用冲切或其他传统方法制备，其尺寸应略大于两膨胀石墨层12和16形成的模塑开口34，因此两石墨层12和16与开口34连接。相似的，片状金属层14的外部边缘37是在两膨胀石墨层12和16形成的边缘36内部完全形成的，以进一步连接两膨胀石墨层12和16。两膨胀石墨层12和16间的整体连接限制了片状金属层14的边缘在燃料电池腐蚀性环境中的暴露，阻止了脱层现象的发生。
从制造角度考虑，两膨胀石墨层12和16中的开口34和片状金属层14中相应的开口35可一起通过冲切形成。尽管12，14和16三层一起冲切会暴露金属层14的边缘(未标出)，但由于两石墨层12和16起到润滑剂的作用冲切工艺本身易于操作。如果需要，金属层14暴露的边缘可用聚硅氧烷、特氟隆(聚四氟乙烯)或玻璃纤维等保护层进行涂渍或衬垫。
冲压在膨胀石墨层12和16上的部件包括啮合的阳模和阴模定位部件24和26，所述阳模和阴模定位部件是在模压过程中分别在层压双极板10的正面和背面20和22上形成的。这两个定位部件24和26可用来对齐和密封邻近电池板或俘获燃料电池中的其他成分。这两个定位部件24和26延伸到层压双极板10的边缘36附近并穿过层压板10的开口34的周围。阳模定位部件24是由一对平行的、跨坐于用以包含密封结构32的槽(trough)30上的突起28形成。阳模和阴模定位部件24和26的密度和厚度是可以变化的以增强密封和定位功能。例如，阳模部件24的低密度可以通过增大与阴模部件26的接触面积来增强其密封性能。
密封结构32可沿槽30注入，采用的方法包括挤压、涂渍或注模密封剂/绝缘材料如聚硅氧烷、特氟隆(聚四氟乙烯)或玻璃纤维。另一密封/绝缘体38示于一用于密封板边缘36U型结构中。该密封/绝缘体38以类似于密封结构32的注入方式注入到凹槽40以限制层压板10的堆积厚度。相似的密封/绝缘体可只置于正面20、背面22或边缘36上。
对片状金属层14进行切割、冲压、压印、冲切、或其他操作可制得除开口35外的部件。例如，图1所示的电子孔触点42穿过层压双极板10的边缘36并从片状金属板14的边缘突出。片状金属板14的切除或成型可与膨胀石墨层的模塑进一步匹配以形成其他处理电或流体流或进行密封、定位、或组装功能的部件。
为进行所需的模压操作，膨胀石墨以粒子形式或以部分压缩砑压片的形式与片状金属板14堆叠放入模具中。层压双极板10的两侧20和22优选一起成型，以便连接开口34和边缘36的膨胀石墨形成坚固的膨胀石墨层12和16连在一起的连合。但是，层状双极板10的对应面20和22也可以分别成型，如在第二步成型过程中使用穿梭模具。
图5和6显示了燃料电池50的局部组成，所述燃料电池50由两对层状双极板52和54夹杂一个燃料电池膜56而形成。双极板52和54的任何一个都包括由模压石墨和一个由片状金属层制得的中间分离器层62组成的一个阳极电流收集器58和一个阴极电流收集器60。流体槽64是在介于压缩度较低的墙体结构66间的电流收集器58和60内压缩成型的。
墙体结构66上面是一些窄突起68，用于为燃料电池膜56的对应侧提供接合和密封。窄突起68的压缩度低于周围的墙体结构66，为增强密封性和更好的限制气体沿流体槽64流动提供了弹性变量。
阳模和阴模定位部件70和72起一种附加的密封作用。图7所示的阳模定位部件70有一聚硅氧烷涂层74用以增强密封性，同时在邻近双极板52和54间起电绝缘作用。聚硅氧烷涂层74优选喷涂于阳模定位部件70上，也可采用其他方法如挤压到阳模定位部件70、阴模定位部件72、或全部二者。可选择的涂层材料包括特氟隆(聚四氟乙烯)和玻璃纤维。
图8是一可选择的介于压缩模86的两颌82和84之间的双极板80。在模86中，双极板80由一片状金属层94和两石墨层92和96精加工而成，所述两石墨层92和96是通过在片状金属层94的两侧压缩膨胀石墨而成。
石墨层92中的沟槽98与石墨层96中的墙体结构104相对齐，石墨层96中的沟槽102与石墨层92中的墙体结构100相对齐。墙体结构100和104比沟槽98和102稍宽，因此沟槽98和102可向墙体结构或在墙体结构100和104中压缩，以减少双极板80的总体厚度。这种压缩方式会使片状金属层94发生局部变形以节省空间。
当交替地碰到片状金属层94的原平面时，片状金属层94中的局部变形106随槽98和102的底部轮廓而变化。但局部变形106并不破坏片状金属层94所预期的功能，包括作为渗透阻挡层、电池间导电路径以及柔韧性支撑等。实际上，局部变形106把片状金属层94转变成支持石墨层92和94形成更强的结合的波纹式结构。
我们优选的实施例把我们新型的燃料电池板塑造成如附图中所示的双极板，但是根据我们的发明可以把一个相似的层压结构也塑造成如图9所示的单极板110。这种单极板110可支持燃料电池一侧的电化学反应，同时阻止不必要的与邻近电池间的反应物/副产物的交换。
和前面的实施例相似，单极板110由两石墨层112和116夹杂片状金属层114加工而成。在保留的墙体结构120间形成的流体流动槽118的排列是在石墨层112内模压而成的。墙体结构120上方的石墨密封结构122和匹配的定位部件124也是在石墨层112上模压而成的，所述定位部件124用于连接单极板110和同一电池中的另一单极板。尽管未示出，但许多连接单极板110和邻近的燃料电池的定位部件和密封结构也可在石墨层116上形成。
石墨层112和116与片状金属层114一起行使电流收集器的功能，石墨层116为与邻近燃料电池的串连提供了基础。片状金属层114的作用与在我们的双极板中的功能类似，其增强了单极板110的断裂韧度，提供渗透阻挡层以阻止不必要的化学反应物与副产物的进出。
尽管我们的层压燃料电池板优选由两层膨胀石墨和一层片状金属构成，但可选择的分离器板也可仅由一层膨胀石墨和一层片状金属构成。在可选择的设计中，片状金属的边缘最好仍用成型的膨胀石墨覆盖，以提供两层间更可靠的连接。如果可能，最好将燃料电池板设计为对称的以允许电池板倒置来补偿在厚度上的偶尔的次序误差。

Claims (37)

1、一种用于电化学燃料电池的层压石墨板，其包括：
与一片状金属中间层模压在一起的两个石墨材料层；
模压在至少一个石墨层上以引导流过所述板的反应物的流动的引流部件；
层压于两个石墨材料层之间、用于提供结构支撑和为阻止石墨层之间反应物的不必要流动的渗透阻挡层的片状金属中间层。
2、如权利要求1所述的板，其中所述片状金属层由导电性金属制成。
3、如权利要求2所述的板，其中所述导电性金属对被阻止在石墨层之间流动的反应物具有耐腐蚀性。
4、如权利要求3所述的板，其中所述片状金属层由选自由不锈钢、钛、钛合金、和金属氮化物所组成的耐腐蚀导电性金属的组中的材料制成。
5、如权利要求1所述的板，其中所述石墨材料层由膨胀石墨材料模压而成。
6、如权利要求5所述的板，其中所述膨胀石墨材料不含有外加的可降低模压石墨层的导电性的高分子材料。
7、如权利要求1所述的板，其进一步包括被模压到至少一个石墨层上、用于使所述板与燃料电池内的邻近的板对齐的定位部件。
8、如权利要求7所述的板，其中所述定位部件包括阳模和阴模定位部件之一。
9、如权利要求8所述的板，其中所述定位部件以低密度被模压。
10、如权利要求7所述的板，其中在定位部件上施用密封剂以增强与邻近板的密封。
11、如权利要求10所述的板，其中所述密封剂为电绝缘体，以阻止邻近板之间的传导。
12、如权利要求1所述的板，其中所述引流部件包括隔开沟槽的墙体结构，有突起模压在墙体结构上方以提供改善的与燃料电池中其他部件的密封性。
13、如权利要求1所述的板，其中：
形成有穿过两个石墨层和片状金属层的至少一个开口，以作为通过燃料电池的导管，和
两个膨胀石墨层在开口处是连在一起的，以避免开口处片状金属层的暴露。
14、如权利要求13所述的板，其中定位部件被模压在每一石墨层上，以在燃料电池的邻近板之间形成阳模和阴模啮合。
15、如权利要求1所述的板，其中所述引流部件被模压在每一石墨层上。
16、如权利要求15所述的板，其中所述片状金属层被变形以适应形成在每一石墨层上的引流部件的轮廓。
17、如权利要求15所述的板，其中所述引流部件包括隔开沟槽的墙体结构，在其中一个石墨层上形成的沟槽与另一石墨层的墙体结构对齐，从而使该沟槽能够朝墙体结构被压缩以减少所述板的厚度。
18、如权利要求17所述的板，其中所述片状金属层在形成于所述石墨层的相对应的面的交替的沟槽之间发生局部变形。
19、一种电化学燃料电池组件，其包括：
夹杂有一燃料电池膜的第一和第二燃料电池板；
第一和第二燃料电池板中的每一个都是通过模压在两个石墨层之间的一片状金属层形成；和
模压在所述燃料电池板的邻近石墨层内、用于使所述第一和第二燃料电池板彼此对齐的定位部件。
20、如权利要求19所述的燃料电池组件，其进一步包括模压在邻近的石墨层内以引导流过所述板的反应物的流动的引流部件。
21、如权利要求20所述的燃料电池组件，其中所述引流部件包括隔开沟槽的墙体结构，有突起模压在墙体结构上方以提供改善的与燃料电池膜的密封性。
22、如权利要求19所述的燃料电池组件，其中所述定位部件包括形成在邻近的石墨层内的阳模和阴模定位部件。
23、如权利要求22所述的燃料电池组件，其中所述定位部件以低密度被模压以改善密封性能。
24、如权利要求22所述的燃料电池组件，其中在至少一个定位部件上施用密封剂以增强所述第一和第二电池板之间的密封。
25、如权利要求24所述的燃料电池组件，其中所述密封剂为电绝缘体，以阻止邻近板之间的传导。
26、如权利要求19所述的燃料电池组件，其包括穿过所述第一和第二燃料电池板的开口，其中：
(a)每一开口都穿过每个板的两个石墨层和片状金属层而形成以作为通行导管，和
(b)每一板内的两个膨胀石墨层在开口处是连在一起的，以避免在开口处片状金属层的暴露。
27、如权利要求26所述的燃料电池组件，其中所述定位部件环绕在所述开口周围以密封所述板之间的通道。
28、如权利要求19所述的燃料电池组件，其中所述燃料电池板是双极板，且包括模压在远离的石墨层内的定位部件用于与邻近电池的双极板相啮合。
29、一种制备层压石墨燃料电池板的方法，包括以下步骤：
将膨胀石墨与一片状金属层以堆叠的形式一起装填在压缩模具中；
在片状金属层的对应的两面冲压膨胀石墨，使得片状金属层的至少一个外围边缘密封在石墨层之间，并且两个石墨层围绕片状金属层的外围边缘相互结合；和
将引流部件模压到至少一个石墨层上，以使流体流过所述板。
30、如权利要求29所述的方法，还包括在片状金属层上预先形成开口的附加步骤，并且其中所述冲压步骤包括冲压所述膨胀石墨以连接片状金属层上的开口，并使两个石墨层在开口周围彼此结合。
31、如权利要求29所述的方法，还包括穿过两个石墨层和所述片状金属层直接冲切开口以提供穿过所述板的导管的附加步骤。
32、如权利要求29所述的方法，还包括在至少一个石墨层内模压定位部件的附加步骤。
33、如权利要求32所述的方法，还包括在所述定位部件上施用电绝缘密封剂的进一步的步骤。
34、如权利要求29所述的方法，其中模压引流部件的步骤包括在至少一个石墨层内模压出被墙体结构分隔的沟槽。
35、如权利要求34所述的方法，还包括在所述墙体结构上方模压出起密封作用的突起的附加步骤。
36、如权利要求34所述的方法，其中在每一石墨层上都模压沟槽。
37、如权利要求36所述的方法，还包括使片状金属层变形以与在石墨层的相对应的面中形成的沟槽相匹配的附加步骤。
CNA038078694A 2002-04-05 2003-04-03 石墨层状燃料电池板 Pending CN1684825A (zh)

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US37016502P 2002-04-05 2002-04-05
US60/370,165 2002-04-05
US10/405,173 US20030198857A1 (en) 2002-04-05 2003-04-02 Graphite laminate fuel cell plate
US10/405,173 2003-04-02

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN1684825A true CN1684825A (zh) 2005-10-19

Family

ID=29218880

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CNA038078694A Pending CN1684825A (zh) 2002-04-05 2003-04-03 石墨层状燃料电池板

Country Status (9)

Country Link
US (1) US20030198857A1 (zh)
EP (1) EP1492667A1 (zh)
JP (1) JP2005522829A (zh)
KR (1) KR20040101397A (zh)
CN (1) CN1684825A (zh)
AU (1) AU2003223453A1 (zh)
CA (1) CA2481043A1 (zh)
MX (1) MXPA04009564A (zh)
WO (1) WO2003086749A1 (zh)

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101401247B (zh) * 2006-03-13 2010-11-17 丰田自动车株式会社 隔离器和燃料电池
CN102214832A (zh) * 2010-04-07 2011-10-12 本田技研工业株式会社 燃料电池
CN101237053B (zh) * 2007-01-09 2012-07-11 米其林技术公司 用于燃料电池组件的柔性石墨/金属分布板
CN109574004A (zh) * 2019-01-19 2019-04-05 青岛岩海碳材料有限公司 膨胀石墨掺杂石墨烯制备高导电氢燃料电池双极板用低密度柔性石墨板的方法
CN109755603A (zh) * 2019-02-22 2019-05-14 佛山科学技术学院 一种超薄金属薄板夹心柔性石墨双极板及其制备方法
CN110402513A (zh) * 2015-04-20 2019-11-01 能源奥尔技术有限公司 用于生产吻切流体流场板的方法
CN110993982A (zh) * 2019-11-27 2020-04-10 一汽解放汽车有限公司 一种高导电性的柔性石墨双极板及其制备方法
CN114243045A (zh) * 2021-11-15 2022-03-25 潍柴动力股份有限公司 一种燃料电池单极板及其制造方法

Families Citing this family (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20040216832A1 (en) * 2002-05-30 2004-11-04 Mercuri Robert A. Assembling bipolar plates
US7306874B2 (en) * 2003-11-20 2007-12-11 General Motors Corporation PEM fuel cell stack with coated flow distribution network
KR100551031B1 (ko) 2004-01-26 2006-02-13 삼성에스디아이 주식회사 스택 및 이를 포함하는 연료 전지 장치
JP5038586B2 (ja) * 2004-04-30 2012-10-03 トヨタ自動車株式会社 燃料電池のセパレータ、セパレータの接合方法、燃料電池
US7722979B2 (en) 2005-10-14 2010-05-25 Gm Global Technology Operations, Inc. Fuel cells with hydrophobic diffusion medium
US20070117001A1 (en) * 2005-11-18 2007-05-24 Simon Farrington Method of fabricating flow field plates and related products and methods
US7820336B2 (en) 2006-10-05 2010-10-26 Dic Corporation Fuel cell bipolar plate, and fuel cell
JP4367477B2 (ja) * 2006-10-30 2009-11-18 トヨタ自動車株式会社 燃料電池
WO2009116119A1 (ja) * 2008-03-21 2009-09-24 株式会社Ihi ロール研磨装置
TWI394313B (zh) * 2009-10-12 2013-04-21 Toplus Energy Corp 燃料電池的導電雙極板
JP2011225949A (ja) * 2010-04-21 2011-11-10 Ibiden Co Ltd 炭素部品および炭素部品の製造方法
JP6569582B2 (ja) * 2016-04-11 2019-09-04 トヨタ自動車株式会社 燃料電池用セパレータの製造方法
DE102018220464A1 (de) * 2018-11-28 2020-05-28 Robert Bosch Gmbh Verteilerstruktur für Brennstoffzelle und Elektrolyseur
US20230096327A1 (en) * 2021-09-30 2023-03-30 Nissan North America, Inc. Bipolar plate for fuel cell stack

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4416955A (en) * 1982-01-11 1983-11-22 Energy Research Corporation Fuel cell sub-assembly
US4510219A (en) * 1983-11-14 1985-04-09 California Institute Of Technology Battery plate containing filler with conductive coating
US4891279A (en) * 1985-04-15 1990-01-02 Great Lakes Carbon Corporation Fuel cell plate separator
JPS62123662A (ja) * 1985-11-25 1987-06-04 Kureha Chem Ind Co Ltd 燃料電池用電極基板
US5300370A (en) * 1992-11-13 1994-04-05 Ballard Power Systems Inc. Laminated fluid flow field assembly for electrochemical fuel cells
US6242124B1 (en) * 1995-07-05 2001-06-05 Nisshinbo Industries, Inc. Separator for polymer electrolyte fuel cells and processes for production thereof
US6329094B1 (en) * 1997-05-14 2001-12-11 Sanyo Electric Co., Ltd. Polymer electrolyte fuel cell showing stable and outstanding electric-power generating characteristics
US6232008B1 (en) * 1997-07-16 2001-05-15 Ballard Power Systems Inc. Electrochemical fuel cell stack with improved reactant manifolding and sealing
US5976727A (en) * 1997-09-19 1999-11-02 Ucar Carbon Technology Corporation Electrically conductive seal for fuel cell elements
CN1122322C (zh) * 1998-04-17 2003-09-24 松下电器产业株式会社 固体高分子电解质型燃料电池及其制造方法
US20020132152A1 (en) * 1999-02-09 2002-09-19 Kazuo Saito Separator for fuel cell and solid polymer type fuel cell using said separator
US6686083B1 (en) * 1999-10-20 2004-02-03 Nisshinbo Industries, Inc. Carbonaceous composite material, process for production thereof, fuel cell separator, and polymer electrolyte fuel cell
US6299933B1 (en) * 2000-07-19 2001-10-09 Ballard Power Systems Inc. Control process for impregnating porous parts and apparatus therefor

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101401247B (zh) * 2006-03-13 2010-11-17 丰田自动车株式会社 隔离器和燃料电池
CN101237053B (zh) * 2007-01-09 2012-07-11 米其林技术公司 用于燃料电池组件的柔性石墨/金属分布板
CN102214832A (zh) * 2010-04-07 2011-10-12 本田技研工业株式会社 燃料电池
CN102214832B (zh) * 2010-04-07 2013-12-11 本田技研工业株式会社 燃料电池
CN110402513A (zh) * 2015-04-20 2019-11-01 能源奥尔技术有限公司 用于生产吻切流体流场板的方法
CN109574004A (zh) * 2019-01-19 2019-04-05 青岛岩海碳材料有限公司 膨胀石墨掺杂石墨烯制备高导电氢燃料电池双极板用低密度柔性石墨板的方法
CN109755603A (zh) * 2019-02-22 2019-05-14 佛山科学技术学院 一种超薄金属薄板夹心柔性石墨双极板及其制备方法
CN110993982A (zh) * 2019-11-27 2020-04-10 一汽解放汽车有限公司 一种高导电性的柔性石墨双极板及其制备方法
CN114243045A (zh) * 2021-11-15 2022-03-25 潍柴动力股份有限公司 一种燃料电池单极板及其制造方法

Also Published As

Publication number Publication date
JP2005522829A (ja) 2005-07-28
US20030198857A1 (en) 2003-10-23
AU2003223453A1 (en) 2003-10-27
KR20040101397A (ko) 2004-12-02
CA2481043A1 (en) 2003-10-23
WO2003086749A1 (en) 2003-10-23
MXPA04009564A (es) 2005-05-27
EP1492667A1 (en) 2005-01-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN1684825A (zh) 石墨层状燃料电池板
CN1183618C (zh) 具有改进凝结和反应产物处理能力的燃料电池
CN100530793C (zh) 一种双极板及其应用，和用于制造该双极板的方法和包含该双极板的电化学系统
US7833673B2 (en) Solid polymer electrolytic fuel cell
JP4800443B2 (ja) 高分子電解質型燃料電池用ガスケット
US20020064702A1 (en) Fuel cell fluid flow field plate and methods of making fuel cell flow field plates
EP2445046B1 (en) Fuel cell sealing structure
CN1950963A (zh) 混合式双极板组件和结合它的装置
US20130034800A1 (en) Bipolar plate assembly having an insert member
US20070031719A1 (en) Separator and cell using the same for use in solid polymer electrolyte fuel cell
JP2006519468A (ja) 外部にマニホルドされた膜に基づく電気化学的セルスタック
CN1788376A (zh) 冲压的燃料电池双极板
CN1454397A (zh) 用于pem燃料电池的双极板
WO2009142994A1 (en) Composite bipolar separator plate for air cooled fuel cell
JP4394935B2 (ja) 燃料電池用構成部品の製造方法
CN101371394A (zh) 燃料电池
US20070020505A1 (en) Electrochemical arrangement comprising an elastic distribution structure
JP4426429B2 (ja) 燃料電池用セパレータおよび燃料電池
JP4945094B2 (ja) 燃料電池
JP2002358975A (ja) 固体高分子型燃料電池のセパレータ及びそれを用いた固体高分子型燃料電池セル
JP2006190626A (ja) セパレータ
NL2030134B1 (en) Bipolar plate for an electrolytic stack
CN112002921B (zh) 燃料电池以及燃料电池的制造方法
JP3307630B2 (ja) 水電解装置用電極板、電極板ユニットおよび電解セル
KR100783659B1 (ko) 연료전지용 일체형 분리판의 제조방법

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication