專利名稱：用于燃料電池疊組的流場板的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及流場板，特別用于燃料電池疊組中，所述板件包括至少一個以導(dǎo)電 材料制成的雙極電極和位于所述雙極電極每一側(cè)的離子交換膜。
背景技術(shù)：
流場板(例如，雙極電極和/或分隔器板)是帶有開放通道的盤件/板件，所述 通道必須分布供應(yīng)的反應(yīng)劑、氣體或液體，并且還可以賦予燃料電池/反應(yīng)器電池機(jī)械 強度。所述通道將壓模陽極反應(yīng)劑分布在所述電極一側(cè)而將陰極反應(yīng)劑分布在另一側(cè)。 例如，已經(jīng)建議使用金屬、塑料和陶瓷作為材料，并且已經(jīng)指出，所述通道可以通過蝕 刻也可以通過以激光消除、碎屑消除、壓印、壓制、沖壓的方法實現(xiàn)。觀點一般是陽極 側(cè)的通道必須交叉陰極側(cè)的通道，這暗示出雙極電極必須相當(dāng)厚，所以在制造時消耗大 量材料。因此它們制造起來昂貴。一般來說，雙極電極可以由例如石墨構(gòu)成，通過模制 或碎屑消除來實現(xiàn)通道圖案；或者由金屬板構(gòu)成，利用蝕刻或碎屑消除來實現(xiàn)圖案。而 且，已經(jīng)使用了帶有壓制通道圖案的金屬板，其中兩塊板件相連，形成雙極電極，參見 例如WOOO/31815以及US6,051,331，其中光刻蝕刻板相接合，用于形成所謂的雙極分隔器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目標(biāo)是提供一種流場板，例如組成雙極電極和/或分隔器板，所述流 場板制造過程中消耗的材料較少，并且較之以前重量更輕而且成本顯著更低。另一個目標(biāo)是提供一種流場板/雙極電極和/或分隔器板(為了簡化，以下僅用 于指代電極)，較之以前的電極而言，使得結(jié)構(gòu)高度降低(沿著垂直于電極的方向)。利用開頭提出的這種電極和/或分隔器板，在所述電極根據(jù)權(quán)利要求1設(shè)計時， 實現(xiàn)了所述目標(biāo)。通過這種方式，可以選擇節(jié)省材料和成本的制造過程，并且完成的電 極的結(jié)構(gòu)高度和重量將低于以前的產(chǎn)品。符合本發(fā)明優(yōu)選方面的額外優(yōu)勢將從以下描述中體現(xiàn)出來。


以下，將參照優(yōu)選實施方式以及包含的附圖更為詳細(xì)地描述本發(fā)明。圖1是根據(jù)本發(fā)明，包括在電極中的帶有通道圖案的板件第一優(yōu)選實施方式的 一側(cè)的平面圖，所述板件為方形；圖2是圖1中右下角的局部視圖；圖3是根據(jù)圖2中的線III-III的截面圖，并且部分示出了入口 /出口與通道圖案 之間的流動連接如何形成，部分地示出了燃料電池疊組中的電極在兩側(cè)如何被質(zhì)子交換 膜包圍；圖4是根據(jù)本發(fā)明，包含在電極中的帶有通道圖案的板件的第二優(yōu)選實施方式的一側(cè)的平面圖，該板件為方形；圖5是根據(jù)圖4中的線V-V的截面圖，并且部分示出了入口 /出口與通道圖案 之間的流動連接如何形成，部分地示出了燃料電池疊組中的電極在兩側(cè)如何被質(zhì)子交換 膜包圍；圖6是根據(jù)圖4中的線VI-VI的截面圖，并且部分示出了入口 /出口與通道圖案 之間的流動連接如何通過密封框架中的凹部形成，和部分地示出了燃料電池疊組中的電 極在兩側(cè)如何被質(zhì)子交換膜包圍。
具體實施例方式圖1至6示出了旨在表示用于燃料電池疊組的電極的兩種不同實施方式。本發(fā)明的巨大優(yōu)勢在于，根據(jù)疊組中期望的流動圖案，借助密封件15A、15B， 可以僅用同一種類型的壓印板1、流動分布區(qū)域12、12來布置雙重引入流和排出流通道 7、27、8、28(參見圖 1 至 3)。板件1的圖案2被框架區(qū)域6、26包圍，孔7、8、27、28布置在所述框架區(qū)域 中，部分地分別用于送往板件兩側(cè)的通道的反應(yīng)劑的引入流7、27(在平行流時)和7、 28(在逆流時)，部分地分別用于來自板件兩側(cè)的通道3、23的所形成的反應(yīng)產(chǎn)物的排出 流8、28(在平行流時)和8、27(在逆流時)。在圖中所示板件1的實施方式中，額外的 孔布置在框架區(qū)域6、26中，即用于供應(yīng)/排泄循環(huán)介質(zhì)諸如冷卻水的孔19和用于插入 未示出的拉條用于將燃料電池疊組保持在一起的孔20?？蚣軈^(qū)域6、26位于雙極電極的平面P(參見圖3)內(nèi)，該平面位于電極一側(cè)的脊 部5的頂部與電極另一側(cè)的脊部25的頂部之間。所述平面可以由位于板件一側(cè)的脊部的 頂部和板件另一側(cè)的脊部的頂部之間中途的中間平面構(gòu)成。根據(jù)需要，還可以向著板件 一側(cè)的脊部的頂部方向偏移所述平面，以減小板件一側(cè)的壓力降，與此同時可以在板件 另一側(cè)實現(xiàn)壓力降增大。這種可能性是特定類型的燃料電池所關(guān)心的內(nèi)容。根據(jù)圖1所示并且以下將會參照僅示出一個拐角的圖2和3更為詳細(xì)解釋的實 施方式，通過在兩個區(qū)域中(這里為拐角區(qū)域)部分地布置流動分布空間13A、13B，部 分地布置密封件15A、15B，可以實現(xiàn)所述方案，在所述兩個區(qū)域中分別布置有入口和出 口。流動分布區(qū)域13A、13B由基本上平坦的部分13構(gòu)成，該基本上平坦的部分位于電 極一側(cè)的脊部的頂部與電極另一側(cè)的脊部的頂部之間，優(yōu)選位于板件1的中間平面P內(nèi)。 通過在部分13的上側(cè)抵靠出口 28的邊緣布置密封件15B，從流動分布空間13向出口 28 運行的通道部分3A被阻擋，從而能接受流入上部分布空間13A中的氣體(例如，02)。 從圖3中可以更為明顯地看出，在存在平行流的實施方式中，形成在“鋸齒”板件上側(cè) 的通道3，即具有谷部4作為底部(在圖1中從上方觀察)的通道3將包含流入上部分布 空間13A中的氣體(這里是02)。由于存在密封件15A，02氣流被迫經(jīng)由通道部分3’ B 通過另一個排出孔8流出。利用通道部分3’ A、3’ B、23’ A、23’ B的優(yōu)勢在于， 它們保證所述膜被支持抵靠分布區(qū)域12、13和入口 /出口 7、27、8、28之間的區(qū)域中的 脊部5’ A、25’ B形成平坦/不透水抵靠件。采用對應(yīng)方式，密封件15A布置在底側(cè)，阻止流向第二出口 8的排出流。相反， 在板件1底側(cè)的通道23中(在邊緣5以下，從圖1中的上方觀察)運動的氣體(例如，H2)將首先流入底部13B的分布空間中，并從中排出，經(jīng)由形成在分布空間13和出口 28 之間的脊部5’ A下的通道部分23，A到達(dá)第一出口 28。與入口 27和7相關(guān)的流動可以分別采用對應(yīng)方式布置。在圖3中的截面(圖2中的III-III)中，根據(jù)本發(fā)明構(gòu)想的示例的功能在平行流 的實施方式中清楚地示出，其中示出板件1是包括下部MEA(膜電極組件)39A和上部 MEA39B的疊組。因此圖中示出，在該構(gòu)想實施方式中，該疊組中的氫氣氏通過入口 27流入，并饋送到下部通道23中，流過所述通道23，這些通道形成在下部MEA39A和 板件1之間，而氧氣02經(jīng)由入口 7流入，并經(jīng)過形成在板件1和上部MEA39B之間的通 道3。此外，圖中示出密封框架9、29向外密封在所述板件1和相應(yīng)MEA39A、39B之 間的外部框架區(qū)域中，以便經(jīng)由上部分布空間13A并經(jīng)由細(xì)分通道3’ B饋送的氣體(這 里是02)向下貫穿饋送，而其他氣體(這里是壓)向下經(jīng)過第二出口 28饋送。根據(jù)本發(fā)明，流場板以單一板件1構(gòu)成，板件1材料厚度非常小，即材料厚度范 圍為0.1到1mm，優(yōu)選最大0.5mm，更優(yōu)選最大0.2mm，這樣帶來了重量和成本優(yōu)勢。 開放通道3的圖案2布置在板件一側(cè)，而開放通道23的圖案22布置在板件另一側(cè)，以使 板件一側(cè)的圖案中的谷部4、24在另一側(cè)形成脊部25、5，反之亦然。板件的圖案部分可以具有許多不同形狀/外觀，例如基本上正弦形截面，或者 像在該實施方式中，脊部和谷部表現(xiàn)為基本上等腰平行梯形截面。此外，谷部的寬度可 以不同于脊部的寬度，其中位于一側(cè)的較寬谷部和較窄脊部對應(yīng)于位于另一側(cè)的較寬脊 部和較窄谷部，從而在板件所述一側(cè)允許較大的流量。例如，這種可能性是特定類型的 燃料電池感興趣的內(nèi)容。通過這種方式，可以選擇制造過程以節(jié)省材料和成本，并且可 以比以前降低完成的雙極電極的結(jié)構(gòu)高度。此外，要指出的示出，通道圖案可以具有不 同形狀，例如3條平行通道布置成如圖1所示的迂回形狀。不同的已知方法適合制造圖案化的板件，但是根據(jù)特定的方面，特別適合在金 屬材料中實現(xiàn)通道圖案2、22的壓制方法是絕熱壓制法，例如W00183132所述，該文件 通過引用而包含在本文中。在替代實施方式中，板件1由具有良好導(dǎo)電性的非金屬材料構(gòu)成，這種材料本 身是已知的，并且這種材料能耐受供應(yīng)的反應(yīng)劑和燃料電池疊組中形成的反應(yīng)劑。作為 替代，非導(dǎo)電或?qū)щ姴涣嫉牟牧弦部梢砸员旧硪阎姆绞嚼茫@種材料以良導(dǎo)體例如在符合圖1至3的具有逆流的雙極電極實施方式中，用于反應(yīng)劑引入流的孔布置在相對拐角處；用于形成的反應(yīng)產(chǎn)物的排出流的孔也布置在相對拐角處；第一未圖案化部分12靠近框架部分6、26布置并布置在平面P內(nèi)，所述第一未 圖案化部分經(jīng)由中間通道3' A、3' B； 23' A、23' B分別運行到出口孔7和27，并 且該第一未圖案化部分12布置成將出口孔7與板件一側(cè)的通道3連接，將入口孔27與板 件另一側(cè)的通道23連接；和第二未圖案化部分13靠近框架區(qū)域6、26布置并布置在平面P內(nèi)，所述第二未 圖案化部分經(jīng)由中間通道3' A，、3' B; 23' A、23' B分別運行到第二出口孔8和出 口孔28，并且該第二未圖案化部分13布置成將板件一側(cè)的通道3與第二入口孔8連接，將板件另一側(cè)的通道23與第二出口孔28連接。在具有平行流的實施方式中，一個入口 孔7或27以及相關(guān)的出口孔8和28分別改變位置。在圖4所示實施方式中，板件為方形，并且示出所述未圖案化部分12和13大小 相等且基本上為三角形。但是，部分12、12的形狀對于它們的作用并沒有影響，因此它 們可以為任意形狀，例如卵形、菱形等。與圖1至3相反，這里不存在細(xì)分通道，即板 件1并不用于對于通過平行通道部分的流動進(jìn)行任何特殊控制和/或?qū)⑺瞿ぶ卧诹鲃?分布空間12、13與入口 /出口 7、8、27、28之間的區(qū)域中。但是，這兩個未圖案化部 分12、13應(yīng)該構(gòu)造成讓它們一起對每個個別通道中的流動產(chǎn)生基本上相同的影響。在具有平行流的構(gòu)想方法中，應(yīng)用為入口孔7經(jīng)由未圖案化區(qū)域12，以直線形 式進(jìn)入到達(dá)板件一側(cè)的通道3。入口 7位置靠近第一拐角，但是位于該拐角本身的一側(cè)。 相關(guān)出口孔8位置靠近對角對置的拐角。此外，用于經(jīng)由未圖案化區(qū)域12到達(dá)通道23 的垂直引入流的第二入口孔27布置在板件另一側(cè)，而用于來自通道23的垂直排出流的第 二出口孔28布置在板件的所述另一側(cè)。應(yīng)該理解，孔7、8、27、28可以根據(jù)應(yīng)用場合 /情況以多種形式定位。在圖5和6中，示出了燃料電池疊組中的雙極電極在兩側(cè)如何被質(zhì)子交換膜 39A、39B包圍。所述膜本身以33指代，并且在兩側(cè)設(shè)置有用于催化劑的薄載體34、 35，所述催化劑適配燃料電池中發(fā)生的反應(yīng)。載體34、35導(dǎo)電并且例如可以以碳纖維網(wǎng) 片或石墨紙構(gòu)成。由膜33本身以及催化劑載體34、35構(gòu)成的單元39A、39B有時稱為 MEA(膜電極組件)。而且，39A、39B可以具有密封框架形式的框架區(qū)域36。膜單元 的框架區(qū)域36(例如，密封框架)密封地抵靠雙極電極的密封框架9、29。此外，一個膜 單元抵靠雙極電極一側(cè)的脊部5的頂部，用于界定脊部5之間的谷部4，而另一個膜單元 抵靠雙極電極另一側(cè)的脊部24的頂部，用于界定脊部25之間的谷部24。當(dāng)然，所述膜 單元也可以設(shè)置與雙極電極上的孔對應(yīng)的孔。在圖5中，形成的反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)過通道23運行并流出到第二未圖案化部分13，在 這里，它們以直角橫向轉(zhuǎn)彎，從而經(jīng)由缺口 31(該缺口終止于截面V-V后面的孔28中) 到達(dá)密封框架29中的出口孔28。在圖6中，形成的反應(yīng)產(chǎn)物將以相應(yīng)的方式經(jīng)過通道3 運行并流出到第一未圖案化部分13上，在這里，它們繼續(xù)直線前進(jìn)，從而經(jīng)由密封框架 9中的缺口 11 (該缺口終止于截面VI-VI前面的孔8中)到達(dá)出口孔8。如果板件1由會被反應(yīng)劑或形成的反應(yīng)產(chǎn)物損害的材料構(gòu)成，則板件1兩側(cè)應(yīng)該 適當(dāng)?shù)卦O(shè)置以不會被損害的材料制成的薄保護(hù)層。密封框架9、29和板件1具有必須適配膜單元33至36的總厚度，因為膜單元33 至36必須抵靠脊部5、25的頂部并與其形成良好的電接觸，以及抵靠MEA39A、39B形 成良好的密封。密封框架9、29的材料從充分耐受所用反應(yīng)劑和形成的反應(yīng)產(chǎn)物的材料組群中 選擇，并且它們不導(dǎo)電。工業(yè)實用性符合上述本發(fā)明的雙極電極的主要目的是用在電化學(xué)電池諸如燃料電池和電解 器中，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員當(dāng)然能在以下權(quán)利要求書的范圍內(nèi)簡單地且不需創(chuàng)造性工作 地改動所述雙極電極，以使其可以用在類似應(yīng)用場合中。
應(yīng)該認(rèn)識到，例如通道圖案可以通過許多不同的方式實現(xiàn)，其中絕熱壓制法僅 是一種可行方法。此外，應(yīng)該認(rèn)識到，原則上板件1和電極分別可以被賦予任何形狀(例如，方 形、卵形、六邊形等)并實現(xiàn)本發(fā)明的主要目標(biāo)。此外，框架區(qū)域的任何部分，在當(dāng)前 情況下為中央部分，可以設(shè)置孔，用于引入流和排出流，并且例如所述冷卻通道的位置 可以位于電極上的任何地方。此外，在除了所述框架區(qū)域之外的其他地方具有引入通道和排出通道的原理可 以適用于全部形狀的板件，以及圓形板件可以僅在外部區(qū)域布置有通道。
權(quán)利要求
1.一種構(gòu)成雙極電極和/或分隔器板的流場板，用于經(jīng)由入口 /出口在燃料電池疊 組或電解器中分布?xì)怏w和液體，所述流場板包括板件(1)，所述板件設(shè)置有入口 /出口 (7、8、27、28)、位于一側(cè)的連接第一入口與第一出口的開放通道(3)和位于另一側(cè)的 連接第二入口與第二出口的開放通道(23)，其中流動分布區(qū)域(12、13)布置在所述入口 /出口(7、8、27、28)和所述開放通道(3、23)之間，其特征在于，所述流動分布區(qū)域 (12、13)分別針對雙重引入流和排出流通道(7、8、27、28)而布置，并且單獨的密封元 件(15A-15B)布置成能任意連接各通道(3、23)和所述入口 /出口(7、8、27、28)。
2.如權(quán)利要求1所述的流場板，其特征在于，所述板件由單一板件(1)構(gòu)成，其中開 放通道(3、23)的圖案(2)設(shè)置成使得位于所述板件一側(cè)的所述圖案(2)中的谷部(4、 24)在另一側(cè)形成脊部(25、5)，反之亦然。
3.如權(quán)利要求1或2所述的流場板，其特征在于，所述板件(1)由金屬材料構(gòu)成，所 述金屬材料的厚度最大2mm，優(yōu)選為0.1到1mm，更優(yōu)選最大0.8mm。
4.如權(quán)利要求2所述的流場板，其特征在于，所述通道圖案(2)通過壓制法優(yōu)選通過 絕熱壓制法實現(xiàn)。
5.如前述權(quán)利要求任一項所述的流場板，其特征在于，所述通道圖案(2)布置在所述 板件(1)的中央部分，并且被框架區(qū)域(6、26)包圍，孔設(shè)置在所述框架區(qū)域中，用于引 入流和排出流(7、27、8、28)。
6.如權(quán)利要求1所述的流場板，其特征在于，所述板件(1)以導(dǎo)電性良好并且耐受供 應(yīng)的反應(yīng)劑和形成的反應(yīng)產(chǎn)物的非金屬材料構(gòu)成。
7.如權(quán)利要求5、6任一項所述的流場板，其特征在于，所述框架區(qū)域(6、26)位于 所述流場板(1)的平面內(nèi)，所述平面位于所述電極一側(cè)的脊部(5)的頂部和所述電極另一 側(cè)的脊部(25)的頂部之間。
8.如前述權(quán)利要求任一項所述的流場板，其特征在于，所述流動分布區(qū)域(12、13) 的數(shù)量至少為2，并且所述入口 /出口(7、8、27、28)至少其中兩個靠近一個流動分布區(qū) 域(12)布置，而另外兩個入口 /出口(7、8、27、28)靠近另一個流動分布區(qū)域(13)布 置。
9.如權(quán)利要求8所述的流場板，其特征在于，根據(jù)所述通道(3、23)形成的所述圖案 (2)，所述至少兩個流動分布區(qū)域(12、13)相對于彼此基本上徑向?qū)χ谩?br> 10.如權(quán)利要求9所述的流場板，其特征在于，每個流動分布區(qū)域(12、13)布置在所 述板件(1)的中間平面(P)內(nèi)，在所述板件(1)中并在每個所述流動分布區(qū)域(12、13) 的每一側(cè)，存在通往至少兩個相鄰入口 /出口孔(7、8、27、28)的流動連接部。
11.如權(quán)利要求10所述的流場板，其特征在于，所述流動連接部(3’A、3’ B、 23，A、23’ B)設(shè)置有脊部(5、25)和谷部(4、24)。
12.如前述權(quán)利要求任一項所述的流場板，其特征在于，所述框架區(qū)域(12)設(shè)置有用 于例如冷卻介質(zhì)的引入流和排出流的孔(19)，所述冷卻介質(zhì)用于在需要冷卻時取代反應(yīng) 劑流入所述板件(1) 一側(cè)的通道中。
13.如前述權(quán)利要求任一項所述的流場板，其特征在于，所述流場板包括在燃料電池 疊組、電解器或任何類似設(shè)備中，所述燃料電池疊組、電解器或任何類似設(shè)備中包括至 少兩個如權(quán)利要求1至13任一項所述的流場板(1)，在每一對雙極電極之間存在密封件(9、29)和膜電極組件(MEA) (39A、39B)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種優(yōu)選構(gòu)成雙極電極和/或分隔器板的流場板，用于經(jīng)由入口/出口在例如燃料電池疊組中分布?xì)怏w和液體，所述流場板包括板件(1)，所述板件設(shè)置有入口/出口(7、8、27、28)、位于一側(cè)的連接第一入口與第一出口的開放通道(3)和位于另一側(cè)的連接第二入口與第二出口的開放通道(23)，其中流動分布區(qū)域(12、13)布置在所述入口/出口(7、8、27、28)和所述開放通道(3、23)之間，以允許各通道(3、23)與所述入口/出口(7、8、27、28)任意連接。
文檔編號H01M8/02GK102017252SQ200880126276
公開日2011年4月13日 申請日期2008年12月11日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月18日
發(fā)明者奧洛夫·達(dá)爾伯格, 漢斯-阿克·奧爾森, 珀·西德 申請人:莫菲克科技股份公司