CN101237053B - 用于燃料电池组件的柔性石墨/金属分布板 - Google Patents
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Abstract
用于燃料电池组件的流体分布板(1)包括：由不能被燃料电池组件中使用的所有流体透过的导电材料制成的第一板(11)，所述分布板具有有效部分(S)，所述有效部分(S)是电化学反应所使用的气体分布在上面的表面，所述有效部分(S)被周边部分(P)完全限界，所述第一板在周边部分处具有给定厚度e1，在有效部分处具有较小厚度e2，使得从面向外面的一侧形成凹部、和具有平的内表面，柔性石墨箔(11C)施加在所述第一板(11)的所述凹部的整个表面上，柔性石墨箔的可见面具有用于一种流体的分布通道(111)，所述通道完全形成在石墨箔中。
Description
技术领域
本发明涉及具有离子交换聚合物膜的燃料电池组件。尤其涉及用于分布这种燃料电池组件中所使用的流体的分布板，即安装在基本电化电池中的每一个基本电化电池之间的双极板和安装在一组各种电化电池的任一侧的端板。
背景技术
燃料电池组件中使用的双极板执行两种显著不同的功能。公知的是，燃料电池组件必须被供给燃料气体和助燃气体，即相应地被供给氢气和空气或纯氧气，且电池还必须冷却，即冷却剂例如水必须通过电池。双极板的一种功能是可使燃料电池组件工作所需的上述各种流体通过。而且，双极板还执行电功能，即在相邻的电化电池中的每一个电化电池的阳极和阴极之间提供导电。现在，燃料电池组件均包括大量串联组装的基本电化电池，其中基本电化电池串联连接，且燃料电池组件的额定电压是每个基本电化电池的电压之和。
这些不同功能，传送流体和导电，决定了用于制造这些双极板的材料必须满足的要求。所使用的材料必须具有非常高的电导率。所使用的材料也必须不能被所使用的流体透过，且相对于这些流体必须具有非常高的化学稳定性。
而且，双极板必须具有足够高的机械性能，以使得可并置许多基
本电化电池和相关的双极板、以及通过借助杆使端板之间产生压缩而将组件保持在一起。双极板必须具有足够高的机械性能，以承受该压缩。石墨通常使用，因为这种材料不仅具有高的电导率，而且对所使用流体有着化学惰性。专利申请WO2005/006472描述了这样的双极板的一种可能实施例。可以看出，它们包括刚性相对较大的重叠的两个石墨片、和用于适应多种层的厚度公差的由柔性相对较大的石墨材料制成的插入中间的箔。石墨片包括为分布燃料和助燃气体即氢气和空气或纯氧气所需的通道网络、和可使冷却剂例如水通过每个双极板的通道。
遗憾地，构成石墨双极板的刚性构件具有相当低的冲击阻力，特别是在燃料电池组件组装时的处理过程中。由上述柔性石墨材料制成的层绝大部分在工业状态下还特别难于处理。所有这些均显著增加了这种双极板的制造成本。
专利US6379476提出了一种由不锈钢制成的双极板，该不锈钢的表面上涂覆有钝化膜，且具有在该表面上突出的碳化物夹杂。根据该专利的申请人所述，所提供的制品必须具有足够低的接触电阻，以便由其制造双极板。然而，尽管这种解决方案与完全由石墨制成的双极板相比具有一些优点，特别是在机械性能方面，但它实施起来复杂，且电阻率可能太高，特别是如果目的是使燃料电池组件具有非常高的功率密度。
专利申请US2005/0221158描述了一种由具有传导耐腐蚀涂层的钢支撑件形成的复合双极板，通道形成在石墨层中，所述石墨层在合适位置处被穿孔以限定出所述通道。因此，这种解决方案具有与对专利申请WO2005/006472所作的评述中提及到的缺点相同的缺点。
其他专利申请提出了由非金属材料例如塑料制造双极板，因为这
些材料中的许多种材料对使用的气体和冷却剂的化学侵蚀非常不敏感。一个可提及到的示例是专利申请WO2006/100029。
使用金属板作为双极板与石墨板相比具有许多优点。要提及的主要优点是金属的较高机械强度，这使得可降低板的厚度且避免板的破裂问题。经特殊的表面处理的金属是阴极侧(用于化学还原反应)的良好解决方案。它的耐腐蚀性和它的传导性是良好的。然而，在阳极侧(用于化学氧化反应)，即使经良好的表面处理，但经几百个小时的工作后仍会出现腐蚀。
本发明的目的是提供一种用于燃料电池组件的电化电池的气体分布板的配置，其避免了上述缺点，同时还尽可能地坚固和相当容易地制造。
发明内容
本发明提供了一种用于燃料电池组件的流体分布板，包括：由不能被燃料电池组件中所使用的所有流体透过的导电材料制成的第一板，所述分布板具有有效部分，所述有效部分是电化学反应使用的气体分布在上面的表面，所述有效部分被所述周边部分完全限界，所述第一板在周边部分处具有给定厚度e1，在有效部分处具有较小厚度e2，从而限定出凹部，柔性石墨箔施加在所述第一板的凹部的整个表面上，柔性石墨箔的可见面具有用于一种流体的分布通道，所述通道完全形成在石墨箔中，使得在有效部分中通道不与第一板的表面接触。
当然，本发明应用于双极板，即一侧形成燃料电池组件的基本电化电池的阳极、另一侧形成相邻基本电化电池的阴极的板。然而，本发明也应用于端板。事实上，本发明任何时候均可用于制造一种具有内部通道网络的分布板，该通道网络用于传送由燃料电池组件消耗的
多种气体中的一种气体，甚至是冷却剂。
附图说明
通过对附图所示的一个实施例的详细描述，可更好地理解本发明，附图包括：
图1是分解图，示出了根据本发明的分布板当处于第一制造阶段时的各种组成元件；
图2示出了第一制造阶段结束时获得的结果；
图3是分解图，示出了据本发明的分布板当处于第二制造阶段时的各种组成元件；
图4示出了第二制造阶段结束时获得的结果；
图5示意性地示出了处于一种结构下的根据本发明的分布板，其中，所述分布板包括它的基本特征，且所述结构在第三制造阶段结束时获得；
图5A是沿图5中的轴线所作的横截面；
图6是图5中圆圈Z所标示的区域的放大图；
图7是分解图，示出了具有根据本发明的分布板的双极板的各种组成元件；以及
图8是透视图，示出了图7中的双极板在组装时所呈现出的状态。
具体实施方式
现开始描述分布板的中心处的凹部的一个特殊实施例，它是本发明提供的多个显著特征之一。第一板，即包括用于接纳柔性石墨箔的凹部的板，由底板11A和框架11B形成，这些被示于图1中。对于
第一板，优选为不锈钢的金属材料例如用作不能被燃料电池组件中使用的所有流体透过的导电材料。这种金属材料使得分布板具有良好的坚固度。
底板11A和框架11B由合适厚度的平的不锈钢片切割而成。例如，0.1mm厚度的片用于底板11A。例如，0.6mm厚度的片用于框架11B。底板11A和框架11B例如通过钎焊叠放并紧固在一起。对于通过钎焊使底板11A和框架11B之间产生结合的更多细节，请在下面参看图7和8的描述，该描述解释了通过钎焊将根据本发明的分布板紧固到另一分布板12来制造双极板。这些图还示出了底板上的两个孔111a和111b，它们构成流体分布通道的一部分，这将在下面更清楚地解释。
在底板11A和框架11B它们的一侧上存在具有横截面相对较大的三个开口31、31和33的区，而且，在相反侧上还存在具有横截面相对较大的三个开口34、35和36的另一区。所有开口31、32、33和34、35、36分别与形成在燃料电池组件的多种组成元件中的相同开口对齐，以形成用于传送流体的供送结构：开口31和34例如用于传送氢气，开口33和36例如用于传送氧气，开口32和35可使冷却剂循环。
框架构成周边部分P和框架内部，所述框架内部的区域与有效部分S对应，并限定出凹部。底板11A和框架11B的组件示于图2中，且构成所谓的第一板11，该第一板11在周边部分P处具有给定厚度e1。该厚度e1对应于底板11A的厚度和框架11B的厚度再加上钎焊料的厚度，钎焊料的厚度实际中如果通过以下所述的技术执行钎焊则可以忽略。第一板11在有效部分S处具有较小的厚度e2(即底板11A的厚度)。
图3示出了将施加在所述第一板11的凹部的整个表面上的柔性石墨箔11C，以获得图4所示的组件。用于柔性石墨箔的合适材料是由SGL Carbon AG制造的“Sigraflex”的0.5mm的厚箔。
最后，或较早地，用于一种流体的分布通道111压印在石墨箔11C中。这可通过压印实现。优选地，首先可在石墨箔中形成分布通道，然后将它加装到凹部中。在所有情况下，均获得了图5中所示的结果，它构成根据本发明的分布板1的示例。
从而，有效部分S中，在分布通道111中循环的流体不与第一板11的表面接触，这可从图5A中看出。分布通道形成在石墨箔的厚度中。剩留了一定厚度的石墨111A，该石墨111A将通道111与底板11A的表面隔离开。石墨箔11C对可能要在分布通道111中循环的流体的化学侵蚀不敏感或几乎不敏感。这为第一板11的材料提供了较宽的选择。在所述的示例性实施例中，钢可用于底板11A。
优选地，周边部分P，即在此处所述的实施例中的框架11B，的外面11o覆盖有耐腐蚀涂层(见图7)。如上所述，不必在底板11A上提供这种涂层。优选地，耐腐蚀涂层是非导电性的。在后一种情况下，使耐腐蚀涂层也覆盖着分布板的边缘11T具有大的优点，这是因为这样使得燃料电池组件在已安装和使用时可从外部接近的所有表面电绝缘。
已经发现，如果凹部的底部也覆盖有随后嵌在第一板11和柔性石墨箔11C之间的薄铜层(或镍或金)，则改善了柔性石墨箔11C和第一板11之间的导电性。
还应当指出，分布通道111的一端终止于孔111a中，另一端终止于孔111b中，所述两个孔加工在底板11A中。为了知道孔111a和111b终止于何处，请参看下面对图7和8的描述。
为了使燃料电池组件更为气密，柔性石墨箔11C优选具有稍小于凹部的截面S的横截面(即面积)，且柔性石墨箔11C的边缘和凹部的边缘即框架11B的边缘之间的间隙填充有填充材料11D，该填充材料11D不能被要在通道中流动的流体透过，这可从图6中看出。该材料可以是粘合剂，它有助于将柔性石墨箔11C固定到第一板11。为此，粘合剂嵌在柔性石墨箔11C和所述第一板之间的限于柔性石墨箔11C的周边11E的表面上。绝大部分的合适材料(环氧树脂、硅)是非导体体。惊奇地发现，当根据本发明的分布板是用于分布由燃料电池组件消耗的气体的板时，使非导电粘合剂也嵌在柔性石墨箔和所述第一板之间流体入口和出口孔眼111b的整个周边上是有利的。这降低了这些位置处的电流强度，并增大了离子交换膜的寿命。
图7和8示出了通过将根据本发明的分布板1与另一分布板12组装起来形成的双极板3。
分布板1和分布板12在一侧具有三个开口31、32和33，在相反侧具有三个开口34、35和36。一个板11的开口31与另一板12的开口31对齐。该组开口31、32、33和34、35和36分别相应地对齐。开口31和33的组合形成供送结构，用于传送多种气体中的一种气体：在一种情况下，开口31和33两者之一31传送氢气，两者中的另一个33传送氧气。开口34和36的组合形成供送结构，用于返回多种气体中的一种气体：在一种情况下，开口34和36两者之一34返回未被燃料电池组件消耗的氢气，开口34和36两者中的另一个36返回未被燃料电池组件消耗的氧气。而且，所有开口32形成传送冷却剂的供送结构，而所有开口35形成用于返回控制燃料电池组件的温度的冷却剂的供送结构。
第二分布板12的一个面12i包括内部通道122，所述内部通道
122设计成在第二板12的整个有效部分上分布用于控制燃料电池组件的温度的冷却剂。孔眼111a与在面12i上凹进的通道部分111c的端部对齐。孔眼111b与在同一面12i上凹进的通道部分111d的端部对齐。这些通道部分111c和111d分别相应地与开口31和34连通。这在第一分布通道111和所述供送结构之间提供连通。
第二分布板12的另一面(未示出)上设置有与分布通道111类似的第二分布通道，且也设计成在第二分布板12的整个有效部分上分布燃料电池组件所使用的两种气体中的另一种气体。第二板12的开口33和36分别相应地与通道部分121c和通道部分121d连通，所述两个通道部分凹进在面12i中。通道部分121c和121d分别相应地终止于孔眼121a和121b中，所述孔眼121a和121b贯穿第二板12的厚度，以使用于传送气体的第二通道与所述供送结构连通。
根据本发明的组装方法如下。钎焊片(或焊膏)2置入分布板1和第二分布板12之间。一种有利的解决方案是如上所述地使分布板使用不锈钢，钎焊片2使用铜(纯的或合金的)。在分布板1和12已与钎焊片2接触之后，该组件被加热到钎焊金属的熔点，在冷却之后，获得双极板3，所述双极板3包括：位于通道111的一个面上的例如阳极气体回路、位于通道的另一个面上的阴极气体回路、和在组装后看不见的通道122的板之间的冷却剂回路。如上所建议的，因此，可有利地利用相同的钎焊技术组装底板11A和框架11B，以形成所述第一板11。
根据本发明的双极板用于与形成电化电池的元件组合。公知基本电化电池9目前(此不以任何方式限制本发明)通常由重叠的五层形成：离子交换聚合物膜、由发生电化学反应所需的化学元素例如铂制成的两个电极、和两个气体扩散层，所述气体扩散层用于确保由双极
板的通道网络传送的气体均匀扩散在离子交换膜的整个表面上。
因此，由于本发明，对于每个分布板的基本组成材料，可选择具有足够高的机械性能的导电材料，所述高的机械能够不仅用于使得可传递燃料电池组件的服役应力，而且用于使分布板可自动制造。这种自动制造设想通过制造机器人处理，由于这种处理因底板的组成材料的坚固性而几乎不需要预防措施，因此，自动制造的执行只是较简单的、较可靠的和更经济的。
Claims (10)
1.一种用于燃料电池组件的流体分布板(1)，包括：由不能被燃料电池组件中使用的所有流体透过的导电材料制成的第一板(11)，所述第一板(11)具有内面(11i)和外面(11o)，所述外面(11o)用于与离子交换膜配合，所述流体分布板具有有效部分(S)，所述有效部分(S)是电化学反应所使用的气体分布在上面的表面，所述有效部分(S)被周边部分(P)完全限界，所述第一板在周边部分处具有给定厚度e1，在有效部分处具有较小厚度e2，从而限定出凹部，柔性石墨箔(11C)施加在所述第一板(11)的所述凹部的整个表面上，所述柔性石墨箔(11C)可从面向外面(11o)的一侧看见，柔性石墨箔的可见面具有用于一种流体的分布通道(111)，所述通道完全形成在石墨箔中，使得在有效部分(S)中通道与第一板的表面不接触，其中，周边部分(P)的外面(11o)覆盖有耐腐蚀涂层。
2.如权利要求1所述的流体分布板，其特征在于，所述通道是用于电池消耗的第一气体的分布通道(111)。
3.如权利要求1或2所述的流体分布板，其特征在于，第一板(11)由金属材料制成。
4.如权利要求3所述的流体分布板，其特征在于，第一板由不锈钢制成。
5.如权利要求4所述的流体分布板，其特征在于，所述耐腐蚀涂层 是非导电的。
6.如权利要求4和5中任一所述的流体分布板，其特征在于，所述耐腐蚀涂层也覆盖着所述分布板的边缘(11T)。
7.如权利要求1、4和5中任一所述的流体分布板，其特征在于，柔性石墨箔(11C)具有稍小于所述凹部的截面(S)的横截面，且柔性石墨箔(11C)的边缘与周边部分(P)的边缘之间的间隙填充有不能被用于在通道中流动的流体透过的填充材料(11D)。
8.如权利要求7所述的流体分布板，其特征在于，所述填充材料(11D)是非导电的粘合剂，所述粘合剂还嵌在柔性石墨箔和所述第一板之间的限于柔性石墨箔(11C)的周边(11E)的表面上、包括流体入口和出口孔眼的整个周边上。
9.如权利要求4所述的流体分布板，其特征在于，所述凹部的底部覆盖有嵌在第一板和柔性石墨箔之间的薄铜层。
10.如权利要求1、4、5、8和9中任一所述的流体分布板，其特征在于，它包括由导电材料制成的第二板(12)，所述第二板(12)具有外面(12o)和用于施加到第一板(11)的内面(11i)上的内面(12i)，用于循环冷却剂的通道(122)设在第二板(12)的内面(12i)上，所述第一板和第二板经由覆盖第一板和第二板中的每一个板的整个内面的均匀的导电连接材料层连接起来，以形成双极板(3)。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: CONCEPTION DEV MICHELIN SA Free format text: FORMER OWNER: CONCEPTION DEV MICHELIN SA PAUL SCHERRER INSTITUTE |
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20110308 Address after: French Clermont Ferrand Applicant after: Michelin Soc Tech Co-applicant after: MICHELIN RECHERCHE ET TECHNIQUE S.A. Address before: French Clermont Ferrand Applicant before: Michelin Soc Tech Co-applicant before: MICHELIN RECHERCHE ET TECHNIQUE S.A. Co-applicant before: SCHERRER INST PAUL |
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C56 | Change in the name or address of the patentee |
Owner name: SOCIETE DE TECHNOLOGIE MICHELIN Free format text: FORMER NAME: SOCIETE DE TECHNOLOGIE MICHELIN |
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| CP01 | Change in the name or title of a patent holder |
Address after: French Clermont Ferrand Patentee after: COMPAGNIE GENERALE DES ETABLISSEMENTS MICHELIN Patentee after: MICHELIN RECHERCHE ET TECHNIQUE S.A. Address before: French Clermont Ferrand Patentee before: Michelin Soc Tech Patentee before: MICHELIN RECHERCHE ET TECHNIQUE S.A. |
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| CP01 | Change in the name or title of a patent holder |
Address after: Clermont-Ferrand, France Patentee after: COMPAGNIE GENERALE DES ETABLISSEMENTS MICHELIN Patentee after: MICHELIN RECHERCHE ET TECHNIQUE S.A. Address before: Clermont-Ferrand, France Patentee before: COMPAGNIE GENERALE DES ETABLISSEMENTS MICHELIN Patentee before: MICHELIN RECHERCHE ET TECHNIQUE S.A. |
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| CP01 | Change in the name or title of a patent holder | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20200923 Address after: Clermont-Ferrand, France Patentee after: COMPAGNIE GENERALE DES ETABLISSEMENTS MICHELIN Address before: Clermont-Ferrand, France Patentee before: COMPAGNIE GENERALE DES ETABLISSEMENTS MICHELIN Patentee before: MICHELIN RECHERCHE ET TECHNIQUE S.A. |
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| TR01 | Transfer of patent right |