專利名稱：用于燃料電池堆的雙極隔膜的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池之間的雙極隔離元件，特別是被層壓在壓濾結(jié)構(gòu)的疊組中的聚合物膜燃料電池。
背景技術(shù)：
本領(lǐng)域公知，燃料電池是將燃料和氧化劑反應(yīng)的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的電化學(xué)發(fā)生器，其產(chǎn)生的副產(chǎn)物是水。在多種公知的燃料電池中，聚合物膜類型是其中一種，其工作在最低的溫度，通常在70-100℃，在容易性和操作安全，材料穩(wěn)定性方面，且特別在快速啟動和達(dá)到終態(tài)工作條件(final regime operating conditions)方面具有明顯的優(yōu)勢。使這種技術(shù)工業(yè)擴(kuò)散減慢的所有主要問題中，一個最重要的問題在于這樣一個事實(shí)，即由單個電池產(chǎn)生的能量形式是相對高強(qiáng)度的直流電流和非常有限的電壓(在任何情形中低于1V，且通常在0.5和0.8V之間)。源自動力學(xué)本質(zhì)且過程固有的該特征使得需要層壓一定數(shù)目的電池，按照壓濾型結(jié)構(gòu)組裝成堆。為工業(yè)應(yīng)用提出的層堆因此由幾十個元件組成，大都超過100個單電池；這使得除了與構(gòu)造公差和最終模塊密封關(guān)聯(lián)的表面問題外，而且組裝次數(shù)嚴(yán)重影響最終成本，每個電池由多個件組成，包括雙極板，襯墊，集流器和電化學(xué)元件，如電極和膜。
聚合物膜燃料電池構(gòu)造復(fù)雜性是由使燃料氧化和氧化劑還原高效進(jìn)行所要求的多種功能引起的。除了兩個反應(yīng)地點(diǎn)的電極最優(yōu)工作，電極還必須提供適當(dāng)?shù)拇呋?，通常基于貴金屬，臨界因子由用作固體電介質(zhì)的離子交換膜給出，且其必須用于輸運(yùn)作為離子流的電流；特別地，由大多情況下為純的或混合的氫的燃料氧化生成的質(zhì)子必須在厚度方向上跨過膜并輸運(yùn)到陰極側(cè)，這里它們通過與氧化劑的反應(yīng)而消耗，通常氧化劑包含純的或混合的氧。目前市場上可利用的離子交換膜包含聚合物主架，為了化學(xué)穩(wěn)定性通常要全氟化，并帶有陰離子功能團(tuán)，能夠鍵合質(zhì)子，雖然鍵合程度足夠弱從而允許在反應(yīng)物產(chǎn)生的電場作用下遷移。為了使該機(jī)理有效，換句話說，為了使膜離子導(dǎo)電性足夠，有必要保持膜在操作中高度水合。對于多數(shù)實(shí)際有意義的操作條件，氧與來自陽極側(cè)的質(zhì)子反應(yīng)在陰極產(chǎn)生的水不足以保證總是滿足水合條件；供應(yīng)到電場的反應(yīng)物氣流實(shí)際上傾向于持續(xù)蒸發(fā)，這需要彌補(bǔ)。保持適當(dāng)?shù)乃胶獍凳倦姵鼐_的熱控制，這構(gòu)成另一個沒有解決的問題。在實(shí)用中電功率發(fā)生的條件下，系統(tǒng)不可逆性實(shí)際上產(chǎn)生大量相關(guān)的熱，這必須有效地從電池中排出。
對于上面所述的原因，聚合物膜燃料電池必須提供有適當(dāng)?shù)难b置，以便濕化氣體反應(yīng)物并用于排出生成的熱。這顯然與市場對于越來越緊湊系統(tǒng)需求相矛盾，這樣的系統(tǒng)特征為快速且易于組裝。
然而，現(xiàn)有技術(shù)的第一膜電化學(xué)發(fā)生器由有棱紋石墨成分構(gòu)成并進(jìn)一步長時間加工，最近的技術(shù)方案給出使用減薄的金屬材料，其具有更有利的機(jī)械特征。例如，它們按照美國專利5578388構(gòu)造，將濕化的反應(yīng)物供應(yīng)到優(yōu)選由金屬雙極板界定的電池堆陽極和陰極兩個室，并耦合到框形平面襯墊上，該襯墊適于放置適當(dāng)?shù)募髌?，除了確保板自身和所謂電化學(xué)包裝的電氣連續(xù)性，其也用作分配腔室；后者包含離子交換膜-氣體擴(kuò)散電極組件。集流器是金屬網(wǎng)狀元件，其支持電氣接觸離開原位和流動氣流沿膜-電極組件表面分布。熱排出通常是通過水循環(huán)或嵌入在金屬板內(nèi)彎曲結(jié)構(gòu)內(nèi)其它溫度調(diào)節(jié)流體實(shí)現(xiàn)的；然而這要求使用相當(dāng)厚重的板且成本昂貴，因?yàn)樗鼈兪峭ㄟ^精密的鑄模獲得的?？商鎿Q地，提出了在同一壓層內(nèi)的燃料電池和恒溫電池(thermostatting cell)交替的電池堆結(jié)構(gòu)，水或其它冷卻流體橫過燃料電池和恒溫電池，而水和其它冷卻流體能夠通過劃定不同電池的金屬板壁交換熱。以該方式，可采用非常薄的板從而實(shí)現(xiàn)適當(dāng)減小結(jié)構(gòu)的重量，這對于移動應(yīng)用特別重要，例如專用于電動車輛運(yùn)輸?shù)娜剂想姵?。另一方面，該解決方案在尺寸方面沒有顯著改進(jìn)，因?yàn)榘搴穸葴p小被恒溫電池增加到壓濾結(jié)構(gòu)而抵消。
因此，提出了幾種旨在減小重量且緊湊的燃料電池堆，其以最佳方式集成有不同功能并最小化無用體積例如共同申請的國際申請PEC/EP 03/01207提供了通過冷卻流體循環(huán)區(qū)域外分隔板上獲得的一系列的開口，利用恒溫電池外圍部分將氣體反應(yīng)物分配至燃料電池中。
對于水冷電池，共同申請的國際申請PCT/EP03/06327中描述的更先進(jìn)的設(shè)計，其通過適當(dāng)?shù)男拚滋峁┪镔|(zhì)交換，而且也在冷卻區(qū)域內(nèi)；換句話說，部分冷卻水被允許滲透到燃料電池的內(nèi)部，原位執(zhí)行氣體濕化，同時由于在燃料電池內(nèi)部分蒸發(fā)而執(zhí)行甚至更有效的冷卻。除了增強(qiáng)散熱效率，這也簡化了總體系統(tǒng)，允許沒有外部濕化單元；然而，從水壓密封的觀點(diǎn)看，兩個后來公開的實(shí)施例相當(dāng)復(fù)雜。其中一個主要問題是在用許多層壓的元件制造壓濾結(jié)構(gòu)中，耦合大量彈性襯墊，它們必須以一致壓縮的方式一次密封加載，為了不傷害剛性元件對齊(且間接電接觸)，同時確保不同流體的密封，其中某些特別關(guān)鍵，如氫氣。盡管襯墊設(shè)計和材料方面一致改進(jìn)，最小化它們的數(shù)量以便增加相關(guān)系統(tǒng)的可靠性是很重要的。國際申請PCT/EP03/012107和PCT/EP03/06327中揭示的發(fā)現(xiàn)相反給出明顯的缺點(diǎn)，即一致量的氣-液和氣-氣密封，例如是美國專利US5578388的兩倍量。該類設(shè)計另一個固有的不足是由組裝復(fù)雜性產(chǎn)生的，其要求層壓相當(dāng)數(shù)量的元件，這些元件必須以固定的順序精確地居中放置，這一般也涉及到任何提供燃料電池和恒溫電池交替結(jié)構(gòu)的任何設(shè)計。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供燃料電池堆設(shè)計，其克服現(xiàn)有技術(shù)的局限性。
本發(fā)明的第二個目的是提供高效率的燃料電池堆設(shè)計，其包括最小量的層壓元件和對于給定量安裝電池的相對水壓密封。
本發(fā)明的進(jìn)一步目的是為燃料電池提供集成的隔膜，同時實(shí)現(xiàn)冷卻液體的內(nèi)部循環(huán)，氣體反應(yīng)物分配到電池，并可選濕化后者或其中一種。
在第一個方面，本發(fā)明包含雙極隔膜，該隔膜由陰極片和陽極片定界，至少一個提供有流體通道孔，其中所述片通過導(dǎo)電皺褶元件焊接或冶金學(xué)接合的，以便界定冷卻流體通道部分。
在第二個方面，本發(fā)明包含由安置在壓濾結(jié)構(gòu)中并由集成的導(dǎo)電元件分開的燃料電池堆，該導(dǎo)電元件在不同實(shí)施例中執(zhí)行一個或多個功能，其中包括電池的熱調(diào)節(jié)，反應(yīng)物的分布和濕度，而不求助于額外的恒溫單元。
本發(fā)明的隔膜由兩個導(dǎo)電片界定，其中至少一個提供有流體通道孔，在壓濾型雙極結(jié)構(gòu)中分別適于用作陰極和陽極片。兩個導(dǎo)電片彼此焊接或通過中置的導(dǎo)電元件固定，其幾何結(jié)構(gòu)為褶皺型，以便在優(yōu)選實(shí)施例中確定用于恒溫流體(優(yōu)選液體狀態(tài)的水)的通道的形成。本文中褶皺元件，傾向于是一種一般元件(如從平面片獲得的)具有波形的或其它形狀的外形，以便形成凸起或凹陷；所述凸起和凹陷是焊接的或固定到一個或其它界定隔膜的片。褶皺元件有兩個目的，即機(jī)械連接陽極和陰極片和確保它們之間的電連續(xù)性。褶皺的元件可僅提供于隔膜的外圍部分，例如相應(yīng)于兩個相對側(cè)，或可沿整個片表面安置。在后者的情形中，褶皺導(dǎo)電元件有利地界定可用于冷卻流體循環(huán)的通道。在褶皺元件僅在隔膜外圍區(qū)域的情形中，通常在電池的活性區(qū)域外部，內(nèi)部可有利地填充網(wǎng)狀材料，其適用于冷卻流體的循環(huán)。作為網(wǎng)狀材料，金屬泡沫或網(wǎng)，延展片(expanded sheet)，燒結(jié)多孔材料都可有利地相互組合或并置使用；然而，也可使用其它類型網(wǎng)狀材料而不偏離本發(fā)明的范圍。
如上所述，一個或兩個界定隔膜的片提供有流體通道孔；通過本文流體通道孔，希望任何形狀或輪廓的穿孔適于為液體或氣體跨過，該穿孔是在相應(yīng)片的主表面上獲得的，優(yōu)選沿外圍區(qū)域安置，并與氣體饋送管相連；這樣的孔因此可用來供應(yīng)氣體反應(yīng)物至相鄰的燃料電池中，以如PCT/EP 03/01207中所揭示的類似方式。與排放管相連的等效孔優(yōu)選被用于排放廢反應(yīng)物和反應(yīng)產(chǎn)物。
在優(yōu)選實(shí)施例中，流體通道孔優(yōu)選為校準(zhǔn)的開口形式，其在隔膜主表面的內(nèi)部并與冷卻流體通道部分相連。該實(shí)施例中特別有利，特別是在冷卻流體為液體水的情形中，因?yàn)椴糠謴母裟?nèi)部到外部的所述冷卻水的控制通道，其朝向一個或兩個相鄰燃料電池，確定一個或兩個反應(yīng)物的濕化，而且通過蒸發(fā)而對熱排出作貢獻(xiàn)，其方式與PCT/EP0306327中所述的類似。本發(fā)明因此展示出PCT/EP 03/01207和PCT/EP0306327中發(fā)明相同的優(yōu)點(diǎn)，然而，利用直接插置在燃料電池之間的集成的隔膜，其取代恒溫電池和要逐個組裝的相關(guān)元件，通過消除相關(guān)襯墊簡化水力密封系統(tǒng)，并極大地促進(jìn)組裝過程。
為了進(jìn)一步支持快速組裝，和在元件排列中的防錯，本發(fā)明的隔膜也可提供于集流器和/或襯墊的外部，焊接的或固定在陰極和陽極片中的一個或優(yōu)選地兩者上。以該方式，在最極端的情形中，電池堆的組裝將用最小可能數(shù)量的件實(shí)現(xiàn)，其中除了如本領(lǐng)域公知的那樣，包含活化的膜或膜-電極組件的電化學(xué)包裝，僅提供有集成集流器和襯墊的隔膜。某些優(yōu)選實(shí)施例將參考


，其僅為示例說明的目的，而不是為了構(gòu)成對本發(fā)明的限制。

圖1示出按照現(xiàn)有技術(shù)的燃料電池堆。
圖2示出本發(fā)明隔膜的兩個實(shí)施例。
圖3示出本發(fā)明隔膜的兩個其它實(shí)施例，包括集成的襯墊和集流器。
具體實(shí)施例方式
圖1中的燃料電池堆是按照本領(lǐng)域最廣泛的教導(dǎo)配置的，包括層壓的單燃料電池(100)的并列放置(juxtaposition)，由隔膜(1)以雙極片的形式定界，其封閉電化學(xué)包裝(2)，該電化學(xué)包裝包含在兩個面上用催化劑活化的離子交換膜，或通過離子交換膜/氣體擴(kuò)散電極組件，如本領(lǐng)域公知。電化學(xué)包裝(2)將電池分成2個室，陰極的和陽極的。隔膜(1)和電化學(xué)包裝(2)之間的電化學(xué)連續(xù)性通過插入適當(dāng)集流器(3)而得到保證，其在所示的情形中是網(wǎng)狀導(dǎo)電材料并用作氣體分配器。電池的水力密封是通過合適的襯墊(4)確保的，通常為平面襯墊。通過圖中未示出的合適的導(dǎo)管，如壓濾型模塊設(shè)計領(lǐng)域中公知的導(dǎo)管，每個電池(100)填有氣體反應(yīng)物，燃料和氧化劑，在各陽極和陰極室中。該類設(shè)計不提供集成的反應(yīng)物濕化裝置，濕化必須在外部執(zhí)行，同時熱調(diào)節(jié)通常是用沒有示出的彎曲件執(zhí)行的，其嵌入在用作隔膜(1)的片中?？商鎿Q地，恒溫電池也可以嵌入到燃料電池(100)中，其由同一隔膜(1)界定并通過液體冷卻劑內(nèi)部橫過，在該情形中，組件和水力密封顯然被額外的指定元件復(fù)雜化。
圖2示出本發(fā)明隔膜(1)兩個可能的實(shí)施例；在這兩個情形中，隔膜被片(5)界定，一個為陰極的一個為陽極的，通過由焊點(diǎn)(6，9)或其它形式冶金接合固定的皺褶元件(8)連接；在圖中左手側(cè)示出的情形中，皺褶元件(8)沿界定彎曲通道的表面連接陰極片和陰極片(5)，該彎曲通道可有利地被來自適當(dāng)?shù)倪B接線路供應(yīng)的冷卻流體橫過，該連接線路沒有示出。在圖中右手側(cè)所示的情形中，褶皺元件僅在隔膜(1)的外部，通常在電池活性區(qū)域的外部，同時在內(nèi)部兩個片(5)界定的凹槽內(nèi)有網(wǎng)狀元件(10)，來自沒有示出的適當(dāng)連接線路的冷卻流體橫過該網(wǎng)狀元件。在兩個所示實(shí)施例中，因此能夠?yàn)猷徑剂想姵氐臒嵴{(diào)節(jié)提供隔膜。而且，在兩種實(shí)施例中都有與隔膜(1)外圍區(qū)域相通的合適孔(7)，其可用來饋送來自氣體輸送管的氣體反應(yīng)物，該沒有示出的輸送管將所述外部區(qū)域連接到各鄰近燃料電池。相似地，有用于將反應(yīng)產(chǎn)品的廢物排放到外部排放管(其沒有示出)的相關(guān)孔(11)。以該方式，本發(fā)明的隔膜(1)執(zhí)行氣體分配到電池的功能，從而允許獲得緊湊的設(shè)計，該設(shè)計利用否則是死區(qū)的區(qū)域。圖1中隔膜(1)的構(gòu)成元件顯然沒有按比例示出；饋送孔(7)和排放孔(11)通常是，例如微細(xì)的，在圖中被放大以便更清楚地解釋它們的功能。
在右手側(cè)所示的情形中，隔膜(1)的內(nèi)部和外部的連接孔也包括校準(zhǔn)開口(7’)，其用于允許冷卻水向鄰近燃料電池的控制通道在該情形中，隔膜(1)也執(zhí)行濕化鄰近電池反應(yīng)物的功能；從所示電池中排出的熱被通過同一電池內(nèi)的開口(7’)的部分水蒸發(fā)而增加。
圖2中隔膜的不同特征以隨意的方式組合，且所示的不構(gòu)成本發(fā)明的限制；例如，用于饋送水的校準(zhǔn)開口(7’)已經(jīng)耦合到沿整個表面設(shè)置的皺褶元件(8)，如左側(cè)圖中的情形。
圖3示出兩個與圖2中實(shí)施例等價的實(shí)施例，其進(jìn)一步包括集成的燃料電池(100)的集流器(3)和襯墊(4)。以該方式，為實(shí)現(xiàn)壓濾結(jié)構(gòu)的要層壓的元件的量被減小到最小。集流器(3)可通過本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的點(diǎn)焊型焊接，軟焊或其它冶金接合集成到本發(fā)明的隔膜(1)。襯墊(4)可通過模制、膠粘或其它本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的系統(tǒng)集成。所示實(shí)施例不偏離本發(fā)明范圍的變化顯然是可能；例如集成的雙極隔膜(1)可包括集流器(3)而不包括襯墊(4)，反之亦然，或其一側(cè)或兩側(cè)也可以包括一個或兩個這些元件。
對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，顯然本發(fā)明所描述的實(shí)施例也可做出變化和修正。
因此，上面的描述不應(yīng)限制本發(fā)明，其可按照不同實(shí)施例采用，而不偏離本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的范圍明確地由權(quán)利要求限定。
在本申請權(quán)利要求中的描述中，術(shù)語“包括”與其變型“包含”和“由……構(gòu)成”不排除其它元件和額外的成分。
權(quán)利要求
1.用于燃料電池堆的雙極隔膜，其包括陰極片和陽極片，至少一個所述片提供有流體通道孔，其中通過至少一個皺褶導(dǎo)電元件所述片被焊接或冶金接合，并且所述片界定冷卻流體的通道部分。
2.如權(quán)利要求1所述的隔膜，其中所述流體通道孔是氣體饋送和/或排放孔，其被設(shè)置在所述至少一個片的一個或多個外圍區(qū)域。
3.如權(quán)利要求1或2所述的隔膜，其中所述流體通道孔包括校準(zhǔn)的開口以便饋送所述冷卻流體至所述燃料電池的流動。
4.如權(quán)利要求1到3中任一條所述的隔膜，其中所述至少一個皺褶導(dǎo)電元件總體上沿隔膜的整個表面的鄰接所述陰極片和陽極片，且所述冷卻流體通路部分包括由所述褶皺導(dǎo)電元件的表面界定的通道。
5.如權(quán)利要求1到3中任一條所述的隔膜，其中所述至少一個褶皺導(dǎo)電元件僅在所述隔膜的一個或多個外圍區(qū)域中鄰接所述陰極片和陽極片。
6.如權(quán)利要求5所述的隔膜，其中所述冷卻流體通路部分包括至少一個網(wǎng)狀元件，其插置在所述陰極片和所述陽極片之間。
7.如權(quán)利要求6所述的隔膜，其中所述至少一個網(wǎng)狀元件是導(dǎo)電的，且可選是金屬的。
8.如權(quán)利要求7所述的隔膜，其中所述至少一個導(dǎo)電網(wǎng)狀元件是從下面組中選擇的，該組包括金屬泡沫，金屬網(wǎng)，延展片和燒結(jié)的金屬材料。
9.如前面任一條權(quán)利要求所述的隔膜，其中所述陽極片和陰極片的至少一個包括密封襯墊，密封襯墊被固定到所述褶皺導(dǎo)電元件被焊接或冶金接合到其上的一側(cè)的相對側(cè)。
10.如前面任一條權(quán)利要求所述的隔膜，其中至少一個所述陽極片和陰極片包括集流器，包括集流器被固定到所述褶皺導(dǎo)電元件被焊接或冶金接合到其上的一側(cè)的相對側(cè)。
11.如權(quán)利要求10所述的隔膜，其中所述集流器是導(dǎo)電網(wǎng)狀元件，其是從由金屬泡沫，金屬網(wǎng)，延展片和燒結(jié)的金屬材料組成的組中選擇的。
12.一種燃料電池堆，包括至少一個前面任一權(quán)利要求所述的隔膜。
13.如權(quán)利要求12所述的電池堆，其包括至少一個與所述流體通路孔相通的饋送或排放導(dǎo)管。
14.一種燃料電池堆雙極隔膜，其基本如參考附圖描述的那樣。
全文摘要
本發(fā)明描述了其用于聚合物膜燃料電池堆的雙極隔膜，其由具有流體通路孔的兩片界定，該通路孔由褶皺元件連接并包括用于恒溫液體的通道部分，其允許實(shí)現(xiàn)熱從鄰近電池中排出并用單個集成片濕化和分配氣體，簡化組件和水力密封電池堆。
文檔編號H01M8/04GK1860633SQ200480028622
公開日2006年11月8日 申請日期2004年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月1日
發(fā)明者安東尼奧·托羅 申請人:紐韋拉燃料電池歐洲有限責(zé)任公司