專利名稱：穿孔流量分配器板的制作方法
穿孔流量分配器板在許多技術(shù)應(yīng)用中，都存在在化學(xué)和工程裝置內(nèi)有效地傳輸和分配液體 和氣體混合物的需要。通常，熱交換器和化學(xué)反應(yīng)器的性能關(guān)鍵依賴于流經(jīng) 其的流體的分布。要特別關(guān)注的特例。在最基本的構(gòu)造中，燃料電池包括支撐在薄的質(zhì)子交換 膜的兩個(gè)相對表面上的一對電極，其中所得的膜電極組件插在一對集電器板 之間。燃料和氧化劑被從外界持續(xù)供給電池，并且燃料和氧化劑被允許分別 在陽極和陰極反應(yīng)，燃料通常為純氫或稀釋酒精，氧化劑可以為氧或空氣。 膜電極組件通常包括合適的催化表面，以加速還原和氧化反應(yīng)。在陽極釋放 的電子成為電源，而且在電極的氧化還原電壓下經(jīng)由外部電流導(dǎo)體而向陰極 移動(dòng)，以與過量的質(zhì)子和氧化劑反應(yīng)形成水。直接甲醇燃料電池的各化學(xué)反應(yīng)如下CH3OH + H20 — 6tT + C02 + 6e- (陽極反應(yīng)) 3/202 + 6HT + 6e- — 3H20 (陰極反應(yīng))對許多實(shí)際使用來說必須將多個(gè)單獨(dú)的電池串聯(lián)堆疊在一起。在由此所 得的設(shè)置中，在本領(lǐng)域中已知為"燃料電池堆體"，每一對相鄰電池的相對 荷電的電極被一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)電板所隔開。在所有該應(yīng)用中，術(shù)語"雙極板"、 "雙極單元，，和"雙極組件"可互換使用，以指明前述設(shè)置在燃料電池堆體 中的相鄰電池之間的一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)電板。用在燃料電池堆體中的雙極板理論上旨在起到幾個(gè)作用1)收集并傳 導(dǎo)電流；2)為反應(yīng)物和產(chǎn)物提供有效的流量場，即引導(dǎo)從外部源通過設(shè)置 在燃料電池堆體內(nèi)的合適的通道輸送到雙極板的反應(yīng)物，并使其與相鄰的電 極接觸，并允許在優(yōu)選的流動(dòng)區(qū)域以最小壓降有效地從其去除反應(yīng)產(chǎn)物；3) 機(jī)械支撐整個(gè)燃料電池堆體設(shè)置；4)允許有效率地傳熱；5)主要在涉及溫 度變化的操作過程中，有助于堆體的彈性(resiliency);以及6)提供體積小 重量輕的結(jié)構(gòu)。求。以下討論涉及各種包括多個(gè)在結(jié)構(gòu)上修改過的金屬片的組合，金屬片位 于燃料電池堆體中的相鄰電池之間。
US 4855193公布了一種燃料電池，其中導(dǎo)電屏(screen)置于分隔器片 和與電極表面接觸的防潮-友片之間。
US 6007933描述了結(jié)合其上限定有蛇形流動(dòng)通道的分隔器板的有孔金 屬片的使用。
燃料的系統(tǒng)，據(jù)此，有孔的第一板置于陽極和其上設(shè)置有凸起的第二板之間， 其中所述第二板面向陰極并與其由于所述凸起而電接觸。限定在所述第 一和 第二板之間的增壓空間(plenum)用于接收燃料，燃料通過前述孔到達(dá)陽極 表面。
US 6872482描述了一種燃料電池堆體，包括金屬片形式的片簧，能夠當(dāng) 置于負(fù)載下及移除所述負(fù)載時(shí)經(jīng)受彈性形變。片簧插在一對金屬板之間，金 屬板限定根據(jù)所述公布所公開的電池的分隔器。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種改進(jìn)的流量分配器，其尤其適于用作電化
要求改進(jìn)且受控的流量場、以及改進(jìn)的彈性和導(dǎo)電性的直流曱醇燃料電池堆 體和熱交換器中。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供流量分配器和基于其的雙極單元，易于且廉 價(jià)地生產(chǎn)并有效滿足上述的功能和結(jié)構(gòu)要求的組合。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供燃料電池或燃料電池堆體，其包括創(chuàng)新的流 量分配器和基于其的雙極單元。
在第一方面，本發(fā)明提供流量分配器板，其特別適用于電化學(xué)電池和熱 交換器中，其中所述板包括穿有多個(gè)孔徑的導(dǎo)電區(qū)，其中所述有孔區(qū)的一個(gè) 表面設(shè)置有在其上分布并從其延伸的導(dǎo)電的彈性可移置的擋板。
流量分配器板的其上設(shè)置有彈性可移置擋板的面稱作"粗糙面"，而與 其相對的面稱作"非粗糙面"。應(yīng)當(dāng)注意的是，擋板可以根據(jù)預(yù)訂圖案隨機(jī) 或有序地分布在流量分配器板的粗糙面上。
最優(yōu)選的是，前述彈性可移置擋板形式為金屬片(tab),其中每個(gè)所述 金屬片與流量分配器板的有孔區(qū)中的一個(gè)孔徑相關(guān)聯(lián)，所述片和與其相關(guān)聯(lián) 的所述孔徑具有共同的邊界。本發(fā)明的流量分配器板的該優(yōu)選實(shí)施例可以方便地通過將金屬板的平面彎曲成多個(gè)單獨(dú)的段來形成，以獲得多個(gè)孔徑，其 中所述段從所述板的 一個(gè)表面延伸而以分布在所述面上的金屬片的形式提 供多個(gè)擋板。構(gòu)成本發(fā)明的重要結(jié)構(gòu)特征的前述孔徑和擋板的優(yōu)選形狀、結(jié)構(gòu)和目的 在下文中更加詳細(xì)描述。應(yīng)當(dāng)注意的是，當(dāng)置于燃料電池內(nèi)時(shí)，本發(fā)明的流量分配器板實(shí)現(xiàn)額外 的功能，即收集和傳導(dǎo)電流。因此，以下術(shù)語"電流收集器流量分配器板" 用于表示旨在用于電化學(xué)電池中的本發(fā)明的特殊實(shí)施例。當(dāng)旨在用于電化學(xué) 電池特別是燃料電池堆體中時(shí)，電流收集器流量分配器板的有孔區(qū)最好被外 圍區(qū)圍繞，該外圍區(qū)由其中結(jié)合有開口的密封表面所限定。簡單地說，本發(fā) 明的電流收集器流量分配器板置于燃料電池內(nèi)，從而每個(gè)所述板的非粗糙面 與設(shè)置在所述電池的膜電極組件上的氣體擴(kuò)散層平行并緊密接觸，而所述電 流收集器流量分配器板的相對的粗糙面貼附于金屬分隔器片上或與金屬分 隔器片緊密接觸以在其間形成空間。操作中，由外部供給燃料電池中的反應(yīng) 物被輸送到限定在金屬分隔器片和貼附于其上的電流收集器流量分配器板 的粗糙面之間的空間。所述空間內(nèi)流體(即氣或液相的燃料或氧化劑、和/ 或例如水或二氧化碳的產(chǎn)物、以及諸如氮和水的非反應(yīng)材料)的流被設(shè)置在 其中的擋板所引導(dǎo)，通過直接接觸或更優(yōu)選通過插在其間的擴(kuò)散層，分配所 述流，從而使燃料和氧化劑分別與相鄰的陽極和陰極有效接觸，并且從其移 除產(chǎn)物?？梢岳斫獾氖牵瑥碾娏魇占髁髁糠峙淦靼宓谋砻嫜由斓膿醢逯辽?部分壓靠貼附的金屬分隔器片，從而就其導(dǎo)電和彈性特性而言，擋板有助于 燃料電池堆體的電流收集、流體流動(dòng)管理和可壓縮性。圖l是優(yōu)選的流量分配器板l的俯視圖，示出其非粗糙面并示出其主要 結(jié)構(gòu)特征。以下，流量分配器板將會(huì)被稱作術(shù)語"電流收集器流量分配器板"， 從而使得更易于理解和領(lǐng)會(huì)其在電化學(xué)電池內(nèi)由此實(shí)現(xiàn)的功能。然而，應(yīng)當(dāng) 注意的是，以下描述可以易于用來制備才艮據(jù)更普通的情況的流量分配器板， 即用在電化學(xué)電池以外的各種應(yīng)用中。電流收集器流量分配器板1被設(shè)置成正方形或矩形金屬片的形式，具有在0.05到5 mm之間的范圍內(nèi)的厚度。矩形金屬片的中心區(qū)2穿有多個(gè)孔徑 3,并且同心地位于所述片內(nèi)。典型地，中心區(qū)2的面積構(gòu)成電流收集器流 量分配器板1的總面積的大約百分之50到90，更優(yōu)選大約百分之75到85。本發(fā)明提供的電流收集器流量分配器板l可適于用在電化學(xué)電池中并更 優(yōu)選在燃料電池中，并且因此將所述電流收集器流量分配器板1的中心有孔 區(qū)2設(shè)計(jì)成幾何形狀和尺寸符合位于所述燃料電池內(nèi)的膜電極組件的活性區(qū)
(active area )。典型地，電流收集器流量分配器板1的中心有孔區(qū)2的面積 的范圍根據(jù)電池將產(chǎn)生的電流而可以從幾平方厘米到大約幾千平方厘米。在 實(shí)踐中，特別大的電流收集器流量分配器板的中心區(qū)可以細(xì)分，以形成每個(gè) 都穿有孔徑并具有在其一個(gè)面上分布著擋板的多個(gè)隔離區(qū)，所述隔離區(qū)優(yōu)選 具有范圍在5 x 5到50 x 50 cm的尺度。
根據(jù)

圖1所示的實(shí)施例，電流收集器流量分配器板1的中心區(qū)2及圍繞 其的外圍區(qū)4構(gòu)成由薄金屬片制成的整體結(jié)構(gòu)，其中的金屬最優(yōu)選選自由鐵、 銅、鋁、不銹鋼、鈦、鈮、鎳、鈷、鉻、鋯、鴒、鉬、鎂、錳、鉭及其合金 和混合物構(gòu)成的組?？蛇x地，板1可由導(dǎo)電或不導(dǎo)電的聚合物、陶資、碳、 石墨及其復(fù)合物制成。如果需要，板1可被涂覆以改善抗腐蝕性、改善表面 性能(即表面電導(dǎo)率)和流體疏性(即疏水性)。合適的涂覆材料包括貴金 屬(例如金、鉑)、金屬氧化物、導(dǎo)電陶瓷、導(dǎo)電聚合物、碳和石墨或其復(fù) 合物，或者任何上述金屬或金屬組合。
根據(jù)本發(fā)明的電流收集器流量分配器板的中心區(qū)穿有多個(gè)孔徑，從而孔 徑的組合面積構(gòu)成所述中心區(qū)的面積的大約15°/。到70%，更優(yōu)選大約25% 到50%。應(yīng)當(dāng)注意的是這里使用的術(shù)語"孔徑"包括由任何閉合的任意的曲 線或多邊形所限定的縫或孔?？讖降膸缀涡螤顑?yōu)選選自由圓形、三角形、正 方形、矩形、平行四邊形、梯形或其他n邊形(其中n是5到12之間的整 數(shù))、橢圓形和星形、以及上述形狀的段和其組合所組成的組。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中， 一個(gè)或多個(gè)孔徑具有中心對稱的幾何形狀。根據(jù) 特別優(yōu)選的實(shí)施例， 一個(gè)或多個(gè)孔徑的幾何形狀由以下有時(shí)稱作底(base) 的段(segment)所限定，^:的端點(diǎn)由多邊形線或曲線例如弧線連接。優(yōu)選 地，前述形狀是通過將中心對稱圖形諸如圓形、橢圓形和多邊形二等分而獲 得的圖形。這種特別類型的孔徑的優(yōu)勢將隨著后續(xù)描述而變得明顯。簡單地 說，由其端點(diǎn)由多邊形線或曲線連接的段所限制的電流收集器流量分配器板 的中心區(qū)內(nèi)的單獨(dú)的扇區(qū)(sector )，可以沿所述段彎曲到所述板的平面以外， 從而形成孔徑，同時(shí)在電流收集器流量分配器板的一個(gè)表面上以金屬片的形 式提供彈性可移置的擋板。例如，前述孔徑可以是等腰梯形的形狀，成對位于電流收集器流量分配器板的中心區(qū)內(nèi)，從而屬于同一對的梯形的底邊彼此 平行并分離。孔徑的尺度優(yōu)選為平均直徑在0.2 mm到12 mm的范圍內(nèi)而縫狀孔徑可 以具有長于12 mm的長度。最優(yōu)選為優(yōu)化孔徑的尺寸以改善面內(nèi)和穿過平 面的電導(dǎo)率以及電流收集器流量分配器金屬板的中心區(qū)和膜電極組件之間 的流體傳輸，該膜電極組件旨在在燃料電池內(nèi)與其接觸，而不降低板的機(jī)械 強(qiáng)度，這將在以下更加詳細(xì)解釋?？讖娇梢栽陔娏魇占髁髁糠峙淦靼宓闹行膮^(qū)內(nèi)隨機(jī)安置，也可以以預(yù) 定形式在其中有序設(shè)置，諸如由所述孔徑的行(row)所限定的陣列。然而， 優(yōu)選為孔徑在電流收集器流量分配器板的中心區(qū)內(nèi)按仔細(xì)考慮的布局來分 布，以控制流體的流量分配和電流的收集，這將在以下更加詳細(xì)討^r。圍繞有孔的中心區(qū)的矩形板的外圍區(qū)4由表面5提供，表面5用于密封 和支撐燃料電池堆體內(nèi)的電流收集器流量分配器板，這將在以下更加詳細(xì)討 論。在如圖所示的優(yōu)選實(shí)施例中，外圍區(qū)4包括兩對開口，分別由(6a、 7a) 和(6b、 7b)標(biāo)明，其中同一對的開口位于所述外圍區(qū)的相對側(cè)，從而使其 被中心區(qū)2分隔。根據(jù)如圖所示的實(shí)施例，設(shè)置在電流收集器流量分配器板 的外圍區(qū)內(nèi)的所有四個(gè)開口具有矩形形狀，屬于同 一對的開口具有相同的尺 度。然而，這些結(jié)構(gòu)特征不是必須的，開口 (6a、 7a)和(6b、 7b)可以具 有不同的幾何形狀和尺寸。隨著描述的進(jìn)行將會(huì)變得明顯的是，在燃料電池 堆體內(nèi)縱向延伸的用于將外部供給的反應(yīng)物輸送到電極活性區(qū)并將產(chǎn)物從 其移除的通道，是將所述燃料電池堆體的適當(dāng)部件貼附在一起而由這樣的開 口并置而形成的，所述構(gòu)件在它們的邊緣中包括對應(yīng)的開孔。優(yōu)選地，開口 (6a、 7a)和(6b、 7b )的組合面積構(gòu)成電流收集器流量分配器板1的總面 積的大約2%到20%。然而，應(yīng)當(dāng)注意的是，根據(jù)本發(fā)明的可選實(shí)施例，外 圍區(qū)4可以只包括一對開口 ，從而用使用所得的一對縱向通道來供給和移除 陽極材料。在這種情況中，其他外部供給反應(yīng)物(空氣)可以直接從大氣輸 送到多個(gè)陰極活性區(qū)的每一個(gè)中。如上所述，本發(fā)明特別優(yōu)選的電流收集器流量分配器板通過從其中心區(qū) 平面彎曲出多個(gè)單獨(dú)的扇區(qū)形成，以獲得幾何形狀和尺寸相應(yīng)于所述扇區(qū)的 多個(gè)孔徑，^吏得所述扇區(qū)從所述板的一個(gè)面延伸而以分布在所述面上的屬 片的形式提供多個(gè)擋板?，F(xiàn)在對于圖2a到2b來說明一種可能的制備工序。所得的電流收集器流量分配器板以及分布于其上的彈性可移置擋板的獨(dú)特
的結(jié)構(gòu)特;^正在圖3a、 3b、 4a和4b中示出。
圖2a和2b示出了可以適用于根據(jù)本發(fā)明的電流收集器流量分配器板的 有孔中心區(qū)的制備的兩種優(yōu)選圖形。該制備涉及，通過本領(lǐng)域中已知的技術(shù) 包括例如激光切割或濕法蝕刻，加工例如厚度為大約0.05到0.50 mm的薄 的不銹鋼片(SS302-FH )的金屬板的中心區(qū)，以生產(chǎn)寬度范圍為0.05到2 mm 的曲線3a或多邊形線3b形式的全深度切口 (fUll-depth incision),從而使所 述曲線或多邊形線與連接所述線的端點(diǎn)的假想的段一起來限定可以易于沿 所述段彎曲到金屬板的平面外的扇區(qū)。該扇區(qū)可以具有任何需要的幾何形 狀，當(dāng)然這取決于具體的曲線或多邊形線3a和3b。才艮據(jù)一個(gè)實(shí)施例，通過 二等分中心對稱的圖形獲得的扇區(qū)具有軸對稱的幾何形狀。這樣，如圖2a 所示，當(dāng)金屬板中制成的全深度切口具有曲線3a的形式時(shí)，所述曲線是對 應(yīng)于圓周的一部分的弧線，限定在所述弧線和連接所述弧線端點(diǎn)的假想的直 徑10之間的所得的扇區(qū)9具有半圓形狀。在圖2b中，限定在多邊形線3b 和連接所述線端點(diǎn)的假想的段11之間的扇區(qū)9是等腰梯形?？梢钥闯錾葏^(qū)9 優(yōu)選成對限定在電流收集器流量分配器板的中心區(qū)內(nèi)，從而使屬于同一對的 梯形扇區(qū)9的底邊11 ^f皮此平^亍并分離。
在金屬板的中心區(qū)上生產(chǎn)所需圖形的切口之后，該板置于合適的工作表 面上，成形以引入彎曲的擋板，從而使固體材料線(solidmaterialline)上的 彎曲層和多個(gè)扇區(qū)9均沿一個(gè)方向彎曲到金屬板的平面外，即相對于所述平 面向上或向下，隨后在所述金屬板的中心區(qū)穿孔形成多個(gè)孔徑，而每個(gè)幾何 形狀和尺寸對應(yīng)于所述扇區(qū)9的多個(gè)彈性可移置的金屬葉或片從所述金屬板 的一個(gè)面延伸。這樣，根據(jù)本發(fā)明的特別優(yōu)選實(shí)施例，分布在電流收集器流 量分配器金屬板的一個(gè)面上并從其延伸的擋板以彈性可移置金屬片的形式 設(shè)置，其已經(jīng)彎曲到所述板外。
圖3a和3b分別提供根據(jù)以上參照圖2a到2b描述的工序獲得的電流收 集器流量分配器板的粗糙面的俯視圖。粗糙面以分布于其上并從其延伸的彈 性可移置金屬片12的形式設(shè)置有多個(gè)擋板，其中每個(gè)所述金屬片與中心穿 孔區(qū)的孔徑之一 3關(guān)聯(lián)，并且其中所述片12和所述關(guān)聯(lián)的孔徑3具有共同 的邊界，而限定在包含孔徑3的平面和片12之間的二面角a典型地在5到 175度范圍內(nèi)，更優(yōu)選在10到60或120到170度范圍內(nèi)。根據(jù)圖3a和3b所示的實(shí)施例，擋板以及與其關(guān)聯(lián)的孔徑的幾何形狀和尺寸相對應(yīng)，盡管此 種對應(yīng)明顯不是必須的。
圖4a和4b分別提供顯示從金屬板1的平面延伸的彈性可移置金屬片12 的透視圖和側(cè)截面視圖。在圖中所示的具體實(shí)施例中，按照圖2b所示的工 序，金屬片12通過將其具有等腰梯形的幾何形狀單獨(dú)的扇區(qū)彎曲到金屬板1 的表面外而形成。如以上關(guān)于圖2b所述的，所述扇區(qū)優(yōu)選為成對排列在電 流收集器流量分配器板的中心區(qū)內(nèi)。因此，在所述扇區(qū)已經(jīng)彎曲到板的平面 外以后，所得的對應(yīng)于所述扇區(qū)的金屬片12也會(huì)成對分布在電流收集器流 量分配器板的中心區(qū)表面上，從而屬于同 一對的梯形片的長底邊彼此平行并 分離，并在每一對的兩個(gè)梯形片之間限定窄的通道13(在圖4b中尺度為q)。
梯形的高(a )、長底邊(b )和短底邊(c )都優(yōu)選在0.2到12 mm的范 圍內(nèi)。屬于同一對的梯形片的底邊之間的距離(d)典型地是大約1到25 mm。 如上所述，限定在金屬板1的平面和片12之間的二面角e典型地在5到175 度范圍內(nèi)，更優(yōu)選在20到60度或者120到170度范圍內(nèi)。由所述片12的 自由端(未連接到金屬板1的端)最高點(diǎn)和金屬板1的表面之間的距離限定 的片12的高(h)優(yōu)選在0.15到5mm的范圍內(nèi)。
如以上關(guān)于圖2a-2b、 3a-3b、 4a和4b所描述的從電流收集器流量分配 器板l的一個(gè)面延伸的多個(gè)彈性可移置金屬片12(該些金屬片彎曲到所述板 外)構(gòu)成本發(fā)明的重要特征。所述金屬片在電流收集器流量分配器板的表面 上的分布，結(jié)合其結(jié)構(gòu)和物理特性，尤其是它們的幾何形狀、空間取向、機(jī) 械強(qiáng)度和彈性特性，被設(shè)計(jì)以確保反應(yīng)物朝向電極的和在流體入口和出口之 間的有效流動(dòng)、改進(jìn)的整個(gè)燃料電池堆體的可壓縮性以及電池之間的優(yōu)化的 電導(dǎo)率。
彈性可移置金屬片12用于補(bǔ)償任何制造公差，以及引起其中放置該板 的燃料電池的原始尺度變化的組裝和搡作條件。此外，在化學(xué)反應(yīng)器或燃料 電池的情況中，片12抑制(backhold)由電流收集器流量分配器板加到氣體 擴(kuò)散層并通過其加到催化活性區(qū)和膜的所需的壓力；在熱交換器或凝結(jié)器 (coalescer)的情況中，片12抑制由電流收集器流量分配器板力。到其他板或 導(dǎo)流體之間的所需的壓力。彈性可移置片12的彈簧常數(shù)[k]定義為特定施加 的力引起的形變并由閃=撓曲(deflection)[微米]/力[kg]表達(dá)，彈簧常數(shù)[k] 受制造該片的材料和其可選的后處理(即硬化)、片的形狀和尺度及其形成方法的影響。彈性可移置片12設(shè)計(jì)成允許在特定的力作用下的所需撓曲。 這樣，彈性可移置片12具有未連接到電流收集器流量分配器板的自由端，
以允許所需撓曲。片12的撓曲通過片的高(h)的減小來測量，其中較高的
撓性聯(lián)系著在相同力作用下的較大的撓曲。優(yōu)選地，在目前使用的燃料電池
的情況中，在2到50kg/cn^更特別是5到25kg/cr^范圍內(nèi)的壓力會(huì)引起在 0.005到1 mm更特別是0.02到0.2 mm范圍內(nèi)的撓曲；在熱交換器和凝結(jié)器 的情況中，撓曲會(huì)更接近前述范圍的下限。
金屬片12在電流收集器流量分配器板中心區(qū)內(nèi)的分布及其相對所述板 的傾斜角，尤其依賴于片對于反應(yīng)物和產(chǎn)物的期望的流動(dòng)圖形的相對位置。 因此，例如，片在存在單相流動(dòng)的陽極入口附近的密度可以大于片在存在雙 相流體流動(dòng)并且氣泡需要較低致密的流動(dòng)增壓(flowplenum)的陽極出口附 近的密度。因此，根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，在電流收集器流量分配器的粗糙面上擋 板的分布以及可選的其尺寸和形狀是與位置相關(guān)的。
如果需要，可以在金屬片上施加一些孔洞，從而影響片的強(qiáng)度和彈性， 同時(shí)為流體向電極流動(dòng)的控制和設(shè)計(jì)貢獻(xiàn)另 一 自由度。
應(yīng)當(dāng)理解，上述制備方法僅為說明目的提供，該方法涉及在金屬板的中 心區(qū)內(nèi)形成多個(gè)全深度切口并隨后彎曲多個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)由切口和連接所 述切口端點(diǎn)的段限定。為了在金屬板1的一個(gè)面上提供多個(gè)金屬片12而在 所述金屬板1中心區(qū)的穿孔可以使用本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的以下金屬加工技 術(shù)中的一個(gè)或多個(gè)來有效完成切割(cutting )、鉆(drilling )、沖切 (punch-cutting )、沖(punching )、々蟲亥1] ( etching )、；敫光士刀割(laser cutting )、 成開j ( forming )、滾軋成形(roll forming )、壓花(embossing )、造型(shaping )、 磁造型(magnetic shaping )、橡膠體造型(rubber body shaping )、液壓造型(fluid pressure shaping )、嵌入(embedding )、模壓(die pressing )和鍛造(forging )。
出于說明目的在圖5a到5c中給出可以適合用于在根據(jù)本發(fā)明的電流收 集器流量分配器板的中心區(qū)穿孔的其他各種圖形實(shí)例?？梢钥闯鲞@些圖形用 于形成具有中心對稱幾何形狀的孔徑，諸如不同直徑的圓、橢圓、星，并結(jié) 合僅具有軸對稱的孔徑，諸如半圓和等腰梯形(未示出)。后者可以用上述 工序來生產(chǎn)，即，以弧形形成全深度切口并隨后將由所述弧和連接其端點(diǎn)的 段限定的扇區(qū)彎曲到電流收集器流量分配器板的平面以外。應(yīng)當(dāng)理解的是， 使用圖5a和5c所示的圖形可以提供電流收集器流量分配器板，該電流收集器流量分配器板的粗糙面上分布并從其延伸的金屬片的數(shù)量小于其有孔的 中心區(qū)中孔徑的數(shù)量。還應(yīng)當(dāng)注意的是，金屬片可以是光滑或者粗糙的，具 有一些可以對片的剛性或撓性有貢獻(xiàn)的面外延伸物，影響流體流動(dòng)并增大切
口對片面積(tab-area)的比率。
如上所述，本發(fā)明的電流收集器流量分配器板可以適合置于燃料電池 內(nèi)，從而所述板的非粗糙面與設(shè)置在所述電池的膜電極組件上的氣體擴(kuò)散層 平行并緊密接觸，而所述電流收集器流量分配器板的相對的粗糙面面向?qū)щ?的分隔器片以在其間形成空間，其中所述空間包含設(shè)置于所述電流收集器的 粗糙表面上的擋板，所述空間旨在用于容納外部供給的反應(yīng)物并借助所述擋 板將其分配，以允許與相鄰電極表面區(qū)域的有效接觸。隨著描述的進(jìn)行將會(huì) 變得明顯的是，為了增大電流收集器流量分配器板和貼附于其的金屬分隔器 片之間的距離，在其間設(shè)置適當(dāng)?shù)母綦x元件，從而為反應(yīng)物提供有效的流動(dòng) 空間。隔離元件可以以獨(dú)立的適當(dāng)"^殳計(jì)的片形式設(shè)置，或者，可選地形成金 屬分隔器或電流收集器流量分配器板的整體部分。還應(yīng)當(dāng)理解的是，當(dāng)組裝 形成雙極單元時(shí)，電流收集器流量分配器板和插在其間的分隔器分別適于設(shè) 置成通過所述板外圍的開口 ，允許將燃料和氧化劑引入到陽極和陰極空間、 以及從其移除反應(yīng)產(chǎn)物。
這樣，根據(jù)一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，本發(fā)明提供雙極組件，其包括第一電流收 集器流量分配器板和第二電流收集器流量分配器板，其中每個(gè)所述板具有穿 有多個(gè)孔徑的導(dǎo)電區(qū)，其中所述區(qū)的一個(gè)面設(shè)置有分布于其上并從其延伸的 彈性可移置的導(dǎo)電擋板，并且其中所述穿孔區(qū)被由其中具有至少一對開口的 密封表面限定的外圍區(qū)所圍繞，其中同 一對的開口位于所述外圍區(qū)的相對 側(cè)，從而被所述穿孔區(qū)分隔，其中所述板彼此平行放置并分離，其上分布有 擋板的面彼此面對；以及
導(dǎo)電分隔器插在所述電流收集器流量分配器板對之間，所述分隔器的幾 何形狀和尺寸與所述電流收集器流量分配器板的形狀和尺寸相同，所述分隔 器在其邊緣具有至少一對開口，所述開口就位置、幾何形狀和尺寸而言與位 于所述電流收集器流量分配器板的外圍區(qū)中的開口基本對準(zhǔn)；
其中所述電流收集器流量分配器板和插在其間的分隔器貼附在一起并 且優(yōu)選在周圍密封以限定兩個(gè)獨(dú)立的內(nèi)部空間，其中第 一空間由第 一電流收 集器流量分配器板的粗糙面和分隔器界定，而第二空間由所述第二電流收集器流量分配器板的粗糙面和分隔器界定，并且其中位于所述電流收集器流量 分配器板對的外圍區(qū)中的開口和所述分隔器邊緣中的開口鄰接設(shè)置，以形成 至少一對垂直通過所述雙極組件而延伸的連續(xù)通道，從而同一對的通道位于 所述雙極組件的相對側(cè)，其中每對垂直延伸的通道都能夠與所述第 一空間或 所述第二空間的流體相通。以下附圖示出將電流收集器流量分配器板、分隔器片和各種隔離元件組 裝到一起的各種模式。應(yīng)當(dāng)注意，兩個(gè)電流收集器流量分配器板不一定完全 相同，而可以在例如尺寸、幾何形狀和其上擋4^的分布方面相互不同。在圖6a所示的實(shí)施例中，雙極板包括一對如上所述的矩形電流收集器 流量分配器板。因此，第一電流收集器流量分配器金屬板1A和第二電流收 集器流量分配器金屬板1B都具有穿有多個(gè)孔徑的中心區(qū)2，其中所述中心 區(qū)的一個(gè)面設(shè)置有分布于其上并從其延伸的擋斧反12 ( 1A的粗糙面和1B的 非粗糙面在圖中未示出)。每個(gè)電流收集器流量分配器板的中心區(qū)被外圍區(qū) 圍繞，外圍區(qū)由密封表面'4限定，密封表面4中具有第一對矩形開口 6a、 7a 和第二對矩形開口 6b、 7b，其中同一對的開口位于所述外圍區(qū)的相對側(cè)從而 被所述中心區(qū)分隔。開口 6a和7a分別用作陽極反應(yīng)物的入口和出口 ，而開 口 6b、 7b對陰極用作類似功能。雙極組件進(jìn)一步包括分隔器21，其最優(yōu)選為由例如厚度為大約0.05到3 mm的不銹鋼(SS316)制成的金屬片?？蛇x地，分隔器可以由導(dǎo)電或不導(dǎo) 電材料(例如選自由kyna,、 Teflon⑧、聚丙烯、maylay 、聚乙烯構(gòu)成的組) 制成，其中在后一種情況中可以附加改進(jìn)電導(dǎo)率的方法。所述分隔器的幾何 形狀和尺寸與電流收集器流量分配器金屬板1A、 1B的形狀和尺寸基本相同。 分隔器21在其邊緣包括第一對開口 (標(biāo)為22a、 23a)和第二對開口 (22b、 23b)，所述開口的位置、幾何形狀和尺寸分別與位于電流收集器流量分配器 金屬板外圍區(qū)中的開口 (6a、 7a)和(6b、 7b)相同。除了電流收集器流量分配器金屬板對1A、 1B和分隔器片21以外，雙 極板組件進(jìn)一步包括一對金屬隔離器24A和24B，其每一個(gè)的幾何形狀和尺 寸都與電流收集器流量分配器金屬板1A、 1B和分隔器21的形狀和尺寸基 本相同。這樣，根據(jù)圖6a所示的實(shí)施例，導(dǎo)電隔離器24A和2斗B以基本為 矩形的形狀提供。典型地，厚度在0.05到5 mm范圍內(nèi)的金屬例如SS316被 用于制造該隔離器。每個(gè)隔離器24A、 24B的形式都是平面框架25A、 25B,從而連續(xù)開口 區(qū)26A、 26B分別被所述框架所界定。在隔離器24A中，開口區(qū)26A的幾何形狀、位置和尺寸與通過將電流 收集器流量分配器金屬板1A的中心區(qū)2、位于所述金屬板的外圍區(qū)的第一 對開口 6a、 7a以及分隔所述中心區(qū)和所述開口的部分組合在一起而獲得的 區(qū)域相同。隔離器24A的框架25A穿有一對孔洞27b、 28b,孔洞27b、 28b 的位置、幾何形狀和尺寸與位于所述第一金屬板1A的外圍區(qū)中的第二對開 口 6b、 7b—致。在第二隔離器24B中，開口區(qū)域26B的幾何形狀、位置和尺寸與通過 將電流收集器流量分配器金屬板1B的中心區(qū)2、位于所述金屬板的外圍區(qū) 的第二對開口 6b、 7b以及設(shè)置在中心區(qū)和所述開口之間的部分組合在一起 而所得的區(qū)域相同。隔離器24B的框架25B穿有一對孔洞27a、 28a,孔洞 27a、 28a的位置、幾何形狀和尺寸與位于所述第一金屬板1B的外圍區(qū)中的 第一對開口 6a、 7a—致。圖6b示出如何將前述金屬板和片1A、 24A、 21、 24B、 1B組裝在一起 以提供雙極單元。電流收集器流量分配器金屬板IA、隔離器24A、分隔器 21、隔離器24B和電流收集器流量分配器金屬板1B順序平行設(shè)置，從而使分配器金屬板1A、 1B的其上分布有擋板的表面分別面向所述隔離器24A、 24B，其中分隔器21插在所述隔離器之間。結(jié)果，在雙極單元內(nèi)形成兩個(gè)獨(dú) 立的內(nèi)部空間，其中第一空間由第一電流收集器流量分配器金屬板1A的粗 糙面和分隔器21界定，而第二空間由電流收集器流量分配器金屬板1B的粗 糙面和所述分隔器21界定?？梢岳斫?，在將前述元件以上述方式固定在一 起時(shí)還形成在雙極單元內(nèi)垂直延伸的兩對通道，而這是通過并置位于所述金 屬板1A、 1B的外圍區(qū)中的開口 (6a、 6b、 7a、 7b )、位于所述分隔器21的 邊緣中的開口22a、 22b、 23a、 23b以及位于隔離器24A和24B中的孔27a、 27b和28a、 28b。同一對的通道位于該雙極組件的相對側(cè)，其中一對通道連 接到第 一 空間而另 一對通道連接到第二空間。雙極組件在其周圍需要避免燃料電池堆體操作過程中流體泄露之處密 封?？梢允褂酶鞣N密封技術(shù)，包括，例如配合壓制(fit-pressing )、折疊(folding and overlapping )、鉚接(riveting )、焊接(welding)(電弧焊、鴒極電弧惰性氣體保護(hù)焊/金屬焊絲惰性氣體保護(hù)焊、激光焊、摩擦焊、壓縮焊、真空焊、磁焊等)、錫焊(soldering )、釬焊(brazing )、融合(fosion)，使用平坦或成 形截面的墊片(即o環(huán))、粘合劑、粘膠、干或非干的密封劑，預(yù)制或原位(in-situ)或異位(ex-situ)施加。密封工序目的是避免內(nèi)部和外部泄露，而 優(yōu)選改進(jìn)雙極側(cè)(陽極和陰極電流收集器)之間的電接觸。例如，在圖6b 所示的實(shí)施例中，將會(huì)密封的區(qū)域是隔離元件24A和24B的兩個(gè)面。有效 密封區(qū)域自然地取決于用于密封的技術(shù)。例如，激光焊要求僅在非常有限的 寬度有效(即小于1 mm),而液體密封則可施加到隔離器的整個(gè)表面。可以理解，圖6a和6b所示的雙極單元的生產(chǎn)涉及五個(gè)單獨(dú)的金屬片(兩 個(gè)電流收集器流量分配器板、 一個(gè)金屬分隔器和兩個(gè)隔離器)的加工及其后 續(xù)組裝。這給出了用于制備隔離器而使用任何需要的厚度的金屬片的優(yōu)點(diǎn)。 然而，在旨在使用厚度都相同的電流收集器流量分配器板、分隔器和兩個(gè)隔 離器的情況下，可以發(fā)現(xiàn)圖6c所示的制備工序尤其有用。圖6c是細(xì)分成標(biāo) 記為42、 43、 44、 45和46的五個(gè)相同尺度的矩形扇區(qū)的矩形金屬片41的 俯視圖。矩形金屬片41典型地由不銹鋼制成，其厚度在0.05到5.0 mm的 范圍內(nèi)。通過前述技術(shù)加工金屬片41以在每個(gè)部分42-46上限定所需圖形。 這樣，部分42和46被加工以提供本發(fā)明的電流收集器流量分配器板，部分 43和45 ^皮加工以給出相應(yīng)于圖6a的元件24A、 24B的隔離片，而中間部分 44被加工以提供相應(yīng)于圖6a的標(biāo)號21的分隔器片。矩形金屬片41在分隔前述部分的邊界線47被進(jìn)一步加工，例如通過在 所述邊界線中形成成列的小孔，從而所述部分可以易于沿所述線折疊，以形 成圖6b中所述的雙極板單元。圖7a提供包括作為其整體部分的隔離元件的金屬分隔器的俯視圖。分 隔器71形式為矩形金屬板，厚度在0.2到5.0mm范圍內(nèi)。該板的外圍范圍 穿有兩對開口 (72a、 73a和72b、 73b)從而屬于同一對的開口位于該板的 相對側(cè)。該板在其兩個(gè)相對面的每個(gè)上分別設(shè)置有被所述板的區(qū)75圍繞的 凹陷的中心區(qū)74a和74b，區(qū)75相對于所述凹陷區(qū)被抬高，其中限定在分隔 器板的第一面的第一凹陷的中心區(qū)74a被抬高的區(qū)75a圍繞并與第一對開口(72a、 73a)連續(xù)而通過所述抬高的區(qū)75a的一部分與第二對開口 (72b、 73b)分隔，而限定在分隔器板的第二面的(因此圖7a中未示出)第二凹陷 的中心區(qū)74b被抬高的區(qū)75b圍繞并與第二對開口 (72b、 73b)連續(xù)并通過所述抬高的區(qū)75b的一部分與第一對開口 (72a、 73a)分隔。從提供分隔器 71的截面視圖的圖7c中可以看出，構(gòu)成中心凹陷區(qū)的金屬表面的厚度為總 厚度的大約百分之5到40。如上所述，在操作中，分隔器71將會(huì)插在兩個(gè)根據(jù)本發(fā)明的電流收集 器流量分配器板之間，從而位于外圍的開口將會(huì)用于將外部供給的反應(yīng)物輸 送到限定在所述分隔器和附于其的電流收集器流量分配器板之間的空間中， 并從其中移除產(chǎn)物。因此，在圖7b所示的本發(fā)明特別優(yōu)選的實(shí)施例中，靠 近入口和出口開口對(72a、 73a)的凹陷的中心區(qū)74a的邊界區(qū)域設(shè)置有多 個(gè)流動(dòng)引導(dǎo)和/或轉(zhuǎn)向元件76，其中所述元件的優(yōu)選形式為在其間限定溝道 的分隔開的窄堤(在圖7b所示的具體實(shí)施例中平行設(shè)置)，其能夠?qū)⑼ㄟ^入 口開口 72a進(jìn)入的流體引導(dǎo)成流到凹陷的中心區(qū)74a的面上。任選地，為了 增加反應(yīng)物的流量分布的均一性，確保其足量將到達(dá)電極的整個(gè)活性區(qū)，如 標(biāo)號77所示， 一個(gè)或多個(gè)前述窄i是76可以從邊界區(qū)向凹陷的中心區(qū)74a的 各個(gè)區(qū)域延伸。可以從圖7b中看出，可以在凹陷的中心區(qū)的兩個(gè)面上以提 升的凸起或凹槽(raised boss or dimple) 78的形式提供其他可能的突起 (protrusion ),其可以適當(dāng)設(shè)計(jì)以改進(jìn)分隔器板的機(jī)械或電性質(zhì)。如上所述，引入分隔器板的凹陷區(qū)中(即，窄堤和提升的凸起或凹槽) 的前述結(jié)構(gòu)修改旨在改進(jìn)限定在分隔器和固定到其相對面的兩個(gè)電流收集 器流量分配器板之間的空間內(nèi)的反應(yīng)物的流動(dòng)性，另外還用作局部支撐和/ 或傳導(dǎo)元件，例如用于支撐位于電化學(xué)電池的相對側(cè)的墊片。分隔器板71可以通過加工厚度在上述范圍內(nèi)的金屬片而方便的制備， 該加工可以使用蝕刻技術(shù)，具體是光蝕刻工序，以根據(jù)依照上述結(jié)構(gòu)要求的 預(yù)定設(shè)計(jì)而從其去除不需要的部分，這將在下面的實(shí)例中更加詳細(xì)描述。圖8提供雙極板組件的分解視圖，該雙極板組件包括一對具有作為其整 體部分的隔離元件的電流收集器流量分配器板1和插在其間的分隔器片21。 電流收集器流量分配器板的結(jié)構(gòu)特征(形狀、尺度、其上分布有擋板的中心 區(qū)的特征以及外圍開口的各自位置)與關(guān)于圖1到5中示出的基本實(shí)施例所 描述的類似。然而，根據(jù)圖8b的截面圖中所示的實(shí)施例，在其中心區(qū)上分 布有擋板的電流收集器流量分配器板80a的粗糙面進(jìn)一步包括作為整體隔離 裝置的一個(gè)或多個(gè)提升區(qū)。提升區(qū)優(yōu)選在電流收集器流量分配器板的粗糙面 中產(chǎn)生相應(yīng)的凹陷之后通過本領(lǐng)域中熟知的方法形成。如圖8a和8b所示，提升區(qū)81設(shè)置在板的粗糙面的邊緣上，從而在周圍圍繞中心區(qū)2和兩對開 口 (6a、 7a、 6b、 7b)，而由82標(biāo)記的所述提升區(qū)的部分在所述粗糙表面上 延伸以使中心區(qū)2與第一對外圍開口 (6a、 7a)連續(xù)并與第二對開口 ( 6b、 7b)分隔開。所述"R升區(qū)的高度和寬度分別在0.05到5mm和0.3到3的范 圍內(nèi)?？拷c所述中心區(qū)2連續(xù)的入口和出口開口對(6a、 7a)的中心區(qū)2 的邊界區(qū)域設(shè)置有多個(gè)流動(dòng)引導(dǎo)和/或轉(zhuǎn)向元件85 (圖8b中示出)，其優(yōu)選 形式為在其間限定溝道的窄堤。應(yīng)當(dāng)注意的是，當(dāng)設(shè)置以形成雙極板時(shí)，該 兩個(gè)電流收集器流量分配器板簡單地平行放置而其粗糙面彼此相對并在其 間插入分隔器，得到密封的雙極單元。圖9a、 9b和9c進(jìn)一步示出幾個(gè)使用以上討論的電流收集器流量分配器 板以形成雙極板的優(yōu)選模式。圖9a、 9b和9c示出的可選實(shí)施例涉及細(xì)分成 相同尺度的三個(gè)矩形扇區(qū)的單個(gè)的矩形金屬片86的使用，所述三個(gè)矩形扇 區(qū)由87、 88和89標(biāo)記。通過前述4支術(shù)來加工金屬片86以在部分87-89的 每一個(gè)上定義所需圖形。這樣，根據(jù)圖9a，加工側(cè)面部分87和89以提供圖 8a所示的電流收集器流量分配器板，而加工中間部分88以提供對應(yīng)圖8a和 8b的標(biāo)號21的分隔器片。矩形金屬片86在分隔前述部分的邊界線被進(jìn)一步 加工，這例如通過在所述邊界線中形成成列的小孔，從而所述部分可以容易 地沿所述線折疊，以形成雙極板單元。可能容易理解，電流收集器流量分配 器部分87和89的其上設(shè)置有擋板和堤狀區(qū)的粗糙表面需要設(shè)置在如圖9a 所示的金屬片86的相對面上。根據(jù)圖9c所示的可選實(shí)施例，加工矩形金屬 片86以使其兩個(gè)相鄰部分(標(biāo)為87和89 )提供電流收集器流量場板而第三 部分88被用作分隔器。金屬片86可以容易地沿所述部分的邊界線折疊，從 而孑吏部分88 "夾"在部分87和89之間。圖10是包括本發(fā)明的新電流收集器流量分配器板的電化學(xué)電池堆體的 一部分的分解透視圖。圖中示出端板(end plate)組件91和92內(nèi)的單個(gè)電 池堆體，其中典型的用于固定該堆體的拉緊螺栓標(biāo)為94。圖中所示的具體實(shí) 施例中的電池堆體特別適合直接液體(direct liquid)(即曱醇)的具體應(yīng)用， 其中氧化劑流體也通過由堆疊上述開口 6a和7a而構(gòu)成的管而被驅(qū)動(dòng)。通常， 燃料電池堆體包括端板組件和串聯(lián)的多個(gè)單元電池。出于簡化的目的，圖中 示出一個(gè)單元電池，設(shè)置在端板組件91和92之間。單元電池包含由離子導(dǎo) 電聚合物電解質(zhì)膜提供的膜電極組件93 (MEA)，其典型地由具有支撐在其相對面上的陽極催化層和陰極催化層的離子交換樹脂(諸如全氟磺酸聚合物)制成，并且氣體擴(kuò)散層施加到各所述電極層上。膜電極組件(MEA)93 可以購買到。這樣，對于直接曱醇燃料電池(DMFC)來說，適合使用基于 Nafion 117 (由E. I. DuPont DeNemours & Co,制造的D-GABAA )的3層 MEA，在其一個(gè)面上的碳催化層上設(shè)置有Pt,而在相對面上的碳上設(shè)置有 Pt和Ru。在陽極和陰極表面的碳顆粒的表面上，可以精細(xì)劃分的顆粒的形 式施加其他的金屬催化劑。氣體擴(kuò)散層優(yōu)選以由碳或石墨紙、碳或石墨非編 織片或布制成的片的形式提供。商業(yè)可用的實(shí)例包括SGL制造的GDL 31 BA 或者GDL31 BC。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，金屬分隔器片21插在第一電流收集器流量 分配器板1A和第二電流收集器流量分配器板1B之間，每個(gè)所述第一和第 二板都具有穿有多個(gè)孔徑的導(dǎo)電中心區(qū)，所述中心區(qū)的幾何形狀和尺寸與和 其接觸的所述氣體擴(kuò)散層的形狀和尺寸基本相同。如上所述，所述第一和第 二電流收集器流量分配器板各自的一個(gè)面在其中心區(qū)設(shè)置有分布于其上并 從其延伸的導(dǎo)電的彈性可移置擋板，其中其上具有擋板的所述第一和第二電 流收集器流量分配器板的所述面固定到所述金屬分隔器片21的兩個(gè)相對表 面，從而形成界定在所述第一電流收集器流量分配器板1A和所述分隔器之 間的第一空間、以及界定在所述第二電流收集器流量分配器板1B和所述分 隔器之間的第二空間，所述第一和第二空間分別連接到設(shè)置在所述燃料電池 堆體內(nèi)以輸送燃料和氧化劑的通道。在圖10中，包括兩個(gè)電流收集器流量 分配器板和插在其間的分隔器的雙極組件由BPP標(biāo)明。才艮據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，細(xì)線網(wǎng)(fme wiremesh)置于電流收集器流 量分配器板1A (和/或1B )及相鄰的氣體擴(kuò)散層之間。就這一點(diǎn)來說，線直 徑(wire diameter)為0.009英寸，每線性英寸18網(wǎng)孔并且開放面積為大約 70%的不銹鋼線網(wǎng)特別有用。應(yīng)當(dāng)注意的是，前述線網(wǎng)的開放面積足夠大， 而線的直徑足夠小，以使所述網(wǎng)可以基本嵌入與其接觸的碳片，從而改進(jìn)氣 體擴(kuò)散層的機(jī)械強(qiáng)度和導(dǎo)電性。在圖IO所示的具體設(shè)計(jì)中，大和小的開口分別用作供給(feed)陰極和 陽極流體的頭(header)?？諝鈴纳蟼?cè)(32b)被引入陰極頭，允許冷凝的副 產(chǎn)物諸如水沿過量空氣的方向朝下出口 (32a)流下。在其他頭上，曱醇的 水溶液(濃度為1到35% (v/v))被回收，從底部進(jìn)入(33a)，填充堆體內(nèi)可達(dá)到的開放空間，最后從上頭(33b)向優(yōu)選形式為管(未示出)的收集 容器流出，其中堆體內(nèi)可達(dá)到的開放空間包括設(shè)置在金屬分隔器和陽極電流收集器流量分配器板之間的間隙以及曱醇側(cè)擴(kuò)散層的大部分微孔(pore ),隨 后處理所述溶液以從其去除二氧化碳，并隨后回收到供給箱(feedtank)(未 示出)中。離開堆體的空氣也^L處理、冷卻、凝結(jié)、沖洗(wash)、洗滌(scrub) 等，以回收盡量多的水和其他可凝結(jié)(condensable)材料到甲醇供給箱，并 為了在主要用于系統(tǒng)的熱量和質(zhì)量平衡的條件下將貧氧空氣去除到大氣中。 應(yīng)當(dāng)指出，在零到單位數(shù)的milibar值范圍內(nèi)(取決于流體流量)的兩個(gè)入 口 ( inlet feed )處的很低壓力就足夠促使流體從入口頭，經(jīng)過設(shè)置在雙極組 件內(nèi)(在分隔器板和電流收集器流量分配器板之間)的增壓空間(plenum), 流向出口頭。從所述增壓空間，流體通過電流收集器流量分配器板的穿孔區(qū) 流向擴(kuò)散層，被擋板引導(dǎo)，并從其流到催化層和膜。進(jìn)一步連接相同頭的端 板入口和出口可以通過一個(gè)或任意個(gè)標(biāo)準(zhǔn)連接器諸如螺紋式(threaded )、壓 縮式(compressed )、焊接式(welded )、膠合式(glued)連接器來完成，或 者不用任何連接器而直接連接到導(dǎo)管(tubing)或直接在端板內(nèi)連向其選定 目標(biāo)(addressed target )。當(dāng)用在熱交換器或凝結(jié)器中時(shí)，由本發(fā)明提供的流量分配器板改進(jìn)流體 湍流(turbulence)而不增大與高速流動(dòng)有聯(lián)系的壓降，否則可能需要該高速 流動(dòng)以在熱交換器和/或凝結(jié)器中實(shí)現(xiàn)所需流動(dòng)圖形。另外，本發(fā)明的彈性流 量分配器板將需要的可控的力施加到相鄰板，從而有益于放置其的熱交換器 和/或凝結(jié)器的機(jī)械性質(zhì)。在附圖中圖1是根據(jù)本發(fā)明的電流收集器流量分配器板非粗糙面的俯視圖。圖2a和2b示出用于本發(fā)明的電流收集器流量分配器板的穿孔區(qū)的設(shè)計(jì) 和制備中的可能圖形。圖3a和3b分別提供本發(fā)明的電流收集器流量分配器板的粗糙面的兩個(gè) 不同實(shí)施例的側(cè)面抬高試圖和俯視圖。圖4a和4b分別提供根據(jù)本發(fā)明的從電流收集器流量分配器板延伸的單 個(gè)擋板的透視圖和側(cè)向截面視圖。圖5a到5c示出本發(fā)明的電流收集器流量分配器板的穿孔區(qū)的可能圖形。圖6a到6c示出根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選五層雙極板的結(jié)構(gòu)。圖7a、 7b和7c分別提供適合與本發(fā)明的電流收集器流量分配器板結(jié)合使用的分隔器片的俯視圖和截面視圖。圖8a和8b分別示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的三層雙極板的分解視圖和截面視圖。圖9a、 9b分別提供根據(jù)本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的三層雙極組件的俯視 圖和截面^L圖，圖9c示出了制備三層雙極組件的一種可選方法。圖10是根據(jù)本發(fā)明設(shè)置堆疊的板以形成燃料電池堆體的透視圖，其示 出與所述電池有聯(lián)系的反應(yīng)物/產(chǎn)物流動(dòng)方向。實(shí)例實(shí)例1包括五個(gè)金屬板/片的雙極板組件的制備a) 電流收集器流量分配器板的制備厚度為0.15 mm的兩個(gè)不銹鋼片(SS302-FH，可購買)被濕法蝕刻以形 成如圖1所示的兩對外圍矩形入口和出口流動(dòng)開口 ，以及根據(jù)圖2b所示圖 形的板的中心區(qū)中的全深度切口。中心區(qū)的尺度是長度-90mm,寬度-63 mm，其中全深度切口的數(shù)量為924。孔徑的形成是通過應(yīng)用彎折工具 (bending tool),使得梯形片按設(shè)計(jì)的角度(20-60度)彎曲，計(jì)算地以力壓 (force-press) GDM到14 kg/cm2并為該些片設(shè)置離基片金屬的0.45到0.85 mm的尖端3巨離。b) 分隔器板的制備使用厚度為0.15mm的不銹鋼片(SS316)。外圍流體入口和出口開口基 于圖6a所示的設(shè)計(jì)被激光切割。板的總體尺度是長135 mm寬74 mm, 38 x 12和20 x 10 mm的外部流體供給開口距離板的長邊的外側(cè)邊為6 mm， 并且都排列成距離板的短邊為18 mm。c) 隔離片的制備厚度為0.50mm的金屬(SS316)按照圖6a中設(shè)計(jì)的形狀被切割。制造 兩個(gè)隔離片， 一個(gè)用于雙極板的陽極側(cè)而一個(gè)用于陰極側(cè)。隔離片的總體尺 度以及流體頭的尺寸與上述的相等。第 一和第二隔離片的中心開放區(qū)域分別 與第一和第二對流體供給頭連續(xù)，并與另一對分隔開，這可以很容易地從圖 6a看出(分別為24A和24B)。d) 密封墊片的制備為了避免泄露，在每個(gè)金屬片接觸之間引入墊片框架。墊片框架由Myla,制成且厚度為0.05 mm。框架通過特別設(shè)計(jì)的沖切機(jī)(punch-cutter) 而被切割，沖切機(jī)置于原料頂上，原料在壓力機(jī)(press)中的塑料片頂上， 從而允許被壓在壓力機(jī)的兩個(gè)底板(bed-plate)之間，直到被切割成預(yù)先設(shè) 計(jì)的形狀。墊片的總體尺度和流體開口的尺寸與上述隔離片 一致。e) 雙極板組件根據(jù)以下順序，以上所有層被一層一層地組裝以制造仔細(xì)對準(zhǔn)的雙極板1. 電流收集器流量分配器板A2. 密封墊片3. 隔離器A4. 密封墊片5. 分隔器6. 密封墊片7. 隔離器B8. 密封墊片9. 電流收集器流量分配器板B 實(shí)例2包括三個(gè)金屬板/片的雙極板組件的制備a) 分隔器板(如圖7所示的"池狀"分隔器)的制備1.5 mm厚的316SS板(參看實(shí)例l(b)的總體特征)的兩個(gè)面都被濕法 蝕刻以形成池狀凹陷中心區(qū)和兩對外圍流體入口和出口開口。在每個(gè)面上， 如圖7所示(標(biāo)號76),在一對開口和中心區(qū)之間的邊界區(qū)中的"微堤"也 是通過濕法蝕刻加工而制成。凹陷區(qū)的尺度是在板的兩側(cè)L-90 mm; W -63 mm; D - 0.50 mm,而外部供給開口具有實(shí)例1描述的相同的各自位置 和尺度。在板的兩個(gè)面上各制成9到18個(gè)"微堤"，每個(gè)"微堤"為大約l 到1.3mm寬，4mm長。形成在每對相鄰"微堤"之間的溝道的寬度為大約 0.7到1 mm。b) 電流收集器流量分配器片的制備是根據(jù)與以上實(shí)例1的(a)部分所 描述的相同的工序，而墊片是按照該同一實(shí)例的(d)部分中的描述制造的。C)雙4及纟反組件根據(jù)以下順序，實(shí)例2的所有層被一層一層地組裝以制造一個(gè)雙極板1. 電流收集器流量分配器片A2. 密封墊片3. 池狀分隔器4. 密封墊片5. 電流收集器流量分配器片B 實(shí)例3包括三個(gè)焊接金屬板/片的雙極板組件的制備 a)雙極^反組件如以上實(shí)例2所述的由池狀分隔器和兩個(gè)電流收集器流量分配器片構(gòu)成 的一套三個(gè)金屬層被焊接在一起，從而制造雙極板。焊接消除了對于墊片和 /或密封的任何需求，并進(jìn)一步減小電池板內(nèi)的內(nèi)部電阻。焊接在旨在放置墊片的地方中進(jìn)行。在調(diào)節(jié)足夠的熔深(penetration) 以確保良好的密封而不切透板之后，焊接過程通過激光YAG機(jī)進(jìn)行。當(dāng)電 流收集器流量分配器壓到兩個(gè)板之間時(shí)，焊接通過電流收集器流量分配器進(jìn) 行。雙極板的組裝順序是1. 電流收集器流量分配器片A2. 池狀分隔器3. 電流收集器流量分配器片B4. 將兩個(gè)電流收集器流量分配器片焊接到池狀分隔器上， 一側(cè)一片，確 保板的外圍密封以及活性區(qū)和每側(cè)的非相關(guān)(nonrelevant)外部流體流動(dòng)開 口之間連接的密封(即將空氣開口與陽極流量分配器隔離，并將曱醇開口與 陰極活性區(qū)流量分配器隔離)。實(shí)例4包括從一個(gè)片折疊的三個(gè)金屬板的雙極板組件的制備 a)雙極纟反組件以下描述三金屬層的雙極板，其中兩個(gè)電流收集器流量分配器板和分隔 器都由單個(gè)的金屬片制成。因此，此情況中的電流收集器流量分配器板和分 隔器由相同的不銹鋼類型制成，并具有相同的厚度。電流收集器流量分配器的非光滑面，即其上具有擋板的面，被構(gòu)造在相對側(cè)，以使得能夠正確地折疊(參看圖9a)。通過成形(forming)對于電流 收集器流量分配器部分添加堤，以提供所需凹陷區(qū)域。大約2.5 mm寬且大 約0.40到0.80 mm高的該些堤形成在片上，面向擋板的相同側(cè)。分隔器是 平坦的，且該三片與沿著折疊線沖壓的一系列的槽(0.5 mm寬)連接，以 便于折疊操作。使用該形式使電流收集器流量分配器片能夠折疊為其粗糙側(cè) 面向分隔器。該折疊的三層隨后被焊接并在子殼體(sub-case)中甚至濕法 密封(loctaite 510)或干法密封(Acheson, Elec加dag EB-005 )以制造雙 極板。在此情況中，板的重量低，流量分配器的限定的臺(tái)階厚度(step thickness )形成在薄片金屬上而不是如實(shí)例2中的1.5 mm板上。成形和切割 是通過對模(die )的兩部分之間的片金屬步進(jìn)沖壓(progressive stamping) 來進(jìn)行的，預(yù)先形成為一套工具。 雙極板的組裝順序是1. 向中間層即分隔器折疊兩個(gè)電流收集器流量分配器部分。2. 如以上實(shí)例3所描述的將折疊的片焊接在一起，或可選地通過在分隔 器的兩個(gè)相對面上刷涂(brushing) /噴涂(spraying)粘合劑/密封劑，使用 掩模(maskingtemplate),并對其固定該兩個(gè)電流收集器流量分配器板。尺度和其他結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)與以上實(shí)例1所描述的相似。 實(shí)例5燃料電池堆體組件和操作 a)膜電極組件的制備通過沖切工具(punch-cutter-tool)將三層MEA (已知為催化涂覆膜或 "CCM，，，可從DuPontTM購買(基于Nafion 117的材料代碼D-GABAA)) 切割到需要的尺度和結(jié)構(gòu)。同樣根據(jù)所需形狀和尺寸通過沖切工具來切割由碳紙(SGL的型號31bc 和31da， 90x 63 mm，分別對于陽極和陰極側(cè))制成的氣體擴(kuò)散層。隨后通過熱壓兩片預(yù)切的氣體擴(kuò)散介質(zhì)(GDM)而制備五層MEA,預(yù) 切的片對準(zhǔn)以裝配到兩個(gè)密封框架(以上描述的"e")中間， 一個(gè)設(shè)置在壓 力^/L的兩個(gè)底板中間的預(yù)切的三層MEA的每一側(cè)(140°C,在800psi下5分鐘)。三層MEA、氣體擴(kuò)散介質(zhì)和框架的預(yù)切割是通過使用沖壓機(jī)(punch)來進(jìn)行的，根據(jù)圖制備(madeto drawing),其中外部設(shè)計(jì)滿足板設(shè)計(jì)，且催 化區(qū)居中以與流量分配器重疊。對于膜來說，使用切割工具以允許膜從活性 區(qū)延伸，與框架密封一起在組件中的每個(gè)電池的陽極和陰極側(cè)之間形成膜屏 蔽(membrane-barrier )。在某些情況中，允許GDM 乂人活性區(qū)通過連接器向 外部流體流動(dòng)供給孔(頭)延伸，以幫助支撐堆體部分，并保持其形狀以及 保持連接器對所需流體開放而對其他流體保持密封。b) 燃料電池堆體的制備4吏用以上MEA和與以上實(shí)例不同的雙才及板來組裝多個(gè)電池堆體。制造 標(biāo)引(indexing)工具以利于操作，通過該工具將不同部分按照如下順序一 個(gè)疊于另一個(gè)的頂部第一端板、(和設(shè)置于其上的墊片)、MEA、可選地設(shè) 置雙極板和相同數(shù)量的MEA、另一墊片、最后是第二端板。整個(gè)堆體被拉 緊雙頭螺栓(tightening stud bolt) (4聚乙烯套筒涂覆(sleeve-coated)鋼， M6,通過塑料套筒和接觸隔離盤而與端板組件隔離)壓縮，直到實(shí)現(xiàn)限定 的間隔(即每個(gè)MEA 0.450-0.750 mm，取決于GDM和墊片框架厚度)。c) 燃料電池堆體纟喿作燃料電池堆體操作如下。8(TC的曱醇水溶液(1M)使用可調(diào)節(jié)流動(dòng)蠕 動(dòng)泵(peristaltic pump)通過堆體陽極而被循環(huán)，并且環(huán)境氣體從頂側(cè)通過 端板組件流入堆體中，端板組件將空氣導(dǎo)入陰極。流體流動(dòng)被設(shè)置成按照操 作電流并計(jì)算大約2-8次陽極和陰極側(cè)的化學(xué)計(jì)量流，當(dāng)在14安培操作時(shí)， 曱醇溶液大約4-12cc/min，和每個(gè)電池0.5-1.5 lpm。堆體維持在80°C ，在兩 個(gè)端板組件都使用控溫的熱墊(heatpad),以補(bǔ)償對大氣的熱損耗。作為可 變負(fù)載，使用重載可變電阻以及電負(fù)載，并且電流和電壓，以及其他操作條 件被計(jì)算機(jī)控制板記錄和控制。
權(quán)利要求
1、一種流量分配器板，包括穿有多個(gè)孔徑的導(dǎo)電區(qū)，其中所述穿孔區(qū)的一個(gè)面設(shè)置有分布于其上并從其延伸的導(dǎo)電的彈性可移置擋板。
2、 如權(quán)利要求1所述的流量分配器板，其中所述擋板為金屬片形式，每一個(gè)所述金屬片與所述流量分配器板的穿孔區(qū)中的一個(gè)所述孔徑關(guān)聯(lián)，其 中所述片和與其關(guān)聯(lián)的所述孔徑具有共同的邊界。
3、 如權(quán)利要求2所述的流量分配器板，通過將多個(gè)單獨(dú)的扇區(qū)彎曲到 金屬板的平面以外形成，以獲得多個(gè)孔徑，其中使得所述扇區(qū)從所述板的一 個(gè)面延伸以提供形式為分布在所述面上的彈性可移置金屬片的多個(gè)擋板。
4、 如權(quán)利要求1到3中任一項(xiàng)所述的流量分配器板，其中一個(gè)或多個(gè) 所述彈性可移置擋板具有未連接到所述板的自由端，從而施加到所述板上的 在2到50kg/cm、范圍內(nèi)的壓力引起范圍為0.005至!J lmm的撓曲，所述撓曲 通過所述自由端和所述板的面之間的距離的減小來測量。
5、 如權(quán)利要求2所述的流量分配器板，其中所述金屬片和與其關(guān)聯(lián)的 所述孔徑具有由段所限定的幾何形狀，段的端點(diǎn)由多邊形線或曲線連接，其 中所述金屬片和與其關(guān)聯(lián)的所述孔徑的幾何形狀可以相同或不同。
6、 如權(quán)利要求5所述的流量分配器板，其中所述擋板和與其關(guān)聯(lián)的所 述孔徑的幾何形狀是通過將選自由圓、橢圓和多邊形構(gòu)成的組的中心對稱圖 形劃分而獲得的獨(dú)立的形狀。
7、 如權(quán)利要求1到6中任一項(xiàng)所述的流量分配器板，其中孔徑的數(shù)量 大于擋板的數(shù)量。
8、 如權(quán)利要求7所述的流量分配器板，包括具有由中心對稱形狀所限 定的幾何形狀的一個(gè)或多個(gè)孔徑。
9、 如權(quán)利要求1到8中任一項(xiàng)所述的流量分配器板，其中所述板的穿 孔區(qū)是被由其中引入至少 一對開口的密封表面所限定的外圍區(qū)圍繞的中心 區(qū)，其中相同對的開口位于所述外圍區(qū)的相對側(cè)。
10、 如權(quán)利要求9所述的流量分配器板，其中所述板的在其中心區(qū)分布 有所述擋板的所述粗糙面還包括在其上的一個(gè)或多個(gè)提升區(qū)，所述提升區(qū)能 夠用作集成的隔離器裝置。
11、 如權(quán)利要求10所述的流量分配器板，包括在其中在外圍引入的至少兩對開口 ，其中所述提升區(qū)在所述板的粗糙面中的相應(yīng)凹陷的產(chǎn)生之后形 成，所述提升區(qū)設(shè)置在所述板的粗糙面的邊緣，從而在周圍圍繞所述中心區(qū) 和所述兩對開口 ，而部分的所述#是升區(qū)在所述粗糙表面上延伸以<吏所述中心 區(qū)與所述第 一對外圍開口連續(xù)并與所述第二對開口分隔開。
12、 如權(quán)利要求11所述的流量分配器板，其中所述中心區(qū)的邊界區(qū)靠 近與所述中心區(qū)連續(xù)的所述開口對，所述邊界區(qū)在其上設(shè)置有多個(gè)流動(dòng)引導(dǎo) 和/或4t向元^牛。
13、 如權(quán)利要求9所述的流量分配器板，其中第一開口附近的所述擋板 的密度與第二開口附近的所述擋板的密度不同，其中所述第 一和第二開口屬 于同一對開口。
14、 一種用在電化學(xué)電池中的單極組件，其包括如權(quán)利要求1到13中 任一項(xiàng)所述的流量分配器板以及對其固定的分隔器片。
15、 一種用在電化學(xué)電池中的單極組件，其包括如權(quán)利要求1到13中 任一項(xiàng)所述的第一流量分配器板和第二流量分配器板，其中所述板彼此平行 并分離放置，其上面分布有所述擋板的表面彼此面對，并在所述流量分配器 板對之間插入導(dǎo)電的分隔器。
16、 如權(quán)利要求15所述的單極組件，還包括一個(gè)或多個(gè)金屬隔離器片， 置于所述導(dǎo)電分隔器和每個(gè)所述流量分配器4反之間。
17、 如權(quán)利要求15所述的單才及組件，其中所述導(dǎo)電分隔器包括作為其 一體部分的隔離元件。
18、 如權(quán)利要求17所述的單極組件，其中所述分隔器形式為穿有至少 兩對外圍開口的金屬板，從而屬于同 一對的入口和出口流體開口位于所述板 的相對側(cè)，其中所述板在其兩個(gè)相對面的每一個(gè)上都設(shè)置有凹陷的中心區(qū)， 所述中心區(qū)被所述金屬板的抬高區(qū)所圍繞，其中限定在所述分隔器板的第一 面上的第 一凹陷的中心區(qū)與所述第 一對開口連續(xù)并通過部分的所述抬高區(qū) 而與所述第二對開口分隔開，而限定在所述分隔器板的第二面上的第二凹陷 的中心區(qū)與所述第二對開口連續(xù)并通過部分的所述抬高區(qū)而與所述第 一對 開口分隔開。
19、 如權(quán)利要求18所述的單極組件，其中所述凹陷中心區(qū)的邊界區(qū)靠 近與所述凹陷的中心區(qū)連續(xù)的所述入口和出口流體開口對，且"i殳置有多個(gè)流 動(dòng)引導(dǎo)和/或轉(zhuǎn)向元件，其中一個(gè)或多個(gè)所述元件選擇性地延伸到所述凹陷的中心區(qū)中。
20、 如權(quán)利要求19所述的單極組件，其中所述分隔器和所述流量分配器板由折疊的單個(gè)金屬片制成以形成所述單極組件。
21、 一種導(dǎo)電分隔器板，包括作為其一體部分的隔離元件，所述分隔器 形式為穿有至少兩對外圍開口的金屬板，從而屬于同一對的開口位于所述板 的相對側(cè)，其中所述板在其兩個(gè)相對面上設(shè)置有凹陷的中心區(qū)，所述中心區(qū) 被所述金屬板的抬高區(qū)所圍繞，其中限定在所述分隔器板的第 一面上的第一 凹陷的中心區(qū)與所述第一對開口連續(xù)并通過部分的所述抬高區(qū)而與所述第 二對開口分隔開，而限定在所述分隔器板的第二面上的第二凹陷的中心區(qū)與 所述第二對開口連續(xù)并通過部分的所述抬高區(qū)而與所述第一對開口分隔開。
22、 一種電化學(xué)電池，包括權(quán)利要求1所述的流量分配器板。
23、 一種燃料電池堆體，包括權(quán)利要求1所述的流量分配器板。
24、 如權(quán)利要求23所述的燃料電池堆體，包括端板組件和多個(gè)置于其 間的燃料電池，其中每個(gè)電池包括由離子導(dǎo)電聚合物電解質(zhì)膜提供的膜電極 組件，所述離子導(dǎo)電聚合物電解質(zhì)膜具有支撐在其相對面的陽極催化層和陰 極催化層，以及施加到每個(gè)所述電極層的氣體擴(kuò)散層，其中所述燃料電池堆 體包括一個(gè)或多個(gè)分隔相鄰電池的雙極組件，其中至少 一個(gè)所述雙才及組件包 括分隔器片，所述分隔器片插在第一流量分配器板和第二流量分配器板之 間，所述第一和第二流量分配器板各自具有穿有多個(gè)孔徑的導(dǎo)電中心區(qū)，所 述中心區(qū)的幾何形狀和尺寸和與其接觸的氣體擴(kuò)散層的形狀和尺寸基本相 同，其中所述第一和第二流量分配器板中每一個(gè)的一個(gè)面在其中心區(qū)設(shè)置有 分布于其上并從其延伸的導(dǎo)電的彈性可移置擋板，其中其上具有擋板的所述 第一和第二流量分配器板的粗糙面固定到所述分隔器片的所述兩個(gè)相對表 面，以形成界定在所述第 一流量分配器板和所述分隔器之間的第 一空間以及 界定在所述第二流量分配器板和所述分隔器之間的第二空間，所述第一和第 二空間連接到設(shè)置在所述燃料電池堆體內(nèi)的通道以分別輸送燃料和氧化劑。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種流量分配器板，其包括穿有多個(gè)孔徑(3)的導(dǎo)電區(qū)，其中所述穿孔區(qū)的一個(gè)面設(shè)置有分布于其上并從其延伸的導(dǎo)電的彈性可移置擋板(12)。還提供雙極單元，其包括該流量分配器板，特別用在燃料電池中。
文檔編號H01M8/02GK101405903SQ200780010352
公開日2009年4月8日 申請日期2007年2月4日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月5日
發(fā)明者蘭·貝納亞赫, 拉米·諾克, 梅納切姆·吉文, 沙哈·莫澤斯, 阿里爾·羅森伯格 申請人:金屬技術(shù)有限公司