用於燃料電池堆的雙極隔膜的製作方法

2023-05-27 03:06:51 1

專利名稱：用於燃料電池堆的雙極隔膜的製作方法
技術領域：
本發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構的疊組中的聚合物膜燃料電池。
背景技術：
本領域公知，燃料電池是將燃料和氧化劑反應的化學能轉化為電能的電化學發生器，其產生的副產物是水。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，材料穩定性方面，且特別在快速啟動和達到終態工作條件(final regime operating conditions)方面具有明顯的優勢。使這種技術工業擴散減慢的所有主要問題中，一個最重要的問題在於這樣一個事實，即由單個電池產生的能量形式是相對高強度的直流電流和非常有限的電壓(在任何情形中低於1V，且通常在0.5和0.8V之間)。源自動力學本質且過程固有的該特徵使得需要層壓一定數目的電池，按照壓濾型結構組裝成堆。為工業應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；這使得除了與構造公差和最終模塊密封關聯的表面問題外，而且組裝次數嚴重影響最終成本，每個電池由多個件組成，包括雙極板，襯墊，集流器和電化學元件，如電極和膜。
聚合物膜燃料電池構造複雜性是由使燃料氧化和氧化劑還原高效進行所要求的多種功能引起的。除了兩個反應地點的電極最優工作，電極還必須提供適當的催化，通常基於貴金屬，臨界因子由用作固體電介質的離子交換膜給出，且其必須用於輸運作為離子流的電流；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子必須在厚度方向上跨過膜並輸運到陰極側，這裡它們通過與氧化劑的反應而消耗，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，為了化學穩定性通常要全氟化，並帶有陰離子功能團，能夠鍵合質子，雖然鍵合程度足夠弱從而允許在反應物產生的電場作用下遷移。為了使該機理有效，換句話說，為了使膜離子導電性足夠，有必要保持膜在操作中高度水合。對於多數實際有意義的操作條件，氧與來自陽極側的質子反應在陰極產生的水不足以保證總是滿足水合條件；供應到電場的反應物氣流實際上傾向於持續蒸發，這需要彌補。保持適當的水平衡暗示電池精確的熱控制，這構成另一個沒有解決的問題。在實用中電功率發生的條件下，系統不可逆性實際上產生大量相關的熱，這必須有效地從電池中排出。
對於上面所述的原因，聚合物膜燃料電池必須提供有適當的裝置，以便溼化氣體反應物並用於排出生成的熱。這顯然與市場對于越來越緊湊系統需求相矛盾，這樣的系統特徵為快速且易於組裝。
然而，現有技術的第一膜電化學發生器由有稜紋石墨成分構成並進一步長時間加工，最近的技術方案給出使用減薄的金屬材料，其具有更有利的機械特徵。例如，它們按照美國專利5578388構造，將溼化的反應物供應到優選由金屬雙極板界定的電池堆陽極和陰極兩個室，並耦合到框形平面襯墊上，該襯墊適於放置適當的集流器，除了確保板自身和所謂電化學包裝的電氣連續性，其也用作分配腔室；後者包含離子交換膜-氣體擴散電極組件。集流器是金屬網狀元件，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或嵌入在金屬板內彎曲結構內其它溫度調節流體實現的；然而這要求使用相當厚重的板且成本昂貴，因為它們是通過精密的鑄模獲得的。可替換地，提出了在同一壓層內的燃料電池和恆溫電池(thermostatting cell)交替的電池堆結構，水或其它冷卻流體橫過燃料電池和恆溫電池，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，可採用非常薄的板從而實現適當減小結構的重量，這對於移動應用特別重要，例如專用於電動車輛運輸的燃料電池。另一方面，該解決方案在尺寸方面沒有顯著改進，因為板厚度減小被恆溫電池增加到壓濾結構而抵消。
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並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區域外分隔板上獲得的一系列的開口，利用恆溫電池外圍部分將氣體反應物分配至燃料電池中。
對於水冷電池，共同申請的國際申請PCT/EP03/06327中描述的更先進的設計，其通過適當的修正孔提供物質交換，而且也在冷卻區域內；換句話說，部分冷卻水被允許滲透到燃料電池的內部，原位執行氣體溼化，同時由於在燃料電池內部分蒸發而執行甚至更有效的冷卻。除了增強散熱效率，這也簡化了總體系統，允許沒有外部溼化單元；然而，從水壓密封的觀點看，兩個後來公開的實施例相當複雜。其中一個主要問題是在用許多層壓的元件製造壓濾結構中，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，其中某些特別關鍵，如氫氣。儘管襯墊設計和材料方面一致改進，最小化它們的數量以便增加相關系統的可靠性是很重要的。國際申請PCT/EP03/012107和PCT/EP03/06327中揭示的發現相反給出明顯的缺點，即一致量的氣-液和氣-氣密封，例如是美國專利US5578388的兩倍量。該類設計另一個固有的不足是由組裝複雜性產生的，其要求層壓相當數量的元件，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恆溫電池交替結構的任何設計。

發明內容
本發明的目的是提供燃料電池堆設計，其克服現有技術的局限性。
本發明的第二個目的是提供高效率的燃料電池堆設計，其包括最小量的層壓元件和對於給定量安裝電池的相對水壓密封。
本發明的進一步目的是為燃料電池提供集成的隔膜，同時實現冷卻液體的內部循環，氣體反應物分配到電池，並可選溼化後者或其中一種。
在第一個方面，本發明包含雙極隔膜，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，其中所述片通過導電皺褶元件焊接或冶金學接合的，以便界定冷卻流體通道部分。
在第二個方面，本發明包含由安置在壓濾結構中並由集成的導電元件分開的燃料電池堆，該導電元件在不同實施例中執行一個或多個功能，其中包括電池的熱調節，反應物的分布和溼度，而不求助於額外的恆溫單元。
本發明的隔膜由兩個導電片界定，其中至少一個提供有流體通道孔，在壓濾型雙極結構中分別適於用作陰極和陽極片。兩個導電片彼此焊接或通過中置的導電元件固定，其幾何結構為褶皺型，以便在優選實施例中確定用於恆溫流體(優選液體狀態的水)的通道的形成。本文中褶皺元件，傾向於是一種一般元件(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，即機械連接陽極和陰極片和確保它們之間的電連續性。褶皺的元件可僅提供於隔膜的外圍部分，例如相應於兩個相對側，或可沿整個片表面安置。在後者的情形中，褶皺導電元件有利地界定可用於冷卻流體循環的通道。在褶皺元件僅在隔膜外圍區域的情形中，通常在電池的活性區域外部，內部可有利地填充網狀材料，其適用於冷卻流體的循環。作為網狀材料，金屬泡沫或網，延展片(expanded sheet)，燒結多孔材料都可有利地相互組合或並置使用；然而，也可使用其它類型網狀材料而不偏離本發明的範圍。
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於為液體或氣體跨過，該穿孔是在相應片的主表面上獲得的，優選沿外圍區域安置，並與氣體饋送管相連；這樣的孔因此可用來供應氣體反應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選被用於排放廢反應物和反應產物。
在優選實施例中，流體通道孔優選為校準的開口形式，其在隔膜主表面的內部並與冷卻流體通道部分相連。該實施例中特別有利，特別是在冷卻流體為液體水的情形中，因為部分從隔膜內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物的溼化，而且通過蒸發而對熱排出作貢獻，其方式與PCT/EP0306327中所述的類似。本發明因此展示出PCT/EP 03/01207和PCT/EP0306327中發明相同的優點，然而，利用直接插置在燃料電池之間的集成的隔膜，其取代恆溫電池和要逐個組裝的相關元件，通過消除相關襯墊簡化水力密封系統，並極大地促進組裝過程。
為了進一步支持快速組裝，和在元件排列中的防錯，本發明的隔膜也可提供於集流器和/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量的件實現，其中除了如本領域公知的那樣，包含活化的膜或膜-電極組件的電化學包裝，僅提供有集成集流器和襯墊的隔膜。某些優選實施例將參考


，其僅為示例說明的目的，而不是為了構成對本發明的限制。

圖1示出按照現有技術的燃料電池堆。
圖2示出本發明隔膜的兩個實施例。
圖3示出本發明隔膜的兩個其它實施例，包括集成的襯墊和集流器。
具體實施例方式
圖1中的燃料電池堆是按照本領域最廣泛的教導配置的，包括層壓的單燃料電池(100)的並列放置(juxtaposition)，由隔膜(1)以雙極片的形式定界，其封閉電化學包裝(2)，該電化學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/氣體擴散電極組件，如本領域公知。電化學包裝(2)將電池分成2個室，陰極的和陽極的。隔膜(1)和電化學包裝(2)之間的電化學連續性通過插入適當集流器(3)而得到保證，其在所示的情形中是網狀導電材料並用作氣體分配器。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管，如壓濾型模塊設計領域中公知的導管，每個電池(100)填有氣體反應物，燃料和氧化劑，在各陽極和陰極室中。該類設計不提供集成的反應物溼化裝置，溼化必須在外部執行，同時熱調節通常是用沒有示出的彎曲件執行的，其嵌入在用作隔膜(1)的片中。可替換地，恆溫電池也可以嵌入到燃料電池(100)中，其由同一隔膜(1)界定並通過液體冷卻劑內部橫過，在該情形中，組件和水力密封顯然被額外的指定元件複雜化。
圖2示出本發明隔膜(1)兩個可能的實施例；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(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的連接線路供應的冷卻流體橫過，該連接線路沒有示出。在圖中右手側所示的情形中，褶皺元件僅在隔膜(1)的外部，通常在電池活性區域的外部，同時在內部兩個片(5)界定的凹槽內有網狀元件(10)，來自沒有示出的適當連接線路的冷卻流體橫過該網狀元件。在兩個所示實施例中，因此能夠為鄰近燃料電池的熱調節提供隔膜。而且，在兩種實施例中都有與隔膜(1)外圍區域相通的合適孔(7)，其可用來饋送來自氣體輸送管的氣體反應物，該沒有示出的輸送管將所述外部區域連接到各鄰近燃料電池。相似地，有用於將反應產品的廢物排放到外部排放管(其沒有示出)的相關孔(11)。以該方式，本發明的隔膜(1)執行氣體分配到電池的功能，從而允許獲得緊湊的設計，該設計利用否則是死區的區域。圖1中隔膜(1)的構成元件顯然沒有按比例示出；饋送孔(7)和排放孔(11)通常是，例如微細的，在圖中被放大以便更清楚地解釋它們的功能。
在右手側所示的情形中，隔膜(1)的內部和外部的連接孔也包括校準開口(7』)，其用於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)也執行溼化鄰近電池反應物的功能；從所示電池中排出的熱被通過同一電池內的開口(7』)的部分水蒸發而增加。
圖2中隔膜的不同特徵以隨意的方式組合，且所示的不構成本發明的限制；例如，用於饋送水的校準開口(7』)已經耦合到沿整個表面設置的皺褶元件(8)，如左側圖中的情形。
圖3示出兩個與圖2中實施例等價的實施例，其進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，為實現壓濾結構的要層壓的元件的量被減小到最小。集流器(3)可通過本領域技術人員公知的點焊型焊接，軟焊或其它冶金接合集成到本發明的隔膜(1)。襯墊(4)可通過模製、膠粘或其它本領域技術人員已知的系統集成。所示實施例不偏離本發明範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，或其一側或兩側也可以包括一個或兩個這些元件。
對於本領域技術人員來說，顯然本發明所描述的實施例也可做出變化和修正。
因此，上面的描述不應限制本發明，其可按照不同實施例採用，而不偏離本發明的範圍，本發明的範圍明確地由權利要求限定。
在本申請權利要求中的描述中，術語「包括」與其變型「包含」和「由……構成」不排除其它元件和額外的成分。
權利要求
1.用於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電元件所述片被焊接或冶金接合，並且所述片界定冷卻流體的通道部分。
2.如權利要求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，其被設置在所述至少一個片的一個或多個外圍區域。
3.如權利要求1或2所述的隔膜，其中所述流體通道孔包括校準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電元件的表面界定的通道。
5.如權利要求1到3中任一條所述的隔膜，其中所述至少一個褶皺導電元件僅在所述隔膜的一個或多個外圍區域中鄰接所述陰極片和陽極片。
6.如權利要求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狀元件，其插置在所述陰極片和所述陽極片之間。
7.如權利要求6所述的隔膜，其中所述至少一個網狀元件是導電的，且可選是金屬的。
8.如權利要求7所述的隔膜，其中所述至少一個導電網狀元件是從下面組中選擇的，該組包括金屬泡沫，金屬網，延展片和燒結的金屬材料。
9.如前面任一條權利要求所述的隔膜，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電元件被焊接或冶金接合到其上的一側的相對側。
10.如前面任一條權利要求所述的隔膜，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電元件被焊接或冶金接合到其上的一側的相對側。
11.如權利要求10所述的隔膜，其中所述集流器是導電網狀元件，其是從由金屬泡沫，金屬網，延展片和燒結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利要求所述的隔膜。
13.如權利要求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
本發明描述了其用於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並包括用於恆溫液體的通道部分，其允許實現熱從鄰近電池中排出並用單個集成片溼化和分配氣體，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 優先權日2003年10月1日
發明者安東尼奧·託羅 申請人:紐韋拉燃料電池歐洲有限責任公司