用于生产流体流场板的方法技术

本文公开一种用于制造流体流场板的方法。该方法包括切割穿过导电片以产生用于片中流体的至少一个开口；以及压花该片以在其中产生用于流体的至少一个开口的至少一个支撑部。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术总体涉及电化学燃料电池，并且更具体地涉及一种用于制造具有复杂流场几何形状的流体流场板(fluidflowfieldplate)的方法。
技术介绍
由于聚合物电解质膜或质子交换膜(PEM)燃料电池系统相对低的操作温度以及功率和能量密度两者的良好平衡，所以聚合物电解质膜或质子交换膜(PEM)燃料电池系统具有内在的益处和广泛的应用。PEM电池的活性部分是夹在阳极和阴极层之间的膜。含氢燃料通过阳极，并且氧气(空气)通过阴极。反应物通过电解质(膜)彼此间接反应而在阴极和阳极之间产生电压。PEM电池的典型电势能够在0.5-0.9伏特的范围内，其中电池电压越高，电化学效率越高。在低的电池电压下，电流密度较高，然而对于一组给定的操作条件，最终存在功率密度的峰值。电化学反应还产生作为必须从燃料电池中提取的副产物的热和水，尽管提取的热可以在废热发电模式中使用，并且产物水可以用于膜的加湿、电池冷却或分散到环境。通过堆叠、以电串联结构互连单个电池来组合多个电池。由燃料电池堆产生的电压实际上是单个电池电压的总和。存在以并联或组合串联-并联连接来使用多个电池的设计。流体流场板被插入电池之间以将一个电池的阳极反应物与下一个电池的阴极反应物分离。这些板通常是基于石墨或金属(具有或不具有涂层)。为了在不混合的情况下向阳极提供氢并向阴极提供氧，需要流体分布和密封系统。目前在燃料电池工业中的主要设计是使用具有机械加工、模制或其它方式压印的流场的流体流场板。优选的流场板必须满足一系列要求：非常好的导电性和导热性、气密性、耐腐蚀性、低重量和低成本。流体流场板设计确保良好的流体分布以及产物水和生成热的去除。歧管设计对于在每个隔板/流场板之间均匀地分布流体也是关键的。为了增加燃料电池堆的功率密度(减小重量和体积)以及为了降低材料和组装成本，存在持续不断的努力以创新。在燃料电池系统(燃料电池堆和平衡装置(balanceofplant))中，燃料电池堆是燃料电池系统的重量和成本的主要部件，并且流体流场板是燃料电池堆的主要部件(重量和体积)。流体流场板是确定燃料电池的重量和体积功率密度的重要因素，通常占燃料电池堆重量的40％至70％以及几乎全部体积。因此，对于部件开发者，挑战是在保持高性能操作的期望性质的同时，减小流体流场板的重量、尺寸和成本。由于流体流场板操作的挑战性环境，因此必须仔细选择流体流场板的材料。通常，它必须具有一组特定的性质，并结合以下特征：-高导电性，特别是在穿过平面的方向上-具有气体扩散层(GDL)的低接触电阻-高导热性，不仅在平面中而且穿过平面-良好的热稳定性，限制由于温度变化引起的膨胀和收缩-良好的机械强度和抗开裂性-能够保持良好的流场特征容差等-流体抗渗性，以防止反应物和冷却剂泄漏，特别是对于气态氢的情况-耐腐蚀性-抗离子浸出，以免污染膜电极组件(MEA)-薄而且轻-低成本和易于制造-可回收-对环境有益已经使用许多不同的方法来制造流体流场板，包括例如华盛顿(Washington)等人的于1994年4月5日提交的专利号为5,300,370的美国专利“电化学燃料电池的层压流体流场组件(LaminatedFluidFlowFieldAssemblyforElectrochemicalFuelCells)”。这个专利描述了一种包括隔板层和模板层的层压流体流场组件，其中在操作中，协作隔板层和模板层以形成用于传导加压流体的开放面通道。虽然这个专利即是用于不连续流场结构，但是它也涉及连续流场设计。然而，这个方法具有许多重要的缺点，其主要集中在模板层的制造上。当在模板层中形成流动通道时，材料从流场板中被去除，并且因此剩余的通道平台部(landing)不被支撑。事实上，由于模板层板的平台部将任意地移动，因此使得模板层非常难以处理和定位。进一步地，为了确保每个通道的流体流动分布精确的恰当的流动通道宽度所需的公差不能被保持，特别是对于连续流场设计。提供的另一个示例是威尔金森(Wilkinson)等人的于1996年3月28日提交的专利号为5,521,018的美国专利“用于电化学燃料电池的压花流体流场板(EmbossedFluidFlowFieldPlateforElectrochemicalFuelCell)”。这个专利即描述了一种压花流体流场板，其包括两片可压缩的导电材料，其中每片具有两个相对的主表面，其中至少一个主表面具有压花表面，该压花表面具有流体入口和至少一个在其中压花的开口面通道。金属片被插入在每个可压缩片之间。虽然该专利主要集中于压花流体流场板，但是其提供了冷却剂流场板的示例，其中单个冷却剂流动通道被模切并且密封剂通道被压花。在去除材料以形成流动通道时，因为通道的外周被有效地支撑，所以具有连接流体入口和流体出口的单个通道确实是有利的，如在这种情况下。据此，通道具有复杂的蛇形几何形状，并且即使其被支撑在外周周围，但是由于在板内平台部不被支撑，因此使得在制造后的处理和定位是不切实际的。斯皮尔(Spear)等人于1997年11月4日提交的专利号为5,683,828的美国专利“金属小片燃料电池生产和操作方法(MetalPlateletFuelCellsProductionandOperationMethods)”描述了包括堆叠的隔板/膜电极组件电池的燃料电池堆，其中隔板包括一系列具有其中单独构造的蛇形微通道反应气体加湿、有效面积和冷却场的堆叠的薄片小片(platelet)。虽然这个专利概述了一种制造金属小片的方法，该金属小片包括通过维持恰当的流动通道间隔的装置支撑的复杂的蛇形流动几何形状，从而在没有流动通道平台部偏移的情况下允许该小片在制造后被容易地处理，但是用于制造这些流动通道支撑部的方法是深度蚀刻，其是相对昂贵的制造方法，并且不适合于大批量的生产。因此，需要一种用于制造具有复杂流体流场几何形状的流体流场板的改进方法。
技术实现思路
我们已经设计了一种用于生产具有复杂流场几何形状的轻质流体流场板的低成本方法。该方法包括切割穿过柔性石墨片，同时压花(emboss)流体流场通道支撑部，并且然后精加工切割片。与上述示例不同，我们的方法生产易于处理的具有复杂流场几何形状的实用流体流场板。它仅需要模切流动通道和歧管，同时压花通道支撑部，并且然后通过压制来精加工部件。我们的方法在一个步骤中切割所有流动通道/歧管并压花通道支撑部，并且“精加工”步骤不需要仔细的部件对准。更进一步地，我们的方法每个部件只需要一个模具。因此，提供了一种用于生产具有复杂流场几何形状的流体流场板的方法，该方法包括：-切割穿过导电片以在其中形成用于流体的至少一个开口；以及-压花该片以在其中形成用于流体的至少一个开口的至少一个支撑部。如上所述的方法进一步包括：-通过将切割/压花的片压在两个刚性平板之间来精加工切割/压花的片。在一个示例中，刚性平板各包括不粘涂层。如上所述的方法进一步包括：-通过将切割/压花的片压在两个平行辊之间来精加工切割/压花的片。在一个示例中，平行辊各包括不粘涂层。在另一个示例中，使用具有至少一个叶片的模具执行切割步骤。模具具有两个叶片。模具是规则模具、柔性模具或固体雕刻模具。模具的两个叶片并排设置。在另一个示例中，使用具有至少一个压花特本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于生产流体流场板的方法，所述方法包括：切割穿过导电片以在其中形成用于流体的至少一个开口；以及压花所述片以在其中形成用于流体的所述至少一个开口的至少一个支撑部。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.07.08 CA 2,856,228;2014.04.29 US 14/264,5331.一种用于生产流体流场板的方法，所述方法包括：切割穿过导电片以在其中形成用于流体的至少一个开口；以及压花所述片以在其中形成用于流体的所述至少一个开口的至少一个支撑部。2.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括：通过将切割/压花的片压在两个刚性平板之间来精加工所述切割/压花的片。3.根据权利要求2所述的方法，其中所述刚性平板各包括不粘涂层。4.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括：通过将切割片压在两个平行辊之间来精加工所述切割片。5.根据权利要求4所述的方法，其中所述平行辊各包括不粘涂层。6.根据权利要求1所述的方法，其中使用具有至少一个叶片的模具执行切割步骤。7.根据权利要求6所述的方法，其中所述模具具有两个叶片。8.根据权利要求6所述的方法，其中所述模具是规则模具、柔性模具或固体雕刻模具。9.根据权利要求7所述的方法，其中所述模具的所述两个叶片并排设置。10.根据权利要求1所述的方法，其中使用具有至少一个压花特征的模具执行压花步骤。11.根据权利要求10所述的方法，其中所述模具具有两个压花特征。12.根据权利要求10所述的方法，其中所述模具是规则模具、柔性模具或固体雕刻模具。13.根据权利要求1所述的方法，其中使用具有至少一个叶片和一个压花特征的模具同时执行切割步骤和压花步骤。14.根据权利要求13所述的方法，其中所述模具具有两个叶片和一个压花特征。15.根据权利要求13所述的方法，其中所述模具具有两个叶片和两个压花特征。16.根据权利要求13所述的方法，其中所述模具是规则模具、柔性模具或固体雕刻模具。17.根据权利要求1所述的方法，其中切割/压花的板包括至少一个氧化剂流动开口。18.根据权利要求17所述的方法，其中所述切割/压花的板包括多个氧化剂流动开口。19.根据权利要求17所述的方法，其中至少一个氧化剂入口歧管开口和至少一个氧化剂出口歧管开口位于所述氧化剂流动开口的端部并与所述氧化剂流动开口连通。20.根据权利要求1所述的方法，其中切割/压花的板包括至少一个燃料入口歧管开口和至少一个燃料出口歧管开口。21.根据权利要求1所述的方法，其中切割/压花的板包括至少一个燃料流动开口。22.根据权利要求21所述的方法，其中所述切割/压花的板包括多个燃料流动开口。23.根据权利要求21所述的方法，其中所述切割/压花的板包括位于所述燃料流动开口的端部并与所述燃料流动开口连通的至少一个燃料入口歧管开口和至少一个燃料出口歧管开口。24.根据权利要求1所述的方法，其中切割/压花的板包括至少一个冷却剂入口歧管开口和至少一个冷却剂出口歧管开口。25.根据权利要求1所述的方法，其中切割/压花的板包括至少一个冷却剂流动开口。26.根据权利要求25所述的方法，其中所述切割/压花的板包括多个冷却剂流动开口。27.根据权利要求25所述的方法，其中所述切割/压花的板包括位于所述冷却剂流动开口的端部并与所述冷却剂流动开口连通的至少一个冷却剂入口歧管开口和至少一个冷却剂出口歧管开口。28.根据权利要求1所述的方法，其中切割/压花的板是氧化剂流场板。29.根据权利要求1所述的方法，其中切割/压花的板是燃料流场板。30.根据权利要求1所述的方法，其中切割/压花的板是冷却剂流场板。31.根据权利要求1所述的方法，其中切割/压花的板包括多个氧化剂入口歧管开口和多个氧化剂出口歧管开口。32.根据权利要求1所述的方法，其中切割/压花的板包括多个燃料入口歧管开口和多个燃料出口歧管开口。33.根据权利要求1所述的方法，其中切割/压花的板包括多个冷却剂入口歧管开口和多个冷却剂出口歧管开口。34.根据权利要求1所述的方法，其中切割板是隔板。35.根据权利要求1所述的方法，其中所述导电片是柔性石墨。36.根据权利要求1所述的方...

【专利技术属性】
技术研发人员：托马斯·戴维·琼斯，米歇尔·迈耶·比顿，
申请(专利权)人：能源奥尔技术有限公司，
类型：发明
国别省市：加拿大;CA