质子交换膜燃料电池隔板制造技术

提供了一种用于燃料电池堆（２０）的复合隔板（２６，３２，３４）。该复合隔板包括多个以大体彼此平行的方式取向的细长支撑件（１０４）和在支撑件周围形成的聚合物主体部分（１０２）。所述主体部分包括设有多个流动通道的第一表面以及与该第一表面相对的第二表面。在聚合物主体部分内布置了多根导电纤维（１７８），每根纤维都以贯穿平面的结构方式从聚合物主体部分的第一表面延伸到聚合物主体部分的第二表面。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
质子交换膜燃料电池隔板
本专利技术涉及PEM燃料电池，具体涉及具有可增强导电性的贯穿其中的导电纤维的复合隔板。
技术介绍
燃料电池正发展成为包括机动车应用在内的多种应用的电源。这样的一种燃料电池是质子交换膜或PEM燃料电池。PEM燃料电池在本领域是公知的，它的每个电池单元都包括膜电极组件或MEA。MEA是一种薄的、质子导电的、聚合物的隔膜-电解质，它的一侧形成了阳极面，相对一侧形成阴极面。通常，隔膜-电解质由离子交换树脂制成，一般包括可从E.I.DuPont De Nemeours & Co.得到的全氟代磺酸聚合物如NAFIONTM。另一方面，阳极和阴极面一般包括：分得很细的碳粒，在上述碳粒的内外表面上支撑着的分得非常细的催化颗粒，以及与催化颗粒和碳粒混合的质子导电颗粒如NAFIONTM；或者没有碳的催化颗粒，它们分散在整个聚四氟乙烯(PTFE)粘结剂中。MEA夹在多孔的透气导电材料薄片之间，这些薄片向MEA的阳极和阴极面施压，并用作燃料电池的一级集电器和MEA的机械支撑件。适当的这种一级集电器薄片包括本领域公知的碳或石墨纸或织物、细网、贵金属滤网等等。在此将该组件称为MEA/一级集电器组件。MEA/一级集电器组件压在一对无孔的导电隔板之间，该导电隔板用作在燃料电池堆内部的相邻燃料电池之间(即双极板情况下)传导电流和在燃料电池堆外部的电池部(即在单极或端板情况下)传导电流的二级集电器。隔板包括将气态反应物(例如H2和O2/空气)分配到阳极和阴极表面上的流场。这些流场一般包括多个与一级集电器接触的槽脊，在这些流场之间限定出了多个流动通道，气态反应物通过这些流动通道在供料头和位于流动通道对置端的排放头之间流动。按照惯例，隔板由适当的金属合金形成，如用耐蚀导电涂层保护的不锈钢或铝，用以增强热能和电能的传递。该金属板需要两次冲压或刻蚀过程以形成流场，并需要粘结或钎焊工艺来制造冷却板组件，这就增加了设计成本和复杂性。另外，金属板在腐蚀性燃料电池环境-->中的耐久性和冷却剂泄漏的可能性仍是问题。这些缺点使复合隔板得到发展。在这方面，近来在复合隔板研制方面所做努力已使材料具有足够的导电性和导热性。材料供应商已开发出高碳含量的复合板，它由分散在聚合物基体中的体积在70％到90％范围内的石墨粉构成，以实现所需的电导率目标。这类隔板耐得住腐蚀性的燃料电池环境，并在极大程度上满足了成本和电导率目标。但是，由于高石墨含量和石墨的高比重，这些隔板本身较脆且致密，其产生的功率密度低于理想体积和重量的燃料电池堆的功率密度。另外，人们利用较薄的板来努力减少燃料电池堆的质量和体积。不幸的是，在部件的脱模过程、粘结过程和燃料电池堆组件操作过程中，这些板的脆性频频导致碎裂和破裂，尤其是在板的歧管部分。同样，为了降低隔板的脆性、满足燃料电池堆的质量和体积目标，碳含量较低、而聚合物含量较高的隔板是理想的。不幸的是，在碳含量低时，很难满足所需电导率和热导率目标。与导电粉末相比，纤维材料在轴向方向上的传导性一般要高10到1000倍。因此，在无需较高碳含量(这会导致脆性)的情况下，在其内具有导电纤维材料的聚合物隔板将提高导电板的导电性。但是，为了获得该优点，纤维材料必需在贯穿平面的方向上正确定向。此外，具有沿贯穿平面的方向连续穿过其中的导电纤维部件的聚合物隔板将大大增强隔板的电能传导能力。因此，需要提供一种能克服与高碳板有关的固有问题以及与之相关的困难的燃料电池隔板及其制造方法。因此，理想的是提供一种由加强材料制成的燃料电池隔板，所述加强材料具有穿过其中延伸的导电纤维材料，用以增强隔板的导电性。另外，理想的是提供一种具有一体成形的冷却通道的燃料电池隔板，用以减少板内的热能和冷却剂从隔板内泄漏的可能性。另外理想的是，提供一种制造该燃料电池隔板的方法，它能减少制造冷却板的步骤(即，除去两次成型和粘结步骤)。
技术实现思路
本专利技术提供了一种用于燃料电池堆的复合隔板。该复合隔板包括多个大体彼此平行取向的细长支撑件和在所述支撑件周围形成的聚合-->物主体部分。主体部分具有设有多个流动通道的第一表面以及与所述第一表面相对的第二表面。在聚合物的主体部分内布置了多根导电纤维，每根纤维以贯穿平面的构造从聚合物主体部分的第一表面连续地延伸到聚合物主体部分的第二表面。具体而言，本专利技术提供了一种用于燃料电池的复合隔板，它包括主体部分，该主体部分具有其中形成了至少一个流动通道的第一表面、与所述第一表面相对的第二表面，所述主体部分具有在所述第一表面和所述第二表面之间形成的穿过所述隔板的通道以及多个导电元件，所述多个导电元件中的每一个都具有终止于所述第一表面上的第一端和终止于所述第二表面上的第二端，使得所述元件在贯穿平面的方向上连续延伸穿过所述主体。此外，本专利技术提供了一种用于燃料电池堆的复合隔板，该复合隔板包括：多个细长的支撑件；在支撑件周围形成的主体部分，它具有带有多条流动通道的第一表面以及与第一表面相对的第二表面；以及多根布置在主体部分内的导电纤维，每根导电纤维在贯穿平面的方向上从主体部分的第一表面连续地延伸到聚合物主体部分的第二表面，其中，在第一表面内形成的每个所述流动通道之间布置有导热部件。所述聚合材料选自由热固性聚合物和热塑性聚合物组成的组。本专利技术还提供了一种制造复合隔板的方法，其中使多个细长的支撑件以大体平行的布置方式取向。布置多根导电的连续纤维与多个支撑件相邻，以形成网格。该网格被包在聚合材料中，形成具有第一和第二表面的无孔隔板。在这些表面中的至少一个表面上形成多条通道。除掉一部分第一和第二表面而形成暴露表面，将连续的纤维切成多个端部终止于暴露表面上的导电元件。这多个导电元件中的每一个元件都在贯穿平面方向上穿过隔板连续延伸。通过后面提供的详细描述，使本专利技术的其它用途更加明显。应当理解的是，虽然这些详细描述和具体实例示出了本专利技术的优选实施例，但它们仅是说明性的，而不是对本专利技术范围的限制。附图说明通过详细描述和附图，将更易于充分理解本专利技术，其中：图1是PEM燃料电池堆的示意性分解视图；图2是依照本专利技术构造的双极板的第一实施例的局部剖视图；-->图3是依照本专利技术的双极板结构的第二实施例的局部剖视图；图4是依照本专利技术构造的双极板的第三实施例的局部剖视图；图5是依照本专利技术构造的双极板的第四实施例的局部剖视图；图6是依照本专利技术构造的单极隔板的局部剖视图；图7是表示本专利技术的优选制造方法的流程图；图8是图7所示制造方法中的方框304的一部分复合隔板的示意图；图9是图7所示优选制造方法中的方框306的一部分复合隔板的示意图；图10是图7所示优选制造方法中的方框308的一部分复合隔板的示意图。优选实施例的详细描述以下对优选实施例的描述实际上仅是说明性的，不能认为它会限制本专利技术、及其应用或用途。参照图1，其示意性地示出了部分PEM燃料电池堆20，它具有一对通过无孔的导电双极隔板26相互隔开的膜电极组件(MEA)22、24。MEA 22、24和隔板26一起叠放在夹持板28、30与单极隔板或端板32、34之间。隔板26、32和34每个都有多条在隔板表面上形成的通道36、38、40、42，它们限定了向MEA 22、24的阳极和阴极面分配反应物(即H2和O2)的流场。不导本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于燃料电池的复合隔板，它包括主体部分，该主体部分具有其中形成了至少一个流动通道的第一表面、与所述第一表面相对的第二表面，所述主体部分具有在所述第一表面和所述第二表面之间形成的穿过所述隔板的通道以及多个导电元件，所述多个导电元件中的每一个都具有终止于所述第一表面上的第一端和终止于所述第二表面上的第二端，使得所述元件在贯穿平面的方向上连续延伸穿过所述主体。

【技术特征摘要】
US 2002-2-11 10/0749131.一种用于燃料电池的复合隔板，它包括主体部分，该主体部分具有其中形成了至少一个流动通道的第一表面、与所述第一表面相对的第二表面，所述主体部分具有在所述第一表面和所述第二表面之间形成的穿过所述隔板的通道以及多个导电元件，所述多个导电元件中的每一个都具有终止于所述第一表面上的第一端和终止于所述第二表面上的第二端，使得所述元件在贯穿平面的方向上连续延伸穿过所述主体。2.根据权利要求1所述的复合隔板，其中所述主体部分还包括聚合材料。3.根据权利要求2所述的复合隔板，其中所述聚合材料是导热性聚合材料。4.根据权利要求2所述的复合隔板，其中所述聚合材料选自由热固性聚合物和热塑性聚合物组成的组。5.根据权利要求4所述的复合隔板，其中所述聚合材料选自由硅氧烷、聚异丁烯、环氧、聚乙烯酯、聚酯和酚醛组成的组。6.根据权利要求4所述的复合隔板，其中所述聚合材料选自由聚丙烯、乙烯-四氟乙烯聚合物、聚酰胺和橡胶改性的聚丙烯组成的组。7.根据权利要求2所述的复合隔板，其中所述多个导电元件选自由碳纤维、石墨纤维、涂覆有金的石墨纤维、涂覆有铂的石墨纤维、金纤维、铂纤维和不锈钢纤维组成的组。8.根据权利要求1所述的复合隔板，其中所述复合隔板包括体积占50％到99％的聚合材料和体积占1％到50％的导电纤维。9.根据权利要求1所述的复合隔板，其中所述第一和第二端中每一个的横截面积分别包括所述第一和第二表面表面积的5％到50％。10.根据权利要求1所述的复合隔板，其中所述主体部分还包括多个导热聚合物颗粒。11.根据权利要求1所述的复合隔板，其中所述复合隔板的体电阻率小于0.01欧·厘米。12.根据权利要求1所述的复合隔板，其中所述复合隔板的面积比电阻小于20毫...

【专利技术属性】
技术研发人员：DJ利斯，RH布伦克，MH阿布德埃尔哈米德，YM米克海尔，
申请(专利权)人：通用汽车公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]