采用集流控制方式的塑料小板燃料电池制造技术

一种生产燃料电池隔板的方法，其特征在于包括如下步骤： 以片状原料形成许多种不同的专用薄片，这些薄片具有选自微通道，通路，和集管的配位结构，所述结构一起至少形成一个与膜电极组合件相接触的供氧化剂或燃料消耗的活性反应区场； 将所述的薄片逐层叠起来，使所述的专用薄片结构匹配的相邻薄片的对应的结构精确对准，以为所述的氧化剂或燃料提供连续的循环路径；以及 粘结所述的对准的薄片以形成一个具有内部微通道并与它的集管连通的整体隔板。（*该技术在2016年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种塑料薄片燃料电池，更具体地说，本专利技术涉及由多层薄片构成、具有集流控制结构的燃料电池以及制造和使用这种集流控制电池的方法。利用本专利技术原理的一个具体实例是一种氢-空气/O2燃料电池，它将多复合隔板作为一个流动控制芯，外加金属或其他导电型的表面薄片使其具有集流器的功能，此多复合隔板由粘结着的塑料薄片构成。这些塑料薄片上分别构成微通道区与反应气体区、冷却区以及增湿区。本专利技术中典型的集流控制塑料薄片电池的正常工作温度范围在50～150℃之间，用于静止和移动燃料电池站的电池在开环或闭环组态下输出功率均在0.25-1.0kW/kg(0.5-1.0kW/L)数量级。在整个燃料电池叠层中，集流控制薄片和隔板可根据其在电池叠层中的不同位置来调整以满足变化的温度和湿度的需要。本专利技术的
技术介绍
燃料电池将氢气或碳酸盐燃料直接转化成电能，在理论上已显示出巨大的应用前景，但由于技术上的问题和经济上的考虑，商业上仍未大量使用。在氢-空气/O2燃料电池领域，电池的比能量，也就是每千克的输出功率千瓦一直较低，电池的使用寿命也较短。现有的技术水平使燃料电池在使用过程中常常因为催化剂或电解膜部分被毒化而比能量降低，而且由于电池内部燃料气体分布不均匀产生局部过热导致电池失效之类的情况时有发生。其中最重要和最有希望用于静止和移动电站的一类燃料电池是低温H2/O2燃料电池，在电池的电极之间有一两边都镀覆了一层贵金属催化剂的固体高分子聚合物质子交换膜。这些燃料电池以H2作为燃料，或直接提供氢或在电池内部通过电解等化学反应产生氢，例如采用金属氢化物或改性的碳氢化合物产生氢。氧化剂是O2或适合的空气。水被用来冷却和增湿膜，以防止膜过度干燥而失去功效或开裂和拉伸引起结构破坏。通常，阳极一边由于以下一些因素最先干燥从阳极到阴极的电渗析作用；气体的供应量高于电化学反应速率；阴极一边的空气或氧气气流带走了通过交换膜来自氢气阳极边的水和水蒸汽。因而，燃料电池叠层中的燃料气体需要被增湿以降低脱水效应。冷却水可散去电池中电化学催化缓慢燃烧产生的过量热量。在一些设计中，冷却水被用来增湿反应物气体。现已有一些适合的电极薄膜件(电极膜组合件)可用于这种低温燃料电池。一种是新泽西州Belleview市的氢能源公司生产的，它用DuPont NAFION牌的全氟磺化碳氢化合物作交换膜，并在膜上镀覆铂作催化剂。另外一种是Dow Chemical提供的已在美国专利US5,316,869报道的全氟磺化高分子聚合物，它可承受的电流密度为4000 amps/s.f.，对应的单体电池电压超过0.5V，电池叠层比能量超过2kW/s.f.。目前燃料电池叠层通常的设计方式是Ballard燃料电池叠层，它具有35个活性电化学室，19个热控制室，和14个反应物增湿室，在许多1/4英寸厚的石墨电极板之间使用镀铂的NAFION-117电极膜。据报道，这种燃料电池叠层总体积超过0.5立方英尺，重量94磅，输出功率3kW。然而，石墨电极板必须具有一定的厚度才能保持结构完整和防止反应物渗透。也就是说，由于石墨相对于H2和O2是一个多孔的物质，它至少需要0.060英寸的厚度，才能将反应物的渗透控制在允许的范围之内。此外，石墨较脆，当电池叠层结构紧密时，石墨层容易开裂。石墨电极热传导和导电性差，容易引起局部过热和断路。同时它很难制造，特别是其中的气体分布通道很难加工。这种燃料电池叠层的输出功率相对较低，在0.03kW/lb数量级。在上面引用的例子中，非活性的冷却室和增湿室的数量几乎和活性电化学室的数量相同。这实际上就使电池叠层中密封材料的数目增大了一倍，因而降低了电池叠层的可靠性和性能。前面提到的美国专利US 5,316,869没有提供改善石墨电极燃料电池叠层设计的办法，它涉及的只是电池叠层外部闭环系统的微处理器控制。因而，有必要对燃料电池的设计及制造和使用燃料电池的方法进行改进，以克服现有技术中存在的问题。专利技术概述本专利技术的目的在于改进由多个单体电池叠层成的燃料电池叠层，每个单体电池包含一系列相互连接的塑料、陶瓷、和金属薄片，以具有集流控制(Integrated Fluid Management，IFM)功能。本专利技术还涉及燃料电池叠层设计、制作、薄片成型、用薄片装配和粘结成单元极隔板(分电池叠层)的方法以及利用集流控制技术和本专利技术的金属和塑料薄片制作的燃料电池叠层的使用方法。更进一步地说，本专利技术介绍的技术不仅适合以H2和空气/O2作燃料的质子交换膜燃料电池(这是最恰当的)，同样适用于熔融碳酸盐和固体氧化物型碱性燃料电池以及和燃料电池一起使用的重整炉。诸如NH3/O2、H2/Cl2、H2/Br2、CH3OH/O2等各类其他燃料/氧化剂组合也能使用，其中的O2包括空气。应当明白，这里所说的燃料电池不仅包括一个或多个单体电池，而且包括末端都与电流集流板相连的电池组，每个单体电池包含一个与适当电极膜相接触的双极隔板。本专利技术中的燃料电池由一个或多个单体电池叠层成，每个单体电池依次包含一对双极隔板，其间插入一电极膜组合件(EMA)。隔板可以是单极(用于两边电极板)，也可以是双极，其一边是阳极(H2)，另一边是阴极(O2)。本专利技术中每个单极或双极隔板依次带有一个流动控制芯组合件(FMCA)，夹于一对微孔筛网薄片(MSP)之间。每个流动控制芯组合件和微孔筛网薄片由相互接触的多层薄片制成，最好粘结成一个单一的整体。微孔筛网薄片作为电流集流器，将电子传输到边缘导体(电桥、接头、弹簧夹、边缘接线、折叠的导电电桥、边缘汇流条等)和内部汇流条上，它由金属或导电塑料等导电材料构成。微孔筛网薄片可以设计成具有窗框结构，凹进或插入的中间部分由四周的框架固定。在汇流条实例中，窗框框架是塑料或陶瓷等非金属材料，而中间部分是导电性的，如导电塑料、金属、石墨、含金属石墨纸等。取名微孔筛网薄片，就意味着它是片状结构，允许分布的气流通过，如其上有很多小孔和通道的纺织或无纺片状材料。流动控制芯组合件由多层薄片构成，薄片最好是不导电的塑料、陶瓷或其他适合的材料，其上有大量交错的微槽作为流动分布通道，这些通道最好借助模压成型形成贯通结构和部分深度结构，也可通过注射成型、激光烧蚀或切削、镂刻、溶剂侵蚀、压、冲或其他压制方法形成贯通结构和部分深度结构。相邻的薄片要具有配位的部分深度结构(即半通道)，一旦粘结在一起，就能为气体、冷却剂、和水蒸汽提供流动通道，从横截面上看，通道通常是圆形或椭圆形，否则，由于它们是连续的、正弦曲线形、和分枝形的结构，这些通道是不能构造出的。薄片集流控制回路是由贯通结构和部分深度结构决定的。这些结构的组合用于建立具有流动区、停闭、集流管、通孔(vias)、通孔基底(via bases)、通道、滤器、测量管口、混料器、气流分割器、分流器、导带，支柱(islands)，NACA口，和附壁效应的流动控制回路。制作流动控制芯组合件最好的材料是塑料，因而本专利技术涉及塑料薄片燃料电池。这些塑料流动控制芯组合件和微孔筛网簿片窗框薄片或其组合也可通过激光蚀刻法制作，用激光束撞击单体或预聚物，通过光致聚合作用将单体转化成一个牢固的结构，并一层一层增加。这项技术可用于单独的薄片的制作，也可用于制作整个流动控制芯组合件，这样本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：小雷吉纳德·G·斯比尔，耶罗德·E·富兰克林，威廉姆·A·海斯，大卫·E·杨克，
申请(专利权)人：H动力公司，
类型：发明
国别省市：