带有涂覆的流动分布网的PEM燃料电池组制造技术

一种燃料电池（２）和一种制造包括有膜电极组件（４，６）的燃料电池（２）的方法，该膜电极组件（４，６）包括离子传导部件（５０）和设置在离子传导部件（５０）上的电极（５２，５４）。此外，燃料电池（２）还包括导电部件（５０）或气体扩散介质，其包括由分散在粘结剂中的传导粒子形成的流场（５７）。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及质子交换膜(PEM)燃料电池，更具体地涉及这样的电池，其中分散在粘结剂中的传导材料设置成多个区域，以形成用于导电部件的流体槽道的流场。
技术介绍
虽然流场极板(plate)技术在燃料电池领域已经得到了极大的发展，但是，在金属或复合材料极板上形成阳极和阴极流场仍存在许多固有的不足。首先也是最主要的是，每个极板的成本目标难以满足材料(不锈钢、铝、复合材料等)和制造方法(蚀刻、机械加工、冲压)的任何组合的要求。其次，因为极板和流场″槽脊″是刚性的，所以利用现有的任何压缩方法都难以在电池组平面上实现均匀压缩。最后，由于流场极板-扩散介质的界面处的固态接触，因此电池性能受到该位置的较大接触电阻的影响。因而，需要一种可消除上面所列举缺点的流场极板。专利技术概要本专利技术涉及一种包括膜电极组件的燃料电池，该膜电极组件包括离子传导部件和设置在离子传导部件处的电极。此外，燃料电池包括导电部件如双极板或气体扩散介质，其包括由分散在粘结剂中的传导粒子所形成的流场。此外，本专利技术还涉及一种制造燃料电池的方法，包括提供包含离子传导部件和至少一个电极的膜电极组件(MEA)，并提供导电流体分布元件和位于MEA表面的集电器中的至少一个。该方法还包括，形成包括有多个槽道的流场，这些槽道限定了位于导电流体分布元件和集电器上的多个凹槽，其中，该流场包括许多分散在粘结剂中的传导粒子。从下文所提供的详细说明中，可以清楚本专利技术可适用的其它领域。应该理解，该详细说明和特定示例虽然显示了本专利技术的优选实施例，但只是用于示例性目的，而非试图限制本专利技术的范围。附图简介从详细说明和附图中将更完整地了解本专利技术，其中附图说明图1是PEM燃料电池组的示意性分解图(只显示了两个电池)；图2是膜电极组件的剖面图；图3是用于本专利技术的示例性导电流体分布元件的分解图；图4是根据本专利技术第一实施例的燃料电池的剖面图；图5是根据本专利技术第二实施例的燃料电池的剖面图；图6是可结合本专利技术一起使用的蛇形流场的一个示例；图7是透视图，其示例性地展示了可结合本专利技术一起使用的直接描绘(direct writing)技术；和图8是根据本专利技术第三实施例的燃料电池的分解图。优选实施例的详细描述以下对优选实施例的描述在本质上只是示例性的，并非试图限制本专利技术、其应用或用途。图1大致显示了一种两个电池的双极燃料电池组2，其具有一对通过导电流体分布元件8(后文中称为双极板8)而彼此分开的膜-电极组件(MEA)4和6。MEA 4和6及双极板8堆叠在一起，而位于不锈钢夹板或端板10与12以及端部接触元件14与16之间。端部接触元件14和16以及双极板8的两个工作面分别包含多个凹槽或槽道18，20，22和24，其用于将燃料和氧化剂气体(即H2和O2)分布到MEA 4和6上。不导电的密封垫26，28，30和32提供了燃料电池组的若干部件之间的密封和电绝缘。气体可渗透的传导材料通常是碳/石墨扩散纸34，36，38和40，其被压在MEA 4和6的电极面上。端部接触元件14和16分别压在碳/石墨纸34和40上，而双极板8压在MEA 4的阳极面上的碳/石墨纸36上，并且压在MEA 6的阴极面上的碳/石墨纸38上。通过合适的供给管道42将氧气从储器46供给至燃料电池组的阴极侧，而通过合适的供给管道44将氢气从储器48供给至燃料电池的阳极侧。或者，可将周围空气作为氧气源而供给至阴极侧，并将氢气从甲醇或汽油转化炉等中供给至阳极。还提供了用于MEA 4和6的H2和O2侧的排气管道(未示出)。为了将液体冷却剂供给至双极板8和端板14及16，还提供了另外的管道51，53和55。此外，还提供了用于从双极板8和端板14及16中排出冷却剂的合适管道，但其没有显示出。每个膜电极组件(MEA)4和6都包括夹在阳极电极52和阴极电极54中间的离子传导部件50(图2)。离子传导部件50优选为固体聚合物膜片电解质，优选是PEM。适用于这种膜片电解质的聚合物在本领域中是众所周知的，并在美国专利No.5,272,017和3,134,697以及其它专利和非专利文献中有所介绍。然而，应该注意，离子传导部件50的成分可包括任何传统上用于本领域中的质子传导聚合物。优选使用全氟磺酸聚合物如NAFION。另外，聚合物可以是单成分的膜片，或者可被携带在另一材料的孔隙内。阳极电极52和阴极电极54优选包括嵌在聚合物粘结剂中的涂覆上催化剂的碳或石墨粒子，其如同聚合物膜片一样为质子传导材料，例如NAFION。催化剂优选选自铂、钯、铂-钌、Pt/过渡金属的合金，以及它们的组合。图3是可结合本专利技术一起使用的示例性双极板56的透视图。双极板56包括第一外金属片58，第二外金属片60，以及处于第一金属片58及第二金属片60之间的内部金属隔片62。外金属片58和60优选是平坦的，并制造成尽可能地薄。此外，金属片58和60可由任何传统的金属片成形工艺来成形。外金属片58具有位于其外侧的第一工作面59，其面对膜电极组件(未示出)，根据本专利技术，第一工作面59可修改成包括流场57(图4)。金属片60与金属片58是相似的。虽然在图中没有示出，但是应当理解，可设有多个凸脊(ridge)，在这些凸脊之间限定了多个槽道，冷却剂通过所述槽道而在金属片58和60之间流动，从双极板56的一侧69流向其另一侧71。如同金属片58一样，金属片60的外侧具有工作面63。金属片60也可修改成可提供流场57。内部金属隔片62定位在外金属片58和60之间，并包括多个开孔64，以允许冷却剂在金属片58和60之间流动，从而破坏层流边界层并提供紊流，这种紊流增强了与外金属片58和60的各自内侧面之间的热交换。现在参看图4，在其之间限定了多个凹槽68的多个槽脊66构成了流场57，燃料电池的反应气体(即H2或O2)通过该流场而在流路中流动，从双极板56的一侧70流向其另一侧72。流场57的槽脊66压靠在多孔材料、碳/石墨扩散介质36和38上，其则压靠在MEA 4上。如图3中所示，反应气体从沿着燃料电池一侧70设置的入口歧管74供给至凹槽68中，并经由设置成相邻于燃料电池相反侧72的另一歧管阵列76而离开凹槽68。根据本专利技术，通过合适的涂覆方法可涂敷上最初为液态的材料而形成流场57，其将促进阳极和阴极反应剂在活性MEA表面上的分布。形成槽脊66的材料优选是分散在聚合物树脂粘结剂中的传导材料。在这方面，传导材料优选由碳黑组成，并且聚合物粘结剂优选是聚酰亚胺。然而应当理解，可以选择任何传导材料，只要其不是那种会污染燃料电池或在燃料电池中产生有害反应的材料即可。另外应当理解，可选择任何材料作为粘结剂，只要这类材料能够承受燃料电池的严苛环境即可。也就是说，粘结剂应该能够承受酸性的、潮湿的高温环境，而不会发生粘结剂的任何退化。根据本专利技术的第一实施例，如图4中所示，流场57形成于双极板56的工作面59和63上。更具体地说，流场57的槽脊66设置在双极板56的工作面59和63上，以形成便于燃料电池的气态反应剂从中流过的多个凹槽68。应当理解，流场57的几何形状可形成任何所需的图案。也就是说，流场57可形成例如其中流场57的槽脊66和凹槽68在双极板56的表面上来回地蜿蜒的蛇形图案77(图6)，或者形成更简单的图案，其本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料电池，包括：膜电极组件，其包括离子传导部件和至少一个设置在所述离子传导部件上的电极；和导电部件，其相邻于所述电极，并且具有主表面，所述主表面带有由槽脊所限定的形成于其上的流场图案，所述槽脊包括分散在粘结剂中的传导粒子 。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：TA特拉波尔德，
申请(专利权)人：通用汽车公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]