石墨层状燃料电池板制造技术

一种层状燃料电池板（１０），具有模压在两层膨胀石墨（１２，１６）之间的片状金属层（１４）。该片状金属层为制备更薄的板提供弹性支撑。该片状金属层还作为一种渗透阻挡层，其使得膨胀石墨层的导电性增强。为了对齐、密封和流动控制的目的而向石墨层模压多个部件。（*该技术在2023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由压缩石墨而制得的电化学燃料电池板，特别是关于将石墨模压成一种压层结构。
技术介绍
燃料电池板在电化学燃料电池中表现出许多功能，如作为电流收集器，邻近燃料电池间的串连，结构支撑，流体流量分配器，渗透阻挡层，以及用于输送燃料和氧化剂反应物及水反应产物的导管。这种电池板必须与操作环境在物理和化学上是相容的，包括在反应物流体存在下对高温和酸性的容限。由于燃料电池通常含有大量的(例如100或更多)板，因此这些板应当薄、轻而且廉价。作为双极性电池板，这样一些电池板能支持邻近电池间的反应。双极板的一侧支持一个电池的阳极反应，另一侧则支撑一个邻近电池的阴极反应。两侧都是有导电性的并支撑其间的一系列的电连接。然而也要求双极板能提供一个邻近电池间的渗透阻挡层以避免电解交换。金属如钛已经用于燃料电池板，特别是在不考虑成本的地方。通过切割或蚀刻使金属板具有处理流体流动所需要的特性。除材料成本外，形成反应物流动槽所必须的的蚀刻工艺也增加了相当大的生产成本而且费时。注射成型被认为是一种有效降低大批量生产燃料电池板的生产成本的方法。但是，对于注射成型工艺来讲，拥有包括高电导性在内必备性质的材料通常都不具有足够的流动性。用石墨或其他含碳化合物填充的模压热塑性板也成功地加工成燃料电池板。热塑性树脂提供渗透阻挡层，含碳填充物提供导电性。然而，为达到结构支撑的要求，模压板容易变得相对厚而重。在模压板中，板是由用热塑性树脂浸渍的膨胀石墨薄片制得的。将膨胀石墨碾成薄片，用树脂浸渍，再冲压或模压以形成所需的表面特性。浸渍和晾干树脂所必需的步骤增加了成本，所得到的膨胀石墨板仍旧相对厚而重。
技术实现思路
在一个或多个优选的实施例中所提到的燃料电池板是由两层膨胀石墨材料和一片状金属中间层模压而成的。在层压燃料电池板的对应面上，膨胀石墨优选被压制以形成沟槽、密封结构或定位部件。片状金属层形成渗透阻挡层并提供结构支撑以降低板的总体厚度。另外，依赖于片状金属层提供的结构支撑和渗透阻挡层，膨胀石墨层的导电性得以优化。层压板的表面部件优选由模压而形成。在模压操作的制备过程中，膨胀石墨可以排列成片状并与中间的片状金属层叠放在一起，或者膨胀石墨可以在含有片状金属层的模压模具中排列成微粒形态。优选通过模压操作在膨胀的石墨层中形成沟槽、密封结构或定位部件。形成的石墨层的厚度和密度可调以提高密封结构或其他部件的性能。在最高点上所设计的部件是压缩度最低的，这有助于维持定位和密封功能。在燃料电池内部挤压安装时，部件越易弯曲越能通过适应不可避免的变化来更好地适应密封条件。可以通过降低突出的密封结构的宽度来实现额外的密封性能，特别是对于密封流动槽。例如，窄的突起可建在形成板内流动槽的墙体结构的上方。片状金属层在膨胀石墨层间提供渗透阻挡层并作为膨胀石墨层的弹性支撑。片状金属层所体现出的两种功能减轻了对膨胀石墨层的要求，因此膨胀石墨层可在导电性等其他功能方面得到充分利用。片状金属层优选由不锈钢或其他耐腐蚀金属，如钛、钛合金及金属氮化物制成，以增强导电性，并避免与燃料电池流体间的不利反应。然而，在膨胀石墨层可有效密封片状金属层的范围内，各种各样的其他导电性结构材料也可考虑作为中间层。穿过层压燃料电池板的开口周围的片状金属边缘可由连接开口的膨胀石墨一膨胀石墨结合得到密封。相似的密封技术可用于层压燃料电池板的外部边缘，以提供连接石墨和金属层的更强的结合。聚硅氧烷或其他密封材料或绝缘体，如特氟隆(TEFLON，聚四氟乙烯)和玻璃纤维，可施用(如喷，涂或注模)在层压燃料电池板的外部边缘或层状板的一面或双面上，来使独自的层压板与周围环境电隔离，或用来封闭在内部，外部或介于层状板之间的流体。在层压燃料电池板间的定位部件中也可以施用相似的密封剂以限制穿过单独的燃料电池板表面的流体运动或限制沿板间管道的流体流动。我们的新的层压燃料电池板是为低厚度和在某些情况下厚度小于所要求的层压板对应面槽深的总和的制造而设计的。这样，层压板一侧的沟槽与限制层状板另一侧的沟槽的墙体结构对齐，并且片状金属层发生变形以适应形成的形状。尽管沟槽的底部和由模压形成的其他结构优选尽可能与片状金属层紧密结合以降低总体厚度，但高度压缩的底部的高密度会减少片状金属层对燃料电池腐蚀环境的暴露机会。附图说明图1是我们的层压燃料电池板的平面图，为了简易，图中省略了穿过板表面的流体流动沟槽。图2是一部件立体分解图，描述了层压板的三个内模层。图3是一沿图1中3-3线得到的放大的截面图，展示了介于两板内导管间的中间层的密封情况。图4是一沿图1中4-4线得到的相似的放大截面图，展示了沿层压板外部边缘的中间层的密封情况。图5是一断裂的截面图，分别展示了一对双极板和一个燃料电池膜。图6是一相似的截而图，显示了一个在操作位置的双极板和燃料电池膜的组件。图7是一附着有聚硅氧烷作为密封及电绝缘体的定位部件的啮合面的断裂截面图。图8是一具有交替双极板的双颌型模的断裂截面图，在所述交替双极板中模中的压缩过程引起中间层的局部变形用以降低厚度。图9是一展示单极板的一部分的断裂截面图。具体实施例方式图1和2给出的一个典型的层压双极燃料电池板10是由两层膨胀的石墨材料12和16与一个片状金属中间层14组成的。两个膨胀石墨层12和16与片状金属层14被模压在一起，形成一个单独的层压体。膨胀石墨，也可归为一种剥落石墨，可通过用一种添加到天然石墨薄片的晶体结构中来扩大嵌入的粒子的试剂来处理天然的石墨薄片而形成。该材料可以是由各种原材料构成的薄片或轧光片，所述原材料的来源包括俄亥俄州克利夫兰市的UCAR碳技术公司。在该实施例中，膨胀石墨层12和16的最终厚度优选稍大于流体流动槽18所需的深度，所述流动槽是在层压双极板10的正面20和背面22上形成的。例如，当槽深约0.020英寸(0.5mm)时，模压膨胀石墨层12和16至约为0.024英寸到0.028英寸(0.6～0.7mm)。片状金属层14优选由耐腐蚀导电性金属制成，如不锈钢、钛、钛合金、或金属氮化物(如CR-N，Nb-N，Ti-N和V-N)，其具有支撑两个膨胀石墨层12和16的伸缩性结构特点。片状金属层14的抗腐蚀性能能承受燃料电池苛刻的化学环境。片状金属层14的导电性能能支持邻近燃料电池板间的电连接(如串连接)。片状金属层14的弹性提高了断裂韧度，并在最小整体厚度下保持了层压双极板10的平面整体形状。例如，当形成的片状金属层14的厚度大约是0.007英寸(小于0.2mm)时，具有槽深为0.020英寸的沟槽的层状双极性板10的整合厚度可以小到0.055英寸(1.4mm)。然而，根据层的结构要求不同片状金属层14的厚度可以在很宽的范围内变化，如从0.001英寸(.025mm)到0.010英寸(.254mm)。在适宜的耐腐蚀导电形式下，片状金属层14还在层压双极性板10的对应面20和22间提供渗透阻挡层。片状金属层14的渗透阻挡层阻止邻近燃料电池间电解质材料或其他反应/副产物材料的交换。防渗透功能要求片状金属层14具有不含有未密封的可使反应物/副产物在邻近电池的操作区域内流动的缺口的连续的结构。在依赖片状金属层14提供渗透阻挡层的程度上，膨胀石墨层12和16的导电性能得以充分利用。例如，片状金本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于电化学燃料电池的层压石墨板，其包括：与一片状金属中间层模压在一起的两个石墨材料层；模压在至少一个石墨层上以引导流过所述板的反应物的流动的引流部件；层压于两个石墨材料层之间、用于提供结构支撑和为阻止石墨层之间反 应物的不必要流动的渗透阻挡层的片状金属中间层。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：EC麦克马纳斯，DP莱昂斯，
申请(专利权)人：韦伯斯特塑料公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]