一種燃料電池結構的制作方法

專利名稱：一種燃料電池結構的制作方法
技術領域：
本發明涉及燃料電池，具體涉及形成這種電池核心的內部結構。
背景技術：
燃料電池一般包括一組單個電池，每個單個電池由被電解液分開的兩個電極(陽極和陰極)構成，并一個對著另一個形成疊層。通過向各個電極輸送合適的試劑，即給一個電極輸送燃料而給另一個電極輸送氧化劑，發生電化學反應后能在兩電極之間產生電壓差，因此，能夠產生電流。疊層相應于燃料電池的核心，因為是在該疊層之內發生能夠產生電流的化學反應。
為了向各個電極輸送試劑和收集產生的電流，通常使用稱為“雙極板”的特定接口元件，該元件設置在單個電池的每一側。
這種雙極板通常是鄰近陽極或陰極支撐的單個元件的形式。它們實現與分別在陰極和陽極的化學反應相關的多種功能。這些功能如下給電極輸送試劑；能夠使各種試劑在密封中循環；收集電流并通過疊層提供電連續性；收集并排出所產生的水和任何過量的試劑；以及排出由反應釋放的熱能。
因此，這些元件受到涉及選擇它們的構成材料和它們的制造方法的許多限制。這些元件必須由經得住介質(酸性的或堿性的)腐蝕并不滲透反應氣體的電和熱的良導體制成。此外，各個元件必須在其各個表面包含毫微米的分配通道，以便能夠均勻地將試劑送到電極并控制排出水和任何過量的試劑。
最普遍的實施例是利用石墨，并使用諸如蝕刻的手段進行機械加工的方法來形成試劑分配通道。這種機械加工方法非常昂貴并難以對每個部分進行同樣的復制。
另一種已知的方法是使用薄板金屬熱交換技術，例如，薄板通過模壓或熱壓成形。然而，制造和裝配這種零件很困難，因為要保證裝配的元件之間不滲漏，難以想象實現大規模的工業生產。
無論采用哪種技術，都是形成雙極板的接口元件決定疊層的尺寸和質量，而且最重要的是，很大程度地決定該結構的成本，從而決定燃料電池的成本。
因此，盡管它們的高能效和在操作中有利于保護環境，燃料電池出現在非常稀少的裝置中，并且常常只是用于試驗。燃料電池的工業化和商業化發展目前大大地受到某些還無法克服的困難的限制。目前，成本是燃料電池大規模生產和商業化競爭的主要障礙。

發明內容
本發明提出燃料電池結構的設計，使得用低成本材料容易地進行大批量生產，由此大大地降低制造成本，同時保證燃料電池的性能和可靠性。
這個目的由這一事實來實現，通過插入順序排列的單個電池之間并起到給電池電極輸送試劑和收集產生的電流作用的接口元件首先包括由電絕緣材料制成的分配器(distributor)元件，該分配器元件包括至少在它面對電極的一面上的分配通道，用以分配試劑，其次，包括至少一個插入絕緣材料制成的所述元件和所述電極之間的導體材料的集電器元件，該集電器元件有穿孔，以便讓試劑通過分配器元件的通道和面對它的電極。
因此，本發明提供燃料電池的結構設計，其中分配試劑和收集電流的功能由獨立的元件來實現。這種設計使得可以使用比目前使用的材料便宜的并且更易于工業加工的制造材料，特別是在設計中，單個元件需要同時實現試劑分配功能和電流收集功能。
因此，分配器元件的構成材料選自電絕緣材料，因此可能提供很寬范圍的低價材料，并且眾所周知用這種材料如何大批量生產低價的零件。因此，通常說來，分配器元件可以由任何適于用擠壓、注模、拉伸等方法成形的塑料制成。例如，分配器元件可以由注入的熱塑性塑料制成，因此能夠大量精確制造，由此制造元件的成本最低。這種熱塑性塑料可以是環氧樹脂，最好包括礦物質填料，以便提高它的導熱性。
同樣地，可用于制造集電器元件的材料有很多。因此，易于選擇一種成本低、堅固又易于加工的材料，諸如不銹鋼或銅。這種類型的材料易于形成薄金屬板，因此，進一步減少制造集電器元件所需的操作量。
根據本發明的一個特征，分配器元件包括用于循環冷卻液的內部環路。這種環路具有發明結構的重要優點，因為它能夠使得用于冷卻的液體與結構的其它部分電絕緣。本發明的分配器元件由絕緣材料制成，能使傳熱液體在所述材料內循環來排出產生的熱，同時，避免燃料電池內部任何不需要的電連接(例如，短路)。
當分配器元件在它的各表面上包括通道環路時，各個環路可以通向不同的孔，因此能夠在一面上輸送第一試劑，而在另一面上輸送第二試劑。在這種情況下，分配器元件容納在由對折的金屬薄板構成的集電器元件內，電池夾在以這種方式組裝在一起的兩個分配器/集電器對之間。
另外，在各面的通道可以通向相同的孔。在這種情況下，給定分配器元件的兩個面輸送相同的試劑。集電器元件也可以由對折的金屬薄板制成，但是形成較大尺寸的殼不僅能容納分配器元件，而且還能容納相鄰的集電器元件和電池。這種設置能在疊層中兩個相鄰電池之間重新形成交替的極性。
本發明還提供包括上述一個或多個結構的燃料電池。
附圖簡述本發明的其它特征和優點，參照附圖從下面本發明作為非限定性示例給出的具體實施例的描述來顯現，其中

圖1是根據本發明燃料電池結構的一個實施例的概略透視圖；圖2A、2B和2C分別是圖1中的分配器元件的俯視圖、仰視圖和截面圖；圖3是圖1中的集電器元件在折疊前的視圖；圖4A和4B是具體表示試劑如何流過結構的圖1結構的截面圖；圖5是圖1結構的另一截面圖；圖6是根據本發明的分配器元件的另一實施例透視圖；圖6A是圖6中分配器元件的截面圖；和圖7是表示根據本發明的包括圖6中的分配器元件的一個結構的具體設置截面圖。
具體實施例方式
圖1示出根據本發明的燃料電池結構的構成元件。為了避免發明描述的復雜化，圖1所示的組件相應于適于用在構成燃料電池核心的最小結構或疊層。然而，本發明的燃料電池自然可以包括多個這種結構。以已知的方式，所述結構的數量和它們以串聯的方式還是以并聯的方式連接取決于對燃料電池要求的電壓和電流狀況。
本發明的結構由單個電池300構成，單個電池300包括由起電解液作用的隔膜(未示出)分開的第一電極310和第二電極320。當燃料電池制造出來時這些元件可以組裝在一起，或它們可以是單個電極—隔膜—電極(EME)構件。各個電極還包括圍繞其周圍的墊片，例如圖1中用于電極310的墊片315。這部分的燃料電池結構本身實際上是眾所周知的，在此不作更詳細的描述。本發明可以利用任何類型的單個電池來實現。
為了能使電化學反應發生，在電池300中的各個電極必須輸送不同的試劑，即為其中一個電極輸送燃料，一般為氫氣，而為另一個電極輸送氧化劑，通常為氧氣或僅僅是隨意地添加了氧氣的空氣。如果電極310接收了氫氣，它就相應于陽極，電極320接收氧氣而形成陰極。為了清楚起見，上述結構貫穿下面的描述。
為了給各個電極輸送試劑，該結構包括設置在電池300任一側的兩個分配器元件100。每個元件100有包括分配通道的兩個面IIA和IIB，分配通道延伸在基本上對應于電極的試劑分布的區域上。圖2A示出圖1中元件100的IIA面。在這個面上，元件100呈現形成了分配通道111的表面110。經過與燃料電池的試劑輸送環路連通的孔102來向通道111輸送試劑。過量的試劑和在電化學反應過程中產生的水經過與燃料電池的排出環路連通的孔106排出。如圖2A所示，經孔102輸入的試劑在通道111中經過兩個分開的環路111A和111B從中心流向外側，環路111A和111B通入排出孔106。這樣能夠使試劑在分配器元件100的表面110上不斷地循環。圖2B示出元件100的面IIB。這個面不同于面IIA之處在于，在其表面120上形成的通道121連通兩個不同的孔104和108。這是由于分配器元件100是用于在它的每個面分配不同的試劑。而且，為了保證兩種試劑不碰上，在面IIA上的通道111和在面IIB上的通道121必須彼此不連通。以類似于通道111的方式，通道121包括兩個分開的通道121A和121B，每個通道經過孔108接收試劑，在通道中收集的過量的試劑和水經過孔104排出。
本發明的分配器元件100還包括用于循環冷卻液的內部環路。這個環路如圖2C所示，圖中示出沿圖1所示的IIC截面的內部。如圖2C所示，元件100包含通道131，其不同于它表面形成的通道，而是限定在元件100的內部。通道131形成用于循環冷卻液(諸如傳熱液)的環路。因為由電化學反應釋放的熱在元件的中心大于周圍，優選使冷卻環路首先循環到元件的中心，從而最大程度排除最熱區域的熱。為了達到此目的，如圖2C所示，通道131包括兩條分開的環路131A和131B，每條分開的環路從元件中心開始覆蓋所述元件的一半。因此，通過孔105接收的冷卻液最初在元件最熱部分的中心部分開始循環，然后，當液體熱起來時，它先朝較冷部分循環，然后，經過孔109排出。
這種內部冷卻環路具有主要優點，因為它能使用于冷卻的液體與其它結構電絕緣。本發明的分配器元件由電絕緣材料構成，該分配器元件能夠使液體內部循環來排出產生的熱，同時，防止任何在電池內部形成的不需要的電連接(例如，短路)。
因此，用于制造分配器元件的材料必須是電絕緣材料，并且最好應該有相對好的導熱性，這產生了一個寬范圍的可用材料，從中可以選擇便宜的材料并且眾所周知用這種材料如何以低成本大批量生產零件。因此，分配器元件可以由適于用擠壓、注模、拉伸等方法成形的塑料制成。例如，分配器元件可以是注入的熱塑性塑料零件，因此能夠以比例如在傳統結構中使用石墨的成本更低的成本進行精確的大批量生產，石墨不僅購買昂貴，而且加工困難并昂貴。這種熱塑性塑料可以環氧樹脂，最好是包括礦物質填料的，以便提高它的導熱性。
因為根據本發明的分配器元件由絕緣材料制成，需要在所述元件周圍形成電連接，以便在該結構中提供電連續性，并能夠從燃料電池中收集電流。為了這一目的，本發明的結構包括導電材料的導體元件200。任何類型的導電材料可以適于制造元件200。然而，最好選擇諸如不銹鋼或銅這樣的耐氧化材料。還有，出于降低制造成本的目的，最好選擇可直接用于焊接的低成本材料。例如，元件200可以由薄金屬板制成。如圖3所示，導體元件200由矩形板制成，其一旦對折就形成用于分配器元件的殼體(圖1)，這樣使得電流在元件100的兩面之間通過。
一旦圖1的結構組裝好，導體元件200兩個部分210、220之一插入分配器元件和單個電池300之間。因此，需要保證包圍分配器元件100的所述導體元件200不會阻止試劑流到分配器元件和電池300的電極之間。出于這個目的，元件200的每個部分210、220分別有形成格狀的穿孔211或221，所述穿孔基本上在對應于試劑在分配器元件的表面上流過的區域的上展布。可以提供不同形狀和尺寸的開口來代替穿孔211和221。一般說來，本發明的集電器元件包括具有以這種方式選擇尺寸的開口，使試劑能夠流到電極，同時，保證通道完全灌注試劑，以便均勻地注入電極的整個表面。如果開口太大，那么在電極表面上的試劑分配不均勻，因為通道不是在它們的整個長度上有規律地被灌注。此外，如果試劑的氣體流不是沿整個通道流動，則不能在到出口孔的整個路徑上實現它的輸送效果，因此不可能保證能夠排出在分配器元件中產生的水。開口的尺寸作為通道尺寸的函數被確定。
而且，通過提供多個穿孔或開口，使導體元件對試劑有浸透性，同時保存許多小的材料部分，構成和電極支撐點一樣多的電流路徑，而它們本身在機械性能上是脆性的。
可以用各種方法提供所述分配器元件100和導體元件200之間的密封。用傳統的方法，形成燃料電池核心的結構的元件(即，單個電池、分配器元件和集電器元件)一個挨另一個用相當大的夾緊力來固定。因此，當集電器元件的材料和分配器的材料相容時，如同在金屬和塑料材料的情況，僅僅通過在元件的表面之間的接觸來實現這些元件之間的密封。當兩種材料太硬時，一種技術是在表面110和120上放置切成的墊片來覆蓋除了所述通道和孔之外的表面。然而，必須注意保證墊片足夠平，以保持集電器元件與通道接觸，以便讓試劑流經整個通道。
可以用另一種不同的密封方法，在元件100的IIA和IIB兩面上分別設置墊片115和125(圖2A和2B)可以提供密封。每個墊片115和125至少圍繞所述通道和分別用來傳輸的兩個孔，以防止試劑從該結構中溢出。在這種情況下，提供其它的墊片(未示出)來其它孔的周圍密封。
最后，還有另一種可能性，例如，集電器元件可以通過能實現金屬和塑料材料之間粘接的特殊粘接劑粘接到分配器元件上。在這種情況下，粘接劑涂在要被墊片覆蓋的所有區域上，因此，不僅提供粘接，而且密封集電器元件和分配器元件。
一旦組裝在一起，圖1的元件形成一個結構(圖5)，該結構能夠通過氧化輸送到電極310(陽極)的氫氣并在電極320(陰極)上還原氧氣的反應產生電流，因此在兩個導體元件的220和210部分之間產生電勢差。如圖5所示，燃料電池可以構成相同結構的疊層，疊層結構的數量和面積取決于燃料電池要釋放的功率，其可以在幾瓦特到幾兆瓦特的范圍內。
分配器元件100、導體元件200和電池300都有一系列的孔，能夠使兩種試劑和冷卻液分別通過該結構來循環，還能使過量的試劑和產生的水從此處排出。如圖4A所示，一旦結構組裝完，分別是分配器元件100、導體元件200和電池300的孔102、202、222、和302協同形成輸送氧氣到通道的流通管道。過量的氧氣和反應產生的水通過在孔106、206、226和306之間協同形成的環路排出。類似地，如圖4B所示，孔108、208、228和308協同讓氫氣流過該結構并輸送到通道121，過量的氫氣和反應產生的水通過在孔104、204、224和304之間協同形成的環路排出。圖4A和4B中示出的管道僅僅是當所述結構的元件一個壓一個地固定時形成的管道的概略圖示，管道是通過多個孔共同自然形成的，如上所述，可能與墊片連在一起。
用相同的方法，冷卻液分別經過孔105、205、225和305，以及經過孔109、209、229和309來輸入和排出。其它的孔，如孔103、107、203、207、303、307等也可以用于冷卻液循環，特別是如果在兩個相繼的分配器元件之間有角度偏移，或者甚至用于循環其它液體的情況。
分配器元件的孔，例如孔105和109，接收用于內部環路130的冷卻液，但這不過是特殊的情況。為了完全讓冷卻液和其它結構絕緣，需要保證它不與導電的集電器元件接觸。這情況可能在內部環路的入口或出口、在集電器元件中形成的用于通過冷卻液的孔(例如孔205和209)處發生。出于這個目的，在分配器元件中相應的孔可以有與集電器元件的孔相嚙合的凸緣，以便在此形成與集電器元件的導電材料電絕緣的管道。在另一種實施方式中，電絕緣材料的不同墊片可以圍繞分配器元件的孔設置，墊片的尺寸如同上述凸緣一樣，與集電器元件中的孔嚙合。
如圖6和6A所示的分配器元件400不同于圖1的元件100之處在于，它被設計成在兩面接收相同的試劑。為達到此目的，分別在表面410和420上形成的通道411和421經過相同的孔408來輸送試劑。更準確地說，通道411的兩條環路411A和411B分別經過開口412A和412B通向孔408。類似地，通道421的兩條環路421A和421B分別經過開口422A和422B通向孔408。因此，流經孔408的試劑分配到通道411和通道422，過量的試劑和反應產生的水經過相反的孔404排出，通道411和422以與孔408相同的方式通向孔404。
在所述結構中使用的分配器元件400最好相同，以便合理化地制造。在這種情況下，所述結構中的兩個相繼的分配器元件偏轉1/4圈，因此一個分配器元件接收氫氣，而另一個分配器元件接收氧氣。而且，利用在兩面分配相同試劑的分配器元件意味著面向所述元件的兩個電極有相同的極性。如圖7所示，為了校正這種狀態，使用基本上與上述元件200相同的導體元件500，只是導體元件500具有的510部分和520部分彼此被隔開得比在元件200中的情況更遠，因此形成更大的殼。所述部分之間更大的間隔能使集電器元件500以不同于圖5所示的方式安置在結構中，從而反轉所述極性并在疊層中重新產生串聯效果。具體地說，如圖7所示，兩個相繼的導體元件500相互嚙合，同時電池300插入它們中間。
元件400也不同于元件100，其中靠近孔404和408的第一環路部分411A、411B、422A和422B埋藏在所述元件表面下面。通過以不同于墊片115的間隔放置僅僅包圍表面通道的墊片415，起到密封分配器元件和導體元件表面的作用，所述墊片115用于元件100，并且必須圍繞通向通道的孔。
此外，至于上述的元件200，分配器元件400具有內部循環環路431(圖6A)，其能夠使冷卻液從孔405循環到孔409，同時與所述結構的其它部分保持電絕緣，即，在冷卻液和其它液體與所述結構中存在的部分之間，沒有可能形成任何電接觸。
權利要求
1.一種燃料電池的結構，包括至少由電解液分開的第一和第二電極(310，320)的電池(300)，所述電池設置在用于給該電池的電極輸送試劑和收集它產生的電流第一和第二接口元件之間，所述結構的特征在于每個接口元件包括絕緣材料的分配器元件(100)，和至少一個導電材料的集電器元件(200)，所述分配器元件包括至少在它面對一個電極的面上、用于擴散試劑的分配通道(111)，所述集電器元件(200)插入所述電極和由絕緣材料制成的所述元件之間，所述集電器元件有穿孔(211)，從而能夠使所述試劑在所述分配器元件(100)的通道和面對它的電極之間擴散。
2.如權利要求1所述的結構，其特征在于分配器元件(100)由塑料材料制成。
3.如權利要求1或2所述的結構，其特征在于所述分配器元件還包括用于內部循環冷卻液的內部環路(130)。
4.如權利要求3所述的結構，其特征在于所述內部通路通過至少兩個孔通向所述分配器元件的表面。
5.如權利要求1-4任一項所述的結構，其特征在于集電器元件(200)由不銹鋼或銅制成。
6.如權利要求1-5任一項所述的結構，其特征在于所述分配器元件(100)還包括在它另一面的分配通道(121)。
7.如權利要求6所述的結構，其特征在于在所述分配器元件第一面上形成的通道(111)穿過該分配器元件(100)、接通第一和第二孔(102；106)，其中在所述元件的第二面上的通道(121)穿過所述分配器元件、接通第三和第四孔(104；108)。
8.如權利要求7所述的結構，其特征在于集電器元件(200)由金屬薄板構成，所述金屬薄板對折從而形成彼此分開并電連接在一起的具有相同尺寸的兩個部分(210，220)，每個部分有穿孔，能夠使試劑在分所述分配器元件的通道和相鄰的電極之間擴散，所述分配器元件(200)容納在所述部分之間。
9.如權利要求6所述的結構，其特征在于在所述分配器元件(400)的第一和第二面形成的通道(411，421)穿過所述元件一起通向第一和第二孔(404，408)。
10.如權利要求9所述的結構，其特征在于集電器元件(500)由金屬薄板構成，所述金屬薄板對折而形成彼此分開并電連接在一起的兩個相同尺寸的部分(510，520)，每個部分有穿孔，以讓試劑在所述分配器元件的通道和相鄰電極之間擴散，分配器元件、電池和相鄰集電器元件(400)的一個部分容納在所述集電器元件兩個部分之間。
11.如權利要求1至10任一項所述的結構，其特征在于在所述分配器元件和所述集電器元件之間提供密封，其中通過將所述元件的表面和另一個元件的表面壓在一起，或在所述元件的所述表面之間插入一個或多個墊片，或在所述元件的所述表面施加粘接劑來獲得密封。
12.一種燃料電池，包括至少一種如權利要求1-11任一項所述的結構。
全文摘要
一種燃料電池的結構，包括至少一個電池(300)，所述電池由被電解液分開的第一和第二電極(310，320)構成，該電池設置在用于給該電池的電極輸送試劑并收集它產生的電流的第一和第二接口元件之間。每個接口元件包括絕緣材料的分配器元件(100)，和至少一個導電材料的集電器元件(200)，該分配器元件包括至少在它面對一個電極的面上、為了擴散試劑的分配通道(111)，所述集電器元件(200)插入所述電極和由絕緣材料制成的所述元件之間。集電器元件有穿孔(211)，從而能夠使試劑在分配器元件(100)的通道和面對它的電極之間擴散。
文檔編號H01M8/00GK1612387SQ20041008966
公開日2005年5月4日 申請日期2004年10月29日 優先權日2003年10月31日
發明者帕特里克·加爾索 申請人:Snecma發動機公司