專利名稱：模制具有加固外邊緣的復合雙極板的方法
技術領域：
本發明總的說來涉及一種模制用于燃料電池組的復合雙極板(compositebipolar plate)的方法，尤其涉及， 一種包括以下步驟的模制用于燃料電池組的復合雙極板的方法，其中該方法包括當模制雙極板時在雙極板的集管(header)區域設置一片或多片加固(reinforcement) ^A物以增力卩板外，的強度。
背景技術：
由于氫是清潔的并且能用于在燃料電池中有效地產生電能，因此氫是非常有吸引力的燃料。Mit料電池是包括陽極、陰極和處于它們兩者之間的電解質的電化學裝置。陽極接收氫氣，陰極接收氧或空氣。氫氣在陽極，產生自由質子和電子。質子Mil電解質到達陰極。質子與陰極的氧和電子反應產生水。來自陽極的電子不能通過電解質，因此在傳遞到陰極之前直接通過負載進行工作。
質子^I奐H^料電池(PEMFC) Jiil用的汽車燃料電池。PEMFC —般包括固體聚合物-電解質質子傳導膜，例如全氟磺酸膜。陽極和陰極通常包括磨碎的催化劑顆粒， 一般是擔載在ffi粒上并與離聚物混合的鉑(PO。催化劑混合物沉積在膜的相對面。陽極催化劑混合物、陰極催化劑混合物和膜的組合定義為膜電極組件(MEA)。 MEA需要有效運行的特定條件，包括適當的水管理和增濕。
通常燃料電池組中幾^h燃料電池組合產生預定的功率。對于上 及的汽車燃料電池組，組可以包括大約兩百或更多的燃料電池。燃料電池組接收陰極反應氣體，通常由壓縮機促使空氣流艦組。不是所有的氧都被組消耗， 一些空氣作為可以包括組廢料水的陰極廢氣排出。燃料電池組也接收、iitlA組陽極側
的陽極氫反應氣體。
燃料電池組包括一系列處于組中幾個MEA之間的雙極板，其中雙極板和MEA處于兩個端板之間。雙極板包括與組中燃料電池鄰接的陽極頂,陰極側。陽極氣體流體通道設置
陰極氣體流體通道^a.
一端板包括陽極氣體流體通道，另一端板包括陰極氣體流體通道。雙極板和端板由導電材料制成，例如不銹鋼或導電復合物。端板將燃料電池產生的電能傳導到纟M卜。雙極板還包括冷卻流體流動的流體通道。
根據本發明的教導，公開了一種模制用于燃料電池組的復合單極板的方法，該方法增加板集管區域強度。因為集管區域不必導電，所以高強度預制拴^A
物(prepeg inserts)設置在被成形為集管區域結構的模具中，集管區域包括限定多個入口和出口歧管的開口。將主體模制復合物(compound)裝料(bulk moldingcompound charge)體在模具中，并在高熱下壓制使得主術難愎，分散在模具中，并覆蓋預制m^物。當從模具中移除單極板時，預制^A物增加集管區域的強度以^>板在后續工藝中,的可能性。
結合附圖，從下述的描述和附帶的權禾腰求本發明的客砂卜的優點將變得更
圖1是用于燃料電池組的單極板的俯視圖；以及
圖2是根據本發明實施例的、制造圖1所示包括用來增加單極板集管區域弓賊的預制^A物的單極板的模具的咅岍側視圖。
具體實施例方式
下述本發明的實施例的討論實際上僅^/示例性，并不意在限定本發明或其實施或使用，其中本發明的實施例涉及模制用 料電池組復合單極板的方法。
圖1是用于燃料電池組的單極板10的俯視圖。單極板10可以，極板的陽極側或陰極側，其中形成板10的模制方法應當形成陽極流體通道(未示出)或陰極流體M (未示出)。另一個陽極側單極板或陰極側斜及板應當包括其它流體通道，并且一個或其它陽極側單極板或陰極側單極板的背部應當包括^4口流體鵬以使當陽極偵,陰極側單極m過粘合等方法固定在一起時，冷卻流
發明內容體ilii應當在兩個板之間。
一旦陽極側和陰極側單極板固定在一起，面對雙極板的每一面的流體通道
設置擴散介質層，并將MEA設置在兩層擴散介質層之間以定義出燃料電池。燃料電池組是多^括夾持在兩個相對雙極板之間的MEA和兩個擴散介質層的
燃料電池。
單極板10包括發生燃料電池電化學反應的活性區域12。斜及板10的夕卜邊緣限定出包括各種歧管的集管區域14，空氣、MM料和冷卻流體M從該歧管流入到燃料電池中，并且陽極廢氣、陰極廢氣和被加熱的冷卻流體通過該歧管排出至,料電池纟M卜。特另哋，單極板10包括陰極輸入歧管16、 18和20和陰極出口歧管22、 24和26。而且，集管區域14包括陽極入口歧管28和陽極出口歧管30。而且，集管區域14包括冷卻流體入口歧管32和34以及冷卻流體出口歧管36和38。密封區域40提供可以設置密封來密封活性區域12中的 通道和各種歧管的區域。
單極板10是單片模制結構。由于單極板10需要從電化學反應傳導電能，因此僅特定的材料是合適的板10的成分。在一個實施例中，材料是包括石墨顆粒、熱固性樹脂，例如乙烯酯，和維持石墨顆粒懸浮在板10中的填料的主體模偉愎合物(BMC)。主術莫制復合物的裝料方嫘在加熱到特定驗(例如400下)的模具中。模頭相對裝料壓制來促使裝料流入模具的所有區，提供斜及板10的跳
一旦模制成單極板，那么進行修邊步驟來從集管區域14的各種開口和沿集管區域14的驗除去多余的材料。接下來，單極M行從樹及板的兩側除去薄
的樹脂富集的夕卜層的刮擦(scuff)操作。己經發m^t于模制Mi呈的結果，石墨
顆粒可能從模制板的表面除去，這增加了它的接觸電阻。因此， 一般除去單極板的夕卜表面來提高導電性是必要的。刮擦操作之后，單極板粘接在一起以形成隨后組裝在燃料電池組中的完整的雙極板。
單極板通常很薄，為lmm級。而且，形鵬用賴管區域14中的入口和出口歧管的幾個幵口產生單極板10容易爆裂和/或,的區域。由于存在幾個加工單極板10的操作步驟，因此單極板將在集管區域14損壞的可能是顯著的。因此，期望不顯著增加電池組或組裝M^呈的成本的情況下，增加集管區域14的賺。
6本發明確認集管區域14不需對專導燃料電池組運行的電能。因此，本發明 將在單極板10的集管區域14添加非導電但是高3破的材料。在一個實施例中， 高強度材料是沖切成集管區域14形狀的預制^A物。在模制過程中，預制拴 嵌入物粘接或固定到主體模制復合物。在一個實施例中，預制m^物的增強 材料是玻璃纖維織物。然而，本領域技術人員可以理解，可以等價地使用其它 材料。
圖2是根據本發明一個實驗案的模制斜及板10的模具50的剖刑艦圖。 模具50包括模具空腔基底部分52和可移動模具插塞(plug) 54，可移動模具插 塞54將主體模制復合物60壓制成模具50的形狀。在關閉模具50之前，將預 制imA物56設置在模具空腔基底結構52中的適當雌。而且，鄰接預偉膀 !^A物56設置模具肋板58以防ihi體模制復合物60在模制過程中流入到預制 拴56下面。在一個實施例中，模制肋板58體在密封通道處以在模制逝呈中 限定出密封鵬，密封鵬在密封區域40用于密封。當模制插塞54被J1A下 到主1^莫制復合物裝料中時，主鵬制復合物60將展幵填充模具空腔，并艦 模具肋板和預制拴^A物56。模制過程產生的熱和壓力使主體模制復合物60 固化到預制^A物56以使得當被從模具中移除時，預制^\物56延伸到 其它區域14周圍。
預制^A物56可以通過由適當的熱固性樹月舒跌-浸漬細玻璃纖維織物 高固化度來制備。預制^A物56可以il31真空保持到固定裝置，來將其 方爐在模具空腔基底部分52， ^!tb該預制^A物56 M接觸粘到熱鋼上。
期望主體模制復合物(component) 60和預制^A物56的熱膨脹系數幾 乎相等。特別是，期望當板10的溫度增加時防止由于熱膨脹系數不同產生的單 極板10巻曲。主體模制復合物60的熱膨脹系數應當是已知的，因此可以設定 預制m^物56與其熱膨脹系數相匹配。可以將各種糊添加到預制拴^A物 56的樹脂中來微調熱膨脹系數以與主體模制復合物60的熱膨脹系數相匹配。
用于特定單極板模制所需的預制拴嵌入物數量依賴于單極板的形狀和結 構。單極板10可以需要兩個預制m^物， 一個用于板10包括開口22、 24、 26、 28、 32和34的一端， 一個用于單極板10包括開口 16、 18、 20、 30、 36 和38的另一端。其它單極板設計可以需要更少或更多預制^A物。在一個非 限定性實施例中，預制拴^A物56的厚度是單極板10總厚度的大約三分之一。例如，如果單極板10是大約1 mm，那么預制^A物56的厚度可以是大約 03 ram。
前述的討論和描述僅是本發明的示例性實施例。本領域技術人員從這些討 論以及從附圖和權利要求容易地認為作出各種變化、修改和變形不脫離附帶的 權利要求限定的本發明的精神和范圍。
權利要求
1、一種模制用于燃料電池組的復合單極板的方法，所述方法包括提供至少一個預制拴嵌入物；將該預制拴嵌入物設置在模具中以使其定位在模制單極板的集管區域；將主體模制復合物裝料放置在模具中；以及壓制主體模制復合物裝料來將主體模制復合物模制為模具的形狀，并使其固化到預制拴嵌入物。
2、 根據權利要求1的方法，其中提供至少一個預制拴^A物包括提供浸漬 有玻璃纖維織物的熱固性樹脂。
3、 根據權利要求l的方法，其中提供至少一個預制拴^A物包括提供至少 一個具有模制的復合單極板總厚度的大約三分之一厚度的預制MA物。
4、 根據權利要求的方法，其中I^共至少一個預制拴^A物包括提供至少--個熱膨脹系數與主體模制復合物的熱膨脹系數相同的預制m^物。
5、 根據權利要求l的方法，其中提供至少一個預制^A物包括提供多個與單極板所有陽極入口歧管、陽極出口歧管、陰極入口歧管、陰極出口歧管、冷卻流體入口歧管和冷卻流體出口歧管相配合的預制^A物。
6、 根據權利要求1的方法，還包括在模制單極板之前，在模具中鄰近預制m^物處設置模具肋板以防止主體漠制復，流入到預制拴^A物的下面。
7、 根據權利要求6的方法，其中模具肋板設置在模具的限定復合單極板密封區域的位置。
8、 根據權利要求1的方法，其中主體模制復^t/包括懸浮在熱固性樹脂中的石墨顆粒。
9、 一種用于燃料電池組的單極板，包括限定出活性區域、集管區域和該活性區域與集管區域之間的密封區域的復合體部分；以及至少一個固化至集管區域中的復合體部分來增加集管區域強度的預制, 入物o
10、 根據權利要求9的單極板，其中至少一個預制拴^A物由非導電性材料制成。
11、 根據權利要求10的單極板，其中至少一個預制拴^A物是浸漬有玻璃 纖維織物的熱固性樹脂。
12、 根據權利要求9的單極板，其中至少一個預制拴嵌入物和復合體部分 具有大致相同的熱膨脹系數。
13、 根據權利要求9的單極板，其中復合體部分是懸浮在熱固性樹脂中的
14、 根據權禾腰求9的斜及板，其中集管區域包括陰^A口歧管、陰極出 口歧管、陽極入口歧管、陽極出口歧管、歧管中的)ti卩流體和H^卩流體出口歧管。
15、 根據權利要求9的單極板，其中至少一個預制m^物的厚度為單極板總厚度的大約三分之一。
16、 根據權利要求9的單極板，其中至少一個預制m^物是多個預制拴駄物。
17、 一種用于燃料電池組的單極板，包括限定出活性區域、集管區域和該活性區域與集管區域之間的密封區域的復合體部分；以及至少一個固化至集管區域中的復合體部分來增加集管區域強度的預制,入物，所述預制m^物是浸漬有玻璃纖維織物的熱固性樹脂，其中預制拴嵌入物和復合體部分具有大致相同的熱膨脹系數。
18、 根據權利要求9的斜及板，其中至少一個預制拴^A物的厚度為單極板總厚度的大約三分之一。
19、 根據權利要求9的斜及板，其中至少一個預制^A物是多個預制拴駄物。
全文摘要
一種模制燃料電池組用復合單極板的方法，該方法增加了板的集管區域的強度。高強度、不導電的預制拴嵌入物設置在被成形為集管區域結構的模具中，集管區域包括限定多個入口和出口歧管的開口。將主體模制復合物裝料設置在模具中，并在高熱下壓制使得主體模制復合物分散在模具中，并覆蓋預制拴嵌入物以使預制拴嵌入物固化到主體模制復合物。
文檔編號H01M4/88GK101465427SQ200710300370
公開日2009年6月24日 申請日期2007年12月21日 優先權日2006年12月21日
發明者H·G·基亞, J·N·歐文斯 申請人:通用汽車環球科技運作公司