專利名稱：改進的雙極板隔離器的制作方法
背景技術：
本發明涉及燃料電池組件，特別涉及用在這種燃料電池組件中的改進的雙極隔離器。
在一種典型的燃料電池組件中，是將各個燃料電池單元一個疊在另一個之上以形成一疊式燃料電池堆。每個燃料電池單元包括一夾在陽極和陰極部件之間的電解質部件。而陽極和陰極部件本身又包含陽極和陰極電極，以及波紋狀的陽極和陰極集流器。陽極電極的一個面靠緊電解質部件，而另一面靠緊陽極集流器。同樣，陰極電極的一個面靠緊電解質單元，而另一面靠緊陰極集流器。
此外第一和第二隔離器板分別靠緊陽極和陰極集流器。該隔離器板為雙極，其特點是有一個可與氧化劑氣體相容的陰極面和一個可與燃料氣體相容的陽極面。于是，這樣設置第一隔離器板，使其陽極面靠緊陽極部件的陽極集流器。同樣，設置第二隔離器板，使其陰極面靠緊陰極單元的陰極集流器。第一和第二隔離器板以相鄰的陽極和陰極集流器組成陽極和陰極氣體通道。這些氣體通道接收相應的燃料氣體和氧化劑氣體，并由燃料電池將這些氣體化學轉換成電能。第一和第二雙極隔離器組成一個完整的燃料電池單元的同時，在疊式燃料電池堆中每個對前一個和后一個燃料電池單元還起著雙極隔離器的作用。這樣以來，對第一隔離器板來說，其陰極面將靠緊前一燃料電池單元的陰極單元的陰極集流器。對第二隔離器板來說，其陽極面將靠緊后一燃料電池單元的陽極單元的陽極集流器。
在目前仍使用的一種雙極隔離器中，其隔離器包括一在一個表面上涂一層鎳的不銹鋼。該板的不銹鋼表面是與氧化劑氣體相容的表面，而涂鎳表面是與燃料氣體相容的表面。一般來講，制造這種板的價格昂貴且彎曲工藝復雜，要求板的四邊每一邊單獨彎曲。
在鎳表面朝上的情況下，將相對的第一和第二邊向上彎卷，以使其形成兩個軌道，并使每個軌道的不銹鋼表面朝外。這兩個軌道由電解質單元形成濕密封裝置，從而防止燃料氣體從陽極單元泄漏。在所形成的這種不銹鋼濕密封裝置上涂敷一鋁化層，以保護與電解質基體接觸的這些表面，使其不被過分腐蝕。該濕密封裝置也保護了陰極單元的不銹鋼表面在與燃料氣體接觸時不受腐蝕。此外，外界的大氣環境對這些軌道無不利影響，因其鋁化的不銹鋼表面與氧化劑氣體是相容的。
隔離器板的第三和第四邊向下彎卷，形成另外兩個軌道，軌道的涂鎳表面朝外或將其暴露在外。這兩個軌道也由電解質單元形成濕密封裝置，以防止氧化劑氣體從氧化劑氣體單元泄漏，并保護位于陽極部件中的鎳表面不與氧化劑氣體接觸。然而，盡管這些軌道被保護起來不與陰極單元中的氧化劑氣體接觸，但該軌道的鎳表面仍然暴露在外界大氣環境中。如果允許這種情況發生，則大氣中的氧化劑氣體會氧化和腐蝕鎳涂敷層。在鎳表面直接涂敷鋁化物涂層被證明是不成功的，這是因為形成了不穩定的鋁化鎳化合物，該化合物在燃料電池工作時會剝落下來。
因此，為防止上述情況發生，要把鎳涂層從軌道表面上去除，使下面與電解質的氧化劑氣體相容的不銹鋼露出來，然后將其進行鋁化，以防止被電解質腐蝕。然而，去除鎳涂敷層的處理是昂貴的，而且一般來說對環境有不利的影響。通常使用的工藝過程是化學腐蝕。
如所意識到的那樣，上述的從板上去除鎳涂敷層和彎曲雙極板的生產過程會增加每塊板的總成本，從而增加每個燃料電池單元的成本。少用或不用這些生產過程對燃料電池制造商會大有好處。制造燃料電池單元所遇到的另一個困難是電解質損耗或分布不佳。當把大量的燃料電池單元組裝成一疊式燃料電池堆時，特別容易發生這樣的情況。燃料電池組工作時，由于蒸發、與腐蝕產物反應以及從疊式燃料電池堆的正(陰)極端向負(陽)極端的蠕動或遷移，燃料電池單元會遭受電解質損耗。電解質的這種移動的結果，會使疊式燃料電池堆的正端的燃料電池單元處于電解質的“缺乏”狀態，而在負端的燃料電池單元則被過剩的電解質“淹沒”，這兩種情況都會降低燃料電池(和疊式燃料電池堆)的性能，最壞的情況是縮短有效工作壽命。
一般，在疊式燃料電池堆組裝之前，將燃料電池的電解質存儲在燃料電池單元的一個或所有兩個電極孔隙腔中。這時，燃料電池中電解質的量要取決于電解質孔隙腔所能容納的量。依據典型的燃料電池設計，電解質模擬研究預計，這個量對工作40,000小時的燃料電池來講是不夠的。可以將一些電解質存儲在陰極這邊的波紋狀的集流器中，然而這樣做的結果是，由于燃料電池工作環境改變時會引起燃料電池壓力和管路回壓增高，從而增加氧化劑氣體的流動阻力。如果過剩的電解質沒有被活性部件吸走，還可能造成波紋狀材料的加速腐蝕。因此，非常需要在每個燃料電池單元中提供這樣一個部件，能夠對在燃料電池工作期間遭受電解質損耗的燃料電池單元提供一個電解質的“蓄水庫”，或對獲得電解質的燃料電池單元提供一個由電解質吸收材料做的“滲坑”。
因此，本發明的目的是提供一種能克服上述缺點的燃料電池單元中所用的雙極隔離器。
本發明的另一個目的是提供一種易于制造同時抗腐蝕的雙極隔離器。
本發明的又一個目的是提供一種有助于疊式燃料電池堆中電解質控制的雙極隔離器。
發明概述根據本發明的原理，在一個雙極隔離器中實現了上述以及其他目的。該隔離器由一塊平板組成，該平板有相對的分別與燃料氣體和氧化劑氣體相容的第一和第二表面。該平板由中心區、從中心區的第一和第二相對邊延伸出來的第一和第二相對槽以及從中心區的第三和第四相對邊延伸出來的第三和第四相對槽形成。
在第三和第四邊區域中，該中心區被彎卷，使得第三和第四槽相對，并鄰近中心區。隔離器的第一表面限定了中心區的第一表面的大小和隔離器槽的內表面的大小。同樣，隔離器的第二表面限定了中心區相對的第二表面的大小和槽的外表面的大小。
由于雙極隔離器的這種結構，所以隔離器可以通過沖壓或壓延和一次性彎曲成形。此外，隔離器的軌道由槽形成，暴露在大氣環境中的這些槽的表面由與氧化劑氣體相容的第二表面組成。因此，無需進行去除隔離器材料的處理。從而可得到簡單而廉價的雙極隔離器。
按照本發明的另一個方面，雙極隔離器的第一和第二槽適于允許電解質散失或吸收。特別是這些槽配備有孔，通過這些孔在散失時能把電解質傳遞出去，吸收時能接收電解質。對于積蓄過量電解質的燃料電池單元來講，可以把電解質吸收材料安置在第一和第二槽中。這樣，過量的電解質通過孔滲入槽中并被吸收。另一方面，對耗盡電解質的燃料電池單元來說，過量的電解質可處于槽中，當該燃料電池單元中的電解質耗盡時，通過孔滲入電解質。
附圖簡述在參照附圖閱讀了下面的詳細描述以后，本發明的上述和其它特征與方面將會更為清楚，其中，
圖1A和1B表示根據本發明原理的雙極隔離器；圖2表示描繪形成圖1A和1B雙極隔離器步驟的流程圖；而且圖3表示使用圖1A和1B所示的雙極隔離器的燃料電池單元的形成。
發明詳述圖1A和1B表示根據本發明原理的雙極隔離器1。如圖所示，隔離器1由具有第一和第二表面2A和2B的平板2組成。第一表面與燃料氣體(如氫氣)環境相容，而第二表面與氧化劑氣體環境相容。一般地說，板2可由與氧化劑氣體相容的不銹鋼做成，該不銹鋼具有一與燃料氣體相容的層壓薄板或涂敷層，如鎳，從而形成第一表面。
如圖所見，板2包含一個中心區3，該中心區具有第一和第二相對邊3A和3B，以及第三和第四相對邊3C和3D。由每個相對邊伸展出一個槽或似匣區。這樣，相對邊的槽4A和4B是分別由邊3A和3B伸展出來的，相對邊的槽4C和4D是分別由邊3C和3D伸展出來的。這樣，與隔離器1的燃料氣體相容的表面2A限定了中心區一個表面的大小和槽4A-4D內表面的大小。同樣，與隔離器1的氧化劑氣體相容的表面2B限定了中心區另一表面的大小和槽4A-4D外表面的大小。
如圖1B所示，在中心區3的邊3C和3D處沿折疊線5A和5B也將槽4C和4D朝上彎卷。這樣一來，位于所完成的隔離器1中邊3C和3D處的這些槽相互面對并靠緊中心區3。
由于雙極隔離器1的這種結構，槽4A和4B形成軌道，該軌道當隔離器用于燃料電池單元中時將形成陰極單元的濕密封。同樣，槽4C和4D形成的軌道將形成燃料電池單元的陽極單元的濕密封。此外，由于形成該隔離器的這種方式，暴露在外界大氣環境中的軌道的全部表面均是第二表面的一部分，也就是說是不銹鋼的，因而，是與氧化劑氣體相容的。其結果是可保持濕密封區域的抗腐蝕性，而不需要從隔離器去除任何鎳涂層。
圖1A和1B的隔離器板可由簡單的沖壓或壓延工藝制造，并同時結合或隨后進行一次有限的彎曲操作。因只有中心區3的邊3C和3D需要彎曲，故該板只需要沿二個方向加大尺寸。此外，由于軌道全部外露表面均是與氧化劑氣體相容的材料，故軌道不需要再做處理。圖2表示制造隔離器板的加工步驟。第一步，首先裁剪金屬胚料。裁好的胚料然后送去沖壓和折彎，以形成槽4A-4B和4C-4D，并將這些槽折彎到位。隨后，焊接相鄰槽的角縫，然后把外露的軌道表面進行鋁化，以使與氧化劑氣體相容表面還具有抗腐蝕性。這樣就完成了板的加工。
圖3表示包括由如圖1A和1B所示的上和下雙極板1的燃料電池單元10。該燃料電池單元還包含一個由陰極電極11A和陰極集流器11B組成的陰極單元，其陰極集流器11B有一個靠在陰極電極一個表面上的表面。陰極單元11延伸到等于上邊的雙極隔離器1的中心區3的長度和寬度，特別是該單元的縱向兩端靠緊槽4A和4B，橫向兩端伸展到中心區3的邊3C和3D。陰極單元11的高度與槽4A和4B的高度相等，這樣，單元11和槽就形成同一平接的表面。電解質基體或板12靠緊并伸展到等于此整個表面。由陽極電極13A和波紋形的陽極集流器13B組成的陽極單元13位于基體單元12之后。陽極電極13A的一個面靠緊基體12，而另一個面靠緊并支撐著陽極集流器13B的一個表面。陽極集流器13B的另一個表面則坐落在下面的隔離器板1的中心區3上。
陽極單元13在下面的隔離器板1上的槽4C和4D之間橫向伸展，并沿縱向伸展到該板中心區3的兩端3A和3B。隔離單元14和15裝入后者的槽中，以便使其與隔離器板1的中心區3在同一平面上。
隔離單元14和15包括由固體鎳或因康鎳合金板材作成的隔離器片14A和15A以及集流器片14B和15B。元件14B和15B具有足以容納槽4A和4B的高度。
陽極單元13位于由隔離器板的中心區3和隔離單元14和15的平表面14A和15A組成的平表面上。陽極單元13的陽極電極13A有一個用以固定電解質基體下表面的平表面。如所預想的那樣，上邊的隔離器板1的槽4A和4B以及下邊的隔離器板1的槽4C和4B起著軌道作用，這些軌道的表面與基體12形成濕密封。這些濕密封同樣也防止氧化劑氣體和燃料氣體從陰極和陽極單元和隔離器板構成的氣室中泄漏，從而防止氣體的互通和從燃料電池單元泄漏。此外，軌道的暴露表面均由與氧化劑氣體相容的材料即鋁化不銹鋼作成，因此，它具有極高的抗環境中的氣體的氧化和腐蝕性。
根據本發明的另一個方面，本發明的雙極隔離器還適于增進對燃料電池單元的電解質的控制。這表示在圖3中，其中上邊和下邊的雙極隔離器1上的槽4A和4B適于既允許把電解質散發到燃料電池單元的電解質基體中，也允許從燃料電池單元的電解質基體中吸收電解質。因此圖3中的每個隔離器1上的槽4A和4B均有通孔6，該通孔提供了一種可以把電解質滲入基體12或從基體12滲出的措施。
如把燃料電池單元10放置在如電池堆正的(陰極)一側的電池單元將處于電解質缺乏狀態的燃料電池堆中，則電解質會充填槽4A和4B。在這種情況下，對燃料電池單元10來講槽將起著一種容器的作用，且當燃料電池單元的基體12中的電解質減少時，電解質將通過孔6吸入。用于填充槽4A和4B的電解質可以是粉沫狀、顆粒狀或漿糊狀的。另外，可以將其裝入具有一定孔結構的多孔陶瓷床中，以便該燃料電池單元在其整個工作壽命之中需要時，把電解質供給燃料電池單元10。通過將這種陶瓷材料的多孔結構做得比基體12稍大，將通過孔6在最需要電解質的濕密封區將電解質吸入到基體12中。這種情況的發生對過剩電解質性能敏感的陽極和陰極單元無不利影響，從而維持燃料電池工作時整個孔腔充滿電解質。
按照這種方式，需要時可把電解質釋放到基體12中，而不會由于疊式燃料電池堆開始工作時電解質供給量過剩淹沒燃料電池單元10。基于一般的設計，計算得出可以這種方式多存儲工作40000小時的燃料電池所用的電解質總量的5％-8％的電解質。另外，如把燃料電池單元10放置在如電池堆負的(陽極)一側被電解質淹沒的疊式燃料電池堆中，則槽4A和4B可以用電解質吸收材料(如陶瓷)做的多孔件填充，以起到吸收過剩電解質的作用。典型的陶瓷材料是γ-LiAlO2或Al2O3。
把多孔陶瓷元件的多孔結構做得比電解質基體稍大點，基體12中過剩的電解質就會通過孔6滲入到陶瓷件的孔表面中，這樣，陶瓷件對過剩電解質就起到滲坑作用，從而防止電極被淹沒及性能降低的后果。
應當理解，在所有情況下，上述結構只是對代表本申請多種可能的具體實施方案的說明。根據本發明的原理可以比較容易地作出許多其它各種結構，而不偏離本發明的構思與范疇。
權利要求
1.一種供給以燃料氣體和氧化劑氣體的燃料電池所采用的雙極隔離器，其包括一具有相對的分別與燃料氣體和氧化劑氣體相容的第一和第二表面的平板，所述平板還有一中心區、相對的第一和第二槽區以及相對的第三和第四槽區，而且第一和第二槽區是從所述中心區相對的第一和第二邊延伸出來的；第三和第二四槽區是從所述中心區的相對的第三和第四邊延伸出來的，所述平板的第一表面限定了所述中心區的一個表面的大小以及所述第一、第二、第三和第四槽區內表面的大小；所述平板的第二表面限定了所述中心區與前一表面相反的另一表面的大小以及第一、第二、第三和第四槽區外表面的大小；且在所述第三和第四邊將所述中心區彎曲，以使所述第三和第四槽區彼此相對和靠緊所述中心區的一個表面。
2.根據權利要求1的雙極隔離器，其中所述第一表面包含鎳，所述第二表面包含不銹鋼。
3.根據權利要求1的雙極隔離器，其中一或多個所述第一和第二槽區包含一些通孔。
4.根據權利要求3的雙極隔離器，其中一或多個所述第一和第二槽區適于通過所述通孔吸出電解質的方法來擴散電解質。
5.根據權利要求4的雙極隔離器，還包括配置在一或多個所述第一和第二槽區中的電解質。
6.根據權利要求5的雙極隔離器，還包括配置在一或多個所述每個第一和第二槽區中的多孔陶瓷床，該床含有所述電解質，并使配置有多孔陶瓷床的槽區中的電解質得以保持。
7.根據權利要求3的雙極隔離器，還包括第一和第二隔離單元，適于安置在所述第一和第二槽區中，每個隔離單元包括通道裝置。
8.根據權利要求3的雙極隔離器，其中一個或多個所述第一和第二槽區，適于通過上述通孔吸入電解質來吸收電解質。
9.根據權利要求8的雙極隔離器，還包括配置在所述一個或多個第一和第二槽區中的適于吸收電解質的電解質吸收材料。
10.根據權利要求9的雙極隔離器，其中所述電解質吸收材料為陶瓷。
11.根據權利要求10的雙極隔離器，其中所述陶瓷是γ-LiAlO2或Al2O3陶瓷。
12.根據權利要求1的雙極隔離器，其中所述平板是矩形；所述中心區是矩形；所述第一和第二槽區位于所述矩形中心區的第一對相對邊上，以及所述第三和第四槽區位于所述矩形中心區的第二對相對邊上。
13.一種適于供給以氧化劑氣體和燃料氣體的燃料電池組件，包括至少有一個第一雙極電離器，每個雙極隔離器包括一具有相對的分別與燃料氣體和氧化劑氣體相容的第一和第二表面的平板，所述平板還有一中心區、由所述中心區相對的第一和第二邊延伸出來的相對的第一和第二槽區，和由所述中心區相對的第三和第四邊延伸出來的相對的第三和第四槽區；所述平板的所述第一表面限定了所述中心區一個表面的大小和第一、第二、第三、第四槽區內表面的大小；所述平板的第二表面限定了所述中心區的另一個表面的大小和所述第一、第二、第三、第四槽區外表面的大小；在所述第三和第四邊上將所述中心區彎曲，以使第三和第四槽區相對及靠緊所述中心區的所述一個表面；陽極單元伸展到所述第一和第二槽區的兩端，并且延伸在所述第一雙極隔離器所述平板上的所述第三和第四槽區之間；所述陽極單元面向所述第一雙極隔離器所述平板的所述第一表面，由此而為所述陽極單元限定接收燃料氣體的通道。
14.根據權利要求13的燃料電池組件，還包括一電解質單元，靠緊所述陽極單元，并伸展到所述第一雙極隔離器平板上的所述第一和第二槽區兩端和延伸到所述第一雙極隔離器平板的所述中心區的第三和第四邊上；一靠緊所述電解質單元的陰極單元，所述陰極單元延伸在所述第一和第二槽區之間，并延伸到所述第一雙極隔離器平板的中心區的第三和第四邊上。
15.根據權利要求14到的燃料電池組件，其中所述第一雙極隔離器的所述平板的所述第一表面包含鎳，而且所述第一雙極隔離器的所述平板的所述第二表面包含不銹鋼。
16.根據權利要求14的燃料電池組件，其中所述第一雙極隔離器的所述平板的一個或多個所述第一和第二槽區包含一些通孔。
17.根據權項16的燃料電池組件，其中所述第一雙極隔離器的所述平板的一個或多個所述第一和第二槽區適于通過所述孔吸取電解質來擴散電解質。
18.根據權利要求17的燃料電池組，還包括配置在所述第一雙極隔離器的所述平板的所述一或多個第一和第二槽區中的電解質。
19.根據權利要求18的燃料電池組件，還包括配置在所述一個或多個第一和第二槽區每個中的多孔陶瓷床，該床含有所述電解質，并使配置有所述床的槽區中的電解質得以保持。
20.根據權利要求16的燃料電池組件，其中所述陽極單元包括延伸在所述第一雙極隔離器的所述平板的所述第一和第二邊之間的第一扇形片(segment)；而且第一和第二隔離器片靠緊并安裝在所述第一雙極隔離器的所述平板的所說第一和第二槽區中；所述第一扇形片和第一及第二隔離器片彼此在同一平面上。
21.根據權利要求16的燃料電池組件，其中所述第一雙極隔離器的所述平板的一個或多個所述第一和第二槽區，適于通過所述通孔吸入電解質來吸收電解質。
22.根據權利要求21的燃料電池組件，還包括配置在所述一個或多個所述第一和第二槽區中適于吸收電解質的電解質吸收材料。
23.根據權利要求22的燃料電池組件，其中所述電解質吸收材料為陶瓷。
24.根據權利要求23的燃料電池組件，其中所述陶瓷是γ-LiAlO2或Al2O3陶瓷。
25.根據權利要求14的燃料電池組件，其中所述第一雙極隔離器的所說平板為矩形；所述第一雙極隔離器所述平板的所述中心區為矩形；所述第一和第二槽區位于所述矩形中心區的第一對相對邊上；而且所述第三和第四槽區位于所述矩形中心區的第二對相對邊上。
26.根據權利要求14的燃料電池組件，其中所述陽極單元包括陽極電極和連接到所述陽極電極上的陽極通道裝置，所述陽電極靠緊所述電解質單元，而且所述陽極通道裝置靠緊所述第一雙極隔離器所述第一表面，由此限定了容納燃料氣體的通道；而且所述陰極單元包括陰極電極和連接到所述陰極電極上的陰極通道裝置，所述陰電極靠緊所述電解質基體單元。
27.根據權利要求26的燃料電池組件，其中第二雙極隔離器鄰近上述陰極單元，所述第二雙極隔離器的第二表面靠緊陰極通道裝置，由此限定接收氧化劑氣體的通道。
28.根據權利要求27的燃料電池組件，其中所述陽極通道裝置由陽極集流器組成，所述陰極通道由陰極集流器組成。
29.根據權利要求27的燃料電池組件，其中所述陽極單元和陽極通道裝置被分割在第一扇形片和第一及第二隔離器片中，所述第一扇形片靠緊所述第一雙極隔離器的所述中心區，而且第一和第二隔離器片靠緊并安裝在所述第一雙極隔離器所述平板的第一和第二槽區中。
30.根據權利要求29的燃料電池組件，其中所述扇形片和第一第二隔器片以及雙極板的陽極單元的中心區均位于同一平面。
全文摘要
一種雙極隔離器(1)由一平板(2)組成,該板有相對的分別與燃料氣體和氧化劑氣體相容的第一和第二表面(2A和2B)。平板(2)由中心區(3)、相對的第一和第二槽(4A和4B)和相對的第三和第四槽(4C和4D)組成。第一和第二槽是由中心區(3)的相對第一和第二邊(3A和3B)延伸出來的。而且第三和第四槽是由中心區(3)的相對第三和第四邊(3C和3D)延伸出來的。在第三和第四邊處,將中心區(3)向上彎卷,以便使第三和第四槽(4C和4D)相對及接近中心區(3)。隔離器(1)的第一表面(2A)限定了中心區(3)第一表面的大小和隔離器(1)的槽(4A和4D)內表面的大小。同樣,隔離器(1)的第二表面(2B)限定了中心區(3)的第二相對表面的大小和槽(4A－4D)外表面的大小。
文檔編號H01M8/04GK1255241SQ97198477
公開日2000年5月31日 申請日期1997年9月9日 優先權日1996年10月2日
發明者默哈邁德·法洛克, 喬爾·戴維德·多永, 米切爾·托馬斯·普里默拉諾, G·B·科比·米查姆 申請人:能量研究公司