專利名稱：用于燃料電池的電接觸的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池。
背景技術(shù)：
燃料電池是使用氫作為燃料和氧作為氧化劑以生成電而無燃燒和無有害散發(fā)的能量轉(zhuǎn)換裝置。燃料電池系統(tǒng)的電壓和電流輸出依賴于組中的電池?cái)?shù)目、總的有效表面面積和效率。用于單個(gè)電池的基本過程在圖1中示出。
傳統(tǒng)的燃料電池組由堆疊在一起的許多單獨(dú)的電池10構(gòu)成，見圖2、3和4。這樣的燃料電池典型地具有一般由經(jīng)機(jī)械加工的石墨構(gòu)成的雙極性分離器板(BSP)12、膜電極組件(MEA)14、墊16、18、燃料管(fuel manifold)24，并且可具有氧化劑和冷卻劑管，見圖3和4。
為了燃料電池的恰當(dāng)操作，氫氣必須密封于電池內(nèi)并且與氣態(tài)氧化劑(空氣或氧氣)分離。在一些燃料電池中，由于在正常工作期間生成的熱而要求冷卻。該熱通常通過液體冷卻從燃料電池組中去除，通常利用水作為冷卻劑。
此外，關(guān)鍵的是BSP 12與MEA 14處于緊密、持續(xù)的電接觸。
如圖2和4中所示，燃料電池組典型地使用了“壓濾機(jī)”結(jié)構(gòu)，其中厚重的“端板”32、34置于每個(gè)燃料電池組10的端處，并且通過沉重的連桿或螺栓38和螺母40或者其他緊固件來保持在一起。
“壓濾機(jī)”結(jié)構(gòu)試圖用于兩個(gè)目的(i)密封氫、氧化劑和液體冷卻劑(如果使用)；以及(ii)在BSP 12與MEA 14之間維持緊密的電接觸，見圖2和4。通過對(duì)傳統(tǒng)方法構(gòu)建的燃料電池組的分解和分析揭示了“壓濾機(jī)”配置對(duì)上述兩個(gè)功能都進(jìn)行得不好。這樣的分析已經(jīng)揭示了BSP 12與MEA 14之間不完全電接觸、導(dǎo)致不良的電傳導(dǎo)和較低的電池性能的證明。該分析還示出了氣體和液體泄漏的證明。
為了解決維持電接觸的難題，本專利的發(fā)明人已經(jīng)開發(fā)了獨(dú)立作用的電接觸的系統(tǒng)，這些接觸能夠穩(wěn)健地維持BSP與MEA之間的接觸。這些接觸在序列號(hào)為10/068,154的美國申請(qǐng)中有所描述。該專利申請(qǐng)的全部內(nèi)容通過引用在此引入。
如下所述，本發(fā)明是允許BSP與MEA之間的更佳電接觸的進(jìn)一步改進(jìn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及燃料電池組內(nèi)的單個(gè)片狀電接觸或獨(dú)立作用的片狀電接觸的陣列。本發(fā)明通過提供基本均勻內(nèi)部負(fù)載分布以在MEA之上施加均勻的電接觸來改進(jìn)燃料電池操作。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，電接觸是借助于柔順電接觸來按壓在相鄰的燃料電池電極上的片狀體，其可采用多種形式。柔順電接觸可以各種方式連接到傳導(dǎo)的基板或BSP和該片狀體，包括電、機(jī)械或冶金的連接或其組合。
片狀接觸可以規(guī)則圖案排列，在接觸表面之間提供基本均勻的距離，或者它們可以不規(guī)則圖案排列，在接觸表面之間提供不均勻的距離。接觸可由許多傳導(dǎo)物質(zhì)構(gòu)成，包括但不限于鐵、銅、金、銀、鉑、鋁、鎳、鉻及其組合的合金。


圖1是基本的常規(guī)燃料電池過程的示意圖。
圖2是常規(guī)的PEM燃料電池組的透視圖。
圖3是單個(gè)常規(guī)PEM燃料電池的分解透視圖。
圖4是常規(guī)PEM燃料電池組的分解透視圖。
圖5a是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的單個(gè)組合式雙極性分離器板的透視圖，其示出了片狀電極接觸。
圖5b是圖5a中示出的單個(gè)組合式雙極性分離器板的背面透視圖。
圖6是圖5a中所示的單個(gè)組合式雙極性分離器板的放大透視圖。
圖7是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的組合式雙極性分離器板組的頂視圖，其示出了與相鄰電池的MEA相接觸的每個(gè)電池的片狀體。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明是用于在燃料電池中使用的片狀電接觸。片狀電接觸的目的是優(yōu)化BSP或其他電接觸與MEA之間的接觸面積。通過優(yōu)化該接觸面積，改進(jìn)了燃料電池整體的性能和效率。
本發(fā)明的片狀接觸可與許多不同種類的燃料電池一起使用。例如，本發(fā)明能夠與質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)、堿燃料電池(AFC)或磷酸燃料電池(PAFC)一起使用。為了本專利的目的起見，“片狀體(lamina)”是指用于改進(jìn)燃料電池組的電池之間電接觸的任何薄板、片或?qū)印?br> 本專利描述了本發(fā)明的一個(gè)特定實(shí)施例，該實(shí)施例使用了與序列號(hào)為09/834,389的美國專利申請(qǐng)中描述的燃料電池相似的集成和模塊化的燃料電池。該專利申請(qǐng)的全部內(nèi)容通過引用在此引入。
在這里所述的燃料電池模塊50實(shí)施例中，使用薄金屬BSP 52替代了傳統(tǒng)的石墨BSP。見圖5a、5b、6和7。盡管本發(fā)明可與傳統(tǒng)的BSP一起使用，但是本發(fā)明將更典型地與薄金屬板BSP一起使用，如本實(shí)施例中一樣。
如圖5a、5b、6和7中所示，該實(shí)施例的燃料電池模塊50具有單個(gè)薄金屬板BSP 52，在其上MEA 54和反應(yīng)物管56在合并到完整的燃料電池單元(組)80之前組裝到模塊化的單元50上。見圖5a、5b和7。在這樣的組80中，如圖7中所示，BSP 52可包含反應(yīng)物流動(dòng)圖案，并且MEA 54可在需要時(shí)具有或不具有合并的擴(kuò)散層以及分離的擴(kuò)散層。
模塊50還可具有粘性或背涂粘合劑的墊或密封58及管密封或粘合60。見圖5a或5b。圖中描繪的其它特征包括連桿開孔62、反應(yīng)物通路64和邊緣密封66。
此外，圖5至7中描繪的實(shí)施例具有用于維持BSP 52與MEA 54之間電接觸的柔順構(gòu)件70和片狀體72。在所示的實(shí)施例中，柔順構(gòu)件70是彈簧。這些柔順構(gòu)件70的陣列附著于每個(gè)BSP 52。見圖5a、6和7。
如圖5a、6和7中所示，片狀體72附著于柔順構(gòu)件70的陣列，遠(yuǎn)離BSP 52。柔順構(gòu)件70將片狀體72按壓至與鄰接的MEA 54緊密接觸，由此確保與相鄰的BSP 52的持續(xù)的電接觸，如圖7中所示。由于柔順構(gòu)件70和片狀體72，根據(jù)本發(fā)明制成的燃料電池組不需要傳統(tǒng)燃料電池組中所需的沉重端板和連桿以及大量壓縮力。
片狀體72可具有有助于燃料電池模塊中氣體流動(dòng)的孔74。見圖5a和6。這些孔可以是各種大小和形狀，范圍從小開孔到許多英寸或厘米長的大開口。利用這些孔，片狀體72不僅改進(jìn)如上所述的電接觸，而且有益地增大陰極空氣在流動(dòng)于表面之上時(shí)的湍流。
本發(fā)明的片狀電接觸方式不受應(yīng)用的大小或形狀限制。片狀體通常介于0.005″[.0127cm]與0.100″高[.254cm]之間。有賴于這里所述的構(gòu)造，電池內(nèi)片狀體上的力(例如接觸壓力)通常介于每平方英寸約10與1000磅之間。片狀體可以是1/4″×1/4″[.635cm×.635cm]那樣小(對(duì)于很小、輕、便攜的裝置，如攝像機(jī)、電影攝影機(jī)等)，到家庭、商務(wù)、大型建筑或者甚至是小型城市所需的大尺寸。
本發(fā)明的片狀體72可采用如圖5a、6和7中所示單個(gè)板的形式，或者該片狀體可以是獨(dú)立作用的片層(laminae)的陣列，每個(gè)片層附著于柔順構(gòu)件陣列的子集。
各種材料可用于這樣的片狀電接觸。不銹鋼或帶有金板的不銹鋼由于其對(duì)于與燃料電池工作相關(guān)聯(lián)的高潮濕環(huán)境的抗潮性及其抗腐蝕性而成為明顯的選擇。片狀體72可以是本領(lǐng)域的技術(shù)人員所熟悉的任何其他材料。
優(yōu)選的制造方法是蝕刻或壓印金屬傳導(dǎo)的片狀體72。片狀體72可通過本領(lǐng)域的技術(shù)人員所熟悉的其他方法來形成。然后片狀體72可通過熔焊(weld)、銅焊(braze)或焊料焊接(solder)或者經(jīng)由預(yù)先施加的焊膏來附著于柔順構(gòu)件70并使用常規(guī)電子電路板制造設(shè)備及技術(shù)來用焊料焊接，或者可僅處于機(jī)械和電接觸。柔順構(gòu)件70可通過熔焊、銅焊或焊料焊接或者經(jīng)由預(yù)先施加的焊膏來附著于BSP 52并使用常規(guī)電子電路板制造設(shè)備及技術(shù)來用焊料焊接，或者可僅機(jī)械和電接觸。
盡管這里僅示出和描述了本發(fā)明的數(shù)個(gè)實(shí)施例，但是對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員將變得明顯的是，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，在具有片狀體的柔順電極接觸中能夠做出各種改型和變化，該片狀體在完全起作用的燃料電池裝置中提供了電極之間基本上均勻或非均勻的間隔以及電極的一致電接觸。另外，這里記載的尺度、材料和過程是用于說明的目的，并非有意于排除其他尺度、材料或過程的使用。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池組件，包括雙極性分離器板，具有第一側(cè)面和第二側(cè)面；膜電極組件，附著于所述第一側(cè)面；獨(dú)立作用的柔順構(gòu)件，附著于所述第二側(cè)面；以及傳導(dǎo)性片狀電接觸，附著于所述獨(dú)立作用的柔順構(gòu)件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的燃料電池組件，還包括所述傳導(dǎo)性片狀電接觸中的孔。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的燃料電池組件，還包括附著于所述獨(dú)立作用的柔順構(gòu)件的第二傳導(dǎo)性片狀電接觸。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的燃料電池組件，還包括附著于所述獨(dú)立作用的柔順構(gòu)件之間的第三片狀電接觸。
5.根據(jù)權(quán)利要求2的燃料電池組件，其中所述獨(dú)立作用的柔順構(gòu)件包括彈簧。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的燃料電池組件，其中所述片狀電接觸形成為具有一長度的陣列，其中所述膜電極組件具有一長度，并且其中所述陣列的所述長度約等于所述膜電極組件的所述長度。
7.根據(jù)權(quán)利要求5的燃料電池組件，其中所述片狀電接觸形成為具有一寬度的陣列，其中所述膜電極組件具有一寬度，并且其中所述陣列的所述寬度約等于所述膜電極組件的所述寬度。
8.根據(jù)權(quán)利要求6的燃料電池組件，其中所述片狀電接觸形成為具有一寬度的陣列，其中所述膜電極組件具有一寬度，并且其中所述陣列的所述寬度約等于所述膜電極組件的所述寬度。
9.一種燃料電池組，包括根據(jù)權(quán)利要求1的第一組件和根據(jù)權(quán)利要求1的第二組件，其中所述第一組件的片狀電接觸與所述第二組件的膜電極組件電接觸。
10.一種片狀電接觸，用于在燃料電池組中維持獨(dú)立作用的柔順構(gòu)件與膜電極組件之間的電接觸。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的片狀電接觸，其中所述獨(dú)立作用的柔順構(gòu)件是彈簧。
12.一種用于維持燃料電池組中雙極性分離器板與膜電極組件之間電接觸的方法，包括在所述雙極性分離器板與所述膜電極組件之間設(shè)置獨(dú)立作用的柔順構(gòu)件和片狀電接觸。
13.一種燃料電池模塊，包括雙極性分離器板，具有第一側(cè)面和第二側(cè)面；膜電極組件，附著于所述第一側(cè)面；撓性裝置，用于使電接觸附著于所述第二側(cè)面；以及片狀電接觸，附著于所述撓性裝置。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的燃料電池模塊，還包括附著于所述撓性裝置的第二片狀電接觸。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的燃料電池模塊，還包括附著于所述撓性裝置的第三片狀電接觸。
16.根據(jù)權(quán)利要求13的燃料電池模塊，還包括每個(gè)所述片狀電接觸中的孔。
17.一種燃料電池組，包括根據(jù)權(quán)利要求13的第一模塊和根據(jù)權(quán)利要求13的第二模塊，其中所述第一模塊的片狀電接觸由所述撓性裝置按壓到與所述第二模塊的膜電極組件電接觸。
18.一種燃料電池組，包括根據(jù)權(quán)利要求14的第一模塊和根據(jù)權(quán)利要求14的第二模塊，其中所述第一模塊的片狀電接觸由所述撓性裝置按壓到與所述第二模塊的膜電極組件電接觸。
19.一種燃料電池組，包括根據(jù)權(quán)利要求15的第一模塊和根據(jù)權(quán)利要求16的第二模塊，其中所述第一模塊的片狀電接觸由所述撓性裝置按壓到與所述第二模塊的膜電極組件電接觸。
20.一種燃料電池組，包括根據(jù)權(quán)利要求16的第一模塊和根據(jù)權(quán)利要求16的第二模塊，其中所述第一模塊的片狀電接觸由所述撓性裝置按壓到與所述第二模塊的膜電極組件電接觸。
21.一種用于在燃料電池中使用的雙極性分離器板，包括雙極性分離器板；獨(dú)立作用的柔順構(gòu)件，附著于所述雙極性分離器板；分離器板；以及片狀電接觸，附著于所述獨(dú)立作用的柔順構(gòu)件。
全文摘要
公開了一種用于燃料電池的片狀電接觸。通過優(yōu)化分離器板與膜電極組件之間的接觸面積和壓力，本發(fā)明的片狀體改進(jìn)了燃料電池效率和性能。該片狀體可設(shè)于將該片狀體推到鄰接的膜電極組件中的柔順構(gòu)件或彈簧上，由此確保分離器板與膜電極組件之間持續(xù)和穩(wěn)健的電接觸。
文檔編號(hào)H01M8/24GK1871730SQ200480021977
公開日2006年11月29日 申請(qǐng)日期2004年5月19日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月30日
發(fā)明者杰羅爾德·富蘭克林, 埃里克·梅特勒 申請(qǐng)人:阿爾特吉系統(tǒng)公司