專利名稱：用于復合燃料電池堆的不可透過的低接觸電阻墊片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及一種燃料電池堆，且特別是，本發(fā)明涉及一種包括位于燃料電池堆的兩端處的不可透過的低接觸電阻墊板以防止透過復合單極板的冷卻流體對位于燃料電池堆端部處的端子板產(chǎn)生侵蝕的燃料電池堆。
背景技術(shù)：
氫由于其清潔以及可用于在燃料電池中高效發(fā)電的性能而是一種非常有吸引力的燃料。氫燃料電池是包括陽極和陰極以及位于其間的電解質(zhì)的電化學裝置。陽極接收氫氣且陰極接收氧或空氣。氫氣在陽極產(chǎn)生離解以產(chǎn)生自由氫質(zhì)子和電子。氫質(zhì)子通過電解質(zhì)到達陰極。氫質(zhì)子在陰極與氧和電子進行反應(yīng)以產(chǎn)生水。來自陽極的電子不能通過電解質(zhì)，且因此在被傳送至陰極之前被引導通過負載而作功。
質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)是一種普遍采用的用于車輛的燃料電池。質(zhì)子交換膜燃料電池通常包括固體聚合物電解質(zhì)質(zhì)子傳導膜，如全氟磺酸膜。陽極和陰極通常包括擔載在碳顆粒上且與離聚物混合在一起的極細分散的催化顆粒，所述催化顆粒通常為鉑(Pt)。催化混合物被沉積在膜的相對側(cè)上。陽極催化混合物、陰極催化混合物和膜的組合限定出膜電極組件(MEA)。膜電極組件的制造成本相對較為昂貴且需要特定條件以實現(xiàn)有效操作。
多個燃料電池通常被組合在燃料電池堆中以產(chǎn)生所需功率。例如，用于車輛的典型燃料電池堆可具有兩百或更多疊置在一起的燃料電池。燃料電池堆接收陰極輸入氣體，所述陰極輸入氣體通常為在壓縮機的作用下受力通過燃料電池堆的空氣流。燃料電池堆并未消耗所有的氧且一些空氣作為陰極排氣被輸出，所述陰極排氣可包括作為燃料電池堆副產(chǎn)物的水。燃料電池堆還接收陽極氫輸入氣體，所述陽極氫輸入氣體流入燃料電池堆的陽極側(cè)。
燃料電池堆包括位于燃料電池堆中的多個膜電極組件之間的一系列雙極板。雙極板包括用于燃料電池堆中的相鄰燃料電池的陽極側(cè)和陰極側(cè)。陽極氣體流道被設(shè)置在雙極板的陽極側(cè)上，所述陽極氣體流道允許陽極反應(yīng)劑氣體流至相應(yīng)的膜電極組件。陰極氣體流道被設(shè)置在雙極板的陰極側(cè)上，所述陰極氣體流道允許陰極反應(yīng)劑氣體流至相應(yīng)的膜電極組件。雙極板由傳導材料如不銹鋼制成，以使得它們將由燃料電池產(chǎn)生的電力傳導出燃料電池堆。
雙極板還包括供冷卻流體流動通過的流道。在一種已公知的燃料電池堆設(shè)計中，雙極板是吸收冷卻流體且導致其泄漏進入相鄰流場內(nèi)的復合雙極板，如基于酯的壓塑成型板。
單極板被設(shè)置在燃料電池堆的兩端處，其中單極板包括位于燃料電池堆的最后的燃料電池的陰極側(cè)或陽極側(cè)處的流道。端子板被設(shè)置在燃料電池堆的單極板的相對側(cè)處，且用作燃料電池堆所產(chǎn)生電流的集電器。在某些設(shè)計中，端子板是涂覆有鎳或錫的銅板。絕緣板被設(shè)置在鄰近端子板的燃料電池堆端部處。對于由復合材料制成的那些燃料電池堆板而言，流動通過單極板中的流道的冷卻流體泄漏通過單極板且被收集在單極板與絕緣板之間的腔體中，端子板被設(shè)置在所述腔體中。冷卻流體對端子板上的涂層產(chǎn)生侵蝕，使其傳導性變得更低，這進一步導致燃料電池堆性能大大下降。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的教導，披露了一種燃料電池堆，所述燃料電池堆包括被設(shè)置在位于所述燃料電池堆的兩端處的復合單極板與端子板之間的不可透過的墊板，其中所述墊板由抗蝕性材料如不銹鋼制成。由于所述墊板是不可透過的，因此其防止了擴散通過所述單極板的冷卻流體接觸所述端子板，所述接觸要不然將對所述端子板產(chǎn)生侵蝕。所述墊板上可涂覆有傳導材料如金以降低其與所述復合板的接觸電阻。
通過以下描述和所附權(quán)利要求書并結(jié)合附圖將易于理解本發(fā)明的附加特征。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的實施例的包括不可透過的低接觸電阻墊板的燃料電池堆的端部部段的分解透視圖。
具體實施例方式
下面對本發(fā)明的實施例進行的針對一種包括防止端子板發(fā)生腐蝕的不可透過的低接觸電阻墊板的燃料電池堆的描述在本質(zhì)上僅是示例性的，且絕不旨在限制本發(fā)明的應(yīng)用或使用。
圖1是燃料電池堆10的端部部段的分解透視圖。正如上面所討論地，燃料電池堆包括重復系列的燃料電池，所述燃料電池包括具有用于燃料電池堆10中的相鄰燃料電池的陽極側(cè)和陰極側(cè)的雙極板。圖1中未示出雙極板。在燃料電池堆10的端部處，設(shè)置了復合單極板12，所述單極板包括用于燃料電池堆10中的最后的燃料電池的陰極側(cè)或陽極側(cè)的流道(未示出)。復合單極板通常包括膠粘在一起的兩個成型的半件。兩個半件限定出延伸通過板中心的平行的冷卻流體流道。在燃料電池堆10中，冷卻流體將從開口14流動通過板12中的冷卻流體通道并流出開口16。開口18和20用于陰極反應(yīng)劑氣體流且開口22和24用于陽極反應(yīng)劑氣體流。
單極板12包括被成形結(jié)合到板12的底表面上的成型的墊圈(未示出)。兩個擴散介質(zhì)層30和32通常被設(shè)置在鄰近單極板12的位置處且與雙極板相對以提供電子傳輸。設(shè)置傳導端子板34以收集由燃料電池堆10產(chǎn)生的電力，且所述傳導端子板通常為涂覆有鎳或錫的銅板。端子板34被設(shè)置在由在燃料電池堆10的端部處提供電絕緣的絕緣板36限定出的腔體內(nèi)。結(jié)構(gòu)基板(未示出)隨后將通過螺栓或類似裝置被附接到絕緣板36上以提供燃料電池堆10的最終結(jié)構(gòu)。
正如上面討論地，冷卻流體將透過復合板材。在已公知的復合板設(shè)計中，冷卻流體將擴散通過擴散介質(zhì)層30和32且被收集在端子板34周圍的腔體內(nèi)，導致對所述端子板產(chǎn)生侵蝕。根據(jù)本發(fā)明，不可透過的低接觸電阻墊板40被設(shè)置在擴散介質(zhì)層32與端子板34之間。墊板40具有與單極板12相同的構(gòu)型，且被密封靠在板12的底表面上的成型墊圈上。包括墊圈且同樣具有與墊板40相同的外部構(gòu)型的成型墊圈托板42被設(shè)置在墊板40與絕緣板36之間。因此，當對燃料電池堆10進行組裝時，墊板40被密封到單極板12的下側(cè)上，且透過單極板12朝向端子板34流動的任何冷卻流體被收集在板12與墊板40之間的腔體中，且被擴散介質(zhì)層30和32吸收。進一步地，墊板40通過墊圈托板42被密封到絕緣板36上，且因此防止冷卻流體接觸端子板34。
墊板40可由不產(chǎn)生侵蝕的任何適當材料制成。在一個實施例中，墊板40為不透過氣體或液體的不銹鋼或不銹鋼合金。適當?shù)暮辖鸢–-276、CARP20、C-625、合金22、G-35、G-30、904L不銹鋼、鈦及其合金。這些耐腐蝕材料的表面上具有氧化物鈍化膜，所述鈍化膜與氣體擴散介質(zhì)與復合板材產(chǎn)生了高的接觸電阻。因此，墊板40上可涂覆有導電材料如金、鉑、氧化釕或其混合物的薄層?？刹捎萌魏芜m當?shù)某练e工藝如等離子體氣相沉積(PVD)將傳導涂層沉積在板40上達任何適當厚度，如10nm。進一步地，墊板40可在面向端子板34的表面處具有包覆層，這可使得端子板34上不需要涂覆有鎳或錫。
根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，擴散介質(zhì)層30和32上也涂覆有傳導材料如金的薄層，以進一步降低燃料電池堆10的最終組件的接觸電阻?？刹捎萌魏芜m當工藝如PVD工藝將傳導涂層沉積在擴散介質(zhì)層30和32上達任何適當厚度。
在另一可選實施例中，墊板40由密封石墨材料如可從PocoCorporation得到的Poco Graphite制成，所述材料具有不可透過性和高導電性。在該實施例中，密封石墨墊板將不需要涂覆有外部傳導層。在另一實施例中，GrafoilTM層被設(shè)置在復合板與石墨墊板之間以便在復合板上保持良好的壓力分布且避免當將壓力施加到所述密封石墨板上時使所述密封石墨板發(fā)生破裂。
前面的討論僅披露和描述了本發(fā)明的典型實施例。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將易于通過這種討論且通過附圖以及權(quán)利要求書意識到可在不偏離由以下權(quán)利要求書限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，對本發(fā)明作出多種改變、變型和變化。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池堆，所述燃料電池堆包括被設(shè)置在所述燃料電池堆的兩端處的單極板；被設(shè)置在鄰近每塊單極板的位置處的不可透過的墊板；和被設(shè)置在鄰近每塊墊板且與所述單極板相對的位置處的端子板，所述不可透過的墊板被密封到所述單極板上以使得可透過所述單極板的冷卻流體被截留在所述單極板與所述墊板之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池堆，其中所述單極板是復合板。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池堆，其中所述墊板是不銹鋼或不銹鋼合金墊板。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池堆，其中所述墊板是鈦或鈦合金墊板。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池堆，其中所述墊板包括導電材料的外層。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的燃料電池堆，其中所述外部傳導層選自包括金層、氧化釕層、鉑層及其混合物的組群。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的燃料電池堆，其中所述外部傳導層厚約10nm。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池堆，其中所述墊板是密封石墨墊板。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池堆，其中所述墊板在面向所述端子板的側(cè)部處具有包覆層。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池堆，進一步包括被設(shè)置在所述單極板與所述墊板之間的至少一個擴散介質(zhì)層。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的燃料電池堆，其中所述至少一個擴散介質(zhì)層包括導電材料的外涂層。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池堆，其中所述燃料電池堆是車輛上的燃料電池系統(tǒng)的一部分。
13.一種燃料電池堆，所述燃料電池堆包括被設(shè)置在所述燃料電池堆的兩端處的復合單極板；被設(shè)置在鄰近每塊單極板的位置處的至少一個擴散介質(zhì)層；被設(shè)置在鄰近所述至少一個擴散介質(zhì)層且與所述單極板相對的位置處的不銹鋼或不銹鋼合金墊板，所述墊板包括外部傳導層；和被設(shè)置在鄰近所述墊板且與所述單極板相對的位置處的端子板，所述墊板被密封到所述單極板上以使得可透過所述單極板的冷卻流體被截留在所述單極板與所述墊板之間。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的燃料電池堆，其中所述外部傳導層選自包括金層、氧化釕層、鉑層及其混合物的組群。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的燃料電池堆，其中所述外部傳導層具有約10nm的厚度。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的燃料電池堆，其中所述至少一個擴散介質(zhì)層包括導電材料的外涂層。
17.根據(jù)權(quán)利要求13所述的燃料電池堆，其中所述墊板在面向所述端子板的側(cè)部處具有包覆層。
18.一種燃料電池堆，所述燃料電池堆包括被設(shè)置在所述燃料電池堆的兩端處的復合單極板；被設(shè)置在鄰近所述單極板的位置處的至少一個擴散介質(zhì)層；被設(shè)置在鄰近所述至少一個擴散介質(zhì)層且與所述單極板相對的位置處的密封石墨墊板；和被設(shè)置在鄰近所述墊板且與所述單極板相對的位置處的端子板，所述墊板被密封到所述單極板上以使得可透過所述單極板的冷卻流體被截留在所述單極板與所述墊板之間。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的燃料電池堆，其中所述至少一個擴散介質(zhì)層包括導電材料的外涂層。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的燃料電池堆，其中所述墊板在面向所述端子板的側(cè)部處具有包覆層。
21.一種燃料電池堆，所述燃料電池堆包括被設(shè)置在所述燃料電池堆的兩端處的復合單極板；被設(shè)置在鄰近每塊單極板的位置處的至少一個擴散介質(zhì)層；被設(shè)置在鄰近所述至少一個擴散介質(zhì)層且與所述單極板相對的位置處的鈦或鈦合金墊板，所述墊板包括外部傳導層；和被設(shè)置在鄰近所述墊板且與所述單極板相對的位置處的端子板，所述墊板被密封到所述單極板上以使得可透過所述單極板的冷卻流體被截留在所述單極板與所述墊板之間。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的燃料電池堆，其中所述外部傳導層選自包括金層、氧化釕層、鉑層及其混合物的組群。
23.根據(jù)權(quán)利要求21所述的燃料電池堆，其中所述外部傳導層具有約10nm的厚度。
24.根據(jù)權(quán)利要求21所述的燃料電池堆，其中所述至少一個擴散介質(zhì)層包括導電材料的外涂層。
全文摘要
一種燃料電池堆，所述燃料電池堆包括被設(shè)置在位于所述燃料電池堆的兩端處的復合單極板與端子板之間的不可透過的墊板，其中所述墊板由抗蝕性材料如不銹鋼、鈦或密封石墨制成。由于所述墊板是不可透過的，因此其防止了擴散通過所述單極板的冷卻流體接觸所述端子板，所述接觸要不然將對所述端子板產(chǎn)生侵蝕。所述墊板上可涂覆有傳導材料如金、鉑、氧化釕或其混合物以降低其接觸電阻。
文檔編號H01M8/02GK101075689SQ20071010392
公開日2007年11月21日 申請日期2007年5月15日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月15日
發(fā)明者B·安德里斯-肖特, R·M·布里斯班, 埃爾哈米德 M·H·阿布德 申請人:通用汽車環(huán)球科技運作公司