專利名稱：具有外部歧管的薄膜電化學(xué)電池堆疊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有以樹脂包覆的外部歧管組件的電化學(xué)電池堆疊，特別是涉及包括外部歧管的質(zhì)子交換膜燃料電池堆疊。
背景技術(shù)：
薄膜電化學(xué)電池，特別是質(zhì)子交換膜(PEM)燃料電池已是眾所周知。質(zhì)子交換膜燃料電池將化學(xué)能轉(zhuǎn)變成電能，且實(shí)際上沒有廢氣物排放至環(huán)境中，不同于一般電池，其不需儲(chǔ)存電能，僅需提供燃料即可產(chǎn)生電力。因此，燃料電池不受制于充電/放電的循環(huán)，只要持續(xù)地供應(yīng)燃料即可維持特定的電力輸出。已投入大量資金在燃料電池的研究及其商品化中，表示這項(xiàng)科技在市場(chǎng)具有可觀的潛力。不過，比起傳統(tǒng)的能量發(fā)生技術(shù)，燃料電池堆疊的高成本阻礙其在應(yīng)用上的普及。由于包含材料和人力，使得制造和組裝燃料電池的費(fèi)用昂貴。的確，高達(dá)85％的燃料電池的成本歸因于制造上。
傳統(tǒng)上，使用具有內(nèi)部歧管堆疊的燃料電池以及在其它的電化學(xué)應(yīng)用上的一個(gè)問題，就是犧牲了該內(nèi)部歧管周圍用來密封的區(qū)域。補(bǔ)救辦法是將部分或所有的歧管設(shè)置在堆疊的外部。已存在一些這樣的例子，但都面臨到在該歧管與該電池堆疊之間密封的困難。傳統(tǒng)的電池堆疊通常以襯墊和壓縮來達(dá)到密封。不幸地，以襯墊/壓縮為主的密封方式其本身具有一些缺點(diǎn)，包括對(duì)熱循環(huán)敏感、需要均勻地壓縮及相關(guān)硬件、高兼容性組件和精密組裝的需求。
一般來說，單電池質(zhì)子交換膜燃料電池是由陽極和陰極所組成，其是由可傳導(dǎo)離子的薄膜所隔開。此種具有或不具有氣體擴(kuò)散層的催化薄膜統(tǒng)通常被稱為薄膜電極組(MEA)。當(dāng)把反應(yīng)物、還原劑和氧化劑分別提供至質(zhì)子交換膜燃料電池的陽極與陰極室中，即開始能量轉(zhuǎn)換。氧化劑包括純氧、含氧的氣體例如空氣，以及鹵素例如氯。還原劑也就是所謂的燃料，包括氫氣、天然氣、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、甲醛、甲醇、乙醇、酒精摻雜物和其它富含氫氣的有機(jī)物。在陽極，還原劑被氧化產(chǎn)生質(zhì)子，質(zhì)子遷移通過薄膜到達(dá)陰極。在陰極，質(zhì)子是與氧化劑反應(yīng)。這整個(gè)電化學(xué)氧化還原反應(yīng)(還原/氧化)是自發(fā)性的，接著釋放出能量。整個(gè)反應(yīng)中，質(zhì)子交換膜用來避免還原劑與氧化劑互相混合，并允許離子交換的發(fā)生。
目前燃料電池設(shè)計(jì)的狀況是包括一個(gè)以上的電池，事實(shí)上，通常是依序組合若干個(gè)薄膜電極組、流場(chǎng)和隔板，以形成燃料電池“堆疊”；由此提供較高的電壓，以及大多數(shù)商品化應(yīng)用所需的較大的電能輸出。流場(chǎng)可使反應(yīng)物分布于整個(gè)燃料電池，而通常以燃料電池內(nèi)的多孔性電極層加以分隔。根據(jù)堆疊的組態(tài)，可利用一個(gè)或多個(gè)隔板作為堆疊設(shè)計(jì)的組件部分，以避免燃料電池堆疊內(nèi)的燃料、氧化劑和冷卻劑流的混合。此隔板也可為堆疊提供結(jié)構(gòu)支撐。
雙極板具有結(jié)合氧化劑流場(chǎng)、燃料流場(chǎng)和隔板的相同功能，并經(jīng)常用在燃料電池的設(shè)計(jì)上可減少燃料電池操作所需的組件數(shù)。雙極板在接觸薄膜電極組的薄板表面有形成陣列的渠道，其功能如同流場(chǎng)。該區(qū)域從電極傳導(dǎo)電流，其間的渠道是用以分散該燃料電池所使用的反應(yīng)物，也有助于移除反應(yīng)副產(chǎn)物，譬如水。在該雙極板的一個(gè)表面，直接通過渠道使燃料從燃料輸入端接孔分布至燃料輸出端接孔；在該雙極板的相對(duì)表面，直接通過渠道使氧化劑從氧化劑輸入端接孔分布至氧化劑輸出端接孔，而這兩個(gè)表面并未穿透板而相連接。雙極板流場(chǎng)渠道的特殊設(shè)計(jì)可優(yōu)化該燃料電池堆疊的操作參數(shù)，譬如溫度、輸出電能和氣體濕度。在燃料電池堆疊上所使用的理想雙極板，是輕薄耐用且具高傳導(dǎo)性和抗腐蝕性的結(jié)構(gòu)，譬如，碳/聚合物的復(fù)合物或石墨。在燃料電池堆疊中，每個(gè)雙極板用于透過其燃料流場(chǎng)表面，將燃料分散至堆疊的第一薄膜電極組，同時(shí)透過其對(duì)側(cè)的氧化劑流場(chǎng)表面，將氧化劑分散至第二薄膜電極組?？蓪⒕哂卸嗫仔缘募?、布或毛氈的薄片(通常是以石墨或碳所制造)放置在每個(gè)流場(chǎng)和經(jīng)催化的薄膜電極組表面之間，以協(xié)助面對(duì)流場(chǎng)溝槽的薄膜電極組將電流傳送至鄰近區(qū)域，也有助于將反應(yīng)物分散到薄膜電極組。這個(gè)薄片通常稱為氣體擴(kuò)散層(GDL)，也可以合并成為薄膜電極組的一部分。
某些堆疊組件，譬如薄膜電極組的氣體擴(kuò)散層部分必需具有多孔性，以使該反應(yīng)物和副產(chǎn)物擴(kuò)散導(dǎo)入、導(dǎo)出或留在燃料電池堆疊內(nèi)。由于該堆疊內(nèi)具有多孔性元件，因此需要一個(gè)避免任何液體或氣體在堆疊組件間泄漏(或泄漏至電池外)，并防止由于暴露在環(huán)境中所導(dǎo)致多孔性元件變干的裝置。為達(dá)此目的，通常在薄膜電極組表面和其它堆疊組件之間，以及堆疊周圍部分形成襯墊或其它密封。這些密封裝置，無論是包括人造橡膠或膠粘性材料，一般是放置在上面、裝配，成型或直接施用在特定需要密封的表面。這個(gè)過程是耗費(fèi)人力且無法用于大量制造上，因此增加了燃料電池的成本。再者，此過程的多變性導(dǎo)致產(chǎn)量減少并降低了裝置的可靠性。
燃料電池堆疊在一個(gè)或多個(gè)冷卻劑流場(chǎng)中可含有濕潤(rùn)渠道。這些濕潤(rùn)渠道在盡可能接近燃料電池的操作溫度下為濕潤(rùn)燃料和氧化劑提供了一個(gè)機(jī)制。此有助于避免質(zhì)子交換膜在氣體進(jìn)入燃料電池時(shí)的高溫差而產(chǎn)生脫水，質(zhì)子交換膜的溫度會(huì)使水氣從質(zhì)子交換膜轉(zhuǎn)到燃料和氧化劑流中。
在設(shè)計(jì)上燃料電池堆疊的排列是依據(jù)電能輸出、冷卻和其它技術(shù)上的要求，但在復(fù)雜的裝置中大量使用薄膜電極組、密封、流場(chǎng)和隔板，導(dǎo)致制造上的困難且進(jìn)一步增加了燃料電池的成本。通常這些大量的單獨(dú)組件被組裝成一個(gè)單獨(dú)的復(fù)雜單元。雖然也可使用捆綁或其它方法，但通常是通過使用外板和螺栓壓縮此單元來形成燃料電池堆疊，因此襯墊密封和堆疊組件緊緊地固定在一起，以維持其間的電性接觸。這個(gè)應(yīng)用壓縮的傳統(tǒng)方法，增加了更多組件和堆疊的復(fù)雜度，因而造成額外的密封需要。
為了改善燃料電池堆疊裝置設(shè)計(jì)上的缺失，降低制造成本，已對(duì)燃料電池的技術(shù)進(jìn)行各項(xiàng)嘗試。不過，大部分仍需要手動(dòng)來校準(zhǔn)組件，主動(dòng)的布置密封組件和/或多步驟的工藝，在各個(gè)操作上仍具有明顯的缺點(diǎn)，參見例如授予Schmid等人的美國(guó)第6,080,503號(hào)專利、授予Chi等人的美國(guó)第4,397,917號(hào)專利和授予Epp等人的美國(guó)第5,176,966號(hào)專利所描述。
另外，傳統(tǒng)燃料電池卡匣中具有兩種主要型式的薄膜電極組，1)薄膜電極組的薄膜延伸超過氣體擴(kuò)散層的邊緣，以及2)該襯墊材料形成在該薄膜電極組的邊緣內(nèi)，而薄膜電極組本身的薄膜和氣體擴(kuò)散層有大約相同的大小和形狀(請(qǐng)參見授予Ballard等人的美國(guó)第6,423,439號(hào)專利)。在第一種型式中，使用獨(dú)立的襯墊密封在延伸至氣體擴(kuò)散層邊緣的薄膜與堆疊的其它部分(雙極板)之間。在第二種型式中，薄膜電極組的襯墊是直接密封該堆疊的其它部分。這些方法都需要進(jìn)行壓縮以形成密封。這些壓縮密封需要堆疊中的所有組件具有高度準(zhǔn)確性，以維持均勻負(fù)載。薄膜電極組供應(yīng)者已習(xí)慣供應(yīng)上述的薄膜電極組形式。
仍有其它不斷進(jìn)行改善燃料電池設(shè)計(jì)和效能的嘗試。例如，美國(guó)第4,212,929號(hào)專利描述了經(jīng)改善的燃料電池堆疊密封方法。此專利描述了一個(gè)密封系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用聚合物密封框架來夾緊歧管和堆疊之間。如其所描述，密封框架隨著堆疊移動(dòng)，經(jīng)過壓縮降低了這個(gè)典型歧管密封的相關(guān)滲漏速率。美國(guó)第5,514,487號(hào)專利和美國(guó)第5,750,281號(hào)專利均描述了一個(gè)包括若干歧管板的邊緣歧管裝置。該歧管板安裝在燃料電池堆疊的相對(duì)側(cè)，此方法的功能是以這樣的方式選擇性地沿著堆疊邊緣導(dǎo)引反應(yīng)物和冷卻流。相較于其它傳統(tǒng)裝置，雖然這個(gè)設(shè)計(jì)提供了有限的改善，但不適合用于大量制造。
了解技術(shù)上的種種缺失，我們已發(fā)展一系列用于將歧管部分密封在堆疊或其本身模塊內(nèi)的創(chuàng)新方法，以及增加較少的人力并更適合用來大量制造，用以密封堆疊或模塊周緣的方法(請(qǐng)參見國(guó)際公開第WO03/036747號(hào)專利，其內(nèi)容合并于此作為參考文獻(xiàn))。此項(xiàng)公開揭露了“一體成形”的燃料電池堆疊裝置(和其它電化學(xué)裝置)，此處所有的組件部分不需要襯墊而組裝在一個(gè)模型內(nèi)。通過樹脂轉(zhuǎn)印成型法或注射成型法，將樹脂導(dǎo)入模型內(nèi)，該樹脂選擇地?cái)U(kuò)散穿過裝置的某些部分。在硬化前，樹脂是密封組件且在堆疊內(nèi)劃分所有的歧管渠道。這最后的結(jié)果是在組件組裝好后導(dǎo)入樹脂，以粘著密封來取代傳統(tǒng)堆疊的襯墊。
先前我們也敘述了具有薄膜電極組的燃料電池，其氣體擴(kuò)散層和薄膜具有與該整個(gè)堆疊輪廓相同的較大或較小的外形(請(qǐng)參見國(guó)際專利公開第WO 03/092096 A2號(hào)，其內(nèi)容合并于此作為參考文獻(xiàn))。此技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)在于能直接使用滾動(dòng)條式薄膜電極組，而不需要任何后處理。不過，每個(gè)薄膜電極組的橫切面有相當(dāng)?shù)牟糠质怯糜诿芊獠煌钠绻荛_孔和堆疊周圍，使得只有約50％電池橫切面是用于電化學(xué)反應(yīng)。
我們也已發(fā)展薄膜電化學(xué)電池，尤其是具有一個(gè)或多個(gè)其周圍附近具有塑形襯墊的復(fù)合薄膜電極組的質(zhì)子交換膜燃料電池堆疊。在密封過程中，這個(gè)復(fù)合薄膜電極組的襯墊部分具有一個(gè)或多個(gè)能夠調(diào)節(jié)密封劑流的特征(請(qǐng)參見國(guó)際專利申請(qǐng)案PCT/US03/37127，將其并于本文作為參考)。
在其它先前的專利申請(qǐng)中，我們已報(bào)告過一個(gè)創(chuàng)新燃料電池堆疊設(shè)計(jì)，其是將個(gè)別模塊組合在一起，以形成一個(gè)輸出所需電能的燃料電池堆疊，其每個(gè)模塊可永遠(yuǎn)地連接若干電池單元(請(qǐng)參見國(guó)際專利公開第WO 02/43173號(hào)，將其并于本文作為參考)。
即使我們已克服先前技術(shù)而具有優(yōu)點(diǎn)，但是我們也了解可針對(duì)這個(gè)技術(shù)做更進(jìn)一步的改善。改進(jìn)之處在于利用整個(gè)薄膜電極組區(qū)域更大的部分來進(jìn)行電化學(xué)過程。例如，那些具有內(nèi)部歧管設(shè)計(jì)的燃料電池堆疊，部分卡匣的橫切面必需用作密封劑渠道和反應(yīng)物/冷卻劑歧管；因此，必須犧牲潛在的作用區(qū)。也希望能提供一個(gè)較簡(jiǎn)單、更可靠且制造成本較低的改善燃料電池堆疊設(shè)計(jì)。另外，更希望能提供一個(gè)燃料電池堆疊，其具有較小的重量和體積(圖未示)，以及整個(gè)薄膜電極組表面區(qū)域有較大使用比例用在堆疊內(nèi)所發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)，譬如，可利用的催化區(qū)域和質(zhì)子交換。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是針對(duì)傳統(tǒng)的燃料電池及其相關(guān)工藝(包含上面所述的)提出明顯改善。尤其是，本發(fā)明提出一種具有外部歧管的燃料電池堆疊，以及改善組合反應(yīng)物流場(chǎng)、薄膜電極組、和進(jìn)入燃料電池堆疊卡匣(包括那些利用雙極板的電池堆疊)的反應(yīng)物歧管的方法。每個(gè)密封的電池堆疊模塊，在此稱為“燃料電池卡匣”是指連接反應(yīng)物流場(chǎng)的燃料電池組件、薄膜電極組、以及用于傳送/移除反應(yīng)物和產(chǎn)物并且經(jīng)密封形成獨(dú)立單元的外部歧管的裝置?？蓪⒃撊剂想姵乜ㄏ辉O(shè)計(jì)成標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格。
本發(fā)明此種外部歧管的電化學(xué)卡匣的創(chuàng)新設(shè)計(jì)導(dǎo)致該電化學(xué)反應(yīng)利用了較大比例的薄膜電極組表面區(qū)域，并縮小了卡匣的整體卡匣容量(例如，卡匣的全部尺寸及重量)。文中所提的卡匣設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化了卡匣組件的制造與組裝。根據(jù)本發(fā)明，卡匣的作用表面區(qū)域明顯增加。尤其是隔板(或雙極板)和薄膜電極組，都不需要像使用內(nèi)部歧管的燃料電池裝置那樣，具有任何延伸穿透其厚度的孔洞或其它隙縫。另外，薄膜電極組不需要分開的步驟來合并邊緣襯墊。本發(fā)明的卡匣包括預(yù)先形成的外部歧管，該外部歧管被制造或裝配使得該歧管的接孔可與形成該卡匣的隔板、流場(chǎng)、及薄膜電極組所組裝的堆疊中的相對(duì)應(yīng)周圍開孔緊密配合。
本發(fā)明的卡匣包含一個(gè)或多個(gè)薄板，該薄板包括一個(gè)或兩個(gè)反應(yīng)物流場(chǎng)，該反應(yīng)物流場(chǎng)具有至少一個(gè)，較佳為兩個(gè)開孔至薄板周圍的各個(gè)反應(yīng)物流場(chǎng)。具體而言，該薄板的每個(gè)反應(yīng)物流場(chǎng)具有至少一個(gè)，較佳為兩個(gè)開孔，當(dāng)使用樹脂包覆堆疊時(shí)，該反應(yīng)物流場(chǎng)能夠與外部歧管的接孔形成液體密封(fluid tight seal)。較佳地，該流場(chǎng)或薄板周圍的開口和歧管的接孔被成型使其更容易制作堆疊組件，且在以樹脂包覆期間施加壓力或抽真空時(shí)形成一個(gè)液體密封。
本發(fā)明的燃料電池改善了抗腐蝕性并且增加了工作壽命，部分是由于收集器/外板與反應(yīng)物歧管的空間分離。該外部歧管是通過與收集器薄板和復(fù)合薄膜電極組分離的歧管將燃料和氧化劑傳遞至反應(yīng)物流場(chǎng)。通過將能夠氧化或與電流收集器發(fā)生其它反應(yīng)的反應(yīng)物隔離至輸送原料的外部歧管和流場(chǎng)，避免了對(duì)導(dǎo)電性金屬或合金所構(gòu)成的收集器的侵蝕。簡(jiǎn)單來說，從薄膜電極組分離反應(yīng)物歧管，避免了薄膜電極組的兩個(gè)表面與流動(dòng)穿過該歧管的反應(yīng)物接觸，因而避免了許多與傳統(tǒng)燃料電池設(shè)計(jì)相關(guān)的交叉電池電位(cross-cell potential)的問題。另外，也避免了薄膜電極組與冷卻劑液體間的接觸。
任何傳統(tǒng)的薄膜電極組都適用于本發(fā)明的燃料電池堆疊。此外，與反應(yīng)物流場(chǎng)薄板或雙極薄板具有名義上相同剖面的方形、圓形、矩形或其它具有規(guī)律形狀的薄膜電極組，都適用于本發(fā)明的燃料電池堆疊。復(fù)合薄膜電極組適合用在本發(fā)明的電池，而不需要額外的修改，例如，薄膜電極組結(jié)構(gòu)上的其它開孔或合并非導(dǎo)電性襯墊都是不需要的。合并具有與流場(chǎng)和/或隔板實(shí)質(zhì)上相同截面的且實(shí)質(zhì)上相同的復(fù)合薄膜電極板，可使用在電化學(xué)反應(yīng)的薄膜電極組部分最大化。
本發(fā)明的改良燃料電池堆疊，可由傳統(tǒng)的燃料電池組件來制造，且可以利用注射成型、真空輔助樹脂轉(zhuǎn)注成形、和壓力輔助樹脂轉(zhuǎn)注成形工藝加以制造。
本發(fā)明能夠以最少的勞力來制作燃料電池堆疊，因而顯著地降低成本，并能夠使用自動(dòng)化工藝。另外，在本發(fā)明中通過粘膠劑的粘著來密封通往燃料電池組件的接孔，而不是通過外板的壓縮或其它的壓縮方法。這將減少在最終的堆疊上所需的壓縮，因而改善了密封的可靠性，提高了電性接觸，并允許使用更多種樹脂。再者，外板可被塑模成燃料電池卡匣，因此可在單一步驟中制造整個(gè)堆疊(例如，燃料電池卡匣和外板)。
在下文說明了本發(fā)明的相關(guān)方面。


圖1是本發(fā)明燃料電池的一個(gè)實(shí)施例的分解圖，其顯示了具有三個(gè)薄膜電極組、四個(gè)雙極板、以及與燃料輸入/輸出、氧化劑輸入/輸出相對(duì)應(yīng)的外部歧管的三個(gè)電池的燃料電池堆疊；圖2是具有兩個(gè)流場(chǎng)和適合與外部歧管密封的隙孔的雙極板的示意圖；圖3是包含用于密封通往流場(chǎng)隙孔的密封部分的外部歧管的示意圖；圖4是包含用于密封通往流場(chǎng)隙孔的密封部分的外部歧管的另一示意圖；圖5是根據(jù)圖1和圖6所示部分的外形設(shè)計(jì)的測(cè)試照片；圖6是由多個(gè)管狀部分構(gòu)成的外部歧管的照片；圖7是包含圖6中所描述的外部歧管的燃料電池；圖8A至8B是本發(fā)明的外部歧管燃料電池，與內(nèi)部歧管及墊圈燃料電池裝置的截面圖的并列比較圖；以及圖9是實(shí)施例一所制備的燃料電池的電壓對(duì)瓦特的圖表。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提供多種適合用在電化學(xué)應(yīng)用和離子交換應(yīng)用上的卡匣。如上述所提到的，本發(fā)明的卡匣特別適合用在燃料電池上。
目前創(chuàng)新的技術(shù)是使用先前所描述利用“一體成型(one shot)”制造技術(shù)的外部歧管。一般而言，流場(chǎng)被用于該作用區(qū)外的最小邊緣上(例如，2至3mm)。該流場(chǎng)對(duì)外側(cè)邊緣具有開孔，以便為各別反應(yīng)物提供至少一個(gè)輸入口。在燃料電池陰極側(cè)所使用的流場(chǎng)中，形成有至少一個(gè)輸入口和一個(gè)輸出口。簡(jiǎn)單來說，可以使用在外側(cè)邊緣具有至少一個(gè)輸入和一個(gè)輸出開孔的冷卻劑流場(chǎng)。該流場(chǎng)可以是由金屬或碳復(fù)合物、或其它與燃料電池的運(yùn)作兼容的材料所制造。也可使用在單一組件的任一邊包含兩個(gè)流場(chǎng)的流場(chǎng)雙極結(jié)構(gòu)。薄膜電極組被裁切成與流場(chǎng)具有相同的大小和尺寸。將流場(chǎng)和薄膜電極組組件疊在一起而形成獨(dú)特的堆疊設(shè)計(jì)(包括電池的數(shù)量、冷卻層的數(shù)量和布置等)。這些組件是大略地排成一直線，使得該薄膜電極組的作用區(qū)暴露于所需的流場(chǎng)(在雙極板內(nèi)或作為分隔部分)而形成裝置。此裝置可包括任何數(shù)量的電池和冷卻層，該冷卻層由所需的流場(chǎng)組件和相對(duì)組裝的薄膜電極組所構(gòu)成。對(duì)于剩余過程，所形成的裝置可通過夾持力(clamping force)連結(jié)在一起。
在某些較佳的方面，本發(fā)明提供一種包括至少一個(gè)電化學(xué)電池的電化學(xué)卡匣，包括薄膜電極組(MEA)、還原劑流場(chǎng)、氧化劑流場(chǎng)、隔板、至少一個(gè)還原劑外部流場(chǎng)、和至少一個(gè)氧化劑外部流場(chǎng)，其中每個(gè)流場(chǎng)包括至少一個(gè)延伸穿過流場(chǎng)四周的開孔，每個(gè)外部歧管包括主要歧管和至少一個(gè)能與流場(chǎng)周圍開孔連接的接孔，使該外部歧管能用以傳送材料，其中一個(gè)或多個(gè)薄膜電極組、氧化劑流場(chǎng)、還原劑流場(chǎng)、隔板、氧化劑外部歧管、和還原劑外部歧管被組合，并以密封劑包覆其周圍附近。
在較佳的實(shí)施例中，該外部歧管包括主要歧管，該歧管由延著其長(zhǎng)度具有實(shí)質(zhì)相同的橫截面的單一導(dǎo)管所組成。較佳地，每個(gè)還原劑外部歧管和每個(gè)氧化劑外部歧管包括至少一個(gè)能與等量流場(chǎng)的周圍開孔配接的接孔，使該歧管能用以傳送或移除材料，更佳地，每個(gè)外部歧管具有至少兩個(gè)能與等量流場(chǎng)的周圍開孔配接的接孔。雖然考慮過其它的配置，但為了組裝的便利和設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)易，通常較佳的是該外部歧管包括多個(gè)大致上呈線性陣列排列的接孔。
在另一較佳實(shí)施例中，每個(gè)外部歧管(例如，每個(gè)外部冷卻劑、還原劑和氧化劑歧管)包括具有實(shí)質(zhì)相同的組成物的單一對(duì)象，其中每個(gè)歧管包括主要歧管和至少兩個(gè)能與等量流場(chǎng)的周圍開孔配接的接孔，使該歧管能用以傳送或移除材料。因此，如圖3、4、及6所描述，每個(gè)外部歧管包括主要歧管80和多個(gè)大致上呈線性陣列排列的接孔82。在某些實(shí)施例中，期望將兩個(gè)或多個(gè)外部歧管組合至單一殼體，使每個(gè)歧管被流體地分離，并經(jīng)配置與薄膜電極組/雙極板或薄膜電極組/流場(chǎng)/隔板的組合堆疊中的周圍開孔的各別陣列相互作用。
通常外部歧管的接孔與薄膜電極組/雙極板或薄膜電極組/流場(chǎng)/隔板的組合堆疊的周圍開孔互相配接，使每個(gè)歧管流體地連接(fluidlyconnect)至流場(chǎng)，使其能用于傳送(或移除)材料。組裝后，導(dǎo)入密封樹脂，同時(shí)密封外部歧管的接孔與流場(chǎng)周圍的開孔之間的接合處，并包覆組裝的卡匣的周圍，使該歧管能用于傳送材料。
在本發(fā)明的包括多個(gè)薄膜電極組的電化學(xué)卡匣中，或在產(chǎn)生大量的熱能的電化學(xué)反應(yīng)處，常需要將一個(gè)或多個(gè)冷卻劑流場(chǎng)合并到該電化學(xué)卡匣，以消除在卡匣操作時(shí)所產(chǎn)生的熱。因此，在某些實(shí)施例中，該電化學(xué)卡匣進(jìn)一步包括至少一個(gè)冷卻劑流場(chǎng)，其中每個(gè)冷卻劑流場(chǎng)包括至少兩個(gè)延伸穿過該冷卻劑流場(chǎng)周圍的開孔，和至少兩個(gè)冷卻劑外部歧管，每個(gè)冷卻劑外部歧管包括主要歧管和至少一個(gè)能與該冷卻劑流場(chǎng)的周圍開孔連接的接孔。雖然其它配置也適用于某些應(yīng)用，但是通常該冷卻劑流場(chǎng)被插入約1及約8薄膜電極組之間，或較佳是2、3、4、5、或6薄膜電極組之間。在包括至少一個(gè)冷卻劑流場(chǎng)的電化學(xué)卡匣中，每個(gè)還原劑外部歧管和每個(gè)氧化劑外部歧管包括主要歧管的導(dǎo)管，和至少一個(gè)能與等量流場(chǎng)的周圍開孔配接的接孔，使該歧管能用以傳送材料；而每個(gè)冷卻劑外部歧管包括主要歧管的導(dǎo)管，和至少一個(gè)能與等量冷卻劑流場(chǎng)的周圍開孔配接的接孔。
對(duì)于夾緊的燃料電池的裝置而言，各別歧管部分被連接至每一層所有對(duì)應(yīng)特定反應(yīng)物輸入或輸出的開孔。這些歧管部分以固體原料制造，使用任何一種材料來鑄造，或以如同上述的合適樹脂來塑形，例如圖3和圖4所示，或以各種導(dǎo)管、管子或軟管等來制造，如圖6所示。一般而言，這些歧管部分需要緊貼其所接觸的每個(gè)堆疊組件。這些具有外部歧管的堆疊裝置是置于模具內(nèi)，并將樹脂導(dǎo)入至該組件周圍。通過從電池堆疊外部施加壓力或通過將堆疊內(nèi)部抽真空(例如，透過每個(gè)歧管)將樹脂輸入至堆疊裝置的邊緣。無論是通過冷卻熱塑性樹脂或固化熱固性樹脂，硬化之后，經(jīng)包覆的燃料電池堆疊即可從模具中移除。該樹脂可用于密封薄膜電極組邊緣以及將包括歧管部分的堆疊組件連接在一起。
為了組裝過程的整合以及最終產(chǎn)品的可靠性，最后的包覆也可以包括外板和電流收集器(current collector)部分。外板組件可以包括壓縮堆疊組件的特征，不論是在包覆步驟之前或之后。因?yàn)橹圃烊剂想姵夭恍枰獑为?dú)的襯墊，所以只有在制造傳統(tǒng)燃料電池堆疊時(shí)才需要壓縮，該壓縮是用來維持良好的電性接觸。
相較于傳統(tǒng)的裝置，本發(fā)明的燃料電池提供多個(gè)優(yōu)點(diǎn)，包括但非限以下所述●在該裝置中有效地使用了大部分的組件區(qū)域，即，只有一小部分用在堆疊的密封/歧管，因此至少80％，或更佳地介于85％至約95％之間的薄膜電極組截面被有效地用于電化學(xué)反應(yīng)。
●連續(xù)涂布的薄膜電極組可立即使用(即，與薄膜電極組的成卷處理(roll to roll processing)相符)。
●所有組件均包覆于堆疊內(nèi)，形成堅(jiān)固的產(chǎn)品。
●制造組件部分不需要嚴(yán)格的公差限制，如密封時(shí)不需襯墊及壓縮。
●通過從外板或收集器薄板分離反應(yīng)物流，減少或避免了堆疊內(nèi)的腐蝕。
●通過從復(fù)合薄膜電極組分離冷卻流，減少或避免了薄膜電極組暴露至非水的冷卻劑中的相關(guān)問題。
較佳地，所有的燃料電池組件被裁切成大致相同地形狀大小。在較佳實(shí)施例中，薄膜電極組層是沒有切口或其它孔洞或渠道穿過其厚度的固體薄片，該雙極板在相對(duì)表面上具有一個(gè)或兩個(gè)流場(chǎng)，每個(gè)流場(chǎng)在雙極板的周圍附近至少具有兩個(gè)隙孔，且開口于每個(gè)流場(chǎng)。較佳地，該隙孔能與外部歧管的接孔相連形成一個(gè)流體密封，例如，氣體和/或液體密封。
由于薄膜電極組的氣體擴(kuò)散層(GDL)具有多孔性，所以密封劑被導(dǎo)入至薄膜電極組和雙極板周圍，貫穿滲透氣體擴(kuò)散層將薄膜電極組和雙極板密封在一起，并將雙極板的隙孔到外部歧管地接孔也密封住。在傳統(tǒng)工藝中，聚合物膜常常需要延伸超過氣體擴(kuò)散層以形成密封時(shí)的框架。因此導(dǎo)致制造成本的增加。相對(duì)的，根據(jù)本發(fā)明，利用形狀大小實(shí)質(zhì)相同的氣體擴(kuò)散層和聚合物膜即可達(dá)到密封。本發(fā)明所使用的薄膜電極組的優(yōu)點(diǎn)為可以連續(xù)地方式加以制造，降低了制造上的成本。
圖2顯示了其中形成有流場(chǎng)溝槽52的雙極板50的較佳實(shí)施例。另外，可通過網(wǎng)印形成流場(chǎng)或結(jié)合其它多孔性材料與個(gè)別薄板形成流場(chǎng)。該流場(chǎng)溝槽52被設(shè)計(jì)成使導(dǎo)入流場(chǎng)的反應(yīng)物或冷卻劑均勻地散布于流場(chǎng)。另外，該流場(chǎng)溝槽在該雙極板50周圍形成至少兩個(gè)隙孔54和56，使反應(yīng)物或冷卻劑能通過一個(gè)或多個(gè)外部歧管80導(dǎo)入流場(chǎng)或從流場(chǎng)移除。
根據(jù)所需的卡匣設(shè)計(jì)和輸出需求來組裝組件。利用雙極板的燃料電池堆疊10的組裝，需要使用具有二分之一雙極板結(jié)構(gòu)的終端板，即只有一個(gè)流場(chǎng)面。在簡(jiǎn)易的雙極裝置設(shè)計(jì)10中，如圖1所示，薄膜電極組層(30、32和34)被插入至雙極板44、46、48和50間。接著，將外部歧管80連接至薄膜電極組和雙極板的堆疊，其中雙極板的隙孔54、56(圖未顯示)以及58、60與外部歧管80的接孔82聯(lián)接形成密封。通常，在密封過程中，使外部歧管和流場(chǎng)真空即可在隙孔和接孔間形成流體密封。然而，也可考慮其它在包覆過程時(shí)密封隙孔和接孔的方法。可以將額外的雙極板和薄膜電極組增加到卡匣裝置上，依照所形成的燃料電池的輸出需求，也可具有或不具有額外的冷卻層。
圖6顯示了在主要歧管84中形成有三個(gè)接孔82的外部歧管80的另一較佳實(shí)施例。通過提供導(dǎo)管、軟管或管道，穿過該主要歧管的側(cè)壁設(shè)置一連串開孔，并將導(dǎo)管、軟管或管道嵌入開孔作為接孔而組裝成圖6所示的外部歧管。較佳地，嵌入該歧管開孔處的接孔導(dǎo)管，具有實(shí)質(zhì)上相同的半徑，因此接孔與主要歧管之間的連接形成流體密封，或以樹脂包覆該燃料電池后形成流體密封。雖然任何與密封劑和反應(yīng)物化學(xué)上穩(wěn)定的材料，例如，氧化劑和/或燃料，都適用于制備外部歧管開孔，氮較佳的材料是具有充分的撓性有利于制作堆疊裝置的非導(dǎo)電的樹脂。一般較佳的歧管材料是選自硅、鐵氟龍、聚乙烯、太空管(Tygon tubing)、丁基橡膠等。
對(duì)于使用燃料電池的應(yīng)用，本發(fā)明的卡匣通常以堆疊裝置的形式加以使用，包括下列組件薄膜電極組(MEA)、流場(chǎng)、隔板和外部歧管。較佳的堆疊裝置被包覆于樹脂中以連接薄膜電極組和分開的隔板，將該外部歧管密封至分開的隔板，在該歧管與至少部分流場(chǎng)間形成導(dǎo)管。在一個(gè)較佳實(shí)施例中，在單一雙極板上形成一個(gè)或兩個(gè)流場(chǎng)和隔板，然后再與該薄膜電極組層和另一個(gè)雙極板堆疊。
在某些應(yīng)用中，特別是希望增加材料數(shù)量或使流場(chǎng)中的材料較均勻分布的應(yīng)用中，本發(fā)明提出了一種電化學(xué)卡匣，其中流場(chǎng)與兩個(gè)或多個(gè)輸送材料的外部歧管以及兩個(gè)或多個(gè)排出歧管流體連接。在此所提供的電化學(xué)卡匣設(shè)計(jì)，提出了多歧管和流場(chǎng)的連接，在某種程度上是由于卡匣組裝的簡(jiǎn)易，以及通往各個(gè)外部歧管的流場(chǎng)開孔需要小的截面區(qū)域。因此，本發(fā)明的卡匣可以在某些例子中合并多個(gè)傳送和/或排出原料的外部歧管，其與堆疊的每個(gè)流場(chǎng)流體連接。
雖然已揭示了例示說明的裝置設(shè)計(jì)，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員仍應(yīng)了解根據(jù)最終燃料電池卡匣的輸出需求，該燃料電池可以具有任何所需數(shù)量的組件并將其組裝在一起。不考慮特定的設(shè)計(jì)，可以組裝這些組件以符合最終燃料電池的需求。在每個(gè)情況下，具有適合與每個(gè)雙極板或隔板上相應(yīng)流場(chǎng)的隙孔相連的大小和對(duì)準(zhǔn)接孔的外部歧管與該堆疊裝置對(duì)準(zhǔn)而與每個(gè)流場(chǎng)形成密封。
為了密封上述的燃料電池卡匣裝置，使用真空輔助樹脂轉(zhuǎn)注成形法，將密封劑引進(jìn)裝置組件的邊緣四周。將該裝置內(nèi)的各個(gè)外部歧管抽真空。壓力差將密封劑抽入裝置邊緣，而將裝置中的組件周圍密封在一起，并形成可置入最終燃料電池卡匣的裝置。密封劑也滲入薄膜電極組的氣體擴(kuò)散層。當(dāng)密封劑封死薄膜電極組鄰近部分時(shí)即完成了周圍密封。
使用注射成形技術(shù)來密封燃料電池卡匣，使用驅(qū)動(dòng)壓力裝置將密封劑注入在包含外部歧管的裝置四周緣。該密封劑不需導(dǎo)入外部歧管的內(nèi)導(dǎo)管中或開口于外部歧管的內(nèi)導(dǎo)管的流場(chǎng)中。在一個(gè)較佳實(shí)施例中，使用熱塑性樹脂作為該裝置四周緣的密封劑，可在從該模具移除該燃料電池卡匣之前冷卻并硬化該樹脂。使用能夠適用相關(guān)溫度和壓力的模具。另外，可以相同的方式使用熱固性樹脂，通過任何適當(dāng)?shù)臅r(shí)間和溫度的組合來固化該樹脂。
完成密封過程所需的壓力差和時(shí)間，是該燃料電池卡匣結(jié)構(gòu)所使用的材料的函數(shù)。包括該樹脂的粘度和流動(dòng)性，以及該薄膜電極組所使用的氣體擴(kuò)散層的類型。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以上述參數(shù)為基礎(chǔ)，判斷調(diào)整適當(dāng)?shù)臅r(shí)間和壓力。實(shí)行本發(fā)明并通過密封過程中的視覺觀察也可確定大部分的適當(dāng)時(shí)間和壓力。
選擇包覆使用的樹脂和密封劑，使其具有在操作燃料電池系統(tǒng)中所產(chǎn)生的情況所需的化學(xué)和機(jī)械性質(zhì)(例如，氧化穩(wěn)定性)。合適的樹脂/密封劑，包括熱塑性和熱固性兩者的彈性體。較佳的熱塑性材料包含熱塑性烯烴彈性體、熱塑性的聚氨酯、塑性體、聚丙烯、聚乙烯、聚四氟乙烯，氟化聚丙烯和聚苯乙烯。較佳的熱固性材料包含環(huán)氧樹脂、聚氨酯橡膠、硅樹脂、氟化硅樹脂(fluorosilicones)和乙烯酯類。
在某些較佳實(shí)施例中，外板在上述密封步驟中，直接與該薄膜電極層和雙極板的堆疊裝置相連。另外，該外板可以是被修飾且一表面具有流場(chǎng)而另一表面具有電子引線和/或許多接頭的雙極板。在此實(shí)施例中使用這樣的外板可以產(chǎn)生許多優(yōu)點(diǎn)。移除燃料電池卡匣和傳統(tǒng)外板間的壓縮密封增進(jìn)了燃料電池堆疊的可靠性，并大大地減輕了重量。再者，經(jīng)合并的外板也可以包含多種配件，以進(jìn)一步簡(jiǎn)化燃料電池堆疊。
本發(fā)明的較佳實(shí)施例中，真空輔助樹脂轉(zhuǎn)印塑模被用以將密封劑抽入該薄膜電極組的周緣和雙極板的四周(從堆疊外側(cè)邊緣導(dǎo)入)。較佳地，該密封劑在與薄膜電極組外緣接觸的以及與雙極板接觸的空氣擴(kuò)散層部分，形成了非多孔性復(fù)合物，使該密封為液體或氣體密封。本發(fā)明的實(shí)施例優(yōu)點(diǎn)在于容易制造，并且是有利于用于大量制造燃料電池卡匣的密封裝置。
適用于本發(fā)明的燃料電池卡匣的較佳復(fù)合薄膜電極組，包括包含薄膜、觸媒層和氣體擴(kuò)散層的層疊的薄膜電極組。原料供應(yīng)包括3M、DuPont、Johnson Matthey、W.L.Gore和Umicore。
適合用在電化學(xué)及燃料電池應(yīng)用的較佳卡匣進(jìn)一步包括至少兩個(gè)電流收集器，該電流收集器較佳地合并在外板上。因此，在較佳的卡匣中，至少其中一個(gè)外板的部分是由導(dǎo)電性金屬或合金所組成。較佳地，至少其中一個(gè)外板的部分是銅電流收集器。本發(fā)明所提供的組裝該外板和燃料電池卡匣來形成燃料電池堆疊的方法，沒有特別限制，可包括壓縮襯墊密封，及樹脂和/或密封劑中的共包覆。在較佳的實(shí)施例中，該外板與燃料電池卡匣是在樹脂包覆前以及導(dǎo)入密封劑之前進(jìn)行組合，使該外板和燃料電池卡匣共同(例如，同時(shí)地)被包覆和密封。
在本發(fā)明的另一較佳實(shí)施例中，制造一個(gè)或多個(gè)燃料電池卡匣，然后與一個(gè)或多個(gè)壓縮襯墊和外板一起排列在堆疊中。壓縮工具例如貫穿螺栓、固鎖或其它機(jī)械式扣件被用于燃料電池堆疊以機(jī)械式地密封該燃料電池卡匣和外板。
在一個(gè)較佳實(shí)施例中，個(gè)別卡匣的外部歧管能夠與其它卡匣的相鄰?fù)獠科绻苄纬梢后w或氣體密封。
本發(fā)明的堆疊以及卡匣中的疊層數(shù)量與每一層的大小并沒有特別限定。通常，每個(gè)流場(chǎng)和/或薄膜裝置將介于約1cm2至1m2間。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)了解，較大和較小的流場(chǎng)和/或薄膜裝置層也適用在某些應(yīng)用中。本發(fā)明的燃料電池卡匣的疊層數(shù)量與每一層的大小在各種應(yīng)用上可產(chǎn)生充足的電源供應(yīng)。本發(fā)明的燃料電池堆疊和燃料電池卡匣的輸出電源，常介于約0.1W至約100kW之間，或較佳是從約0.5W至約10kW。
通過下列示例性實(shí)施例近一步說明本發(fā)明較佳的燃料電池卡匣，該示例性實(shí)施例僅是用以說明，而非將本發(fā)明限制于其所揭露的特定組件和數(shù)量上。
實(shí)施例一如圖2所示的雙極板是由碳-聚合物的復(fù)合物以機(jī)械形成。薄膜電極組是從較大塊的薄板裁剪的，以便與雙極板具有大致相同的尺寸。將三個(gè)薄膜電極組和四個(gè)雙極板組裝成堆疊，使得燃料和氧化劑流場(chǎng)位于每個(gè)薄膜電極組的各邊。從薄片原料裁切銅薄片電流收集器，將引線焊接至電流收集器。根據(jù)圖6，歧管的管道以各種尺寸的硅管所組成。該歧管部分被加在該堆疊裝置上，使小管道能合于將各個(gè)流場(chǎng)連接至相應(yīng)歧管的各個(gè)板。每個(gè)燃料和氧化劑都有進(jìn)料和出料的歧管。
以聚碳酸酯形成的外板略大于該雙極板。外板、電流收集器和堆疊組件被組合并以螺栓穿過該外板(燃料電池組件的外部)而將其緊扣在一起。
組裝組件由紙模包圍住。此模型充滿兩部分的硅樹脂(two-partsilicone)(Silastic T2-Dow Coming)以環(huán)繞在組件旁。將10英時(shí)的Hg真空抽入穿過歧管約30秒，將硅樹脂拉引進(jìn)入各個(gè)薄膜電極組邊緣，并進(jìn)入歧管和其它堆疊組件之間的空間。該裝置和模型被置于對(duì)流溫箱(convenction oven)(200°F)加熱，直到硅樹脂硬化。從該模型中切割出所形成的堆疊。
在一般典型的燃料電池的狀態(tài)條件測(cè)試此堆疊。氫氣以端閉方式(dead-ended)進(jìn)入該堆疊(以短沖洗)。使50℃的潮濕空氣以2至5等量通入穿過該堆疊。
表1.
實(shí)施例一中所制備和測(cè)試的堆疊的燃料電池?cái)?shù)據(jù)。

本發(fā)明上述所揭示者只是用來說明，應(yīng)了解在未悖離本發(fā)明的精神和范圍下仍可加以變化及修改。
實(shí)施例二以下實(shí)施例是用以示例說明本發(fā)明的外部歧管設(shè)計(jì)的某些觀點(diǎn)。通過比較分析，也揭示了多個(gè)不同于具有內(nèi)部歧管的堆疊的差異(改進(jìn)的處)。
增加薄膜電極組的利用性根據(jù)WO 03/036747號(hào)專利案所揭示的方法形成具有內(nèi)部歧管的堆疊。該堆疊具有11.5cm2的作用區(qū)及22.3cm2的覆蓋區(qū)(footprint)，利用了52％。相較之下，根據(jù)本發(fā)明所形成具有外部歧管的堆疊裝置，同樣具有11.5cm2的作用區(qū)，其薄膜電極組利用了13.0cm2，利用達(dá)89％。(其說明請(qǐng)見圖8A和8B)減少電池的尺寸及重量對(duì)于具有內(nèi)部歧管的堆疊來說，具有10個(gè)11.5cm2的作用區(qū)的堆疊，其體積為108cm3(4.5cm×6.5cm×3.7cm)。對(duì)于具有外部歧管的堆疊來說，同樣具有10個(gè)11.5cm2的作用區(qū)的堆疊，體積為75cm3(4.5cm×4.3cm×3.9cm)，體積相對(duì)減少了30％。而堆疊重量的減少大致上和體積成正比，如這個(gè)例子的重量從201g減為141g。
簡(jiǎn)化注射成型的設(shè)計(jì)該內(nèi)部歧管的設(shè)計(jì)需要在塑模的過程中，以樹脂充填渠道。當(dāng)使用低壓(＜5psi)樹脂轉(zhuǎn)印塑模的技術(shù)時(shí)，可輕易地充填渠道。實(shí)行注射成型時(shí)，需使用高壓以克服薄密封渠道中的樹脂流阻力。這樣的注射壓力也可能造成薄膜電極層的損壞。在外部歧管的設(shè)計(jì)上是沒有渠道的，只有圍繞在電池外側(cè)的外部空腔需要充填樹脂。因此，該外部歧管的設(shè)計(jì)可適用在低體積低壓的樹脂轉(zhuǎn)印制造，及超大體積高壓自動(dòng)化注射成型制造上；不需要重新設(shè)計(jì)。
抗腐蝕性外部歧管的設(shè)計(jì)是將燃料、氧化劑和冷卻劑流從電流收集器/外板分離。燃料電池常見的故障模式就是氣體與液體流腐蝕電流收集器。在外部歧管設(shè)計(jì)中，氣體和液體流僅與歧管、薄膜電極組和雙極板接觸。這些組件都有抗腐蝕性，且不會(huì)有降解(degradation)情形發(fā)生在金屬電流收集器(通常是銅、不銹鋼或鋁，均可視需要進(jìn)行鍍覆)。
權(quán)利要求
1.一種包括至少一個(gè)電化學(xué)電池的電化學(xué)卡匣，包括薄膜電極組(MEA)、還原劑流場(chǎng)、氧化劑流場(chǎng)、隔板、至少一個(gè)還原劑外部歧管、以及至少一個(gè)氧化劑外部歧管，其中每個(gè)流場(chǎng)包括至少一個(gè)延伸穿過該電池周圍的開孔，且每個(gè)外部歧管包括主要歧管和至少一個(gè)可與流場(chǎng)周圍開孔連接的接孔，使該外部歧管能用以傳送材料，其中一個(gè)或多個(gè)薄膜電極組、氧化劑流場(chǎng)、還原劑流場(chǎng)、隔板、氧化劑外部歧管、以及還原劑外部歧管被組裝，并以密封劑包覆其周圍附近。
2.如權(quán)利要求1所述的電化學(xué)卡匣，其中每個(gè)外部歧管包括由單一導(dǎo)管所組成的主要歧管，該導(dǎo)管沿著其長(zhǎng)度具有實(shí)質(zhì)相同的橫切面。
3.如權(quán)利要求1所述的電化學(xué)卡匣，其中每個(gè)還原劑外部歧管和每個(gè)氧化劑外部歧管包括至少一個(gè)能與等量流場(chǎng)的周圍開孔配接的接孔，使該歧管能用以傳送或移除材料。
4.如權(quán)利要求1所述的電化學(xué)卡匣，其中每個(gè)還原劑外部歧管和每個(gè)氧化劑外部歧管包括至少兩個(gè)能與等量流場(chǎng)的周圍開孔配接的接孔，使該歧管能用以傳送或移除材料。
5.如權(quán)利要求1所述的電化學(xué)卡匣，其中每個(gè)還原劑外部歧管和每個(gè)氧化劑外部歧管包括介于2至100個(gè)能與等量流場(chǎng)的周圍開孔配接的接孔，使該歧管能用以傳送或移除材料。
6.如權(quán)利要求3所述的電化學(xué)卡匣，其中每個(gè)外部歧管的接孔以實(shí)質(zhì)上呈線性的陣列排列。
7.如權(quán)利要求1所述的電化學(xué)卡匣，其中每個(gè)還原劑外部歧管和氧化劑外部歧管包括具有實(shí)質(zhì)相同的組成物的單一對(duì)象，其中每個(gè)歧管包括主要歧管和至少兩個(gè)能與等量流場(chǎng)的周圍開孔配接的接孔，使該歧管能用以傳送或移除材料。
8.如權(quán)利要求1所述的電化學(xué)卡匣，其中該密封劑在包覆過程中同時(shí)密封該外部歧管的接孔與該流場(chǎng)的周圍開孔之間的接合處，使該歧管能用以傳送或移除材料。
9.如權(quán)利要求1所述的電化學(xué)卡匣，其中每個(gè)復(fù)合的薄膜電極組和每個(gè)隔板并未包括溝槽、孔洞或其它隙縫延伸穿過其整個(gè)厚度。
10.如權(quán)利要求1所述的電化學(xué)卡匣，其中該卡匣進(jìn)一步包括至少一個(gè)冷卻劑流場(chǎng)，其中每個(gè)冷卻劑流場(chǎng)包括至少兩個(gè)延伸穿過該流場(chǎng)周圍的開孔，以及至少兩個(gè)冷卻劑外部歧管，每個(gè)冷卻劑外部歧管包括主要歧管以及至少一個(gè)能與冷卻劑流場(chǎng)的周圍開孔連接的接孔。
11.如權(quán)利要求10所述的電化學(xué)卡匣，其中每個(gè)還原劑外部歧管和每個(gè)氧化劑外部歧管包括單一組件，該組件包括主要歧管的導(dǎo)管，和至少兩個(gè)能與等量流場(chǎng)的周圍開孔配接的接孔，使該歧管能用以傳送或移除材料；且每個(gè)冷卻劑外部歧管開孔包括單一組件，該組件包括主要歧管的導(dǎo)管，和至少一個(gè)能與等量冷卻劑流場(chǎng)的周圍開孔配接的接孔。
12.如權(quán)利要求1所述的電化學(xué)卡匣，其中每個(gè)外部歧管包括至少兩個(gè)主要歧管和至少兩組非液體連接的接孔，使每個(gè)主要歧管和每組接孔能將材料傳送或移除至流場(chǎng)，以使每個(gè)主要歧管能用以傳送或移除材料。
13.如權(quán)利要求1所述的電化學(xué)卡匣，其中隔板和一個(gè)或兩個(gè)流場(chǎng)被整合至雙極板，且每個(gè)流場(chǎng)周圍開孔僅延伸穿過該雙極板的厚度部分。
14.如權(quán)利要求13所述的電化學(xué)卡匣，其中該卡匣進(jìn)一步包括至少一個(gè)冷卻劑流場(chǎng)，其中每個(gè)冷卻劑流場(chǎng)包括至少兩個(gè)延伸穿過該流場(chǎng)周圍的開孔，和至少兩個(gè)冷卻劑外部歧管，每個(gè)冷卻劑外部歧管包括主要歧管和至少一個(gè)能與冷卻流場(chǎng)的周圍開孔配接的接孔。
15.如權(quán)利要求14所述的電化學(xué)卡匣，其中每個(gè)雙極板具有零或一個(gè)氧化劑流場(chǎng)、零或一個(gè)燃料流場(chǎng)，以及零或一個(gè)冷卻劑流場(chǎng)。
16.如權(quán)利要求1所述的電化學(xué)卡匣，其中每個(gè)薄膜電極組與燃料流場(chǎng)和氧化劑流場(chǎng)接觸。
17.如權(quán)利要求1至15任一項(xiàng)所述的電化學(xué)卡匣，其中該電化學(xué)卡匣是燃料電池卡匣。
18.如權(quán)利要求14所述的電化學(xué)卡匣，其中至少一個(gè)雙極板包括冷卻劑流場(chǎng)。
19.如權(quán)利要求18所述的電化學(xué)卡匣，其中包括第一冷卻劑流場(chǎng)的第一雙極板與第二雙極板被對(duì)準(zhǔn)而形成冷卻劑通道。
20.如權(quán)利要求1所述的電化學(xué)卡匣，其中該外部歧管是由主要歧管和多個(gè)沿著其長(zhǎng)度排列的接孔所構(gòu)成，其中這些接孔被排列，使其與多個(gè)流場(chǎng)周圍的開孔形成液體密封，該接孔與流場(chǎng)相對(duì)應(yīng)，使該外部歧管能用以傳送材料。
21.如權(quán)利要求20所述的電化學(xué)卡匣，其中該外部歧管是使用樹脂、陶瓷或金屬被機(jī)械制造，或使用熱塑性或熱固性樹脂被鑄造或塑形，或以多種塑料或橡膠管制造的。
22.如權(quán)利要求21所述的電化學(xué)卡匣，其中該外部歧管是使用熱塑性或熱固性樹脂被機(jī)械制造、鑄造或塑形，或以塑料或橡膠管制造的。
23.如權(quán)利要求22所述的電化學(xué)卡匣，其中該外部歧管是使用熱塑性材料被機(jī)械制造、鑄造或塑形，該熱塑性材料選自于由熱塑性烯烴彈性體、熱塑性的聚氨酯、塑性體、聚丙烯、聚乙烯、聚四氟乙烯、氟化聚丙烯和聚苯乙烯所構(gòu)成的組群。
24.如權(quán)利要求22所述的電化學(xué)卡匣，其中該外部歧管是使用熱固性材料被機(jī)械制造、鑄造或塑形，該熱固性材料選自于由環(huán)氧樹脂、聚氨酯橡膠、硅樹脂、氟化硅樹脂和乙烯基酯類所構(gòu)成的組群。
25.如權(quán)利要求22所述的電化學(xué)卡匣，其中該外部歧管是以導(dǎo)管、軟管和管道所制成，其選自硅樹脂、太空塑管、丁基橡膠、聚(異戊二烯)、苯乙烯或異戊二烯的共聚合物。
26.如權(quán)利要求13所述的電化學(xué)卡匣，其中該雙極板是使用碳/聚合物復(fù)合物、石墨或金屬的至少一種被機(jī)械制造或塑形。
27.如權(quán)利要求13所述的電化學(xué)卡匣，其中該雙極板是由金屬片壓印而成。
28.如權(quán)利要求1所述的電化學(xué)卡匣，其中該密封劑是通過壓力輔助樹脂轉(zhuǎn)印法、真空輔助樹脂轉(zhuǎn)印法或注射制模法被導(dǎo)入。
29.如權(quán)利要求28所述的電化學(xué)卡匣，其中該密封劑或樹脂是在介于約+15psi至約-15psi間的壓力差下被導(dǎo)入。
30.如權(quán)利要求28所述的電化學(xué)卡匣，其中該密封劑是在介于0psi至約500psi間的正壓條件下，以壓力輔助樹脂轉(zhuǎn)印法被導(dǎo)入。
31.如權(quán)利要求28所述的電化學(xué)卡匣，其中密封劑或樹脂是在介于750Torr至約1mTorr的分壓條件下，以真空輔助樹脂轉(zhuǎn)印法被導(dǎo)入。
32.一種燃料電池堆疊，包括(a)至少一個(gè)如權(quán)利要求1至31任一項(xiàng)所述的電化學(xué)卡匣；(b)至少一個(gè)外板；其中該外板被組裝在一個(gè)或多個(gè)的電化學(xué)卡匣的堆疊的頂部和/或底部。
33.如權(quán)利要求32所述的燃料電池堆疊，其中該外板與該電化學(xué)卡匣在包覆前進(jìn)行組裝，使該外板和該燃料電池卡匣被包覆并密封在一起。
34.如權(quán)利要求32所述的燃料電池堆疊，其中對(duì)該堆疊施加壓縮手段，對(duì)該燃料電池堆疊形成壓縮力。
35.如權(quán)利要求32所述的燃料電池堆疊，其中該外板在該電化學(xué)卡匣包覆之后被貼附至一個(gè)或多個(gè)電化學(xué)卡匣。
36.如權(quán)利要求35所述的燃料電池堆疊，其中該外板通過壓縮密封加以貼附。
37.如權(quán)利要求32所述的燃料電池堆疊，其中至少一個(gè)外板是由熱固性聚合物、熱塑性聚合物、金屬或金屬合金所組成。
38.如權(quán)利要求32所述的燃料電池堆疊，其中至少一個(gè)外板是由填充聚合物的復(fù)合物所構(gòu)成。
39.如權(quán)利要求38所述的燃料電池堆疊，其中該填充聚合物的復(fù)合物是熱塑性玻璃強(qiáng)化纖維或熱塑性石墨強(qiáng)化的材料。
40.如權(quán)利要求32所述的燃料電池堆疊，其中至少一個(gè)外板的部分是由導(dǎo)電性金屬或金屬合金所構(gòu)成。
41.如權(quán)利要求40所述的燃料電池堆疊，其中至少一個(gè)外板的部分是銅的電流收集器。
全文摘要
本發(fā)明提供一種薄膜卡匣及其電池堆疊，適用在各種電化學(xué)應(yīng)用上。本發(fā)明進(jìn)一步提供一種薄膜卡匣，其包括一個(gè)或多個(gè)外部歧管，該歧管將反應(yīng)物和/或冷卻劑傳送至該薄膜卡匣的一個(gè)或多個(gè)反應(yīng)物或冷卻劑流場(chǎng)。在某些較佳的實(shí)施例中，本發(fā)明所提供的薄膜卡匣和電池堆疊適用在燃料電池的應(yīng)用上。
文檔編號(hào)H01M8/10GK1754279SQ200480005493
公開日2006年3月29日 申請(qǐng)日期2004年2月27日 優(yōu)先權(quán)日2003年2月27日
發(fā)明者P·沙賓, P·奧塞納, P·雷扎克 申請(qǐng)人:布羅托尼克斯技術(shù)公司