專(zhuān)利名稱(chēng)：混合式雙極板組件和結(jié)合它的裝置的制作方法
背景技術(shù)：
具有雙極板的燃料電池系統(tǒng)是已知的。
發(fā)明概述燃料電池如質(zhì)子交換膜(PEM)燃料電池通過(guò)氫氧化和氧還原產(chǎn)生電能。這些催化反應(yīng)的副產(chǎn)物是水。典型的電池包括位于一對(duì)氣體擴(kuò)散介質(zhì)和催化劑層之間的聚合物膜(例如質(zhì)子交換膜)。陰極板和陽(yáng)極板位于靠近氣體擴(kuò)散介質(zhì)層的最外側(cè)處，前述部件被緊密壓縮形成電池單元。
單個(gè)電池單元提供的電壓對(duì)于有效的應(yīng)用來(lái)說(shuō)通常太小。因此，一般在“堆”中布置和串聯(lián)多個(gè)電池來(lái)增加電化學(xué)轉(zhuǎn)化組件或燃料電池的電力輸出。在這種布置中，兩個(gè)相鄰的電池單元可共用一個(gè)極板，其用作兩個(gè)串聯(lián)連接的相鄰電池單元的陽(yáng)極和陰極。這種極板常被稱(chēng)為“雙極板”。
為了符合目前的制造規(guī)范，燃料電池的雙極板必須在電化學(xué)上穩(wěn)定、導(dǎo)電和便宜。金屬和聚合物(復(fù)合材料)雙極板都滿足這些標(biāo)準(zhǔn)。但是，復(fù)合材料板滲氫，這會(huì)導(dǎo)致性能和效率的顯著損失。通過(guò)復(fù)合材料板的這種氫滲透會(huì)導(dǎo)致冷卻劑回路中存在氫，這要求將其排出。這是不實(shí)際的，因?yàn)槔鋮s劑回路的排出將導(dǎo)致冷卻劑的蒸發(fā)。
與復(fù)合材料雙極板不同，金屬板基本不透過(guò)分子氫。但是，金屬板與復(fù)合材料板相比較昂貴，而且一般與低性能電池有關(guān)。術(shù)語(yǔ)“低性能電池”這里是指燃料電池堆內(nèi)表現(xiàn)出比其余電池高的電阻的電池，如例如在約200和約250mOhm-cm2之間。盡管不打算受任何特定理論限制，但認(rèn)為金屬雙極板的差的性能與水管理有關(guān)，更具體地，與燃料電池陰極側(cè)處的水管理有關(guān)，在那里產(chǎn)生水。因此，公認(rèn)存在對(duì)燃料電池堆雙極板設(shè)計(jì)改進(jìn)的需要。
本發(fā)明通過(guò)提供用于燃料電池的混合式雙極板組件滿足這種需要，該組件結(jié)合了金屬和復(fù)合材料兩者的有用性質(zhì)。盡管本發(fā)明不限于特定的優(yōu)點(diǎn)或功能，但注意到混合式雙極板組件防止了板到板的氫滲透，并消除了通過(guò)板到冷卻劑的氫滲透?；旌鲜诫p極板組件提高了燃料電池堆的性能、效率和耐久性。此外，本發(fā)明消除了泄漏到環(huán)境的氫，并通過(guò)使用比典型金屬雙極板少的不銹鋼而降低了成本。
根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方案，提供一種混合式雙極板組件，包括金屬陽(yáng)極板、聚合物復(fù)合材料陰極板、和位于金屬陽(yáng)極板和復(fù)合材料陰極板之間的包括金、銀和各自的合金中至少一種的第一層。
根據(jù)本發(fā)明的另一種實(shí)施方案，提供一種裝置，包括聚合物膜、第一和第二催化劑層、第一和第二氣體擴(kuò)散介質(zhì)層、和至少一個(gè)混合式雙極板組件。聚合物膜在膜的相對(duì)側(cè)上限定相對(duì)的陰極和陽(yáng)極面。第一和第二催化劑層在催化劑的相對(duì)側(cè)上限定相對(duì)的內(nèi)側(cè)和外側(cè)面。第一催化劑層的內(nèi)側(cè)面接合聚合物膜的陰極面，第二催化劑層的內(nèi)側(cè)面接合聚合物膜的陽(yáng)極面。第一和第二氣體擴(kuò)散介質(zhì)層在氣體擴(kuò)散介質(zhì)的相對(duì)側(cè)上限定相對(duì)的內(nèi)側(cè)和外側(cè)面。第一氣體擴(kuò)散介質(zhì)層的內(nèi)側(cè)面接合第一催化劑層的外側(cè)面，第二氣體擴(kuò)散介質(zhì)層的內(nèi)側(cè)面接合第二催化劑層的外側(cè)面?；旌鲜诫p極板組件接合第一和第二氣體擴(kuò)散介質(zhì)層中的至少一個(gè)。另外，混合式雙極板組件包括金屬陽(yáng)極板、復(fù)合材料陰極板、和包括金、銀和各自的合金中的至少一種的層。金屬陽(yáng)極板在其相對(duì)側(cè)上限定相對(duì)的第一和第二主面，復(fù)合材料陰極板包括聚合物材料。包括金、銀和各自的合金中至少一種的層接合金屬陽(yáng)極板的第一和第二主面中的至少一個(gè)。裝置可包括燃料電池，該裝置還可包括限定以燃料電池作為動(dòng)力的車(chē)輛的結(jié)構(gòu)。
根據(jù)本發(fā)明的又一實(shí)施方案，提供一種混合式雙極板組件，包括金屬陽(yáng)極板、復(fù)合材料陰極板、位于金屬陽(yáng)極板和復(fù)合材料陰極板之間的包括金、銀和各自的合金中至少一種的層、和粘合劑。金屬陽(yáng)極板包括耐腐蝕的鐵-鉻合金，復(fù)合材料陰極板包括聚合物材料和約10wt％至約90wt％的石墨粉。聚合物材料可選自熱固性樹(shù)脂、熱塑性樹(shù)脂或它們的組合。熱固性樹(shù)脂可包括環(huán)氧樹(shù)脂、三聚氰胺樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂、脲樹(shù)脂、乙烯酯、液晶聚合物和它們的組合中的至少一種。另外，熱塑性樹(shù)脂可包括苯乙烯、丙烯酸樹(shù)脂、纖維素樹(shù)脂、聚乙烯、聚丙烯、液晶聚合物、乙烯類(lèi)、尼龍類(lèi)、碳氟化合物、聚苯硫醚和它們的組合中的至少一種。另外，金屬陽(yáng)極板的腹板(web)厚度小于復(fù)合材料陰極板的腹板厚度。配置粘合劑在混合式雙極板組件的外圓周周?chē)芊饨饘訇?yáng)極板和復(fù)合材料陰極板，從而防止了冷卻劑從金屬陽(yáng)極板和復(fù)合材料陰極板之間漏出。任選地，混合式雙極板組件可包括設(shè)計(jì)用于防止冷卻劑從金屬陽(yáng)極板和復(fù)合材料陰極板之間漏出的墊圈。
根據(jù)本發(fā)明的還一實(shí)施方案，提供一種混合式雙極板組件，包括陽(yáng)極板，陽(yáng)極板包括第一層和第二層，第一層包括第一金屬，第二層包括第二金屬，其中第二層在冷卻劑存在下在化學(xué)上是穩(wěn)定的。組件還包括復(fù)合材料陰極板，并且陽(yáng)極板在第一層上基本不含任何氧化物。陽(yáng)極板可包括冷卻劑面，第一金屬可包括鐵和Cr，其中已從冷卻劑面基本除去Cr的任何氧化物。第二金屬可包括金、銀和各自的合金中的至少一種。
從結(jié)合附屬權(quán)利要求的本發(fā)明的以下詳細(xì)描述中將能更充分地理解本發(fā)明的這些和其它特征和優(yōu)點(diǎn)。注意權(quán)利要求的范圍由其中的敘述限定，而不是由本發(fā)明中闡述的特征和優(yōu)點(diǎn)的具體討論來(lái)限定。
附圖簡(jiǎn)述當(dāng)結(jié)合下面的附圖閱讀時(shí)，可最好地理解本發(fā)明實(shí)施方案的以下詳細(xì)描述，其中相同的結(jié)構(gòu)用相同的標(biāo)記指示，其中

圖1為根據(jù)本發(fā)明原理的混合式雙極板組件(陽(yáng)極側(cè)向上)的等比分解圖；圖2為根據(jù)本發(fā)明原理布置在堆中的混合式雙極板組件的橫截面局部視圖；圖3為圖2所示的混合式雙極板組件的放大截面圖；和圖4為結(jié)合了根據(jù)本發(fā)明原理的電化學(xué)轉(zhuǎn)化組件的車(chē)輛的示意圖。
熟練的技術(shù)人員能認(rèn)識(shí)到圖中的元件是為了簡(jiǎn)單和清楚而示出，不必按比例繪制。例如，圖中部分元件的尺寸可相對(duì)于其它元件被擴(kuò)大以幫助理解本發(fā)明的實(shí)施方案。
部分發(fā)明實(shí)施方案詳述根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方案，提供混合式雙極板組件1，該組件1可用在電化學(xué)轉(zhuǎn)化組件(例如燃料電池)中。組件1包括金屬陽(yáng)極板2、復(fù)合材料陰極板4和位于金屬陽(yáng)極板2和復(fù)合材料陰極板4之間的第一層3，該混合式雙極板組件1圖示在圖1、2和3中。第一層3可包括金、銀和各自的合金中的至少一種。通過(guò)利用金屬和復(fù)合材料兩者的有用性能，混合式雙極板組件1克服了完全由金屬或復(fù)合材料構(gòu)成的常規(guī)雙極板通常遇到的許多缺陷。更特別地，本發(fā)明的混合式雙極板組件1利用金屬板提供的較大機(jī)械強(qiáng)度和較低厚度，以及與金屬板相比由復(fù)合材料板提供的改善的水管理。此外，與復(fù)合材料雙極板不同，金屬板基本不能透過(guò)分子氫，因此，不會(huì)使氫進(jìn)入冷卻劑回路，氫進(jìn)入冷卻劑回路會(huì)導(dǎo)致燃料電池性能和效率的顯著損失。
金屬陽(yáng)極板2可包括耐腐蝕的鐵-鉻合金材料(例如不銹鋼)，復(fù)合材料陰極板4可包括聚合物材料如熱固性樹(shù)脂、熱塑性樹(shù)脂或它們的組合。熱固性樹(shù)脂可選自環(huán)氧樹(shù)脂、三聚氰胺樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂、脲樹(shù)脂、乙烯酯、聚酯和它們的組合，熱塑性樹(shù)脂可選自苯乙烯、丙烯酸樹(shù)脂、纖維素樹(shù)脂、聚乙烯、聚丙烯、液晶聚合物(聚酯)、乙烯類(lèi)、尼龍類(lèi)、碳氟化合物、聚苯硫醚和它們的組合。典型地，復(fù)合材料陰極板4包括約10和約90wt％之間的石墨粉末，石墨粉末可選自合成石墨、天然石墨或它們的組合。石墨提高了復(fù)合材料陰極板4的導(dǎo)電率。
圖1為根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施方案的混合式雙極板組件1的展開(kāi)圖。組件1提供特征在于多個(gè)彎曲氣流通道20的反應(yīng)物氣流場(chǎng)，通過(guò)彎曲氣流通道20，電化學(xué)轉(zhuǎn)化組件的反應(yīng)物氣體(即H2和O2)在彎曲通道中從雙極板組件1的一個(gè)邊22附近流動(dòng)到其相對(duì)邊24附近。反應(yīng)物氣體被從集管或供應(yīng)歧管槽21供應(yīng)到通道20，集管或供應(yīng)歧管槽21位于流場(chǎng)一端處板組件1的邊22附近，反應(yīng)物氣體經(jīng)由排氣歧管槽23離開(kāi)通道20，排氣歧管槽23位于在流場(chǎng)另一端處的組件1的相對(duì)邊24附近?；蛘撸?yīng)和排氣歧管21、23可位于板組件1的同一邊(即22或24)附近。
圖2為根據(jù)本發(fā)明布置在堆中的一對(duì)混合式雙極板組件1的橫截面圖。典型地，如圖2所示，在一對(duì)混合式雙極板組件1之間定向位于一對(duì)擴(kuò)散介質(zhì)層7之間的MEA 5，壓縮這些板形成一個(gè)完整的電池。認(rèn)為只要不脫離本發(fā)明的范圍，MEA 5和擴(kuò)散介質(zhì)層7就可采用各種常規(guī)或仍待開(kāi)發(fā)的形式。盡管MEA 5的具體形式不在本發(fā)明的范圍內(nèi)，但MEA 5可包括各自的催化電極層和離子交換膜。金屬陽(yáng)極板2和復(fù)合材料陰極板4都包括多個(gè)通道，它們共同形成通路或“冷卻劑腔”6，液體冷卻劑在電化學(xué)轉(zhuǎn)化組件的工作過(guò)程中經(jīng)過(guò)它們。另外，金屬陽(yáng)極和復(fù)合材料陰極板2、4各自分別包括一個(gè)或多個(gè)陽(yáng)極或陰極通道8、10。陽(yáng)極通道8被設(shè)計(jì)用于通過(guò)H2氣體，陰極通道10被設(shè)計(jì)用于通過(guò)O2氣體或空氣。
盡管不希望限制本發(fā)明到任何特定的制造方法上，但一般將陽(yáng)極通道8模壓在金屬陽(yáng)極板2內(nèi)，一般將陰極通道10模塑到復(fù)合材料陰極板4內(nèi)。這些通道8、10的深度大致相同。但是，金屬陽(yáng)極板2和復(fù)合材料陰極板4各自限定能有區(qū)別地給予金屬陽(yáng)極和復(fù)合材料陰極板2、4機(jī)械性能的腹板厚度。術(shù)語(yǔ)“腹板厚度”是指氣體通道(陽(yáng)極8或陰極10)底部和形成冷卻劑腔6的冷卻劑通道頂部之間的板厚度(見(jiàn)圖2)。構(gòu)成陰極板4的復(fù)合材料一般比陽(yáng)極板2的金屬材料弱。這至少部分上是由于被摻入到復(fù)合材料內(nèi)以提高陰極板4電導(dǎo)率的石墨的高載量。因而，金屬陽(yáng)極板2可具有比復(fù)合材料陰極板4薄的腹板厚度。如圖3中更具體地所示，金屬陽(yáng)極板2的腹板厚度a小于復(fù)合材料陰極板4的腹板厚度b。典型地，金屬陽(yáng)極板2的腹板厚度a在約0.1和約0.15mm之間，復(fù)合材料陰極板4的腹板厚度在約0.3和約0.8mm之間。
如本文指出，金屬陽(yáng)極板2被設(shè)計(jì)基本不透過(guò)分子氫。因而，含氫燃料源保持在陽(yáng)極通道8內(nèi)，不會(huì)滲透到冷卻劑腔6內(nèi)或選出到大氣中。這提高了燃料電池性能和效率，因?yàn)椴恍枰獜睦鋮s劑腔6中排出氫，這種排出會(huì)造成冷卻劑的蒸發(fā)和氫燃料不能充分用于產(chǎn)生電力。另外，在陰極板4的制造中使用復(fù)合材料能為混合式雙極板組件1提供比常規(guī)完全金屬雙極板組件明顯低的材料成本，同時(shí)仍從金屬材料的性質(zhì)中受益。
如本文指出，水作為在燃料電池裝置內(nèi)發(fā)生的催化反應(yīng)的副產(chǎn)物而產(chǎn)生，水通過(guò)氣體分布通道離開(kāi)燃料電池。這產(chǎn)生不能物理到達(dá)催化劑層以進(jìn)行反應(yīng)的反應(yīng)氣體(即H2和O2)傳質(zhì)問(wèn)題，因?yàn)橐后w水“堵塞”了氣體通道。結(jié)果，被氣體分布通道中的水阻塞的這些電池表現(xiàn)出比燃料電池堆中其余電池低得多的電壓。這些被阻塞電池的性能可隨著時(shí)間下降，直到整個(gè)電化學(xué)轉(zhuǎn)化裝置失效。由于單個(gè)電池通過(guò)雙極板串聯(lián)連接，因此如果一個(gè)電池由于氣體分布通道中的水失效，則整個(gè)燃料電池堆將最終停止工作。由于與耐腐蝕金屬合金(例如不銹鋼材料)相關(guān)的設(shè)計(jì)和涂覆材料限制，金屬雙極板這種問(wèn)題的頻率比復(fù)合材料高得多。水管理被認(rèn)為是燃料電池中最難以解決的問(wèn)題之一。
根據(jù)本發(fā)明，混合式雙極板組件1能在產(chǎn)生水的電化學(xué)轉(zhuǎn)化組件的陰極側(cè)處進(jìn)行有效水管理。這通過(guò)使用復(fù)合材料陰極板4來(lái)完成，該復(fù)合材料提供更大的設(shè)計(jì)自由度以適應(yīng)氣體擴(kuò)散通道的幾何形狀，和與帶涂層的不銹鋼板相比能有效和高效地將水清除出氣體擴(kuò)散通道的樹(shù)脂材料性質(zhì)(親水性和疏水性)，帶涂層的不銹鋼板材料性質(zhì)不能提供這種靈活性。因此，通過(guò)替換制備復(fù)合材料中所用的不同粘合劑可容易地改變復(fù)合材料板4的性質(zhì)。相反，模壓的金屬雙極板的幾何形狀受到限制，因?yàn)檫@些材料在模壓過(guò)程中在大的應(yīng)變下會(huì)斷裂，取決于通道幾何形狀。
根據(jù)本發(fā)明，混合式雙極板組件1還可包括施加在金屬陽(yáng)極板2一側(cè)或兩側(cè)上的金屬或金屬合金層3。如果位置與冷卻劑接觸，金屬或金屬合金層3在冷卻劑存在下應(yīng)是化學(xué)穩(wěn)定的。金屬或金屬合金的合適材料包括但不限于金、金合金、銀和銀合金。在圖2和3所示的實(shí)施方案中，金屬或金屬合金層3被施加到金屬陽(yáng)極板2的兩側(cè)上。金屬或金屬合金層3一般為純金，可利用物理氣相沉積方法如電子束沉積或?yàn)R射或電鍍方法將其施加到金屬陽(yáng)極板2上。金屬或金屬合金層3一般厚約2至約50nm。
在電化學(xué)轉(zhuǎn)化組件中在未涂覆狀態(tài)下不能使用耐腐蝕鐵-鉻合金如不銹鋼，因?yàn)樵谄浔砻嫔嫌锈g化氧化物薄膜，這形成與氣體擴(kuò)散介質(zhì)的高接觸電阻。鈍化層通常主要是Cr2O3，其保護(hù)金屬合金不受電池內(nèi)腐蝕環(huán)境影響，但有電阻。因此，根據(jù)本發(fā)明，通過(guò)氫氟酸蝕刻或陰極清洗減少或除去鈍化層，金屬合金板2的表面一般用金涂覆，以便使表面上的接觸電阻最小。
此外，根據(jù)本發(fā)明，一般在金屬陽(yáng)極板2的背側(cè)或冷卻劑側(cè)上使用金，以便使金屬陽(yáng)極板2和復(fù)合材料陰極板4之間的接觸電阻最小。這使堆中串聯(lián)布置的電池之間的電壓損失最小。希望較低的粘合層電阻以避免通過(guò)粘合層的電壓損失。金涂覆的金屬陽(yáng)極板2和復(fù)合材料陰極板4之間的粘合層電阻一般在約1.8和約2mOhm-cm2之間。因此，本發(fā)明允許消除金屬和復(fù)合材料板兩者通常都成本不允許的常規(guī)粘合過(guò)程。
可在金屬陽(yáng)極2和復(fù)合材料陰極板4的周邊使用粘合劑，以密封堆并防止冷卻劑從混合式雙極板組件1中漏出。粘合劑可為導(dǎo)電或不導(dǎo)電的，并可選自熱固性樹(shù)脂、熱塑性樹(shù)脂或它們的組合，如例如環(huán)氧樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂、丙烯酸酯、聚氨酯、聚酯等。可使用以下方法中的任何一種施加粘合劑分散、絲網(wǎng)印刷、噴涂和輥涂等?；蛘撸谟没虿挥谜澈厦芊鈩┣闆r下，使用被設(shè)計(jì)防止冷卻劑從混合式雙極板組件1中漏出的籃。根據(jù)本發(fā)明，在板2、4的外周周?chē)褂没虿皇褂脤?dǎo)電或非導(dǎo)電粘合劑的情況下，復(fù)合材料陰極板4和一般金涂覆的金屬陽(yáng)極板2之間的直接接觸能保持燃料電池堆的完整性并且節(jié)約成本。
現(xiàn)在參考圖4，結(jié)合了根據(jù)本發(fā)明的至少一個(gè)混合式雙極板組件的燃料電池系統(tǒng)可被設(shè)計(jì)作為車(chē)輛100的電源。具體地說(shuō)，來(lái)自燃料儲(chǔ)存單元120的燃料可被送往用于將燃料例如H2轉(zhuǎn)化成電力的燃料電池裝置110。產(chǎn)生的電力用作車(chē)輛100的動(dòng)力源，在車(chē)輛100中，電力被轉(zhuǎn)化成扭矩和車(chē)輛平移運(yùn)動(dòng)。盡管圖4中所示的車(chē)輛100為客車(chē)，但能想到車(chē)輛100可為目前已知或以后開(kāi)發(fā)的能用燃料電池系統(tǒng)供應(yīng)動(dòng)力或推動(dòng)的任何車(chē)輛，如例如汽車(chē)(即小汽車(chē)、輕型卡車(chē)或重型卡車(chē)、或拖車(chē))、農(nóng)場(chǎng)設(shè)備、航空器、水運(yùn)工具、鐵路機(jī)車(chē)等。
注意術(shù)語(yǔ)像“優(yōu)選”、“通?！焙汀耙话恪痹诒疚闹胁挥糜谙拗埔蟮陌l(fā)明的范圍或暗示某些特征對(duì)要求的發(fā)明的結(jié)構(gòu)或功能是關(guān)鍵的、必要的或甚至重要的。相反，這些術(shù)語(yǔ)僅僅是用于強(qiáng)調(diào)在本發(fā)明的特定實(shí)施方案中可或不可使用的替代或其它特征。
為了描述和限定本發(fā)明，注意術(shù)語(yǔ)“裝置”在本文中用于表示部件組合和單獨(dú)部件，與部件是否與其它部件結(jié)合無(wú)關(guān)。例如，根據(jù)本發(fā)明的“設(shè)備”可包括混合式雙極板組件、結(jié)合了根據(jù)本發(fā)明的混合式雙極板組件的燃料電池、結(jié)合了根據(jù)本發(fā)明的燃料電池的車(chē)輛等。
為了描述和限定本發(fā)明，注意術(shù)語(yǔ)“基本上”在本文中用于表示可能由于任何定量比較、數(shù)值、測(cè)量或其它表示法造成的不確定性的固有程度。術(shù)語(yǔ)“基本上”在本文中還用于表示在不導(dǎo)致所討論主題的基本功能變化時(shí)，量化表示不同于指定基準(zhǔn)的程度。
已詳細(xì)描述了本發(fā)明并參考了它的具體實(shí)施方案，但只要不脫離附加權(quán)利要求中限定的本發(fā)明的范圍，改變和變化顯然是可以的。更具體地說(shuō)，盡管本發(fā)明的一些方面在本文中被確定為優(yōu)選的或尤其有利的，但應(yīng)認(rèn)識(shí)到本發(fā)明沒(méi)有必要限制于這些優(yōu)選的發(fā)明方面。
權(quán)利要求
1.一種混合式雙極板組件，包括金屬陽(yáng)極板；復(fù)合材料陰極板，其中所述復(fù)合材料包括聚合物材料；和位于所述金屬陽(yáng)極板和所述復(fù)合材料陰極板之間的包括金、銀和各自的合金中的至少一種的第一層。
2.權(quán)利要求1的混合式雙極板組件，其中所述金屬陽(yáng)極板包括耐腐蝕的鐵-鉻合金材料。
3.權(quán)利要求1的混合式雙極板組件，其中所述聚合物材料包括熱固性樹(shù)脂、熱塑性樹(shù)脂或它們的組合。
4.權(quán)利要求3的混合式雙極板組件，其中所述熱固性樹(shù)脂包括環(huán)氧樹(shù)脂、三聚氰胺樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂、脲樹(shù)脂、乙烯酯、聚酯和它們的組合中的至少一種。
5.權(quán)利要求3的混合式雙極板組件，其中所述熱塑性樹(shù)脂包括苯乙烯、丙烯酸樹(shù)脂、纖維素樹(shù)脂、聚乙烯、聚丙烯、液晶聚合物、乙烯類(lèi)、尼龍類(lèi)、碳氟化合物、聚苯硫醚和它們的組合中的至少一種。
6.權(quán)利要求1的混合式雙極板組件，其中所述復(fù)合材料陰極板包括約10-約90wt％的石墨粉。
7.權(quán)利要求6的混合式雙極板組件，其中所述石墨粉包括合成石墨、天然石墨和它們的組合中的至少一種。
8.權(quán)利要求1的混合式雙極板組件，其中所述金屬陽(yáng)極板在所述金屬陽(yáng)極板的相對(duì)側(cè)上限定相對(duì)的第一和第二主面，并且其中所述第一層接合所述金屬陽(yáng)極板的所述第一和第二主面中的至少一個(gè)。
9.權(quán)利要求8的混合式雙極板組件，其中所述復(fù)合材料陰極板接合所述第一層。
10.權(quán)利要求1的混合式雙極板組件，其中所述金屬陽(yáng)極板包括一個(gè)或多個(gè)陽(yáng)極通道，所述陽(yáng)極通道設(shè)計(jì)用于通過(guò)H2。
11.權(quán)利要求1的混合式雙極板組件，其中所述復(fù)合材料陰極板包括一個(gè)或多個(gè)陰極通道，所述陰極通道設(shè)計(jì)用于通過(guò)O2或空氣。
12.權(quán)利要求1的混合式雙極板組件，其中所述金屬陽(yáng)極板和所述復(fù)合材料陰極板各自包括一個(gè)或多個(gè)用于通過(guò)液體的冷卻劑通道。
13.權(quán)利要求1的混合式雙極板組件，其中所述金屬陽(yáng)極板和所述復(fù)合材料陰極板各自限定腹板厚度，并且所述金屬陽(yáng)極板的所述腹板厚度小于所述復(fù)合材料陰極板的所述腹板厚度。
14.權(quán)利要求13的混合式雙極板組件，其中所述金屬陽(yáng)極板的所述腹板厚度在約0.1和約0.15mm之間。
15.權(quán)利要求13的混合式雙極板組件，其中所述復(fù)合材料陰極板的所述腹板厚度在約0.3和約0.8mm之間。
16.權(quán)利要求1的混合式雙極板組件，其中所述第一層厚度在約2和約50nm之間。
17.權(quán)利要求1的混合式雙極板組件，還包括被設(shè)計(jì)用于在所述混合式雙極板組件外周密封所述金屬陽(yáng)極板和所述復(fù)合材料陰極板的粘合劑。
18.權(quán)利要求17的混合式雙極板組件，其中所述粘合劑被設(shè)計(jì)用于防止冷卻劑在所述金屬陽(yáng)極板和所述復(fù)合材料陰極板之間漏出。
19.權(quán)利要求17的混合式雙極板組件，其中所述粘合劑為不導(dǎo)電的。
20.權(quán)利要求17的混合式雙極板組件，其中所述粘合劑為導(dǎo)電的。
21.權(quán)利要求17的混合式雙極板組件，其中所述粘合劑包括熱固性樹(shù)脂、熱塑性樹(shù)脂和它們的組合中的至少一種。
22.權(quán)利要求1的混合式雙極板組件，還包括被設(shè)計(jì)用于防止冷卻劑在所述金屬陽(yáng)極板和所述復(fù)合材料陰極板之間漏出的墊圈。
23.一種裝置，包括在膜的相對(duì)側(cè)上限定相對(duì)的陰極和陽(yáng)極面的聚合物膜；在所述催化劑的相對(duì)側(cè)上限定相對(duì)的內(nèi)面和外面的第一催化劑層，所述內(nèi)面接合所述聚合物膜的所述陰極面；在所述催化劑的相對(duì)側(cè)上限定相對(duì)的內(nèi)面和外面的第二催化劑層，所述內(nèi)面接合所述聚合物膜的所述陽(yáng)極面；在所述氣體擴(kuò)散介質(zhì)的相對(duì)側(cè)上限定相對(duì)的內(nèi)面和外面的第一氣體擴(kuò)散介質(zhì)層，所述內(nèi)面接合所述第一催化劑層的所述外面；在所述氣體擴(kuò)散介質(zhì)的相對(duì)側(cè)上限定相對(duì)的內(nèi)面和外面的第二氣體擴(kuò)散介質(zhì)層，所述內(nèi)面接合所述第二催化劑層的所述外面；和至少一個(gè)混合式雙極板組件，其接合所述第一和第二氣體擴(kuò)散介質(zhì)層中的至少一個(gè)，所述混合式雙極板組件包括金屬陽(yáng)極板，其在所述金屬陽(yáng)極板的相對(duì)側(cè)上限定了相對(duì)的第一和第二主面；復(fù)合材料陰極板，其中所述復(fù)合材料包括聚合物材料，和接合所述金屬陽(yáng)極板的所述第一和第二主面中的至少一個(gè)的包括金、銀和各自的合金中的至少一種的層。
24.權(quán)利要求23的裝置，其中所述裝置包括燃料電池。
25.權(quán)利要求24的裝置，還包括限定用所述燃料電池作為動(dòng)力的車(chē)輛的結(jié)構(gòu)。
26.一種混合式雙極板組件，包括金屬陽(yáng)極板，其中所述金屬陽(yáng)極板包括耐腐蝕的鐵-鉻合金；復(fù)合材料陰極板，其中所述復(fù)合材料陰極板包括約10至約90wt％的石墨粉，和選自熱固性樹(shù)脂、熱塑性樹(shù)脂或它們的組合的聚合物材料，其中所述熱固性樹(shù)脂包括環(huán)氧樹(shù)脂、三聚氰胺樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂、脲樹(shù)脂、乙烯酯、液晶聚合物和它們的組合中的至少一種，和所述熱塑性樹(shù)脂包括苯乙烯、丙烯酸樹(shù)脂、纖維素樹(shù)脂、聚乙烯、聚丙烯、液晶聚合物、乙烯類(lèi)、尼龍類(lèi)、碳氟化合物、聚苯硫醚和它們的組合中的至少一種，和所述金屬陽(yáng)極板的腹板厚度小于所述復(fù)合材料陰極板的腹板厚度；位于所述金屬陽(yáng)極板和所述復(fù)合材料陰極板之間的包括金、銀和各自的合金中的至少一種的層；和被設(shè)計(jì)用于在所述混合式雙極板組件外周密封所述金屬陽(yáng)極板和所述復(fù)合材料陰極板的粘合劑，所述粘合劑被設(shè)計(jì)用于防止冷卻劑在所述金屬陽(yáng)極板和所述復(fù)合材料陰極板之間漏出。
27.一種混合式雙極板組件，包括包括第一層和第二層的陽(yáng)極板，所述第一層包括第一金屬，所述第二層包括第二金屬，并且其中所述第二層在冷卻劑存在下是化學(xué)穩(wěn)定的。
28.權(quán)利要求27的混合式雙極板組件，還包括復(fù)合材料陰極板。
29.權(quán)利要求27的混合式雙極板組件，其中所述陽(yáng)極板在所述第一層上基本不含任何氧化物。
30.權(quán)利要求29的混合式雙極板組件，其中所述陽(yáng)極板包括冷卻劑面，所述第一金屬包括鐵和Cr，和其中從所述冷卻劑面上基本除去所述Cr的任何氧化物。
31.權(quán)利要求30的混合式雙極板組件，其中所述第二金屬包括金、銀和各自的合金中的至少一種。
全文摘要
一種混合式雙極板組件，包括金屬陽(yáng)極板、聚合物復(fù)合材料陰極板和位于金屬陽(yáng)極板和復(fù)合材料陰極板之間的金屬層。金屬陽(yáng)極板和復(fù)合材料陰極板還可包括施加在外周以防止冷卻劑漏出的粘合密封劑。該組件可被結(jié)合到包括燃料電池的裝置內(nèi)。此外，該裝置可限定用于限定以燃料電池作為動(dòng)力的車(chē)輛的結(jié)構(gòu)。
文檔編號(hào)H01M8/02GK1950963SQ200580014265
公開(kāi)日2007年4月18日 申請(qǐng)日期2005年4月25日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月3日
發(fā)明者M·H·阿布德埃爾哈米德, R·H·布倫克, Y·M·米克海爾 申請(qǐng)人:通用汽車(chē)公司