專(zhuān)利名稱(chēng)：燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及PEM燃料電池，并且更具體地涉及一種其中需要相 對(duì)較小的壓降來(lái)實(shí)現(xiàn)必要流速的分離流場(chǎng)板。
背景技術(shù)：
10 燃料電池已經(jīng)在許多應(yīng)用中用作能源。例如，已經(jīng)提議將燃料電池用于電車(chē)的動(dòng)力設(shè)備中來(lái)代替內(nèi)燃機(jī)。在質(zhì)子交換膜(PEM)類(lèi)型 的燃料電池中，氫作為燃料供應(yīng)到燃料電池的陽(yáng)極，而氧作為氧化劑 供應(yīng)到陰極。PEM燃料電池包括膜電極組(MEA),包括薄的透質(zhì) 子的非導(dǎo)電性固態(tài)聚合物電解質(zhì)膜，其在一面上具有陽(yáng)極催化劑，而15 反面為陰極催化劑。MEA夾在一對(duì)無(wú)孔導(dǎo)電元件或板之間，該板(1 ) 作為陽(yáng)極和陰極的集電器，以及(2)包含形成于其內(nèi)部用于分配各 陽(yáng)極和陰極催化劑表面上的燃料電池氣態(tài)反應(yīng)物的適當(dāng)通道和/或開(kāi) 口 。術(shù)語(yǔ)"燃料電池"根據(jù)情況通常用來(lái)指單個(gè)電池或多個(gè)電池(堆 20棧)。多個(gè)獨(dú)立的電池通常捆綁在一起形成燃料電池堆棧并且一般配 置成電串聯(lián)。堆棧內(nèi)的各電池包括上述的膜電極組(MEA)，并且每 個(gè)這種MEA提供其電壓增量。雄棧內(nèi)相鄰電池的群組稱(chēng)為蔟。在PEM燃料電池中，氫(H2)是陽(yáng)極反應(yīng)物(即，燃料)而氧 是陰極反應(yīng)物(即，氧化劑)。氧可以是純凈形式(02)或空氣(02 25 和N2的混合物)。固態(tài)聚合物電解質(zhì)通常由離子交換樹(shù)脂制成，例如 全氟(perfluoronated)磺酸。陽(yáng)極/陰極通常包括極細(xì)的催化粒子，該催 化粒子經(jīng)常支撐在碳粒子上，并且與導(dǎo)質(zhì)子樹(shù)脂混合。催化粒子通常 是昂貴的貴金屬粒子。由于這種MEA的制造成本相對(duì)高并且需要特 定的條件來(lái)進(jìn)行有效操作，包括適當(dāng)?shù)乃止芾砗蜐穸纫约按呋瘎┪酃赋煞值目刂?，例如一氧化石?CO)。傳統(tǒng)上，夾持MEA的導(dǎo)電板包含用于在各陽(yáng)極和陰極表面(本 申請(qǐng)中統(tǒng)稱(chēng)為有效區(qū)域)分配燃料電池氣態(tài)反應(yīng)物(即，氣態(tài)形式的 氫和氧)的反應(yīng)物流場(chǎng)。這些反應(yīng)物流場(chǎng)通常包括多個(gè)在其間限定多 5 個(gè)流動(dòng)通道的槽脊，氣態(tài)反應(yīng)物經(jīng)該通道從位于流動(dòng)通道一端的供應(yīng)集管(header)流動(dòng)到位于流動(dòng)通道相對(duì)端的排氣集管。對(duì)于性能良好的流場(chǎng)的要求可以表現(xiàn)為局部要求和整體要求。局 部要求一般用于有效區(qū)域上的每個(gè)點(diǎn)，而整體需求用于整個(gè)流場(chǎng)設(shè)計(jì)。為了滿足性能良好的流場(chǎng)的局部要求，流場(chǎng)應(yīng)該(1)輸送氣體 10 和濕度，(2 )去除廢氣并且(3 )去除液態(tài)水。為了滿足性能良好的 流場(chǎng)的整體要求，流場(chǎng)應(yīng)該(4)在有效區(qū)域上的所有點(diǎn)處滿足局部 要求，(5)以合理低的總壓降滿足局部要求，(6)隨時(shí)間始終滿足 局部要求因而產(chǎn)生穩(wěn)定的流動(dòng)，并且(7)在所有所需的流動(dòng)和負(fù)荷 條件下滿足局部要求。 15 對(duì)穩(wěn)定流動(dòng)的要求(6)是難以滿足的要求。對(duì)于這種困難引用了兩個(gè)原因。首先，很難精確確定何時(shí)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定流動(dòng)，因?yàn)榇?在多個(gè)根據(jù)其能夠成功完成穩(wěn)定流動(dòng)的條件。穩(wěn)定流動(dòng)需要恒定地去 除液態(tài)水。然而，可以通過(guò)多種方式去除水。例如，在某些情況下， 氣體速度可能太高，以至于不可能收集液態(tài)水。在其它情況下，液態(tài) 20 水可以收集并隨后出現(xiàn)壓力增大，使得液態(tài)水移出。在有些情況下， 低氣體速度以及無(wú)力構(gòu)建壓力產(chǎn)生不利的水去除條件以及不穩(wěn)定的 氣體流動(dòng)。穩(wěn)定流動(dòng)難以實(shí)現(xiàn)的第二個(gè)原因是為了滿足它，必須平衡其它 的流場(chǎng)要求。例如，滿足要求(3)和(6)的流場(chǎng)設(shè)計(jì)方面直接與滿 25 足要求(4)和(5)的設(shè)計(jì)方面竟?fàn)帯：罄m(xù)三個(gè)實(shí)例示范了目前設(shè)計(jì)滿足所有要求的流場(chǎng)的難度，包括 建立恒定的水去除所需的兩種可能穩(wěn)定流動(dòng)條件中的任意一種。在第 一實(shí)例中，通過(guò)建立高氣體速度條件可能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定流動(dòng)。通過(guò)設(shè)計(jì)具 有高氣壓梯度的流動(dòng)路徑建立高氣體速度條件。然而，對(duì)于均勻大小的有效區(qū)域，這種設(shè)計(jì)的后果是總流場(chǎng)壓降高到無(wú)法接收的的流場(chǎng)。通過(guò)這種方式，實(shí)現(xiàn)了要求(3) 、 (4)和(6)，而(5)沒(méi)有得到 滿足。在第二實(shí)例中，為了減小總壓降，可以修改實(shí)例1以便獲得長(zhǎng)度5 更短的更多平行流動(dòng)路徑。然而，在達(dá)到可接受的低壓降時(shí)，氣體速 度降低到允許形成液態(tài)水的水平。因而，隨著建立許多平行流動(dòng)路徑， 不再可能通過(guò)壓力增大來(lái)去除液態(tài)水，因?yàn)椴荒苄纬蓧毫υ龃?。因而?實(shí)現(xiàn)了要求(4)和(5)，而(3)和(6)仍無(wú)法滿足。在第三實(shí)例中，為了便于通過(guò)壓力增大進(jìn)行液體去除，可以通過(guò) 10 取走某些平行流動(dòng)路徑來(lái)修改實(shí)例2。然而，如果要保持低的總壓降 要求，加到各流動(dòng)路徑以補(bǔ)償去除的流動(dòng)路徑的長(zhǎng)度是有限的。在這 種情況下，可實(shí)現(xiàn)所有的要求，除了需要流場(chǎng)覆蓋整個(gè)有效區(qū)域的要 求。具體說(shuō)來(lái)，可實(shí)現(xiàn)要求(3)、 (5)和(6),而(4)無(wú)法滿足。15 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明針對(duì)一種用于在存在液態(tài)水的情況下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定氣流以及 用于提高催化劑層內(nèi)的氧分壓以便提升電池性能的流場(chǎng)設(shè)計(jì)。該流場(chǎng) 設(shè)計(jì)包括配置在兩個(gè)偏離平面內(nèi)的給進(jìn)歧管和排出歧管。相對(duì)較短的 通路從給進(jìn)歧管延伸到排出歧管并且終結(jié)在擴(kuò)散介質(zhì)處，以便提供從 20 給進(jìn)歧管經(jīng)通路和擴(kuò)散介質(zhì)到達(dá)排出歧管的流體連通。因而，可以采 用本發(fā)明還建立經(jīng)擴(kuò)散介質(zhì)的對(duì)流的相互交叉流動(dòng)，以便提高催化劑 層的氧分壓。在一方面中，本發(fā)明針對(duì)一種具有限定在膜電極組(MEA)和第 一不透氣元件之間的第 一歧管的燃料電池，第 一歧管內(nèi)設(shè)置一組間隔 25物。第二歧管限定在第一平面元件和第二不透氣元件之間。第一不透 氣元件和間隔物具有經(jīng)其形成的孔口 ，以便建立從第一歧管橫越MEA 的反應(yīng)面到達(dá)第二歧管的流動(dòng)路徑。在另一方面中，本發(fā)明針對(duì)一種燃料電池，具有MEA、與擴(kuò)散 介質(zhì)片成間隔關(guān)系設(shè)置以便在其間限定第 一歧管的第 一隔離片以及設(shè)置在第一歧管內(nèi)得第一組間隔物，第一組間隔物的每一個(gè)間隔物具 有與形成于其中的第一歧管橫向的孔口。第二隔離片與第一隔離片成 間隔關(guān)系設(shè)置，以便在其間限定與該孔口橫向的第二歧管，并且第二 組間隔物設(shè)置在第二歧管內(nèi)。在第 一歧管和第二歧管之間限定經(jīng)孔口 5 ^爭(zhēng)越MEA反應(yīng)面的流動(dòng)路徑。在又一方面中，本發(fā)明針對(duì)一種用于制造燃料電池的隔離板的方 法，其中第一導(dǎo)電片層壓在第一膜片上，并且所述第一導(dǎo)電片的一部分A/v第 一膜片上去除，以便第一導(dǎo)電片的剩余部分限定第 一間隔物陣歹lj。經(jīng)第一間隔物陣列中的各間隔物和第一膜片形成通^^，以建立一10 系列平行的流動(dòng)路徑。第二導(dǎo)電片層壓到第二膜片上，并且第二導(dǎo)電片的一部分從第二膜片去除，以使第二導(dǎo)電片的剩余部分限定第二間 隔物陣列。第二間隔物陣列在第 一 間隔物陣列的對(duì)面層壓到第 一 膜 片，以使第一歧管形成在第一膜片和第二膜片之間。通過(guò)下文提供的詳細(xì)描述，本發(fā)明實(shí)用性的更多領(lǐng)域顯而易見(jiàn)。15應(yīng)該理解盡管顯示了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，但詳細(xì)描述和特定實(shí)例傾 向于僅出于說(shuō)明目的，并不傾向于限制本發(fā)明的范圍。


通過(guò)詳細(xì)描述和所附附圖能夠更全面的理解本發(fā)明，其中 20 圖1是PEM燃料電池堆棧中包括一對(duì)互補(bǔ)彈簧封口的燃料電池的等大分解示意圖；圖2是圖1所示的雙極板的部分分解透視圖；圖3A是根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的隔離板的排出側(cè)的平面示意圖；25 圖3B是圖3A的隔離板入口側(cè)的平面示意圖；圖4A是沿線4-4的圖3A的隔離板的部分截面示意圖； 圖4B是顯示流動(dòng)路徑的各輸送、活性區(qū)域以及排出段的圖4A的 隔離板的部分截面示意4C是隔離板入口側(cè)的細(xì)節(jié)；圖4D是隔離板排出側(cè)的細(xì)節(jié)；圖5A是根據(jù)本發(fā)明備選實(shí)施例的隔離板入口側(cè)的部分平面示意圖；圖5B是根據(jù)本發(fā)明另一備選實(shí)施例的隔離板入口側(cè)的部分平面 5 示意圖；圖6A是經(jīng)入口集管的雙極板的截面示意圖；圖6B是經(jīng)排氣集管的雙極板的截面示意圖；以及圖7是顯示用于根據(jù)本發(fā)明制造隔離板的步驟的流程圖。10具體實(shí)施方式
后續(xù)的優(yōu)選實(shí)施例描述實(shí)質(zhì)上僅是示范性的，并且決不傾向于限 制本發(fā)明及其應(yīng)用或使用。圖1示意性描述具有由無(wú)孔導(dǎo)電雙極板20彼此分離的膜電極組 (MEA) 14、 16的部分PEM燃料電池堆棧10。 MEA14和16以及雙 15極板20在無(wú)孔導(dǎo)電雙極板22和24之間堆疊到一起。作為多孔、透 氣并導(dǎo)電片的流動(dòng)干擾介質(zhì)26、 28、 30和32相對(duì)MEA14和16的電 極面擠壓并作為電極的主集電器。流動(dòng)干擾介質(zhì)26、 28、 30和32還 為MEA14和16 4是供機(jī)械支撐，特別是在MEA在流場(chǎng)內(nèi)未通過(guò)其它 方式支撐的位置。流動(dòng)干擾介質(zhì)26、 28、 30和32進(jìn)一步提供從入口 20 歧管跨越MEA反應(yīng)面到達(dá)排出歧管的流體傳送機(jī)構(gòu)。雙極板22和24將主集電器26擠壓在MEA14的反應(yīng)陰極面14c 上并將主集電器32擠壓在MEA16的反應(yīng)陽(yáng)極面16a上。雙極板20 將擴(kuò)散介質(zhì)28擠壓在MEA14的反應(yīng)陽(yáng)極面14a上并將主集電器或擴(kuò) 散介質(zhì)30擠壓在MEA16的反應(yīng)陰極面16c上。氧化劑氣體(例如氧 25 或空氣)從氧或空氣源38經(jīng)適當(dāng)?shù)墓?yīng)管件40供應(yīng)到燃料電池堆棧 10的陰極側(cè)。類(lèi)似的，燃料(例如氫)從氬源48通過(guò)適當(dāng)?shù)墓芗?0 供應(yīng)到燃料電池堆棧10的陽(yáng)極側(cè)?，F(xiàn)參照?qǐng)D2、 3A、 3B和4A,更詳細(xì)地描述才艮據(jù)本發(fā)明的隔離板 60。隔離板60配置為將一種反應(yīng)物氣體攜帶到MEA16的各面。應(yīng)該知道，各雙極板20、 22和24包括兩個(gè)以背對(duì)背方位平放的隔離板60 (圖5A和5B)。隔離板60包括沿不透氣片66配置的第一導(dǎo)電間隔 物或盤(pán)64陣列。經(jīng)間隔物64和片66形成孔口 72。隔離板60還包括 沿不透氣片76配置的第二導(dǎo)電間隔物或柱陣列68,如圖6A和6B最 5 佳看到的，入口集管80A、 80C將反應(yīng)物氣體從適當(dāng)?shù)墓?yīng)管件40、 50連通到隔離板60內(nèi)。排氣集管82A、 82C以將要描述的方式從隔 離板60去除廢氣。作為目前優(yōu)選的，第一陣列中的間隔物64是以嵌套陣列設(shè)置在 第一片66上的直徑為大約0.375"的圓盤(pán)，以使鄰近行/列內(nèi)的間隔物10 64的中心相對(duì)另一個(gè)偏離。經(jīng)間隔物64形成的孔口 72為大約0.050" (50密耳)。間隔物64以大約每平方英寸6.25個(gè)間隔物的密度分布 在第一片66上。作為目前優(yōu)選的，第二陣列內(nèi)的柱68也是設(shè)置在第 一片66上的直徑為大約0.125'，的圓盤(pán)，以使四個(gè)柱68的子組等角疊 放在由下層間隔物64限定的區(qū)域的至少一部分上。柱68以每平方英15寸大約25個(gè)柱的密度分布在第一片66上。盡管上述的間隔物64和柱68的配置目前是優(yōu)選的，但本領(lǐng)域技 術(shù)人員應(yīng)承認(rèn)根據(jù)給定燃料電池應(yīng)用的規(guī)格和搡作參數(shù)可以選定燃 料電池內(nèi)的間隔物和柱的尺寸、形狀、密度、分布以及位置。例如， 如圖5A中所示的，間隔物64'配置為具有經(jīng)其形成的孔口 72，的嵌20 套六邊形。 一組柱68，配置為三角形，并且六個(gè)三角形的子組疊放在 由下層間隔物64，限定的區(qū)域的一部分上。在圖5B所示的另 一實(shí)例中， 間隔物64"配置為具有經(jīng)其形成的孔口 72，的嵌套正方形。 一組柱68" 配置為正方形，其中四個(gè)正方形的子組疊放在由多個(gè)下層間隔物64" 限定的區(qū)域上。術(shù)語(yǔ)"疊放"和"下層"在本申請(qǐng)中以相對(duì)條件使用，25并且本領(lǐng)域才支術(shù)人員應(yīng)該承認(rèn)燃料電池60內(nèi)相鄰部件的次序可以顛 倒。再次參照?qǐng)D2、圖3A-圖3B、圖4A -圖4D以及圖6A -圖6B， 將更詳細(xì)地描述隔離板60。第一片66的內(nèi)側(cè)主面84以及第二片76的內(nèi)側(cè)主面88在其間限定了入口歧管90。入口歧管90和入口集管 80之間的流體連通由形成于框架122內(nèi)的多個(gè)流道92建立。入口歧 管90的高度由柱68的高度限定。排出歧管100限定在第一片66的 外面104和擴(kuò)散介質(zhì)30的相鄰面108之間。通過(guò)這種方式，入口歧 5 管90和排出歧管100作為其全部范圍內(nèi)壓力基本恒定的充壓元件， 即歧管區(qū)域內(nèi)的壓力差非常小。通過(guò)直接將該歧管連接到大氣實(shí)現(xiàn)了 從排出歧管IOO到堆棧外部的流體連通。換句話說(shuō)，歧管100沿其周 邊完全開(kāi)放到大氣。排出歧管100的高度由盤(pán)64的高度限定。作為 目前優(yōu)選的，入口集管80沿隔離板60的一個(gè)邊際形成。除了存在歧10 管IOO到大氣的直接連接，不存在排氣集管。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員 應(yīng)該承認(rèn)可以以任何適當(dāng)?shù)姆绞脚渲萌肟诩芎团艢饧?，以便提?反應(yīng)物氣體進(jìn)入和排出流場(chǎng)的流體連通。導(dǎo)電連接器IIO設(shè)置為通過(guò)經(jīng)第一片66、柱68和第二片76形成 的通道112。連接器IIO對(duì)準(zhǔn)成將柱68與對(duì)應(yīng)的盤(pán)64電連接。15 連接器110提供從擴(kuò)散介質(zhì)30到第二片76的外側(cè)面116的電連續(xù)性，由此允許攜帶電流跨越整個(gè)隔離板60的厚度并因而跨越整個(gè) 燃料電池堆棧IO。連接器IIO可以包括通道，這些通道具有例如完全 設(shè)置于其中或者作為備選方案的設(shè)置在其內(nèi)周壁上的導(dǎo)電材料。例 如，這些導(dǎo)電材料可以包括石墨。20 接著參考圖4B-圖4D以及6A-6B，將描述隔離板60的操作。反應(yīng)物氣體的流動(dòng)路徑的特征在于三個(gè)獨(dú)特的流動(dòng)部分，也就是輸送 段(D)、有效區(qū)域段(A)以及排出段(E)。在輸送段(D)的過(guò) 程中，反應(yīng)物氣體在入口集管80進(jìn)入隔離板60并流經(jīng)入口歧管90。 反應(yīng)物氣體在各柱68周?chē)鄬?duì)自由的流動(dòng)，(即，沒(méi)有明顯的壓降25 并沒(méi)有預(yù)定的路徑)并且包含在由框架122的內(nèi)部邊緣120限定的入 口歧管90內(nèi)的^黃向邊界內(nèi)(圖3)。從入口歧管90,反應(yīng)物氣體導(dǎo) 引通過(guò)盤(pán)64和第一片66的各孔口 72。有效區(qū)域段(A)設(shè)計(jì)為具有可控壓降。因?yàn)橛行^(qū)域段(A)幾乎占據(jù)流動(dòng)路徑的所有壓降，它包括具有可極好控制的滲透性、長(zhǎng) 度和截面區(qū)域的流動(dòng)干擾介質(zhì)。流動(dòng)干擾介質(zhì)具有相對(duì)入口/出口歧管90、 100內(nèi)的空間更低的滲透性，以便保證有效區(qū)域段(A)的壓降 明顯高于輸送段(D)和排出段(E)。在有效區(qū)域段(A)過(guò)程中， 5反應(yīng)物氣體從通過(guò)MEA的面(未圖示)孑L口 72流過(guò)流動(dòng)干擾介質(zhì) 30并在間隔物64的外邊界126流出流動(dòng)干擾介質(zhì)30。如圖2和圖4D所示，有效區(qū)域l殳(A)從與間隔物64的表面相 鄰的孔口 72成放射狀。與槽形或一維流場(chǎng)相比，通過(guò)這種方式，提 供了能夠在MEA的反應(yīng)面上形成差異流動(dòng)分布的平面或二維流場(chǎng)。10 間隔物64的尺度確定流動(dòng)路徑(A)的長(zhǎng)度。間隔物64的數(shù)量確定 平行路徑的數(shù)量。因而，平面流場(chǎng)類(lèi)似于相互交叉的通道流場(chǎng)，但對(duì) 更少影響到水流阻擋，因?yàn)椴⒉幌拗品磻?yīng)物氣體在通道的一維方向內(nèi) 流動(dòng)。這種類(lèi)相互交叉的流場(chǎng)是有利的，因?yàn)橥ㄟ^(guò)對(duì)流而不是擴(kuò)散攜 帶氧通過(guò)主集電器，允許明顯更低的質(zhì)量輸運(yùn)損失。15 由擴(kuò)散介質(zhì)厚度增加的間隔物64的周邊確定流動(dòng)路徑(A)的截面積。擴(kuò)散介質(zhì)的滲透性確定流動(dòng)路徑的滲透性。因而，這些參數(shù)確 定有效區(qū)域段(A)的壓力梯度和總壓降，這取決于有效區(qū)域上平行 路徑的數(shù)量。各平行通道上所獲得的平均流動(dòng)分布的程度由這些參數(shù) 所能保持的公差確定。因而，與擴(kuò)散介質(zhì)滲透性差異相比，尺寸偏差20 (半徑和厚度)最有可能小，擴(kuò)散介質(zhì)的滲透性確定流動(dòng)如何平均分 布。本發(fā)明流場(chǎng)對(duì)于去除水非常有效，因而壓降集中在相對(duì)短的有效 區(qū)域段上。結(jié)果，這部分流動(dòng)路徑內(nèi)的氣體速度非常高，使得液態(tài)水 在遠(yuǎn)離MEA的速度方向上強(qiáng)有力地移動(dòng)并進(jìn)入將其從燃料電池排出 的排出歧管內(nèi)。25 現(xiàn)在回到圖4B和圖4D,從反應(yīng)物流在間隔物64的邊緣126離開(kāi)流動(dòng)干擾介質(zhì)30的點(diǎn)到氣流經(jīng)排氣集管82流出隔離板60的點(diǎn)限 定排出路徑(E)。排氣流相對(duì)自由地(即，沒(méi)有明顯的壓降或預(yù)定 路徑)通過(guò)間隔物64的外邊界126周?chē)诳蚣芑蚍饪?130內(nèi)(圖2)?，F(xiàn)在轉(zhuǎn)向圖6A和圖6B,兩個(gè)如本申請(qǐng)所描述的隔離板60以背 對(duì)背結(jié)構(gòu)配置并形成雙極板20。應(yīng)該知道，如圖4A中所表示的第二 片76在配置在雙極板20內(nèi)時(shí)可以包括單個(gè)片。為了清楚其見(jiàn)，第二 5 隔離板顯示為具有類(lèi)似元件并且由200遞增的數(shù)字所表示。在所示的 結(jié)構(gòu)中，隔離板60配置為輸送陰極反應(yīng)物到流動(dòng)干擾介質(zhì)30。并且 隔離板260配置為輸送陽(yáng)極反應(yīng)物到流動(dòng)干擾介質(zhì)28。電連接器110 與互補(bǔ)電連接器210對(duì)準(zhǔn)，以便在相鄰MEA14和16之間提供電連通。 現(xiàn)在參考圖7 ，在一般為附圖標(biāo)記300的流程圖中以圖解方式展10 示了制造隔離板60的方法。使用柔性電路材料以及制造技術(shù)完成流 場(chǎng)的結(jié)構(gòu)。在步驟302中，第一片導(dǎo)電材料層壓到不透氣聚合物薄膜， 例如聚酰亞胺薄膜上。例如，導(dǎo)電材料優(yōu)選是厚度為0.010" ( 10密耳) 的不銹鋼。聚酰亞胺薄膜優(yōu)選為0.002" (2密耳)厚的材料片。適當(dāng) 的聚酰亞胺薄膜包括由E丄DuPont公司制造KaptoiA在步驟304中，15 導(dǎo)電材料蝕刻成所需要的圖案，例如盤(pán)陣列。蝕刻之后，盤(pán)陣列優(yōu)選 從聚酰亞胺延伸0.010"。在步驟306中，在盤(pán)內(nèi)形成通路。通路可通過(guò)任何適當(dāng)?shù)募夹g(shù)形 成，例如蝕刻。在步驟308中，第二片導(dǎo)電材料層壓到第二片不透氣 聚合物薄膜上。作為目前優(yōu)選的，第二片導(dǎo)電材料0.010" ( 10密耳)20的不銹鋼并且第二片聚合物薄膜是0.002" ( 2密耳)的Kaptoi^薄膜。 在步驟312中，蝕刻導(dǎo)電層以便與相對(duì)盤(pán)所描述的類(lèi)似方式形成柱。 在步驟318中，第二片聚酰亞胺薄膜的柱側(cè)層壓到第一片聚酰亞胺薄 膜與盤(pán)相反的表面上。在第一和第二聚酰亞胺片之間所產(chǎn)生的空間限 定了輸送路徑或入口歧管。在步驟324中，通路合成到隔離板內(nèi)并經(jīng)25第二片聚酰亞胺、經(jīng)各柱并經(jīng)第一片聚酰亞胺延伸。在步驟330中，經(jīng)過(guò)通路設(shè)置導(dǎo)電材料，以形成導(dǎo)電路徑。導(dǎo)電的周壁形成。導(dǎo)電路徑允許在整個(gè)流場(chǎng)上以及在相鄰隔離板和最終作為整體的燃料電池堆棧之間攜帶電流。本領(lǐng)域技術(shù)人員現(xiàn)在能夠從上面的描述中知道可以以各種形式時(shí)間本領(lǐng)域的廣泛教導(dǎo)。例如，在隔離板60上所示的間隔物64的數(shù)量確定平行流動(dòng)路徑的數(shù)量并且可以配置有更少或更多的盤(pán)。作為備5 選方案，間隔物64的幾何構(gòu)型可以包括其它形狀，例如矩形、三角 形或梯形。此外，限定入口歧管90高度的柱68可以包括上述備選形 狀。另外，盡管顯示了四個(gè)柱68配合單個(gè)間隔物64，但可以類(lèi)似采 用其它比例。因而，盡管結(jié)合其特定實(shí)例描述了本發(fā)明，但本發(fā)明的 真實(shí)范圍并不受此限制，因?yàn)閷?duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員在學(xué)習(xí)附圖、說(shuō)明 10書(shū)以及后續(xù)權(quán)利要求后，其它的修改顯而易見(jiàn)。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池，包括具有反應(yīng)面的膜電極組；與所述反應(yīng)面相鄰的平面歧管；插入所述平面歧管和所述膜電極組之間以便在所述反應(yīng)面上提供差異流動(dòng)分布的平面流場(chǎng)。
2. 如權(quán)利要求1所述的燃料電池，其特征在于所述平面流場(chǎng)包 括流動(dòng)干擾介質(zhì)。
3.如權(quán)利要求1所述的燃料電池，其特征在于進(jìn)一步包括定位成處于間隔關(guān)系以便在其間限定所述平面歧管的 一對(duì)不透氣片。
4. 如權(quán)利要求3所述的燃料電池，其特征在于進(jìn)一步包括在所 述一對(duì)不透氣片之間設(shè)置在所述平面歧管內(nèi)的多個(gè)間隔物。
5. 如權(quán)利要求4所述的燃料電池，其特征在于所述多個(gè)間隔物 15 包括嵌套的間隔物陣列。
6. 如權(quán)利要求3所述的燃料電池，其特征在于所述平面歧管包 括與所述膜電極組相鄰設(shè)置的排出歧管部分和與所述排出歧管部分 相鄰的入口歧管部分。
7. 如權(quán)利要求3所述的燃料電池，其特征在于進(jìn)一步包括定位 20 成間隔關(guān)系以便在其間限定所述入口歧管部分的第 一 不透氣片和第二不透氣片，所述膜電極組和所述第二不透氣片定位成間隔關(guān)系以限 定所述排出歧管部分。
8. 如權(quán)利要求7所述的燃料電池，其特征在于進(jìn)一步包括設(shè)置 在所述排出歧管部分內(nèi)的多個(gè)間隔物。
9.如權(quán)利要求8所述的燃料電池，其特征在于各所述多個(gè)間隔平面流場(chǎng)之間^是供流體連通的通路。
10.如權(quán)利要求9所述的燃料電池，其特征在于所述多個(gè)間隔物包括嵌套的間隔物陣列。
11.如權(quán)利要求8所述的燃料電池，其特征在于進(jìn)一步包括在所述平面入口歧管內(nèi)設(shè)置在所述第一不透氣片和所述第二不透氣片 之間的多個(gè)第二間隔物。
全文摘要
本發(fā)明針對(duì)一種燃料電池，其包括具有反應(yīng)面的膜電極組；與所述反應(yīng)面相鄰的平面歧管；以及插入所述平面歧管和所述膜電極組之間以便在所述反應(yīng)面上提供差異流動(dòng)分布的平面流場(chǎng)。相對(duì)較短的通路從給進(jìn)歧管經(jīng)排出歧管延伸并終止在膜電極組(MEA)的反應(yīng)面，以便提供從給進(jìn)歧管經(jīng)通路并跨越MEA的反應(yīng)面到達(dá)排出歧管的差異流動(dòng)分布。
文檔編號(hào)H01M8/24GK101335361SQ20081012720
公開(kāi)日2008年12月31日 申請(qǐng)日期2004年12月3日 優(yōu)先權(quán)日2004年1月16日
發(fā)明者L·J·迪皮特羅, M·W·默菲, 顧文斌 申請(qǐng)人:通用汽車(chē)公司