專利名稱：使用集成流體控制薄層技術的燃料電池的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及燃料電池，特別是涉及一種由運用集成流體控制技術(IFMT)的薄板疊放構(gòu)成的燃料電池，以及這種集成流體控制電池的制造和使用方法。使用本發(fā)明原理的一個具體實施例是一種氫-空氣/氧(hydrogen-air/O2)燃料電池，它使用多個分隔器，這些分隔器由鈦，鈮，銅，不銹鋼，鋁或塑料制成的板連接形成，分隔器分別配置有反應氣體的微通道，制冷和潤濕區(qū)，此種電池在約50到150℃范圍內(nèi)工作，以開或閉合回路的構(gòu)形用于固定或移動式發(fā)電時有0.25-1.04瓦/千克及0.5-1.0千瓦/升級的輸出。集成流體控制(IFM)薄板及分隔器的設計可在燃料電池疊層中調(diào)整，以適應每一電池的變化的熱控制及濕度需求。
直接將氫或碳燃料轉(zhuǎn)化為電的燃料電池理論上是大有希望的，但因技術上和經(jīng)濟上的原因還未廣泛地在商業(yè)上應用。在氫-空氣/氧氣燃料電池的領域，能量密度，也就是每磅產(chǎn)生的千瓦能量比較有限，并且壽命也短得不盡人意，現(xiàn)有技術中燃料電池在使用一段過程后就會因催化劑式電解液隔膜沾污使得能量下降，以及燃料氣內(nèi)部供給不暢而使得熱量集中，造成電池損壞和類似的其它后果。
重要的一類用于固定和移動發(fā)電的有前途的燃料電池是使用每邊涂敷有貴金屬催化劑的固體聚合質(zhì)子交換隔膜的低溫氫氣/氧氣(H2/O2)燃料電池，其隔膜位于燃料電池電極或電導體分隔器之間。這些燃料電池使用氫氣(H2)作為燃料，氫氣或者直接提供，或者通過化學反應在電池中產(chǎn)生，如電解或從金屬氫化物中產(chǎn)生。氧化劑是氧氣或空氣，水用于冷卻及用于潤濕隔膜，防止其因變干燥而失效或結(jié)構(gòu)變脆弱直到破裂。典型地，陽極因各種原因首先變干，包括從陽極到陰極的電滲傳送，超過電化學反應速率的供氣，陰極面上的空氣或氧氣流吹除了從氫陽極穿過隔膜的反應生成的水和水蒸氣。因此，燃料氣要在燃料電池疊層中潤濕，以減輕干燥效應。冷卻水帶走電池中催化劑催化的電化學反應的緩慢燃燒所產(chǎn)生的多余熱量，并在疊層外部進行熱交換。在某些設計中，冷卻水也用于潤濕反應氣體。
有幾種合適的電極隔膜組件(EMA)可用于低溫燃料電池。一種是來自新澤西拜而維的氫能公司(H Power Corp of Bellville，NewJersey)的產(chǎn)品，在聚合物膜上涂鉑催化劑，如杜邦(du Pont)NAFION牌全氟磺化(perflourosulfonated)的碳氫化合物作為隔膜。另外，東化學公司(Dow Chemical)在美國專利5,316,869中提供的全氟磺化的聚合物可以使得電流密度達到4000安培/平方英尺，電池電壓超過0.5伏/每個單元，其電池疊層能量密度超過2千瓦/平方英尺。
目前可用的典型的電池疊層設計是由35個電化學反應單元、19個熱管理單元，及14個反應物濕潤單元組成的Ballard燃料電池疊層，反應物濕潤單元使用涂鉑的以0.25英寸厚的石墨平板層疊的NAFION 117電極隔膜組件。電池疊層體積為0.5立方英尺，重94磅，使用氫氣和氧氣并有3千瓦的輸出。
然而，石墨板必須相對較厚，以保證結(jié)構(gòu)的的完整性及防止反應物混合，這是因為電池疊層必須被置于壓力下，以使池內(nèi)和池間密封，防止反應物泄漏，而這易造成石墨板破碎和開裂。因石墨有低的導熱和導電性，造成過熱點和死點。石墨板還不易制造，尤其是氣體分配通道難以制出。輸出相對較低，在0.5千瓦/磅的量級上。在上面的例子中，冷卻或濕潤的非反應單元的單元數(shù)幾乎等于反應的單元數(shù)。這實際上使需要的密封墊片加倍，因而降低了電池疊層的可靠性和性能。
前述的美國專利5,316,869也未提供石墨板電池疊層設計的解決方案，因為它只涉及到電池疊層外部閉路循環(huán)系統(tǒng)的微處理器控制。
所以，需要提供一種克服背景技術中問題的改進的燃料電池的設計，生產(chǎn)和使用方法。
本發(fā)明的目的包括，提供一種改進的燃料電池的設計，制造和使用方法，特別是氫氣和氧氣或空氣型燃料電池，它可較現(xiàn)有石墨電池性能提高3倍或更高。
其它的目的和優(yōu)點包括
提供一種基于多板及疊層技術的改進的燃料電池的制造技術，其平板上特別布置有由蝕刻，激光燒蝕或切割，沖壓，沖孔或模壓生成的氣和水的配給微通道；提供一種燃料電池制造的集成工藝，包括各平板的光刻，隨后在加熱和加壓情況下蝕刻，模壓，沖壓，沖孔，焊接，硬焊或軟焊疊層板，使部件成形，并在平板和/或極分隔器組件上涂敷防氧化劑。
在燃料電池疊層設計中提供集成流體控制技術(IFMT)，特別是對于平板裝配成單極或雙極分隔器(單獨單元)的設計，及多單元裝成疊層的設計，以改進燃料和氧化氣的潤濕及配給，在其與隔膜接觸時，能對熱及濕度進行控制，以防止因干燥引起的熱點及隔膜剝蝕。
對于燃料電池分隔器組件提供了光刻和蝕刻成形的平板，組件有特殊的邊密封，使得可以密封分隔器之間的電極隔膜組件，以形成單元，單元在壓力下緊固以形成燃料電池疊層；提供燃料電池疊層中可變的集成流體控制平板極分隔器設計，以適應疊層位置內(nèi)不同的熱環(huán)境和濕度的需求；其它目的在說明書，附圖及發(fā)明的權利要求書中說明。
本發(fā)明直接用于改進多單元構(gòu)成的燃料電池疊層，每一單元包括一系列內(nèi)部相關的集成流體控制(IFM)平板。本發(fā)明也包括使平板成為極分隔膜模塊(半電池疊層組件)的設計，制造，特性化，組裝和連接的方法，及應用集成流體控制技術平板的燃料電池疊層的使用方法。雖然特別公開了本發(fā)明的技術適用于使用氫氣和氧氣/氣體作為燃料的質(zhì)子交換分隔膜(PEM)燃料電池，但本發(fā)明的技術同樣也可適用于堿，固體氧化物及熔碳型燃料電池，以及與燃料電池有關的改進?？墒褂酶鞣N各樣的其他燃料/氧化劑組合，如H2/Cl2；NH3/O2；H2/X2(X是鹵素)；CH3OH/O2及其他類似的組合。
本發(fā)明的燃料電池由一個或多個單元構(gòu)成，每一單元依次由一對夾有一個電極隔膜組件(EMA)的雙極分隔器構(gòu)成。分隔器可以是單極(對于端平板)或雙極，一面是陽極(H2)面，另一面是陰極(O2)面。本發(fā)明的每一極分隔器組件由多個薄板依次安裝構(gòu)成。平板最好由金屬，塑料，陶瓷或其它適用的材料制成，在其中刻有大量復雜密紋流體配給通道，通道最好由蝕刻，但也可由激光燒蝕，模壓，沖孔或沖壓工藝形成，成為全深或半深通道。相鄰具有相應的半深部(如半通道)的平板相合焊接，生成氣，冷卻液和蒸氣的配給通道，它典型地成圓形或橢圓形截面。由于其連續(xù)，彎曲及分枝的構(gòu)形，用其他方法不能制造出來。
當兩單極分隔器與在中間的電極隔膜組件組裝后，它就形成了電化學單元。單元成直線排列，當通過焊接或夾緊裝置固定在一起時，就構(gòu)成了燃料電池疊層，也就是最終的燃料電池，在單元與單元之間可選裝密封墊。
在典型的例子中，構(gòu)成整個燃料電池疊層的單獨單元極分隔器子組件的平板數(shù)量可以是3-10片，最好4-7片。EMA置于相鄰極分隔器之間，最好插在陽極和陰極的凹槽中。現(xiàn)有的優(yōu)選的EMA包括一2-17密耳厚的全氟磺隔膜，兩邊涂敷有溶解于溶劑中的細微鉑黑及碳黑的混合物，并且兩邊覆蓋有10密耳厚的 特氟隆疏水粘合劑的65％開孔石黑紙。
本發(fā)明的集成流體控制燃料電池的原理將只根據(jù)例子來描述，所參考的是雙極氫/空氣或氧氣燃料電池，使用的是鉑黑/NAFION EMA，但也可適用于其它燃料/氧化劑組合，它們可以是液體，氣體或其結(jié)合，工作溫度在50-150℃范圍內(nèi)。
本發(fā)明平板設計的一個重要特點是，氣體和電解液隔膜的濕度和熱量管理顯著改善，與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的平極構(gòu)成的燃料電池的能量輸出顯著改進。在一個最佳實施例中，電池板由金屬制造，典型地是鋁，銅，不銹鋼，鈮或鈦。薄板成型后，通過特殊的加熱和壓力過程接合在一起(如，導電膠粘合，擴散焊，焊接，釬焊或軟焊)，形成一極分隔器子部件，然后，如果需要，進行防腐涂敷或處理。然后EMA被插入到分隔器平板中被稱作凹槽窗框的可選隔膜凹槽中，形成單獨的電化學單元，許多單元層疊在一起形成燃料電池疊層。然后整個部件在壓力下連接以加強密封，如通過連接拉桿，螺母及恒壓裝置，以形成一單一整體燃料電池疊層。
可使用各種固體多孔聚合物質(zhì)子交換隔膜，典型的是來自DowChemical，Asahi Chemical，Gore或duPont公司的氟磺化的隔膜，現(xiàn)在最好是duPont的NAFION。隔膜兩邊涂敷有貴金屬催化劑，如鈀，鉑，銠，釕，貴金屬氧化物或其混合，并與石墨紙電極接合在一起。這種類型的較好的電極隔膜部件可來自新澤西Bellville的H Power公司?？捎玫钠渌愋虴MA包括碳或石墨多孔薄板，或涂敷催化劑的聚酰亞胺吡咯(polyimidazole)隔膜。
盡管某特定隔膜類型及其制造商可能要在其性能上有所改進，但本發(fā)明并不依賴于任何一種類型的隔膜或EMA。用于本發(fā)明的集成流體控制技術(IFMT)的薄板也可廣泛適用于各種類型的燃料電池，并且將會改進其性能。
對于任何外部構(gòu)形的燃料電池，薄板技術可使得形成各種微通道設計，而以其優(yōu)秀的熱交換和濕度控制，使得氣體配給更加有效，不會缺乏燃料或氧氣，并且電輸出更加穩(wěn)定。
本發(fā)明的IFM薄板技術的一種重要優(yōu)點是，燃料電池的制造可自動化，以及在薄板材料上使用光刻和蝕刻或模壓技術。分隔器子組件的設計可快速改變。一個工廠就可支持各種范圍的燃料電池的設計，而不需要常規(guī)的生產(chǎn)經(jīng)濟所需的高產(chǎn)量。也就是，少量的各種不同設計的燃料電池也可進行生產(chǎn)，并且仍然經(jīng)濟上可行。除此之外，資金的投入也可實質(zhì)性地及明顯地減小，因為生產(chǎn)設備近乎是現(xiàn)成的光刻，掩蔽，及蝕刻或模壓設備。
舉例來說，分隔器的多個平板在大尺寸下可精確設計，用照相的方法進行處理，由連續(xù)的金屬或?qū)щ娝芰掀木碇袥_壓出薄板。另一種方法，并且是現(xiàn)在最好的方式，將薄板以保護膜遮蔽進行光刻，蝕刻形成流體控制微槽，用化學或物理的方法去除光刻膠掩模層，清洗薄板。完成的薄板然后組裝形成分隔器，置于有擠壓桿的真空爐中，在熱和壓力作用下通過金屬擴散焊接將其連接在一起，形成一內(nèi)部有交錯微通道的單一分隔器平板子組件，通道在不同高度互相正交，通道可流通各種氣體和水或其它冷卻液。然后將分隔器平板置于氮氣環(huán)境升溫，使氮與鈦起反應，使其所有暴露的表面上形成一層鈍化或抗蝕的及導電的氮化鈦層，包括氣體和水的通道的內(nèi)部。薄板分隔器設計和生產(chǎn)可在一條連續(xù)的生產(chǎn)線上完成，類似于微機主板生產(chǎn)線。然后再在熱和壓力下將整個多薄板夾層連接起來(如，擴散、釬焊，焊接或軟焊)，形成整體分隔器。隔膜電極組件然后再插入到各極分隔器薄板之間，然后將分隔器疊置，加入端板形成完整的燃料電池疊層，再用連接拉桿，螺母及恒壓裝置將其壓在一起，以保證反應物的密封。裝上導線，反應氣和冷卻水，通入氣體和冷卻水，電池即可工作。
在本發(fā)明中典型的七薄板分隔器子組件中，按順序其薄板是1.窗框薄板(以容納EMA)2.陽極流場隔離(flow field spacer)板；3.陽極流場(分布)薄板；4.冷卻薄板；5.陰極流場(分布)薄板；6.陰極流場隔離板；7.窗框薄板(以容納相鄰電池的EMA)。
有6種不同板，板1和7是相同的，板2-6每一個都不相同。蝕刻及平板設計的詳細情況，在這里以例子的方式描述出來，可以清楚地看出，在壓力連接中，微通道沒有塌陷。在上述雙極分隔器的例子中，板1，2，6和7每一個有12密耳左右厚(連接前)，板3-5每一個有20密耳左右厚。擴散焊接使得板稍微有點壓縮，其最終形成的整體雙極分隔器疊層總厚度約為100密耳。相對窗框平板(1號雙極分隔器的陽極窗面及相對的2號雙極分隔器陰極窗面)總凹槽深度在20密耳左右量級。EMA有26密耳左右厚度，可稍微有些偏差。兩邊涂敷有微擴散鉑黑催化劑的碳黑的NAFION隔膜的厚度約為4-5密耳，其外部每邊石墨/特氟隆紙層約厚10密耳。這些仔細地安裝在窗框中，并且，在壓力下極分隔器密封，EMA壓入20密耳深的窗槽中。石墨紙有65％的開孔，以使氣體能更好地及均勻地配給。在陽極面，石墨紙將電子從隔膜電極上的催化反應區(qū)導引向分隔器平板的接點，作為燃料電池的輸出。電子通過外部電路從陰極流回。在陰極面，石墨紙將電子從分隔器板處導向EMA處的催化反應區(qū)。
燃料電池多雙極分隔器疊層在其每個端面必須以一陽極及一陰極單極分隔器端板作為終結(jié)，端板還作為電流收集器。對于單極陽極分隔器，使用上面的薄板1-4，對于陰極分隔器，使用薄板4-7。然后單極分隔器薄板再用厚點的(4-20密耳)堅固端板蓋住，再用壓力拉桿部件壓緊。
另一不需要氣體潤濕的例子，使用4個雙極分隔器部件，其薄板順序如下1.陽極流場(分布)薄板；2.冷卻導管薄板；3.閉合薄板；陽極面是整體的，陰極面有管道(微槽)；及4.陰極流場(分布)薄板；除此之外，在每邊也可使用窗框薄板，其中插入EMA作為一6薄板雙極分隔器子組件。需要注意，可以使用雙面墊片代替窗框薄板。因此，依是否使用可選的窗框薄板，潤濕的雙極分隔器可包括5或7片薄板，對于非潤濕型的雙極分隔器包括4或6片薄板，后者包括兩窗框薄板。鈦特別有用，因為它在適合的壓力和溫度下可變形在一起，形成一擴散連接(變形)型自動連接。
組裝好的分隔器(多薄板子組件)厚度在100密耳左右，重量在4-8盎司(110-300克)，依平板及材料的數(shù)目和厚度而定。在燃料電池疊層中使用約10分隔器/千瓦。拉桿組裝后，要用1.5英寸厚的端壓板，整個燃料電池疊層組件由螺絲拉桿施加200磅/平方英寸的壓力，形成整體燃料電池疊層。電池疊層工作在1-65磅/平方英寸的壓力下，較容易達到70-150安培的輸出。為密封相鄰的分隔器子組件，在窗框薄板(外表面)蝕刻或壓出高度在1-2密耳左右的聯(lián)鎖密封脊(截面一般成三角形)，因此，密封脊將與相鄰分隔器子組件窗口板密封聯(lián)鎖，或在可能的情況下與相應的端壓板密封聯(lián)鎖。
本發(fā)明IFM平板設計的燃料電池也可包括任何可適用的碳氫重整裝置(reformer)部分，通過利用欠氧燃燒器加蒸氣來產(chǎn)生氫氣，氧氣和二氧化碳的蒸氣轉(zhuǎn)移處理提供氫氣。
本發(fā)明的一個關鍵特征是蝕刻氣水配給通道的結(jié)合，其由一副對應相配合的板面上半槽相對齊對合而形成(也就是疊層中相鄰的平板相配合并相互接觸)，供給管道也相似地蝕刻而成。可選的及最好是在板的四周蝕刻出密封脊以輔助相鄰室的密封。
PEM電池高效工作的關鍵是適當?shù)臒崞胶夂退献饔?，而這可通過均勻的氣流來控制。
現(xiàn)有的PEM燃料電池暴露出很差的熱管理和水平衡問題，低的石墨導電性和可延展性，有限的可測量性及反應物消耗?，F(xiàn)有的隔膜最高工作溫度在90-98℃，所以PEM電池中正確的熱管理是關鍵，因為高于此溫度會損壞微孔結(jié)構(gòu)，造成隔膜永久損壞。由于本發(fā)明的燃料電池在每一雙極分隔器中集成有熱交換部分，與石墨PEM電池中每4-5個分隔器之間有一個熱交換部分相比，本發(fā)明的疊層可很容易地擴大尺寸，因為發(fā)熱和控制(熱交換)會隨面積而增大。因為我們可以根據(jù)每種隔膜及燃料調(diào)節(jié)熱控制，及疊層中內(nèi)部單元的位置，我們可使用更高性能的EMA，產(chǎn)生更高的能量密度。
關于水平衡，每一分隔器中集成濕潤，維持更好的水平衡，因為它們可以獨立地變化，以適應燃料電池陽極和陰極面的不同需求。通過穿過隔膜電滲透和反應氣體干燥，從陽極面除水。來自電滲透傳送和反應水產(chǎn)生而在陰極面上聚集的水由空氣/氧氣氣流干燥去除。
與石墨PEM電池相比，本發(fā)明的金屬薄板的導電性約高出30倍，因此減小了高電流密度下疊層中的I2R的損失。這些損失降低了從疊層中可獲得的電壓和功率。金屬分隔器的低內(nèi)阻可使得電流分布更均勻，減小了電池中的熱集中和臨界熱點。石墨分隔器是在壓力下密封，但壓力會以非線性的形式影響石墨的電阻。這一特性使得難以制出具有均勻輸出的石墨電池。與之相比，金屬分隔器有優(yōu)良的熱和電導性，可消除熱集中及臨界熱點。石墨對于H2，O2和空氣來說是多孔的，這會減少石墨疊層的化學效率，因為一些H2會在非生產(chǎn)的直接氧化中被消耗。
石墨隔膜在壓力下形成防止氣體泄漏所必要的密封時也會開裂，此種電池工作在25-60磅/平方英寸壓力下。開裂的趨勢嚴重地限制了疊層中單元的數(shù)量和尺寸，疊層中一個或多個分隔器產(chǎn)生泄漏，電輸出就會被危及或顯著減小。金屬薄板因其延展性不會產(chǎn)生這些問題。
而且，本發(fā)明重要的一點是，本發(fā)明IFM技術允許改變內(nèi)疊層薄板設計以實現(xiàn)更好的熱管理。也就是，一未致冷疊層中部的單元的熱環(huán)境與其兩端或接近兩端的單元的不同，因此濕度需求也不同。薄板設計、即相關的陽極，陰極，冷卻液及濕度微通道設計可容易地改變，并確定疊層內(nèi)位置，以適于疊層中各種梯度。同樣，疊層也可設計得適于各種外部環(huán)境，北極的設計就不同于熱帶的，水下的就不同于空間中的設計。
這種設計的靈活性，有能力修整分隔器的每個區(qū)域(陽極、陰極、熱交換和潤濕)中的微通道的布局和通道長度與寬度、以及在疊層內(nèi)從分隔器到分隔器(從單元到單元)逐步地和單獨地進行這種修整，來適應疊層內(nèi)環(huán)境和梯度-導致容易得到較高的電能輸出，如大于50-100千瓦。
串行/并行的蛇管設計使得反應氣體分布更均勻。當以空氣工作，隨空氣通過通道氧氣不斷消耗時，這一點對于顯著改善陰極性能尤為重要。在現(xiàn)有的通道設計中，空氣進入時富氧，出去時氧氣被消耗，因為氧氣在電化學反應中被消耗。同樣的消耗作用對于氫氣也一樣。在我們的發(fā)明中，并行有較短的通道，并能將通道設計和再設計成不同的結(jié)構(gòu)和寬度，改進了陰極的動力學特性，這也是現(xiàn)有燃料電池主要受限制的地方。在本發(fā)明中，流動被分成一系列并行通路，其中可得到準確的壓降。通過增加并行通路的數(shù)量，壓降可以隨流率下降而更低，并且由于更短的通道長度，通道壁的摩擦效應就會減小。
雖然本發(fā)明現(xiàn)有的最好的模式使用具有涂敷有催化劑/碳黑并帶有石墨紙的隔膜，以提供有隨機氣體分布通道的高度多孔板的窗框薄板，本發(fā)明另一個重要的替代實施例是使用一無碳紙(carbon-paper-less)薄板，其中微孔通過窗框的“窗單元區(qū)”的蝕刻來實現(xiàn)，它產(chǎn)生同樣的氣體配給功能。在生產(chǎn)窗框薄板時，窗框區(qū)被確定在平板的中部區(qū)域，它位于外部平板邊緣的內(nèi)部。(確定窗單元區(qū)域的線可在薄板制造中通過蝕刻作出，少數(shù)固定窗單元的薄橋除外。橋可隨后切掉，窗單元被去除，或去掉，以完成窗框薄板)當在相鄰薄板間加壓整塊隔膜時，開口區(qū)域接觸碳纖維紙。在另一個實施例中，代替去除窗單元區(qū)材料，通過微細蝕刻，在窗單元區(qū)建立“窗屏”區(qū)，每平方英寸有5000-10,000個孔。然后涂敷催化劑的石墨無紙隔膜被壓在相鄰分隔器平板間。
附圖簡述發(fā)明將參照附圖詳細描述，在這里

圖1是利用本發(fā)明原理，特別是適用于使用H2和空氣/O2的雙極分隔器的燃料電池疊層的簡要剖視圖；圖2A和2B是本發(fā)明的制冷，非潤濕(圖2A)和潤濕及制冷的燃料電池IFMT薄板分隔器的簡要剖視圖，它示出使用不同數(shù)目薄板的各種可能變化；圖3是用于本發(fā)明IFMT燃料電池的2單元子組件的等距部件分解圖；圖4是用于本發(fā)明IFMT燃料電池的6-7個分隔器薄板的等距部件分解圖；圖5-10是圖4的6-7個薄板分隔器的詳圖；圖5A是窗框或窗屏(第1陽極和第7陰極)密封薄板的前面及其鏡像和后邊；圖6A和6B陽極流場分隔薄板(薄板2)的前面和后面示意圖；圖7A和7B是陽極流場薄板(薄板3)的前面和后面示意圖；圖8A和8B是冷卻薄板的前面和后面示意圖，8A是陽極面及8B是陰極面(薄板4)；圖9A和9B是陰極流場薄板(薄板5)的前和后面示意圖；圖10A和10B是陰極流場分隔薄板(薄板6)的前和后面示意圖；圖11是兩相鄰對合的雙極分隔器及隔膜間的流體的入、出路線圖，它示出了水，熱和反應氣體的傳送情況；圖12是本發(fā)明PEM IFMT薄板燃料電池的電化學反應簡圖；圖13是測試本發(fā)明的2單元H2/O2燃料電池電壓對電流密度的曲線圖；圖14是測試本發(fā)明的2單元H2/空氣燃料電池電壓對電流密度的曲線圖；圖15是連續(xù)薄板制造過程的流程圖，其特征由深度及通蝕刻成型；圖16是將本發(fā)明的薄板連接成整體分隔器的工藝流程圖；及圖17是使用本發(fā)明IFMT原理的單獨薄板設計的，適于快速產(chǎn)生光刻布置圖的工藝流程圖；實現(xiàn)本發(fā)明的最佳實施例下面以實施例的方式詳細描述本發(fā)明，但本發(fā)明的原理并不僅限于此。該描述將清楚地使所屬領域的熟練人員能實現(xiàn)和使用本發(fā)明，并且描述了本發(fā)明的幾個具體實現(xiàn)，適用，變化，替換及使用，包括我們現(xiàn)在相信是完成本發(fā)明的最佳模式。
圖1示出了本發(fā)明燃料電池疊層1的簡要(簡圖)剖視圖，它使用了多個多薄板雙極分隔器2A，B，C，及一對陰極和陽極單極端分隔器，分別是3，4。質(zhì)子交換電極隔膜組件(EMA)5A，B，C及D如圖所示被置于分隔器之間。空氣和或O2通過管道系統(tǒng)6輸入，H2和/或其它燃料通過管道7輸入，冷卻和潤濕水從管道8輸入，管道9輸出。
圖2是雙極分隔器2的一個具體實施例的構(gòu)造剖視簡圖，對于圖2A的非潤濕形，由薄板10連接而成，對于圖2B的潤濕形，由薄板30連接而成。圖2也示出了各種數(shù)量的平板，可通過各種深度蝕刻(或深度成型)與貫穿蝕刻(貫穿成型)的結(jié)合來構(gòu)造分隔器。例如，圖2A示出了如下7平板構(gòu)型10A是窗框或窗屏薄板，10B是陽極流場薄板(最好是一對薄板，一陽極分隔薄板及其右側(cè)的陽極流場薄板)；10C是閉合薄板；10D是冷卻流場薄板，它可是貫穿蝕刻的或有通過在相對面上深度蝕刻但長度方向上不互通(它們通過貫穿蝕刻互通)的不同蛇形管道的多個冷卻劑通道；10F是對應于10B的陰極流場薄板；10G是象10A一樣的窗框或窗單元薄板。圖2A下部示出了5個平板分組；10-1和10-5是窗框或窗屏薄板；10-2是從陽極面深度蝕刻的單獨薄板；10-3是單一的冷卻薄板；及10-4是與10-2相似的陰極薄板。因此，疊層構(gòu)型可從5塊薄板變化到10塊薄板，在后一種情況下，10B和/或10F是2塊薄板，而10D可以是3塊薄板。
相似地，圖2B范圍可從3或4到20薄板，依所希望的薄板構(gòu)型，示出了7個(30-1到30-7)，薄板構(gòu)形在很大程度上取決于材料及制造條件，或取決于燃料電池或隔膜的類型，但所有薄板構(gòu)形都可使用本發(fā)明的IFMT原理。因此，30-4示出的是單個薄板，它也可是3個薄板，兩個貫穿蝕刻薄板，一個中間隔斷或閉合薄板。
圖3是由夾著兩EMA 5A，5B的分隔器2A(或20A)，2B(或20B)，及2C(或20C)構(gòu)成的疊層內(nèi)部中兩單元15A，15B的等距離部件分解圖。在此圖中，只有雙極分隔器的H2(陽極)面可見，但正如下部所示的，在隱藏的(陰極)面，有對應的O2區(qū)。大的區(qū)域25A是電池反應區(qū)，25A對應陽極面，25C對應陰極面。分隔器中35是陽極潤濕區(qū)，40是陰極潤濕區(qū)，下面將詳細描述。
EMA 5A和5B包括催化劑涂敷區(qū)28A和28C，與反應區(qū)25A，25C相對應。區(qū)域37、42沒有涂敷催化劑，分別與陽極和陰極潤濕區(qū)35，40相對應。薄板和EMA的邊緣有校準孔和管道通道。
圖4是本發(fā)明7薄板濕式型IFMT雙極分隔器20的等距部件分解圖，它包括6種不同類型的薄板，薄板30-1和30-7是一樣的窗框或窗屏薄板(窗框已示出)，圍繞著切口，反應區(qū)25，潤濕區(qū)35、40以及圍繞著橫向貫穿蝕刻的反應氣和冷卻液管道，可有密封脊(未示出)，密封脊可模壓或蝕刻在薄板上。
薄板30-2是陽極流場分隔膜，它有貫穿蝕刻通道和通路，及深度蝕刻管道和凸起。在所有薄板30-2到30-7中，橫向貫穿蝕刻邊緣通道或管道都與薄板30-1的相對應。薄板30-3是陽極流場薄板，它有與薄板30-2貫穿蝕刻通道相對應的深度蝕刻通道。薄板30-4是冷卻板，在其陽極面的一半反應區(qū)中顯示出有多條并行深度蝕刻蛇形冷卻通道。非可見的正面有陰極冷卻通道，也是深度蝕刻的，覆蓋在另一半反應區(qū)上的。薄板30-5是陰極流場薄板，在正面上有深度蝕刻通道，在圖4中不可見，但與薄板30-3相同。薄板30-6是陰極流場分隔膜，它有與板30-5對應的貫穿蝕刻通道，貫穿蝕刻通路，及與薄板30-2相同的深度蝕刻凸起。薄板30-7是陰極窗框(或窗屏)薄板，在其正面有與薄板30-1一樣的密封脊。
圖5至圖10是一系列平面圖，顯示了依照本發(fā)明IFM原理的圖4的7薄板雙極分隔器的貫穿及深度蝕刻特征的一種實施例的每塊板的表面細節(jié)。應注意到，板的遞增順序如圖4所示，符號A表示從圖4中陽極面看到的板的前面。B面是圖4中各板不可見的一面。所有示圖都是布置圖或正向視圖。除了使用密封脊時，薄板1和7基本相同，圖5是薄板1的前面及薄板7的后面，而圖5的鏡像可以是薄板1的后面及薄板7的前面。圖5示出了使用墊片將雙極分隔器密封到EMA上的實施例。在不使用墊片的場合，陽極薄板的前面可以有單脊，它與陰極薄板后面的兩脊間的槽對齊并互鎖定。圖5示出了陽極密封薄板30-1及陰極密封薄板30-7，也稱作窗框或窗屏薄板的陽極面表面。此表面可有1-2密耳的密封脊，環(huán)繞著內(nèi)部管道通路(圓角矩形)及流動區(qū)。此板的主要特征是三個大矩形區(qū)。這些矩形區(qū)空間可容納壓入的隔膜電極組件的石墨紙。矩形25是陽極反應區(qū)流動域開口(或屏域)。左上角矩形35是燃料(氫氣)濕潤流動域。右上角矩形40是陰極潤溫水流區(qū)開口。橫向貫穿蝕刻的反應氣管道(12，14，16，18)及冷卻液管道(22，24)被安排穿過薄板的上部，下部和兩側(cè)邊。最小的管道用于燃料(氫氣)，12是輸入管道，14是輸出管道。兩中等尺寸的管道用于冷卻水和濕潤回路，22A，22C，24A輸入，24C輸出。兩大的管道用于空氣(氧氣)，16輸入，18A，18B輸出。
密封脊可在環(huán)繞每一橫向管道及口(切口或屏25，35，40)位置27。管道及流動區(qū)密封脊可在薄板連接處理過程中模壓成型。另一種密封脊的成型處理方法是二次深度蝕刻成型。第一次蝕刻出管道，區(qū)域，對齊和拉桿孔。第二次蝕刻出脊。
圖5也描述出了貫穿蝕刻的疊層對齊孔32及貫穿拉桿連接孔34。疊層孔用于在連接處理中準確對齊薄板。此板的背面是不帶密封脊的前面的鏡象，而不論其使用密封脊或是墊片。薄板30-7的前面是圖5的鏡象，并且薄板30-7的背面是圖5，帶或不帶上面所述的相互配合的密封脊。
圖6示出了陽極流區(qū)分隔薄板，貫穿蝕刻的系列并行燃料(氫氣)流區(qū)44，燃料(氫氣)潤濕區(qū)46，及用于在隔膜陰極面潤濕O2的陰極水區(qū)49。這些通道被設計得使裝置的流率及壓降為最佳。此圖也描述出了用于燃料(氫)，空氣(氧)及冷卻水的輸入和輸出的連續(xù)貫穿蝕刻的橫向管道，分別是12，14，16，18，22和24。
此圖還示出了本發(fā)明的一個重要方面，深度蝕刻的凸起50相對于貫穿蝕刻的通道52(在這一薄板上)凸起，并由分隔42相互連在一起。如圖6B所示，凸起不可見，但通道52和分隔54可見。凸起僅在后面圖(圖6B)被深度蝕刻去掉，而在前面保留。深度蝕刻接近于全板厚度的60％。貫穿蝕刻是通過適當?shù)恼诒?，從薄板的兩面深度蝕刻而成。深度蝕刻僅是從一面。對于潤濕區(qū)46和48也是一樣。圖6B后面也繪有連續(xù)的貫穿蝕刻流動區(qū)通道52，及各種管道，對齊孔及連接拉桿孔，此板未示出H2，O2及水的進出管道。
圖7A繪出了陽極流區(qū)薄板的前面，它有一系列的深度蝕刻并行通道，形成氫氣反應區(qū)流域44，氫氣潤濕區(qū)46及在區(qū)49中的陰極水通道91。這些通道52及分隔54與圖6A，B中陽極流區(qū)隔膜的流區(qū)通道及分隔精確對齊及配合。在此薄板上也示出了進入和離開氫氣潤濕流區(qū)46的深度蝕刻配給通道擴展段56。(使H2流入此區(qū)，也可參見圖8A。)H2從橫向進口12流入配給管道60(圖8A)，進入入口通道61(圖7A和7B)，到達H2潤濕通道62(圖7A)，氫氣潤濕區(qū)46由3組并行蛇形通道組成。氫氣可以近100％的潤度通過出口通道63(圖7A，7B)離開該區(qū)，進入出口收集管道64(圖8A)，到達方形通道65(圖7B和圖8A)，并且回到陽極反應區(qū)44的氫氣配給入口管道66。在此反應區(qū)中有6組并行蛇形管道67。此區(qū)域中剩余的H2通過延伸段68，從那里通過排出管69流出到橫向出口14。管道和通道被設計得氫氣在流動域里配給均勻。通道61，63按一定的尺寸制成，使之起到計量孔的作用。配給及收集管道的設計使得壓降及流率可被精確控制。在系列板中(圖7B和8A)的通道61，63，65及管道可以疊置得容易區(qū)分出薄板間流路。
圖7B繪出了陽極流區(qū)薄板的背面，它有貫穿蝕刻的計量孔(通路)61，用于調(diào)節(jié)從橫向H2燃料入口12和深度蝕刻管道60(圖8A)進入H2(陽極)潤濕區(qū)46(圖7A)的燃料(氫)流。通孔(通路)63是到深度蝕刻管道64(圖8A)的出口，深度蝕刻管道64通過方形入料孔(通路)65與反應區(qū)44的入口管道66相連。H2輸出通過深度蝕刻管道69連接至橫向輸出口14。
在圖7B中，陰極冷卻水在橫孔(管道)22C進入，并且熱水從通路70，72輸出至潤濕區(qū)49(圖7A)，然后通過通路72，73從區(qū)49流出到管道74(圖8A)并輸出到橫向管道24C。類似地，空氣/O2從橫向管道16進入到深度蝕刻配給管道77，并通過深度蝕刻管道78下到陰極反應區(qū)98(圖9B和10A)。用完的空氣由排出管道79收集，并且通過橫向管道孔18A和18B流出。
圖8A繪出了陽極和陰極冷卻薄板的前面，它有兩組深度蝕刻的蛇形冷卻液管道81，每組三條管道，覆蓋反應流區(qū)的一半面積，以控制熱載荷的一半。水通過口22C進入蛇管81并由管道83流出。然后熱水流過通路70，71(見圖7B)進入到陰極水區(qū)49(見圖7A)。水分子擴散通過隔膜，潤濕隔膜另一面的氧氣。水通過通道72，73(圖7A，7B)排出，并由管道74收集并通過橫管通路24C排出疊層。
此板也示出了空氣/O2入口管道76及空氣配給管道77和78，它們通過貫穿蝕刻連接在一起，如圖8B所示。同樣地，剩余氣體收集管道79在此薄板中是貫穿蝕刻的(圖4中薄板30-4)，但在薄板7B的正面，所有三管僅是深度蝕刻的。
圖8B繪出了陽極和陰極冷卻板的背面，其背面是陰極邊，特征相同，只是沒有深度蝕刻的H2配給管道60，64，也沒有通路65。因為這是陰極邊，水入口是22A，蛇管是80，熱水收集管道是82，出水口管道是75。管道82通過熱水通路84，85與陽極水區(qū)48相連，水通過通孔86、87流出區(qū)域48進入管道75。蛇管80控制反應區(qū)44的另一半熱載荷。
圖9A繪出了陰極流區(qū)薄板的前面，它有深度蝕刻O2進入分配管道78，排出收集管道79，還有H2(12入；14出)，O2(16入；18出)，水(22A，C入；24A，C出)的貫穿蝕刻橫向管道。還有一列對于O2進入到O2潤濕區(qū)47(圖9B)的O2入口通道88，以及一列從O2潤溫區(qū)輸出的通道90。潤濕的O2的進入管道與O2陰極反應區(qū)通道92(圖9B)相連，而剩余的O2通過通道96(圖9B)排出到排出收集管道79并輸出到O2橫管18A，18B。
圖9B繪出了陰極流區(qū)薄板的背面(圖4的薄板30-5)，它與陽極流區(qū)薄板(圖4的薄板30-3)前面相同，只是在O2潤濕區(qū)47中的O2蛇管89及在陰極O2反應區(qū)98中的O2蛇管94較短，這是由于與氫氣相比空氣/O2的粘度增加了。注意對于H2的三條蛇管，氧氣的蛇管有18條。O2從橫向入口16進入入口管道76(圖8A)，再由入口通道88(圖9A和9B)，進入到區(qū)域47，并由通道90輸出到配給管道77，78(圖8A)，并從那里通過通道96(圖9B)進入陰極反應區(qū)98蛇管。消耗完的空氣/O2通過通道100輸出到排出收集管道79(圖9A)，并從那里輸出到橫向管道出口18A，18B。如上所述的，區(qū)域47，48及49由深度蝕刻出通道及中間隔離。
圖10A繪出了陰極流區(qū)分隔膜的前面，它有如上所述的貫穿蝕刻通道流區(qū)47，48和98。此平板與陽極流區(qū)分隔膜(圖4中薄板30-2)相同，除了蛇管被設計得對于O2而言壓降最小及流率最大。
圖10B繪出了陰極流區(qū)分隔膜(圖4的薄板30-6)的后面，它與陽極隔膜(圖4中的30-2)的前面相同，其中深度蝕刻而成的凸起50支持陰極反應區(qū)98中相鄰貫穿蝕刻通道94之間，陽極水區(qū)48的通道93之間的和O2潤濕區(qū)47的氧氣通道89之間的表面102。所述表面，通道及凸起以前述的形式成型。
圖11示出通過一對分隔器的氫氣，氧氣和潤濕和冷卻水的通路，第一分隔器的陽極面被標以“陽極”，而疊層中下一分隔器的陰極面被標以“陰極”，在此兩者之間有一可透水的EMA 5。部件標號以圖3和5-10中的編排。通過橫管12進入的氫氣首先在潤濕區(qū)46的氫氣潤濕通道52中被熱水分子潤濕，熱水分子是從陽極水通道93(在區(qū)或48的陰極面)擴散穿過潤濕隔膜區(qū)37到達區(qū)域46的通道52中的。潤濕的氫氣然后通過反應電極隔膜區(qū)28的反應區(qū)44中的通道67，余量的氫氣及潤溫水通過出口管道14排出。
陽極水通過進口橫管22A進入，在蛇管熱交換器80中加熱，吸取來自反應區(qū)28的通道80內(nèi)的反應的H2和O2的一半熱量，并且把熱水從區(qū)域48的通道93傳送到隔膜37，相應地，陰極水來自管道22C，在熱交換器81的蛇管內(nèi)得到熱量，并且把熱水從區(qū)域49的管道91傳送到隔膜42，而這些熱水擴散穿過管道或隔膜，并由來自隔膜另一邊的區(qū)域47內(nèi)的管道89的陰極空氣帶走。
陰極空氣通過進口橫管16進來，在區(qū)域47的管道89中被區(qū)域49中管道91中的熱陰極水變?yōu)檎魵饣蚍肿哟┻^隔膜區(qū)42而潤濕。潤濕的陰極空氣然后通過反應區(qū)98中的通道94，并且消耗掉O2的空氣及反應產(chǎn)生的水通過管道18A，B排出。
綜合效果是潤濕用的水蒸氣從陰極穿過隔膜的第一區(qū)域以潤濕隔膜陽極面的H2，而水蒸氣從陽極面穿過隔膜第二區(qū)域以潤濕來自陰極面的陰極空氣。隔膜第三區(qū)域是反應區(qū)，在這兒進行反應，而每邊的水用于帶走一半的熱量，并且在這一區(qū)域產(chǎn)生的水是從陽極邊流向陰極邊。
圖12的中部描繪了燃料電池的整個工作情況，在這里，陽極面的H2被催化氧化，在石墨電極(陽極)上產(chǎn)生兩個電子(以2e-示出)由此產(chǎn)生的兩個水合質(zhì)子擴散，并被電滲透作用泵浦過濕的電解隔膜(在隔膜上以H+/H2O示出)，到達陰極催化區(qū)，在這里它們與O2及兩個電子(以2e-示出)結(jié)合生成H2O。圖12上部及下部描繪出了對流的濕潤機制，這是本發(fā)明的中心要素。電解隔膜起電解及潤濕隔膜的雙重作用。上部分示出了在陰極邊的氧氣被陽極邊的水潤濕。相反陽極邊的氫氣被陰極邊的水潤濕。
圖13-14是一采用本發(fā)明原理的IFMT薄板的實際試驗燃料電池疊層的電池電壓輸出對電流密度的圖。在兩次試驗中，使用了中圖4-10的7薄板分隔器的2單元電池。反應總面積為129平方厘米。使用了來自HPower公司的涂敷有有鉑黑的碳黑的NA FION隔膜電極部件。工作參數(shù)是T＝95℃；P H2/O2＝15/25磅/平方英寸；燃料H2和O2；如圖13所示，電池電壓對電流密度在50mA/cm2，0.9伏及830mA/cm2，0.4V之間基本上是線性的。電池以此比率工作8小時。試驗被終止是由于時間的限制，而非因為電池失效。
圖14示出了同樣電池以H2和空氣工作在25/30磅/平方英寸壓力，95℃下的結(jié)果。其輸出在0.9V，10mA/cm2與0.4V，460mA/cm2之間也基本成線性。電池以此比率工作8小時。試驗因時間限制而終止，而非因燃料電池疊層失效。
圖15是一流程圖，它示出薄板制造過程中的主要步驟，包括化學銑(蝕刻)特性成型，這些步驟如下A.薄板原料檢驗對進來的薄板原料進行檢驗，以檢查金屬類型，滾壓硬度，滾壓厚度，表面均勻度，相關供應商的情況。
B.薄板原料的清潔和干燥，為使用光刻膠，通過清洗，除油及使自動機械化學清洗以清潔析料。這一過程除去原料板滾壓過程中殘余的油脂和油污。去油后，薄板在室溫下通過稀釋的蝕刻劑進行溫和的化學清潔以除去氧化物及表面雜質(zhì)。對鈦的清潔溶劑是3％-9％的HF和10％-18％的HNO3。對于其它金屬，30-45度Baume氯化鐵在室溫下作清洗溶劑。在使用光刻膠前的最后步驟是用干燥器強制干燥。
根據(jù)光刻膠是濕的還是干的，光刻膠可采用如下步驟C-1和C-2或步驟C-3進行施加。
C-1·施加光刻膠的濕處理由于光刻膠層可很薄，所以光刻膠濕處理可達到細節(jié)的最好清晰度。濕光刻膠通常由浸泡箱施加，135。小的薄板可利用半導體工業(yè)用的旋壓涂敷機旋壓涂敷。
C-2·光刻膠烘烤濕的光刻膠在烘烤中被烘干(固化)，以形成硬的彈性層。
C-3·施加光刻膠的干處理干的光刻膠可用于要求不高的地方。燃料電池分隔器是干光刻膠的典型應用。干光刻膠從背板上剝下，并用熱滾壓施加上，139。滾壓相似于印刷電路工業(yè)所使用的。滾壓自動從光刻膠上剝掉后背材料。典型的干光刻膠材料是杜邦公司制造的2密耳“Riston 4620”。
D.光刻膠掩模UV(紫外)曝光薄板利用接觸UV曝光機曝光，140。要仔細注意以精確調(diào)整布圖的兩邊。定位目標可用于幫助這一過程。
E.圖像顯影曝光的薄板通過顯影劑和烘干處理，145。濕處理光刻膠在碳氫化合物顯影劑中顯影，去掉未處理的光刻膠。典型的顯影劑是“Stoddard的溶劑”，部件號GW325，由Grent Western Chemical和Butyl Acetate制造，部件號CAS104-46-4，可從Van Waters和Rogers得到。濕處理顯影在室溫下要使用全濃度的這些溶劑。曝光顯影后，剩余的光刻膠重新烘干，以形成彈性層。干處理顯影使用杜邦的“液體濃縮顯影劑”，部件號D-4000，制成在80°F下1.5％的溶液。
F.噴射蝕刻箱化學加工顯影后的薄板在噴射蝕刻箱中蝕刻，150。噴射箱勝于蝕刻浸箱之處在于生產(chǎn)率較高。在某些情況下，用蝕刻浸箱可獲得比從噴射蝕刻機更細的分辨率。蝕刻處理對蝕刻溶劑濃度，傳送機皮帶速度，噴射壓力和處理濕度非常敏感。在生產(chǎn)中通過連續(xù)處理中檢測152，保持這些參數(shù)的處理反饋155。典型地，是改變線速度來得到希望的蝕刻結(jié)果。氯化鐵或HF/硝酸溶液用作蝕刻劑。氯化鐵用于銅，鋁及不銹鋼。HF/硝酸用于鈦。對于鈦，典型的蝕刻劑是3％-10％的HF和10％-18％HNO3。鈦的蝕刻溫度范圍是80-130°F。特定的濃度和溫度條件可根據(jù)使用的不同金屬來控制。線速度是蝕刻反應箱數(shù)目的函數(shù)。典型的蝕刻機由一共同的傳送機將單獨的多個蝕刻箱連接而成。典型的蝕刻機有來自OH，Maumee的Schmid Systems公司及PA，State College的Atotech Chemcut。薄板在最后一蝕刻箱后在連續(xù)清洗機中清洗。連續(xù)清洗機在檢測之前除去剩余的蝕刻劑。
G.處理中檢測薄板在152處檢測，以將蝕刻率及線速度信息反饋回蝕刻過程。處理中檢測一般目視進行。
H.去除光刻膠濕處理光刻膠在200°F下用碳氫化合物去除劑除掉光刻膠。一種可用的產(chǎn)品是“Chem Stip”，部件號PC 1822，由California，Carson的Alpha Metals制造。干處理光刻膠用商用去除劑去除，如“Ardrox”，部件號PC4055，由California，La Mirada的Ardrox制造。Ardrox稀釋到1-3％并在130°F下使用。除膠后的薄板再在連續(xù)清洗機中清洗。
I.最后檢測通過測量并與在CAD設計過程中選定的臨界尺寸相比較162，進行最后目視檢測。此信息被反饋，以控制蝕刻和設計過程。
最后的薄板的母板172被按類型或分組放置在倉庫中。原料卷一般是4-25密耳厚的鈦(依薄板設計需求而不同)，36英寸寬，而薄板的尺寸是6英寸×8英寸，因此在上面所述的連續(xù)饋入處理中，薄板被排列為6塊，也就是在板材寬度方向上排6塊薄板。所有薄板可是同一類型，為2號薄板(圖4中30-2)，或分組系列，薄板1-7(30-1到30-7)。
圖16是處理流程圖，描繪了現(xiàn)今最好的將薄板裝成整體極分隔器組件的方法。薄板母板材172在需要時從倉庫170中取出，并進行如下處理A.化學清洗在室溫下用全濃度蝕刻劑清洗薄板，175，保證用于連接的無氧化表面。清洗后將薄板烘干。
B.薄板分離器(Singulator)通過切除將被形成的薄板支持于母板的橋接件將薄板母板分離(singulate)180。這在疊前做，以簡化連接處理。
C.疊層處理及噴連接連接防護涂層薄板在水平方向上放置(以其正確的順序)，并按順序垂直堆疊(190)在有兩對齊柱182的熱臺板上。薄板對齊孔(圖5中孔32)套在柱上，以精確對齊薄板，使相配合的薄板特征關聯(lián)，以形成通路，分隔，管道及通道。堆疊前，熱臺板要涂敷上商用連接防護涂層195，以防止薄板粘接在臺板上。連接防護涂層組分依連接的金屬類型而各種各樣。氧化釔用于鈦，氧化鋁用于其它金屬。防護涂層也可用于薄板疊層部件之間，防止相鄰疊層粘接。在薄板疊層間放置小臺板，以保證載荷傳遞及使連接容易。在這種方式下，在上下臺板間一次可連接到100個分隔器。
D.擴散連接裝好的薄板疊層190(臺板未示出)被置于真空熱壓下，以擴散連接200。不同的金屬需要不同的連接條件。連接條件由所使用的壓頭及溫度來確定。在起動連接時，壓力機關閉，抽真空至10-6乇，以防止加熱時氧化，并抽去薄板間的空氣。當達到適當?shù)恼婵諘r，爐子開始加熱，并且裝好的薄板疊層要達到熱平衡。在某些情況下，在加熱過程中要施加部分壓頭壓力。當達到熱平衡時，按特定的程序施加連接壓力，此程序依要連接的金屬不同而不同。在某些情況下，依部件類型及要連接金屬的類型，還要在減壓后進行壓接熱處理。一般的連接時間是10到60分，900°F到1700°F，壓力2000磅/英寸到4000磅/英寸，依所要連接的金屬及薄板的設計而不同。一般對于鈦的熱處理是在約1500°F到約1600°F，在100磅/英寸壓力下約60分鐘。當爐室溫度達到100°F到200°F時，去除真空并卸載真空壓力。
E.防漏和/或泄漏檢查連接后的薄板分隔器進行泄漏檢查，205，使用試驗設備在通道，管道和通路上施加內(nèi)壓，以檢查連接完整性，也就是無邊泄漏及內(nèi)部通道短路。
F.連接后清洗泄漏檢查后，連接防護涂層被清除210，形成薄板分隔器，清洗使用清洗機，然后酸蝕，連續(xù)清洗并進行壓縮空氣烘干。
G.最后整理例如控制窗框和薄板的序列號(在薄板邊上形成)等的輔助部分在最后處理215中被去除(除掉)，以生產(chǎn)出前面所描述的，有復雜的內(nèi)部微通道區(qū)的整體連接的薄板分隔器220。
H.鈍化完成的鈦分隔器在真空爐中被置于氮中。分隔器被置于真空爐中，抽成10-6乇真空，引入干燥氮氣，達到1磅/英寸的壓力。重復此循環(huán)。當最終壓力達到1磅/英寸時，爐子被加熱到1200°F和1625°F之間，保持20到90分鐘。特定的時間和溫度依所希望的氮化鈦的厚度而定。爐子冷卻，再加壓，最后生產(chǎn)出準備好裝入EMA形成各單元的氮化(鈍化)薄板分隔器230，多個單元裝成燃料電池疊層，用拉桿(穿過圖5中的孔34)將其連在一起，裝入螺母，使疊層處于壓力下，使得它在加上氣壓后不泄漏。電池的安裝操作在上文已結(jié)合圖11-14加以說明。
圖17.描繪了用于圖15和圖16描述的濕或干的光刻蝕刻的薄板設計布圖準備的過程。其步驟如下A薄板繪圖薄板部件繪圖由CAD系統(tǒng)240在計算機上自動繪制完成。繪圖尺寸是其凈尺寸。每一薄板的兩邊最終繪成視圖245。這些圖被電子化傳送給薄板掩模布圖生成CAD系統(tǒng)250。在CAD繪圖中，生成一檢測數(shù)據(jù)庫162。此檢測數(shù)據(jù)庫包括生成布圖及制造過程中需要檢驗的臨界尺寸。布圖和薄板在制造過程中檢查。
B.掩模布圖生成對于每一薄板，薄板CAD圖要在掩模布圖CAD系統(tǒng)250中被轉(zhuǎn)換為光學加工的掩模。蝕刻因素在每一圖中被加入到每一特征中。蝕刻因素將光學加工掩模寬度調(diào)整到特性寬度，以補償在用于切削單獨薄板的化學蝕刻過程中出現(xiàn)的切下部分。這使得減小在光學加工掩模中的通道尺寸以補償切下部分。蝕刻系數(shù)依金屬類型，化學銑設備類型，蝕刻速度，所用蝕刻劑濃度及類型而不同。在掩模產(chǎn)生過程中，加入輔助制造的手段。輔助制造包括目標對齊，薄板號及控制窗框以輔助疊層及連接處理。
C.布圖光繪用自動光繪機255將薄板布圖繪制在放大一倍的膠片上。
D.正片檢查完成的布圖要進行視頻檢查，260，利用在薄板CAD繪圖過程中產(chǎn)生的檢驗數(shù)據(jù)庫162進行，檢查完頂部(前面)和底部(后面)，薄板布圖被連在一起，270，精確對齊。
工業(yè)應用性本發(fā)明典型的IFMT薄板燃料電池展示出下列工作數(shù)據(jù)。
帶有PEM EMA的消耗H2和O2或空氣的兩單元試驗電池疊層，在95℃時，顯示出線性輸出，范圍從0.4伏(對空氣460mA/cm2，對氧氣830mA/cm2)至0.9伏(對空氣10mA/cm2，對氧氣50mA/cm2)。對于100個IFMT薄板單元的全尺寸燃料電池疊層，其能量密度將超過522mW/cm2，相當于6.79千瓦，電池重量小于50磅，尺寸小于13英寸長×6英寸寬×8英寸高。與此相比，一輸出范圍在5-7千瓦的石墨板燃料電池的重量在100-500磅范圍內(nèi)。對于小汽車要用輸出10-40千瓦的燃料電池，對于大客車需要100-150千瓦。所以，本發(fā)明的IFMT薄板燃料電池可以滿足當前電動汽車的需求。
對于本發(fā)明的100個IFMT薄板的全尺寸電池疊層，以H2-O2/空氣(依壓力而定)工作在0.7V并且EMA電流密度750mA/cm2，能量密度可達326瓦/千克，其比功率為743千瓦/米3(743瓦/升)。與能量密度范圍在50-125瓦/千克的石墨/NAFION H2/O2及H2/空氣電池相比，這些結(jié)果是顯著的。這就是說，本發(fā)明的IFMT薄板電池要比現(xiàn)有石墨燃料電池的能量密度高3-6倍。這意味著本發(fā)明的IFMT薄板H2/空氣燃料電池可產(chǎn)生6.79千瓦的功率，電池重量僅21千克(46磅)，體積僅為0.009米3(0.323英尺3)，也就是12.9英寸長×5.6英寸寬×7.6英寸高。這是非常可觀的，還可小到用于混合型汽車中。
非常明顯，本發(fā)明改進的IFMT燃料電池將有很廣闊的工業(yè)應用，作為電站電源，特別是在遙遠的家中，工業(yè)或建筑工地，作為小型化的單一電源設備，及用于運輸工具電源，特別是重型建筑設備，卡車，火車及輪船。用于本發(fā)明IFMT燃料電池制造的“印刷”技術可為光刻及清洗，組裝，連接，鈍化，出售和服務等方面提供大量的工作。在能量輸出，重量/千瓦輸出的減小，易于制造及快速應用等方面至少有3倍的改進，這里所披露的特定的燃料電池設計是本發(fā)明廣泛適用的一個重要基礎。
權利要求
1.一種極性燃料電池分隔器，包括多個薄板材的薄板；每一薄板都有單獨成型的部件，所述部件為計量孔，通道，通路及管道中的至少一個；所述部件要在薄板與薄板間相對應，以提供至少一個微通道有效域；所述的薄板被連接在一起以形成一整體分隔器，用于在一燃料電池疊層中與一電解膜組件相接觸。
2.根據(jù)權利要求1所述的極性燃料電池分隔器，包括形成至少一個構(gòu)成潤濕燃料或氧化劑的區(qū)域的部件。
3.根據(jù)權利要求2所述的極性燃料電池分隔器，包括至少一個冷卻液區(qū)。
4.根據(jù)權利要求3所述的極性燃料電池分隔器，其中所述冷卻液區(qū)與至少一個所述潤濕區(qū)相連，以給所述的潤濕區(qū)提供熱的潤濕液。
5.根據(jù)權利要求1所述的極性燃料電池分隔器，其中所述部件由深度蝕刻(depth etching)和貫穿蝕刻(through etching)結(jié)合而形成。
6.根據(jù)權利要求5所述的極性燃料電池分隔器，其中所述薄板以粘接或在熱和壓力下以擴散，焊接，釬焊或軟焊而連接起來，以形成所述的整體分隔器。
7.根據(jù)權利要求6所述的極性燃料電池分隔器，其中所述分隔器是雙極分隔器，包括一陽極面和一陰極面，使所述區(qū)域通道在長度，微通道截面尺寸以及蛇形構(gòu)形上適應氣體組分和粘度的條件。
8.根據(jù)權利要求6所述的極性燃料電池分隔器，其中所述分隔器區(qū)域包括一H2潤濕區(qū)，及一空氣/O2潤濕區(qū)。
9.根據(jù)權利要求8所述的極性燃料電池分隔器，其中所述分隔器區(qū)域包括至少一個冷卻液區(qū)。
10.一種燃料電池疊層，包括多個單元，包括I)在一疊層陣列中的極分隔器和隔膜電極組件；II)在所述疊層的一端有一陽極分隔器端板，它與一所述的隔膜電極組件相接觸；及III)在所述疊層第二端上有一陰極分隔器端板，它與一隔膜電極組件相接觸；所述的雙極分隔器，及所述的陽極和陰極分隔器是權利要求1中的分隔器；及所述單元在壓力下按順序組裝在一起，以形成一可工作電池。
11.根據(jù)權利要求10所述的燃料電池疊層，其中所述部件包括至少一個用于燃料或氧化劑的潤濕區(qū)，及至少一個與所述潤濕區(qū)相連的冷卻液區(qū)，以向所述潤濕區(qū)提供熱液體。
12.根據(jù)權利要求11所述的燃料電池疊層，其中所述的區(qū)域在長度，微通道截面尺寸以及蛇形構(gòu)形上適應用H2作燃料及用空氣/O2作氧化劑。
13.根據(jù)權利要求12所述的燃料電池疊層，其中所述的分隔器由金屬擴散連接而形成，金屬可從鈦，鋁，銅，鎢，鈮，不銹鋼，合金，層壓金屬片，電鍍金屬及其組合物中選擇；所述隔膜電極部件可從碳紙涂敷的PEM及無碳紙PEM中選擇，并且所述分隔器包括一窗框(Windowframe)薄板與所述碳紙涂敷的PEM接觸，或一窗屏(Window screen)薄板與所述無碳紙PEM接觸。
14.一種生產(chǎn)燃料電池分隔器組件的方法，包括在薄原料板中形成多個不同的單獨薄板的步驟，每一薄板有與其相應的，從微通道，通路及管道中選擇出的部件，所述部件與一隔膜電極組件接觸形成至少一個氧化劑或燃料消耗的有效區(qū)；堆疊所述薄板，所述單獨薄板的部件要與對應的相鄰薄板的對應部件精確對齊，以提供所述氧化劑或燃料的連續(xù)流通通路；連接所述對齊的薄板，以形成一有內(nèi)部微通道及進口管道的整體分隔器。
15.根據(jù)權利要求14所述的生產(chǎn)燃料電池分隔器的方法，其中所述原料板材是金屬，并且所述成形步驟包括通過深度蝕刻與貫穿蝕刻相結(jié)合使所述部件蝕刻成形的步驟。
16.根據(jù)權利要求15所述的生產(chǎn)燃料電池分隔器的方法，其中所述貫穿蝕刻包括在所述原料板材所選區(qū)域的兩面進行深度蝕刻，深度蝕刻深度超過板材厚度的50％。
17.根據(jù)權利要求16所述的生產(chǎn)燃料電池分隔器的方法，其中所述金屬從鈦，鋁，銅，鎢，鈮，不銹鋼及合金，層壓金屬，鍍金屬和其組合物中選擇。
18.根據(jù)權利要求15所述的生產(chǎn)燃料電池分隔器的方法，其中所述成形步驟包括將光刻膠涂敷在所述金屬原料板材上，以確定其部件。
19.根據(jù)權利要求15所述的生產(chǎn)燃料電池分隔器的方法，包括所述分隔器連接后的鈍化步驟。
20.根據(jù)權利要求19所述的生產(chǎn)燃料電池分隔器的方法，其中所述連接包括在熱和壓力下的擴散連接，所述金屬是鈦，及所述鈍化包括在高溫下暴露于氮氣中。
全文摘要
包括疊層分隔器/隔膜電極組件單元的燃料電池疊層，其中分隔器包括一系列堆疊的薄板，薄板上分別配置有蛇形微通道反應氣潤濕區(qū)，作用區(qū)和冷卻區(qū)。單獨薄板堆疊，并且部件與相鄰的薄板相應的部件精確地對齊接觸，并連接形成一整體分隔器。后連接處理包括純化，如氮化。最好的薄板材料是4-25密耳厚的鈦，其上的部件，蛇形通道，凸起，分隔，通路，管道及孔，以化學或激光蝕刻，切割，壓或模壓成型，最好是深度和貫穿蝕刻相結(jié)合。薄板的生產(chǎn)過程是連續(xù)的和快速的。通過使用以CAD為基礎的薄板設計和光刻，可在部件設計上快速改變，以適應各種熱管理和潤濕技術。這種集成流體控制技術薄板設計的100單元H
文檔編號H01M8/02GK1164296SQ95196322
公開日1997年11月5日 申請日期1995年10月10日 優(yōu)先權日1995年10月10日
發(fā)明者小萊吉納爾德·G·斯皮爾, H·哈里·米根博格, 萊克斯·霍奇 申請人:H動力公司