專利名稱：燃料電池的氣體分離器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池的氣體分離器和采用這種氣體分離器的燃料電池以及生產(chǎn)用于燃料電池的氣體分離器的方法。更具體而言，本發(fā)明涉及在燃料電池組(fuel cells stack)中(包括一個疊在另一個上面的許多單元電池)放置在相鄰單元電池之間的氣體分離器，所述氣體分離器與相鄰的組件結(jié)合以限定氣體燃料的流路或氧化性氣體的流路，并且從氧化性氣流中分離出氣體燃料流。本發(fā)明還涉及使用這種氣體分離器的燃料電池以及制造燃料電池的氣體分離器的方法。
燃料電池的氣體分離器通常具有一個預(yù)定的波紋結(jié)構(gòu)，在燃料電池組中所述結(jié)構(gòu)與相鄰組件結(jié)合以限定氣體燃料的流路和氧化性氣體的流路。提出的一種方法生產(chǎn)具有這種波紋結(jié)構(gòu)并且通過壓模金屬板由金屬材料組成的氣體分離器(例如，日本公開特許公報第7-161365)。這種方法通過簡單的壓模來生產(chǎn)燃料電池的氣體分離器，因而簡化并縮短了生產(chǎn)流程，提高了生產(chǎn)率并防止制造成本的增加。
當(dāng)將薄金屬板壓模成在其兩面具有預(yù)定波紋形狀的氣體分離器時，壓模金屬板導(dǎo)致所得氣體分離器變形。在通過將所需組件一個疊在另一個上面得到的燃料電池裝置中，所述變形的氣體分離器可能引起隨相鄰組件不同氣體分離器的各個接觸面的壓力不同。加入燃料電池的變形的氣體分離器的變形使得氣體分離器與相鄰組件接觸的區(qū)域具有較小的平面壓力。在這樣的區(qū)域中，氣體分離器與相鄰組件的接觸面大大降低，從而降低了活化燃料電池中的導(dǎo)電性并且增大了內(nèi)阻。即它破壞了燃料電池的性能。平面壓力低的區(qū)域也使導(dǎo)熱性下降，這將引起燃料電池的內(nèi)部溫度的變化并進(jìn)一步破壞所述燃料電池的性能。在包含變形的氣體分離器的燃料電池裝置中，不能充分保證在所述氣體分離器的周圍區(qū)域中的氣密性能。
因此，本發(fā)明的目的是解決上面的問題，并且防止燃料電池的氣體分離器、使用這種氣體分離器的燃料電池以及在制造燃料電池的氣體分離器的方法中發(fā)生變形。
本發(fā)明的第一氣體分離器通過相互粘接具有預(yù)定波紋形狀的兩塊薄板來得到。所述兩塊薄板相互補(bǔ)償由于形成波紋形狀而引起的潛在變形，從而減小所得氣體分離器的變形。與在一塊板的兩面均形成波紋形狀的先有技術(shù)的配置(arrangement)相比，將兩塊薄板連在一起以分別在所得氣體分離器的各個面上形成波紋形狀的所述配置，在氣體分離器的波紋形狀的設(shè)計中具有較大的自由度。與先有技術(shù)的配置相比，本發(fā)明的配置也減小了氣體分離器的總厚度。在先有技術(shù)的配置中，需要具有足夠厚度的板從而在所得分離器的兩面上形成波紋結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的氣體分離器不需要這種厚板。使用具有輕微變形的氣體分離器，使基本均勻的平面壓力施加到包括在燃料電池裝置內(nèi)的各個單元電池上。這種配置有效地防止了由于平面壓力的部分降低而導(dǎo)致的內(nèi)阻增加，并確保所述燃料電池具有足夠的性能。
在這個氣體分離器中，如果存在由兩塊薄板界定的空間，那么所述空間需要用導(dǎo)電材料進(jìn)行填充。
本配置提高了氣體分離器的強(qiáng)度并減小了所得氣體分離器的所需厚度。這種配置也提高了所述氣體分離器總的導(dǎo)電性并改進(jìn)了包括這些氣體分離器的所得燃料電池的性能。這種配置進(jìn)一步提高了氣體分離器總的導(dǎo)熱性。所述提高的導(dǎo)熱性使內(nèi)部溫度在包括這些分離器的燃料電池裝置的起動時快速上升，從而縮短所述燃料電池的等待時間。所述提高的導(dǎo)熱性也改進(jìn)了在燃料電池內(nèi)部循環(huán)的冷卻水的冷卻效率，從而使燃料電池的內(nèi)部溫度保持在基本恒定的水平上。
在本發(fā)明燃料電池的第一氣體分離器中，各塊薄板可以為金屬薄板。這種配置對減小所得氣體分離器的潛在變形產(chǎn)生了更明顯的效果。與其它材料如碳質(zhì)材料相比，金屬材料具有更大的強(qiáng)度，并因而有利于減小所得氣體分離器的所需厚度。在壓模過程中，金屬材料產(chǎn)生明顯的變形。在本發(fā)明中燃料電池的第一氣體分離器配置在金屬薄板的應(yīng)用，尤其確保了更有效地防止?jié)撛谧冃巍?br> 在本發(fā)明燃料電池的氣體分離器中，在燃料電池中通過由預(yù)定的波紋形狀限定的流路中的流體選自含氫的氣體燃料、含氧的氧化性氣體以及用來冷卻燃料電池內(nèi)部的冷卻流體。
本發(fā)明也涉及第一燃料電池組，它接受含氫的氣體燃料和含氧的氧化性氣體的進(jìn)料，并通過電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電動勢。所述燃料電池組包括根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項的燃料電池的氣體分離器。
本發(fā)明的第一燃料電池組包括具有輕微變形的氣體分離器。該配置使基本均勻的平面壓力施加到所述燃料電池組的各個單元電池上，從而有效防止由于平面壓力部分降低而導(dǎo)致的內(nèi)阻增加并確保了燃料電池具有足夠的性能。
本發(fā)明進(jìn)一步涉及制造燃料電池的氣體分離器的第一種方法，其中所述燃料電池用許多組件(包括電解質(zhì)層和電極層)層壓而成，并且氣體分離器以一個組件的形式包括在燃料電池中并且具有在兩面形成的預(yù)定波紋形狀以限定通過燃料電池內(nèi)部的流體的流路。第一種方法包括以下步驟(a)提供具有在其各自一個面上形成預(yù)定波紋形狀的兩塊薄板；和(b)通過它們各自的另一面將兩塊薄板相互連接以形成氣體分離器。
本發(fā)明的第一種方法提供了通過相互連接具有預(yù)定波紋形狀的兩塊薄板得到的氣體分離器。這兩塊薄板相互補(bǔ)償由于形成波紋形狀而出現(xiàn)的潛在變形，因而減小了所得氣體分離器的變形。與在一塊板的兩面均形成波紋形狀的先有技術(shù)配置相比，將兩塊薄板連接在一起以分別在所得氣體分離器的各個面上形成波紋形狀的所述配置，在氣體分離器表面的波紋形狀的設(shè)計上具有較大的自由度。與先有技術(shù)的配置相比，本發(fā)明配置也減小了氣體分離器總的厚度。在先有技術(shù)的配置中，需要具有足夠厚度的一塊板從而在所得分離器的兩面均形成波紋形狀。而本發(fā)明的氣體分離器并不需要這樣的厚板。
根據(jù)本發(fā)明的第一種方法的一個優(yōu)選應(yīng)用，在步驟(b)的將兩塊薄板相互連接的方法中，如果存在由兩塊薄板限定的空間，那么將導(dǎo)電材料插入兩塊薄板之間以填充所述空間。這種配置使氣體分離器具有較高的強(qiáng)度和較小的厚度。這種配置也提高了所得氣體分離器的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。
本發(fā)明也涉及制造燃料電池的氣體分離器的第二種方法，其中所述燃料電池由包括電解質(zhì)層和電極層的許多組件層壓而成，并且氣體分離器以一個組件的形式包括在燃料電池中并且具有在兩個面上形成的所述波紋形狀用以限定通過燃料電池內(nèi)部的流體的流路。第二種方法包括以下步驟(a)提供兩塊薄板；(b)通過置于兩塊薄板之間的導(dǎo)電材料將兩塊薄板一塊疊在另一塊上面；和(c)對兩塊薄板(通過導(dǎo)電材料將一塊疊在另一塊上面)進(jìn)行壓模并連接在一起，從而在連接在一起的兩塊薄板的表面上形成預(yù)定波紋形狀。
本發(fā)明的第二種方法將兩塊薄板相互粘接起來，同時對所述薄板進(jìn)行壓模。通過壓模在兩塊薄板的各自表面上形成預(yù)定波紋形狀。所述兩塊薄板相互補(bǔ)償由于形成波紋形狀而出現(xiàn)的潛在變形，因而減小了所得氣體分離器的變形。如同本發(fā)明的第一種方法那樣，這種配置確保了在設(shè)計氣體分離器表面上的波紋形狀設(shè)計時的較大自由度，并減小了所得氣體分離器的所需厚度。
在本發(fā)明的第一種或第二種方法中，各塊薄板可以為金屬薄板。這種配置進(jìn)一步提高了對氣體分離器變形的預(yù)防效果。壓模金屬板通常產(chǎn)生明顯的變形。本發(fā)明方法在金屬板中的應(yīng)用，在減小潛在變形上獲得了顯著的效果。
本發(fā)明進(jìn)一步涉及燃料電池的第二氣體分離器，該燃料電池由包括電解質(zhì)層和電極層的許多組件層壓而成。氣體分離器以一個組件的形式包括在燃料電池中并且具有在其表面形成的預(yù)定波紋形狀，從而限定通過燃料電池內(nèi)部的流體的流路。第二氣體分離器包括由薄板組成并且具有通過所述分離器基板單元厚度的許多孔的分離器基板單元；和主要由導(dǎo)電材料組成，并且分別插入到各個孔中從而在分離器基板單元的至少一個面上形成凸形結(jié)構(gòu)的插入組件。
在本發(fā)明燃料電池的第二氣體分離器中，通過使用插入組件在氣體分離器的表面形成預(yù)定波紋形狀，所述插入組件與分離器基板單元相互獨立。這種配置有效地防止了由于形成波紋形狀而出現(xiàn)的潛在變形。也就是說引起變形的彎曲力和張力沒有施加到包括在所述氣體分離器中的分離器基板單元上。
在其兩面具有預(yù)定波紋形狀的燃料電池的氣體分離器中，安裝在各個孔中的插入組件從分離器基板單元的兩個面突出以形成凸形結(jié)構(gòu)，從而在氣體分離器的兩個面的相同位置上限定所述預(yù)定波紋形狀。在燃料電池的氣體分離器(在一個面上形成預(yù)定波紋形狀，另一個面為平面)中，安裝在各個孔中的插入組件僅從一個面突出，而不從另一個面突出。插入組件由導(dǎo)電材料組成。在插入組件確保氣體分離器所需的足夠的導(dǎo)電性的情況下，分離器基板單元無需具有導(dǎo)電性。它擴(kuò)展了用于分離器基板單元的適用材料的選擇范圍。
本發(fā)明也涉及第二燃料電池組，它接受含氫的氣體燃料和含氧的氧化性氣體的進(jìn)料并且通過電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電動勢。所述燃料電池組包括根據(jù)權(quán)利要求10的燃料電池的氣體分離器。
本發(fā)明的第二燃料電池組包括具有輕微變形的氣體分離器。這種配置導(dǎo)致施加到燃料電池組的每個單元電池的平面壓力基本相同，從而有效地防止了由于平面壓力的部分降低而引起的內(nèi)阻增加，并確保了燃料電池足夠的性能。
本發(fā)明進(jìn)一步涉及制造燃料電池的氣體分離器的第三種方法，其中燃料電池由包括電解質(zhì)層和電極層的許多組件層壓而成，并且所述氣體分離器以一個組件的形式包括在燃料電池中并且具有在其表面形成的預(yù)定波紋形狀，用于限定通過燃料電池內(nèi)部的流體的流路。第三種方法包括以下步驟(a)提供由薄板組成的分離器基板單元；(b)在預(yù)定位置對分離器基板單元穿孔以形成通過分離器基板單元厚度的許多孔；和(c)將插入組件(主要由導(dǎo)電材料組成)分別插入許多孔中，從而在分離器基板單元的表面上形成預(yù)定波紋形狀。
本發(fā)明的第三種方法采用與分離器基板單元相分離的插入組件，從而在燃料電池的氣體分離器的表面上形成預(yù)定波紋形狀。這種配置有效地防止了由于形成波紋形狀而使所得的氣體分離器出現(xiàn)潛在變形。即引起變形的彎曲力或張力沒有施加到包括在氣體分離器中的分離器基板單元上。
在本發(fā)明的第三種方法中，例如，在步驟(b)中對分離器基板單元進(jìn)行穿孔，在步驟(c)中將插入組件壓制安裝到許多孔內(nèi)并在預(yù)定位置上進(jìn)行切屑以形成預(yù)定波紋形狀。這種方法通過簡單工藝如穿孔、壓配和切屑來制造燃料電池的氣體分離器。與將金屬板或碳質(zhì)材料壓模成氣體分離器的先有技術(shù)方法相比，這種配置簡化并縮短了制造過程。與彎曲并拉伸板件的常規(guī)的制造方法相比，采用了如穿孔、壓配和切屑工藝的這種方案確保了在形成波紋形狀時精度的提高。
根據(jù)本發(fā)明第三種方法的一個優(yōu)選應(yīng)用，每個孔和插入其中的插入組件均具有基本圓形的截面。
這種配置使插入組件分別插入到眾多孔中的定位更容易。容易制備具有基本圓形截面的條形組件。它擴(kuò)展了用作插入組件的條形組件的尺寸選擇的范圍(即條形組件的直徑)，因而可以任意調(diào)節(jié)波紋形狀的精度。較小直徑的組件形成更精細(xì)的波紋形狀。因而本申請的第三種方法使得在氣體分離器的表面上容易形成具有高精度的更精細(xì)的波紋形狀。
圖7為第二個實施方案的分離器130的剖視圖；圖8為分離器130表面的平面圖；圖9為分離器130的制造方法；

圖10為分離器130周圍區(qū)域附近的截面的一部分；和圖11為分離器30的第二種制造方法；
在本發(fā)明的第一個優(yōu)選實施方案中，采用分離器30的燃料電池為電池組結(jié)構(gòu)，其中許多單元電池一個疊在另一個上面。圖2為一個剖視圖，說明了作為燃料電池單元組件的單元電池28的結(jié)構(gòu)。圖3為單元電池28的結(jié)構(gòu)的分解透視圖。圖4為一個透視圖，說明了由一個疊在另一個上面的單元電池28所得電池組結(jié)構(gòu)14的外形。
本發(fā)明燃料電池為聚合物電解質(zhì)燃料電池，所述電池各自包括一種作為電解質(zhì)層的固體聚合物膜，它們在濕態(tài)下具有良好的導(dǎo)電性。每個燃料電池接受含氫氣體燃料的進(jìn)料(陽極)和含氧的氧化性氣體的進(jìn)料(陰極)，這樣在燃料電池中進(jìn)行如下所示電化學(xué)反應(yīng)(1)(2)(3)
方程式(1)代表陽極反應(yīng)，方程式(2)代表陰極反應(yīng)。因此方程式(3)為燃料電池的總反應(yīng)。如本領(lǐng)域所熟知的那樣，所述燃料電池將向其進(jìn)料的燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能，并且具有極高的能源效率。如圖2所示，每個單元電池28(燃料電池的單元組件)，包括電解質(zhì)膜21、陽極22、陰極23和一對分離器30a和30b。
陽極22和陰極23為置于電解質(zhì)膜21上從而形成三明治結(jié)構(gòu)的氣體擴(kuò)散電極。該對分離器30a和30b也置于這種三明治結(jié)構(gòu)中并且各自與陽極22和陰極23結(jié)合以限定氣體燃料和氧化性氣體的流路。氣體燃料的流動管路24P由陽極22和分離器30a限定，而氧化性氣體的流動管路25P由陰極23和分離器30b限定。將預(yù)定數(shù)量的單元電池28以一個疊在另一個上面的方式放置以形成作為燃料電池裝置的電池組結(jié)構(gòu)14。
盡管只是在圖2的各個分離器30a和30b的單面對用來限定氣體流路的肋進(jìn)行了說明，但在圖3所示的實際燃料電池中，在分離器30a和30b的兩個面上形成肋54和55。在各個分離器30a和30b的一個面上形成的肋54與相鄰陽極22結(jié)合以限定氣體燃料流動管路24P。在各個分離器30a和30b的另一個面上形成的肋55與相鄰單元電池28的陰極23結(jié)合以限定氧化性氣體的流動管路25P。分離器30a和30b各自與相鄰的氣體擴(kuò)散電極結(jié)合以限定氣體流動管路，并且也用來將氣體燃料流從位于相鄰各對單元電池之間的氧化性氣體流中分離出來。在實際的燃料電池裝置中，分離器30a和30b的形狀或功能之間不存在區(qū)別。此后將分離器30a和30b通稱為分離器30。
在每個分離器的面上形成的肋54和55可以具有任意形狀，它們用來限定氣體的流路并且將氣體燃料進(jìn)料和氧化性氣體進(jìn)料加入到相應(yīng)的氣體擴(kuò)散電極中。在圖2和圖3的實例中，在每個分離器的面上分別形成許多平行槽形式的肋54和55。圖2圖示了單元電池28的結(jié)構(gòu)，氣體燃料的流動管路24P和氧化性氣體的流動管路25P顯示出來是平行的。另一方面，在圖3中圖示了在各個分離器30的面上形成的相互垂直的肋54和55。肋54和55可以具有與這些構(gòu)型不同的結(jié)構(gòu)。每個分離器30通過相互連接壓模的基板對62和64來獲得(如后所述)，這樣肋54和55可以具有通過壓模獲得的任意形狀。
電解質(zhì)膜21為由聚合物電解質(zhì)材料如氟樹脂構(gòu)成的質(zhì)子傳導(dǎo)的離子交換膜，并且在濕態(tài)下具有良好的導(dǎo)電性。在這個實施方案中采用Nafion(由杜邦公司生產(chǎn))膜作為電解質(zhì)膜21。鉑或含有鉑和其它金屬的鉑合金用作電解質(zhì)膜21表面上的催化劑。
陽極22和陰極23由碳布組成，所述碳布由碳纖維紗織成。陽極22和陰極23可以由碳紙或也由碳纖維(而不是這個實施方案中的碳布)組成的碳?xì)纸M成。
如前所述，分離器30具有在金屬基板單元60內(nèi)部形成的填料單元66和蓋在基板單元60上的涂層68。在分離器30具有在其周圍形成的四個槽孔，即氣體燃料槽孔50和51，其與肋54相互連接以限定氣體燃料的流動管路34P，氧化性氣體槽孔52和53，其與肋55相互連接以限定氧化性氣體流動管路35P。在燃料電池裝置中，分離器30的氣體燃料槽孔50和51分別形成氣體燃料進(jìn)料歧管和氣體燃料排放歧管，它們以燃料電池組的層壓方向貫穿其間。以相似的方式，分離器30的氧化性氣體的槽孔52和53分別形成氧化性氣體的進(jìn)料歧管和氧化性氣體的排放歧管，它們以燃料電池組的層壓方向貫穿其間。
在具有如上所述組件的燃料電池的裝配過程中，將分離器30、陽極22、電解質(zhì)膜21、陰極23和分離器30以一個疊在另一個上面的次序依次放置以形成一個單元電池層壓制品。集電板36和37、絕緣板38和39以及端板40和41也放置在單元電池層壓制品中。圖4顯示了這種完整的電池組結(jié)構(gòu)14。集電板36和37分別具有輸出終端36A和37A以輸出在燃料電池組中產(chǎn)生的電動勢。
如圖4所示，端板40具有兩個孔；即氣體燃料孔42和氧化性氣體孔44。與端板40相鄰的絕緣板38和相鄰的集電板36在與端板40兩個孔相對的位置也具有兩個孔。氣體燃料孔42開向分離器30的氣體燃料槽孔50的中心的對應(yīng)位置。當(dāng)激活所述燃料電池組時，氣體燃料孔42與未標(biāo)出的燃料進(jìn)料單元相連從而將富氫氣體燃料導(dǎo)入燃料電池中。以相似的方式，氧化性氣體孔44開向分離器30的氧化性氣體槽孔52的中心的對應(yīng)位置。當(dāng)激活所述燃料電池組時，氧化性氣體孔44與未標(biāo)出的氧化性氣體的進(jìn)料單元相連從而將含氧的氧化性氣體導(dǎo)入所述燃料電池中。
在加入各自氣體之前，氣體燃料進(jìn)料單元和氧化性氣體進(jìn)料單元將各自氣體增濕并加壓至預(yù)定水平。與所述實施方案的燃料電池相連的氣體燃料進(jìn)料單元提供富氫氣體(如由碳?xì)浠衔锶缂状贾卣玫臍怏w)作為氣體燃料。高純度氫氣可以用作氣體燃料。氧化性氣體進(jìn)料單元提供含有足夠濃度的氧的氣體，如空氣。
端板41具有兩個孔(具體位置不同于端板40的孔)。絕緣板39和集電板37也具有與端板41兩個孔的位置對應(yīng)的兩個孔。在端板41上形成的一個孔為氣體燃料孔，它開向與分離器30的氣體燃料槽孔51中心的對應(yīng)位置。在端板41上形成的另一個孔為氧化性氣體孔，它開向與分離器30的氧化性氣體槽孔53中心的對應(yīng)位置。當(dāng)激活所述燃料電池組時，在端板41上形成的氣體燃料孔與未標(biāo)出的氣體排放單元相連，而在端板41上形成的氧化性氣體孔與未標(biāo)出的氧化性氣體排放單元相連。
包括如上所述各個組件的電池組結(jié)構(gòu)14在層壓方向上以預(yù)定的壓力固定。這樣便制成燃料電池的電池組。在所述說明中沒有提及電池組結(jié)構(gòu)14的壓制圖。
以下描述在如上所述的燃料電池組中的氣體燃料的流動與氧化性氣體的流動。通過在端板40上形成的氣體燃料孔42，將氣體燃料進(jìn)料從上面所述的氣體燃料進(jìn)料單元導(dǎo)入燃料電池中。在燃料電池中，通過氣體燃料進(jìn)料歧管，將氣體燃料流導(dǎo)入各個單元電池28的氣體燃料流動管路24P中，并在各個單元電池28的陽極上進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)。從氣體燃料流動管路24P出來的氣體燃料流被收集到氣體燃料排放歧管中，到達(dá)在端板41上形成的氣體燃料孔，并從這個氣體燃料孔排放到燃料電池的外面，導(dǎo)入如上所述的氣體燃料排放單元中。
以相似的方式，通過在端板40上形成的氧化性氣體孔44，將氧化性氣體進(jìn)料從氧化性氣體的進(jìn)料單元導(dǎo)入到燃料電池中。在燃料電池中，通過氧化性氣體進(jìn)料歧管，將氧化性氣體流導(dǎo)入到各個單元電池28的氧化性氣體流動管路25P中，并在各個單元電池28的陰極上進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)。從氧化性氣體流動管路25P出來的氧化性氣流被收集到氧化性氣體排放歧管中，到達(dá)在端板41上形成的氧化性氣體孔，并從這個氧化性氣體孔排放到如上所述的氧化性氣體排放單元中。
上面的描述只是涉及加入燃料電池的氣體燃料和氧化性氣體的流路和流動情況。實際燃料電池還包括冷卻水流路(冷卻水流過其中)。如前所述，通過在燃料電池中進(jìn)行的電化學(xué)反應(yīng)，加入燃料電池的燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能?；瘜W(xué)能向電能的所述轉(zhuǎn)換不完全，不能轉(zhuǎn)換為電能的殘余能量以熱的形式被釋放。因此燃料電池在放電的同時還連續(xù)產(chǎn)生熱量。為保持燃料電池的驅(qū)動溫度在一個合適的溫度范圍內(nèi)，通常在燃料電池中形成一條冷卻水流路，從而使冷卻水在燃料電池中流動并移走多余的熱量。
除了圖3所示的氣體燃料槽孔50和51以及氧化性氣體槽孔52和53之外，本實施方案的分離器30具有用于限定冷卻水流路的兩個孔(未標(biāo)出)。各個分離器30(一個疊在另一個上面以組成電池組結(jié)構(gòu)14)的兩個孔，形成通過電池組結(jié)構(gòu)14的冷卻水流路，從而從電池組內(nèi)的冷卻水流動管路加入或排放冷卻水。電池組結(jié)構(gòu)14的燃料電池也包括冷卻水流動管路分離器(未標(biāo)出)，它們各自以預(yù)定數(shù)量的單元電池一個疊在另一個上面(而不是標(biāo)準(zhǔn)分離器30)，并且在其表面具有波紋結(jié)構(gòu)以限定冷卻水流動管路。在冷卻水流動管路分離器表面上形成的波紋結(jié)構(gòu)與相鄰組件結(jié)合以限定電池組中的冷卻水流動管路。以每個預(yù)定數(shù)量的單元電池放置在電池組中的氣體流動管路，從由如上所述的孔組成的冷卻水流路接受冷卻水進(jìn)料并排放冷卻廢水。冷卻水流動以移走在燃料電池放電時產(chǎn)生的多余熱量。
以下描述分離器30的結(jié)構(gòu)，它表征了本發(fā)明的主體部分。分離器30具有如上所述的基板單元60(包括兩個基板62和64)、填料單元66和涂層68。圖5顯示了分離器30的制造方法。圖5包括分離器30的制造工藝流程圖并且圖示了流程圖的各個步驟。以下將參照圖5詳細(xì)描述分離器30的制造方法。
本方法首先通過壓模兩塊金屬板來制備基板62和64(步驟S100)。在這個實施方案中，以1噸/cm2的平面壓力對0.3mm厚的不銹鋼板進(jìn)行壓模。它將形成對應(yīng)基板62和64各個面上的肋54和55的凸形。該方法隨后將填料置于基板對62和64之間，壓制基板62和64從而使基板62和64相互粘合(步驟S110)。即基板62和64通過置于基板62和64之間的填料(在這個實施方案中為熱膨脹石墨(thermally expanding graphite))相互連接。這樣得到包括在所述空間形成的填料單元66的基板單元60，所述空間由凸形限定并位于基板62和64的各個連接面?zhèn)?即對應(yīng)肋54和55的凸形內(nèi)表面)。步驟S110采用熱膨脹石墨作為填料并壓制基板62和64從而使基板62和64相互連接。混凝土法(concrete procedure)使定量的熱膨脹石墨位于基板62和64的連接表面?zhèn)壬?，并且在與凸形結(jié)構(gòu)對應(yīng)的模內(nèi)，以2噸/cm2的平面壓力對基板對62和64以及置于其間的熱膨脹石墨進(jìn)行壓制。它將基板對62和64相互連接起來并制成基板單元60，其包括在對應(yīng)于凸形結(jié)構(gòu)的內(nèi)部空間形成的、用熱膨脹石墨進(jìn)行填充的填料單元66。
熱膨脹石墨是一種為人熟知的碳質(zhì)材料，并且可以通過加熱酸處理的碳質(zhì)材料如天然石墨或炭黑，使其體積膨脹來獲得。熱膨脹使熱膨脹石墨具有層狀結(jié)構(gòu)，應(yīng)用壓力使層狀結(jié)構(gòu)各層相互之間緊密相連。因而在壓模過程中不需要任何粘合劑。將熱膨脹石墨放置于基板對62和64之間并且在模中對基板62和64進(jìn)行壓制的方法，既完成了用熱膨脹石墨填充在基板單元60內(nèi)形成的空間又同時完成了基板62和64相互之間的連接。放置于基板對62和64之間的并且用于步驟S110的壓制處理的熱膨脹石墨可以粉末或以片狀的形式存在。
本方法隨后對具有用熱膨脹石墨填充內(nèi)部空間的基板單元60進(jìn)行表面處理(步驟S120)，從而制成所述分離器30。在本實施方案中采用的表面處理為用碳層涂覆基板單元60以形成涂層68。在具有與基板單元60結(jié)構(gòu)對應(yīng)形狀的模中，通過將熱膨脹石墨組成的碳片接觸粘接基板單元60的表面來形成涂層68?；蛘咴陬A(yù)定形狀的模中，使粉狀的熱膨脹石墨與基板單元60直接接觸粘接。在采用將熱膨脹石墨層接觸粘接至基板單元60上的方法中，為了確保足夠的粘接強(qiáng)度，需要對用于接觸粘接的模的內(nèi)部進(jìn)行清空。通過機(jī)械壓制或采用靜壓可以在模中進(jìn)行接觸粘接。
在制造分離器30的過程中，在步驟S100中，在壓模之前或之后在金屬板上沖壓槽孔(盡管在以上描述中沒有特別提及)。通過沖壓在金屬板上形成氣體燃料槽孔50和51以及氧化性氣體槽孔52和53。
實施方案30中的制造具有上述結(jié)構(gòu)的分離器30的方法使分離器具有輕微變形。由壓模制造的基板62和64具有對應(yīng)它們的波紋形狀的某些變形。兩塊基板62和64相互之間的粘接矯正了基板62和64各自的變形，從而獲得具有輕微變形的基板單元60。將具有輕微變形的分離器用于燃料電池的裝置時，燃料電池組的各個單元電池上產(chǎn)生的平面壓力基本相同。這種配置有效地防止了由于平面壓力的部分降低而導(dǎo)致的內(nèi)阻的增加，并因此確保了燃料電池組足夠的性能。
在這個實施方案中，除了如上所述的防止分離器變形的效果外，制造分離器30的方法還具有與通過壓模制造金屬分離器的方法相同的其它效果。壓模金屬板的方法是一種能縮短分離器制造工藝的方便的方法。即這個實施方案的方法使分離器30能通過簡單的方法廉價地制造。與碳質(zhì)材料的分離器相比，這種金屬材料具有優(yōu)異的強(qiáng)度并因此降低了分離器的厚度。這樣可以理想地減小整個燃料電池組的尺寸。
這個實施方案的技術(shù)通過相互連接兩塊基板62和64來制造分離器30。這種配置顯著地提高了在具有波紋表面的分離器中的自由度。當(dāng)將一塊金屬板壓模成分離器時，難以在分離器兩面的相同區(qū)域形成凸形。因而在設(shè)計在分離器兩面形成的波紋形狀時存在一些限制。使用厚的金屬板可以確保在分離器的各個面上形成凸形時足夠的自由度。然而厚的分離器使整個燃料電池組變得所不希望的龐大并因此變得不實用。這個實施方案的方法通過將兩塊基板62和64相互粘接來制造分離器30，因而能夠在分離器30的兩個面上對波紋形狀進(jìn)行沒有任何限制的自由設(shè)計，并且不增加分離器30的厚度。
在本實施方案的結(jié)構(gòu)中，由兩塊基板62和64所限定的空間用填料進(jìn)行了填充。這種配置提高了形成肋54和55的區(qū)域的翹曲強(qiáng)度并減小了在電池組結(jié)構(gòu)14中出現(xiàn)的潛在蠕變。由于所述填料提高了形成肋54和55的區(qū)域的翹曲強(qiáng)度，因此沒有必要增加分離器的厚度來確保足夠的強(qiáng)度。用填料對由兩塊基板62和64限定的空間進(jìn)行填充的這種配置增加了分離器30的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，因而提高了包括分離器30的燃料電池的性能。采用具有優(yōu)異導(dǎo)電性的熱膨脹石墨作為填料提高了整個分離器的導(dǎo)電性并因此減小了采用這些分離器的燃料電池的內(nèi)阻。與沒有填充所述空間的結(jié)構(gòu)相比，用填料填充所述空間的結(jié)構(gòu)使分離器具有更好的導(dǎo)熱性。包括這些分離器的燃料電池通過流貫燃料電池內(nèi)部的冷卻水的流動具有提高的冷卻效率。提高的冷卻效率使燃料電池的內(nèi)部溫度基本在一個所希望的溫度范圍保持穩(wěn)定。所述分離器的提高的導(dǎo)熱性使得在燃料電池的起動階段，整個燃料電池組的內(nèi)部溫度很快升高，因而縮短了燃料電池的等待時間。
圖6顯示了對采用本實施方案的分離器30的燃料電池裝置與采用與分離器30相似的分離器(內(nèi)部空間沒有填料)的燃料電池的裝置的性能進(jìn)行的比較。每個燃料電池裝置為100個單元電池的層壓制品。如圖6所示，隨著輸出電流密度的增加，即隨著相連負(fù)載的增加，采用分離器30的燃料電池裝置保持了足夠水平的輸出電壓。另一方面，隨著相連負(fù)載的增加，采用內(nèi)部空間沒有填料的分離器的燃料電池裝置的輸出電壓減小。包括填料單元66的分離器30具有較小的內(nèi)阻，從而減小了電阻極化并保持足夠水平的輸出電壓。
在上面所述的實施方案中，用填料進(jìn)行填充的填料單元66放置于連在一起的兩塊基板62和64之間以提高分離器30的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。然而，只要所得分離器具有在各自允許范圍的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，由基板對62和64限定的空間可以不用填料進(jìn)行填充。即使在這種情況下，將兩塊基板62和64相互粘接的所述配置仍有效地防止了所得分離器的變形。沒有采用填料單元66的情況如人們期望的那樣降低了所述分離器總的重量。在沒有采用填料單元66的情況下，可以如通過利用振動或超聲波的點焊或焊接將基板62和64相互粘連起來。
在本實施方案的分離器30中，兩塊金屬板被壓模成基板62和64，在相互連接基板62和64的過程中，將形成填料單元66的填料置于基板對62和64之間。可以調(diào)整為在將金屬板壓模為基板之前，將填料置于兩塊金屬板之間。這種調(diào)整以分離器30的第二種制造方法顯示于圖11中。這種調(diào)整的方法首先提供了兩塊金屬板(如在圖5所示制造方法的情況下)并將填料(如事先壓模成片狀的熱膨脹石墨)置于兩塊金屬板之間(步驟S300)。該方法隨后壓模這種三明治結(jié)構(gòu)，它包括其間放置填料的兩塊金屬板(步驟S310)。該步驟使得在兩塊金屬板上形成預(yù)定波紋形狀，同時通過填料將兩塊金屬板相互粘接起來。這樣使得到的基板單元60具有與如圖5流程圖中S110步驟所得基板單元60相同的結(jié)構(gòu)。隨后以與圖5中的步驟S120相同的方式，對基板單元60的表面進(jìn)行表面處理(步驟S320)。這樣便制成與上述實施方案相同結(jié)構(gòu)的分離器30。在這種調(diào)整的方法制造的分離器30中，分離器的兩面的波紋形狀在不同金屬板上形成。因而這種配置有效地防止了如上面實施方案所述的分離器的變形。
在這個實施方案的分離器30中，用熱膨脹石墨對填料單元66進(jìn)行了填充。具有足夠?qū)щ娦缘钠渌盍弦部商娲糜谙嗷ミB接的兩塊金屬板之間，從而提高所得氣體分離器的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。除了在所述實施方案中采用的熱膨脹石墨外，可以采用的一個實例為碳粉如天然石墨或炭黑與粘合劑(如熱固性樹脂)的混合物。可以采用的這些碳質(zhì)材料以外的實例包括導(dǎo)電漿糊(含有碳粉或金屬粉末的粘合劑)、導(dǎo)電樹脂以及由導(dǎo)電材料(如泡沫鎳(foamed nickel))組成的海綿狀泡沫組件。當(dāng)用于所述實施方案的熱膨脹石墨或?qū)щ姖{糊用作填料時，填料自身具有結(jié)合性，使得兩塊金屬板通過壓制容易相互粘接起來。在非熱膨脹石墨的碳質(zhì)材料的情況下，將粘合劑加入所述碳質(zhì)材料從而賦予所得填料足夠的結(jié)合性。在填料沒有足夠結(jié)合性的情況下，例如，當(dāng)將泡沫鎳用作填料時，通過粘合劑將金屬板相互粘連起來。當(dāng)將泡沫鎳用作填料時，熱膨脹石墨可以用作粘合劑并且置于泡沫鎳與金屬板的接觸面上。在這些應(yīng)用中，在這個實施方案中所討論的將熱膨脹石墨用作填料的應(yīng)用，采用了單種材料作為填料而不含導(dǎo)電性差的其它材料，因而有利地保持了整個分離器良好的導(dǎo)電性。
在所述實施方案的分離器30中，用涂層68(由熱膨脹石墨組成)覆蓋由兩塊基板62和64相互粘接得到的基板單元60的表面，因而具有足夠的耐腐蝕性。只要所述材料具有足夠的導(dǎo)電性并且賦予基板單元60足夠的耐腐蝕性，可以采用其它材料來形成涂層68。例如，在采用熱膨脹石墨的情況下，將鍍鎳作為涂層68可以獲得足夠的耐腐蝕性，而不會破壞與燃料電池中各個相鄰氣體擴(kuò)散電極接觸表面的導(dǎo)電性。導(dǎo)電漿糊也可以用作涂層。
只要能夠確保分離器30與燃料電池的各個相鄰氣體擴(kuò)散電極的接觸表面具有足夠的導(dǎo)電性，不必用涂層68均勻覆蓋基板單元60的整個表面?？梢哉{(diào)整為用具有較小導(dǎo)電性，但具有足夠耐腐蝕性的材料覆蓋接觸面外的殘余區(qū)域(如形成氣體燃料流動管路24P和氧化性氣體流動管路25P的表面)。例如，一個優(yōu)選的配置為用親水性材料或斥水性材料涂覆形成氣體燃料流動管路24P和氧化性氣體流動管路25P的表面。親水性材料的實例有二氧化硅和吸水性樹脂。斥水性材料的實例為聚四氟乙烯。
以下描述用親水性材料或斥水性材料涂覆形成氣體燃料流動管路24P和氧化性氣體流動管路25P的表面的配置的作用。在包括分離器30的燃料電池中進(jìn)行上面方程式(1)至方程式(3)所示的電化學(xué)反應(yīng)。在這些電化學(xué)反應(yīng)過程中，如方程式(2)所示在陰極生成水。水被蒸發(fā)成氧化性氣體并且從燃料電池中釋放出來。然而在溫度降低的燃料電池的局部區(qū)域，水被冷凝從而阻止氧化性氣體在氧化性氣體流動管路中的平穩(wěn)流動。如方程式(1)所示，在陽極進(jìn)行的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生質(zhì)子。質(zhì)子通常以水合物的形式遷移到固體電解質(zhì)膜中。在驅(qū)動燃料電池的過程中，加入燃料電池的氣體燃料進(jìn)料通常吸潮從而將水從陽極加入固體電解質(zhì)膜中。受潮氣體燃料的流動可能引起在氣體燃料流路中的冷凝。冷凝物可能阻止氣體燃料的平穩(wěn)流動。將親水性材料應(yīng)用于形成位于燃料電池組各個單元電池28中的氣體燃料流動管路24P和氧化性氣體流動管路25P的表面，這將使得在這些氣體流動管路中生成的冷凝物與氣流一起沿著流動管路的親水性壁表面流動，并易于從單元電池28中排出。另一方面，將斥水性材料應(yīng)用于形成氣體流動管路的表面，使得冷凝物被流動管路的斥水性壁表面所排斥并且易于通過氣體流路從單元電池28中排出。
在如上所述的實施方案中，在制造分離器30的過程中，對包括填料單元66的基板單元60進(jìn)行表面處理以形成涂層68。也可在將基板62和64連接起來從而在得到基板單元60之前對各塊基板62和64進(jìn)行表面處理。這種替代方法將金屬板壓模成基板62和64(圖5中的步驟S100)，隨后以與圖5中的步驟S120相同的方式，對各個基板62和64進(jìn)行表面處理以形成涂層68，隨后以與圖5中的步驟S110相同的方式，將填料置于覆蓋了涂層68的基板62和64之間從而將基板62和64連接起來。
在如上所述的實施方案中，分離器30具有在其表面上的涂層68從而獲得足夠的耐腐蝕性。當(dāng)應(yīng)用于基板62和64的材料具有足夠的耐腐蝕性時，在基板62和64的表面上可以不必形成涂層68。在這種情況下，將兩塊基板62和64相互粘接起來以形成基板單元60的這種配置，也有效地減小了所得分離器的潛在變形。
在上面的實施方案中，基板62和64由不銹鋼組成。由其它金屬如鋁組成的基板62和64可以獲得在所述實施方案中所討論的相似的效果。當(dāng)分離器表面覆蓋涂層68以獲得耐腐蝕性時，用作基板62和64材料的金屬不必具有足夠的耐腐蝕性。通過考察金屬的重量和成本可以選擇用作基板62和64的合適材料。
將由非金屬、導(dǎo)電性的材料組成的基板62和64連接起來以制造分離器的配置也具有相似的效果；即所得氣體分離器為薄的并且具有較小的變形。非金屬、導(dǎo)電性的材料的實例包括與粘合劑和熱膨脹石墨相混合的碳粉。在這種情況下，所述方法將由這些碳質(zhì)材料組成的薄板壓模成具有預(yù)定波紋形狀的兩塊基板并將兩塊基板相互連接起來以制造分離器。
當(dāng)將這些碳質(zhì)材料壓模以集成在其兩面均具有預(yù)定波紋形狀的分離器時，在兩面上形成的波紋形狀將導(dǎo)致相同面上的壁厚的變化。壁厚的不同引起在壓模過程中施加至相同面上的平面壓力的不同。為確保所得分離器足夠的強(qiáng)度，必須設(shè)定所得分離器的壁厚等于或大于預(yù)定值并加入足量的粘合劑。然而粘合劑加入量的增加將引起導(dǎo)電性的降低。另一方面，在粘接通過壓模碳質(zhì)材料得到的兩塊基板并由此制造在其兩面上具有預(yù)定波紋形狀的配置中，每塊基板只是在其一個面上具有與分離器一個面對應(yīng)的波紋形狀。這種配置確保了整個基板均勻的壁厚，并使得在壓模各塊薄板的過程中，施加的平面壓力保持基本恒定。這種配置也減小了粘合劑的加入量以及由碳質(zhì)材料組成的各塊基板的壁厚。當(dāng)由非金屬的導(dǎo)電材料組成的兩塊基板被相互粘接時，具有導(dǎo)電的、置于兩塊基板之間的填料提高了導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性并確保了本實施方案如上所述的所得分離器具有足夠的強(qiáng)度。
在如上所述的實施方案中，在分離器的兩面形成的波紋形狀限定了氣體燃料流動管路24P和氧化性氣體流動管路25P。然而波紋形狀可以限定不是氣體燃料和氧化性氣體的流體的流路。例如，波紋形狀限定了冷卻水的流路，冷卻水流貫燃料電池內(nèi)部以保持氣體燃料的內(nèi)部溫度在如上所述的所希望的溫度范圍內(nèi)。通過與本實施方案的分離器30的制造方法相似的方法制造的冷卻水流動管路分離器具有與本實施方案相同的效果。
無需在按上面方式制造的分離器的兩面形成流體的流動管路，但一面可以為沒有任何波紋形狀的平面。在燃料電池的一個示例性結(jié)構(gòu)中，與冷卻水流動管路分離器相鄰的分離器具有一個平面，它與冷卻水流動管路分離器相接觸，而另一面具有波紋結(jié)構(gòu)以限定氣體流動管路24P或氧化性氣體流動管路25P。在這種情況下，這個分離器可以通過與本實施方案中分離器制造方法相似的方法來制造。將兩塊基板粘接的配置有效地減小了具有這種配置的所得分離器的潛在變形。用導(dǎo)電性填料填充內(nèi)部空間的這種配置獲得了如上所述的效果，即提高了導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。
在如上所述的第一個實施方案中，為了減小所得分離器的潛在變形，分離器通過相互粘接兩塊基板來制造?？捎脕頊p小所得分離器潛在變形的另一種結(jié)構(gòu)可以制成平面基板單元和凸形結(jié)構(gòu)，它以分離組件的形式在基板單元上形成以限定氣體的流路。以下將以第二個實施方案來描述這種結(jié)構(gòu)。
圖7為一個剖視圖，圖示了第二個實施方案中的分離器130。圖8為說明分離器130表面的平面圖。第二個實施方案的分離器130包括一個由不銹鋼組成的、具有圓形截面并貫通基板單元160厚度的許多孔的基板單元160，分別插入各個孔以結(jié)合到基板單元160的許多插入組件170，以及由熱膨脹石墨組成的、覆蓋基板單元160表面和插入組件170的涂層168。如同分離器30一樣，將分離器130和其它預(yù)定組件以一個疊在另一個上面的方式進(jìn)行放置，從而形成與第一個實施方案相似的燃料電池。在以下的描述中，第一個和第二個實施方案相同的組件用相同的數(shù)字表示并且在此不再特別描述。
與分離器30一樣，分離器130的周圍具有氣體燃料槽孔50和51以及氧化性氣體槽孔52和53。分離器130具有許多肋155，它們配置于各個面的相同位置并代表在基板單元160上通過常規(guī)方式放置的許多插入組件170形成的凸形結(jié)構(gòu)?；鍐卧?60包括一個具有在其上形成的肋155的平面部分182以及一個限定分離器130周邊區(qū)域的密封部分180(即氣體燃料槽孔50和51以及氧化性氣體槽孔52和53的外部周邊)。密封部分180具有比平面部分182較厚的截面。設(shè)計在密封部分下面形成的凹形表面的平面部分182以用于燃料電池裝置(包括分離器130，參見圖8)中各分離器130的一個表面上的氧化性氣體槽孔52和53的溝通。在這種燃料電池裝置中，肋155的尾端與相鄰的氣體擴(kuò)散電極相連，并且氧化性氣體流動管路25P由肋155的側(cè)面、平面部分182的表面以及相鄰的氣體擴(kuò)散電極所限定。以相似的方式，設(shè)計平面部分182從而使燃料電池裝置中的各分離器130的另外表面上的氣體燃料槽孔50和51進(jìn)行溝通。氣體燃料流動管路24P由燃料電池裝置中的肋155的側(cè)面、平面部分182的表面以及另一個相鄰的氣體擴(kuò)散電極所限定。
以下描述分離器130的制造方法。圖9顯示了分離器30的制造方法。圖9包括分離器130的制造工藝的流程圖并圖示流程的各個步驟。
這種方法首先提供不銹鋼薄板并在薄板的許多預(yù)定位置上進(jìn)行穿孔以形成一系列孔，從而獲得基板單元160(步驟S200)。在不銹鋼板上形成的孔包括在相應(yīng)于如圖8所示分離器130的各個肋155的位置上形成的孔以及氣體燃料槽孔50和51以及氧化性氣體槽孔52和53。在步驟S200的成孔過程中，在對應(yīng)于各個肋155的位置上形成的各個孔的直徑要略小于各個肋155的截面直徑。所述方法隨后通過加料器將金屬絲壓制裝配至與各個肋155對應(yīng)的位置形成的各個孔中(步驟S210)。在此壓制裝配的各根絲形成分離器130的肋155并且其直徑略大于在步驟S200中形成的各個對應(yīng)孔的直徑。使用具有這種直徑的絲確保了在金屬基板單元160和被壓制裝配的絲之間的密封性能。
本方法隨后切斷壓制裝配至基板單元160中的絲的尾端(步驟S220)。固定基板單元160各個面上的各根絲的切斷位置(即到基板單元160的距離)。切斷絲的尾端完成了將插入組件170壓配至在基板單元160上形成的各個孔，從而在基板單元160的兩個面上的相同位置形成許多肋155。形成肋155后，本方法以與圖5中的步驟S120相同的方式對基板單元160和許多肋155進(jìn)行表面處理(步驟S230)，從而制成分離器130。如同第一個實施方案的分離器30，這個步驟的表面處理采用熱膨脹石墨覆蓋基板單元160和許多肋155的表面。
第二個實施方案的分離器30的制造方法制得平面基板單元160和這些絲形成分離組件形式的肋155。這種配置有效地防止了具有波紋形狀的分離器的潛在變形。以分離組件形式形成的肋155不會使金屬板彎曲或拉伸的力(它將引起潛在變形)施加至基板單元60上。
在本實施方案的分離器130中，通過簡單方法形成預(yù)定波紋形狀，即成孔以限定肋155，將絲壓配至所述孔中，并切斷壓配的絲。與壓模金屬板或碳質(zhì)材料以制造分離器的常規(guī)方法相比，這種配置簡化了制造方法并縮短了制造所述分離器所需的時間。
在本實施方案的制造分離器130的方法中，通過調(diào)整壓配的絲的直徑，可以自由選擇在分離器130的表面上形成的肋155的大小。較小直徑的絲得到具有較高精度的細(xì)肋。與壓模碳質(zhì)材料或金屬板以形成波紋形狀的配置相比，這種配置允許通過明顯容易的方法來形成更精細(xì)的波紋形狀。這種配置也阻止了由于采用具有復(fù)雜波紋結(jié)構(gòu)的模而引起的制造成本的增加。
與壓模金屬板以制造在其兩面具有波紋結(jié)構(gòu)的氣體分離器的熟知常規(guī)方法相比，本實施方案的分離器130的制造方法采用了較薄的金屬板。在壓模金屬板以制造具有預(yù)定波紋形狀的氣體分離器的方法中，在壓模過程中對應(yīng)波紋形狀的金屬板的特定區(qū)域被彎曲或被拉伸。因此所述金屬板需要具有足夠的厚度。另一方面，在這個實施方案的方法中，由于只對金屬板進(jìn)行簡單沖孔以形成其中壓配了插入組件170的孔，基板單元160適合使用比用于常規(guī)壓模的金屬板要薄的金屬板。本實施方案的分離器130的制造方法不要求在壓模過程中彎曲或拉伸所述材料，因而獲得較薄的分離器(與壓模主要由碳粉組成的材料以制造分離器的方法相比)。采用這種薄金屬板制造所述分離器有效地減小了整個燃料電池組的大小。
在如上所述的第二個實施方案中，基板單元160由不銹鋼組成。防止所得分離器潛在變形的效果也可通過由另一種材料如鋁、碳質(zhì)材料和樹脂組成的基板單元160來獲得。在這個實施方案中，用涂層168覆蓋分離器130的表面。因此應(yīng)用于基板單元160的材料不必具有足夠的耐腐蝕性但要求在燃料電池的驅(qū)動溫度下具有足夠的強(qiáng)度和足夠的耐久性。當(dāng)應(yīng)用于基板單元160的材料具有足夠的耐腐蝕性時，在基板單元160的表面上可以不形成涂層168。
本實施方案的分離器130包括基板單元160和作為單獨組件的肋155。通過肋155確保分離器的導(dǎo)電性，這樣基板單元160不必具有導(dǎo)電性。與整體壓模分離器的配置相比，這種配置擴(kuò)展了適用于基板單元160的材料的選擇范圍。即具有較好的耐腐蝕性的材料和較輕的材料也是適用的。通過考察成本以及其它因素對適用材料進(jìn)行選擇。
在如上所述的實施方案中，采用絲來形成肋155。這些絲具有足夠的導(dǎo)電性以及在壓配至基板單元160或在燃料電池裝置的條件下具有足夠的強(qiáng)度。在如上所述的分離器130的制造方法中，這些絲被壓配至在基板單元160上形成的孔中以限定肋155。這些絲為優(yōu)選的材料以確保在基板單元160和壓配其中的絲之間具有足夠的密封性能。如上面實施方案所述，通過將具有略微大的直徑的這些絲壓配至在基板單元160上形成的孔中的簡單方法，金屬絲和金屬基板易于獲得所需的密封性能。獲得所需密封的一種調(diào)整方法為將具有比在基板單元160上形成的孔的直徑略小的金屬絲插入至所述孔中，切斷這些絲至預(yù)定長度以完成所述插入組件170，對插入組件170的底部和頭部施加壓力以堵住縫隙。確保肋155和基板單元160之間的足夠的密封性能的另一種調(diào)整方法為壓配這些絲以形成肋155并密封肋155與基板單元160接觸的空隙。在后一種情況下，用來形成肋155的這些絲可以由其它導(dǎo)電材料如碳質(zhì)材料組成。
如上面描述所理解的那樣，分離器可以包括由樹脂組成的基板單元和由碳質(zhì)材料組成的插入組件。在這種情況下，可以通過在樹脂片材上沖孔或通過注模法來制造具有插入組件插入其中的孔的基板單元。在樹脂片材上沖孔比在本實施方案中所述的在金屬板上沖孔要容易。當(dāng)注模的技術(shù)應(yīng)用于基板單元的制造時，與插入組件插入其中的孔同時形成對應(yīng)密封部分180的結(jié)構(gòu)(后面將對其進(jìn)行討論)。這種配置使密封性能完整形成從而確保燃料電池的足夠的密封性能。與通過壓模制造分離器的常規(guī)方法相比，這種配置有利地減少了燃料電池裝置所需的組件數(shù)并因此降低了制造成本(如后面所述，很難通過壓模形成整體形成密封部分)。這里所述的插入組件可以由任何合適的碳質(zhì)材料如熱膨脹石墨或石墨與粘合劑(如熱固性樹脂)的混合物組成。在包括由樹脂組成的基板單元和由碳質(zhì)材料組成的插入組件的分離器中，基板單元和插入組件均具有足夠的耐腐蝕性，這樣與第二個實施方案的分離器130不同的是，不必形成涂層168。
所述插入組件可以由樹脂(非導(dǎo)電材料)組成。在一種適用的結(jié)構(gòu)中，與第二個實施方案的分離器130一樣，基板單元由金屬組成，插入組件由樹脂組成。在這種情況下，用導(dǎo)電性膜覆蓋分離器的整個表面或插入組件的表面(如用碳質(zhì)材料或金屬涂覆)。這樣確保了燃料電池分離器所需的足夠的導(dǎo)電性。
分離器130具有由熱膨脹石墨組成的涂層168以獲得足夠的耐腐蝕性。與第一個實施方案的分離器30的涂層68一樣，這種涂層168可以由任何合適的非碳質(zhì)材料組成，例如金屬如鎳或?qū)щ娦詽{糊。特定區(qū)域(不是與燃料電池組的各個氣體擴(kuò)散電極相鄰的接觸面)不必具有導(dǎo)電性。因此這些特定區(qū)域可以采用與第一個實施方案相同的方式用親水性材料或斥水性材料進(jìn)行涂覆。這樣獲得了足夠的耐腐蝕性并改進(jìn)了水的排放。當(dāng)應(yīng)用于基板單元160和插入組件170的材料具有在允許水平上的足夠的耐腐蝕性時，可以省略涂層168。
第二個實施方案的方法對金屬板進(jìn)行沖孔以形成孔并且不通過壓模形成波紋形狀。這種配置有利于在制造基板單元160的過程中，保持基板單元160的厚度不變。這種配置使得包括較厚截面(即與密封部分180對應(yīng)的區(qū)域)的周圍區(qū)域的金屬板可以應(yīng)用于基板單元160。在包括以上面方式制造的分離器130的燃料電池組中，較厚截面的區(qū)域容易確保所需的氣密性能。
圖10顯示了取自圖8的線10-10的分離器130的截面的一個部分(與分離器130周圍部分相鄰)。如前所述，分離器130的基板單元160包括具有由其中的插入組件170所形成的肋155的平面部分182，以及配置在分離器130周圍部分的密封部分180，并且具有一個較厚的截面。盡管在制造分離器130的方法中沒有特別提及，但圖9所示的制造方法仍提供了在其周圍區(qū)域具有密封部分180的金屬板。在采用分離器130的燃料電池裝置中，各自在其周圍區(qū)域具有密封部分180，各自相鄰的分離器對130通過各自的密封部分180相互接觸，這將容易獲得足夠的氣密性能。
在通過壓模金屬板來制造氣體分離器的情況下，在壓模過程中金屬板的厚度發(fā)生變化。因此基本不能采用具有預(yù)定厚度為較厚壁部分的金屬板(與其周圍區(qū)域的密封部分相比)。常規(guī)采用的方法提供了一種獨立密封組件，它與氣體分離器的周圍區(qū)域相連，或使所述組件具有波紋形狀以限定在各個單元電池中的氣體流路以及使所述組件限定作為獨立組件的歧管的孔。在上面實施方案的方法中，分離器130通過采用具有事先形成的密封部分180的金屬板來制造。與壓模的常規(guī)技術(shù)相比，這種配置有效地降低了燃料電池裝置所需的組件數(shù)。
本發(fā)明不局限于上面的實施方案或它們的變體，但在沒有偏離本發(fā)明主要特性的精神或范圍的條件下可進(jìn)行許多其它的修改、變化或替代。
工業(yè)應(yīng)用如上所述，應(yīng)用于燃料電池的氣體分離器的本發(fā)明的技術(shù)、采用這些氣體分離器的燃料電池以及制造這種用于燃料電池的氣體分離器的方法可以有效地用于燃料電池的制造和銷售領(lǐng)域，以及其上安裝了燃料電池的電動汽車的制造和銷售領(lǐng)域。
權(quán)利要求
1．用于燃料電池的氣體分離器，所述燃料電池由包括電解質(zhì)層和電極層的許多組件層壓制成，所述氣體分離器以所述許多組件中的一個的形式包括在所述燃料電池中，并且具有在兩面均形成的預(yù)定波紋形狀從而限定通過所述燃料電池內(nèi)部的流體的流路，其中在其各自一個面上形成的預(yù)定波紋形狀的兩塊薄板通過其各自的另一面相互粘接來形成所述氣體分離器。
2．根據(jù)權(quán)利要求1的用于燃料電池的氣體分離器，其中由所述兩塊薄板界定的空間(如果存在)用導(dǎo)電材料進(jìn)行填充。
3．根據(jù)權(quán)利要求1的用于燃料電池的氣體分離器，其中所述薄板均為金屬薄板。
4．根據(jù)權(quán)利要求2的用于燃料電池的氣體分離器，其中所述薄板均為金屬薄板。
5．根據(jù)權(quán)利要求1的用于燃料電池的氣體分離器，其中在所述燃料電池中，通過由預(yù)定波紋形狀限定的流路的流體選自含氫的氣體燃料、含氧的氧化性氣體和用來冷卻所述燃料電池內(nèi)部的冷卻流體。
6．根據(jù)權(quán)利要求2的用于燃料電池的氣體分離器，其中在所述燃料電池中，通過由預(yù)定波紋形狀限定的流路的流體選自含氫的氣體燃料、含氧的氧化性氣體和用來冷卻所述燃料電池內(nèi)部的冷卻流體。
7．接受含氫的氣體燃料和含氧的氧化性氣體進(jìn)料并通過電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電動勢的燃料電池組，所述燃料電池組包括根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項的用于燃料電池的氣體分離器。
8．制造用于燃料電池的氣體分離器的方法，所述燃料電池由包括電解質(zhì)層和電極層的許多組件層壓制成，所述氣體分離器以所述多個組件之一的形式包括在所述燃料電池中并且具有在兩面均形成的預(yù)定波紋形狀從而限定通過所述燃料電池內(nèi)部的流體的流路，所述方法包括以下步驟(a)提供具有在其各自的一個面上形成的預(yù)定波紋形狀的兩塊薄板；和(b)通過它們各自的另一面將所述兩塊薄板相互粘接起來以形成所述氣體分離器。
9．根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中在所述步驟(b)相互粘接所述兩塊薄板的過程中，將導(dǎo)電材料置于所述兩塊薄板之間以填充由所述兩塊薄板限定的空間(如果存在的話)。
10．制造用于燃料電池的氣體分離器的方法，所述燃料電池由包括電解質(zhì)層和電極層的許多組件層壓制成，所述氣體分離器以所述多個組件之一的形式包括在所述燃料電池中并且具有在兩面均形成的預(yù)定波紋形狀從而限定通過所述燃料電池內(nèi)部的流體的流路，所述方法包括以下步驟(a)提供兩塊薄板；(b)通過置于所述兩塊薄板之間的導(dǎo)電材料，以一塊疊在另一塊上面的方式，放置所述兩塊薄板；和(c)對通過導(dǎo)電材料以一塊疊在另一塊上面的方式放置的所述兩塊薄板進(jìn)行壓模并連接起來，這樣在所述相互連接的兩塊薄板表面上形成預(yù)定波紋形狀。
11．根據(jù)權(quán)利要求8-10中任一項的方法，其中所述薄板均為金屬薄板。
12．用于燃料電池的氣體分離器，所述燃料電池由包括電解質(zhì)層和電極層的許多組件層壓制成，所述氣體分離器以所述多個組件之一的形式包括在所述燃料電池中并且具有在其表面形成的預(yù)定波紋形狀從而限定通過所述燃料電池內(nèi)部的流體的流路，所述氣體分離器包括由薄板組成并且具有通過所述分離器基板單元厚度的許多孔的分離器基板單元；和主要由導(dǎo)電材料組成并且各自插入至所述的許多孔中從而在所述分離器基板單元的至少一個面上形成凸形結(jié)構(gòu)的插入組件。
13．接受含氫的氣體燃料和含氧的氧化性氣體的進(jìn)料并通過電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電動勢的燃料電池組，所述燃料電池組包括根據(jù)權(quán)利要求12的用于燃料電池的氣體分離器。
14．制造用于燃料電池的氣體分離器的方法，所述燃料電池由包括電解質(zhì)層和電極層的許多組件層壓制成，所述氣體分離器以所述多個組件之一的形式包括在所述燃料電池中并且具有在其表面形成的預(yù)定波紋形狀從而限定通過所述燃料電池內(nèi)部的流體的流路，所述方法包括以下步驟(a)提供由薄板組成的分離器基板單元；(b)在預(yù)定位置對所述分離器基板單元進(jìn)行沖孔以形成通過所述分離器基板單元厚度的許多孔；和(c)將主要由導(dǎo)電材料組成的插入組件各自插入到所述的許多孔中，從而在所述分離器基板單元表面上形成預(yù)定波紋形狀。
15．根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其中所述許多孔和插入其中的所述插入組件各自具有基本圓形的截面。
全文摘要
用作燃料電池的各個單電池組件的燃料電池氣體分離器,所述燃料電池由單電池層壓而成,并且由于在金屬板的兩面形成預(yù)定不規(guī)則形狀時需要進(jìn)行壓制,因而使其沒有產(chǎn)生應(yīng)變,分離器(30)包括:一個基板單元(60)(通過將兩塊基板(62,64)粘合在一起形成預(yù)定不規(guī)則形狀來形成),填料單元(66)(根據(jù)基板(62,64)的不規(guī)則形狀,由兩塊基板(62,64)之間形成的空間來提供),以及涂層(68)(形成于基板單元(60)的表面),其中由于將基板(62,64)和填料單元粘合在一起從而消除在各個基板(62,64)上形成的應(yīng)變,如果將導(dǎo)電材料插入基板(62,64)之間,將提高所述分離器(30)的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。
文檔編號H01M8/02GK1306682SQ9980754
公開日2001年8月1日 申請日期1999年6月15日 優(yōu)先權(quán)日1998年6月18日
發(fā)明者吉村常治, 水野誠司 申請人:豐田自動車株式會社