燃料电池及用于此燃料电池的双极板制造技术

一种包括燃料侧（２２）和氧化剂侧（１６）的燃料电池双极板（１２），燃料侧（２２）具有一系列限定各燃料路径的燃料通道（２４），氧化剂侧（１６）具有一系列限定各氧化剂路径的氧化剂通道（１８）。至少一些燃料通道（２４）在横切于燃料和氧化剂路径的方向与相邻的氧化剂通道（１８）偏置。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术一般涉及燃料电池，更具体而言是涉及燃料电池双极板。
技术介绍
燃料电池将燃料和氧化剂(统称“反应物”)转变为电流和反应产物。许多燃料电池使用氢气作为燃料，氧气作为氧化剂。在这种情况下，反应产物是水。一种这样的燃料电池是质子交换膜(PEM)燃料电池。在PEM燃料电池中，每个单电池都包括由薄的离子导电膜隔开的阳极和阴极，通常将它们统称为膜电极部件(MEA)。在离子导电膜两侧的阳极和阴极包括含膜的薄层催化剂和气体扩散层。将氢气供给阳极，氧化剂供给阴极。气体扩散层确保氢气有效地传输到阳极催化剂上，氧化剂有效地传输到阴极催化剂上。氢气在阳极催化剂上电化学氧化，由此产生的质子通过导电膜，与阴极催化剂上的氧气反应生成水。将单个膜电极部件(MEAs)叠加，与其间的不能渗透的导电双极板电串联，此双极板在一个MEA的阳极和与其相邻的MEA的阴极之间传导电流。传统的双极板是平板，在双极板一侧所形成的一个或多个通道用于向一个MEA上传输燃料，双极板另一侧所形成的一个或多个通道用于向另一个MEA上传输氧化剂。氧化剂通道可以与燃料通道对齐，也可以不与燃料通道对齐。由于各种原因，燃料电池被认为是很有吸引力的能源。与一般的电池相比，燃料电池的优点在于只要连续不断地提供燃料，燃料电池可以保持一定的输出功率，而不受充/放电循环的阻碍。而且燃料电池较小、重量轻并且不污染环境。PEM燃料电池最为显著的优点在于其具有较低的工作温度并且采用非液体、非腐蚀性的电解质。尽管燃料电池具有上述优点，本专利技术人认为传统的燃料电池仍有待改进。例如，本专利技术人决定减少传统燃料电池的尺寸和重量。本专利技术人还决定通过改进隔离相邻MEAs的双极板的设计，从而实现燃料电池尺寸和重量的减小。
技术实现思路
因此，本专利技术的一个目的是提供一种具有相同输出功率、但比传统燃料电池更小、更轻的燃料电池。本专利技术的另一目的是提供一种比传统双极板更小的双极板。本专利技术的再一个目的是提供比传统双极板更轻的双极板。为了实现这些和其它目的，根据本专利技术优选实施例的双极板包括燃料侧和氧化剂侧，燃料侧包括一系列限定各燃料路径的燃料电池通道，氧化剂侧包括一系列限定各氧化剂路径的氧化剂通道。至少某些燃料通道在横切于燃料和氧化剂路径的方向与相邻的氧化剂通道偏置。根据本专利技术的燃料电池包括这种位于一对MEAs之间的双极板。本专利技术和传统双极板和燃料电池相比具有许多优点。例如，在传统双极板中燃料和氧化剂通道形成在极板的相对表面上，如附图说明图1中所示。因此，当从接触一个MEA阳极的燃料侧上的表面到接触另一个MEA阴极的氧化剂侧上的表面所测量的传统双极板的厚度等于相对的通道的深度和隔开通道的材料的厚度之和。由于燃料和氧化剂通道不对齐，从而远远减少了此双极板的厚度。因此，双极板的厚度不需要等于、实际上小于相对的通道的深度和隔开通道的材料的厚度之和。在一个优选实施例中，双极板的燃料和氧化剂侧各包括一连串交替的通道和隆起部，在燃料侧的隆起部形成氧化剂通道，在氧化剂侧的隆起部形成燃料通道。这里，双极板的厚度是仅一个通道的深度和形成隆起部的材料的厚度之和。这明显地低于传统双极板的厚度。结果，燃料电池具有传统燃料电池约两倍的功率密度(kW/L)。此双极板还明显轻于传统双极板。还参考图1，传统双极板包括位于相邻通道之间板材料的大实心区域，此相邻通道从接触一个MEA阳极的燃料侧表面延伸到接触另一个MEA阴极的氧化剂侧表面。因为燃料通道和氧化剂通道不对齐，此双极板不包括这样的大区域，因此通道位于由传统双极板中板材料占据的区域。结果，燃料电池具有传统燃料电池两至三倍的比功率(kw/kg)。通过参考下述详细描述，结合附图本专利技术将更易理解，本专利技术的上述描述的和许多其他特点以及附带优点将变得更显而易见。附图简述参考附图详细描述本专利技术的优选实施例。图1是传统双极板的局部横截面图。图2是根据本专利技术优选实施例的双极板组件的平面图。图3是沿图2中的线3-3截取的局部截面图。图4是根据本专利技术优选实施例的燃料电池组件的分解视图。图5是在装配状态中图4中所示的燃料电池组件的局部截面图。图6是根据本专利技术优选实施例的燃料电池组的透视图。优选实施例的详细说明以下是目前所知实现本专利技术的最佳方式的详细描述。这种描述并不应理解为限制的含义，而仅仅是出于描述本专利技术的一般原理的目的。正如图2和3中的例子所示，根据本专利技术的优选实施例的双极板组件10包括双极板12和框架14。双极板12和框架14可以是隔开的结构元件，此结构元件彼此可焊接、胶合或机械地压紧，如图所示，或者形成整体的单元。典型的双极板12包括具有一连串交替的氧化剂通道18和氧化剂侧隆起部20的氧化剂侧16，以及具有交替连续的燃料通道24和燃料侧隆起部26的燃料侧22。典型双极板12的这种结构使得相邻的氧化剂通道18和燃料通道24在横切于由此限定的燃料和氧化剂路径的方向彼此偏置。更具体地参考图3，典型的双极板12具有波纹状结构，在相邻的氧化剂通道18和燃料通道24之间基本上没有交叠，相邻通道由侧壁28隔离。和其中燃料和氧化剂通道彼此对齐的传统双极板和燃料电池相比，氧化剂和燃料通道的偏置具有许多优点。例如，由于此双极板(图3)的厚度小于在传统双极板情况下(图1)的两个相对通道的组合深度和隔开相对通道的材料的厚度之和，因此此双极板的厚度远远小于传统双极板的厚度。结果，使用此双极板的燃料电池具有明显高于传统燃料电池的功率密度(kw/L)。由于此双极板没有传统双极板中的位于相对通道之间的大实心区域，所以它还明显轻于传统双极板。所减少的重量使得燃料电池具有明显高于传统燃料电池的比功率(kw/kg)。虽然可以采用其它结构，每个通道在横截面上基本上是梯形。当双极板部分或局部弯曲时，可以选择采用基本为方型的横截面。然而，为了最好的收集电流，隆起部20和26(将与MEAs接触)应当基本上是平的，从而使收集电流的接触区域最大化。如图2所示，典型的框架14包括围绕双极板12外围的框架构件30。在框架构件30中形成燃料进气和出气管道32和34、氧化剂进气和出气管道36和38、冷却剂进气和出气管道40和42。燃料和氧化剂进气和出气管道的相对位置可以如图所示的那样，或反之。每个管道优选包括多个加强构件44。燃料进气管道32通过一系列穿过框架构件30和氧化剂进气管道36一部分的进气管46连接到燃料通道24的入口端，而燃料通道的出口端通过一系列穿过框架构件和氧化剂出气管道38部分的出气管48连接到燃料出气管道34。同样，氧化剂进气管道通过一系列穿过框架构件30的一部分的进气管50连接到氧化剂通道18的入口端，而氧化剂通道的出口端通过一系列穿过框架构件另一部分的出气管52连接到氧化剂出气管道38。进气和出气管46、48、50和52可以由金属、塑料或其它适当材料形成。优选为管子密封到框架构件30中。密封管子可以防止氧化剂与燃料混合，确保氧化剂只传送到双极板12的阴极侧。同样，燃料也不会和氧化剂混合，而且只传送到双极板12的阳极侧。可选择地是，氧化剂管50和52可以用形成在框架构件30中的通道代替，此框架构件30延伸到进气和出气管道36和38并从进气和出气管道36和38延伸出。这里，通道形成在框架构件30的阴极侧。一系列装配孔54形成本文档来自技高网...

【技术保护点】
在包括至少两个膜电极部件（６６）和在膜电极部件（６６）之间的双极板（１２）的燃料电池中，双极板（１２）具有燃料侧（２２）和氧化剂侧（１６），燃料侧（２２）包括一连串交替的燃料通道（２４）和隆起部（２６），燃料通道限定各燃料路径，氧化剂侧（１６）包括一连串交替的氧化剂通道（１８）和隆起部（２０），氧化剂通道限定各氧化剂路径，其改进包括：至少一些燃料通道（２４）在横切于燃料和氧化剂路径的方向与相邻氧化剂通道（１８）偏置。

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：J杨，T雷格，
申请(专利权)人：联合讯号公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]