使用集成流体控制薄层技术的燃料电池制造技术

包括叠层分隔器／隔膜电极组件单元的燃料电池叠层，其中分隔器包括一系列堆叠的薄板，薄板上分别配置有蛇形微通道反应气润湿区，作用区和冷却区。单独薄板堆叠，并且部件与相邻的薄板相应的部件精确地对齐接触，并连接形成一整体分隔器。后连接处理包括纯化，如氮化。最好的薄板材料是４－２５密耳厚的钛，其上的部件，蛇形通道，凸起，分隔，通路，管道及孔，以化学或激光蚀刻，切割，压或模压成型，最好是深度和贯穿蚀刻相结合。薄板的生产过程是连续的和快速的。通过使用以ＣＡＤ为基础的薄板设计和光刻，可在部件设计上快速改变，以适应各种热管理和润湿技术。这种集成流体控制技术薄板设计的１００单元Ｈ↓［２］－Ｏ↓［２］／空气ＰＥＭ燃料电池叠层将有０．７５千瓦／千克级的输出，要比现有石墨板ＰＥＭ叠层电池高３－６倍。（*该技术在2015年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及燃料电池，特别是涉及一种由运用集成流体控制技术(IFMT)的薄板叠放构成的燃料电池，以及这种集成流体控制电池的制造和使用方法。使用本专利技术原理的一个具体实施例是一种氢-空气/氧(hydrogen-air/O2)燃料电池，它使用多个分隔器，这些分隔器由钛，铌，铜，不锈钢，铝或塑料制成的板连接形成，分隔器分别配置有反应气体的微通道，制冷和润湿区，此种电池在约50到150℃范围内工作，以开或闭合回路的构形用于固定或移动式发电时有0.25-1.04瓦/千克及0.5-1.0千瓦/升级的输出。集成流体控制(IFM)薄板及分隔器的设计可在燃料电池叠层中调整，以适应每一电池的变化的热控制及湿度需求。直接将氢或碳燃料转化为电的燃料电池理论上是大有希望的，但因技术上和经济上的原因还未广泛地在商业上应用。在氢-空气/氧气燃料电池的领域，能量密度，也就是每磅产生的千瓦能量比较有限，并且寿命也短得不尽人意，现有技术中燃料电池在使用一段过程后就会因催化剂式电解液隔膜沾污使得能量下降，以及燃料气内部供给不畅而使得热量集中，造成电池损坏和类似的其它后果。重要的一类用于固定和移动发电的有前途的燃料电池是使用每边涂敷有贵金属催化剂的固体聚合质子交换隔膜的低温氢气/氧气(H2/O2)燃料电池，其隔膜位于燃料电池电极或电导体分隔器之间。这些燃料电池使用氢气(H2)作为燃料，氢气或者直接提供，或者通过化学反应在电池中产生，如电解或从金属氢化物中产生。氧化剂是氧气或空气，水用于冷却及用于润湿隔膜，防止其因变干燥而失效或结构变脆弱直到破裂。典型地，阳极因各种原因首先变干，包括从阳极到阴极的电渗传送，超过电化学反应速率的供气，阴极面上的空气或氧气流吹除了从氢阳极穿过隔膜的反应生成的水和水蒸气。因此，燃料气要在燃料电池叠层中润湿，以减轻干燥效应。冷却水带走电池中催化剂催化的电化学反应的缓慢燃烧所产生的多余热量，并在叠层外部进行热交换。在某些设计中，冷却水也用于润湿反应气体。有几种合适的电极隔膜组件(EMA)可用于低温燃料电池。一种是来自新泽西拜而维的氢能公司(H Power Corp of Bellville，NewJersey)的产品，在聚合物膜上涂铂催化剂，如杜邦(du Pont)NAFION牌全氟磺化(perflourosulfonated)的碳氢化合物作为隔膜。另外，东化学公司(Dow Chemical)在美国专利5,316,869中提供的全氟磺化的聚合物可以使得电流密度达到4000安培/平方英尺，电池电压超过0.5伏/每个单元，其电池叠层能量密度超过2千瓦/平方英尺。目前可用的典型的电池叠层设计是由35个电化学反应单元、19个热管理单元，及14个反应物湿润单元组成的Ballard燃料电池叠层，反应物湿润单元使用涂铂的以0.25英寸厚的石墨平板层叠的NAFION 117电极隔膜组件。电池叠层体积为0.5立方英尺，重94磅，使用氢气和氧气并有3千瓦的输出。然而，石墨板必须相对较厚，以保证结构的的完整性及防止反应物混合，这是因为电池叠层必须被置于压力下，以使池内和池间密封，防止反应物泄漏，而这易造成石墨板破碎和开裂。因石墨有低的导热和导电性，造成过热点和死点。石墨板还不易制造，尤其是气体分配通道难以制出。输出相对较低，在0.5千瓦/磅的量级上。在上面的例子中，冷却或湿润的非反应单元的单元数几乎等于反应的单元数。这实际上使需要的密封垫片加倍，因而降低了电池叠层的可靠性和性能。前述的美国专利5,316,869也未提供石墨板电池叠层设计的解决方案，因为它只涉及到电池叠层外部闭路循环系统的微处理器控制。所以，需要提供一种克服
技术介绍
中问题的改进的燃料电池的设计，生产和使用方法。本专利技术的目的包括，提供一种改进的燃料电池的设计，制造和使用方法，特别是氢气和氧气或空气型燃料电池，它可较现有石墨电池性能提高3倍或更高。其它的目的和优点包括提供一种基于多板及叠层技术的改进的燃料电池的制造技术，其平板上特别布置有由蚀刻，激光烧蚀或切割，冲压，冲孔或模压生成的气和水的配给微通道；提供一种燃料电池制造的集成工艺，包括各平板的光刻，随后在加热和加压情况下蚀刻，模压，冲压，冲孔，焊接，硬焊或软焊叠层板，使部件成形，并在平板和/或极分隔器组件上涂敷防氧化剂。在燃料电池叠层设计中提供集成流体控制技术(IFMT)，特别是对于平板装配成单极或双极分隔器(单独单元)的设计，及多单元装成叠层的设计，以改进燃料和氧化气的润湿及配给，在其与隔膜接触时，能对热及湿度进行控制，以防止因干燥引起的热点及隔膜剥蚀。对于燃料电池分隔器组件提供了光刻和蚀刻成形的平板，组件有特殊的边密封，使得可以密封分隔器之间的电极隔膜组件，以形成单元，单元在压力下紧固以形成燃料电池叠层；提供燃料电池叠层中可变的集成流体控制平板极分隔器设计，以适应叠层位置内不同的热环境和湿度的需求；其它目的在说明书，附图及专利技术的权利要求书中说明。本专利技术直接用于改进多单元构成的燃料电池叠层，每一单元包括一系列内部相关的集成流体控制(IFM)平板。本专利技术也包括使平板成为极分隔膜模块(半电池叠层组件)的设计，制造，特性化，组装和连接的方法，及应用集成流体控制技术平板的燃料电池叠层的使用方法。虽然特别公开了本专利技术的技术适用于使用氢气和氧气/气体作为燃料的质子交换分隔膜(PEM)燃料电池，但本专利技术的技术同样也可适用于碱，固体氧化物及熔碳型燃料电池，以及与燃料电池有关的改进。可使用各种各样的其他燃料/氧化剂组合，如H2/Cl2；NH3/O2；H2/X2(X是卤素)；CH3OH/O2及其他类似的组合。本专利技术的燃料电池由一个或多个单元构成，每一单元依次由一对夹有一个电极隔膜组件(EMA)的双极分隔器构成。分隔器可以是单极(对于端平板)或双极，一面是阳极(H2)面，另一面是阴极(O2)面。本专利技术的每一极分隔器组件由多个薄板依次安装构成。平板最好由金属，塑料，陶瓷或其它适用的材料制成，在其中刻有大量复杂密纹流体配给通道，通道最好由蚀刻，但也可由激光烧蚀，模压，冲孔或冲压工艺形成，成为全深或半深通道。相邻具有相应的半深部(如半通道)的平板相合焊接，生成气，冷却液和蒸气的配给通道，它典型地成圆形或椭圆形截面。由于其连续，弯曲及分枝的构形，用其他方法不能制造出来。当两单极分隔器与在中间的电极隔膜组件组装后，它就形成了电化学单元。单元成直线排列，当通过焊接或夹紧装置固定在一起时，就构成了燃料电池叠层，也就是最终的燃料电池，在单元与单元之间可选装密封垫。在典型的例子中，构成整个燃料电池叠层的单独单元极分隔器子组件的平板数量可以是3-10片，最好4-7片。EMA置于相邻极分隔器之间，最好插在阳极和阴极的凹槽中。现有的优选的EMA包括一2-17密耳厚的全氟磺隔膜，两边涂敷有溶解于溶剂中的细微铂黑及碳黑的混合物，并且两边覆盖有10密耳厚的 特氟隆疏水粘合剂的65％开孔石黑纸。本专利技术的集成流体控制燃料电池的原理将只根据例子来描述，所参考的是双极氢/空气或氧气燃料电池，使用的是铂黑/NAFION EMA，但也可适用于其它燃料/氧化剂组合，它们可以是液体，气体或其结合，工作温度在50-150℃范围内。本专利技术平板设计的一个重要特点是，气体和电解本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种极性燃料电池分隔器，包括：多个薄板材的薄板；每一薄板都有单独成型的部件，所述部件为计量孔，通道，通路及管道中的至少一个；所述部件要在薄板与薄板间相对应，以提供至少一个微通道有效域；所述的薄板被连接在一起以形成一整体分隔器，用于在一燃料电池叠层中与一电解膜组件相接触。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：小莱吉纳尔德G斯皮尔，H哈里米根博格，莱克斯霍奇，
申请(专利权)人：H动力公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]