石墨層狀燃料電池板制造技術(shù)

一種層狀燃料電池板（１０），具有模壓在兩層膨脹石墨（１２，１６）之間的片狀金屬層（１４）。該片狀金屬層為制備更薄的板提供彈性支撐。該片狀金屬層還作為一種滲透阻擋層，其使得膨脹石墨層的導(dǎo)電性增強(qiáng)。為了對(duì)齊、密封和流動(dòng)控制的目的而向石墨層模壓多個(gè)部件。（*該技術(shù)在2023年保護(hù)過期，可自由使用*）

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉及一種由壓縮石墨而制得的電化學(xué)燃料電池板，特別是關(guān)于將石墨模壓成一種壓層結(jié)構(gòu)。
技術(shù)介紹
燃料電池板在電化學(xué)燃料電池中表現(xiàn)出許多功能，如作為電流收集器，鄰近燃料電池間的串連，結(jié)構(gòu)支撐，流體流量分配器，滲透阻擋層，以及用于輸送燃料和氧化劑反應(yīng)物及水反應(yīng)產(chǎn)物的導(dǎo)管。這種電池板必須與操作環(huán)境在物理和化學(xué)上是相容的，包括在反應(yīng)物流體存在下對(duì)高溫和酸性的容限。由于燃料電池通常含有大量的(例如100或更多)板，因此這些板應(yīng)當(dāng)薄、輕而且廉價(jià)。作為雙極性電池板，這樣一些電池板能支持鄰近電池間的反應(yīng)。雙極板的一側(cè)支持一個(gè)電池的陽(yáng)極反應(yīng)，另一側(cè)則支撐一個(gè)鄰近電池的陰極反應(yīng)。兩側(cè)都是有導(dǎo)電性的并支撐其間的一系列的電連接。然而也要求雙極板能提供一個(gè)鄰近電池間的滲透阻擋層以避免電解交換。金屬如鈦已經(jīng)用于燃料電池板，特別是在不考慮成本的地方。通過切割或蝕刻使金屬板具有處理流體流動(dòng)所需要的特性。除材料成本外，形成反應(yīng)物流動(dòng)槽所必須的的蝕刻工藝也增加了相當(dāng)大的生產(chǎn)成本而且費(fèi)時(shí)。注射成型被認(rèn)為是一種有效降低大批量生產(chǎn)燃料電池板的生產(chǎn)成本的方法。但是，對(duì)于注射成型工藝來(lái)講，擁有包括高電導(dǎo)性在內(nèi)必備性質(zhì)的材料通常都不具有足夠的流動(dòng)性。用石墨或其他含碳化合物填充的模壓熱塑性板也成功地加工成燃料電池板。熱塑性樹脂提供滲透阻擋層，含碳填充物提供導(dǎo)電性。然而，為達(dá)到結(jié)構(gòu)支撐的要求，模壓板容易變得相對(duì)厚而重。在模壓板中，板是由用熱塑性樹脂浸漬的膨脹石墨薄片制得的。將膨脹石墨碾成薄片，用樹脂浸漬，再?zèng)_壓或模壓以形成所需的表面特性。浸漬和晾干樹脂所必需的步驟增加了成本，所得到的膨脹石墨板仍舊相對(duì)厚而重。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
在一個(gè)或多個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中所提到的燃料電池板是由兩層膨脹石墨材料和一片狀金屬中間層模壓而成的。在層壓燃料電池板的對(duì)應(yīng)面上，膨脹石墨優(yōu)選被壓制以形成溝槽、密封結(jié)構(gòu)或定位部件。片狀金屬層形成滲透阻擋層并提供結(jié)構(gòu)支撐以降低板的總體厚度。另外，依賴于片狀金屬層提供的結(jié)構(gòu)支撐和滲透阻擋層，膨脹石墨層的導(dǎo)電性得以優(yōu)化。層壓板的表面部件優(yōu)選由模壓而形成。在模壓操作的制備過程中，膨脹石墨可以排列成片狀并與中間的片狀金屬層疊放在一起，或者膨脹石墨可以在含有片狀金屬層的模壓模具中排列成微粒形態(tài)。優(yōu)選通過模壓操作在膨脹的石墨層中形成溝槽、密封結(jié)構(gòu)或定位部件。形成的石墨層的厚度和密度可調(diào)以提高密封結(jié)構(gòu)或其他部件的性能。在最高點(diǎn)上所設(shè)計(jì)的部件是壓縮度最低的，這有助于維持定位和密封功能。在燃料電池內(nèi)部擠壓安裝時(shí)，部件越易彎曲越能通過適應(yīng)不可避免的變化來(lái)更好地適應(yīng)密封條件。可以通過降低突出的密封結(jié)構(gòu)的寬度來(lái)實(shí)現(xiàn)額外的密封性能，特別是對(duì)于密封流動(dòng)槽。例如，窄的突起可建在形成板內(nèi)流動(dòng)槽的墻體結(jié)構(gòu)的上方。片狀金屬層在膨脹石墨層間提供滲透阻擋層并作為膨脹石墨層的彈性支撐。片狀金屬層所體現(xiàn)出的兩種功能減輕了對(duì)膨脹石墨層的要求，因此膨脹石墨層可在導(dǎo)電性等其他功能方面得到充分利用。片狀金屬層優(yōu)選由不銹鋼或其他耐腐蝕金屬，如鈦、鈦合金及金屬氮化物制成，以增強(qiáng)導(dǎo)電性，并避免與燃料電池流體間的不利反應(yīng)。然而，在膨脹石墨層可有效密封片狀金屬層的范圍內(nèi)，各種各樣的其他導(dǎo)電性結(jié)構(gòu)材料也可考慮作為中間層。穿過層壓燃料電池板的開口周圍的片狀金屬邊緣可由連接開口的膨脹石墨一膨脹石墨結(jié)合得到密封。相似的密封技術(shù)可用于層壓燃料電池板的外部邊緣，以提供連接石墨和金屬層的更強(qiáng)的結(jié)合。聚硅氧烷或其他密封材料或絕緣體，如特氟隆(TEFLON，聚四氟乙烯)和玻璃纖維，可施用(如噴，涂或注模)在層壓燃料電池板的外部邊緣或?qū)訝畎宓囊幻婊螂p面上，來(lái)使獨(dú)自的層壓板與周圍環(huán)境電隔離，或用來(lái)封閉在內(nèi)部，外部或介于層狀板之間的流體。在層壓燃料電池板間的定位部件中也可以施用相似的密封劑以限制穿過單獨(dú)的燃料電池板表面的流體運(yùn)動(dòng)或限制沿板間管道的流體流動(dòng)。我們的新的層壓燃料電池板是為低厚度和在某些情況下厚度小于所要求的層壓板對(duì)應(yīng)面槽深的總和的制造而設(shè)計(jì)的。這樣，層壓板一側(cè)的溝槽與限制層狀板另一側(cè)的溝槽的墻體結(jié)構(gòu)對(duì)齊，并且片狀金屬層發(fā)生變形以適應(yīng)形成的形狀。盡管溝槽的底部和由模壓形成的其他結(jié)構(gòu)優(yōu)選盡可能與片狀金屬層緊密結(jié)合以降低總體厚度，但高度壓縮的底部的高密度會(huì)減少片狀金屬層對(duì)燃料電池腐蝕環(huán)境的暴露機(jī)會(huì)。附圖說(shuō)明圖1是我們的層壓燃料電池板的平面圖，為了簡(jiǎn)易，圖中省略了穿過板表面的流體流動(dòng)溝槽。圖2是一部件立體分解圖，描述了層壓板的三個(gè)內(nèi)模層。圖3是一沿圖1中3-3線得到的放大的截面圖，展示了介于兩板內(nèi)導(dǎo)管間的中間層的密封情況。圖4是一沿圖1中4-4線得到的相似的放大截面圖，展示了沿層壓板外部邊緣的中間層的密封情況。圖5是一斷裂的截面圖，分別展示了一對(duì)雙極板和一個(gè)燃料電池膜。圖6是一相似的截而圖，顯示了一個(gè)在操作位置的雙極板和燃料電池膜的組件。圖7是一附著有聚硅氧烷作為密封及電絕緣體的定位部件的嚙合面的斷裂截面圖。圖8是一具有交替雙極板的雙頜型模的斷裂截面圖，在所述交替雙極板中模中的壓縮過程引起中間層的局部變形用以降低厚度。圖9是一展示單極板的一部分的斷裂截面圖。具體實(shí)施例方式圖1和2給出的一個(gè)典型的層壓雙極燃料電池板10是由兩層膨脹的石墨材料12和16與一個(gè)片狀金屬中間層14組成的。兩個(gè)膨脹石墨層12和16與片狀金屬層14被模壓在一起，形成一個(gè)單獨(dú)的層壓體。膨脹石墨，也可歸為一種剝落石墨，可通過用一種添加到天然石墨薄片的晶體結(jié)構(gòu)中來(lái)擴(kuò)大嵌入的粒子的試劑來(lái)處理天然的石墨薄片而形成。該材料可以是由各種原材料構(gòu)成的薄片或軋光片，所述原材料的來(lái)源包括俄亥俄州克利夫蘭市的UCAR碳技術(shù)公司。在該實(shí)施例中，膨脹石墨層12和16的最終厚度優(yōu)選稍大于流體流動(dòng)槽18所需的深度，所述流動(dòng)槽是在層壓雙極板10的正面20和背面22上形成的。例如，當(dāng)槽深約0.020英寸(0.5mm)時(shí)，模壓膨脹石墨層12和16至約為0.024英寸到0.028英寸(0.6～0.7mm)。片狀金屬層14優(yōu)選由耐腐蝕導(dǎo)電性金屬制成，如不銹鋼、鈦、鈦合金、或金屬氮化物(如CR-N，Nb-N，Ti-N和V-N)，其具有支撐兩個(gè)膨脹石墨層12和16的伸縮性結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。片狀金屬層14的抗腐蝕性能能承受燃料電池苛刻的化學(xué)環(huán)境。片狀金屬層14的導(dǎo)電性能能支持鄰近燃料電池板間的電連接(如串連接)。片狀金屬層14的彈性提高了斷裂韌度，并在最小整體厚度下保持了層壓雙極板10的平面整體形狀。例如，當(dāng)形成的片狀金屬層14的厚度大約是0.007英寸(小于0.2mm)時(shí)，具有槽深為0.020英寸的溝槽的層狀雙極性板10的整合厚度可以小到0.055英寸(1.4mm)。然而，根據(jù)層的結(jié)構(gòu)要求不同片狀金屬層14的厚度可以在很寬的范圍內(nèi)變化，如從0.001英寸(.025mm)到0.010英寸(.254mm)。在適宜的耐腐蝕導(dǎo)電形式下，片狀金屬層14還在層壓雙極性板10的對(duì)應(yīng)面20和22間提供滲透阻擋層。片狀金屬層14的滲透阻擋層阻止鄰近燃料電池間電解質(zhì)材料或其他反應(yīng)/副產(chǎn)物材料的交換。防滲透功能要求片狀金屬層14具有不含有未密封的可使反應(yīng)物/副產(chǎn)物在鄰近電池的操作區(qū)域內(nèi)流動(dòng)的缺口的連續(xù)的結(jié)構(gòu)。在依賴片狀金屬層14提供滲透阻擋層的程度上，膨脹石墨層12和16的導(dǎo)電性能得以充分利用。例如，片狀金本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種用于電化學(xué)燃料電池的層壓石墨板，其包括：與一片狀金屬中間層模壓在一起的兩個(gè)石墨材料層；模壓在至少一個(gè)石墨層上以引導(dǎo)流過所述板的反應(yīng)物的流動(dòng)的引流部件；層壓于兩個(gè)石墨材料層之間、用于提供結(jié)構(gòu)支撐和為阻止石墨層之間反 應(yīng)物的不必要流動(dòng)的滲透阻擋層的片狀金屬中間層。

【技術(shù)特征摘要】
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【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：EC麥克馬納斯，DP萊昂斯，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：韋伯斯特塑料公司，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：US[美國(guó)]