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CN111029609B - 用于燃料电池的混合双极板 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于燃料电池的混合双极板组件，包括成形阴极半板和冲压金属阳极半板。所述冲压金属阳极半板嵌套并固定于所述成形阴极半板。各半板具有反应物侧和冷却剂侧、进料区域和具有多个集管孔的集管。成形阴极半板的冷却剂侧具有支撑特征，其可以与形成在相对的反应物侧上的阴极通道不同并且不需要对应。冲压金属阳极半板的冷却剂侧具有与在相对的氧化剂侧形成的阳极通道相对应的平台。平台在冲压金属阳极半板的冷却剂侧上限定多个冷却剂通道，并邻接成形阴极半板的冷却剂侧。

Description

用于燃料电池的混合双极板
技术领域
本发明涉及燃料电池堆，且更具体地，涉及用于燃料电池堆的双极板组件。
背景技术
燃料电池作为用于各种工业的清洁、有效和环境负责的电源被提出，包括制造中心、家庭和电动车辆以及其他应用。
燃料电池的一个例子是质子交换膜(PEM)燃料电池。PEM燃料电池包括膜-电极-组件(MEA)，其通常具有薄的固体聚合物膜-电解质，其具有阳极和阴极，在膜-电解质的相对面上具有催化剂。MEA通常设置在一对多孔导电材料之间，也称为气体扩散介质，其将气态反应物(例如氢气和氧气或空气)分配到阳极层和阴极层。氢反应物在阳极引入，在催化剂存在下发生电化学反应产生电子和质子。电子通过设置在其间的电路从阳极传导到阴极。同时，质子通过电解质到达阴极，在阴极，氧化剂如氧气或空气在电解质和催化剂存在下发生电化学反应，产生氧负离子。氧负离子与质子反应形成水作为反应产物。
PEM燃料电池的MEA夹在一对导电双极板之间，该双极板用作阳极层和阴极层的集电器。双极板包含流体并将流体引导到燃料电池内部和外部，并将流体分配到操作所需的完整电池区域。此外，双极板为扩散介质、膜、密封件等提供结构支撑。它们还能够将一个燃料电池与下一个燃料电池密封，传导由燃料电池内的反应形成的热量，并且重要的是还传导由燃料电池反应产生的电力。
特别地，双极板包括多个平台和流道，用于将气态反应物分配到燃料电池的阳极和阴极。双极板用作相邻燃料电池之间的电导体，并且还设置有多个内部冷却剂通道，当冷却剂流过时，多个内部冷却剂通道适于与燃料电池交换热量。
传统的双极板是由两个单独的单极板或半板构成的连接组件。每个半板可以具有外表面和内表面，外表面具有用于气态反应物的流道，内表面具有冷却剂通道。为了在燃料电池堆中的相邻燃料电池的阳极和阴极之间传导电流，形成每个双极板组件的成对半板机械和电连接。例如，这种双极板通常构造成具有通过粘合密封、钎焊或焊接连接的一对半板。
已知由碳复合材料或金属形成双极板。每种方法都有优点和局限性。嵌套复合材料描述于Carlstrom的美国专利No.7,029,784中。Goebel的美国专利No.6,974,648和AbdElhamid等人的美国专利No.7,687,175中已经分别提出了嵌套的冲压金属和非嵌套的复合和冲压金属双极板。Goebel的美国专利No.7,291,414中也描述了嵌套板的进料区域的支撑。这些专利的全部公开内容在此引入作为参考。然而，这些已知的双极板中没有一个保留了如本文所公开的将成形阴极半板与冲压金属阳极半板组合的优点。
一直需要一种混合双极板组件，其保留了成形双极板半板和冲压金属双极板半板的优点。理想地，混合双极板组件很薄但可以支持非常高的电流密度。
发明内容
与本发明一致，令人惊讶地发现了一种混合双极板组件，其保留了成形双极板和冲压金属双极板的优点，并且薄且可以支持非常高的电流密度。
如本文所用，术语“成形半板”是指其中形成有通道的实心半板。成形半板通常由碳复合材料形成，但也可以由石墨、填充有树脂的石墨或甚至机加工或蚀刻的金属(例如不锈钢或钛)形成。
如本文所用，术语“通道”是指设置在密封件下方的覆盖通道，以允许流体(例如，氢气、空气或氧气和冷却剂)流出和流到燃料电池的相应集管。
如本文所用，术语“进料区域”是指在燃料电池运行期间不同流体(例如氢气、空气或氧气和冷却剂)在不同方向上同时流动的交叉流动区域。需要进料区域以便将来自各个集管的流体分配到燃料电池的嵌套活性区域的整个宽度。
如本文所用，术语“活性区域”是指燃料电池中可获得燃料电池操作的必要组件，即氢气、空气或氧气、冷却剂、聚合物电解质膜、催化剂、电导体(例如，扩散介质)和电接触(例如，压缩下的所有必要部件)的区域。嵌套板的进料区域被认为不是在活性区域中。
如本文所用，术语“嵌套区域”是指逆流活性区域内的冲压设计的独特方面，其中冲压金属阳极半板配合到成形阴极半板的背面。在非对齐进料区域中，由于燃料电池重复距离非常小，并且在没有从该区域移除扩散介质的情况下所有通道都没有空间。在嵌套板设计中，嵌套区域和活性区域可以重合，并且当从进料区域移除扩散介质时，该区域是非活动的。
如本文所用，术语“膜密封件”是指燃料电池板和集管的整个周边，其中所有三种流体(即，氢气、空气或氧气和冷却剂)被阻止外泄或从集管在界面处泄漏到膜。
如本文所用，术语“板密封件”是指燃料电池板和反应物集管的整个周边，其中所有三种流体(即氢气、空气或氧气和冷却剂)被阻止外泄或从集管在位于半板之间或混合双极板组件的半板间的界面处泄露。
在示例性实施方式中，用于燃料电池的混合双极板组件包括成形阴极半板和冲压金属阳极半板。成形阴极半板具有反应物侧和冷却剂侧，它们彼此独立。阴极半板的反应物侧可以在活性区域中具有细间距通道，到阴极集管的进料通道，到阴极通道的端口孔，以及围绕周边和每个集管的密封压盖。阴极半板的反应物侧具有用于所有三种流体(即反应物、氧气或空气和冷却剂)的通道，具有来自阴极通道的端口孔，以及具有支撑特征的进料区域，例如柱阵列和与冲压金属阳极半板嵌套支撑或与每个其他冲压冷却剂通道对齐的支撑肋。
冲压金属阳极半板具有燃料侧和冷却剂侧。冲压金属阳极半板还在密封区域中具有平坦的周边，沿着冷却剂密封件的凸缘特征，到阳极通道的端口孔，分支进料通道和通过活性区域的从进料到活性区域通道高度变化的直通道，嵌套到复合阴极半板的背面。
此外，可以提供弹性体的膜密封件，其围绕双极板和每个集管的周边延伸。板密封件沿着相同的周边路径，但是在反应物集管的前面更靠内侧，并且在冷却剂集管的前面不需要。作为非限制性实例，该板密封件可以是弹性体、可压缩石墨或环氧树脂。板密封件在阳极集管的前面较窄，以允许通道流到阳极端口。或者，可以使用更宽的支撑区域。扩散介质的位置不延伸到进料区域中，以便允许冲压通道有空间不与进料区域嵌套。进料区域可进一步采用膜支撑垫片。
在一个实施方式中，用于燃料电池的混合双极板组件包括成形阴极半板和冲压金属阳极半板。冲压金属阳极半板嵌套并固定在成形阴极半板上。成形阴极半板具有反应物侧和冷却剂侧、进料区域和具有多个集管孔的集管。反应物侧具有活性区域。在活性区域中形成有多个阴极通道。进料区域设置在活性区域和集管之间，并且在其中形成有多个进料通道。进料区域还具有穿过其中的形成的多个阴极端口孔。进料通道与阴极通道和阴极端口孔连通。冷却剂侧具有与活性区域相对设置的冷却剂分配区域，以及与进料区域和活性区域至少一个相对设置的支撑特征。冷却剂分配区域的至少一部分可以与活性区域的阴极通道不同并且不需要相对应。
冲压金属阳极半板具有燃料侧和冷却剂侧、进料区域和具有多个集管孔的集管。燃料侧具有活性区域。活性区域中形成有多个阳极通道。进料区域设置在活性区域和集管之间，并且在其中形成有多个进料通道。进料区域还具有穿过其形成的多个阳极端口孔。进料通道与阴极通道和阳极端口孔连通。冷却剂侧具有与阳极通道对应的多个平台。平台在冲压金属阳极半板的冷却剂侧限定多个冷却剂通道。多个平台邻接成形阴极半板的冷却剂侧。
在另一个实施方式中，成形阴极半板由石墨形成，并且成形阴极半板的阴极通道具有约1.5mm或更小的间距。据信这种特殊的细间距有利于非常高的电流密度，例如1.5至2.5A/cm2。复合阴极半板的冷却剂侧上的支撑特征包括从复合阴极半板的冷却剂侧向外延伸的多个柱。复合阴极半板的厚度在约0.3mm和约1mm之间。
另外，冲压金属阳极半板可以由不锈钢或钛制成，并且具有带有平面周边凸缘的密封区域。在冲压金属阳极半板中形成的多个阳极通道包括在冲压金属阳极半板的进料区域中的多个分支进料通道和沿着冲压金属阳极半板的活性区域取向的多个线形流道。冲压金属阳极半板的厚度小于复合阴极半板的厚度。特别地，冲压金属阳极半板的厚度可以在约0.25mm和约0.55mm之间。
在另一实施方式中，具有混合双极板组件的燃料电池堆包括以堆叠配置布置的多个膜电极组件。每个膜电极组件具有聚合物电解质膜，该膜具有阴极和阳极以及相关的扩散介质层。混合双极板组件设置在相邻的膜电极组件之间。膜电极组件还可包括膜密封件，并且混合双极板组件可包括板密封件。板密封件设置在成形阴极半板和冲压金属阳极半板之间。膜密封件和板密封件重叠并且一起限制扩散介质层之一。此外，扩散介质层之一的周边边缘与膜密封件和板密封件中的每一个间隔开。
膜密封件可以由弹性体形成，并且围绕双极板组件的周边和每个集管孔设置。如果复合材料选择为金属材料，则膜密封件也可以是焊接接头。板密封件可由弹性体、可压缩石墨和环氧树脂材料中的一种形成，并且还围绕双极板组件的周边设置。与阳极的一个集管孔相邻的板密封件的一部分也可以比与阳极的一个集管孔相邻的膜密封件的相应部分薄。这种布置允许通道流到燃料电池堆的混合双极板组件的阳极端口孔。
应当理解，本发明的成形板可以提供更小或非常精细的通道特征，因为它们不受已知的冲压板的“金属拉伸”的限制。这对于减小阴极上的平台宽度以改善性能特别有利。然而，复合板通常还需要较厚的腹板，例如约0.3-0.5mm。这会不利地影响燃料电池的厚度，从而增加堆叠高度，从而限制可以包装在诸如汽车的空间有限的应用中的电池的数量。尽管如此，已经认识到成形板确实提供了设计灵活性，因为可以在板的每一侧使用不同的通道图案。相反，对于冲压金属板，通道图案的阴像位于半板的相对侧。
这种在成形板中定制通道图案的能力在板的通道和进料区域中是特别有利的。对于通道，在板的内侧需要通道，而在板的另一侧需要用于密封的光滑表面。冲压板需要在通道区域中使用交错密封，这需要额外的板面积。在进料区域中，流体必须在不同的方向上流动以将流体分配到各个集管和从各个集管分配流体。这种限制对冲压金属板的冷却剂流动特别具有挑战性，因为冷却剂图案是每个半板的相对侧上的阴极和阳极图案的结果。
复合材料还提供降低的接触电阻，并且不一定需要诸如金的接触涂层，其通常用在冲压金属板上。石墨版复合板提供更好的平面内导热性，以支持更高的电流密度和更宽的冷却剂通道间距。冷却剂的渗透通过复合材料发生，但不发生在金属上。水-乙二醇冷却剂通常用于暴露于低于0℃温度的应用。然而，这种水-乙二醇冷却剂的乙二醇会不合需要地阻碍催化反应。这对于阴极侧来说不是问题，其中供应的空气或氧气可以氧化乙二醇。通过在阳极侧使用半金属板，可以避免乙二醇向更成问题的阳极的渗透。
对于成形板，半板通常也通过环氧树脂粘合在一起，而金属板焊接在一起。成形板和金属板半板之间的接合需要不同的方法，例如弹性体密封，压缩石墨或相容的环氧配方，如本文所述。还希望使用薄金属作为冲压板半板以降低成本和重量；然而，冲压板需要具有足够的机械强度(即足够的厚度)以支撑需要降低燃料电池堆内接触电阻的压缩载荷。
令人惊讶地发现，通过将成形板与冲压板组合，可以保持成形板的优点。冲压板半板提供双极板厚度的减小，并且通过将冲压板嵌套到复合板中，可以实现双极板厚度的显著减小。将成形板半板的冷却剂侧上的支撑肋设置到冲压板半板的每隔一个冷却剂通道中也允许使用更薄的金属用于冲压板半板。
附图说明
从以下详细描述，特别是当根据本文描述的附图考虑时，本领域技术人员将容易明白本发明的上述以及其他优点。
图1示出了PEM燃料电池堆的示意性分解透视图，并且为了简单起见仅示出了具有单个双极板组件的两个电池；
图2是用于图1的双极板组件的成形阴极半板的俯视图，并进一步说明成形阴极半板的反应物侧；
图3是图2所示的成形阴极半板的仰视图。根据本发明的一个实施方式，进一步示出了成形阴极半板的冷却剂侧，在半板的进料区域中具有柱阵列，在半板的进料区域之间具有空袋；
图4是图2所示的成形阴极半板的仰视图。根据本发明的另一个实施方式，进一步示出了成形阴极半板的冷却剂侧，在半板的进料区域之间具有冷却剂通道支撑肋；
图5是用于图1的双极板组件的冲压金属阳极半板的俯视图；
图6是具有组装的双极板组件的燃料电池的局部横截面侧视图，并且沿图5中所示的阳极半板的剖面线T-T截取，具有阳极半板固定在图2和图3中所示的阴极半板上，并且与膜电极组件(MEA)组装在一起，并进一步示出了燃料电池的过渡区域的长剖视图；
图7是具有组装的双极板组件的燃料电池的局部横截面侧视图，并且沿着图5中所示的阳极半板的剖面线E-E截取，具有阳极半板固定在图2和图3中所示的阴极半板上，并且与MEA组装在一起，并且进一步示出了燃料电池的无支撑冷却剂区域；
图8是具有组装的双极板组件的燃料电池的局部横截面侧视图，并且沿着图5中所示的阳极半板的剖面线E-E截取，具有阳极半板固定在图2和图4所示的阴极半板上，并与MEA组装在一起，并进一步说明燃料电池的冷却剂通道支撑肋；
图9是具有组装的双极板组件的燃料电池的局部横截面侧视图，并且沿着图5中所示的阳极半板的剖面线C-C截取，具有阳极半板固定在图2和图3所示的阴极半板上，并与MEA组装在一起，并进一步说明燃料电池的阴极通道；
图10是具有组装的双极板组件的燃料电池的局部横截面侧视图，并且沿图5中所示的阳极半板的剖面线A-A截取，阳极半板固定在图2和图3所示的阴极半板上，并与MEA组装在一起，并进一步示出了燃料电池的阳极通道；
图11是具有组装的双极板组件的燃料电池的局部横截面侧视图，并且沿图5中所示的阳极半板的剖面线X-X截取，阳极半板固定在图2和图3所示的阴极半板上，并与MEA组装在一起，并进一步说明了燃料电池的冷却剂通道；
图12是与图1-11中所示的燃料电池一起使用的板密封件的俯视图；
图13是与图1-11中所示的燃料电池一起使用的膜密封件的俯视图；
图14示出了图12所示的板密封件与图13所示的弹性体膜密封件和燃料电池的扩散介质层重叠的俯视图，为了表示板密封件与膜密封件的相对横向定位，所示的板密封件没有半板。
具体实施方式
以下描述本质上仅是示例性的，并不旨在限制本发明、应用或用途。还应该理解，在整个附图中，相应的附图标记表示相同或相应的部件和特征。关于所公开的方法，所提出的步骤本质上是示例性的，因此不是必需的或关键的。
为简单起见，在此仅参照图1示出和描述了两个电池堆(即一个双极板)可以理解，典型的堆将具有更多这样的电池和双极板。
图1描绘了双电池PEM燃料电池堆2，其具有通过导电流体分配元件8彼此分开的一对膜电极组件(MEA)4,6，下文中也称为双极板组件200。MEA 4,6包括具有阳极和阴极的膜-电解质层，在膜-电解质的相对面上具有催化剂。MEA 4,6和双极板组件200在压缩下在端板10,12和端部接触元件14,16之间堆叠在一起。端部接触元件14,16和双极板组件200分别包括工作面18,20,22,24，用于将燃料和氧化剂气体(例如，H2和空气或O2)分配到MEA 4,6。绝缘垫圈26,28,30,32在燃料电池堆2的几个部件之间提供密封和电绝缘。
MEA 4,6与气体可渗透的导电材料(称为气体扩散介质层34,36,38,40)相邻设置。气体扩散介质层34,36,38,40可包括碳或石墨扩散纸。气体扩散介质层34,36,38,40接触MEA4,6，阳极和阴极中的每一个具有相关联的一个扩散介质层。端部接触元件14,16分别接触气体扩散介质层34,40。双极板组件200在MEA 4的阳极面上接触气体扩散介质层36，构造成接受含氢反应物，并且还在MEA 6的阴极面上接触气体扩散介质层38，构造成接受含氧的反应物。氧气从储罐46供应到燃料电池堆2的阴极侧，例如，通过适当的供应管道42。氢气从储罐48供应到燃料电池的阳极侧，例如，通过适当的供应管道44。或者，可以将环境空气作为氧源供应到阴极侧，将来自甲醇或汽油重整器的氢气供应到阳极等。还提供了用于MEA4,6的阳极侧和阴极侧的排气管道(未示出)。提供附加管道50,52,54，用于将液体冷却剂供应到双极板组件200和端部接触元件14,16。还提供了用于从双极板组件200和端部接触元件14,16排出冷却剂的适当管道(未示出)。
接下来参考图2-14，更详细地示出了双极板组件200。双极板组件200包括成形阴极半板202，例如，如图2-4所示，以及冲压金属阳极半板204，例如，如图5所示。根据本发明的教导，成形阴极半板202和冲压金属阳极半板204各由不同的导电材料形成，并且在组合以形成双极板组件200之前根据不同的工艺形成。
特别地，成形阴极半板202由复合材料形成。作为非限制性实例，复合材料可适用于，例如机械加工、模制、蚀刻、切割或雕刻等制造工艺。合适的复合材料包括但不限于，例如，石墨、石墨箔、聚合物基质中的导电颗粒(例如石墨粉)、碳纤维纸和聚合物层压板、金属板、具有金属芯的聚合物板、导电涂覆的聚合物板和它们的组合。
冲压金属阳极半板204由适用于诸如冲压的制造工艺的金属材料形成。合适的金属材料包括，例如，纯金属和金属合金。所述纯金属和金属合金具有足够的耐久性和刚性，以在燃料电池堆2的双极板组件200中起到片材的作用。合适的金属和金属合金包括但不限于铝、钛、铂、不锈钢、碳钢、镍基合金、钽、铌及其合金和组合。
在选择阴极和阳极半板202，204的材料时考虑的附加设计特性包括透气性、导电性、密度、导热性、耐腐蚀性、图案精确度、热和图案稳定性、可加工性、可连接性和可用性。考虑到这些因素，本领域普通技术人员还可以根据需要为成形阴极半板202和冲压金属阳极半板204选择其他合适的材料。
成形阴极半板202和冲压金属阳极半板204中的每一个都具有优化的厚度，其中冲压金属阳极半板204的厚度相对于成形阴极半板202相对较薄。例如，复合阴极半板202的厚度可以为约0.3mm至约1mm，更特别地为约0.5mm至约0.75mm，最特别为约0.65mm。冲压金属阳极半板204的厚度可以为约0.25mm至约0.55mm，更特别地为约0.35mm至约0.45mm，最特别为约0.4mm。根据需要，本领域普通技术人员还可以为成形阴极板202和冲压金属阳极半板204选择其他合适的厚度。
由不同材料制成，成形阴极半板202由通常不利于焊接或钎焊操作的复合材料形成，应该理解复合阴极半板202和冲压金属阳极半板204通过其他合适的方式固定。用于固定半板202,204的合适装置的非限制性实施例可包括设置在每个半板202,204的周边凸缘之间的压缩板密封件(图7-10和12中示为“302”)。成形阴极半板202本身的柔性石墨的压缩区域，其中成形阴极半板202由石墨形成，也可以用于板密封件302并将半板202,204彼此固定。成形阴极半板202与冲压金属阳极半板204的结合也可以通过半板202,204的周边凸缘区域中的环氧树脂来实现，例如，如图7-10所示。本领域普通技术人员还可以选择其他合适的装置，用于将成形阴极半板202与冲压金属阳极半板204固定，包括在本发明的范围内。
如图2-4所示，成形阴极半板202具有反应物侧206(图2中所示)和冷却剂侧208(图3-4中所示)。成形阴极半板202还具有一对进料区域210,211和一对具有多个集管孔214,215的集管212,213。尽管这里主要描述了单个进料区域210，单个集管212以及成形阴极半板202的一侧上的单组集管孔214，但应该理解的是对进料区域210，集管212和集管孔214特征的描述同样适用于图2-4中所示的另一进料区域211，另一集管213和另一集管孔215。
参考图2，成形阴极半板202的反应物侧206具有活性区域216。活性区域216具有形成在其中的多个阴极通道218。阴极通道218适于将氧化剂气体(例如，空气或氧气)分布在活性区域216上。阴极通道218还限定了设置在其间的多个平台220。
成形阴极半板202的进料区域210设置在活性区域216和集管212之间。进料区域210具有形成在其中的多个进料通道222。进料通道222还限定了设置在其间的多个平台224。
成形阴极半板202的进料区域210还具有穿过其形成的阴极端口孔226，阴极端口孔226又与与氧化剂气体相关联的集管孔214中的一个连通。进料通道222与阴极通道218和阴极端口孔226连通。进料通道222适于在活性区域216和与氧化剂气体相关的集管孔214中的一个之间输送氧化剂气体。
应当理解，阴极端口孔226提供通道形式的入口和出口通道，以使燃料气体流过双极板组件200。本领域技术人员应该理解，阴极通道218、进料通道222和阴极端口孔226的各种配置，也可以在本发明的范围内使用。还应该认识到，本发明不限于特定的流场图案，而是应用于独立于流场图案的双极板组件200。
参考图3-4，成形阴极半板202的冷却剂侧208具有冷却剂分配区域228。冷却剂分配区域228与相同成形阴极半板202的活性区域216相对设置。冷却剂侧208还具有支撑特征230,232。支撑特征230,232与相同成形阴极半板202的进料区域210,211和活性区域216中的至少一个相对设置。
应当理解，成形阴极半板202的冷却剂分配区域228的至少一部分与活性区域216的阴极通道218不同，并且不限于与之对应。这通过模制或切割制造方法形成所成形阴极半板202而得以促进，所述制造方法不同于冲压操作，并且已知冲压操作在板的一侧上提供与板的另一侧上的通道相对应的平台，反之亦然。
有利地，相信在冷却剂分配区域228中相对于活性区域216采用不同结构允许本发明的双极板组件200的电流密度的优化或最大化。特别是，已发现所需的电流密度，其中阴极通道218具有约1.5mm或更小的间距(其中术语“间距”定义为通道宽度和平台宽度之和)。在最特定的实施方式中，阴极通道218可具有约1mm的间距。
与传统的冲压金属双极板相比，本发明的阴极通道218的非常细的间距被认为提供了优异的电流密度。根据需要，本领域普通技术人员还可以为反应物侧206的阴极通道218和冷却剂侧208的冷却剂分配区域228选择其他合适的相对间距。
作为非限制性实施方式，如图3-4所示，成形阴极半板202的进料区域210,211中的支撑特征230可包括多个柱230或允许冷却剂流通过的其他支撑结构。多个柱230可以从成形阴极半板202的冷却剂侧向外延伸。如图3-4所示，柱230仅与所成形阴极半板202的进料区域210,211相对设置，并且不与成形阴极半板202的活性区域216相对地设置。柱230还可以彼此间隔开并且布置成阵列或矩阵或允许冷却剂流通过的其他图案。例如，柱230可以每3mm布置(3mm×3mm阵列，柱230通常以行和列布置)。类似的阵列可以提供有其他分布，例如1mm×1mm阵列，2mm×2mm阵列和5mm×5mm阵列。应该理解，技术人员可以采用支柱230的其他布置和分布。
在本发明的说明性实施方式中，多个柱230中的每一个可具有小于约0.2mm的平均直径。在进一步的实施方式中，多个柱230的平均直径小于约1mm。在特定实施方式中，柱230中的每一个可具有小于约0.5mm的平均直径。根据需要，也可以采用柱230的其他尺寸。
无论布置、配置或尺寸如何，应当理解，柱230适于邻接并支撑与成形阴极半板202嵌套的相邻的冲压金属阳极半板204，例如，如图6-11所示。因此，本领域技术人员可以根据成形阴极半板202与冲压金属阳极半板204的所需嵌套尺寸来选择柱230中的每一个的高度、宽度和一般形状。因此，即使在双极板组件200处于压缩状态(典型地伴随燃料电池堆2的操作)时，柱230便于冷却剂从集管孔214中的相关联的一个分配到冷却剂分配区域228。
参考图4，成形阴极半板202的冷却剂侧208上的支撑特征230,232还可以包括多个支撑肋232。支撑肋232仅设置在与成形阴极半板202的活性区域216相对的冷却剂分配区域228中。特别地，支撑肋232可以在冷却剂分配区域228上彼此间隔开并且大致彼此平行取向。支撑肋232是细长的，并且可以沿着成形阴极半板202的集管212,214之间的冷却剂分配区域228的长度取向。支撑肋232的形状也可以基本是线形的。然而，技术人员还可以根据需要选择支撑肋232的其他合适的形状和分布。
应该理解的是，成形阴极半板202的冷却剂侧208上的支撑肋232还可以允许使用较薄的金属箔片，例如典型的用于本发明的冲压金属阳极半板204的箔片。特别地，如本文进一步描述的，支撑肋232可以构造成与冲压金属阳极板204的相对表面相互作用并支撑它。
如图5所示，本发明的冲压金属阳极半板204构造成嵌套并固定到成形阴极半板202上。冲压金属阳极半板204具有燃料侧234和冷却剂侧236。冲压金属阳极半板204还具有一对进料区域238,239和一对集管240,241，其具有多个集管孔242,243。尽管这里主要描述了单个进料区域238，单个集管240以及冲压金属阳极半板204的一侧上的单组集管孔242，但应该理解的是，对进料区域238，集管240和集管孔242特征的描述同样适用于另一进料区域239，另一集管241和另一集管孔243。
通过在薄金属片或箔上的冲压操作形成，应该理解的是，冲压金属阳极半板204的燃料侧234上的冲压特征(例如，通道和平台)将具有相应但相反的特征(例如，分别为平台和通道)，在冲压金属阳极半板204的冷却剂侧236上具有相同或相似的尺寸。
冲压金属阳极半板204的燃料侧234具有活性区域244。活性区域244具有形成在其中的多个阳极通道246。阳极通道246适于将燃料气体(例如，氢)分配到活性区域244。阳极通道246还限定了设置在其间的多个平台248。
冲压金属阳极半板204的进料区域238设置在活性区域244和集管240之间。进料区域238具有形成在其中的多个进料通道250。进料通道250还限定了设置在其间的多个平台252。
进料区域238还具有穿过其形成的阳极端口孔254，阳极端口孔254又与与燃料气体相关的集管孔242中的一个连通。进料通道250与阳极通道246和阳极端口孔254两者连通。进料通道250适于在活性区域244和与燃料气体相关的集管孔242中的一个之间输送燃料气体。
应当理解，阳极端口孔254提供通道形式的入口和出口通道，以使燃料气体流过双极板组件200。本领域技术人员应该理解，阳极通道246、进料通道250和阳极端口孔254的各种配置，也可以在本发明的范围内使用。还应该认识到，本发明不限于特定的流场图案，而是应用于独立于流场图案的双极板组件200。
如上所述，冲压金属阳极半板204的冷却剂侧236具有与阳极通道246对应的多个平台258。反过来，平台258在冲压金属阳极半板204的冷却剂侧236上限定多个冷却剂通道260。在组装时，多个平台258邻接成形阴极半板202的冷却剂侧208，例如，如图6-11所示。
参考图8，其中成形阴极半板202在冷却剂侧208上具有支撑肋232，支撑肋232可以与冲压金属阳极半板204的冷却剂侧236上的每隔一个冷却剂通道260对准。应该理解的是，这种布置中的支撑肋232提供了冲压金属阳极半板204的足够支撑，同时还允许足够量的冷却剂通道260保持打开以便通过其传送冷却剂。用于支撑肋232的其他布置，包括没有任何支撑肋232而仅仅是空口袋的实施方式，也被考虑并且被认为是在本发明的范围内。
重新参考图5，冲压金属阳极半板204的平坦或平面的周边凸缘262。平面周边凸缘262限定冲压金属阳极半板204的密封区域的至少一部分，该密封区域构造成与包括板密封件302和膜密封件304的燃料电池堆2的密封组合300邻接并密封，例如，如图12-14所示。
还应该理解，在冲压金属阳极半板204中形成的多个阳极通道246包括在冲压金属阳极半板204的进料区238中的多个分支进料通道264。阳极通道246还可以包括活性区域244中的多个线形阳极通道266。线形阳极通道266可以沿着冲压金属阳极半板204的活性区域244定向。本领域技术人员将理解，阳极通道266的线形形状可以有利地促进相对的冷却剂通道260与支撑肋232的配合，其中支撑肋232也是线形的，如上所述。然而，尽管活性区域244中的阳极通道266在图5中示出为在进料区域238,239之间是线形的，但是本领域普通技术人员可以根据需要为冲压金属阳极半板204的活性区域244中的阳极通道266选择其他合适的配置。
关于双极板组件200的活性区域216,244，应当理解，活性区域216,244中的至少一个可以具有涂层(未示出)。涂层可以适于提供，例如耐腐蚀性、导热性和优化的导电性和接触电阻。在涂覆活性区域216,244的实施方式中，涂层可以促进导电性。
作为非限制性实例，涂层可包括贵金属、金属氧化物、碳及其组合。用于涂层的合适的贵金属包括，例如金(Au)、银(Ag)、铱(Ir)、钌(Ru)、铑(Rh)、锇(Os)、钯(Pd)和铂(Pt)。在特定实施方式中，用于涂覆活性区域216,244的金属是金(Au)。适用于涂层的金属氧化物，但不限于二氧化铪(HfO2)、二氧化锆(ZrO2)、氧化铝(Al2O3)、氧化锡(SnO2)、五氧化二钽(Ta2O5)、五氧氧化铌(Nb2O5)、二氧化钼(MoO2)、二氧化铱(IrO2)、二氧化钌(RuO2)及其混合物。通常使用任何商业上可用的方法施加涂层。作为非限制性实施方式，可以通过电镀、无电镀和物理气相沉积中的一种来施加涂层。应该理解，可以根据需要使用其他合适的涂覆方法。
在特定实施方式中，涂层可以是亲水的并且适于在燃料电池堆2的操作期间促进从活性区域216,244中去除液态水。合适的亲水涂层可包括如本文所述和本领域已知的贵金属涂层。作为非限制性实施方式，涂层可包括至少一个Si-O基团，至少一个极性基团和至少一个包括饱和或不饱和碳链的基团。在进一步的实施方式中，涂层包含至少一个Si-O基团和Si-R基团，其中R包括饱和或不饱和的碳链，并且Si-R基团与Si-O基团的摩尔比为1/8至1/2。涂层也可以通过足以施加亲水涂层的任何方式施加。合适的亲水涂层还可包括尺寸范围为1-100纳米的纳米颗粒，其中纳米颗粒包含含有Si-O基团、饱和或不饱和碳链和极性基团的化合物。应该理解，也可以使用其他亲水涂层。
亲水涂层可以通过任何合适的方法施加，包括但不限于层压(例如通过热轧)、刷涂、喷涂、涂布、卷材涂覆、丝网印刷、粉末涂覆和网版印刷。也可根据需要涂覆多层涂层。
在操作中，并且如上文关于图1进一步描述的那样，本发明的混合双极板组件200用于燃料电池堆2中。燃料电池堆2可包括以堆叠配置布置的多个MEA 4,6。除了上文描述的多个双极板组件200和MEA 4,6之外，燃料电池堆2还可以具有膜密封304形式的绝缘垫圈28,30，例如，如图13-14所示。
在特定实施方式中，如图12-14所示，燃料电池堆2的密封组合300可包括板密封件302。板密封件302适于将成形阴极半板202与冲压金属阳极半板204气密地密封或固定，例如，如图6-10所示。作为非限制性实施例，板密封件302可以由弹性体、可压缩石墨和环氧树脂材料中的一种形成，如上文所述。用于形成板密封件302的其他合适的材料和方法也可以在本发明的范围内使用。
特别地，板密封件302构造成围绕双极板组件200的周边设置，包括由集管孔214,215,242,243限定的双极板集管。然而，如图12所示，板密封件302没有设置在与冷却剂分布相关的集管孔214,215,242,243的内侧部分附近。应该理解的是，在这些集管孔214,215,242,243的内侧部分附近没有板密封件302允许在操作中将冷却剂分配到双极板组件200的内部冷却剂分配区域。
燃料电池堆2的密封组合300还包括膜密封件304，例如，如图13所示。膜密封件304设置在双极板200和MEA 4,6之间。特别地，膜密封件304由弹性体形成，并围绕双极板组件200的周边和每个集管孔214,215,242,243设置。然而，膜密封件304还构造成围绕与冷却剂分布相关的集管孔214,215,242,243设置，如图13所示。因此，膜密封件304阻止冷却剂泄漏到燃料电池堆2的活性区域中。
如图14所示，应当理解，当每个膜密封件304存在于燃料电池堆2中时，膜密封件304通常与板密封件302重叠，并且密封件302,304一起围绕扩散介质层36,38之一。另外，扩散介质层36,38具有预定尺寸，使得扩散介质层36,38中的一个的周边边缘与膜密封件304和板密封件302中的每一个横向间隔开。这有利地允许冲压通道间隔开以在扩散介质层36,38的周边边缘与密封组合300之间的区域中解嵌。
有利地，如图9-10和14所示，板密封件302可以在阳极和阴极集管孔214,215,242,243中的至少一个前面的内侧方向上从膜密封件304偏移距离G。在该位置处的板密封件302的宽度也可以窄于在该位置处的膜密封件304的相应部分的宽度。例如，板密封件302的宽度可以是膜密封件宽度的约二分之一(1/2)。这允许燃料电池堆2的较小的整体结构，同时还允许通道在操作中流到阴极和阳极端口孔中的至少一个。同样地，板密封件302的宽度可以在阳极集管的前面更窄，以允许通道流到阳极端口。
混合双极板组件200与MEA 4,6中的一个的配合在图6-11中进一步示出，图6-11是沿图5中所示的各种截面线截取的示例性燃料电池堆2的截面图。
在图6-8中，所示的冲压金属阳极半板204在密封区域中具有平坦的周边。冲压金属半板204还具有分支进料通道和穿过活性区域的直通道，从进料区域到活性区域通道具有高度变化以嵌套到成形阴极半板202的背面。这又使得冲压金属阳极半板204的冷却剂侧上的平台邻接并嵌套入成形阴极半板202的冷却剂侧。
特别地，在图6中，示出了燃料电池堆2的进料区域和活性区域之间的过渡的长剖视图。在图7中，示出了燃料电池堆2的活性区域的横截面视图，其中成形阴极半板202是如图3所示的实施方式没有支撑肋232。在图8中，示出了燃料电池堆2活性区域的横截面视图，其中成形阴极半板202是如图4所示的的实施方式具有支撑肋232。
在图9-11中，示出了阴极、阳极和冷却剂通道以及这些区域的相关特征的截面图。对于所有三种流体，通道位于阴极和阳极半板202,204之间。在膜密封件到阴极进料通道的起点之后，阴极在成形阴极半板202中具有端口孔。在膜密封件到阳极进料通道的起点之后，阳极在冲压阳极半板204中具有端口孔。冷却剂通道在两个半板202,204之间继续并进入冷却剂进料区域。沿着板密封件302的凸缘特征(即，阳极半板204的冷却剂侧236上的肋)可以在图9和10中所示的阴极和阳极通道部分中观察到。冷却剂通道部分如图11所示。
应当理解，本发明的双极板组件200具有嵌套在成形阴极半板202中的冲压金属阳极半板204，有利地在成形阴极半板202中提供通道特征。如上所述，成形阴极半板202和冲压金属阳极半板204之间的密封由以下提供：a)压缩的弹性板密封件302、b)成形阴极半板202本身的柔性石墨的压缩区域，其形成板密封件302、和c)冲压金属阳极半板204的金属和成形阴极半板202与环氧树脂在相同区域中粘合形成板密封件302。
有利地，与用传统成形双极板制造的燃料电池相比，本发明的双极板组件200有助于减小燃料电池的厚度。然而，利用本发明的双极板组件200，获得了具有细间距阴极通道的改进性能。与传统的完全冲压金属板相比，还可以获得具有减少的冷却剂体积的最小热质量。这可以通过使用冷却剂通道支撑肋进一步减小，特别是与传统的嵌套金属半板相比。双极板组件200还可以以降低的成本和质量制造，其中用于冲压金属阳极半板的金属更薄，通过来自所成形阴极半板的冷却剂侧的冷却剂通道支撑肋来实现。
尽管出于说明本发明的目的示出了某些代表性实施方式和细节，但是对于本领域技术人员来说，在不脱离本发明的范围的情况下可以进行各种改变是显而易见的，本发明的范围在所附权利要求中进一步描述。

Claims (19)

1.一种用于燃料电池的混合双极板组件，包括：
成形阴极半板，其具有反应物侧和冷却剂侧、进料区域和具有多个集管孔的集管，所述反应物侧具有活性区域，所述活性区域具有形成在其中的多个阴极通道，所述进料区域设置在活性区域和集管之间并且具有形成在其中的多个进料通道和穿过其形成的阴极端口孔，所述进料通道与所述阴极通道和所述阴极端口孔连通，所述冷却剂侧具有与所述活性区域相对设置的冷却剂分配区域和与所述进料区域和所述活性区域中的至少一个相对设置的支撑特征，所述支撑特征包括从所述成形阴极半板的冷却剂侧向外延伸的多个柱，并且所述冷却剂分配区域的至少一部分与所述活性区域的阴极通道不同并且不对应；和
冲压金属阳极半板，其固定至所述成形阴极半板，所述冲压金属阳极半板具有燃料侧和冷却剂侧、进料区域和带有多个集管孔的集管，所述燃料侧具有活性区域，所述活性区域具有形成在其中的多个阳极通道，所述进料区域设置在活性区域和集管之间，并且具有形成在其中的多个进料通道和穿过其形成的阳极端口孔，所述进料通道与所述阳极通道和所述阳极端口孔连通，所述冷却剂侧具有与所述阳极通道对应的多个平台，所述平台在所述冲压金属阳极半板的所述冷却剂侧限定多个冷却剂通道，所述多个平台邻接所述成形阴极半板的冷却剂侧；
其中，所述成形阴极半板由选自下组的材料形成：石墨、填充有树脂的石墨、碳纤维纸、聚合物层压板、具有金属芯的聚合物板、导电涂覆的聚合物板，或它们的组合。
2.根据权利要求1所述的混合双极板组件，其特征在于，所述阴极通道具有1.5mm或更小的间距。
3.如权利要求1所述的混合双极板组件，其特征在于，所述阴极通道具有1mm的间距。
4.根据权利要求1所述的混合双极板组件，其特征在于，所述柱彼此间隔开并布置成阵列。
5.根据权利要求1所述的混合双极板组件，其特征在于，所述成形阴极半板的冷却剂侧上的支撑特征包括设置在所述冷却剂分配区域中的多个支撑肋。
6.根据权利要求5所述的混合双极板组件，其特征在于，所述支撑肋彼此间隔开并且彼此平行，并且所述支撑肋沿着所述冷却剂分配区域的长度定向。
7.如权利要求6所述的混合双极板组件，其特征在于，所述支撑肋与所述冲压金属阳极半板的冷却剂侧上的每隔一个冷却剂通道对齐。
8.根据权利要求1所述的混合双极板组件，其特征在于，所述冲压金属阳极半板具有带平面周边凸缘的密封区域。
9.根据权利要求8所述的混合双极板组件，其特征在于，所述冲压金属阳极半板具有设置在所述密封区域中的凸缘特征，与阳极集管孔和阴极集管孔中的至少一个相邻。
10.根据权利要求1所述的混合双极板组件，其特征在于，在所述冲压金属阳极半板中形成的多个阳极通道包括在所述冲压金属阳极半板的进料区域中的多个分支进料通道和沿着所述冲压金属阳极半板的活性区域取向的多个线性。
11.如权利要求10所述的混合双极板组件，其特征在于，从所述进料区域中的分支进料通道到所述活性区域中的线性流道有高度变化，使得所述冲压金属阳极半板的冷却剂侧上的平台邻接所述成形阴极半板的冷却剂侧。
12.根据权利要求1所述的混合双极板组件，其特征在于，所述成形阴极半板由石墨形成，并且所述冲压金属阳极半板由不锈钢形成。
13.根据权利要求1所述的混合双极板组件，其特征在于，所述成形阴极半板的厚度在0.3mm和1mm之间。
14.根据权利要求13所述的混合双极板组件，其特征在于，所述冲压金属阳极半板的厚度在0.25mm和0.55mm之间。
15.一种用于燃料电池的混合双极板组件，包括：
成形阴极半板，具有反应物侧和冷却剂侧、进料区域和具有多个集管孔的集管，所述反应物侧具有活性区域，所述活性区域具有形成在其中的多个阴极通道，所述进料区域设置在活性区域和集管之间并且具有形成在其中的多个进料通道和穿过其形成的阴极端口孔，所述进料通道与所述阴极通道和所述阴极端口孔连通，所述冷却剂侧具有与所述活性区域相对设置的冷却剂分配区域和与所述进料区域和所述活性区域中的至少一个相对设置的支撑特征，并且所述冷却剂分配区域的至少一部分与所述活性区域的阴极通道不同并且不应，其中所述阴极通道具有1mm或更小的间距，所述成形阴极半板的冷却剂侧上的支撑特征包括从所述成形阴极半板的冷却剂侧向外延伸的多个柱，且所述柱彼此间隔开并布置成阵列，所述成形阴极半板的厚度在0.3mm和1mm之间，并且所述成形阴极半板由石墨形成；
冲压金属阳极半板，其固定至所述成形阴极半板，所述冲压金属阳极半板具有燃料侧和冷却剂侧、进料区域和带有多个集管孔的集管，所述燃料侧具有活性区域，所述活性区域具有形成在其中的多个阳极通道，所述进料区域设置在活性区域和集管之间，并且具有形成在其中的多个进料通道和穿过其形成的阳极端口孔，所述进料通道与所述阳极通道和所述阳极端口孔连通，所述冷却剂侧具有与所述阳极通道对应的多个平台，所述平台在所述冲压金属阳极半板的冷却剂侧限定多个冷却剂通道，所述多个平台邻接所述成形阴极半板的冷却剂侧，其中所述冲压金属阳极半板具有带平面周边凸缘的密封区域，在所述冲压金属阳极半板中形成的多个阳极通道包括在所述冲压金属阳极半板的进料区域中的多个分支进料通道和沿着所述冲压金属阳极半板的活性区域定向的多个线性流道，所述冲压金属阳极半板的厚度在0.25mm和0.55mm之间，且所述冲压金属阳极半板由不锈钢制成；和
板密封件，设置在所述成形阴极半板与所述冲压金属阳极半板之间并密封所述成形阴极半板与所述冲压金属阳极半板，其中所述板密封件由弹性体、可压缩石墨和环氧树脂材料中的一种形成，并且还围绕所述成形阴极半板和所述冲压金属阳极半板的每一个的周边设置。
16.一种燃料电池堆，包括：
以堆叠结构排列的多个膜电极组件，每个膜电极组件具有包含阴极和阳极的聚合物电解质膜和相关的扩散介质层；和
混合双极板组件，设置在相邻的膜电极组件之间，所述混合双极板组件包括成形阴极半板和冲压金属阳极半板，所述冲压金属阳极半板固定至所述成形阴极半板，所述成形阴极半板具有反应物侧和冷却剂侧、进料区域和具有多个集管孔的集管，所述反应物侧具有活性区域，所述活性区域具有形成在其中的多个阴极通道，所述进料区域设置在活性区域和集管之间并且具有形成在其中的多个进料通道和穿过其形成的阴极端口孔，所述进料通道与所述阴极通道和所述阴极端口孔连通，所述冷却剂侧具有与所述活性区域相对设置的冷却剂分配区域和与所述进料区域和所述活性区域中的至少一个相对设置的支撑特征，所述支撑特征包括从所述成形阴极半板的冷却剂侧向外延伸的多个柱，并且所述冷却剂分配区域的至少一部分与所述活性区域的阴极通道不同并且不对应；所述冲压金属阳极半板具有燃料侧和冷却剂侧、进料区域和带有多个集管孔的集管，所述燃料侧具有活性区域，所述活性区域具有形成在其中的多个阳极通道，所述进料区域设置在活性区域和集管之间，并且具有形成在其中的多个进料通道和穿过其形成的阳极端口孔，所述进料通道与所述阳极通道和所述阳极端口孔连通，所述冷却剂侧具有与所述阳极通道对应的多个平台，所述平台在所述冲压金属阳极半板的冷却剂侧限定多个冷却剂通道，所述多个平台邻接所述成形阴极半板的冷却剂侧；
其中，所述成形阴极半板由选自下组的材料形成：石墨、填充有树脂的石墨、碳纤维纸、聚合物层压板、具有金属芯的聚合物板、导电涂覆的聚合物板，或它们的组合。
17.根据权利要求16所述的燃料电池堆，其特征在于，每个所述膜电极组件包括膜密封件，并且所述双极板组件包括板密封件，所述板密封件设置在所述成形阴极半板与所述冲压金属阳极半板之间并密封所述成形阴极半板与所述冲压金属阳极半板，所述膜密封件和所述板密封件都包围扩散介质层之一，所述扩散介质层之一的周边边缘与所述膜密封件和所述板密封件的每个间隔开。
18.根据权利要求17所述的燃料电池堆，其特征在于，所述膜密封件由弹性体形成，并围绕所述双极板组件和每个所述集管孔的周边设置，所述膜密封件与所述聚合物电解质膜中的一个邻接并密封。
19.根据权利要求18所述的燃料电池堆，其特征在于，所述板密封件由弹性体、可压缩石墨和环氧树脂材料中的一种形成，并且还围绕所述双极板组件的周边设置，并且与阳极的集管孔之一邻近的所述板密封件的一部分窄于与阳极的集管孔之一邻近的膜密封件的相应部分，从而允许通道流向阳极端口孔。
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