低成本燃料電池部件的制作方法
【技術領域】
[0001]燃料電池反應物和冷卻劑流場板被擠壓成具有直的流動通道槽，或者具有由排式銑削或軸式銑削而提供的直槽，由旋轉模具、沖壓、或通過浸漬流動通道限定而形成多層。
【背景技術】
[0002]質子交換膜(PEM)燃料電池已經有利地設有多孔的、親水性反應物氣體流場板，通常設有具有冷卻劑流場通道的燃料或氧化劑反應物氣體板，所述冷卻劑流場通道被設置為從與其中形成有反應物氣體流場槽的表面相對的表面向內延伸的槽。這些被稱為水傳輸板。在許多情況下，形成流場的槽被成型成提供多種操作對象。提供具有足夠尺寸公差的成型槽要求端部銑削或者類似的工藝，所述工藝是費時且昂貴的。在與反應物槽相對的流場板的側面上提供冷卻劑槽也要求采用端部銑削以保證精確的深度和定位。
[0003]多孔的親水性反應物和冷卻劑流動板的使用已經被證明特別有利于在燃料電池中提供能量以驅動電動車輛。但相比于其他燃料電池應用，在常用車輛中的應用受到極限成本的限制。
[0004]目前對電動車輛供電的燃料電池的成本中的一大比例是制備反應物和/或冷卻劑流場板的成本。

【發明內容】

[0005]利用省去了對端部銑削或其他昂貴制造步驟的需求的工藝來提供反應物和/或冷卻劑流場板。本文的一個具體的降低成本的方案是采用在其中僅擠出用于流動通道的直槽的流場板，或者對平板采用排式或軸式銑削進行開槽而形成流動通道，利用疏水冷卻劑通道為界浸漬透水的流場板，或者利用旋轉模具沖壓部件以形成冷卻劑流動的空隙或波紋。
[0006]在一個實施例中，燃料流動板通過擠出平坦多孔的親水性碳質片材制成，要么a)具有由擠壓模具提供的流場通道，要么b)擠出為平坦的，隨后排式或軸式銑削出通道。長片材被擠壓和/或銑削，然后切成適當的大小以便在指定的燃料電池中使用。
[0007]在另一個實施例中，氧化劑流場類似地被擠壓出在擠壓模具中提供的通道，或者為長的平板，隨后排式或軸式銑削形出直的流場。此后，具有直的流場的擠出和/或銑削的片材被以一定角度被修整以提供連續的元件，所述元件具有相對于每一件的流動通道處于標稱角度的邊緣，從而容納冷卻劑流動通道。
[0008]在另一個實施例中，冷卻器板通過旋轉模具制成，切割出兩層:一層提供空隙以形成直的冷卻劑流動通道，另一層提供空隙以形成入口和出口集管通道，兩個層在就位以供使用時被疊置。在該實施例的一種替換實施例中，兩個層可以在被應用至燃料電池堆之前結合到一起。
[0009]在另一個實施例中，冷卻器板通過以波紋形式沖壓金屬片材制成，以便提供冷卻劑通道，所述冷卻劑通道在冷卻器板被插入兩個反應物流動表面之間時向所述二者開放。
[0010]在另一個實施例中，冷卻劑流場板通過利用諸如聚合物的疏水材料浸漬碳質多孔親水襯底制成，從而在襯底中劃定通道，從而根據需要引導水或其它冷卻劑的流動。
[0011]如附圖所示，通過以下示范性實施例的詳細描述將更加清楚其他的變型。
【附圖說明】
[0012]圖1是擠壓的多孔親水性碳質襯底材料的細長條的簡化平面圖，其中通過擠壓模具或是在以平坦形式擠壓后通過排式銑削或軸式銑削形成直的燃料流動通道。
[0013]圖2是適合用作多個氧化劑反應物氣體流場板的多孔親水性碳質襯底材料的細長片材的簡化平面圖，示出了對其進行切割的方式，所述片材被擠出形成反應物流動通道的直槽，或者具有在被擠壓平坦之后經排式銑削或軸式銑削形成的直槽。
[0014]圖3是多孔親水性冷卻劑板的平面圖，其中冷卻劑流動路徑由疏水屏障形成，所述疏水屏障例如浸漬于其中的聚合物。
[0015]圖4是通過在固體片材上沖壓出供冷卻劑流動的空隙而形成的冷卻器板的一個層的平面圖。
[0016]圖5是圖4的冷卻器板的第二層的平面圖，其帶有在固體片材上沖壓出的形成入口和出口集管通道的空隙。
[0017]圖6是沖壓的波紋形冷卻器板的簡化截面圖，其向燃料流場板和氧化劑流場板二者提供冷卻劑通道。
【具體實施方式】
[0018]現在參照圖1，多孔親水碳質材料的細長片材17包括由脊部19分開的直槽18，其要么通過在擠壓過程中采用擠壓模具形成于該細長片材中，要么通過片材17在擠壓成平面形狀后通過排式銑削或軸式銑削形成于該細長片材中。所述槽為直線型允許其在擠壓過程中成型，而且允許使用高速低成本的排式銑削或軸式銑削形成所述槽。片材17隨后沿虛線21采用任何合適的工藝例如旋轉切片或端部銑削相對于槽28被垂直地切割，以形成多個單獨的燃料流場板22。
[0019]在圖2中，細長的多孔親水性碳質片材25具有多個由脊部29分開的直槽28，其在擠壓過程中形成于所述片材中，或者在片材以平坦形式被擠壓后通過排式銑削或軸式銑削形成。此后，片材25可以相對于槽28以一定角度被切割成多個單獨的氧化劑流場板32，如由虛線33所示。即使槽28可能需要相比于每個氧化劑流場板32的邊緣35處于一定角度，這也是容易實現的，即:首先通過排式或軸式銑削或擠壓來形成具有直槽的細長片25，隨后相對于槽以一定角度切割流場。
[0020]如果在燃料電池堆的任何【具體實施方式】中適用的話，冷卻器板可以通過帶有或不帶有如上文參照圖1和圖2所述的附加銑削的擠壓來形成。
[0021]圖3示出冷卻器板39，其中區域40浸漬有疏水材料，例如PTFE或其它聚合物。浸漬區域的疏水性引導冷卻劑從入口 47進入通路42-44到出口 49。根據現有技術，疏水冷卻劑通道邊界可以通過首先施加合適的掩模來容易地形成，其可以是代表大量冷卻器板的掩模，此后，可以將合適的聚合物覆蓋或噴涂于掩蔽材料，然后如果在任何情況下必要時在壓力下加熱至高于聚合物的熔點，然后同時仍然處于壓力之下冷卻至聚合物的固化溫度。
[0022]冷卻器板的另一種形式被示于圖4和5。在圖4中，第一冷卻劑流動通道層51具有從其沖壓穿過的冷卻劑通道空隙52。該層51可以是在燃料電池中通常使用的薄的不銹鋼、鎳或其它合適的金屬，或者不透水的碳質片材。沖壓還提供冷卻劑入口空隙54和冷卻劑出口空隙56。冷卻器板的第二層59通過沖壓空隙以創建冷卻劑入口集管61和冷卻劑出口集管62來提供。當圖5的層59并置于圖4的層51上時，形成冷卻器板。這兩個層可以粘合在一起，諸如通過任何形式的粘接，或者可以在燃料電池堆的組裝中被簡單地并列設置。
[0023]冷卻器板65的另一種簡單形式被示于圖6。將板65沖壓成波紋形狀，其提供與多孔親水性陰極流場板70相鄰的冷卻劑流動通路68以及與多孔親水陽極流場板75相鄰的冷卻劑通路73。波紋的端部可以是卷曲的，或者其可以填