用于薄片不锈钢双极板形成的冲模间隙控制的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明一般涉及表现出容易的可制造性的用于燃料电池环境中的金属双极板，并且更具体来说，涉及易于制造且制造不昂贵同时可能维持最佳机械/结构性质的这样的双极板。
【背景技术】
[0002]在许多燃料电池系统中，通过流径将氢气或富含氢气的气体供应到燃料电池的阳极侧，同时通过分开的流径将氧气(诸如以大气氧的形式)供应到燃料电池的阴极侧。通常安置适当的催化剂(例如，铂)以在这些相应侧上形成促进氢氧化的阳极和形成为促进氧还原的阴极。由此，产生电流，其中高温水蒸气作为反应副产物。在称为质子交换膜或聚合物电解质膜(在任一种情况下，PEM)的一种形式的燃料电池中，将离聚物膜形式的电解质放在阳极与阴极之间以形成膜电极组件(MEA)，所述膜电极组件被进一步铺设在扩散层之间，所述扩散层允许气态反应物流动到MEA以及电流和水流从MEA流出。上述催化剂层可以安置在扩散层或膜上或者作为其一部分。
[0003]为了增加电输出，堆叠单个燃料电池单元，其中在扩散层与一个MEA的阳极电极之间并且在扩散层与相邻MEA的阴极电极之间安置双极板。通常，双极板由金属或其他导电材料制成，以便在MEA与外部电路之间形成电气通路。在这种堆叠配置中，将相邻堆叠的MEA分开的双极板具有相反的表面，每个表面包括由升高的平台彼此分开的流动通道。通道用作导管以将氢和氧反应物流运送到MEA的各自阳极和阴极，而平台凭借其与导电扩散层的接触(导电扩散层又与催化剂位置处产生的电流电气连通)用作用于MEA中产生的电力的传输路径。以此方式，使得电流通过双极板和导电扩散层。
[0004]因为双极板在高温且腐蚀性的环境中工作，所以诸如普通碳钢的常规金属可能并不适用于需要长寿命(例如，具有6000小时的约10年的寿命)的某些应用(诸如在汽车环境中)。在典型的PEM燃料电池堆叠操作期间，质子交换膜处于在约75°C与约175°C之间的范围中的温度下，并且处于约100 kPa与200 kPa (S卩，大约一个或两个大气压)之间的范围中的绝对压力下。在一些情况下，由诸如不锈钢的合金金属制成的板可能是有利的，因为它们具有所需的抗腐蚀性质。在燃料电池制造的成本是重要考量的情况下，基于金属的双极板可能比其他高温、导电材料(诸如石墨)优选。除了相对便宜之外，不锈钢可以形成为相对薄的零件(例如，厚度在0.1与1.0毫米之间)。
[0005]在各种类型的不锈钢中，通常具有高铬含量并且通常没有镍的具有铁素体微结构的那些不锈钢表现出体心立方(BCC)晶体结构并且趋向于具有相对低成本且高抗腐蚀性(后者是由于氧化铬障壁形成)的所需属性。虽然如此，但是它们的硬化曲线使得它们在暴露于常规冲压或相关金属形成操作时比它们的更常规奥氏体(例如，304不锈钢)对等物更易受缩颈、变薄(这都是表面材料的厚度的偏差的测量)以及因此破裂。这些困难在可能发生显著的侧壁变形的单步骤拉伸操作(例如，涉及相对大(诸如深度在约200微米与400微米之间)平面外变形的那些操作)中特别普遍。这种早期缩颈和破裂在用来形成反应物流动通道的相邻壁的紧密半径中特别普遍。虽然其他更可形成的不锈钢(诸如上述奥氏体)的硬化曲线通常允许由常规的一步骤方法施加的更苛刻的弯曲状态，但是这种单步骤形成的早期缩颈和破裂在拉伸深度相对大(诸如大于约400至500微米)的情况下也普遍。
[0006]此外，当前双极板制造占据总燃料电池堆叠成本中的大部分。虽然使用冲压的不锈钢双极板在解决此成本的显著部分方面将是有益的，但是一般而言不锈钢(且具体而言铁素体不锈钢)的低可形成性是重大挑战，特别是对于冲压拥有所要求的通道强度和深度以满足功能要求的非常薄(例如，0.100毫米或更薄)片而言。
【发明内容】
[0007]根据本发明的一个方面，披露一种形成用于燃料电池的金属双极板的方法。在本发明上下文中，虽然本发明的方法可以操作若干基于铁和基于铝的金属，但是一般而言不锈钢并且具体而言铁素体不锈钢特别有益，工件中所有这些金属的使用认为是在本发明的范围内。方法包括使用微小的负间隙以沿由板形成工具变形的片的表面的至少部分引入压缩应力。更具体来说，方法包括将片放置于至少两个冲模(或者替代地，冲头和冲模，因为任一个变体被认为是彼此的功能等效物且因此在本发明的范围内)之间，所述片被转变为具有可以用于燃料电池反应物(诸如氢和氧)的通路的若干流动通道的双极板的形状。在本发明上下文中，片通常可以是平面的，或者可能已经经受一些预形成，后一种情况使得一些非平面(即，三维)属性已经包括在其最终形状中。在任一种情况下，工具冲模的操作所产生的负间隙限定冲模之间的小于片的厚度的间距。以此方式，冲模的压缩操作趋向于通过挤压运动将材料从片的经受负间隙的部分重新分配到未经受负间隙的部分。在燃料电池双极板特有的一种示例性形式中，片的材料从其移动的部分是与随后形成的双极板的包括通常平面表面的部分相邻的部分，诸如通道壁和平台，而片的材料移动到其的部分是随后形成的双极板的包括通常弯曲表面的部分的相邻部分(或是其一部分)，诸如形成在壁与平台的交会部的有角度的半径。此外，片的限定通道形状的部分包括壁和平台，其中前者通常对应于平面外部分而后者对应于在电池单元形成时将与相邻扩散层或MEA实质面对接触的平面中部分。
[0008]工具(其在一种形式下可以是在压力下合在一起的一对合作形成的冲模(也称为冲头和冲模))可以形成双极板的最终形状。将负间隙引入到工具中利用片或相关工件在暴露于工具的压缩力时的相对可形成性，从而使得片材料的部分被有效地挤压或熨烫从片表面的一个部分离开到另一个部分。因此，通过本形成操作，构成片厚度的材料从表面的通常平面部分到构成冲模半径(或弯曲部半径)的有角度部分的选择性移动将有助于使得弯曲部分中和周围的缩颈保持最小。在一种形式中，在用于铁素体不锈钢上的冲模之间引入不超过约20%负间隙足以实现缩颈的所需减少同时使得工具上的负荷(通常称为“压力机吨位”等)和所得的冲模磨损冲击保持低水平。如以上所提及，本方法适于一步骤和多步骤形mt程，实中后考泳靈％用于不锈钢燃料电池双极板的两步骤形成的独特预形成设计饱美国专利8，778，567中论述，该专利由本发明的受让人拥有并且其全文以引用的方式并入本文。
[0009]根据本发明的另一个方面，一种制备用于燃料电池的双极板的方法包括将基本上平面的金属片放置成与工具合作啮合并且使用一个或多个成形步骤来将片形成为其中形成有若干反应物通道的基本上非平面的形状。进行成形是使得将负间隙引入到片的至少一部分中，作为将构成片的不锈钢的一部分从基本上平面部分重新分配(诸如通过挤压等)到随后形成的双极板的基本上有角度部分(例如，在弯曲部半径处或其附近)的方式。在优选形式中，片在其表面的至少对应于双极板的部分中具有基本上恒定的厚度。
[0010]根据本发明的又一个方面，披露一种制备燃料电池的方法。方法包括:将MEA布置成具有阳极、阴极和安置于阳极与阴极之间的膜，从而使得可以将反应物放置成与其相应电极流体连通；以及随后将限定多个反应物流动通道的金属双极板放置成与阳极和阴极中的每一个相邻，从而使得在燃料电池操作时，分别从燃料源和氧源引入的反应物可以通过反应物流动通道传递到阳极和阴极。双极板是通过将片放置成与工具或相关形成装置合作啮合来形成，从而使得在片由装置变形时，装置的至少一部分的移动将负间隙引入到片的至少一部分中，作为将构成片的不锈钢的一部分从反应物流动通道的基本上平面部分重新分配到反应物流动通道的基本上有角度部分的方式。
[0011]本领域技术人员将了解，其他部件可以构成燃料电池，诸如可以放置于相应电极(即，阳极和阴极)与双极板之间以提供到外部负荷消耗电路的反应物流动路径和电流路径中的一个或两个的一个或多个气体