[發明專利]用于制造電化學反應器導流構件的方法

在審

• 申請號: 201910857404.5
• 申請日: 2019-09-11
• 公開（公告）號: CN110896146A
• 公開（公告）日: 2020-03-20
• 發明（設計）人: 熱雷米·薩洛蒙;本杰明·阿梅斯托伊;讓-弗朗索瓦·布拉肖;丹尼斯·特朗布萊
• 申請（專利權）人: 原子能和替代能源委員會
• 主分類號: H01M8/0258
• 分類號: H01M8/0258;H01M4/88
• 代理公司: 北京柏杉松知識產權代理事務所(普通合伙) 11413
• 代理人: 謝攀;劉繼富

本發明涉及一種用于制造用于電化學反應器的導流構件的方法，包括以下步驟：?提供襯底(20)；?在襯底(20)的第一面上，通過對導電油墨層施加剪切應力來印刷導電油墨層，當剪切速率為0.1s^?1時，印刷油墨的粘度為70至500Pa.s，且當剪切速率為100s^?1時，印刷油墨的粘度為2.5至7Pa.s，將油墨層印刷為形成包括界定流動通道的肋部(31)的圖案。

技術領域

本發明涉及電化學反應器，包括膜電極組件，例如質子交換膜燃料電池。本發明特別涉及優化燃料電池的部件的制造方法和降低這些部件的重量。

背景技術

例如在未來汽車的大規模生產和許多其他應用中，設想使用燃料電池作為電源。燃料電池堆疊是一種將化學能直接轉化為電能的電化學設備。在燃料電池堆疊中使用二氫或甲醇等可燃物作為燃料。

在二氫的情況下，二氫在堆疊的一個電極上被氧化和電離，且氧化劑在堆疊的另一個電極上被還原。化學反應在陰極產生水，氧被還原并與質子反應。燃料電池堆疊的很大優點是避免在發電現場排放大氣污染物。

質子交換膜(PEM)燃料電池堆疊在通常低于250℃的低溫下工作，并具有特別優良的致密性。每個電池都包括只允許質子通過、不允許電子通過的電解膜。該膜包括在第一面上的陽極和在第二面上的陰極，以形成膜電極組件(MEA)。

在陽極處，二氫被電離以產生通過膜的質子。該反應產生的電子向導電陽極板遷移，然后通過電池外部的電路以形成電流。在陰極處，氧被還原并與質子反應形成水，并用另一所謂的陰極板使電路閉合。

對每個電極必須以盡可能均勻的方式連續供應反應物。為此，通常在陽極板和陰極板上都設有流動通道。另外，導電多孔材料經常設置在板上的流動通道和每個電極之間，以產生通常由碳纖維網絡形成的氣體擴散層(GDL)。

為了增加燃料電池堆疊產生的電壓，燃料電池堆疊通常包括串聯電連接的多個堆疊的電化學電池。燃料電池堆疊則可以包括多個板(例如，可以由金屬制成)，這些板配備有流動通道，并且堆疊在彼此的頂上。膜設置在至少一個陽極板和至少一個陰極板之間。導流板可包括流動孔和通道，以引導反應物和產物進出膜，以根據燃料電池堆疊的功率引導冷卻劑，以分離各隔層。

當消耗反應物時，配備有流動通道的板不斷地向點擊的反應表面提供反應物。這些板包括確保將反應物分配到反應區的流動通道網絡。流動通道網絡連接在輸入和輸出歧管之間，輸入和輸出歧管通常正對延伸穿過堆疊。每個歧管由密封圈包圍，以防止各流體的混合物流過堆疊。

這些板也具有導電性，以形成在陽極處產生的電子的收集器。這些板還具有傳遞堆疊夾持力的機械功能(實現高質量電接觸所必需)，以及機械支撐電化學芯的功能。電子傳導通過板實現，離子傳導通過膜獲得。

根據第一種類型已知的設計，可以通過加工實心塊來制造具有流動通道的板，以限定這些流動通道。加工的塊通常由石墨制成。

根據第二種類型已知的設計，板組是由兩個金屬片形成，這兩個金屬片通過焊接連接，并通常在這兩個金屬片之間形成用于冷卻劑的流動通道。然后通過形成片或使片變形(例如通過沖壓金屬片)來限定流動通道的形狀。這種設計通常是優選的，因為它降低了板的成本和體積，然而同時保持了良好的性能水平。

根據通道是沖壓的還是機加工的，所用片通常具有的厚度為0.1到4mm。通過沖壓通常厚度為0.1mm的片而產生的流動通道通常具有的寬度為0.4到2mm，深度為0.2到0.4mm。

金屬片的陰極板和陽極板的設計和生產既復雜又相對昂貴。這實質上影響了燃料電池堆疊的成本價格，因為燃料電池堆疊的板總體上是最昂貴的部件之一。此外，沖壓操作會導致平面度損失，這使密封沉積復雜化。此外，由此獲得的板組相對較重且龐大，這在車載燃料電池堆疊應用中尤其不受歡迎。此外，所使用的薄片仍然足夠的柔性，以允許生產整體上為非平面形狀的組件。