[发明专利]制造用于电化学电池的部件的方法以及电化学电池和电池堆

说明书

通过增材制造工艺形成用于电化学电池的部件。可以重复增材制造工艺以生产燃料电池堆。

技术领域

装置和方法涉及通过增材制造或3D打印技术生产一种或多种电化学电池、电池部件。部件可以包括可以一起形成双极板组件和/或膜电极组件(MEA)的一个或多个隔板或任意MEA部件。该方法可以包括：使用掺杂的、浸渍的或涂覆的聚合物向部件提供导电性能，以及施加电磁或其他能量来源来诱导焊接，用于沿三个维度生产更坚固且电各向同性的结构。

背景技术

电化学电池(如，燃料电池)通过化学反应产生电力。燃料电池中的一个常见反应由氢和氧之间的反应组成，从而产生水并释放电荷。通常，各电池仅产生少量电压。为了提高电压以有效工作，将电池串联在燃料电池堆中。

燃料电池通常包括至少一个MEA，并且在存在两个MEA的情况下，存在至少一个可以分隔这两个MEA的双极板组件。MEA可以包括多个层，其中，层的数量取决于待构造的MEA。在一个实施方式中，MEA可以是5层MEA，其包括夹在阳极催化剂层和阴极催化剂层之间的聚合物电解质膜。各催化剂层的外表面由气体扩散层界定。

双极板组件通常包括阳极隔板和阴极隔板。双极板组件位于两个MEA之间。双极板组件的功能是将燃料(例如，氢和氧)递送至相邻MEA，为MEAS提供机械支撑，并且还可以具有冷却MEA的功能。阳极隔板和阴极隔板可以连接在一起以形成封闭的冷却通道。

MEA可以与双极板组件交替以产生燃料电池堆。在一些情况下，存在许多MEA，其与许多双极板组件交替，以产生燃料电池堆，使该电池堆可以产生足够电能以进行有效工作。

隔板通常由导电金属、碳或聚合物复合材料制成。隔板提供从一个MEA到相邻MEA的导电。如上所述，隔板可以包括通道，以提供介质(例如燃料和氧气的反应物)来进料给反应以及冷却流体。MEA和隔板可以一起形成电池。隔板为电池提供结构支撑。

隔板可以由固体石墨块加工而成，其具有电学性质各向同性的优点。然而，该工艺昂贵且费时。

隔板还可以通过将材料(例如，石墨薄片)添加至模具中的聚合物而产生。不利的是，石墨薄片通常仅沿x-y平面取向，而不会沿z方向穿过层进行取向，所以隔板并不是电各向同性的。可以将金属粉末加入材料中，但是这会增加重量，并且使得隔板更重。现有技术的设计可以使用具有高石墨填料含量的聚合物，最终会降低材料的可模塑性能。

通常，隔板通过冲压或模塑工艺制成，并且金属板通常由冲压制成，聚合板通常由模塑制成。该工艺涉及昂贵的工具加工，并且除非进行昂贵重新装配(retooling)，否则仅限于产生单板设计。因此，除非创造新的工具，否则制造商通常仅限于制造单一形状或大小的燃料电池。燃料电池通常使用的标准形状/尺寸是正方形或矩形，在某些情况下，例如车辆中，该形状/尺寸不太适合可用空间。

现有技术燃料电池还需要许多垫片以使得多个流体通道密封。每个垫片都增加了燃料电池的成本，并且每个垫片代表了燃料电池的故障模式。

现有技术的燃料电池还需要笨重的夹持机构以使密封件有效并降低MEA部件和隔板之间的电阻。

有利的是具有一种用于制造电化学电池的方法，而没有与现有技术方法有关的缺点。

发明内容

一种制造电化学电池部件的方法，所述方法可包括如下步骤：提供用于生产3D物体的增材制造设备，该增材制造设备包括：支撑平台，其具有用于在支撑平台上产生三维物体的构建区域；以及可移动沉积装置，用于在该构建区域上沉积可流动的导电材料；用加热装置将导电材料加热至高于第一温度，从而为沉积装置提供可流动的导电材料，该可流动材料在低于第二温度时凝固；移动可移动沉积装置以将可流动导电材料依次沉积在支撑平台的构建区域上，从而产生用于电化学电池的部件，该部件具有至少一个用于介质传输的通道。

该方法的另一个方面可以是：导电材料是碳载热塑性材料或热固性材料。