专利名称：强化燃料电池金属板周界的制作方法
技术领域：
本公开内容涉及燃料电池，并且更具体地涉及燃料电池的双极板。
背景技术：
针对电动车辆和各种其他应用，已经提出燃料电池作为干净、有效且对于环境负责的电源。各个燃料电池能够串联堆叠在一起以便为各种应用形成燃料电池电堆。燃料电池电堆能够供应足以给车辆提供动力的电量。具体而言，燃料电池电堆已经被认为是现代机动车辆中所用的传统内燃发动机的潜在替代物。一种燃料电池类型是聚合物电解质膜(PEM)燃料电池。PEM燃料电池包括三个基础部件电解质膜；以及包括阴极和阳极的一对电极。电解质膜被夹在电极之间以便形成膜-电极组件(MEA)。MEA通常被置于例如碳纤维纸的多孔扩散介质(DM)之间，这有助于反应物的传递，例如氢向阳极以及氧向阴极的传递。预组装在一起且使用子垫片(subgasket) 隔离反应流体的MEA和DM被称为成套电极组件(UEA)。在电化学燃料电池反应中，氢在阳极中被催化氧化从而产生自由质子和电子。质子穿过电解质到达阴极。来自阳极的电子不能穿过电解质膜，而是作为电流通过电负载(例如电动马达)被引导到阴极。质子在阴极内与氧和电子反应从而生成水。电解质膜通常由离聚物层形成。燃料电池的电极一般由磨细的催化剂形成。催化剂可以是针对燃料电池的电化学反应催化地支持氢或甲醇的氧化以及氧的还原中的至少一种的任意电催化剂。催化剂通常是贵金属，例如钼或其它钼族金属。催化剂一般被置于例如炭黑颗粒的碳支撑物上并且分布在离聚物中。电解质膜、电极、DM和子垫片(例如UEA的形式)被置于一对燃料电池板之间。这对燃料电池板构成阳极板和阴极板。每个燃料电池板均具有在其内形成的多个通道以用于反应物和冷却剂向燃料电池的分布。燃料电池板通常通过使得板材金属成形的常规过程来形成，例如冲压、机加工、模制、或通过照相平版印刷掩膜进行光刻。在双极燃料电池板的情况下，燃料电池板通常由一对单极板形成，这对单极板之后被连结在一起以形成双极燃料电池板。公知的双极燃料电池板具有阳极单极板和阴极单极板且具有围绕所述板的周界或边缘的基本平坦表面。通常，单极板由非常薄的金属板材冲压而成，该非常薄的金属板材例如是具有大致100 μ m厚度的不锈钢板材。阳极单极板和阴极单极板也不在相应周界处被焊接在一起，并且趋于张开。由于不良处理和粗糙运输的原因，双极燃料电池板不尽如人意地经受单极板边缘的变形。如果变形足够大，则变形导致分离相邻燃料电池的子垫片上存在集中负载。如果变形的边缘刺入子垫片并触及相邻的双极燃料电池板，则子垫片上的集中负载能够导致电池间短路。因此，已经公知的是，使用分隔相邻双极燃料电池板的周界的塑料隔离架以便防止电池间短路，例如如Miller等人的美国专利申请序列号12/859，343中所公开的。公知的塑料隔离架例如通过热熔而围绕双极燃料电池板的周界被热密封到该板。这仅是一种可能的组装方法；压敏胶粘剂(PSA)、机械对准、和对齐在基准销之上的松弛放置的构造(loose laid configuration)是其他的可能选择。通常使用的薄金属板材可能使得塑料隔离架难以附连到双极燃料电池板。存在对于如下燃料电池板的持续需求，该燃料电池板防止边缘变形并且为下游处理步骤提供了连续性支持特征，该步骤例如是将绝缘隔离架密封和附连到燃料电池板。
发明内容
根据本公开内容，令人惊讶地发现了一种燃料电池板，其防止了边缘变形并且为下游处理步骤提供了连续性支持特征，该步骤例如是将绝缘隔离架附连到燃料电池板。在一种实施例中，燃料电池的双极板包括一对板。每个板均具有活性区域、集管区域和周界区域。周界区域设置成邻近板的边缘。周界区域也设置成邻近于活性区域和集管区域中的每一个区域。所述板中的至少一个板包括具有内侧和外侧的凸起支撑特征。板在凸起支撑特征的外侧和板的边缘之间的周界区域内被连结。在某些实施例中，周界区域能够具有连续形式(凸起)的特征并且利用沿周界边缘的连续焊缝。连续形式(凸起)的特征还能够用作沿这个路径的密封焊缝。在另一实施例中，燃料电池包括被置于双极板之间的成套电极组件。成套电极组件包括被置于一对扩散介质层之间的子垫片和膜电极组件。在另一实施例中，燃料电池电堆包括被设置在电堆中的多个燃料电池。本发明还提供以下技术方案。方案1. 一种用于燃料电池的双极板，包括一对板，每个板均具有活性区域、集管区域和周界区域，所述周界区域设置成邻近所述板的边缘以及所述活性区域和所述集管区域中的每一个区域，所述板中的至少一个板的周界区域包括具有内侧和外侧的凸起支撑特征，所述一对板被连结在所述凸起支撑特征的所述外侧和所述板的所述边缘之间的所述周界区域内。方案2.根据方案1所述的双极板，其中所述凸起支撑特征围绕所述活性区域和所述集管区域。方案3.根据方案2所述的双极板，其中所述凸起支撑特征包括多个间歇式中断。方案4.根据方案1所述的双极板，其中所述凸起支撑特征包括在其内形成的多个细长凹坑。方案5.根据方案4所述的双极板，其中所述细长凹坑被定向成横于所述凸起支撑特征的取向。方案6.根据方案4所述的双极板，其中所述凸起支撑特征的所述内侧和所述外侧中的每一侧上的所述周界区域具有基本平坦表面。方案7.根据方案6所述的双极板，其中每个所述细长凹坑的深度延伸到所述周界区域的所述平坦表面。方案8.根据方案1所述的双极板，其中所述凸起支撑特征包括在所述凸起支撑特征的所述外侧上的多个微小凹陷。方案9.根据方案8所述的双极板，其中所述一对板通过在所述凸起支撑特征的所述外侧上的所述微小凹陷内的点焊被连结。
方案10.根据方案8所述的双极板，其中所述一对板通过沿所述凸起支撑特征的所述外侧的连续焊缝或其它形态被连结在一起。方案11.根据方案1所述的双极板，其中每个所述板的所述周界区域包括多个向外延伸的凸舌，所述凸起支撑特征至少部分地形成在所述向外延伸的凸舌上。方案12.根据方案11所述的双极板，其中所述向外延伸的凸舌是传感器互连件。方案13.根据方案1所述的双极板，其中所述凸起支撑特征的所述内侧包括焊接凹陷。方案14.根据方案13所述的双极板，其中所述一对板具有在所述凸起支撑特征内部的密封焊缝从而提供在阳极、阴极和冷却剂流体之间的密闭式密封，所述密封焊缝终止在所述周界区域内的所述焊接凹陷内，所述焊接凹陷防止所述密封焊缝的终止所导致的泄漏。方案15.根据方案1所述的双极板，其中所述凸起支撑特征的高度在所述板的平均厚度的大约二(2)至大约四(4)倍之间。方案16.根据方案15所述的双极板，其中所述板中的一个板的平均厚度是大约 75微米，并且所述凸起支撑特征的高度在大约150微米至大约300微米之间。方案17.根据方案1所述的双极板，其中所述一对板包括多个歧管孔，所述凸起支撑特征的所述内侧的形状符合与所述凸起支撑特征相邻的歧管孔的边缘形状。方案18. —种燃料电池，包括一对双极板，每个双极板均包括一对板，每个板均具有活性区域、集管区域和周界区域，所述周界区域设置成邻近所述板的边缘以及所述活性区域和所述集管区域中的每一个区域，所述板中的至少一个板的周界区域包括具有内侧和外侧的凸起支撑特征，所述一对板被连结在所述凸起支撑特征的所述外侧和所述板的所述边缘之间的所述周界区域内；以及成套电极组件，包括被置于一对扩散介质层之间的子垫片和膜电极组件，所述膜电极组件和所述扩散介质层被置于所述双极板之间。方案19. 一种燃料电池电堆，包括被设置在电堆内的多个燃料电池，所述燃料电池中的至少一个燃料电池包括一对双极板，每个双极板均包括一对板，每个板均具有活性区域、集管区域和周界区域，所述周界区域设置成邻近所述板的边缘以及所述活性区域和所述集管区域中的每一个区域，所述板中的至少一个板的周界区域包括具有内侧和外侧的凸起支撑特征，所述一对板被连结在所述凸起支撑特征的所述外侧和所述板的所述边缘之间的所述周界区域内；以及成套电极组件，包括被置于一对扩散介质层之间的子垫片和膜电极组件，所述膜电极组件和所述扩散介质层被置于所述双极板之间。
当具体参考这里描述的附图时，从下述具体描述中，本领域的技术人员将会显而易见到本公开内容的上述及其他优点。图1是根据本公开内容的一种实施例的双极燃料电池板的俯视平面图； 图2是图1中区域2所标示的双极板的部分放大俯视平面图3是图1中区域3所标示的双极板的部分放大俯视立体图；以及图4是图1中区域4所标示的双极板的部分放大俯视平面图。
具体实施例方式下述具体描述及所附附图描述并图释了本发明的各种实施例。说明书和附图用于使得本领域技术人员能够制造并应用本发明，并且不试图以任意方式限制本发明的范围。参考图1-4，本公开内容包括用于燃料电池电堆(未示出)的双极板2。双极板2包括一对板4、6，例如阳极单极板和阴极单极板。每个板4、6均具有活性区域8、集管区域10 和周界区域12。周界区域12被设置成与板4、6的边缘14相邻。周界区域12还被设置成与活性区域8和集管区域10中的每一个区域相邻。例如，周界区域12可以基本围绕活性区域8和集管区域10这二者。板4、6中的至少一个板的周界区域12包括具有内侧18和外侧20的凸起支撑特征16。所述一对板4、6被连结在凸起支撑特征16的外侧20和板4、6的边缘14之间的周界区域12内。在具体实施例中，凸起支撑特征16围绕活性区域8和集管区域10。凸起支撑特征16可以基本连续或者包括多个间歇式中断22，例如如图1-3所示。应该意识到，可以提供中断22来有助于双极板2在燃料电池电堆内的封装。在一种实施例中，凸起支撑特征16具有在其内形成的多个细长槽24，也被称为凹坑或凹陷。细长槽M不完全地延伸到凸起支撑特征16的内侧18和外侧20。细长槽M可以设有任意理想取向。作为一种非限制性示例，细长槽M可以被定向成横于凸起支撑特征16的取向。细长槽M有利地允许人们为凸起支撑特征16选择特定刚度及抗弯性。细长槽M在板4、6的边缘14处沿凸起支撑特征16的长度彼此间隔开。每个细长槽M之间的跨度沈可以根据需要是基本相同的或不同的。每个跨度沈的宽度被选择成最小化凸起支撑特征16的变形，并且因而最小化板4、6的边缘14处的变形。作为一种非限制性示例，跨度沈的宽度可以被选择成将变形最小化达到至少150 psi。细长槽M的深度观和凸起支撑特征16的高度30还可以被选择成提供理想的刚度和抗弯性。在具体实施例中，凸起支撑特征16的内侧18和外侧20中每一侧上的周界区域12具有基本平坦表面。每个细长槽M的深度观可以延伸到周界区域12的平坦表面。凸起支撑特征16的高度30被选择成当多个双极板2被设置在电堆中且被压缩从而形成燃料电池电堆时提供足够的支撑且不会在周界区域12内产生不理想的压缩负载。 凸起支撑特征16的高度30可以例如在板4、6的平均厚度的大约二(2)至大约四(4)倍之间。作为具体非限制性示例，板4、6的平均厚度是大约75微米，细长槽M的深度观到达周界区域12的基本平坦表面，并且凸起支撑特征16的高度30在大约150微米至大约300 微米之间。根据需要，可以选择其他适当的细长槽M的取向、跨度26宽度、深度观以及凸起支撑特征16的高度30。本公开内容的双极板2还包括在凸起支撑特征16的外侧20上的多个微小凹陷 32。微小凹陷32允许通过点焊(stitch weld) 34来实现板4、6的连结。作为一种非限制性示例，点焊34可以通过激光焊接来形成。每个点焊34均被产生在凸起支撑特征16的外侧20与板4、6的边缘14之间的一个微小凹陷32内。点焊34可以仅被置于双极板2的第一侧和相对的第二侧上，例如如图1所示。因而，板4、6的边缘14被固定在一起，从而在处理双极板2和制造燃料电池电堆期间防止边缘14张开。可替代设计可以使用沿板边缘14 的周界的连续焊缝或其他形态。本公开内容的双极板2还可以包括多个向外延伸的凸舌38。可以在双极板2的第一端和第二端中的每端处在周界区域12处形成向外延伸的凸舌38，例如如图1所示。凸起支撑特征16被至少部分地形成在向外延伸的凸舌38上。这用于加强凸舌并将其保持处于正确对准。向外延伸的凸舌38可以用作与监控燃料电池电堆的性能的外部设备进行电通信的感测连接点连接器。现在参考图4，凸起支撑特征16的内侧18被设置成与双极板2的密封盖42相邻。 密封焊缝44被形成在密封盖42内凸起支撑特征16的内部。密封焊缝44提供了操作期间在燃料电池电堆的阳极、阴极和冷却剂流体之间的密闭式密封。凸起支撑特征16包括在凸起支撑特征16的内侧18上的焊接凹陷46。密封焊缝44在终端48处终止在周界区域12 内的焊接凹陷46内。公知的是，焊缝的终端48，且具体地激光焊缝的终端48能够不良地导致被焊接材料内存在气孔。焊接凹陷46允许密封焊缝44的终端48被置于密封盖42的外部。因而，焊接凹陷46防止了操作时阳极、阴极或冷却剂流体的泄漏。根据密闭式密封的位置，交叉焊缝终端48可以位于凸起支撑特征16的内侧边缘的内部。应该意识到，结合到凸起支撑特征16内的焊接凹陷46允许板的尺寸更小并且使得密闭式密封焊缝44能够朝向凸起支撑特征16向外偏置。再次参考图1-2，本公开内容的双极板2包括多个歧管孔50。凸起支撑特征16的内侧18的形状可以基本符合与凸起支撑特征16相邻设置的歧管孔50的边缘形状。根据需要，凸起支撑特征16的内侧18也可以使用其他形状。根据本公开内容的一对双极板2被用于形成燃料电池。燃料电池可以包括成套电极组件(未示出)，其具有被置于一对扩散介质层之间的子垫片和膜电极组件。膜电极组件和扩散介质层被置于双极板2之间以形成燃料电池。多个燃料电池可以被设置在电堆中以便形成本公开内容的燃料电池电堆。有利地，通过围绕双极板2的基本整个周界应用凸起支撑特征16从而使得双极板 2的周界区域12被制造得更加坚固和刚硬。如这里所示，凸起支撑特征16允许阳极板和阴极板4、6在其相应边缘14处被焊接在一起。焊接产生了更加坚固的边缘14并且阻止了板 4、6在变形时张开，公知的该张开会导致与相邻电池的短路。使得阳极板和阴极板4、6在一起也在相邻板之间产生较大间隙，从而减少了双极板2变形从而触及相邻双极板2且可能导致短路的风险。较刚硬的周界区域12还提供了刚性表面以在连结过程期间保持阳极和阴极单极平坦从而形成双极板2。刚性表面还用于在现场固化(CIP)密封附加过程期间保持双极板2平坦。还应该意识到凸起支撑特征16能够被用于在电池集成过程期间支撑绝缘隔离架，例如如Miller等人的美国专利申请序列号12/859，343所公开的。这种过程包括用覆盖隔离架的乙烯-醋酸乙烯(EVA)向子垫片施加热和压力。有利地，围绕双极板2的周界的凸起支撑特征16承受在电池集成过程期间所施加的压力和应力。虽然为了解释本发明已经示出了某些代表性实施例和细节，不过本领域技术人员将显而易见到可以在不脱离本公开内容范围的情况下做出各种改变，本公开内容的范围进一步在所附权利要求中被描述。
权利要求
1.一种用于燃料电池的双极板，包括一对板，每个板均具有活性区域、集管区域和周界区域，所述周界区域设置成邻近所述板的边缘以及所述活性区域和所述集管区域中的每一个区域，所述板中的至少一个板的周界区域包括具有内侧和外侧的凸起支撑特征，所述一对板被连结在所述凸起支撑特征的所述外侧和所述板的所述边缘之间的所述周界区域内。
2.根据权利要求1所述的双极板，其中所述凸起支撑特征围绕所述活性区域和所述集管区域。
3.根据权利要求2所述的双极板，其中所述凸起支撑特征包括多个间歇式中断。
4.根据权利要求1所述的双极板，其中所述凸起支撑特征包括在其内形成的多个细长凹坑。
5.根据权利要求4所述的双极板，其中所述细长凹坑被定向成横于所述凸起支撑特征的取向。
6.根据权利要求4所述的双极板，其中所述凸起支撑特征的所述内侧和所述外侧中的每一侧上的所述周界区域具有基本平坦表面。
7.根据权利要求6所述的双极板，其中每个所述细长凹坑的深度延伸到所述周界区域的所述平坦表面。
8.根据权利要求1所述的双极板，其中所述凸起支撑特征包括在所述凸起支撑特征的所述外侧上的多个微小凹陷。
9.一种燃料电池，包括一对双极板，每个双极板均包括一对板，每个板均具有活性区域、集管区域和周界区域，所述周界区域设置成邻近所述板的边缘以及所述活性区域和所述集管区域中的每一个区域，所述板中的至少一个板的周界区域包括具有内侧和外侧的凸起支撑特征，所述一对板被连结在所述凸起支撑特征的所述外侧和所述板的所述边缘之间的所述周界区域内；以及成套电极组件，包括被置于一对扩散介质层之间的子垫片和膜电极组件，所述膜电极组件和所述扩散介质层被置于所述双极板之间。
10.一种燃料电池电堆，包括被设置在电堆内的多个燃料电池，所述燃料电池中的至少一个燃料电池包括一对双极板，每个双极板均包括一对板，每个板均具有活性区域、集管区域和周界区域，所述周界区域设置成邻近所述板的边缘以及所述活性区域和所述集管区域中的每一个区域，所述板中的至少一个板的周界区域包括具有内侧和外侧的凸起支撑特征，所述一对板被连结在所述凸起支撑特征的所述外侧和所述板的所述边缘之间的所述周界区域内；以及成套电极组件，包括被置于一对扩散介质层之间的子垫片和膜电极组件，所述膜电极组件和所述扩散介质层被置于所述双极板之间。
全文摘要
本发明涉及强化燃料电池金属板周界。用于燃料电池的双极板包括一对板。每个板均具有活性区域、集管区域和周界区域。所述周界区域设置成邻近所述板的边缘。所述周界区域还被设置成邻近于所述活性区域和所述集管区域中的每一个区域。所述板中的至少一个板包括具有内侧和外侧的凸起支撑特征。所述板被连结在所述凸起支撑特征的所述外侧和所述板的所述边缘之间的所述周界区域内。
文档编号H01M8/04GK102456896SQ20111034314
公开日2012年5月16日 申请日期2011年11月3日 优先权日2010年11月3日
发明者P. 米勒 D., J. 博伊特尔 M., 汤普森 R., J. 斯潘塞 S., 徐 S. 申请人:通用汽车环球科技运作有限责任公司