用于燃料电池的分离器组件及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种设置在燃料电池内的分离器组件及其制造方法，该分离器组件在结构上提高了结构安全性和燃料电池堆的耐久性并且允许大批量生产燃料电池堆。
【背景技术】
[0002]通常，燃料电池通过将由燃料氧化生成的化学能量直接转换成电能来生成电力，并且将通过改良或净化基于碳氢化合物的燃料产生的氢气或基于碳氢化合物的燃料以及空气直接供应到燃料电池堆内，以允许燃料和空气生成电化学反应，从而生成电能。
[0003]在燃料电池堆内，多个薄膜电极组件(MEA)均包括阳极、阴极以及插在阳极与阴极之间的电解质膜。多个单位电池堆叠在一起，以形成燃料电池堆，每个单位电池均包括用于分离薄膜电极组件的分离器。
[0004]燃料电池堆分离器通常可包括石墨分离器和金属分离器。然而，与通过加工或粉碎来制造的石墨分离器相比，金属分离器的制造时间和成本大幅降低。由于这些分离器由金属制成，所以必须将分离器制薄，以便减少燃料电池堆的重量。
[0005]然而，结果，这些金属分离器具有低强度，并且在材料厚度减小时，增大其回弹性。这造成堆栈的对准退化并且影响大批量生产堆栈的金属分离器的错误率增大。
[0006]在堆叠多个单位电池的燃料电池堆内，在相邻的单位电池之间可发生对准误差，并且在相邻的分离器之间可发生对准误差。同样，由于在分离器变得更薄时，缺乏强度并且增大回弹性，而且由于在相邻分离器之间可能生成影响堆栈的结构和性能的对准误差，所以更加难以均匀地堆叠分离器、MEA以及GDL(气体分散层)。
[0007]而且，需要在燃料电池堆内密封反应气体(氢气和空气)和冷却水，并且在金属分离器的相反表面上提供燃料电池堆。同样，燃料电池堆通常在金属分离器内整体地注射成型。然而，在金属分离器变得更薄时，金属分离器的质量降低。例如，由于注射成型压力，所以分离器可变形，并且垫圈可生成毛边，从而金属分离器的错误率增大。
【发明内容】
[0008]本发明提供了一种用于燃料电池的分离器组件及其制造方法，该分离器组件通过在结构上提高阳极分离器和/或阴极分离器的强度，提高了燃料电池堆的结构稳定性和耐久性,并且可确保大批量生产堆栈。
[0009]根据本发明的一个方面，提供了一种用于燃料电池的分离器组件，其包括:阳极分离器；阴极分离器；冷却表面框架，其在阳极分离器和阴极分离器的外围部分之间整体地接合；以及垫圈，其同时封闭在其间插入所述冷却表面框架的阳极分离器和阴极分离器的外围部分。
[0010]根据本发明的另一个方面，提供了一种制造用于燃料电池的分离器组件的方法，所述方法包括:在选自阳极分离器和阴极分离器的一个的内表面的外围部分上，注射成型冷却表面框架；在冷却表面框架上堆叠另一个分离器，并且接合阳极分离器和阴极分离器；以及注射成型同时封闭阳极分离器和阴极分离器的外表面的外围部分的垫圈。
[0011]在注射成型垫圈的同时，在本发明的示例性实施方式中的垫圈可接合至阳极板和阴极板的外表面的外围部分，并且可将粘合剂涂覆于还未形成冷却表面框架的分离器的内表面的外围部分。
[0012]冷却表面框架可由聚合树脂构成，所述聚合树脂是选自由聚酰胺(PA)、聚丙烯(PP)以及液晶聚合物(LCP)构成的组中的一个，并且所述阳极分离器和阴极分离器可为由薄板构成的金属分离器。
[0013]根据本发明的示例性实施方式的用于燃料电池的分离器组件，可提高燃料电池堆的结构稳定性，可提高电池的性能，并且可通过提高堆栈对准，来减少在电池性能之间的偏差，从而允许大批量生产燃料电池堆。
【附图说明】
[0014]现在，参照在附图中显示的其某些示例性实施方式，详细描述本发明的以上和其他特征，在后文中仅仅通过举例来提供这些实施方式，因此，这些实施方式并非限制本发明，并且其中:
[0015]图1为示出根据本发明的一个示例性实施方式的用于燃料电池的分离器组件的示图；
[0016]图2为用于解释根据本发明的一个示例性实施方式的用于燃料电池的分离器组件的制造工序的不图；
[0017]图3为用于比较测量使用根据本发明的示例性实施方式的用于燃料电池的分离器组件的燃料电池堆的对准程度的结果与传统堆栈的对准程度的结果的示图；
[0018]图4为用于比较使用根据本发明的示例性实施方式的用于燃料电池的分离器组件燃料电池堆的对准偏差的分析结果与传统堆栈的对准偏差的分析结果的示图；
[0019]图5为用于比较使用根据本发明的示例性实施方式的用于燃料电池的分离器组件的燃料电池堆的结构安全性的评估结果与传统堆栈的结构安全性的评估结果的示图；以及
[0020]图6为用于比较使用根据本发明的示例性实施方式的用于燃料电池的分离器组件的燃料电池堆的单位电池性能的评估结果与传统堆栈的单位电池性能的评估结果的示图。
[0021]应理解的是，附图不必按比例绘出，显示了说明本发明的基本原理的各种优选特征的略微简化的表示。例如，包括特定尺寸、方向、位置以及形状的在本文中公开的本发明的特定设计特征部分由特定的预期应用和使用环境决定。
[0022]在图中，参考数字在附图的这几幅图中表示本发明的相同或相等部件。
【具体实施方式】
[0023]在后文中，描述本发明的示例性实施方式，以便本发明所属的领域的技术人员可容易地执行本发明。
[0024]在本文中使用的术语仅仅用于描述特定实施方式的目的，并非旨在限制本发明。在本文中使用的单数形式“a”、“an”以及“the”旨在还包括复数形式，除非在上下文中另有明确规定。进一步要理解的是，在本说明书中使用时，术语“comprises”和/或“comprising”详细说明具有规定的特征、整体、步骤、操作、部件和/或元件，但是不排除具有或添加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、部件、元件和/或其组。在本文中使用的术语“和/或”包括一个或多个所列出的相关物品的任何和所有组合。
[0025]如图1中所示，根据本发明的一个示例性实施方式的分离器组件包括阳极分离器10、阴极分离器20、冷却表面框架30以及垫圈40。阳极分离器10和阴极分离器20可为由金属构成的薄分离器。每个阳极分离器10和阴极分离器20在其中心部分11和21中具有反复弯曲的具有特定形状的可弯曲结构，并且在其中心部分11和21的外周长上整体地形成的外围部分12和22中具有平板结构。
[0026]冷却表面框架30可由聚合树脂构成，并且在阳极分离器10的内表面(冷却表面)或阴极分离器20的内表面(冷却表面)内注射成型，尤其形成在所选分离器10或20的外围部分12或22上。在此处，阳极分离器10和阴极分离器20彼此接合，分离器10和20的相对表面是冷却表面(内表面)，并且其相反表面是反应表面(外表面)。
[0027]而且，垫圈40可同时封闭阳极分离器10和阴极分离器20的外表面(反应表面)的外围部分12和22，并且分离器10和20的外围部分12和22可具有U形横截面。详细而言，垫圈40可连接至阳极分离器10的反应表面、阴极分离器20的反应表面以及插在要封闭的分离器10和20之间的冷却表面框架30的一个表面(外表面)。
[0028]S卩，垫圈40可封闭冷却表面框架30插在其间的阳极分离器10和阴极分离器20的外围部分12和22，以便在其边缘上密封分离器10和20和冷却表面框架30。
[0029]具有整体结构的分离器组件密封冷却水和反应气体(氢气和空气)并且在结构上增强分离器的强度。如图2中所示，通过制备阳极分离器10和阴极分离器20的工序、在一个分离器的内表面(冷却表面)上注射成型冷却表面框架30的工序以及在这两个分离器10和20的外表面的外围部分12和22上注射成型整体式垫圈的工序，可制造分离器组件。
[0030]首先，制造薄板型阳极分离器10和阴极分离器20，将粘合剂涂覆于阳极分离器10(或阴极分离器)的内表面的外围部分12中，并且可将底漆涂覆于阴极分离器20 (或阳极分离器)的内表面的外围部分22中。然后，粘合剂和底漆可为通常用于制造燃料电池堆的粘合剂和底漆。
[0031]还可将粘合剂涂覆于阳极分离器10的外表面(反应表面)的外围部分12和阴极分离器20的外表面(反应表面)的外围部分22中，用于接合垫圈。在这种情况下，由于在注射成型垫圈的同时，垫圈40整体地接合至这两个分离器10和20的外表面，所以可不将用于接合垫圈40的粘合剂涂覆于分离器10和20的外表面(反应表面)的外围部分11和12中。
[0032]接下来，在涂覆底漆的阴极分离器20 (或阳极分离器)的内表面的外围部分22中注射成