燃料电池的印刷多功能密封件的制作方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及燃料电池和燃料电池组的密封结构。
【背景技术】
[0002]燃料电池在很多应用中被用作电源。具体地，燃料电池被提出用于汽车以取代内燃机。常用的燃料电池设计采用固体聚合物电解质(SPE)膜或质子交换膜(PEM)以提供阴极和阳极之间的离子传输。
[0003]在质子交换膜型燃料电池中，氢气被提供给阳极作为燃料，氧气被提供给阴极作为氧化剂。氧气是纯氧(02)或空气(0jPN2混合物)的形式。PEM燃料电池通常具有膜电极组件(MEA)，在其中固体聚合物膜具有在一面上的阳极催化剂，以及在相对面上的阴极催化剂。典型PEM燃料电池的阳极和阴极催化剂层通常是由干墨所形成的薄膜。每个电极具有被支撑在碳颗粒上的细碎状催化剂微粒(例如铂颗粒)，从而促进阳极上的氢气氧化和阴极上的氧气还原。质子从阳极流过离子传导聚合物膜到达阴极，在阴极它们与氧气结合形成水，水从电池排出。MEA被夹在一对导电多孔气体扩散层(GDL)之间，气体扩散层又被夹在一对无孔的导电元件或板之间。板作为阳极和阴极的集电器，并包含被形成在其中用于将燃料电池的气态反应物分散到相应的阳极和阴极催化剂的表面上的适当的通道和开口。为了高效地产生电能，PEM燃料电池的聚合物电解质膜必须薄，化学稳定，可传输质子，不导电以及气体不可透过。在典型的应用中，燃料电池以被堆栈式布置的多个独立燃料电池的阵列的形式被提供，从而提供高的电功率水平。尽管燃料电池中所用的催化剂层能相当好地工作，但是这样的层趋于昂贵。
[0004]为了降低燃料电池的成本，期望减少零件的数量和制造过程。每个电池需要用于每个反应剂和冷却剂的密封件和隧道(穿过密封件的开口)，从而允许反应剂和冷却剂流入和流出各自的集管。密封典型地通过用于反应剂的模制弹性密封件以及用于密封冷却剂的模压金属板的焊接完成。隧道特征典型地是板的一部分，但使用模压板时，也将这些特征设置在板的其他侧上，这不是总是期望的。模制密封件的一个问题是型腔的成本和长的固化时间导致零件昂贵。尽管原地固化密封件材料能被分发到板或子衬垫上，但该过程很慢。分发式密封件在融合线和交叉点处也存在挑战，以保持统一的密封件厚度尤其是针对汽车燃料电池所期望的小重复距离。包括将两块半板固定在一起的板焊接过程是过程慢且成本高的。将半板焊接在一起的要求也限制了板金属和涂层选择。
[0005]所以，需要改进的用于形成可应用于燃料电池和燃料电池组的密封件的方法。
【发明内容】
[0006]在至少一个实施例中，本发明通过提供一种用于形成燃料电池和/或燃料电池组中的密封件的方法解决了现有技术中的一个或多个问题。该方法包括在第一流场板上丝网印刷第一密封层的步骤。第一密封层限定了第一图案并具有第一预定密封层厚度。通过在第一密封层上丝网印刷第二密封层形成多层密封件。第二密封层限定了第二图案并具有第二预定密封层厚度。第三密封层被丝网印刷在第二流场板的第一侧上，并具有第三预定密封层厚度。第四密封层被丝网印刷在第二流场板的第二侧上，并具有第四预定密封层厚度。第一流场板和第二流场板被组合以形成引导反应剂到燃料电池催化剂层的流动通道。特别地，第一流场板和第二流场板之一是阳极流场板，且第一流场板和第二流场板之一是阴极流场板。
[0007]在另一个实施例中，提供一种用于形成燃料电池密封的多层密封件的方法。该方法包括提供第一丝网的步骤，丝网具有以第一图案设置在其上的第一树脂掩蔽材料，第一树脂掩蔽材料阻塞通过第一丝网的流动。第一树脂掩蔽材料从第一丝网延伸第一预定掩蔽层厚度。该方法还包括提供第二丝网的步骤，该丝网具有以第二图案设置在其上的第二树脂掩蔽材料。第二图案树脂掩蔽材料阻塞通过第二丝网的流动。第二树脂掩蔽材料从第二丝网延伸第二预定掩蔽层厚度。第一丝网被定位在第一流场板的第一侧附近。第一可固化密封件组分被施加给第一丝网，从而使第一可固化密封件组分在不被第一树脂掩蔽材料所阻塞的位置流过该丝网并流到第一流场板上。第一可固化密封件组分至少部分地被固化以形成第一密封层。第一密封层限定了第一密封图案。第二丝网被定位在第一密封层的附近。第二可固化密封件组分被施加给第二丝网，从而使第二可固化密封件组分在不被第二树脂掩蔽材料所阻塞的位置流过第二丝网并流到第一密封层上。丝网印刷的多层密封件通过至少部分地固化第二可固化密封件组分被形成以形成第二密封层。多层密封件包括第一密封层和第二密封层，且第二密封层限定了覆盖第一密封层的至少一部分的第二密封图案。第二流场板具有被设置在第二流场板的第一侧上的第三密封层和被设置在第二流场板的第二侧上的第四密封层。第一流场板和第二流场板被组合以形成将反应剂引导到燃料电池催化剂层的流动通道。特别地，第一流场板和第二流场板之一是阳极流场板，第一流场板和第二流场板之一是阴极流场板。
[0008]本发明提供以下技术方案。
1.一种方法，包括:
a)在第一流场板上丝网印刷第一密封层，第一密封层限定了第一图案并具有第一预定密封层厚度；
b)通过在第一密封层上丝网印刷第二密封层形成多层密封件，第二密封层限定第二图案并具有第二预定密封层厚度；
c)在第二流场板的第一侧上丝网印刷具有第三预定密封层厚度的第三密封层；
d)在第二流场板的第二侧上丝网印刷具有第四预定密封层厚度的第四密封层；
e)组合第一流场板和第二流场板以形成将反应剂引导到燃料电池催化剂层的流动通道，其中第一流场板和第二流场板之一是阳极流场板，第一流场板和第二流场板之一是阴极流场板。
2.方案1的方法，还包括重复步骤a)到e)形成多个双极流场组件。
3.方案1的方法，其中第一流场板和第二流场板被组合以形成双极流场板组件，第三密封层定位在第一流场板的第二侧附近，多层密封件和第三密封层限定了引导反应剂到燃料电池催化剂层的流动通道。
4.方案1的方法，其中第一双极组件与具有燃料电池膜电极组件的第二双极流场组件组合，一对气体扩散层被插入在第一双极组件和第二双极组件之间，第一双极组件和第二双极组件每个都由步骤a)到e)形成。
5.方案4的方法，其中多层密封件和第四密封层形成围绕膜电极组件外周的边缘密封件，任选的子衬垫被插入在多层密封件和第四密封层之间。
6.方案1的方法，其中第一预定密封层厚度、第二预定密封层厚度、第三预定密封层厚度和第四预定密封层厚度每个都独立地从100到700微米。
7.方案1的方法，其中第一密封层、第二密封层、第三密封层和第四密封层每个都独立地包括固化的树脂和可选的增厚剂。
8.方案7的方法，其中固化的树脂选自以下构成的组:硅橡胶、聚氨酯、三元乙丙橡胶、以及它们的组合物。
9.方案1的方法，其中第一流场板是阴极流场板，第二流场板是阳极流场板。
10.方案1的方法，其中流动通道包括至少一个具有至少部分地由第三密封层、第二流场板的第一侧、以及第一流场板的第二侧所限定的隧道部分的通道。
11.方案10的方法，其中至少一个通道还包括至少部分地由第一密封层和第一流场板的第一侧所限定的通道部分，第一流场板限定连接隧道部分和通道部分的开口。
12.方案1的方法，其中第一密封层通过以下步骤被形成:
提供具有以第一掩蔽图案在其上设置的第一树脂掩蔽材料的第一丝网，第一树脂掩蔽材料阻塞通过第一丝网的流动，第一树脂掩蔽材料从第一丝网延伸第一预定掩蔽层厚度；
对第一丝网施加第一可固化密封件组分，从而使第一可固化密封件组分在没有被第一树脂掩蔽材料所阻塞的位置流过丝网并流到第一流场板上；和
至少部分地固化第一可固化密封件组分，以形成第一密封层