专利名称：包含用于燃料电池堆叠体的复合垫圈的单元电池结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于燃料电池堆叠体的复合垫圈。
背景技术：
质子交换膜燃料电池(PEMFC)堆叠体广泛用于机动车和移动电话，具有特定的结构，其中膜电极组件(MEA)插入在质子电极和氧电极之间。重复这种结构，最后获得层叠结构。
隔板和MEA的数量直接关系到燃料电池的功能，而且其数量随着所要求的输出而有较大的变化。特别地，PEMFC堆叠体可以具有多达几百个这种结构。因此，在每个隔板中安装有两个的垫圈必须容易安装，从而可以高效地组装隔板和MEA。而且，希望垫圈重量轻、体积小，从而在组装时将压力保持在最低水平。此外，需要垫圈可以防止杂质进入堆叠体内部空间，同时可以防止在歧管中燃料气体和冷却剂互相进入。
通常，PEMFC堆叠体可以包括具有导电性的两个隔板和一个MEA，其中每个隔板包括在任一侧上的氧电极和氢电极，MEA通过使质子穿过它而产生电流。组装PEMFC堆叠体使得每个隔板设置在MEA任一侧上，每个垫圈设置在MEA和每个隔板之间。这些部件要求比串联结构相对高的输出，因此要求用最小体积和表面压力制造该垫圈。
鉴于将几百个隔板和MEA组装成串联层叠结构，所以需要有效的安装方法。用在燃料电池堆叠体的单元电池中的垫圈由于设置在隔板和MEA之间而被密封，但是膨胀量和收缩量之间的差别导致MEA和垫圈的变化。这是由于橡胶垫圈和MEA之间接触产生的热引起的反复膨胀和收缩造成的，橡胶垫圈和MEA由于温度和湿度的变化而经受频繁的膨胀和收缩。当垫圈和MEA由于受热而经受反复的膨胀和收缩时，就会发生毛细现象，冷却剂通过毛细现象而迁移，然后与氢和氧反应，从而损害或破坏燃料电池的功能。而且，隔板、MEA和垫圈的外部边界没有完全对准，因此会干扰气体流动。这导致气体的不均匀供应，从而损害燃料电池的功能。
在其横截面上提供了一排垫片的传统垫圈中，由于MEA和垫圈因受热引起的膨胀率和收缩率不同而产生微空隙(microspace)。微空隙引起使得歧管中的冷却剂进入燃料电池中的化学反应区域从而污染MEA和急剧降低燃料电池功能的毛细现象。而且，当垫圈在隔板的凹槽中移动时，MEA两个表面双重接触的垫圈发生错位，从而降低表面压力和密封性能。
因此，在用于燃料电池堆叠体的传统单元电池中使用的垫圈具有以下缺陷，用于防止隔板工作温度上升的乙二醇渗透到隔板的内部，而且由于较差的可安装性而需要更多的时间来安装。
发明内容
本发明的一个实施例包括一种用于燃料电池堆叠体的单元电池结构，该结构包括MEA、分别位于MEA左、右两侧的隔板和分别位于MEA和每个隔板之间的垫圈。该垫圈结构可以包括带有两排橡胶垫片的复合垫圈，每排橡胶垫片设置在MEA的顶部和底部，在安装时从顶部和底部两个方向上挤压每排橡胶垫片，从而使所述垫片完全包围MEA的横截面表面。
在另一方面中，本发明提供一种垫圈，该垫圈包括用于加强目的的支架，和连接到支架顶部上的两排橡胶垫片。
在进一步的方面中，本发明提供一种垫圈，其中在安装时只有支架插入到在所述垫圈和每个隔板之间形成的凹槽中。
在进一步的方面中，本发明提供一种垫圈，其中在所述垫圈中的两排垫片包括在垫片中的间隔，从而吸收压缩时的变形量。
在进一步的方面中，本发明提供一种垫圈，其中在所述垫圈中的两排垫片包括在垫片中的间隔，从而吸收压缩时的变形量。
在进一步的方面中，本发明提供一种用于燃料电池堆叠体的单元电池结构，该结构包括复合垫圈，其中在完成安装之前(变形之前)两排垫片的每个边界分别与支架的边界一致。
在进一步的方面中，本发明提供一种用于燃料电池堆叠体的单元电池结构，该结构包括复合垫圈，其中在完成安装之后(变形之后)两排垫片的每个边界分别与隔板的边界对齐。
在进一步的方面中，本发明提供一种用于燃料电池堆叠体的单元电池结构，该结构包括复合垫圈，其中该支架选自于包含塑料膜、织物和金属的组。
在进一步的方面中，本发明提供一种用于燃料电池堆叠体的单元电池结构，该结构包括复合垫圈，其中该垫圈的支架带有用粘结剂处理成的解除片。
在进一步的方面中，本发明提供一种用于燃料电池堆叠体的单元电池结构，该结构包括复合垫圈，其中在将垫圈连接到隔板上之后在整体中应用所述垫圈。
结合附图，从本发明以下说明将使本发明的上述和其它目的和特征更加显而易见，其中图1是根据本发明用于燃料电池堆叠体的单元电池在安装之前的结构横截面图；图2是根据本发明用于燃料电池堆叠体的单元电池在安装之后的结构横截面图；图3是图2的局部分解图；和图4是根据本发明用于燃料电池堆叠体的单元电池的结构中复合垫圈层叠结构的横截面图以及它们在变形之前和之后的状态。
具体实施例方式
此后，参考附图详细说明本发明的优选实施例。
如图1-3所示，在隔板10和MEA11连同复合垫圈12的组件中，隔板10、MEA11和垫圈12的边界通过垫圈12的两排垫片14而对齐。即，隔板10设置在MEA11的相对侧上，其中垫圈12设置在每个隔板10和MEA11之间。当将隔板10、MEA11和垫圈12组装成一体时，最后按压垫圈12的两排垫片14，而且两排垫片14的外侧垫片达到完全包围MEA11的位置，从而使其边界与垫圈12的边界对齐。这样是可以的，因为根据与安装压力相对应的垫圈变形量的计算确定垫圈12连接到隔板10的位置，由此对于固定的安装压力表现出预定的变形量。这样同样使均匀供气成为可能。
而且，本发明的实施例提供了两排垫片，与传统的单排垫片提供双密封结构不同，因此，完全防止单元电池内部和外部的污染。进一步的实施例提供了其中安装了隔板10的复合垫圈，同时它们插入在凹槽13中，因而排除了任何不必要的移动，而且促进了所需的表面压力和密封性能。图4示出本发明用于燃料电池堆叠体的单元电池结构中复合垫圈层叠结构的横截面图，以及它们变形之前和之后的状态。上述复合垫圈可以制备为支架的形式，粘结剂粘附于该支架之上以用于垫圈，例如，其表面包覆有所需形状的橡胶的塑料膜。一旦完成包覆后，在除去背板17之后将垫圈连接到隔板10上制备的凹槽13上。这里，只有除两排垫片14之外的支架15插入在凹槽13中。
本发明实施例还提供一种弥补橡胶不能保持固定形式的缺陷的粘结剂塑料膜。该塑料膜以提高安装工艺过程中的可安装性的方式来提供，而且其它材料例如纺织品和金属可以用作塑料膜的可选择替代品。
考虑挤压后的变形量，在本发明两排橡胶制成的垫片之间提供了特定间隔16。施加粘结剂18使得其在组装后不会分解，而且为了容易解除，可以使用塑料膜或纸作为背板17。因为安装后被挤压，两排垫片14变形。在变形之前，垫片的边界与支架15的边界对齐，如左边所示，然而，在变形之后，垫片如右边所示被挤压，其中垫片边界相对于支架15的边界突出，因此突出的边界与隔板10的边界对齐。如图3所示，在单元电池安装已经完成的状态下，两排垫片通过处于MEA11横截面顶部和底部的两个隔板10被挤压，完全包围MEA 11整个横截边界(四个横截面)。MEA 11被内部垫片包围的内部横截面即处于附图右侧的横截面仅仅在三个横截面中被包围。
该单元电池结构、尤其是本发明实施例的复合垫圈的特征在于作为加强材料的支架由塑料膜制成。在一个表面上提供了粘结剂，而在相对侧则包覆有橡胶。橡胶包覆的表面与MEA 11接触，而包覆有粘结剂18的另一个表面与凹槽13连接，而且它们如此安装成整体。这里，希望粘结剂塑料膜和橡胶保持具有低组装压力，在80-90℃的工作温度下不变形，而且具有足够的耐久性，使得它们在化学反应期间产生的强酸和水的存在下不会腐蚀。用作本发明中的材料的塑料材料在燃料电池气氛的温度下和制造过程中不会收缩，在强酸存在下具有耐久性，而且可以处理为薄板形状，其例子是具有优异的耐热性、耐化学性和空间稳定性的工程塑料，例如聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚酰亚胺。而且，可以使用纺织品和金属制造垫圈的支架。
包覆在塑料膜表面上的粘结剂必须耐热，因而在制造垫圈过程中不会受热变形。由于一旦安装完成后，任何元件都不能暴露，所以量和粘结剂材料的正确选择和调整很重要。丙稀酸粘结剂是合适粘结剂的一个例子。
为了准备两排垫片，支架15用橡胶包覆，而且可以使用“丝网工艺(silk screen process)”。丝网工艺包括将包括丝绸、尼龙、特多龙(tetron)织物和不锈钢板的网筛(net screen)展开到框架中，而且确保框架的四个角拉紧，通过用手工或者除了图像处理所需的那些之外的光化学方法形成平板膜，由此覆盖上述网筛中的所有网眼。将制备好的材料倾倒在框架中，并使用例如橡胶辊轴的延展装置在网筛内侧上施加压力。材料穿过没用平板膜覆盖的网筛，从而包覆放在框架下的材料。通过上述丝网工艺形成的垫片继续在室温或者高温下进行预定时间的硬化处理，最后制成完整的产品。该丝网工艺的优点在于它是非常简单的工艺，其通过适当控制供应量可以大大降低材料损失，而且还具有优良的空间稳定性。因此，由于其成本效率和相对短的制造时间，丝网工艺比其它例如压模、MIPG(在放置垫圈(place gasket)中模压)或FIPG(在放置垫圈中成形)的方法更加优选。但是，正如本领域普通技术人员可以确定的那样，这些其它的方法在特定应用中可能是优选的。
丝网工艺通常应用100μm或更小的厚度，但是在本发明实施例中，该工艺应用200-400μm的厚度，因此对于粘度、固体分数(solid fraction)和液体橡胶的横截面形状等要求更多的限制条件。例如，通过使用具有大约从200到400(泊)的粘度和大于或等于70％的固体含量(非挥发性)的液体硅或氟材料制备1.5-2mm宽的垫片。
氟对于强酸具有高耐用性，但是当使用硅作为代用品时，优选使用酸性硅。而且，本发明中使用的橡胶具有大约从20到30的Hs(硬度肖氏(shoe)A)，以使安装压力保持在低水平。
而且，本发明的实施例将传统的一排垫片型改善为两排垫片型，为了防止冷却剂渗透入活化区(active area)，在活化区中，在隔板中的氧和氢原子之间进行电化学反应。因此制备的两排垫片型可以分为相对于隔板的内垫片和外垫片，设置在氧电极和氢电极之间的内垫片与MEA接触，然而，外垫片在垫片之间接触，从而提供双密封。在这种制备的双密封橡胶垫片中，外垫片可以防止冷却剂由于收缩/膨胀而渗透，因为它们与它们自己接触从而完全闭塞MEA和堆叠体的外部。因此，MEA完全不受外部因素影响。
而且，考虑到其体积对燃料电池功能的影响，本发明的两排垫片使每个垫片的体积最小化，其优点在于它们完全阻止了从单元电池(歧管)中或外部的污染。
而且，本发明使得在组装时在经由给定压力在隔板上安装垫圈的地方由于压力而导致的橡胶变形量能够与隔板外部边界完全对齐。因此，单元电池(歧管)中的反应气体没有被隔板、垫圈或MEA阻止，而是充足地提供，因此防止了由于不规则供应而引起的功能上的恶化。
而且，本发明可以提供凹槽，使其用作将与设置在MEA两个电极上的隔板连接的垫圈接触的表面精确对准的导轨。在隔板上加工的凹槽形成为大约从0.05到0.1mm的深度，而且根据橡胶变形量的计算确定其相对于外部边界的精确位置。
本领域普通技术人员非常清楚，本发明可以体现为其它形式、结构、排布和比例，而且可以使用其它元件、材料和组分。因此，本发明公开的实施例无论如何都看作是解释性的，而不是限制性的，本发明的范围由附加权利要求表示，而不限于前面的描述。
权利要求
1.一种用于燃料电池堆叠体的单元电池结构，该结构包括MEA、分别位于MEA相对侧的隔板，和分别位于MEA和每个隔板之间的垫圈，其中所述结构包括带有两排橡胶垫片的复合垫圈，每排橡胶垫片设置在MEA的顶部和底部，在组装时从顶部和底部的方向挤压，从而使所述垫片完全包围MEA的横截面表面。
2.根据权利要求1用于燃料电池堆叠体的单元电池结构，其中所述垫圈包括用于加强的支架，和连接到所述支架顶部上的两排橡胶垫片。
3.根据权利要求1或2用于燃料电池堆叠体的单元电池结构，其中所述垫圈组装成这种结构，其中在组装时只有所述支架插入到在所述垫圈和每个隔板之间形成的凹槽中。
4.根据权利要求1或2用于燃料电池堆叠体的单元电池结构，其中在所述垫圈中的两排垫片包括在所述垫片中的间隔，从而吸收压缩时的变形量。
5.根据权利要求1或2用于燃料电池堆叠体的单元电池结构，其中在完成组装之前(变形之前)所述两排垫片的每个边界分别与支架的边界一致。
6.根据权利要求1或2用于燃料电池堆叠体的单元电池结构，其中在完成组装之后所述两排垫片的每个边界分别与所述隔板的所述边界对齐。
7.根据权利要求2用于燃料电池堆叠体的单元电池结构，其中所述支架选自于由塑料膜、纺织物和金属组成的组。
8.根据权利要求3用于燃料电池堆叠体的单元电池结构，其中所述垫圈的支架设有用粘结剂处理的解除片。
9.根据权利要求3用于燃料电池堆叠体的单元电池结构，其中在所述垫圈连接到所述隔板之后以整体形式应用所述垫圈。
全文摘要
本发明涉及用于燃料电池堆叠体的复合垫圈，该复合垫圈包括两排垫片和一个支架，该支架通过使用体积小、具有低硬度的材料，可以提高可安装性和密封性能并降低安装压力。本发明还涉及用于复合垫圈组装的结构。
文档编号F16J15/10GK1674332SQ20041008227
公开日2005年9月28日 申请日期2004年12月30日 优先权日2004年3月27日
发明者曺圭择, 林泰源, 李起春, 金守焕, 李钟贤, 崔树显 申请人:现代自动车株式会社