专利名称：用于燃料电池的流场板和结合流场板的燃料电池组件的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池，用于燃料电池的流场板以及结合流场板的燃料电池组件。本发明更特别涉及一种密封传统燃料电池或燃料电池组组件的不同流场板和其它元件之间的堆的设备和方法，以便防止各个气体工作所需的气体和液体泄漏，以及将反应物送到燃料电池组的有效区域。
背景技术：
有各种已知类型的燃料电池。当前被认为可以用于很多应用的一种燃料电池是使用质子交换膜(PEM)的燃料电池。PEM燃料电池使得能够设计简单、紧凑的燃料电池，这种燃料电池具有鲁棒性(robust)，可以工作在与环境温度差别不大的温度下，而且对于燃料、氧化剂和冷却剂供给没有复杂的要求。
传统的燃料电池产生较低的电压。为了提供可用的功率，通常将燃料电池设计成燃料电池组，在一个单组内典型可以具有10、20、30或甚至100个燃料电池。虽然这确实提供了能够在可用电压上产生有效功率的单个部件，但设计会十分复杂，而且会包含大量元件，所有元件都必须小心装配。
例如，传统的PEM燃料电池需要两个流场板，一个阳极流场板和一个阴极流场板。在两个板之间提供了包含实际质子交换膜的膜电极组件(MEA)。此外，提供了气体扩散介质(GDM)，夹在各个流场板和质子交换膜之间。气体扩散膜使合适的气体燃料或氧化剂，能够扩散到质子交换膜表面，而且同时提供相关流场板和PEM之间的电传导。
这种基本的燃料电池结构需要两个密封，在每个流场板和PEM之间各提供一个密封。而且，这些密封不得不具有相对复杂的配置。特别是，如下面详细描述的，在燃料电池组中使用的流场板必须提供很多功能，因此需要一个复杂的密封装置。
对于燃料电池组，流场板在每一端都典型提供了孔或洞，因此一组流场板就形成了垂直穿过流场板的细长通道。因为燃料电池需要燃料、氧化剂和冷却剂流动，所以这典型共需要三对端口或六个端口。这是因为燃料和氧化剂必须流经每个燃料电池。虽然大多数燃料或氧化剂看情况会被消耗，但持续的流转确保不断到将任何杂质冲出燃料电池。
前面假设燃料电池是以水或类似的东西作为冷却剂的紧凑型配置。已知的组配置或依靠自然对流，或通过强制对流，利用空气作为冷却剂。这种电池组典型为冷却剂提供穿过组的开式通道，并且减轻了密封要求。通常又只需要为氧化剂和燃料提供密封了的供给通道。
因此，每个流场板典型每端有三个孔，各个孔作为燃料、氧化剂和冷却剂之一的入口或出口。在完成的燃料电池组中，这些孔排成一行，形成穿过整个燃料电池组的分配通道。因此将会认识到，密封要求是复杂且难于满足的。但是依据组/电池设计，燃料电池每种液体有多个入口和出口是可能的。例如，某些燃料电池的阳极、阴极和冷却剂中的每一个都有两个入口，冷却剂有两个出口，而阴极和阳极中的每一个只有一个出口。但是可以想象各种组合。
对于冷却剂，通常流经每个燃料电池的背部，以便在相邻的各个燃料电池之间流动。但是这不是基本的，结果很多燃料电池组设计只在每第二个、第三个或第四个(等)板处有冷却通道。这得到更为紧凑的组(更薄的板)，但会提供低于符合要求的冷却。这提出了对另一种密封的要求，即相邻的每对独立燃料电池之间的密封。因此，在完成的燃料电池组中，每个独立燃料电池会需要两个密封，就是将膜交换组件与两个流场板密封。因为这个目的，一个具有30个独立燃料电池的燃料电池组需要60个密封件。此外，如提到的，相邻的每对燃料电池之间需要一个密封件，而末端密封到集电器。对于一个30电池组，这额外需要31个密封件，因此一个30电池组共需要91个密封件(不包括用于母线、集电器和端板的密封件)，这些密封件中的每一个都具有复杂和精致的结构。在单个30电池组中，加上母线、绝缘板和端板所需的额外绝缘垫，各种配置的密封件的数量达到100个。
通常形成密封是通过在流场板中提供沟道或凹槽，然后在这些沟道或凹槽中放入预制密封垫来达到密封。密封垫(和/或密封材料)是以已知方法精确聚合和设计的，防止因接触燃料电池中的各种构造材料、各种气体和冷却剂而降解，冷却剂可以是用于热传递的水基、有机和无机液体。这里对弹性密封件的引用典型是指软密封垫片，是通过如弹性体的喷射、传递或压缩模塑法等已知方法依据燃料电池的各个元件分别模塑的。通过如插入喷射模塑法等已知方法可以在板上制作弹性密封件，无疑部件的组件就会更简单，但是由于如模子磨损、预制板的偏差和材料变化等固有工艺参数，制造这种密封件是困难而昂贵的。此外各个密封件和板设计需要定制加工。
在装配之后通常要夹紧燃料电池组，以便保护元件并确保在燃料电池组的密封件和有效区域上施加合适的压力。这种方法确保将接触电阻减小到最小，电池的电阻抗在最小值。到这里，燃料电池组典型具有两个牢固的端板，端板设定为足够刚硬，使得它们在压力下的变形在可接受的偏差之内。燃料电池还典型地具有电流母线，以便收集和集中来自燃料电池的电流达到一个小传播点，然后通过导线将电流传输给负载。还可以使用绝缘板来将电流母线和端板彼此热绝缘和电绝缘。然后在板对之间提供大量的细长拉杆、螺钉和类似的东西，使得能够将板、张力杆之间的燃料电池组夹紧。也可以使用铆钉、带子、钢琴丝、金属板以及其它装置来将组夹在一起。为了装配组，提供穿过一个板的拉杆，在端板上方放置绝缘板，然后是母线(包括密封件)，然后在拉杆规定的或由一些其它定位工具规定的空间内安装燃料电池的独立元件。对于每个燃料电池，这典型需要下列步骤(a)放置一个密封件将燃料电池与前面的燃料电池隔离开；(b)在密封件上放置一个流场板；(c)在第一流场板上放置一个密封件；(d)在流场板上的密封件内放置一个GDM；(e)在密封件上放置一个膜电极组件(MEA)；(f)在MEA的上方放置另一个GDM；(g)准备另一个带有一个密封件的流场板，并将其放置在膜交换组件的上方，同时确保第二个板的密封件落在第二GDM的周围；(h)然后这个第二或上方流场板露出一个容纳密封件的凹槽，如步骤(a)。
这个处理需要到形成最后一个电池，然后以母线、绝缘板和最终端板来结束之后才完成。
很多燃料电池设计中的一个问题是每个流场板必须有一个与供给孔连通、为适当流体规定分配通道的流场通道网络。几乎一直是将燃料电池设计为提供反应气体的流转，从而防止杂质堆积。因此，对于反应气体和冷却剂，每个流场通道网络与至少两个孔或端口连接。同时，很多设计仍然需要在每个流场板和MEA之间提供一个密封件，围绕MEA，更重要的是，在MEA和孔或端口之间提供一个密封件。这要求密封件或密封垫越过流场通道或连接部分，提供供给孔和流场通道的主要中心或有效部分之间的连接。
对于任何一种反应气体，可以提供一个密封垫，完全围绕对应第一流场板上的所有流场通道和供给孔。这将能够在流场板和MEA之间形成一个良好的密封。但是，在MEA的另一侧，必须提供一个密封垫，完全环绕第二流场板中用于将反应气体提供给第一流场板的孔。在这种配置中，部分膜将会覆盖在第一流场板上的开槽上，从而没有被完全支撑住，因此具有没有充分密封的危险，导致气体混合，据知这是非常不希望的。
另一种做法是在第一流场板上提供一个越过凹槽或沟道的密封垫。那么这会为MEA提供一些支撑，MEA就会夹在两个类似配置的密封垫之间。但是，在密封垫越过第一流场板上的开槽的地方，不会完全支撑住密封垫，这会导致两个问题。首先，缺少对密封垫的支撑会导致对MEA的不完全密封。其次，密封垫往往会伸入流通道，妨碍气体流动。
很多以前的设计没有处理这个问题，只是假定任何不希望的密封垫偏入流场通道不会造成值得注意的困难。所以，一旦受压的密封垫陷入通道的连接部分，则至少会部分阻塞通道，而且如提到的，同时会有不适当的压力加在MEA上，导致MEA一侧或另一侧上的密封失败。
美国专利号6,017,648已经找出并着手解决这个问题。该专利提到了以前的一种技术，该技术使制造流场板变得非常复杂，要求钻出各个从供给孔到流场通道主要部分的钻孔，这有效的确保了连接通道部分是被围绕的。该美国专利提出了一种替代技术；流场通道是完全开放的，但是提供了桥式零件来封住连接通道部分，由此提供了密封垫的支撑。这种技术仍然是复杂的，增加了零件的数量，使燃料电池组甚至更加复杂，而且存在着确保所有桥式零件在装配期间正确定位和装配之后保持在原位的问题。此外，如果各种组件上存在不适当的偏差，桥式零件可能不会与流场板顶部完全平齐，又会导致密封垫的不正确密封，或者过高的局部压力导致损坏流场板。此外，本发明的委托人先前已经开发了一种类似的装置，提供“桥式”零件来防止密封垫陷入流场通道。
因此，应认识到装配传统的燃料电池组是困难的，耗时的，而且经常会造成密封失败。美国专利号6,017,648中提出的技术很大程度上只是用一个问题替代了另一个。
因为所有这些原因，传统燃料电池的制造和装配是耗时和昂贵的。更特别的是，现有装配技术完全不适合在生产线基础上大规模生产燃料电池。
发明概述根据本发明，提供了一种用于燃料电池的流场板，流场板具有一个前面，与互补流场板为膜电极组件形成一个腔室，以及一个后面，流场板包括至少两个孔，用于反应气体提供给该腔室；在其前面，反应气体流场通道；对于每个孔，在流场板后面延伸的孔延长部；对于每个孔，至少一个从流场板的后面穿过流场板到其前面的狭槽，提供了对应的孔延长部与反应气体流通道之间的连通。
根据本发明的另一方面，提供了一种包括至少一个燃料电池的燃料电池组件，其中每个燃料电池包括第一和第二互补流场板，流场板包括前面和后面，前表面相互面对并形成一个燃料电池腔室；一个膜电极组件和气体扩散介质，在燃料电池腔室内装配；每个流场板中至少两个用于第一反应气体的第一孔和每个流场板中至少两个用于第二反应气体的第二孔；其中第一流场板包括在其前面的第一反应气体流动通道；从第一反应气体流动通道延伸到其后面的第一狭槽；对于其每个第一孔，在其后面，第一孔延长部提供了其第一孔和第一狭槽之间的连通；以及其中第二流场板包括在其前面的第二反应气体流动通道；从第二反应气体流动通道延伸到其后面的第二狭槽；对于其每个第二孔，在其后面，第二孔延长部提供了其第二孔和第二狭槽之间的连通。
附图简述为了更好的理解本发明和更清楚的显示可以怎样将其实现，现在通过举例的方式对附图进行引用，附图通过举例的方式显示了本发明的优选实施方案，其中
图1显示了根据本发明的燃料电池组的等角视图；图2显示了图1燃料电池组的等角分解图，从而显示其分离元件；图3和4分别显示了图5和6的燃料电池组的阳极双极流场板的前视图和后视图；图5以较大的比例显示了图4的部分5的平面图，较为详细的显示了一个供给孔；图6a显示了图5供给孔的透视图，是局部剖视并显示了燃料电池组的相邻元件；图6b显示了类似于图6a的透视图，但是比例较大；图7和8分别显示了图1和2的燃料电池组的阴极双极流场板的前视图和后视图；图9以较大的比例显示了图8的部分9的平面图，较为详细的显示了一个供给孔；图10a显示了图9供给孔的透视图，是局部剖视并显示了燃料电池组的相邻元件；图10b显示了类似于图10a的透视图，但是比例较大；图11显示了一个阳极端板的后视图；图12以较大的比例显示了图11的细节12的视图；以及图13显示了图12沿着线13的截面图。
图14显示了阴极端板的后视图；以及图15以较大的比例显示了图14的细节15的视图。
发明详述传统上，对于燃料电池中两个相对板上的各对凹槽，可以提供某些形式的预制密封垫。现在，根据美国专利申请号______中提出的发明，可以通过合适的管道将各种凹槽连接在一起，形成一个连续的凹槽或通道。然后，将密封材料注入这些各式凹槽，从而完全填充凹槽。然后通过使密封剂承受合适的高温来使其固化，达到完全的密封。在本发明的燃料电池组中可以使用这两种密封技术或任何其它合适的密封技术。
首先参看图1和2，显示了组100的基本元件。因此，组100包括阳极端板102和阴极端板104。用已知的方法为端板102、104提供连接端口来供给必须的流体。106、107表示空气连接端口；108、109表示冷却剂连接端口；110、111表示氢连接端口。虽然没有显示，但是应认识到，在燃料电池组的阳极面将提供对应于端口109、111的对应冷却剂和氢端口。象以前的实施方案一样，各种端口106-111连接到贯穿燃料电池组的分配通道或管道。端口成对提供，并且始终贯穿燃料电池组，从而使燃料电池组连接到各种必须的设备。这也使得很多燃料电池组能够以已知的方式连接在一起。
紧挨着阳极和阴极端板102、104的是绝缘器112和114。以已知方式紧挨着绝缘器的是阳极集电器116和阴极集电器118。
在集电器116、118之间，有很多燃料电池。在这个特定实施方案中有十个燃料电池。图5为了简化只显示了一个燃料电池的元件。因此，图5中显示了阳极流场板120、第一或阳极气体扩散层或介质122、MEA 124、第二或阴极气体扩散层126和阴极流场板130。
为了将组件结合在一起，提供了拉杆131，拉杆131旋入阳极端板102中的螺纹钻孔，穿过阴极端板104中对应的光面钻孔。以已知的方式提供螺母和垫圈来固定整个组件，确保单个燃料电池的各种元件夹在一起。
现在，本发明涉及到密封件及形成它们的方法。同样的，应认识到，燃料电池组组件的其它元件大部分是传统的，这里将不会详细描述。特别是，为流场板、MEA和气体扩散层选择材料是传统燃料电池技术的问题，这些内容本身不会成为本发明的组成部分。
在下面的描述中，也要认识到，关于阳极和阴极流场板120、130的表示“前”和“后”指它们相对于MEA的方向。因此，“前”表示朝向MEA的表面；“后”表示远离MEA的表面。因此图9和10中端口的结构与图7和8相比是相反的。
现在参看图3到6，显示了阳极双极板120的细节。如图示，板120通常是矩形的，但可以是任何几何形状，包括图7中显示的前或内表面132和图8中显示的后或外表面134。前表面132提供了用于氢的通道，而后表面134提供了方便冷却的通道装置。
对应于整个组组件的端口106-111，流场板120有用于空气流的矩形孔136、137；用于冷却剂流的一般是正方形的孔138、139；以及用于氢流的一般是正方形的孔140、141。这些孔136-141与端口106-111对准。在所有流场板上都提供了对应的孔，从而形成了以已知方式穿过燃料电池组的管道或分配通道。
现在，为了将燃料电池组100的各种元件密封在一起，流场板要提供凹槽来形成一个凹槽网络，如下面详细描述的，凹槽网络接受并形成一个冷却剂流，形成穿过燃料电池组的密封。现在将描述这个在阳极流场板120两个面上的凹槽网络的元件。
在前表面132上，前凹槽网络或网络部分以142表示。凹槽网络142深0.024″，宽度的变化如下所示。
凹槽网络142包括边槽143。这些边槽143的宽度是0.153″。
在一端，孔136、138和140周围，凹槽网络142提供了相应的矩形凹槽部分。
矩形凹槽部分144用于空气流136，包括外凹槽段148，该段延伸到凹槽端149中，这些段的宽度都是0.200″。内凹槽段150的宽度是0.120″。对于用于冷却液的孔138，矩形凹槽145包括在三条边周围提供的凹槽段152，每个凹槽段的宽度也是0.200″。对于孔140，矩形凹槽146包括与凹槽段152基本一致的凹槽段154，而且每个的宽度也是0.200″。对于凹槽段152、154，有内凹槽段153、155，类似于宽度为0.120″的凹槽段150。
要提到的是，在相邻的孔对136、138和138、140之间，存在凹槽连接部158、159，总宽度为0.5″，从而在相邻凹槽段之间提供了一个平滑的过渡。凹槽连接部158的这种结构以及凹槽段150、153、155的厚度与外凹槽段相比减少了是要确保冷却剂材料流经所有凹槽段并均匀填充它们。
为了提供穿过各个流场板等等的连接，提供了一个连接孔160，宽度为0.25″，圆形端半径为0.125″，总长度为0.35″。如图3中所示，选定连接孔160的尺寸，使得明确地截断凹槽段152、154。因为连接孔160贯穿到端板而且端板具有对应的凹槽形状，所以在端板、绝缘器和集电板上也会找到这种结构。在图12和15中会较为详细地看到这种结构并在下面进行描述。
图8中显示了阳极流场板的后密封件分布图。这包括边槽162，与前表面上的边槽相比宽度较宽，为0.200″。在空气孔136周围，有凹槽段164，宽度一致也是0.200″。这些连接到第一凹槽连接部166。
对于冷却剂孔138，凹槽段168在三条边周围延伸，宽度也是0.200″。如显示，孔138在内侧是开口的，使得冷却液能够流入所示的通道网络。如显示，通道网络要这样促进冷却流均匀分布整个流场板的后部。
对于燃料或氢孔140，在三条边上有凹槽段170。凹槽连接部172连接孔138、140周围的凹槽段。
用于孔140的最里面的凹槽段174与凹槽段155相比放置的间隔更大。这使得流通道176能够在凹槽段155下方延伸。然后提供了传输狭槽178，使气体能够从流场板的一侧流向另一侧。如图3中所示，这些狭槽位于流场板的前面，并提供了一个通道网络使气流均匀分布整个板的前面。图8中孔136、138和140周围的完整矩形孔分别标示为182、184和186。
图5和6详细显示了孔140周围的流通道，图6又显示了流场板阳极和阴极120、130的互补作用。如下面关于图7-10详细描述的，阴极流场板在其后面提供了隔开流通道240的突出部分242。这些突出部分242与突出部分212互补，并在其中间夹入一个MEA；同样通道240与通道176互补。因为突出部分212、242没有到达孔140的边缘，所以图6的视图显示了一个板120、130之间的狭槽，引导燃料气体穿过流通道176、242到狭槽178。
如图3和4中所示，阳极流场板120另一端的孔137、139和141的结构是类似的。为了简明扼要，就不重复这些通道的描述。使用相同的引用数字来表示各种凹槽段、连接部等等，但以后缀“a”来区分它们，例如图3中的凹槽部分144a、145a和146a。
现在参看显示了阴极流场板130结构的图7到10。首先要提到的是，密封凹槽的排列与阳极流场板120的排列是基本一致的。因为设计要求在两个流场板之间夹入MEA 124，而且彼此完全相对的来形成密封，所以这是必须的。通常优先设计组组件，使得密封件彼此相对，但这不是必须的。也要认识到，阳极和阴极流场板120、130的前面密封路径(凹槽)是彼此的镜像，就像它们的后面一样。因此，也是为了简明扼要，在图7到10中使用相同的引用数字来表示密封通道组件的不同凹槽段，但用撇号来表示它们用于阴极流场板。
对于阴极流场板130，必须提供前表面上的凹槽结构来达到来自氧化剂孔136、137的氧化剂流的均匀分布。在阴极流场板后面提供了狭槽180，提供了用于氧化剂的孔136、137和板前面的网络通道之间的连接。与阳极流场板的四个相比，这里为每个孔提供了五个狭槽。在这种情况下，按照燃料电池常用的，使用空气作为氧化剂，因为空气近80％为氮，所以必须提供更大的气流以确保供应足够的氧化剂。
在阴极流场板130的后面，没有为冷却水流提供通道，后表面完全是平的。利用不同的深度来补偿不同长度的流通道及其中的不同流体。但是，需要为每个组设计优化密封件的深度和宽度。
图9和10类似图5和6，详细显示了连接孔136到狭槽180的流通道。在那里，突出部分222(图4)和232也在不到孔136的边缘处停止，因此在图10中不可见。突出部分222和232彼此邻接，从而为用于密封件的凹槽网络的凹槽提供支撑。然后流通道220、233彼此互补，提供了孔136和狭槽180之间的流通道，但同时由MEA保持隔离。现在将参看详细显示了阳极和阴极端板的图11到15。这些端板带有与流场板的凹槽网络对应的凹槽网络。
因此，对于阳极端板102，具有凹槽网络190，对应于阳极流场板120前面的凹槽网络。同样，使用相似的引用数字来表示在图11-13和14-15中详细显示的阳极和阴极端板102、104的不同凹槽段，但通过后缀“e”来识别。如192处所示，提供了螺纹钻孔来接受拉杆132。
现在，根据本发明，提供了连接端口194，如图13中最佳显示的。连接端口194包括螺纹外部196，这是以已知方法钻孔并刻出螺纹的。外部196延伸到直径较小的短部198，短部198又与连接孔160e相连。但是可以使用任意的液体连接器。
与流场板对应，阳极端板102有两个连接端口194，连接到连接孔160e和160ae，如图12和13最佳显示的。
相对的，图14和15详细显示了阴极端板，图15与图12一样显示了通到凹槽段的连接。阴极端板内表面上的凹槽分布图与阳极流场板的凹槽分布图对应。如下面详细描述的，使用时，这种排列使得能够提供密封材料来密封各种密封凹槽和通道。一旦形成密封，接下来就除掉密封材料的供应导管，并插入封闭塞，这种封闭塞在图5中以200表示。
目前，本发明的密封可以是传统的密封垫，或者如美国专利申请____中提出和要求权利的，通过注入液体硅橡胶材料到燃料电池组不同元件之间的各种凹槽中来达到密封。
在使用中，利用适当数量的燃料电池来装配燃料电池组100并使用拉杆131夹在一起。那么组就包含上面关于图5列出的元件，要提到的是，与传统燃料电池组相比，暂时在所有元件之间都没有密封。但是存在绝缘材料来防止阳极和阴极板接触MEA(防止短路)，而且绝缘材料作为MEA的一部分来提供。这种材料既可以是它本身lonomer的一部分，也可以是某些适合的材料(含氟聚合物、聚酯薄膜等等)。另一种选择是双极板在这些区域中是不导电的。
如果检测到任何泄漏，则最可能是必须要修补燃料电池了。燃料电池组在组中的燃料电池数量的范围可以很大。电池的数量可以从1到一百，或者是可以想到的更多。在可以牢固密封单个电池和/或可以轻易替换密封件的地方，这可以会有好处。燃料电池可以使用一种在共同悬而未决的美国专利申请号______中提出的适当密封技术来密封。
另外，可以形成具有单个燃料电池或只有几个燃料电池的燃料电池组，这些可能需要更多的组内连接，但意图是通过各个单个燃料电池组可靠性的固有鲁棒性来大大补偿这一点。这个思想可以一直向下应用到单个电池单元(认作是膜电极单元或MEU)，那么这将能够制造任意长度的组。
优选形成该MEU，使得很多这种MEU可以轻松简易的夹在一起，形成一个具有希望容量的完整燃料电池组。因此，MEU将只具有流场板，流场板的外或后表面要进行改装，使得与其它MEU的对应表面相匹配，从而提供必要的功能性。典型的，改装MEU的表面形成一个冷却燃料电池的冷却剂室。MEU的一个外表面可以一起预制一个密封件或密封垫。那么另一个表面可以是平面的，或者可以开槽来容纳其它MEU上的预制密封件。这个外密封件或密封垫可以在根据美国专利申请号_在适当位置注入而形成内密封件的同时形成。为了这个目的，可以用一个半模对着MEU的外表面，然后可以在将密封材料注入MEU自身内部的凹槽网络的同时，在半模和MEU外表面之间形成的密封件轮廓中注入密封材料。要形成一个完整的燃料电池组件，只有一件事，选择希望数量的MEU，在端板之间将MEU和通常的额外末端元件，例如绝缘器、集电器等等，夹在一起。MEU的外表面和预制密封件形成必需的额外腔室，特别是用于冷却剂的腔室，该腔室将连接到整个组件中的适当端口和通道。这将使得能够根据标识为MEU的单个基本单元来配置多种燃料电池组。要提到的是，MEU可以只是单个电池，或者可以是很小数量的燃料电池，例如5个。在完成的燃料电池组中，替换一个不成功的MEU是简单的。重新组装只要求确保在相邻的MEU之间形成适当的密封以及各个MEU之间的密封不会被这个过程破坏。
参看图3-6，这些图详细显示了根据本发明的关于阳极流场板的气流安排。首先要提到的是阳极流场板的前面，通常表示为132，所有的孔136-141与流通道隔离。为了提供氢、燃料气体的流动，提供了传输狭槽178，贯穿到阳极流场板120的后面或背部。如图3、4、5和6中所示，孔140、141每一个都包括一个在内凹槽段155、155a下方延伸的孔延长部210。前表面上的凹槽网络142包括密封表面部分上的凹槽部分，它围绕孔140、141，将它们与包含狭槽178的主有效区域分隔开。在后面，凹槽部分或密封表面部分围绕两个孔140、141以及狭槽178。这些孔延长部每一个都包括突出部分212，突出部分212形成了流通道214，提供了各个孔140、141与传输狭槽178之间的连通。
如图6中最佳显示的，用于密封件或密封垫的众多凹槽段174是偏移的，即它们不位于凹槽段155、155a的正对面。这样做的结果是在后面，狭槽178由流通道176连接到孔140、141；在前表面上，传输狭槽178直接通向贯穿前表面的有效区域的流通道216。
如显示，在后表面上提供用于冷却剂，在孔138、139之间延伸的流通道218。
提供突出部分212来确保对板120形成凹槽段155、155a的部分的适当支撑。如下面详细描述的，在阴极流场板130的后面提供了相应的突出部分242，所有这些突出部分与对应流场板的表面平齐，因此突出部分212、242彼此相邻，支撑各自的凹槽段。
另外，对于用于空气或其它氧化剂流动的孔136、137，提供了孔延长部220。与孔140、141对应，孔延长部220在凹槽段150、150a下方延伸，从而提供对它们的支撑。因此板120后表面上的后凹槽段164、164a在内部偏移。与突出部分212对应，提供了突出部分222，如下面详细描述的，与阴极流场板上的突出部分互补。
现在参看阴极流场板130，详细的结构一般与阳极流场板120的结构一致。
因此，对于阴极板130的孔136、137，提供了孔延长部230。在阴极流场板的前表面上，所有的孔136-141被封闭，并且为孔136、137提供了内凹槽段231。提供了传输狭槽180，将前表面上以236表示的液流通道连接到后表面。在后表面上，孔延长部230包括形成流通道233的突出部分232，提供了孔136、137和传输狭槽180之间的连通，并支撑凹槽段231。
与关于阳极板的一样，凹槽段234、234a相对于凹槽段231、231a偏移。
突出部分232、232a与阳极流场板的突出部分222、222a互补，用于支撑膜。这提供了两个功能。首先如提到的，它提供了对每个凹槽段231的支撑。
在后面提供了流通道238，与端口138、139连通，也是为了冷却的目的。流通道可以为了冷却剂的有效流动，与阳极流场板后面的流通道互补，或者可以只是从没有明确规定的通道开始。
如图8显示，也是为了互补阳极流场板120，为阴极流场板130的孔140、141提供了包括突出部分242、242a的孔延长部240、240a。这些突出部分与突出部分212、212a互补。以类似的方式，这种安排提供了对阳极流场板的支撑。
现在转到图11和14，这些图显示了阳极和阴极端板102、104的后视图。如显示，为这些端板提供了密封装置，标示为图11上的凹槽网络190和图14上的190′。
如显示，在每个端板102、104上，端口106、107和111通向腔室，装配了标示为240的延长部。这些延长部240对应于阳极和阴极流场板120、130上的孔延长部210、220、230、240。端口108、109通向提供了用于冷却剂的流通道的主腔室，也是分别具有对应于阳极和阴极流场板120、130后面上流形状的形状。
虽然相应于质子交换膜(PEM)燃料电池描述了本发明，但是要认识到，本发明通用于任何类型的燃料电池。因此，本发明可以应用于使用碱性电解质的燃料电池；使用磷酸电解质的燃料电池；高温燃料电池，例如使用类似于质子交换膜但适于工作在200℃左右的膜的燃料电池；电解再生燃料电池。
权利要求
1.一种用于燃料电池的流场板，流场板有一个前面，该前面与互补流场板为膜电极组件形成了一个腔室，和一个后面，该流场板包括至少两个孔，用于反应气体供应给所述腔室；在其前面，反应气体流场通道；对于每个孔，在流场板后面上延伸的孔延长部；对于每个孔，至少一个狭槽，从流场板的背面到前面贯穿流场板，提供对应孔延长部和反应气体流通道之间的连通。
2.一种如权利要求1中要求的流场板，包括前面和后面的密封表面，用于形成一个带有燃料电池相邻元件的密封件，其中流场板前面的密封表面包括，关于每个孔的第一密封表面部分，围绕对应的孔并将至少一个狭槽与对应的孔隔离开，以及在其后面的第二密封表面部分，一起围绕所述至少一个狭槽和孔。
3.一种如权利要求2中要求的流场板，对于每个孔，包括多个狭槽。
4.一种如权利要求3中要求的流场板，其中每个孔延长部包括多个突出部分，形成了从孔延伸到狭槽的流通道。
5.一种如权利要求3中要求的流场板，其中包括至少两个用于第二反应气体的第二孔；在其前面，关于每个第二孔的第二孔延长部和在第二孔延长部中提供的多个第二突出部分，用于邻接第二流场板用于第二反应气体的突出部分。
6.一种如权利要求5中要求的流场板，包括，在其后面，关于每个第二孔的、围绕对应第二孔的后密封部分，以及在其前面，围绕对应的第二孔及相关的第二孔延长部的第二、前密封部分，其中第二前和后密封部分包括彼此偏移的密封表面段。
7.一种如权利要求6中要求的流场板，其中每个密封表面部分包括一个用于容纳密封件的凹槽。
8.一种如权利要求6或7中要求的流场板，包括至少两个用于冷却剂流的第三孔；在其后面，在用于冷却剂流的第三孔之间提供流通路的流通道；以及在其前面，围绕第三孔的密封部分。
9.一种燃料电池组件，包括至少一个燃料电池，其中每个燃料电池包括第一和第二互补流场板，包括一个前面和一个后面，前表面彼此相对，形成了一个燃料电池腔室；在燃料电池腔室内提供的一个膜电极组件和气体扩散介质；每个流场板中至少两个用于第一反应气体的第一孔和每个流场板中至少两个用于第二反应气体的第二孔；其中第一流场板包括在其前面的第一反应气体流通道；从第一反应气体流通道延伸到其后面的第一狭槽；在其后面，关于其每个第一孔的第一孔延长部，提供了其第一孔和第一狭槽之间的连通；以及其中第二流场板包括在其前面的第二反应气体流通道；从第二反应气体流通道延伸到其后面的第二狭槽；在其后面，关于其每个第二孔的第二孔延长部，提供了其第二孔和第二狭槽之间的连通。
全文摘要
一种用于燃料电池的流场板，在其前面有用于反应气体的流通道和从其前面延伸到后面的至少两个狭槽。在后面提供了至少两个用于反应气体的孔，并且有一个孔延长部，提供了一个从每个孔到各自狭槽的流通路。这使密封表面能够在两个面上偏移，以便被完全支撑。这种安排避免了必须提供穿过流通道的密封件或密封垫并确保完全支撑每个密封垫的所有部分。
文档编号H01M8/02GK1547785SQ02814222
公开日2004年11月17日 申请日期2002年3月28日 优先权日2001年5月15日
发明者D·弗兰克, D 弗兰克, J·卡格内里, 衲诶 申请人:洁能氏公司