专利名称：用于湿密封的柔性部件的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池，具体地说，涉及高温燃料电池叠堆的湿密封区域使用的柔性部件。更具体地说，本发明涉及用于湿密封区域保持压缩压力的柔性部件，所述湿密封区域由靠近各个燃料电池周边的双极板部分限定。
背景技术：
一般的燃料电池叠堆通常有几百个串联的燃料电池。在叠堆工作寿命期内，为了工作正常，运行期间堆内所有电池之间都必须保持紧密接触。考虑到的影响达到此要求的因素包括电池部件的制造公差、运行中电池部件热膨胀的不均匀和产生叠堆收缩的电池部件的长期压实。在下面的进一步说明中会特别关注叠堆运行中阴极部件的收缩。
碳酸盐燃料电池叠堆内的燃料电池包括双极板结构。所述双极板是配置于相邻的两个电池之间的平的长方形不透气部件，它包括面向一个相邻的电池的第一表面和面向相邻的另一电池的第二表面，双极板提供在相邻的电池内与集流器的电接触。双极板的两个相对的边缘弯折在板的第一表面上形成两个密封凸缘，另两个边缘弯折在板的第二表面上形成另两个密封凸缘。各个密封凸缘的至少一部分包括平行于双极板第一或第二表面并与之隔开的所述弯折边缘的平的部分。各个弯折边缘的平的部分和与所述平的部分分隔开的相应的第一或第二表面之间的区域限定双极板各侧的两个湿密封区域。双极板的各个第一和第二表面附近的两个湿密封区域之间的区域是电池工作区域。
在碳酸盐燃料电池的一个典型实施例中，阴极是用疏松氧化镍粉末床制成的，并放置于电池工作区域，但由于部件高度和容易组装的考虑不延伸到湿密封区域内。而是用等厚的金属垫片取代湿密封区域内的阴极。因此，包括所述金属垫片在内的电池周边的结构强度高于电池工作区域，而阴极就配置于电池工作区域内。
燃料电池叠堆要在压负荷下运行以保证燃料电池工作区域内的电池部件间正常的电接触并保持燃料电池周边的湿密封区域内的气体密封。叠堆运行开始时叠堆压缩压力平均分布于各块燃料电池的工作区域，但因为阴极收缩，压力转移到湿密封区域。由于阳极收缩，类似的压缩压力转移还发生于各块燃料电池的阳极侧，阳极收缩程度小于阴极收缩。这两种情况的压缩压力从电池工作区域转移到湿密封区域都是不希望的，因为这会引起电池工作区域内的压损失，从而使接触电阻增加并最终损害电池性能。
希望使湿密封区域适合保持压缩压力的分布以补偿叠堆工作寿命期内阴极和阳极收缩，从而电池工作区域内的接触电阻不增加。以前，人们多次尝试过在电池周边的湿密封区域内使用阴极部件，但一直没有成功。
美国专利4,514,475号说明了一种在各个湿密封区域下面插入一组金属层以提供弹簧性能的湿密封结构。所述弹簧性能靠的是薄金属片表面缺陷，这种缺陷，电池与电池各不相同，因此没有重复性。如果金属片的可压缩性不足，必须进行机械加工制出波纹或不平。这种密封还要组装许多零件，这样增加成本和制造密封件的难度。
美国专利4,604,331号说明了一种膜盒式密封凸缘的湿密封结构。这种凸缘通过各安装两个手风琴式带褶侧壁在垂直于双极板平面的方向上具有可压缩性。所述侧壁中的一个把凸缘的平的部分与双极板体连接起来，另一个侧壁连接于凸缘的平的部分，但终止在不到双极板体处。通过在由凸缘的平壁和双极板形成的通道内插入加强件控制凸缘的弹性。这种组合件要求的零件少一些，但这种结构的湿密封膜盒的弹簧性能基本不同于电池的密封装置。
发明内容
本发明的一个目的是克服一般的碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池(“SOFC”)和质子交换膜(“PEM”)燃料电池的上述缺点和其它缺点，更具体地说，提供燃料电池湿密封区域的柔性部件以保持压缩压力的分布并防止燃料电池叠堆运行期间接触电阻的相应增加。
本发明的再一目的是提供具有类似电池密封装置的弹簧性能，适应燃料电池叠堆运行期间阴极和阳极收缩并防止密封凸缘无控收缩的柔性部件。
本发明的又一目的是提供可靠、便宜、并易于制造和安装的用于燃料电池叠堆内燃料电池的湿密封区域内的柔性部件。
本发明通过提供用于燃料电池湿密封区域内的柔性部件克服了一般燃料电池内的密封凸缘的缺点，达到以上目的和其它目的。根据说明性实施例，本发明的柔性部件与有外歧管或内歧管的燃料电池叠堆一起使用，所述叠堆在第一和第二端板之间有许多燃料电池并在压负荷下运行，所述压负荷提供各燃料电池工作区域中部件之间的电接触。在压负荷下，因为阴极在叠堆运行期间收缩，本发明的柔性部件有助于既保持电池工作区域又保持湿密封区域的电接触。所述柔性部件适合在垂直于双极板平面的方向受压缩同时又防止密封凸缘损坏与无控收缩。
所述柔性部件基本覆盖湿密封区域并有适合配置于所述湿密封区域的平的主体部件。所述主体部件包括从其平面上向外延伸的多个部分，所述部分使柔性部件在配置于电池工作区域的阴极部件收缩时能被压缩。柔性部件可稍稍被压缩是因为在叠堆的工作寿命开始时所述部分向主体部件移动，从而当阴极收缩发生时对电池工作区域保持压缩压力。一当阴极显著收缩结束，以及柔性部件完全受压，亦即所述部分移入主体部件的平面时，湿密封区域得到受压部件的加强。压缩状态的柔性部件可以防止湿密封区域在高压缩压力下遭受巨大损坏。因此本发明的柔性部件结构，包括平的主体部件和向外延伸的部分在内，给予燃料电池的湿密封区域柔性以补偿燃料电池叠堆运行时阴极收缩和电池工作区域相应的弱化，并防止湿密封区域无控收缩，所述湿密封区域是双极板结构的弯折边缘形成的双极板各边的密封凸缘限定的。
根据本发明的燃料电池叠堆有多个包括一种双极板结构的燃料电池，所述双极板结构的各边折回到所述板上在双极板的各表面形成两个平行的密封凸缘。各个密封凸缘限定湿密封区域，在所述湿密封区域中配置柔性部件。
在阅读包括附图的详细说明后就会更加明了上述的和其它的特点与方面，附图中图1A是现有碳酸盐燃料电池结构切去某些部分后的细部透视图；图1B是图1A的一般碳酸盐燃料电池结构内双极板的细部透视图；图2是有非柔性湿密封插件的一般燃料电池的透视图；图3是燃料电池的湿密封区域内有根据本发明的柔性部件的燃料电池的透视图；图4是显示图3的柔性部件在不同压缩负荷下偏转特性的图表；图5是图3的柔性部件的体部件和各部分的细部透视图；图6A是本发明第二实施例的柔性部件的主体部件和各部分的顶视图；图6B是本发明第三实施例的柔性部件的主体部件和各部分的顶视图。
具体实施例方式
本发明通过在靠近燃料电池的周边插入用于湿密封的柔性部件的办法克服现有湿密封结构的上述缺点。具体地说，正如说明性实施例所示和下面的更详细的说明所说明的那样，所述湿密封包括插入所述湿密封区域的特制的柔性部件。
图1A显示碳酸盐燃料电池叠堆内的碳酸盐燃料电池结构10。如图所示，双极板结构15把两块相邻的电池分隔开，使之分别位于双极板的第一表面15A和第二表面15B。双极板结构15在图1B中显示得更详细。如图1B所示，板15的两个相对的边缘弯折在板15的第一表面15A上形成两个密封凸缘20，板15的另两个相对的边缘弯折在板15的第二表面15B上形成两个密封凸缘21，后两个密封凸缘21与前两个密封凸缘20垂直。各个密封凸缘20、21都包括与双极板15分开并与之平行的平的部分23。包括平的部分23的密封凸缘20、21和双极板15与平的部分23相对的部分限定各个湿密封区域25，从而靠近双极板15的各个表面15A、15B有两块平行的湿密封区域25。湿密封区域25之间的区域限定电池工作区域30。
回到图1A，在靠近双极板的第一表面15A的燃料电池的一部分配置阳极40，所述阳极夹于多孔基体层35与阳极集电器45之间，所述集电器紧靠双极板15的第一表面15A。所述阳极集电器45在阳极40之上分布燃气流48并把电子从阳极传到双极板15。与此类似，在靠近双极板15的第二表面15B的燃料电池的一部分配置阴极50，所述阴极靠近阴极集电器55，所述集电器紧靠双极板15的表面15B。阴极集电器55把氧化剂分布在阴极50上并把传到双极板的电子传到阴极50。在此说明性实施例中，阴极50是疏松的氧化镍粉末床。
燃料电池的许多部件在燃料电池叠堆运行中大小都发生变化，但阴极收缩最为显著。如图2所示，在一般的燃料电池中，阴极50只配置于电池工作区域30。在湿密封区域25中，用等厚的金属垫片28取代阴极50。因此，阴极50收缩时，压缩压力从电池的工作区域30转移到包括金属垫片28在内的湿密封区域25。
根据本发明并如图3所示，在湿密封区域25内使用柔性部件60。正如就图4和图5所作的更详细说明那样，部件60是可压缩的，因此阴极收缩时，部件60相应地被压缩，电池工作区域30的电接触得以保持，防止接触电阻增加。在压缩负荷更大的情况下，阴极收缩大致完成时，充分压缩了的部件60向电池工作区域30提供防止密封凸缘20、21损坏的力量。
正如在图3内可以看见和图5更详细显示的那样。根据本发明的说明性实施例，柔性部件60有一般为细长的长方形的平垫片或主体部件61，其尺寸为配置主体部件的湿密封区域的尺寸所限定。应该指出，柔性部件60的主体部件61除了这两幅图中显示的一般为细长的长方形外还可以有为配置主体部件的湿密封区域所限定的许多其它结构和形状。
所述主体部件61有从其自身部分地切出的部分65，如图5所示，这些部分65都以一边连接于部件61。在此图中还可以看到，这些部分65都以类似的一边连接于部件61从而以伸臂的方式从主体部件的平面向同一方向外伸。然而，部分65相对于主体部件61的方向和互相之间的方向可以不同。具体地说，如图6A和图6B所示，这些部分65可以采用沿一侧排列的小片状或错列的小片状结构。图6A显示各个部分65沿部件61的长度方向成行排列，其中各个部分65连接于主体部件61的同一侧从而从主体部件61的平面向垫片的长边方向外延伸。如图6B所示，各行的部分65错列。各行内的部分65连接于主体部件61相对的边，从而一排内的部分65从主体部件61的平面向外延伸的方向与相邻的错列排内的部分65从主体部件61的平面向外延伸的方向相反。可以理解，还有其它各种结构与本发明的柔性部件一致。
各个部分65以大致相同的角度θ从主体部件61向外延伸。部分65与主体部件61的夹角(θ角大致在2-50度的范围内)一直保持到施加了足够的压力各个部分65朝主体部件61的平面移动，从而减小各个部分65的角度θ。在说明性实施例中，施加压力前的角θ大致为4度，各个部分65和与主体部件61相联边相对的那侧到主体部件61的平面的距离大致在0.01和0.06英寸之间。
在主体部件61上制造或从其上切割出各个部分65提供直到最大负荷的应力下的很大的柔性量，在该应力下各个部分65完全被压下。超过最大负荷，主体部件61不能再压缩；各个部分65位于主体部件的平面内，主体部件起到向湿密封区域提供强度并防止湿密封区域损坏的硬片的作用。如果压缩压力减小或消除，各个部分65在受压过后从主体部件移开并回到原来的角度位置。柔性部件60在这方面也是有弹性的。
因此，部分65与主体部件61之间的角θ在最大压缩负荷下减少到零度，并且部分65位于主体部件平面内的完全受压位置，不再提供柔性。主体部件61在被压平的状态下在任何更大压缩负荷下加强并支承燃料电池的湿密封区域。主体部件61的从其上部分切割出的各个部分65有了这种结构既可以在压缩时起提供柔性的压缩弹簧部件的作用又可以在最大压缩水平时起向燃料电池的湿密封区域提供强度并予以支承的弹性支承部件的作用。
具体地说，如图4所示，在现有技术里，包括高约0.069英寸的波纹部件和厚约0.022英寸的平片的湿密封结构在大约15磅/平方英寸的最大负荷下最多只提供大约0.0025英寸的柔性。相比之下，未受压状态下厚(从体部件61的底到部分65的顶计算)25密耳的柔性部件60提供的柔性几乎是两倍，即，在高达大约18磅/平方英寸的负荷下柔性高达大约0.0055英寸。如果柔性部件60在未受压状态下的厚度增加到32密耳，部件60提供的柔性高达0.015英寸并在压缩负荷为大约25磅/平方英寸的情况下变硬。因此，本发明的柔性部件60在阴极收缩时能适应电池工作区域内的大量压力损失，如上所述，在最大压缩负荷下一达到完全受压状态，所述柔性部件就向湿密封区域提供强度和支承并防止湿密封区域损坏。
本发明的柔性部件60例如可以用能经受高温高应力状态的因康镍合金718、沃斯帕洛伊合金或Rene-41或类似的高强度超级合金之类的超级合金材料片制造。部分65可以通过冲压或切割合金片在所述主体部件上制出。
由于燃料电池叠堆的高温高应力状态，优选地，柔性部件60用超级合金制造。为了提高强度，最常用的超级合金是经过沉淀硬化的。然而，用作弹簧或柔性部件60的超级合金材料，优选地，要通过固溶退火制备，因为硬度高难以用时效硬化材料制造。因此，通过固溶退火准备的超级合金材料必须适当热处理包括制造后的时效硬化以便重新获得所需的高强度。制造过程也可能引入使用中可能成为材料蠕变源的晶体变形和缺陷。柔性部件制造后的时效硬化有助于矫正这种状态。
应该理解，根据本发明也可以使用高温高压下强度高而又耐用的其它材料。在任何情况下都应了解，上述方案只是用来说明本发明运用的许多可能的特定实施例的。可以根据本发明的原理不脱离本发明的精神和范围作出许多变化。
权利要求
1一种用于具有限定湿密封区域的板结构的燃料电池内的柔性部件，所述湿密封区域位于电极和集电器附近，所述柔性部件可以安装于所述湿密封区域内并包括主体部件，所述主体部件有从其自身的平面向外延伸的多个部分，所述部分给予所述柔性部件柔性。
2根据权利要求1的柔性部件，其特征在于所述主体部件制造成可安装于所述柔性部件安装的湿密封区域内。
3根据权利要求1的柔性部件，其特征在于所述湿密封区域由所述板结构的平的部分和与所述平的部分相对的另一部分之间的区域限定，所述平的部分是所述板结构的边缘弯折形成的凸缘的一部分，使得所述平的部分面向具有所述另一部分的所述板结构的一个表面。
4根据权利要求2的柔性部件，其特征在于所述主体部件是平的，所述主体部件的各个所述部分的一边连接于所述主体部件。
5根据权利要求4的柔性部件，其特征在于各个所述部分的所述位于各另外一边在相应部分的这一侧相同的一侧。
6根据权利要求5的柔性部件，其特征在于所述主体部件和所述部分用超级合金材料或弹簧制造。
7根据权利要求6的柔性部件，其特征在于所述主体部件在未压缩状态下，各个所述部分和与所述主体部件连接的所述一边相对的边与所述主体部件的平面的距离为0.01-0.06英寸，所述部分从所述主体部件平面向外延伸的角度为2-50度。
8根据权利要求7的柔性部件，其特征在于所述角度随着压缩负荷施加于所述燃料电池而减小。
9根据权利要求8的柔性部件，其特征在于所述柔性部件充分压缩时所述部分位于平的主体部件的平面内。
10根据权利要求6的柔性部件，其特征在于所述超级合金材料是因康镍合金718、沃斯帕洛伊合金和Rene-41中的一种。
11根据权利要求6的柔性部件，其特征在于所述主体部件和各个所述部分是长方形的。
12根据权利要求1的柔性部件，其特征在于所述部分沿所述主体部件长度方向成行排列，各行沿所述主体部件的宽度方向分开。
13根据权利要求12的柔性部件，其特征在于所述主体部件的各个所述部分的一边固定于所述主体部件。
14根据权利要求13的柔性部件，其特征在于各个所述部分的所述一边沿所述主体部件的一个长度和宽度延伸。
15根据权利要求14的柔性部件，其特征在于各个所述部分的所述一边沿所述主体部件的长度方向延伸。
16根据权利要求14的柔性部件，其特征在于各个所述部分的所述一边沿所述主体部件的宽度方向延伸。
17根据权利要求12的柔性部件，其特征在于所述部分的行在所述主体部件的长度方向偏移。
18一种用于燃料电池叠堆内的燃料电池，所述燃料电池有限定燃料电池工作区域和与所述工作区域邻接的湿密封区域的板结构，所述燃料电池还包括集电器，所述集电器紧靠所述燃料电池工作区域并延伸到所述湿密封区域内；电极，所述电极紧靠所述集电器，在不包括延伸到所述湿密封区域内的所述集电器区域的区域的上方；柔性部件，柔性部件紧靠所述集电器，在延伸到所述湿密封区域内的集电器区域上方，所述柔性部件包括主体部件，所述主体部件有从其平面向外延伸的多个部分，所述部分给予所述柔性部件柔性。
19根据权利要求18的燃料电池，其特征在于所述板结构的两个相对的边缘弯折在所述板结构的第一表面上形成靠近所述板结构的所述第一表面的两个凸缘，各个所述凸缘都有与所述板结构的所述第一表面分开并平行的平的部分，所述湿密封区域由所述两个凸缘中的第一个的平的部分和与所述平的部分的所述板结构的所述第一表面相对的一部分之间的区域限定。
20根据权利要求19的燃料电池，其特征在于燃料电池的所述工作区域是所述板结构的所述第一表面上所述两个凸缘之间的区域。
21根据权利要求20的燃料电池，其特征在于所述电极是阴极和阳极中的一个。
22根据权利要求21的燃料电池，其特征在于还包括另一柔性部件，所述柔性部件紧靠所述集电器，在所述集电器的区域上方，所述集电器延伸进入与所述工作区域邻接的另一湿密封区域，所述另一湿密封区域由所述两个凸缘中的第二个的平的部分和与所述平的部分相对的所述板结构的所述第一表面一部分之间的区域限定，所述另一柔性部件包括另一主体部件，所述另一主体部件有另外的部分，这些另外的部分从所述另一主体部件的平面向外延伸，所述另外的部分给予所述另一柔性部件柔性。
23根据权利要求18的燃料电池，其特征在于所述主体部件制造成适合安装于所述湿密封区域。
24根据权利要求18的燃料电池，其特征在于所述主体部件是平的，所述主体部件的各个所述部分的一边连接于所述主体部件。
25根据权利要求24的燃料电池，其特征在于各个所述部分的所述一边位于各另外一边在相应部分的这一侧相同的一侧。
26根据权利要求24的燃料电池，其特征在于所述主体部件和所述部分用超级合金材料或弹簧制造。
27根据权利要求26的燃料电池，其特征在于所述体部件在未压缩状态下，各个所述部分和与所述主体部分连接的所述一边相对的边与所述主体部件的平面的距离为0.01-0.06英寸，所述部分从所述主体部件的平面向外延伸的角度为2-50度。
28根据权利要求27的燃料电池，其特征在于所述角度随着施加于所述燃料电池的压缩负荷而减小。
29根据权利要求28的燃料电池，其特征在于所述柔性部件充分压缩时所述部分位于平的主体部件的平面内。
30根据权利要求26的燃料电池，其特征在于所述超级合金材料是因康镍合金718、沃斯帕洛伊合金和Rene-41中的一种。
31根据权利要求26的燃料电池，其特征在于所述主体部件和各个所述部分是长方形的。
32根据权利要求18的燃料电池，其特征在于所述部分沿所述主体部件长度方向成行排列，各行沿所述主体部件的宽度方向分开。
33根据权利要求32的燃料电池，其特征在于所述主体部件的各个所述部分的一边固定于所述主体部件。
34根据权利要求33的燃料电池，其特征在于各个所述部分的所述一边沿所述主体部件的一个长度和宽度延伸。
35根据权利要求34的燃料电池，其特征在于各个所述部分的所述一边沿所述主体部件的长度方向延伸。
36根据权利要求34的燃料电池，其特征在于各个所述部分的所述一边沿所述主体部件的宽度方向延伸。
37根据权利要求32的燃料电池，其特征在于所述部分的行在所述主体部件的长度方向偏移。
全文摘要
公开了用于放在燃料电池的湿密封区域内的一种柔性部件，所述湿密封区域受双极板限定并位于电极和集电器附近。所述柔性部件包括有多个部分的平的主体部件，所述多个部分都从所述主体部件的平面向外延伸并给予所述柔性部件柔性。
文档编号H01M8/12GK1836344SQ200480023590
公开日2006年9月20日 申请日期2004年3月16日 优先权日2003年8月19日
发明者喻肇宜, M·克拉默, M·法鲁克, D·凯利, C·贝格利 申请人:燃料电池能有限公司