专利名称：具有弹簧密封件的一件式双极板的制作方法
技术领域：
本发明涉及质子交换膜燃料电池，且更具体而言，本发明涉及一种燃料电池堆内所包括的密封件构型。
背景技术：
燃料电池已在多种应用中被用作电源。例如燃料电池已经被提出用于电动交通工具的电力设备中以取代内燃机。在质子交换膜(PEM)型燃料电池中，氢气被供应至燃料电池的阳极且氧气作为氧化剂被供应至阴极。质子交换膜燃料电池包括膜电极组件(MEA)，所述膜电极组件包括薄的质子传导的不导电固体聚合物电解质膜，所述电解质膜在一面上具有阳极催化剂且在相对面上具有阴极催化剂。膜电极组件被夹在一对无孔导电元件或板之间，所述元件或板(1)用作阳极和阴极的集流器，且(2)包含其中形成的适当通道和/或开口以将燃料电池的气体反应物分配在相应的阳极和阴极催化剂的表面上。
术语“燃料电池”通常根据语境用于指代单个电池或多个电池(堆)。多个单电池通常结合在一起以形成燃料电池堆且通常以电串联的方式进行布置。燃料电池堆内的每个电池包括前面所述的膜电极组件(MEA)，且每个这种膜电极组件提供了其电压增量。燃料电池堆内的一组相邻电池被称作电池组(cluster)。
在质子交换膜燃料电池中，氢气(H2)是阳极反应物(即燃料)且氧气是阴极反应物(即氧化剂)。氧气可以是纯氧形式(O2)或空气(O2和N2的混合物)。固体聚合物电解质通常由离子交换树脂如全氟磺酸制成。阳极/阴极通常包括细小的催化剂颗粒，所述催化剂颗粒通常被担载在碳颗粒上且与质子传导树脂混合。催化剂颗粒通常是较贵的贵金属颗粒。因此，这些膜电极组件的制造相对昂贵且需要特定条件，所述条件包括适当的水管理和湿化以及对催化剂污染组分如一氧化碳(CO)的控制以便进行有效操作。
夹住膜电极组件的导电板可包含其表面中的沟槽阵列，所述沟槽阵列限定出反应物流场以将燃料电池的气体反应物(即氢气和以空气形式存在的氧气)分配到相应的阴极和阳极的表面上。这些反应物流场通常包括多个棱区(lands)，所述棱区限定出其间的多条流道，气体反应物从位于流道一端的供应集管流动通过所述流道到达位于流道相对端的排出集管。
通常，不传导垫片或密封件在燃料电池堆的多块板之间提供密封和电绝缘。此外，密封件为气体反应物提供从供应集管向相应的阳极和阴极催化剂的表面流动的流径。按惯例，密封件包括模制柔顺材料如橡胶。由于密封件由柔顺材料制成且具有较窄的壁厚，因此在组装工艺过程中可能难以操控它们。此外，在安装前必须考虑模制密封件的固化时间。当在模制橡胶密封件上布置用于流路的孔眼时，所述模制橡胶密封件也存在困难。
发明内容
根据本发明的一种质子交换膜燃料电池包括用于引导第一流体沿其表面流动的阴极板。阳极板引导第二流体沿其表面流动。膜电极组件沿第一方向进行取向。所述膜电极组件包括与所述阳极板相对的阳极面和与所述阴极板相对的阴极面。板边缘包括沿垂直于所述第一方向的第二方向进行取向的第一集管孔和第二集管孔。第一密封件被设置在所述阳极板与所述膜电极组件之间。所述第一密封件限定出所述第一集管孔与所述阳极板之间的第一流体连通路径。第二密封件被设置在所述阴极板与所述膜电极组件之间。所述第二密封件限定出所述第二集管孔与所述阴极板之间的第二流体连通路径。所述第一密封件和所述第二密封件允许所述第一流体和所述第二流体沿平行于所述第一方向的方向流动通过其上相应的通路。
提供了一种根据本发明的用于引导流体从质子交换膜燃料电池的集管向适当的膜电极组件面进行流动的密封件布置。所述膜电极组件被限制在阳极板与阴极板之间。所述密封件布置包括设置在所述阳极板与所述膜电极组件之间的第一密封件。所述第一密封件限定出所述集管中的第一流体供应孔与所述阳极板之间的第一流体连通路径。第二密封件被设置在所述阴极板与所述膜电极组件之间。所述第二密封件限定出所述集管中的第二流体供应孔与所述阴极板之间的第二流体连通路径。所述第一密封件和所述第二密封件允许所述第一流体和所述第二流体沿平行于所述膜电极组件的方向流动通过其上相应的通路。
根据本发明的质子交换膜燃料电池包括用于引导第一流体沿其第一表面流动且引导第二流体沿其相对的第二表面流动的分隔板。第一膜电极组件沿第一方向进行取向。所述第一膜电极组件包括与所述分隔板的所述第一表面相对的阳极面。板边缘包括沿第二方向进行取向的第一集管孔，所述第二方向垂直于所述第一方向。第一密封件被设置在所述分隔板与所述第一膜电极组件之间，所述第一密封件限定出所述第一集管孔与所述分隔板的所述第一表面之间的第一流体连通路径。所述第一密封件允许所述第一流体沿平行于所述第一方向的方向流动通过其中的通路。
提供了一种制造与根据本发明的燃料电池堆一起实施的密封件的方法。提供限定出平面的金属板片。孔沿垂直于所述平面的第一方向被布置在所述金属板片上的预定位置处。部分所述金属板片产生偏移，由此通过限定出所述燃料电池堆的反应物流体的流路的所述孔显露出通路。所述通路的取向平行于所述平面。
从下文提供的详细描述中将易于理解本发明可应用的其它领域。应该理解，详细描述和具体实例尽管示出了本发明的优选实施例，但仅旨在用于说明目的而不旨在限制本发明的范围。
从下面的详细描述和附图中将更全面地理解本发明，在所述附图中图1是包括质子交换膜燃料电池堆中的一对互补弹簧密封件的燃料电池的立体分解视图；图2是沿图1中线2-2截取的质子交换膜燃料电池堆的剖视图，图中示出了阳极端口；图3是用于与质子交换膜燃料电池中的阳极板连通的典型弹簧密封件的立体图；图3a是图3中区域3a的详细视图；图4是沿图1中线4-4截取的质子交换膜燃料电池堆的剖视图，图中示出了阴极端口；和图5是沿图1中线5-5截取的质子交换膜燃料电池堆的剖视图，图中示出了冷却端口。
具体实施例方式
下面对优选实施例的描述本质上仅是示例性的且决不旨在限制本发明及其应用或使用。
图1示意性地示出了具有膜电极组件(MEAs)12的部分质子交换膜燃料电池堆10，所述膜电极组件的每侧受到互补弹簧密封件或板16a和16c的限制。应该意识到，结合图1进行的描述示出了单个燃料电池，所述单个燃料电池还可是叠堆的多层燃料电池堆的一部分。弹簧密封件16a被布置与分隔板或阳极板20相邻。弹簧密封件16c被相似地布置与分隔板或阴极板22相邻。如将要进行描述地，弹簧密封件16a将来自阳极板20的燃料(即H2)分配到膜电极组件12的反应面上。弹簧密封件16c将来自阴极板22的氧化剂气体(即O2)分配到膜电极组件12的反应面上。每个膜电极组件12包括多孔的气体可透过的导电板片26，所述板片压靠在膜电极组件12的电极面上且用作电极的初级集流器。一对相邻设置的冷却板30被布置在阳极板20的第一侧上。
氧化剂气体如氧气或空气被供应至燃料电池堆10的阴极板22的表面。可由储罐(未示出)供应氧气或空气或优选可去掉氧气罐且可将来自环境的空气供应至阴极板22。相似地，燃料如氢气被供应至燃料电池堆10的阳极板20的表面。同样可由储罐(未示出)供应氢气，或另一种可选方式是，可由甲醇或液体烃(例如汽油)催化产生氢气的重整器供应氢气。还为膜电极组件12的H2和O2空气侧设置排出管道系统(未示出)以从阳极20中去除贫H2的阳极气体且从阴极22中去除贫O2的阴极气体。同样地，设置冷却剂管道系统(未示出)以根据需要将液体冷却剂供应至或排出阳极板20和阴极板22。
阳极板20和阴极板22分别是单板构件，所述单板构件具有在其中形成的本领域中已公知的流场40、42。如目前优选地，阳极板20和阴极板22是优选为不锈钢的金属板片，可采用冲压、光刻(即通过光刻掩模)或用于使板片金属成型的任何其它常规工艺成形出所述金属板片。本领域的技术人员将认识到其它适当的材料和制造工艺可用于阳极板20和阴极板22。
接着参见图1且进一步参见图2至图4，将对阳极流场40和阴极流场42进行更详细地描述。应该意识到，为了阐述目的，图1所示的附加阴极板22、相关的膜电极组件12和弹簧密封件组16a、16c已经被添加到图2、图4和图5中。形成阳极板20和阴极板22以使得流场40、42的几何构型在所述阳极板和阴极板的第一侧上形成功能性蛇形流场。更具体而言，形成阳极板20和阴极板22以便提供特征在于限定出多条流道的多个棱区50、52的反应物气体流场，反应物气体从燃料电池堆10的进口板边缘56通过所述流道流至燃料电池堆的出口板边缘58。穿过每块阳极板20和阴极板22的流向通常为从进口板边缘56通过相应的流场40、42流至出口板边缘58。
在接近进口板边缘56的外缘的位置处形成多个供应集管孔。相似地，在接近出口板边缘58的外缘的位置处形成多个排出集管孔。更具体而言，供应集管孔60阳极板20上传送在燃料(H2)使其通过流道40且通过排出集管孔70离开。供应集管孔62在阴极板22上传送氧化剂(O2)使其通过流道42且通过排出集管孔72排出。最终，供应集管孔64在阳极板20和阴极板22的特定面上根据需要传送冷却剂且冷却剂在排出集管孔74处排出燃料电池堆。应该意识到，可在具有设置在相应的膜电极组件之间的单块未冷却分隔板或双极板的燃料电池堆中采用弹簧密封件16。双极板承载第一表面上的氧化剂和相对的第二表面上的燃料。按照这种方式，燃料电池堆可被构造具有位于所需位置处如每隔一个或每到第三个电池的未冷却板。
下面参见所有附图，将更详细地对弹簧密封件16a、16c进行描述。弹簧密封件16a、16c为来自进口板边缘56的供应集管孔60、62的反应物气体与阳极板20和阴极板22的相应表面相连通提供了必要的通路。因此，互补弹簧密封件16a、16c彼此呈镜像同时具有根据需要布置的特定端口。弹簧密封件16a、16c优选由冲压金属板片如不锈钢制成。在一种优选方法中，对金属板片进行冲压以在预定位置处形成孔。所述板片随后在特定区域中产生横向偏移以使得孔形成平行于膜电极组件12的通路。每个弹簧密封件16a、16c上涂覆有弹性体材料以增加密封容量同时提供柔顺性。本领域的技术人员将认识到可采用其它可选材料同时达到相似效果。结果是，弹簧板16a、16c具有足够的刚性和深度以支承燃料电池堆10的集管部分56、58，同时还具有柔顺外表面以在延伸端部处形成密封件。
具体参见图1至图3a，将更详细地对从供应集管孔60通过弹簧密封件16a到达阳极板20的流体端口进行描述。燃料沿图2中的箭头F所示的流体连通路径流动通过供应集管孔60。流体连通路径由弹簧板16a限定出，由此在阳极板20与膜电极组件12之间引导进行流动。按照这种方式，燃料可遵循由每块阳极板20限定出的蛇形流径40进行流动，同时与膜电极组件12进行反应直至其被传送至排出集管58的端口70。如图所示，在关键部位设置的通路80被布置在每块弹簧板16a中且位于横向偏移平面部分81之间以使得燃料可流动通过集管部分56到达所需阳极板20。
继续参见图1且进一步参见图4，将更详细地对从供应集管孔62通过弹簧密封件16c到达阴极板22的流体端口进行描述。氧化剂沿箭头O所示的流体连通路径流动通过供应集管孔62。流体连通路径由弹簧板16c限定出，由此在阴极板22与膜电极组件12之间引导进行流动。按照这种方式，氧化剂可遵循由每块阴极板22限定出的蛇形流径42进行流动，同时与膜电极组件12进行反应直至其被传送至排出集管58。同样地，在关键部位设置的通路82被布置在每块弹簧板16c中且位于横向偏移平面部分83之间以使得氧化剂可流动通过集管部分56且流到所需阴极板22之上直至在排出集管58的端口72处排出。应该意识到，除了通路对齐以便与孔62和72而不是与64和74连通以外，通过弹簧板16c的端口与结合图3中的阳极板16a所示的端口相似。
最后，继续参见图1且进一步参见图5，将更详细地对从供应集管孔64通过弹簧密封件16a、16c到达阳极板20和阴极板22的冷却剂流体端口进行描述。冷却剂通过孔64进入燃料电池堆10。如图所示，在关键部位设置的通路84被布置在每块弹簧板16a、16c中且位于横向偏移平面部分81和83之间以使得冷却剂可流动(如箭头C所示)通过集管部分56到达所需阳极板20和阴极板22。
上面已经特别详细地描述了进入燃料电池堆10内的供应或进口流体流。本领域的技术人员将易于认识到，本发明的互补弹簧密封件构型包括在燃料电池堆10的排出边缘58上的用于从燃料电池堆10中排出气体反应物和冷却剂的相似的互补弹簧密封件构型。因此，通过使用上述弹簧密封件构型16a、16c，本发明能够高效地输运气体反应物和冷却剂进入、通过且离开燃料电池堆10。
本领域的技术人员现在可从前面的描述中意识到，可以多种形式实施本发明的广义教导。因此，尽管已经结合本发明的具体实例对本发明进行了描述，但本发明的真实范围不应如此限制，这是因为本领域的技术人员在对附图、说明书和下列权利要求进行研究后将易于理解其它变型。
权利要求
1.一种质子交换膜燃料电池，包括用于引导第一流体沿其表面流动的阴极板；用于引导第二流体沿其表面流动的阳极板；沿第一方向进行取向的膜电极组件，所述膜电极组件具有与所述阳极板相对的阳极面和与所述阴极板相对的阴极面；具有沿第二方向进行取向的第一集管孔和第二集管孔的板边缘，所述第二方向垂直于所述第一方向；设置在所述阳极板与所述膜电极组件之间的第一密封件，所述第一密封件限定出所述第一集管孔与所述阳极板之间的第一流体连通路径；和设置在所述阴极板与所述膜电极组件之间的第二密封件，所述第二密封件限定出所述第二集管孔与所述阴极板之间的第二流体连通路径，所述第一密封件和所述第二密封件允许所述第一流体和所述第二流体沿平行于所述第一方向的方向流动通过其中相应的通路。
2.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池，其中所述第一密封件和所述第二密封件包括刚性金属材料。
3.根据权利要求2所述的质子交换膜燃料电池，其中所述第一密封件和所述第二密封件包括冲压金属。
4.根据权利要求3所述的质子交换膜燃料电池，其中所述第一密封件和所述第二密封件上涂覆有弹性体材料。
5.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池，其中所述阳极板和所述阴极板在所述板边缘的所述第一集管孔和所述第二集管孔的内侧是无孔的。
6.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池，其中所述第一密封件和所述第二密封件包括平行于所述第一方向进行取向且与所述膜电极组件相邻的中间部分以及平行于所述第一方向进行取向且自所述中间部分存在一定偏移的外端部。
7.根据权利要求6所述的质子交换膜燃料电池，其中所述第一密封件和所述第二密封件进一步包括使所述中间部分与所述外端部相连的倾斜部分，所述倾斜部分具有在其上形成的所述通路。
8.一种用于引导流体自质子交换膜燃料电池的集管向限制在阳极板与阴极板之间的适当膜电极组件面流动的密封件布置，所述密封件布置包括设置在所述阳极板与所述膜电极组件之间的第一密封件，所述第一密封件限定出所述集管中的第一流体供应孔与所述阳极板之间的第一流体连通路径；设置在所述阴极板与所述膜电极组件之间的第二密封件，所述第二密封件限定出所述集管中的第二流体供应孔与所述阴极板之间的第二流体连通路径，所述第一密封件和所述第二密封件允许所述第一流体和所述第二流体沿平行于所述膜电极组件的表面的方向流动通过其上相应的通路。
9.根据权利要求8所述的质子交换膜燃料电池，其中所述第一密封件和所述第二密封件包括刚性金属材料。
10.根据权利要求9所述的质子交换膜燃料电池，其中所述第一密封件和所述第二密封件包括冲压金属。
11.根据权利要求10所述的质子交换膜燃料电池，其中所述第一密封件和所述第二密封件上涂覆有弹性体材料。
12.根据权利要求8所述的质子交换膜燃料电池，其中所述第一密封件和所述第二密封件包括平行于所述膜电极组件的所述表面进行取向且与其相邻的中间部分以及平行于所述膜电极组件的所述表面进行取向且自所述中间部分存在一定偏移的外端部。
13.根据权利要求12所述的质子交换膜燃料电池，其中所述第一密封件和所述第二密封件进一步包括使所述中间部分与所述外端部相连的倾斜部分，所述倾斜部分具有在其上形成的所述通路。
14.一种质子交换膜燃料电池，包括用于引导第一流体沿其表面流动的阴极板；用于引导第二流体沿其表面流动的阳极板；在平面上进行取向的膜电极组件，所述膜电极组件具有与所述阳极板相对的阳极面和与所述阴极板相对的阴极面；垂直于所述平面进行取向的具有第一集管孔和第二集管孔的集管；设置在所述阳极板与所述膜电极组件之间的第一刚性密封件，所述第一密封件具有平行于所述平面进行延伸的平面部分，所述平面部分具有设置在其间的限定出所述第一流体的流路的偏移部分，所述偏移部分给出所述第一密封件使所述平面部分横向偏移的深度；和设置在所述阴极板与所述膜电极组件之间的第二刚性密封件，所述第二密封件具有平行于所述平面进行延伸的平面部分，所述平面部分具有设置在其间的限定出所述第二流体的流路的偏移部分，所述偏移部分给出所述第二密封件使所述平面部分横向偏移的深度。
15.根据权利要求14所述的质子交换膜燃料电池，其中所述第一密封件和所述第二密封件包括刚性金属材料。
16.根据权利要求15所述的质子交换膜燃料电池，其中所述第一密封件和所述第二密封件包括冲压金属。
17.根据权利要求16所述的质子交换膜燃料电池，其中所述第一密封件和所述第二密封件上涂覆有弹性体材料。
18.根据权利要求14所述的质子交换膜燃料电池，其中所述阳极板和所述阴极板在所述集管的所述第一集管孔和所述第二集管孔的内侧是无孔的。
19.一种质子交换膜燃料电池，包括用于引导第一流体沿其第一表面流动且引导第二流体沿其相对的第二表面流动的分隔板；沿第一方向进行取向的第一膜电极组件，所述第一膜电极组件具有与所述分隔板的所述第一表面相对的阳极面；具有沿第二方向进行取向的第一集管孔的板边缘，所述第二方向垂直于所述第一方向；和设置在所述分隔板与所述第一膜电极组件之间的第一密封件，所述第一密封件限定出所述第一集管孔与所述分隔板的所述第一表面之间的第一流体连通路径，所述第一密封件允许所述第一流体沿平行于所述第一方向的方向流动通过其中的通路。
20.根据权利要求19所述的分隔板，进一步包括沿所述第一方向进行取向的第二膜电极组件，所述第二膜电极组件具有与所述分隔板的所述第二表面相对的阴极面；在所述板边缘上沿所述第二方向进行取向的第二集管孔；和设置在所述分隔板与所述第二膜电极组件之间的第二密封件，所述第二密封件限定出所述第二集管孔与所述分隔板的所述第二表面之间的第二流体连通路径，所述第二密封件允许所述第二流体沿平行于所述第一方向的方向流动通过其中的通路。
21.根据权利要求20所述的质子交换膜燃料电池，其中所述第一密封件和所述第二密封件包括刚性金属材料。
22.根据权利要求21所述的质子交换膜燃料电池，其中所述第一密封件和所述第二密封件包括冲压金属。
23.根据权利要求22所述的质子交换膜燃料电池，其中所述第一密封件和所述第二密封件上涂覆有弹性体材料。
24.根据权利要求20所述的质子交换膜燃料电池，其中所述第一密封件和所述第二密封件包括平行于所述第一方向进行取向且分别与所述第一膜电极组件和所述第二膜电极组件相邻的中间部分以及平行于所述第一方向进行取向且自所述中间部分存在一定偏移的外端部。
25.根据权利要求24所述的质子交换膜燃料电池，其中所述第一密封件和所述第二密封件进一步包括使所述中间部分与所述外端部相连的倾斜部分，所述倾斜部分具有分别在其上形成的所述通路。
26.一种制造与燃料电池堆一起实施的密封件的方法，所述方法包括提供限定出平面的金属板片；沿垂直于所述平面的第一方向将孔布置在所述金属板片上的预定位置处；并且使部分所述金属板片产生偏移，由此通过限定出所述燃料电池堆的反应物流体的流路的所述孔显露出通路；所述通路的取向平行于所述平面。
27.根据权利要求26所述的方法，进一步包括为所述金属板片涂覆柔顺材料。
28.根据权利要求27所述的方法，进一步包括为所述金属板片涂覆弹性体材料。
29.根据权利要求26所述的方法，其中所述布置步骤包括对所述金属板片进行冲压。
全文摘要
一种质子交换膜燃料电池包括用于引导第一流体沿其表面流动的阴极板。阳极板引导第二流体沿其表面流动。膜电极组件沿第一方向进行取向。所述膜电极组件包括与所述阳极板相对的阳极面和与所述阴极板相对的阴极面。板边缘包括沿垂直于所述第一方向的第二方向进行取向的第一集管孔和第二集管孔。第一密封件被设置在所述阳极板与所述膜电极组件之间。所述第一密封件限定出所述第一集管孔与所述阳极板之间的第一流体连通路径。第二密封件被设置在所述阴极板与所述膜电极组件之间。所述第二密封件限定出所述第二集管孔与所述阴极板之间的第二流体连通路径。所述第一密封件和所述第二密封件允许所述第一流体和所述第二流体沿平行于所述第一方向的方向流动通过其上相应的通路。
文档编号H01M8/02GK1875515SQ200480032727
公开日2006年12月6日 申请日期2004年10月7日 优先权日2003年11月7日
发明者J·A·罗克 申请人:通用汽车公司