专利名称：隔离并绝缘的叠组端部入口/出口集管头的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池叠组(stack)，更具体地说，涉及燃料电池叠组内的入口/出口集管头。
背景技术：
燃料电池已经并正在得到许多应用。典型的燃料电池组件包括多个独立的燃料电池，它们一个挨一个地堆叠起来，以形成处于压紧状态的燃料电池叠组。通常，每个燃料电池包括有阳极层、阴极层和布置在所述阳极层和阴极层之间的电解质。燃料电池叠组需要有很大的压紧力，用以将其中的燃料电池压紧到一起。对压紧力的需求来自燃料电池内反应物的内部气压外加使燃料电池内部零件之间保持良好电接触的需要。
为了施加压紧力，燃料电池叠组被布置在一对刚性端板之间，刚性端板将压紧力施加在燃料电池叠组上。导电的接线板被布置在端板与燃料电池叠组之间并被用来在燃料电池叠组和采用该燃料电池组件的系统之间传导电流。燃料电池叠组需要有气态反应物(阳极反应物和阴极反应物)被输送到那里并从那里排出以产生电流。还需要将冷却剂流提供给燃料电池叠组并从那里移走而使燃料电池叠组保持在所要求的工作温度。这些气态反应物和冷却剂可以是潮湿的流体，并通过集管头被输送至燃料电池叠组。集管头通过一个或两个端板并被密封到接线板上。气态反应物和冷却剂经由集管头被输送至燃料电池叠组。由于集管头被密封在接线板上，所以潮湿的流体(气态反应物和/或冷却剂)与接线板接触。加在接线板上的周围条件和电压(电势)会产生电解作用而使接线板腐蚀。接线板的腐蚀是不希望有的，因为它会降低燃料电池组件的使用寿命而且还会污染流过集管头的流体流。
接线板由优良导体(比如铝或铜)制成，以促进电流在燃料电池叠组和采用该燃料电池组件的系统之间流动。为了防止接线板产生腐蚀，已经将各种涂料使用在接线板上。然而，涂料可能是昂贵的而从成本上考虑不能使用(比如用金制成)。而且，涂层可能具有有限的使用寿命，因此即使使用了涂层，燃料电池组件的使用寿命也会减少。此外，涂层可能对轻微损伤比如划痕都是敏感的，从而导致性能变差或发生腐蚀过程。因此，需要有一种经济的方法来抑制和/或防止接线板产生腐蚀。
发明概要本发明使流入和流出燃料电池叠组的流体流与接线板隔离，因此流体流和接线板没有互相接触。防止流体流与接线板接触可以避免接线板产生腐蚀。由于避免了这些腐蚀问题，接线板上就不需要有昂贵的保护涂层。本发明通过使用其中具有流体通道的集管头来实现这种隔离作用，流体通道可防止流入和/或流出燃料电池叠组的流体流与接线板接触。
根据本发明的一个特征，公开了一种燃料电池组件。燃料电池组件包括多个相邻布置的燃料电池，以形成燃料电池叠组。接线板与燃料电池叠组导电接触。接线板可用来从燃料电池叠组中传导电流。接线板具有开口，使得流体流能够流入和流出燃料电池叠组。还有一个与燃料电池叠组密封接合的不导电的集管头。集管头通过接线板中的开口。集管头具有流体输送通道，用于使流体流能够通过接线板中的开口流入或流出燃料电池叠组。集管头可防止流体流与接线板接触。
根据本发明的另一个特征，公开了一种通过使用具有流体通道的不导电集管头来防止通过接线板流入燃料电池叠组的流体流与接线板接触的方法。这种方法包括(1)将集管头布置在通过接线板的开口中而使集管头通道通过接线板中的开口；(2)使集管头通道与燃料电池叠组密封接合；(3)使流体流通过集管头通道而流出或流入燃料电池叠组；和(4)利用集管头使流体流与接线板隔离，从而防止流体流与接线板接触。
通过下面的详细介绍，将使本发明的其它可适用范围变得更加清楚。应当认识到，这些详细介绍和具体实例只是为了举例说明本发明的优选实施例，而不是用来限制本发明范围的。
附图简介通过下面的详细说明和附图将更加充分地理解本发明，在这些附图中
图1是根据本发明原理的燃料电池组件的简化透视图；图2是用于图1中燃料电池组件的根据本发明原理的湿端部组件的简化透视图；图3是图2中湿端部组件的简化分解透视图；图4A和B是根据本发明原理并用于图2和3中湿端部组件的绝缘集管头两侧的透视图；和图5是沿图1中燃料电池组件5-5剖面的局部剖视图，示出了根据本发明原理的燃料电池组件的优选实施例。
优选实施例的详细描述下面对优选实施例的说明实际上只是示例性的，因此不会以任何方式限制本发明及其应用或用途。
参考图1，图中示出了根据本发明原理的燃料电池组件20。燃料电池组件20包括有多个燃料电池22(图5)，它们堆叠地布置，以形成燃料电池叠组24。燃料电池叠组24设置在上、下端部组件26、28之间。上端部组件26被称作湿端部组件，因为流体流(阴极和阳极反应物、阴极和阳极排出物以及冷却液)通过上端部组件26流入或流出燃料电池叠组24。与此相反，下端部组件28被称作干端部组件，因为流体流没有从那里流过。下面更加详细地介绍端部组件26、28。端部组件26、28利用一个或多个侧板30保持固定的间隔关系。侧板30使上、下端部组件26、28以间隔关系固定，从而将挤压力施加在燃料电池叠组24上。然而，在不脱离本发明范围的情况下可以采用其它施加挤压力的方法。燃料电池组件20通常是燃料电池系统(未示出)的一部分，燃料电池系统包括与适当供应管道(未示出)，所述供应管道用于将连到湿端部组件26上并从中流过的阴极反应物(如氧气或空气)、阳极反应物(如氢气)以及冷却液输送至燃料电池组件20内的燃料电池叠组24。类似地，燃料电池系统包括与湿端部组件26相连的适当返回管道(未示出)，使得阴极排出物、阳极排出物以及返回冷却液流能够从燃料电池叠组24流至燃料电池系统内的其它部件。
现在参考图2和图3，图中示出了湿端部组件26。湿端部组件26包括端板32、绝缘板34、接线板36、一对集管头38和40、以及一对垫圈或密封件42。接线板36布置在绝缘板34和燃料电池叠组24的端部之间，如图5所示。接线板36用以传导出/入燃料电池叠组24的电流。因此，接线板36用高导电材料制成，它能够处理燃料电池组件20产生电流过程中所可能遇到的电流密度。举例来说，接线板36可以用铝制成，它能处理的电流密度大约为8安培/平方毫米或更高，这取决于燃料电池组件20的具体构造方式和输出功率。接线板36的延伸部分36a延伸通过侧板30，使燃料电池组件20与其它部件的电连接更加方便。绝缘板34用来使端板32与接线板36绝缘，因此流入/流出燃料电池叠组24的电流不会流过端板32。所以，绝缘板34是用不导电材料制成的。
集管头38、40是不导电的，并可用来在燃料电池叠组24与燃料电池组件20外面的供应/返回管道(未示出)之间引导流体流。为了使流体流能够更加容易地在燃料电池叠组24和该管道之间流动，每个集管头38、40具有底部44和多个大致垂直于底部44延伸出来的流体输送通道46。每个通道46穿过湿端部组件26，并被设计成能在燃料电池叠组24与适当的返回或供应管道之间引导流体流。通道46与燃料电池叠组24及适当的管道密封接合，因此在它们之间形成液密密封。为了使这种密封接合更加方便，每个通道46具有凹槽48，它被设计成能接纳垫圈或密封件如O型环，用以与适当的管道密封接合。类似地，每个通道46在底部44底面上的相反一侧也具有凹槽50，密封件42被布置在凹槽50内，使得集管头38、40能够与燃料电池叠组24密封接合。
每个通道46从底部44延伸至湿端部组件26的相反一侧。端板32具有多个开口52，而使通道46能够从所述开口52中穿过。集管头38的通道46还延伸通过绝缘板34中的开口54以及接线板36中的开口56。接线板36的延伸部分36a必须沿那个方向从燃料电池组件20中伸出，使得接线板36和绝缘板34能够在燃料电池叠组24内的流动槽道上面延伸。
集管头38、40用来使接线板36、绝缘板34以及底板32与经过通道46流入和流出燃料电池叠组24的流体流隔离。通道46防止从中流过的流体流与接线板36、绝缘板34以及端板32接触。通过防止流体流与这些板接触，可以避免这些板因接触流体流而产生腐蚀的问题。由于避免了这种流体流接触，所以接线板36不必象现有技术中那样为了防止接触流体流而具有保护涂层。而且，接线板36现在可以涂上更为理想的涂层，比如锡，以促进电流的收集和传输。此外，集管头38、40的使用还使板的生产更加方便。具体地说，各端板32、绝缘板34和接线板36中的开口52、54、56可以是同类的普通开口，因而很容易加工。于是集管头38、40可以具有与这些开口相配的外部构造，以及与燃料电池叠组24内流体集管头形状和供应/返回管道结构对应的内部构造。
集管头38、40是不导电的，而且通过模塑或铸造能够方便地将集管头38、40制成所要求的形状。举例来说，集管头38、40可以用能够耐受流体流酸性环境的聚合物材料注射模制而成。集管头38、40也可以用填充了聚苯硫醚或聚砜的玻璃注射模制而成。如果需要的话，集管头38、40可以压模制成。制造集管头38、40的这些方法可促使通道46形成所要求的取向/构造，从而在供应/返回管道与燃料电池叠组24内的流体集管头之间形成必要的过渡。将聚合物用于集管头38、40还使与燃料电池组件20中各部件热膨胀有关的问题减到最少。端板32、绝缘板34和接线板36的热膨胀率会变化而导致它们之间产生相对运动。然而，集管头38、40穿过所有这些板，用以在燃料电池叠组24和供应/返回管道之间形成液密通道，因此这些板的热膨胀不会影响集管头38、40的密封接合。
干端部组件28(未详细示出)十分类似于湿端部组件26，并包括设置成靠近燃料电池叠组24的另一端，以传导出/入燃料电池叠组24电流的接线板。而且也有绝缘板夹在端板和接线板中间，用以使端板与接线板电绝缘。干端部组件28的主要区别在于，流入/流出燃料电池叠组24的流体流没有通过干端部组件28。因此，干端部组件28没有采用集管头38、40，而且也没有采用接线板、绝缘板和端板中的开口。然而，应当知道，如果需要的话，比如在把两个或更多个燃料电池组件串联起来时，燃料电池组件20可以具有都是湿的两个端部组件，以允许流体流从那里流过。在这种情况下，根据本发明原理的集管头38、40也可以用来使端板、绝缘板、接线板与流体流隔离，以防止它们接触。
应当认识到，所示实施例和其中的具体构造方式是用作说明的，因而实际上只是示例性的，所以未脱离本发明精神的变型都被认为包括在本发明的范围之内。举例来说，图中示出每个集管头38、40具有三个通道并作为一个整体单元形成。然而，集管头38、40可以是单独的部件，每个部件具有一个或多个通道，它们用来引导流体流并防止这些流体流与板接触。此外，如图所示各个板中的开口是三个分立的开口。然而，这些开口可以被合并成较大的开口，而集管头中的通道可以被合并成对应于这些板中开口构造的多个通道。而且，如果这些板要延伸到燃料电池叠组24内流体集管头的上面，那么集管头40可以被设计成能使其通道46流经绝缘板中的开口54和接线板中的开口56。此外，应当认识到，接线板36的延伸部分36a可以从靠近或不靠近集管头38、40的其它位置从燃料电池组件20向外延伸。而且，如果需要的话，根据本发明的集管头还可以被用来形成从测量仪表或类似仪器的端部组件中穿过的通道，尽管这样可能无法实现本发明的全部优点。因此，象这样的变型不能被认为是偏离了本发明的精神和范围。
权利要求
1.一种燃料电池组件，包括多个彼此相邻地布置并形成燃料电池叠组的燃料电池；与所述燃料电池叠组导电接触并可用来从所述燃料电池叠组传导电流的接线板，所述接线板具有开口，用于使流体流流入和流出所述燃料电池叠组；和与所述燃料电池叠组密封接合并穿过所述接线板中的所述开口的不导电集管头，所述集管头具有流体输送通道，使得所述流体流能够通过所述接线板中的所述开口流入或流出所述燃料电池叠组，其中，所述集管头防止所述流体流与所述接线板接触。
2.根据权利要求1所述的燃料电池组件，其特征在于，还包括布置在所述集管头与所述燃料电池叠组之间的密封件，所述密封件在所述集管头与所述燃料电池叠组之间形成液密式接合。
3.根据权利要求2所述的燃料电池组件，其特征在于，所述集管头具有可将所述密封件安置在其中的凹进部分。
4.根据权利要求1所述的燃料电池组件，其特征在于，还包括具有开口以允许所述流体流流入或流出所述燃料电池叠组的端板，且其特征在于，所述接线板布置在所述燃料电池叠组和所述端板之间，所述集管头穿过所述端板中的所述开口，并允许所述流体流经由所述集管头通道穿过所述接线板和端板而流入或流出所述燃料电池叠组，并防止所述流体流与所述接线板和端板接触。
5.根据权利要求4所述的燃料电池组件，其特征在于，还包括布置在所述端板和所述接线板之间的电绝缘板，所述绝缘板具有开口以允许所述流体流流入或流出所述燃料电池叠组，且其特征在于，所述集管头穿过所述绝缘板中的所述开口，并允许所述流体流经由所述集管头通道通过所述接线板、绝缘板和端板而流入或流出所述燃料电池叠组，并且防止所述流体流与所述接线板、绝缘板和端板接触。
6.根据权利要求1所述的燃料电池组件，其特征在于，所述接线板具有多个开口，以允许多股流体流流入或流出所述燃料电池叠组，所述集管头通过所述接线板中的所述开口，所述集管头具有多个流体输送通道，使得所述流体流能够通过所述接线板中的所述开口而流入或流出所述燃料电池叠组，并且所述集管头可防止所述流体流与所述接线板接触。
7.根据权利要求6所述的燃料电池组件，其特征在于，所述集管头是具有多个流体输送通道的单个整体部件。
8.根据权利要求1所述的燃料电池组件，其特征在于，所述集管头是由聚合物制成的。
9.根据权利要求1所述的燃料电池组件，其特征在于，所述集管头是注射模制而成的。
10.根据权利要求1所述的燃料电池组件，其特征在于，所述接线板中的所述开口是允许多股流体流流入或流出所述燃料电池叠组的多个开口的其中之一，而所述集管头是各自与所述燃料电池叠组密封接合且各自穿过所述接线板中至少一个所述开口的至少两个集管头，每个所述集管头具有至少一个流体输送通道，使得流体流能够通过所述接线板中的开口而流入或流出所述燃料电池叠组，并且所述集管头可防止所述流体流与所述接线板接触。
11.根据权利要求1所述的燃料电池组件，其特征在于，所述集管头通道的形状构造成可与所述燃料电池叠组中流体通道的形状相配。
12.根据权利要求1所述的燃料电池组件，其特征在于，所述集管头通道的一端与流体管道部件密封接合。
13.一种燃料电池组件，包括多个彼此相邻地布置并形成燃料电池叠组的燃料电池；与所述燃料电池叠组导电接触并可用来从所述燃料电池叠组传导电流的接线板；可用来将挤压力施加在所述燃料电池叠组上的端板，所述端板具有从中穿过的开口，以允许流体流流入或流出所述燃料电池叠组；布置在所述端板和所述接线板之间的不导电绝缘板，所述绝缘板使所述端板与所述接线板电绝缘；和与所述燃料电池叠组以及流体管道部件密封接合的不导电集管头，所述集管头穿过所述端板中的所述开口，所述集管头具有流体输送通道使得所述流体流能够通过所述端板中的所述开口而流入或流出所述燃料电池叠组，其中，所述集管头可防止所述流体流与所述接线板、所述绝缘板以及所述端板接触。
14.根据权利要求13所述的燃料电池组件，其特征在于，还包括布置在所述集管头与所述燃料电池叠组之间的密封件，所述密封件在所述集管头与所述燃料电池叠组之间形成液密式接合。
15.根据权利要求13所述的燃料电池组件，其特征在于，所述集管头与所述接线板直接接触。
16.根据权利要求13所述的燃料电池组件，其特征在于，所述集管头是具有多个流体输送通道的单个整体部件。
17.根据权利要求13所述的燃料电池组件，其特征在于，所述集管头是由聚合物制成的。
18.根据权利要求13所述的燃料电池组件，其特征在于，所述端板中的所述开口是允许多股流体流流入或流出所述燃料电池叠组的多个开口的其中之一，并且所述集管头是各自与所述燃料电池叠组密封接合且各自穿过所述端板中至少一个所述开口的至少两个集管头，每个所述集管头具有至少一个流体输送通道，使得流体流能够通过所述端板中的开口而流入或流出所述燃料电池叠组，并且所述集管头可防止所述流体流与所述接线板、所述绝缘板以及所述端板接触。
19.一种通过使用具有流体通道的不导电集管头来防止穿过接线板流入燃料电池叠组中的流体流与所述接线板接触的方法，所述方法包括以下步骤(a)将所述集管头布置在通过所述接线板的开口中，而使所述集管头通道穿过所述接线板中的所述开口；(b)使所述集管头通道与所述燃料电池叠组密封接合；(c)使流体流通过所述集管头通道而流出或流入所述燃料电池叠组；和(d)利用所述集管头使所述流体流与所述接线板隔离，从而防止所述流体流与所述接线板接触。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述步骤(b)包括将密封件布置在所述集管头和所述燃料电池叠组之间，并利用所述密封件使所述集管头通道与所述燃料电池叠组密封接合。
21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，所述步骤(b)包括将所述密封件布置在所述集管头的围绕所述流体通道的凹进部分中。
22.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，还包括用端板压紧所述燃料电池叠组，所述端板布置在所述接线板上的与所述燃料电池叠组相对的那一侧上，其中，所述步骤(a)包括所述集管头布置在通过所述端板的开口中，而使所述集管头通道穿过所述端板中的所述开口。
23.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，还包括将不导电的绝缘板布置在所述端板与所述接线板之间，其特征在于，所述步骤(a)包括将所述集管头布置在穿过所述绝缘板的开口中，并且所述步骤(d)包括，利用所述集管头使所述流体流与所述绝缘板隔离，从而防止所述流体流与所述绝缘板接触。
24.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，还包括将所述集管头通道成形成可与所述燃料电池叠组中的流体通道相配。
25.根据权利要求24所述的方法，其特征在于，使所述集管头通道成形包括，模制所述集管头。
26.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述接线板具有多个开口，所述集管头具有多个流体通道，所述步骤(a)包括将所述集管头布置在通过所述接线板的所述开口中，而使至少一个所述流体通道通过所述接线板中的各个所述开口，并且所述步骤(c)包括，使流体流通过各个所述集管头通道而流入或流出所述燃料电池叠组。
27.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述接线板具有多个开口，所述集管头是多个集管头的其中之一，每个所述集管头具有至少一个流体通道，所述步骤(a)包括将集管头布置在穿过所述接线板的各个所述开口中，而使至少一个所述流体通道穿过所述接线板中的各个所述开口，并且所述步骤(c)包括，使流体流通过各个所述集管头通道而流入或流出所述燃料电池叠组。
28.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，还包括使所述集管头通道的一端与流体管道件密封接合。
29.一种通过使用具有流体通道的不导电集管头来防止通过端板流入燃料电池叠组中的流体流与接线板接触的方法，所述方法包括以下步骤(a)将所述集管头布置在穿过所述端板的开口中，而使所述集管头通道通过所述端板中的所述开口；(b)使所述集管头通道与所述燃料电池叠组及流体管道部件形成密封接合；(c)使流体流通过所述集管头通道而流出或流入所述燃料电池叠组；和(d)利用所述集管头使所述流体流与所述接线板及所述端板隔离，从而防止所述流体流与所述接线板及所述端板接触。
30.根据权利要求29所述的方法，其特征在于，所述步骤(b)包括将密封件布置在所述集管头和所述燃料电池叠组之间，并利用所述密封件使所述集管头与所述燃料电池叠组形成密封接合。
31.根据权利要求29所述的方法，其特征在于，还包括用所述端板压紧所述燃料电池叠组。
32.根据权利要求29所述的方法，其特征在于，所述端板具有多个开口，所述集管头具有多个流体通道，所述步骤(a)包括将所述集管头布置在通过所述端板的所述开口中，而使至少一个所述流体通道通过所述端板中的各个所述开口，并且所述步骤(c)包括，使流体流通过各个所述集管头通道而流入或流出所述燃料电池叠组。
33.根据权利要求29所述的方法，其特征在于，所述端板具有多个开口，所述集管头是多个集管头的其中之一，每个所述集管头具有至少一个流体通道，所述步骤(a)包括，将集管头布置在穿过所述端板的各个所述开口中，而使至少一个所述流体通道通过所述端板中的各个所述开口，并且所述步骤(c)包括，使流体流通过各个所述集管头通道而流入或流出所述燃料电池叠组。
全文摘要
本发明使流入和流出燃料电池组的流体流与接线板隔离，因此流体流和接线板没有互相接触。防止流体流与接线板接触可以避免接线板产生腐蚀。本发明通过使用其中具有流体通道的集管头来实现这种隔离作用，所述流体通道可引导流体流流入和/或流出燃料电池叠组，同时防止流体流与接线板接触。
文档编号H01M8/00GK101043971SQ200580032426
公开日2007年9月26日 申请日期2005年6月9日 优先权日2004年7月29日
发明者P·J·范贝瑟姆, J·A·洛克, G·W·弗利, M·J·伯伊特尔 申请人:通用汽车公司