用于质子交换膜燃料电池板的密封件的制作方法

专利名称：用于质子交换膜燃料电池板的密封件的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池系统，具体涉及用于在燃料电池系统的板之间 实现密封的密封件。
背景技术：
在各种应用领域中，燃料电池系统被广泛用作电源。已经提出将燃 料电池系统用在诸如车辆的能量消耗系统中以例如替代内燃机。上述系统在本申请人所有的US Pat Appl. Ser. No. 10/418,536中进行了揭示， 通过引用将其全部内容包含在本说明书中。燃料电池还可用作建筑物及 居住区内的固定电站，并用作摄像机及计算机等设备中的便携式电源。 通常，燃料电池产生用于对蓄电池充电或为电动机提供电能的电流。燃料电池是电化学装置，其将诸如氢的燃料与诸如氧的氧化物结合 而产生电。通常由空气流来供氧。氢与氧结合生成水。其他可以使用的 燃料例如可以是天然气、甲醇、汽油、以及源自煤的合成燃料。燃料电池采用的基本过程高效、基本无污染、安静、无需使部件运 动(与空气压缩机、制冷风扇、泵及致动器不同)，并可构造成仅剩作 为副产品的热及水。基于使用其的语境，术语"燃料电池"通常被用来 指单一电池或多个电池。多个电池通常被包装在一起并布置形成堆，使 得多个电池通常电气串联布置。因为单一电池可被组装为不同尺寸的 堆，可将系统设计成产生希望的能量输出水平，由此提供对于不同应用 领域的设计灵活性。一种公知的常规类型燃料电池是质子交换膜(PEM )燃料电池。PEM 燃料电池包括三个基本部件阴极、阳极以及电解质膜。阴极及阳极通 常包括支撑在碳微粒上并与离聚物混合的诸如铂的细微划分的催化剂。 电解质膜夹在阴极与阳极之间以形成膜电极组件(MEA) 。 MEA布置 在多孔扩散介质(DM)之间。DM有利于将通常为氢及来自空气的氧 的气态反应物输送至由MEA界定的反应区以进行电化学燃料电池反 应。绝缘衬垫及密封件使燃料电池的各个不同部件电绝缘。当MEA与DM层叠在一起成为一个单元时，例如通过诸如衬垫等其他部件，组件通常被称为组合式电极组件(UEA) 。 UEA布置在燃料 电池板之间，起到燃料电池的集电器的作用。布置在燃料电池板之间的 UEA部件通常被称为"软物(softgoods)"。通常的燃料电池板具有将 气态反应物均勻分布至燃料电池堆的燃料电池及其之间的供应区域 (feed region)。供应区域可具有较宽的范围，以便于例如通过焊接来 接合燃料电池板，并在接合的板内于不同高度之间移动气流。供应区域 包括供应端口 ，其将气态反应物从供应歧管经由形成在燃料电池板内的 流动场分配至燃料电池的活性区域。供应区域还包括排放端口，其将剩 余气态反应物及产物从流动场导向排放歧管。
可以包括超过一百个板的堆被压缩，而元件通过穿过堆角部的螺栓 被保持在一起并在堆的端部固定至框架。为了防止流体从板组件之间不 希望地渗漏，通常使用密封件。密封件沿板组件的外周边缘以及形成在 板内的流路的选定区域布置。现有技术中的密封件已经包括使用金属密 封件、弹性密封件及其组合。对于模型而言，现有技术中的密封件已经 足够。但是，现有技术中的密封件的成本以及现有技术中的密封件对尺 寸及环境变化的敏感程度使得难以将其用于全尺寸实际产品。
现有技术中的密封件通常需要流体流经穿过燃料电池的曲折流路。 曲折流路通常包括降低流体的流速的开放区域。降低的流体速度会不利 地影响燃料电池堆的性能。此外，已知降低的流体速度会导致流路中水 的积蓄，这会阻碍燃料电池堆的至少一部分中的流体的流动，并降低其 电输出。
希望制造 一种用于在燃料电池系统的板之间进行密封的密封组件， 其中密封组件可防止流体从燃料电池系统渗漏，并便于维持燃料电池系 统中希望的流体流速，并最小化其成本。

发明内容
已经惊奇地研发出与本发明兼容及谐调的用于燃料电池系统的板 之间的密封的密封组件，其中密封组件结构可防止流体从燃料电池系统 渗漏，有助于保持燃料电池系统内的反应物希望的流动速度，并使其成 本最小化。
在一个实施例中， 一种用于燃料电池的板包括具有第一表面、第 二表面、以及形成在其内的多个集管开口的板；形成在所述板的所述第一表面上的流动场，所述流动场包括入口供应区及出口区，所述入口区 及所述出口区具有供应区域通道，以提供与至少一个集管开口的流体连
通；以及形成在所述板上的至少一个细长密封构件，其适于与密封组件 配合以在两者之间形成大致液密密封。
在另一实施例中， 一种用于燃料电池的密封组件包括具有第一表 面、第二表面以及形成在其内的多个集管开口的燃料电池板；形成在所 述板的所述第一表面上的流动场，所述流动场包括入口供应区及出口 区，所述入口区及所述出口区具有供应区域通道，以提供与至少一个集 管开口的流体连通；形成在所述板上的至少一个细长密封构件，包括第 一横向侧以及分隔开的第二横向侧，至少一个密封表面布置在其间；以 及至少一个密封部件，适于与所迷密封构件配合以在其间形成大致液密密封。
在另一实施例中， 一种燃料电池堆包括至少一个端板，包括形成 在其表面上的流动场以及在其内形成与所述流动场选择性流体连通的 多个集管开口，所述流动场包括入口供应区、出口区、与所述入口区及 所述出口区选择性流体连通的多个供应区域通道、以及围绕形成在所述 端板内的所述集管开口中至少一者形成的至少一个密封构件；邻近所述 端板布置的至少一个双极板，其中，每个双极板均包括形成在笫一表面 及第二表面中至少 一者上的流动场以及在其内形成以与所述流动场选 择性流体连通的多个集管开口，所述流动场包括入口供应区、出口区、 与所述入口区及所述出口区选择性流体连通的多个供应区域通道、以及 围绕形成在所述双极板内的所述集管开口中至少一者形成的至少一个 密封构件；布置在各个板之间的组合电极组件；以及包括第一表面及第 二表面的密封件，所述第一表面适于与所述端板及所述双极板中至少一 者的所述密封构件形成大致液密密封；以及包括第一表面及第二表面的 密封支撑件，所述第一表面适于与所述密封件的所述第二表面以及所述 组合电极组件中 一者形成大致液密密封。


结合考虑附图，通过以下对优先实施例的详细描述，本领域的技术 人员将清楚本发明的上述及其他优点，其中
图1是根据本发明的实施例的质子交换膜燃料电池堆的分解立体图2是图1所示燃料电池堆的燃料电池板的部分立体图3a是沿图2中的线3-3所取的形成在图1及图2所示的燃料电池
板内的密封构件的部分剖视图3b是根据本发明的另 一实施例的密封构件的部分剖视图； 图3c是根据本发明的另 一实施例的密封构件的部分剖视图； 图3d是根据本发明的另 一实施例的密封构件的部分剖视图； 图4a是沿图1中的线4-4所取的反应物集管处的两个相邻燃料电池
板之间的密封组件的部分立体图4b是根据本发明的另 一 实施例的密封组件的部分立体图5是沿图1中的线5-5所取的端板的终端侧中反应物集管处的密
封组件的部分立体图；和
图6是沿图1中的线6-6所取的形成在端冷却剂集管处的两个相邻
燃料电池板之间的密封件的部分立体图。
具体实施例方式
以下详细说明以及附图描述并示出了本发明的各种示例性实施例。 说明及附图用于使得本领域的技术人员能够使用并制造本发明，并不意 在以任何形式限制本发明的范围。
图1是具有两个发电电池12及14的质子交换膜(PEM)燃料电池 堆10的示意图。尽管示出了双极PEM燃料电池堆，^旦可以理解，也可 使用其他燃料电池类型及构造而不脱离本发明的范围及精神。还应当理 解，可以并通常使用具有更多电池及板的燃料电池堆。
燃料电池堆10包括第一组合电极组件(UEAM6以及第二UEA 18。 UEA 16,18包括布置在多孔扩散介质(DM)(未示出)之间的膜电极组 件(MEA)(未示出)。应当理解，MEA与DM可以是独立部件而非 组合在一起以形成UEA。 UEA 16,18布置在燃料电池板之间，燃料电池 板起用于燃料电池的集电器的作用。导电、液冷、双极板组件20布置 在第一UEA 16与笫二UEA 18之间。第一UEA16、笫二UEA18以及 双极板组件20在单极端板组件22, 24之间堆叠在一起。在示出的实施 例中，单极端板组件22, 24是可起单极端板组件作用的双极板组件。 设置导电适配器板25, 25'以与和双纟及板20相同的双才及板配合以形成各
9个单极端板组件22， 24。应当理解，也可采用专用于起端板作用的端板。
如图2更详细示出的，双极板组件20由一对板26， 26'形成。每个 板均具有第一表面28, 28'、第二表面30， 30'、以及外周边缘32, 32'。 板26, 26'的第二表面30， 30'竖直对准接合在一起以在两者之间形成冷 却剂室34。例如可通过诸如焊接或施加粘合剂的各种方式来接合板26, 26'。尽管可根据需要使用其他方法，但板26， 26'通常通过模压操作由 平坦金属板形成。
每个板26, 26'均包括分别形成在第一表面28, 28'上的流动场36。 图2示出了形成在板26内的流动场36。应当理解的是，板26'包括第一 表面28'上的流动场，其与形成在纟反26的第一表面28上的流动场36具 有相同的结构。但是，为了清楚起见，图2并未包括形成在板26'内的 流动场的标号。流动场36将燃料及氧化气体分别在UEA 16,18的各个 面上分配至电池12及14。板26， 26'包括形成在其内的集管开口 40,40'， 以提供到电池12及14的氢及氧的入口 。供应区域通道50形成在入口 区域38内，以提供集管开口 40与流动场36之间的流体连通。此外， 集管开口 42形成在板26, 26'内以提供冷却剂到室34的入口。板26， 26'包括形成在其内的集管开口 46, 46'，以提供氢及氧离开电池12及14 的出口。供应区域通道52形成在出口区域44内，以提供集管开口46, 46'与流动场36之间的流体连通。此外，集管开口 48形成在板26, 26' 内以提供冷却剂离开室34的出口 。
流动通道(未示出)可形成在板26, 26'中以提供与冷却剂室34以 及各个集管开口 42, 48的流体连通。或者，孑L (未示出)可在集管开 口 42， 48附近形成在板26, 26'内以提供与冷却剂室34及各个集管开口 42, 48的流体连通。应当理解，流动通道及孔均可形成在板26， 26'内 以提供与冷却剂室34以及集管开口 42， 48的流体连通。
如图3a至图3d更清楚所示以下如下所述，密封构件IOO在集管开 口 40', 46'附近并围绕其在板26, 26'内形成为细长突起，由此围绕其形 成大致液密密封。密封构件100还围绕孔42形成以围绕其形成大致液 密密封并防止冷却剂在相邻燃料电池板20， 22, 24之间流动。应当理 解，密封构件可邻近并围绕集管开口 40, 46, 48而非集管开口 40', 46', 42形成，或根据需要形成在板26, 26'上的其他位置。
如图l所示，端板22, 24与双才及板20大致垂直对齐，由此将其内的各个集管开口 40, 40', 42, 46, 46', 48对准以形成燃料供应集管及 燃料排放集管，氧化物供应集管及氧化物排放集管，以及冷却剂供应集 管及冷却剂排放集管。尽管可根据需要使用其他燃料，氧化物及冷却剂， 但在这里所述的实施例中，燃料是氬，氧化物是氧，而冷却剂是水。
燃料电池堆10通常在燃料电池堆10的各个端部具有夹板(未示 出)。夹板用于在燃料电池堆10上提供压紧力。夹板包括多个入口及 出口，入口及出口分别提供燃料电池堆10与反应物及冷却剂源以及反 应物及冷却剂排;故部之间的流体连通。
如图4a及图4b更清楚所示并如下所述，密封组件200设置在各个 板22, 20以及20, 24中的相邻集管开口 40， 40', 46, 46'之间。密封 组件200用于与密封构件IOO及UEA 16,18配合以在密封构件100与相 邻UEA 16，18之间形成大致液密密封。在图l所示的实施例中，密封组 件200形成包围待密封区域的连续环。应当理解，密封组件200可用于 密封单一边缘或边缘的任何部分。
如图5更清楚所示并如下所述，改进的密封组件300设置在选择的 孔之间，选择的孔形成在各个端板22, 24内的导电板25， 25'及集管开 口 40, 40', 46， 46'中。改进的密封组件300用于与导电板25, 25'及相 邻的端板22, 24配合以阻挡反应物流过导电板附近的流动场36。通过 阻挡反应物流过形成端^反22， 24的^反26， 26'中一者内的流动场36,端 板22， 24可起单极板的作用。
图3a示出了根据本发明的一个实施例形成在板26内的密封构件 100的剖面。密封构件100具有第一横向侧102以及分隔开的第二横向 侧104,每一者都分别具有上端106, 106'。大致平坦密封表面108布置 在各个上端106， 106'之间。平坦密封表面108相对于上端106， 106'凹 入。使平坦密封表面108凹入例如可防止平坦密封表面108受到诸如刮 擦或凹坑的伤害，刮擦或凹坑可阻止在平坦密封表面108上形成大致液 密密封。
横向侧:102, 104分别包括至少第一半径110， 110'及第二半径112, 112'。半径100, 110', 112, 112'用于在密封构件100内对施加至密封表 面108的正常负载作出弹性响应。密封构件100的弹性有助于形成并保 持密封表面108上的密封。可以选择半径100, 110', 112, 112'的尺寸 以在密封构件100中实现希望的弹性。尽管可以使用其他大小的半径，但已经发现使用约0.1毫米至0.5毫米的半径100, 110,, 112, 112'可获 得希望的结果。
图3b及图3c示出了根据本发明的另一实施例的密封构件100，， 100"的剖面。在图3b及图3c中，每个密封构件100'及IOO"均具有第 一横向側120及分隔开的第二横向侧122。 一系列四个互连大致平坦段 124形成在横向侧120， 122之间。橫向侧120， 122及段124成角度连 接以形成三个顶点126及两个槽128,每个顶点126均提供密封表面。 应当理解，可以提供更少或更多的段124以根据希望形成更少或更多的 顶点126及槽128。半径130通常形成在各个顶点126及槽128处。尽 管可以使用其他大小的半径，但已经发现使用约0.1毫米至0.5毫米的 半径130可获得希望的结果。
在图3b中，形成密封构件IOO，以使槽128相对于板26的第二表面 30位于提高的位置。槽128提高的位置在密封构件IOO，中对施加至顶点 126的正常负载作出弹性响应。或者，如图3c所示，槽128可相对于板 26的第二表面30大致共面布置。相较于图3b中所示的密封构件100，， 槽128的共面位置提高了图3c中所示的密封构件IOO"的刚性。
图3d示出了根据本发明的另一实施例的密封构件IOO'"的剖面。在 图3d中，密封构件IOO'"包括三个共同延伸的细长突起140， 140', 140"。 每个突起140, 140'， 140"均具有第一横向侧142以及分隔开的第二横向 侧144，使得密封表面146布置在两者之间。应当理解，可根据需要设 置更少或更多的突起。对黄向侧142, 144分别包4舌至少第一半径148， 148' 及第二半径150, 150'。尽管可以使用其他大小的半径，但已经发现使 用约0.1毫米至0.5毫米的半径148， 148', 150, 150'可获得希望的结果。
可采用拉伸弯曲处理以形成图3a至图3d所示的密封构件IOO，IOO', 100"， 100'"。拉伸弯曲处理有助于去除密封表面108， 126, 146内的表 面缺陷，并有助于以最小化的模压加工变化来改变密封构件100, 100'， 100"， IOO"'的高度。应当理解，也可采用其他处理来形成密封构件100, 100', 100", 100"'。
图4a ^出了根据本发明的实施例的密封组件200。密封组件200包 括具有第一侧204及第二侧206的大致刚性密封支撑件202。密封支撑 件202的第二侧206与燃料电池板26'的流动场36内的入口区域38内的 供应区域通道50接触并用于横越该供应区域通道50。应当理解，密封支撑件202例如可通过焊接安装至板26',或通过粘合剂接合至UEA。 密封支撑件202的笫一侧204与UEA 16的一侧接触。
密封组件200还包括具有第一密封表面210及第二密封表面212的 密封件208。密封件208布置在第一UEA 16与密封支撑件202相对的 表面上。密封件208的第二密封表面212与UEA 16接触以在两者之间 形成大致液,密密封。第一密封表面210与密封构件100形成在相邻板26 内的密封表面108接触，并用于在密封件208与密封表面108之间形成 大致液密密封。
可采用印刷设备来将弹性材料布置在UEA 16上以形成密封件208。 此外，可采用定位固化处理来从喷嘴分配弹性材料到UEA 16上。也可 根据需要采用其他应用密封件208的方法。应当理解，密封件208可布 置在密封构件100上。此外，应当理解，密封件208可布置在形成独立 部件的衬底上，或者可以是在密封构件100与UEA 16之间布置在位的 独立部件。
在图4a所示的实施例中，密封件208是单一密封件，但是，应当 理解，密封件208可包括两个或更多分隔开的共同延伸的密封件。
在图4a所示的实施例中，与图3a所示的密封构件100 —起示出密 封组件。应当理解，可与图4a所示的密封组件200 —起采用分别由图 3b至图3d所示的密封构件100', 100"， 100"'。
图4b示出了根据本发明的另一实施例的密封组件200'。在图4b中， 密封组件200，包括UEA 16,其具有与燃料电池板26'中流动场36的入 口区域38内的供应区域通道50接触并4黄越供应区域通道50的一侧。 具有第一侧224及第二侧226的大致刚性密封支撑件222邻近UEA 16 布置，使密封支撑件222的第二侧226定位为与UEA 16相反于板26' 的一侧接触。应当理解，在密封支撑件222的第二侧226与UEA 16之 间涂布粘合剂以便于在两者之间形成大致液密密封。密封支撑件222在 UEA 16橫越各个供应区域通道50的区域中支撑UEA 16。具有第一密 封表面230及第二密封表面232的密封件228被布置在密封支撑件222 的第一侧224上以使密封件228的第二密封表面232定位为与密封支撑 件222的第一侧224接触，由此在两者之间形成大致液密密封。密封件 228的第一密封表面230与相邻密封构件IOO，的顶点126接触。第一密 封表面230用于在密封件228与形成在相邻板26内的顶点126之间形成大致液密密封。
可采用定位固化处理来从喷嘴分配弹性材料到密封支撑件222上。 可根据需要使用其他方法来应用密封件228。应当理解，可将密封件228 布置在密封构件100，上而非密封支撑件222上，也可在布置在密封支撑 件222上之外还将密封件228布置在密封构件100'上。
在图4b所示的实施例中，密封件228提供单一密封件，但是，应 当理解，密封件228可包括两个或更多分隔开的共同延伸密封件。此外， 示出密封组件200，与图3b所示的密封构件IOO，一起出现。应当理解， 可与图4b所示的密封组件200，一起采用图3a， 3c及3d中分别所示的 密封构件100', 100"， 100"'。
图4a及图4b所示的密封组件200， 200'对燃料电池堆10的部件之 间的错位进行补偿，否则错位将导致密封组件200， 200'效能的降低。 密封支撑件202， 222的宽度大于密封构件100, 100'中密封表面的宽度。 例如因为制造差异，密封构件100, 100'可相对于相邻燃料电池板存在 一定程度的横向错位。因为密封支撑件202， 222比密封构件100, 100' 中的密封表面更宽，故密封构件100, 100'不要求与相邻密封组件200, 200'的精确对准来在两者之间形成密封。密封组件200, 200'可在预定错 位范围内形成密封。应当理解，通过改进的密封支撑件202, 222的宽 度可以根据需要对错位的范围进行调节。
在图4a及图4b中，示出的密封支撑件202, 222在组装的燃料电池 堆10内大i共面。应当理解，密封支撑件202, 222可形成为赋予其弹 性的形状。例如，通过使其内外边缘凹入地朝向相邻的供应区域通道50, 可以形成密封支撑件以在放松条件下具有弯曲形状。如图4a及图4b所 示，当燃料电池堆10被组装并且施加了压紧负载时，弯曲密封支撑件 可偏转至大致平坦位置。通过弯曲密封支撑件202, 222,可向其提供弹 性或弹簧式响应。弯曲密封支撑件的弹性有助于形成并保持大致液密密 封。此外，密封支撑件202, 222例如可包括诸如回折部或脊部的至少 一个非平坦元件，以便于形成并保持密封支撑件202,222分别与UEA 16 或密封件228之间的大致液密密封。尽管也可根据需要使用其他材料， 但利用用于密封支撑件202, 222的弹性钢已经获得了有利的结果。
已经发现从板26, 26'去除以在其内形成集管开口 40, 40', 46, 46' 的材料可被,用来形成用于密封组件200的密封支撑件202, 222。已经通过利用从板26, 26'去除以在其内形成集管开口 40, 40', 46, 46'的材料 来形成密封支撑件202, 222而实现了对加工成本、材料成本及处理时 间的节省。但是，也可使用其他材料。
应当理解，可使UEA 16或其他衬底具有一定厚度或刚性以消除对 密封组件200中密封支撑件202, 222的需要。利用这样的UEA或衬底， 村底或UEA的厚度或刚性大致均匀地将由夹板提供的接触力传递通过 燃料电池堆10以在密封组件200与相邻的密封构件100之间形成大致 液密密封。
密封组件200使得流体或介质流经供应区域通道50， 52通过密封 组件200。流体(所示实施例中的燃料或氧化物)通过分别流经被密封 支撑件202或222对黄越的供应区域通道50， 52而进入流动场36和离开 流动场36。供应区域通道50， 52形成直通道板流路，其可防止流体穿 过其时速度降低。此外，通过利用直通道板流路，不会使流体穿过双极 板20或端板22, 24内的室34的任何部分，而这在采用现有技术密封 件的情况下通常是需要的。使得流体不经过室34可使室34容纳冷却剂 的能力最大化。应当理解，关联于在流动场36其他区域内的槽的宽度， 可以在密封组件200的区域内减小或增大供应区域通道50， 52的宽度。 可以关联于密封支撑件202, 222的刚性来选择供应区域通道50, 52的 宽度以使横越的供应区域通道50, 52的宽度最佳化，并影响反应物流 经其的速度。
由夹板提供的压紧力使得燃料电池堆10以及由此其内的密封构件 100及密封组件200压紧。压紧形成密封件208, 228与相邻部件之间的 接触力。此外，接触力将UEA 16,18紧固在燃料电池堆10内。
在其工作过程中，燃料电池堆10的整体高度或堆高度通常会改变。 上述改变可因其内的部件的热膨胀及收缩以及UEA 16,18因其变湿膨胀 而产生。例如在燃料电池于低温下工作时，现有技术燃料电池密封件通 常不能维持相邻板之间的大致液密密封，由此易于渗漏。此外，在最大 的堆高度处，例如当燃料电池在温度升高并且UEA膨胀的情况下工作 时，具有有限弹性响应的现有技术密封件会导致UEA 16，18与相邻燃料 电池板20， 22， 24之间的接触力降4氐，这可导致相邻板之间的流体渗 漏。由密封构件100以及密封组件200提供的提高的弹性可在典型工作 条件下或温度升高、低温及UEA膨胀的工作条件下防止相邻燃料电池板20， 22， 24之间的渗漏。
本发明组合密封构件100及密封组件200的弹性特性还使得对燃料 电池堆10的拆卸及重建过程最佳化。例如，因为密封构件100的形变 最小化，故可重新使用利用密封构件100的燃料电池板20， 22, 24。燃 料电池堆10可被拆卸，燃料电池堆10的诸如UEA 16,18以及密封组件 200的部件可以被替换，并且可利用原始的燃料电池板20, 22， 24来重 新组装燃料电池10。组合密封构件100及密封组件200的特性特性允许 相邻板之间的密封可以被重建，同时保持燃料电池堆IO的原始高度。
如上所述，诸如双才及板20的双才及板可以械 修改以形成用于燃料电 池堆10的单极端板22, 24。利用双极板形成端4反22， 24可消除对制造 独立端板的需求，这种需求会要求用于制造的额外加工及制造成本。图 5所示的改进的密封组件300用于与端板302及导电板25，配合以形成诸 如图1所示的端板22, 24的端板。板302具有第一側304及第二或终 端側306。第一侧304形成用于燃料电池堆10的各个端部的阳极板或阴 极板。端板302的终端侧306并不接收燃料或氧化物流，因此必须将供 应区域通道308从集管开口 310阻断以防止反应物流经端板302的终端 侧306。
改进的密封组件300包括用于横越形成在端板302的终端侧306内 的供应区域通道308的密封支撑件312。密封支撑件312包围集管开口 310,并包括朝向集管开口 310横向延伸经过供应区域通道308的一个 边缘314。间隔件316布置在板302的终端侧306和与一个边缘314相 邻的密封支撑件312之间。间隔件316包围孔310,并在其自身与板302 的终端侧306以及密封支撑件312两者之间形成大致液密密封以阻挡反 应物流经供应区域通道308。
在示出的实施例中，导电板25，、密封支撑件312、间隔件316、以 及板302的终端側306通过焊接接合在一起。可以根据需要采用诸如粘 合剂的其他方式将部件结合在一起。或者，可以在间隔件316的各个表 面与板302的终端侧306以及密封支撑件312之间提供诸如弹性密封件 的密封件(未示出)。由夹板提供的夹紧力压紧部件以在其间形成大致 液密密封。此外，密封支撑件312与间隔件316可整体形成为单一部件 或与端板302的终端侧306或导电板25形成为一体。
或者，对于位于燃料电池堆10的终端端部或干的端部处的端板24,可通过接合孔310上的盖体(未示出)使得反应物被阻挡远离板302的 终端侧306来阻挡反应物流至板302的终端側306。或者，可通过抑制
在其内形成集管开口 310来形成终端侧306。此外，可以形成导电板25' 而不在其内形成孔。
导电适配器板25， 25'将压紧力从夹板传递至端板组件22, 24、密 封构件100以及密封组件200, 300。此外，导电适配器板25, 25'提供 端板组件22， 24与相邻夹板之间的电传导。
还可在UEA 16,18与相邻燃料电池板20, 22， 24之间的选定位置 处形成大致液密密封。图6示出了形成在孔42处的板20， 22之间的大 致液密密封。密封构件100形成在双极板20, 22的的板26内以围绕孔 42,同时围绕双极板20，22的相邻板26'内的孔42的表面400大致平坦。 形成在UEA 16中的孔402用于与双极板20, 22内的集管开口 42大致 对准以形成冷却剂集管。密封件404， 404'分别布置在UEA 16邻近并围 绕孔402的上表面406及下表面406，上。密封件404与双极板22内的 孔42邻近的平坦表面400接触，同时密封件404'与围绕双极板20内的 孔42的密封构件100接触。由端部夹(未示出)提供的夹紧力分别形 成密封件402, 402，与平坦表面400及密封构件100之间的大致液密密 封，以防止冷却剂在板20, 22之间流动。流动通道410可形成在各个 板組件20， 22, 24的相对的板26， 26'之间以在冷却剂集管与冷却剂室 34之间提供流体连通。或者，可在集管开口 42与密封件404, 404'之间 分别邻近密封构件IOO或平坦表面400在板26， 26'内形成孑L(未示出)， 由此提供冷却剂集管与冷却剂室34之间的流体连通。
平坦表面400对导致相邻板20, 22之间的密封效果降低的相邻板 20, 22之间的错位进行补偿。相邻板20， 22可例如因制造变化而存在 一定程度的横向错位。在图6所示的实施例中，示出了图3a所示的密 封构件100。应当理解，可以采用图3b至图3d所示的密^"构件100'， 100"， IOO"'以形成图6所示的密封件。
相较于采用常规现有技术密封件的衬垫或燃料电池板，可以较低的 成本来制造本发明的以密封构件100， 100', 100"， IOO"'以及密封组件 200及300为特征的燃料电池堆10。密封构件IOO例如无需诸如应用密 封材料的额外表面最终处理。此外，密封构件100以及密封组件200及 300在对于燃料电池堆10内较宽的尺寸变化范围上形成并保持大致液密密封方面是有效的。密封构件100以及密封组件200及300容纳上述 变化的性能可使必须在燃料电池堆10的各个部件中保持的极限公差的 数目最小化。最小化的极限公差的数目使燃料电池板26的制造成本最 小化。
通过以上描述，本领域的技术人员可易于确定本发明的必要特征， 在不脱离其精神及范围的前提下，可对本发明进行各种改变及修改以使 其适于各种不同的应用领域及条件。
权利要求
1.一种用于燃料电池的板，包括具有第一表面、第二表面、以及形成在其内的多个集管开口的板；形成在所述板的所述第一表面上的流动场，所述流动场包括入口供应区及出口区，所述入口区及所述出口区具有供应区域通道，以提供与至少一个集管开口的流体连通；以及形成在所述板上的至少一个细长密封构件，适于与密封组件配合以在两者之间形成大致液密密封。
2. 根据权利要求l所述的板，其中，所述密封构件包括第一横向侧 以及分隔开的第二横向侧，每一侧均具有上端，大致平坦的密封表面布 置在所述第一横向侧与所述第二横向侧之间，所述密封表面相对于所述 第 一 横向侧及所述第二横向侧的所迷上端凹入。
3. 根据权利要求2所述的板，其中，至少第一半径及第二半径界定 出所述第一横向侧，以及至少第一半径及第二半径界定出所述第二横向 侧，以对所述密封构件提供弹性。
4. 根据权利要求l所述的板，其中，所述密封构件包括第一横向侧 以及分隔开的第二横向侧，其中多个顶点及至少 一个槽形成在所述第一 横向侧与所述第二^f黄向側之间，所迷顶点配合以形成密封表面。
5. 根据权利要求4所述的板，其中，所述槽相对于所述板的所述第 二表面纟皮升高。
6. 根据权利要求4所述的板，其中，所述槽与所述板的所述第二表 面大致共面。
7. 根据权利要求l所述的板，其中，所述密封构件包括多个共同延 伸的细长突起，每个突起都具有第一横向侧以及分隔开的第二横向侧， 其中密封表面布置在所述第 一 横向侧与所述第二横向侧之间。
8. 根据权利要求1所述的板，其中，所述密封组件包括 衬底，具有第一表面及第二表面；布置在所述衬底的所述第一表面上的密封件，适于在所迷衬底与所 述板的所述密封构件之间形成大致液密密封；以及具有第一表面及第二表面的密封支撑件，所述第一表面与所述衬底 的所述第二表面接触，而所述第二表面与相邻的板接触。
9. 根据权利要求8所迷的板，其中，所述密封支撑件是弹性的，以便于形成并保持大致液密密封。
10. 根据权利要求8所述的板，其中，所述密封件由弹性体形成。
11. 根据权利要求l所述的板，所述密封组件包括密封件，包括第一表面及第二表面，所述第一表面适于与所述板的 所述密封构件形成大致液密密封；密封支撑件，包括第一表面及第二表面，所述第一表面适于与所述 密封件的所述第二表面形成大致液密密封；以及组合电极组件，包括第一表面及第二表面，所述第一表面适于与所 述密封支撑件的所述第二表面形成大致液密密封，并且所述第二表面与 相邻的板接触。
12. —种用于燃料电池的密封组件，包括具有第 一表面、第二表面以及形成在其内的多个集管开口的燃料电 池板；形成在所述板的所述第 一 表面上的流动场，所述流动场包括入口供 应区及出口区，所述入口区及所述出口区具有供应区域通道，以提供与 至少一个集管开口的流体连通；形成在所述板上的至少一个细长密封构件，包括第一横向侧以及分 隔开的第二横向侧，其中至少一个密封表面布置在所述第一横向侧与所 述第二对黄向侧之间；以及至少一个密封部件，适于与所述密封构件配合以在其间形成大致液 密密封。
13. 根据权利要求12所述的密封组件，其中，所述密封构件以及所述密封部件围绕所迷板的被密封区域。
14. 根据权利要求12所述的密封组件，其中，所述密封部件包括 包括第一表面及第二表面的组合电极组件；由弹性体形成并布置在所述组合电极组件的所述第一表面上的密 封件，适于在所述组合电极组件与所述板的所述密封构件之间形成大致 液密密封；以及包括第一表面及第二表面的密封支撑件，所述第一表面与所述组合 电极组件的所述笫二表面接触，而所述第二表面与相邻的板接触。
15. 根据权利要求12所述的密封组件，其中，所述密封部件包括 包括第一表面及第二表面的密封件，所迷第一表面适于与所述板的所述密封构件形成大致液密密封；包括第 一表面及第二表面的密封支撑件，所述第 一表面适于与所述 密封件的所述第二表面形成大致液密密封；以及包括第一表面及第二表面的组合电极组件，所述第一表面适于与所 迷密封支撑件的所述第二表面形成大致液密密封，并且所述第二表面与 相邻的板接触。
16. —种燃料电池堆，包括至少一个端板，包括形成在其表面上的流动场以及在其内形成与所 述流动场选择性流体连通的多个集管开口 ，所述流动场包括入口供应 区、出口区、与所述入口区及所述出口区选择性流体连通的多个供应区 域通道、以及围绕形成在所述端板内的所述集管开口中至少一者形成的至少一个密封构件；邻近所述端板布置的至少一个双极板，其中，每个双极板均包括形 成在第 一表面及第二表面中至少 一者上的流动场以及在其内形成以与 所述流动场选择性流体连通的多个集管开口 ，所述流动场包括入口供应 区、出口区、与所述入口区及所述出口区选择性流体连通的多个供应区 域通道、以及围绕形成在所述双极板内的所述集管开口中至少一者形成 的至少一个密封构件；布置在各个板之间的组合电极组件；以及包括第一表面及第二表面的密封件，所述第一表面适于与所述端板 及所述双极板中至少 一者的所述密封构件形成大致液密密封；以及包括第 一表面及第二表面的密封支撑件，所述第一表面适于与所述 密封件的所迷第二表面以及所述组合电才及组件中 一者形成大致液密密 封。
17. 根据权利要求16所述的燃料电池堆，其中，所述端板的所述密 封构件以及所述双极板的所述密封构件包括第 一横向侧以及分隔开的 第二横向侧，其中至少一个密封表面布置在所述第一横向侧与所述第二 横向侧之间之间。
18. 根据权利要求16所迷的燃料电池堆，包括适于形成所述至少一 个端板的双极板，其中，通过阻挡至少一个集管开口与形成在所述端板 内的终端侧中的所述流动场之间的流体连通，所述双极板的所述笫 一表 面及所述第二表面中一者形成所述终端侧。
19. 根据权利要求18所述的燃料电池堆，包括 邻近所述端板的所述终端侧布置的导电板；包括第一表面及第二表面的密封支撑件，所述第一表面适于与所述 导电板形成大致液密密封，所述第二表面横越形成在所述端板的所迷终 端侧中的所选择供应区域通道；以及间隔件，其布置在所述密封支撑件与所述端板的所述终端侧之间， 所述间隔件在所述密封支撑件的所述第二表面与所述端板的所述终端 側之间形成大致液密密封以防止流体流经被所述密封支撑件横越的所 述供应区域通道。
20. 根据权利要求19所述的燃料电池堆，其中，所述密封支撑件以 及所述间隔件一体地形成在所述端板的所述终端侧以及所述导电板的 所述终端侧中至少一者内。
全文摘要
本发明涉及用于质子交换膜燃料电池板的密封件，具体而言揭示了一种密封结构，用于在UEA与燃料电池系统的板之间形成大致液密密封，所述密封结构包括形成在一个燃料电池板内的密封构件、适于横越相邻燃料电池板内的供应区域通道的密封支撑件、以及适于与布置在燃料电池板之间的UEA配合的密封件，所述密封构件与所述密封支撑件在UEA与一个燃料电池板之间形成大致液密密封。密封结构可防止流体从燃料电池系统渗漏，有助于保持燃料电池系统内的反应物流动速度，并使其成本最小化。
文档编号H01M4/86GK101557002SQ200910134058
公开日2009年10月14日 申请日期2009年4月8日 优先权日2008年4月8日
发明者G·W·弗利, J·A·洛克, J·D·威廉斯, S·G·格贝尔 申请人:通用汽车环球科技运作公司