燃料电池子组件及其制造方法与流程

本申请要求2013年10月2日提交的美国临时专利申请第61/885,652号的权益，该美国临时专利申请以引用的方式并入本文中。

技术领域

本发明涉及电化学电池(例如，燃料电池)，且特别地，涉及在制造电池堆的过程中使用的极板和密封件的子组件，而且涉及该子组件的制造方法。

背景技术：

质子交换膜(PEM)燃料电池(PEMFC：proton exchange membrane fuel cell)，或者被称为聚合物电解质膜燃料电池，通常包括由膜电极组件(MEA：membrane electrode assembly)隔开的阳极板和阴极板，并且通常在MEA的每一侧与该侧的邻接极板之间具有气体扩散层(GDL：gas diffusion layer)。阳极板和阴极板的朝向MEA的表面在形状上被设计成提供用于反应气体(通常为氢气和空气)的流场。PEM燃料电池堆包括被夹持在端板之间的燃料电池组件以及位于该堆的每一端处的端板绝缘体和集流板。在堆中，相邻燃料电池的阳极板和阴极板是电连接的，并且可以由双极提供。双极板可以是一个整体结构或可以是被接合在一起的阳极板和阴极板。相邻燃料电池之间可以设置有冷却剂流场，所述冷却剂流场可以设置于每一对连续的燃料电池之间或按照某个更少的间隔(例如，每隔二个燃料电池至每隔五个燃料电池)而被设置着。冷却剂流场可以设置于双极板内、可以设置于邻接的阳极板与阴极板之间、或可以设置于单独的板中。通常，还存在着穿过极板的厚度的各种孔。这些孔共同限定了穿过该堆的导管(垂直于所述极板)，以将反应物、反应产物或冷却剂输送至各个燃料电池或从各个燃料电池输送出去。每个流场与相邻的MEA之间都需要密封件。在所述极板中的那些孔的周围也需要密封件，并且在那些孔与它们的相关流场之间也需要密封件。在冷却剂流场的周围可能也需要密封件。任选地，密封件还可以使燃料电池的阳极板和阴极板电气绝缘、或可以使相邻的双极板之间电气绝缘。由于燃料电池堆中有大量的密封件和极板，所以用于制造和装配这些部件的方法一直都需要能够提供改进的替代方案或能够适合于所选择的制造技术和材料的替代方案。

在美国专利第6,599,653号中，阳极板和阴极板是由包括石墨的可塑性复合物模制成型的。阳极板和阴极板被制作成子组件(称为燃料电池单元)。每个燃料电池单元还包括位于阳极板的底部上的绝缘层、位于阳极板与阴极板之间的密封剂压条(bead)、以及位于阴极板的顶部上的另一个密封剂压条。

阳极板和阴极板具有对齐的通道口，以便有助于可固化的液体硅胶流过各极板，并且阳极板和阴极板具有用于接纳密封剂压条的槽。燃料电池单元是通过将阳极板和阴极板放置在模具的底板上且该阳极板与该模具的底板间隔一定距离而被制造的。然后，迫使液体硅胶流过所述通道口并且进入阳极板与模具的底板之间的空间中。当硅胶发生固化时，所述绝缘层和所述两个密封剂压条被形成为一个整体的、连续的块体。该块体将所述阳极板和所述阴极板接合在一起，并且提供了在接合起来的这两个极板的相对两侧上的绝缘层和密封件。

美国专利第7,210,220号说明了一种用于燃料电池和其它电化学电池的密封技术。为了提供密封件，在燃料电池组件的各种元件中都设置了槽网。一个燃料电池组件包括：全部被夹持在端板、端板绝缘体及集流板之间的用于数个燃料电池的阳极板、阴极板、MEA和GDL。每个燃料电池的阳极板与阴极板之间设置有绝缘材料，以防止燃料电池两端间发生短路。该绝缘可以利用延伸至极板边缘的GDL或利用被制造成不导电或在这些区域中被绝缘体覆盖的板而被设置为相邻MEA的一部分(例如，作为被接合至该MEA的不导电凸缘)。然后，将密封材料源连接至外部填充口且注射至至所述槽网中。当该密封材料固化时，它就形成了一个将燃料电池组件的各元件接合起来且密封住的“就地密封(seal in place)”。在替代的实施例中，制造出包括1个至5个就地密封的燃料电池的膜电极单元(MEU：Membrane Electrode Unit)。所述MEU的各个外表面中的至少一个外表面具有外密封件。该外密封件适合成为对另一个MEU的密封件。通常，所述MEU的外表面被配置成与所述另一个MEU形成冷却室。能够通过将任意数量的MEU与端板、端板绝缘体和集流板装配起来而制造出燃料电池堆。

技术实现要素：

下面的概要旨在向读者介绍下面的详细说明，以便了解但不是为了限制或限定任一项所要求保护的发明。

本说明书中所说明的用于电化学堆的子组件具有双极板和接合至该双极板的密封材料，所述双极板在它的上表面和下表面上具有流场。所述密封材料从所述双极板的所述上表面、在所述双极板的边缘的周围延伸而到达该极板的所述下表面上。优选地，所述密封材料还在所述流场中的一者或两者的外围的周围形成压条。优选地，所述密封材料还在用于流过所述双极板的反应物、燃烧产物或冷却剂的一个或多个孔的周围形成压条。

所述双极板可以是一个整体结构，或优选地，可以是被接合在一起的阳极板和阴极板的组合，并且具有内部冷却剂流场。在这种情况下，所述阳极板和所述阴极板可以利用还提供了在所述冷却剂流场周围的密封件的所述密封材料而被接合在一起。优选地，所述阳极板和所述阴极板中的一者或两者具有贯穿该极板的厚度的或从该极板的边缘向里面延伸的一个或多个通道口，以使得液体密封材料能够被注射到所述阳极板和所述阴极板之间。任选地，所述子组件中的所有的密封材料可以是一个连续块体。

在本说明书中所说明的子组件制造方法中，将单个阳极板和单个阴极板装载到液体注射模制成型机的模具中，且使得阳极板上的反应物流场和阴极板上的反应物流场彼此远离地面对着。将液体密封材料(例如，液体硅橡胶)注射至所述模具中，并且填充所述阳极板的边缘与所述阴极板的边缘之间的空隙、所述阳极板的外表面的一部分、所述阴极板的外表面的一部分、以及所述模具。所述液体密封材料还可以流过所述阳极板和所述阴极板的各种槽和/或通道口。优选地，在所述阳极板和所述阴极板处于单个模具中的同时，在所述阳极板和所述阴极板的边缘的周围延伸的密封材料、使所述阳极板和所述阴极板接合在一起的密封材料、以及密封于所述阳极板和所述阴极板之间的冷却剂流场周围的密封材料全部被涂敷。优选地，涂敷至所述阳极板和所述阴极板的所有的密封材料被合并为单个块体。

本说明书中所说明的电化学电池堆(例如，PEM燃料电池堆)具有多个如上所述的子组件或多个利用上述方法而制造出来的子组件。在所述堆内，GDL被安置于下部子组件的上表面上，优选地，被安置于下部子组件的上表面上的所述密封材料内。MEA被安置于所述GDL上，并且至少部分地与下部子组件的上表面上的所述密封材料重叠。第二GDL被安置于所述MEA上，优选地，被安置于上部子组件的下表面上的所述密封材料内。

附图说明

图1是子组件的一个表面的示意性平面图。

图2是图1中的子组件的另一个表面的示意性平面图。

图3和图6是图1及图2中的子组件的一些部分的示意性横截面。

图4和图5是替代用子组件的一些部分的示意性横截面。

具体实施方式

图1和图2示出了用于例如PEM燃料电池等电化学电池的子组件10。子组件10具有以背靠背的方式安置的阳极板12和阴极板14。图1中可以看见阳极板12，并且图2中可以看见阴极板。极板12和14都具有表面30和边缘32，表面30在图1和图2中均是可见的，边缘32在图1和图2中被图示为线条，这些线条构成了表面30的边界。在图1和图2中可见的外表面30中任一者可以根据子组件10的朝向而被称为上表面或下表面30。极板12的内表面30和极板14的内表面30是彼此接触的，并且在图1和图2中是看不见的，但是在其他图中呈现为线条。极板12和14是由导电材料制成的。例如，极板12和14可以由金属(例如，不锈钢)制成，或优选地，由与石墨混合的塑料或其它树脂的模制复合物制成。

子组件10还具有一个或多个由固化的密封材料16形成的块体。密封材料16可以通过使任何合适的固化型液体固化而被制成，所述固化型液体例如是液体硅橡胶(LSR：liquid silicone rubber)、如在美国专利第US 7,210,220号中披露的聚硅氧烷弹性材料(polysiloxane elastomeric material)、乙烯丙烯酸聚合物(ethylene acrylic polymer)、三元乙丙橡胶(ethylene propylene terpolymer)、环氧树脂或热塑性弹性体(thermoplastic elastomer)。子组件10不包括气体扩散层(GDL)或膜电极组件(MEA)，反而，子组件10基本上由极板12、极板14和固化的密封材料16组成。优选地，子组件10只由极板12、极板14和密封材料16组成。

优选地，极板12和14除了通过密封材料16以外没有被接合在一起。任选地，极板12和14可以单独地例如利用与石墨混合的且涂敷于极板12和14中的一者或两者的内表面上的环氧树脂而被接合在一起。然而，这需要额外的步骤以及附加的制造设备和空间，但是所有的这些问题能够通过使用密封材料16将极板12和14接合起来而避免。

优选地，极板12和14中的一者或两者(例如，阳极板12)限定了位于极板12与14之间的冷却剂流场18。阳极板12的外表面也限定了阳极流场20，并且阴极板14的外表面限定了阴极流场22。流场18、20和22通常要比图1和图2所示的那样更复杂。

对齐的贯穿极板12和14的开口24限定了导管的一部分。开口24可以如所图示的那样集中在极板12和14的端部处，或可以设置于其他不同的位置中。在所图示的子组件10中，一个开口24a被设置用来将反应物(通常为空气)供应给阴极流场22然后供应给第二开口24b，所述第二开口24b被设置用来除去过量的空气或氮气以及水。第三开口24c被设置用来将另一种反应物(例如，氢气)输入到阳极流场20然后输入到第四开口24d，所述第四开口24d用来除去过量的氢气。第五开口24e被设置用来将冷却剂(例如，水、或者与防冻剂混合的水)供应给冷却剂流场18，然后该冷却剂通过第六开口24f而被排出。任选地，或多或少的开口24可以被使用。例如，在气冷式电池堆中，冷却剂流场18在极板12和极板14的两个相对侧部处是敞开的，并且用于冷却剂流动的开口24是不需要的。

极板12和14提供了具有内部冷却剂流场18的双极板。为了创建PEM燃料电池堆，将两个或更多个子组件10堆叠在一起。在连续的子组件10之间放置有气体扩散层(GDL)、膜电极组件(MEA)和第二GDL。所述气体扩散层延伸得基本上跨过阳极流场20和阴极流场22，但是优选地，终止于极板12和14的表面30上的密封材料16内。所述MEA延伸得跨过阳极流场20和阴极流场22，并且至少与极板12和14的表面30上的密封材料16重叠。任选地，所述MEA也可以从反应物流场20和22延伸，并且与围绕着限定了反应物导管的一个或多个开口24的密封材料重叠。以这种方式，在所述MEA的相对两侧上将反应物密封。图1和图2中以简化的形式示出了极板12和14中的位于开口24与流场18、20和22之间的通路34，但是通路34也能够被设置于现有技术中已知的其它构造中。例如，虽然图1和图2示出了反应物用的通路34被设置于极板的内表面30上的“背面侧供给”构造，可替代的是，通路34可以被安置于极板12和14的外表面30中。

密封材料16以液体的形式被涂敷到极板12和14上，然后在极板12和14上固化，并且优选地，在极板12与14之间固化。极板12和14被放置到具有凹陷的模具中，以便将密封材料16的外表面限定在极板12和14的外表面30和边缘32上。这个模具被放置到液体注射模制成型(LIM：liquid injection molding)压力机或其它合适的模制成型机中。然后，将液体密封材料(优选地，液体硅橡胶)注射至该模具中并且固化。该模具或极板12和14中设置有通风孔，以便当密封材料16被注射至模具中时使得空气能够逸出。模具注射点以及通风孔的尺寸、数量和位置能够利用在注射模制成型领域内已知的方法来确定。注射的液体密封材料16在该注射模具中在极板外围的周围快速流动，这有利地减少了该模具所需要的注射点的数量，并且还能够减少(或任选地，免除)对于贯穿极板12和14的厚度的注射模制成型通道口的需要。

当使用复合的模制成型的极板12和14时，一些水(或另一种冷却剂流体)可能从冷却剂流场18通过极板12和14而自行扩散。扩散到反应物流场20和22中的水(或蒸汽)随着反应物或反应产物的流动而被带走，并且通常不会造成损害。然而，一些水也可能出现在极板12和14的边缘处。这样的水会造成以下问题，例如：相邻的燃料电池之间的短路；或者对该堆周围的电厂配套设施元件的干扰。为此，密封材料16优选地包括边缘密封部26，边缘密封部26包裹着极板12和14的边缘32的周围。边缘密封部26还使极板12和14的边缘32电气隔离，并且这即使对金属极板12和14也是有用的。优选地，边缘密封部26在极板12和14的整个外围的周围是连续的。优选地，所述MEA没有延伸到极板的边缘32。这样，对于一个完整的堆，因为与该堆的外部接触的固体导体不太可能造成短路，所以该完整的堆的侧部实际上是绝缘的。

密封材料16优选地提供各个压条部(bead portion)28。压条部28在所述MEA的任一侧上对反应物进行密封，并且还可以帮助在堆中的相邻的子组件10的开口24之间进行密封。压条部28的形状被选择成当堆被夹在一起时该压条部会产生抵靠着所述MEA的足够压力。优选地，所述压条部被安置于极板12和14中的槽42上。压条部28可以在反应物流场20和22的外围的周围被设置于极板12和14的一侧或两侧上。优选地，密封材料16的边缘密封部26从子组件10的一个外表面30上的压条部28延伸到子组件10的另一个外表面30上的压条部28，由此形成一个连续的密封材料块体。压条部28被制造成比极板12和14的外表面上的边缘密封部26的相邻部分更厚。这能够避免不必要地增大在提供压条部28中的充分压缩时将要需要的总力。它还帮助使得密封材料16的变形在靠近极板12和14的边缘32的压条部28与从边缘32偏移了开口24的压条部28之间是一致的。任选地，附加的压条部28可以被安置成在超出将要被所述MEA重叠的区域以外靠近极板12和14的边缘32或处于极板12和14的边缘32处，以便更好地使所述MEA的边缘与所述堆的侧部绝缘。

图3以截面的方式示出了替代用子组件10a的一部分。在子组件10a的这个部分中，没有开口24，并且冷却剂流场18延伸到极板12和14的边缘32附近。极板12和14的厚度在图3中(并且在图4至图6中)是被夸大的，并且它们各自的厚度可以是1mm的量级。

虽然极板12和14的边缘32可能如图1和图2中所示的那样形成一个平面，但是所得到的边缘密封部26可能无法独自提供在内部冷却剂场18周围的充足密封。在图3中，极板12和14的边缘32在极板12和14的内表面30附近具有台阶40以便提供附加的密封材料16。优选地，台阶40被设置于极板12和14的整个外围的周围。任选地，台阶40可以仅仅被设置于阳极板12中或可以仅仅被设置于阴极板14中。可替代地，台阶40可以具有另外一种轮廓，而不是所图示的通常的矩形凹口。

图4以截面的方式示出了另一个替代用子组件10b的一部分。在这种情况下，阳极板12中设置有键部(key)44。任选地，键部44可以被设置于阴极板14中，或者键部44可以被设置于极板12和14两者中。键部44也在极板12和14的内表面附近提供了附加的密封材料。此外，键部44以机械的方式将密封材料16的边缘密封部26锁定至极板的边缘32。为了这个目的，键部44优选地被设置于极板12和14的整个外围的周围。键部44可以具有除了所图示的轮廓以外的其他轮廓。

图5以截面的方式示出了另一个替代用子组件10c的一部分。在这种情况下，阳极板12的内表面30上设置有槽42。任选地，槽42可以被设置于阴极板12的内表面30上，或可以被设置于极板12和14两者的内表面30上。该槽42可以被安置于位于同一个极板12、14的外表面30上的槽42的正下方，或与位于同一个极板12、14的外表面30上的槽42重叠。然而，优选的是，位于极板12和14的内表面30上的槽42被安置于位于同一块极板12、14的外表面30上的槽42的内侧(远离边缘32)或外侧(靠近边缘32)，以避免极板12和14中具有非常薄的部分。液体密封材料16可以通过一个或多个通道口46而被馈送到位于极板12和14的内表面30上的槽42。例如，通道口46可以穿过极板12和14的厚度。替代地或附加地，可以按照被模制于极板12和14的内表面30中的且与极板12和14的边缘32连通的渠道的形式而设置有通道口46。

图6以截面的方式示出了图3中的替代用子组件10a的另一部分。在子组件10a的这个部分中，在冷却剂流场18与极板12及14的边缘32之间存在着开口24。密封材料16优选地利用处于槽42上的压条部28来围绕位于极板12和14的外表面30上的开口24。密封材料16还在极板12和14的一者或任选地两者的内表面30中围绕开口24。需要围绕开口24的内部密封材料16从极板12和14的边缘32通过形成于极板12和14的内表面30中的槽42或通道口46而向内流动。

替代地或附加地，需要围绕开口24的密封材料16还可以通过贯穿极板12和14的厚度的一个或多个通道口46而被提供。密封材料16可以以相似的方式被提供于图1、图2、图4或图5的子组件10中的开口24的周围。

在另一种替代结构中，冷却剂流场可以被设置于单独的板中，而不是被设置为阴极板14或阳极板12的一部分。该冷却剂场板可以被连接至极板中的开口24、或可以被连接至外部的冷却剂夹套、或可以被连接至大气。在这种情况下，堆中的一些子组件10可以按照如上所述的、但是通过省略冷却剂场板因此不具有冷却剂场18的方式而被制造。在具有冷却剂场18的子组件10中，在模具中将冷却剂场板放置于阴极板14与阳极板12之间，并且如上所述，在所有的上述三个板的边缘32的周围注射密封材料16。该冷却剂场板能够仅仅通过边缘密封部26或如图3至图6中的任何一个图所示的阴极板14与阳极板12之间的密封件而被密封到阴极板14和阳极板12中的一者或两者。

密封材料16不仅当密封材料16在堆中被压缩时密封至所述MEA，而且还使堆中的相邻的子组件10隔离开。虽然必须制造出许多单独的子组件，但是在形成堆的同时压条部28帮助安置GDL和MEA。美国专利第7,210,220号中所说明的为了在使用就地密封时避免燃料电池发生短路的各种方法是不需要的。如果堆有缺陷，那么可以把该堆拆开，并且检查MEA。然而，极板12和14的边缘被密封着以便能够在不需要附加的步骤的前提下预防冷却剂泄漏。这样，子组件10至少提供了一种有用的对于就地密封方法的替代方案。如上所述，在某些情况下，能够减少或免除贯穿极板12和14的厚度的通道口。

虽然上面已经说明了用于PEM燃料电池中的子组件10，但是如上所述的子组件10也可以被用于PEM类型或其它类型的电解器(electrolyser)中的另一类燃料电池中，或被用于通常的电解电池中。由随附的权利要求所限定的子组件10及其制造方法还能够在本发明的范围内以各种方式予以修改。