具有通流燃料进给的塑性框架组件和双极板的制作方法

本公开涉及电化学燃料电池领域。具体地，本公开涉及用于电化学燃料电池组件中的装置和方法，所述装置和方法包括用于允许多个流体流动通道及其配置的流体流动板的框架系统。

背景技术：

燃料电池堆组件能够由与膜电极组件层交替的一系列流体流动板形成。在蒸发式冷却(ec)质子交换膜(pem)燃料电池中，水能够经由阳极流体流动路径或阴极流体流动路径被引入到燃料电池堆中，以使膜水合并且冷却电池。当与具有介于中间的密封液体冷却通路的液体冷却燃料电池相比时，ec电池能够由于简单的单板配置和减小的电池间距而提供优良的质量和体积功率密度。在典型的ec燃料电池配置中，冷却水从沿燃料电池堆的侧面向下延伸的一个或更多个共用歧管被注入阳极或阴极流体流动通道中。ec燃料电池堆在阴极和阳极流体上施加压降至与通过活性区域的压降类似的水平，这对于电池与电池性能一致性的所得压降以及电池周边歧管的一致性产生依赖性。在流体流动板周围使用由衬垫材料(如橡胶)制成的连续密封件来提供对齐和流体流动歧管装置能够导致在具有承载高压缩力的多个流体流动板的整个燃料电池堆组件中的各点处的未对齐。在形成流体流动板之后，此类连续密封还必须用作辅助的制造步骤，这能够产生供应链问题并且增加制造成本或延长订货至交货时间(leadtimes)。

在燃料电池组件中待解决的一些问题包括：确保燃料、氧化剂和冷却剂管线中的流体分配的均匀流动场；使入口歧管两端的压降最小化；使确保气密操作所需的密封压力最小化；考虑到在制造燃料电池组件时需要精确地组装的大量单元，使流体流动板的构造与机械化组装过程兼容；减小组成堆的燃料电池的间距，同时使操作保持在期望参数内；减少部件数量；减轻整体重量；减少材料使用和浪费；简化设计、制造和组装；以及总体降低燃料电池组件的整体成本。

因此，需要允许简化的制造和组装同时提供流体流动歧管和分配线路的精确对齐的部件。本公开涉及这些和其他重要的需求。

技术实现要素：

本公开提供流动板和框架组件的各方面，该流动板和框架组件包括：阳极框架构件，该阳极框架构件包括外表面、内表面和阳极框架开口；阴极框架构件，该阴极框架构件包括外表面、内表面和阴极框架开口；以及流动板，该流动板包括阳极表面和阴极表面。在一些实施方式中，阴极框架构件和阳极框架构件沿它们各自的内表面彼此接合，并且使流动板保持在内表面之间并在内表面之间包围流动板，其中阳极表面的一部分与阳极框架构件内表面接触，并且阴极表面的一部分与阴极框架构件内表面接触。在进一步的实施方式中，阳极框架构件、阴极框架构件或两者能够包含两种不同的材料。在又进一步的实施方式中，所述两种不同的材料包括由硬塑性材料制成的刚性框架元件和可压缩密封材料的选择区域。在某些实施方式中，阳极框架构件、阴极框架构件或两者经由2k模制工艺形成。在一些实施方式中，阳极表面能够具有多个阳极流动通道，并且阴极表面能够具有多个阴极流动通道。

本公开提供包括多个相同的本公开的流动板和框架组件的燃料电池堆组件，其中每个相同的流动板和框架组件与邻近的流动板和框架组件的外表面对齐，从而接合在一起。

本公开提供包括本文所公开的燃料电池堆组件的燃料电池系统。在一些实施方式中，该燃料电池系统能够具有：阳极流体供给部，该阳极流体供给部包含阳极流体并且流体连接到燃料电池堆的阳极流体进入管道；阴极流体供给部，该阴极流体供给部包含阴极流体并且流体连接到燃料电池堆的阴极流体进入管道；以及冷却剂流体供给部，该冷却剂流体供给部包含冷却剂流体并且流体连接到燃料电池堆的冷却剂流体进入管道。

本公开提供组装流动板和框架组件的方法，该方法包括：形成具有外表面、内表面和阳极框架开口的阳极框架构件；形成具有外表面、内表面和阴极框架构件开口的阴极框架构件；形成具有阳极表面和阴极表面的流动板，其中阳极表面具有多个阳极流动通道，阴极表面具有多个阴极流动通道；将流动板设置到阴极框架构件上，其中阴极表面与内表面接触；以及将阳极框架构件设置到流动板和阴极框架构件上，其中内表面与内表面和阳极表面接触。在一些实施方式中，阳极框架构件、阴极框架构件或两者能够由两种不同的材料形成。在进一步的实施方式中，所述两种不同的材料能够为由硬塑性材料制成的刚性框架元件和可压缩密封材料的选择区域。在某些实施方式中，阳极框架构件、阴极框架构件或两者经由2k模制工艺形成。在进一步的实施方式中，组装流动板和框架组件的方法能够包括使阳极框架构件和阴极框架构件的流体入口和流体出口对齐的步骤。

本公开提供组装对齐的燃料电池堆组件的方法，该方法包括以下步骤：获得多个相同的流动板和框架组件；将多个相同的流动板和框架组件一起堆叠成堆，其中邻近的流动板和框架组件的外表面接合在一起以形成密封。

一般描述和以下详细描述仅是示例性和解释性的，并不限制如所附权利要求中所限定的本公开。鉴于如本文所提供的本公开的详细描述，本公开的其他方面对于本领域技术人员来说将是显而易见的。

附图说明

当结合附图阅读时，发明内容以及以下详细描述将得到进一步理解。出于说明本公开的目的，在附图中示出了本公开的示例性实施方式；然而，本公开不限于所公开的特定方法、组成和装置。此外，附图不必按比例绘制。在附图中：

图1示出以分解组装透视图所示的示例性流动板和框架组件的各方面；

图2以分解组装透视图示出图1中所示的示例性流动板和框架组件的各方面；

图3示出图1中所示的示例性流动板和框架组件的各方面并且示意性地描绘了通过组件的阳极流体流动路径；

图4示出图1中所示的示例性流动板和框架组件的各方面并且示意性地描绘了通过组件的阴极流体流动路径；

图5至图6示出图1中所示的示例性流动板和框架组件的各方面并且示意性地描绘了通过组件的冷却剂流体流动路径；

图7以透视图示出图1中所示的示例性流动板和框架组件的各方面；

图8以透视图示出图7中所示的示例性流动板和框架组件的各方面，其中出于例示性目的，部件之间存在一些间隔；

图9以透视图示出图7中所示的示例性流动板和框架组件的各方面，其中出于例示性目的，将阳极框架构件移除并且使流体流动板移位；

图10示出阳极框架构件的外表面的视图以便示出图7中所示的示例性流动板和框架组件的各方面；

图11示出图10的视图，其中流体流动板被添加在组装位置中；

图12示出图10中所示的阳极框架构件的内表面的视图；

图13示出图12的视图，其中流体流动板被添加在组装位置中；

图14以示意性侧视图示出阳极框架构件和阴极框架构件的各方面；

图15以示意性透视图示出流体流动板的各方面；以及

图16示出燃料电池堆组件与流动板和框架组件的分解透视图。

在附图中，贯穿不同的视图，相似的附图标记指示对应的部分。附图中的所有描述和标注由此通过引用的方式并入，如同在此完全阐述一样。

具体实施方式

通过参考结合附图和示例给出的以下详细描述，可更容易地理解本公开，附图和示例形成本公开的一部分。应当理解，本公开不限于本文所述和/或所示的特定装置、方法、应用、条件或参数，并且本文使用的术语仅用于以示例的方式描述特定范例的目的，并非旨在对所要求保护的本公开的限制。

对范围中所述值的引用包括该范围内的每个和全部值。

在一个方面，本发明提供阳极框架构件与阴极框架构件，所述阳极框架构件与阴极框架构件能够用于在电化学燃料电池中使用的双极流体流动板的对齐、保持和流体流动递送。如图1至图2中示意性地描绘的，流动板和框架组件能够由阳极框架构件100、阴极框架构件200和流动板300形成。多个流动板和框架组件能够被堆叠在一起以形成燃料电池堆组件。阳极框架构件100具有外表面101和内表面102。阴极框架构件具有外表面202和内表面201。阴极构件和阳极框架构件沿它们各自的内表面102/201彼此接合，并且使流动板300保持在两个内表面之间并在两个内表面之间包围流动板300。流动板300的流动场部分分别通过阳极框架构件的框架构件开口103和阴极框架构件的框架构件开口203暴露。流动板300的流动场部分由流动板300的阳极表面301上的阳极流动场和流动板300的阴极表面302上的阴极流动场限定。

在流动板的一些实施方式中，流动板300的阳极流动场和阴极流动场能够包括阳极表面301和阴极表面302中的一个或更多个上的表面特征。在一些实施方式中，流动板300的阳极表面301上的阳极流动通道304和流动板300的阴极表面302上的阴极流动通道305可以用于将流体均匀地分配在流动场区域中。阳极流动通道304和阴极流动通道305能够由流动板300的材料中的多个波纹形成，这些波纹能够通过从薄板原料冲压或压制流动板300进行添加。在其他实施方式中，阳极流动场、阴极流动场或两者内的流体分配可以被实现而不使用流动通道。在共同拥有的专利申请wo2005/099008中描述了这些其他实施方式的各个方面，该专利的全部内容并入本文以用于所有目的。

电极膜400(未示出)能够被设置在邻近的流动板300之间。膜400可以被提供有一个或更多个阳极气体扩散层401、一个或更多个阴极气体扩散层402或两者(未在图1和图2中示出)。图16描绘了由阳极框架构件100、流动板300、阴极框架构件200、阴极气体扩散层402、膜电极组件400和阳极气体扩散层401形成的流动板和框架组件的分解组装视图。还在图16的右侧中示出了燃料电池堆组件的透视图，该燃料电池堆组件由分解组装视图中所示的流动板和框架组件中的四个组成，如它们将一起设置在压缩堆中那样。

在一些示例性实施方式中，阳极框架构件能够被提供有提供阳极流体入口、阴极流体入口、冷却剂流体入口、阴极排气出口和阳极排气出口的流体歧管区域。在图1至图13所示的实施方式中，框架构件具有阳极流体入口160/260、冷却剂流体入口170/270和阴极流体入口150/250、阳极排气出口180/280以及阴极排气出口190/290。当多个流动板和框架组件连同介于中间的膜电极组件组合成燃料电池堆组件时，流体进入管道和流体离开管道由邻近的入口和出口的阵列形成。阳极流体进入管道165由邻近的阳极流体入口160/260的阵列形成，该邻近的阳极流体入口160/260的阵列形成正交于框架构件的表面101/102/201/202的柱(column)。阴极流体进入管道255由邻近的阴极流体入口150/250的阵列形成，该邻近的阴极流体入口150/250的阵列形成正交于框架构件的表面101/102/201/202的柱。冷却剂流体进入管道275由邻近的冷却剂流体入口170/270的阵列形成，该邻近的冷却剂流体入口170/270的阵列形成正交于框架构件的表面101/102/201/202的柱。阳极流体离开管道166由邻近的阳极排气出口180/280的阵列形成，该邻近的阳极排气出口180/280的阵列形成正交于框架构件的表面101/102/201/202的柱。阴极流体离开管道256由邻近的阴极排气出口190/290的阵列形成，该阴极排气出口190/290的阵列形成正交于框架构件的表面101/102/201/202的柱。

在示例性实施方式中，流动板300被提供有由折叠的双极板边缘形成的一体式冷却剂流路容积。如示意性地描绘了流动板300的元件的图2、图13和图15所见，流动板300的部分303能够被折叠在流动板300的阴极表面302上方。形成能够通过使用垫圈、焊接、包覆模制、粘合剂、卷边、折叠或机械迷宫式密封进行密封的两个开放的周边边缘308。在公布为国际公布no.wo2007/129030a1的国际专利申请no.pct/gb2007/001573、公布为国际公布no.wo2013/140135a2的国际专利申请no.pct/gb2013/050634和公布为no.wo2016/097716a1的国际专利申请no.pct/gb2015/054020中更全面地描述了此类密封技术、用于流动板300的合适结构以及一体式冷却剂流路容积的折叠板边缘形成。开放的冷却剂流体递送边缘309保持其能够提供到阴极流动通道305上的冷却剂流体流动。在一些实施方式中，冷却剂流路管道310能够作为部分303中的特征被提供，以沿开放的冷却剂流体递送边缘309提供不同的冷却剂流动路径。冷却剂流路容积进入管道312能够被提供在部分303中，该部分303被配置成与在阴极板200的内表面201中形成的冷却剂歧管孔272流体连接。冷却剂流路容积进入管道312与形成在折叠部内的冷却剂流路容积流体连接，在该冷却剂流路容积内，冷却剂被分配在流动场的宽度上，以便将冷却剂流体均匀地分配在阴极流动通道305上。

在示例性实施方式中，阳极框架构件100和阴极框架构件200提供流体歧管以将阳极流体、阴极流体和冷却剂流体递送到流动板300的表面301/302上的期望位置。在图3、图8以及图10至图12中示意性地描绘了示例性阳极流体递送线路。经由与一个或更多个相应的阳极流体入口160流体连接的一个或更多个阳极流体进入管道165将阳极流体提供给阳极框架构件100。虽然附图中所示的例示性实施例描绘了两个阳极流体入口，但是在一些实施方式中，可以使用一个阳极流体入口或三个或更多个阳极流体入口。阳极流体流过由阳极流体流动区域800引导的阳极框架构件的外表面101的一部分，阳极流体流动区域800由下阶式边缘805和流体分配突起810限定。阳极流体流动区域800指引进入的阳极流体跨过外表面101到阳极流体管道161，阳极流体管道161使阳极流体穿过阳极框架构件100到内表面102。如能够在图11中部分地所示，在穿过阳极流体管道161时，阳极流体接触流动板300的阳极表面301并且被指引流到阳极流动通道304中、跨过流动场区域并且到流动板300的相对边缘。当到达流动场区域的相对边缘(阳极流动通道304的端部)时，阳极流体穿过阳极流体排气管道162以从内表面102穿过阳极框架构件100到外表面101。在外表面101上，阳极排气流体流动区域820(未在附图中描绘)指引阳极流体朝向阳极排气出口180，其中阳极流体进入阳极流体离开管道166以流出堆组件。

在图4中示意性地描绘了示例性阴极流体递送线路。经由与一个或更多个相应的阴极流体入口250流体连接的一个或更多个阴极流体进入管道255将阴极流体提供给阴极框架构件200。虽然附图中所示的例示性实施例描绘了四个阴极流体入口250，但是在一些实施方式中，可以使用更少或更多的阴极流体入口。阴极流体能够跨过设置在阴极流体入口250和阴极框架构件开口203之间的部分流过阴极框架构件200的内表面201。阴极流体朝向阴极流动通道305在流动板300的内表面201和阴极表面302之间流动并且流到阴极流动通道305中。然后，阴极流体流经阴极流动通道305到流动板300的相对端部，其中阴极流体能够跨过设置在阴极框架构件开口203和阴极排气出口290之间的部分流过阴极框架构件200的内表面201。阴极流体流过的内表面201的部分能够被提供有流体分配特征，诸如将阴极流体引导到阴极排气出口的突起、齿形的(castellated)通道或壁。然后，阴极排气流体流经一个或更多个阴极排气出口290并且流到一个或更多个阴极流体离开管道256中。

在图5和图6中示意性地描绘了示例性冷却剂流体递送线路。经由与一个或更多个相应的冷却剂流体入口270流体连接的一个或更多个冷却剂流体进入管道275将冷却剂流体提供到冷却剂框架构件200。冷却剂流体入口270流体连接到由下阶式边缘805(未示出)限定的冷却剂流体流动区域830(未示出)。冷却剂流体流动区域830指引进入的冷却剂流体跨过阴极板200的内表面201到冷却剂歧管孔272，冷却剂歧管孔272与冷却剂流路容积进入管道312流体连接，冷却剂流路容积进入管道312与形成在流动板300的折叠部内的冷却剂流路容积流体连接，在该冷却剂流路容积内，冷却剂被分配在流动场的宽度上，以便将冷却剂流体均匀地分配在阴极流动通道305上。冷却剂流体被分配到开放的冷却剂流体递送边缘309并且流到阴极流动通道305中。在一些实施方式中，冷却剂流路管道310能够作为部分303中的特征被提供，以沿开放的冷却剂流体递送边缘309提供不同的冷却剂流动路径。冷却剂流体与阴极流动通道305中的阴极流体混合并且结合上述的阴极排气流体的流动，该阴极排气流体流过阴极框架构件200的内表面201到一个或更多个阴极排气出口290并且流到一个或更多个阴极流体离开管道256中。

图7至图15示出了由阳极框架构件100、阴极框架构件200和流动板300形成的示例性流动板和框架组件的各方面。图7示出了组件，并且示出了阳极框架构件100的外表面101，其中流动板300的阳极表面301通过阳极框架构件开口103可见。阳极表面301的外周边边缘由阳极框架构件的内表面102保持在阳极框架构件开口103的周边边缘周围。图8示出了与图7相同的组件，但是其中框架构件100与框架构件200分离以示出它们的接合。图9示出了阴极框架构件200的内表面201，其中流动板300处于定位在阴极框架构件200上的过程中。图10示出了阳极框架构件100的外表面101的一部分的视图，以示出图7中所示的示例性流动板和框架组件的各方面。可见阳极流体流动区域800由下阶式边缘805和流体分配突起810限定。突起810允许阳极流体的自由流动，同时提供流体分配和抵抗由于压缩力的潜在变形的支撑，该压缩力在燃料电池堆组件形成时正交于阳极外表面101被施加。下阶式边缘805能够被成形为在流动场的宽度上引导流体分配，使得阳极流体均匀地流动遍及多个阳极流体管道161。图11示出了与图10相同的局部视图，其中流体流动板被添加在组装位置中，其中阳极表面301紧靠阳极流体管道161。图12示出了图10中所示的阳极框架构件的内表面102的视图，并且描绘了阳极流体管道161的相对侧。图13描绘了与图12相同的视图，但是其中流动板300设置在阳极框架构件100的内表面102的一部分上方的组装位置中。流动板300的阴极表面302被示出为具有冷却剂流体线路的特征。

在一些实施方式中，每个阳极框架构件和阴极框架构件由两种不同的材料形成。由材料800制成的刚性框架元件在内表面和外表面101/102/201/202上被提供有密封材料801/802的选择区域。密封材料801/802为软材料，当部件在加压下被放置在一起时，密封材料801/802能够被压缩以在流动板和框架组件内的特定特征周围提供密封。密封材料801/802优选为弹性体材料，诸如tpe-s、tpe-u、tpe-e、tep-a、tpe-o、epdm、fkm、聚烯烃、氯丁橡胶、丁腈橡胶或有机硅。刚性框架元件材料800能够为塑性材料，该塑性材料包括但不限于具有或不具有增强填料诸如玻璃纤维、凯夫拉(kevlar)纤维或碳纤维的pa/尼龙、pbt、pei、pc、pc/abs或pp。密封材料能够被分别提供在阳极框架元件的内表面和外表面上的区域105/106中，并且能够用于框架构件的边缘周围的周边密封、流动板300的阴极表面和阳极表面301/302上的边缘部分周围的周边密封以及限定穿过组件的阳极流动线路、阴极流动线路和冷却剂流动线路的密封。被选择用于材料800/801/802的材料应根据与整个组件的操作温度的兼容性以及与在操作期间材料将接触的流体的化学兼容性进行选择。在一些情况下，可为氢气的阳极流体能够以可接受的最小流率通过材料800渗透或渗漏。在一些优选的实施方式中，阳极框架构件100、阴极框架构件200或两者能够经由二次喷射模制(2k模制)工艺形成，该工艺能够提供硬塑性材料800并且在硬塑性材料800的多个表面上提供较软的材料801/802。在其他实施方式中，材料800能够经由初始工艺诸如注模或添加制造技术形成，并且能够在包覆模制的单独步骤中添加较软的材料801/802。在又一些实施方式中，元件801/802能够作为被切割或模制成期望形状的单独的垫圈被提供，并且然后物理定向到刚性框架元件材料800上的适当位置中。因为2k模制工艺减少总部件的数量、消除制造步骤并且消除组装中的对齐步骤，所以该2k模制工艺能够为有利的。

在一些方面，本公开提供组装流动板和框架组件的方法。一旦被组装，多个相同的流动板和框架组件就能够被一起堆叠成对齐的燃料电池堆组件并且置于压缩下。在示例性实施方式中，组装流动板和框架组件的方法能够包括以下步骤：形成阳极框架构件100；形成阴极框架构件200；形成流动板300；将流动板300设置到阴极框架构件200上，其中阴极表面302与内表面201接触；将阳极框架构件100设置到流动板300和阴极框架构件200上，其中内表面102与内表面201和阳极表面301接触。在一些实施方式中，阴极框架构件200和阳极框架构件100的形成能够经由2k模制工艺实现。该方法还能够包括使阳极框架构件100和阴极框架构件200的流体入口和流体出口对齐的步骤。该方法能够包括使阳极框架构件100和阴极框架构件200保持在一起的另外的步骤。使框架构件100/200保持一起能够用临时夹持或保持元件实现，由于堆组件的最终压缩负荷足以贯穿堆组件确保邻近的框架构件之间的密封完整性，所以在组装对齐的燃料电池堆组件期间移除该临时夹持或保持元件。组装对齐的燃料堆组件的方法能够包括以下步骤：获得多个相同的流动板和框架组件；将多个相同的流动板和框架组件一起堆叠成堆，其中邻近的流动板和框架组件的外表面101/202接合在一起以形成密封。

在一些实施方式中，本文所述的燃料堆组件可用于蒸发式冷却燃料电池操作。在题为“coolantfluidfeedtofuelcellstacks(到燃料电池堆的冷却剂流体进给)”的美国专利授权前公布us2015/0236361a1和题为“fuelcellsystem(燃料电池系统)”的国际专利公布wo2016/034853a1以及题为“fuelcellstack(燃料电池堆)”的国际专利公布wo2015/140529a1中更全面地描述了操作ec燃料电池的方法，这些专利的全部内容并入本文以用于所有目的。燃料电池堆组件能够经由流动控制组件被提供有阴极流体、阳极流体和冷却剂流体输入，该流动控制组件为每种流体提供期望流率以用于最佳操作。排气流体流能够从出口歧管装置经由阳极流体离开管道166和阴极流体离开管道256进行收集，并且排气流中的水含量能够被捕获并且在另外的操作中重新用于冷却堆或使堆水合。

本领域的普通技术人员应理解，各种材料能够用于制造本文所公开的装置和系统中的部件。任何合适的结构和/或材料能够用于本文所述的各种特征，并且本领域技术人员将能够基于各种考虑来选择适当的结构和材料，各种考虑包括本文所公开的系统的预期用途、将使用它们的预期领域、将预期与它们一起使用的设备和/或附件以及其他考虑事项。常规的聚合物、金属-聚合物复合材料、陶瓷和金属材料适用于各种部件。此后发现和/或开发的被确定为适用于本文所述的特征和元件的材料也被认为是可接受的。

本领域的普通技术人员应理解，能够对本公开的范例做出许多改变和修改，并且可在不脱离如所附权利要求限定的本公开的范围的情况下做出此类改变和修改。