燃料电池堆叠体、双极板和垫片的总成以及在双极板周围提供密封的方法与流程

本发明涉及一种燃料电池的双极板上的垫片。确切来说，本发明涉及根据独立权利要求的前言的一种燃料电池堆叠体、双极板和垫片的总成以及在双极板周围提供密封的方法。

背景技术：

0、发明背景

1、聚合物垫片通常用于阳极板与阴极板之间(尤其是双极板(bpp))之间的密封。不仅需要在生产期间进行精确定位，而且还必须确保垫片保持原位以实现长期密封。后者是一项挑战，原因在于燃料电池的重复热循环往往会导致垫片相对于双极板膨胀和收缩，并且最终垫片可能明显地移动和变形到导致泄漏的程度。

2、国际专利申请wo2009/010066、美国专利申请us2007/298310、us2012/164560和us2014/0120452、德国专利申请de102014104015、de102005046461和de102006054849以及德国实用新型de202017103257中公开了使用突出部或凹槽将垫片保持在原位的电极板和垫片的组合的各种示例。

3、rock的us7081316公开了一种具有夹置在两个垫片之间的双极板的燃料电池，所述两个垫片位于双极板上、位于靠近双极板的边沿的凹槽中。垫片包括邻近相对边缘的开口以用于沿着堆叠体输送燃料气体和空气所需的通道。双极板总成由金属板制成，所述金属板接合使得在板之间提供水通道以用于冷却。

4、sugiura的专利申请us2005/079400和inoue的us2002/0122970公开了双极总成上的模塑垫片。然而，尽管其可提供良好的长期密封，但这是复杂且成本高昂的解决方案。转让给serenergy a/s的korsgaard的专利us8865362公开了一种垫片铺设于其中以固定垫片的凹槽。韩国的国际专利申请wo2013/069888公开了一种燃料电池总成，在所述燃料电池总成中垫片设置有沿着边缘区、配接到相应的凹槽上的突出部。

5、提供垫片的长期稳定性还对生产提出挑战，原因在于必须将垫片模塑到板上或精确地定位。将期望在垫片在双极板上的长期稳定性以及在生产期间组装的容易性方面提供进一步改进。

技术实现思路

1、本发明的目标是提供对现有技术的改进。确切来说，目标是提供一种双极板bpp上的改进垫片以及一种改进的生产方法。此目标是通过燃料电池堆叠体、通过bpp与垫片的总成以及通过在双极板周围提供密封的方法来达成，如独立权利要求中和下文中所陈述。

2、所述总成包括bpp和用于所述bpp的垫片。通常，此类总成中的多者堆叠以形成燃料电池堆叠体的一部分，其中在相邻的bpp之间存在离子交换隔膜，尤其是质子传导隔膜。

3、举例来说，bpp设置有阳极侧和阴极侧，阳极侧和阴极侧一体地设置为燃料电池堆叠体的双极板的一部分。另一选择为，通过将阳极板与阴极板背对背地附接到彼此(例如，通过胶合或焊接)来将所述板组合成双极板，其中密封的冷却剂流场位于阳极板与阴极板之间。此类冷却流场的示例是通道，例如曲折形通道。

4、对于bpp来说，各种材料和生产方法是可能的。举例来说，通过对应的冲压机将金属板(诸如钢板)冲压成具有突出部的正确形状。另一选择为，所使用的板是通过铣削或模塑制成。在后一种情形中，材料的示例是石墨、含石墨的聚合物、陶瓷、金属和金属合金。

5、为每个bpp提供密封非导电聚合物垫片，使得一个垫片定位在每两个相邻的bpp之间以通过所述垫片密封隔膜与其相邻的bpp之间的容积。

6、每个bpp具有沿着bpp的外周界的边缘区。垫片与此边缘区邻接并覆盖此边缘区并且沿着且围绕bpp的周界延伸，以保护对应bpp的边缘并且对bpp进行热绝缘以及电绝缘。在一些实际实施方案中，垫片围绕所述多个bpp中的仅一者的周界延伸，使得提供与bpp相等数目的垫片以覆盖所有bpp的边缘。

7、在一些实施方案中，燃料电池是在高温下操作的类型。术语“高温”在燃料电池的技术领域中是常用并可理解的术语并且是指高于120℃的操作温度，与在较低的温度下(例如，在70℃下)操作的低温燃料电池形成对比。任选地，燃料电池在120℃至200℃的温度范围内操作。垫片对应地由耐受此类温度的聚合物材料制成。

8、垫片是由可变形(有利地，弹性)聚合物制成，以在堆叠体的组装期间通过压力使聚合物变形成在bpp之间牢固密封的状态。

9、举例来说，垫片由含氟聚合物制成。示例是氟化乙烯丙烯(fep)、聚四氟乙烯(ptfe)或全氟烷氧基聚合物(pfa)。含氟聚合物即使在被制作得非常薄时仍提供高程度的长期稳定性。

10、有利地，垫片是由可弹性伸缩的材料(例如弹性体聚合物)制成。尤其有用的是氟化弹性体，例如氟化碳基合成橡胶，包括氟代弹性体fkm和全氟弹性体ffkm或氟化硅酮。

11、举例来说，为了提供与bpp的紧密连接，为垫片提供小于bpp的外周界的内周界，使得在垫片紧密配接在bpp的边缘周围之前必须通过拉长对所述垫片预加应力。通过垫片在周界周围的弹性收缩，将垫片在bpp的边缘上固持在原位。举例来说，垫片的内周界比bpp的外周界短1％至5％。

12、通常，堆叠体包括从堆叠体的一端延伸到相对端的管道以使气体或冷却剂流过管道。实际上，为用于反应的冷却剂和气体提供多个此类管道。在堆叠体中，此类管道由堆叠的管道区段形成，其中每个管道区段被设置为延伸穿过对应bpp的开口。此类开口具有界定管道区段的内容积的边沿。

13、在一些实施方案中，将两个相邻的bbp相对于彼此固定，垫片围绕一个bpp的周界(例如，围绕所述多个bpp中的仅一者的周界)延伸到相邻bpp的管道节段中，其中垫片与相邻bpp的对应管道节段的边沿的至少一部分邻接。由于垫片与一个bpp的外周边和相邻bpp的管道的内周边邻接，因此两个相邻的bpp彼此横向地锁定，从而确保在堆叠体中处于适当位置。通过因此以此方式将每两个后续的bpp彼此锁定，将整个堆叠体的bpp锁定到由所述多个垫片限定的固定位置。

14、在实际实施方案中，堆叠体中的相邻bpp的垫片彼此紧密地邻接并且沿着堆叠体形成外密封。

15、由于垫片环绕堆叠体的bpp的事实，因此堆叠体与周围环境电绝缘。然而任选地，为测量各个bpp的电势以做出诊断，每个垫片包括用于接纳电探针的探针开口。探针开口从垫片的外侧穿过垫片延伸到bpp以通过探针测量pbb的电压。举例来说，垫片的探针开口延伸到与被垫片沿着周界环绕的所述bpp的相邻的bpp。

16、为了防止通过探针开口的泄漏，垫片提供探针开口与气体流场之间的密封。任选地，所述垫片包括与探针开口与流场之间的bpp紧密邻接的挡边，和/或所述bpp包括与垫片密封地邻接的突出部。

17、在一些通常有利的实施方案中，所述垫片包括抵靠bpp的第一侧的一个挡边或多个挡边，且所述bpp包括位于第一侧上的一个突出部或多个突出部，其中所述挡边和所述突出部并排布置并且平行于周界。挡边设置在与周界相距比突出部更大的距离处，以使突出部阻挡挡边朝向周界越过突出部并且防止垫片在远离周界的方向上向外滑动。

18、有利地在将阳极板与阴极板组合成bpp之前提供此类突出部，例如作用于此类板的一侧上的工具压制到材料中，这使得在相对侧上形成突出部。如此一来，在组合成bpp之前，阴极板和阳极板两者皆可设置有突出部，使得bpp最终在两侧上皆具有突出部。

19、任选地，垫片具有沿着且围绕仅一个bpp的周界配接的第一部分和在两个相邻的bpp之间延伸的第二部分。有利地，第二部分包括在相对侧上的挡边以通过两个相邻的bpp中的两者的突出部阻挡挡边脱离。举例来说，当在被提供为穿过垂直于边缘的垫片材料的截面的截面中观察时，所述两个部分形成l形垫片的第一支腿和第二支腿。出于密封目的，垫片有利地在两个相邻的bppp之间延伸，从而包围管道节段以密封所述管道节段。

20、如所提及，通常，bpp在所述bpp的任一侧上皆包括流动图案以使氢在一侧上流动并且使氧在相对侧上流动。有利地，每个垫片围绕bpp的流动图案中的一者密封地延伸以防止气体沿着周界逸出。隔膜可密封相邻bpp的流动图案。任选地，隔膜任选地设置在垫片与bpp之间，使得每个垫片的侧面中的一者与bpp的表面直接邻接并且相对侧面与隔膜邻接。

21、在安装到堆叠体中之前，双极板任选地被设置为双极板与垫片的单式总成，其中垫片例如通过上文所阐释的伸缩定位在bpp上，使得与边缘邻接并覆盖所述边缘并且沿着bpp的周界延伸以保护所述边缘。接着，可将此类单式总成中的每一者安全地运送到将选定数目的此类bpp/垫片总成组合成燃料电池堆叠体的位置，所述燃料电池堆叠体具有所期望数目的bpp/垫片组合。

22、举例来说，燃料电池系统中的燃料电池是在高于120℃的情况下操作的高温聚合物电解质隔膜燃料电池(ht-pem)，ht-pem燃料电池与低温pem燃料电池不同，后者在低于100度的温度下(例如，在70度下)操作。ht-pem燃料电池的正常操作温度在120摄氏度至200摄氏度的范围内，例如在160摄氏度至170摄氏度的范围内。ht-pem燃料电池中的聚合物电解质隔膜pem是基于无机酸的，通常是聚合物膜，例如掺杂有磷酸的聚苯并咪唑。有利的是，ht-pem燃料电池能耐受相对高的co浓度，并且因此在重组器与燃料电池堆叠体之间不需要prox反应器，这是为何可使用简单、轻量且不昂贵的重组器的原因，这将系统的总大小和重量最小化，符合提供紧凑燃料电池系统的目的，例如用于汽车行业。