專利名稱：用于燃料電池堆的密封件結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種PEM燃料電池，且尤其涉及一種結(jié)合在燃料電池堆 內(nèi)部的密封件結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
燃料電池已經(jīng)在許多領(lǐng)域中用作能源。例如，燃料電池已經(jīng)計(jì)劃用 于電動(dòng)車能源來取代內(nèi)燃引擎。在質(zhì)子交換膜(PEM)型燃料電池中，氫 供給燃料電池的陽(yáng)極和氧作為氧化劑供給給陰極。PEM燃料電池包括膜 電極組件(MEA)，該膜電極組件包括薄的、質(zhì)子傳導(dǎo)的、非電子導(dǎo)電的 固相聚合物電解質(zhì)薄膜，在該薄膜的一面具有陽(yáng)極催化劑和在其相對(duì)面 具有陰極催化劑。MEA夾在一對(duì)用作陽(yáng)極和陰極集電器的無孔、導(dǎo)電的
夾持M E A的電子導(dǎo)電板在其面上可以包括 一 系列凹槽，該凹槽限定 用于在各自陰極和陽(yáng)極表面上分配燃料電池氣體反應(yīng)物(即空氣形式的 氫和氧)的反應(yīng)物流場(chǎng)。這些反應(yīng)物流場(chǎng)通常包括許多平臺(tái)，該平臺(tái)確 定了在其間的許多流道，氣體反應(yīng)物通過這些流道從流道一端的供給歧 管流動(dòng)到流道相對(duì)端的排放歧管。
典型地，非導(dǎo)電襯墊或密封件在燃料電池堆的多個(gè)板之間提供密封 和電絕緣。此外，該密封件提供流道以用于氣體反應(yīng)物從供給歧管到各 自陽(yáng)極和陰極催化劑的表面上。通常，該密封件包括塑模柔性材料，例 如橡膠。因?yàn)樵撁芊饧扇嵝圆牧现瞥刹⑶揖哂歇M窄的壁厚，所以在裝 配過程中操作它們是^艮困難的。
圖6說明了用于燃料電池堆的現(xiàn)有技術(shù)的密封件結(jié)構(gòu)，其包括第一 雙招j反110和第二雙極板112,在其周邊每個(gè)分別配有凹進(jìn)的凹槽部分 114、 116。 MEA 118布置在雙極板110、 112兩者之間。該MEA 118包括
3在一面具有陽(yáng)極催化劑和在第二面具有陰極催化劑的離聚物層118A。在
MEA 118的邊緣，離聚物層118A包括第一輔助墊圏層122和第二輔助墊 圏層124。具有兩個(gè)輔助墊圏層122、 124的該離聚物層與凹進(jìn)區(qū)域114 中的一個(gè)雙極板110相對(duì)布置。密封部件126布置在相對(duì)的雙才及板110、 112的凹進(jìn)的區(qū)域114、 116中并且與輔助墊圈層124相對(duì)擠壓。如圖6
128，并且與密封部件126的邊緣表面相對(duì)布置。
在燃料電池堆的組裝過程中，利用圖6中說明的密封件結(jié)構(gòu)，可視 設(shè)置該元件，同時(shí)在元件設(shè)置的上面通過非常有限的控制來組裝燃料電 池堆。由于連接到薄膜118的輔助墊圏122、 124,組裝區(qū)域中的相對(duì)濕 度能夠改變薄膜118的尺寸，這就要求控制生產(chǎn)區(qū)域中的濕度以減小對(duì) 于周圍相對(duì)濕度變化的敏感性。換句話說，由于與濕度相關(guān)的PEM薄膜 在不同的濕度條件下或者膨脹或者收縮，相對(duì)于雙極板中流道的墊圈材 料的位置改變了。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明提供一種用于燃料電池的密封件結(jié)構(gòu)，燃料電池包括 每個(gè)布置在MEA相對(duì)側(cè)的第一雙極板和第二雙極板，每個(gè)第一和第二雙 極板包括沿其邊緣布置的凹陷區(qū)域。該密封件結(jié)構(gòu)包括粘附在第一雙極 板凹陷區(qū)域的第 一輔助墊圈和粘附在第二雙極板凹陷區(qū)域的第二輔助墊 圏。第一和第二輔助墊圏布置在膜電極組件的相對(duì)側(cè)。密封部件布置在 第 一和第二雙極板的凹陷區(qū)域中并且在第 一和第二輔助墊圈之間。本發(fā) 明的設(shè)計(jì)減小了支路區(qū)域的尺寸，提供了所有元件設(shè)置的較好控制，和 消除了由于不正確設(shè)置部分的失敗。這種方法還減小了對(duì)周圍相對(duì)濕度 變化的敏感性且因此通過消除了對(duì)生產(chǎn)區(qū)域中濕度控制的需要而降低了 生產(chǎn)成本。
在下文給出的詳細(xì)說明中，本發(fā)明進(jìn)一步的實(shí)用性將會(huì)變的更加明 顯。應(yīng)該理解的是表示本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)說明和具體實(shí)例僅是用 于說明和沒有打算限制本發(fā)明的范圍。


通過詳細(xì)說明和附圖能夠更加全面理解本發(fā)明，其中
圖1是根據(jù)本發(fā)明原理的燃料電池的分解透視圖2是^f艮據(jù)本發(fā)明原理用于燃料電池的密封件結(jié)構(gòu)的截面圖3是根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的用于燃料電池的密封件結(jié)構(gòu)的截面
圖4是根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的用于燃料電池的密封件結(jié)構(gòu)的截面
圖5是根據(jù)本發(fā)明第四實(shí)施例的用于燃料電池的密封件結(jié)構(gòu)的截面 圖；和
圖6現(xiàn)有技術(shù)密封件結(jié)構(gòu)的截面圖。
具體實(shí)施例方式
下面的優(yōu)選實(shí)施例描述實(shí)質(zhì)上僅是示范性的和沒有打算限制本發(fā) 明、其應(yīng)用或使用。
參考圖l和2，現(xiàn)在描述根據(jù)本發(fā)明原理的用于燃料電池堆的密封件 結(jié)構(gòu)。如圖1所示，示范性的燃料電池10包括在其間夾持膜電極組件16 的第一雙極板12和第二雙極板14。第一擴(kuò)散介質(zhì)柵格18布置在第一雙 極板12和MEA 16之間，同時(shí)第二擴(kuò)散介質(zhì)柵格20布置在第二雙極板14 和MEA 16之間。第一輔助墊圈22布置在第一雙極板12和MEA 16之間， 同時(shí)第二輔助墊圈24在第二雙極板14和MEA 16之間延伸。
正如本領(lǐng)域所知的，每個(gè)雙極板12、 14包括通過許多平臺(tái)表示的反 應(yīng)氣體流場(chǎng)40,這些平臺(tái)限定了許多流道，通過該流道的反應(yīng)氣體從堆 疊體入口板邊緣40a流動(dòng)到排出板邊端40b。穿過每個(gè)陽(yáng)極和陰極板的 流動(dòng)方向通常從入口板邊端40a通過各自的流場(chǎng)到出口板邊端4 0b。在 入口板邊端40a外緣的附近形成許多供給歧管開口 42a - 42c。同樣地， 在出口板邊端40b外緣的附近形成許多排氣歧管開口 44a - 44c。更具 體地說，供給歧管開口 42a在陽(yáng)極板上并通過流道傳送燃料(H2)并且通 過排氣歧管開口 44a到外部。供給歧管開口 42b通過流道在陰極板上傳 送氧化劑(02)并且通過排氣歧管開口 44b到外部。最后，作為需要的，供給歧管開口 42c在雙極板的陽(yáng)極和陰極板面之間傳送冷卻劑，冷卻劑 在排氣歧管開口 44c離開堆疊體。應(yīng)該理解的是，歧管的位置能夠相對(duì) 于顯示的位置而變化。
正如本領(lǐng)域所知的，相對(duì)雙極板12、 14的流道布置的擴(kuò)散介質(zhì)18、 20有助于將反應(yīng)氣體分配到MEA 16。密封件26分別布置在雙極板12、 14的凹陷區(qū)域28、 30 (參見圖2)中，凹陷區(qū)域28、 30環(huán)繞雙極板12、 14的周邊延伸。
如圖2所示，示出了在堆疊組裝條件下的燃料電池10,其中MEA 16 布置在第一雙極板12和第二雙極板14之間。MEA 16的離聚物層16A在 輔助墊圈層22、 24之間延伸直到點(diǎn)P,在該點(diǎn)P上輔助墊圏層22、 24 分別轉(zhuǎn)向雙極板12、 14的凹陷區(qū)域28、 30。輔助墊圈22、 24配置有粘 附劑32的層，其將輔助墊圈粘附到雙極板12、 14上。可選擇地，粘附 劑32可以在密封區(qū)域的板上，在設(shè)置輔助墊圏的過程中輔助墊圈材料 可以在密封區(qū)域中與粘附劑接觸。輔助墊圈22、 24還部分地覆蓋在擴(kuò) 散介質(zhì)層18、 20之上并且在適當(dāng)?shù)奈恢弥С謹(jǐn)U散介質(zhì)層。能夠通過已 知的墊圏材料來制造輔助墊圏22、 24。密封件26布置在輔助墊圈22、 24之間。壓緊彈性密封部件26的肋以在雙極板12、 14之間提供壓力密 封。與圖3示出的現(xiàn)有技術(shù)的大支路區(qū)域128相比，分散的輔助墊圈22、 24提供縮小的支路區(qū)域36。支路區(qū)域36是在雙極板之間的密封區(qū)域中 暴露給反應(yīng)氣體(和反應(yīng)氣體流體/支路)的區(qū)域。
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，MEA 16配置有在一面具有陽(yáng)極催化劑16B 和在第二面具有陰極催化劑16C的離聚物層16A。離聚物層16A與輔助 墊圈22 —起延伸到雙極板12的凹陷區(qū)域28中。在圖2的實(shí)施例中， 離聚物層16A延長(zhǎng)至板12的外緣并且與密封部件26接觸。根據(jù)圖3所 示的第二實(shí)施例，離聚物層止于點(diǎn)P或者止于其附近，在這里兩個(gè)輔助 墊圈層22、 24分離。參考圖4，示出了第三實(shí)施例，其中離聚物層16A 延伸至板12的外緣以及延伸至離聚物層16A和密封部件26之間的附加 輔助墊圏的狹窄環(huán)50。該環(huán)50向內(nèi)延伸和止于點(diǎn)P之前，在P點(diǎn)輔助 墊圈層22、 24分離。圖5說明了第四實(shí)施例其中在離聚物層16A和密 封部件26之間提供附加輔助墊圈52的全部層。輔助墊圈52與輔助墊圈24鄰接并且在P點(diǎn)分離使得輔助墊圈層24和52布置在密封部件26 的相對(duì)側(cè)。
正如圖1和2所示，由于本發(fā)明密封件結(jié)構(gòu)，支路區(qū)域最小化同時(shí) 還提供所有元件設(shè)置的較好控制，其導(dǎo)致由于不正確設(shè)置部分的失敗消 除了 (相對(duì)于板特征輔助墊圏活性區(qū)域反應(yīng)物窗口的設(shè)置)。本發(fā)明同 樣減小了對(duì)周圍相對(duì)濕度變化的敏感性，該變化能夠影響MEA 16的尺 寸和形狀，且因此通過消除了對(duì)生產(chǎn)區(qū)域中濕度控制的需要而降低了生 產(chǎn)成本。由于本發(fā)明的系統(tǒng)，輔助墊圈元件22、 24與MEA 16相對(duì)地附 著于雙極板12、 l4。通過將輔助墊圈22、 24附著到雙極板12、 14上， 可以特別控制輔助墊圈中歧管開口的定位而不管尺寸的變化，而該尺寸 變化是由于生產(chǎn)區(qū)域中周圍空氣的相對(duì)濕度使得MEA 16遇到的。
本發(fā)明的說明實(shí)質(zhì)上僅僅是示例性的，因此在不脫離本發(fā)明精神下 的改變均落在本發(fā)明的范圍內(nèi)。這種改變被認(rèn)為是沒有偏離本發(fā)明的精 神和范圍。
權(quán)利要求
1、一種用于燃料電池的密封件結(jié)構(gòu)，燃料電池包括每個(gè)布置在膜電極組件相對(duì)側(cè)上的第一雙極板和第二雙極板，每個(gè)所述第一和第二雙極板包括沿其邊緣布置的凹陷區(qū)域，上述密封件結(jié)構(gòu)包括粘附到第一雙極板凹陷區(qū)域的第一輔助墊圈；粘附到第二雙極板凹陷區(qū)域的第二輔助墊圈，其中所述第一和第二輔助墊圈布置在膜電極組件的相對(duì)側(cè)；和布置在上述第一和第二雙極板的上述凹陷區(qū)域中并且在上述第一和第二輔助墊圈之間的密封部件。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1的密封件結(jié)構(gòu)，還包括布置在上述第一輔助墊圈 和上述第 一雙極板之間的第 一擴(kuò)散介質(zhì)以及布置在上述第二輔助墊圏和 上述第二雙極板之間的第二擴(kuò)散介質(zhì)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1的密封件結(jié)構(gòu)，其中上述第一和第二輔助墊圈覆 蓋上述膜電極組件的邊緣部分。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1的密封件結(jié)構(gòu)，其中上述膜電極組件包括在上述 第一雙極板的上述凹陷區(qū)域和上述密封部件之間延伸的離聚物層。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4的密封件結(jié)構(gòu)，還包括布置在上述離聚物層和上 述密封部件之間的第三輔助墊圈。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5的密封件結(jié)構(gòu)，其中上述第三輔助墊圈具有在中 心的開口 ，其具有大約在上述第一雙極板的上述凹陷區(qū)域的內(nèi)^J冬止的 內(nèi)緣。
7、 才艮據(jù)權(quán)利要求5的密封件結(jié)構(gòu)，其中上述第三輔助墊圈布置在上 述膜電極組件和上述第二輔助墊圈之間。
全文摘要
提供一種用于燃料電池堆的密封件結(jié)構(gòu)，燃料電池堆包括第一雙極板和第二雙極板，每個(gè)雙極板布置在膜電極組件的相對(duì)側(cè)。該密封件結(jié)構(gòu)包括粘附于第一雙極板凹陷區(qū)域的第一輔助墊圈和粘附于第二雙極板凹陷區(qū)域的第二輔助墊圈，其中第一和第二輔助墊圈布置在膜電極組件的相對(duì)側(cè)。密封部件布置在第一和第二雙極板的凹陷區(qū)域中并且在第一和第二輔助墊圈之間。該密封件結(jié)構(gòu)使環(huán)繞密封件周邊的支路區(qū)域的尺寸最小化和當(dāng)燃料電池堆組裝時(shí)提供了所有元件設(shè)置的較好控制。這種方法還減小了對(duì)周圍相對(duì)濕度變化的敏感性且通過消除了對(duì)生產(chǎn)區(qū)域中濕度控制的需要而降低了生產(chǎn)成本。
文檔編號(hào)H01M8/10GK101432905SQ200580028344
公開日2009年5月13日 申請(qǐng)日期2005年6月9日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月25日
發(fā)明者J·A·羅克, M·J·伯伊特爾, S·C·奧夫斯拉格 申請(qǐng)人:通用汽車公司