專利名稱：改進(jìn)型燃料電池設(shè)計中的用于進(jìn)行密封件支承的擴散介質(zhì)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及一種燃料電池堆，且特別是，本發(fā)明涉及一種包括通過燃料電池堆中的燃料電池的密封區(qū)域的直的陰極流道和陽極流道以便減輕流道中的積水情況的燃料電池堆。
背景技術(shù)：
氫由于其清潔以及可用于在燃料電池中高效發(fā)電的性能而是一種非常有吸引力的燃料。氫燃料電池是包括陽極和陰極以及位于其間的電解質(zhì)的電化學(xué)裝置。陽極接收氫氣且陰極接收氧或空氣。氫氣在陽極產(chǎn)生離解以產(chǎn)生自由氫質(zhì)子和電子。氫質(zhì)子通過電解質(zhì)到達(dá)陰極。氫質(zhì)子在陰極與氧和電子進(jìn)行反應(yīng)以產(chǎn)生水。來自陽極的電子不能通過電解質(zhì)，且因此在被傳送至陰極之前被引導(dǎo)通過負(fù)載而作功。
質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)是一種普遍采用的用于車輛的燃料電池。質(zhì)子交換膜燃料電池通常包括固體聚合物電解質(zhì)質(zhì)子傳導(dǎo)膜，如全氟磺酸膜。陽極和陰極通常包括擔(dān)載在碳顆粒上且與離聚物混合在一起的極細(xì)分散的催化顆粒，所述催化顆粒通常為鉑(Pt)。催化混合物被沉積在膜的相對側(cè)上。陽極催化混合物、陰極催化混合物和膜的組合限定出膜電極組件(MEA)。膜電極組件的制造成本相對較為昂貴且需要特定條件以實現(xiàn)有效操作。
多個燃料電池通常被組合在燃料電池堆中以產(chǎn)生所需功率。例如，用于車輛的典型燃料電池堆可具有兩百或更多疊置在一起的燃料電池。燃料電池堆接收陰極輸入氣體，所述陰極輸入氣體通常為在壓縮機的作用下受力通過燃料電池堆的空氣流。燃料電池堆并未消耗所有的氧且一些空氣作為陰極排氣被輸出，所述陰極排氣可包括作為燃料電池堆副產(chǎn)物的水。燃料電池堆還接收陽極氫輸入氣體，所述陽極氫輸入氣體流入燃料電池堆的陽極側(cè)。
燃料電池堆包括位于燃料電池堆中的多個膜電極組件之間的一系列雙極板，其中雙極板和膜電極組件位于兩塊端板之間。雙極板包括用于燃料電池堆中的相鄰燃料電池的陽極側(cè)和陰極側(cè)。陽極氣體流道被設(shè)置在雙極板的陽極側(cè)上，所述陽極氣體流道允許陽極反應(yīng)劑氣體流至相應(yīng)的膜電極組件。陰極氣體流道被設(shè)置在雙極板的陰極側(cè)上，所述陰極氣體流道允許陰極反應(yīng)劑氣體流至相應(yīng)的膜電極組件。一塊端板包括陽極氣體流道，且另一塊端板包括陰極氣體流道。雙極板和端板由傳導(dǎo)材料如不銹鋼或傳導(dǎo)復(fù)合物制成。端板將由燃料電池產(chǎn)生的電力傳導(dǎo)出燃料電池堆。雙極板還包括供冷卻流體流動通過的流道。
本領(lǐng)域中存在多種已公知的用于制造雙極板的技術(shù)。在一種設(shè)計中，雙極板由復(fù)合材料如石墨制成，其中兩個板半件被獨立成型且隨后膠粘在一起以使得陽極流道被設(shè)置在一個板半件的一側(cè)處、陰極流道被設(shè)置在另一個板半件的相對側(cè)處、并且冷卻流體流道被設(shè)置在板半件之間。在另一種設(shè)計中，兩個獨立的板半件受到?jīng)_壓且隨后被焊接在一起以使得陽極流道被設(shè)置在一個板半件的一側(cè)處、陰極流道被設(shè)置在另一個板半件的相對側(cè)處、并且冷卻流體流道被設(shè)置在板半件之間。
正如本領(lǐng)域中易于理解地，燃料電池內(nèi)的膜需要具有特定相對濕度以使得穿過膜的離子阻力足夠低從而有效地傳導(dǎo)質(zhì)子。在燃料電池的操作過程中，來自膜電極組件和外部濕化裝置的濕氣可能進(jìn)入陽極和陰極流道。在低電池功率需求下，通常低于0.2A/cm2，水可積聚在流道內(nèi)，原因在于反應(yīng)劑氣體的流速過低從而無法使水受力離開通道。隨著水的積聚，其形成了由于板材具有的相對疏水的本質(zhì)而產(chǎn)生持續(xù)膨脹的液滴。液滴以大體上垂直于反應(yīng)劑氣體流的方式在流道中形成。當(dāng)液滴尺寸增加時，流道受到阻塞，且由于通道在共用的入口和出口歧管之間是平行的，因此使得反應(yīng)劑氣體轉(zhuǎn)向其它流道。由于反應(yīng)劑氣體可能不流動通過受到水堵塞的通道，因此反應(yīng)劑氣體不能使水受力離開通道。由于通道受到堵塞而不接收反應(yīng)劑氣體的膜的那些區(qū)域?qū)⒉划a(chǎn)生電力，因此導(dǎo)致產(chǎn)生不均勻的電流分布且降低了燃料電池的總效率。隨著越來越多的流道受到水的堵塞，燃料電池產(chǎn)生的電力下降，在電池電壓低于200mV的情況下則認(rèn)為電池失效。由于燃料電池被電串聯(lián)在一起，因此如果一個燃料電池停止工作，則整個燃料電池堆可能停止工作。
燃料電池堆通常包括圍繞燃料電池堆的活性區(qū)域且在燃料電池堆集管與每個燃料電池的活性區(qū)域之間進(jìn)行延伸的密封件以防止氣體從燃料電池堆泄漏出來。因此，為了使陰極流、陽極流和冷卻流體流從相應(yīng)的入口集管進(jìn)入燃料電池的活性區(qū)域，流道有必要在不影響密封完整性(seal integrity)的情況下通過密封區(qū)域。通常圍繞密封件設(shè)置通過雙極板的孔，這需要流道產(chǎn)生彎曲以使得它們與活性區(qū)域中的流道對齊。陰極和陽極流道中產(chǎn)生的這種彎曲使得產(chǎn)生了水可能積聚且被捕獲的區(qū)域從而導(dǎo)致傾向于阻塞流道并減少到達(dá)所述流道的反應(yīng)劑氣體流。因此，需要更好的橫穿燃料電池堆的密封區(qū)域的技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)，披露了一種燃料電池堆，所述燃料電池堆包括通過所述燃料電池堆中的雙極板之間的密封區(qū)域的直的陰極流道和陽極流道。所述燃料電池堆包括圍繞所述燃料電池堆中的所述燃料電池的活性區(qū)域且在所述燃料電池堆的集管與所述活性區(qū)域之間進(jìn)行延伸的密封件。在所述陰極流道延伸通過所述密封區(qū)域到達(dá)陰極入口集管和陰極出口集管，以及所述陽極流道延伸通過所述密封區(qū)域到達(dá)陽極入口集管和陽極出口集管的位置處，位于膜的一側(cè)上的擴散介質(zhì)層進(jìn)行延伸以提供所述密封件載荷。
通過以下描述和所附權(quán)利要求書并結(jié)合附圖將易于理解本發(fā)明的附加特征。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的包括復(fù)合雙極板的燃料電池堆的剖視圖；圖2是通過圖1所示的燃料電池堆的線2-2的剖視圖；圖3是通過圖1所示的燃料電池堆的線3-3的剖視圖；圖4是通過圖1所示的燃料電池堆的線4-4的剖視圖；圖5是通過圖1所示的燃料電池堆的線5-5的剖視圖；圖6是通過圖1所示的燃料電池堆的線6-6的剖視圖；圖7是通過圖1所示的燃料電池堆的線7-7的剖視圖；圖8是根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的包括復(fù)合雙極板和集管密封圈的燃料電池堆的剖視圖；圖9是通過圖8所示的燃料電池堆的線9-9的剖視圖；
圖10是通過圖1所示的燃料電池堆的線2-2的剖視圖，其中燃料電池堆包括復(fù)合雙極板和墊片(shim)；圖11是通過圖1所示的燃料電池堆的線3-3的剖視圖，所述燃料電池堆包括復(fù)合雙極板和墊片；圖12是通過圖1所示的燃料電池堆的線4-4的剖視圖，所述燃料電池堆包括復(fù)合雙極板和墊片；圖13是通過圖1所示的燃料電池堆的線5-5的剖視圖，所述燃料電池堆包括復(fù)合雙極板和墊片；圖14是通過圖1所示的燃料電池堆的線6-6的剖視圖，所述燃料電池堆包括復(fù)合雙極板和墊片；圖15是通過圖1所示的燃料電池堆的線7-7的剖視圖，所述燃料電池堆包括復(fù)合雙極板和墊片；圖16是根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的包括沖壓雙極板的燃料電池堆的剖視圖；圖17是通過圖16所示的燃料電池堆的線17-17的剖視圖；圖18是通過圖16所示的燃料電池堆的線18-18的剖視圖；圖19是通過圖16所示的燃料電池堆的線19-19的剖視圖；圖20是通過圖16所示的燃料電池堆的線20-20的剖視圖；圖21是通過圖16所示的燃料電池堆的線21-21的剖視圖；圖22是通過圖16所示的燃料電池堆的線22-22的剖視圖；圖23是根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的包括沖壓雙極板和集管密封圈的燃料電池堆的剖視圖；圖24是通過圖23所示的燃料電池堆的線24-24的剖視圖；圖25是通過圖16所示的燃料電池堆的線17-17的剖視圖，其中燃料電池堆包括沖壓雙極板和墊片；圖26是通過圖16所示的燃料電池堆的線18-18的剖視圖，其中燃料電池堆包括沖壓雙極板和墊片；圖27是通過圖16所示的燃料電池堆的線19-19的剖視圖，其中燃料電池堆包括沖壓雙極板和墊片；圖28是通過圖16所示的燃料電池堆的線20-20的剖視圖，其中燃料電池堆包括沖壓雙極板和墊片；圖29是通過圖16所示的燃料電池堆的線21-21的剖視圖，其中燃料電池堆包括沖壓雙極板和墊片；圖30是通過圖16所示的燃料電池堆的線22-22的剖視圖，其中燃料電池堆包括沖壓雙極板和墊片；圖31是根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的包括沖壓雙極板的燃料電池堆的剖視圖，其中雙極板為燃料電池堆提供了密封件；圖32是通過圖31所示的燃料電池堆的線32-32的剖視圖；圖33是通過圖31所示的燃料電池堆的線33-33的剖視圖；圖34是通過圖31所示的燃料電池堆的線34-34的剖視圖；圖35是通過圖31所示的燃料電池堆的線35-35的剖視圖；圖36是通過圖31所示的燃料電池堆的線36-36的剖視圖；圖37是通過圖31所示的燃料電池堆的線37-37的剖視圖；圖38是根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的包括沖壓雙極板和集管密封圈的燃料電池堆的剖視圖，其中雙極板為燃料電池堆提供了密封件；圖39是通過圖38所示的燃料電池堆的線39-39的剖視圖；圖40是通過圖31所示的燃料電池堆的線32-32的剖視圖，其中燃料電池堆包括沖壓雙極板和墊片，且其中雙極板為燃料電池堆提供了密封件；圖41是通過圖31所示的燃料電池堆的線33-33的剖視圖，其中燃料電池堆包括沖壓雙極板和墊片，且其中雙極板為燃料電池堆提供了密封件；圖42是通過圖31所示的燃料電池堆的線34-34的剖視圖，其中燃料電池堆包括沖壓雙極板和墊片，且其中雙極板為燃料電池堆提供了密封件；圖43是通過圖31所示的燃料電池堆的線35-35的剖視圖，其中燃料電池堆包括沖壓雙極板和墊片，且其中雙極板為燃料電池堆提供了密封件；圖44是通過圖31所示的燃料電池堆的線36-36的剖視圖，其中燃料電池堆包括沖壓雙極板和墊片，且其中雙極板為燃料電池堆提供了密封件；和圖45是通過圖31所示的燃料電池堆的線37-37的剖視圖，其中燃料電池堆包括沖壓雙極板和墊片，且其中雙極板為燃料電池堆提供了密封件。
具體實施例方式
下面針對一種包括通過密封區(qū)域的直的反應(yīng)劑氣體流道的燃料電池堆對本發(fā)明的多個實施例進(jìn)行的討論在本質(zhì)上僅是示例性的，且絕不旨在限制本發(fā)明或其應(yīng)用或使用。
圖1是通過燃料電池堆10的燃料電池50的剖視圖，其中燃料電池堆10包括活性區(qū)域12和復(fù)合雙極板。燃料電池堆10包括接收陰極反應(yīng)劑氣體流的陰極入口集管14和接收陰極出口氣體流的陰極出口集管16，其中陰極氣體流動通過活性區(qū)域12中的流道。燃料電池堆10還包括接收陽極反應(yīng)劑氣體流的陽極入口集管18和接收陽極排氣流的陽極出口集管20，其中陽極流道延伸通過活性區(qū)域12。燃料電池堆10還包括接收冷卻流體的冷卻流體入口集管22和從燃料電池堆10中輸出冷卻流體的冷卻流體出口集管24，其中冷卻流體流動通過冷卻流體通道，所述冷卻流體通道是通過活性區(qū)域12的，正如本領(lǐng)域中易于理解地。
為了包含并分開反應(yīng)劑氣體流和冷卻流體流，多個密封件被設(shè)置在燃料電池堆10中的雙極板之間。特別是，密封件30被設(shè)置在圍繞燃料電池50的周部的位置處，密封件32被設(shè)置在陰極入口集管14與活性區(qū)域12之間，密封件34被設(shè)置在陰極出口集管16與活性區(qū)域12之間，密封件36被設(shè)置在陽極入口集管18與活性區(qū)域12之間，密封件38被設(shè)置在陽極出口集管20與活性區(qū)域12之間，密封圈40被設(shè)置在圍繞冷卻流體入口集管22的位置處，且密封圈42被設(shè)置在圍繞冷卻流體出口集管24的位置處。密封件可由任何適當(dāng)?shù)膹椥泽w或彈性材料制成。
圖2是通過燃料電池50的線2-2的剖視圖。燃料電池50包括陽極側(cè)復(fù)合雙極板52和陰極側(cè)復(fù)合雙極板54。如圖所示的雙極板是雙極板半件，原因在于圖中并未示出用于相鄰燃料電池的雙極板半件。燃料電池50還包括陽極側(cè)擴散介質(zhì)層56、陰極側(cè)擴散介質(zhì)層58以及位于其間的膜60。陽極側(cè)雙極板52包括陽極流道62且陰極側(cè)雙極板54包括冷卻流體流道64的一部分，其中冷卻流體流道的另一半由另一個板半件提供。
密封件32被設(shè)置在陽極側(cè)雙極板52中的通道66中。在包括復(fù)合雙極板的已公知的燃料電池堆中，密封件將更厚且膜60將沿循圍繞密封件的彎曲路徑進(jìn)行延伸。根據(jù)本發(fā)明，膜60平直地延伸通過密封區(qū)域且陰極側(cè)擴散介質(zhì)層58已經(jīng)延伸至陰極側(cè)雙極板54的外邊緣。經(jīng)過延伸的擴散介質(zhì)層58在密封區(qū)域的陰極側(cè)處提供了密封完整性。作為該構(gòu)型的結(jié)果，從陰極入口集管14延伸至活性區(qū)域12的陰極流道68是直的。陰極出口集管16與活性區(qū)域12之間的密封區(qū)域看起來情況相同。
圖3是通過燃料電池堆10的線3-3的剖視圖，圖中示出了陽極入口集管18與燃料電池50的活性區(qū)域12之間的密封區(qū)域。根據(jù)本發(fā)明，密封件36更窄且陽極側(cè)擴散介質(zhì)層56已經(jīng)延伸至陽極側(cè)雙極板52的外邊緣。經(jīng)過延伸的擴散介質(zhì)層56在密封區(qū)域的陽極側(cè)處提供了密封完整性。進(jìn)一步地，從集管18延伸至活性區(qū)域12的陽極流道62是直的。陽極出口集管20與活性區(qū)域12之間的密封區(qū)域看起來情況相同。
圖4是通過燃料電池堆10的線4-4的剖視圖，圖中示出了冷卻流體入口集管22與活性區(qū)域12之間的密封區(qū)域。在該位置處，密封件30包括陰極密封半件72和陽極密封半件74且密封件40包括陰極密封半件76和陽極密封半件78。設(shè)置了從冷卻流體入口集管22通過密封區(qū)域到達(dá)活性區(qū)域12的具有平直流特征的冷卻流體通道64。在該位置處的燃料電池50的剖視圖將與本領(lǐng)域中已公知的一些燃料電池近似相同。冷卻流體出口集管24與活性區(qū)域12之間的密封區(qū)域看起來情況相同。
圖5是通過線5-5的剖視圖，圖中示出了陰極出口集管16與活性區(qū)域12之間的接合密封區(qū)域，在接合區(qū)域中，在擴散介質(zhì)層58與密封件30之間可能形成間隙70，其中擴散介質(zhì)層58支承在膜60的相對側(cè)上的密封件。由于流以任何方式通過該區(qū)域，因此間隙70本身不存在密封問題。可有必要為膜60的相對側(cè)上的密封件提供連續(xù)表面以使所述密封件密封靠在所述連續(xù)表面上。因此，可在間隙70中設(shè)置填充材料以提供密封件支承。填充材料可以是在已經(jīng)放置密封件30和擴散介質(zhì)層58之后在適當(dāng)位置處進(jìn)行固化的彈性體。如果具有子墊圈支承件的膜具有足夠剛硬性，則其可跨過間隙70而不會損失密封功能，且可不需要填充材料。處理間隙70的另一可選解決方案是將集管密封件作為完整的環(huán)而嵌套在獨立且連續(xù)的周環(huán)內(nèi)。正如上面討論地，在該位置處，擴散介質(zhì)層58已經(jīng)進(jìn)行延伸。
圖6是通過位于活性區(qū)域12的邊緣處的燃料電池堆10的線6-6的剖視圖。在該位置處，密封件30包括兩個密封半件72和74。在該位置處的燃料電池50的剖視圖將與本領(lǐng)域中已公知的一些燃料電池大致相同。
圖7是通過位于陰極出口集管16的外邊緣處的燃料電池堆10的線7-7的剖視圖。在該位置處，密封件30包括兩個密封半件72和74。在該位置處的燃料電池50的剖視圖將與本領(lǐng)域中已公知的一些燃料電池大致相同。
正如上面討論地，擴散介質(zhì)層跨過其反應(yīng)劑氣體入口和出口區(qū)域的通道承受密封件載荷。如果有必要，可對密封件支承區(qū)域中的擴散介質(zhì)層進(jìn)行填充以提供附加剛硬性。這允許在沒有隧道或孔口的情況下提供進(jìn)入活性區(qū)域12內(nèi)的直接通道，且不需要在板內(nèi)制造孔或提供附加的橋接插入件。消除板中的孔口和隧道將改進(jìn)水管理過程，原因在于已經(jīng)發(fā)現(xiàn)水會積聚在這些位置處。進(jìn)一步地，消除板中的孔簡化了板的制造過程。在沒有隧道的情況下，僅板的一側(cè)需要在上面施涂親水性涂層。
在陽極密封件和陰極密封件交疊的那些位置處，兩種反應(yīng)劑氣體都受到了密封。陰極反應(yīng)劑氣體可流動通過不存在陰極密封件的位置處的陽極密封件，因此提供了從陰極入口集管14至陰極出口集管16的流徑。相似地，陽極反應(yīng)劑氣體可流動通過不存在陽極密封件的位置處的陰極密封件，因此提供了從陽極入口集管18至陽極出口集管20的流徑。對于固體復(fù)合板設(shè)計而言，獨立于反應(yīng)劑流型對冷卻流體流徑進(jìn)行限定以使得冷卻流體通道64可在密封件之間通過而不會影響反應(yīng)劑氣體側(cè)上的密封表面。兩個板半件將被結(jié)合在一起以防止冷卻流體從板半件之間泄漏出來。對于實心板而言，并未示出這種結(jié)合，原因在于板半件將通常在整個板至板的界面表面上進(jìn)行結(jié)合從而確保兩個雙極板半件之間存在低接觸電阻。
在某些燃料電池設(shè)計中，陽極集管和陰極集管包括圍繞集管進(jìn)行完全延伸以增加密封完整性的密封圈。圖8是通過燃料電池82的燃料電池堆80的剖視圖，其中與燃料電池堆10相似的元件由相同的附圖標(biāo)記表示。在該燃料電池堆設(shè)計中，位于陰極入口集管14處的密封件32由密封圈84取代，位于陰極出口集管16處的密封件34由密封圈86取代，位于陽極入口集管18處的密封件36由密封圈88取代，且位于陽極出口集管20處的密封件38由密封圈90取代。
對于燃料電池堆80而言，陰極集管14和16與活性區(qū)域12之間的密封區(qū)域、陽極集管18和20與活性區(qū)域12之間的密封區(qū)域、以及冷卻流體集管與活性區(qū)域12之間的密封區(qū)域與燃料電池堆10中的那些密封區(qū)域相同，在所述密封區(qū)域處擴散介質(zhì)層56和58進(jìn)行延伸以提供密封完整性。然而，位于集管14、16、18和20的外邊緣處的密封區(qū)域?qū)⑹遣煌模谒雒芊鈪^(qū)域處存在附加的密封件。為了示出這種情況，圖9示出了通過根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的燃料電池堆80的線9-9的剖視圖。燃料電池82包括陽極側(cè)雙極板92、陰極側(cè)雙極板94和位于其間的膜96。由于陰極側(cè)擴散介質(zhì)層98將延伸至集管16的邊緣，因此擴散介質(zhì)層98被示出延伸通過由密封圈86提供的密封區(qū)域以提供連續(xù)的密封完整性。
在密封區(qū)域處的密封件與膜之間設(shè)置墊片本領(lǐng)域中是已公知的。然而，利用跨過通道的墊片形成隧道并支承密封件載荷尚不是已知的。根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，可在該區(qū)域中使用獨立的墊片以代替使擴散介質(zhì)層進(jìn)行延伸從而實現(xiàn)密封件支承的方式。為了確保實現(xiàn)足夠強的密封件支承，可能需要更厚的墊片(約0.1mm)，以便形成更大的厚度變化從而容納密封接合處。為了解決該問題，圍繞密封件周部的墊片可以是連續(xù)的。墊片和密封件可優(yōu)選被結(jié)合到膜上。該方法可利用位于兩側(cè)或僅一側(cè)上的墊片。更薄的子墊圈可根據(jù)需要被用于一側(cè)或兩側(cè)上以提供所需的活性區(qū)域邊緣構(gòu)造。如果僅使用一塊墊片，則在材料需求不允許膜和密封件直接接觸的情況下將需要在膜的相對側(cè)上設(shè)置子墊圈。對于具有彈性體密封件的受到墊片支承的構(gòu)型而言，可設(shè)置橫跨區(qū)域。這僅意味著由墊圈密封裝置形成的跨距應(yīng)小于典型的通道跨距(0.5-1.5mm)，原因在于墊片必須提供足夠的剛硬性以跨過通道跨距提供支承。如果密封件被結(jié)合到墊片和膜上，則密封件本身將為密封表面提供附加剛硬性，原因在于在該構(gòu)型中該表面將靠在板上而不是膜上。由于這些密封件是受到墊片支承而不是受到擴散介質(zhì)支承的密封件，因此該區(qū)域中的通道可在墊片處更深，原因在于墊片不像擴散介質(zhì)層一樣厚。在該區(qū)域中，通道底部還可升高以保持通道尺寸。
絕大多數(shù)膜具有位于兩側(cè)上的圍繞周部的薄(25μm)的子墊圈(塑料膜)以提供機械強度且避免酸性離聚物膜與板或密封件之間產(chǎn)生直接接觸。對于本發(fā)明而言，使用墊片將涉及使用更厚的子墊圈以提供足夠的剛硬性從而橫跨通道和支承密封件載荷。
圖10-圖15示出了通過與燃料電池堆10相似的燃料電池堆的燃料電池110的剖視圖，其中多條集管被設(shè)置在燃料電池堆的相同位置處且由相同的附圖標(biāo)記表示。圖10示出了在燃料電池110的位置2-2處的剖視圖，圖11示出了在燃料電池110的位置3-3處的剖視圖，圖12示出了在燃料電池110的位置4-4處的剖視圖，圖13示出了通過燃料電池110的位置5-5的剖視圖，圖14示出了在燃料電池110的位置6-6處的剖視圖，且圖15示出了在位置7-7處的燃料電池110的剖視圖。
圖10示出了燃料電池110的活性區(qū)域12與陰極入口集管14之間的密封區(qū)域。燃料電池110包括陽極側(cè)雙極板112、陰極側(cè)雙極板114和位于其間的膜116。陽極側(cè)擴散介質(zhì)層118被設(shè)置在陽極側(cè)上的雙極板112與膜116之間且陰極側(cè)擴散介質(zhì)層120被設(shè)置在陰極側(cè)上的膜116與雙極板114之間。陽極流道132被設(shè)置在陽極側(cè)雙極板112中且冷卻流體流道134被設(shè)置在陰極側(cè)雙極板114中。
在該實施例中，墊片122被設(shè)置在密封區(qū)域處的膜116與陽極密封件124之間且墊片126被設(shè)置在膜116與陰極側(cè)雙極板114的升高部分128之間。陰極流道130延伸通過升高部分128且提供了通過密封區(qū)域到達(dá)燃料電池110的活性區(qū)域12的平直流。墊片126和升高部分128的組合保持了在該位置處的燃料電池110的陰極側(cè)的密封完整性。
圖11示出了燃料電池110的活性區(qū)域12與陽極入口集管18之間的密封區(qū)域，其中陽極側(cè)雙極板112包括升高部分140。升高部分140與墊片122的組合提供了保持該區(qū)域處的密封完整性的結(jié)構(gòu)以使得陽極流道132具有通過陽極集管18的密封區(qū)域到達(dá)燃料電池110的活性區(qū)域的平直流。陰極側(cè)雙極板114包括通道144，密封件146被設(shè)置在所述通道中。
圖12示出了位于冷卻流體入口集管22處的密封半件148和150與膜116之間的墊片152和154。該剖面圖中示出了冷卻流體流道134。
圖13示出了位于冷卻流體出口集管24與陰極出口集管14之間的接合區(qū)域處的膜116與密封件164和166之間的墊片162和162。
圖14示出了位于燃料電池110的活性區(qū)域的外邊緣處的膜116與密封半件174和176之間的墊片170和172。
圖15示出了位于陰極出口集管16的外邊緣處的密封半件184和184與膜116之間的墊片180和182。
圖16是通過燃料電池堆200的燃料電池202的燃料電池堆200的剖視圖。在該實施例中，燃料電池堆200包括沖壓雙極板。燃料電池堆200包括活性區(qū)域204、陰極入口集管206、陰極出口集管208、陽極入口集管210、陽極出口集管212、冷卻流體入口集管214和冷卻流體出口集管216。在另一可選實施例中，燃料電池堆200可包括穿過密封件的結(jié)合部，正如本領(lǐng)域的技術(shù)人員易于理解地。密封件220圍繞燃料電池202的外周進(jìn)行延伸。進(jìn)一步地，密封件222被設(shè)置在陰極入口集管206與活性區(qū)域204之間，密封件224被設(shè)置在陰極出口集管208與活性區(qū)域204之間，密封件226被設(shè)置在陽極入口集管210與活性區(qū)域204之間，密封件228被設(shè)置在陽極出口集管212與活性區(qū)域204之間，密封件230被設(shè)置在冷卻流體入口集管214與活性區(qū)域204之間，且密封件232被設(shè)置在冷卻流體出口集管216與活性區(qū)域204之間。
圖17是通過燃料電池200的線17-17的剖視圖。燃料電池200包括陽極側(cè)沖壓雙極板240和陰極側(cè)沖壓雙極板242。如圖所示的雙極板是雙極板半件，原因在于圖中并未示出用于相鄰燃料電池的沖壓雙極板。燃料電池200包括陽極側(cè)擴散介質(zhì)層244、陰極側(cè)擴散介質(zhì)層246和位于其間的膜248。陽極側(cè)雙極板240包括陽極流道250和冷卻流體流道252的一部分，其中冷卻流體流道的另一半由另一個板半件提供。板結(jié)合部238被設(shè)置以將雙極板結(jié)合在一起。
密封件222被設(shè)置在陽極側(cè)雙極板240的外邊緣處。根據(jù)本發(fā)明，密封件222比該位置處通常存在的密封件更薄，以使得膜248在通過密封區(qū)域的位置處是直的。進(jìn)一步地，陰極側(cè)擴散介質(zhì)層246已經(jīng)延伸至陰極側(cè)雙極板242的外邊緣以在密封區(qū)域的陰極側(cè)處提供密封完整性。通過使擴散介質(zhì)246以這種方式進(jìn)行延伸，陰極流道254可在通過密封區(qū)域進(jìn)入活性區(qū)域204的位置處是直的從而減少可能在流道254中積聚水的區(qū)域。陰極出口集管208與活性區(qū)域204之間的密封區(qū)域看起來情況相同。
圖18是通過燃料電池堆200的線18-18的剖視圖，圖中示出了陽極入口集管210與燃料電池202的活性區(qū)域204之間的密封區(qū)域。根據(jù)本發(fā)明，密封件226與在該位置處通常設(shè)置的密封件相比厚度有所減少以使得膜248從活性區(qū)域204平直地延伸通過密封區(qū)域。進(jìn)一步地，陽極側(cè)擴散介質(zhì)層244延伸通過密封區(qū)域以使得陽極流道250平直地延伸通過密封區(qū)域以便實現(xiàn)上面討論的目的。陽極出口集管212與活性區(qū)域204之間的密封區(qū)域看起來情況相同。
圖19是通過燃料電池堆200的線19-19的剖視圖，圖中示出了冷卻流體入口集管214與活性區(qū)域204之間的密封區(qū)域。根據(jù)本發(fā)明，密封件230和220的厚度減少以使得膜248從冷卻流體入口集管214平直地延伸通過密封區(qū)域到達(dá)活性區(qū)域204。冷卻流體出口集管216與活性區(qū)域204之間的密封區(qū)域看起來情況相同。
圖20是通過燃料電池堆200的線20-20的剖視圖，圖中示出了陰極出口集管208與活性區(qū)域204之間的接合密封區(qū)域。在該實施例中，陽極側(cè)擴散介質(zhì)層246已經(jīng)延伸至密封件220，如圖所示。間隙264被設(shè)置在擴散介質(zhì)層246與密封件220之間，且可填充有適當(dāng)?shù)奶畛洳牧?。在該?gòu)型中，膜248平直地延伸通過密封區(qū)域。
圖21是通過在燃料電池202的邊緣部段處的燃料電池堆200的線21-21的剖視圖。在該實施例中，密封件220包括允許膜248平直地延伸通過密封區(qū)域進(jìn)入活性區(qū)域204的兩個密封半件270和272。
圖22是通過在陰極出口集管208的外邊緣部分處的燃料電池堆200的線22-22的剖視圖。在該實施例中，密封件220由兩個密封半件270和272制成以提供通過密封區(qū)域的直的膜248。
對于沖壓板而言，圖中示出了結(jié)合部，在所述結(jié)合部的位置處，板半件需要被密封在一起以防止泄漏冷卻流體。這可利用焊接或粘結(jié)結(jié)合的方式實現(xiàn)。對于具有彈性體密封件的沖壓板而言，結(jié)合線的一種可選方案是橫穿密封裝置。為了確保對于沖壓板而言實現(xiàn)足夠的密封件支承，板半件在密封件的任一側(cè)上彼此接觸。在冷卻流體入口集管214中，提供冷卻流體流徑以使得由虛線所示的板半件示出這種情況。由于路徑未被板堵塞，因此冷卻流體可流動通過。此外，對于具有彈性體密封件的沖壓板構(gòu)型而言，陰極密封件被示出在兩端上更為向內(nèi)，但相對于流向而言的密封件順序不是關(guān)鍵因素且可基于其它需求進(jìn)行限定。
在另一種燃料電池設(shè)計中，陽極集管、陰極集管和冷卻流體集管可包括完全圍繞集管進(jìn)行延伸以增加密封完整性的密封圈。圖23是根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的通過燃料電池282的燃料電池堆280的剖視圖，其中與燃料電池堆200相似的元件由相同的附圖標(biāo)記表示。在該燃料電池堆設(shè)計中，位于陰極入口集管206處的密封件222由密封圈286取代，位于陰極出口集管208處的密封件224由密封圈288取代，位于陽極入口集管210處的密封件226由密封圈290取代，位于陽極出口集管212處的密封件228由密封圈292取代，位于冷卻流體入口集管214處的密封件230由密封圈294和296取代，且位于冷卻流體出口集管216處的密封件232由密封圈298和300取代。由于設(shè)置集管環(huán)的動機在于避免出現(xiàn)例如圖20所示的接合部，所述接合部僅出現(xiàn)在反應(yīng)劑集管與活性區(qū)域鄰接的角部處，因此冷卻劑集管可保持無環(huán)的狀態(tài)，如圖16所示。
燃料電池堆280的集管與活性區(qū)域之間的密封區(qū)域與燃料電池堆200中的那些區(qū)域相同，擴散介質(zhì)層244和246延伸至所述密封區(qū)域以提供密封完整性。然而，在集管的外邊緣處的密封區(qū)域?qū)⑹遣煌模谒雒芊鈪^(qū)域處存在附加的密封件。為了表明這種情況，圖24示出了通過燃料電池堆280的線24-24的剖視圖。燃料電池282包括陽極側(cè)雙極板302、陰極側(cè)雙極板304和位于其間的膜306。由于陽極側(cè)擴散介質(zhì)層308將延伸至集管208的邊緣，因此陰極側(cè)擴散介質(zhì)層308被示出延伸通過由密封圈288提供的密封區(qū)域以提供連續(xù)的密封完整性。在該實施例中，外部密封圈220由該位置處的兩個密封半件310和312構(gòu)成。
正如上面所討論地，在密封區(qū)域的密封件與膜之間設(shè)置墊片是本領(lǐng)域中已公知的，但利用跨過通道的墊片以形成隧道并支承密封件載荷尚不是已知的。圖25-圖30示出了通過與燃料電池堆200相似的燃料電池堆的燃料電池320的剖視圖，其中多條集管被設(shè)置在燃料電池堆的相同位置處。因此，圖25示出了在燃料電池320的位置17-17處的剖視圖，圖26示出了在燃料電池320的位置18-18處的剖視圖，圖27示出了在燃料電池320的位置19-19處的剖視圖，圖28示出了在燃料電池320的位置20-20處的剖視圖，圖29示出了在燃料電池320的位置21-21處的剖視圖，且圖30示出了在燃料電池320的位置22-22處的剖視圖。
燃料電池320包括陽極側(cè)沖壓雙極板322、陰極側(cè)沖壓雙極板324和位于其間的膜326。陽極側(cè)擴散介質(zhì)層328被設(shè)置在雙極板322與膜326之間且陰極側(cè)擴散介質(zhì)層330被設(shè)置在膜326與雙極板324之間。陽極側(cè)雙極板322限定出陽極側(cè)流道340和冷卻流體通道342。在該實施例中，墊片332被設(shè)置在密封區(qū)域處的膜326與密封件334之間且墊片336被設(shè)置在膜326與陰極側(cè)雙極板324的升高部分338之間。陰極流道344圍繞升高部分338進(jìn)行延伸且提供了通過密封區(qū)域到達(dá)燃料電池320的活性區(qū)域的平直流。墊片336和升高部分338的組合保持了在該位置處的燃料電池320的陰極側(cè)的密封完整性。
圖26示出了燃料電池320的活性區(qū)域與陽極入口集管之間的密封區(qū)域，其中陽極側(cè)雙極板322包括升高部分346。墊片348被設(shè)置在升高部分346與膜326之間且墊片350被設(shè)置在膜326與密封件352之間。升高部分346與墊片348的組合提供了保持該區(qū)域處的密封完整性的結(jié)構(gòu)以使得陽極流道340具有從陽極入口集管通過密封區(qū)域到達(dá)燃料電池320的活性區(qū)域的直線流。
圖27示出了密封件220與陽極側(cè)雙極板322之間的墊片354、膜326與陽極側(cè)雙極板322之間的墊片356以及膜326與密封件230之間的墊片358。
圖28示出了密封件224與膜326之間的墊片360和密封件220與膜326之間的墊片362。
圖29示出了密封件270與膜326之間的墊片364和膜326與密封件272之間的墊片366。
圖30示出了密封半件270與膜326之間的墊片368，和膜326與密封半件272之間的墊片370。
圖31是通過燃料電池382的燃料電池堆380的剖視圖。在該實施例中，燃料電池堆380包括沖壓雙極板，其中板本身提供密封件。燃料電池堆380包括活性區(qū)域384、陰極入口集管386、陰極出口集管388、陽極入口集管390、陽極出口集管392、冷卻流體入口集管394和冷卻流體出口集管396。密封件398圍繞燃料電池382的周部進(jìn)行延伸。密封件400被設(shè)置在陰極入口集管386與活性區(qū)域384之間，密封件402被設(shè)置在陰極出口集管388與活性區(qū)域384之間，密封件404被設(shè)置在陽極入口集管390與活性區(qū)域384之間，密封件406被設(shè)置在陽極出口集管392與活性區(qū)域384之間，密封件408被設(shè)置在冷卻流體入口集管394與活性區(qū)域384之間，且密封件410被設(shè)置在冷卻流體出口集管396與活性區(qū)域384之間。正如上面所提到地，該設(shè)計中的所有密封件由雙極板的構(gòu)型提供。
圖32是通過燃料電池382的線32-32的剖視圖。燃料電池382包括陽極側(cè)沖壓雙極板420和陰極側(cè)沖壓雙極板422。燃料電池382還包括陽極側(cè)擴散介質(zhì)層424和陰極側(cè)擴散介質(zhì)層426，以及位于其間的膜428。陽極側(cè)雙極板420包括陽極流道430和冷卻流體流道432的一半，其中冷卻流體流道的另一半由另一個沖壓板半件提供。
密封件400由陽極側(cè)雙極板420的一部分限定。根據(jù)本發(fā)明，陰極側(cè)擴散介質(zhì)層426延伸通過與密封件400相對的密封區(qū)域以在膜428的該側(cè)提供密封完整性。因此，陰極流道434可從陰極入口集管386平直地延伸通過密封區(qū)域到達(dá)活性區(qū)域384從而使得它們不會圍繞板部件產(chǎn)生凹凸起伏，所述凹凸起伏將起到收集水的作用。陰極出口集管388與活性區(qū)域384之間的密封區(qū)域看起來情況相同。
圖33是通過燃料電池382的線33-33的剖視圖，圖中示出了陽極入口集管390與燃料電池堆380的活性區(qū)域384之間的密封區(qū)域。根據(jù)本發(fā)明，陽極側(cè)擴散介質(zhì)層424在該位置處進(jìn)行延伸以在與由雙極板422的結(jié)構(gòu)構(gòu)型提供的密封件404相對的燃料電池382的陽極側(cè)處提供密封完整性。陽極出口集管392與活性區(qū)域384之間的密封區(qū)域看起來情況相同。
圖34是通過燃料電池堆380的線34-34的剖視圖，圖中示出了冷卻流體入口集管394與活性區(qū)域384之間的密封區(qū)域。在燃料電池382的該位置處，陽極側(cè)雙極板420和陰極側(cè)雙極板422提供了密封件408和398。冷卻流體流道432延伸通過板且以平直流的方式通過密封區(qū)域到達(dá)活性區(qū)域384。由于在該實施例中，板420和422提供了密封件，因此這使相鄰的雙極板在燃料電池382中的特定位置處產(chǎn)生了電接觸且將形成電短路。因此，不導(dǎo)電隔板438被設(shè)置在密封件位置408處以防止出現(xiàn)電短路。冷卻流體出口集管396與活性區(qū)域384之間的密封區(qū)域看起來情況相同。
圖35是通過陰極出口集管388與活性區(qū)域384之間的接合密封區(qū)域處的線35-35的剖視圖。陰極側(cè)擴散介質(zhì)層426在該位置處進(jìn)行延伸，以使陽極側(cè)雙極板420和陰極側(cè)雙極板422限定出密封件402和398。擴散介質(zhì)層426與板422的密封部分之間的間隙440可能需要填充有適當(dāng)材料。
圖36是在燃料電池382的邊緣部段處的剖視圖，且將與包括具有沖壓密封件的沖壓雙極板的已公知燃料電池堆的邊緣部段相似。
圖37是通過在陰極出口集管388的外邊緣處的燃料電池堆380的線37-37的剖視圖。在該位置處，密封件398由陽極側(cè)雙極板420和陰極側(cè)雙極板422提供。
對于某些燃料電池設(shè)計而言，正如上面所討論地，陽極集管、陰極集管和冷卻流體集管包括完全圍繞集管進(jìn)行延伸以增加密封完整性的密封圈。圖38是通過燃料電池452的燃料電池堆450的剖視圖，其中與燃料電池堆380相似的元件由相同的附圖標(biāo)記表示。在該燃料電池堆設(shè)計中，位于陰極入口集管386處的密封件400由密封圈454取代，位于陰極出口集管388處的密封件402由密封圈456取代，位于陽極入口集管390處的密封件404由密封圈458取代，位于陽極出口集管392處的密封件406由密封圈460取代，位于冷卻流體入口集管394處的密封件408由密封圈462取代，且位于冷卻流體出口集管396處的密封件410由密封圈464取代。由于設(shè)置集管環(huán)的動機在于避免出現(xiàn)例如圖35所示的接合部，所述接合部僅出現(xiàn)在反應(yīng)劑集管與活性區(qū)域鄰接的角部處，因此冷卻劑集管可保持無環(huán)的狀態(tài)，如圖31所示。
陰極集管386和388與活性區(qū)域384之間、陽極集管390和392與活性區(qū)域384之間、以及冷卻流體集管394和396與活性區(qū)域384之間的密封區(qū)域與燃料電池堆380中的那些密封區(qū)域相同。然而，位于集管386、388、390、392、394和396的外邊緣處的密封區(qū)域?qū)⑹遣煌?，在所述密封區(qū)域處存在附加的密封件。為了表明這種情況，圖39示出了通過根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的燃料電池堆450的線39-39的剖視圖。燃料電池452包括陽極側(cè)雙極板470、陰極側(cè)雙極板472和位于其間的膜474。由于陰極側(cè)擴散介質(zhì)層476將延伸至集管388的邊緣，因此擴散介質(zhì)層476被示出延伸通過由密封圈456提供的密封區(qū)域以提供連續(xù)的密封完整性。
正如上面所討論地，在密封件與膜密封區(qū)域之間設(shè)置墊片是本領(lǐng)域中已公知的。圖40-圖45示出了通過與燃料電池382相似的燃料電池500的剖視圖，其中多條集管被設(shè)置在燃料電池堆380的相同位置處。圖40示出了在燃料電池500的位置32-32處的剖視圖，圖41示出了在燃料電池500的位置33-33處的剖視圖，圖42示出了在燃料電池500的位置34-34處的剖視圖，圖43示出了在燃料電池500的位置35-35處的剖視圖，圖44示出了在燃料電池500的位置36-36處的剖視圖，且圖45示出了在位置37-37處的燃料電池500的剖視圖。
圖40示出了燃料電池500的活性區(qū)域384與陰極入口集管386之間的密封區(qū)域。燃料電池500包括陽極側(cè)雙極板502、陰極側(cè)雙極板504和位于其間的膜506。陽極側(cè)擴散介質(zhì)層508被設(shè)置在雙極板502與膜506之間且陰極側(cè)擴散介質(zhì)層510被設(shè)置在膜506與雙極板504之間。陽極側(cè)雙極板502限定出陽極流道522和冷卻流體流道524。在該實施例中，墊片512被設(shè)置在膜506與板502的密封部段514之間且墊片516被設(shè)置在膜506與密封部段518之間。陰極流道520延伸通過密封區(qū)域且提供了到達(dá)燃料電池500的活性區(qū)域的平直流。
圖41示出了燃料電池500的活性區(qū)域384與陽極入口集管390之間的密封區(qū)域。墊片530被設(shè)置在板502的密封部段532與膜506之間，且墊片534被設(shè)置在板504的密封部段536與膜506之間。
圖42示出了燃料電池500的活性區(qū)域與冷卻流體入口集管394之間的密封區(qū)域。墊片540被設(shè)置在雙極板502的密封部段542與隔板538之間，且墊片544被設(shè)置在陰極側(cè)雙極板504的密封部段546與隔板538之間。同樣地，墊片550被設(shè)置在板502的密封部分552與膜506之間，且墊片554被設(shè)置在密封部段556與膜506之間。冷卻流體流道524延伸通過板502和504且以平直流的方式通過密封區(qū)域到達(dá)活性區(qū)域。
圖43示出了陽極側(cè)雙極板502的密封部分562與膜506之間的墊片560以及陰極側(cè)雙極板504的板504的密封部段566與膜506之間的墊片564。
圖44示出了陽極側(cè)雙極板502的密封部段572之間的墊片570以及陰極側(cè)雙極板504的密封部段576與膜506之間的墊片574。
圖45示出了位于陽極側(cè)雙極板502的密封部段582與膜506之間的墊片580，以及位于陰極側(cè)雙極板504的密封部段586與膜506之間的墊片584。
前面的討論僅披露和描述了本發(fā)明的典型實施例。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將易于通過這種討論且通過附圖以及權(quán)利要求書意識到可在不偏離由以下權(quán)利要求書限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，對本發(fā)明作出多種改變、變型和變化。
權(quán)利要求
1.一種包括多個疊置在一起的燃料電池的燃料電池堆，每個燃料電池包括活性區(qū)域，所述燃料電池堆包括多個膜，其中所述燃料電池堆中的每個燃料電池包括膜；多個擴散介質(zhì)層，其中每個燃料電池包括在所述燃料電池的陽極側(cè)處的陽極側(cè)擴散介質(zhì)層和在所述燃料電池的陰極側(cè)處的陰極側(cè)擴散介質(zhì)層；位于所述燃料電池堆中的所述燃料電池之間的鄰近所述擴散介質(zhì)層的多塊雙極板，所述雙極板包括面對所述燃料電池中的所述陽極側(cè)擴散介質(zhì)層的陽極流道、面對所述燃料電池中的所述陰極側(cè)擴散介質(zhì)層的陰極流道和冷卻流體流道；將陽極反應(yīng)劑氣體流引導(dǎo)至所述陽極流道的陽極入口集管；接收來自所述陽極流道的所述陽極反應(yīng)劑氣體流的陽極出口集管；將陰極反應(yīng)劑氣體流引導(dǎo)至所述陰極流道的陰極入口集管；接收來自所述陰極流道的所述陰極反應(yīng)劑氣體流的陰極出口集管；將冷卻流體引導(dǎo)至所述冷卻流體流道的冷卻流體入口集管；接收來自所述冷卻流體流道的所述冷卻流體的冷卻流體出口集管；和用于包含所述燃料電池堆中的所述反應(yīng)劑氣體流和所述冷卻流體流的密封件構(gòu)型，所述密封件構(gòu)型包括被設(shè)置在所述陰極出口集管與每個燃料電池的所述活性區(qū)域之間的陰極集管密封件，其中所述陰極流道在所述陰極出口集管與所述活性區(qū)域之間是直的流道，所述密封件構(gòu)型進(jìn)一步包括被設(shè)置在所述陽極出口集管與每個燃料電池的所述活性區(qū)域之間的陽極集管密封件，其中所述陽極流道在所述陽極出口集管與所述活性區(qū)域之間是直的流道。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池堆，其中所述密封件構(gòu)型包括位于所述冷卻流體入口集管與每個燃料電池中的所述活性區(qū)域之間的兩個獨立密封件，其中所述冷卻流體流道在通過所述冷卻流體入口集管與所述活性區(qū)域之間的所述密封區(qū)域的位置處是直的流道。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池堆，其中所述密封件構(gòu)型包括一件式密封件，所述一件式密封件具有圍繞每個燃料電池進(jìn)行延伸的周部密封件、所述陽極入口集管與所述活性區(qū)域之間的密封件部段、所述陽極出口集管與所述活性區(qū)域之間的密封件部段、所述陰極入口集管與所述活性區(qū)域之間的密封件部段和所述陰極出口集管與所述活性區(qū)域之間的密封件部段。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池堆，其中所述密封件構(gòu)型包括圍繞每個燃料電池進(jìn)行延伸的周部密封件、圍繞每個燃料電池中的所述陽極入口集管進(jìn)行延伸的第一密封圈、圍繞每個燃料電池中的所述陽極出口集管進(jìn)行延伸的第二密封圈、圍繞每個燃料電池中的所述陰極入口集管進(jìn)行延伸的第三密封圈和圍繞每個燃料電池中的所述陰極出口集管進(jìn)行延伸的第四密封圈。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的燃料電池堆，其中所述密封件構(gòu)型進(jìn)一步包括圍繞每個燃料電池中的所述冷卻流體入口集管進(jìn)行延伸的第五密封圈和圍繞每個燃料電池中的所述冷卻流體出口集管進(jìn)行延伸的第六密封圈。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池堆，其中所述多塊雙極板是復(fù)合雙極板。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池堆，其中所述多塊雙極板是沖壓雙極板。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的燃料電池堆，其中所述沖壓雙極板的部段提供所述密封件構(gòu)型。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池堆，其中每個燃料電池中的所述陰極側(cè)擴散介質(zhì)層延伸通過所述陰極出口集管與所述活性區(qū)域之間的所述密封區(qū)域，且其中每個燃料電池中的所述陽極側(cè)擴散介質(zhì)層延伸通過所述陽極出口集管與所述活性區(qū)域之間的所述密封區(qū)域。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池堆，進(jìn)一步包括被放置在所述燃料電池中的所述密封件位置處的所述密封件與所述膜之間以便提供密封件支承的墊片。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的燃料電池堆，其中所述墊片是燃料電池子墊圈的一部分。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的燃料電池堆，其中每個燃料電池中的所述墊片組合成為一件式墊片。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池堆，其中每個燃料電池中的所述膜平直地延伸通過由所述密封件構(gòu)型提供的所述密封區(qū)域。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池堆，其中所述燃料電池堆是車輛上的燃料電池系統(tǒng)的一部分。
15.一種包括多個疊置在一起的燃料電池的燃料電池堆，每個燃料電池包括活性區(qū)域，所述燃料電池堆包括密封件構(gòu)型，所述密封件構(gòu)型包括被設(shè)置在陰極入口集管與每個燃料電池的活性區(qū)域之間的陰極入口集管密封件，其中陰極流道在所述陰極入口集管與所述活性區(qū)域之間是直的流道且其中每個燃料電池中的陰極側(cè)擴散介質(zhì)層延伸通過所述陰極入口集管與所述活性區(qū)域之間的所述密封區(qū)域，所述密封件構(gòu)型進(jìn)一步包括被設(shè)置在陰極出口集管與每個燃料電池的所述活性區(qū)域之間的陰極出口集管密封件，其中所述陰極流道在所述陰極出口集管與所述活性區(qū)域之間是直的流道且其中每個燃料電池中的所述陰極側(cè)擴散介質(zhì)層延伸通過所述陰極出口集管與所述活性區(qū)域之間的所述密封區(qū)域，所述密封件構(gòu)型進(jìn)一步包括被設(shè)置在所述陽極入口集管與每個燃料電池的所述活性區(qū)域之間的陽極入口集管密封件，其中陽極流道在所述陽極入口集管與所述活性區(qū)域之間是直的流道且其中每個燃料電池中的陽極側(cè)擴散介質(zhì)層延伸通過所述陽極入口集管與所述活性區(qū)域之間的所述密封區(qū)域，所述密封件構(gòu)型進(jìn)一步包括被設(shè)置在陽極出口集管與每個燃料電池的所述活性區(qū)域之間的陽極出口集管密封件，其中所述陽極流道在所述陽極出口集管與所述活性區(qū)域之間是直的流道且其中每個燃料電池中的所述陽極側(cè)擴散介質(zhì)層延伸通過所述陽極出口集管與所述活性區(qū)域之間的所述密封區(qū)域。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的燃料電池堆，其中所述密封件構(gòu)型包括一件式密封件，所述一件式密封件具有圍繞每個燃料電池進(jìn)行延伸的周部密封件、所述陽極入口集管與所述活性區(qū)域之間的密封件部段、所述陽極出口集管與所述活性區(qū)域之間的密封件部段、所述陰極入口集管與所述活性區(qū)域之間的密封件部段和所述陰極出口集管與所述活性區(qū)域之間的密封件部段。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的燃料電池堆，其中所述密封件構(gòu)型包括圍繞每個燃料電池進(jìn)行延伸的周部密封件、圍繞每個燃料電池中的所述陽極入口集管進(jìn)行延伸的第一密封圈、圍繞每個燃料電池中的所述陽極出口集管進(jìn)行延伸的第二密封圈、圍繞每個燃料電池中的所述陰極入口集管進(jìn)行延伸的第三密封圈和圍繞每個燃料電池中的所述陰極出口集管進(jìn)行延伸的第四密封圈。
18.一種包括多個疊置在一起的燃料電池的燃料電池堆，每個燃料電池包括活性區(qū)域，所述燃料電池堆包括多個膜，其中所述燃料電池堆中的每個燃料電池包括膜；多個擴散介質(zhì)層，其中每個燃料電池包括在所述燃料電池的陽極側(cè)處的陽極側(cè)擴散介質(zhì)層和在所述燃料電池的陰極側(cè)處的陰極側(cè)擴散介質(zhì)層；位于所述燃料電池堆中的所述燃料電池之間的鄰近所述擴散介質(zhì)層的多塊雙極板，所述雙極板包括面對所述燃料電池中的所述陽極側(cè)擴散介質(zhì)層的陽極流道、面對所述燃料電池中的所述陰極側(cè)擴散介質(zhì)層的陰極流道和冷卻流體流道；將陽極反應(yīng)劑氣體流引導(dǎo)至所述陽極流道的陽極入口集管；接收來自所述陽極流道的所述陽極反應(yīng)劑氣體流的陽極出口集管；將陰極反應(yīng)劑氣體流引導(dǎo)至所述陰極流道的陰極入口集管；接收來自所述陰極流道的所述陰極反應(yīng)劑氣體流的陰極出口集管；將冷卻流體引導(dǎo)至所述冷卻流體流道的冷卻流體入口集管；接收來自所述冷卻流體流道的所述冷卻流體的冷卻流體出口集管；和用于包含所述燃料電池堆中的所述反應(yīng)劑氣體流和所述冷卻流體流的密封件構(gòu)型，其中每個燃料電池中的所述膜平直地延伸通過由所述密封件構(gòu)型提供的所述密封區(qū)域，所述密封件構(gòu)型包括被設(shè)置在所述陰極入口集管與每個燃料電池的所述活性區(qū)域之間的陰極入口集管密封件，其中所述陰極流道在所述陰極入口集管與所述活性區(qū)域之間是直的流道且其中每個燃料電池中的所述陰極側(cè)擴散介質(zhì)層延伸通過所述陰極入口集管與所述活性區(qū)域之間的所述密封區(qū)域，所述密封件構(gòu)型進(jìn)一步包括被設(shè)置在所述陰極出口集管與每個燃料電池的所述活性區(qū)域之間的陰極出口集管密封件，其中所述陰極流道在所述陰極出口集管與所述活性區(qū)域之間是直的流道且其中每個燃料電池中的所述陰極側(cè)擴散介質(zhì)層延伸通過所述陰極出口集管與所述活性區(qū)域之間的所述密封區(qū)域，所述密封件構(gòu)型進(jìn)一步包括被設(shè)置在所述陽極入口集管與每個燃料電池的所述活性區(qū)域之間的陽極入口集管密封件，其中所述陽極流道在所述陽極入口集管與所述活性區(qū)域之間是直的流道且其中每個燃料電池中的所述陽極側(cè)擴散介質(zhì)層延伸通過所述陽極入口集管與所述活性區(qū)域之間的所述密封區(qū)域，所述密封件構(gòu)型進(jìn)一步包括被設(shè)置在所述陽極出口集管與每個燃料電池的所述活性區(qū)域之間的陽極出口集管密封件，其中所述陽極流道在所述陽極出口集管與所述活性區(qū)域之間是直的流道且其中每個燃料電池中的所述陽極側(cè)擴散介質(zhì)層延伸通過所述陽極出口集管與所述活性區(qū)域之間的所述密封區(qū)域。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的燃料電池堆，其中所述密封件構(gòu)型進(jìn)一步包括位于所述冷卻流體入口集管與每個燃料電池中的所述活性區(qū)域之間的兩個獨立密封件，其中所述冷卻流體流道在通過所述冷卻流體入口集管與所述活性區(qū)域之間的所述密封區(qū)域的位置處是直的流道，所述密封件構(gòu)型進(jìn)一步包括位于所述冷卻流體出口集管與每個燃料電池中的所述活性區(qū)域之間的兩個獨立密封件，其中所述冷卻流體流道在通過所述冷卻流體出口集管與所述活性區(qū)域之間的所述密封區(qū)域的位置處是直的流道。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的燃料電池堆，其中所述密封件構(gòu)型包括一件式密封件，所述一件式密封件具有圍繞每個燃料電池進(jìn)行延伸的周部密封件、所述陽極入口集管與所述活性區(qū)域之間的密封件部段、所述陽極出口集管與所述活性區(qū)域之間的密封件部段、所述陰極入口集管與所述活性區(qū)域之間的密封件部段和所述陰極出口集管與所述活性區(qū)域之間的密封件部段。
21.根據(jù)權(quán)利要求18所述的燃料電池堆，其中所述密封件構(gòu)型包括圍繞每個燃料電池進(jìn)行延伸的周部密封件、圍繞每個燃料電池中的所述陽極入口集管進(jìn)行延伸的第一密封圈、圍繞每個燃料電池中的所述陽極出口集管進(jìn)行延伸的第二密封圈、圍繞每個燃料電池中的所述陰極入口集管進(jìn)行延伸的第三密封圈、圍繞每個燃料電池中的所述陰極出口集管進(jìn)行延伸的第四密封圈、圍繞每個燃料電池中的所述冷卻流體入口集管進(jìn)行延伸的第五密封圈和圍繞每個燃料電池中的所述冷卻流體出口集管進(jìn)行延伸的第六密封圈。
22.根據(jù)權(quán)利要求18所述的燃料電池堆，其中所述多塊雙極板是復(fù)合雙極板。
23.根據(jù)權(quán)利要求18所述的燃料電池堆，其中所述多塊雙極板是沖壓雙極板。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的燃料電池堆，其中所述沖壓雙極板的部段提供所述密封件構(gòu)型。
25.一種包括多個疊置在一起的燃料電池的燃料電池堆，每個燃料電池包括活性區(qū)域，所述燃料電池堆包括密封件構(gòu)型，所述密封件構(gòu)型包括被設(shè)置在陰極入口集管與每個燃料電池的活性區(qū)域之間的陰極入口集管密封件，其中陰極流道在所述陰極入口集管與所述活性區(qū)域之間是直的流道且其中墊片在所述陰極入口集管與所述活性區(qū)域之間的所述密封區(qū)域處提供密封件支承，所述密封件構(gòu)型進(jìn)一步包括被設(shè)置在陰極出口集管與每個燃料電池的所述活性區(qū)域之間的陰極出口集管密封件，其中所述陰極流道在所述陰極出口集管與所述活性區(qū)域之間是直的流道且其中墊片在所述陰極出口集管與所述活性區(qū)域之間的所述密封區(qū)域處提供密封件支承，所述密封件構(gòu)型進(jìn)一步包括被設(shè)置在所述陽極入口集管與每個燃料電池的所述活性區(qū)域之間的陽極入口集管密封件，其中陽極流道在所述陽極入口集管與所述活性區(qū)域之間是直的流道且其中墊片在所述陽極入口集管與所述活性區(qū)域之間的所述密封區(qū)域處提供密封件支承，所述密封件構(gòu)型進(jìn)一步包括被設(shè)置在陽極出口集管與每個燃料電池的所述活性區(qū)域之間的陽極出口集管密封件，其中所述陽極流道在所述陽極出口集管與所述活性區(qū)域之間是直的流道且其中墊片在所述陰極出口集管與所述活性區(qū)域之間的所述密封區(qū)域處提供密封件支承。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的燃料電池堆，其中所述墊片是燃料電池子墊圈的一部分。
27.根據(jù)權(quán)利要求25所述的燃料電池堆，其中每個燃料電池中的所述墊片組合成為一件式墊片。
全文摘要
一種燃料電池堆，所述燃料電池堆包括通過所述燃料電池堆中的雙極板之間的密封區(qū)域的直的陰極流道和直的陽極流道。所述燃料電池堆包括圍繞所述燃料電池堆的活性區(qū)域且在所述燃料電池堆的集管與所述活性區(qū)域之間進(jìn)行延伸的密封件。在所述陰極流道延伸通過密封區(qū)域到達(dá)陰極輸入集管和陰極出口集管，以及所述陽極流道延伸通過密封區(qū)域到達(dá)陽極輸入集管和陽極輸出集管的位置處，位于膜的一側(cè)上的擴散介質(zhì)層進(jìn)行延伸以提供所述密封件載荷。另一種可選方式是，可利用墊片承受所述密封件載荷。
文檔編號H01M8/04GK101079496SQ20071010424
公開日2007年11月28日 申請日期2007年5月23日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月23日
發(fā)明者S·G·格貝爾, M·J·伯伊特爾, J·A·洛克 申請人:通用汽車環(huán)球科技運作公司