專利名稱：燃料電池隔板的密封結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池隔板(separator)的密封結(jié)構(gòu)。更具體地，本 發(fā)明涉及用于保持燃料電池堆隔板中冷卻液通道氣密性的密封部分的 密封結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
如本領(lǐng)域中所公知的，燃料電池系統(tǒng)是將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換 為電能的發(fā)電系統(tǒng)。燃料電池系統(tǒng)包括產(chǎn)生電能的燃料電池堆，供應(yīng)燃料(氫氣)至 燃料電池堆的燃料供應(yīng)系統(tǒng)，供應(yīng)空氣中的氧氣至燃料電池堆的空氣 供應(yīng)系統(tǒng)，其中氧氣是電化學(xué)反應(yīng)所需的氧化劑，以及用于將燃料電 池堆的反應(yīng)熱排除到系統(tǒng)外部并控制燃料電池堆的工作溫度的熱和水 管理系統(tǒng)。在具有上述結(jié)構(gòu)的燃料電池系統(tǒng)中，由作為燃料的氫氣和空氣中 的氧氣之間的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電，且產(chǎn)生熱和水作為反應(yīng)副產(chǎn)物。廣泛用于車輛的燃料電池堆是質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)，也 公知為固體聚合物電解質(zhì)燃料電池(SPFC)。圖1是示出燃料電池堆的結(jié)構(gòu)的示意圖。該燃料電池堆包括3 層膜電極組件(MEA) 11，其包括氫離子通過其中的電解質(zhì)膜，和附 于電解質(zhì)膜兩側(cè)且其中發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的電極/催化劑層；用于均勻擴(kuò) 散反應(yīng)氣體并傳輸電的氣體擴(kuò)散層(GDS) 12;用于保持反應(yīng)氣體和 冷卻液的氣密性和適當(dāng)?shù)恼辰訅毫?bonding pressure)的襯墊和密封元件；以及反應(yīng)氣體和冷卻液通過其中的隔板10。其中，在固體聚合物電解質(zhì)燃料電池中，作為燃料的氫氣被供應(yīng) 給正極(所謂的燃料電極)而空氣中的氧氣被供應(yīng)給負(fù)極(所謂的空 氣電極或氧氣電極)。供應(yīng)至正極的氫氣通過設(shè)置在電解質(zhì)膜兩側(cè)的電極/催化劑層的催化劑分解為質(zhì)子11+ (氫離子)和電子e'。此時(shí)，僅氫離子通過為陽(yáng)離子交換膜的電解質(zhì)膜傳輸?shù)截?fù)極，且同時(shí)，電子通過為導(dǎo)體的GDL 12和隔板IO傳輸?shù)秸龢O。通過電解質(zhì)膜供應(yīng)的氫離子和通過隔板IO傳輸?shù)碾娮优c正極處由空氣供應(yīng)裝置供應(yīng)的空氣中的氧氣相遇并發(fā)生產(chǎn)生水的反應(yīng)。此時(shí)，隨著通過氫離子的移動(dòng)產(chǎn)生的電子流，通過外部導(dǎo)線產(chǎn)生電流，且同時(shí)，在產(chǎn)生水的反應(yīng)中產(chǎn)生熱。固體聚合物電解質(zhì)燃料電池中的電極反應(yīng)可由下列方程式表達(dá) 燃料電極的反應(yīng)2H2 —4H+ + 4e 空氣電極的反應(yīng) 02 + 4HT + 4e-— 2H20 總反應(yīng)2H2 + 02 —2H20+電能+熱能旨在改善如上所述的固體聚合物電解質(zhì)燃料電池性能的廣泛研究 和開發(fā)已持續(xù)發(fā)展。其中，用于提供冷卻通道的凹槽在作為燃料電池堆的部件的隔板 上形成，且各自具有凹槽的兩個(gè)隔板彼此粘接從而形成冷卻燃料電池 的結(jié)構(gòu)。在該情況下，凹槽在兩個(gè)隔板的彼此相對(duì)的表面上形成，從 而在通過密封元件彼此粘接的隔板之間的界面上形成一條冷卻液通 道。冷卻液通過由兩個(gè)隔板形成的冷卻通道從而冷卻燃料電池。 隔板中的密封部分的常規(guī)密封結(jié)構(gòu)是通過在形成有氫氣電極板或 空氣電極板的冷卻液通道的、隔板的一個(gè)表面或其兩個(gè)表面上，使用 如絲網(wǎng)印刷的印刷方法涂敷室溫固化的粘接劑(商品名稱"Hylomer 623LV")的薄層，以1 bar的壓力加壓并密封該表面，和在室溫下將該 密封部分固化24小時(shí)而形成。近來，已開發(fā)了用防凍劑/冷卻液、而非蒸餾水作為燃料電池堆中 的冷卻劑的方法，以解決冷卻液在低于凝固點(diǎn)的溫度下凍結(jié)的問題。然而，作為對(duì)使用由常規(guī)密封結(jié)構(gòu)密封的冷卻隔板制造的燃料電 池堆的輸出特性和耐久性性能進(jìn)行分析，其中防凍劑/冷卻液被用于燃 料電池汽車在低于凝固點(diǎn)的低溫下的啟動(dòng)操作的分析結(jié)果，可以證實(shí) 輸出特性隨時(shí)間的變化而惡化。圖2是示出防凍劑/冷卻液兼容性測(cè)試結(jié)果的曲線圖，從該圖可以 看出，在防凍劑/冷卻液用于現(xiàn)有技術(shù)的密封結(jié)構(gòu)中時(shí)燃料電池堆的性 能惡化。作為分析的結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)在冷卻隔板的密封部分中使用的粘接 劑未完全固化，且在固化過程中蒸發(fā)的水分(或有機(jī)溶劑)形成微小 的空氣通道。此外，可以確認(rèn)在冷卻液通道的表面沒有形成完全的氣 密性，因?yàn)楦舭宓拿芊饷嬗捎谕糠笤跉錃獍搴涂諝獍逯g的粘接劑的 厚度而沒有彼此緊密粘接。而且，穿過其中泄漏的防凍劑/冷卻液的乙 二醇可污染MEA的電極/催化劑層中的催化劑，因此惡化燃料電池堆 的性能。在此背景技術(shù)中揭示的信息僅是為了增強(qiáng)對(duì)本發(fā)明背景的理解， 而不應(yīng)當(dāng)作是承認(rèn)或以任何形式建議此信息形成本領(lǐng)域技術(shù)人員已公 知的現(xiàn)有技術(shù)。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明已致力于解決上述問題，且本發(fā)明的目的在于提供一種密 封部分的密封結(jié)構(gòu)，用于保持燃料電池堆的隔板中的冷卻液通道的氣密性，能夠解決與防凍劑/冷卻液從冷卻液通道泄漏到MEA相關(guān)的上 述問題，并因此通過最小化兩個(gè)隔板之間的電阻而改善燃料電池堆的 輸出特性和耐久性。在一個(gè)方面中，本發(fā)明提供了一種密封部分的密封結(jié)構(gòu)，用于保 持在燃料電池中疊置的第一和第二隔板中形成的冷卻液通道的氣密 性，其中將填充粘接劑的凹槽在第一隔板的密封部分上形成，在凹槽 的兩側(cè)形成堤部，每個(gè)堤部的一側(cè)朝向第一和第二隔板之間的邊界面 開口，使得在第一和第二隔板被加壓以彼此粘接時(shí)將從凹槽溢流的粘 接劑可填充在各自的堤部中。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，堤部在第一隔板上形成，且每個(gè)堤部的一側(cè)朝向凹槽開口使得其內(nèi)部空間與凹槽的內(nèi)部空間連通。在另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，堤部在第一隔板上形成，且堤部在第一和第二隔板之間的邊界面上形成，以便以預(yù)定的間隔與凹槽隔開，使得其內(nèi)部空間與凹槽的內(nèi)部空間分離。在又一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，堤部在第二隔板上形成，該堤部彼此連通以形成容納粘接劑的空間，堤部的寬度大于凹槽的寬度，堤部的組合寬度的一部分與凹槽的寬度重疊，而該寬度的其他部分位于凹槽的兩側(cè)。在再一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，堤部在第二隔板上形成，該堤部以預(yù)定 的間隔彼此隔開，每個(gè)堤部的寬度的一部分與凹槽的寬度的一部分重 疊，而該寬度的其他部分位于凹槽的兩側(cè)?？梢岳斫獾氖?，這里所使用的術(shù)語(yǔ)"車輛"或"車用的"或其他類似術(shù)語(yǔ)包括一般的機(jī)動(dòng)車輛，例如包括運(yùn)動(dòng)型多用途車(suv)、巴士、卡車、多種商用車輛的客車，包括多種艇和船只的水運(yùn)工具，及 飛行器等等。本系統(tǒng)對(duì)于多種機(jī)動(dòng)車輛將是特別有用的。 以下討論本發(fā)明的其他方面。


圖1是示出燃料電池堆的結(jié)構(gòu)的示意圖；圖2是示出在防凍劑/冷卻液用于現(xiàn)有密封結(jié)構(gòu)中時(shí)發(fā)生的性能衰 退的曲線圖；圖3是示出燃料電池中的電阻損耗的曲線圖；圖4是示出燃料電池隔板的密封結(jié)構(gòu)的實(shí)施例的橫剖視圖；以及圖5是示出隔板、MEA和GDL在疊置時(shí)的位置的示意圖。附圖中給出的附圖標(biāo)記包括了下面進(jìn)一步討論的下列元件的標(biāo)識(shí)113:隔板 114:凹槽114a和114b:堤部具體實(shí)施方式
現(xiàn)在將詳細(xì)參考本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，其實(shí)例在以下附圖中示出，其中在所有附圖中相同的附圖標(biāo)記表示相同的元件。下面參考附圖說 明各實(shí)施例以便解釋本發(fā)明。固體聚合物電解質(zhì)燃料電池的理論電壓為1.23 V，且其性能和效 率取決于根據(jù)負(fù)載量的電阻損耗。具體地，如圖1中所示，當(dāng)燃料電池堆由按預(yù)定方式疊置的各組 件組成時(shí)，構(gòu)成每個(gè)電池的組件應(yīng)使電阻損耗最小化。而且，構(gòu)成燃料電池堆的單個(gè)單元電池應(yīng)具有充分的密封性能， 用以保持反應(yīng)氣體和冷卻液的氣密性，且同時(shí)彼此具有充分的電接觸。此外，如圖3中所示，燃料電池的性能和效率可在氧氣還原反應(yīng)、氫氣氧化反應(yīng)和傳質(zhì)阻力在發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的單個(gè)單元電池中被最小化 時(shí)得以改善。按照本發(fā)明，在用于保持燃料電池堆的隔板中的冷卻液通道的氣 密性的密封部分的密封結(jié)構(gòu)中，用于密封件的凹槽是通過在兩個(gè)隔板 中的一個(gè)隔板的、形成有冷卻液通道的表面上涂敷密封件(粘接劑) 的薄層而形成。而且，堤部設(shè)置在連接通道和冷卻液通道上，以防止 過多的密封件從其中溢流。圖4是示出燃料電池隔板的密封結(jié)構(gòu)的實(shí)施例的橫剖視圖，其中 示出了多種形式的密封結(jié)構(gòu)。如圖中所示，密封件、即粘接劑填充于其中的凹槽114形成于將 彼此粘接的兩個(gè)隔板113中的一個(gè)隔板的表面上，即在形成有氫氣電 極板或空氣電極板的冷卻液通道的表面上。此外，從凹槽114溢流的粘接劑將被收集于其中的堤部114a和 114b以凹槽的形式形成于凹槽114的兩側(cè)。也就是，堤部114a和114b是設(shè)置在凹槽114兩側(cè)的附加空間，用 于容納在兩個(gè)隔板113被加壓以彼此粘接時(shí)從凹槽114溢流的粘接劑。 為了另外容納從凹槽114溢流的粘接劑，兩個(gè)堤部114a和114b各自可 具有朝向兩個(gè)隔板113的邊界面開口的一側(cè)和具有空間的另一側(cè)，該 空間要么與凹槽114連通要么與其分離。因此，從凹槽溢流的粘接劑可直接或經(jīng)兩個(gè)隔板113之間的密封 面被引入到堤部114a和114b中。在優(yōu)選實(shí)施例中，如圖4中所示，在凹槽114的兩側(cè)形成的堤部114a和114b可具有相對(duì)于凹槽114的垂直面，以防止從凹槽114溢流 的粘接劑泄漏到外部。垂直面起到了阻擋器的作用，用于阻止填充在 堤部114a和114b中的粘接劑的流動(dòng)。
圖4A至4F示出了本發(fā)明的多種實(shí)施例。圖4A示出了這樣的結(jié) 構(gòu)，其中從凹槽114溢流的粘接劑沿著兩個(gè)隔板113之間的密封面流 動(dòng)并被引入到堤部114a和114b中。兩個(gè)堤部114a和114b在凹槽114 的兩側(cè)形成，并以預(yù)定的間隔彼此隔開，且其內(nèi)部空間與凹槽114的 內(nèi)部空間分離。
在此情況下，凹槽114和堤部114a和114b在同一隔板113上形成。 堤部114a和114b優(yōu)選地具有矩形截面。
圖4B至4F示出了這樣的結(jié)構(gòu)，其中所涂敷的粘接劑直接從凹槽 114流入堤部114a和114b中。每個(gè)堤部114a和114b的一側(cè)朝向凹槽 114開口，使得其內(nèi)部空間與凹槽114的內(nèi)部空間連通，且堤部114a 和1Mb的另一側(cè)各自具有能有效地防止粘接劑流動(dòng)的垂直表面。
具體地，圖4B至4D示出了這樣的結(jié)構(gòu)，其中凹槽114和堤部114a 和114b在同一隔板113上形成。此外，圖4E和4F示出了這樣的結(jié)構(gòu)， 其中凹槽114和堤部114a和114b分別在不同的隔板113上形成。也就 是，凹槽114在一個(gè)隔板113上形成，而堤部114a和114b在另一個(gè)隔 板113上形成。
在圖4B的情況下，具有矩形截面的堤部114a和114b在具有矩形 截面的凹槽114的兩側(cè)形成。在圖4C的情況下，具有矩形截面的堤部 114a和114b在具有三角形截面的凹槽114的兩側(cè)形成。此外，在圖4D 的情況下，具有矩形截面的堤部114a和114b在具有半圓形截面的凹槽 114的兩側(cè)形成。
在圖4E的情況下，具有矩形截面的凹槽114在一個(gè)隔板113上形 成，而具有矩形截面的堤部114a和114b在另一個(gè)隔板113上形成。在 此情況下，兩個(gè)堤部彼此連通且兩個(gè)堤部的組合寬度大于凹槽的寬度， 以便提供用于容納粘接劑的充足空間。
具體地，堤部114a和114b的組合寬度的一部分與凹槽114的內(nèi)部 寬度重疊，而包括用作阻擋面的垂直面的該寬度的其他部分位于凹槽 114的兩側(cè)。堤部114a和114b與凹槽114的內(nèi)部空間連通。在圖4F的情況下，具有矩形截面的凹槽在一個(gè)隔板113上形成， 而具有矩形截面的兩個(gè)堤部114a和114b在另一個(gè)隔板113上形成。堤 部114a和114b以預(yù)定的間隔彼此隔開。每個(gè)堤部114a和114b的寬度 的一部分與凹槽114的內(nèi)部寬度的一部分重疊，而包括用作阻擋面的 垂直面的該寬度的其他部分位于凹槽114的兩側(cè)。堤部114a和114b 與凹槽114的內(nèi)部空間連通。
圖4的上述實(shí)施例僅是為了說明本發(fā)明而提供的，而不是為了限 制本發(fā)明。應(yīng)該注意的是，本發(fā)明可以本領(lǐng)域技術(shù)人員可能想到的多 種變化、改型、替換和改進(jìn)實(shí)施，而不偏離本發(fā)明的實(shí)質(zhì)和范疇。
按照本發(fā)明的堤部可防止出現(xiàn)由于過量使用粘接劑導(dǎo)致的密封缺 陷。而且，在通過使用稍微過量的粘接劑粘接兩個(gè)板并以lbar的壓力 加壓粘接面來制造冷卻隔板的過程中，粘接劑被收集在堤部中以形成 三條密封線，因此改善了氫氣與冷卻液之間以及空氣與冷卻液歧管之 間的氣密性。
借助如上所述的密封結(jié)構(gòu)，可以在基于乙二醇的防凍劑/冷卻液用 作燃料電池堆的冷卻液時(shí)保持對(duì)冷卻液的三重密封效果。
而且，如圖5中所示，本發(fā)明的密封結(jié)構(gòu)的特征在于，為了提供 作為燃料電池隔板的必需特征的、在反應(yīng)區(qū)的垂直方向上的導(dǎo)電率， 將膜電極組件(MEA)和氣體擴(kuò)散層(GDL)固定在隔板113之間， 且構(gòu)成隔板113的兩個(gè)板之間的距離通過施加預(yù)定的壓力(通常為50 至150psi)而得以最小化，其中該預(yù)定壓力是由多孔材料形成的GDL 的性能所要求的，因此防止粘接壓力導(dǎo)致的損壞和重復(fù)熱疲勞導(dǎo)致的 變形。而且，通過使用兩個(gè)板的壓縮排斥力確保密封結(jié)構(gòu)的氣密性和 密封結(jié)構(gòu)的均勻性，可以增加隔板表面和GDL之間的接觸區(qū)域，并且 通過減小接觸電阻而進(jìn)一步改善導(dǎo)電率。
圖5是示出燃料電池堆的截面的示意圖，其中附圖標(biāo)記111表示 MEA， 112表示GDL，且115表示由填充在凹槽114中的粘接劑形成 的密封件。
以下將說明具有上述結(jié)構(gòu)的隔板的制造過程。 首先制備氫氣電極板和空氣電極板。在冷卻液通道形成于其上的 氫氣電極板的表面上、而非空氣電極板上，形成用于粘接劑的凹槽114。隨后，在形成有凹槽114的氫氣電極板的粘接面或空氣電極板的
粘接面上，形成如圖4中所示的堤部114a和114b。
然后，將粘接劑涂敷在氫氣電極板的中間。在此情況下，粘接劑 可以是GE的塑料TSE322,該粘接劑不與防凍劑/冷卻液發(fā)生反應(yīng)。
接著，施加1 bar的壓力將氫氣電極板和空氣電極板彼此粘接并在 15(TC下固化約30至60分鐘，優(yōu)選地約60分鐘。在固化過程完成后， 撤去所施加的壓力。
如上所述，根據(jù)按照本發(fā)明的燃料電池隔板的密封結(jié)構(gòu)，在兩個(gè) 隔板中的一個(gè)隔板的表面上形成填充粘接劑的凹槽，用于保持冷卻液 通道的氣密性，且在凹槽的兩側(cè)形成堤部，以防止涂敷在凹槽中的粘 接劑溢流到連接通道和冷卻液通道中。因此，在通過施加壓力將兩個(gè) 隔板彼此粘接時(shí)從凹槽溢流的粘接劑被收集在堤部中，以形成三條密 封線，因此改善了密封部分的氣密性。而且，可以解決在防凍劑/冷卻 液從冷卻液通道泄漏到其中發(fā)生燃料電池反應(yīng)的MEA中時(shí)，或者泄漏 的冷卻液污染MEA的催化劑時(shí)，燃料電池堆的性能惡化的問題。
已參考其優(yōu)選實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明。然而，本領(lǐng)域技 術(shù)人員將會(huì)理解的是，可在這些實(shí)施例中進(jìn)行改變而不偏離本發(fā)明的 原理和實(shí)質(zhì)，本發(fā)明的范疇由所附權(quán)利要求及其等效物限定。<image>image see original document page 11</image> (1)<image>image see original document page 11</image> (2)
權(quán)利要求
1.一種密封部分的密封結(jié)構(gòu)，用于保持在燃料電池中疊置的第一和第二隔板中形成的冷卻液通道的氣密性，其中將填充粘接劑的凹槽在所述第一隔板的密封部分上形成，在所述凹槽的兩側(cè)形成堤部，每個(gè)所述堤部的一側(cè)朝向所述第一和第二隔板之間的邊界面開口，使得在第一和第二隔板被加壓以彼此粘接時(shí)將從所述凹槽溢流的粘接劑可填充在各自的堤部中。
2. 如權(quán)利要求1所述的密封結(jié)構(gòu)，其中所述堤部在所述第一隔板 上形成，且每個(gè)堤部的一側(cè)朝向所述凹槽開口，使得其內(nèi)部空間與凹 槽的內(nèi)部空間連通。
3. 如權(quán)利要求1所述的密封結(jié)構(gòu)，其中所述堤部在所述第一隔板 上形成，且所述堤部在所述第一和第二隔板之間的邊界面上形成，以 便以預(yù)定的間隔與所述凹槽隔開，使得其內(nèi)部空間與凹槽的內(nèi)部空間 分離。
4. 如權(quán)利要求1所述的密封結(jié)構(gòu)，其中所述堤部在所述第二隔板 上形成，所述堤部彼此連通以形成容納粘接劑的空間，所述堤部的寬 度大于所述凹槽的寬度，堤部的組合寬度的一部分與凹槽的寬度重疊， 而所述寬度的其他部分位于所述凹槽的兩側(cè)。
5. 如權(quán)利要求1所述的密封結(jié)構(gòu)，其中所述堤部在所述第二隔板 上形成，所述堤部以預(yù)定的間隔彼此隔開，每個(gè)堤部的寬度的一部分 與所述凹槽的寬度的一部分重疊，而所述寬度的其他部分位于所述凹 槽的兩側(cè)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種密封部分的密封結(jié)構(gòu)，用于保持燃料電池的兩個(gè)疊置隔板中的冷卻液通道的氣密性，其中將填充粘接劑的凹槽在兩個(gè)隔板中的一個(gè)隔板的表面上形成，且在凹槽的兩側(cè)形成堤部，以防止涂敷在凹槽中的粘接劑溢流到連接通道和冷卻液通道中。因此，在通過施加壓力將兩個(gè)隔板彼此粘接時(shí)從凹槽溢流的粘接劑被收集在堤部中，以形成三條密封線，因此改善了密封部分的氣密性。而且，可以解決在防凍劑/冷卻液從冷卻液通道泄漏到其中發(fā)生燃料電池反應(yīng)的MEA中時(shí)，或者泄漏的冷卻液污染MEA的催化劑時(shí)，燃料電池堆的性能惡化的問題。
文檔編號(hào)H01M2/14GK101335336SQ20071019511
公開日2008年12月31日 申請(qǐng)日期2007年11月29日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月26日
發(fā)明者吳承燦, 孫翼齊, 尹鐘震, 李鐘賢, 琴榮范, 金永敏, 高載準(zhǔn) 申請(qǐng)人:現(xiàn)代自動(dòng)車株式會(huì)社;起亞自動(dòng)車株式會(huì)社