CN101432905B - 用于燃料电池堆的密封件结构 - Google Patents

Abstract

提供一种用于燃料电池堆的密封件结构，燃料电池堆包括第一双极板和第二双极板，每个双极板布置在膜电极组件的相对侧。该密封件结构包括粘附于第一双极板凹陷区域的第一辅助垫圈和粘附于第二双极板凹陷区域的第二辅助垫圈，其中第一和第二辅助垫圈布置在膜电极组件的相对侧。密封部件布置在第一和第二双极板的凹陷区域中并且在第一和第二辅助垫圈之间。该密封件结构使环绕密封件周边的支路区域的尺寸最小化和当燃料电池堆组装时提供了所有元件设置的较好控制。这种方法还减小了对周围相对湿度变化的敏感性且通过消除了对生产区域中湿度控制的需要而降低了生产成本。

Description

用于燃料电池堆的密封件结构

技术领域

本发明涉及一种PEM燃料电池，且尤其涉及一种结合在燃料电池堆内部的密封件结构。

背景技术

燃料电池已经在许多领域中用作能源。例如，燃料电池已经计划用于电动车能源来取代内燃引擎。在质子交换膜(PEM)型燃料电池中，氢供给燃料电池的阳极和氧作为氧化剂供给给阴极。PEM燃料电池包括膜电极组件(MEA)，该膜电极组件包括薄的、质子传导的、非电子导电的固相聚合物电解质薄膜，在该薄膜的一面具有阳极催化剂和在其相对面具有阴极催化剂。MEA夹在一对用作阳极和阴极集电器的无孔、导电的元件或板上，并且该元件或板包含形成在其中的用于在各自阳极和阴极催化剂的表面上分配燃料电池气体反应物的合适的通道和/或开口。

夹持MEA的电子导电板在其面上可以包括一系列凹槽，该凹槽限定用于在各自阴极和阳极表面上分配燃料电池气体反应物(即空气形式的氢和氧)的反应物流场。这些反应物流场通常包括许多平台，该平台确定了在其间的许多流道，气体反应物通过这些流道从流道一端的供给歧管流动到流道相对端的排放歧管。

典型地，非导电衬垫或密封件在燃料电池堆的多个板之间提供密封和电绝缘。此外，该密封件提供流道以用于气体反应物从供给歧管到各自阳极和阴极催化剂的表面上。通常，该密封件包括塑模柔性材料，例如橡胶。因为该密封件由柔性材料制成并且具有狭窄的壁厚，所以在装配过程中操作它们是很困难的。

图6说明了用于燃料电池堆的现有技术的密封件结构，其包括第一双极板110和第二双极板112，在其周边每个分别配有凹进的凹槽部分114、116。MEA 118布置在双极板110、112两者之间。该MEA 118包括在一面具有阳极催化剂和在第二面具有阴极催化剂的离聚物层118A。在MEA 118的边缘，离聚物层118A包括第一辅助垫圈层122和第二辅助垫圈层124。具有两个辅助垫圈层122、124的该离聚物层与凹进区域114中的一个双极板110相对布置。密封部件126布置在相对的双极板110、112的凹进的区域114、116中并且与辅助垫圈层124相对挤压。如图6所示，现有技术的设计提供了阳极或阴极气体进入的比较大的支路区域128，并且与密封部件126的边缘表面相对布置。

在燃料电池堆的组装过程中，利用图6中说明的密封件结构，可视设置该元件，同时在元件设置的上面通过非常有限的控制来组装燃料电池堆。由于连接到薄膜118的辅助垫圈122、124，组装区域中的相对湿度能够改变薄膜118的尺寸，这就要求控制生产区域中的湿度以减小对于周围相对湿度变化的敏感性。换句话说，由于与湿度相关的PEM薄膜在不同的湿度条件下或者膨胀或者收缩，相对于双极板中流道的垫圈材料的位置改变了。

发明内容

因此，本发明提供一种用于燃料电池的密封件结构，燃料电池包括每个布置在MEA相对侧的第一双极板和第二双极板，每个第一和第二双极板包括沿其边缘布置的凹陷区域。该密封件结构包括粘附在第一双极板凹陷区域的第一辅助垫圈和粘附在第二双极板凹陷区域的第二辅助垫圈。第一和第二辅助垫圈布置在膜电极组件的相对侧。密封部件布置在第一和第二双极板的凹陷区域中并且在第一和第二辅助垫圈之间。本发明的设计减小了支路区域的尺寸，提供了所有元件设置的较好控制，和消除了由于不正确设置部分的失败。这种方法还减小了对周围相对湿度变化的敏感性且因此通过消除了对生产区域中湿度控制的需要而降低了生产成本。

在下文给出的详细说明中，本发明进一步的实用性将会变的更加明显。应该理解的是表示本发明优选实施例的详细说明和具体实例仅是用于说明和没有打算限制本发明的范围。

附图说明

通过详细说明和附图能够更加全面理解本发明，其中：

图1是根据本发明原理的燃料电池的分解透视图；

图2是根据本发明原理用于燃料电池的密封件结构的截面图；

图3是根据本发明第二实施例的用于燃料电池的密封件结构的截面图；

图4是根据本发明第三实施例的用于燃料电池的密封件结构的截面图；

图5是根据本发明第四实施例的用于燃料电池的密封件结构的截面图；和

图6现有技术密封件结构的截面图。

具体实施方式

下面的优选实施例描述实质上仅是示范性的和没有打算限制本发明、其应用或使用。

参考图1和2，现在描述根据本发明原理的用于燃料电池堆的密封件结构。如图1所示，示范性的燃料电池10包括在其间夹持膜电极组件16的第一双极板12和第二双极板14。第一扩散介质栅格18布置在第一双极板12和MEA 16之间，同时第二扩散介质栅格20布置在第二双极板14和MEA 16之间。第一辅助垫圈22布置在第一双极板12和MEA 16之间，同时第二辅助垫圈24在第二双极板14和MEA 16之间延伸。

正如本领域所知的，每个双极板12、14包括通过许多平台表示的反应气体流场40，这些平台限定了许多流道，通过该流道的反应气体从堆叠体入口板边缘40a流动到排出板边端40b。穿过每个阳极和阴极板的流动方向通常从入口板边端40a通过各自的流场到出口板边端40b。在入口板边端40a外缘的附近形成许多供给歧管开口42a-42c。同样地，在出口板边端40b外缘的附近形成许多排气歧管开口44a-44c。更具体地说，供给歧管开口42a在阳极板上并通过流道传送燃料(H₂)并且通过排气歧管开口44a到外部。供给歧管开口42b通过流道在阴极板上传送氧化剂(O₂)并且通过排气歧管开口44b到外部。最后，作为需要的，供给歧管开口42c在双极板的阳极和阴极板面之间传送冷却剂，冷却剂在排气歧管开口44c离开堆叠体。应该理解的是，歧管的位置能够相对于显示的位置而变化。

正如本领域所知的，相对双极板12、14的流道布置的扩散介质18、20有助于将反应气体分配到MEA 16。密封件26分别布置在双极板12、14的凹陷区域28、30(参见图2)中，凹陷区域28、30环绕双极板12、14的周边延伸。

如图2所示，示出了在堆叠组装条件下的燃料电池10，其中MEA 16布置在第一双极板12和第二双极板14之间。MEA 16的离聚物层16A在辅助垫圈层22、24之间延伸直到点P，在该点P上辅助垫圈层22、24分别转向双极板12、14的凹陷区域28、30。辅助垫圈22、24配置有粘附剂32的层，其将辅助垫圈粘附到双极板12、14上。可选择地，粘附剂32可以在密封区域的板上，在设置辅助垫圈的过程中辅助垫圈材料可以在密封区域中与粘附剂接触。辅助垫圈22、24还部分地覆盖在扩散介质层18、20之上并且在适当的位置支持扩散介质层。能够通过已知的垫圈材料来制造辅助垫圈22、24。密封件26布置在辅助垫圈22、24之间。压紧弹性密封部件26的肋以在双极板12、14之间提供压力密封。与图3示出的现有技术的大支路区域128相比，分散的辅助垫圈22、24提供缩小的支路区域36。支路区域36是在双极板之间的密封区域中暴露给反应气体(和反应气体流体/支路)的区域。

根据本发明的优选实施例，MEA 16配置有在一面具有阳极催化剂16B和在第二面具有阴极催化剂16C的离聚物层16A。离聚物层16A与辅助垫圈22一起延伸到双极板12的凹陷区域28中。在图2的实施例中，离聚物层16A延长至板12的外缘并且与密封部件26接触。根据图3所示的第二实施例，离聚物层止于点P或者止于其附近，在这里两个辅助垫圈层22、24分离。参考图4，示出了第三实施例，其中离聚物层16A延伸至板12的外缘以及延伸至离聚物层16A和密封部件26之间的附加辅助垫圈的狭窄环50。该环50向内延伸和止于点P之前，在P点辅助垫圈层22、24分离。图5说明了第四实施例其中在离聚物层16A和密封部件26之间提供附加辅助垫圈52的全部层。辅助垫圈52与辅助垫圈24邻接并且在P点分离使得辅助垫圈层24和52布置在密封部件26的相对侧。

正如图1和2所示，由于本发明密封件结构，支路区域最小化同时还提供所有元件设置的较好控制，其导致由于不正确设置部分的失败消除了(相对于板特征辅助垫圈活性区域反应物窗口的设置)。本发明同样减小了对周围相对湿度变化的敏感性，该变化能够影响MEA 16的尺寸和形状，且因此通过消除了对生产区域中湿度控制的需要而降低了生产成本。由于本发明的系统，辅助垫圈元件22、24与MEA 16相对地附着于双极板12、14。通过将辅助垫圈22、24附着到双极板12、14上，可以特别控制辅助垫圈中歧管开口的定位而不管尺寸的变化，而该尺寸变化是由于生产区域中周围空气的相对湿度使得MEA 16遇到的。

本发明的说明实质上仅仅是示例性的，因此在不脱离本发明精神下的改变均落在本发明的范围内。这种改变被认为是没有偏离本发明的精神和范围。

Claims (7)

1.一种用于燃料电池的密封件结构，燃料电池包括每个布置在膜电极组件相对侧上的第一双极板和第二双极板，每个所述第一和第二双极板包括沿其边缘布置的凹陷区域，上述密封件结构包括：

粘附到第一双极板凹陷区域的第一辅助垫圈；

粘附到第二双极板凹陷区域的第二辅助垫圈，其中所述第一和第二辅助垫圈布置在膜电极组件的相对侧；和

布置在上述第一和第二双极板的上述凹陷区域中并且在上述第一和第二辅助垫圈之间的密封部件；

其中所述第一和第二辅助垫圈在非凹陷区域中在膜电极组件的相对侧延伸直到邻近凹陷区域的点(P)，在该点上第一和第二辅助垫圈彼此分叉并分别转向所述第一双极板的凹陷区域和所述第二双极板的凹陷区域，使得所述密封部件在上述凹陷区域中布置在上述第一和第二辅助垫圈之间；

其中分叉的第一第二辅助垫圈提供邻近所述凹陷区域的缩小的支路区域。

2.根据权利要求1的密封件结构，还包括布置在上述第一辅助垫圈和上述第一双极板之间的第一扩散介质以及布置在上述第二辅助垫圈和上述第二双极板之间的第二扩散介质。

3.根据权利要求1的密封件结构，其中上述第一和第二辅助垫圈覆盖上述膜电极组件的边缘部分。

4.根据权利要求1的密封件结构，其中上述膜电极组件包括在上述第一双极板的上述凹陷区域和上述密封部件之间延伸的离聚物层，所述离聚物层与所述第一辅助垫圈一起延伸到第一双极板的凹陷区域中。

5.根据权利要求4的密封件结构，还包括布置在上述离聚物层和上述密封部件之间的第三辅助垫圈。

6.根据权利要求5的密封件结构，其中上述第三辅助垫圈具有在中心的开口，其具有大约在上述第一双极板的上述凹陷区域的内缘终止的内缘。

7.根据权利要求5的密封件结构，其中上述第三辅助垫圈布置在上述膜电极组件和上述第二辅助垫圈之间。

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