模製的多部件流場結構的製作方法

2023-09-23 20:57:10 1

專利名稱：模製的多部件流場結構的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於在燃料電池組件中使用的流場結構。更為具體地是，本發明涉及一種模製多部件流場結構，它優選地具有單極性或單極構造，應當理解的是也可以考慮雙極構造。根據一個實施例，流場結構包括模製流場板，該模製流場板由包括第一聚合物的導電材料製成。有模製框架設置在該流場板周圍，並且其由包括第二聚合物的非導電材料製成。在模製框架中形成有若干岐管，並且有模製墊圈裝置設置在該歧管的周邊附近。
根據另一實施例，用於在燃料電池組件中使用的流場結構包括模製流場板和模製框架，該模製流場板由包括第一聚合物的導電材料製成，該模製框架被設置在流場板周圍，並由包括第二聚合物的非導電材料製成。有模製聯接裝置從該模製框架延伸出來。該模製聯接裝置被構造成將單極流場結構與其它單極流場結構聯接起來，以限定出單極流場結構的連續輻材。
根據又一實施例，一種形成用於在燃料電池組件中使用的流場結構的方法，包括以下步驟用包括第一聚合物的導電材料模製流場板和流場板中的歧管。用包括第二聚合物的非導電材料將框架模製在流場板周圍。將墊圈裝置模製在歧管的周邊附近。
根據另一實施例，一種形成在用於燃料電池組件中使用的流場結構的方法，包括以下步驟用包括第一聚合物的導電材料模製流場板，並用包括第二聚合物的非導電材料模製流場板周圍的框架。該方法還包括以下步驟模製出單極流場結構和其它單極流場結構之間的聯接裝置，以限定出單極流場結構的連續輻材。
本發明的上述概述並不期望描述本發明的每個實施例或每種實現方式。通過結合附圖參照下面的詳細描述和權利要求書，本發明的優點和收穫與更加完整的理解將變得明顯和清楚。



附圖1A是燃料電池及其組成層的圖示； 附圖1B說明了具有本發明的實施例所述的單極構造的成套燃料電池； 附圖1C說明了具有本發明的實施例所述的單極/雙極構造的成套燃料電池； 附圖2說明了本發明的實施例所述的模製單級流場結構的兩個側面，這兩個側面為流場側和冷卻側； 附圖3說明了本發明的實施例所述的模製流場結構的流場側的各種特徵； 附圖4是沿著附圖3中A-A剖面所示的流場結構的各個特徵的分解視圖； 附圖5和6說明了兩種結合構造，該結合構造提供本發明的實施例所述的流場板和框架之間的互鎖接合； 附圖7和8說明了密封墊圈的實施例，該密封墊圈被模製在本發明的實施例所述的流場結構的框架上； 附圖9A和9B說明了微結構密封墊圈的實施例，該密封墊圈被模製在本發明的實施例所述的流場結構的框架上； 附圖10A說明了模製聯接裝置的實施例，該模製聯接裝置設置在本發明的實施例所述的相鄰流場結構之間； 附圖10B說明了本發明的實施例所述的附圖10A中所示的模製聯接裝置的特徵； 附圖11說明了模製聯接裝置的另一實施例，該模製聯接裝置設置在本發明的實施例所述的相鄰流場結構之間； 附圖12說明了模製聯接裝置的又一實施例，該模製聯接裝置設置在本發明的實施例所述的相鄰流場結構之間； 附圖13A和13B說明了模製聯接裝置的再一實施例，該模製聯接裝置設置在本發明的實施例所述的相鄰流場結構之間； 附圖14A和14B說明了模製聯接裝置的又一實施例，該模製聯接裝置設置在本發明的實施例所述的相鄰流場結構之間； 附圖15和16A-16B說明了用於模製本發明的實施例所述的流場結構的模製設備； 附圖17說明了用於模製出流場結構和用於封裝本發明的實施例所述的成套燃料電池組件的模製設備；及 附圖18-21說明了燃料電池系統，採用本發明的模製多部件流場結構的一個或多個燃料電池堆可以在該燃料電池系統中應用。
儘管本發明適用於各種修改和備選形式，但是其特點已經利用附圖中的例子示出並將進行詳細描述。然而，應當理解的是，不希望將本發明局限於所述的特定實施例。相反，希望覆蓋落入由所附權利要求所限定的本發明的範圍內的所有修改、等同物和替換物。

具體實施例方式 在所述實施例的下述描述中，對附圖進行參照，附圖形成了本發明的一部分，並且其中利用說明進行了示出，本發明可以用各實施例實現。應當理解的是，在不脫離本發明的範圍的情況下，可以利用各實施例，並且可以作出結構改變。
本發明的模製多部件流場結構可以合併到各種類型、構造和技術的燃料電池組件中。模製多部件流場結構優選地具有單極性或單極構造。本發明的單極流場結構可以使用一個或多個其它單極流場結構，來構造各種構造的燃料電池組件。本發明的單極流場結構也可以使用一個或多個雙極流場結構，來構造各種構造的燃料電池組件。儘管這裡在單極構造的範圍內基本描述了本發明的模製多部件流場結構，但是應當理解的是，根據本發明的原理也可以構造雙極流場結構。因此，出於說明而不是限制的目的，在下面描述了合併有單極、雙極及單級和雙極流場結構的燃料電池組件的各實施例。
附圖1A中描述了一種典型的燃料電池。燃料電池是將氫燃料和空氣中的氧組合，以產生電能、熱量和水的電化學裝置。燃料電池不利用燃燒，這樣，即便燃料電池產生任何有毒排放物的話，也非常少。燃料電池將氫燃料和氧直接轉化成電能，並可以以比例如內燃發電機更高的效率工作。
附圖1A中所示的燃料電池10包括與陽極14相鄰的第一流體輸送層(FTL)12。該FTL也可以稱為氣體擴散層(GDL)或擴散/電流收集器(DCC)。與陽極14相鄰的是電解質膜16。陰極18位於電解質膜16附近，並且第二流體輸送層19位於陰極18附近。在工作中，氫燃料通過第一流體輸送層12，並經過陽極14導入到燃料電池10的陽極部分中。在陽極14處，氫燃料被分離成氫離子(H+)和電子(e-)。
電解質膜16隻允許氫離子或質子通過電解質膜16到達燃料電池10的陰極部分。電子無法通過電解質膜16，而是以電流的形式流過外部電路。該電流能夠驅動如電機之類的電負載17，或導向如可充電電池之類的能量儲存裝置。
氧經過第二流體輸送層19流入燃料電池10的陰極側。隨著氧通過陰極18，氧、質子和電子組合產生水和熱量。
如附圖1A中所示的單個燃料電池可以封裝成成套燃料電池組件。此處稱為成套電池組件(UCAs)的成套燃料電池組件可以與數個其它的UCAs組合，形成燃料電池堆。UCA可以在決定堆的總電壓的堆中與數個UCA以串聯方式電連接，並且每個電池的實際表面面積決定了總電流。通過將總堆電壓與總電流相乘，可以決定出給定燃料電池堆所產生的總電功率。
數種不同燃料電池技術可以用於構造本發明的原理所述的UCA。例如本發明的UCA封裝工藝可以用於構造質子交換膜(PEM)燃料電池組件。PEM燃料電池在較低的溫度下工作(大約175/80℃)，具有較高的能量密度，能夠快速改變它們的輸出以滿足需要功率的變化，並能良好地適用於需要快速啟動的應用，例如汽車中。
PEM燃料電池中所使用的質子交換膜通常是允許氫離子通過的薄塑料片。該質子交換膜通常在其兩側上塗覆有作為活性催化劑的高分散金屬顆粒或金屬合金顆粒(例如，鉑或鉑/釕)。所用的電解質通常是固體含氟磺酸聚合物。由於減少了腐蝕和管理問題，所以固體電解質的使用是有利的。
氫被送到燃料電池的陽極側，催化劑在該陽極側處促使氫原子釋放電子並變為氫離子(質子)。電子以電流的形式移動，該電流在返回已經導入氧的燃料電池的陰極側之前可以使用。同時，質子通過交換膜擴散到陰極，氫離子在陰極處重新組合併與氧反應，產生水。
膜電極組件(MEA)為如氫燃料電池之類的PEM燃料電池的中心元件。如上所述，典型的MEA包括聚合物電解質膜(PEM)(也已知為離子導電膜(ICM))，它起到固體電解質的作用。
PEM的一個表面與陽極電極層接觸，且相對表面與陰極電極層接觸。每個電極層都包括通常含有鉑金屬的電化學催化劑。流體輸送層(FTL)幫助與陽極和陰極電極材料之間的氣體輸送，並傳導電流。
在典型的PEM燃料電池中，質子經過氫的氧化形成在陽極處，並輸送到陰極處與氧反應，允許電流在連接電極的外部電路中流動。在製造期間，可以將陽極和陰極電極層塗敷到PEM或用於FTL上，只要它們在完成的MEA中沉積在PEM和FTL之間即可。
任何合適的PEM都可以在本發明的實踐中使用。PEM通常具有小於50μm、更為通常的是小於40μm、更為通常的是小於30μm、最通常的是大約25μm的厚度。PEM通常包括聚合物電解質，該電解質為酸功能含氟聚合物，如Nafion(美國德拉瓦州威爾明頓的DuPontChemicals公司)和Flemion(日本東京的Asahi Glass有限公司)。在本發明中有用的聚合物電解質通常是四氟乙烯和一個或多個氟化酸功能共聚單體的共聚物。
通常，聚合電解質帶有磺化官能團。最為典型地，聚合電解質為Nafion。聚合電解質通常具有1200或更小的酸等效分子量，更為典型地是1100，最為典型地是大約1000。
任何合適的FTL都可以在本發明的實踐中使用。典型地，FTL包括含有碳纖維的片材。FTL通常是從紡織和無紡碳纖維構造中選出的碳纖維構造。可以在本發明的實踐中使用的碳纖維構造包括TorayCarbon Paper、SpectraCarb Carbon Paper、AFN無紡碳布、Zoltek碳布等。FTL可以用各種材料塗覆或浸潤，包括碳顆粒塗層，親水處理和疏水處理，如用聚四氟乙烯(PTFE)塗覆。
任何合適的催化劑都可以在本發明的實踐中使用。通常使用碳支撐的催化劑顆粒。典型的碳支撐催化劑顆粒為50-90％重量的碳和10-50％重量的催化劑金屬，該催化劑金屬通常包括用於陰極的Pt，和用於陽極的重量比為2∶1的Pt和Ru。催化劑通常以催化劑墨水的形式塗覆到PEM或FTL上。催化劑墨水通常包括聚合物電解質材料，它可以是或可以不是包括PEM的同樣聚合物催化劑材料。
催化劑墨水通常包括在聚合物電解質的分散體中的催化劑顆粒分散體。該墨水通常含有5-30％的固體(即聚合物和催化劑)，且更通常含有10-20％的固體。電解質分散體通常是水分散體，它可以另外含有乙醇、如丙三醇和乙二醇之類的多元醇，或如N-甲基吡咯烷酮(NMP)和二甲基甲醯胺(DMF)之類的其它溶劑。可以調節水、乙醇和多元醇組分，以改變墨水的流變性。該墨水通常含有0-50％的乙醇和0-20％的多元醇。另外，該墨水可以含有0-2％的適當分散劑。通常通過加熱攪拌，然後稀釋到可塗覆濃度而製作出這種墨水。
催化劑可以通過任何合適的裝置塗覆到PEM或FTL上，包括手工和機械方法，包括手工塗刷、凹口試杆塗覆、液壓軸承模具塗覆、繞線杆塗覆、液壓軸承塗覆、狹槽進給刀塗覆、三輥塗覆或貼花轉印。可以在一個應用或多個應用中實現塗覆。
直流甲醇燃料電池(DMFC)類似於PEM電池，其中它們都使用聚合物膜作為電解質。然而，在DMFC中，其陽極催化劑將氫從液體甲醇燃料中提出，消除了對燃料重整裝置的需要。DMFC通常在120-190/49-88℃溫度下工作。直流甲醇燃料電池可以進行根據本發明原理所述的UCA封裝。
現在參照附圖1B，該

了PEM燃料電池技術中應用的UCA的實施例。如附圖1B中所示，UCA20的膜電極組件(MEA)25包括五個組成層。PEM層22夾在一對流體輸送層24和26之間。陽極30位於第一FTL24和膜22之間，並且陰極32位於膜22和第二FTL26之間。
在一個構造中，PEM層22被製造成包括在一個表面上的陽極催化劑塗層30；和另一表面上的陰極催化劑塗層32。該結構常被稱為催化劑塗覆的膜或CCM。根據另一構造，第一FTL和第二FTL24、26被製造成分別包括陽極和陰極催化劑塗層30、32。在又一構造中，陽極催化劑塗層30可以部分地沉積在第一FTL24上，部分地沉積在PEM22的一個表面上，並且陰極催化劑塗層32可以部分地沉積在第二FTL26上，部分地沉積在PEM22的其它表面上。
FTL24、26通常用碳纖維紙或無紡材料或紡織布製造。根據產品構造，FTL24、26能夠在一側上具有碳顆粒塗層。如上所述，FTL24、26可以製造成包括或不包括催化劑塗層。
在附圖1B所示的具體實施例中，MEA25示出為夾在第一邊緣密封系統34和第二邊緣密封系統36之間。與第一邊緣密封系統和第二邊緣密封系統34和36相鄰的分別是流場板40、42。每個流場板40、42都包括氣體流動通道43的場；以及氫和氧進給燃料所通過的口。在附圖1B所示的構造中，流場板40、42構造為單極性流場板，也被稱為單極流場板，其中在兩個流場板之間夾著一單個MEA25。
一般來說，且如附圖2中所示，單極流場板稱為具有流場側47和冷卻側45的流場結構。如上所述，流場側47具有氣體流動通道的場，以及氫或氧進給燃料所通過的口。本實施例和其它實施例中的流場可以是低橫向流量的流場，如2001年9月17日提交的共同擁有的待審美國專利申請09/954,601中所述。
冷卻側45具有如一體的冷卻通道之類的冷卻裝置。或者，冷卻側45可以被構造成接觸單獨的冷卻元件，如冷卻劑通過的冷卻塊或冷卻囊，或散熱器元件。在2002年11月15日提交的名為「成套燃料電池組件和冷卻設備」的共同擁有的待審美國專利申請10/295,518中描述了各種有效的燃料電池冷卻方法。單極流場板40、42優選地根據此處所述的多部件模製工藝構造。
返回附圖1B，邊緣密封系統34、36提供UCA封裝中的必要密封，以隔離各種流體(氣體/液體)輸送和反應區域的彼此汙染和不適當地離開UCA20，並且還可以提供流場板40、42之間的電絕緣和停緊壓控制(hard stop compression control)。此處所用的詞語「硬停」基本上指的是幾乎或基本上不可壓縮的材料，它在工作壓力和溫度下厚度不明顯地改變。更為具體的是，詞語「硬停」指的是膜電極組件(MEA)中基本不可壓縮的構件或層，它在固定厚度或變形下停止MEA的壓縮。此處所述的「硬停」不表示離子導電膜層、催化劑層或氣體擴散層。
在一個構造中，邊緣密封系統34、36包括用彈性材料製成的墊圈系統。在其它構造中，各種所選材料的一個、兩個或多個層都可以用於提供UCA20內部的必要密封。這些材料包括例如TEFLON、浸潤有TEFLON的玻璃纖維、彈性材料、UV可固化的聚合材料、表面結構材料、多層複合材料、密封劑和矽材料。其它構造使用原地形成的密封系統，如2002年11月1日提交的名為「成套燃料電池組件」的共同擁有的待審美國專利申請10/295,292和前面所引用的2002年11月15日提交的10/295,518中所述。
在另一構造中，墊圈裝置合併到流場板40、42中，並在模製過程期間形成。根據一個方法，且如下面詳細討論的那樣，流場板40、42模製成包括用於設置在流場板40、42中的歧管的墊圈裝置。墊圈裝置可以在流場板40、42的模製期間形成，或者在隨後的模製過程期間形成。墊圈裝置例如可以包括模製流場板40或42的一個或多個升高的模製部分。在另一方法中，一個或多個通道可以模製到流場板40、42中，其中可以插入一個或多個墊圈(例如，O形環)。每個這種墊圈都可以是如2002年11月14日提交的待審申請10/294,098中所述的閉孔橡膠墊圈。在其它實施例中，並如下面進一步所述，墊圈裝置可以模製到流場板40、42中，帶有接觸面，該接觸面具有升高的隆起微結構密封圖案。
在某些構造中，不需要附圖1B中所示類型的單獨邊緣密封系統的墊圈系統。單獨邊緣密封可以與模製到流場板40、42中或其上的墊圈裝置組合使用。或者，流場板40、42可以被形成或隨後處理成除了具有歧管墊圈裝置之外，還提供邊緣密封，從而省卻了對附圖1B中所示類型的單獨邊緣密封系統的需要。
附圖1C說明了UCA50，它通過使用單極流場板和一個或多個雙極流場板56而具有多個MEA25。在附圖1C所示的構造中，UCA50具有兩個MEA25a和25b及單個雙極流場板56。MEA25a包括夾在FTL66a和64a之間的陰極62a/膜61a/陽極60a疊層結構。FTL66a位於流場板52附近，它被構造成單極流場板。FTL64a位於雙極流場板56的第一流場表面56a附近。
類似地，MEA25b包括夾在FTL66b和64b之間的陰極62b/膜61b/陽極60b疊層結構。FTL64b位於流場端板54附近，它被構造為單極流場板。FTL66b位於雙極流場板56的第二流場表面56b附近。要理解N個MEA25和N-1個雙極流場板56可以合併成單個UCA50。然而，為更加有效地熱量管理，相信大致上合併一個或兩個MEA56的UCA50(N＝1，雙板＝0或N＝2，雙板＝1)為優選的。如前面所討論的那樣，UCA的雙板可以根據本發明的多部件模製工藝構造，或者可以是常規構造。
附圖1B和1C中所示的UCA構造是能夠在本發明範圍內使用的兩個具體裝置的代表。這兩個裝置只用於說明性目的，並不代表本發明範圍內所有可能的構造。而且，附圖1B和1C試圖說明可以有選擇地合併到根據本發明原理封裝的成套燃料電池組件中的各個部件。
附圖3說明了本發明所述流場結構的實施例。附圖3示出了具有單級構造的流場結構100。本實施例所述的流場結構100為多部件結構，它包括流場板102和框架104。流場板102用導電材料製成，並且框架104為優選地用聚合物材料製成的模製結構。該聚合物材料的特徵可以是類似的或不類似的。
例如，流場板102和框架104可以用同樣的基礎樹脂或不同樹脂製成。相信通過流場板102和框架104使用不類似的材料，具有最佳屬性和最低成本的材料可以用於流場結構100的每個功能區域。合適材料的非限制性、非窮舉性列表包括彈性材料、熱固性和熱塑性材料。框架優選地用環氧樹脂、氨基甲酸乙酯、丙烯酸酯、聚酯或聚丙烯製成，而流場板用這些相同的材料或如聚醚醚酮(PEEK)、聚苯硫、聚苯醚之類的高溫樹脂製成。最為優選地，框架用如熱塑性聚氨酯(TPU)之類的彈性體製成，並且流場板用能夠模注等級的石墨填充的熱塑性塑料製成。在一個說明性構造中，流場板102可以用熱固性材料製成，它大量載有導電填充劑，如石墨或其它含碳導電填充劑。框架104可以用熱塑性材料製成。在另一說明性構造中，流場板102和框架都用熱塑性基礎材料製成。
通過使用一種模製技術或模製技術的組合，可以模製出流場結構100。而且，流場板102和框架104可以在同一模製機器或不同的模製機器上進行模製。而且，流場板102和框架104可以同時在共同的模製機器上模製，如通過經第一材料注入口(shot)而模製出流場板102，隨後馬上經第二材料注入口而模製出框架104。第一注入和第二注入可以在同一模製機器或不同的機器中進行。同樣，在不打開第一注入口和第二注入口之間的鑄模的情況下，可以在同一模製機器中進行第一注入和第二注入。
在模製本發明的多部件流場結構100中可以應用和適合使用多種模製技術。這些模製技術包括例如壓模法、注模法、轉移模塑法和模壓注壓法。根據一種方法，流場板102可以通過使用壓模法形成，而框架104可以使用注模技術形成。優選地，流場板102和框架104可以使用注模技術形成。
作為例子，可以對大量填充的材料進行壓模，以形成流場板102。一旦形成之後，流場板102就可以作為插入物而自動或通過人工幫助轉移到鑄模中。框架104可以環繞該流場板插入物注入模製。在另一方法中，大量填充的材料可以模注形成流場板102。然後，未填充的材料可以環繞流場板102進行注入模製，形成框架104。這優選地在同一鑄模或不同的鑄模中進行。
在又一方法中，使用在共同鑄模內的兩次注入方法。一種材料在第一注入口中注入模製，形成流場板102和框架104中的一個，並且第二材料在第二注入口中注入模製形成流場板102和框架104中的另一個。在第一材料注入幾乎硬化之後，可以進行第二材料注入。在第一材料和第二材料注入之間，注模可以打開或者可以不打開。
附圖4至6說明了可以合併到本發明的模製流場結構中的各個特徵。附圖4至6是流場板102和框架104的一部分沿著附圖3中所示剖面A-A的剖視圖。應當理解的是，在某些實施例中，附圖4至6中所說明的所有特徵都可以合併到模製流場結構中。在其它實施例中，所有這些特徵中的一些可以合併到本發明的模製流場結構中。
附圖4示出了可以模製到流場結構100的流場板102和框架104中的幾個有利特徵。歧管106在框架104中限定出燃料或氧通過的空隙。對齊裝置108示出為框架104的一部分。該對齊裝置108可以構造成提供電池間和電池內中的一個的對齊，或者兩者都提供對齊。
例如，對齊裝置108的電池內特徵用於對準給定燃料電池組件或UCA的至少兩個部件。對齊裝置108的電池間特徵用於使給定燃料電池組件或UCA的至少一個部件與相鄰燃料電池組件或UCA的至少一個部件對準。應當注意的是，對齊裝置108能夠包括用於電池間和電池內對齊的一個或多個特徵。使用模製對齊裝置有利地避免了在燃料電池部件組裝期間將對齊杆插入到相對應對齊孔中的輔助組裝工藝。
例如，且如附圖4中所示，對齊裝置108包括對齊杆108b和對齊凹口108a。對齊杆108b被構造成由流場堆組件的相鄰流場結構100或端板的對齊凹口108a所容納。對齊凹口108a被構造成容納UCA的相對流場結構100的對齊杆108b。在一個構造中，UCA的MEA(未示出)被製造成包括將尺寸加工成允許對齊杆108b通過的對齊孔。第一流場結構100的對齊杆108b對準並通過設置在MEA中的對齊孔。第一流場結構100的對齊杆108b由UCA的第二流場結構100的對齊凹口108a容納。第二流場結構100的對齊杆108b從UCA突出。在已經以這種方式組裝出第一UCA之後，通過該第一UCA的對齊杆108b而與下一UCA的對齊凹口108a配合接合，另一UCA可以與第一UCA相鄰地組裝起來。
應當注意的是，從組裝好的UCA的流場結構中突出的對齊杆108b的存在(或不存在)能夠提供可視的定位和極性辨認特徵，用於將另一UCA添加到燃料電池堆。突出的對齊杆108b的存在例如很容易從對齊凹口108a的存在辨認出。根據所採用的具體習慣，通過例如對齊杆108b的存在，每個燃料電池組件的陽極或陰極板都可以辨認出。通過對齊凹口108a的存在，可以辨認出陽極和陰極板中的另一個。
在一個實施例中，對齊杆108b和凹口108a可以具有相同的圓周形狀，從而對齊杆108b和凹口108a之間的接觸界面限定出一基本連續的壓配界面。根據另一實施例，每個對齊杆108b都具有形狀與對齊凹口108a的內表面形狀不同的外表面。對齊凹口108a的內表面在數個不連續的壓配位置處與對齊杆108b的外表面接觸。
在一種構造中，對齊凹口108a的內表面和對齊杆108b的外表面中的至少一個的形狀可以例如被限定為凸形的彎曲形狀。對齊凹口108a的內表面和對齊杆108b的外表面中的至少一個的形狀也可以限定出大體彎曲的形狀，該形狀包括兩個或多個凹入或凸出的部分。在另一構造中，對齊凹口108a的內表面和對齊杆108b的外表面中的至少一個的形狀可以被限定為圓形或橢圓形。例如，對齊凹口108a的內表面和對齊杆108b的外表面之一的形狀可以被限定為圓形，對齊凹口108a的內表面和對齊杆108b的外表面的另一個的形狀可以被限定為橢圓形。
其它形狀關係是可能的。例如，對齊凹口108a的內表面和對齊杆108b的外表面中至少一個的形狀可以被限定為多邊形。對齊凹口108a的內表面和對齊杆108b的外表面之一的形狀例如可以被限定第一多邊形，對齊凹口108a的內表面和對齊杆108b的外表面中另一個的形狀可以被限定第二多邊形。作為又一個例子，對齊凹口108a的內表面和對齊杆108b的外表面之一的形狀可以被限定為多邊形，對齊凹口108a的內表面和對齊杆108b的外表面中另一個的形狀可以被限定為圓形或橢圓形。對齊凹口108a的內表面的形狀也可以被限定為三角形，對齊杆108b的外表面可以被限定為圓形。其它說明性對齊杆的構造包括具有錐形或楔形的對齊杆。在2003年10月31日提交的名為「用於燃料電池組件的對齊裝置」的共同擁有的待審美國專利申請10/699,454中公開了可用的燃料電池對齊裝置的另外細節。
繼續參照附圖4，示出在框架104和流場板102之間形成有接縫110。該接縫110形成了提供框架104和流場板102之間的密封。在一種構造中，通過框架和流場板中的一個或兩個在模製過程期間的優先地收縮，提供了接縫110的密封。例如，框架104可以環繞流場板102模製，並具有收縮性，收縮性有利於框架104和流場板102之間的氣密密封的形成。
如附圖4中所示，例如框架104的非導電性聚合物具有定向收縮性，收縮性導致框架104材料優先地朝流場板102向內收縮。通過例如用如玻璃珠或合適礦物之類的合適類型和數量的填充劑與聚合物摻雜，可以控制框架104的收縮性。優選地將框架104的收縮性控制成在接縫110處提供必要的密封，而使框架104的意外翹曲(即鑄板凹陷)最小化。本領域技術人員將認識到，其它因素將影響用於形成流場結構100的材料的收縮性，如模製溫度、硬化時間、注入壓力和保持壓力。
接縫110優選地結合有接合裝置，該接合裝置提供框架104和流場板102之間的堅固機械接觸面。在附圖4所示的構造中，接縫110具有形成在框架104和流場板102之間的互鎖裝置，它作為模製過程的一部分。在一個方法中，互鎖裝置的第一特徵模製在流場板102的外周邊附近。互鎖裝置的第二特徵模製在板104的內周邊附近。模製第一特徵和第二特徵提供框架104和流場板102之間的機械互鎖。
附圖5和6說明了接縫110處的互鎖裝置的兩個構造。附圖5示出了通過在流場板102的模製外周邊中由包括反錐度(backdraft)角θ所形成的局部燕尾槽互鎖裝置。當框架104的材料注入到流場板102周圍時，框架材料繞著流場板102的外周邊的反錐度區域流動，產生流場板102和框架104之間的互鎖裝置。附圖6示出了通過在流場板102的模製外周邊中兩個反錐度區域處由包括反錐度角θ所形成的完全燕尾槽互鎖裝置。應當注意的是，由於附圖6的互鎖裝置具有兩個反錐度區域，而附圖5的互鎖裝置具有單個反錐度區域，所以附圖6中所示的反錐度角θ小於附圖5的反錐度角。
附圖7和8說明了本發明的實施例所述的墊圈裝置。附圖7是具有模製墊圈裝置114的流場結構100的流場側的視圖。在附圖7中示出了燃料或氧氣歧管106。處於說明性目的，流動通道示出為通過流場板102，並終止於燃料入口和出口歧管106。附圖8是框架104的一部分沿著附圖7中所示的剖面B-B剖開的分解剖視圖。
墊圈裝置114形成為從框架102的表面突出的一個或多個隆起。在附圖8中，墊圈裝置114示出為包括模製材料做的雙隆起，應當理解的是單個隆起或兩個以上的隆起也可以被模製形成墊圈裝置114。在一個構造中，如附圖7中所示，墊圈裝置114被模製在每個歧管106的周邊附近。在另一構造中，共同的墊圈裝置114(兩個單個的或一個多隆起墊圈)可以形成在所有歧管106周圍。
根據一種方法，在模製框架104期間，形成墊圈裝置114。在另一方法中，墊圈裝置114被模製成在隨後的模製過程中預先形成的框架104。在模製過程中與框架104分離開的模製墊圈裝置114允許流場結構100的各個功能區域的材料有更多的選擇。例如，在某些應用中，可以期望使用與形成框架104相同的材料形成墊圈裝置114。在其它應用中，可以期望使用與形成框架104不同的材料形成墊圈裝置114。例如，用於將墊圈裝置114模製到框架104上的聚合物材料可以具有小於框架材料的硬度。使用這些部件所用的優選材料模製流場板102、框架104和墊圈114提供了可以設計用於在更廣範圍的應用中生產出流場結構100的機會，還提供了更加有效地平衡性能和成本需求的機會。
附圖9A和9B說明了本發明所述墊圈裝置的另一實施例。根據本實施例，墊圈裝置114包括形成在框架104上的微結構密封圖案。如附圖9A中所示，微結構密封圖案116可以形成在框架104的所有的或幾乎所有的表面上。如附圖9B中所示，微結構密封圖案116可以在框架104的若干所選表面部分處形成。例如，微結構密封圖案116可以在框架104的歧管周圍形成，如用於將燃料和冷卻劑通入和排出燃料電池組件的歧管106。
根據一個實施例，微結構密封圖案116包括升高隆起的微結構接觸圖案。在該構造中，升高隆起的微結構接觸圖案優選地具有六邊形圖案，它可以包括例如退化的六邊形圖案。升高隆起的微結構接觸圖案一般可以包括在接合點處交匯的隆起，其中不超過三個隆起在任何一個接合點處交匯。升高隆起的微結構接觸圖案通常由若干單元(cell)組成，以便於局限並防止任何洩漏擴散。
作為非限制性例子，包括升高隆起的微結構接觸圖案的隆起可以具有小於1000微米、更通常的是小於600微米、最為通常的是小於300微米的空載寬度，並通常具有不超過250微米、更通常的是小於150微米、最通常的是小於100微米的深度(高度)。附圖9A和9B中所示的微結構密封圖案可以用2002年5月10日提交的共同擁有的待審美國專利申請10/143,273中所述的方式形成。也可以使用多腔鑄模，其中聯接裝置被模製在多腔鑄模的空腔之間。
附圖10A至14B說明了流場結構的各實施例，該流場結構具有聯接裝置，以利於生產出這種流場結構的輻材。將流場結構模製成包括附圖10A至14B中所述類型的聯接裝置提供了大量生產適於繞成卷的流場結構。成卷的流場結構可以用於生產UCA的自動工藝，如將在下面所述的那樣。用於模製本發明的流場結構的聯接裝置可以具有一個或多個活動鉸鏈、運載條帶或其它互鎖裝置，如錐孔和插塞裝置，以將數個流場結構連接在一起。
在附圖10A和10B中，說明了流場結構100a、100b的輻材200中的一段。附圖10A中所述的兩個流場結構100a、100b優選地屬於前述類型。聯接裝置示出為將兩個流場結構100a、100b連接在一起。基本上，聯接裝置可以由在給定流場結構100a和先前模製的流場結構100b之間模製的或包覆成型(overmold)的材料形成。數個模製流場結構之間的聯接裝置的重複形成提供用於生產流場結構的連續輻材。
附圖10B是附圖10A中所示的聯接裝置的分解視圖。該聯接裝置包括包覆成型區域204，該包覆成型區域204形成在相鄰定位的流場結構100a、100b的相應框架104a、104b之間。在附圖10B所示的構造中，聯接裝置具有形成在相鄰框架104a、104b之間的互鎖凸緣。在一個方法中，通過沿著整個第一框架104a或其一部分模製第一L形凸緣，形成包覆成型區域204。通過將材料從第二框架104b包覆成型到第一L形凸緣的區域中，隨後形成第二模製框架104b的第二L形凸緣。將第二L形凸緣包覆成型到第一L形凸緣上，提供了用於在相鄰流場結構100a、100b之間形成聯接裝置。
附圖10B中所示的聯接裝置還包括活動鉸鏈206。附圖10B中所示的活動鉸鏈206在連接相鄰流場結構100a、100b的框架104a、104b的材料中限定出一凹坑。活動鉸鏈206的存在用於增強流場結構的輻材的撓性，並有利於單個流場結構從輻材的隨後分離。應當注意的是，附圖10A和10B中所示的聯接裝置可以連續跨過整個框架104a、104b或其一部分。還應當注意的是，聯接裝置通常用和框架104a、104b相同的材料製成，但是也可以通過使用和框架104a、104b不同的材料製成。例如，通過使用具有和框架104a、104b屬性不同(例如，較大的撓性)的材料，可以在兩個模製框架104a、104b之間形成聯接裝置。
附圖11說明了本發明另一實施例所述的接頭202。根據本實施例，數個不連續接頭202形成在相鄰流場結構100a、100b、100c的框架之間。附圖11中所示的每個接頭202都可以包括附圖10B中所示類型的互鎖包覆成型區域204和活動鉸鏈206中的一個或兩個。
附圖12說明了本發明所述的聯接裝置的另一實施例。在本實施例中，運載條帶120a、120b形成以連接連續輻材中的相鄰流場結構。在一個方法中，流場結構100a、100b的框架和運載條帶120a、120b使用同一注入口形成在鑄模中，使得連續的或不連續的連接材料形成在流場結構100a、100b的框架和運載條帶120a、120b之間。
附圖13A和13B說明了包括運載條帶120a、120b的另一聯接裝置的細節。在一個方法中，流場結構100a、100b的每個框架、運載條帶120a、120b和連接接頭126(形成在流場結構100a、100b的框架和運載條帶120a、120b之間)都使用同一注入口形成在鑄模中。在另一種方法中，流場結構100a、100b的框架和運載條帶120a、120b使用同一注入口形成，但是在第一次注入之後，有一較窄的間隙將流場結構100a、100b和運載條帶120a、120b分開。第二包覆成型注入將材料注入到該較窄間隙中，從而在流場結構100a、100b的框架和運載條帶120a、120b之間形成連接接頭126。連接接頭126可以使用與形成流場結構100a、100b的框架相同的或不同的材料形成。
運載條帶120a、120b可以形成得結合有包覆成型區域124，附圖13B示出了其分解視圖。包覆成型區域124包括形成在相鄰模製運載條帶124a、124b的邊緣特徵之間的互鎖裝置。附圖13B示出了多個可能的互鎖裝置中的一個，該互鎖裝置可以通過包覆成型運載條帶124a、124b形成。
附圖14A和14B說明了模製流場結構以形成連續輻材的又一方法。根據該方法，有反向錐孔130在第一次注入期間模製到第一流場結構100a的拐角處。在形成相鄰流場板100b的第二包覆成型注入期間，來自第二注入的材料至少流入到先前模製的板100a的反向錐孔130中，形成插塞132。這種保持和插塞互鎖裝置可以形成在相鄰流場結構100a、100b的每個拐角處。
附圖15至16B說明了非常適合於生產本發明所述的流場結構的輻材的模製工藝。附圖15示出了鑄模300的一部分，該鑄模300包括上半鑄模302和下半鑄模304。相應的半個鑄模302、304包括有利於在單個模製機器中模製導電流場板和非導電框架的可移動特徵。而且，該可移動特徵有利於在不打開鑄模的情況下連續注入模製導電流場板和非導電框架。應該理解的是，參照附圖15至16B所述的鑄模和工藝僅僅是用於說明性的，也可以使用其它的鑄模構造和工藝。例如，多模製機器可以用於模製流場結構和聯接裝置的不同部件，以產生流場結構的輻材。
返回附圖15，上半鑄模302包括可豎直移動的模芯306a、306b和彈簧加載的模芯308a、308b。下半鑄模304包括可豎直移動的滑塊301a、301b。上半鑄模和下半鑄模302、304的滑塊和模芯以協調的方式動作，用以在第一次注入導電材料中產生出流場板102b，在第二次注入非導電材料中產生出框架104b。在第二注入(或第三注入)期間，聯接裝置310被形成，將當前模製出的流場結構100b的框架104b與先前模製的流場結構100a的框架104a連接起來。
如前面討論的那樣，聯接裝置310包括形成互鎖裝置的包覆成型區域，並還可以包括活動鉸鏈(參見例如附圖10B)。應當注意的是，為了簡單起見，在附圖15至16B中未示出用於形成聯接裝置310的鑄模細節。還應當注意的是，出於簡化的目的，也未示出靠近鑄模300的入口的鑄模結構。然而，本領域技術人員將很容易理解這些鑄模結構。
附圖16A和16B說明了模製工藝的第一注入和第二注入，其中流場結構和框架在單個模製機器中模製，並且優選地不需打開材料注入口之間的鑄模。在附圖16A中，假定了先前的多部件流場結構100a已經被模製出，並且當前正在模製下一個相鄰流場結構100b。在鑄模300處於封閉定向的情況下，將模芯306a、306b從上半鑄模304朝下半鑄模304移動。彈簧加載模芯308a、308b響應從下半鑄模304向上定位的滑塊301a、301b所產生的力而處於縮回位置。在模芯306a、306b和滑塊301a、301b處於附圖16A中所示位置的情況下，將導電材料注入鑄模空腔中，形成流場板102b。注意，模芯306a、306b和滑塊301a、301b如附圖16A中所示的定位導致了形成互鎖接縫的一半，其中該互鎖接縫形成在流場板102b和框架104b之間。
在第一注入完成並且適當硬化持續時間結束之後，將滑塊306a、306b向上移動到相對於流場板102b的上表面共面的位置。將滑塊301a、301b向下移動，以使得滑塊301a、301b的上表面相對於流場板102b的下表面共面。滑塊301a、301b的向下移動允許彈簧加載模芯308a、308b移動到如附圖16B中所示的向下位置處。在將滑塊306a、306b、301a、301b重新定位到附圖16B中所示的位置之後，將非導電材料的第二注入輸送到鑄模空腔中。該第二注入導致了框架104b的形成，框架104a和流場板102b之間的互鎖接縫的完成，及藉助於彈簧加載模芯308a、308b的歧管形成。在第二注入期間，還完成了聯接裝置310的形成。
在第二注入完成併合適硬化持續時間結束之後，將兩個半鑄模302、304分開，並且將多部件模製流場結構102b與鑄模空腔分開，自動或通過手工幫助移動到與鑄模空腔的出口相鄰的分級位置。鑄模300的滑塊和模芯被移動到適當的位置處，並且以上述方式模製另一多部件流場結構。以這種方式，可以生產模製流場結構的連續輻材。該輻材可以進行卷繞操作，從而產生成卷的流場結構。
根據本發明所生產出的流場結構的輻材可以卷繞成卷，用於將來在燃料電池組件操作中使用。或者，且如附圖17中所示，流場結構的輻材可以直接進給到UCA組裝線380上，在這種情況下，可以使用兩個模製機器300a、300b，每個都以上述方式製作單極流場結構的輻材。具有單個MEA的很好成卷的燃料電池輻材(MEA輻材)可以以2003年5月28日提交的名為「很好成卷的燃料電池製作工藝、設備及其生產的產品」的共同擁有的待審美國專利申請10/446,485中所述的方法生產。
基本上MEA輻材320被輸送成使得MEA輻材320的單個MEA320a從第一及第二流場板輻材100u、100L與一對流場結構100u』、100L』對齊。在將MEA320a封裝在相應的數對流場結構100u』、100L』之間後，所得的UCA輻材330還可以藉助於密封站和/或卷繞站而進行加工。密封的UCA的輻材330能夠隨後受到單獨處理，以使單個UCA與UCA輻材330分離開。
應當注意的是，各附圖中所示的和此處所述的UCA構造是可以在本發明中使用的具體裝置的代表。這些裝置僅用於說明性目的，並不代表落入本發明範圍的所有可能構造。例如，如上所述用於生產流場結構的模製工藝可以表示某些UCA特徵的使用，如輔助或加固密封特徵、墊圈特徵和/或硬停和軟停特徵。相反地，這種模製工藝可以用於消除某些UCA特徵，如通過模製在流場結構的歧管和/或邊緣部分周圍的材料的使用來消除單個墊圈或密封特徵。
各種UCA構造都可以用本發明的其它實施例所述的熱管理能力來實現。作為例子，給定UCA構造能夠具有一體的熱管理系統。或者，或另外地，給定的UCA可以被構造成與單獨熱管理結構機械式聯接。在先前引入的美國專利申請10/295,518和10/295,292中公開了幾個示例性的UCA熱管理方法。
附圖18至21說明了用於電力產生的各個燃料電池系統，可以結合若干燃料電池組件，這些燃料電池組件具有如這裡所述的模製多部件流場結構。附圖18中所示的燃料電池系統400描述了多個可能系統中的一個，如此處實施例所述的燃料電池組件可以在該系統中使用。
燃料電池系統400包括燃料處理器404、電源部分406和功率調節器408。包括燃料重整裝置的燃料處理器404接收如天然氣之類的源燃料，並處理該源燃料，以產生出富氫燃料。將該富氫燃料供給到電源部分406。在電源部分406中，將該富氫燃料導入到盛放在電源部分406中的燃料電池堆的UCA的堆中。還向電源部分406提供空氣供給，對燃料電池堆提供氧氣源。
電源部分406的燃料電池堆產生直流電、可使用的熱量和清潔水。在再生系統中，副產熱量的一部分或全部可以用於產生蒸汽，蒸汽又可以由燃料處理器404使用，以進行其各種處理功能。電源部分406所產生的直流電被傳給功率調節器408，功率調節器408將直流電轉換成交流電，用於隨後的使用。應當理解的是，交流電轉換不需要被包括在提供直流輸出功率的系統中。
附圖19說明了包括燃料供給單元505、燃料電池電源區域506和功率調節器508的燃料電池電源500。該燃料供給單元505包括盛有供給到燃料電池電源區域506的氫燃料的儲存器。在電源區域506中，氫燃料與空氣或氧一起被導入到盛放在電源區域506中的燃料電池堆的UCA中。
燃料電池電源系統500的電源區域506產生直流電、可使用熱量和清潔水。電源區域506所產生的直流電可以傳遞給功率調節器508，如果需要的話，則用於轉換成交流電。附圖19中所示的燃料電池電源供給系統500可以實現為例如固定式或可攜式交流或直流發電機。
在附圖20所示的實現方式中，燃料電池系統600使用燃料電池電源產生的電力對計算機供電。燃料電池電源供給系統包括燃料供給單元605和燃料電池電源區域606。燃料供給單元605向燃料電池電源區域606提供氫燃料。電源區域606的燃料電池堆產生用於使如臺式、可攜式或掌上計算機之類的計算機610工作的電力。
在附圖21中所示的另一實現方式中，來自燃料電池電源的電力用於使汽車710工作。在該構造中，燃料供給單元705向燃料電池電源區域706供給氫燃料。電源區域706的燃料電池堆產生用於使聯接到汽車710的驅動機構上的馬達708工作的電力。
本發明各實施例的前面的描述出於說明和描述目的。並不期望將本發明窮舉或限制到所公開的確切形式。根據上述教導，可以作出各種修改和改變。期望本發明的範圍不受該詳細描述局限，而是由所附權利要求限定。
權利要求
1.一種用於在燃料電池組件中使用的流場結構，包括
模製流場板，它由包括第一聚合物的導電材料製成；
模製框架，它被設置在該模製流場板周圍，並由包括第二聚合物的非導電材料製成，該模製流場板和模製框架限定出了一單極流場結構；
形成在該模製框架中的數個歧管；及
設置在這些歧管周邊附近的模製墊圈裝置。
2.一種用於在燃料電池組件中使用的流場結構，包括
模製流場板，它由包括第一聚合物的導電材料製成；
模製框架，它被設置在該模製流場板周圍，並由包括第二聚合物的非導電材料製成，該模製流場板和模製框架限定出了一單極流場結構；及
從該模製框架延伸出的模製聯接裝置，該模製聯接裝置被構造成將該單極流場結構與其它單極流場結構聯接起來，從而限定出單極流場結構的連續輻材。
3.如權利要求2所述的流場結構，其中，所述模製框架包括數個模製歧管和設置在該數個歧管周邊附近的墊圈裝置。
4.如權利要求2或3所述的流場結構，其中，所述單極流場結構的輻材具有足夠的撓性，從而形成很好成卷的單極流場結構。
5.如權利要求1或3所述的流場結構，其中，所述墊圈裝置由包括第二聚合物的非導電材料製成。
6.如權利要求1或3所述的流場結構，其中，所述墊圈裝置由包括第三聚合物的非導電材料製成，該第三聚合物與所述第二聚合物是不同的。
7.一種形成用於在燃料電池組件中使用的流場結構的方法，包括以下步驟
用包括第一聚合物的導電材料模製出流場板和流場板中的若干歧管；
用包括第二聚合物的非導電材料模製出該流場板周圍的框架；
模製出歧管的周邊附近的墊圈裝置。
8.一種形成用於在在燃料電池組件中使用的流場結構的方法，包括以下步驟
用包括第一聚合物的導電材料模製出流場板；
用包括第二聚合物的非導電材料模製出該流場板周圍的框架，該模製流場板和模製框架限定出了一單極流場結構；及
模製出該單極流場結構和其它單極流場結構之間的聯接裝置，從而限定出單極流場結構的連續輻材。
9.如權利要求7或8所述的方法，其中，模製流場板的步驟和模製框架的步驟同時進行。
10.如權利要求7或8所述的方法，其中
模製流場板和框架的步驟是在單個模製機器中進行的；
模製流場板的步驟是在第一模製注入期間進行的；及
模製框架的步驟是在第二模製注入期間進行的，在第一模製注入和第二模製注入期間及其之間，所述模製機器保持封閉。
全文摘要
一種模製多部件流場結構，包括模製流場板，該模製流場板由包括第一聚合物的導電材料製成。在該流場板周圍設置有模製框架，並且該模製框架由包括第二聚合物的非導電材料製成。模製流場板和模製框架優選地限定出了一單極流場結構。在該模製框架中形成了若干歧管，並且在歧管的周邊附近設置了模製墊圈裝置。有模製聯接裝置可以形成，從模製框架延伸出來，並被構造成將流場結構與其它單極流場結構聯接起來，從而限定出單極流場結構的連續輻材。
文檔編號H01M2/08GK1906000SQ200480040609
公開日2007年1月31日 申請日期2004年12月7日 優先權日2003年12月19日
發明者丹尼斯·E·弗格森 申請人:3M創新有限公司