具有集成密封件的可壓縮燃料電池輔助墊的製作方法

2023-06-14 19:32:01

具有集成密封件的可壓縮燃料電池輔助墊的製作方法
【專利摘要】本發明涉及具有集成密封件的可壓縮燃料電池輔助墊，具體提供了由基於擠壓的微孔聚合泡沫製成的燃料電池輔助墊、包括本發明提供的輔助墊的燃料電池堆、使用本發明提供的輔助墊在燃料電池堆的板之間進行密封的方法、以及製造這種輔助墊的方法。
【專利說明】具有集成密封件的可壓縮燃料電池輔助墊
【技術領域】
[0001 ] 本申請涉及燃料電池和燃料電池堆，並且更具體地涉及用於燃料電池的輔助墊。【背景技術】
[0002]通常稱為燃料電池的電化學轉換電池通過處理第一和第二反應物來產生電能。通常，這是通過氫的氧化以及氧的還原來實現的，但是採用其他反應物(例如，烴氣)的燃料電池也是公知的。通過說明而非限制，一種典型的燃料電池包括聚合物膜(例如，質子交換薄膜)，其設置在陰極和陽極之間以便形成膜電極組件(MEA)。MEA定位在一對氣體擴散介質層之間，並且這些部件定位在陰極板與陽極板之間以便形成單個電池。
[0003]對於許多應用-例如為車輛提供動力來說，由單個電池提供的電壓通常太低。因此，為了提供更適當的電壓值，多個單獨的電池通常構造成「堆」。在這種構造中，導電雙極板定位在一個電池的陽極側擴散層與相鄰電池的陰極側擴散層之間。分隔相鄰電池的雙極板用作集電器並且具有對置表面-一個表面限定用於輸送燃料(例如，氫或烴)到一個電池的陽極的流動路徑，而另一個表面限定用於輸送氧化劑(例如，氧或空氣)到相鄰電池的陰極的流動路徑。每個雙極板還具有在其中限定的用於輸送冷卻劑的流動路徑。
[0004]雙極板的各種流動路徑連接到限定在所述板內的對應歧管。例如，燃料流動路徑通常連接到兩個燃料歧管，並且氧化劑流動路徑通常連接到兩個氧化劑歧管。然而，流動路徑的截面面積顯著小於歧管的截面面積。相應地，反應物/冷卻劑的流率和壓力在從歧管進入流動路徑時升高。為了減輕高壓反應物和冷卻劑從燃料電池堆的洩漏，通常在每個雙極板之間形成密封件(包括密封珠和輔助墊)，並且壓縮所述堆。已使用適應燃料電池環境的彈性密封珠材料和薄膜聚合物輔助墊材料獲得了良好的結果。然而，仍然存在對雙極板之間的密封方式進行 改進的持續需求，尤其是那些可以降低製造燃料電池堆的複雜性和成本的改進方式。

【發明內容】

[0005]本發明在各種實施方式中提供了:由基於擠壓的微孔聚合泡沫製成的燃料電池輔助墊；包括本發明提供的輔助墊的燃料電池堆；使用本發明提供的輔助墊在燃料電池堆的板之間密封的方法；以及製造這種輔助墊的方法。
[0006]在各種公開的實施方式中，本發明提供了用於燃料電池的微孔聚合泡沫輔助墊。在某些實施方式中，這種輔助墊可包括:(i )活性區域，所述活性區域構造成當與膜電極組件一起組裝在一對燃料電池板之間時為膜電極組件提供框架；(? )供給區域，所述供給區域包括歧管部分，所述歧管部分適應所述一對板的陽極、陰極以及冷卻劑歧管；以及(iii)至少一個密封珠通道，所述至少一個密封珠通道結合到聚合泡沫中並且構造成接納並且包含密封珠材料。
[0007]還在各種公開的實施方式中提供了包括本發明提供的輔助墊的燃料電池堆。在某些實施方式中，這種燃料電池堆可包括:(i )設置在電池堆中的一對板；(? )設置在所述一對板之間的膜電極組件；(iii)設置在所述一對板之間的基於擠壓的微孔聚合泡沫輔助墊，所述輔助墊包括至少一個密封珠通道，所述至少一個密封珠通道結合到所述聚合泡沫中並且構造成接納和包含密封珠材料；以及(iv )設置在所述至少一個密封珠通道中的固化的密封珠。在所述輔助墊設置在所述一對板之間之前、在所述輔助墊設置在所述一對板之間之後或者兩者，可以通過將密封珠材料沉積到所述通道中並且使所述密封珠材料固化來形成所述固化的密封珠。
[0008]另外，在各種公開的實施方式中提供了在燃料電池堆的板之間進行密封的方法。這種方法可包括:(i )提供設置在電池堆中的一對板；(? )提供膜電極組件；(iii)提供基於擠壓的微孔聚合泡沫輔助墊，所述輔助墊包括(a)活性區域，所述活性區域構造成為膜電極組件提供框架；以及(b)至少一個密封珠通道，所述至少一個密封珠通道結合到聚合泡沫中並且構造成接納和包含密封珠材料；(iv )將本發明提供的輔助墊以及薄膜電極組件設置在所述一對板之間以便通過所述輔助墊的活性區域為所述膜電極組件提供框架；以及(V )在將所述輔助墊設置在所述一對板之間之前、在將所述輔助墊設置在所述一對板之間之後或者兩者，將密封珠材料沉積到所述至少一個密封珠通道中。
[0009]在各種公開的實施方式中，還提供了製造用於燃料電池的輔助墊的方法。所述方法可包括:(i )提供基於擠壓的微孔聚合泡沫片；(? )將提供的片加熱到易彎曲溫度；(iii)將所述片模製成至少具有(a)包括可移除部分的活性區域，(b)供給區域，所述供給區域適應一對燃料電池板的陽極、陰極以及冷卻劑歧管，所述供給區域包括多個可移除的部分，以及(c)至少一個密封珠通道，所述至少一個密封珠通道結合到聚合泡沫中並且構造成接納並且包含密封珠材料。本發明提供的片還可以在可移除的部分移除之前或之後被交叉連結。
[0010]方案1.一種用於具有一對板的燃料電池的基於擠壓的微孔聚合泡沫輔助墊，包括:
活性區域，所述活性區域構造成當與膜電極組件一起組裝在所述一對板之間時為所述膜電極組件提供框架；
供給區域，所述供給區域包括歧管部分，所述歧管部分當組裝在所述一對板之間時適應所述一對板的陽極歧管、陰極歧管和冷卻劑歧管；
至少一個密封珠通道，所述至少一個密封珠通道結合到所述聚合泡沫中並且構造成接納並且包含密封珠材料。
[0011]方案2.如方案I所述的輔助墊，其中所述密封珠通道中的每個都具有與所述密封珠通道中的另一個相同或不同的截面面積、截面形狀、深度或者它們的組合。
[0012]方案3.如方案I所述的輔助墊，其中所述密封珠通道、供給區域、活性區域或者它們的組合的若干部分模製成比所述輔助墊的其他部分薄。
[0013]方案4.如方案3所述的輔助墊，其中所述供給區域包括至少一個部分，所述至少一個部分具有不同於所述歧管部分厚度的厚度。
[0014]方案5.如方案3所述的輔助墊，其中所述活性區域包括部分覆蓋所述膜電極組件的部分。
[0015]方案6.如方案5所述的輔助墊，其中所述活性區域包括至少一個部分，所述至少一個部分具有不同於所述覆蓋部分厚度的厚度。[0016]方案7.如方案I所述的輔助墊，包括環繞適應所述陽極歧管的部分的密封珠通道、環繞適應所述陰極歧管的部分的密封珠通道以及環繞適應所述冷卻劑歧管的部分的密封珠通道。
[0017]方案8.如方案I所述的輔助墊，包括環繞所述活性區域的密封珠通道。
[0018]方案9.如方案I所述的輔助墊，其中所述聚合泡沫包括從聚乙烯和聚丙烯中選出的聚合物，所述選出的聚合物可選擇性地交叉連結。
[0019]方案10.如方案I所述的輔助墊，構造成在燃料電池堆中的多於一個的燃料電池之間共用。
[0020]方案11.一種燃料電池堆，包括:
設置在電池堆中的一對板，所述板包括陽極歧管、陰極歧管和冷卻劑歧管；
設置在所述一對板之間的膜電極組件；
設置在所述一對板之間的基於擠壓的微孔聚合泡沫輔助墊，所述輔助墊包括:
活性區域，所述活性區域構造成為所述膜電極組件提供框架；
供給區域，所述供給區域包括歧管部分，所述歧管部分適應所述一對板的陽極歧管、陰極歧管和冷卻劑歧管；
至少一個密封珠通道，所述至少一個密封珠通道結合到所述聚合物泡沫中並且構造成接納和包含密封珠材料；
設置在所述至少一個密封珠通道中的固化的密封珠，在所述輔助墊設置在所述一對板之間之前、在所述輔助墊設置在所述一對板之間之後或者兩者，將密封珠材料沉積到所述通道中，並且使所述密封珠材料固化，從而形成所述密封珠。
[0021]方案12.—種在燃料電池堆的板之間進行密封的方法，包括:
提供設置在電池堆中的一對板，所述板包括陽極歧管、陰極歧管和冷卻劑歧管；
提供膜電極組件；
提供基於擠壓的微孔聚合泡沫輔助墊，所述輔助墊包括:
活性區域，所述活性區域構造成為所述膜電極組件提供框架；
供給區域，所述供給區域包括歧管部分，所述歧管部分適應所述一對板的陽極歧管、陰極歧管和冷卻劑歧管；
至少一個密封珠通道，所述至少一個密封珠通道結合到所述聚合泡沫中並且構造成接納和包含密封珠材料；
將提供的輔助墊和膜電極組件設置在所述一對板之間以便通過所述輔助墊的活性區域為所述膜電極組件提供框架；以及
在將所述輔助墊設置在所述一對板之間之前、在將所述輔助墊設置在所述一對板之間之後或者兩者，將密封珠材料沉積到所述至少一個密封珠通道中。
[0022]方案13.如方案12所述的方法，其中所述密封珠通道、供給區域、活性區域或者它們的組合的若干部分模製成比所述輔助墊的其他部分薄。
[0023]方案14.如方案13所述的方法，其中所述活性區域包括部分覆蓋所述膜電極組件的部分。
[0024]方案15.如方案12所述的方法，其中所述聚合泡沫包括從聚乙烯和聚丙烯中選出的聚合物，所述選出的聚合物可選擇性地交叉連結。[0025]方案16.—種製造用於燃料電池的輔助墊的方法，該燃料電池具有設置在電池堆中的一對板，該方法包括:
提供基於擠壓的微孔聚合泡沫片；
將提供的片加熱到易彎曲溫度；
將所述片模製成至少具有:(i )包括可移除部分的活性區域；(?)供給區域，所述供給區域適應所述一對板的所述陽極歧管、所述陰極歧管以及冷卻劑歧管，所述供給區域包括多個可移除的部分；以及(iii)至少 一個密封珠通道，所述至少一個密封珠通道結合到所述聚合泡沫中並且構造成接納並且包含密封珠材料；
將所述可移除部分移除；以及
在所述可移除部分移除之前或在所述可移除部分移除之後交叉連結所述聚合物。
[0026]方案17.如方案16所述的方法，其中所述密封珠通道中的每個都具有與所述密封珠通道中的另一個相同或不同的截面面積、截面形狀、深度或者它們的組合。
[0027]方案18.如方案16所述的方法，包括模製比所述輔助墊的其他部分薄的所述密封珠通道、供給區域、活性區域或者它們的組合的若干部分。
[0028]方案19.如方案16所述的方法，其中所述聚合泡沫包括從聚乙烯和聚丙烯中選出的聚合物。
[0029]方案20.如方案19所述的方法，其中所述聚合物在將所述可移除部分移除之後被交叉連結。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0030]通過結合附圖參考下文的詳細描述，將會更好地理解本發明，也將容易地獲得對本發明的許多實施方式的更完整理解，附圖中:
圖1是示例性現有技術燃料電池堆的陽極供給區段的側面局部橫截面圖，圖中示出的板示出了具有輔助墊的組件，其中箭頭示出了陽極氣體流動路徑；
圖2是根據本發明的一個實施方式的示例性燃料電池堆的俯視平面圖，圖中示出為移除了板來暴露燃料電池堆的輔助墊；
圖3是僅具有在其中形成的密封珠通道的示例性輔助墊的俯視平面圖；
圖4是具有在其中形成的密封珠通道以及其他區域(例如覆蓋和供給區域)的示例性輔助墊的俯視平面圖；
圖5是示例性燃料電池堆的陽極供給區段的側面局部橫截面圖，圖中示出的板示出了具有輔助墊的組件，其中箭頭示出了陽極氣體流動路徑；圖2中的剖面A-A示出了可以在燃料電池堆上找到的陽極供給區段的一個示例；
圖6是示例性燃料電池堆的陰極供給區段的側面局部橫截面圖，圖中示出的板示出了具有輔助墊的組件，其中箭頭示出了陰極氣體流動路徑；圖2中的剖面B-B示出了可以在燃料電池堆上找到的陰極供給區段的一個示例；
圖7是示例性燃料電池堆的冷卻劑供給區段的側面局部橫截面圖，圖中示出的板示出了具有輔助墊的組件，其中箭頭示出了冷卻劑氣體流動路徑；圖2中的剖面C-C示出了可以在燃料電池堆上找到的冷卻劑供給區段的一個示例；
圖8是示例性燃料電池堆的邊緣區段(非嵌套設計)的側面局部橫截面圖，圖中示出的板示出了具有輔助墊的組件；圖2中的剖面D-D示出了可以在燃料電池堆上找到的邊緣區段的一個示例；
圖9示出了 A —示例性燃料電池堆的邊緣區段(具有扇形摺疊輔助墊的嵌套設計，所述扇形摺疊輔助墊在所述輔助墊的對置側上具有密封珠空腔)的側面局部橫截面圖，並且示出了 B —與所述邊緣區段一起使用的輔助墊(處於非摺疊構造)的側面局部橫截面圖；圖10示出了 A—示例性燃料電池堆的邊緣區段(具有扇形摺疊輔助墊的嵌套設計，所述扇形摺疊輔助墊在所述輔助墊的同側上具有密封珠空腔)的側面局部橫截面圖，並且示出了B—與所述邊緣區段一起使用的輔助墊(處於非摺疊構造)的側面局部橫截面圖；以及
圖11示出可以在堆中的三個相鄰燃料電池之間共用的輔助墊(處於非摺疊構造)的側面局部橫截面圖。
【具體實施方式】
[0031]現將描述本發明的特定實施方式。然而，本發明可以不同形式實施而不應理解為限於在此描述的實施方式。相反地，本發明提供了這些實施方式，以便將本發明公開得更為透徹，並將充分地表達本發明的範圍給所屬領域的技術人員。
[0032]除非以其他方式限定，在此使用的所有技術和科學術語都具有與本發明所屬領域技術人員通常理解的相同的含義。在此，本發明的描述中使用的術語僅用於描述特定實施方式而絕非用以限制本發明。如說明書和所附權利要求中使用的，除非上下文中另外清楚地指出，單數形式「一個」和「該」還將包括複數對象。
[0033]如說明書和權利要求中使用的，除非以其他方式指出，表達量、特性、條件等的所有數量將理解為在所有情況下都通過術語「大約」改變。另外，說明書和權利要求中任意範圍的公開都將理解為包括範圍本身並且還包括其中包含的任何子範圍和端點。除非以其他方式指出，說明書和權利要求書中所述的數量特性是可根據本發明的實施方式中尋求實現的期望特性而改變的近似值。雖然闡述本發明的廣義範圍的數量範圍和參數是近似值，但是儘可能精確地描述了特定示例中的數值。然而，任何數值本身都含有某些誤差，這是它們對應的測量值中出現誤差所導致的必然結果。
[0034]在各種實施方式中，本發明提供了:由基於擠壓的微孔聚合泡沫製成的燃料電池輔助墊；包括本發明提供的輔助墊的燃料電池堆；使用本發明提供的輔助墊在燃料電池堆的板之間密封的方法；以及製造這種輔助墊的方法。
[0035]常規燃料電池包括由模製塑料膜製成的輔助墊，所述輔助墊具有重量輕、耐腐蝕和相對容易加工的優點。這種輔助墊由聚合物膜材料形成，其中所述聚合物是固體或者發泡的。然而，為了實現密封，膜本身必須模製(至少是部分模製)成與雙極板組合的形狀，從而形成燃料電池設計的特徵。例如，如圖1所示，膜I的將設置在雙極板2、3之間的一部分可被模製成尖點4、槽5或者它們的組合，然而另一部分9模製成可設置在擴散介質10之間並且抵接MEAlI。當抵靠雙極板3放置時，膜/輔助墊I的這種模製(彎曲)部分形成可填充以密封劑的空腔6，所述密封劑將在固化時形成密封珠7。重要地，因為膜/輔助墊I本身必須從大體上平的結構變形以便形成這種彎曲部分，空穴必定存在於膜/輔助墊I與雙極板2、3之間-例如在槽5上方。另外，必須將膜/輔助墊I附接到至少一個板2、3以便減少密封劑材料從形成的空腔6的洩漏。例如，膜/輔助墊I可具有熱鉚接部8來將它粘附到板2、3並且進一步限定空腔6。
[0036]在使用這種輔助墊I組裝常規電池堆期間，使用涉及形成空腔6並且以密封劑填充它以便形成密封珠7的多步驟工序來實現電池的密封。在這種工序中，膜/輔助墊的彎曲部分(具有尖點4、槽5和空腔6)由諸如匹配模製的熱成形工序製成，其中所述膜/輔助墊I被加熱到正好低於或高於熔點，並且在陽模與陰模之間擠壓模I。熱成形輔助墊I隨後定位在板2、3之間，彎曲成形部分抵接每個板2、3。接下來，膜/輔助墊I附接到板2、3，並且注射密封劑材料來大體上填充空腔6。在注射之前，通過堆的至少部分壓縮，空腔6可被部分地壓縮。在釋放這種壓縮時(如果有的話)，密封劑在空腔6內膨脹從而導致它逐漸變成非壓縮高度。在密封劑固化而形成密封珠7之後，可以完全壓縮所述電池堆，從而密封電池。
[0037]與常規燃料電池相反，本發明提供的燃料電池包括由發泡熱塑性材料(不是薄膜或膜)製成的輔助墊，所述發泡熱塑性材料是熱成形的以便具有結合到輔助墊的密封珠通道。因此，作為替代在發泡塑料本身內形成集成通道，而非輔助墊從大體上平的結構變形(如常規薄膜/膜需要的)。泡沫本身用作模型並且幫助支撐密封珠。通過使特徵結合到輔助墊中(而非輔助墊的變形部分形成特徵)，輔助墊保持更平整的結構，在它與雙極板之間具有更少的(如果有的話)空穴，並且不需要附接到雙極板來形成密封珠通道。另外，本發明提供的燃料電池中使用的發泡塑料可適應雙極板的設計特徵，在某些實施方式中，被模製成具有各種厚度。例如，在某些區域中，可能期望具有薄且密的區域(例如100%密度；固體聚合物)，同時其他區域可能更厚並且密封更低(例如5-7%密度；泡沫聚合物)。因此，因為可以實現緊公差(例如，50 μ m厚度)並且因為不需要某些燃料電池特徵(例如尖點和槽的組合)，本發明提供的輔助墊為燃料電池提供了更大的設計自由。
[0038]雖然非膜發泡塑料的使用使模製變得容易，但是泡沫還必須具有足夠強度來承受由密封珠壓縮、流體壓差或者它們的組合導致的載荷。另外，需要泡沫的壓縮剛度足夠低，使得在壓縮期間雙極板不會明顯變形。然而，還需要壓縮剛度足夠高以便承受製造、組裝和操作載荷。已使用基於擠壓的微孔聚合泡沫(例如由所謂的MuCell?微孔發泡工序形成的；Trexel公司)獲得了良好的結果。
[0039]微孔發泡工序(例如MuCell?工序Jrexel公司)涉及:使將在擠壓機中發泡的聚合材料塑化，將發泡劑(它可以是物理或化學發泡劑)在它是超臨界流體的溫度和壓力下引入到機器中，以及形成塑化材料和超臨界流體的單相混合物。當在單相混合物的溫度和壓力變化時釋放發泡劑時-例如當在構形時混合物被擠出到大氣中時，形成微孔發泡塑料。根據使用的發泡條件，形成的微孔泡沫具有可形成封閉結構或開放結構的細小、均勻孔隙。混合物中還可使用成核劑來控制單元大小和均勻性。熟悉微孔發泡工序的技術人員將知曉，所述工序以及由其生成的發泡塑料的各種變型和改良已經被作出。所屬領域技術人員還將理解的是，對所述工序以及生成的材料的變型和改進被構想為包括在如在此使用的術語「MuCell?工序」、「微孔發泡工序」、「微孔泡沫」以及「微孔聚合泡沫」內。
[0040]各種聚合材料適於與微孔發泡工序一起使用。例如，已經使用了聚烯烴、聚酯、聚碳酸酯、聚醯胺、聚醯亞胺、聚醚、聚苯乙烯、聚氨基甲酸脂、聚醚酮、聚氯乙烯、聚(甲基)丙烯酸脂、聚(甲基)丙烯醯胺、聚(甲基)丙烯腈、聚碸、聚苯硫醚和酚醛樹脂聚合物。在某些實施方式中，用於形成本發明提供的輔助墊的微孔聚合泡沫的聚合材料從聚乙烯和聚丙烯中選擇。對於在高於95°C的溫度運轉的燃料電池，可能期望聚合物交叉連結。
[0041]為了用於形成本發明提供的輔助墊，微孔聚合泡沫被形成薄片，所述薄片具有在與輔助墊覆蓋區域兼容的厚度(例如，50 μ m)或者與密封珠接觸帶兼容的厚度(例如，50-150 μ m)能夠將該片擠壓成接近固體聚合物(100%密度)的密度，同時在該區域以及在輔助墊的其他地方提供足夠強度來承受密封珠壓縮、流體壓差或者兩者產生的載荷。在某些實施方式中，適當泡沫片具有從大約0.5mm到大約1.5mm的厚度(或者厚度的組合)以及從大約5%到大約7%的密度。相應地，泡沫片具體構想為具有下述厚度:0.5-0.6mm、
0.6-0.7mm>0.7-0.8mm>0.8-0.9mm、0.9-1.0mm、1.0-1.1mm、1.1-1.2mm、1.2-1.3mm、
1.3-1.4mm和1.4-1.5mm。在某些實施方式中，構想為具有從大約0.75mm到大約1.2mm厚度的(或者厚度的組合)泡沫片也是適當的。另外，還具體構想了具有5-5.5%、5.5-6%、
6-6.5%和6.5-7%的密度的泡沫片。泡沫片可具有微孔(例如，2-30 μ m直徑)開放或封閉結構，但封閉結構是優選的。在某些實施方式中，微孔聚合泡沫片在高應力區域(例如密封珠通道、覆蓋區域和供給區域)可以較薄以便更好地分散應力。在某些實施方式中，交叉連結聚合物還可幫助實現更穩定的輔助墊。
[0042]為了製造本發明提供的輔助墊，通過將所述片加熱到易彎曲成形溫度、將其模製成具有期望的特定形狀和設計特徵(例如集成密封珠通道)並且為其去毛邊來熱成形適當的微孔聚合泡沫片。一旦熱成形，就衝壓出需要的開口(例如頭部開口、活性區域窗口、埠和基孔)並且除去碎屑。優選地，非交叉連結聚合物片被熱成形，從而使碎屑能夠回收利用。
[0043]一旦形成了具有需要的設計特徵的輔助墊(包括集成密封珠通道)，那麼當輔助墊在電池堆外時密封劑材料能夠可選擇地沉積到密封珠通道中。密封劑材料可以是大體上自動調平材料，或者可以是較高粘度材料(需要迫使它進入密封珠通道)。所屬領域技術人員將熟悉各種適當的密封劑。無論使用高粘度或低粘度材料，都將需要沉積足夠的密封劑材料來大體上填充通道。在某些實施方式中，密封劑材料在電池堆外沉積在至少某些密封珠通道中並且被允許固化。
[0044]無論是否已在電池堆外形成密封珠，所述輔助墊與MEA都可以結合。在本發明提供的輔助墊中具有薄的(例如，50 μ m)可壓縮覆蓋區域允許簡化MEA結合。具有集成MEA的輔助墊可以接下來組裝在堆中的雙極板之間。如果在堆疊之後填充密封珠通道，那麼密封劑材料可沉積到密封珠通道中以便大體上填充它們。在某些實施方式中，當組裝到電池堆中時，密封劑材料被沉積在至少某些密封珠通道中並且允許固化。無論通過在電池堆外、電池堆中沉積密封劑材料或者兩者都沉積密封劑材料，一旦輔助墊中的所有密封珠通道都具有形成的密封珠，那麼壓縮電池堆並且測試洩漏情況。
[0045]如果使用的微孔聚合泡沫片不是交叉連結聚合物片，那麼它能夠可選擇地是交叉連結的(例如通過使用伽瑪射線、電子束或者其他適當交叉連結工序)以便增加輔助墊的強度和溫度耐受力。所屬領域技術人員將熟悉各種適當的交叉連結方法。在某些實施方式中，可以泡沫片的熱成形之前或之後發生交叉連結。優選地，在熱成形之後發生交叉連結，從而使碎屑能夠回收利用。在某些實施方式中，在MEA結合之前發生交叉連結。假設MEA將不會被選定的交叉連結方法損壞，那麼交叉連結可以備選地在MEA結合之後發生。[0046]通過參閱下面的示例將能更好地理解所述實施方式，所述示例通過說明提供並且所屬領域技術人員將會認識到所述示例並不意味著對本發明的限制。
[0047]如同所描述的，在本發明的各種實施方式中具有用於燃料電池的微孔聚合泡沫輔助墊。在某些實施方式中，這種輔助墊可包括(i )活性區域，所述活性區域構造成當組裝在一對燃料電池板之間時為膜電極組件提供框架；(? )供給區域，所述供給區域包括歧管部分，所述歧管部分適應所述一對板的陽極、陰極以及冷卻劑歧管；以及(iii)至少一個密封珠通道，所述至少一個密封珠通道結合到聚合泡沫中並且構造成接納並且包含密封珠材料。還在各種公開的實施方式中提供了包括本發明提供的輔助墊的燃料電池和燃料電池堆。
[0048]圖2示出了燃料電池堆201的一個示例(示出為移除一個板)，所述燃料電池堆201包括輔助墊202、一對雙極板203和204 (未示出)。輔助墊202以及每個板203、204都具有活性區域205和供給區域206。膜電極組件(MEA) 207設置在活性區域205內。典型的MEA包括設置在陰極與陽極之間的質子交換膜，其中這種MEA定位在一對氣體擴散介質層之間並且所有這些部件都定位在雙極板之間。在某些實施方式中輔助墊202包括覆蓋並且為活性區域205提供框架的部分214。在某些實施方式中，MEA207可與擴散介質層(未示出)以及輔助墊202組裝在一起以便形成組合電極組件。
[0049]除了活性區域205，輔助墊202以及每個板203、204還包括供給區域206。分別用於輸送和排出陽極氣體、陰極氣體和冷卻劑的陽極歧管區域208、陰極歧管區域209以及冷卻劑歧管區域210，設置在供給區域206內。所示燃料電池堆201進一步包括限定在板203,204內的至少一個注入口 211以及至少一個埠 212，其中所述注入口 211與所述埠212流體連通。輔助墊202包括用於適應埠 212的孔口 213。
[0050]在包括常規輔助墊的常規燃料電池堆的組裝期間，使用涉及下述操作的多步驟工序實現電池的密封:(i ) 提供膜基輔助墊材料，(? )構形所述材料的若干部分以便在輔助墊與板之間形成空腔，(iii)在組裝所述堆時形成這種空腔，以及(iv )將形成的空腔填充以密封劑。在這種工序中，在輔助墊設置在板之間並且所述堆被至少部分壓縮之前未形成空腔。接下來，粘性密封劑被注射通過埠與注入口的組合件(所述組合件與空腔流體連通)，並且這種密封劑材料填充並且進一步形成空腔。壓縮隨後被釋放以便允許密封劑膨脹，並且膨脹的密封劑固化來形成密封珠。所述堆隨後被完全壓縮，從而將部件密封在一起。密封劑的固化條件取決於選定的特定密封劑。例如，可以在室溫、升高的溫度、大氣壓、降低的氣壓或者它們的組合下執行固化。還可以使用輻射和化學方式(例如除了化學固化材料)來固化。所屬領域技術人員將熟悉各種適當的固化方式。
[0051]不像常規輔助墊，本發明提供的輔助墊202包括結合到輔助墊202中的預成型密封珠通道215，從而使本發明提供的燃料電池的組裝和製造工序更簡單同時還提供其他工序和生產益處。例如，發泡聚合物的使用(代替膜)允許輔助墊和燃料電池的設計具有更大的靈活性-例如通過免除槽和尖點組合。作為另一個示例，預成型集成通道215的存在允許有更好的定位準確性並且因此降低了密封失效。另外，預成型、集成密封珠通道215的存在允許在密封劑如何沉積到所述通道215中方面具有靈活性。在某些實施方式中，密封材料可以通過注入口 211與埠 212的組合件注射到組裝的燃料電池堆201中，所述組合件與通道215流體連通。在其他實施方式中，密封劑材料可以在堆疊電池之前沉積到通道215中。固化可以在電池堆疊之前或之後發生。在進一步的實施方式中，這種加工靈活性允許沉積密封劑材料在電池堆疊之前和之後發生的組合。例如，可以構想到的是，某些通道215可以在堆疊之前填充以密封劑並且剩餘通道215可以在堆疊之後填充以密封劑。在前述實施方式中的每個中，密封劑的固化條件取決於選定的特定密封劑。例如，固化可以在室溫、升高的溫度、大氣壓、降低的氣壓、輻射、通過化學方式或者它們的組合來執行。
[0052]在各種公開的實施方式中，還提供了製造用於燃料電池的輔助墊的方法。所述方法可包括:(i )提供基於擠壓的微孔聚合泡沫片；(? )將提供的片加熱到易彎曲溫度；(iii)將所述片模製成至少具有(a)包括可移除部分的活性區域，(b)供給區域，所述供給區域適應一對燃料電池板的陽極、陰極以及冷卻劑歧管，所述供給區域包括多個可移除的部分，以及(c)至少一個密封珠通道，所述至少一個密封珠通道結合到聚合泡沫中並且構造成接納並且包含密封珠材料。本發明提供的片還可以在可移除的部分移除之前或之後交叉連結(cross-linked)。
[0053]圖3是與燃料電池(未示出)一起使用的本發明提供的輔助墊301的一個示例的俯視平面圖。所屬領域技術人員將認識到，這個示例通過說明提供並且其中示出的元件的構造並不意味著對本發明的限制；在不偏離本發明的範圍的情況下可以作出各種改變。例如，存在各種燃料電池堆設計，並且在本發明的範圍內可以構想和設想允許本發明提供的輔助墊與這種設計一起使用的改型。類似地，存在能夠用於每個燃料電池設計的各種密封珠和密封珠通道樣式，並且在本發明的範圍內可以構想和設想不同於圖3所示示例的樣式。
[0054]示出的輔助墊301包括適應雙極板特徵的區域-包括活性區域302和供給區域303。活性區域302構造成當組裝在燃料電池堆內時為MEA提供框架。所屬領域技術人員將認識到，為製造這種輔助墊301必須移除聚合泡沫材料的一部分而剩下能夠為MEA提供框架的部分302。在某些 實施方式中，輔助墊301還可至少部分支撐MEA。供給區域303包括:(i )陽極歧管區域304，所述陽極歧管區域304適應使用的雙極板的陽極歧管，(? )陰極歧管區域305，所述陰極歧管區域305適應使用的雙極板的陰極歧管，以及(iii )冷卻劑歧管區域306，所述冷卻劑歧管區域306適應使用的雙極板的冷卻劑歧管。如前面指出的，本發明特別構想了這種元件的構造的變型。所屬領域技術人員將認識到，為製造這種輔助墊301必須移除聚合泡沫材料的一部分而在不堵塞歧管流的情況下剩下適應雙極板的部分304、305、306。「適應」雙極板意指本發明提供的輔助墊具有大體上類似於板的那些區域的形狀、厚度和其他特徵。因此，在某些實施方式中，本發明提供的輔助墊當組裝和密封在板之間時在所述板之間具有極少(如果有的話)空穴。預成型密封珠通道307獨立地環繞每個歧管區域304，、305、306，所述預成型密封珠通道307結合在輔助墊301的一部分內並且構造成接納和包含密封珠材料。每個密封珠通道307都可以連續或非連續環繞對應的歧管區域304、305、306。例如，環繞陽極歧管區域307的密封珠通道307可以是完全環繞這個區域307(如圖所示)的連續通道。備選地，可以構想的是，環繞陽極歧管區域307的密封珠通道307可以是仍然大體上環繞該區域307的非連續通道。額外的預成型密封珠通道308為整個活性區域302提供框架並且延伸到供給區域303的一部分中，所述額外的預成型密封珠通道308結合到輔助墊301中並且構造成接納和包含密封珠材料。因此，發泡聚合材料用作密封珠的模具。這種額外密封珠通道308可以是連續或者非連續的並且可具有與歧管密封珠通道307相同或者不同的尺寸。如圖所示，額外的密封珠通道308是連續集成通道。如所示出的，密封珠通道307、308可具有相同或不同尺寸。例如，所有通道307、308都可具有相同截面面積、進入輔助墊301材料的相同深度或者具有兩者。備選地，可以構想到的是，通道307、308中的至少一個可具有不同於其他通道307、308的截面面積、進入輔助墊301材料的深度或兩者。在某些實施方式中，可以構想到的是，所有通道307、308都可具有相同截面面積以及進入發泡輔助墊301材料的深度。例如，輔助墊301的厚度在密封珠通道307、308的最薄部分處可以為0.05mm(它被壓縮成接近固體聚合物；大約100%密度)，並且在輔助墊301的剩餘部分處可以為1.0mm(未壓縮)。在某些實施方式中，至少某些通道307、308彼此流體連通，使得注射到一個通道307、308中的有粘度的密封劑材料可以流動到至少另一個通道307、308中。在這種實施方式中，可以通過至少一個埠與注入口的組合件注射，所述組合件與這些通道307、308流體連通。在某些實施方式中，埠與注入口的組合件不必與通道307、308連通，因為密封珠材料在組裝燃料電池堆之前就沉積在通道307,308內。
[0055]圖4是與燃料電池(未示出)一起使用的本發明提供的輔助墊401的另一個示例的俯視平面圖。所屬領域技術人員將認識到，這個示例通過說明提供而並不意味著對本發明的限制，並且在不偏離本發明的範圍的情況下可以作出各種改變。描繪的輔助墊401類似於圖3所示的輔助墊，但它包括各種具有不同厚度的材料。如圖所示，供給區域402包括主要部分403和歧管部分404，其中所述主要部分403比所述歧管部分404薄。另外，活性區域405包括覆蓋部分406，所述覆蓋部分406比供給區域402的主要部分403薄。此外，輔助墊401包括外圍部分407，所述外圍部分407比供給區域402的主要部分403厚但是比歧管部分404薄。作為這種輔助墊的一個示例，可以構想到的是，覆蓋部分406可具有
0.05mm的厚度(它被壓縮成接近固體聚合物；大約100%密度)，主要部分403可具有的厚度0.1mm的厚度，外圍部分407可具有0.2mm的厚度，並且歧管部分404可具有1.0mm的厚度(未壓縮)。密封珠通道408、409的最薄部分(未標不)也可具有0.05mm的厚度。
[0056]另外，在本發明的各種公開的實施方式中提供了在燃料電池的板之間密封的方法。這種方法可包括:(i )提供設置在電池堆中的一對板；(? )提供膜電極組件；(iii)提供基於擠壓的微孔聚合泡沫輔助墊，所述輔助墊包括(a)活性區域，所述活性區域構造成為膜電極組件提供框架，以及(b)至少一個密封珠通道，所述至少一個密封珠通道結合到聚合泡沫中並且構造成接納和包含密封珠材料；(iv )將本發明提供的輔助墊以及膜電極組件設置在所述一對板之間以便通過所述輔助墊的活性區域為所述膜電極組件提供框架；以及(V )在將所述輔助墊設置在所述一對板之間之前、在將所述輔助墊設置在所述一對板之間之後或者兩者，將密封珠材料沉積到所述至少一個密封珠通道中。
[0057]圖5示出了包括本發明提供的輔助墊的示例性燃料電池堆的陽極供給區段的側面局部橫截面圖的一個示例。為了說明目的，參閱圖2中的A-A，可以在燃料電池堆中找到該區段。如圖所示，燃料電池堆501包括一對雙極板502 (陽極半板)、503(陰極半板)，其中氣體擴散介質504和MEA505設置在所述板502、503之間。輔助墊506由基於擠壓的微孔聚合泡沫製成(例如通過MuCelI?工序形成的)，所述輔助墊506熱成形為具有在所述輔助墊506的頭部(未標示)內形成的集成密封珠通道507。還示出了輔助墊506的密封珠508和覆蓋區域509，以及陽極氣體的流動路徑510。如前面描述的，輔助墊506包括構造成接納和包含密封珠材料508的預成型集成通道507，其中所述輔助墊506在通道507的最薄部分511處被模製成接近固體聚合物(大約100%密度)。然而，輔助墊506在通道507附近較厚並且適應雙極板502、503的特徵，從而沒有空穴。這就通過阻塞非期望的流動來進一步輔助電池堆501的密封。如所屬領域技術人員應當理解的，輔助墊506的形成覆蓋區域509的一部分還可以模製成比輔助墊506的其他部分薄。該區域509還可以幫助支撐MEA。
[0058]圖6示出了包括本發明提供的輔助墊的示例性燃料電池堆的陰極供給區段的側面局部橫截面圖的一個示例。為了說明目的，參閱圖2中的B-B，可以在燃料電池堆中找到該區段。如圖所示，燃料電池堆601包括一對雙極板602 (陽極半板)、603(陰極半板)，其中氣體擴散介質和MEA(未標示)設置在所述板602、603之間。還示出了輔助墊604、集成密封珠通道605以及密封珠606。還示出了陰極氣體的流動路徑607。如前面描述的，輔助墊604包括構造成接納和包含密封珠材料606的集成通道605，其中所述輔助墊604在通道605的最薄部分(未標示)處被壓縮成接近固體聚合物(大約100%密度)。輔助墊604在通道605附近較厚並且適應雙極板602、603的特徵。這就通過消除空穴並且阻塞非期望的流動來進一步輔助堆601的密封。
[0059]圖7示出了包括本發明提供的輔助墊的示例性燃料電池堆的冷卻劑供給區段的側面局部橫截面圖的一個示例。為了說明目的，參閱圖2中的C-C，可以在燃料電池堆中找到該區段。如圖所示，燃料電池堆701包括一對雙極板702、703，其中氣體擴散介質(未標示)和MEA(未標示)設置在所述板702、703之間。還示出了輔助墊704、集成密封珠通道705以及密封珠706。輔助墊704在通道705附近較厚並且適應雙極板702、703的特徵。這就通過阻塞非期望的流動來進一步輔助堆701的密封。另外還示出了冷卻劑的流動路徑707。
[0060]圖8示出了包括本發明提供的輔助墊的示例性燃料電池堆的邊緣區段(非嵌套設計)的側面局部橫截面圖的一個示例。為了說明目的，參閱圖2中的D-D，可以在燃料電池堆中找到該區段。如圖所示，燃料電池堆801包括一對雙極板802、803，其中氣體擴散介質(未標示)設置在所述板802、803之間。還示出了輔助墊804、集成密封珠通道805以及密封珠806。如所描繪的那樣，電池堆801的每個電池都具有嚴謹的輔助墊804 (即，電池A的輔助墊804與電池B的輔助墊804』分隔開)。
[0061]圖9A示出了包括本發明提供的輔助墊的示例性燃料電池堆的邊緣區段(嵌套設計)的側面局部橫截面圖的一個備選示例。如圖所示，燃料電池堆901的電池包括一對雙極板902、903，其中氣體擴散介質(未標示)設置在所述板902、903之間。還示出了輔助墊904、集成密封珠通道905以及密封珠906。如所描繪的那樣，電池堆901的兩個相鄰電池共用輔助墊904 (即，電池A的輔助墊904與電池B共用，並且電池C的輔助墊904』與電池D共用)，並且輔助墊904具有僅接觸一個共用板903的密封珠906。為了實現該設計，採用了具有預成型的集成密封珠空腔905的扇形摺疊輔助墊904。如圖9B描繪的，橫截面圖示出了輔助墊904製造成在所述輔助墊904的對置側上具有密封珠空腔905。所屬領域技術人員將會理解的是，本發明提供的輔助墊可以在所述電池堆中的所有電池之間共用並且本發明特別包含了這種設置。
[0062]圖1OA示出了包括本發明提供的輔助墊的燃料電池堆的邊緣區段(嵌套設計)的側面局部橫截面圖的另一個示例。如圖所示，燃料電池堆1001包括一對雙極板1002、1003，其中氣體擴散介質(未標示)設置在所述板1002、1003之間。還示出了輔助墊1004、集成密封珠通道1005和密封珠1006。如所描繪的那樣，電池堆1001的兩個相鄰電池共用輔助墊1004( S卩，電池A的輔助墊1004與電池B共用，並且電池C的輔助墊1004』與電池D共用)，並且輔助墊1004具有接觸兩個共用板1002、1003的密封珠1006。為了實現該設計，採用了具有預成型的集成密封珠空腔1005的扇形摺疊輔助墊1004。如圖1OB描繪的，橫截面圖示出了輔助墊1004製造成在所述輔助墊1004的相同側上具有預成型密封珠空腔1005。這有助於在連續製造工序中更容易地填充密封珠通道1005。所屬領域技術人員將會理解的是，本發明提供的輔助墊可以在所述電池堆中的所有電池之間共用並且本發明特別包含了這種設置。
[0063]如參照圖9-10描述的，兩個相鄰電池可以共用輔助墊。然而，本發明提供的輔助墊還可以被多於兩個的電池共用。圖11描繪了這種輔助墊的一個示例，其中輔助墊1101製造成在所述輔助墊1101的對置側上具有密封珠空腔1102，並且被構造成在三個相鄰電池之間共用。
[0064]本申請不應被認為受限於本文描述的具體附圖和示例，而是應理解為覆蓋本發明的所有方面。各種改型、等同工序以及本發明可適用的多種結構和裝置對所屬領域技術人員將是顯而易見的。所屬領域技術人員將會理解的是，在不偏離本發明的範圍的情況下可對本發明做出各種改變，而不應被認為本發明受限於說明書中描述的實施例。
【權利要求】
1.一種用於具有一對板的燃料電池的基於擠壓的微孔聚合泡沫輔助墊，包括: 活性區域，所述活性區域構造成當與膜電極組件一起組裝在所述一對板之間時為所述膜電極組件提供框架； 供給區域，所述供給區域包括歧管部分，所述歧管部分當組裝在所述一對板之間時適應所述一對板的陽極歧管、陰極歧管和冷卻劑歧管； 至少一個密封珠通道，所述至少一個密封珠通道結合到所述聚合泡沫中並且構造成接納並且包含密封珠材料。
2.如權利要求1所述的輔助墊，其中所述密封珠通道中的每個都具有與所述密封珠通道中的另一個相同或不同的截面面積、截面形狀、深度或者它們的組合。
3.如權利要求1所述的輔助墊，其中所述密封珠通道、供給區域、活性區域或者它們的組合的若干部分模製成比所述輔助墊的其他部分薄。
4.如權利要求3所述的輔助墊，其中所述供給區域包括至少一個部分，所述至少一個部分具有不同於所述歧管部分厚度的厚度。
5.如權利要求3所述的輔助墊，其中所述活性區域包括部分覆蓋所述膜電極組件的部分。
6.如權利要求5所述的輔助墊，其中所述活性區域包括至少一個部分，所述至少一個部分具有不同於所述覆蓋部分厚度的厚度。
7.如權利要求1所述的輔助墊，包括環繞適應所述陽極歧管的部分的密封珠通道、環繞適應所述陰極歧管的部`分的密封珠通道以及環繞適應所述冷卻劑歧管的部分的密封珠通道。
8.一種燃料電池堆，包括: 設置在電池堆中的一對板，所述板包括陽極歧管、陰極歧管和冷卻劑歧管； 設置在所述一對板之間的膜電極組件； 設置在所述一對板之間的基於擠壓的微孔聚合泡沫輔助墊，所述輔助墊包括: 活性區域，所述活性區域構造成為所述膜電極組件提供框架； 供給區域，所述供給區域包括歧管部分，所述歧管部分適應所述一對板的陽極歧管、陰極歧管和冷卻劑歧管； 至少一個密封珠通道，所述至少一個密封珠通道結合到所述聚合物泡沫中並且構造成接納和包含密封珠材料； 設置在所述至少一個密封珠通道中的固化的密封珠，在所述輔助墊設置在所述一對板之間之前、在所述輔助墊設置在所述一對板之間之後或者兩者，將密封珠材料沉積到所述通道中，並且使所述密封珠材料固化，從而形成所述密封珠。
9.一種在燃料電池堆的板之間進行密封的方法，包括: 提供設置在電池堆中的一對板，所述板包括陽極歧管、陰極歧管和冷卻劑歧管； 提供膜電極組件； 提供基於擠壓的微孔聚合泡沫輔助墊，所述輔助墊包括: 活性區域，所述活性區域構造成為所述膜電極組件提供框架； 供給區域，所述供給區域包括歧管部分，所述歧管部分適應所述一對板的陽極歧管、陰極歧管和冷卻劑歧管；至少一個密封珠通道，所述至少一個密封珠通道結合到所述聚合泡沫中並且構造成接納和包含密封珠材料； 將提供的輔助墊和膜電極組件設置在所述一對板之間以便通過所述輔助墊的活性區域為所述膜電極組件提供框架；以及 在將所述輔助墊設置在所述一對板之間之前、在將所述輔助墊設置在所述一對板之間之後或者兩者，將密封珠材料沉積到所述至少一個密封珠通道中。
10.一種製造用於燃料電池的輔助墊的方法，該燃料電池具有設置在電池堆中的一對板，該方法包括: 提供基於擠壓的微孔聚合泡沫片； 將提供的片加熱到易彎曲溫度； 將所述片模製成至少具有:(i )包括可移除部分的活性區域；(ii )供給區域，所述供給區域適應所述一對板的所述陽極歧管、所述陰極歧管以及冷卻劑歧管，所述供給區域包括多個可移除的部分；以及(iii)至少一個密封珠通道，所述至少一個密封珠通道結合到所述聚合泡沫中並且構造成接納並且包含密封珠材料； 將所述可移除部分移除；以及 在所述可移除部分移除之前或在所述可移除部分移除之後交叉連結所述聚合物。
【文檔編號】H01M8/02GK103682390SQ201310388340
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年8月30日 優先權日:2012年8月30日
【發明者】G.W.斯卡拉 申請人:通用汽車環球科技運作有限責任公司