用于冲压板燃料电池的密封设计制造技术

一种具有至少两个燃料电池的燃料电池组，每个燃料电池都具有成套电极组件(UEA)，所述成套电极组件包括膜电极组件(MEA)、子衬垫和气体扩散介质(DM)，并且定位在变更的冲压流场板之间。所述子衬垫建构所述MEA从到导致所述MEA与所述子衬垫的内周边之间的重叠区域。所述UEA设置在一对冲压流场板之间，所述一对冲压流场板在邻近燃料电池中对齐来形成双极板。所述双极板具有活性区段、重叠区段和密封区段。所述活性区段构造成具有通道和平台特征，所述通道和平台特征为所述燃料电池提供反应物流动通道和冷却剂通路。然而，所述重叠区段中特征的构造是通过所述活性区段中的构造而变更的，以使得所述重叠区段可以维持足够的机械密封压力，并且以防止冷却剂和反应物旁通而不会阻止冷却剂和反应物在所述活性区域中的流动。对于所述重叠区段的变更通道和平台特征是示例性的。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术的实施方式总体上涉及一种用于在燃料电池环境中使用的双极板，更具体地涉及一种包括改进的密封特性的冲压双极板。
技术介绍
氢是一种非常有吸引力的燃料，因为氢是清洁的并且可用于在燃料电池中有效地产生电。氢燃料电池是一种包括由电解质分隔开的阳极和阴极的电化学装置。阳极接收氢气，而阴极通常通过空气流接收氧。氢气在阳极处离解以生成自由氢质子和电子。氢质子穿过电解质到达阴极。氢质子与氧以及电子在阴极中反应以生成水。来自阳极的电子不能穿过电解质，并因此被引导穿过负载以便在被发送到阴极之前做功。质子交换膜燃料电池(PEMFC)是用于车辆的流行的燃料电池。在PEMFC中，电解质可以是固体聚合物电解质质子传导膜，例如全氟磺酸膜。阳极和阴极通常包括精细分割的催化颗粒粉末（通常是铂(Pt)），其支撑在碳粒子上并且与离子聚合物混合。催化混合物沉积在膜的相反侧上。阳极催化混合物、阴极催化混合物和所述膜的组合限定膜电极组件(MEA)。MEA需要某些条件以有效运行。多个燃料电池通常组合在一个燃料电池组中以生成期望的功率。例如，用于车辆的典型燃料电池组可具有两百或更多个成组的燃料电池。燃料电池组接收阴极输入气体，通常是由压缩机迫使穿过电池组的空气流。不是所有氧气都被电池组消耗，空气中的一些作为阴极排出气体被输出，所述阴极排出气体可包括作为发生在电池组的副产品的水。燃料电池组还接收流入到电池组的阳极侧的阳极氢输入气体。燃料电池组包括定位在电池组中的多个MEA之间的一系列双极板，其中双极板和MEA定位在两个端板之间。在一个优选的形式中，对电池组中的相邻燃料电池而言，双极板包括阳极侧和阴极侧。设置在双极板阳极侧上的阳极气流通道允许阳极反应气体流动到相应的MEA。设置在双极板阴极侧上的阴极气流通道允许阴极反应气体流动到相应的MEA。一个端板包括阳极气流通道，而另一个端板包括阴极气流通道。双极板和端板由导电材料(例如不锈钢或导电复合材料)制成。端板将由燃料电池生成的电流传导出电池组。双极板还包括冷却流体流过其中的流动通道。所属
已知用于制作双极板的各种技术。在一个设计中，双极板由复合材料(例如，石墨)制成，其中两个板半体独立地模制并且随后粘贴在一起，以便在板半体中的一个的一个侧部处设置阳极流动通道，阴极流动通道设置在另一个板半体的对置侧部处并且冷却液体流动通道设置在所述板半体之间。在另一个设计中，两个独立板半体是冲压的并且随后焊接在一起以便在板半体中的一个的一个侧部处设置阳极流体通道，阴极流动通道设置在另一个板半体的对置侧部处并且冷却液体流动通道设置在所述板半体之间。如所属
充分理解的那样，燃料电池内的膜需要具有某种相对湿度，以便穿过膜的离子阻力足够低从而有效地传送质子。在燃料电池的运行期间，来自MEA的水分以及外部湿度可以进入阳极和阴极流动通道。在低燃料功率需求(通常低于0.2A/cm2)处，水可以累积在流动通道内，因为反应气体的流率太低而不能迫使水离开所述通道。随着水的累积，水形成小滴，所述小滴由于板材料的相对疏水性而连续膨胀。流动通道中小滴的形式大体上垂直于反应气体的流动。随着小滴的大小的增加，流动通道被关闭，并且反应气体转移到其他流动通道，因为流动通道是在共用入口和出口歧管之间并行的。因为反应气体可能不流过被水阻塞的通道，所以反应气体不能迫使水离开所述通道。膜因为通道被阻塞而不接收反应气体的那些区域将不会生成电，因此导致非均匀的电流分送并且降低燃料电池的总体效率。随着越来越多的流动通道被水阻塞，由燃料电池产生的电减少，其中电池电势小于200mV被认为是电池故障。因为典型燃料电池组可被构造成使燃料电池中的至少某些电气串联，所以如果燃料电池中的一个停止工作，那么整个燃料电池组的运行可能受到损害。燃料电池组对于每个燃料电池在电池组的集管与活性区域之间通常包括延伸围绕燃料电池活性区域的密封件，以便防止气体从电池组泄漏。因此，为了得到从相应的入口集管流到燃料电池活性区域的阴极流、阳极流和冷却流体，这需要流动通道在不影响密封完整性的情况下穿过密封区域。通常，设置有围绕密封件穿过双极板的孔和隧道，这需要使流动通道弯曲以便它们与活性区域中的流动通道对齐。阴极和阳极流动通道的这种弯曲提供了水可能累积并且受困的区域，这具有关闭流动通道并且降低反应气体流动到此的趋势。因此，需要一种经过燃料电池组的密封区域的更好的技术。对于燃料电池的成套电极组件(UEA)的常用构造具有重叠区段，所述重叠区段在节省膜(thrifted membrane)(定尺寸成短于板周边密封件而配合的膜)和在活性区域的周边处的子衬垫(诸如是酸乙二酯(PEN)的聚合物膜的“窗框”)之间。膜的节省由于下面几个原因而做出：1)膜材料由于其高酸性而不适合与密封件或板材料接触，所以膜需要由燃料电池密封区段中的塑料膜覆盖或分隔；2)膜材料昂贵，所以通过从电池的周边节省膜材料来降低膜材料的需求；3)膜材料由于高的膜膨胀而与不适合水-乙二醇冷却剂，所以膜需要从冷却剂集管拉进来。然而，这种构造在活性区域必须密封的周边处在膜和子衬垫之间形成接口。特别地，重要的是，活性区域周边沿着流动导向的边缘被密封，然而重要的是，沿着与流动导向边缘正交的活性区段的周边的冷却剂、阳极和阴极的流不能被阻止，因为它们与重叠区段成横向。由于通过膜的水合作用的成分和尺寸的改变，粘合在膜与子衬垫之间的粘合剂是不可靠的。为了确保这种重叠区段中的可靠密封，需要机械压力。关于这点，冲压板设计提出比模制板设计更大的挑战，因为冲压特征必须反映在冲压板半体的两侧上。对于模制板，区段可以根据需要填充以固体复合材料。例如，冲压板的平台(land)总是在它后面形成冷却剂通道，然而模制板可以是实心的从而避免在它们不期望的地方形成冷却剂通道。另一个考虑是，对于使用较薄的扩散介质(DM)的燃料电池，在重叠区段中提供良好的机械支撑是更关键的，因为较薄的DM更不能够跨越通道跨度分送压紧负载。期望较薄的DM来降低燃料电池的大小，这对于封装到汽车的应用中是尤其重要的。因此，需要改进的密封设计来将制造有冲压板的燃料电池的活性区域的周边密封。
技术实现思路
相应地，当前研究者已开发了一种冲压板燃料电池设计，所述设计克服上面指出的缺陷和挑战，并且其提供具有增加的效率和经济性的燃料电池（尤其在车辆应用中）。根据本公开的一种冲压板燃料电池在活性区段的周边处的重叠区段中提供了通道和平台特征的变更构造，所述变更构造能够维持一种机械压力水平，其足以密封所述重叠区段以便大体上防止冷却剂和反应物旁通而大体上不会阻止燃料电池的活性区段中的冷却剂和反应物的流动。具体地，沿着流动导向边缘的所述活性区域周边的重叠区段包括根据本公开的变更构造。在与所述流动导向边缘正交的每个端部处的重叠区段将大体上不包括特征的所述变更构造，因为期望的是，冷却剂、阳极和阴极流体的流动不会由于它们横越非流动导向边缘的重叠区段而被板或UEA特征所阻止。根据一个实施方式，提供了一种具有至少两个燃料电池的燃料电池组。每个燃料电池都包括UEA，所述UEA包括设置在一对电极之间的节省本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有至少两个燃料电池的燃料电池组，每个燃料电池都包括：成套电极组件(UEA)，所述成套电极组件(UEA)包括节省电解质膜，所述节省电解质膜设置在一对电极之间形成膜电极组件(MEA)，所述MEA建构在子衬垫上以使得存在于所述MEA的外周边与所述子衬垫的内周边之间的重叠限定出重叠区域，所建构的MEA设置在一对气体扩散介质(DM)之间；一对冲压流场板，在UEA的每侧上都有一个所述冲压流场板，以使得相邻燃料电池的流场板对齐来形成双极板，所述双极板包括活性区段、密封区段和重叠区段，所述重叠区段设置在所述活性区段的外周边与所述密封区段的内周边之间并且在面积上实质地对应于所述重叠区域，其中，所述活性区段包括通道和平台特征的构造并且所述重叠区段包括通道和平台特征的变更构造，这允许机械压力的水平足以将所述重叠区段密封并且足以实际上防止冷却剂和反应物旁通而不会阻止冷却剂和反应物在所述活性区域中的流动。

【技术特征摘要】
2013.03.15 US 13/8321481. 一种具有至少两个燃料电池的燃料电池组，每个燃料电池都包括：成套电极组件(UEA)，所述成套电极组件(UEA)包括节省电解质膜，所述节省电解质膜设置在一对电极之间形成膜电极组件(MEA)，所述MEA建构在子衬垫上以使得存在于所述MEA的外周边与所述子衬垫的内周边之间的重叠限定出重叠区域，所建构的MEA设置在一对气体扩散介质(DM)之间；一对冲压流场板，在UEA的每侧上都有一个所述冲压流场板，以使得相邻燃料电池的流场板对齐来形成双极板，所述双极板包括活性区段、密封区段和重叠区段，所述重叠区段设置在所述活性区段的外周边与所述密封区段的内周边之间并且在面积上实质地对应于所述重叠区域，其中，所述活性区段包括通道和平台特征的构造并且所述重叠区段包括通道和平台特征的变更构造，这允许机械压力的水平足以将所述重叠区段密封并且足以实际上防止冷却剂和反应物旁通而不会阻止冷却剂和反应物在所述活性区域中的流动。
2. 根据权利要求1所述的燃料电池组，其中，所述MEA和DM具有实际上相同的面积，并且在所述MEA与子衬垫之间的所述重叠区域的外边缘处一起终止以便DM实际上覆盖所述重叠区域。
3. 根据权利要求1所述的燃料电池组，其中，所述变更构造包括通道和平台特征的图案，所述通道和平台特征的图案设计成实际上避免相邻板之间的通道跨通道的对齐。
4. 根据权利要求1所述的燃料电池组，其中，所述变更构造包括冷却剂阻塞通道特征，所述阻塞通道特征定位成实际上避免相邻板之间的通道跨通道的对齐。
5. 根据权利要求1所述的燃料电池组，其中，所述变更构造包括反应物阻塞平台特征，所述阻塞平台特征定位成实际上避免相邻板之间的平台跨平台的对齐。
6. 根据权利要求1所述的燃料电池组，其中，所述变更构造包括通道和平台特征的图案，所述通道和平台特征的图案设计成在对齐相邻板时形成实际上隔离的冷却剂通路，每个隔离的冷却剂通路都仅通过单个互连件来与活性区域冷却剂通路流体地连通。
7. 一种包括至少一个根据权利要求1所述的燃料电池组的车辆。
8. 一种具有至少两个燃料电池的燃料电池组，每个燃料电池都包括具有节省电解质膜的...

【专利技术属性】
技术研发人员：SG格贝尔，MJ博伊特尔，JA罗克，R汤普森，JD威廉斯，SJ斯潘塞，
申请(专利权)人：通用汽车环球科技运作有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国;US