燃料电池子组件及其制造方法技术

一种用于电化学堆(例如，PEM燃料电池堆)的子组件，其具有双极板，密封材料从所述双极板的上表面、在所述双极板的边缘的周围延伸且到达它的下表面上。所述双极板优选地是如下的阳极板和阴极板的组合：所述阳极板和所述阴极板限定了内部的冷却剂流场，且利用还提供了在所述冷却剂流场周围的密封件的密封材料而被接合在一起。所述子组件中的所有的密封材料可以是一个连续块体。在制造所述子组件时，将阳极板和阴极板装载至模具中。将液体密封材料注射至所述模具中，并且所述液体密封材料填充所述阳极板的边缘与所述阴极板的边缘之间的空隙、所述阳极板的外表面的一部分和所述阴极板的外表面的一部分、以及所述模具。在堆中，各子组件被MEA隔离开，所述MEA至少部分地与这些子组件的表面上的所述密封材料重叠。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请的交叉参考本申请要求2013年10月2日提交的美国临时专利申请第61/885,652号的权益，该美国临时专利申请以引用的方式并入本文中。
本专利技术涉及电化学电池(例如，燃料电池)，且特别地，涉及在制造电池堆的过程中使用的极板和密封件的子组件，而且涉及该子组件的制造方法。
技术介绍
质子交换膜(PEM)燃料电池(PEMFC：proton exchange membrane fuel cell)，或者被称为聚合物电解质膜燃料电池，通常包括由膜电极组件(MEA：membrane electrode assembly)隔开的阳极板和阴极板，并且通常在MEA的每一侧与该侧的邻接极板之间具有气体扩散层(GDL：gas diffusion layer)。阳极板和阴极板的朝向MEA的表面在形状上被设计成提供用于反应气体(通常为氢气和空气)的流场。PEM燃料电池堆包括被夹持在端板之间的燃料电池组件以及位于该堆的每一端处的端板绝缘体和集流板。在堆中，相邻燃料电池的阳极板和阴极板是电连接的，并且可以由双极提供。双极板可以是一个整体结构或可以是被接合在一起的阳极板和阴极板。相邻燃料电池之间可以设置有冷却剂流场，所述冷却剂流场可以设置于每一对连续的燃料电池之间或按照某个更少的间隔(例如，每隔二个燃料电池至每隔五个燃料电池)而被设置着。冷却剂流场可以设置于双极板内、可以设置于邻接的阳极板与阴极板之间、或可以设置于单独的板中。通常，还存在着穿过极板的厚度的各种孔。这些孔共同限定了穿过该堆的导管(垂直于所述极板)，以将反应物、反应产物或冷却剂输送至各个燃料电池或从各个燃料电池输送出去。每个流场与相邻的MEA之间都需要密封件。在所述极板中的那些孔的周围也需要密封件，并且在那些孔与它们的相关流场之间也需要密封件。在冷却剂流场的周围可能也需要密封件。任选地，密封件还可以使燃料电池的阳极板和阴极板电气绝缘、或可以使相邻的双极板之间电气绝缘。由于燃料电池堆中有大量的密封件和极板，所以用于制造和装配这些部件的方法一直都需要能够提供改进的替代方案或能够适合于所选择的制造技术和材料的替代方案。在美国专利第6,599,653号中，阳极板和阴极板是由包括石墨的可塑性复合物模制成型的。阳极板和阴极板被制作成子组件(称为燃料电池单元)。每个燃料电池单元还包括位于阳极板的底部上的绝缘层、位于阳极板与阴极板之间的密封剂压条(bead)、以及位于阴极板的顶部上的另一个密封剂压条。阳极板和阴极板具有对齐的通道口，以便有助于可固化的液体硅胶流过各极板，并且阳极板和阴极板具有用于接纳密封剂压条的槽。燃料电池单元是通过将阳极板和阴极板放置在模具的底板上且该阳极板与该模具的底板间隔一定距离而被制造的。然后，迫使液体硅胶流过所述通道口并且进入阳极板与模具的底板之间的空间中。当硅胶发生固化时，所述绝缘层和所述两个密封剂压条被形成为一个整体的、连续的块体。该块体将所述阳极板和所述阴极板接合在一起，并且提供了在接合起来的这两个极板的相对两侧上的绝缘层和密封件。美国专利第7,210,220号说明了一种用于燃料电池和其它电化学电池的密封技术。为了提供密封件，在燃料电池组件的各种元件中都设置了槽网。一个燃料电池组件包括：全部被夹持在端板、端板绝缘体及集流板之间的用于数个燃料电池的阳极板、阴极板、MEA和GDL。每个燃料电池的阳极板与阴极板之间设置有绝缘材料，以防止燃料电池两端间发生短路。该绝缘可以利用延伸至极板边缘的GDL或利用被制造成不导电或在这些区域中被绝缘体覆盖的板而被设置为相邻MEA的一部分(例如，作为被接合至该MEA的不导电凸缘)。然后，将密封材料源连接至外部填充口且注射至至所述槽网中。当该密封材料固化时，它就形成了一个将燃料电池组件的各元件接合起来且密封住的“就地密封(seal in place)”。在替代的实施例中，制造出包括1个至5个就地密封的燃料电池的膜电极单元(MEU：Membrane Electrode Unit)。所述MEU的各个外表面中的至少一个外表面具有外密封件。该外密封件适合成为对另一个MEU的密封件。通常，所述MEU的外表面被配置成与所述另一个MEU形成冷却室。能够通过将任意数量的MEU与端板、端板绝缘体和集流板装配起来而制造出燃料电池堆。
技术实现思路
下面的概要旨在向读者介绍下面的详细说明，以便了解但不是为了限制或限定任一项所要求保护的专利技术。本说明书中所说明的用于电化学堆的子组件具有双极板和接合至该双极板的密封材料，所述双极板在它的上表面和下表面上具有流场。所述密封材料从所述双极板的所述上表面、在所述双极板的边缘的周围延伸而到达该极板的所述下表面上。优选地，所述密封材料还在所述流场中的一者或两者的外围的周围形成压条。优选地，所述密封材料还在用于流过所述双极板的反应物、燃烧产物或冷却剂的一个或多个孔的周围形成压条。所述双极板可以是一个整体结构，或优选地，可以是被接合在一起的阳极板和阴极板的组合，并且具有内部冷却剂流场。在这种情况下，所述阳极板和所述阴极板可以利用还提供了在所述冷却剂流场周围的密封件的所述密封材料而被接合在一起。优选地，所述阳极板和所述阴极板中的一者或两者具有贯穿该极板的厚度的或从该极板的边缘向里面延伸的一个或多个通道口，以使得液体密封材料能够被注射到所述阳极板和所述阴极板之间。任选地，所述子组件中的所有的密封材料可以是一个连续块体。在本说明书中所说明的子组件制造方法中，将单个阳极板和单个阴极板装载到液体注射模制成型机的模具中，且使得阳极板上的反应物流场和阴极板上的反应物流场彼此远离地面对着。将液体密封材料(例如，液体硅橡胶)注射至所述模具中，并且填充所述阳极板的边缘与所述阴极板的边缘之间的空隙、所述阳极板的外表面的一部分、所述阴极板的外表面的一部分、以及所述模具。所述液体密封材料还可以流过所述阳极板和所述阴极板的各种槽和/或通道口。优选地，在所述阳极板和所述阴极板处于单个模具中的同时，在所述阳极板和所述阴极板的边缘的周围延伸的密封材料、使所述阳极板和所述阴极板接合在一起的密封材料、以及密封于所述阳极板和所述阴极板之间的冷却剂流场周围的密封材料全部被涂敷。优选地，涂敷至所述阳极板和所述阴极板的所有的密封材料被合并为单个块体。本说明书中所说明的电化学电池堆(例如，PEM燃料电池堆)具有多个如上所述的子组件或多个利用上述方法而制造出来的子组件。在所述堆内，GDL被安置于下部子组件的上表面上，优选地，被安置于下部子组件的上表面上的所述密封材料内。MEA被安置于所述GDL上，并且至少部分地与下部子组件的上表面上的所述密封材料重叠。第二GDL被安置于所述MEA上，优选地，被安置于上部子组件的下表面上的所述密封材料内。附图说明图1是子组件的一个表面的示意性平面图。图2是图1中的子组件的另一个表面的示意性平面图。图3和图6是图1及图2中的子组件的一些部分的示意性横截面。图4和图5是替代用子组件的一些部分的示意性横截面。具体实施方式图1和图2示出了用于例如PEM燃料电池等电化学电池的子组件10。子组件10具有以背靠背的方式安置的阳极板12和阴极板14。图1中可以看见阳极板12，并且图2中可以看见阴极板。极板12和14都具有表面30和边本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于电化学堆的子组件，其包括：a)双极板，所述双极板具有上表面、下表面及位于所述上表面与所述下表面之间的边缘，所述上表面和所述下表面都包含流场；以及b)密封材料，所述密封材料被接合至所述双极板，并且所述密封材料在所述双极板的所述边缘的周围从所述双极板的所述上表面延伸到所述双极板的所述下表面上。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.10.02 US 61/885,6521.一种用于电化学堆的子组件，其包括：a)双极板，所述双极板具有上表面、下表面及位于所述上表面与所述下表面之间的边缘，所述上表面和所述下表面都包含流场；以及b)密封材料，所述密封材料被接合至所述双极板，并且所述密封材料在所述双极板的所述边缘的周围从所述双极板的所述上表面延伸到所述双极板的所述下表面上。2.根据权利要求1所述的子组件，其中，所述密封材料在所述上表面的所述流场和所述下表面的所述流场至少一者的外围的周围形成压条。3.根据权利要求1或2所述的子组件，其中，所述密封材料还在一个或多个孔的周围形成一个或多个压条，所述一个或多个孔用于流过所述双极板的反应物、燃烧产物或冷却剂。4.根据权利要求1至3中任一项所述的子组件，其中，所述双极板包括：被接合在一起的阳极板和阴极板；以及位于所述阳极板与所述阴极板之间的冷却剂流场。5.根据权利要求4所述的子组件，其中，所述阳极板和所述阴极板利用还提供了在所述冷却剂流场周围的密封件的密封材料而被接合在一起。6.根据权利要求4或5所述的子组件，其中，所述阳极板和所述阴极板至少一者具有沿着该板的内表面从该板的边缘向里面延伸的通道口或槽。7.根据权利要求4至6中任一项所述的子组件，其在所述双极板的所述边缘中具有台阶或键部。8.根据权利要求1至7中任一项所述的子组件，其中，所述密封材料是一个连续块体。9.一种子组件制造方法，其包...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴维·弗兰克，
申请(专利权)人：水吉能公司，
类型：发明
国别省市：加拿大;CA