CN100565990C - 用于燃料电池组件的点胶成形紧固件 - Google Patents

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Abstract

燃料电池子组件包括第一和第二流场板，每个流场板包括在多个紧固位置限定处的多个紧固件孔径。膜电极组件位于第一和第二流场板之间并包括在多个紧固位置处限定的多个紧固件孔径，各个紧固件孔径对准以限定紧固孔。由弹性材料形成的点胶成形的紧固件放置在每个紧固孔中。响应于将燃料电池子组件压缩放置，该弹性材料有助于点胶成形的紧固件的体积位移。

Description

用于燃料电池组件的点胶成形紧固件
技术领域
本发明通常涉及用于燃料电池元件的紧固配置，更具体的，涉及用于燃料电池元件和组件的原位可固化的弹性紧固配置。
背景技术
一种典型的燃料电池系统包括电源部分，在该部分中一个或多个燃料电池产生电功率。燃料电池是能量转换设备，其将氢和氧转换为水，并在该过程中产生电力和热量。每个燃料电池单元包括位于中心的质子交换部件，且在质子交换部件的任一侧上具有气体扩散层。阳极和阴极催化剂层分别位于气体扩散层的内部。该单元称为膜电极组件(MEA)。分隔板或流场板分别放置在膜电极组件的气体扩散层的外部上。这种燃料电池经常被称为PEM燃料电池。
单个燃料电池中的反应典型地产生小于一伏的电压。多个燃料电池可以层叠并串联地电气连接以实现理想的电压。从燃料电池堆收集电流并用于驱动负载。燃料电池可以用于为从电动汽车到膝上型计算机的多种应用提供电源。
燃料电池电源系统的功效很大一部分取决于燃料电池组的各个燃料电池内的各种接触和密封界面的完整性。这样的接触和密封界面包括与所述电池组的燃料电池内和之间的燃料、冷却液和排放物的传输相关的那些界面。燃料电池组内的燃料电池元件和组件的恰当的位置对准对于保证燃料电池系统的有效运行至关重要。例如在燃料电池子组件的组装期间，由于操作而产生的燃料电池元件的失配会导致各个燃料电池故障以及燃料电池系统的性能下降。
发明内容
本发明的目标是用于燃料电池元件的紧固配置以及利用该紧固配置组装燃料电池元件的方法。本发明的实施例包括在燃料电池子组件组装期间原位形成的弹性紧固配置。
根据一个实施例，燃料电池子组件包括第一流场板，其中第一流场板包括在多个紧固位置处限定的多个紧固件孔径。第二流场板包括在多个紧固位置处限定的多个紧固件孔径。膜电极组件位于第一和第二流场板之间，并包括在多个紧固位置处限定的多个紧固件孔径。膜电极组件和第一以及第二流场板的各个紧固件孔径限定了紧固孔。由弹性材料形成的点胶成形的紧固件放置在每个紧固孔中。响应于将燃料电池子组件压缩放置，该弹性材料有助于点胶成形的紧固件的体积位移。
根据另一实施例，一种管理燃料电池子组件内的压缩的方法包括提供第一和第二流场板，每个都包括在许多紧固位置处限定的多个紧固件孔径。在第一和第二流场板之间提供膜电极组件，该膜电极组件包括在多个紧固位置处限定的多个紧固件孔径，各个紧固件孔径限定了紧固孔。该方法也包括在每个紧固孔中放置的由弹性材料形成的点胶成形的紧固件。该方法进一步包括将燃料电池子组件压缩放置，并响应于将燃料电池子组件压缩放置，来利用点胶成形的紧固件容纳压缩应变。
根据另一实施例，组装燃料电池子组件的方法包括提供第一和第二流场板以及位于两者之间的膜电极组件，每个都包括在多个紧固位置处限定的多个紧固件孔径。该方法进一步包括将膜电极组件、第一和第二流场板的紧固件孔径对准，以限定紧固孔，以及将预弹性材料流入紧固孔中，从而在其中形成点胶成形的紧固件。
本发明的上述内容不意图描述本发明的每个实施例或每个实现方式。本发明的优势、成就以及更全面的理解结合附图并参照下面的详细描述和权利要求将变得显而易见。
附图说明
图1a是燃料电池和其组分层的说明；
图1b示出了根据本发明实施例的具有单极流场板的组合电池组件；
图1c示出了根据本发明实施例的具有单极/双极板的组合电池组件；
图2是根据本发明实施例的多电池组件的截面图，该多电池组件使用了点胶成形的紧固件配置；
图3是图2中所示的单极板的顶视图；
图4表示多电池组件的一部分，该多电池组件包括紧固孔，其中在该紧固孔内放置原位形成的弹性紧固件，该紧固孔构造为包括一个或多个孔穴，用于容纳由燃料电池层叠压缩导致的紧固件体积位移；
图5表示多电池组件的一部分，该多电池组件包括紧固孔而无需图4中所示的孔穴，形成紧固件的弹性材料包括气体或其他可压缩的成分，其在燃料电池层叠压缩期间容纳大量紧固件材料的体积位移；以及
图6示出了一种配置，以在MCA中原位形成弹性紧固件期间便利MCA的元件精确对准。
虽然本发明能经受各种修改和替换形式，但是已经借助附图中的示例表示出细节，该细节也将详细描述。但是可以理解，目的不是为了将本发明限制为所述的特殊的实施例。相反，本发明涵盖如后附权利要求所限定的本发明保护范围内的所有修改、等效和替换。
具体实施方式
在下面的示意实施例的描述中，参考了附图，附图形成描述的部分，其中说明性地示出了能够实现本发明的各种实施例。可以理解，可以使用这些实施例，并且在不脱离本发明保护范围的情况下，可以做出结构上的改变。
本发明的各个方面通常在燃料电池组件和子组件、燃料电池组以及使用该燃料电池的电力系统的背景下描述。虽然根据本发明的紧固方法在燃料电池组件的背景下特别有利，但是可以理解本发明的原则可以在各种紧固应用中实现。因此，下述描述的特定说明性实施例意在用于解释，而不起限制作用。
本发明的紧固方法可以用于各种类型、结构和技术的燃料电池组件和燃料电池组中。图1a中描述了典型的燃料电池。燃料电池是电化学器件，用于将氢燃料和空气中的氧结合以产生电、热量和水。燃料电池不使用燃烧，这样燃料电池几乎不产生有害的排放物。燃料电池将氢燃料和氧直接转换为电，并以比例如内燃发电机高得多的效率运行。
图1a中示出的燃料电池10包括与阳极14邻近的第一扩散器/集电器(DDC)12。与阳极14邻近的是电解质膜16。阴极18位于与电解质膜16邻近，以及第二扩散器/集电器19与阴极18邻近。运行时，氢燃料被引入燃料电池10的阳极部分，且穿过第一扩散器/集电器12并位于阳极14上。在阳极14，氢燃料被分为氢离子(H+)和电子(e-)。
电解质膜16只允许氢离子或质子穿过电解质膜16到达燃料电池10的阴极部分。电子不能穿过电解质膜16，而是代之以电流的形式流经外部电路。该电流可以为电负载17诸如电动机提供电能，或者直接引入能量存储设备，诸如可充电电池。
氧经由第二扩散器/集电器19流入燃料电池10的阴极侧。当氧经过阴极18上时，氧、质子以及电子组合产生水和热量。
各个燃料电池，诸如图1a所示，可以封装为下述的组合燃料电池组件。组合燃料电池组件，这里被称为组合电池组件(UCA)，其可以和多个其他的UCA组合以形成燃料电池组。UCA可以串联电连接，且由组内UCA的个数确定组的总电压，每个电池的有效表面积确定了总电流。由给出燃料电池组产生的总电能可以通过将总组电压和总电流相乘来确定。
根据本发明的原则，可以使用多个不同的燃料电池技术构造UCA。例如，可以使用本发明的UCA封装方法以构造质子交换膜(PEM)燃料电池组件。PEM燃料电池运行在相对较低的温度(大约175°F/80℃)，具有高功率密度，且可以快速改变它们的输出以符合电能需求的变化，以及适用于需要快速启动的应用，诸如例如在电动汽车中。
PEM燃料电池中使用的质子交换膜典型的是薄的固态聚合物电解质片，其允许氢离子穿过它，但将气态反应物分离。该膜典型地在两侧涂覆有高度分散的金属或金属合金粒子(例如，铂或铂/钌)，其中该高度分散的金属或金属合金粒子是活性催化剂。使用的电解质典型地是固态全氟磺酸聚合物。使用固态电解质是有利的，这是因为它减少了腐蚀和电解质密封的问题。
氢馈入燃料电池的阳极侧，在这里催化剂促进氢原子释放电子以及变为氢离子(质子)。在电子返回引入氧的燃料电池的阴极侧之前，电子以可以被利用的电流的形式运动。同时，质子扩散通过膜至阴极，在阴极处，氢离子被重新组合并和氧反应以产生水。
膜电极组件(MEA)是PEM燃料电池诸如氢燃料电池的中心元件。如上所述，典型的MEA包括用作固态电解质的聚合物电解质膜(PEM)(也已知为离子导电膜(ICM))。
PEM的一面和阳极催化剂电极层接触，而其相对面和阴极催化剂电极层接触。每个电极层包括电化学催化剂，该电化学催化剂典型包括铂金属。扩散器/集电器有助于气体传输到阳极和阴极材料以及从其传输，并将电流从催化剂层传导至分隔器或流场板。
在典型的PEM燃料电池中，通过氢氧化在阳极形成的质子，且该质子被传输至阴极以和氧反应，并允许电流流入和电极连接的外部电路。
DCC也可以称为气体扩散层(GDL)。在制造期间，阳电极和阴电极层可以应用于PEM或DCC，只要它们放置在完整的MEA中的PEM和DCC之间。
在实现本发明中可以使用任何恰当的PEM。有效的PEM厚度在大约200μm和大约15μm之间的范围内。PEM典型地由是酸官能含氟聚合物的聚合物电解质构成，诸如
Figure C20058004553700091
(DuPont Chemicals，Wilmington DE)，
Figure C20058004553700092
(Asahi Glass Co.Ltd.，Tokyo，Japan)和根据分子式YOSO2-CF2-CF2-CF2-CF2-O-[聚合物骨架]的具有高度氟化骨架和重复侧基的聚合物，在该分子式中Y是H+或另一单价阳离子，诸如碱金属阳离子。后一聚合物在WO2004062019中描述过。在本发明中使用的聚合物电解质典型地优选是四氟乙烯的共聚物以及一个或多个氟化的酸官能共聚用单体。
典型地，聚合物电解质载有磺酸基官能团。聚合物电解质典型地具有小于或等于1200的酸当量，更典型的是1100，以及最典型的是大约1000。可以使用低至800甚至是700的当量。
实现本发明中可以使用任何恰当的DCC。典型地，DCC由包括碳纤维的片材料组成。DCC典型地是从织造和非织造碳纤维结构中选择的碳纤维结构。在本发明中的实践中可以使用的碳纤维结构可以包括：Toray碳纸，SpectraCarb碳纸，AFN非织造碳布，Zolte碳布等。DCC可以以各种材料涂覆或浸渍，包括碳粒子涂层、亲水化处理、以及疏水化处理诸如涂覆聚四氟乙烯(PTFE)。
实现本发明可以使用任何恰当的催化剂，包括铂黑或铂细粉，含有碳载催化剂粒子的墨水(如US20040107869中所述)，或者纳米结构薄膜催化剂(如US6482763和US5879827中所述)。催化剂可以通过任何恰当的方式应用于PEM或DCC，其中该任何恰当的方式包括人工和机械方法，包括手刷、缺口涂覆、液压轴承模涂覆(die coating)、绕线棒涂覆、液压轴承涂覆、槽馈刀涂覆、三辊涂覆或贴花转印(decaltransfer)。在一种应用或多种应用中可以实现涂覆。
直接甲醇燃料电池(DMFC)与PEM电池类似，这是由于它们都使用聚合物膜作为电解质。但是在DMFC中，阳极催化剂本身从液态甲醇燃料中提取氢，从而不需要燃料重整器。DMFC典型地在40-90℃之间的温度下运行。根据本发明的原则，直接甲醇燃料电池可以进行UCA封装。
参照图1b，示出了根据PEM燃料电池技术实现的UCA的实施例。如图1b中所示，UCA 20的膜电极组件(MEA)25包括五个元件层。PEM层22夹在DCC层24和26之间，或者例如在气体扩散层(GDL)之间。阳极催化剂30位于第一DCC 24和膜22之间，阴极催化剂32位于膜22和第二DCC 26之间。
在一种结构中，制造PEM层22以包括一个表面上的阳极催化剂涂层30和另一表面的阴极催化剂涂层32。该结构经常称为催化剂涂覆膜或CCM。根据另一种结构，制造第一和第二DCC 24、26以分别包括阳极和阴极催化剂涂层30、32。在又一结构中，阳极催化剂涂层30部分地放置在第一DCC 24上，以及部分地放置在PEM 22的一个表面上，以及阴极催化剂涂层32部分地放置在第二DCC 26上，部分地放置在PEM 22的另一表面上。
DCC 24、26典型地由碳纤维纸或非织造材料或织造布制造。根据产品结构，DCC 24、26可以在一侧上具有碳粒子涂层。如上所述，制造DCC 24、26以包括或排除催化剂涂层。
在图1b示出的特殊实施例中，MEA 25示为夹在第一边缘密封系统34和第二边缘密封系统36之间。边缘密封系统34、36在UCA封装内提供必要的密封，以防止各种流体(气体/液体)传输和反应区域彼此污染，以及防止不恰当的流出UCA20，并且进一步用于流场板40、42之间的电气隔离以及硬停止压缩控制。
放置流场板40和42以分别与第一和第二边缘密封系统34和36相邻。每个流场板40、42包括气流场的通道43和端口，氢和氧馈入燃料穿过该端口。流场板40、42也包括冷却液通道和端口。冷却液通道并入在流场板40、42的表面上，该表面与并入有气流通道43的表面相对。
在图1b描述的结构中，流场板40、42构造为单极流场板，其中单个的MEA 25夹在它们之间。该实施例和其他实施例中的流场板可以是在共有美国专利No.6780536中公开的低侧向通量的流场。
图1c示出了UCA或者多电池组件MCA 50，其通过使用一个或多个双极流场板56而包含多个MEA 25。在图1c中所示的结构中，UCA50包含两个MEA 25a和25b以及单个的双极流场板56，该双极流场板包括一体的冷却通道59。MEA 25a包括夹在DCC 66a和64a之间的阴极62a/膜61a/阳极60a层叠结构。DCC 66a和流场端板52相邻地布置，该流场端板52可以构造为单极流场板或双极板，且具有一体的冷却通道59，该冷却通道59正如在双极板56中所示。DCC 64a与双极流场板56的第一流场表面56a相邻地布置。类似的，MEA 25b包括夹在DCC 66b和64b之间的阴极62b/膜61b/阳极60b层叠结构。DCC 64b和流场端板54相邻地布置，该流场端板54可以构造为单极流场板或双极板，且具有一体的冷却通道59，该冷却通道59正如在双极板56中所示。DCC 66b和双极流场板56的第二流场表面56b相邻地布置。
图1b和1c所示的UCA结构是两个特殊配置的代表，可以实现它们以用于根据本发明的点胶成形的紧固技术的背景中。这两个配置仅用于说明，而不意在表示本发明的范围内的所有可能的结构。并且，图1b和1c意在示出各种元件，该各种元件选择性的包括在特殊的燃料电池组件的设计中。
本发明的各个方面的目的是一种紧固件以及用于组装燃料电池组件或子组件的方法。本发明的各个方面进一步的目的是通过将多个单元组件(MCA)或UCA的子单元层叠在一起而形成的燃料电池组，其中每个MCA(或UCA)模块本身是“较短的组”，它包括至少一个膜电极组件(MEA)和至少两个双极或单极流场板(或双极和单极流场板的混合对)。
借助示例，并根据一个实施例，燃料电池子组件包括一对流场板，每个流场板具有在多个紧固位置处提供的多个紧固件孔径。膜电极组件位于两个流场板之间并且也在多个紧固位置处包括多个紧固件孔径。该MEA和该对流场板的紧固件孔径对准以限定紧固孔。由弹性材料形成的点胶成形的紧固件放置在每个紧固孔中。响应于将燃料电池的子组件压缩放置，弹性材料有助于点胶成形的紧固件的体积位移。
紧固件配置的实施例以及根据本发明的紧固方法使用了由弹性材料形成的点胶成形的紧固件，用于将燃料电池组件、子组件或模块的元件在组中完全压缩之前，以高度的对准精度保持在一起。本发明的紧固方法通过在施加组的压缩力时容纳压缩应变的变化，来允许在整个燃料电池组的压缩期间的MCA的厚度的变化。
如上所述，本发明的紧固件配置可以包括在MCA模块中。这样的MCA模块可以包括任意数量的MEA和相关的双极或单极流场板。但是，通常，由于子组模块的一个目标是允许从组中移除表现不佳的MEA，而不破坏组中剩余的MEA，所以认为两个或四个MEA是有益的数量。
现在见图2，示出了多电池组件的截面图，其中该多电池组件使用了根据本发明实施例的点胶成形的紧固件配置。如图2所示，MCA 100包括两个MEA 104A、104B以及四个单极流场板102。单极板和双极板的区别在于双极板在其相对表面上具有阳极和阴极反应物流场，而单极板仅在一个表面具有一种反应物流场，而在相对表面上具有冷却液通道。可以理解，MCA 100除了图2中所示的一个或多个单极板102之外或作为这些单极板102的代替，可以包括一个或多个双极流场板。
单极板102典型的很薄，且可以由金属、石墨或其他恰当的材料形成。例如，单极板102的厚度可以是大约1mm至6mm。在很低的范围内，需要这样的薄板102以获得很高的组功率密度(例如，0.8kW/liter或更大)，例如电动汽车燃料电池的应用中所需的。在组装具有该薄板的MCA模块中，压缩下的MCA的总厚度将只有0.5cm厚的数量级。将冷却通道分离的结构可以称为“陆地”。必须将相邻单极板102的冷却通道的陆地的对准保持在陆地宽度的几个百分比的精密容差内，以不干扰冷却液流动或减少陆地和陆地之间的接触面积，由此增加对于电流的板到板的电阻。
可以想象，能够使用机械型可拆卸的螺钉、铆钉、索环或其他这样的设备，以在板102和MEA 104A、104B结合到燃料电池组之前，将它们在合理的力量下保持对准。但是，找不到商业上可用的紧固件设备，以在给出组件极其薄的情况下，将四个单极板保持在一起。同时，不能预期这样小的设备可以施加所需的大约为100-200psi(700-1400kPa)的压缩力以完全压缩给出的燃料电池组件的衬垫和MEA。这意味着任何这样的MCA紧固设备必须容纳额外的压缩应变，该应变出现在MCA组装到燃料电池组中且施加完全的组压缩时。
解决了该问题的本发明的紧固方法，使用了原位形成的弹性紧固件110，例如，其可以形成为弹性铆钉。紧固件110形成在紧固孔106内。通过将流场板102和MEA 104A、104B中的紧固件孔径对准形成紧固孔106。
图3是根据一种结构的单极板102的顶视图。该板102包括多个紧固件孔径106A，该多个紧固件孔径和一个或多个MEA以及其他单极板(或双极板)的紧固件孔径一同限定了紧固孔106(如图2、4和5中所示)，该紧固孔106构造为接收易流动的可固化的弹性材料。紧固件孔径106A的尺寸和形状可以与图3中所示的不同，但是优选构造为有助于易流动的预弹性材料通过其的分配(例如，作为注射口运行)。
与每个紧固件孔径106A相邻的是孔111，当燃料电池组组装时，连杆或螺栓穿过该孔，可以理解，孔111可以与紧固件孔径106A分隔开或偏离紧固件孔径106A。中心区域103是板102(一侧或两侧)的活性区域，诸如阳极或阴极反应物流场区域或冷却液通道区域。紧固件孔径106A和孔111的位置优选选择为使活性区域103的面积最大，并为衬垫、封条或其他结构提供足够的间距，其中该衬垫、封条或其他结构在反应气体和冷却液通道之间提供必要的隔离。
紧固件孔径106A(以及因此紧固孔106)可以围绕板102的外围区域分布，如图3的示意性板结构中所示。对于给出的燃料电池组件结构的紧固孔106优选具有足够的数量，以弹性地将组件保持在原位固化配准中，以及足够用于在燃料电池组的组装之前以及组装期间处理。作为示例，燃料电池组件或子组件在每大约15cm2至大约25cm2的流场板面积中可以包括一个紧固孔106。作为另一示例，流场板面积和紧固孔106的最小截面面积的总和的比在大约200∶1至大约400∶1的范围内。
图4和5表示本发明的点胶成形的紧固件的两个实施例。图4表示MCA 101的部分，该MCA的部分包括两个MEA 104A、104B以及四个单极流场板102。MCA 101包括紧固孔106，在紧固孔106内，放置有原位形成的弹性紧固件110。在该实施例中，紧固孔106构造为包括一个或多个孔穴108，其在易流动的预弹性材料已经分配到紧固孔106中以形成紧固件110之后，保持基本没有弹性材料。
孔穴108表示紧固孔106内的自由体积，其在组压缩期间可以接收可变形但不可压缩的弹性的材料。例如，孔穴108表示在燃料电池组压缩的最终压缩之前，在紧固孔106内未被点胶成形的紧固件110填充的体积。孔穴108也可以表示在紧固孔106内的点胶成形紧固件110的原位形成后，在紧固孔106中未被填充的体积。当MCA 101放置在燃料电池组中并利用连杆或螺栓在组的端板之间被压缩时，原位形成的弹性紧固件110变形，且如果需要的话，膨胀至紧固孔106内任意未被填充的孔穴108中。
在图5所示的实施例中，紧固孔106不必构造为包括图4所示的孔穴108。根据该实施例，形成紧固件110的易流动预弹性材料包括气体或其他可压缩的成分，其可以在MCA压缩期间容纳大量紧固件材料的体积位移。在该实施例中，形成紧固件110的原位可固化的弹性材料例如可以是气体吹制弹性材料、多孔弹性橡胶或充有可压缩空心颗粒的弹性材料。当MCA 101放置在燃料电池组中且在组的端板之间被压缩时，原位形成的弹性紧固件110的变形将被紧固件110本身内的孔穴(例如气泡)或可压缩的成分(例如空心颗粒)容纳。
紧固孔106优选包括一个部件，该部件有助于两个外部流场板102的机械俘获。该部件有助于将MCA 101保持在弹性原位固化的配准中，这在如上所述处理燃料电池组的MCA时非常重要。图4和5中所示的俘获部件包括与上流场板102的外表面相邻的唇形孔穴107A和与下流场板102的外表面相邻的唇形孔穴107B。当易流动的预弹性材料分配到紧固孔106中时，一些材料流入各个唇形孔穴107A和107B中。固化后，唇形孔穴107A、107B内的弹性材料有助于两个外部流场板102的机械俘获。
本发明的紧固配置包括由可固化的弹性材料形成的点胶成形的紧固件110，更优选包括原位可固化的弹性材料。点胶成形的紧固件110可以由相变弹性材料诸如碳氢化合物热相变材料(例如，硬蜡或蜡和弹性纤维的合成物)形成。用于形成本发明紧固件110的恰当的材料包括硅树脂材料、橡胶材料或牙印模材料。恰当的牙印模材料是2部分聚硅氧烷牙印模材料，它可以从3M Co.as ImprintTM II GarantTM RegularBodied Consistency，No.9379获得。
用于形成本发明的紧固件110的恰当的弹性材料包括那些能够根据加成固化、缩合固化、辐射固化、热固化或自由基固化来固化的材料。有用的加入固化硅树脂印模材料包括那些在美国专利No.4,035,453和4,657,959中公开的材料。有用的加入固化聚醚包括那些在DE4019249A1中公开的聚醚。有用的缩合固化硅树脂印模材料包括那些在美国专利No.6,218,461、5,118,290和4,174,338以及DE 1153169中公开的印模材料。有用的吖丙啶聚醚印模材料包括那些在美国专利No.5,569,691和3,453,242中公开的。
根据另一实施例，组装燃料电池子组件的方法包括提供一对流场板和MEA，每个具有几个在多个紧固位置处提供的紧固件孔径。该组装方法进一步包括对准流场板和MEA的紧固件孔径以限定紧固孔，将机械压力施加于MEA的两侧以部分地压缩它，以及将预弹性材料流入紧固孔中以形成点胶成形的紧固件。弹性材料优选经受在紧固孔内的原位固化。例如，该组装方法可以包括固化或硬化预弹性材料以在紧固孔内形成弹性材料。
根据一个实施例，在恰当的夹具中组装一个或多个MCA，其中该夹具在所需的配准精度下，保持以及部分压缩MEA和单极板至最大形变的某一任意很大一部分。为此目的，易流动的原位可固化弹性材料(例如，2部分硅树脂材料)分配进入在板、MEA和衬垫模中形成的对准的紧固孔中。弹性材料填充紧固孔并快速固化(例如，室温下为5-8分钟)。如上参考一个实施例所述，实际上在层叠的板的紧固孔内存在一些孔穴体积，该体积在弹性材料分配入紧固孔中后保持未填充。这些孔穴表示在燃料电池组压缩期间接收可变形的但不可压缩的弹性材料所必需的重要的自由体积。
固化后，使用锋利的刀与板表面平行地割掉多余材料。当MCA从夹具移除时，它稍微膨胀，并且由于弹性材料可以伸展，所以它这样做不会破坏而是保持板、衬垫和MEA配准。然后，当MCA层叠以形成燃料电池组组件时，以及利用在组的端板之间的螺栓来压缩时，原位形成的紧固件压缩，如果需要的话，其在紧固孔内膨胀进入任何未填充的孔穴。
参照图2和3，下面是根据本发明的原则组装燃料电池子组件的各种方法的示例。
示例1
在该示意性示例中，设计图2至4中描述的单极板102被设计用于5kW的燃料电池组。指定通孔或孔径106A用于形成上下板102的外围上的原位弹性紧固件。如上所述，利用原位形成的硅树脂橡胶紧固件110，制造两个相同的MCA 100，每个包括四个这样的板102和两个MEA 104且在每个单极板102之间具有衬垫。板102、衬垫和MEA104首先被依次层叠在一起，并在夹具中被部分压缩的情况下保持对准，其中制造该夹具专门用于该项任务。
上述3M的牙科硅氧烷印模材料应用于通孔106A的每侧，由此在MCA100的两侧之间硅氧烷具有完整的连续性。固化后，以及将第一MCA100从夹具移除后，第一MCA100稍微膨胀但是稳定且令人满意的保持在一起，使得它能够被很容易且安全的处理或者封装为一个单元。第二MCA 100以相同方式制造，然后它们两个被安装在较短的组中，以及完全被压缩并作为一个燃料电池运行。压缩是标称的，且该组正常运行，这表示点胶成形的紧固件在压缩情况下工作良好。
示例2
利用和示例1、15中相同的步骤，组装以及然后层叠和压缩这样的MCA 100，以形成5kW燃料电池。该组正常运行且没有泄漏，其被认为是刚性紧固设备，它不允许，这是由于它不能容纳压缩应变的改变。
示例3
在示例2中制造的组的扩展运行期间，观察到其中一个MCA 100中的一个MEA性能降低。关闭该组，连杆和端板的压缩力被释放，以及包含故障MEA 104的MCA 100被去除。原始的硅树脂橡胶紧固件110从单极板102去除并被丢弃。在MCA 100的单极板102之间替换两个新的MEA 104，并且再次原位形成硅树脂橡胶紧固件110以将MCA 100保持在一起。该MCA100被重新放回组中，该组被再次压缩并正常运行。该示例显示原地形成的弹性紧固件使得MCA 100被容易地重建和再使用。
示例4
该示例用于示意在应用原位可固化弹性材料之前，保持MCA的元件精确对准的方法。为此，参照图2、3和6，下面描述两种方法。
在上述示例中，冷却液通道的陆地仅有大约1mm宽，在层叠板102和MEA 104时中，一个板102背面上的冷却通道面对相邻板102上的冷却通道。这些通道必须在压缩期间保持精确对准，使得一个板102上的通道和相邻板102上的陆地彼此不滑入对方中，以至于能够保持板对板接触的最大面积得到最小的电阻。这已被证明很困难，且需要用于组装的认真对准的夹具。
辅助该对准和组装过程的设备概念包括使用恰当直径的小的滚珠轴承202(不必是钢的，其他材料也可以)或圆柱杆，以将一个单极板102协同定位在另一个单极板上。这些对准球或销204将配合到底板102B中的V形孔或槽202中以及顶板102A中的匹配孔或槽202中，如图6中所示。
对准孔/槽202可以位于板102上任意的位置，但是最方便的是位于外围。对于0.050”厚的板102来说，可以贯穿板102或几乎贯穿地切割出孔或槽202，以至于，例如，如果使用板厚度的0.045”，那么“V”的角度可以选择为至少45°，以容纳直径为0.863×0.045”×2＝0.077”的杆或球体。
作为在弹性材料注入步骤期间保持MEA 104和单极板102对准的可选择的且更实际的方法，其使用夹具板设备，以提供一系列刚性边界或导向装置，用于当板102彼此层叠以及和MEA 104层叠时，强迫板102彼此精确地平行。在板端部的中间放置V形槽，并且通过足够高的配合楔施加力到V形槽的顶点以接触组中所有板层。
已经提供了本发明的前述各种实施例的描述以用于示意和说明。它的目的不是穷举和将本发明限制为公开的精确形式。根据上述教导下可以有许多修改和变形。目的是本发明的保护范围不被该详细的说明限制，而是由附加在这里的权利要求来限制。

Claims (6)

1.一种燃料电池子组件，包括：
第一流场板，该第一流场板包含在多个紧固位置处限定的多个紧固件孔径；
第二流场板，该第二流场板包含在多个紧固位置处限定的多个紧固件孔径；
膜电极组件，该膜电极组件位于第一和第二流场板之间并包括在多个紧固位置处限定的多个紧固件孔径，所述膜电极组件的多个紧固件孔径和所述第一和第二流场板的多个紧固件孔径限定了紧固孔；以及
放置在多个紧固孔中由弹性材料形成的点胶成形的紧固件，其中响应于将燃料电池子组件压缩放置，所述弹性材料有助于点胶成形的紧固件的体积位移；
其中响应于将所述燃料电池子组件压缩放置，所述弹性材料有助于点胶成形的紧固件向紧固孔内的孔穴体积中的体积位移。
2.如权利要求1所述的子组件，其中所述孔穴体积限定了在燃料电池子组件压缩的最终压缩之前，在紧固孔内未被点胶成形的紧固件填充的体积。
3.如权利要求1所述的子组件，其中所述孔穴体积限定了在紧固孔内原位形成点胶成形的紧固件后，紧固孔未被填充的体积。
4.如权利要求1所述的子组件，其中响应于将燃料电池子组件压缩放置，所述弹性材料有助于点胶成形的紧固件向点胶成形的紧固件内的孔穴体积中的体积位移。
5.如权利要求1所述的子组件，其中所述第二流场板构造为双极流场板，所述子组件进一步包括：
第三流场板，该第三流场板包含在多个紧固位置处限定的多个紧固件孔径；
第二膜电极组件，该第二膜电极组件位于所述第二和第三流场板之间并包含在多个紧固位置处限定的多个紧固件孔径，所述膜电极组件和所述第一、第二以及第三流场板的多个紧固件孔径限定了紧固孔，在该紧固孔内放置点胶成形的紧固件。
6.如权利要求1所述的子组件，进一步包括：
第三流场板，该第三流场板包含在多个紧固位置处限定的多个紧固件孔径；
第四流场板，该第四流场板包含在多个紧固位置处限定的多个紧固件孔径；
第二膜电极组件，该第二膜电极组件位于所述第三和第四流场板之间并包含在多个紧固位置处限定的多个紧固件孔径，所述膜电极组件和所述第一、第二、第三以及第四流场板的多个紧固件孔径限定了紧固孔，在该紧固孔内放置点胶成形的紧固件。
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