CN101335336A - 燃料电池隔板的密封结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种密封部分的密封结构，用于保持燃料电池的两个叠置隔板中的冷却液通道的气密性，其中将填充粘接剂的凹槽在两个隔板中的一个隔板的表面上形成，且在凹槽的两侧形成堤部，以防止涂敷在凹槽中的粘接剂溢流到连接通道和冷却液通道中。因此，在通过施加压力将两个隔板彼此粘接时从凹槽溢流的粘接剂被收集在堤部中，以形成三条密封线，因此改善了密封部分的气密性。而且，可以解决在防冻剂/冷却液从冷却液通道泄漏到其中发生燃料电池反应的MEA中时，或者泄漏的冷却液污染MEA的催化剂时，燃料电池堆的性能恶化的问题。

Description

燃料电池隔板的密封结构
相关申请的交叉参考
基于35U.S.C.§119(a)，本申请要求2007年6月26日提交的韩国专利申请No.10-2007-0062991的权益，该申请全部内容包括在此以供参考。
技术领域
本发明涉及燃料电池隔板(separator)的密封结构。更具体地，本发明涉及用于保持燃料电池堆隔板中冷却液通道气密性的密封部分的密封结构。
背景技术
如本领域中所公知的，燃料电池系统是将燃料的化学能直接转换为电能的发电系统。
燃料电池系统包括产生电能的燃料电池堆，供应燃料(氢气)至燃料电池堆的燃料供应系统，供应空气中的氧气至燃料电池堆的空气供应系统，其中氧气是电化学反应所需的氧化剂，以及用于将燃料电池堆的反应热排除到系统外部并控制燃料电池堆的工作温度的热和水管理系统。
在具有上述结构的燃料电池系统中，由作为燃料的氢气和空气中的氧气之间的电化学反应产生电，且产生热和水作为反应副产物。
广泛用于车辆的燃料电池堆是质子交换膜燃料电池(PEMFC)，也公知为固体聚合物电解质燃料电池(SPFC)。
图1是示出燃料电池堆的结构的示意图。该燃料电池堆包括：3层膜电极组件(MEA)11，其包括氢离子通过其中的电解质膜，和附于电解质膜两侧且其中发生电化学反应的电极/催化剂层；用于均匀扩散反应气体并传输电的气体扩散层(GDS)12；用于保持反应气体和冷却液的气密性和适当的粘接压力(bonding pressure)的衬垫和密封元件；以及反应气体和冷却液通过其中的隔板10。
其中，在固体聚合物电解质燃料电池中，作为燃料的氢气被供应给正极(所谓的燃料电极)而空气中的氧气被供应给负极(所谓的空气电极或氧气电极)。
供应至正极的氢气通过设置在电解质膜两侧的电极/催化剂层的催化剂分解为质子H+(氢离子)和电子e-。此时，仅氢离子通过为阳离子交换膜的电解质膜传输到负极，且同时，电子通过为导体的GDL 12和隔板10传输到正极。
通过电解质膜供应的氢离子和通过隔板10传输的电子与正极处由空气供应装置供应的空气中的氧气相遇并发生产生水的反应。
此时，随着通过氢离子的移动产生的电子流，通过外部导线产生电流，且同时，在产生水的反应中产生热。
固体聚合物电解质燃料电池中的电极反应可由下列方程式表达：
燃料电极的反应：2H2→4H++4e-
空气电极的反应：O2+4H++4e-→2H2O
总反应：2H2+O2→2H2O+电能+热能
旨在改善如上所述的固体聚合物电解质燃料电池性能的广泛研究和开发已持续发展。
其中，用于提供冷却通道的凹槽在作为燃料电池堆的部件的隔板上形成，且各自具有凹槽的两个隔板彼此粘接从而形成冷却燃料电池的结构。在该情况下，凹槽在两个隔板的彼此相对的表面上形成，从而在通过密封元件彼此粘接的隔板之间的界面上形成一条冷却液通道。
冷却液通过由两个隔板形成的冷却通道从而冷却燃料电池。
隔板中的密封部分的常规密封结构是通过在形成有氢气电极板或空气电极板的冷却液通道的、隔板的一个表面或其两个表面上，使用如丝网印刷的印刷方法涂敷室温固化的粘接剂(商品名称“Hylomer623LV”)的薄层，以1bar的压力加压并密封该表面，和在室温下将该密封部分固化24小时而形成。
近来，已开发了用防冻剂/冷却液、而非蒸馏水作为燃料电池堆中的冷却剂的方法，以解决冷却液在低于凝固点的温度下冻结的问题。
然而，作为对使用由常规密封结构密封的冷却隔板制造的燃料电池堆的输出特性和耐久性性能进行分析，其中防冻剂/冷却液被用于燃料电池汽车在低于凝固点的低温下的启动操作的分析结果，可以证实输出特性随时间的变化而恶化。
图2是示出防冻剂/冷却液兼容性测试结果的曲线图，从该图可以看出，在防冻剂/冷却液用于现有技术的密封结构中时燃料电池堆的性能恶化。
作为分析的结果，可以发现在冷却隔板的密封部分中使用的粘接剂未完全固化，且在固化过程中蒸发的水分(或有机溶剂)形成微小的空气通道。此外，可以确认在冷却液通道的表面没有形成完全的气密性，因为隔板的密封面由于涂敷在氢气板和空气板之间的粘接剂的厚度而没有彼此紧密粘接。而且，穿过其中泄漏的防冻剂/冷却液的乙二醇可污染MEA的电极/催化剂层中的催化剂，因此恶化燃料电池堆的性能。
在此背景技术中揭示的信息仅是为了增强对本发明背景的理解，而不应当作是承认或以任何形式建议此信息形成本领域技术人员已公知的现有技术。
发明内容
本发明已致力于解决上述问题，且本发明的目的在于提供一种密封部分的密封结构，用于保持燃料电池堆的隔板中的冷却液通道的气密性，能够解决与防冻剂/冷却液从冷却液通道泄漏到MEA相关的上述问题，并因此通过最小化两个隔板之间的电阻而改善燃料电池堆的输出特性和耐久性。
在一个方面中，本发明提供了一种密封部分的密封结构，用于保持在燃料电池中叠置的第一和第二隔板中形成的冷却液通道的气密性，其中将填充粘接剂的凹槽在第一隔板的密封部分上形成，在凹槽的两侧形成堤部，每个堤部的一侧朝向第一和第二隔板之间的边界面开口，使得在第一和第二隔板被加压以彼此粘接时将从凹槽溢流的粘接剂可填充在各自的堤部中。
在一个优选实施例中，堤部在第一隔板上形成，且每个堤部的一侧朝向凹槽开口使得其内部空间与凹槽的内部空间连通。
在另一个优选实施例中，堤部在第一隔板上形成，且堤部在第一和第二隔板之间的边界面上形成，以便以预定的间隔与凹槽隔开，使得其内部空间与凹槽的内部空间分离。
在又一个优选实施例中，堤部在第二隔板上形成，该堤部彼此连通以形成容纳粘接剂的空间，堤部的宽度大于凹槽的宽度，堤部的组合宽度的一部分与凹槽的宽度重叠，而该宽度的其他部分位于凹槽的两侧。
在再一个优选实施例中，堤部在第二隔板上形成，该堤部以预定的间隔彼此隔开，每个堤部的宽度的一部分与凹槽的宽度的一部分重叠，而该宽度的其他部分位于凹槽的两侧。
可以理解的是，这里所使用的术语“车辆”或“车用的”或其他类似术语包括一般的机动车辆，例如包括运动型多用途车(SUV)、巴士、卡车、多种商用车辆的客车，包括多种艇和船只的水运工具，及飞行器等等。本系统对于多种机动车辆将是特别有用的。
以下讨论本发明的其他方面。
附图说明
图1是示出燃料电池堆的结构的示意图；
图2是示出在防冻剂/冷却液用于现有密封结构中时发生的性能衰退的曲线图；
图3是示出燃料电池中的电阻损耗的曲线图；
图4是示出燃料电池隔板的密封结构的实施例的横剖视图；以及
图5是示出隔板、MEA和GDL在叠置时的位置的示意图。
附图中给出的附图标记包括了下面进一步讨论的下列元件的标识：
113：隔板    114：凹槽
114a和114b：堤部
具体实施方式
现在将详细参考本发明的优选实施例，其实例在以下附图中示出，其中在所有附图中相同的附图标记表示相同的元件。下面参考附图说明各实施例以便解释本发明。
固体聚合物电解质燃料电池的理论电压为1.23V，且其性能和效率取决于根据负载量的电阻损耗。
具体地，如图1中所示，当燃料电池堆由按预定方式叠置的各组件组成时，构成每个电池的组件应使电阻损耗最小化。
而且，构成燃料电池堆的单个单元电池应具有充分的密封性能，用以保持反应气体和冷却液的气密性，且同时彼此具有充分的电接触。此外，如图3中所示，燃料电池的性能和效率可在氧气还原反应、氢气氧化反应和传质阻力在发生电化学反应的单个单元电池中被最小化时得以改善。
按照本发明，在用于保持燃料电池堆的隔板中的冷却液通道的气密性的密封部分的密封结构中，用于密封件的凹槽是通过在两个隔板中的一个隔板的、形成有冷却液通道的表面上涂敷密封件(粘接剂)的薄层而形成。而且，堤部设置在连接通道和冷却液通道上，以防止过多的密封件从其中溢流。
图4是示出燃料电池隔板的密封结构的实施例的横剖视图，其中示出了多种形式的密封结构。
如图中所示，密封件、即粘接剂填充于其中的凹槽114形成于将彼此粘接的两个隔板113中的一个隔板的表面上，即在形成有氢气电极板或空气电极板的冷却液通道的表面上。
此外，从凹槽114溢流的粘接剂将被收集于其中的堤部114a和114b以凹槽的形式形成于凹槽114的两侧。
也就是，堤部114a和114b是设置在凹槽114两侧的附加空间，用于容纳在两个隔板113被加压以彼此粘接时从凹槽114溢流的粘接剂。为了另外容纳从凹槽114溢流的粘接剂，两个堤部114a和114b各自可具有朝向两个隔板113的边界面开口的一侧和具有空间的另一侧，该空间要么与凹槽114连通要么与其分离。
因此，从凹槽溢流的粘接剂可直接或经两个隔板113之间的密封面被引入到堤部114a和114b中。
在优选实施例中，如图4中所示，在凹槽114的两侧形成的堤部114a和114b可具有相对于凹槽114的垂直面，以防止从凹槽114溢流的粘接剂泄漏到外部。垂直面起到了阻挡器的作用，用于阻止填充在堤部114a和114b中的粘接剂的流动。
图4A至4F示出了本发明的多种实施例。图4A示出了这样的结构，其中从凹槽114溢流的粘接剂沿着两个隔板113之间的密封面流动并被引入到堤部114a和114b中。两个堤部114a和114b在凹槽114的两侧形成，并以预定的间隔彼此隔开，且其内部空间与凹槽114的内部空间分离。
在此情况下，凹槽114和堤部114a和114b在同一隔板113上形成。堤部114a和114b优选地具有矩形截面。
图4B至4F示出了这样的结构，其中所涂敷的粘接剂直接从凹槽114流入堤部114a和114b中。每个堤部114a和114b的一侧朝向凹槽114开口，使得其内部空间与凹槽114的内部空间连通，且堤部114a和114b的另一侧各自具有能有效地防止粘接剂流动的垂直表面。
具体地，图4B至4D示出了这样的结构，其中凹槽114和堤部114a和114b在同一隔板113上形成。此外，图4E和4F示出了这样的结构，其中凹槽114和堤部114a和114b分别在不同的隔板113上形成。也就是，凹槽114在一个隔板113上形成，而堤部114a和114b在另一个隔板113上形成。
在图4B的情况下，具有矩形截面的堤部114a和114b在具有矩形截面的凹槽114的两侧形成。在图4C的情况下，具有矩形截面的堤部114a和114b在具有三角形截面的凹槽114的两侧形成。此外，在图4D的情况下，具有矩形截面的堤部114a和114b在具有半圆形截面的凹槽114的两侧形成。
在图4E的情况下，具有矩形截面的凹槽114在一个隔板113上形成，而具有矩形截面的堤部114a和114b在另一个隔板113上形成。在此情况下，两个堤部彼此连通且两个堤部的组合宽度大于凹槽的宽度，以便提供用于容纳粘接剂的充足空间。
具体地，堤部114a和114b的组合宽度的一部分与凹槽114的内部宽度重叠，而包括用作阻挡面的垂直面的该宽度的其他部分位于凹槽114的两侧。堤部114a和114b与凹槽114的内部空间连通。
在图4F的情况下，具有矩形截面的凹槽在一个隔板113上形成，而具有矩形截面的两个堤部114a和114b在另一个隔板113上形成。堤部114a和114b以预定的间隔彼此隔开。每个堤部114a和114b的宽度的一部分与凹槽114的内部宽度的一部分重叠，而包括用作阻挡面的垂直面的该宽度的其他部分位于凹槽114的两侧。堤部114a和114b与凹槽114的内部空间连通。
图4的上述实施例仅是为了说明本发明而提供的，而不是为了限制本发明。应该注意的是，本发明可以本领域技术人员可能想到的多种变化、改型、替换和改进实施，而不偏离本发明的实质和范畴。
按照本发明的堤部可防止出现由于过量使用粘接剂导致的密封缺陷。而且，在通过使用稍微过量的粘接剂粘接两个板并以1bar的压力加压粘接面来制造冷却隔板的过程中，粘接剂被收集在堤部中以形成三条密封线，因此改善了氢气与冷却液之间以及空气与冷却液歧管之间的气密性。
借助如上所述的密封结构，可以在基于乙二醇的防冻剂/冷却液用作燃料电池堆的冷却液时保持对冷却液的三重密封效果。
而且，如图5中所示，本发明的密封结构的特征在于，为了提供作为燃料电池隔板的必需特征的、在反应区的垂直方向上的导电率，将膜电极组件(MEA)和气体扩散层(GDL)固定在隔板113之间，且构成隔板113的两个板之间的距离通过施加预定的压力(通常为50至150psi)而得以最小化，其中该预定压力是由多孔材料形成的GDL的性能所要求的，因此防止粘接压力导致的损坏和重复热疲劳导致的变形。而且，通过使用两个板的压缩排斥力确保密封结构的气密性和密封结构的均匀性，可以增加隔板表面和GDL之间的接触区域，并且通过减小接触电阻而进一步改善导电率。
图5是示出燃料电池堆的截面的示意图，其中附图标记111表示MEA，112表示GDL，且115表示由填充在凹槽114中的粘接剂形成的密封件。
以下将说明具有上述结构的隔板的制造过程。
首先制备氢气电极板和空气电极板。在冷却液通道形成于其上的氢气电极板的表面上、而非空气电极板上，形成用于粘接剂的凹槽114。
随后，在形成有凹槽114的氢气电极板的粘接面或空气电极板的粘接面上，形成如图4中所示的堤部114a和114b。
然后，将粘接剂涂敷在氢气电极板的中间。在此情况下，粘接剂可以是GE的塑料TSE322，该粘接剂不与防冻剂/冷却液发生反应。
接着，施加1bar的压力将氢气电极板和空气电极板彼此粘接并在150℃下固化约30至60分钟，优选地约60分钟。在固化过程完成后，撤去所施加的压力。
如上所述，根据按照本发明的燃料电池隔板的密封结构，在两个隔板中的一个隔板的表面上形成填充粘接剂的凹槽，用于保持冷却液通道的气密性，且在凹槽的两侧形成堤部，以防止涂敷在凹槽中的粘接剂溢流到连接通道和冷却液通道中。因此，在通过施加压力将两个隔板彼此粘接时从凹槽溢流的粘接剂被收集在堤部中，以形成三条密封线，因此改善了密封部分的气密性。而且，可以解决在防冻剂/冷却液从冷却液通道泄漏到其中发生燃料电池反应的MEA中时，或者泄漏的冷却液污染MEA的催化剂时，燃料电池堆的性能恶化的问题。
已参考其优选实施例对本发明进行了详细说明。然而，本领域技术人员将会理解的是，可在这些实施例中进行改变而不偏离本发明的原理和实质，本发明的范畴由所附权利要求及其等效物限定。

Claims (5)

1.一种密封部分的密封结构，用于保持在燃料电池中叠置的第一和第二隔板中形成的冷却液通道的气密性，其中将填充粘接剂的凹槽在所述第一隔板的密封部分上形成，在所述凹槽的两侧形成堤部，每个所述堤部的一侧朝向所述第一和第二隔板之间的边界面开口，使得在第一和第二隔板被加压以彼此粘接时将从所述凹槽溢流的粘接剂可填充在各自的堤部中。
2.如权利要求1所述的密封结构，其中所述堤部在所述第一隔板上形成，且每个堤部的一侧朝向所述凹槽开口，使得其内部空间与凹槽的内部空间连通。
3.如权利要求1所述的密封结构，其中所述堤部在所述第一隔板上形成，且所述堤部在所述第一和第二隔板之间的边界面上形成，以便以预定的间隔与所述凹槽隔开，使得其内部空间与凹槽的内部空间分离。
4.如权利要求1所述的密封结构，其中所述堤部在所述第二隔板上形成，所述堤部彼此连通以形成容纳粘接剂的空间，所述堤部的宽度大于所述凹槽的宽度，堤部的组合宽度的一部分与凹槽的宽度重叠，而所述宽度的其他部分位于所述凹槽的两侧。
5.如权利要求1所述的密封结构，其中所述堤部在所述第二隔板上形成，所述堤部以预定的间隔彼此隔开，每个堤部的宽度的一部分与所述凹槽的宽度的一部分重叠，而所述宽度的其他部分位于所述凹槽的两侧。
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