CN101415971B - 可变压缩性垫圈 - Google Patents

Abstract

一种垫圈，该垫圈由可压缩材料形成并具有第一密封表面和第二密封表面用于提供第一部件和第二部件之间的流体密封，多个内腔设置在邻近所述第一和/或第二密封表面的垫圈内并在所述垫圈的至少一部分的范围内延伸以增加所述第一部分中的垫圈的可压缩性。

Description

可变压缩性垫圈

技术领域

本发明涉及垫圈，特别是用于燃料电池组件的垫圈。

背景技术

传统的电化学燃料电池把燃料和氧化物转化成电能和反应产物。一种一般布置的传统燃料电池10如图1所示，为了清晰起见，其以分解形式图示各个层。固体聚合物离子传送膜11被夹在阳极12和阴极13之间。一般地，阳极12和阴极13都是由导电的、多孔的材料例如多孔碳形成，其中粘附有小粒子的铂和/或其他贵金属催化剂。阳极12和阴极13通常直接粘附到各自邻近的膜11的表面。这种结合通常被称为薄膜-电极组件，或MEA。

把所述聚合体膜和多孔电极层夹在其中的是阳极流体流动场极板14和阴极流体流动场极板15。中间的垫层12a和13a也可被用在阳极流体流动场极板14和阳极12之间，同样也可被用在阴极流体流动场极板15和阴极13之间。所述垫层是多孔性的并被制造成以确保往返于所述阳极和阴极表面的气体有效扩散以及有助于管理水蒸气和液态水。

流体流动场极板14、15是由导电的、非多孔性材料形成，通过该材料可制作各自的阳极12或阴极13的电触点。同时，所述流体流动场极板便于流体燃料、氧化剂和/或反应产物传送和/或排放到多孔电极12、13，或者从多孔电极12、13传送和/或排放。这通常是由形成在所述流体流动场极板的表面中的流体流动通道实现的，其中所述流体流动通道是例如出现在多孔电极12、13的表面中的沟或槽。

还参照图2(a)，流体流动通道的一个传统配置是在具有如图2(a)所示的进入歧管21和排出歧管22的阳极14(或阴极15)的一个表面中提供蛇行结构20。根据传统设计，将理解到所述蛇行结构20包含极板14(或15)表面中的通道16，而所述歧管21和22每个都包含穿过所述极板的开口，以使用于传送到所述通道20或者从通道20排出的流体能在正交于所述极板方向上在遍及一叠极板深度的范围内被连通，其中正交于所述极板的方向是如图2(b)所示的A-A上的横截面中的箭头所特别指示的方向。

参照图3，在传统的燃料电池组件30中，安装了一叠极板。在该布置中，相邻的阳极和阴极流体流动场极板以传统方式结合从而形成单个双极极板31，该双极极板31具有在一个面上的阳极通道32和在所述相对面上的阴极通道32，每个都邻近各自的薄膜-电极组件(MEA)34。所述进入歧管开口，进入歧管开口21和排出歧管开口22都被覆盖以给所述整个叠层提供所述进入和排出歧管。虽然为了清晰起见，所述叠层的各个元件被表示成稍微分离，但是为了本发明的目的将认识到可使用密封垫圈将它们压缩在一起。

参照图4，薄膜-电极组件40的阳极面覆盖有绕在其周边的密封垫圈41。该密封垫圈41包括在MEA40的阳极面的周边围绕流体入口44和流体出口45的两个开口42、43。导电的阳极板46(在如图4b中以虚线轮廓示出并且为了清晰被稍微分离，但在图4a中被删除以显示下面的结构)覆盖密封垫圈41。

MEA40的阳极面、密封垫圈41和阳极板46一起限定了流体入口44和流体出口45之间的流体密封体47。所述流体密封体由阳极板46和垫圈41的不渗透性以及所述MEA的有限渗透性(即基本仅允许离子流动)实现。该密封体47内放置有一片扩散材料48。该块扩散材料被切成一种形状，该形状可造成形成被限定在该片扩散材料48的侧边51、52和垫圈41之间的一个或者夹层49、50。更具体地说，如图4所示，第一夹层49构成入口夹层，该入口夹层绕扩散材料的片48的周边侧边51的主要部分(即，三个侧部的大部分)延伸。第二夹层50构成出口夹层，该出口夹层绕扩散材料的片48的周边侧边52的较小部分延伸。

当所述密封表面一致较平和平行时，厚度和组成均匀的传统垫圈一般能满足。施加到所述密封表面上的均匀压缩然后能提供足够的密封。然而，在某些情况下，使用该传统的垫圈不是最佳的。例如，当表面特性比如其他部件要包含在密封表面时，密封圈的均匀压缩性将引起穿过所述垫圈的区域的压力不均匀。比如由于表面凸起，密封表面之间距离减小的区域会受到更高的压力，密封表面之间距离增加的区域比如围绕这些凸起，会受到相应较小的压力。该会降低密封的可靠性和/或功效。并且，传统的垫圈会在受压时在所述密封区域的边处易于隆起，并使所述垫圈材料移动到所述密封区域的外部。

对于传统的垫圈材料，因此需要高的压力以确保获得足够的密封。特别是对于薄的垫圈，既然所述垫圈的压缩性降低了，那么要求的压力会甚至更高。另外，对于密封表面具有更高允许公差的平整度和平行度的要求会增加。

在更高压力下，垫圈也会受到材料蠕变，该蠕变超过一定时间会降低所述密封效果。热循环也会加重效果的降低。

上述问题的一个解决方案是要建立3维设计的垫圈，该垫圈被特别地形成为以符合那些轮廓表面。然而，这些垫圈是太贵，并且具有可变的厚度，在某些情况下例如自此所示的例子燃料电池中仍不能提供足够均匀的密封。

另一种解决方案是要增加所述垫圈材料的压缩性，从而适应非均匀的表面和允许降低密封压力。然而，该垫圈会增加移动到所述密封区域外部的不希望有的倾向。

因此需要一种垫圈，该垫圈能有效地密封非均匀的表面、能降低偏移到所述密封区域外部的倾向、能在较低密封压力下密封以及与3-维设计的垫圈相比能降低制造成本。

发明内容

本发明的目的是提供一种能克服现有技术垫圈的一个或多个问题的垫圈。

根据第一方面，本发明提供一种垫圈，该垫圈由可压缩材料形成并具有第一密封表面和第二密封表面用于提供第一组件和第二组件之间的流体密封；以及多个内腔，该内腔设置成邻近所述第一和/或第二密封表面并在所述垫圈的至少第一部分延伸，以增加所述第一部分中的垫圈压缩性。

根据本发明的第二方面，本发明提供了一种密封燃料电池的方法，包含：提供一种垫圈，该垫圈由可压缩材料形成并具有第一密封表面和第二密封表面以及多个内腔，该内腔邻近所述第一和/或第二密封表面并在所述垫圈的至少第一部分上以增加所述第一部分中的垫圈压缩性；将垫圈定位在流体流动场极板和薄膜-电极组件之间；以及在穿过所述垫圈在流体流动场极板和薄膜-电极组件之间施加压缩压力以提供其中的流体密封。

根据第三方面，本发明提供了一种燃料电池，其包含：薄膜-电极组件；流体流动场极板；以及根据所述第一方面的垫圈。

与传统的垫圈相比，本发明的优点可包括降低了需要形成密封的总的施加载荷；改进了所述垫圈在热循环之后保持密封的能力；以及密封在一个或两个密封表面上的表面凸起周围的能力。

附图说明

图1表示穿过一部分的传统的燃料电池的示意性横截面视图；

图2(a)和2(b)分别表示图1的燃料电池的流体流动场极板的简化平面和截面视图；

图3表示穿过具有双极极板的传统的燃料电池叠层的横截面视图；

图4a表示具有相对于垫圈和流体入口和出口定位的一片扩散材料的阳极配置的平面图，图4b表示线A-A上的截面侧视图；

图5表示本发明的垫圈部分的结构的透视图；

图6表示本发明的一部分垫圈的横截面视图；

图7表示根据本发明的实施例在施加压力情况下的一部分垫圈的横截面示意图；

图8表示根据本发明优选实施例的垫圈内腔的闭室栅格结构的平面视图；

图9表示还具有流体分配通道内腔的根据本发明优选实施例的垫圈内腔的闭室栅格结构的平面视图；

图10表示根据本发明优选实施例的垫圈内腔的另一闭室栅格结构的平面视图；

图11表示具有两部分的不同设计的垫圈材料的阳极配置的平面图；

图12表示包含开室和闭室区域的垫圈的另一配置的透视图；

图13表示包含开室和闭室区域的垫圈的另一配置的平面图；

图14表示包含与开室和闭室区域一起的流体端口的垫圈的另一配置的平面图；

图15表示包含流体端口、流体输送通道并与外部流体歧管流体连接的垫圈的另一配置的平面图。

具体实施方式

已经结合图1到3讨论了在其表面上包含流体流动通道的阳极和阴极流体流动极板的传统设计，并且结合图4已经讨论了用于该极板的一般垫圈的布置。

图5图示了本发明的垫圈53的典型部分。垫圈53具有第一密封表面54和第二密封表面55。多个第一内腔56设置在所述第一密封表面处、垫圈53内并在该部分的垫圈上延伸。在该特定的实施例中，内腔56在如图所示的垫圈53的部分上规则排列。还表示的是设置在第二密封表面55处、垫圈内的多个第二内腔57，在该实施例中，尺寸和布置基本相似于所述多个第一内腔。

虽然内腔56在图5中被表示为设置在表面54处，但在其他的实施例中，内腔56也可设置在表面54之下，不过要足够地靠近所述表面从而通过所述垫圈53的厚度影响局部表面可压缩性。

所述垫圈的密封表面54、55被限定为所述表面与所述垫圈要密封的部件的表面相接触。所述密封表面因此一般不包括内腔56、57的内表面。然而，随着施加到垫圈53的压力的增加，一部分的内腔56、57的内表面可变为部分的垫圈53的密封表面，该部分随着施加压力的增加而增加。

所述术语“内腔密度”在此被用作测量整个垫圈53的任何限定区域内出现的内腔数量。在一部分垫圈53的第一密封表面上的内腔密度会不同于相同部分的垫圈53的第二密封表面上的内腔密度。例如，如果图5的垫圈53的密封表面54的面积是1cm²，内腔的数量为36，那么所述第一密封表面上的内腔密度是36cm^-2。

如在此使用的术语“内腔体积”是任何给定内腔的总空隙体积，其可根据垫圈53内或其中的某一区域内的空腔的平均数被有效地给定。

要认识到所述垫圈的一个区域内的内腔密度和内腔体积每个都至少部分地确定所述垫圈的所述区域的可压缩性。

所述术语“可压缩材料”是打算包含固体材料，该固体材料在施加的压缩压力下能显著地变形，并且它的物理机械特性是以弹性(即，可恢复的)、塑性(即，持久的和不可恢复的)、以及在施加压力情况下的变形的结合为特征。与时间有关的效果例如蠕变和粘弹性也可部分地限定所述压缩材料的特性。

所述垫圈区域的可压缩性的增加要对应于需要压缩所述区域的总厚度到相同程度的压力的降低。另外要说明的是，相同的施加压力将引起所述区域的总厚度更大程度的减小。

图6所示的是本发明的垫圈61内的内腔62、63的另一非对称布置的横截面视图，其中所述内腔体积在第一密封表面64和第二密封表面65上是不同的。邻近第一密封表面64的内腔62与邻近第二密封表面65的内腔63具有不同的尺寸。内腔体积这种变化的结果是在相同的施加压力下，较大内腔63之间的垫圈材料66与较小内腔62之间的垫圈材料67相比能够更进一步地压缩。

不是通过改变第一和第二的密封表面64、65的每个之下的平均内腔体积，而是通过改变所述内腔之间的间距并因此影响所述内腔密度可获得与图6所示效果相似的效果。

所述内腔密度和/或内腔体积在邻近第一和第二的密封表面64、65的垫圈的至少选择的相对表面部分上有所不同，所述相对表面部分是在垫圈61的相对密封表面上基本同延的第一和第二的密封表面64、65的选择区域。

在图6的垫圈61的该非对称布置中，所述表面的粘附特性能因此偏向一个表面。与另一密封表面65相比，不需要粘合剂或表面处理，垫圈61的一个密封表面64的接触区域将易于优先粘附到一个表面而不是另一个。

图7所示的是处于上部件77和下部件76之间的压缩下的垫圈61状态的横截面示意图。垫圈61位于两个部件表面74、75之间。表面特征73位于下部件表面74上并从部件表面74的平面凸起。在箭头71所示的方向上施加压力会引起补偿区域72中的垫圈材料以比所述补偿区域外部的材料进一步压缩。所述垫圈的其他压缩在所述垫圈自身体积内进行，并不会围绕垫圈61的外周边引起任何其他凸起。内腔63允许补偿区域72内的周围垫圈材料沿着与施加压力的方向正交的方向鼓入内腔63。例如，表面特征73可以是一个相对不可压缩的材料箔片或薄片，例如被定位成以覆盖所述流体流动极板的选择区域的配水片。既然垫圈61能围绕表面特征73可压缩变形，那么围绕所述表面特征的密封不会受其存在的影响。

本发明的垫圈53、61可优选包含布置成规则排列例如基本均匀间隔的方型的矩形内腔56、57、62、63，如图5所示。也可设想是其他类型的规则的重复型例如六边形或三角形。非重复型的或任意分布的内腔，其特征也在于内腔密度和平均内腔体积，并仍在本发明的范围内。

要理解到所述术语“内腔”被确定为包含一些定义，这些定义适合于穿过垫圈单独隔离的内腔的阵列以及形成在单独隔离柱或其他凸起特征的阵列内的互连内腔的阵列。本发明的垫圈可包含穿过一个或两个密封表面的至少一部分的一种或者两种类型的内腔。

设想多种传统的垫圈材料可用于本发明中，例如硅、腈、或丁基橡胶。然而，也可以使用其他的材料例如多孔的聚四氟乙烯。

所述垫圈的厚度优选小于10mm。更优选地，所述未压缩的垫圈厚度在0.1和3mm之间，更优选地，还在0.1和1mm之间。

优选地，内腔56、57、62和63的平均体积小于5mm³，更优选地，位于0.001到1mm³范围内。虽然所述内腔优选基本立方形的，但是所述内腔可以是任何形状，还可优选具有在0.1到1mm的范围内的平均线性尺寸

本发明的垫圈53、61的内腔优选由把一种纹理施加到均匀厚度的垫圈的表面来形成。这种纹理可以通过所述垫圈的压模予以实现，例如，在热和压力的条件下在成形压盘之间以把所述垫圈塑性变形为所需形状。另外，本领域内的各种已知技术可用来形成本发明的垫圈材料，例如铸造、注模造型或者使用纹理化的辊辊压或压延。

本发明的内腔可执行的一个可能功能是流体分布功能。如图8所示的是具有密封表面和隔离内腔56的根据本发明的垫圈中的内腔的闭室栅格结构。通过改变该设计以使选择的内腔被延伸并被做成相互连接的而不是被彼此隔离开的，能得到例如如图9所示的布置。垫圈90已经在其内形成作为一部分内腔图案的一系列互连的流体输入通道91、92和94。这些流体输入通道中的每一个，相对于所述周围内腔56，具有至少部分地延伸过垫圈90厚度的深度。在所述垫圈直接形成在所述流体流动场极板上的情况下，例如通过模制，所述流体输入通道可延伸过所示垫圈的整个厚度。

流体入口通道91经由流体分配通道94被连接到多个流体出口通道92。使用的流体流动的优选方向如箭头93所示。结合设置在垫圈41中的开口42、42，如图4所示，如图9所示的布置可被设计成以把流体从流体入口44分配到邻近薄膜-电极组件40的夹层49的各个部件。相同类型的布置可相等地应用于流体出口45。

垫圈90的压缩性，其可经由内腔56的密度、深度和尺寸被设计，能被用来控制到流体输入通道91、92和94能使流体流过的某一程度。随着在垫圈90两侧的施加压力的增加，流体输入通道91、92和94将变得更受约束，趋于关闭流体通道93。在流体入口44处的背压将因此增加。这会有助于改进在多个薄膜-电机组件上的流体分布的精确性。流体测定的精确性和速率(rate)然后至少由穿过包含图9中那种类型的垫圈的燃料电池组件30施加的压力来部分地控制。在执行这些功能中另外是必需的分离组件然后可被有利地除去。

另一垫圈布置示于图10中，其中垫圈101设置有以密封表面102之下的规则栅格型布置的内腔103。在该布置中，所述内腔体积和/或密度可增加到高于如图8所示的布置中可能的体积和/或密度，同时当使用时维持每个内腔的流体分离。其他类型的内腔布置也可设想到，而不限于方形内腔或由例子所示的那种规则的栅格阵列。例如，根据易于制造性，圆形内腔是有益的。也可能是其他的形状。

垫圈53、61内的内腔56、57、62和63可根据它们在所述垫圈上的位置以及它们需要执行的功能设置在垫圈53、61的某一规定位置。如图11所示的是具有以和如图4所示的布置相似的布置围绕在第一夹层49和第二夹层50周围的垫圈41的阳极配置的实例布置。根据如图9所示和以上详述的原理，所述垫圈的第一部分41a可被设想成以具有在第一部分41a内的流体分配通道94并使设置在垫圈41的内周边110部分上的流体出口通道与第一夹层49流体连通。第一部分41a的流体入口通道91在垫圈41中的开口42处与流体入口44重合。进入流体入口通道91的流体经由设置在垫圈41的第一部分41a内的流体分配通道94沿着邻近所述第一夹层49的垫圈的内周边110被分配。垫圈41的第二部分41b以图5和8图示和以上详述的方法被设计在该例子中，这样流体经由位于垫圈41中的开口43处的流体出口45从第二夹层50流出。

穿过所述垫圈的流体分配可通过所述垫圈的设计的开口室区域予以实现。如图12所示的是包括闭室区域122和开室区域121的垫圈120的例子。流体会流动到围绕柱子123的开室区域内，其在该例子中形成为圆形或者椭圆形的柱体。柱子123还可是矩形或者多边形截面的柱体，甚至可以是具有变化截面例如圆锥形或者锥体形状。所述柱子的布置可以是任何合适的重复的或者非重复图案，或者随机分布的。可能类型的例子包括规则的方形或者六边形填料的(packing)或者人字形的类型。

柱子123可有利地形成为以使具有选择成不同于周围闭室区域的高度的高度。选择具有高度减小的柱子能当垫圈120处于压力之下时减小扭曲。高度减小的柱子还可用来支撑可能重叠在所述开室区域上的部件。选择比所述周围垫圈高的柱子123将导致所述柱子比所述周围材料受压力更大，这可用作测量流过开室区域121的流体。

如图13所示，在由延伸过所述垫圈并被闭室区域122包围的一系列的流体通道131构成的例子中，开室区域121可包含自身的流体入口/或出口。

如图14所示，所述垫圈可包含流体端口141，它能用于流体入口或者出口。流体端口141被闭室区域143包围，除需要穿过所述垫圈的流体通道的地方之外，在此处存在包含如图12所示的开室区域的流体输送区域142。该开室区域142可包含一系列的流体通道或者可另外包含形成在所述垫圈材料的隆起柱之间的多个互连的内腔。

要认识到本发明的垫圈不需经由整体结构，即完全由一种类型的压缩材料形成，但可由多于一种类型的材料形成。例如，所述垫圈可由设置有内腔的可压缩材料的第一层以及相对不可压缩材料的第二底层构成。所述第一层可通过任何合适方法，例如通过丝网印刷、层压、模制或者其他处理施加。可压缩层材料层内的图案因此可以形成穿过所述垫圈的一个或两个密封表面的至少一部分的内腔布置。例如，硅橡胶图案能通过丝网印刷被施加到聚酯薄片的一个或者两个表面，因此在弹性可压缩表面层固化之后形成。因此形成的表面层把改进的密封特性传给所述薄片，否则其一般不适合于密封应用。虽然例如图8-10所示的类型可被优选应用，但是可设想包含内腔的任何合适的类型。

图15所示的是垫圈150的另一布置，其中提供闭室和开室区域的结合以形成垫圈150内的限定的流体输送区域。除了包含流体输送通道152a的区域之外，流体端口153被闭室区域154围绕。流体输送通道152把流体端口153流体地连接到由垫圈150限定的内部体积155。流体输送通道152b的另一区域用来把由垫圈150限定的内部体积连接到外部歧管151。外部歧管151例如，可被用来把冷却剂输送到所述燃料电池，同时流体端口153输送氧化剂。

在此描述的垫圈满足燃料电池中使用的垫圈的特别严格的要求。该燃料电池垫圈一般需要在较大面积内具有高的尺寸精确度并且需要对每个电池例如仅压缩0.2mm就能在较大面积内实现密封。

为了减小具有许多单独电池的燃料电池叠层的变形，以及考虑到每个电池内的扩散层的体积足够，当施加密封压力时，密封垫圈的厚度尺寸需要仅变化10％左右，因此在所述垫圈的配合表面上要求很高的公差表面以避免泄漏。然而，燃料电池垫圈还要求有足够的弹性和韧性以考虑到其他部件例如穿过电池组的电池的连杆的热胀和收缩。要求关于负载和密封燃料电池叠层有高度的精确性，在此所述的垫圈在该方面惊人地提供了显著的优点。所描述的垫圈的内腔能减小负载并改进了在表面凸起周围密封的能力以及允许放宽一定的尺寸和负载容许限度，同时不危及所述垫圈的密封能力或者整个燃料电池组范围内的尺寸精确度。

其他实施例被设想成以在所述附属权利要求的范围内。

Claims (13)

1.一种垫圈(90)，该垫圈由可压缩材料形成，并具有第一密封表面和第二密封表面，用于提供第一部件和第二部件之间的流体密封；所述垫圈包括：多个内腔(56)，所述多个内腔设置成邻近所述第一和/或第二密封表面并在所述垫圈的至少第一部分上延伸以增加所述第一部分中的垫圈的可压缩性，和设置在邻近所述第一密封表面的垫圈内的多个流体输入通道(94)，每个流体输入通道具有至少部分地延伸过所述垫圈的深度。

2.如权利要求1的垫圈(90)，其中，所述内腔密度和/或内腔体积穿过至少第一和第二密封表面之一变化。

3.如权利要求1的垫圈(90)，其中，所述内腔密度和/或内腔体积在所述第一和第二密封表面上不同。

4.如权利要求3的垫圈(90)，其中，所述内腔密度和/或内腔体积在所述垫圈的选择的相对表面部分不同。

5.如权利要求1的垫圈(90)，其中，所述内腔布置成一个或多个规则阵列。

6.如上述权利要求中任一项的垫圈(90)，其中，所述内腔具有0.1到1mm范围内的平均线性尺寸。

7.如上述权利要求中任一项的垫圈(90)，其中，所述内腔具有0.001到1mm³范围内的平均体积。

8.如上述权利要求中任一项的垫圈(90)，其中，所述内腔基本成立方形。

9.如权利要求1的垫圈(90)，其中，所述多个流体输入通道被流体地连接到包含流体入口和/或出口的开口。

10.如权利要求9的垫圈(90)，其中，所述多个流体输入通道适合于被流体地连接到燃料电池的薄膜-电极组件。

11.如上述权利要求中任一项的垫圈(90)，其中，所述垫圈包含其中设置有多个内腔的可压缩材料的第一层以及邻近所述第一层的相对不可压缩材料的第二层。

12.一种密封燃料电池的方法，包含：

提供一种垫圈，该垫圈由可压缩材料形成并具有第一密封表面和第二密封表面；所述垫圈包括：多个内腔，所述多个内腔邻近所述第一和/或第二密封表面并在所述垫圈的至少第一部分上延伸，以增加所述第一部分中的垫圈的可压缩性，和设置在邻近所述第一密封表面的垫圈内的多个流体输入通道(94)，每个流体输入通道具有至少部分地延伸过所述垫圈的深度；

把所述垫圈定位在流体流动场极板和薄膜-电极组件之间；和

在所述垫圈的两侧，在流体流动场极板和薄膜-电极组件之间施加压缩压力以提供其中的流体密封。

13.一种燃料电池，包含：

薄膜-电极组件；

流体流动场极板；和

根据权利要求1到11任一项的垫圈。

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