CN101443939B - 燃料电池用垫片 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于密封燃料电池的内表面并且由可压缩材料形成的垫片，所述垫片包括第一密封表面和第二密封表面，所述第一密封表面和第二密封表面分别用于对第一流体流场板和第二流体流场板的相对表面提供液封，所述垫片进一步包括用于密封膜电极组件的第一表面的外周界区域的第三密封表面，所述第三密封表面被完全包封在由所述第二密封表面的内周界限定的边界内。

Description

燃料电池用垫片
本发明涉及垫片，并且具体地，用于燃料电池组件的垫片。
常规电化学燃料电池将燃料和氧化剂转化成电能和反应产物。在图1中显示了常规燃料电池10的典型布局，为清楚起见，该图1以分解的形式示出了各个层。固体聚合物离子传输膜11被夹在阳极12和阴极13之间。典型地，阳极12和阴极13都是由导电、多孔的材料例如多孔碳形成的，所述导电、多孔的材料上粘结了铂和/或其它贵金属催化剂的小粒子。通常将阳极12和阴极13直接粘结到膜11的各个相邻表面上。一般将此组合体统称为膜-电极组件，或MEA17。
将聚合物膜和多孔电极层夹在中间的是阳极流体流场板14和阴极流体流场板15。中间的衬里层12a和13a，也称作‘扩散体’或扩散层，也可以被用在阳极流体流场板14和阳极12之间，以及类似地被用在阴极流体流场板15和阴极13之间。支撑层具有多孔性，并且被制作成确保气体有效扩散到达和离开阳极和阴极表面，以及帮助水蒸气和液态水的处理。
流体流场板14、15是由导电性、非多孔材料形成的，通过该材料可以与相应的阳极电极12或阴极电极13进行电接触。同时，流体流场板促进流体燃料、氧化剂和/或反应产物的输送到达多孔电极12、13和/或从多孔电极12、13排放(exhaust)。这在常规上是通过在流体流场板的表面中形成流体流动通路，例如在朝多孔电极12、13存在的表面中的沟槽或通道16而实现的。
还是参照图2(a)，流体流动通道的一种常规构造在阳极14(或阴极15)流体流场板的面中提供蛇形结构20，如图2(a)所示，该结构20具有入口端21和出口端22。根据常规设计，应当理解该蛇形结构20包含板14(或15)表面中的通道16，而端口21和22各自包含穿过板的孔，使得输送到蛇形结构20或者从蛇形结构20排放的流体可以连通板层叠体在如具体由图2(b)中所示A-A横截面中的箭头表示、与板垂直的方向上的整个深度。
参照图3，在常规的燃料电池组件30中建立起板的层叠体。在此配置中，相邻的阳极和阴极流体流场板按常规方式组合，以形成单个双极板31，所述双极板31在一个面上具有阳极通道32和在相反面上具有阴极通道33，它们各自与相应的膜-电极组件(MEA)34相邻。入口端的孔21与出口端的孔22全部重叠以提供整个层叠体的入口和出口歧管。层叠体的各个元件是为了清楚起见而略微分开表示的，但是应理解，对于本发明来说，它们是用密封垫片压缩在一起的。
参考图4，显示了常规MEA和扩散体组件41的示意性局部图，其中，扩散层43被设置在MEA44的每一侧上。在MEA44内设置有一连串的流体端口42。这些流体端口42被设置成与相应的流体流场板(fluid flow plate)和垫片中的流体端口一致，当将其以层叠体组装在一起时，形成用于在与MEA的平面垂直的方向上连通流体的歧管。这些歧管用于将流体传输通过层叠体的深度，到达和离开散层43。
图5中的局部示意性横截面图中显示了由图4中的A-A’线表示的截面。现在显示的是，位于两个流体流场板52a、52b之间的在任一面上设置有扩散层43a、43b的MEA44。通过位于MEA44的任一侧上并且在由扩散层43a、43b限定的区域以外的两个垫片51a、51b，在MEA44和流体流场板52a、52b之间设置密封表面54a-d。为了避免疑问，这些液封54a-d以及进一步示例的其它的液封，不意在表示燃料电池组件的分离部件，而是表示与垫片接触的区域，在所述区域，当MEA44、垫片51a、51b和流体流场板52a、52b处于压缩状态时，形成液封。
可以在流体流场板52a的表面上设置相对不可压缩的衬垫53，以例如允许流体通过衬垫中设置的通道流动到达或离开扩散层43a，和/或防止在压力下，垫片51a关闭流体流场板52a中设置的通道。还可以提供对该衬垫的液封，尽管相对于其它液封54a-d，这对于燃料电池的运行较不重要，因为在衬垫53周围的体积通常以别的方式被密封。因此没有在此图以及在其它图中显示这种任选的液封。
在图5和随后的图中，显示衬垫53延伸进入到至少由扩散层43a部分占据的区域中，这例如可以相当于冷却水经由衬垫53中形成的通道被注射于其中的阳极或阴极侧。这样的冷却水可以通过也与衬垫53流体连通的流体流场板中设置的其它的端口(未示出)注射。
如图5中所示的用于燃料电池组件的常规配置对于每一个MEA，都具有总计四个被形成在两个分开的垫片51a、51b上的密封表面54a-54d。在减少的密封表面的数量和/或减少的部件的数量的情况下，能够提供相同的功能性，以简化燃料电池的组装并且降低燃料电池的总成本，这将是有利的。
减少部件数量的一种方法是使垫片51a、51b统一为如图6中示意性显示的单一垫片。在此配置中，密封表面64a、64d被设置在垫片61和流体流场板52a、52b之间，但是通过垫片61的横截面为c-状形式，垫片61和MEA44之间的密封表面64b、64c被设置在相同的垫片61内。模塑垫片61有效包封MEA44的外周界。为了达到这样的结果，需要紧密控制垫片尺寸，使得垫片61的厚度与MEA44加上扩散层43a、43b的工作尺寸一致。尽管可以达到部件数量的减少，但是其代价是制造工艺的复杂性增加。另外，产生模塑垫片61所需要的加工和处理提高了成本并减小了燃料电池的设计灵活性。
本发明的一个目的是提供一种改进的垫片设计。
根据第一方面，本发明提供了一种燃料电池组件，所述燃料电池组件包含：
第一流体流场板；
第二流体流场板；
膜电极组件，所述膜电极组件具有第一和第二相反面，且介于所述第一和第二流体流场板之间；
垫片，所述垫片在所述第一和第二流体流场板之间延伸，并且与它们形成相应的第一和第二密封表面，
所述垫片还限定第三密封表面，通过所述第三密封表面，所述垫片仅与所述膜电极组件的一个面接触。
根据第二方面，本发明提供了一种用于密封燃料电池的内表面的垫片，所述垫片包含：
在所述垫片的相反面上的第一密封表面和第二密封表面，和
第三密封表面，所述第三密封表面完全在由所述第二密封表面的内周界限定的边界内，
其中，所述垫片在所述第二和第三密封表面之间限定了阶梯剖面(stepprofile)。
根据第三方面，本发明提供了一种形成燃料电池组件的方法，所述方法包括下列顺序步骤：
(i)提供第一流体流场板；
(ii)将垫片放置在所述第一流体流场板上，所述垫片具有第一密封表面、第二密封表面和第三密封表面，所述第三密封表面完全在由所述第二密封表面的内周界限定的边界内，所述第一密封表面被相对所述第一流体流场板放置；
(iii)将膜-电极组件放置在所述垫片上，所述膜-电极组件的第一表面的周界边缘部分与所述垫片的所述第三密封表面交叠；
(iv)将第二流体流场板安置在所述膜电极组件和所述垫片之上，所述第二流体流场板覆盖所述第二密封表面和所述膜-电极组件的第二表面；并且
(v)跨过所述垫片和膜电极组件而在所述第一和第二流体流场板之间施加压缩压力，以在下列部件之间提供液封：(i)所述垫片的第一密封表面和所述第一流体流场板，(ii)所述垫片的所述第二密封表面和所述第二流体流场板，和(iii)所述垫片的所述第三密封表面和膜-电极组件，所述垫片仅对所述膜-电极组件的一个面密封。
现在将通过实施例并且参考附图描述本发明的实施方案，在所述附图中：
图1显示常规燃料电池的一部分的示意性横截面图；
图2(a)和2(b)分别显示图1的燃料电池的流体流场板的简化平面图和截面图；
图3显示具有双极板的常规燃料电池层叠体的横截面图；
图4显示膜-电极组件的一部分的示意性平面图；
图5显示位于两个流体流场板之间并且由常规垫片密封的图4的膜-电极组件的一部分在A-A’线上的示意性横截面图；
图6显示用于密封膜-电极组件的垫片配置的示意性横截面图；
图7显示用于密封膜-电极组件的另外的垫片配置的示意性横截面图；
图8显示用于密封膜-电极组件的另外的垫片配置的示意性横截面图；
图9显示在根据本发明的垫片的一个实施方案的在适当位置的膜-电极组件的示意性平面图；
图10显示含有许多个空腔的垫片的局部构造的透视图；
图11显示图10的垫片的一部分的横截面图；和
图12显示在处于所施加的压力下时，图10的垫片的一部分的横截面示意图。
已经相对于图1至3，讨论了在其面内结合有流体流动通道的阳极和阴极流体流场板的常规设计，并且相对于图4至6，讨论了与这样的板一起使用的典型垫片的配置。
本发明考虑了下列观察结果：对于要被密封以使其发挥作用的燃料电池单元，仅在MEA的一个表面上需要液封，这与图5和6中所示的MEA的两个表面相反，并且这可以用单一的垫片来实现。在图7中示意性地示例了仅一个表面76被密封的MEA44，其中MEA44依靠垫片72沿密封表面74b密封。在此表面被适当密封的条件下，MEA的相反表面75并不需要依靠垫片72密封，因为密封表面74c防止了流体在MEA的内部或在MEA的外部的不理想通过，并且密封表面74b防止了流体从MEA的一侧到另一侧的通过(MEA44的膜基本上仅允许质子传导)。
因而，垫片72，通过与两个流体流场板52a、52b接触，有效地密封了燃料电池的阴极和阳极区室(主要由扩散层73a、73b限定)。通过由MEA44的第一表面76上的密封表面74b所形成的液封，以及在MEA44的周界和垫片72之间提供的此液封的匹配表面，防止了阴极和阳极区室中的流体的混合。
因而，可以看出，垫片72在该垫片的第一面上设置有第一密封表面74a，并且在垫片72的相反面上设置有第二密封表面74c。垫片还具有第三密封表面74b，并且在第二密封表面和第三密封表面之间限定了阶梯剖面。第一和第二密封表面分别对第一和第二流体流场板提供液封。第三密封表面74b仅对MEA44的第一面76提供液封。第三密封表面74b基本上是平行于第一密封表面74a和第二密封表面74c的平面。MEA的第二表面75没有形成对垫片72的液封。在图7中所示的实例中，垫片72在第二密封表面74c和第一密封表面74a之间延伸的第一部分77具有厚度t1，所述t1大于垫片72在第三密封表面74b和第一密封表面74a之间延伸的第二部分78的厚度t2。该厚度差(t1-t2)被优选设计成与MEA44和扩散层73b的厚度相适应，从而可以设置液封74b，而不使垫片材料显著变形。
例如通过模塑或任何其它合适的可以形成所需阶梯剖面横截面以在第三密封表面74b处具有减小的厚度的方法，可以形成垫片72。
在图8中示意性地显示了遵循类似总的原理的备选密封配置。在此配置中，垫片82优选最初，即在没有施加压力时，具有均匀的厚度，但是为可压缩性可变或增加的类型。具有增加的可变可压缩性的垫片的实例在英国专利申请0601986.3中有公开。可以在垫片82的一个或两个表面的至少一部分上设置空腔，以增加此部分中的垫片材料的局部可压缩性。例如，可以在由第三密封表面84b限定的垫片82的至少一部分中设置空腔。可压缩性的局部增加允许垫片82在相同的施加压力下进一步压缩。因此，垫片82可以压缩至所需的厚度t2，以在由第三密封表面84b限定的区域中容纳MEA44，而没有降低在第一密封表面84a和第二密封表面84c上提供液封的能力。此配置优选使得第三密封表面84b相对于第一84a和第二84c密封表面至少部分倾斜地形成角度，以避免MEA44的不适当的变形。
使用如图7中的厚度减小区域，或例如如图8中的通过许多个空腔的增加可压缩性的区域，或这两种的组合，有助于使用单个垫片在MEA44周围适当液封，而不需要如图6的垫片61中的‘凹入(re-entrant)’或c-状剖面。
在图7和8的两个实施方案中，可以看出，第三密封表面74b、84b向内邻近于第二密封表面74c、84c，此表述意在指出，与第二密封表面相比，第三密封表面朝向燃料电池的中心。
如上所述的本发明的优点在于，通过密封表面的数量的减少，减少了用于密封燃料电池所需的部件的数量。进一步的优点包括降低了这样的燃料电池的组装的复杂性，以及通过总MEA面积的减小，MEA设计潜在地更加成本-有效。如下面所述那样，本发明还能够以相继顺序的层构造燃料电池。
图9示意性地示例了显示怎样将其两侧上具有扩散层93的MEA91安置在垫片82上的适当位置的配置。此实施例中的MEA与图4中所示的MEA相比尺寸减小。MEA91的外周界95与垫片82交叠，使得垫片82的内周界96完全位于MEA外周界95之内。当在两个流体流场板52a、52b之间的适当位置时，第三密封表面84b被设置在垫片82的内周表面上，所述第三密封表面84b在MEA外周界95和垫片内周界96之间延伸，因此，在垫片82内周表面和MEA91的外周表面之间提供了液封。此配置可以有效地使MEA外周界95密封，隔离外部大气，这将限制MEA的膜在使用中的脱水。
在总的方面，垫片82没有用于对MEA44密封的凹入内表面。参考图7和8，可以通过顺序层叠流体流场板52a；垫片72、82；扩散层73a、83a；MEA44；扩散层73b、83b；和流体流场板52b，构成含有垫片72、82的燃料电池层叠体。垫片不需要预-成型到MEA上，因而，不需要为具体的电池构造而定制。
在图10至12中，进一步示例了一个优选的实施方案，其中，垫片82设置有多个紧接一个或两个表面的至少一部分的空腔。
图10示例了适于本发明的垫片153的代表性部分。垫片153具有第一密封表面154和第二密封表面155。多个第一空腔156在第一密封表面上被设置在垫片153内，并且在垫片的该部分上延伸。空腔156以规则的阵列在所示的垫片153的该部分上延伸。还显示的是，多个第二空腔157在第二密封表面155上被设置在垫片内，在此实施例中，所述多个第二空腔157与所述多个第一空腔在尺寸和配置上基本类似。
尽管在图10中，显示的空腔156被设置在表面154，但是在其它的实施方案中，空腔156可以被设置在表面154的下面，但是要足够接近表面154，从而通过垫片153的厚度影响局部表面可压缩性。
垫片的密封表面154、155被限定作为与要用垫片密封的部件的表面接触的那些表面。因此，密封表面通常不包括空腔156、157的内表面。然而，在增加施加到垫片153的压力时，空腔156、157的一定比例的内表面可能变成垫片153的密封表面的一部分，所述比例随着施加的压力的增加而增大。
本文中使用术语“空腔密度”作为在垫片153的任何限定区域上存在的空腔数量的量度。在一部分垫片153的第一密封表面154上的空腔密度可以与同一部分的垫片153的第二密封表面155上的空腔密度不同。例如，如果图10的垫片153的密封表面154的面积为1cm2，并且空腔的数量为36个，则第一密封表面上的空腔密度为36cm-2。
如本文中使用的术语“空腔体积”是任何给定的空腔的总空隙体积，这可以对于垫片153或其确定区域中的空腔以平均数有用地给出。
将认识到的是，垫片的一个区域的空腔密度和空腔体积中的每一种都将至少部分地确定垫片的此区域的可压缩性。
本发明的垫片优选包括可压缩材料，所述可压缩材料，在使用中，具有充分的可压缩性，以对其中要使用垫片的燃料电池组件的各种内表面进行密封。
术语“可压缩材料”意欲包括这样的固体材料，所述固体材料在施加的压缩压力下可以显著变形，并且其物理机械性质的特征可以在于，在施加压力下，弹性的即可复原的、塑性的即永久的和非-可复原的变形的组合。含时(时间依赖)效应例如蠕变和粘弹性也可以部分地限定该可压缩材料的性质。
垫片的区域的可压缩性的增加将相应于以相同的程度压缩此区域的总厚度所需的压力的降低。或者说，同样施加的压力将导致该区域的总厚度被减少更大的程度。
图11中显示的是适用于本发明的垫片161中的空腔162、163的备选不对称配置的横截面图，其中，在第一密封表面164和第二密封表面165上的空腔体积不同。紧接第一密封表面164的空腔162具有与紧接第二密封表面165的空腔163不同的尺寸。空腔体积上的此种变化的结果将是，在相同的施加压力下，较大空腔163之间的垫片材料166比较小空腔162之间的垫片材料167能够进一步压缩。
通过改变空腔之间的间距并且因而影响空腔密度，以代替改变在第一164和第二165密封表面各自之下的平均空腔体积，可以得到与图11中所示的类似的效果。
至少在紧接第一164和第二165密封表面的垫片的被选择的相反表面部分上，空腔密度和/或空腔体积可以不同，所述相反的表面部分是在垫片161的相反密封表面上基本上共同延伸的第一164和第二165密封表面的选择区域。
在图11的垫片161的这种不对称配置中，表面粘合性质因而可以偏向一个表面。在不需要粘合剂或表面准备的情况下，与另一个密封表面165相比，垫片161的一个密封表面164的接触区域将趋向优选粘附到一个表面。
图12中显示的是，在上部部件177和下部部件176之间的压缩下，这样的垫片161的行为的横截面的示意图。垫片161位于两个部件表面174、175之间。在下部部件表面174上，布置了从部件表面174的平面向外突出的表面特征173。在由箭头171表示的方向上施加的压力引起补偿区域172中的垫片材料比补偿区域外的材料更大程度上地压缩。垫片的另外的压缩在垫片本身的体积内进行，并且没有引起在垫片161的外周界周围的另外的凸出。空腔163允许补偿区域172内的周围垫片材料沿与力的施加方向垂直的方向凸出到空腔163中。表面特征173例如可以是相对不可压缩材料的箔或衬垫，例如安置用于覆盖流体流场板的选择区域的水分配箔。优选地，对于本发明的目的，表面特征是MEA91的周界边缘95的表面特征，如关于图9所述。由于垫片161能够在表面特征173的周围压缩变形，因此在表面特征173周围的密封不因它的存在而受损害。
垫片153、161优选可以包括以规则的阵列，例如以如图10中所示的基本上均匀间隔的正方形图案，排列的矩形空腔156、157、162、163。还可设想其它类型的规则重复图案，例如六边形或三角形图案。在本发明的范围之内，还可设想其特征也可以是空腔密度和平均空腔体积的空腔的非-重复图案或随机分布。
应当理解的是，术语“空腔”意在包括应用于遍布整个垫片的个别孤立的空腔的阵列以及在个别孤立的柱或其它的凸起特征的阵列内形成的互连空腔的阵列的定义。本发明的垫片可以包括遍布一个或多个密封表面的至少一部分的一种或多种类型的空腔。
可设想的是，在本发明中可以使用多种常规的垫片材料，例如，硅氧烷、腈橡胶或丁基橡胶。然而，还可以使用其它的材料，例如膨胀PTFE。
垫片的厚度优选小于10mm。更优选地，未压缩的垫片厚度在0.1和3mm之间，并且更优选地，还在0.1和1mm之间。
优选地，空腔156、157、162、163的平均体积小于5mm3，并且更优选地，在0.001至1mm3的范围内。尽管空腔可以是任何合适的形状，但是空腔在形状上优选基本上为立方形的，并且还优选具有在0.1至1mm的范围内的平均线性尺寸。
本发明的垫片53、61的空腔优选通过对均匀厚度的垫片的一个或多个表面施加纹理(texture)而形成。这种纹理化可以通过下列方法进行：例如在加热和压力的条件下，在成形压盘之间压缩模塑垫片，以将垫片材料塑性变形为需要的形状。备选地，可以使用本领域中已知的各种技术，例如流延、注塑或使用带纹理的辊(textured roller)的轧制/砑光，以形成本发明的垫片材料。
如上所述的空腔可以被设置在本发明的垫片的至少一部分中。例如，空腔可以被设置在限定第三密封表面84b的垫片的区域上，使得在此区域中可以容纳MEA44的另外厚度。备选地，空腔可以被设置在的垫片表面的更大部分上，或在部分或全部的两个表面上。
设想的其它实施方案均在后附权利要求的范围内。

Claims (7)

1.一种燃料电池组件，所述燃料电池组件包括：
第一流体流场板；
第二流体流场板；
膜电极组件，所述膜电极组件具有第一和第二相反面，并且介于所述第一和第二流体流场板之间；
垫片，所述垫片在所述第一和第二流体流场板之间延伸，并且与所述第一和第二流体流场板形成相应的第一和第二密封表面，
所述垫片还限定第三密封表面，通过所述第三密封表面，所述垫片仅与所述膜电极组件的一个面接触，
其特征在于与所述第二密封表面相比，所述垫片具有可压缩性增加的区域，所述区域在所述第三密封表面上。
2.根据权利要求1所述的燃料电池组件，其中所述第三密封表面向内与所述第二密封表面相邻。
3.根据权利要求1所述的燃料电池组件，其中所述第三密封表面基本上是平行于所述第二密封表面的平面。
4.根据权利要求1所述的燃料电池组件，其中所述第三密封表面相对于所述第二密封表面倾斜地形成角度。
5.根据权利要求1所述的燃料电池组件，其中所述垫片在所述第二和第三密封表面之间限定了阶梯剖面。
6.一种形成燃料电池组件的方法，所述方法包括下列顺序步骤：
(i)提供第一流体流场板；
(ii)将垫片放置在所述第一流体流场板上，所述垫片具有第一密封表面、第二密封表面和第三密封表面，所述第三密封表面完全被包围在由所述第二密封表面的内周界限定的边界内，与所述第二密封表面相比，所述垫片具有可压缩性增加的区域，所述区域在所述第三密封表面上，所述第一密封表面靠着所述第一流体流场板放置；
(iii)将膜电极组件放置在所述垫片上，所述膜电极组件的第一表面的周界边缘部分与所述垫片的所述第三密封表面交叠；
(iv)将第二流体流场板安置在所述膜电极组件和所述垫片之上，所述第二流体流场板覆盖所述第二密封表面和所述膜电极组件的第二表面；并且
(v)横跨所述垫片和膜电极组件而在所述第一和第二流体流场板之间施加压缩压力，以在下列部件之间提供液封：(i)所述垫片的第一密封表面和所述第一流体流场板，(ii)所述垫片的所述第二密封表面和所述第二流体流场板，和(iii)所述垫片的所述第三密封表面和膜电极组件，所述垫片仅对所述膜电极组件的一个面密封。
7.根据权利要求6所述的方法，所述方法进一步包括下列步骤：
在步骤(i)或步骤(ii)以后，将第一扩散层放置到所述垫片的内周界内的第一流体流场板上；以及
在步骤(iii)以后，将第二扩散层放置到膜电极组件上。
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Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4957091B2 (ja) * 2006-06-26 2012-06-20 トヨタ自動車株式会社 燃料電池
JP5194439B2 (ja) * 2006-11-21 2013-05-08 トヨタ自動車株式会社 燃料電池、および、燃料電池を構成するアッセンブリ
JP2010040414A (ja) * 2008-08-07 2010-02-18 Panasonic Corp 燃料電池スタックとそれを用いた燃料電池
GB2472450A (en) * 2009-08-07 2011-02-09 Afc Energy Plc Cell Stack Plates
RU2599750C2 (ru) * 2015-02-10 2016-10-10 Открытое акционерное общество "Волжский завод асбестовых технических изделий" Слоистый уплотнительный материал
JP6859823B2 (ja) * 2017-04-17 2021-04-14 トヨタ自動車株式会社 燃料電池セル
GB2566334B (en) * 2017-09-12 2022-11-23 Ceres Ip Co Ltd A stack of intermediate temperature, metal-supported, solid oxide fuel cell units

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6316139B1 (en) * 1998-02-03 2001-11-13 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Fuel cell having a gasket with an adhesive layer
CN1503997A (zh) * 2001-04-23 2004-06-09 Nok株式会社 燃料电池及其制造方法
CN1669170A (zh) * 2002-05-10 2005-09-14 3M创新有限公司 有密封表面的燃料电池膜电极组件

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0586461B1 (en) * 1991-06-04 1995-09-13 Ballard Power Systems Inc. Gasketed membrane electrode assembly for electrochemical fuel cells
JPH0696783A (ja) 1992-09-16 1994-04-08 Matsushita Electric Ind Co Ltd 燃料電池
JPH07312223A (ja) * 1994-05-17 1995-11-28 Matsushita Electric Ind Co Ltd 燃料電池
JP3353567B2 (ja) * 1995-09-29 2002-12-03 松下電器産業株式会社 燃料電池
EP1174482B1 (en) * 1999-04-27 2015-08-05 Nok Corporation Gasket
JP3400415B2 (ja) * 2000-07-25 2003-04-28 本田技研工業株式会社 燃料電池のシール構造
JP4316164B2 (ja) * 2001-07-10 2009-08-19 本田技研工業株式会社 膜・電極構造体及び燃料電池セル
US6733915B2 (en) * 2001-12-27 2004-05-11 E. I. Du Pont De Nemours And Company Gas diffusion backing for fuel cells
JP3616065B2 (ja) * 2002-03-22 2005-02-02 大同メタル工業株式会社 空気吸い込み式燃料電池
US7217471B2 (en) * 2002-05-17 2007-05-15 3M Innovative Properties Company Membrane electrode assembly with compression control gasket
US7405019B2 (en) * 2003-03-14 2008-07-29 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Polymer electrolyte fuel cell
US7595126B2 (en) * 2003-11-26 2009-09-29 Delphi Technologies, Inc. PEM fuel cell assembly formed of modular sub-assemblies
GB2413002B (en) * 2004-04-08 2006-12-06 Intelligent Energy Ltd Fuel cell gas distribution
JP2006004799A (ja) * 2004-06-18 2006-01-05 Nok Corp 燃料電池用ガスケット
FR2873777B1 (fr) 2004-08-02 2008-10-03 Fed Mogul Sealing Systems Soc Joint statique d'etancheite
GB2434845B (en) 2006-02-01 2010-10-13 Intelligent Energy Ltd Variable compressibility gaskets

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6316139B1 (en) * 1998-02-03 2001-11-13 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Fuel cell having a gasket with an adhesive layer
CN1503997A (zh) * 2001-04-23 2004-06-09 Nok株式会社 燃料电池及其制造方法
CN1669170A (zh) * 2002-05-10 2005-09-14 3M创新有限公司 有密封表面的燃料电池膜电极组件

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Publication number Publication date
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