CN101540401A - 联锁凸缘密封件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及联锁凸缘密封件。本发明提供了一种用于双极板的联锁凸缘密封件。联锁凸缘密封件包括形成在第一个板上的第一细长凸缘和形成在第二板上的第二细长凸缘。第一细长凸缘具有密封面并且第二细长凸缘具有凹槽。还提供了具有联锁凸缘密封件的一种联锁双极板和一种由多个联锁双极板形成的燃料电池组。联锁双极板可以阻碍燃料电池组中各部件间的横向滑动。

Description

联锁凸缘密封件

技术领域

本发明涉及一种燃料电池装置，尤其是涉及具有联锁凸缘密封件(interlockable bead seal)的用于燃料电池装置的板例如双极板。

背景技术

燃料电池已经作为一种干净、高效而又环保的能源在很多方面得到了应用。特别是单个燃料电池可以有序地堆叠在一起构成为电动车辆提供充足的电量的燃料电池组。燃料电池组已被视为现在车辆中传统内燃机的潜在替代品。

燃料电池是燃料如氢气和氧化剂如氧气化合产生电能的电化学装置。氧气一般由空气提供。氢气和氧气化合生成水。例如，其它的燃料如天然气、甲醇、汽油和煤衍生的合成燃料也可以被使用。

一种已知的燃料电池是质子交换膜燃料电池(PEM)。PEM燃料电池一般包括三个基本部件：阴极、阳极和电解质膜。阴极和阳极一般包括一种磨碎的催化剂如铂，该催化剂附在碳颗粒上并与离子交换聚合物混合。电解质膜夹在阴极和阳极之间，形成膜-电极结合体(MEA)。

在一般的PEM-型燃料电池中，MEA夹在扩散介质或扩散层(DM)中，扩散介质是由具有弹性的、导电的并且透气的材料如碳化纤维或纸形成。在一定的设计中，阴极和阳极也被形成在DM上并且把电解质膜夹在中间。DM作为阴极和阳极的集电器并且为MEA提供机械支撑。DM和MEA被压在一对导电的双极板之间，双极板也充当收集燃料电池经电化学反应产生的电流的集电器。

双极板一般包括两个薄的、对立的金属单极板。其中一个金属单极板在它的一个外表面形成流路，用于把氢气反应物传输到MEA的阳极。另一个单极板的外表面形成流路，用于把氧化剂反应物传输到MEA的阴极。当这两个单极板结合时结合面形成用于冷却液流动的流路。例如，单极板一般是由可成形的金属做成，该金属具有合适的强度、导电性和耐腐蚀性，如316L合金不锈钢。

在运转中燃料电池组一般被压缩以把其不同的部件保持在一起。为了防止反应物和其他流体从燃料电池组中泄露，常常要使用密封件。例如，密封件一般使用垫片。密封件也可以沿着该对极板的围缘设置。

已知的密封件是由弹性材料做成的。用弹性材料做成的密封件用于样品研究是足够的，然而，弹性材料的成本使其不能用于大规模生产。另一种已知的密封是由板上相邻两金属凸缘密封件之间的线接触产生的。然而，在燃料电池组在压缩的过程中可能会使金属凸缘密封件发生不希望的“压挤”或偏移。在燃料电池组的使用中部件的横向移动也可以导致不希望的流体泄露。

我们一直需求的是一种在燃料电池组的板间的防止从燃料电池组的流体泄露并且节省生产成本的牢固凸缘密封件。

发明内容

依据本发明，一种用于燃料电池组板间密封的牢固的联锁凸缘密封件已被惊奇的发现，其中该凸缘密封件能够防止从燃料电池组的流体泄露并节省生产成本。

在第一个实施例中，用于双极板的联锁凸缘密封件包括形成在第一板上的第一细长凸缘和形成在第二板上的第二细长凸缘。第一细长凸缘具有密封面并且第二细长凸缘具有凹槽。

在另一个实施例中，具有联锁凸缘密封件的双极板包括第一板和第二板，其中第一板具有带密封面的第一细长凸缘，第二板具有带凹槽的第二细长凸缘。第一板和第二板被结合在一起。第一细长凸缘基本上与第二细长凸缘相对设置以形成联锁凸缘密封件。

在另外一个实施例中，一种燃料电池组包括堆叠排列的多个联锁双极板。多个双极板包括第一双极板和第二双极板。第一双极板具有带凹槽的第一联锁凸缘密封件。第二双极板具有带密封面的第二联锁凸缘密封件。第二联锁凸缘密封件的密封面被容纳在第一联锁凸缘密封件的凹槽中并与其联锁。

附图说明

图1是现有技术中已知的一个说明性的燃料电池组的分解透视图。

图2是图1中燃料电池的一个双极板的俯视图，该双极板具有单个凸缘密封件。

图3是组装于现有技术中已知的燃料电池组中两个双极板上的单个凸缘密封件的侧面剖视图。

图4a是本发明的一个实施例中带有联锁凸缘密封件的双极板的侧面剖视图。

图4b是本发明的另一个实施例中带有联锁凸缘密封件的双极板的侧面剖视图。

图5是依据本发明的联锁凸缘密封件的侧面剖视图，其中所示联锁凸缘密封件处于未压缩状态的燃料电池组中

图6是图5中显示的联锁凸缘密封件的侧面剖视图，其中所示联锁凸缘密封件处于压缩状态的燃料电池组中。

图7是依据本发明的联锁凸缘密封件的侧面剖视图，其中还包括带有微-密封垫的副垫片。

图8是依据本发明的联锁凸缘密封件的侧面剖视图，其中还包括形成在联锁凸缘密封件的第一表面和第二表面上的微-密封垫。

具体实施方式

下面的详细说明和附图描述并且列举了本发明的多个实施例。该说明和附图是用来使本领域的技术人员能够制造并使用该发明，并不旨在以任何方式限制本发明的范围。

图1显示了在现有技术已知的一个说明性的两电池双极PEM燃料电池组10。为了简化起见，图1中仅显示了一个两电池燃料电池组(即一个双极板)，可以理解典型的电池组会具有更多这样的电池和双极板(例如：如图3所示)。尽管图中所示的是一个双极PEM燃料电池组，但是可以理解在不脱离本发明的范围和精神的条件下也可以使用其它类型和结构的燃料电池。

所示的燃料电池组10包括第一MEA12和第二MEA14，每个MEA都具有一个置于阳极和阴极之间的电解质膜。导电的双极板16被放在第一MEA12和第二MEA14中间。第一MEA12、第二MEA14和双极板16在夹板18、20和端板22、24之间被堆叠在一起。夹板18、20与端板22、24之间是绝缘的。

每个端板22、24的工作面和双极板16的两个工作面分别包含形成在各自中具有多个流槽的各自的流场26、32、28、30。流场26、28、30、32用于在MEA12、14表面上分配反应物如氢气和氧气/空气。

不导电的垫片34、36、38、40可以分别放在端板22和第一MEA12之间、第一MEA12和双极板16之间、双极板16和第二MEA14之间和第二MEA14和端板24之间。垫片34、36、38、40有利于密封并且分别使端板22和第一MEA12、第一MEA12和双极板16、双极板16和第二MEA14、第二MEA14和端板24电绝缘。

说明性的燃料电池组10的MEA12、14可以具有不导电的副垫片或阻挡膜42、44。既可以单独使用又可以和垫片34、36、38、40一起使用的副垫片42、44从电极的边缘伸出，并且有利于在第一MEA12和双极板16之间、双极板16和第二MEA14间的密封。副垫片42、44也使得第一MEA12和双极板16，双极板16和第二MEA14电绝缘。作为非限制性的例子，副垫片42、44可以分别和不导电的垫片34、36、38、40形成为一体。副垫片42、44也可以和电解质膜形成为一体。在另外实施例中，副垫片42、44是由另一种合适的不导电材料做成并且分别和MEA12、14连接在一起。总起来说，MEA12、14，垫片34、36、38、40和副垫片42、44通常被称为燃料电池的“织物(softgoods)”或“织物层”。

透气的DM46、48、50、52分别紧靠第一MEA12和第二MEA14的电极。DM46、48、50、52被分别放在端板22和第一MEA12之间、第一MEA12和双极板16之间、双极板16和第二MEA14之间和第二MEA14和端板24之间。

双极板16、端板22、24和垫片34、36、38、40每个都含有阴极进气孔54和阴极排气孔56、冷却液进入孔58和冷却液排出孔60、阳极进气孔62和阳极排气孔64。双极板16、端板22、24和垫片34、36、38、40中各自的孔54、56、58、60、62、64对齐形成了燃料电池组10的供给歧管和排放歧管。氢气经过阳极入口管66进入阳极供给歧管。空气经过阴极入口管68进入燃料电池组10的阴极排放歧管。阳极出口管70和阴极出口管72也分别被设置为阳极供给歧管和阴极排放歧管。冷却液入口管74设置用来把冷却液输送到冷却液供给歧管。冷却液出口管76设置用来把冷却液从冷却液排放歧管排出。可以理解图1中的各入口端66、68、74和出口端70、72、76的结构是为了说明的目的，按照需要也可以选择其它的结构。

图2是更详细地显示了双极板16。双极板16其上形成有单个凸缘密封件200。该单个凸缘密封件200通常与其外缘202相邻地形成在双极板16上。单个凸缘密封件200也可以邻近并围绕孔54、56、58、60、62、64中的至少一个放置。

关于图3，显示的是具有一对双极板16的现有技术的燃料电池组10沿图2中剖面线3---3的剖视图。应该能够了解，燃料电池组10在结构方面基本上和上述的燃料电池组10一致，并且一对双极板16在结构方面基本上和上述的双极板16一致。例如，在双极板16的表面的基本上法线方向施加载荷使一对双极板16在压缩状态下相配合。

该对双极板16中的每一个双极板16都是由第一单极板301和第二单极板302组成。第一单极板301和第二单极板302相结合。被结合的第一和第二单极板301、302形成与该对双极板16的每个的流场28、30相邻的内部槽(未显示)，用来使冷却液流过内槽从而调节所示燃料电池组10的温度。第一和第二单极板301、302也可以使用本领域中已知的多种合适的方法中的至少一种进行结合，如焊接法或使用粘结剂法。其它适合的第一单极板301和第二单极板302的连接方法也可以按需要选择。

燃料电池组10的该对双极板16之间放置有织物层304，例如垫片34、36、38、40和副垫片42、44中的至少一个。该对双极板16的每个上都形成有单个凸缘密封件200。单个凸缘密封件200具有基本上呈弓形的表面。作为非限制性的例子，单个凸缘密封件200可通过在第一和第二板301、302上经冲压形成。当燃料电池组10处于压缩状态时该对双极板16每个的单个凸缘密封件200把织物层304夹在中间。在压缩状态，这些单个凸缘密封件200之间发生接触。这样就为燃料电池组10提供了基本上透不过流体的密封。

下面参照图4a至8更详细的描述了本发明。参照图4a，联锁双极板400包括第一板401和第二板402。当第一和第二板401、402连结在一起时形成联锁凸缘密封件403。应该能够认识到，除了联锁凸缘密封件403，第一和第二板401、402在结构方面基本和上述的第一和第二板301、302一致。

联锁凸缘密封件403包括形成在第一板401上的第一细长凸缘404和形成在第二板402上的第二细长凸缘406。第一细长凸缘404具有密封面408。第二细长凸缘406具有用于容纳第一细长凸缘404的密封面408的凹槽410。具有凹槽410的第二细长凸缘406也被称为“双重密封凸缘”。如果需要，第二细长凸缘406可以包括多个凹槽410。作为非限制性的例子，密封面408和凹槽410中的至少一个可具有利于联锁凸缘密封件403的所需刚性和弹性的截面形状。例如，密封面408和凹槽410中至少一个具有基本上呈弓形的横截面。第一细长凸缘404和第二细长凸缘406中至少一个可关于其纵轴线基本对称。应该能够理解，可根据需要使用其它合适的横截面形状如三角形形和不对称形中的至少一种。例如，密封面408的至少一部分适于被相邻的第一联锁双极板400的凹槽410容纳或与其联锁。

在图4b中显示的另一个实施例中，第一细长凸缘404可以具有基本上呈蛇形的横截面。应当认识到，蛇形的第一细长凸缘404可以通过例如冲压工艺等被拉长。例如，被拉长的蛇形第一细长凸缘404因此可被加工硬化，并且与具有基本上弓形截面的第一细长凸缘404相比，具有更大的屈服应力。技术人员也可以理解：具有蛇形第一细长凸缘404和带有多个凹槽410的第二细长凸缘404中的至少一个的联锁凸缘密封件403可以比具有单一弓形横截面的第一细长凸缘406和带有单个凹槽410的第二细长凸缘404的联锁凸缘密封件403提供更大的弹性响应。只要能够让联锁凸缘密封件403具有所需弹性响应，第一和第二细长凸缘404，406可以按需要采用其它形状的横截面。

应该可以理解，除联锁凸缘密封件403以外，联锁双极板400在结构方面和上述的双极板16一致。联锁凸缘密封件403可以邻近联锁双极板400的围缘设置。同样，联锁凸缘密封件403可以围绕着形成在联锁双极板400上的孔54、56、58、60、62、64中的至少一个设置。根据需要也可选择联锁凸缘密封件403的其它合适的定位。

在图5至图8中显示的实施例中，燃料电池组500可由堆叠排列的多个联锁双极板400形成。和图4a和4b中相同或相关的结构具有相同的附图标号，为了清楚起见带有上标(′)或双上标(″)。

在图5中，多个联锁双极板400包括第一联锁双极板400′和第二联锁双极板400″，其中第一联锁双极板400′由第一和第二板401′、402′组成，第二联锁双极板400″由第一和第二板401″、402″组成。第一和第二联锁双极板400′、400″具有相应的第一和第二联锁凸缘密封件403′、403″，其中第一和第二联锁凸缘密封件403′、403″分别具有第一细长凸缘404′、404″和第二细长凸缘406′、406″。第一细长凸缘404′、404″具有对应的密封面408′、408″和第二细长凸缘406′、406″具有对应的凹槽410′、410″。第一联锁双极板400′的凹槽410′用来容纳第二联锁双极板400″的密封面408″。应该可以理解，第一和第二联锁凸缘密封件403′、403″因此有利于燃料电池组500中的多个双极板400具有期望的对准。

例如，燃料电池组500中的第一和第二联锁双极板400′、400″之间夹着一个织物层502，例如垫片34、36、38、40和副垫片42、44中的至少一个。除非另有说明，否则可以理解为织物层502在结构方面基本上和上述本领域的织物层304一致。图5中显示的燃料电池组500处于一种未压缩的状态，即，没有在燃料电池组500上沿第一和第二联锁双极板400′、400″表面的基本上法线方向施加足够的载荷使得联锁双极板400′、400″相接触。

图6显示的是燃料电池组500处于压缩状态，其第二联锁双极板400″的密封面408″和第一联锁双极板400′的凹槽410′形成接触面600。因此就形成了联锁胎圈密封602，它提供了第一和第二联锁双极板400′、400″之间的基本上透不过流体的密封。当准确对准时，随着燃料电池组500被压缩，密封面408″的纵向中心线可以和凹槽410′接触并且发生变形使其和凹槽的轮廓相匹配。

可以理解，例如，联锁凸缘密封件403′、403″可具有弹性并且对载荷具有基本上弹性的响应。通过增加接触面600的接触面积和提供更加均匀的载荷的接触压力分布，基本上弹性的响应防止产生集中的接触压力。在燃料电池组500在其工作中的典型伸展和压缩的过程中，第一细长凸缘404′、404″的密封面408′、408″可具有足够的弹性响应使第一细长凸缘404′、404″周期地、弹性地变形进入第二细长凸缘404中并恢复。在燃料电池组500的运行过程中弹性响应也能够防止密封面408′、408″的老化。

本发明的联锁凸缘密封件403′、403″弹性特点优化了燃料电池组500的拆卸和重组。例如，由于联锁凸缘密封件403′、403″的塑性变形被最小化，所以双极板400′、400″可以被重新利用。燃料电池组500可以被拆卸；燃料电池组500的部件如MEA 12、14可以被更换；并且燃料电池组500可以利用原来的双极板400′、400″重新组装。例如，当基本上保持原来燃料电池组500的高度时联锁凸缘密封件403′、403″弹性特点可以使联锁胎圈密封602被重新使用。

作为非限制性的例子，联锁凸缘密封件403的第一和第二细长凸缘404、406中的至少一个具有可达约100微米的弹性响应，在特殊实施例中可达约为150微米，并且在特殊说明性的实施例中可达约为200微米。例如，联锁凸缘密封件403也可以在力的作用下塑性变形至期望的程度并具有上述的所需弹性响应范围。本领域技术人员应该理解，至少部分基于具体燃料电池组500的设计，联锁凸缘密封件403的合适弹性回复值可以按需要选择。

压缩状态的燃料电池组500的织物层502与第一和第二联锁凸缘密封件403′、403″协作以有利于在它们之间形成基本上透不过流体的密封。如图7所示，织物层可以在其上形成有微-密封垫700。微-密封垫700用来促进基本透不过流体的密封。如图8所示的另一个实施例中，微-密封垫700′可形成在联锁双极板400′、400″的密封面408′、408″和凹槽410′、410″中的至少一个上。例如，微-密封垫可以是任何常规材料如人造橡胶，或者其它能够提供所需密封性能的材料。例如，微-密封垫700、700′可以由丝网印刷法、滴涂法和模塑法中的至少一种方法做成。应该理解其它制造微-密封垫700、700′的方法也可以按需选用。

技术人员还应理解，尽管在这里描述的联锁凸缘密封件403仅有一个密封面408和一个凹槽410，但是本发明的范围包括联锁凸缘密封件403具有多个密封面408和用以容纳多个密封面408的多个凹槽410。

令人惊奇的是，本发明的联锁凸缘密封件403在燃料电池组500的运行过程中能够阻碍第一和第二联锁双极板400′、400″之间的横向运动或滑动。在使用燃料电池组500的车辆运行中发生碰撞或振动时横向运动也被限制。因此也阻止了随着横向运动在织物上可能引起的隆起。利用本发明也可以阻碍在第一和第二联锁双极板400′、400″和扩散介质之间的滑动并且阻碍由于该滑动可能引起的扩散介质的老化。联锁凸缘密封件403也利于形成比其它的密封件更大的接触面积。

与织物层或使用一般现有技术的凸缘密封件的燃料电池组相比较，织物层502或带有本发明的联锁凸缘密封件403的联锁双极板400能够降低制造成本。例如，联锁凸缘密封件403不需要额外的表面加工处理，如施加密封材料。例如，通过冲压使联锁凸缘密封件403直接结合到联锁双极板400并且去除了密封剂施加的生产工艺，制造成本因此被最小化。

此外，没有，本发明的联锁双极板400可便于制造不带有图1中描述的不导电的垫片34、36、38、40的燃料电池组500。因此燃料电池组500的材料和装配成本被进一步优化。

虽然为了说明本发明已经示出了一些有代表性的实施例和详细资料，但是，对本领域技术人员来讲在不脱离本发明的范围内可以做各种各样的变化是显然的，所述本发明的范围在所附权利要求中被进一步描述。

Claims (20)

1.一种用于双极板的联锁凸缘密封件，包括：

形成在第一板上的第一细长凸缘；和

形成在第二板上的第二细长凸缘，该第一细长凸缘具有密封面且该第二细长凸缘具有凹槽。

2.如权利要求1所述的联锁凸缘密封件，其中密封面和凹槽的至少一个具有基本上弓形的横截面，第一凸缘和第二凸缘关于其纵轴线基本对称。

3.如权利要求1所述的联锁凸缘密封件，包括形成在第一凸缘和第二凸缘的至少一个上的微-密封垫，该微-密封垫用来促进基本上透不过流体的密封。

4.如权利要求3所述的联锁凸缘密封件，其中微-密封垫由丝网印刷法、滴涂法和模塑法中的一种方法成形。

5.如权利要求1所述的联锁凸缘密封件，其中第一凸缘和第二凸缘中的一个具有高达约100微米的弹性回复。

6.如权利要求1所述的联锁凸缘密封件，其中第一凸缘包括多个弓形密封面并且第二凸缘包括多个基本弓形凹槽。

7.一种具有联锁凸缘密封件的双极板，包括：

具有带密封面的第一细长凸缘的第一板；和

具有带形成在其中的凹槽的第二细长凸缘的第二板；

其中第一板和第二板被结合在一起，并且第一板与第二板基本上相对设置以形成联锁凸缘密封件。

8.如权利要求7所述的双极板，其中联锁凸缘密封件邻近该双极板的围缘设置。

9.如权利要求7所述的双极板，还包括形成在该双极板上的至少一个孔，该联锁凸缘密封件围绕着该孔设置。

10.一种燃料电池组，包括：

堆叠排列的多个双极板，每个双极板包括带有凹槽的第一联锁凸缘密封件和带有密封面的第二联锁凸缘密封件，其中所述双极板之一的第二联锁凸缘密封件的密封面被容纳在另一个双极板的第一联锁凸缘密封件的凹槽中并与该凹槽联锁。

11.如权利要求10所述的燃料电池组，其中密封面和凹槽有利于所述多个双极板的对准。

12.如权利要求10所述的燃料电池组，其中密封面和凹槽形成基本上透不过流体的密封。

13.如权利要求10所述的燃料电池组，还包括夹在第一联锁凸缘密封件和第二联锁凸缘密封件之间的织物层。

14.如权利要求13所述的燃料电池组，其中织物层包括形成于其上的微-密封垫。

15.如权利要求13所述的燃料电池组，其中织物层与第一和第二联锁凸缘密封件合作以有利于在它们之间形成基本上透不过流体的密封。

16.如权利要求10所述的燃料电池组，其中施加到燃料电池组的压缩力导致第一细长凸缘和第二凸缘发生弹性变形。

17.如权利要求10所述的燃料电池组，其中第一和第二联锁凸缘密封件阻碍双极板间的横向滑动。

18.如权利要求10所述的燃料电池组，其中第一联锁凸缘密封件在燃料电池组运行的过程中具有阻碍密封面老化的弹性回复。

19.如权利要求10所述的燃料电池组，还包括夹在密封面和凹槽之间的微-密封垫。

20.如权利要求19所述的燃料电池组，其中微-密封垫被形成在密封面和凹槽中的一个上。

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