CN101546835B - 燃料电池堆重复单元用的具有弹性体密封件的隧道桥 - Google Patents

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Abstract

燃料电池堆重复单元用的具有弹性体密封件的隧道桥：一种PEM燃料电池，包括第一板，第一板具有流场以沿其表面引导第一流体。第二板具有流场以沿其表面引导第二流体。密封件设置在第一板和第二板之间。密封件具有的板边缘限定集管孔来将第一流体传送至第一板。密封件限定的支架具有由第一板的流场支撑的第一侧，由此允许第一流体从第一集管孔直接流到第一板的流场。支架具有设置在第二侧上的衬垫。衬垫防止第一流体从集管孔直接流到第二板的流场。

Description

燃料电池堆重复单元用的具有弹性体密封件的隧道桥
技术领域
本发明涉及PEM燃料电池，更具体来说，涉及燃料电池堆内包含的密封结构。
背景技术
燃料电池已经用作许多装置的电源。例如，燃料电池已经用于电力车辆发电装置来代替内燃机。在质子交换膜PEM类型的燃料电池中，氢供给燃料电池的阳极，氧作为氧化剂供给阴极。PEM燃料电池包含的膜电极组件(MEA)包括薄的、质子可穿过的、非导电的、固体聚合物电解质膜，一面具有阳极催化剂并且另一面具有阴极催化剂。MEA夹在一对非渗透性导电元件或板之间，该对元件或板(1)用作阳极和阴极用集流器，以及(2)包含形成在其中的合适的沟槽和/或开口以在相应阳极和阴极催化剂的表面上分布燃料电池的气相反应剂。
根据上下文，术语“燃料电池”通常用于指单个电池或多个电池(堆)。多个独立电池通常集结在一起来形成燃料电池堆并且一般电串联设置。堆内的每个电池包含先前描述的膜电极组件(MEA)，每个这种MEA提供其电压的增量。堆内的一组相邻电池称作组。
在PEM燃料电池中，氢(H2)是阳极反应剂(即燃料)，氧是阴极反应剂(即氧化剂)。氧可以是单纯形式的O2或空气(O2和N2的混合物)。固体聚合物电解质通常由离子交换树脂例如全氟磺酸制成。阳极/阴极通常包括细分的催化剂颗粒，通常支撑在碳颗粒上并且与质子传导树脂混合。催化剂颗粒通常是昂贵的金属颗粒。因此，这些MEA制造成本相对较高并且需要特定条件，包括合适的水管理以及催化剂结垢成分例如一氧化碳(CO)的控制和湿润以有效工作。
夹持MEA的导电板可以在其表面内包含槽阵列，其在相应的阳极和阴极表面上限定了反应剂流场，用于分布燃料电池的气相反应剂(即氢和空气形式的氧)。这些反应剂流场通常包括多个台区，其在其间限定多个流动沟槽，气相反应剂从流动沟槽一端的供给集管通过流动沟槽流到流动沟槽另一端的排气集管。
通常，非导电性衬垫或密封件提供在燃料电池堆的几个板之间的密封和电绝缘。另外，密封件提供气相反应剂从供给集管到相应阳极和阴极催化剂表面的流道。传统的密封件包括模制柔顺材料例如橡胶。在一种应用中，必须提供通过堆的板所形成的端口来将气相反应剂和冷却剂分别从供给集管导向合适的流场。除了端口以外，或者用于替代端口，可以采用桥式插入件来提供隧道，用于将反应剂从供给集管通向合适的流场。
发明内容
一种PEM燃料电池，包括第一板，第一板具有流场以沿其表面引导第一流体。第二板具有流场以沿其表面引导第二流体。密封件设置在第一板和第二板之间。密封件具有的板边缘限定集管孔来将第一流体传送至第一板。密封件限定的支架具有由第一板的流场支撑的第一侧，由此允许第一流体从第一集管孔直接流到第一板的流场。支架具有设置在第二侧上的衬垫。衬垫防止第一流体从集管孔直接流到第二板的流场。
通过此后提供的详细说明，本发明的进一步的应用领域会变得显而易见。应当理解，详细说明和具体实施例虽然表示了本发明的优选实施方案，但仅用于说明目的并且不用于限制本发明的范围。
附图说明
通过以下详细说明和附图，本发明会更加全面地被理解。
图1示出了PEM燃料电池堆的示意性立体分解图；
图2示出了图1的一部分PEM燃料电池堆的分解图；
图3是图2的PEM燃料电池堆的细节组装图；
图4是图2的组装PEM燃料电池堆的局部剖视图；以及
图5是沿图4的线5-5所截取的PEM燃料电池堆的剖视图。
具体实施方式
以下优选实施方案的说明仅是示例性的，决非用于限制本发明、其应用或使用。
图1示出的局部PEM燃料电池堆10具有由非渗透性导电双极板20隔开的膜-电极-组件(MEA)14、16。MEA 14、16和双极板20在非渗透性导电双极板22和24之间堆叠在一起。多孔可透气的导电片或扩散介质26、28、30和32压靠MEA 14、16的电极面并且用作电极用的主集流器。扩散介质26、28、30和32还提供用于MEA 14和16的机械支撑，尤其是在MEA未被另外地支撑在流场中的位置。合适的扩散介质包含碳/石墨纸/布、细孔贵金属网、开放单元贵金属泡沫(opencell noble metal foams)等，其传导来自电极的电流同时允许气体通过。
双极板22和24压靠MEA 14的阴极面14c上的主集流器26以及MEA 16的阳极面16a上的主集流器32。双极板20压靠MEA 14的阳极面14a上的主集流器28以及MEA 16的阴极面16c上的主集流器30。氧化气体例如氧或空气从储槽38通过合适的供给管道40供给燃料电池堆10的阴极侧。类似地，燃料例如氢从储槽48通过合适的供给管道50供给燃料电池堆10的阳极侧。
在优选实施方案中，氧槽38可以被消除，空气从周边环境供给阴极侧。同样，氢槽48可以被消除，氢从重整器供给阳极侧，重整器从甲醇或液烃(例如汽油)催化产生氢。还提供了用于MEA的H2和O2空气侧的排气管道52，以从阳极流场除去耗尽H2的阳极气体，并从阴极流场除去耗尽O2的阴极气体。虽然所示排气管道52为单一管线，但是可以理解，可以提供不同的管线来排出每种气体。
现在参照图1-4，将更加详细地描述根据本发明的双极板20、22。双极板20和22用于携带阴极反应气体通过在第一表面上形成的流场56并且携带阳极反应气体通过在第二表面上形成的流场58。图2表示局部分解部分59。在图2的局部分解部分59中，双极板20的流场56将阴极反应气体通向MEA 14的阴极面。类似地，双极板22的流场58将阳极反应气体通向MEA 14的阳极面。虽然各个双极板20、22和24被示作在两面布置有流场56和58的单片，但是应当理解，双极板可以分别包括以背对背取向而放置的两个隔离板。
具体参照图2-4，将会更加详细地描述根据本发明教导的密封件60。密封件60通常包括支架62，一侧上形成有第一弹性体衬垫66，另一侧上形成有第二弹性体衬垫68。第二侧上的弹性体衬垫68用于密封除桥区70(图3)外的所有区域。桥区70，虽然为了示例目的而示作网区，但用于表示跨过入口孔74附近的流场56的台区72的区域。桥区70用于将阴极反应剂从入口集管孔74(图4)直接通向阴极流场56。
密封件60用于为相应的堆流(阳极、阴极和冷却剂)提供密封功能。衬垫66的阳极侧(从图2看为上侧)压靠MEA 14，MEA 14又压靠在双极板22的阳极侧上形成的第一接收沟槽76。衬垫68的阴极侧(从图2看为下侧)压靠形成在双极板20的阴极侧上的第二接收沟槽80。因此，作为整体，在堆中密封件围绕流体集管的入口和出口孔(没有全部具体示出)并且围绕各个MEA的阳极侧上的活性区域形成。
现在具体参照图4，将描述入口板边缘84。在组装位置，供给集管孔74由相应的双极板20、22和24以及MEA 14和密封件60围绕入口板边缘84限定。供给集管孔74具体用于沿大致竖直方向A所确定的流动方向来携带阴极反应气体。虽然没有示出，但是可以理解，阳极供给集管孔类似地邻近入口板边缘84的外缘形成。同样，补充系列的排气集管孔在供给集管的相对端处形成在出口板边缘(未具体示出)上。
现在更加详细地描述密封件60的构造。支架62总体包括聚合物膜或基体例如聚酰亚胺或聚酯。合适的材料包含
Figure G200910130278XD00041
(聚酰亚胺)和
Figure G200910130278XD00042
(聚酯)，二者都由E.L.DuPont Corporation生产。聚合物基体由形成衬垫的弹性体材料模制。虽然所示衬垫66、68模制为双珠截面(图5)，但是可以采用任何合适的尺寸。可以理解，这些材料仅为示例，也可以类似地采用其它材料。例如，支架62可选择地包括金属材料或聚合物和金属材料的混合物。
现在具体参照图4和5，将描述阴极反应气体的流道。总体上，第一流动部分A由阴极入口孔74(图4)沿大致竖直方向限定。第二流动部分B由阴极流场56沿大致水平方向限定。如图5所最佳示出，模制至密封件60的支架62的弹性体衬垫68在入口集管孔74的内部上限定的入口区域88处缺省。因此，可以允许从集管孔74到流场56的直接流体连通。虽然没有具体示出，但是可以理解，针对排气集管孔设置有相同的构造。因此，促进了从阴极流场56至排气集管孔的除水。
本领域技术人员现在通过上述说明可以理解，本发明的广义教导可以多种形式实施。例如，可以理解，虽然以上论述涉及提供用于支撑阴极桥接(cathode bridging)的密封件，密封件可选择地用于提供阳极桥接。此外，流场56和58仅是示例性的，可以采用其它流场来配合密封件60。因此，虽然本发明结合具体实施例进行了描述，但是本发明的真实范围不应当如此限制，因为通过研究附图、说明书和所附权利要求，其它变型对于本领域技术人员而言会变得显而易见。

Claims (15)

1.一种PEM燃料电池，包括：
第一板，具有流场以沿其表面引导第一流体；
第二板，具有流场以沿其表面引导第二流体；
膜电极组件(MEA)，该膜电极组件(MEA)设置在所述第一板与所述第二板之间；以及
设置在所述第一板或所述第二板与所述膜电极组件(MEA)之间的密封件，所述密封件具有的板边缘限定集管孔来将所述第一流体传送至所述第一板，所述密封件限定的支架具有由所述第一板的所述流场支撑的第一侧，由此允许所述第一流体从所述集管孔直接流到所述第一板的所述流场，所述支架具有设置在第二侧上的衬垫，所述衬垫防止所述第一流体从所述集管孔直接流到所述第二板的所述流场。
2.权利要求1的PEM燃料电池，其中所述第二板限定的沟槽接近所述集管孔以在此接受所述衬垫。
3.权利要求1的PEM燃料电池，其中所述第一板的所述流场限定的多个台区在相邻台区之间限定通道以接受来自所述集管孔的所述第一流体。
4.权利要求1的PEM燃料电池，其中所述第一板限定的板边缘具有形成在所述集管孔外部的沟槽以接受形成在所述支架的所述第一侧上的衬垫。
5.权利要求1的PEM燃料电池，其中从所述集管孔至所述第一板的所述流场的所述第一流体的流道完全由两个不同的流动部分限定，所述两个不同的流动部分包括：
通过所述集管孔限定第一方向的第一流动部分；和
从所述集管孔沿所述第一板的所述表面限定第二方向的第二流动部分。
6.权利要求5的PEM燃料电池，其中所述第一方向与所述第二方向基本垂直。
7.权利要求1的PEM燃料电池，其中所述支架是平的。
8.权利要求7的PEM燃料电池，其中所述支架选自聚合物、金属及其组合。
9.权利要求7的PEM燃料电池，其中所述支架包括选自聚酰亚胺、聚酯及其混合物的聚合物。
10.权利要求1的PEM燃料电池，其中所述衬垫是弹性体并且模制在所述支架上。
11.权利要求1的PEM燃料电池，其中所述第一板是阴极板并且所述第二板是阳极板。
12.权利要求11的PEM燃料电池，其中所述MEA具有与所述阴极板相对的阴极面和与所述阳极板相对的阳极面。
13.一种PEM燃料电池，具有第一和第二入口集管孔以分别传送第一和第二流体，所述PEM燃料电池包括：
第一板，具有流场以沿其表面引导第一流体；
第二板，具有流场以沿其表面引导第二流体；
膜电极组件(MEA)，该膜电极组件(MEA)设置在所述第一板与所述第二板之间；以及
设置在所述第一板或所述第二板与所述膜电极组件(MEA)之间的密封件，所述密封件具有的第一侧压靠所述第一板并且允许第一流体在所述密封件和所述第一板之间从所述第一入口集管孔通至第一板的流场，所述密封件具有的第二侧压靠所述第二板并且防止第一流体通至所述第二板，
其中所述密封件限定支架，所述支架具有第一侧以及第二侧，第一侧压靠所述第一板从而允许第一流体在所述密封件和所述第一板之间从入口集管孔通至第一板的流场，第二侧上形成有衬垫以压靠所述第二板从而防止第一流体通至所述第二板。
14.权利要求13的PEM燃料电池，其中所述密封件的所述第一侧压靠所述第一板的所述流场。
15.权利要求13的PEM燃料电池，其中从所述第一和第二入口集管孔至所述第一板的所述流场的所述第一流体的流道完全由两个不同的流动部分限定，所述两个不同的流动部分包括：
通过所述集管孔限定第一方向的第一流动部分；和
从所述集管孔沿所述第一板的所述表面限定第二方向的第二流动部分。
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