CN101821873A - 燃料电池堆及其制法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种燃料电池堆，包括围绕隔板、膜电极组件以及反应物歧管周边设置的封装材料层，其中，该封装材料至少部分地限定反应物歧管。该燃料电池堆还包括自第二面贯穿板体至第一面的第一开口，以及在该第二面中自该第一开口向隔板周边延伸的开放沟道。本发明还提供另一燃料电池堆，其具有第一面，该第一面包括供反应物通过的开口、在该第一面上界定的第一反应物流场、以及形成于第一面上并大体包围该开口的第一突起表面。该第一突起表面被调整及配置为与相邻板一面的第二表面配合，从而形成封装材料的流阻塞。

Description

燃料电池堆及其制法

技术领域

本发明涉及用来产生电能的燃料电池堆(fuel cell stacks)，尤其涉及一种包括封装材料层的燃料电池堆。

背景技术

基于膜的电化学电池，尤其是质子交换膜(proton exchangemembrane；PEM)燃料电池已为业界熟知。PEM燃料电池将化学能转化为电能而几乎没有任何环境排放。与普通电池不同的是，PEM燃料电池并不储存能量，而是从供应燃料中提取能量。因此，燃料电池不存在充/放电周期，只要持续供应燃料，燃料电池就能保持特定的功率输出。已有大量的资金投资于燃料电池的研究和商业化，表明此技术蕴含巨大的市场潜力。不过，与传统发电技术相比，燃料电池的高成本阻碍了其广泛的应用。相关的材料和人力成本导致燃料电池的制造和组装成本极高。事实上，高达85％的燃料电池成本来自制造。

一般来说，PEM燃料电池单元由阳极输送室和阴极输送室组成，并由离子导电薄膜将彼此隔离。无论有无气体扩散层，通常都将该经催化的膜称作膜电极组件(membrane electrode assembly；MEA)。当向PEM燃料电池的阳极输送室和阴极输送室分别供应反应物、还原剂和氧化剂时，能量转换开始。氧化剂包括纯氧、含氧气体例如空气、以及卤素例如氯气。还原剂，这里也称作燃料，包括氢、天然气、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、甲醛、甲醇、乙醇、酒精混合物以及其他富氢有机物。还原剂在阳极被氧化生成质子，质子通过该膜迁移至阴极。质子在阴极与氧化剂发生化学反应。整体的电化学氧化还原反应是自发的，并释放能量。在此反应过程中，质子交换膜用于防止氧化剂与还原剂混合，并允许离子迁移。

现有技术的燃料电池设计包括不止一个单元，事实上，通常连续结合多个膜电极组件、流场和隔板，从而形成燃料电池“堆”，以提供大部分商业应用所需的更高的电压和有效功率输出。在燃料电池中可通过流场分配反应物，流场通常与燃料电池中的多孔电极层相互分离。根据堆的配置，可在堆设计中使用一个或多个隔板，以防止燃料、氧化剂和冷却流在燃料电池堆里发生混合。此隔板还可为堆提供结构支持。

双极板的功能等同于氧化剂流场、燃料流场和隔板三者相结合，由于使用双极板可减少燃料电池中的元件数量，因而经常用于燃料电池设计中。双极板包括沟道阵列，其形成于与膜电极组件接触的板表面，起流场的作用。岛部(lands)传导电极电流，而岛部间的沟道则用来分配燃料电池所使用的反应物，并促进移除例如水等反应副产品。通过沟道的引导，将双极板一面的燃料自燃料入口分配至燃料出口，同时将双极板反面的氧化剂自氧化剂入口分配至氧化剂出口，双极板的这两面不通过板连接。可针对燃料电池堆的运行参数，例如温度、功率输出、气体加湿和流率等进行双极板流场沟道的设计优化。燃料电池堆所使用的理想双极板应当轻薄耐用，具有高导电性和防腐蚀结构，例如可为碳/高分子复合材料或石墨。燃料电池堆中的各个双极板分别通过其燃料流场面向膜电极组件分配燃料，而其反面的氧化剂流场面则向另一膜电极组件分配氧化剂。可将由石墨或碳制成的多孔纸、布或毛毡的薄片设在各流场和膜电极组件的催化面之间，以在膜电极组件遇到流场中用来将电流传导至相邻岛部的沟槽的地方提供支持，并辅助向膜电极组件分配反应物。通常将该薄片称作气体扩散层(gasdiffusion layer；GDL)，其可纳入膜电极组件中。

必要时，特定的堆元件，例如膜电极组件的气体扩散层部分，可为多孔状，用于分配进入、离开以及燃料电池堆中的反应物和副产品。由于堆中元件的多孔性，还需要提供装置来防止堆元件之间(或堆外部)的液体或气体的渗漏，以及防止各种堆元件由于暴露于环境中而变干。因此，通常将垫圈或其他密封件设在膜电极组件或质子交换膜的表面与其他堆元件之间以及堆外围部分。无论是否由弹性体材料或粘性材料构成，这些密封件都可放置、安装、形成、或直接涂在要密封的表面上。这些制程都是劳动密集型，不利于大批量生产，增加了燃料电池的成本。

此外，这些制程的易变性降低了产品良率和器件可靠性。

燃料电池堆还可包括具有一个或多个冷却剂流场的加湿沟道。这些加湿沟道在尽可能接近燃料电池的运行温度下加湿燃料和氧化剂。当进入燃料电池的气体和质子交换膜的温度差异较大而使水蒸气自质子交换膜转移至燃料流和氧化剂流时，这些加湿沟道有利于防止质子交换膜脱水。

燃料电池堆的涉及范围取决于功率输出、冷却以及其他技术要求，但可能利用大量膜电极组件、密封件、流场和隔板，导致组装复杂，制造难度增加，并增加了燃料电池成本。通常将大量的独立元件组装在单个复合单元里。通过使用端板和螺栓来压缩该复合单元，从而形成燃料电池堆，不过还可使用捆绑等其他方法，以使垫圈密封件和堆元件紧密结合从而保持其间的电接触。传统的压缩方法增加了元件数量，增加了堆的复杂性，并产生了额外的密封要求。

现有技术做出了多种尝试来解决燃料电池堆组装设计中存在的缺陷，以降低生产成本。但是，大多数堆组装设计仍然需要手工排列元件、主动放置密封装置和/或多步骤制程，这些都给实施带来明显缺点，参见如Schmid的美国专利6,080,503，Chi的美国专利4,397,917，Epp的美国专利5,176,966等描述的制程。

此外，传统燃料电池盒中，两种类型的膜电极组件占主导地位：1)膜延伸至气体扩散层的边界以外；2)垫圈材料形成膜电极组件的边，同时膜和气体扩散层具有大约相同的尺寸和形状(参见Ballard的美国专利6,423,439)。第一种类型中，在延伸超过气体扩散层的膜边缘和堆的其他部分(双极板)之间用独立垫圈密封。第二种类型中，膜电极组件的垫圈直接密封堆的其他部分。上述各种方法都需要压缩以形成密封。这些基于压缩的密封要求堆中的所有元件高度精确，以保持一致的负载。膜电极组件供应商习惯于供应上述格式的膜电极组件。

现有技术中用于燃料电池的各种堆和其他电化学应用使用具有基于压缩密封的内部歧管设计。但是，上述结构具有一些值得注意的缺点。例如，在传统密封的歧管位于内部的堆中，围绕膜电极组件和内部歧管的密封牺牲了大量面积。一个解决办法是把部分或全部歧管置于堆外部。但是，这种结构的堆存在一些困难，例如对歧管和堆之间密封的困难。与传统的堆一样，通常密封由垫圈和压缩实现。不过，基于垫圈/压缩的密封件具有大量内在缺陷，包括对热循环的敏感性、对压缩一致性以及相关硬件的要求、高耐受部分以及细微的组装要求。

还有其他一些为改进燃料电池设计和性能而做的尝试。例如，美国专利4,212,929描述一种用于燃料电池堆的改进密封方法。该专利提出一种在歧管和堆之间夹置高分子密封架的密封系统。所述密封架与堆一起移动，降低了压缩期间普通歧管密封件的泄漏率。美国专利5,514,487和美国专利5,750,281描述包括大量歧管板的边缘歧管组。这些歧管板安装在燃料电池堆的相对侧，其功能是沿堆的周边有选择地导引反应物和冷却流。尽管这些设计对传统组件做了有限的改进，但通常不适于大批量生产。

基于现有技术的缺点和其他不足，本申请提出一系列新颖的在堆或模组中密封歧管口的方法以及密封堆或模组周边的方法，以减少劳动密集，适合大批量生产流程(见国际申请WO 03/036747)。该申请揭露一种燃料电池堆(以及其他电化学器件)的“一次成型(one-shot)”组件，其中，所有的元件部分都组装入一个模具中，而没有使用垫圈。在该模具中引入树脂，该树脂通过树脂迁移成型或注入成型技术选择性穿过该组件的特定部分。硬化后，该树脂即密封这些元件并在堆中限定全部歧管沟道，从而以粘接密封件取代传统堆的垫圈。

在另一个先前提到的专利申请中，申请人揭露一种新颖的燃料电池堆设计，其组装各个模组以形成满足功率输出的燃料电池堆，其中，各模组将大量单元永久结合在一起。(见国际申请WO02/43173)。

先前申请人曾描述具有膜电极组件的燃料电池，其中，气体扩散层和膜具有整体堆的外廓，并且彼此大致相同(见国际申请WO03/092096)。本技术的主要优点是可直接使用卷对卷(roll-to-roll)的膜电极组件而不必进行任何后续制程。不过，各膜电极组件的横截面的大部分用于密封各种歧管开口和堆的周边，使得仅50％的单元横截面能够用于电化学反应。

申请人还开发了基于膜的电化学单元，尤其是包括一个或多个周边设有模压垫圈的复合膜电极组件的质子交换膜燃料电池堆。该垫圈部分具有一个或多个特征，其能够在密封制程期间调节密封剂的流动(见国际公开2004/047210).

除上述改进外，本申请人意识到可对技术进行进一步的改进。本发明实施例描述了这些改进。

发明内容

通过阅读下面的说明可清楚了解本发明的目的和优点，并通过说明书、权利要求以及附图所清晰表示的方法和系统达成本发明的其他优点。

为达成本发明的目的，本发明包括一燃料电池堆。该燃料电池堆包括至少一个双极板组件，该双极板组件包括大体平坦的第一板体，该第一板体具有大体平坦的第一面。该第一面包括：由该第一板体界定的开口，以供反应物流过；界定于该第一面上的第一反应物流场；以及位于该第一面上大体包围该开口的第一突起表面，该第一突起表面被调整及配置为与位于相邻双极板组件一面上的第二表面配合，其中当该突起表面配合或定位时，该第一突起表面与第二表面形成流阻塞(flow obstruction)。第一膜电极组件可与第一反应物流场相通。反应物歧管经由第一流体流道与该反应物流场连通。该反应物歧管被调整及配置为促进反应物在该燃料电池堆中的传输。围绕所述隔板、膜电极组件和反应物歧管设置封装材料层。所述流阻塞可大体阻止该封装材料流入由第一板体界定的开口。

依据本发明另一态样，板间的流阻塞被调整及配置为使两元件之间保持电性隔离，并可在封装材料被纳入该燃料电池堆之前允许气体流过。在封装材料被纳入该燃料电池堆之前，该流阻塞被调整及配置为大体阻止气体流过。该流阻塞可包括围绕所述开口的O形环。

依据本发明另一态样，所述第一突起表面包括电气绝缘材料，该突起表面可与另一板接触而形成有效的封装材料流阻塞。该第一突起表面由不同于所述第一板体和第二板体的材料组成。该第一突起表面可与第一板体结合为一体结构。该第一突起表面可大体呈环形。该第一突起表面可完全包围所述开口。该第一突起表面还可沿其延伸范围包括至少一个断开。

依据本发明另一态样，还设置有第二突起表面，其大体包围所述开口。该第二突起表面可大体包围所述第一突起表面。

本发明还包括一种制造燃料电池堆的方法。该方法包括提供第一燃料电池隔板体，其具有大体平坦的第一面。在该第一板体界定有供反应物通过的第一开口。第一反应物流场界定于该第一面上，并在该第一面上形成大体包围所述第一开口的第一突起表面。该方法还包括设置第一膜电极组件的第一侧与所述第一反应物流场相通。该方法包括设置第二燃料电池隔板体，其具有大体平坦的第二面，该第二面与所述膜电极组件的第二侧相通，从而形成堆，该第二面包括由该第二板体界定以供反应物通过的第二开口。该第二面上还界定有第二反应物流场。在该第二面上形成大体包围该开口的容置表面。该第一突起表面与容置表面相互配合界定流阻塞。该方法还包括将该燃料电池堆封装在封装材料中。所述流阻塞可大体阻止该封装材料流入由所述第一板体界定的开口中。

本发明还包括一种燃料电池堆。该燃料电池堆包括一个双极板组件，其具有大体平坦的第一板体，该第一板体包括大体平坦的第一面，该第一面界定有第一反应物流场。该板体还具有大体平坦的第二面。该第二面界定有第一开口和第一开放沟道，该开口贯穿该板体至所述第一面，该开放沟道位于该第二面中，自该开口向该板的周边延伸。所述第一流场、第一开口和第一开放沟道界定第一流体流道。该燃料电池堆还包括第一膜电极组件，其具有可与所述第一反应物流场相通的第一面。反应物歧管经由所述第一流体流道与所述反应物流场流体连通。该反应物歧管被调整及配置为促进反应物在该燃料电池堆中的传输。在所述隔板、膜电极组件和反应物歧管周边设置封装材料层。该封装材料至少部分地限定该反应物歧管。

依据本发明另一态样，该双极板组件还包括大体平坦的第二板体，该第二板体具有大体平坦的第三面以及与所述第二面密切接触的大体平坦的第四面。该大体平坦的第三面界定有第二反应物流场。该大体平坦的第四面界定有第二开口和第二开放沟道，该第二开口贯穿该第二板体，该第二开放沟道位于该第四面中，自该第二开口延伸至该第二板的周边。其中所述第二流场、第二开口和第二开放沟道一起界定第二流体流道。

该燃料电池堆还可包括第二膜电极组件，其具有可与所述第二反应物流场相通的第一面。该第二面和第四面可相互配合在隔板中界定冷却剂流场，包括自该冷却剂流场向板周边延伸的沟道。该第二面和第四面可相互配合以界定下述中的至少一项：自所述双极板组件的外表面上的反应物流场向该双极板组件周边延伸的反应物流道；以及自该双极板组件中的冷却剂流场向该双极板组件周边延伸的冷却剂流道。上述流道中的至少一个流道终止于该双极板组件边缘的端口，该端口具有由所述第二面和第四面界定的周长。该板靠近所述端口的边缘界定有凹部，用于容置填充模插件。

该第一板体和第二板体可在所述第二面和第四面处结合为一体结构。该第一板体和第二板体可通过导电粘接密封结合。该导电粘接密封材料可例如为与所述第一板体和第二板体材料化学兼容的树脂材料，或者粘接材料。

依据本发明另一态样，该第二面中界定有密封沟道，该密封沟道大体包围所述第一开口和第一开放沟道。该密封沟道可包括邻近该第一板体周边的第一端和第二端。可在该密封沟道中设置封装材料。设在该密封沟道中的所述封装材料可大体使所述反应物沟道与冷却剂沟道与燃料电池堆中的其他流体源流体隔离。

本发明还包括一种制造燃料电池堆的方法。该方法包括提供一双极板组件，其包括大体平坦的第一板体，该第一板体具有：大体平坦的第一面，该第一面界定有第一反应物流场；以及大体平坦的第二面，该第二面界定有第一开口和第一开放沟道，其中该开口贯穿该板体至所述第一面，该开放沟道位于该第二面中，自该开口向该板的周边延伸。所述第一流场、第一开口和第一开放沟道界定第一流体流道。该方法还包括定位第一膜电极组件，使其可与所述第一反应物流场相通；以及将所述隔板和膜电极组件封装在封装材料层中。该封装材料至少部分地限定反应物歧管。该反应物歧管被调整及配置为促进反应物在该燃料电池堆中的传输。

上面的描述以及后面的详细描述仅为示例性质，意图进一步解释本发明。

附图构成说明书的一部分，用以辅助理解本发明的方法和系统，与说明书一起解释本发明的原理。

附图说明

图1描述依据本发明第一实施例的双极板组件和燃料电池堆的局部剖切透视图，其中所示隔板具有围绕开口的突起表面。

图2描述依据本发明第二实施例的双极板组件和燃料电池堆的局部剖切透视图，其中所示隔板具有围绕开口呈O形环的突起表面。

图3为图2所示的燃料电池堆的透视图，其中显示堆叠在一起的多个隔板。

图4描述依据本发明第三实施例的双极板组件的局部透视图，其中显示隔板上围绕开口的突起表面，其中一个环形突起表面围绕另一环形突起表面。

图5为使用图4所示使用隔板的燃料电池堆的局部剖切透视图，其中显示界定曲折密封流道的突起表面的横截面视图。

图6为图2所示的燃料电池堆的一部分的局部剖切透视图，其中显示设于该燃料电池堆歧管部分的周边的封装材料。

图7描述依据本发明第四实施例的双极板组件的透视图，其中显示隔板一侧连通反应物或冷却剂流场的开口。

图8为图7所示的双极板组件的一部分的透视图，详细显示隔板上连通反应物流场的开口，包括开放沟道。

图9为图7所示的双极板组件的一部分的透视图，其中显示界定于隔板一表面上的冷却剂流场、开放沟道以及连通冷却剂流场的开口。

图10为图7所示的燃料电池堆的一部分的透视图，其中显示位于双极板组件任一侧的膜电极组件，以及预先覆盖某些开口的填充模压插件，以将燃料电池堆封装入密封材料中。

具体实施方式

下列参照附图详细描述本发明的实施例，并结合系统的描述来描述本发明的方法和相应步骤。

这里提出的器件和方法可改善燃料电池的可制造性和应用。具体而言，本发明有利于降低公差要求，简化燃料电池元件，例如反应物和冷却剂歧管，并最小化人力需求。

依据本发明第一实施例，燃料电池堆包括至少一个双极板组件，该组件包括大体平坦的第一板体，该第一板体具有大体平坦的第一面。该第一面包括：由该第一板体界定的供反应物通过的开口；在该第一面上界定的第一反应物流场；以及在该第一面上大体包围所述开口的第一突起表面。该第一突起表面被调整和配置为与位于相邻双极板组件一面上的第二表面配合，经配合后，该第一突起表面与第二表面形成流阻塞。第一膜电极组件可与所述第一反应物流场相通。反应物歧管经由第一流体流道与该反应物流场流体连通，该反应物歧管被调整和配置为促进反应物在该燃料电池堆中的传输。围绕所述隔板、膜电极组件和反应物歧管设置封装材料层。所述流阻塞可大体阻止该封装材料流入由所述第一板体界定的开口。

出于描述目的而非限制本发明，图1显示依据本发明一较佳实施例的燃料电池堆100的局部视图。图2-6显示本发明燃料电池堆的其他实施方式。

本发明提供至少一个双极板组件102，其具有大体平坦的第一板体104。图1中显示5个双极板组件102，包括10个独立板体104，这些板体堆叠在一起构成燃料电池堆100的一部分。各板体104具有大体平坦的第一面106。在各板体104中界定开口108。图中所示的开口108为形成于板体104中的圆孔，不过开口108可为任意合适的形状。开口108经设计可使燃料或氧化剂等反应物通过该开口108供给至燃料反应堆100。

各板体104的一侧界定有反应物流场，例如燃料流场110或氧化剂流场124；另一侧可视需要地界定有冷却剂流场126，使得当两个板体104背靠背设置时，它们可联合将冷却剂流场126封闭于其间。以这种方式设置的两个板体104构成双极板组件102。如图1所示，双极板组件102具有界定于顶面106的燃料流场110，界定于底面114的氧化剂流场124，以及流过该双极板组件102中间的冷却剂流场126.

本领域的技术人员应了解，这里所用的术语”隔板”是指燃料电池堆中存在的各种类型的板。例如，隔板可包括位于燃料电池堆中间的双极板以及邻近燃料电池堆端板的终端板。

如图1所示，各板体104的第一面106上还界定有突起表面112，该突起表面112设置在开口108的周边。该突起表面112完全包围各开口108，不过，依据本发明，该突起表面112也可大体包围各开口108，而不是完全包围各开口108。例如，突起表面112可包含断开的表面或者不完全包围开口108。较佳地，突起表面112经设计而与相邻燃料电池双极板组件102的第二表面114相配合或对齐，如图1所示。经配合后，突起表面112和第二表面114共同形成流阻塞。该流阻塞用以阻止封装过程中封装材料自由流入开口108，如下所述。

各种不同配置可用作为流阻塞。如图1所示，突起表面112呈围绕开口108的简单环形特征。较佳地，与构成组件102其余部分的导电材料不同，突起表面112由不导电材料构成，并在组装燃料电池堆之前将该突起表面112附着于组件102以减少元件数量。换句话说，由于相邻双极板组件102彼此不应当电接触，所以突起表面112的材料应当使相邻组件102之间电气隔离。此外，如果需要，还可用不导电涂层保持隔离。此外还可使用绝缘O形环代替突起特征112，例如图2、3、6所示的O形环212。如需要，O形环212可围绕开口208在相邻隔板202之间形成密封。较佳地，突起表面112/212的材料与封装材料(如后面所述)兼容，从而可在相邻双极板组件102/202之间形成粘接密封。突起表面112可由硬质化合物或可压缩材料制成而不背离本发明的精神和范围。此外，突起表面112可以是作为分立元件(discrete component)的制造精密的垫片(washer)；或者是更为传统的垫片，在制造板104的过程中将其精确定位并模压至板。

图4和图5显示依据本发明另一实施例的流阻塞，其中，突起特征312与板302一体成形，以简化组装。突起特征312实际包括两个突起环形特征，其中一个包围另一个。不过，一个或两个突起环形特征可以有断开，只要突起特征312大体包围开口308即可。除环形外，本发明还可使用具有其他适当形状的类似突起。

在板302上相对突起特征312形成有互补突起特征313。相邻板302的突起特征312和313共同形成围绕开口308的流阻塞。由于不希望相邻板302之间形成电接触，所以较佳地，相邻板的突起特征312、313由不导电材料构成或其上具有不导电涂层。依据本发明另一实施例，突起特征312、313可配置为使结构间保持一定间距，以防止电接触。后续纳入该堆的封装材料可从特征312、313之间穿过。封装期间(如下面描述)，特征312结合特征313可限制封装材料自由流入开口308。

出于描述目的而非限制本发明，如图1所示，燃料电池堆100还具有膜电极组件116(membrane electrode assembly；MEA)。膜电极组件116夹置于各组的双极板组件102之间。在完全组装好的电池堆100中，各膜电极组件116一侧与氧化剂流场124流体接触，另一侧与燃料流场110流体接触。同现有技术一样，运行时，氧化剂和燃料流过膜电极组件116的相对两侧而产生电力。对本领域技术人员显而易见的是膜电极组件116可由多种合适的材料制成，并可具有多种配置。

依据本发明，歧管118与各反应物流场110、124以及冷却剂流场126流体连通。歧管118通常包括开口108，开口108通过堆叠而界定一填充部，如图1的横截面部分所示。各燃料电池双极板组件102包括一个或多个从填充部108至反应物流场110、124或冷却剂流场126的流道。这些流道由隔板102中板体104第二表面113中的沟道122以及相邻板体104的配合面113形成。沟道122可使流体自填充部108界定的圆柱体流入或流出氧化剂流场124(或图1所示位于相对侧的燃料流场110)。类似的沟道122连通开口108和冷却剂流场126。此外，还可在各相互配合面113中界定沟道122，例如图2所示的沟道222。

如图1至3所示，各反应物流场(例如110、224、210)自燃料电池双极板组件102、202的开口108、208流过一条可以使膜电极组件116上的反应最大化的路径后，从另一开口108、208流出。不过，对本领域技术人员显而易见的是本发明可采取任意合适形状的路径。此配置中，歧管118、218可使燃料、氧化剂和冷却剂在燃料电池堆中传输以产生电力。各流场(燃料、氧化剂和冷却剂)具有供流体流入的歧管118、218和相对侧供流体流出的歧管118、218，共有6个歧管118、218。不过，对本领域技术人员显而易见的是歧管可具有其他配置/数目，而不背离本发明的精神和范围。

出于描述目的而非限制本发明，系统100包括设于隔板周边的封装材料层(图1未图示)。图6显示封装材料层220，其包覆堆200的歧管218。在将封装材料220注入燃料电池堆200周边的过程中，流阻塞(例如112、212、312)阻止封装材料220自由流入开口108、208、308。这样，由开口(例如108)堆叠界定的各填充部中不会有多余封装材料220，否则，这些多余封装材料220会在填充部/歧管内形成阻塞，从而破坏燃料电池堆100、200、300的效率。流阻塞112、212、312最终可阻止封装材料220流入沟道122、222、322，否则，封装材料会堵塞沟道，使燃料电池堆无法正常工作。

为封装燃料电池堆(例如200)，可在所有组装元件的周边或注入孔内引入树脂。然后，通过燃料电池堆的端板经由组件内的各歧管孔抽真空。压力差将树脂引入组件的边缘，从而包覆组件中元件的所有边缘，使组件构成如美国专利6,946,210所述的燃料电池堆，该专利的全部内容包含于此作为参考。也可不抽真空而是通过对封装材料施压来形成压力差。此外，如果第一板上的突起特征(例如112)与相邻隔板表面之间形成有空间的话，同样的压力差还将树脂引入这些空间中。

压力差与完成密封制程所需时间依赖于燃料电池盒构造中所使用的材料，包括例如树脂粘度、流特性以及膜电极组件中所使用的气体扩散层类型等参数。基于这些参数，本领域的技术人员可判断合适的时间和压力。此外，密封期间如使用透明模，实施本发明者可透过该透明模观察到组件最顶层的树脂进度，因而可通过目视检查来确定最适当的时间和压力。

本发明可使用各种合适的封装材料220。较佳地，可使用与突起特征112、212、312兼容的树脂材料形成粘接密封。本领域技术人员应当了解，可使用任何合适的封装材料而不背离本发明的精神和范围。可对用于封装的树脂或密封剂进行选择，使其具备燃料电池系统运行时所需的必要化学和机械特性(例如氧化稳定性)。适当的树脂/密封剂包括热塑性和热固性弹性体。较佳的热塑性材料包括热塑性烯烃弹性体、热塑聚氨酯、弹性体、聚丙烯、聚乙烯、聚四氟乙烯、含氟聚丙烯以及聚苯乙烯。较佳的热固性材料包括环氧树脂、聚氨酯、硅脂、氟硅油以及乙烯脂。

如图6所示，在板体204的顶部和底部表面形成封装沟道223，该封装沟道223包围歧管218的开口208以及其他部分，以有效密封防止偏离歧管218中预定流道的燃料和氧化剂流入场210、224。沟道223的一部分223b隔离靠近O形环212的膜电极组件216的边缘。如图6所示，O形环212可部分或完全阻止封装材料220流入开口208。

应当注意的是，本发明的流阻塞不一定完全阻止封装材料进入开口，只要流阻塞能够在一定程度上阻止封装材料流入歧管，使得歧管大体不会阻塞即可。例如，图5显示位于突起特征312与突起配合特征313之间呈曲折流道形的小间隙。流体(特别是气体)可通过位于特征312和313之间的曲折流道形的流阻塞。不过，如果封装材料粘度足够和/或封装材料接近开口108时发生固化，则不会有大的封装材料流流过流阻塞312、313。

可能有少量封装材料填满该曲折间隙，甚至伸入歧管，从而在由开口308界定的大体圆柱形的填充部壁上形成小凸块或脊状隆起。但是，只要封装材料大体不阻塞沟道322，就不会对燃料电池堆300的效率产生明显影响。将封装材料填满特征312、313之间的间隙实际上有利于在歧管318内形成所需密封，并有助于在彼此相邻的板302之间实现电气隔离。

本领域的技术人员应当了解，可通过冷却热塑性树脂或固化热固性树脂来硬化封装材料。可固化、部分固化或增厚封装材料来帮助保持流阻塞结构的有效性，防止多余材料进入歧管。其可通过多种方法实现。例如，模压期间使加热气体通过歧管。又例如，燃料电池堆的隔板可通过加热插件在歧管区预热，可在模压期间移除或保留该加热插件。

参照图4和图5，除特征312和313外，燃料电池堆300基本类似前面所述的堆100和200。燃料电池堆300包括隔板302，各隔板在板间界面处328封闭冷却剂流场326。膜电极组件316位于相邻板302之间，其一侧与燃料流场310接触，另一相对侧与氧化剂流场324接触。开口308经由沟道322与燃料流场和氧化剂流场310、324以及冷却剂流场326连通。

本发明还提供一种制造燃料电池堆的方法。该方法包括提供双极板组件，该双极板组件包括两板体，其中第一隔板体包括大体平坦的第一面。该第一板体界定有第一开口，供反应物通过。所述第一面上界定有第一反应物流场。在该第一面上设置或形成第一突起表面，使其大体包围该第一开口。该方法还包括设置第一膜电极组件，使其第一侧与所述第一反应物流场相通。该方法还包括设置第二燃料电池隔板体，其具有大体平坦的第二面，与所述膜电极组件的第二侧连通，从而形成堆。该第二面包括由该第二板体界定以供反应物通过的第二开口。该第二面上界定有第二反应物流场。在该第二面上设置或形成大体包围该开口的容置表面。该第一突起表面和容置表面相互配合界定流阻塞。该方法还包括使用封装材料封装该燃料电池堆周边，其中，所述流阻塞可大体阻止该封装材料流入由所述第一板体界定的开口中。

出于描述目的而非限制本发明，如图1至6所述的实施例，第一双极板组件的第一燃料电池隔板体(如板体104)具有大体平坦的一面。在该第一板体中界定第一开口(如108、208、308)。在该板体的第一面上界定反应物流场(例如燃料流场110、210、310)。此外，在该第一面上设置或形成第一突起表面(例如112、212、312)。该第一突起表面大体包围该第一开口。所述流场、开口和突起表面都可通过现有技术制程形成于所提供的板体中。

本发明的方法还包括设置第一膜电极组件(例如116、216、316)，使其第一侧与所述第一反应物流场相通，如前面所述。对于本领域的技术人员显而易见的是，可选用合适的膜电极组件材料和配置。

本发明的方法还包括设置第二燃料电池隔板体(例如104)，其具有大体平坦的第二面，与所述膜电极组件的第二侧连通。该第二板体界定有第二开口(例如108、208、308)，以供反应物通过。该第二面上界定有第二反应物流场(例如124、224、324)。在该第二面上设置或形成有大体围绕该开口的容置表面。该第一突起表面与容置表面相互配合界定流阻塞，如前面关于堆100、200、300所作的描述。

本发明的方法还包括使用封装材料(例如220)封装该燃料电池堆周边，如图6所示。例如，可使用现有技术将燃料电池堆(如100、200、300)放置在模具中，向该模具中注入树脂，从而封装该堆，但本发明并不限于此。流阻塞可大体阻止封装材料流入由第一板体界定的开口中，如前面参照堆100、200、300所述。可通过向开口(例如108)构成的填充部施加真空和/或向树脂施压而移动封装材料，以密封该流阻塞。需注意的是，本发明的方法可包括任何其他合适的步骤来制造上述燃料电池堆。

与燃料电池制造的现有技术相比，结合图1至6所描述的方法和燃料电池堆具有以下优点。由于歧管特征设置在隔板内，因此无需制造复杂的外部歧管。而且，由于使用封装材料密封歧管并包覆燃料电池堆，可在一定程度上放宽各板的公差(例如表面光洁度、几何公差、允许拔模角、允许边缘半径等)。此外还减少了后加工程序。因此，与传统的燃料电池堆制法相比，本发明的燃料电池堆制法更为简单便宜。

依据本发明，燃料电池堆包括双极板组件，该双极板组件具有大体平坦的第一燃料电池隔板体。该第一隔板体具有大体平坦的第一面，该第一面界定有第一反应物流场。大体平坦的第二面界定有第一开口，其贯穿板体至所述第一面，并且该第二面中界定有第一开放沟道，该第一开放沟道自该第一开口向板周边延伸。所述第一流场、第一开口和第一开放沟道界定第一流体流道。该燃料电池堆还包括第一膜电极组件，其具有可与第一反应物流场相通的第一面。经由该第一流体流道，反应物歧管与所述反应物流场流体相通。该反应物歧管被调整及配置为促进反应物在燃料电池堆中的传输。围绕所述隔板、膜电极组件和反应物歧管设置封装材料层。该封装材料至少部分地限定反应物歧管。

出于描述目的而非限制本发明，图7至10显示依据本发明优选实施例的燃料电池堆。

参照图7，本发明提供双极板组件402，其包括大体平坦的第一板体404a。图4还显示大体平坦的第二板体404b。该第二板体可与第一板体404a背靠背一体结合。较佳地，板体404a、404b通过形成于二者之间的导电粘接密封结合。适当的密封材料包括与板体材料404a、404b化学兼容的树脂材料以及其他合适的已知粘接材料。还可使用这类材料将图1至6实施例中的板体密封在一起。各板体404具有大体平坦的第一面，该第一面界定有第一反应物流场410，其类似参照燃料电池堆100、200、300所述的流场(如110)。

如图8所示，本发明的各隔板404包括大体平坦的第二面，该第二面界定有贯穿板体404的第一开口409。开口409连通该第二面和第一面中界定的流场410。第一开放沟道422自开口409延伸至板体404的边缘，由此形成自板体404的边缘起穿过第一沟道422和开口409抵达流场410的流道。

参照图9，各板体409具有冷却剂流场426，其界定于与流场410相对的板体另一面。当两板体404结合时，如图10所示，两个冷却剂流场426结合形成冷却剂沟道。一般来说，冷却剂流场和冷却剂的使用并非强制。本发明可选择不使用冷却剂流场，不过本领域的技术人员很容易了解，使用冷却剂沟道具有控制燃料电池堆温度的优点。可选择不同的结合方法来结合板体404，只要结合剂和结合位置能够使板与板之间的不同区域之间形成密封界面即可。也可不使用板间结合，因为可在封装步骤中形成所有必要的密封。

图9显示沟道422。位于图9所示板体404相对角落中的沟道422用于使反应物流体流入流出如图7至8所示的反应物流场410。当两板体404相互配合形成双极板组件402时，一个板的角沟道422即与另一板的平坦沟道表面421相配合。位于板体404中部(与冷却剂流场426连通)的沟道422与另一相对板体404的中部沟道422相配合。本领域的技术人员很容易了解，中部沟道422的沟道配置(亦即沟道422通过彼此配合的板404彼此匹配，而不是与平坦表面421匹配)亦适用于角落沟道(例如见图2中的沟道222)或相反，而不会背离本发明的精神和范围。

参见图7和图10，膜电极组件416设于各板体404a、404b上。各膜电极组件116的一面可与反应物流场410流体相通，如前面参照燃料电池堆100、200、300所述。

出于描述目的而非限制本发明，参照图6至10，燃料电池堆400包括反应物歧管，该反应物歧管通过开口409和沟道422与反应物流场410连通。封装材料层(参见图6)设于所述隔板、膜电极组件和反应物歧管周边。因此，封装材料至少部分地限定反应物歧管。

如前面所述，反应物歧管经设计可用于在燃料电池堆400中传导燃料、氧化剂和冷却剂。如前面所述，可使用隔板中界定的特征，例如开口108、208、308等，来制成该反应物歧管。不过，如图10所示，燃料电池堆400具有一个主要由位于该堆400周边的封装材料形成的歧管。图10所示的填充模压插件430部分由隔板402边缘中的凹部包围，从而使插件430封住连接沟道422的隔板402开口，以便模压。在封装材料包围燃料电池堆400并移除填充模压插件430之后形成歧管，序列号为11/784,941和11/786,082的美国专利申请对此有详细描述，其全部内容包括于此作为参考。

图9显示包围角沟道422的封装沟道423。各封装沟道423的端部抵达板体404的边缘。可在主模压期间注入沟道423或单独模压沟道423，以使反应物流场410与冷却剂流场426隔离，如前面所述。沟道423包围开口409，不过本发明也可以使沟道423部分包围开口409，或者根本没有沟道423，只要保持开口409与流场426之间的密封功能即可。

燃料电池堆400的另一优点是各板体404大体一致。此外，侧孔无需通过向板内钻孔来形成，因为可通过个别配合板体所界定的沟道/表面的配合形成，同时各单元中设有冷却层。对于电池堆100、200、300，使用封装材料密封和/或形成部分歧管可放宽板体404的公差。

本发明还提供一种制造燃料电池堆的方法。该方法包括提供双极板组件，该双极板组件具有大体平坦的第一板体，该板体具有大体平坦的第一面，该第一面界定有第一反应物流场。大体平坦的第二面界定有第一开口，该开口贯穿板体至所述第一面，且在该第二面中界定有第一开放沟道，其自所述开口延伸至该板周边。所述第一流场、第一开口和第一开放沟道界定第一流体流道。该方法包括定位第一膜电极组件，使其可与所述第一反应物流场相通。该方法还包括在封装材料层中封装隔板和膜电极组件。封装材料至少部分地限定反应物歧管。该反应物歧管被调整及配置为促进反应物在该燃料电池堆中的传输。

出于描述而非限制目的目的，如图1至10所示，提供第一燃料电池双极板组件(如102、202、302、402)。该双极板组件包括大体平坦的第一板体(例如104、204、304、404)，该第一板体包括大体平坦的第一面(例如106)，该第一面界定有第一反应物流场(例如110、210、310、410)。大体平坦的第二面(例如113)界定有第一开口(例如108、208、308以及模压期间由部件430形成的净形产品(net shape))，该开口贯穿至第一面。第二面的第一开放沟道(例如122、222、322、422)自该开口延伸至板周边。所述第一流场、第一开口和第一开放沟道界定第一流体流道。

依据本发明的方法，定位膜电极组件(例如116、216、316、416)使其可与所述第一反应物流场相通。膜电极组件位在适当位置之后，执行在封装材料层(例如220)中封装所述隔板和膜电极组件的步骤。封装材料至少限定一部分的反应物歧管(例如118、218)。该歧管可以是参照图10所示的堆400描述的类型，其中，使用填充插件防止模压期间封装材料进入沟道。所述歧管还可以是参照堆100、200、300所述的类型，其中，在封入封装材料之前，该板包括大多数歧管特征。

依据本发明的方法和系统的燃料电池堆具有制造方便等优势。所提文档均包含于此作为参照。本领域的技术人员可依据上述装置和方法作各种变更而不背离本发明的精神和范围。因此，本发明意在涵盖所有落入权利要求范围内的各种变更。

Claims (40)

1.一种燃料电池堆，包括：

a)至少一个双极板组件，包括大体平坦的第一板体，该第一板体具有大体平坦的第一面，该第一面包括：

i)由该第一板体界定的供反应物从中通过的开口；

ii)界定于该第一面上的第一反应物流场；以及

iii)在该第一面上大体包围该开口的第一突起表面，该第一突起表面被调整和配置为与位于相邻双极板组件一面上的第二表面配合，其中，当该突起表面配合时，该第一突起表面与第二表面产生流阻塞；

b)第一膜电极组件，可与该第一反应物流场相通；

c)反应物歧管，经由第一流体流道与该反应物流场流体连通，该反应物歧管被调整和配置为促进反应物在该燃料电池堆中的传输；以及

d)封装材料层，设于该隔板、膜电极组件和反应物歧管周边，其中，该流阻塞大体阻止该封装材料流入由该第一板体所界定的该开口中。

2.如权利要求1所述的燃料电池堆，其中，在封装材料被纳入该燃料电池堆之前，该流阻塞被调整和配置为允许气体从中流过。

3.如权利要求1所述的燃料电池堆，其中，在封装材料被纳入该燃料电池堆之前，该流阻塞被调整和配置为大体阻止气体从中流过。

4.如权利要求1所述的燃料电池堆，其中，该第一突起表面包括电绝缘材料。

5.如权利要求1所述的燃料电池堆，其中，该第一突起表面由不同于该第一板体和第二板体的材料组成。

6.如权利要求1所述的燃料电池堆，其中，该流阻塞包括环绕该开口的O形环。

7.如权利要求1所述的燃料电池堆，其中，该第一突起表面与该第一板体结合为一体结构。

8.如权利要求1所述的燃料电池堆，其中，该第一突起表面大体呈环形。

9.如权利要求1所述的燃料电池堆，其中，该第一突起表面完全包围该开口。

10.如权利要求1所述的燃料电池堆，其中，该第一突起表面沿其延伸范围包括至少一个断开。

11.如权利要求1所述的燃料电池堆，还包括大体包围该开口的第二突起表面。

12.如权利要求11所述的燃料电池堆，其中，该第二突起表面大体包围该第一突起表面。

13.一种制造燃料电池堆的方法，包括：

a)提供第一双极板组件体，具有大体平坦的第一面，该第一面包括：

i)由该第一板体界定以供反应物从中通过的第一开口；

ii)界定于该第一面上的第一反应物流场；以及

iii)在该第一面上大体包围该第一开口的第一突起表面；

b)设置第一膜电极组件的第一侧与该第一反应物流场相通；

c)设置第二双极板组件，其具有大体平坦的第二面，该第二面与该膜电极组件的第二侧相通，从而形成堆，该第二面包括：

i)由该第二板体界定以供反应物从中通过的第二开口；

ii)界定于该第二面上的第二反应物流场；以及

iii)在该第二面上大体包围该开口的容置表面，其中，该第一突起表面与容置表面相互配合形成流阻塞；以及

d)将该堆封装在封装材料中，其中，该流阻塞大体阻止该封装材料流入由该第一板体所界定的该开口中。

14.如权利要求13所述的方法，其中，在封装材料被纳入该燃料电池堆之前，该流阻塞被调整和配置为允许气体从中流过。

15.如权利要求13所述的方法，其中，在封装材料被纳入该燃料电池堆之前，该流阻塞被调整和配置为大体阻止气体从中流过。

16.如权利要求13所述的方法，其中，该第一突起表面包括电绝缘材料。

17.如权利要求13所述的方法，其中，该第一突起表面由不同于该第一板体和第二板体的材料组成。

18.如权利要求13所述的方法，其中，该流阻塞包括环绕该开口的O形环。

19.如权利要求13所述的方法，其中，该第一突起表面与该第一板体结合为一体结构。

20.如权利要求13所述的方法，其中，该第一突起表面大体呈环形。

21.一种燃料电池堆，包括：

a)双极板组件，包括大体平坦的第一板体，该第一板体具有：

i)大体平坦的第一面，界定有第一反应物流场；

ii)大体平坦的第二面，界定有第一开口和第一开放沟道，该第一开口贯穿该板体至该第一面，该第一开放沟道位于该第二面中，自该开口向该板的周边延伸，其中该第一流场、第一开口和第一开放沟道界定第一流体流道；

b)第一膜电极组件，具有第一面，可与该第一反应物流场相通；

c)反应物歧管，经由该第一流体流道与该反应物流场流体连通，该反应物歧管被调整和配置为促进反应物在该燃料电池堆中的传输；以及

d)封装材料层，设于该隔板、膜电极组件和反应物歧管周边，其中，该封装材料至少部分地限定该反应物歧管。

22.如权利要求21所述的燃料电池堆，其中，该双极板组件还包括大体平坦的第二板体，该第二板体具有：

a)大体平坦的第三面；以及

b)大体平坦的第四面，与该第二面密切接触。

23.如权利要求22所述的燃料电池堆，其中，

a)该大体平坦的第三面界定有第二反应物流场；以及

b)该大体平坦的第四面界定有第二开口和第二开放沟道，该第二开口贯穿该第二板，该第二开放沟道位于该第四面中，自该开口延伸至该第二板的周边，其中该第二流场、第二开口和第二开放沟道还一起界定第二流体流道。

24.如权利要求23所述的燃料电池堆，还包括第二膜电极组件，其具有第一面，可与该第二反应物流场相通。

25.如权利要求22所述的燃料电池堆，其中，该第二面和第四面一起在隔板内界定冷却剂流场，包括自该冷却剂流场向板周边延伸的沟道。

26.如权利要求22所述的燃料电池堆，其中，该第二面和第四面一起界定下述中的至少一项：(i)自该双极板组件的该第一面和第三面的至少其中之一上的反应物流场向该双极板组件的周边延伸的反应物流道，以及(ii)自该双极板组件内部的冷却剂流场向该双极板组件的周边延伸的冷却剂流道。

27.如权利要求26所述的燃料电池堆，其中，上述流道中的至少一个流道终止于该双极板组件边缘的端口，该第二面和第四面至少部分地限定该端口的周长。

28.如权利要求27所述的燃料电池堆，其中，该板靠近该端口的边缘界定有凹部，用于容置填充模插件。

29.如权利要求21所述的燃料电池堆，其中，该第二面中界定有密封沟道，该密封沟道大体包围该第一开口和该第一开放沟道。

30.如权利要求29所述的燃料电池堆，其中，该密封沟道包括邻近该第一板体周边的第一端和第二端。

31.如权利要求29所述的燃料电池堆，还包括设在该密封沟道中的封装材料。

32.如权利要求31所述的燃料电池堆，其中，设在该密封沟道中的该封装材料大体以流动的方式使该反应物沟道与冷却剂沟道隔离。

33.如权利要求32所述的燃料电池堆，其中，该第一板体和第二板体在该第二面和第四面处结合为一体结构。

34.如权利要求33所述的燃料电池堆，其中，该第一板体和第二板体通过导电粘接密封而结合。

35.如权利要求34所述的燃料电池堆，其中，该导电粘接密封是由一种材料形成，该材料选自下列材料所组成的群组：(i)与该第一板体和第二板体材料化学相容的树脂材料；以及(ii)粘接材料。

36.一种制造燃料电池堆的方法，包括：

a)提供双极板组件，包括大体平坦的第一板体，该第一板体具有：

i)大体平坦的第一面，界定有第一反应物流场；

ii)大体平坦的第二面，界定有第一开口和第一开放沟道，该第一开口贯穿该板至该第一面，该第一开放沟道位于该第二面中，自该开口向该板的周边延伸，其中该第一流场、第一开口和第一开放沟道界定第一流体流道；

b)定位第一膜电极组件，可与该第一反应物流场相通；以及

c)将该隔板和膜电极组件封装在封装材料层中，其中，该封装材料至少部分地限定反应物歧管，该反应物歧管被调整和配置为促进反应物在该燃料电池堆中的传输。

37.如权利要求36所述的方法，其中，该封装步骤配合该燃料电池的该周边的一部分而共同限定下列至少一项的内表面：(i)氧化剂歧管，(ii)还原剂歧管，(iii)冷却剂歧管。

38.如权利要求37所述的方法，其中，该燃料电池的该周边的该部分包括下列至少一项：(i)该膜电极组件的边缘，以及(ii)板的边缘。

39.如权利要求36所述的方法，还包括在执行该封装步骤期间在模腔中插入至少一个可移除的流道模具，以限定该反应物歧管。

40.如权利要求39所述的方法，还包括围绕该燃料电池和该流道模具模压材料，以形成该反应物歧管。

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