CN102956900B - 成形和填充子衬垫 - Google Patents

Abstract

本发明涉及成形和填充子衬垫。一种用于制造燃料电池电堆的子衬垫的方法，其中该燃料电池电堆具有被置于电堆内的一对板，该方法包括将膜定位在所述板之间的步骤。膜包括内部部分和曲折成形部分。该内部部分邻接所述燃料电池的质子交换膜，并且该曲折成形部分邻接每个所述板。曲折成形部分限定在所述板中的一个和所述膜之间的至少一个腔。粘性密封剂被注射到所述腔内。所述密封剂被固化以在所述膜上形成顺应性压条密封。

Description

成形和填充子衬垫

技术领域

本发明涉及燃料电池电堆并且更具体地涉及用于制造燃料电池电堆的子衬垫的系统和方法。

背景技术

燃料电池已经被提出作为一种针对各种应用的干净、高效且对环境负责的动力源。具体地，各个燃料电池能够被串联地堆在一起以便形成能够提供足以向电动车辆供给动力的电量的燃料电池电堆。燃料电池电堆已经被认为是在现代车辆中使用的传统内燃发动机的可能替代物。

燃料电池是电化学器件，其将例如氢的燃料和例如氧的氧化剂结合在一起以产生电。氧通常由空气流来供应。氢和氧结合导致水的形成。能够使用其他燃料，例如天然气、甲醇、汽油和例如由煤得到的合成燃料。

一种燃料电池类型公知为质子交换膜（PEM）燃料电池。PEM燃料电池通常包括三个基本部件：阴极、阳极和电解质膜。阴极和阳极通常包括被支撑在碳颗粒上并与离子型聚合物混合的细磨催化剂，例如铂。电解质膜被夹在阴极和阳极之间从而形成膜电解质组件（MEA）。

在典型的PEM型燃料电池中，MEA被夹在扩散介质或扩散层（DM）之间，该扩散介质或扩散层由弹性导电且可透过气体的材料（例如碳纤维或纸）形成。在某些设计中，阴极和阳极也被形成在DM上并在其间夹有电解质膜。DM用作阳极和阴极的电流收集器并且对MEA提供机械支撑。DM和MEA被压在一对导电双极板之间，这对导电双极板也用作电流收集器以用于收集来自电化学燃料电池反应的电流。

双极板通常包括两个薄的对置金属单极板。金属单极板中的一个在其一个外表面上限定流动路径以用于向MEA的阳极输送氢反应物。另一个单极板的外表面限定用于向MEA的阴极侧输送氧化剂反应物的流动路径。当单极板被结合时，结合的表面限定用于从其通过的冷却剂流体的路径。单极板通常由可成形金属制成，该可成形金属提供适当强度、电导率和抗腐蚀性，例如316L合金不锈钢。

燃料电池电堆通常被压缩以便在操作中将其各种部件保持在一起。为了阻止反应物和其他流体从燃料电池电堆的不良泄漏，通常使用密封。可以通过子衬垫来提供密封，例如该子衬垫被连接到电解质膜。密封还可以沿成对板的周界边缘设置。公知的密封由弹性体材料形成。

存在对于在燃料电池电堆的板之间的密封方法的持续需求，其中密封阻止流体从燃料电池电堆泄漏并且最小化制造复杂性。

发明内容

根据本公开，令人瞩目地发现了在燃料电池电堆的板之间的密封方法，其中该密封阻止流体从燃料电池电堆泄漏并且最小化制造复杂性。

成形子衬垫

成形子衬垫的材料候选：

子衬垫可以由薄膜聚合物制成，所述薄膜聚合物成本低且与燃料电池环境和制造子衬垫以及将子衬垫组装到燃料电池内所必要的处理步骤相容。一些膜材料是聚丙烯、PEN和PET的较高温度的变体。本领域的普通技术人员应该理解，在子衬垫厚度在子衬垫占地面积上变化的情况下泡沫型聚合物膜会是理想的。具体地，泡沫聚合物允许厚度变化而不需要在制造过程期间在膜的平面内存在过量的聚合物流动。

制造过程选项：

一种制造方法是热成型薄聚合物膜。具体可以使用公知为匹配模制（matchmolding）的热成型过程，并且其能够在膜内形成精确的细节。此外，匹配模制能够使得一些聚合物在零件的平面内流动，从而产生厚和薄这两种区段。通过将膜加热到恰在熔点之下或之上并且在零件的阳模和阴模之间挤压该膜从而实现匹配模制。

如果需要最终零件具有稍均匀的厚度并且不需要特征的精确性，则也可以使用真空成型和/或压力成型。因为成形的子衬垫不需要显著的伸缩性（即子衬垫是基本平面的），所以这种方法可以被使用。

密封压条成型件

密封压条成型件（sealbeadform）被设计成使得密封压条成型件在堆叠压缩期间能够弯曲，但并不会弯曲成使得应力减小密封压条成型件在注射未固化弹性体密封剂期间保持流体压力的能力。当被部分压缩时，例如，在注射未固化弹性体密封剂之前，密封压条成型件需要在与双极板的接触线处施加足够的力以便充分密封并阻止被注射的未固化弹性体密封剂的显著泄漏。密封剂的任何不显著的泄漏均应当不危害到压条的固化后压缩或阻止燃料电池电堆内反应物或冷却剂的流动。

密封压条成型件可以利用单个隆起的压条轮廓而仅接触一个双极板。这种实施例会在成形的压条轮廓的顶部和上部双极板的下表面之间需要薄的密封（或粘结剂）。第二实施例使用两个隆起的压条轮廓且具有沿成形弹性体通路并位于压条轮廓中的两个隆起之间的孔眼。当被填充时，未固化弹性体流动通过孔眼从而使得弹性体与两个双极板接触。

弹性体通路在电池的占地面积上连接在一个或更多个点处。这些连接点还允许通过基本重合的通路或孔在电池间流动。

短路保护：

可以通过在子衬垫上形成较厚区域从而大部分填充在密封压条成型件外侧的双极板之间的空间，来提供短路保护（例如在活性区之外）。可以通过使用较厚膜来开始或在具体实施例中在膜中形成图案从而获得较厚区域。

定位特征：

将子衬垫组件定位于双极板中的至少一个双极板的特征可以与密封压条成型件特征同时形成。这样确保了密封特征被准确地对齐于在双极板上的冲压特征。一种实施例将利用入口和/或出口来用于未固化弹性体密封剂的注射，因为这也可以被用于在堆叠期间将电池与电池对齐。

密封剂材料候选：

已经确定的是，相对低粘度（例如1000至2000cP）的未固化弹性体密封剂可以被使用以便保持填充时间相当短（例如大约30秒）并且注射压力能够由成形子衬垫器件内的弹性体通路所控制。固化技术可以是双组分的、热学的或者这二者的组合。还可以使用其他固化技术。

用于密封剂的其他适当材料可以是发泡弹性体流体，只要成形子衬垫通路内的泡沫压缩设定在燃料电池的寿命期间保持较低即可。

燃料电池电堆组件

堆叠：

成形子衬垫被置于每个双极板之间。子衬垫可以具有已经附接的燃料电池膜电极组件（MEA）。

在较小体积时，较小的电池组（例如10-30）可以被堆叠并密封。这些电池组能够在电池组之间使用可维护密封。这允许质量控制建立并且测试这些子电堆以及在技术成熟时使其适于使用。随着时间流逝，质量、可靠性和体积增加，电池组的尺寸会增加并且最终整个电堆被堆叠且密封成一个单元。这是由于对于维护的需求的减少以及密封数量和组装步骤的减小所导致的。

当子电堆被使用时，可以使用专用工具来压缩。这种工具模拟了通常由完全组装的燃料电池电堆的端部单元所提供的压缩。如果需要后期固化泄漏检查和/或性能测试，则这种工具完全模拟完整尺寸的电堆上所存在的端部单元。这将需要压缩、流体流动（氢、湿化空气以及可能的冷却剂）密封以及电连接（电池动力）和电隔离。

当完整尺寸的燃料电池电堆一旦被密封，则用于完整燃料电池电堆的成品电堆端部单元可以被用来代替专用工具。在这种情况中，提供了通过端部单元向电池电堆内注射弹性体。

与板的粘附：

虽然优选地是使用电池压缩来密封子衬垫内的未填充弹性体通路，不过必要的是将压条轮廓的基底处的弹性体通路旁边的区域粘附于每个双极板的一侧。这可以通过使用各种与燃料电池相容的压敏粘结剂或通过与被加热的双极板和/或热熔（heat-staking）工具接触而被激活的热熔粘结剂而实现。

部分压缩：

在这个步骤中电堆（或子电堆）被压缩成部分地压缩空的弹性体密封通路。这主要被完成用于将子衬垫膜密封于每个双极板并且在注射或填充步骤期间控制未固化弹性体的压力。

弹性体注射：

一旦确保了足够的密封（例如通过真空或压力泄漏测试），则之后使用喷嘴将未固化的弹性体注射通过电池组的一端以及一个或更多个注射点。分析表明大约60psi的填充压力通过使用具有大约1000cP粘度的流体提供了近似30秒的填充时间且具有期望的密封压条成型件轮廓。

根据需要，塞子还可以被插入到入口内以便保持任意未固化弹性体。还可以通过在弹性体注射之前和/或期间对弹性体通路抽真空来促进填充。

减少压缩：

在具体实施例中，期望释放对电池组的部分压缩以便允许密封压条成型件特征在高度上生长（例如达到其未压缩高度）并且允许弹性体固化成较高的形状。这将允许更多的密封压缩处于固化状态同时减少在成形的密封压条成型件上的应力。

密封固化：

一旦确保了完全填充并且停止了弹性体的流动，则能够经由多个途径固化弹性体。可以在室温下实现催化固化或者使用热来加速催化剂固化。热量可以在堆叠之前和/或期间被施加于双极板并且可以在填充步骤期间及之后渗透到弹性体中。

完全压缩：

一旦已经充分固化了密封，则电堆（或子电堆）之后被完全压缩并且安装在其封罩内并被传送到下一工作站以便进一步组装和/或质量检查。

在一个实施例中，一种用于制造燃料电池电堆的子衬垫的方法，其中该燃料电池电堆具有被置于电堆内的一对板，该方法包括将膜定位在所述板之间的步骤。膜包括内部部分和曲折成形部分。所述曲折成形部分被置于内部部分外侧。该内部部分邻接所述燃料电池的质子交换膜。在具体实施例中，内部部分是基本平面的。曲折成形部分邻接每个所述板。曲折成形部分限定在所述板中的一个和所述膜之间的至少一个腔。粘性密封剂被注射到所述腔内。所述密封剂被固化以便在所述膜上形成顺应性压条密封。

在另一实施例中，用于具有一对板的燃料电池电堆的子衬垫包括被置于所述板之间的膜。膜包括内部部分和曲折成形部分。该内部部分邻接所述燃料电池的质子交换膜。曲折成形部分邻接每个所述板。曲折成形部分限定在所述板中的一个和所述膜之间的至少一个腔。通过向所述腔内注射粘性密封剂并固化所述密封剂从而在所述膜上形成顺应性压条密封。

在又一实施例中，燃料电池电堆包括被置于电堆中的一对板、被置于所述板之间的一对扩散介质层以及被夹在所述扩散介质层之间的膜电极组件。燃料电池还包括子衬垫，其具有被置于所述板之间的膜。该膜包括内部部分和曲折成形部分。该内部部分邻接所述燃料电池的膜电极组件。所述曲折成形部分邻接每个所述板。所述曲折成形部分限定在所述板中的一个和所述膜之间的至少一个腔。通过向所述腔内注射粘性密封剂并固化所述密封剂从而在所述膜上形成顺应性压条密封。

本发明还提供了以下技术方案。

方案1.一种用于制造燃料电池的子衬垫的方法，该燃料电池具有被置于电堆内的一对板，该方法包括步骤：

将膜定位在所述板之间，该膜包括内部部分和曲折成形部分，该内部部分邻接所述燃料电池的质子交换膜，并且所述曲折成形部分邻接每个所述板，所述曲折成形部分限定在所述板中的一个和所述膜之间的至少一个腔；和

向所述腔内注射密封剂；以及

固化所述密封剂从而在所述膜上形成顺应性压条密封。

方案2.根据方案1所述的方法，还包括步骤：在向所述腔内注射所述密封剂的步骤之前部分压缩所述电堆。

方案3.根据方案2所述的方法，其中在向所述腔内注射所述密封剂的步骤之后释放所述部分压缩从而允许所述密封剂在所述腔内膨胀。

方案4.根据方案1所述的方法，其中在固化所述密封剂的步骤之前用所述密封剂基本填充所述腔。

方案5.根据方案1所述的方法，还包括步骤：在固化所述密封剂以形成所述压条密封的步骤之后完全压缩所述电堆。

方案6.根据方案1所述的方法，其中通过由所述板限定的浇注口来执行所述密封剂向所述腔内的注射，所述浇注口与每个所述板内形成的端口流体连通。

方案7.根据方案6所述的方法，其中所述密封剂被注射到所述浇注口内所通过的所述端口是用于对齐所述电堆内的所述板的基准孔。

方案8.根据方案1所述的方法，其中在室温和高温之一下执行固化所述密封剂的步骤。

方案9.根据方案8所述的方法，其中在所述高温下执行固化所述密封剂的步骤，并且在注射所述密封剂之前加热所述板从而导致所述高温。

方案10.根据方案1所述的方法，其中对所述腔抽真空以有助于将所述密封剂注射到所述腔内。

方案11.根据方案1所述的方法，其中所述曲折成形部分包括其间设有峰部的一对主槽，所述主槽中的至少一个邻接所述板中的一个并且所述峰部邻接所述板中的另一个。

方案12.根据方案11所述的方法，其中所述峰部包括限定另一腔的次槽。

方案13.根据方案12所述的方法，其中在所述曲折成形部分的所述次槽内形成孔隙并且当被注射时所述密封剂流动通过所述孔隙并填充两个腔。

方案14.根据方案11所述的方法，其中使用粘结剂将所述峰部附着到所述板中的所述另一个。

方案15.根据方案1所述的方法，其中所述膜由聚丙烯、PEN和PET中的一者形成。

方案16.根据方案1所述的方法，其中所述膜由聚合泡沫形成。

方案17.根据方案1所述的方法，其中所述密封剂是双组分可固化弹性体和可热学固化弹性体之一。

方案18.根据方案1所述的方法，其中所述密封剂是发泡弹性体流体。

方案19.一种用于具有一对板的燃料电池电堆的子衬垫，包括：

被置于所述板之间的膜，该膜包括内部部分和曲折成形部分，该内部部分邻接所述燃料电池的质子交换膜，并且所述曲折成形部分邻接每个所述板，所述曲折成形部分限定在所述板中的一个和所述膜之间的至少一个腔；以及

通过向所述腔内注射粘性密封剂并固化该密封剂而在所述膜上形成顺应性压条密封。

方案20.一种燃料电池电堆，包括：

被置于电堆中的一对板；

被置于所述板之间的一对扩散介质层；

被夹在所述扩散介质层之间的膜电极组件；以及

子衬垫，其包括被置于所述板之间的膜，该膜包括内部部分和曲折成形部分，该内部部分邻接所述燃料电池的膜电极组件，并且所述曲折成形部分邻接每个所述板，所述曲折成形部分限定在所述板中的一个和所述膜之间的至少一个腔，通过向所述腔内注射粘性密封剂并固化所述密封剂而在所述膜上形成顺应性压条密封。

附图说明

当参考附图时本领域的那些技术人员从优选实施例的下述具体说明中将显而易见到本发明的上述以及其他优点，附图中：

图1是根据本公开的一种实施例的示例性燃料电池电堆的俯视平面图，其中板被移除以便暴露出燃料电池电堆的子衬垫；

图2是在图1中剖切线A-A所示的燃料电池电堆的阳极供给部段处截取的部分侧截面图，其中板存在以便示出具有子衬垫的组件；

图3是在图1中剖切线B-B所示的燃料电池电堆的阴极供给部段处截取的部分侧截面图，其中板存在以便示出具有子衬垫的组件；

图4是在图1中剖切线C-C所示的燃料电池电堆的冷却剂供给部段处截取的部分侧截面图，其中板存在以便示出具有子衬垫的组件；

图5是在图1中剖切线D-D所示的燃料电池电堆的边缘部段处截取的部分侧截面图，其中板存在以便示出具有子衬垫的组件；

图6是在图1中剖切线E-E所示的燃料电池电堆的顶部部段处截取的部分侧截面图，其中板存在以便示出具有子衬垫的组件；

图7是在图1中剖切线F-F所示的燃料电池电堆的阳极隧道冷却剂密封的密封接头处截取的部分侧截面图，其中板存在以便示出具有子衬垫的组件；

图8是在图1中剖切线G-G所示的燃料电池电堆的阴极隧道冷却剂密封的密封接头处截取的部分侧截面图，其中板存在以便示出具有子衬垫的组件；

图9是根据本公开的另一实施例的燃料电池电堆的部分侧截面图，其是在图1中剖切线A-A所示的燃料电池电堆的阳极供给部段处所截取的，其中板存在以便示出具有子衬垫的组件；

图10是根据本公开的另一实施例的燃料电池电堆的部分侧截面图，其是在图1中剖切线D-D所示的燃料电池电堆的边缘部段处所截取的，其中板存在以便示出具有子衬垫的组件；

图11是根据本公开的另一实施例的燃料电池电堆的部分侧截面图，其是在图1中剖切线F-F所示的燃料电池电堆的阳极隧道冷却剂密封的密封接头处截取的，其中板存在以便示出具有子衬垫的组件；

图12是根据本公开的另一实施例的燃料电池电堆的部分侧截面图，其是在图1中剖切线E-E所示的燃料电池电堆的顶部部段处截取的，其中板存在以便示出具有子衬垫的组件；

图13是根据本公开的又一实施例的燃料电池电堆的部分侧截面图，其是在图1中剖切线D-D所示的燃料电池电堆的边缘部段处截取的，其中板存在以便示出具有子衬垫的组件；以及

图14是根据本公开的又一实施例的燃料电池电堆的部分侧截面图，其是在图1中剖切线A-A所示的燃料电池电堆的阳极供给部段处截取的，其中板存在以便示出具有子衬垫的组件。

具体实施方式

下述具体说明和附图描述并图释了本发明的各种示例性实施例。所述说明和附图用于使得本领域技术人员能够制造和使用本发明，并且不试图以任何方式限制本发明的范围。在所公开的方法背景中，提出的步骤实质上是示例性的，并且因此步骤的次序不是必要的或严格的。

图1-8示出了根据本公开的燃料电池电堆2。在图1中，为了图释目的，示出的燃料电池电堆2具有暴露的子衬垫4。与本公开的子衬垫4一同使用的示例性燃料电池电堆2被示于并描述于受让人的共同待审美国专利申请序列号12/341,105和美国专利号7,892,692中，其全部内容并入本文以供参考。根据需要，还可以使用其他类型的燃料电池电堆2来用于本公开的子衬垫4。

燃料电池电堆2包括被置于电堆中的一对板6、8。例如，板6、8可以是燃料电池电堆2的双极板。每个所述板6、8具有活性区域10和供给区域12。膜电极组件或MEA14包括被夹在一对电极层之间的质子交换膜并且被置于活性区域10内。MEA14被夹在一对扩散介质层16、18之间并且整个组件被置于板6、8之间，如图2-14所示。如果需要，MEA14可以与扩散介质层16、18及子衬垫4组装在一起从而形成成套的电极组件或UEA。

燃料电池电堆的供给区域12包括阴极歧管20、冷却剂歧管22、阳极歧管24以及分别用于输送和排出阴极气体21、冷却剂23和阳极气体25的孔口。子衬垫4也被置于供给区域12中。子衬垫4包括被置于板6、8之间的膜28。膜28由基本可渗透流体的材料形成，该材料具有抵抗燃料电池电堆2的内部环境条件的抗性。作为非限制性示例，膜可以由聚丙烯、PEN和PET中的一种形成。膜28还可以由聚合泡沫形成。本领域的普通技术人员可以根据需要选择用于膜28的其他适当材料。

子衬垫4的膜28包括内部部分30和曲折成形部分32。内部部分30在活性区10内邻接MEA14。曲折成形部分32邻接每个所述板6、8。曲折成形部分32提供限定在一个所述板6、8和膜28之间的至少一个腔34的“成型件”。在图2-8所示的具体实施例中，曲折成形部分32包括一对主槽42且其间设有峰部44。至少一个所述主槽42邻接板6、8中的一个并且峰部44邻接板6、8中的另一个。

根据本公开的方法，通过将粘性密封剂注射到腔34内并固化密封剂从而在子衬垫4的膜28上形成顺应性压条密封36。作为非限制示例，粘性密封剂可以是硅树脂或聚氨酯密封剂。当使用硅树脂时，具体地，硅氧烷可以提供与板6、8的附加黏着。还可以根据需要使用密封剂的其他材料。压条密封36提供了在板6、8和反应物密封之间的冷却剂密封以用于分离流向燃料电池电堆2的反应物气体。

制造子衬垫4的方法首先包括步骤：将膜28定位在板6、8之间且使得曲折成形部分32邻接每个所述板6、8。当被定位时膜28可以例如通过至少一个热熔柱（heatstake）39被粘附从而固定组件并包含随后注射的密封剂。粘结剂还可以用于在注射前粘附膜28。例如，膜28的曲折成形部分32的峰部44可以使用粘结剂被粘附于一个所述板6、8以便在峰部44和一个所述板6、8之间形成干燥密封。子衬垫4优选地在被定位于板6、8之间之前例如通过热成型过程（例如匹配模制）而被制成。在本公开范围内还可以使用其他制造方法。

在将膜28定位在板6、8之间之后，粘性密封剂被注射到由子衬垫4的曲折成形部分32和板6、8所限定的腔34内。在注射步骤期间使用密封剂基本填充腔34。腔34限定一通路，在被注射时密封剂通过该通路流动。如图5所示，板6、8中的至少一个可以具有在其内形成的邻近膜28的曲折成形部分32的孔37以用于密封剂从中流过，并且还在板6、8之间例如在燃料电池电堆2的边缘部段处在密封压条成型件和板接头之间形成密封。如图7和图8所示，孔37还可以允许密封剂在燃料电池电堆2的隧道前方流入板接头内。

在某些实施例中，可以对腔34抽真空以便促进密封剂向腔34内的注射。在另一些实施例中，在将密封剂驱使贯穿腔34所限定的通路的压力下注射密封剂。根据需要可以选择适当的真空和注射压力。

作为非限制示例，可以通过如图1所示由板6、8所限定的浇注口38向腔34内注射密封剂。浇注口38与每个所述板6、8内形成的端口40流体连通。作为非限制示例，密封剂被注射到浇注口38内所通过的端口40可以是基准孔以用于在燃料电池电堆2的组装期间对齐电堆中的板6、8。技术人员可以根据需要选择其他端口40来注射密封剂。

密封剂随后固化从而在膜28上形成压条密封36。本领域的普通技术人员应意识到主要通过所选的密封剂来决定压条密封36的固化步骤。例如固化密封剂的步骤通常在室温和高温之一的情况下进行。当密封剂被热激活并且固化密封剂的步骤是在高温下进行时，可以在注射密封剂之前加热板6、8以便导致高温并且将密封剂固化成压条密封36。还可以在已注射了密封剂之后加热板6、8。在本公开的范围内还可以使用固化密封剂并形成压条密封36的替代性手段（作为非限制示例，例如辐射暴露或使用双组分固化密封剂）。也可以使用其他材料，例如发泡弹性体流体，作为密封剂来形成压条密封36。

在将密封剂注射到腔34内的步骤之前，可以至少部分地压缩电堆。在这个步骤中部分压缩电堆会压缩形成被注射时密封剂所流动通过的通路的腔34。部分压缩会将子衬垫4的膜28密封于每个所述板6、8并且使得在注射步骤期间控制未固化密封剂压力。在将密封剂注射到腔34内的步骤之后释放该部分压缩，以便允许密封剂在腔34内膨胀并且允许腔34成长到未压缩高度。密封剂类似地被允许固化成具有相同高度的压条密封36。在固化密封剂从而形成压条密封36之后，燃料电池电堆2可以被完全压缩以便进一步组装成燃料电池系统。

图9-12示出了根据本发明另一实施例的燃料电池电堆2’。为了清楚的目的，针对图1-8在上文中讨论的类似结构包括加有单撇符（’）的相同附图标记。

参考图9-12，子衬垫4’可以具有带有内部部分30’和曲折成形部分32’二者的膜28’。曲折成形部分32’包括具有被置于其间的峰部44’的成对主槽42’。峰部44’包括限定另一腔48’的次槽46’。孔隙50’被形成在次槽46’内。当制造密封压条36’期间注射密封剂到腔34’内时，密封剂还流动通过孔隙50’。从而使用密封剂填充腔34’、48’二者。

应该意识到，使用密封剂填充腔34’、48’二者且随后固化密封剂可以有利地提供子衬垫4’与两个板6’、8’的优秀密封。例如，如图9所示，孔隙50’允许在子衬垫4的两侧上形成密封，并且因而连结燃料电池电堆2的多个电池。如图10所示，孔37’和孔隙50’的配合允许在腔34’和板接头之间的流动，从而导致板6’、8’的进一步密封。根据需要，孔37’和孔隙50’可以具有基本相同的尺寸和形状或者具有不同尺寸和形状。如图11所示，孔37’和孔隙50’的配合还允许密封剂流动到焊接区附近的腔34’的裂缝，以便避免间隙以及随后在燃料电池电堆2’操作期间的泄漏。如图12所示，至少一个所述板6、8还可以具有平坦区域53’以允许弯曲并且在燃料电池电堆2’的顶部部段内向冷却剂接头传输密封负荷。

图13-14示出了根据本发明的又一实施例的燃料电池电堆2”。为了清楚的目的，针对图1-8和图9-12在上文中讨论的类似结构包括加有双撇符（”）的相同附图标记。

燃料电池电堆2”可以包括双压条方案，其具有配合的板6”、8”内的孔37”和子衬垫4”内的孔隙50”，以便允许在制造压条密封36”的方法期间密封剂从板6”延伸到板8”。膜28”为了柔性而言足够薄，不过还足够刚性以便在制造过程期间应对填充压力。膜28”的曲折成形部分32”被设计成在部分压缩下扩展。

如图13所示，边缘特征54”也可以被结合到子衬垫4”中以便保护板6”、8”的边缘。边缘特征54”可以从压条密封36”向外延伸并在一个所述板6”、8”的边缘处向下延伸。边缘特征54”可以用作外部电池电堆基准，并且还通过边缘特征54”的嵌套或交替互锁构造而有助于电池电堆固定。

子衬垫4”还可以设有内部对齐特征（未示出）以用于将MEA14”和扩散介质层16”、18”对齐于子衬垫4”。内部对齐特征还可以用于将包括MEA14”和扩散介质成16”、18”的UEA对齐于板6”、8”。类似地，还应该意识到用于基准强化和用于影响反应物流动的特征，例如用于减少旁通流动的蜂窝状特征，也可以使用本公开的方法被结合到子衬垫4”中。

进一步参考图13和图14，膜28”的内部部分30”可以渐缩以便最小化在子衬垫4”的边缘处叠覆且邻接MEA14”的膜28”的蓬盖部（tenting）。例如渐缩内部部分30”可以叠覆MEA14”的质子交换膜大约6mm。技术人员可以根据需要更大或更小程度地叠覆渐缩内部部分30”。在与MEA14组装之前或期间，扩散介质层16”、18”可以类似地如所示是渐缩的。

虽然为了图释本发明的目的，已经示出了特定代表性实施例和细节，不过本领域技术人员可以显而易见地在不脱离本发明范围的情况下做出各种修改，其进一步在所附权利要求中描述。

Claims (19)

1.一种用于制造燃料电池的子衬垫的方法，该燃料电池具有被置于电堆内的一对板，该方法包括步骤：

将膜定位在所述板之间，该膜包括内部部分和曲折成形部分，该内部部分邻接所述燃料电池的质子交换膜，并且所述曲折成形部分邻接每个所述板，所述曲折成形部分限定在所述板中的一个和所述膜之间的至少一个腔；和

向所述腔内注射密封剂；以及

固化所述密封剂从而在所述膜上形成顺应性压条密封；

其中所述曲折成形部分包括其间设有峰部的一对主槽，所述主槽中的至少一个邻接所述板中的一个并且所述峰部邻接所述板中的另一个。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括步骤：在向所述腔内注射所述密封剂的步骤之前部分压缩所述电堆。

3.根据权利要求2所述的方法，其中在向所述腔内注射所述密封剂的步骤之后释放所述部分压缩从而允许所述密封剂在所述腔内膨胀。

4.根据权利要求1所述的方法，其中在固化所述密封剂的步骤之前用所述密封剂基本填充所述腔。

5.根据权利要求1所述的方法，还包括步骤：在固化所述密封剂以形成所述压条密封的步骤之后完全压缩所述电堆。

6.根据权利要求1所述的方法，其中通过由所述板限定的浇注口来执行所述密封剂向所述腔内的注射，所述浇注口与每个所述板内形成的端口流体连通。

7.根据权利要求6所述的方法，其中所述密封剂被注射到所述浇注口内所通过的所述端口是用于对齐所述电堆内的所述板的基准孔。

8.根据权利要求1所述的方法，其中在室温和高温之一下执行固化所述密封剂的步骤。

9.根据权利要求8所述的方法，其中在所述高温下执行固化所述密封剂的步骤，并且在注射所述密封剂之前加热所述板从而导致所述高温。

10.根据权利要求1所述的方法，其中对所述腔抽真空以有助于将所述密封剂注射到所述腔内。

11.根据权利要求1所述的方法，其中所述峰部包括限定另一腔的次槽。

12.根据权利要求11所述的方法，其中在所述曲折成形部分的所述次槽内形成孔隙并且当被注射时所述密封剂流动通过所述孔隙并填充两个腔。

13.根据权利要求1所述的方法，其中使用粘结剂将所述峰部附着到所述板中的所述另一个。

14.根据权利要求1所述的方法，其中所述膜由聚丙烯、PEN和PET中的一者形成。

15.根据权利要求1所述的方法，其中所述膜由聚合泡沫形成。

16.根据权利要求1所述的方法，其中所述密封剂是双组分可固化弹性体和可热学固化弹性体之一。

17.根据权利要求1所述的方法，其中所述密封剂是发泡弹性体流体。

18.一种用于具有一对板的燃料电池电堆的子衬垫，包括：

被置于所述板之间的膜，该膜包括内部部分和曲折成形部分，该内部部分邻接所述燃料电池的质子交换膜，并且所述曲折成形部分邻接每个所述板，所述曲折成形部分限定在所述板中的一个和所述膜之间的至少一个腔；以及

通过向所述腔内注射粘性密封剂并固化该密封剂而在所述膜上形成顺应性压条密封；

其中所述曲折成形部分包括其间设有峰部的一对主槽，所述主槽中的至少一个邻接所述板中的一个并且所述峰部邻接所述板中的另一个。

19.一种燃料电池电堆，包括：

被置于电堆中的一对板；

被置于所述板之间的一对扩散介质层；

被夹在所述扩散介质层之间的膜电极组件；以及

子衬垫，其包括被置于所述板之间的膜，该膜包括内部部分和曲折成形部分，该内部部分邻接所述燃料电池的膜电极组件，并且所述曲折成形部分邻接每个所述板，所述曲折成形部分限定在所述板中的一个和所述膜之间的至少一个腔，通过向所述腔内注射粘性密封剂并固化所述密封剂而在所述膜上形成顺应性压条密封；

其中所述曲折成形部分包括其间设有峰部的一对主槽，所述主槽中的至少一个邻接所述板中的一个并且所述峰部邻接所述板中的另一个。