CN103682390A - 具有集成密封件的可压缩燃料电池辅助垫 - Google Patents

具有集成密封件的可压缩燃料电池辅助垫 Download PDF

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Abstract

本发明涉及具有集成密封件的可压缩燃料电池辅助垫，具体提供了由基于挤压的微孔聚合泡沫制成的燃料电池辅助垫、包括本发明提供的辅助垫的燃料电池堆、使用本发明提供的辅助垫在燃料电池堆的板之间进行密封的方法、以及制造这种辅助垫的方法。

Description

具有集成密封件的可压缩燃料电池辅助垫
技术领域
本申请涉及燃料电池和燃料电池堆，并且更具体地涉及用于燃料电池的辅助垫。
背景技术
通常称为燃料电池的电化学转换电池通过处理第一和第二反应物来产生电能。通常，这是通过氢的氧化以及氧的还原来实现的，但是采用其他反应物(例如，烃气)的燃料电池也是公知的。通过说明而非限制，一种典型的燃料电池包括聚合物膜(例如，质子交换薄膜)，其设置在阴极和阳极之间以便形成膜电极组件(MEA)。MEA定位在一对气体扩散介质层之间，并且这些部件定位在阴极板与阳极板之间以便形成单个电池。
对于许多应用-例如为车辆提供动力来说，由单个电池提供的电压通常太低。因此，为了提供更适当的电压值，多个单独的电池通常构造成“堆”。在这种构造中，导电双极板定位在一个电池的阳极侧扩散层与相邻电池的阴极侧扩散层之间。分隔相邻电池的双极板用作集电器并且具有对置表面-一个表面限定用于输送燃料(例如，氢或烃)到一个电池的阳极的流动路径，而另一个表面限定用于输送氧化剂(例如，氧或空气)到相邻电池的阴极的流动路径。每个双极板还具有在其中限定的用于输送冷却剂的流动路径。
双极板的各种流动路径连接到限定在所述板内的对应歧管。例如，燃料流动路径通常连接到两个燃料歧管，并且氧化剂流动路径通常连接到两个氧化剂歧管。然而，流动路径的截面面积显著小于歧管的截面面积。相应地，反应物/冷却剂的流率和压力在从歧管进入流动路径时升高。为了减轻高压反应物和冷却剂从燃料电池堆的泄漏，通常在每个双极板之间形成密封件(包括密封珠和辅助垫)，并且压缩所述堆。已使用适应燃料电池环境的弹性密封珠材料和薄膜聚合物辅助垫材料获得了良好的结果。然而，仍然存在对双极板之间的密封方式进行改进的持续需求，尤其是那些可以降低制造燃料电池堆的复杂性和成本的改进方式。
发明内容
本发明在各种实施方式中提供了：由基于挤压的微孔聚合泡沫制成的燃料电池辅助垫；包括本发明提供的辅助垫的燃料电池堆；使用本发明提供的辅助垫在燃料电池堆的板之间密封的方法；以及制造这种辅助垫的方法。
在各种公开的实施方式中，本发明提供了用于燃料电池的微孔聚合泡沫辅助垫。在某些实施方式中，这种辅助垫可包括：(ⅰ)活性区域，所述活性区域构造成当与膜电极组件一起组装在一对燃料电池板之间时为膜电极组件提供框架；(ⅱ)供给区域，所述供给区域包括歧管部分，所述歧管部分适应所述一对板的阳极、阴极以及冷却剂歧管；以及(ⅲ)至少一个密封珠通道，所述至少一个密封珠通道结合到聚合泡沫中并且构造成接纳并且包含密封珠材料。
还在各种公开的实施方式中提供了包括本发明提供的辅助垫的燃料电池堆。在某些实施方式中，这种燃料电池堆可包括：(ⅰ)设置在电池堆中的一对板；(ⅱ)设置在所述一对板之间的膜电极组件；(ⅲ)设置在所述一对板之间的基于挤压的微孔聚合泡沫辅助垫，所述辅助垫包括至少一个密封珠通道，所述至少一个密封珠通道结合到所述聚合泡沫中并且构造成接纳和包含密封珠材料；以及(ⅳ)设置在所述至少一个密封珠通道中的固化的密封珠。在所述辅助垫设置在所述一对板之间之前、在所述辅助垫设置在所述一对板之间之后或者两者，可以通过将密封珠材料沉积到所述通道中并且使所述密封珠材料固化来形成所述固化的密封珠。
另外，在各种公开的实施方式中提供了在燃料电池堆的板之间进行密封的方法。这种方法可包括：(ⅰ)提供设置在电池堆中的一对板；(ⅱ)提供膜电极组件；(ⅲ)提供基于挤压的微孔聚合泡沫辅助垫，所述辅助垫包括(a)活性区域，所述活性区域构造成为膜电极组件提供框架；以及(b)至少一个密封珠通道，所述至少一个密封珠通道结合到聚合泡沫中并且构造成接纳和包含密封珠材料；(ⅳ)将本发明提供的辅助垫以及薄膜电极组件设置在所述一对板之间以便通过所述辅助垫的活性区域为所述膜电极组件提供框架；以及(ⅴ)在将所述辅助垫设置在所述一对板之间之前、在将所述辅助垫设置在所述一对板之间之后或者两者，将密封珠材料沉积到所述至少一个密封珠通道中。
在各种公开的实施方式中，还提供了制造用于燃料电池的辅助垫的方法。所述方法可包括：(ⅰ)提供基于挤压的微孔聚合泡沫片；(ⅱ)将提供的片加热到易弯曲温度；(ⅲ)将所述片模制成至少具有(a)包括可移除部分的活性区域，(b)供给区域，所述供给区域适应一对燃料电池板的阳极、阴极以及冷却剂歧管，所述供给区域包括多个可移除的部分，以及(c)至少一个密封珠通道，所述至少一个密封珠通道结合到聚合泡沫中并且构造成接纳并且包含密封珠材料。本发明提供的片还可以在可移除的部分移除之前或之后被交叉链接。
方案1. 一种用于具有一对板的燃料电池的基于挤压的微孔聚合泡沫辅助垫，包括：
活性区域，所述活性区域构造成当与膜电极组件一起组装在所述一对板之间时为所述膜电极组件提供框架；
供给区域，所述供给区域包括歧管部分，所述歧管部分当组装在所述一对板之间时适应所述一对板的阳极歧管、阴极歧管和冷却剂歧管；
至少一个密封珠通道，所述至少一个密封珠通道结合到所述聚合泡沫中并且构造成接纳并且包含密封珠材料。
方案2. 如方案1所述的辅助垫，其中所述密封珠通道中的每个都具有与所述密封珠通道中的另一个相同或不同的截面面积、截面形状、深度或者它们的组合。
方案3. 如方案1所述的辅助垫，其中所述密封珠通道、供给区域、活性区域或者它们的组合的若干部分模制成比所述辅助垫的其他部分薄。
方案4. 如方案3所述的辅助垫，其中所述供给区域包括至少一个部分，所述至少一个部分具有不同于所述歧管部分厚度的厚度。
方案5. 如方案3所述的辅助垫，其中所述活性区域包括部分覆盖所述膜电极组件的部分。
方案6. 如方案5所述的辅助垫，其中所述活性区域包括至少一个部分，所述至少一个部分具有不同于所述覆盖部分厚度的厚度。
方案7. 如方案1所述的辅助垫，包括环绕适应所述阳极歧管的部分的密封珠通道、环绕适应所述阴极歧管的部分的密封珠通道以及环绕适应所述冷却剂歧管的部分的密封珠通道。
方案8. 如方案1所述的辅助垫，包括环绕所述活性区域的密封珠通道。
方案9. 如方案1所述的辅助垫，其中所述聚合泡沫包括从聚乙烯和聚丙烯中选出的聚合物，所述选出的聚合物可选择性地交叉链接。
方案10. 如方案1所述的辅助垫，构造成在燃料电池堆中的多于一个的燃料电池之间共用。
方案11. 一种燃料电池堆，包括：
设置在电池堆中的一对板，所述板包括阳极歧管、阴极歧管和冷却剂歧管；
设置在所述一对板之间的膜电极组件；
设置在所述一对板之间的基于挤压的微孔聚合泡沫辅助垫，所述辅助垫包括：
       活性区域，所述活性区域构造成为所述膜电极组件提供框架；
       供给区域，所述供给区域包括歧管部分，所述歧管部分适应所述一对板的阳极歧管、阴极歧管和冷却剂歧管；
       至少一个密封珠通道，所述至少一个密封珠通道结合到所述聚合物泡沫中并且构造成接纳和包含密封珠材料；
设置在所述至少一个密封珠通道中的固化的密封珠，在所述辅助垫设置在所述一对板之间之前、在所述辅助垫设置在所述一对板之间之后或者两者，将密封珠材料沉积到所述通道中，并且使所述密封珠材料固化，从而形成所述密封珠。
方案12. 一种在燃料电池堆的板之间进行密封的方法，包括：
提供设置在电池堆中的一对板，所述板包括阳极歧管、阴极歧管和冷却剂歧管；
提供膜电极组件；
提供基于挤压的微孔聚合泡沫辅助垫，所述辅助垫包括：
       活性区域，所述活性区域构造成为所述膜电极组件提供框架；
       供给区域，所述供给区域包括歧管部分，所述歧管部分适应所述一对板的阳极歧管、阴极歧管和冷却剂歧管；
       至少一个密封珠通道，所述至少一个密封珠通道结合到所述聚合泡沫中并且构造成接纳和包含密封珠材料；
将提供的辅助垫和膜电极组件设置在所述一对板之间以便通过所述辅助垫的活性区域为所述膜电极组件提供框架；以及
在将所述辅助垫设置在所述一对板之间之前、在将所述辅助垫设置在所述一对板之间之后或者两者，将密封珠材料沉积到所述至少一个密封珠通道中。
方案13. 如方案12所述的方法，其中所述密封珠通道、供给区域、活性区域或者它们的组合的若干部分模制成比所述辅助垫的其他部分薄。
方案14. 如方案13所述的方法，其中所述活性区域包括部分覆盖所述膜电极组件的部分。
方案15. 如方案12所述的方法，其中所述聚合泡沫包括从聚乙烯和聚丙烯中选出的聚合物，所述选出的聚合物可选择性地交叉链接。
方案16. 一种制造用于燃料电池的辅助垫的方法，该燃料电池具有设置在电池堆中的一对板，该方法包括：
提供基于挤压的微孔聚合泡沫片；
将提供的片加热到易弯曲温度；
将所述片模制成至少具有：(ⅰ)包括可移除部分的活性区域；(ⅱ)供给区域，所述供给区域适应所述一对板的所述阳极歧管、所述阴极歧管以及冷却剂歧管，所述供给区域包括多个可移除的部分；以及(ⅲ)至少一个密封珠通道，所述至少一个密封珠通道结合到所述聚合泡沫中并且构造成接纳并且包含密封珠材料；
将所述可移除部分移除；以及
在所述可移除部分移除之前或在所述可移除部分移除之后交叉链接所述聚合物。
方案17. 如方案16所述的方法，其中所述密封珠通道中的每个都具有与所述密封珠通道中的另一个相同或不同的截面面积、截面形状、深度或者它们的组合。
方案18. 如方案16所述的方法，包括模制比所述辅助垫的其他部分薄的所述密封珠通道、供给区域、活性区域或者它们的组合的若干部分。
方案19. 如方案16所述的方法，其中所述聚合泡沫包括从聚乙烯和聚丙烯中选出的聚合物。
方案20. 如方案19所述的方法，其中所述聚合物在将所述可移除部分移除之后被交叉链接。
附图说明
通过结合附图参考下文的详细描述，将会更好地理解本发明，也将容易地获得对本发明的许多实施方式的更完整理解，附图中：
图1是示例性现有技术燃料电池堆的阳极供给区段的侧面局部横截面图，图中示出的板示出了具有辅助垫的组件，其中箭头示出了阳极气体流动路径；
图2是根据本发明的一个实施方式的示例性燃料电池堆的俯视平面图，图中示出为移除了板来暴露燃料电池堆的辅助垫；
图3是仅具有在其中形成的密封珠通道的示例性辅助垫的俯视平面图；
图4是具有在其中形成的密封珠通道以及其他区域(例如覆盖和供给区域)的示例性辅助垫的俯视平面图；
图5是示例性燃料电池堆的阳极供给区段的侧面局部横截面图，图中示出的板示出了具有辅助垫的组件，其中箭头示出了阳极气体流动路径；图2中的剖面A-A示出了可以在燃料电池堆上找到的阳极供给区段的一个示例；
图6是示例性燃料电池堆的阴极供给区段的侧面局部横截面图，图中示出的板示出了具有辅助垫的组件，其中箭头示出了阴极气体流动路径；图2中的剖面B-B示出了可以在燃料电池堆上找到的阴极供给区段的一个示例；
图7是示例性燃料电池堆的冷却剂供给区段的侧面局部横截面图，图中示出的板示出了具有辅助垫的组件，其中箭头示出了冷却剂气体流动路径；图2中的剖面C-C示出了可以在燃料电池堆上找到的冷却剂供给区段的一个示例；
图8是示例性燃料电池堆的边缘区段(非嵌套设计)的侧面局部横截面图，图中示出的板示出了具有辅助垫的组件；图2中的剖面D-D示出了可以在燃料电池堆上找到的边缘区段的一个示例；
图9示出了A－示例性燃料电池堆的边缘区段(具有扇形折叠辅助垫的嵌套设计，所述扇形折叠辅助垫在所述辅助垫的对置侧上具有密封珠空腔)的侧面局部横截面图，并且示出了B－与所述边缘区段一起使用的辅助垫(处于非折叠构造)的侧面局部横截面图；
图10示出了A－示例性燃料电池堆的边缘区段(具有扇形折叠辅助垫的嵌套设计，所述扇形折叠辅助垫在所述辅助垫的同侧上具有密封珠空腔)的侧面局部横截面图，并且示出了B－与所述边缘区段一起使用的辅助垫(处于非折叠构造)的侧面局部横截面图；以及
图11示出可以在堆中的三个相邻燃料电池之间共用的辅助垫(处于非折叠构造)的侧面局部横截面图。
具体实施方式
现将描述本发明的特定实施方式。然而，本发明可以不同形式实施而不应理解为限于在此描述的实施方式。相反地，本发明提供了这些实施方式，以便将本发明公开得更为透彻，并将充分地表达本发明的范围给所属领域的技术人员。
除非以其他方式限定，在此使用的所有技术和科学术语都具有与本发明所属领域技术人员通常理解的相同的含义。在此，本发明的描述中使用的术语仅用于描述特定实施方式而绝非用以限制本发明。如说明书和所附权利要求中使用的，除非上下文中另外清楚地指出，单数形式“一个”和“该”还将包括复数对象。
如说明书和权利要求中使用的，除非以其他方式指出，表达量、特性、条件等的所有数量将理解为在所有情况下都通过术语“大约”改变。另外，说明书和权利要求中任意范围的公开都将理解为包括范围本身并且还包括其中包含的任何子范围和端点。除非以其他方式指出，说明书和权利要求书中所述的数量特性是可根据本发明的实施方式中寻求实现的期望特性而改变的近似值。虽然阐述本发明的广义范围的数量范围和参数是近似值，但是尽可能精确地描述了特定示例中的数值。然而，任何数值本身都含有某些误差，这是它们对应的测量值中出现误差所导致的必然结果。
在各种实施方式中，本发明提供了：由基于挤压的微孔聚合泡沫制成的燃料电池辅助垫；包括本发明提供的辅助垫的燃料电池堆；使用本发明提供的辅助垫在燃料电池堆的板之间密封的方法；以及制造这种辅助垫的方法。
常规燃料电池包括由模制塑料膜制成的辅助垫，所述辅助垫具有重量轻、耐腐蚀和相对容易加工的优点。这种辅助垫由聚合物膜材料形成，其中所述聚合物是固体或者发泡的。然而，为了实现密封，膜本身必须模制(至少是部分模制)成与双极板组合的形状，从而形成燃料电池设计的特征。例如，如图1所示，膜1的将设置在双极板2、3之间的一部分可被模制成尖点4、槽5或者它们的组合，然而另一部分9模制成可设置在扩散介质10之间并且抵接MEA11。当抵靠双极板3放置时，膜/辅助垫1的这种模制(弯曲)部分形成可填充以密封剂的空腔6，所述密封剂将在固化时形成密封珠7。重要地，因为膜/辅助垫1本身必须从大体上平的结构变形以便形成这种弯曲部分，空穴必定存在于膜/辅助垫1与双极板2、3之间-例如在槽5上方。另外，必须将膜/辅助垫1附接到至少一个板2、3以便减少密封剂材料从形成的空腔6的泄漏。例如，膜/辅助垫1可具有热铆接部8来将它粘附到板2、3并且进一步限定空腔6。
在使用这种辅助垫1组装常规电池堆期间，使用涉及形成空腔6并且以密封剂填充它以便形成密封珠7的多步骤工序来实现电池的密封。在这种工序中，膜/辅助垫的弯曲部分(具有尖点4、槽5和空腔6)由诸如匹配模制的热成形工序制成，其中所述膜/辅助垫1被加热到正好低于或高于熔点，并且在阳模与阴模之间挤压模1。热成形辅助垫1随后定位在板2、3之间，弯曲成形部分抵接每个板2、3。接下来，膜/辅助垫1附接到板2、3，并且注射密封剂材料来大体上填充空腔6。在注射之前，通过堆的至少部分压缩，空腔6可被部分地压缩。在释放这种压缩时(如果有的话)，密封剂在空腔6内膨胀从而导致它逐渐变成非压缩高度。在密封剂固化而形成密封珠7之后，可以完全压缩所述电池堆，从而密封电池。
与常规燃料电池相反，本发明提供的燃料电池包括由发泡热塑性材料(不是薄膜或膜)制成的辅助垫，所述发泡热塑性材料是热成形的以便具有结合到辅助垫的密封珠通道。因此，作为替代在发泡塑料本身内形成集成通道，而非辅助垫从大体上平的结构变形(如常规薄膜/膜需要的)。泡沫本身用作模型并且帮助支撑密封珠。通过使特征结合到辅助垫中(而非辅助垫的变形部分形成特征)，辅助垫保持更平整的结构，在它与双极板之间具有更少的(如果有的话)空穴，并且不需要附接到双极板来形成密封珠通道。另外，本发明提供的燃料电池中使用的发泡塑料可适应双极板的设计特征，在某些实施方式中，被模制成具有各种厚度。例如，在某些区域中，可能期望具有薄且密的区域(例如100%密度；固体聚合物)，同时其他区域可能更厚并且密封更低(例如5-7%密度；泡沫聚合物)。因此，因为可以实现紧公差(例如，50μm厚度)并且因为不需要某些燃料电池特征(例如尖点和槽的组合)，本发明提供的辅助垫为燃料电池提供了更大的设计自由。
虽然非膜发泡塑料的使用使模制变得容易，但是泡沫还必须具有足够强度来承受由密封珠压缩、流体压差或者它们的组合导致的载荷。另外，需要泡沫的压缩刚度足够低，使得在压缩期间双极板不会明显变形。然而，还需要压缩刚度足够高以便承受制造、组装和操作载荷。已使用基于挤压的微孔聚合泡沫(例如由所谓的MuCellTM微孔发泡工序形成的；Trexel公司)获得了良好的结果。
微孔发泡工序(例如MuCellTM工序；Trexel公司)涉及：使将在挤压机中发泡的聚合材料塑化，将发泡剂(它可以是物理或化学发泡剂)在它是超临界流体的温度和压力下引入到机器中，以及形成塑化材料和超临界流体的单相混合物。当在单相混合物的温度和压力变化时释放发泡剂时-例如当在构形时混合物被挤出到大气中时，形成微孔发泡塑料。根据使用的发泡条件，形成的微孔泡沫具有可形成封闭结构或开放结构的细小、均匀孔隙。混合物中还可使用成核剂来控制单元大小和均匀性。熟悉微孔发泡工序的技术人员将知晓，所述工序以及由其生成的发泡塑料的各种变型和改良已经被作出。所属领域技术人员还将理解的是，对所述工序以及生成的材料的变型和改进被构想为包括在如在此使用的术语“MuCellTM工序”、“微孔发泡工序”、“微孔泡沫”以及“微孔聚合泡沫”内。
各种聚合材料适于与微孔发泡工序一起使用。例如，已经使用了聚烯烃、聚酯、聚碳酸酯、聚酰胺、聚酰亚胺、聚醚、聚苯乙烯、聚氨基甲酸脂、聚醚酮、聚氯乙烯、聚(甲基)丙烯酸脂、聚(甲基)丙烯酰胺、聚(甲基)丙烯腈、聚砜、聚苯硫醚和酚醛树脂聚合物。在某些实施方式中，用于形成本发明提供的辅助垫的微孔聚合泡沫的聚合材料从聚乙烯和聚丙烯中选择。对于在高于95℃的温度运转的燃料电池，可能期望聚合物交叉链接。
为了用于形成本发明提供的辅助垫，微孔聚合泡沫被形成薄片，所述薄片具有在与辅助垫覆盖区域兼容的厚度(例如，50μm)或者与密封珠接触带兼容的厚度(例如，50-150μm)能够将该片挤压成接近固体聚合物(100%密度)的密度，同时在该区域以及在辅助垫的其他地方提供足够强度来承受密封珠压缩、流体压差或者两者产生的载荷。在某些实施方式中，适当泡沫片具有从大约0.5mm到大约1.5mm的厚度(或者厚度的组合)以及从大约5%到大约7%的密度。相应地，泡沫片具体构想为具有下述厚度：0.5-0.6mm、0.6-0.7mm、0.7-0.8mm、0.8-0.9mm、0.9-1.0mm、1.0-1.1mm、1.1-1.2mm、1.2-1.3mm、1.3-1.4mm和1.4-1.5mm。在某些实施方式中，构想为具有从大约0.75mm到大约1.2mm厚度的(或者厚度的组合)泡沫片也是适当的。另外，还具体构想了具有5-5.5%、5.5-6%、6-6.5%和6.5-7%的密度的泡沫片。泡沫片可具有微孔(例如，2-30μm直径)开放或封闭结构，但封闭结构是优选的。在某些实施方式中，微孔聚合泡沫片在高应力区域(例如密封珠通道、覆盖区域和供给区域)可以较薄以便更好地分散应力。在某些实施方式中，交叉链接聚合物还可帮助实现更稳定的辅助垫。
为了制造本发明提供的辅助垫，通过将所述片加热到易弯曲成形温度、将其模制成具有期望的特定形状和设计特征(例如集成密封珠通道)并且为其去毛边来热成形适当的微孔聚合泡沫片。一旦热成形，就冲压出需要的开口(例如头部开口、活性区域窗口、端口和基孔)并且除去碎屑。优选地，非交叉链接聚合物片被热成形，从而使碎屑能够回收利用。
一旦形成了具有需要的设计特征的辅助垫(包括集成密封珠通道)，那么当辅助垫在电池堆外时密封剂材料能够可选择地沉积到密封珠通道中。密封剂材料可以是大体上自动调平材料，或者可以是较高粘度材料(需要迫使它进入密封珠通道)。所属领域技术人员将熟悉各种适当的密封剂。无论使用高粘度或低粘度材料，都将需要沉积足够的密封剂材料来大体上填充通道。在某些实施方式中，密封剂材料在电池堆外沉积在至少某些密封珠通道中并且被允许固化。
无论是否已在电池堆外形成密封珠，所述辅助垫与MEA都可以结合。在本发明提供的辅助垫中具有薄的(例如，50μm)可压缩覆盖区域允许简化MEA结合。具有集成MEA的辅助垫可以接下来组装在堆中的双极板之间。如果在堆叠之后填充密封珠通道，那么密封剂材料可沉积到密封珠通道中以便大体上填充它们。在某些实施方式中，当组装到电池堆中时，密封剂材料被沉积在至少某些密封珠通道中并且允许固化。无论通过在电池堆外、电池堆中沉积密封剂材料或者两者都沉积密封剂材料，一旦辅助垫中的所有密封珠通道都具有形成的密封珠，那么压缩电池堆并且测试泄漏情况。
如果使用的微孔聚合泡沫片不是交叉链接聚合物片，那么它能够可选择地是交叉链接的(例如通过使用伽玛射线、电子束或者其他适当交叉链接工序)以便增加辅助垫的强度和温度耐受力。所属领域技术人员将熟悉各种适当的交叉链接方法。在某些实施方式中，可以泡沫片的热成形之前或之后发生交叉链接。优选地，在热成形之后发生交叉链接，从而使碎屑能够回收利用。在某些实施方式中，在MEA结合之前发生交叉链接。假设MEA将不会被选定的交叉链接方法损坏，那么交叉链接可以备选地在MEA结合之后发生。
通过参阅下面的示例将能更好地理解所述实施方式，所述示例通过说明提供并且所属领域技术人员将会认识到所述示例并不意味着对本发明的限制。
如同所描述的，在本发明的各种实施方式中具有用于燃料电池的微孔聚合泡沫辅助垫。在某些实施方式中，这种辅助垫可包括(ⅰ)活性区域，所述活性区域构造成当组装在一对燃料电池板之间时为膜电极组件提供框架；(ⅱ)供给区域，所述供给区域包括歧管部分，所述歧管部分适应所述一对板的阳极、阴极以及冷却剂歧管；以及(ⅲ)至少一个密封珠通道，所述至少一个密封珠通道结合到聚合泡沫中并且构造成接纳并且包含密封珠材料。还在各种公开的实施方式中提供了包括本发明提供的辅助垫的燃料电池和燃料电池堆。
图2示出了燃料电池堆201的一个示例(示出为移除一个板)，所述燃料电池堆201包括辅助垫202、一对双极板203和204(未示出)。辅助垫202以及每个板203、204都具有活性区域205和供给区域206。膜电极组件(MEA)207设置在活性区域205内。典型的MEA包括设置在阴极与阳极之间的质子交换膜，其中这种MEA定位在一对气体扩散介质层之间并且所有这些部件都定位在双极板之间。在某些实施方式中辅助垫202包括覆盖并且为活性区域205提供框架的部分214。在某些实施方式中，MEA207可与扩散介质层(未示出)以及辅助垫202组装在一起以便形成组合电极组件。
除了活性区域205，辅助垫202以及每个板203、204还包括供给区域206。分别用于输送和排出阳极气体、阴极气体和冷却剂的阳极歧管区域208、阴极歧管区域209以及冷却剂歧管区域210,设置在供给区域206内。所示燃料电池堆201进一步包括限定在板203、204内的至少一个注入口211以及至少一个端口212，其中所述注入口211与所述端口212流体连通。辅助垫202包括用于适应端口212的孔口213。
在包括常规辅助垫的常规燃料电池堆的组装期间，使用涉及下述操作的多步骤工序实现电池的密封：(ⅰ)提供膜基辅助垫材料，(ⅱ)构形所述材料的若干部分以便在辅助垫与板之间形成空腔，(ⅲ)在组装所述堆时形成这种空腔，以及(ⅳ)将形成的空腔填充以密封剂。在这种工序中，在辅助垫设置在板之间并且所述堆被至少部分压缩之前未形成空腔。接下来，粘性密封剂被注射通过端口与注入口的组合件(所述组合件与空腔流体连通)，并且这种密封剂材料填充并且进一步形成空腔。压缩随后被释放以便允许密封剂膨胀，并且膨胀的密封剂固化来形成密封珠。所述堆随后被完全压缩，从而将部件密封在一起。密封剂的固化条件取决于选定的特定密封剂。例如，可以在室温、升高的温度、大气压、降低的气压或者它们的组合下执行固化。还可以使用辐射和化学方式(例如除了化学固化材料)来固化。所属领域技术人员将熟悉各种适当的固化方式。
不像常规辅助垫，本发明提供的辅助垫202包括结合到辅助垫202中的预成型密封珠通道215，从而使本发明提供的燃料电池的组装和制造工序更简单同时还提供其他工序和生产益处。例如，发泡聚合物的使用(代替膜)允许辅助垫和燃料电池的设计具有更大的灵活性-例如通过免除槽和尖点组合。作为另一个示例，预成型集成通道215的存在允许有更好的定位准确性并且因此降低了密封失效。另外，预成型、集成密封珠通道215的存在允许在密封剂如何沉积到所述通道215中方面具有灵活性。在某些实施方式中，密封材料可以通过注入口211与端口212的组合件注射到组装的燃料电池堆201中，所述组合件与通道215流体连通。在其他实施方式中，密封剂材料可以在堆叠电池之前沉积到通道215中。固化可以在电池堆叠之前或之后发生。在进一步的实施方式中，这种加工灵活性允许沉积密封剂材料在电池堆叠之前和之后发生的组合。例如，可以构想到的是，某些通道215可以在堆叠之前填充以密封剂并且剩余通道215可以在堆叠之后填充以密封剂。在前述实施方式中的每个中，密封剂的固化条件取决于选定的特定密封剂。例如，固化可以在室温、升高的温度、大气压、降低的气压、辐射、通过化学方式或者它们的组合来执行。
在各种公开的实施方式中，还提供了制造用于燃料电池的辅助垫的方法。所述方法可包括：(ⅰ)提供基于挤压的微孔聚合泡沫片；(ⅱ)将提供的片加热到易弯曲温度；(ⅲ)将所述片模制成至少具有(a)包括可移除部分的活性区域，(b)供给区域，所述供给区域适应一对燃料电池板的阳极、阴极以及冷却剂歧管，所述供给区域包括多个可移除的部分，以及(c)至少一个密封珠通道，所述至少一个密封珠通道结合到聚合泡沫中并且构造成接纳并且包含密封珠材料。本发明提供的片还可以在可移除的部分移除之前或之后交叉链接（cross-linked）。
图3是与燃料电池(未示出)一起使用的本发明提供的辅助垫301的一个示例的俯视平面图。所属领域技术人员将认识到，这个示例通过说明提供并且其中示出的元件的构造并不意味着对本发明的限制；在不偏离本发明的范围的情况下可以作出各种改变。例如，存在各种燃料电池堆设计，并且在本发明的范围内可以构想和设想允许本发明提供的辅助垫与这种设计一起使用的改型。类似地，存在能够用于每个燃料电池设计的各种密封珠和密封珠通道样式，并且在本发明的范围内可以构想和设想不同于图3所示示例的样式。
示出的辅助垫301包括适应双极板特征的区域-包括活性区域302和供给区域303。活性区域302构造成当组装在燃料电池堆内时为MEA提供框架。所属领域技术人员将认识到，为制造这种辅助垫301必须移除聚合泡沫材料的一部分而剩下能够为MEA提供框架的部分302。在某些实施方式中，辅助垫301还可至少部分支撑MEA。供给区域303包括：(ⅰ)阳极歧管区域304，所述阳极歧管区域304 适应使用的双极板的阳极歧管，(ⅱ)阴极歧管区域305，所述阴极歧管区域305适应使用的双极板的阴极歧管，以及(ⅲ)冷却剂歧管区域306，所述冷却剂歧管区域306适应使用的双极板的冷却剂歧管。如前面指出的，本发明特别构想了这种元件的构造的变型。所属领域技术人员将认识到，为制造这种辅助垫301必须移除聚合泡沫材料的一部分而在不堵塞歧管流的情况下剩下适应双极板的部分304、305、306。“适应”双极板意指本发明提供的辅助垫具有大体上类似于板的那些区域的形状、厚度和其他特征。因此，在某些实施方式中，本发明提供的辅助垫当组装和密封在板之间时在所述板之间具有极少(如果有的话)空穴。预成型密封珠通道307独立地环绕每个歧管区域304,、305、306，所述预成型密封珠通道307结合在辅助垫301的一部分内并且构造成接纳和包含密封珠材料。每个密封珠通道307都可以连续或非连续环绕对应的歧管区域304、305、306。例如，环绕阳极歧管区域307的密封珠通道307可以是完全环绕这个区域307(如图所示)的连续通道。备选地，可以构想的是，环绕阳极歧管区域307的密封珠通道307可以是仍然大体上环绕该区域307的非连续通道。额外的预成型密封珠通道308为整个活性区域302提供框架并且延伸到供给区域303的一部分中，所述额外的预成型密封珠通道308结合到辅助垫301中并且构造成接纳和包含密封珠材料。因此，发泡聚合材料用作密封珠的模具。这种额外密封珠通道308可以是连续或者非连续的并且可具有与歧管密封珠通道307相同或者不同的尺寸。如图所示，额外的密封珠通道308是连续集成通道。如所示出的，密封珠通道307、308可具有相同或不同尺寸。例如，所有通道307、308都可具有相同截面面积、进入辅助垫301材料的相同深度或者具有两者。备选地，可以构想到的是，通道307、308中的至少一个可具有不同于其他通道307、308的截面面积、进入辅助垫301材料的深度或两者。在某些实施方式中，可以构想到的是，所有通道307、308都可具有相同截面面积以及进入发泡辅助垫301材料的深度。例如，辅助垫301的厚度在密封珠通道307、308的最薄部分处可以为0.05mm(它被压缩成接近固体聚合物；大约100%密度)，并且在辅助垫301的剩余部分处可以为1.0mm(未压缩)。在某些实施方式中，至少某些通道307、308彼此流体连通，使得注射到一个通道307、308中的有粘度的密封剂材料可以流动到至少另一个通道307、308中。在这种实施方式中，可以通过至少一个端口与注入口的组合件注射，所述组合件与这些通道307、308流体连通。在某些实施方式中，端口与注入口的组合件不必与通道307、308连通，因为密封珠材料在组装燃料电池堆之前就沉积在通道307、308内。
图4是与燃料电池(未示出)一起使用的本发明提供的辅助垫401的另一个示例的俯视平面图。所属领域技术人员将认识到，这个示例通过说明提供而并不意味着对本发明的限制，并且在不偏离本发明的范围的情况下可以作出各种改变。描绘的辅助垫401类似于图3所示的辅助垫，但它包括各种具有不同厚度的材料。如图所示，供给区域402包括主要部分403和歧管部分404，其中所述主要部分403比所述歧管部分404薄。另外，活性区域405包括覆盖部分406，所述覆盖部分406比供给区域402的主要部分403薄。此外，辅助垫401包括外围部分407，所述外围部分407比供给区域402的主要部分403厚但是比歧管部分404薄。作为这种辅助垫的一个示例，可以构想到的是，覆盖部分406可具有0.05mm的厚度(它被压缩成接近固体聚合物；大约100%密度)，主要部分403可具有的厚度0.1mm的厚度，外围部分407可具有0.2mm的厚度，并且歧管部分404可具有1.0mm的厚度(未压缩)。密封珠通道408、409的最薄部分(未标示)也可具有0.05mm的厚度。
另外，在本发明的各种公开的实施方式中提供了在燃料电池的板之间密封的方法。这种方法可包括：(ⅰ)提供设置在电池堆中的一对板；(ⅱ)提供膜电极组件；(ⅲ)提供基于挤压的微孔聚合泡沫辅助垫，所述辅助垫包括(a)活性区域，所述活性区域构造成为膜电极组件提供框架，以及(b)至少一个密封珠通道，所述至少一个密封珠通道结合到聚合泡沫中并且构造成接纳和包含密封珠材料；(ⅳ) 将本发明提供的辅助垫以及膜电极组件设置在所述一对板之间以便通过所述辅助垫的活性区域为所述膜电极组件提供框架；以及(ⅴ)在将所述辅助垫设置在所述一对板之间之前、在将所述辅助垫设置在所述一对板之间之后或者两者，将密封珠材料沉积到所述至少一个密封珠通道中。
图5示出了包括本发明提供的辅助垫的示例性燃料电池堆的阳极供给区段的侧面局部横截面图的一个示例。为了说明目的，参阅图2中的A-A，可以在燃料电池堆中找到该区段。如图所示，燃料电池堆501包括一对双极板502(阳极半板)、503(阴极半板)，其中气体扩散介质504和MEA505设置在所述板502、503之间。辅助垫506由基于挤压的微孔聚合泡沫制成(例如通过MuCellTM工序形成的)，所述辅助垫506热成形为具有在所述辅助垫506的头部(未标示)内形成的集成密封珠通道507。还示出了辅助垫506的密封珠508和覆盖区域509，以及阳极气体的流动路径510。如前面描述的，辅助垫506包括构造成接纳和包含密封珠材料508的预成型集成通道507，其中所述辅助垫506在通道507的最薄部分511处被模制成接近固体聚合物(大约100%密度)。然而，辅助垫506在通道507附近较厚并且适应双极板502、503的特征，从而没有空穴。这就通过阻塞非期望的流动来进一步辅助电池堆501的密封。如所属领域技术人员应当理解的，辅助垫506的形成覆盖区域509的一部分还可以模制成比辅助垫506的其他部分薄。该区域509还可以帮助支撑MEA。
图6示出了包括本发明提供的辅助垫的示例性燃料电池堆的阴极供给区段的侧面局部横截面图的一个示例。为了说明目的，参阅图2中的B-B，可以在燃料电池堆中找到该区段。如图所示，燃料电池堆601包括一对双极板602(阳极半板)、603(阴极半板)，其中气体扩散介质和MEA(未标示)设置在所述板602、603之间。还示出了辅助垫604、集成密封珠通道605以及密封珠606。还示出了阴极气体的流动路径607。如前面描述的，辅助垫604包括构造成接纳和包含密封珠材料606的集成通道605，其中所述辅助垫604在通道605的最薄部分(未标示)处被压缩成接近固体聚合物(大约100%密度)。辅助垫604在通道605附近较厚并且适应双极板602、603的特征。这就通过消除空穴并且阻塞非期望的流动来进一步辅助堆601的密封。
图7示出了包括本发明提供的辅助垫的示例性燃料电池堆的冷却剂供给区段的侧面局部横截面图的一个示例。为了说明目的，参阅图2中的C-C，可以在燃料电池堆中找到该区段。如图所示，燃料电池堆701包括一对双极板702、703，其中气体扩散介质(未标示)和MEA(未标示)设置在所述板702、703之间。还示出了辅助垫704、集成密封珠通道705以及密封珠706。辅助垫704在通道705附近较厚并且适应双极板702、703的特征。这就通过阻塞非期望的流动来进一步辅助堆701的密封。另外还示出了冷却剂的流动路径707。
图8示出了包括本发明提供的辅助垫的示例性燃料电池堆的边缘区段(非嵌套设计)的侧面局部横截面图的一个示例。为了说明目的，参阅图2中的D-D，可以在燃料电池堆中找到该区段。如图所示，燃料电池堆801包括一对双极板802、803，其中气体扩散介质(未标示)设置在所述板802、803之间。还示出了辅助垫804、集成密封珠通道805以及密封珠806。如所描绘的那样，电池堆801的每个电池都具有严谨的辅助垫804(即，电池A的辅助垫804与电池B的辅助垫804'分隔开)。
图9A示出了包括本发明提供的辅助垫的示例性燃料电池堆的边缘区段(嵌套设计)的侧面局部横截面图的一个备选示例。如图所示，燃料电池堆901的电池包括一对双极板902、903，其中气体扩散介质(未标示)设置在所述板902、903之间。还示出了辅助垫904、集成密封珠通道905以及密封珠906。如所描绘的那样，电池堆901的两个相邻电池共用辅助垫904(即，电池A的辅助垫904与电池B共用，并且电池C的辅助垫904'与电池D共用)，并且辅助垫904具有仅接触一个共用板903的密封珠906。为了实现该设计，采用了具有预成型的集成密封珠空腔905的扇形折叠辅助垫904。如图9B描绘的，横截面图示出了辅助垫904制造成在所述辅助垫904的对置侧上具有密封珠空腔905。所属领域技术人员将会理解的是，本发明提供的辅助垫可以在所述电池堆中的所有电池之间共用并且本发明特别包含了这种设置。
图10A示出了包括本发明提供的辅助垫的燃料电池堆的边缘区段(嵌套设计)的侧面局部横截面图的另一个示例。如图所示，燃料电池堆1001包括一对双极板1002、1003，其中气体扩散介质(未标示)设置在所述板1002、1003之间。还示出了辅助垫1004、集成密封珠通道1005和密封珠1006。如所描绘的那样，电池堆1001的两个相邻电池共用辅助垫1004(即，电池A的辅助垫1004与电池B共用，并且电池C的辅助垫1004'与电池D共用)，并且辅助垫1004具有接触两个共用板1002、1003的密封珠1006。为了实现该设计，采用了具有预成型的集成密封珠空腔1005的扇形折叠辅助垫1004。如图10B描绘的，横截面图示出了辅助垫1004制造成在所述辅助垫1004的相同侧上具有预成型密封珠空腔1005。这有助于在连续制造工序中更容易地填充密封珠通道1005。所属领域技术人员将会理解的是，本发明提供的辅助垫可以在所述电池堆中的所有电池之间共用并且本发明特别包含了这种设置。
如参照图9-10描述的，两个相邻电池可以共用辅助垫。然而，本发明提供的辅助垫还可以被多于两个的电池共用。图11描绘了这种辅助垫的一个示例，其中辅助垫1101制造成在所述辅助垫1101的对置侧上具有密封珠空腔1102，并且被构造成在三个相邻电池之间共用。
本申请不应被认为受限于本文描述的具体附图和示例，而是应理解为覆盖本发明的所有方面。各种改型、等同工序以及本发明可适用的多种结构和装置对所属领域技术人员将是显而易见的。所属领域技术人员将会理解的是，在不偏离本发明的范围的情况下可对本发明做出各种改变，而不应被认为本发明受限于说明书中描述的实施例。

Claims (10)

1.一种用于具有一对板的燃料电池的基于挤压的微孔聚合泡沫辅助垫，包括：
活性区域，所述活性区域构造成当与膜电极组件一起组装在所述一对板之间时为所述膜电极组件提供框架；
供给区域，所述供给区域包括歧管部分，所述歧管部分当组装在所述一对板之间时适应所述一对板的阳极歧管、阴极歧管和冷却剂歧管；
至少一个密封珠通道，所述至少一个密封珠通道结合到所述聚合泡沫中并且构造成接纳并且包含密封珠材料。
2.如权利要求1所述的辅助垫，其中所述密封珠通道中的每个都具有与所述密封珠通道中的另一个相同或不同的截面面积、截面形状、深度或者它们的组合。
3.如权利要求1所述的辅助垫，其中所述密封珠通道、供给区域、活性区域或者它们的组合的若干部分模制成比所述辅助垫的其他部分薄。
4.如权利要求3所述的辅助垫，其中所述供给区域包括至少一个部分，所述至少一个部分具有不同于所述歧管部分厚度的厚度。
5.如权利要求3所述的辅助垫，其中所述活性区域包括部分覆盖所述膜电极组件的部分。
6.如权利要求5所述的辅助垫，其中所述活性区域包括至少一个部分，所述至少一个部分具有不同于所述覆盖部分厚度的厚度。
7.如权利要求1所述的辅助垫，包括环绕适应所述阳极歧管的部分的密封珠通道、环绕适应所述阴极歧管的部分的密封珠通道以及环绕适应所述冷却剂歧管的部分的密封珠通道。
8.一种燃料电池堆，包括：
设置在电池堆中的一对板，所述板包括阳极歧管、阴极歧管和冷却剂歧管；
设置在所述一对板之间的膜电极组件；
设置在所述一对板之间的基于挤压的微孔聚合泡沫辅助垫，所述辅助垫包括：
       活性区域，所述活性区域构造成为所述膜电极组件提供框架；
       供给区域，所述供给区域包括歧管部分，所述歧管部分适应所述一对板的阳极歧管、阴极歧管和冷却剂歧管；
       至少一个密封珠通道，所述至少一个密封珠通道结合到所述聚合物泡沫中并且构造成接纳和包含密封珠材料；
设置在所述至少一个密封珠通道中的固化的密封珠，在所述辅助垫设置在所述一对板之间之前、在所述辅助垫设置在所述一对板之间之后或者两者，将密封珠材料沉积到所述通道中，并且使所述密封珠材料固化，从而形成所述密封珠。
9.一种在燃料电池堆的板之间进行密封的方法，包括：
提供设置在电池堆中的一对板，所述板包括阳极歧管、阴极歧管和冷却剂歧管；
提供膜电极组件；
提供基于挤压的微孔聚合泡沫辅助垫，所述辅助垫包括：
       活性区域，所述活性区域构造成为所述膜电极组件提供框架；
       供给区域，所述供给区域包括歧管部分，所述歧管部分适应所述一对板的阳极歧管、阴极歧管和冷却剂歧管；
       至少一个密封珠通道，所述至少一个密封珠通道结合到所述聚合泡沫中并且构造成接纳和包含密封珠材料；
将提供的辅助垫和膜电极组件设置在所述一对板之间以便通过所述辅助垫的活性区域为所述膜电极组件提供框架；以及
在将所述辅助垫设置在所述一对板之间之前、在将所述辅助垫设置在所述一对板之间之后或者两者，将密封珠材料沉积到所述至少一个密封珠通道中。
10.一种制造用于燃料电池的辅助垫的方法，该燃料电池具有设置在电池堆中的一对板，该方法包括：
提供基于挤压的微孔聚合泡沫片；
将提供的片加热到易弯曲温度；
将所述片模制成至少具有：(ⅰ)包括可移除部分的活性区域；(ⅱ)供给区域，所述供给区域适应所述一对板的所述阳极歧管、所述阴极歧管以及冷却剂歧管，所述供给区域包括多个可移除的部分；以及(ⅲ)至少一个密封珠通道，所述至少一个密封珠通道结合到所述聚合泡沫中并且构造成接纳并且包含密封珠材料；
将所述可移除部分移除；以及
在所述可移除部分移除之前或在所述可移除部分移除之后交叉链接所述聚合物。
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