CN103872361A

CN103872361A - 用于燃料电池的金属分离器、燃料电池堆以及密封垫组件

Info

Publication number: CN103872361A
Application number: CN201310680532.XA
Authority: CN
Inventors: 陈相文
Original assignee: Hyundai Motor Co
Current assignee: Hyundai Motor Co
Priority date: 2012-12-12
Filing date: 2013-12-12
Publication date: 2014-06-18
Also published as: KR20140076377A; KR101416390B1; US20140162164A1; DE102013225733A1

Abstract

本发明涉及用于燃料电池的金属分离器、燃料电池堆以及密封垫组件，具体地，提供一种燃料电池堆，其包括插入在膜电极组件与金属分离器的边缘部分之间的密封垫组件。特别地，金属分离器由彼此焊接的第一金属板和第二金属板，以及围绕第一金属板和第二金属板的焊接部分形成的互相对称的一个或多个弯曲部分形成。然后将密封垫组件安装在膜电极组件和在其间具有弯曲部分的金属分离器的边缘部分之间。

Description

用于燃料电池的金属分离器、燃料电池堆以及密封垫组件

相关申请的引用

本申请要求于2012年12月12日提交给韩国知识产权局的韩国专利申请第10-2012-0144840号的优先权和权益，通过引用将其全部内容结合在此。

技术领域

本发明涉及燃料电池堆，并且更具体地涉及用于燃料电池的金属分离器，其用于改进燃料电池的气密性，以及应用于用于燃料电池的金属分离器的密封垫组件。

背景技术

通常，燃料电池是一种用于将燃料的化学能直接转换成电能的发电系统。典型地，堆叠多个燃料电池（被称作单元电池）以形成燃料电池堆，该燃料电池堆创建了发电组件。

在操作中，燃料电池通过燃料和氧化剂之间的电化学反应产生电能，并且包括膜电极组件（MEA)和分离器，该分离器被设置为利用插入其间的膜电极组件使得与膜电极组件的两侧紧密接触。

可将与膜电极组件的阳极紧密接触的分离器定义为阳极板，可将与膜电极组件的阴极紧密接触的分离器定义为阴极板。

阳极板的一个表面（在下文中，为了描述的方便起见称作“反应表面”)上设置有用于向膜电极组件的阳极提供作为燃料的氢气的燃料通道（channel）。阳极板的另一个表面（在下文中，为了描述的方便起见称作“冷却表面”)上包括用于分布冷却介质的冷却通道。

同样地，阴极板的一个表面（在下文中，为了描述的方便起见称作“反应表面”)上设置有向膜电极组件的阴极提供空气（其为氧化剂）的氧化剂通道。阴极板的另一表面（在下文中，为了描述的方便起见称作“冷却表面”)上设置有用于分布冷却介质的冷却通道。

通过压制成形金属板，上述阳极板和阴极板可以在各自的反应表面上设置有燃料通道和氧化剂通道并且在各自的冷却表面上设置有冷却剂通道。这里，在阳极板和阴极板的冷却表面互相紧密接触时，形成在阳极板和阴极板的冷却表面上的冷却通道结合在一起，以使形成冷却通路（passage），冷却介质可穿过该冷却通路在阳极板和阴极板之间流动。

在这种情况下，可将一个阳极板和阴极板在其中互相紧密接触的装置定义为用于燃料电池的金属分离器。

同时，为了通过堆叠多个上述燃料电池构造燃料电池堆，需要保持膜电极组件的反应表面与金属分离器之间的以及金属分离器的冷却表面之间的气密性。为了这个目的，可在膜电极组件的反应表面与金属分离器之间以及金属分离器的冷却表面之间形成密封垫。通常，密封垫在阳极板和阴极板的两个表面的边缘被注塑成型为一体。

然而，由于交联过程中产生的分离器的注射压力和表面污染，上述密封垫的注塑成型方法可使分离器变形，并且在密封垫的形状设计方面也具有局限性，所以难以改善全部的燃料电池堆的气密性。

在该背景部分中公开的上述信息仅是为了加强对本发明背景的理解，并且因此它可包含并不形成现有技术的在这个国家对本领域的普通技术人员已知的信息。

发明内容

本发明已致力于提供一种能够利用简单的构造改善气密性、提高生产力并且减少分离器的故障的用于燃料电池的金属分离器。

特别地，本发明的示例性实施方式提供设置在膜电极组件（MEA）两侧的用于燃料电池的金属分离器，其中，用于燃料电池的金属分离器是通过将第一金属板和第二金属板（最初第一和第二金属板是彼此分开的）彼此焊接形成的；以及围绕第一金属板和第二金属板的焊接部分形成的彼此对称的一个或多个弯曲部分。

此外，第一金属板的一个表面形成为具有第一反应气体通道的反应表面，并且另一个表面形成为具有冷却通道的冷却表面。另外，第二金属板的一个表面形成为具有第二反应气体通道的反应表面，并且另一个表面形成为具有冷却通道的冷却表面。

在将第一金属板和第二金属板的冷却表面彼此焊接时通过使冷却通道结合而形成的冷却通路形成在第一金属板和第二金属板之间。可以形成弯曲部分以朝向第一金属板和第二金属板的反应表面的边缘部分的膜电极组件弯曲。在第一金属板和第二金属板的反应表面的边缘部分可以形成多个弯曲部分。在第一金属板和第二金属板的反应表面的边缘部分中，将弯曲部分之间的区域也彼此焊接。

在本发明的另一个示例性实施方式中，一种燃料电池堆，通过堆叠多个燃料电池组成发电组件，其中，上述金属分离器与膜电极组件的两侧紧密接触。特别地，燃料电池堆包括插入在膜电极组件与金属分离器的边缘部分之间的密封垫组件。通过将第一金属板与第二金属板彼此焊接形成金属分离器。另外，一个或多个弯曲部分，彼此对称，围绕第一和第二金属板的焊接部分形成，并且密封垫组件安装在膜电极组件与在其间具有弯曲部分的金属分离器的边缘部分之间。

此外，密封垫组件可包括由绝缘材料形成的框架，和与框架注塑成型为一体的密封垫。此外，在第一金属板和第二金属板的边缘部分可包括多个弯曲部分。在弯曲部分之间可设置密封垫，并且第一金属板和第二金属板的反应表面的边缘部分中的弯曲部分之间的区域可焊接至彼此。

在本发明的又一个示例性实施方式中，燃料电池堆的密封垫组件通过堆叠多个燃料电池组成发电组件，其中，上述金属分离器与膜电极组件的两侧紧密接触。密封垫组件插入在膜电极组件与金属分离器的边缘部分之间，并且包括由绝缘材料形成的框架和与框架的两个表面注塑成型为一体的密封垫，其中，密封垫的至少一个侧表面与金属分离器的弯曲部分紧密接触，在燃料电池堆被连接时被压缩，并且具有与弯曲部分的形状相应的形状。此外，框架可包括设置在燃料电池的堆叠方向上的第一部分，和在垂直方向上与第一部分连接的第二部分。在本发明的一些实施方式中，框架也可具有类似字母“T”的截面形状。

另外，密封垫可注塑成型在第二部分的上表面和下表面上并且可设置在膜电极组件与金属分离器的边缘部分之间，金属分离器具有在金属分离器中于第一金属板和第二金属板的边缘部分之间形成的弯曲部分，其中，第一金属板和第二金属板彼此焊接。

根据本发明的示例性实施方式，可以通过在第一金属板和第二金属板的边缘部分形成彼此对称的弯曲部分，并且焊接弯曲部分之间的区域来构造用于燃料电池的金属分离器。这样做，可以通过焊接第一金属板和第二金属板的冷却表面并且在第一金属板和第二金属板的反应表面的边缘部分形成弯曲部分进一步改善用于燃料电池的冷却表面和金属分离器的反应表面的气密性。

此外，根据本发明的示例性实施方式，可以分别通过将密封垫注塑成型在框架中的方法形成密封垫组件和将密封垫组件插入金属分离器的第一金属板和第二金属板的边缘部分与膜电极组件之间来保持燃料电池的气密性。

因此，在本发明的示例性实施方式中，分别形成密封垫组件，以便可进一步改善燃料电池的硬度和气密性，防止现有相关技术中的金属分离器变形、表面污染等，并且同时使金属分离器的故障减少，以及进一步提高整个堆叠的生产力。

此外，在本发明的示例性实施方式中，在燃料电池堆叠时，密封垫组件的框架可用作止动件（挡块，stopper），因此可实现金属分离器的外部绝缘以及堆叠长度的一致性。

附图说明

提供附图用于参考来描述本发明的示例性实施方式，因此不应解释为本发明的技术精神局限于此。

图1是示意性地示出了根据本发明的示例性实施方式的燃料电池堆的截面构造示图。

图2是示出了根据本发明的示例性实施方式的应用至燃料电池堆的金属分离器的截面构造示图。

图3是根据本发明的示例性实施方式的应用至燃料电池堆的密封垫组件的部分切割透视图。

具体实施方式

在下文中，以下将参照附图更全面地描述本发明，在附图中示出了本发明的示例性实施方式。如同本领域技术人员意识到的，在不完全背离本发明的精神或范围的情况下，可以以各种不同的方式对所描述的实施方式进行修改。

因此，附图和说明书本质上被认为是说明性的，而不是限制性的。贯穿本说明书，同样的标号表示同样的元件。

此外，为了理解和方便说明书，附图中任意地示出了每个构造的尺寸和厚度，但是本发明不受其限制。在附图中，为了清楚起见，放大层、膜、板、区域等的厚度。

此外，在以下详细描述中，因为元件的构造是相同的，所以元件被称为第一…、第二…等，但是命名实质上不局限于以下描述中的顺序。

在说明书中，除非明确地描述为与之相反，否则，词语“包括”以及诸如“包含”或者“含有”等变型应当理解为意指包括所述元件，而非排除任何其他的元件。

此外，说明书中描述的术语“-单元”、“-装置”、“-部件”以及“-构件”的意思是执行至少一个功能与操作的综合构造的单元。

应当理解，本文所使用的术语“车辆（vehicle）”或者“车辆的（vehicular）”或者其他的类似术语包括广义的机动车辆，诸如包括运动型多用途车辆（SUV）、公共汽车、卡车、各种商用车辆的载客车辆，包括各种小船（boat）和船舶（ship）的水运工具（watercraft），航天器等，并且包括混合动力燃料电池车辆、电动燃料电池车辆、插电混合动力电动燃料电池车辆、氢动力燃料电池车辆、以及其他可替代的燃料电池车辆。如本文中所指的，混合动力汽车是具有两种或多种动力源的车辆，例如燃料电池动力和电动力两者的车辆。

图1是示意性地示出了根据本发明的示例性实施方式的燃料电池堆的截面构造示图。参考图1，根据本发明的示例性实施方式的燃料电池堆100包括发电组件1，该发电组件用于通过燃料和氧化剂（其是反应源）之间的电化学反应产生电能。例如，燃料电池堆100可应用于燃料电池系统，该燃料电池系统应用于燃料电池车辆。在下文中，假设燃料是氢气并且氧化剂是空气。

这里，燃料电池堆100可由发电组件1形成，其中，多个燃料电池50（本领域中通常称作“单元电池”）堆叠在发电组件1中。每个燃料电池50可通过根据本发明的示例性实施方式在膜电极组件MEA10的两侧布置用于燃料电池的金属分离器20形成。

在下文中，参考附图描述各个组成元件，并且将作为实例来描述垂直堆叠的燃料电池50。然而，方向的定义是相对的意义，并且方向可根据燃料电池50堆叠的方向改变，并且实质上不将上述参考方向限制为本发明的示例性实施方式的参考方向。

在膜电极组件10中，阳极和阴极分别形成在电解质膜的两个侧表面。膜电极组件10是本领域中广泛公知的技术，因此在本说明书中将省略对膜电极组件10的构造的更加详细的描述。

用于燃料电池的金属分离器20包括第一金属板21和和第二金属板31。第一金属板21和和第二金属板31可形成通道，氢气和空气分别通过该通道流动，以及通道，冷却介质（例如，冷却剂）通过压缩过程流过该通道。

第一金属板21的一个表面可形成为具有第一反应气体通道23的反应表面，氢气通过该第一反应气体通道23流动，并且该反应表面与膜电极组件10的阳极紧密接触。第一金属板21的另一个表面可形成具有冷却通道25的冷却表面，冷却剂穿过该冷却通道25流动。

同样地，第二金属板31的一个表面可形成为具有第二反应气体通道33的反应表面，空气通过该第二反应气体通道33流动，并且反应表面与膜电极组件10的阴极紧密接触。第二金属板31的另一个表面可形成具有冷却通道35的冷却表面，冷却剂穿过该冷却通道35流动。

将在第一金属板21和第二金属板31的冷却表面彼此接触时通过使冷却通道25和35结合成一体形成的冷却通路41形成在第一金属板21和第二金属板31之间。

同时，燃料电池堆100还包括用于保持燃料电池50的第一金属板21和第二金属板31的边缘部分与膜电极组件10之间的气密性的密封垫组件70。该密封垫组件70可插入第一金属板21和第二金属板31的边缘部分与膜电极组件10之间。以下将更详细地描述密封垫组件70的构造。

根据本发明的示例性实施方式的具有上述构造的燃料电池堆100具有通过改善用于金属分离器20的第一金属板21和第二金属板31的连接结构能够改善整个堆叠气密性的结构以及密封垫组件70的结构。同样地，根据本发明的示例性实施方式的燃料电池堆100具有能够提高生产力并且使用于燃料电池的金属分离器20的故障减少的结构。

为这个目的，通过例如将金属板21和金属板31激光焊接成第一金属板21和第二金属板31的分开的冷却表面互相紧密接触的状态，本发明的示例性实施方式中的用于燃料电池的金属分离器20可由一组第一金属板21和第二金属板31形成。就是说，冷却通道41可通过这种方式形成：在第一金属板21和第二金属板31的冷却表面的冷却通道25和冷却通道35的外部区域互相紧密接触时，通过激光焊接它们的紧密接触部分，以使得冷却表面之间的冷却通道25和冷却通道35一同结合成为一体。

图2是示出了根据本发明的示例性实施方式的应用于燃料电池堆的金属分离器的截面构造示图。参考图1和图2，在本发明的示例性实施方式中，围绕第一金属板21和第二金属板31的焊接部分包括彼此对称的一个或多个弯曲部分61。另外，多个弯曲部分61形成在第一金属板21和第二金属板31的反应表面的边缘部分。

这里，可形成弯曲部分61以使得其在第一金属板21和第二金属板31的反应表面的边缘部分的膜电极组件10的方向上弯曲。例如，可形成弯曲部分61以使得彼此间隔预定的距离，并且可形成为在第一金属板21和第二金属板31的反应表面的边缘部分的冷却通道25和冷却通道35的凹槽方向上从第一金属板21和第二金属板31的冷却表面突出的焊珠（beads）。

在这种情况下，在第一金属板21和第二金属板31的反应表面的边缘部分，弯曲部分61之间的区域可通过上述激光焊接彼此连接。因此，在本发明的示例性实施方式中，在第一金属板21和第二金属板31的冷却表面互相紧密接触时，可通过焊接冷却通道25和冷却通道35的外部区域形成用于燃料电池的金属分离器20。

此外，在本发明的示例性实施方式中，可通过在第一金属板21和第二金属板31的边缘部分形成互相对称的弯曲部分61，并且焊接弯曲部分61之间的区域形成用于燃料电池的金属分离器20。因此，在本发明的示例性实施方式中，第一金属板21和第二金属板31的冷却表面是焊接的，并且朝向膜电极组件10弯曲的弯曲部分61形成在第一金属板21和第二金属板31的反应表面的边缘部分，因此可以进一步改善用于燃料电池的金属分离器20的冷却表面和反应表面的气密性。

图3是示出了根据本发明的示例性实施方式的应用于燃料电池堆的密封垫组件的部分切割透视图。参考图1和图3，如上所述，根据本发明的示例性实施方式的密封垫组件70具有保持用于燃料电池的金属分离器20的第一金属板21和第二金属板31的边缘部分与膜电极组件10之间的气密性的目的。利用在多个第一和第二金属板21和31之间插入弯曲部分61，密封垫组件70可安装在金属板21和金属板31与膜电极组件10之间。

更具体地，密封垫组件70可包括由绝缘材料形成的框架71和与框架71注塑成型为一体的密封垫73。框架71可包括设置在燃料电池50的堆叠方向上的第一部分72a，和在垂直方向上连接至第一部分72a的第二部分72b。第一部分72a在燃料电池50的堆叠方向上竖起，第二部分72b可以在水平方向上连接至第一部分72a的中心。就是说，框架71可具有类似字母“T”的截面形状。

此外，密封垫73可注塑成型在框架71的第二部分72b的上表面和下表面中，并且可设置在第一金属板21和第二金属板31的边缘部分之间的金属板21和金属板31的弯曲部分61与膜电极组件10之间。在这种情况下，密封垫73的至少一个侧表面可与金属分离器20的弯曲部分61紧密接触，并且在燃料电池被连接（coupled）时被金属分离器20压缩，并且具有对应于弯曲部分61的形状。

根据本发明的示例性实施方式具有上述构造的燃料电池堆100，可以通过分别通过将密封垫73注塑成型至框架71的方法形成密封垫组件70，并且将密封垫组件70插入金属分离器20的第一金属板21和第二金属板31的边缘部分与膜电极组件10之间来保持燃料电池50的气密性。

此外，在本发明的示例性实施方式中，分别形成密封垫组件70，因此可进一步改善燃料电池50的硬度和气密性，防止现有相关技术中的金属分离器20变形、表面污染等，并且同时减少金属分离器20的故障，以及进一步提高整个堆叠100的生产力。

此外，在本发明的示例性实施方式中，在燃料电池50堆叠时，密封垫组件70的框架71可用作止动件，因此可实现金属分离器20的外部绝缘以及堆叠长度的一致性。

虽然已结合目前被视为实用的示例性实施方式描述了本发明，但应当理解的是，本发明不限于所公开的实施方式，相反，而是旨在涵盖包含在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等同布置。

标号说明

1...发电组件

10...膜电极组件

20...用于燃料电池的金属分离器 21...第一金属板

23...第一反应气体通道 25,35...冷却通道

31...第二金属板

33...第二反应气体通道

41...冷却通路 50...燃料电池

61...弯曲部分 70...密封垫组件

71...框架 72a...第一部分

72b...第二部分 73...密封垫。

Claims

1.一种设置在膜电极组件（MEA）两侧的用于燃料电池的金属分离器，其中用于所述燃料电池的所述金属分离器由以下形成：

焊接在一起的第一金属板和第二金属板，所述第一金属板和第二金属板最初是彼此分离的，以及

一个或多个互相对称的弯曲部分，围绕所述第一金属板和第二金属板的焊接部分形成。

2.根据权利要求1所述的金属分离器，其中，

所述第一金属板的一个表面形成为具有第一反应气体通道的反应表面，并且另一个表面形成为具有冷却通道的冷却表面，

所述第二金属板的一个表面形成为具有第二反应气体通道的反应表面，并且另一个表面形成为具有冷却通道的冷却表面，

在将所述第一金属板和第二金属板的所述冷却表面彼此焊接时通过使冷却通道结合而形成的冷却通路形成在所述第一金属板和所述第二金属板之间，以及

形成所述弯曲部分以朝向所述第一金属板和第二金属板的所述反应表面的边缘部分的所述膜电极组件弯曲。

3.根据权利要求2所述的金属分离器，其中：

在所述第一金属板和第二金属板的所述反应表面的所述边缘部分形成多个弯曲部分，以及

在所述第一金属板和第二金属板的所述反应表面的所述边缘部分中，将所述弯曲部分之间的区域彼此焊接。

4.一种燃料电池堆，通过堆叠多个燃料电池组成发电组件，其中，根据权利要求1所述的金属分离器与膜电极组件的两侧紧密接触，所述燃料电池堆包括：

密封垫组件，插入所述膜电极组件与所述金属分离器的边缘部分之间，

其中所述金属分离器由彼此焊接的第一金属板和第二金属板，以及围绕所述第一金属板和第二金属板的焊接部分形成的互相对称的一个或多个弯曲部分形成，以及

所述密封垫组件安装在所述膜电极组件与在其间具有所述弯曲部分的所述金属分离器的所述边缘部分之间。

5.根据权利要求4所述的燃料电池堆，其中，所述密封垫组件包括由绝缘材料形成的框架，和与所述框架注塑成型为一体的密封垫。

6.根据权利要求5所述的燃料电池堆，其中多个所述弯曲部分包括在所述第一金属板和第二金属板的所述边缘部分，并且所述密封垫设置在所述弯曲部分之间。

7.根据权利要求6所述的燃料电池堆，其中将在所述第一金属板和第二金属板的反应表面的边缘部分的所述弯曲部分之间的区域彼此焊接。

8.一种燃料电池堆的密封垫组件，通过堆叠多个燃料电池组成发电组件，其中根据权利要求1所述的金属分离器与膜电极组件的两侧紧密接触，所述密封垫组件插入在所述膜电极组件与所述金属分离器的边缘部分之间，所述密封垫组件包括：

由绝缘材料形成的框架和与所述框架的两个表面注塑成型为一体的密封垫，其中，所述密封垫的至少一个侧表面与所述金属分离器的弯曲部分紧密接触、在所述燃料电池堆被连接时被压缩并且具有与所述弯曲部分的形状相应的形状。

9.根据权利要求8所述的密封垫组件，其中，所述框架包括设置在所述燃料电池的堆叠方向上的第一部分，以及在垂直方向上与所述第一部分连接的第二部分。

10.根据权利要求9所述的密封垫组件，其中，所述框架具有字母“T”形状的截面形状。

11.根据权利要求9所述的密封垫组件，其中，在所述第二部分的上表面和下表面上注塑成型所述密封垫。

12.根据权利要求8所述的密封垫组件，其中，所述密封垫设置在所述膜电极组件与所述金属分离器的所述边缘部分之间，所述金属分离器具有在所述金属分离器中于所述第一金属板和第二金属板的所述边缘部分之间形成的所述弯曲部分，其中，所述第一金属板和第二金属板彼此焊接。

13.一种燃料电池车辆，包括：

燃料电池堆，其包括与膜电极组件的两侧紧密接触的金属分离器，所述燃料电池堆包括：

其中所述金属分离器由彼此焊接的第一金属板和第二金属板、以及围绕所述第一金属板和第二金属板的焊接部分形成的互相对称的一个或多个弯曲部分形成，以及

所述密封垫组件安装在所述膜电极组件和在其间具有所述弯曲部分的所述金属分离器的所述边缘部分之间。

14.根据权利要求13所述的燃料电池车辆，其中，所述密封垫组件包括由绝缘材料形成的框架和与所述框架注塑成型为一体的密封垫。

15.根据权利要求14所述的燃料电池车辆，其中，多个所述弯曲部分包括在所述第一金属板和第二金属板的所述边缘部分，并且所述密封垫设置在所述弯曲部分之间。

16.根据权利要求15所述的燃料电池车辆，其中将在所述第一金属板和第二金属板的反应表面的边缘部分的所述弯曲部分之间的区域彼此焊接。