CN103875106B - 燃料电池组件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及燃料电池组件，并更具体地，涉及与这种组件的密封相关的改进，本发明的实施例包括一种燃料电池组件(200)，包括：膜电极组件(104)；阴极隔板(208)，具有一系列波纹，所述波纹在隔板的第一和第二相对边缘之间延伸并且提供空气流动路径；密封垫(105)，在隔板(208)与膜电极组件(104)之间提供膜电极组件(104)的外缘周围的液封；以及金属垫片(107)，置于膜电极组件(104)的外缘上密封垫(105)与隔板(208)之间。

Description

燃料电池组件
技术领域
本发明涉及燃料电池组件，并更具体地，涉及与这种组件的密封相关的改进。
背景技术
在开顶阴极燃料电池堆叠中，在每个燃料电池的阴极侧上引导空气流动，使得氧化剂典型地经由扩散层可用于燃料电池的膜电极组件(MEA)的阴极侧。为了在整个堆叠上实现均匀的空气流动，一般的布置是在堆叠的相对面之间的电池堆叠上使空气平行地流动，使得空气在每个电池上从一个边缘到相对边缘流动。
实现堆叠的每个电池上足够大程度的空气流动而同时保持堆叠总重量减小的典型方式是使用波纹状阴极隔板。这样的隔板均用于形成与燃料电池电解液的阴极侧的电连接，并且为下层扩散层上的空气流动提供路径。
使用传统波纹状阴极隔板的问题在于，在每个电池的开顶边缘处，仅存在与下层电解液层的断续连接并且存在任何插入的密封垫材料。例如，这导致在堆叠的热循环期间的下层分离，这最终引起泄露。例如通过使波纹间距变小来使与电池下层的接触之间的间隙变小，但是这具有减少电池上可用的空气流动路径的量的效果。降低泄露可能性的另一种可能方式是增加燃料电池的作用区域周围的密封垫区域的宽度。然而，这会减小电池的作用区域的比例，并因此降低电池效率。这是较小形式燃料电池堆叠的特定问题，其中，边缘密封垫区域通常形成总电池区域的较大比例部分。
发明内容
本发明的目的在于解决上述问题中的一个或多个。
根据本发明的一个方面，提供了一种燃料电池组件，包括：
膜电极组件；
阴极隔板，具有一系列波纹，所述波纹在隔板的第一和第二相对边缘之间延伸并且提供空气流动路径；
密封垫，在隔板与膜电极组件之间提供膜电极组件的外缘周围的液封；
金属垫片，置于膜电极组件的外缘上的密封垫与隔板之间，
其中，设置金属垫片作为隔板的组成部分，金属垫片包括第一和第二条带，第一和第二条带横跨隔板的波纹纵向延伸，并且沿着隔板的相应第一和第二相对边缘延伸。
本发明的优点在于，金属垫片在隔板与密封垫的下层密封区域之间提供更均匀的密封压力。这是由于形成垫片的材料具有比密封垫或MEA材料实质上更大的硬度，从而允许更均匀地施加由波纹状隔板提供的断续压力曲线。金属垫片沿着面对MEA的隔板面桥接波纹的冠部，从而将在冠部上施加的压力的一部分传递给冠部之间的区域。这降低了下层膜电极组件周围泄露的可能性，而不会相反影响沿着隔板的波纹的空气流动。按照以上形式(即，作为隔板的组成部分)设置的金属垫片的优点在于，可以使隔板和垫片作为共同部分，这减少了在燃料电池的组装工艺中使用的组件数目，并且还可以在通过单片原材料将垫片和隔板组件形成为整体组件时也可以减小材料浪费。
金属垫片可以由与隔板相同的材料构成。该垫片的特定优选材料是不锈钢，即，适用于在湿氧化性环境(例如，在燃料电池中出现的那些环境)的铬合金钢。优选地，垫片具有50与150微米之间的厚度。在特定优选实施例中，垫片具有大约100微米的标称厚度。
根据本发明的第二方面，提供了一种燃料电池组件，包括：
膜电极组件；
阴极隔板，具有一系列波纹，所述波纹在隔板的第一和第二相对边缘之间延伸并且提供空气流动路径；
密封垫，在隔板与膜电极组件之间提供膜电极组件的外缘周围的液封：
金属垫片，置于膜电极组件的外缘上的密封垫与隔板之间，
其中，金属垫片包括一个或多个啮合零件，所述一个或多个啮合零件配置为与隔板的对应边缘啮合，以保持隔板相对于垫片的横向位置。
包括一个或多个啮合零件的垫片的优点在于，降低了组装期间组件彼此相对移动的可能性。
垫片可以设置为与隔板分离的组件，其中，垫片设置为定位包围膜电极组件的扩散层部分的框架形式。
根据本发明的第三方面，提供了一种形成燃料电池组件的方法，包括以下步骤：
设置膜电极组件；
设置具有一系列波纹的阴极隔板，所述波纹在隔板的第一和第二相对边缘之间延伸并且提供空气流动路径；
在隔板与膜电极组件之间插入密封垫，密封垫包围膜电极组件的扩散层；
在膜电极组件的外缘上的密封垫与隔板之间设置金属垫片；
其中，设置金属垫片作为隔板的组成部分，金属垫片包括第一和第二条带，第一和第二条带横跨隔板的波纹纵向延伸，并且沿着隔板的相应第一和第二相对边缘延伸；并且
对膜电极组件、阴极隔板、密封垫和金属垫的厚度施加机械压缩，以在膜电极组件的外缘周围提供液封。
根据本发明的第四方面，提供了一种形成燃料电池组件的方法，包括以下步骤：
设置膜电极组件；
设置具有一系列波纹的阴极隔板，所述波纹在隔板的第一和第二相对边缘之间延伸并且提供空气流动路径；
在隔板与膜电极组件之间插入密封垫，密封垫包围膜电极组件的扩散层；
设置金属垫片，金属垫片插入在膜电极组件的外缘上的密封垫与隔板之间，金属垫片包括一个或多个啮合零件，所述一个或多个啮合零件配置为与隔板的对应边缘啮合，以保持隔板相对于垫片的横向位置；并且
对膜电极组件、阴极隔板、密封垫和金属垫的厚度施加机械压缩，以在膜电极组件的外缘周围提供液封。
根据本发明的第五方面，提供了一种燃料电池隔板，具有第一和第二相对面以及第一和第二相对边缘，隔板具有一系列波纹，所述波纹在第一和第二相对边缘之间延伸并且提供空气流动路径，隔板包括第一和第二条带，第一和第二条带横跨一系列波纹纵向延伸，并且分别沿着隔板的第一和第二相对边缘延伸。
根据本发明第五方面的隔板具有以下优点：设置阴极空气流动路径以及和垫片组件，以在一个组件的燃料电池上提供改进的支撑，从而减少组装步骤数目。
根据本发明的第六方面，提供了一种形成燃料电池隔板的方法，包括：
设置金属板，金属板具有第一和第二相对边缘以及第三和第四相对边缘；
对金属板进行切割，以形成沿着第一和第二相对边缘纵向延伸的第一和第二条带；
对金属板施加一系列波纹，以形成在第一和第二相对板边缘之间提供空气流动路径的波纹区域；并且
将第一和第二条带折叠，以沿着相应第一和第二相对边缘覆盖第二面上的波纹状区域的边缘部分。
以上形成燃料电池隔板的方法的优点在于：可以将分隔垫片另外提供的负载散布特征设置为在隔板制造工艺期间形成的波纹板的单一部分。
优选地，第一和第二条带朝向隔板的第三边缘保持附着至隔板。优选地，切割隔板的步骤包括：沿着第一和第二切割线，从隔板的第四边缘向第三边缘切割隔板，第一和第二切割线实质上平行于隔板的第一和第二边缘。优选地，第一和第二切割线并不始终向隔板的第三边缘延伸。折叠第一和第二条带的步骤可以包括：形成在第一和第二切割线与隔板的第三边缘之间延伸的第一和第二折叠线，第一和第二折叠线实质上平行于隔板的第一和第二边缘。
例如，在折叠第一和第二条带的步骤之后通过电焊或在隔板的第二面的相对部分之间形成接合的其他手段，可以朝向隔板的第四边缘将第一和第二条带附着至隔板。
附图说明
以下通过示例并参照附图进一步详细描述本发明的方面和实施例，在附图中：
图1是示例燃料电池组件的分解透视图；
图2是波纹状阴极隔板的边缘部分的详细透视图；
图3是组装之后图1的燃料电池的边缘部分的详细截面透视图；
图4是根据本发明实施例的示例燃料电池组件的分解透视图；
图5是组装之后图4的燃料电池的边缘部分的详细截面透视图；
图6是组装之后图4的燃料电池组件的一部分的详细透视图；
图7是根据本发明备选实施例的示例燃料电池组件的分解透视图；
图8是图7的燃料电池组件的波纹隔板的透视图；
图9是波纹工艺之后和折叠和接合工艺之前的图8的波纹隔板的透视图；以及
图10是示出了根据本发明方面的示例方法的流程图。
具体实施方式
图1示出了示例燃料电池组件100的分解透视图。燃料电池组件100按顺序包括：阳极板101、阳极侧扩散层102、阳极密封垫103、膜电极组件(MEA)104、阴极密封垫105、阴极侧扩散层106、波纹状阴极隔板108、以及用于向电池的阳极侧供应燃料的一对歧管密封垫109a、109b。
图2示出了在图1的燃料电池组件100中使用的示例波纹状阴极隔板108的一般形式，隔板108具有第一和第二相对面204、205。隔板108具有一系列波纹201，一系列波纹201在隔板的第一和第二相对边缘之间延伸并提供空气流动路径202，在图2中示出了隔板的第一边缘207。隔板108中的每个波纹201包括隔板108的第一面204上的冠部213以及隔板108的第二相对面205上的冠部214。隔板108的第二相对边缘通常具有相同或类似形式。第一面204上的冠部213与第二面205之间定义的空气流动路径202提供空气通道，以沿着隔板在隔板与电池组件的下层扩散层106之间传递空气，以向MEA104的阴极侧提供氧化剂。在第二面上的冠部214和第一面204之间定义的其他空气流动路径206允许沿着隔板108在隔板108与邻近电池之间传递空气，以提供冷却。
波纹状阴极隔板108仅在密封垫105和下层MEA104上提供断续支撑。在隔板108不接触下层密封垫105的区域(即，设置通过隔板108的空气流动路径202的区域)中，密封垫105不在与隔板108沿着隔板第二面上波纹的冠部提供直接接触情况下一样大的压缩压力。这种减小压力的结果在于，下层密封垫103、105可以与邻近层部分地分离。在一些情况下，这会导致泄漏。
在图3中示出了来自波纹状隔板108的断续支撑的效果，图3示意性表示来自在两个刚性板301、302的相对面之间组装和保持的单燃料电池组件的有限元分析的输出结果。燃料电池组件的边缘区域310的扩大视图示出了，由于密封垫105的柔性，在MEA104的子密封垫区域303与阳极侧密封垫103之间形成间隙305。子密封垫区域303还引起阴极侧扩散层106的变形，阴极隔板108无法抵抗这种变形。在这种情况下，生成的间隙305几乎延伸至燃料电池组件的边缘306，导致从电池的阳极侧泄漏燃料气体(即，氢气)的风险。
图4示出了根据本发明实施例的燃料电池组件200。除了添加了分离的金属垫片107以外，组件200的组件与图1中示出并且以上描述的那些组件相同。金属垫片107在MEA104的外缘上(即与图3所示MEA子密封垫303的外部重合)插入在阴极侧密封垫105与阴极隔板108之间。
金属垫片107采用具有第一和第二纵向延伸条带401、402的框架的形式，第一和第二纵向延伸条带401、402在隔板108中的一系列波纹上延伸。第一和第二条带401、402沿着隔板108的相应第一和第二边缘207、208延伸，使得当组装燃料电池时，条带401、402在隔板108的第二面上桥接波纹的冠部214。
图5示意性示出了类似于图3中所示的单燃料电池组件的有限元分析的输出结果，但是在这种情况下，该单燃料电池组件包括在阳极密封垫105与阴极隔板108之间的金属垫片107。与图3的燃料电池不同，使用金属垫片107使得实质上缩小了MEA子密封垫303与阳极密封垫103之间的间隙305，从而降低了从电池泄露任何阳极气体的可能性。这与阳极密封垫材料相比获得了增加的金属垫片材料抗拉刚度，阴极密封垫材料典型地由诸如聚酯等聚合材料制成。作为示意示例，不锈钢可以具有大约200GPa的抗拉刚度(杨氏模量)，而聚酯膜可以具有大约3GPa的抗拉刚度。这种材料刚度增加接近两个量级允许垫片107有效地对抗与隔板108没有直接接触的区域中下层密封垫材料103的向外移动。
在一些实施例中，可以省略图5中示出的阴极密封垫105，并且仅通过该MEA的子密封垫区域303提供垫片107与MEA之间的密封垫。备选地，可以在垫片107面对MEA的面上设置密封垫材料。由于波纹状隔板用作开顶阴极燃料电池组件的一部分，因此在燃料电池的阴极侧上不需要液封。在厚度上施加机械压缩行程的重要液封代替了在阳极侧上的液封，防止了阳极气体泄露出电池。
图6示出了根据本发明实施例的组装燃料电池200的一部分的透视图。在金属垫片107上设置啮合零件601以与波纹状隔板108的边缘602啮合。啮合零件601保持隔板108的边缘602抵靠垫片107，并且防止隔板108沿与第一和第二边缘207、208平行的方向相对于垫片107横向移动。也可以在垫片107的相对侧上设置对应啮合结构(图6中未示出)，以与隔板108的相对边缘啮合。在所示实施例中，啮合零件601包括垫片107的从垫片平面弯出的一部分，使得啮合零件601沿边缘602保持隔板108的第一和第二相对面。啮合零件601可以包括沿着垫片的内周延伸的多个这种弯曲部分，弯曲部分沿着隔板108的边缘602与第一或第二相对表面啮合。
在其他实施例中，例如可以通过电焊或粘接将隔板108和金属垫片可以彼此接合。对部件进行接合的优点在于，在燃料电池堆叠的组装期间可以将垫片和隔板作为单个组件处理，从而减少工艺步骤数目。
图7示出了根据本发明实施例的燃料电池组件700，该燃料电池组件700具有与上述不同形式的隔板708。在该实施例中，将金属垫片设置为隔板的组成部分，并且包括第一和第二条带，第一和第二条带横跨隔板的波纹纵向延伸，并且沿着隔板的相应第一和第二相对边缘延伸。燃料电池的其他组件如上关于其他实施例所述，并且在图7中具备共同附图标记，以指示这一点。
在图7的实施例中，仅在组件700中设置阳极侧密封垫109。阴极侧密封垫由隔板708与MEA104的子密封垫区域的组合来提供。
在图8和9中孤立地示出了隔板708。图8示出了完整形式的隔板708，而图9示出了部分形成状态下的隔板708。隔板708包括上述实施例的波纹状隔板108的所有特征，但是具有第一和第二纵向延伸条带701、702的附加特征，第一和第二纵向延伸条带701、702沿着隔板708的相应第一和第二相对边缘703、704延伸。通过沿着第一和第二切割线901、902(图9)对平面原料板切割来形成条带701、702。切割线901、902可以由冲压操作来形成，以形成隔板708的基本形状。在图10中示出了用于形成隔板708的一系列操作的示意表示，开始于设置平面原料板(步骤1001)。
在切割操作(步骤1002)之后，例如通过使隔板穿过一对齿轮齿形辊来形成隔板708的中心部分的波纹形式(步骤1003)。备选地，隔板708可以经历另一冲压操作以形成波纹。在一些实施例中，切割和冲压操作能够在单个步骤中，尽管这需要形成隔板的材料能够经受一定程度的牵引，并且因此使得波纹冠部之间的材料变薄。
在切割和波纹工艺之后，将条带701、702折叠(步骤1004)，使得条带沿着隔板708的第一和第二边缘703、704覆盖波纹的冠部，并且在隔板708的第三和第四边缘705、706之间延伸。在图9中的隔板708上指示了在第一和第二切换线901、902与隔板708的第三边缘705之间延伸的第一和第二折叠线903、904，第一和第二折叠线903、904与隔板的第一和第二边缘703、704平行。
可以包括最后操作(步骤1005)，以在朝向隔板708的第四边缘706的点处将条带701、702的自由端与隔板708接合，形成接合区域711(图8)，以防止条带701、702相对于隔板708的波纹状部分横向移动。
其他实施例应在所附权利要求所限定的本发明范围内。

Claims (15)

1.一种燃料电池组件，包括：
膜电极组件；
阴极隔板，具有一系列波纹，所述波纹在隔板的第一和第二相对边缘之间延伸并且提供空气流动路径；
密封垫，在隔板与膜电极组件之间提供膜电极组件的外缘周围的液封；以及
金属垫片，置于膜电极组件的外缘上的密封垫与隔板之间，
其中，设置金属垫片作为隔板的组成部分，金属垫片包括第一和第二条带，第一和第二条带横跨隔板的波纹纵向延伸，并且沿着隔板的相应第一和第二相对边缘延伸。
2.根据权利要求1所述的燃料电池组件，其中，金属垫片由不锈钢制成。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池组件，其中，金属垫片具有50微米与150微米之间的厚度。
4.根据权利要求3所述的燃料电池组件，其中，金属垫片具有100微米的标称厚度。
5.一种燃料电池组件，包括：
膜电极组件；
阴极隔板，具有一系列波纹，所述波纹在隔板的第一和第二相对边缘之间延伸并且提供空气流动路径；
密封垫，在隔板与膜电极组件之间提供膜电极组件的外缘周围的液封；以及
金属垫片，置于膜电极组件的外缘上的隔板与密封垫之间，
其中，金属垫片包括一个或多个啮合零件，所述一个或多个啮合零件配置为与隔板的对应边缘啮合，以保持隔板相对于垫片的横向位置。
6.根据权利要求5所述的燃料电池组件，其中，设置垫片作为框架形式的分离组件，并且定位为包围膜电极组件的扩散层部分。
7.一种形成燃料电池组件的方法，包括以下步骤：
设置膜电极组件；
设置具有一系列波纹的阴极隔板，所述波纹在隔板的第一和第二相对边缘之间延伸并提供空气流动路径；
在隔板与膜电极组件之间插入密封垫，密封垫包围膜电极组件的扩散层；
在膜电极组件的外缘上的隔板与密封垫之间设置金属垫片；
其中，设置金属垫片作为隔板的组成部分，金属垫片包括第一和第二条带，第一和第二条带横跨隔板的波纹纵向延伸，并且沿着隔板的相应第一和第二相对边缘延伸；并且
对膜电极组件、阴极隔板、密封垫和金属垫的厚度施加机械压缩，以在膜电极组件的外缘周围提供液封。
8.一种形成燃料电池组件的方法，包括以下步骤：
设置膜电极组件；
设置阴极隔板，阴极隔板具有一系列波纹，所述波纹在隔板的第一和第二相对边缘之间延伸并且提供空气流动路径；
在隔板与膜电极组件之间插入密封垫，密封垫包围膜电极组件的扩散层；
设置金属垫片，金属垫片插入在膜电极组件的外缘上的隔板与密封垫之间，金属垫片包括一个或多个啮合零件，所述一个或多个啮合零件配置为与隔板的对应边缘啮合，以保持隔板相对于垫片的横向位置；并且
对膜电极组件、阴极隔板、密封垫和金属垫的厚度施加机械压缩，以在膜电极组件的外缘周围提供液封。
9.一种燃料电池阴极隔板，具有第一和第二相对面以及第一和第二相对边缘，所述阴极隔板具有一系列波纹，所述波纹在第一和第二相对边缘之间延伸并且提供空气流动路径，所述阴极隔板包括作为隔板的组成部分而设置的金属垫片，所述金属垫片组成的第一和第二条带，第一和第二条带横跨一系列波纹纵向延伸并且分别沿着所述阴极隔板的第一和第二相对边缘延伸，其中所述第一和第二条带在所述阴极隔板的第二面的两端桥接所述一系列波纹的冠部。
10.一种形成燃料电池隔板的方法，包括以下步骤：
设置金属板，金属板具有第一和第二相对边缘以及第三和第四相对边缘；
对金属板进行切割，以形成沿着第一和第二相对边缘纵向延伸的第一和第二条带；
对金属板施加一系列波纹，以形成在第一和第二相对板边缘之间提供空气流动路径的波纹状区域；并且
将第一和第二条带折叠，以沿着相应第一和第二相对边缘覆盖第二面上的波纹状区域的边缘部分。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，第一和第二条带沿着隔板的相应第一和第二边缘并朝向隔板的第三边缘保持附着至隔板。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其中，切割隔板的步骤包括：沿着第一和第二切割线从隔板的第四边缘向第三边缘切割隔板，第一和第二切割线平行于隔板的第一和第二边缘。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，第一和第二切割线部分地朝向隔板的第三边缘延伸。
14.根据权利要求10所述的方法，其中，折叠第一和第二条带的步骤包括：形成在第一和第二切割线与隔板的第三边缘之间延伸的第一和第二折叠线，第一和第二折叠线平行于隔板的第一和第二边缘。
15.根据权利要求10所述的方法，其中，在折叠第一和第二条带的步骤之后，通过在隔板的第二面的相对部分之间形成接合，朝向隔板的第四边缘将第一和第二条带附着至隔板。
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