CN108054417A - 燃料电池组件和相应的组装方法 - Google Patents

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Abstract

一种组装燃料电池板组件的方法，所述方法包括：将双极板安置于建造点平台上(1602)；将预制的第一流体扩散层安置在所述双极板上并且与其对齐(1606)；将第一道粘着剂相邻于所述双极板和所述第一流体扩散层的外围边缘来分配(1610)；并且将预制的MEA和第二流体扩散层安置成与所述第一道粘着剂密封接合，从而在所述双极板、所述第一流体扩散层的外围边缘与所述MEA和第二流体扩散层之间形成密封(1612)，其中所述方法包括在任何或所有所述安置或分配步骤(1302、1606、1610、1612)之前或之后，降低所述建造点平台(1604、1608)。

Description

燃料电池组件和相应的组装方法
本申请为分案申请，原申请的申请日是2013年5月20日、申请号是201380027966.8(PCT/GB2013/051309)、发明名称为“燃料电池组件和相应的组装方法”。
背景技术
本公开涉及燃料电池板组件和组装燃料电池板组件的方法的领域，并且具体而言，尽管不排他地，涉及可装配在一起以形成燃料电池堆叠的燃料电池板组件和组装燃料电池堆叠的方法。
常规的电化学燃料电池将通常均以气态流的形式的燃料和氧化剂转化成电能和反应产物。用于使氢和氧反应的常见类型的电化学燃料电池包括聚合物离子(质子)转移膜，其中燃料和空气通过膜的各个侧。质子(即氢离子)被引导通过膜、由电子平衡，所述电子被引导通过连接燃料电池的阳极和阴极的电路。为了提高可用电压，可形成包括许多这种膜的堆叠，所述膜被设置为具有分开的阳极流体流动路径和阴极流体流动路径。这种堆叠通常以块的形式，所述块包括许多单个燃料电池板，所述单个燃料电池板通过堆叠的任一端处的端板保持在一起。
因为燃料与氧化剂的反应产生热量以及电功率，所以一旦达到操作温度，燃料电池堆叠需要冷却。冷却可经由强迫空气通过阴极流体流动路径来实现。在开放阴极堆叠中，氧化剂流动路径和冷却剂路径是相同的，即迫使空气通过堆叠将氧化剂供应至阴极并且冷却堆叠。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供组装燃料电池板组件的方法，所述方法包括：
将双极板安置于建造点平台上；
任选地降低建造点平台；
将预制的第一流体扩散层安置在所述双极板上并且与其对齐；
任选地降低建造点平台；
将第一道粘着剂相邻于双极板和第一流体扩散层的外围边缘来分配；
将预制的MEA和第二流体扩散层安置成与第一道粘着剂密封接合，从而在双极板、第一流体扩散层的外围边缘与MEA和第二流体扩散层之间形成密封；并且
任选地降低建造点平台；
其中所述方法包括在任何或所有安置或分配步骤之前和/或之后降低建造点平台。
此方法允许方便并有效地在单一建造点处组装，并且不需要大量人为干预。另外，通过在部件安置操作之间降低建造点平台可有利地提供一致组装平台。
所述方法可为自动的。
所述方法可进一步包括将预制的MEA和第二流体扩散层安置在第一道粘着剂上并且与其密封接合，以使得预制的MEA和第二流体扩散层的端面与第一道粘着剂密封接合。
分配粘着剂可包括丝网印刷粘着剂且/或使用转移胶带将半流体粘着剂安置在所需位置中。
可提供组装燃料电池堆叠的方法，所述方法包括：
将第一端板安置于建造点平台上；
降低所述建造点平台；
重复地执行组装燃料电池板组件，并且降低建造点平台以便在第一端板上组装多个燃料电池板组件的任何方法；
将第二端板安置于多个燃料电池板组件上。
所述方法可进一步包括压缩第一端板、多个燃料电池板组件和第二端板。有利地，此压缩可在建造点平台上的建造点处执行。
所述方法可进一步包括将第一端板、多个燃料电池板组件和第二端板固定于压缩状态下。有利地，此固定可在建造点平台上的建造点处执行。
双极板可具有第一和/或第二端口。组装燃料电池板组件的方法可进一步包括：
将第二道粘着剂以围绕双极板的第一端口的环形式来分配；且/或
将第三道粘着剂以围绕双极板的第二端口的环形式来分配。
第二和第三道粘着剂可提供燃料电池堆叠中的相邻双极板的相应端口之间的密封。以此方式，可贯穿燃料电池堆叠的厚度来提供流体连通通道以便为每个燃料电池板组件提供流体。
所述方法可进一步包括将一或多道粘着剂暴露于紫外线以使粘着剂固化。在已经组装燃料电池堆叠之后使粘着剂固化可为有利的，以便在建造点处不占用宝贵的时间。这可改进每个燃料电池堆叠的制造时间并且提供组装方法的处理量增加。
根据本发明的另一个方面，提供燃料电池板组件，其包括：
双极板；
定位在所述双极板上并且与其对齐的预制的第一流体扩散层；
与所述双极板和所述第一流体扩散层的外围边缘相邻定位的第一道粘着剂；以及
预制的MEA和第二流体扩散层，其与所述第一道粘着剂密封接合，从而在所述双极板、所述第一流体扩散层的外围边缘与所述MEA之间形成密封。
可提供燃料电池堆叠，其包括：
第一端板；
如本文公开位于第一端板上的多个燃料电池板组件；和
位于所述多个燃料电池板组件上的第二端板。
双极板可具有第一和/或第二端口。燃料电池板组件可进一步包括：
第二道粘着剂，其被配置来提供围绕双极板的第一端口的环；且/或
第三道粘着剂，其被配置来提供围绕双极板的第二端口的环。
第二和第三道粘着剂可被配置来提供燃料电池堆叠中的相邻双极板的相应端口之间的密封。
附图说明
现在仅通过实例的方式，参照附图给出描述，在附图中：
图1至4示意性地展示如何可建造根据本发明的一个实施方案的燃料电池板组件；
图5展示定位在图4的燃料电池板组件顶部上的第二双极板的剖视图；
图6至12示意性地示出根据本发明的一个实施方案可如何构建燃料电池板组件；
图13示意性地示出根据本发明的一个实施方案可如何将燃料电池堆叠装配在一起；
图14示意性地示出根据本发明的一个替代实施方案可如何将燃料电池堆叠装配在一起；
图15示出根据本发明的一个实施方案的燃料电池堆叠；并且
图16示出根据本发明的一个实施方案的方法。
具体实施方式
本文公开的一个或多个实施方案涉及在建造点平台上的单一建造点处组装燃料电池板组件和燃料电池堆叠的方法。所述方法可为自动的并且可提供不需要大量或任何人为干预的有效和便利的组装方法。有利地，建造点平台可在部件安置操作之后降低以便提供一致位置。
图1至4展示如何可建造根据本发明的一个实施方案的燃料电池板组件。图1展示双极板102。图2展示安置在双极板上的预制的第一流体扩散层210。图3展示分配于双极板102和预制的第一流体扩散层210上的粘着剂314、316。图4展示安置于预制的第一流体扩散层和粘着剂316上的层压层418，其包括膜电极组件和第二流体扩散层。进一步细节在以下提供。
图1展示可提供根据本发明的一个实施方案的燃料电池板组件的一部分的双极板102的一个末端。在图1中展示的双极板102的末端具有端口104。应认识到双极板102的另一个末端也可具有端口，如图6中展示。端口104用于接收流体，如氢气，其被提供至电极的有效区域。电极的有效区域的覆盖区在图1中用参考符号105展示，虽然电极本身未展示。电极在以下参照图4来更详细描述。
有效区域105可被认为是与电极表面接触以使得为电极提供所需反应气体以促进经由膜的质子交换的气体扩散层(GDL)的覆盖区/区域。
端口104在穿过双极板102的厚度的方向上接收流体。除了将流体提供至电极以外，当在构建堆叠时，双极板的端口对齐时，端口104也将流体传送至燃料电池堆叠中的相邻燃料电池组件。
在此实例中，双极板102具有多个流体流动通道106，其为不连续的并且横跨双极板102的侧向宽度来延伸。以这种方式，在流体进入流体流动通道106时，流体可横跨有效区域105的宽度来侧向分散。
如以下更详细地论述，流体经由气体扩散层沿着双极板102的纵向长度来传送。然而，一个或多个任选端口通道108可提供端口104与有效区域105之间的流体连接。端口通道108可以双极板102中的沟槽形式来提供。端口通道108与流体扩散层之间的关系在以下参照图2来更详细描述。
另外，一个或多个任选连接通道107也可将流体在沿着双极板102的长度的连续流体流动通道106之间运输。这类连接通道107也可以双极板102中的沟槽形式来提供。连接通道107可在连接流体流动通道106的不同末端之间交替以便提供沿着双极板102的纵向长度的曲折或指状交叉路径。这可促进流体渗透较大比例的流体扩散层以使得它均匀地提供至电极。
图2展示位于图1的双极板102上的预制的第一流体扩散层210。流体扩散层通常被称为气体扩散层(GDL)，并且在此实例中被称为阳极GDL 210，因为它将气体提供至电极的阳极侧的有效区域。
阳极GDL 210具有延伸区域212，其在双极板102的端口104与有效区域105之间延伸。突舌(tab)212在有效区域105的覆盖区外部。延伸区域被称为突舌212。突舌212从阳极GDL 210的主体延伸，所述阳极GDL 210在此实例中总体上与有效区域105共定位。阳极GDL的突舌212可将在端口104接收的氢气传送至有效区域105。如以上识别，在图1中展示的端口通道108也可将氢气从端口104传送至有效区域105。然而，应认识到这些端口通道108是任选的，因为氢气的运输可单独经由阳极GDL 210来发生。类似地，图1的连接通道107也是任选的，因为阳极GDL 210可为将氢气在流体流动通道106之间传送的单独手段。
在其它实施方案中，突舌212可被认为是任选的，因为端口通道108可用于将流体在端口104与有效区域105之间传送。
图3展示沉积于图2的双极板102和阳极GDL 210上的两道粘着剂314、316。第二道粘着剂314提供围绕端口104的连续环并且越过阳极GDL 210的突舌212。第一道粘着剂316围绕阳极GDL 210的外部沉积于双极板102上，其也越过阳极GDL 210的突舌212。以这种方式，将第一道粘着剂316定位以使得当膜电极组件位于部分燃料电池板组件上时，它提供围绕阳极GDL 210的密封。第一道粘着剂316相邻于双极板102和阳极GDL 210的外围边缘来定位。
选择粘着剂以使得粘着剂在阳极GDL 210的突舌212中的渗透最小化，从而不显著阻碍经由阳极GDL 210的流体运输。
图4展示燃料电池板组件400，其中层压层418添加至图3的部分燃料电池板组件。层压层是4层膜电极组件(MEA)并且包括阴极流体扩散层、第一层催化剂、电极膜和第二层催化剂。两个催化剂层和电极膜可一起被称为构成电极的膜电极组件，或替代地预制的MEA和第二流体扩散层。
4层MEA 418定位于第一道粘着剂316上。从图4中可以看出第一道粘着剂316已经移置并且展开以使得它抵靠第二道粘着剂314，从而提供围绕在端口104外部的阳极GDL210的突舌212的密封。另外，两个移置粘着剂道314、316在突舌212的表面上相遇，从而完全罩住阳极并且提供电池的整体阳极密封。
以这种方式，预制的MEA和第二流体扩散层418被安置成与所分配的粘着剂316密封接合，从而在双极板102、第一流体扩散层210的外围边缘与MEA和第二流体扩散层418之间形成密封。在一些实例中，预制的MEA和第二流体扩散层418的底部端面可与所分配的粘着剂316密封接合。
当4层MEA 418的外部条带定位于粘着剂316上时，有效区域界定于4层MEA418的外围内，所述粘着剂316防止将阳极气体(氢气)运输至电极。应认识到可控制粘着剂的安置以便将粘着剂移置至预定有效区域105中降至最低限度。
图5展示定位在图4的燃料电池板组件400顶部上的第二双极板502的剖视图。如在本领域中已知，可建造多个燃料电池板组件400以形成燃料电池堆叠。
如图5中展示，当第二双极板502定位于燃料电池组件400顶部时，它接触围绕第一双极板102的端口104的第二道粘着剂314。因此，此第二道粘着剂314产生围绕两个双极板的端口的密封，阳极GDL 210的突舌212经过所述双极板下方。如果双极板102包括端口通道(如在图1中以参考符号108展示)，那么阳极GDL 210的突舌212可具有足够刚性以防止坍塌至端口通道的沟槽中。这可与现有技术燃料细胞相反，其中与电极相关联的辅助衬垫位于沟槽上方，并且可下陷至沟槽中。
图6至12示意性地示出根据本发明的一个实施方案可如何在建造点平台(在附图中未展示)上构建燃料电池板组件。在部件添加至燃料电池板组件之后，建造点平台可降低以使得在构建过程期间，建造点处于大致上相同高度。
图6示出提供至建造点的双极板102的条带。可以看出双极板102在此实例中具有两个端口104、622。第一端口104是如以上详细论述的入口。第二端口622可为出口或入口。在一些实施方案中，在燃料电池中的与氢气的反应的化学计量效率大于一，因此第二端口622应用作出口以便提供用于产物水管理的贯通流。在其它实施方案中，如果化学计量效率和/或水管理技术允许，第二端口622也可为入口。
双极板可包括单独阳极板602a和阴极板602b，其只在双极板102进入建造点之前不久连接在一起，例如电阻、激光或粘着剂粘合在一起。这在图6中展示为阳极板602a和阴极板602b最初单独地提供。
阳极GDL 210的堆叠和4层MEA418的堆叠定位于建造点的任一侧。
图7展示被称为阳极GDL 210的预制的第一流体扩散层已经从堆叠中获取以准备用与图2中展示相同的方式定位于双极板上。应认识到此操作和以下操作可为自动的。图8展示阳极GDL 210位于双极板102上的适当位置并且与其对齐。
图9展示粘着剂分配器930位于阳极GDL 210和双极板102上方的适当位置处。
图10展示由粘着剂分配器930分配的三道粘着剂314、316、1040。第一道316分配至与双极板和阳极GDL的外围边缘相邻的位置。第二道314提供围绕第一端口104的连续环。第一道316和第二道314与参照图3所描述的相同。在图10中还展示提供围绕第二端口622的连续环的第三道粘着剂1040。这与第二道粘着剂314提供围绕第一端口104的连续环的方式相同。
图11展示预制的4层MEA和第二扩散层418已经从堆叠中获取以准备用与图4中展示的相同的方式定位于双极板102和阳极GDL 210上。图12展示位于双极板102和阳极GDL210上适当位置的4层MEA和第二扩散层418。
应认识到随着建造点平台在各个安置操作之间降低，由图6至12示出的每个构建步骤可在相同建造点平台上执行。
图13阐明由图6至12示出的构建方法以使得燃料电池堆叠可在建造点平台(未展示)上装配在一起。图13示出与图6至12中所示出的相同的双极板102条带、阳极GDL 210堆叠和4层MEA 418堆叠。另外，图13展示燃料电池堆叠的顶部/第二端板的两个部件堆叠1350、1352和燃料电池堆叠的底部/第一端板的两个堆叠部件1354、1356。在开始构建燃料电池板组件之前，来自底部端板的堆叠1354、1356的板安置于建造点平台上。当燃料电池堆叠已经建造至所需大小时，来自顶部端板的堆叠1350、1352的板安置于建造点的燃料电池板组件的顶部。然后，燃料电池堆叠可从建造点平台移动至在图13中以参考符号1362展示的位置。
第一端板1354、1356、多个燃料电池板组件和第二端板1350、1352可在建造点或在别处压缩以便将部件压缩至工作尺寸。或者，部件可压缩至稍微小于工作尺寸的尺寸以使得夹具1358、1360可方便连接至板以将燃料电池组件固定在一起。
夹具1358、1360可连接至燃料电池堆叠1362的每一侧以在预定工作尺寸下将燃料电池板组件保持在一起以便提供完整燃料电池堆叠1361。在燃料电池堆叠1362从它的原始建造点移动之前或之后，夹具1358、1360可连接至燃料电池堆叠1362。
在一些实施例中，在组装燃料电池堆叠期间或之后，所分配的粘着剂可暴露于固化环境。合适固化环境可通过将燃料电池堆叠暴露于紫外线和/或合适固化温度来提供。此实施方案的燃料电池板的结构可完全适合于暴露紫外线，因为每一道粘着剂的至少一部分可在堆叠燃料电池板组件之间暴露。
图14示出根据本发明的一个实施方案构建燃料电池堆叠的替代方法。在此实例中，阳极GDL、4层MEA和端板部件以条带形式供应并且正好在拾取和安置过程之前分割。
图15示出根据本发明的一个实施方案的燃料电池堆叠1500。燃料电池堆叠的顶部端板1570包括两个孔1572、1574，其分别与燃料电池板组件的每一末端处的端口(在图15中未展示)流体连接。应认识到如果需要，类似孔可提供于底部端板1576中。
图16示出根据本发明的一个实施方案组装燃料电池板组件的方法。
方法开始于步骤1602将双极板安置于建造点平台上。在一些实施方案中，然后在步骤1604处，建造平台可降低，例如使得双极板的顶部处于与建造平台的原始高度相同的高度。也就是说，建造平台可降低与双极板的厚度相等的距离。
在步骤1606，组装方法继续将预制的第一流体扩散层安置在双极板上并且与其对齐。然后在步骤1608处，建造平台可降低，例如使得预制的第一流体扩散层的顶部处于与建造平台的原始高度相同的高度。也就是说，建造平台可降低与预制的第一流体扩散层的厚度相等的距离。
在步骤1610处，所述方法继续将第一道粘着剂相邻于双极板和第一流体扩散层的外围边缘来分配。在一些实施例中，方法步骤1610还可涉及将第二道粘着剂以围绕双极板的第一端口的环形式来分配且/或将第三道粘着剂以围绕双极板的第二端口的环形式来分配。
粘着剂可通过丝网印刷液体粘着剂或使用转移胶带将半流体粘着剂安置在所需位置中来分配。
在步骤1612处，所述方法继续将预制的MEA和第二流体扩散层安置成与第一道粘着剂密封接合。这可在双极板、第一流体扩散层的外围边缘与MEA和第二流体扩散层之间形成密封。
应认识到在一些实施例中在任何或所有安置和分配步骤1602、1606、1610、1612之前或之后，建造点平台可但是不一定降低。建造点平台降低的具体增量可对于不同降低操作而不同。建造点平台降低的具体增量不一定与所安置的每个部件相关。
图16的方法可重复以便组装燃料电池堆叠。在此类实施例中，第二和第三道粘着剂可提供围绕相邻双极板的相应第一和第二端口的密封。
本文公开的任何“预制的”层可被认为是可作为单一部件提供至建造点的单式、自支撑层。

Claims (11)

1.一种组装燃料电池板组件的方法，所述方法包括：
将第一双极板安置于建造点平台上，其中所述第一双极板具有设置在所述双极板的第一端上的第一流体端口；
将预制的气体扩散层安置在所述双极板上并且与其对齐，其中所述气体扩散覆盖横跨所述双极板的横向宽度延伸的至少一个端口通道；
将第一道粘着剂相邻于所述双极板和所述气体扩散层的外围边缘来分配；并且
将预制的MEA和第二气体扩散层安置成与所述第一道粘着剂密封接合，从而在所述双极板、所述第一流体扩散层的外围边缘与所述MEA和第二气体扩散层之间形成密封；
将第二道粘着剂分配为围绕所述第一流体端口的环，所述第二道粘合剂配置为密封第二双极板；和
其中所述第一双极板和所述第二双极板与所述第一流体端口密封接合。
2.如权利要求1所述的方法，其包括在将所述双极板安置在所述建造点平台上之后，降低所述建造点平台。
3.如权利要求1或权利要求2所述的方法，其包括在将所预制的第一气体扩散层安置在所述双极板上并且与其对齐之后，降低所述建造点平台。
4.如权利要求1或权利要求2所述的方法，其包括在将所预制的MEA和第二气体扩散层安置成与所述第一道粘着剂密封接合之后，降低所述建造点平台。
5.如权利要求1或权利要求2所述的方法，其中所述方法是自动的。
6.如权利要求1所述的方法，其包括：
将所预制的MEA和所述第二流体扩散层安置在所述第一道粘着剂上并且与其密封接合，以使得所预制的MEA和第二流体扩散层的端面与所述第一道粘着剂密封接合。
7.如权利要求1所述的方法，其中分配粘着剂包括丝网印刷所述粘着剂。
8.如权利要求1所述的方法，其中分配粘着剂包括使用转移胶带将半流体粘着剂安置在所需位置中。
9.如权利要求1所述的方法，其进一步包括将所述一或多道粘着剂暴露于紫外线以使所述粘着剂固化。
10.一种燃料电池板组件，其包括：
第一双极板，其中所述双极板具有设置在所述双极板的第一端上的第一端口；
定位在所述双极板上并且与其对齐的预制的第一气体扩散层，其中所述第一气体扩散层具有覆盖横跨所述双极板的横向宽度延伸并与所述第一端口通信的至少一个流体流动通道的主体部分；
与所述双极板和所述第一流体扩散的所述主体部分的外围边缘相邻定位的第一道粘着剂；以及
作为围绕所述第一流体端口的环的第二道粘着剂；以及
预制的MEA和第二气体扩散层，其与所述第一道粘着剂密封接合，从而在所述双极板、所述第一流体扩散层的外围边缘与所述MEA之间形成密封。
11.一种燃料电池堆叠，其包括：
具有第一端口的第二双极板，所述第一端口与所述第二道粘着剂密封接合；和
其中密封所述双极板提供在所述第一和第二双极板上的所述第一端口之间的流体连接。
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