CN108352545B - 燃料电池子组装件 - Google Patents

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Abstract

一种燃料电池子组装件(100)包括：垫圈(101)，其包括用于燃料电池子组装件的周边密封件(102)，该周边密封件限定垫圈的中心孔(103)；气体扩散层(104)，其用于将扩散的气体提供到燃料电池的质子交换膜(503)，气体扩散层(104)位于中心孔内；其中在至少一个连接点(105、106)处，垫圈的周边密封件的面向内的表面(107)焊接到气体扩散层(104)的对应面向外的表面(108)。

Description

燃料电池子组装件
技术领域
本发明涉及燃料电池子组装件，并且具体涉及垫圈和气体扩散层的组合。本发明还涉及结合了燃料电池子组装件的燃料电池和燃料电池堆。还公开了一种组装燃料电池的方法。
背景技术
在燃料电池中，氧化剂流体被指引穿过每个燃料电池的阴极侧，使得氧化剂通常经由扩散层可用于燃料电池的质子交换膜或膜电极组装件(MEA)的阴极侧。另外，燃料被指引穿过每个燃料电池的阳极侧，使得燃料通常经由扩散层可用于燃料电池的MEA的阳极侧。扩散层是多孔材料，以允许燃料或氧化剂在其流到MEA时通过其中扩散。因此，入口通道可以被配置成将燃料或氧化剂引入到扩散层中，并且出口通道可以被配置成接收来自扩散层的任何未反应的燃料或氧化剂或反应副产物。
发明内容
根据本发明的第一方面提供了燃料电池子组装件，包括：
垫圈，其包括用于燃料电池组装件的周边密封件，该周边密封件限定垫圈的中心孔；
气体扩散层，其用于将扩散的气体提供到燃料电池的质子交换膜，该气体扩散层位于中心孔内；
其中在至少一个连接点处，垫圈的周边密封件的面向内的表面焊接到气体扩散层的对应的面向外的表面。
子组装件是有利的，因为其可以简化结合燃料电池子组装件的燃料电池的制造。气体扩散层可以被配置成至少部分地位于垫圈的平面内并且可以完全位于中心孔的边界内。已发现在连接点处的焊接部将子组装件牢固地保持在一起，而基本上不干扰垫圈的密封特性。另外，可以包括超声焊接部或激光焊接部的焊接部可以允许垫圈材料与多孔气体扩散层的混合。
可选地，气体扩散层被配置成基本上填充中心孔。气体扩散层可以被配置成在未压缩时比垫圈厚(在垂直于垫圈和气体扩散层的平面的方向上)。
可选地，气体扩散层基本上是平面的，其具有第一主面、与第一主面相对的第二主面以及在第一主面与第二主面之间的多个表面，连接点位于多个表面中的至少一个上。
可选地，除了在连接点处或每个连接点处，气体扩散层基本上均匀地与垫圈的面向内的表面间隔开预定的间距以用于形成通路(gallery)。通过在垫圈和气体扩散层之间呈现间距，子组装件可以在气体扩散层周围提供无阻气体流，使得气体扩散层可以接收来自一个或多个侧面的气体。气体扩散层可以包括或可以不包括用以在组装期间维持间距的间距凸片。在一些示例中，焊接部的存在可以避免对任何间距凸片的需要。
可选地，垫圈包括从垫圈的面向内的表面延伸到周边密封件中的通道，以用于提供到流体传输导管的流体连接(当组装时)，并且至少一个连接点与通道相邻。通道可以是出口通道或入口通道。提供与出口通道相邻的连接点或每个连接点可以有利于将流体引导出气体扩散层并且进入通道中。
可选地，子组装件包括至少两个不同的连接点，其中垫圈在该至少两个不同的连接点处焊接到气体扩散层，连接点被定位成在通道的每侧邻近通道。在通道的任一侧上具有连接点或在通道周围的通路可以有利地引导流体从通道流动到气体扩散层或从气体扩散层流动到通道中。
可选地，气体扩散层基本上是矩形的，其由四个面向外的表面限定，且中心孔基本上是矩形的，其由周边密封件的四个面向内的表面限定，并且连接点或每个连接点位于气体扩散层的四个表面中的特定一个与垫圈的四个表面中的特定一个之间。
可选地，气体扩散层是在气体扩散层材料之间具有间隔的多孔材料，并且在连接点处或每个连接点处，垫圈的材料与气体扩散层的材料混合。垫圈可以是聚合物材料、塑料材料、天然橡胶或合成橡胶材料或可以被焊接的任何其它合适的材料中的一种或多种。当经受诸如超声焊接能量的焊接能量时，垫圈可以是可流动的。
可选地，在连接点处或每个连接点处，垫圈的材料随垫圈延伸到气体扩散层中并且与气体扩散层材料混合而逐渐变薄。因此，在连接点处，随着垫圈的材料延伸到气体扩散层的孔隙/间隙/间隔中，垫圈的厚度可以变窄。
可选地，气体扩散层和垫圈基本上是平面的且气体扩散层的厚度大于垫圈的厚度，并且在连接点处或每个连接点处，所混合的垫圈材料和气体扩散层材料仅设置在气体扩散层的厚度的一部分上方。因此，以其未压缩的形式，气体扩散层可以仅在其厚度的一部分上方接合，该部分可以是与一个主面相邻的部分或在其主面之间的中心区域中的部分。
可选地，垫圈基本上是平面的并且具有第一主面、与第一主面相对的第二主面，第一主面和第二主面之间的分隔限定垫圈的厚度，并且其中所混合的垫圈材料和气体扩散层材料基本上在由垫圈的第一主面限定的平面和第二主面限定的平面之间延伸。
可选地，混合的材料仅在平面之间延伸。
可选地，垫圈为：
i)用于在阳极流动板和质子交换膜之间密封的阳极垫圈；或
ii)用于在阴极流动板和质子交换膜之间密封的阴极垫圈。
阳极流动板和/或阴极流动板可以包括双极流动板。
可选地，垫圈是阳极垫圈并且子组装件包括被配置成将阳极气体提供到气体扩散层的阳极流动板，垫圈和气体扩散层被配置成紧靠阳极流动板的面。
阳极流动板可以被配置成借由形成在阳极流动板中的输送导管和/或流动通道提供阳极气体以将阳极气体携载到气体扩散层上方(诸如在气体扩散层的主面上方)。
根据本发明的第二方面我们提供了一种燃料电池，其包括质子交换膜、被配置成将阳极气体提供到阳极气体扩散层的阳极流动板以及被配置成将阴极气体提供到阴极气体扩散层的阴极流动板，其中燃料电池包括第一方面的至少一个燃料电池子组装件，燃料电池子组装件的气体扩散层形成所述阳极气体扩散层或所述阴极气体扩散层。
根据本发明的第三方面我们提供了一种燃料电池堆，其包括如第二方面中限定的一起布置成堆的多个燃料电池。
根据本发明的第四方面我们提供了使用第一方面的燃料电池子组装件组装燃料电池的方法，包括以下步骤：
接收具有在其上布置的燃料电池子组装件的阳极流动板；
在与阳极流动板相反的侧面上，将质子交换膜施加到燃料电池子组装件；
将另外的燃料电池子组装件施加到质子交换膜；
在与质子交换膜相反的侧面上，将阴极流动板施加到另外的燃料电池子组装件。
燃料电池子组装件的使用可以简化组装。
根据本发明的第五方面我们提供了一种制造燃料电池子组装件的方法，其包括：
接收包括用于燃料电池组装件的周边密封件的垫圈，该周边密封件限定垫圈的中心孔；
接收用于将扩散的气体提供到燃料电池的质子交换膜的气体扩散层，该气体扩散层位于中心孔内；
在至少一个连接点处施加焊接部，该焊接部被配置成在垫圈的周边密封件的面向内的表面与气体扩散层的对应的面向外的表面之间。
焊接部可以包括超声焊接部或激光焊接部。
施加焊接部的步骤可以包括将超声焊接头部施加到至少一个连接点并且将超声能量至少施加到该垫圈，其中超声焊接头部：
a)在施加超声能量期间沿从垫圈朝向气体扩散层的方向上平移；和/或
b)在朝向气体扩散层的方向上倾斜到垫圈的平面的法线方向，以在施加超声能量期间迫使熔融的垫圈材料朝向气体扩散层。
因此，该方法可以包括将超声能量或激光能量施加到与连接点相邻的垫圈材料以融化垫圈材料并且通过焊接头部倾斜和/或焊接头部朝向气体扩散层平移迫使熔融的垫圈材料朝向气体扩散层以与其混合。
附图说明
以下通过示例并参考附图进一步详细描述本发明的方面和实施例，其中：
图1是包括垫圈和气体扩散层的燃料电池子组装件的一个示例的平面视图；
图2是燃料电池子组装件的一个示例的侧视图；
图3是在将垫圈超声焊接到气体扩散层之前的图2的侧视图；
图4是在垫圈和气体扩散层之间的示例焊接部的详细视图；
图5是示出示例燃料电池的组成部件的分解图；
图6是布置以形成燃料电池的两个燃料电池子组装件的侧视图；
图7示出图示说明将燃料电池子组装件组装成燃料电池的示例方法的流程图。
具体实施方式
燃料电池可以由多个层形成，该多个层可以被布置且可选地被压缩在一起以形成在MEA的任一侧具有用于接收氧化剂和燃料的密封体积的燃料电池。密封体积通常包括气体扩散层，该气体扩散层包括多孔材料以帮助将氧化剂或燃料扩散穿过MEA的相应侧的整个区域。多个燃料电池层可以包括用于形成电化学反应位点的MEA；用于催化反应的催化层；用于帮助燃料或氧化剂的扩散的气体扩散层(GDL)(GDL可以包括微孔层)；用于分隔在堆中的各个燃料电池的燃料电池板；用于提供在堆中的燃料电池之间的导电连接的双极板；以及用于在其它层之间形成密封件的垫圈。
通常，燃料电池的层是薄的并且当组装层以形成燃料电池时要求仔细的处理。提供形成燃料电池的两个或更多个层的子组装件可以是有利的。
图1和图2示出了包括垫圈101的燃料电池子组装件100。垫圈101具有用于燃料电池组装件的周边密封件102。周边密封件102限定垫圈101的中心孔103。用于将扩散的气体提供到燃料电池的质子交换膜的气体扩散层104位于中心孔103内。在至少一个连接点105、106(在图1中示出两个连接点)处，垫圈的周边密封件的面向内的表面107焊接到气体扩散层104的对应的面向外的表面108。
气体扩散层是多孔材料并且可以包括GDL材料和气隙的非均匀基质。GDL可以是纤维状的，GDL在纤维之间具有氧化剂或燃料可以在其中流动的气隙。在其它示例中，GDL可以是开孔泡沫材料(open cell foam material)。气体扩散层104基本上是平面的，其具有第一主面110、与第一主面110相对的第二主面111以及在第一主面110和第二主面111之间的多个表面(或“侧面”)108、112、113、114。第一主面和第二主面之间的分隔限定气体扩散层的厚度TGDL。平面的气体扩散层104基本上是矩形的，其中矩形的四个侧面由四个面向外的表面108、112、113、114提供。
垫圈101基本上是平面的并且具有第一主面115和与第一主面相对的第二主面116。第一主面115和第二主面116之间的分隔限定垫圈的厚度Tgasket。垫圈的主面115、116被配置成在组装时抵靠燃料电池的其它层密封。垫圈101包括连续的环，在本示例中该连续的环基本上是矩形的环。环形形状限定中心孔103。因此，在主面115、116之间延伸的面向内的表面107和另外三个面向内的表面117、118、119的高度形成矩形形状并且限定垫圈101的厚度。应当理解垫圈可以具有其它形状，其可以是环形或非环形。
GDL 104布置在垫圈的平面中。GDL 104基本上填充中心孔103。具体地，GDL 104仅沿它的侧表面中的一个(即表面108)接合到垫圈。类似地，垫圈101仅沿它的侧表面中的一个(即表面107)接合到GDL。沿其它表面，GDL 104和垫圈101由分隔距离w分隔开。因此，表面113和118；表面114和119；表面112和117由分隔距离w分隔开。分隔距离w相对于GDL 104的宽度是小的并且可以包括小于5mm、2mm或1mm。在GDL 104和垫圈101之间提供分隔来形成通路(gallery)以允许被引入到中心孔中(当与燃料电池层组装时)的氧化剂或燃料在GDL周围流动并且从多个侧面112、113、114渗入GDL中。这可以是有利的，因为通常燃料或氧化剂从形成在板(未示出)中的一个或多个通道120在边缘处并且围绕垫圈密封的区域被引入。因此，垫圈104中的入口通道125提供燃料或氧化剂从通道120到GDL 104的传输。应当理解，垫圈和GDL可以在两个侧面、三个侧面、四个侧面或任何其它数量的侧面上进行焊接。
在该示例中，GDL 104包括对准凸片121、122、123和124以将GDL 104定位在中心孔内来提供分隔距离w。对准凸片可以从侧表面113和114延伸以接触垫圈101的相应的面向内的表面118、119。
垫圈101可以包括从面向内的表面107、117、118、119中的一个或多个朝外延伸的一个或多出口通道126。(一个或多个)通道提供燃料或氧化剂从GDL 104到板(未示出)中的通道127的传输，垫圈101被配置成当与板进行组装时进行环绕密封。GDL 104相对于垫圈101定位使得GDL 104在通道126的口部处与表面107间隔开以形成出口通路。出口通路在任一侧面上由连接点105、106界定。已发现通路和在其任一侧面的连接点105、106的这种布置在将燃料或氧化剂引导到通道126、127中是有利的。连接点105、106形成在与一个或多个通道126相同的垫圈101的表面107上也是有利的。
转至图2，其示出了穿过连接点105、106中的一个的横截面，示出了焊接部本身呈现为垫圈102的材料，该材料在突出部130处与多孔GDL 104的材料混合。因此，突出部130包括突出到GDL 104中的垫圈的材料。图2中的虚线表示远离连接点105、106的表面107的位置。因此，在连接点处，焊接部使得垫圈的材料从侧面107突出并进入到GDL 104中以形成垫圈和GDL之间的接合。另外，GDL的厚度TGDL至少在突出部130处可以大于垫圈101的厚度Tgasket，并且可以大于整个垫圈101的平均厚度。因此，GDL 104可以具有大于焊接部或突出部130的高度的厚度TGDL，可以认为焊接部或突出部130的高度小于或基本上等于垫圈的厚度Tgasket。这是有利的，因为GDL可以被配置成当在燃料电池板和MEA之间压缩时提供特定的密度。另外，焊接部的存在可以朝向表面107呈现GDL密度的逐渐增加，这可以有助于将燃料或氧化剂引导到通道126。
图3示出了形成焊接部之前的垫圈101和GDL 104。在本示例中，焊接部是超声焊接部并且由超声波发生器(sonotrode)300提供。超声波发生器300可以包括朝向GDL 104倾斜的头部301。具体地，当施加焊接部时，超声波发生器的头部可以与GDL 104和垫圈的平面呈1°至45°之间(并且可选地为5°至30°之间或10°至20°之间)倾斜。头部的倾斜可以促使垫圈材料朝向GDL 104流动。另外，超声波发生器300可以在焊接操作期间朝向GDL 104平移以进一步促使熔融的垫圈材料朝向GDL 104流动。头部301的倾斜和/或超声波发生器的平移可以有助于将垫圈材料与多孔GDL材料混合。应当理解的是，在其它示例中，仅倾斜头部301或仅平移可以用来形成焊接部。因此，超声波发生器头部301可以面向垫圈和GDL的平面并且可以倾斜以朝向垫圈指引超声能量，而不沿倾斜到朝向GDL的法线的方向指引超声能量。
虽然在该示例中提供了超声焊接部，但是在其它示例中，可以使用激光焊接部。激光的平移可以促使熔融的垫圈材料朝向GDL 104流动。
在图2和图3中，子组装件100被示出为安装在燃料电池阳极板131上，燃料电池阳极板131可以是金属的。然而，当GDL 104和垫圈101紧靠阳极板131时，不需要形成焊接部。
图4示出了焊接部的平面视图，其中可以看到突出部130包括在多孔GDL 104内流动和设置的垫圈的材料。
尽管在以上示例中，垫圈和GDL是位于平面中的基本上平坦的构件，但它们可以是弯曲的或具有其它形状。
图5示出了燃料电池子组装件100位于由多个层500形成的燃料电池中的位置。燃料电池层500包括阳极流动板501和阴极流动板502。MEA 503位于流动板501、502之间，MEA503具有面向阳极流动板501的阳极侧和面向阴极流动板502的阴极侧。子组装件100可以用在MEA 503的阳极侧上或阴极侧上。因此垫圈被配置成在MEA 503的阳极侧与阳极流动板501之间形成周边密封件或在MEA 503的阴极侧与阴极流动板502之间形成周边密封件。在图5的示例中，燃料电池子组装件100a设置在阳极侧上并且另外的燃料电池子组装件100b设置在阴极侧上。
图6示出了在燃料电池的组装期间的横截面并且示出了根据图5的子组装件100(现在标号为100a)，子组装件100a位于阳极板131与MEA 503之间。GDL 104已被压缩成与垫圈101基本上相同的宽度，垫圈101本身可以被压缩以与阳极板131和MEA 503形成密封。另外的燃料电池子组装件100b被示出为紧靠MEA 503的阴极侧。在该示例中，另外的燃料电池子组装件100b基本上类似于子组装件100a，并且除了对其添加的“500”之外，已使用相同的附图标记。
子组装件100a和子组装件100b之间的差异在于，GDL 604包括面对面布置的两个平面部件604a和604b。GDL部件604a和604b可以具有不同的孔隙度(porosities)。焊接部或突出部130被配置成延伸到两个平面部件中以将它们与垫圈104保持在一起。
图7示出图示说明用于使用燃料电池子组装件100组装燃料电池的示例方法的流程图。该方法包括以下步骤：
接收701在其上布置有燃料电池子组装件100a的阳极流动板131；
在与阳极流动板相反的侧面上将质子交换膜施加702到燃料电池子组装件；
将另外的燃料电池子组装件施加703到质子交换膜；
在与质子交换膜相反的侧面上将阴极流动板施加704到另外的燃料电池子组装件。
因此，燃料电池可以形成为包括质子交换膜、阳极板、阴极板，其中燃料电池子组装件100被配置成在质子交换膜与阳极板或阴极板中的一个之间。在其它实施例中，燃料电池可以包括两个子组装件：第一子组装件和第二子组装件，第一子组装件在质子交换膜和阳极板之间并且第二子组装件在质子交换膜和阴极板之间。在一些示例中，阳极板和阴极板可以包括双极板。多个此类燃料电池可以面对面布置在一起以形成燃料电池堆。

Claims (14)

1.一种燃料电池子组装件，其包括：
垫圈，所述垫圈包括用于燃料电池子组装件的周边密封件，所述周边密封件限定所述垫圈的中心孔；
气体扩散层，所述气体扩散层用于将扩散的气体提供到燃料电池的质子交换膜，所述气体扩散层位于所述中心孔内；
其中在至少一个连接点处，所述垫圈的所述周边密封件的面向内的表面焊接到所述气体扩散层的对应的面向外的表面；并且
其中除了在所述连接点处或每个连接点处，所述气体扩散层与所述垫圈的所述面向内的表面均匀地间隔开预定的间距以用于形成通路。
2.根据权利要求1所述的燃料电池子组装件，其中所述气体扩散层被配置成填充所述中心孔。
3.根据权利要求1所述的燃料电池子组装件，其中所述气体扩散层是平面的，所述气体扩散层具有第一主面、与所述第一主面相对的第二主面以及在所述第一主面和所述第二主面之间的多个表面，所述连接点位于所述多个表面中的至少一个上。
4.根据述权利要求1所述的燃料电池子组装件，其中所述气体扩散层是矩形的，其由四个面向外的表面限定，并且所述中心孔是矩形的，其由所述周边密封件的四个面向内的表面限定，并且所述连接点或每个连接点位于所述气体扩散层的所述四个表面中的特定的一个与所述垫圈的所述四个表面中的特定的一个之间。
5.根据权利要求1所述的燃料电池子组装件，其中所述气体扩散层是在气体扩散层材料之间具有间隔的多孔材料，并且在所述连接点处或每个连接点处，所述垫圈的材料与所述气体扩散层的所述材料混合。
6.根据权利要求5所述的燃料电池子组装件，其中，在所述连接点处或每个连接点处，所述垫圈的所述材料随着所述垫圈的所述材料延伸到所述气体扩散层中并且与所述气体扩散层材料混合而逐渐变薄。
7.根据权利要求5所述的燃料电池子组装件，其中所述气体扩散层与所述垫圈是平面的且所述气体扩散层的厚度大于所述垫圈的厚度，并且在所述连接点处或每个连接点处，所混合的垫圈材料和气体扩散层材料仅设置在所述气体扩散层的所述厚度的一部分上方。
8.根据权利要求5所述的燃料电池子组装件，其中所述垫圈是平面的并且具有第一主面、与所述第一主面相对的第二主面，在所述第一主面和所述第二主面之间的分隔限定所述垫圈的厚度，并且其中所混合的垫圈材料和气体扩散层材料在由所述垫圈的所述第一主面限定的平面和所述第二主面限定的平面之间延伸。
9.根据权利要求1所述的燃料电池子组装件，其中所述垫圈是：
i)阳极垫圈，其用于在阳极流动板和质子交换膜之间密封；或
ii)阴极垫圈，其用于在阴极流动板和质子交换膜之间密封。
10.根据权利要求1所述的燃料电池子组装件，其中所述垫圈是阳极垫圈并且所述子组装件包括被配置成向所述气体扩散层提供阳极气体的阳极流动板，所述垫圈和所述气体扩散层被配置成紧靠所述阳极流动板的面。
11.一种燃料电池子组装件，其包括：
垫圈，所述垫圈包括用于燃料电池子组装件的周边密封件，所述周边密封件限定所述垫圈的中心孔；
气体扩散层，所述气体扩散层用于将扩散的气体提供到燃料电池的质子交换膜，所述气体扩散层位于所述中心孔内；
其中在至少一个连接点处，所述垫圈的所述周边密封件的面向内的表面焊接到所述气体扩散层的对应的面向外的表面；
其中所述垫圈包括通道，所述通道从所述垫圈的面向内的表面延伸到所述周边密封件中以用于提供到流体传输导管的流体连接并且所述至少一个连接点与所述通道相邻。
12.根据权利要求11所述的燃料电池子组装件，其中所述子组装件包括至少两个不同的连接点，所述垫圈在所述至少两个不同的连接点处焊接到所述气体扩散层，所述连接点被定位成分别在所述通道的每侧邻近所述通道。
13.一种燃料电池，其包括质子交换膜、被配置成向阳极气体扩散层提供阳极气体的阳极流动板以及被配置成向阴极气体扩散层提供阴极气体的阴极流动板，其中所述燃料电池包括根据权利要求1所述的燃料电池子组装件中的至少一个，所述燃料电池子组装件的所述气体扩散层形成所述阳极气体扩散层或所述阴极气体扩散层。
14.一种燃料电池堆，其包括如权利要求13所限定的一起布置成堆的多个燃料电池。
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