CN108400349A - 用于燃料电池的板结构 - Google Patents

Abstract

一种板结构包括具有限定基准平面的平面部分的板。板包括远离基准平面突出的凸起压条密封件和沟道。凸起压条密封件沿着放置在基准平面上的中心线延伸。沟道沿着放置在基准平面上的路径延伸。沟道与凸起压条密封件相交。路径和中心线相交以在基准平面上形成第一相交角和相邻的第二相交角。第一相交角和第二相交角为补角。第一相交角为锐角，而第二相交角为钝角。路径和中心线布置为形成第一相交角和第二相交角的特定值，以控制凸起压条密封件的刚度。

Description

用于燃料电池的板结构

背景技术

本公开总体上涉及一种具有用于密封相邻板的凸起压条密封件的板结构。

燃料电池是将诸如氢之类的燃料与诸如氧之类的氧化剂结合在一起以产生电力的电化学装置。术语“燃料电池”通常用于指代单个电池或者多个电池，具体取决于其使用环境。多个电池通常被捆绑在一起并布置为形成电池堆，而该电池堆具有通常以电串联方式布置的多个电池。

例如，可以提供不同的燃料电池类型，诸如磷酸燃料电池、碱性燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池和质子交换膜(PEM)燃料电池。PEM型燃料电池中的基础部件是被聚合物膜电解质隔开的两个电极。在每个电极的一侧上涂覆有薄薄的催化剂层。电极、催化剂和膜一起形成了膜电极组件(MEA)。

在典型的PEM型燃料电池中，MEA被夹在“阳极”与“阴极”扩散介质(下文中缩写为“DM”)或扩散层之间，这些扩散介质或扩散层由弹性、导电且可透气的材料(诸如碳织物或碳纸)形成。DM起到阳极和阴极的初级集流器的作用，并且为MEA提供力学支承。DM和MEA被压制在用作收集来自初级集流器的电流的次级集流器的一对导电板(例如，单极板或双极板)之间。

单极板通常包括单个薄金属片，而双极板通常包括两个薄的相对金属片。片材在其一个外表面上限定了流动路径，用于将燃料输送到MEA的阳极，或者将氧化剂输送到MEA的阴极侧。在双极板的情形下，另一片材的外表面限定了流动路径，用于将燃料的其余部分输送到MEA的阳极，或者将氧化剂输送到MEA的阴极侧。在双极板的情况下，当片材接合时，接合表面可以限定出用于介电冷却流体的流动路径。这些板通常由提供合适的强度、导电性和耐腐蚀性的可成型金属制成。

为了减少不期望出现的来自板之间的流体泄漏，通常会采用密封件。密封件沿着板的周边边缘和/或围绕延伸穿过板的孔的周边而设置。密封件可以包括弹性密封件，或者替代地，可以将金属板形成来限定出凸起压条密封件。凸起压条密封件可以形成在与片材的外边缘相邻的平面金属片上，或者形成在围绕在片材中形成的孔的边缘附近。凸起压条密封件可以通过冲压操作形成在金属片中，但是也可以使用其他方法。凸起压条密封件可以关于凸起压条密封件的纵向中心线基本上对称。然而，应该理解的是，凸起压条密封件可以关于纵向中心线不对称。凸起压条密封件可以包括垂直于纵向中心线的大致拱形的横截面形状。凸起压条密封件的大致拱形的横截面形状在垂直于平面金属片的方向上提供针对负载的弹性响应。

凸起压条密封件被压靠在邻接板上，从而形成对该邻接板的密封。如果凸起压条密封件的一些部分具有高刚度，而其他部分具有低刚度，则凸起压条密封件的高刚度区域可以防止凸起压条密封件的低刚度区域形成紧密密封。因此，凸起压条密封件应该在凸起压条密封件的所有部分中具有均匀的刚度，以便围绕板的整个周边边缘和/或围绕相邻孔的整个周边形成紧密密封。

发明内容

提供了一种用于燃料电池的板结构。板结构包括第一板，该第一板具有限定基准平面的平面部分。凸起压条密封件远离基准平面突出，并沿着放置在基准平面上的中心线延伸。沟道远离基准平面突出，并沿着放置在基准平面上的路径延伸。沟道与凸起压条密封件相交。路径和中心线相交以形成基准平面上的第一相交角。第一相交角为非直角。路径和中心线布置为形成第一相交角的特定值，以控制凸起压条密封件的刚度。

在板结构的一个方面，沟道的路径可以是线性的。在板结构的另一方面，凸起压条密封件的中心线可以是非线性的。

在板结构的一个方面，在中心线和路径的相交处，第一相交角在路径与中心线的切线之间测量。

在板结构的另一方面，路径和中心线的相交处在基准平面上形成第二相交角。第一相交角和第二相交角可以是补角。在板结构的另一方面，第一相交角和第二相交角可以是相邻角。

在板结构的又一方面，第一相交角和第二相交角中的一个为钝角，而第一相交角和第二相交角中的另一个为锐角。在板结构的一个方面，锐角小于七十五度。

在板结构的一个方面，凸起压条密封件表现出随着锐角值的减小而增大并且随着锐角值的增大而减小的刚度。

在板结构的另一方面，第一板限定边缘和延伸穿过第一板的端口，其中沟道与在凸起压条密封件的第一侧的第一板的边缘流体连通，并且与在凸起压条密封件的第二侧的端口流体连通。

在板结构的另一方面，板结构包括第二板，该第二板具有布置在基准平面上的与第一板的第一平面部分相对的平面部分。第二板附接到第一板并且是第一板的镜像，其中第一板和第二板形成双极板。

还提供了一种用于燃料电池的双极板结构。双极板结构包括第一板和第二板，该第一板具有限定基准平面的平面部分，而该第二板具有设置在基准平面上的与第一板的第一平面部分相对的平面部分。凸起压条密封件形成在第一板中并且远离基准平面突出。凸起压条密封件沿着设置在基准平面上的中心线延伸。沟道形成在第一板中并且远离基准平面突出。沟道沿着设置在基准平面上的路径延伸。沟道与凸起压条密封件相交。路径和中心线相交以在基准平面上形成第一相交角和相邻的第二相交角。第一相交角和第二相交角形成补角。第一相交角为锐角，而第二相交角为钝角。

在双极板结构的一个方面，沟道的路径是线性的。在双极板结构的另一方面，凸起压条密封件的中心线是非线性的。在双极板结构的另一个方面，在中心线和路径的相交处，第一相交角在路径与中心线的切线之间测量。

在双极板结构的另一个方面，锐角小于七十五度。在双极板结构的另一方面，凸起压条密封件表现出刚度。凸起压条密封件的刚度随着锐角值的减小而增大。凸起压条密封件的刚度随着锐角值的增大而减小。

在双极板结构的另一方面，第一板和第二板在基准平面上是彼此的镜像。

还提供了一种制造用于燃料电池的板结构的方法。该方法包括形成第一板以包括凸起压条密封件。凸起压条密封件远离基准平面突出，并沿着放置在基准平面上的中心线延伸。凸起压条密封件表现出刚度。第一板形成为包括沟道，该沟道远离基准平面突出并沿着放置在基准平面上的路径延伸。沟道与凸起压条密封件相交。路径和中心线相交以在基准平面上形成第一相交角和相邻的第二相交角。第一相交角和第二相交角为补角。第一相交角为锐角，而第二相交角为钝角。对沟道的路径与凸起压条密封件的中心线之间的相对取向进行控制，从而分别控制第一相交角和第二相交角的值。对第一相交角和第二相交角的值进行控制以影响凸起压条密封件的刚度，这样使得凸起压条密封件的刚度随着锐角值的减小而增大，并且凸起压条密封件的刚度随着锐角值的增大而减小。

因此，对凸起压条密封件与沟道之间的相对角度进行控制，从而控制凸起压条密封件的刚度。通过这样做，凸起压条密封件的刚度可以被控制为在凸起压条密封件的所有部分上大致是均匀的，由此提供在凸起压条密封件的所有部分上的紧密密封。

结合附图，通过以下对用于执行教导的最佳方式的详细描述，本教导的以上特征和优点以及其他特征和优点容易变得明显。

附图说明

图1是用于燃料电池堆的板结构的示意性平面图。

图2是板结构的示意性局部平面图，其示出了与板结构中的孔相邻的沟道和凸起压条密封件。

图3是形成双极板结构的两个板结构的示意性局部截面图。

具体实施方式

本领域普通技术人员将认识到的是，诸如“之上”、“之下”、“向上”、“向下”、“顶部”、“底部”等术语是用于描述附图，并不代表对如所附权利要求所限定的本公开的范围的限制。此外，在此可以根据功能和/或逻辑块组件和/或各种处理步骤来描述教导。应该认识到，这样的块组件可以包括配置为执行指定功能的任何数量的硬件、软件和/或固件组件。

参考附图，其中在几个视图中相同的附图标记表示相同的部分，板结构大致以20示出。如现有技术中已知的，板结构20配置为在燃料电池或燃料电池堆中使用。例如，板结构20可以配置为单极板，或者两个板结构20可以进行组合并配置为双极板，诸如如图3所示。燃料电池的细节与本公开的教导无关，因此在此不再赘述。

参考图1，板结构20包括外周边边缘22，并且限定延伸穿过板结构20的多个孔24。凸起压条密封件26设置在至少一个孔24的周边附近。在板结构20的外周边边缘22附近还设置有附加的凸起压条密封件26。沟道28从孔24的周边延伸穿过凸起压条密封件26。下面参照图2和图3更详细地描述图1中所示的凸起压条密封件26与沟道28之间的相交处。

板结构20包括至少一个板。如果板结构20是配置为单极板结构20，则板结构20仅包括第一板30。如果板结构20是配置为双极板结构60(诸如如图3所示)，则板结构20包括第一板30和第二板32。

参照图3，第一板30包括限定基准平面36的平面部分34。基准平面36可以包括例如平面部分34的外表面。参考图2并且如上所述，第一板30限定延伸穿过第一板30的孔24。第一板30形成孔24的边缘38。第一板30还包括延伸穿过第一板30的端口40。孔24和端口40可以设置成与燃料电池的其他部件流体连通，如本领域已知的那样。

凸起压条密封件26与孔24的边缘38横向隔开，并且通常围绕孔24延伸。凸起压条密封件26远离基准平面36突出，并沿着设置在基准平面36上的中心线42延伸。中心线42形成围绕孔24的无端环路。凸起压条密封件26可以形成在第一板30和/或第二板32上。凸起压条密封件26可以通过冲压操作形成在金属片中，但是也可以使用其他方法。凸起压条密封件26可以关于凸起压条密封件26的纵向中心线42基本上对称。然而，应该理解的是，凸起压条密封件26可以关于纵向中心线42不对称。凸起压条密封件26可以包括垂直于纵向中心线42的大致拱形的横截面形状。凸起压条密封件26的大致拱形的横截面形状在垂直于板结构20的方向上提供针对负载的弹性响应。凸起压条密封件26可以包括任何期望的横截面形状。例如，凸起压条密封件26可以包括从第一板30的平面部分34突出的半圆形形状。

如图1所示，凸起压条密封件26的示例性实施例是非线性的。然而，凸起压条密封件26的其他实施例可以是线性的。如示例性实施例所示，凸起压条密封件26的整个中心线42可以被视为是非线性的。然而，应该认识到，示例性实施例中示出的中心线42的各部分可以被视为是线性的。因此，中心线42可以由线性部分和非线性部分组成。非线性部分可以被视为是具有限定曲率的弯曲部分。

沟道28远离基准平面36突出，并且沿着设置在基准平面36上的路径44延伸。沟道28的路径44是线性的。这样，沟道28呈直线延伸，并且不会从由沟道28的路径44限定的线性直线向左或向右偏离。沟道28与凸起压条密封件26相交。沟道28可以包括任何期望的横截面形状。例如，沟道28可以包括从第一板30的平面部分34突出的半圆形形状。沟道28设置为与第一板30的边缘38流体连通，该边缘位于凸起压条密封件26的第一侧46。更具体地，沟道28与限定孔24的第一板30的边缘38流体连通，并且因此，沟道28与孔24流体连通。沟道28还设置成与端口40流体连通，该端口位于凸起压条密封件26的第二侧48。如上所述，沟道28的路径44是线性的并且沿着直线延伸。这样，沿着由线性路径44限定的直线，路径44从凸起压条密封件26的第一侧46延伸穿过压条密封件到达压条密封件的第二侧48，从而使得沟道28在凸起压条密封件26的第一侧46上的部分与沟道28在直线线性路径44上的凸起压条密封件26的第二侧48上的部分对齐。

沟道28的路径44和凸起压条密封件26的中心线42相交，从而在基准平面36上形成第一相交角50和第二相交角52。第一相交角50和第二相交角52为相邻角。换言之，第一相交角50和第二相交角52直接彼此相邻设置，并且包括至少一个共同的线或边。此外，第一相交角50和第二相交角52为补角。如此，第一相交角50与第二相交角52的总和等于一百八十度(180°)。

第一相交角50和第二相交角52中的一个是钝角，而第一相交角50和第二相交角52中的另一个是锐角。如图2所示，板结构20的示例性实施例将第一相交角50限定为锐角，即小于九十度(90°)的角度，并将第二相交角52限定为钝角，即大于九十度(90°)的角度。

凸起压条密封件26表现出刚度。如本文所用，术语“刚度”可以被定义为响应于与基准平面36垂直的施加力54(在图3中示出)的抗变形程度或抗变形量。凸起压条密封件26的刚度随着锐角值的减小而增大。相反，凸起压条密封件26的刚度随着锐角值的增大而减小。

为了实现良好的密封，凸起压条密封件26不得不通过提供合成的密封力56(图3所示)来对施加力54作出响应，其中该密封力沿着凸起压条密封件26的整个长度均匀分布。如果凸起压条密封件26的一部分具有比凸起压条密封件26的另一部分更高的刚度，则凸起压条密封件26的较高刚度部分将提供较高的密封力，而凸起压条密封件26的较低刚度部分将提供较低的密封力。因此，重点在于使凸起压条密封件26的刚度沿着凸起压条密封件26的整个长度尽可能地均匀，以便沿着凸起压条密封件26的整个长度提供一致的密封力。

如上所述，凸起压条密封件26和沟道28均从第一板30的平面部分34向上突出，并且彼此相交。应该认识到，凸起压条密封件26的刚度至少部分地取决于凸起压条密封件26的横截面形状和/或结构。然而，在凸起压条密封件26的与沟道28相交的区域中，凸起压条密封件26的横截面形状发生了改变。实质上，凸起压条密封件26的侧壁在沟道28与凸起压条密封件26相交的位置处被移除，从而削弱了凸起压条密封件26并且减小了凸起压条密封件26在相交处中间的刚度。然而，在凸起压条密封件26的侧壁和沟道28连接的地方所形成的几何结构可以表现出比单独提供的凸起压条密封件26的横截面刚度更高的刚度。相应地，由沟道28和凸起压条密封件26的相交处形成的局部拐角或四个象限可以表现出比凸起压条密封件26的其他部分的刚度更高的刚度，而沟道28与凸起压条密封件26的相交处的中心(在路径44和中心线42的相交处附近)可以表现出比凸起压条密封件26的其他部分更低的刚度。通过使沟道28的路径44相对于凸起压条密封件26的中心线42成一定角度，使得凸起压条密封件26的刚度在沟道28与凸起压条部分之间的整个相交区域内变得更加均匀。

如上所述，附图中所示的板结构20的示例性实施例示出了第一相交角50是锐角。这样，第一相交角50是具有小于九十度(90°)的值的非直角，而第二相交角52是具有大于九十度(90°)的值的非直角。如果沟道28与凸起压条密封件26之间的相交处出现在中心线42的弯曲部分内，那么在中心线42和路径44的相交处，第一相交角50在路径44与中心线42的切线58之间测量。

第一相交角50和第二相交角52的值取决于第一板30的几何形状，包括但不限于凸起压条密封件26相对于孔24的边缘38的位置、端口40的位置等。一般而言，锐角的最低可能值将为凸起压条密封件26的刚度提供最大程度的均匀性。然而，如上所述，板结构20的几何形状可以对沟道28的路径44相对于凸起压条密封件26的中心线42可以成角度的量进行限制。优选地，锐角小于七十五度(75°)。更优选地，锐角小于四十五度(45°)。然而，在一些实施例中，这可能是无法实现的。因此，应该认识到的是，当锐角减小到九十度(90°)下的任意值时都应当为凸起压条密封件26中刚度的均匀性带来改善。

如上所述，板结构20可以配置为双极板结构60，其中两个板如本领域中已知的那样组合并接合在一起。参考图3，示出了双极板结构60的示例。第二板32包括设置在基准平面36上的与第一板30的第一平面部分34相对的平面部分62。第二板32附接到第一板30并且是第一板30在基准平面对面的镜像，同时第一板30和第二板32形成双极板结构60。因此，应当理解的是，第二板32成形为和/或形成为包括如上面参考第一板30所描述的凸起压条密封件26和沟道28，其中沟道28的路径44相对于凸起压条密封件26的中心线42成角度。

还提供了一种制造板结构20的方法。该方法包括形成第一板30以包括凸起压条密封件26，该凸起压条密封件远离基准平面36突出并沿着放置在基准平面36上的中心线42延伸。第一板30进一步地或同时地形成为包括沟道28。如上所述，沟道28也远离基准平面36突出，并且沿着放置在基准平面36上的路径44延伸。包括凸起压条密封件26和沟道28的第一板30可以以任何合适的方式形成。例如，第一板30可以采用本领域技术人员已知的冲压工艺或其他类似工艺由薄金属片形成。

如上所述，沟道28的路径44与凸起压条密封件26的中心线42之间的相对取向对沟道28与凸起压条密封件26之间的相交处的凸起压条密封件26的刚度产生影响。因此，沟道28的路径44与凸起压条密封件26的中心线42之间的相对取向被设计成控制第一相交角50和第二相交角52的值，进而影响凸起压条密封件26的刚度。如上所述，凸起压条密封件26的刚度随着锐角值的减小而增大，并且凸起压条密封件26的刚度随着锐角值的增大而减小。

详细描述以及图示或附图是用于支持和描述本公开，但是本公开的范围仅由权利要求限定。尽管已经详细描述了用于实施所要求保护的教导的一些最佳方式和其他实施例，但是仍存在有用于实践所附权利要求中限定的公开内容的各种替代设计和实施例。

Claims (10)

1.一种用于燃料电池的板结构，所述板结构包括：

第一板，所述第一板具有限定基准平面的平面部分；

凸起压条密封件，所述凸起压条密封件远离所述基准平面突出，并沿着设置在所述基准平面上的中心线延伸；

沟道，所述沟道远离所述基准平面突出，并沿着设置在所述基准平面上的路径延伸，其中所述沟道与所述凸起压条密封件相交；

其中所述路径与所述中心线相交以在所述基准平面上形成第一相交角；并且

其中所述第一相交角为非直角。

2.根据权利要求1所述的板结构，其中所述沟道的所述路径为线性的。

3.根据权利要求2所述的板结构，其中所述凸起压条密封件的所述中心线为非线性的。

4.根据权利要求3所述的板结构，其中在所述中心线和所述路径的所述相交处，所述第一相交角在所述路径与所述中心线的切线之间测量。

5.根据权利要求1所述的板结构，其中所述路径和所述中心线的所述相交处在所述基准平面上形成第二相交角。

6.根据权利要求5所述的板结构，其中所述第一相交角和所述第二相交角为补角。

7.根据权利要求6所述的板结构，其中所述第一相交角和所述第二相交角为相邻角。

8.根据权利要求7所述的板结构，其中所述第一相交角和所述第二相交角中的一个为钝角，而所述第一相交角和所述第二相交角中的另一个为锐角。

9.根据权利要求8所述的板结构，其中所述锐角小于七十五度。

10.根据权利要求1所述的板结构，其中所述第一板限定边缘和延伸穿过所述第一板的端口，并且其中所述沟道与在所述凸起压条密封件的第一侧的所述第一板的所述边缘流体连通并且与在所述凸起压条密封件的第二侧的所述端口流体连通。