CN111293326A - 用于燃料电池的分离器组件和包括其的燃料电池堆 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于燃料电池的分离器组件，包括：第一分离器，其具有提供密封的突出的密封凸部；第二分离器，其接合到第一分离器以与其一体化，并在与形成密封凸部的位置相对应的位置具有沿与密封凸部相同的方向突出的拱形凸起；垫片，其在形成第二分离器的凸起的位置处设置在凸起的与凸起的凸面相反的凹面上；以及密封剂，其在形成第一分离器的密封凸部的位置处涂布到密封凸部的凸面上。

Description

用于燃料电池的分离器组件和包括其的燃料电池堆
技术领域
本发明涉及一种用于燃料电池的分离器组件以及包括该分离器组件的燃料电池堆，更具体地，涉及一种配置为在降低生产成本的同时具有改善的气密性和耐久性的燃料电池堆。
背景技术
如本领域所公知的，燃料电池是一种通过电池组中的电化学反应将燃料的化学能转换成电能的发电装置。燃料电池具有广泛的应用，包括用作工业发电装置、用作家用发电装置、为车辆供电以及为诸如便携式设备的小型电子设备供电。近年来，燃料电池被越来越多地用作高效清洁能源。
图1(现有技术)是示出典型的燃料电池堆的结构的视图，图2(现有技术)是示出应用子垫片(subgasket)的燃料电池的单元电池的视图，以及图3(现有技术)是示出应用子垫片的燃料电池的单元电池中的垫片的布置的视图。
如图1所示，典型的燃料电池堆具有位于其最内部的膜电极组件(MEA)10。MEA 10包括允许带正电荷离子(质子)通过其迁移的聚合物电解质膜(PEM)11、以及涂布在PEM 11的两面上以引起氢和氧的反应的催化剂层(CL)，即阳极12和阴极13。
此外，气体扩散层(GDL)20层叠在MEA 10的外侧，即阳极12和阴极13所处位置的外侧，并且分离器30a和30b(各自具有用于供应燃料并排出在MEA 10中通过反应产生的水的流场)分别位于GDL 20的外侧，其中垫片40介于分离器(隔板)30a和30b之间。端板50组装到MEA 10的最外侧，以在结构上将上述各个部件支撑并固定在适当的位置。
因此，在燃料电池堆的阳极12处，发生氢被氧化的氧化反应从而产生氢离子(质子)和电子，并且所产生的质子和电子分别通过PEM 11和导线流到阴极13。在阴极13处，通过从阳极12流出的质子和电子、以及空气中包含的氧参与的电化学反应产生水，并且电子的流动产生电力。
同时，分离器30a和30b通常被制造成使得用作支撑件的凸台(land)和用作流体的流动路径的通道交替重复。
换句话说，典型的分离器具有这样的结构，其中凸台和通道(流动路径)以蛇形结构交替重复。因此，面向GDL 20的分离器一侧的通道用作使诸如氢或空气的反应气体流过的空间，而另一侧的通道用作冷却剂流过的空间。因此，单个单元电池可由一对分离器组成，即由一个带有氢/冷却剂通道的分离器，以及另一个带有空气/冷却剂通道的分离器组成。
另一方面，如图2所示，MEA 10包括阳极12和阴极13周围的外围部分的子垫片14，以便于处理PEM 11、阳极12和阴极13，同时改善电池堆的气密性。
此外，多个入口歧管和出口歧管分别设置在子垫片14的两侧和分离器30a和30b的两侧。
另一方面，如图3所示，因为反应气体和冷却剂必须在子垫片14和一对分离器30a和30b之间流动，所以具有预定厚度的注射成型橡胶垫片40a、40b和40c布置在子垫片14和一对分离器30a和30b之间。因此，当单元电池彼此堆叠时，垫片压紧，从而在保持其间的间隔的同时确保电池堆的气密性。
然而，橡胶垫片40a、40b和40c的制造成本很高。因此，提出了一种具有密封凸部(bead seal)的分离器。密封凸部从分离器的表面一体地突出，该密封凸部的高度等于布置在分离器之间的垫片40a、40b和40c的厚度，并且以薄层形式将密封剂涂布到分离器上，从而确保电池堆的气密性。
然而，在通过将多个单元电池彼此堆叠后压紧它们来形成燃料电池堆的情况下，由于作用在形成密封凸部的部分上的面压，密封凸部的形状发生改变，导致电池堆的气密性降低。
前述内容仅旨在帮助理解本发明的背景，并且不旨在表示本发明落入本领域技术人员已知的相关技术的范围内。
发明内容
因此，本发明提供了一种燃料电池以及包括该燃料电池的燃料电池堆，其中燃料电池堆配置为在降低生产成本的同时具有改善的气密性和耐久性。
根据本发明的一方面，提供一种用于燃料电池的分离器组件，所述分离器组件包括：第一分离器，其具有提供密封的突出的密封凸部(bead seal)；第二分离器，其接合到第一分离器以与其一体化，并在与形成密封凸部的位置相对应的位置具有沿与密封凸部相同的方向突出的拱形凸起；垫片(gasket)，其在形成第二分离器的凸起的位置设置在凸起的与凸起的凸面相反的凹面上；以及密封剂，其在形成第一分离器的密封凸部的位置涂布到密封凸部的凸面上。
形成在第二分离器处的凸起的突出高度可低于形成在第一分离器处的密封凸部。
形成在第二分离器处的凸起的高度可等于或小于第一分离器和第二分离器的厚度之和。
垫片的宽度可大于密封剂的宽度。
垫片可通过注入(注塑)弹性橡胶材料而形成，以及密封剂可通过丝网涂覆涂布。
根据本发明的另一方面，提供一种通过堆叠多个单元电池形成的燃料电池堆，所述燃料电池堆包括：多个单元电池，其各自包括膜电极组件(所述膜电极组件具有设置在其每一侧上的子垫片)、一对气体扩散层、阳极分离器以及阴极分离器，其中构成相邻电池的阳极分离器和阴极分离器布置成彼此面对并接合在一起以彼此一体化，阳极分离器可具有提供密封的突出的密封凸部；以及阴极分离器可在与形成密封凸部的位置相对应的位置具有沿与密封凸部相同的方向突出的拱形凸起。
垫片可在形成阴极分离器的凸起的位置设置在凸起的与该凸起的凸面相反的凹面上，并且密封剂可在形成阳极分离器的密封凸部的位置涂布到密封凸部的凸面上。
形成在阳极分离器处的密封凸部可朝向与该密封凸部相邻的子垫片突出，并可通过密封剂与子垫片紧密接触而密封；在氢流动的区域中，阳极分离器和阴极分离器可在密封凸部的两侧的位置通过接合点接合在一起；以及密封凸部可具有一对通孔，密封凸部的两侧通过所述通孔彼此连通从而允许氢流过阳极分离器和子垫片之间。
形成在阴极分离器处的凸起可沿与相邻的子垫片相反的方向突出，并可通过垫片与子垫片紧密接触而密封；在空气流动的区域中，阴极分离器和阳极分离器可在相对于空气流动方向的空气流动路径的上游侧周围(附近)的凸起外侧的位置彼此间隔开，而阴极分离器和阳极分离器可在相对于空气流动方向的空气流动路径的下游侧周围(附近)的凸起外侧的位置通过接合点接合在一起；以及阴极分离器可在相对于空气流动方向的空气流动路径下游侧周围(附近)的凸起外侧的位置开孔，从而形成穿过阴极分离器的第一和第二表面的通孔，从而允许流过阴极分离器和阳极分离器之间的空气流过阴极分离器和子垫片之间。
形成在阴极分离器处的凸起可在与相邻的子垫片相反的方向上突出，并可通过垫片与子垫片紧密接触而密封，并且在空气流动的区域中，垫片可具有台阶，使得垫片的两侧通过台阶彼此连通，从而允许空气流过阴极分离器和子垫片之间。
阳极分离器可通过密封剂与子垫片紧密接触而密封，而阴极分离器可通过垫片与子垫片紧密接触而密封，并且在冷却剂流动的区域中，阳极分离器和阴极分离器可在形成于冷却剂在阳极分离器和阴极分离器之间流过的区域中的密封凸部的两侧上的位置彼此间隔开，从而使得冷却剂流过阳极分离器和阴极分离器之间。
根据本发明，当一对分离器接合在一起以彼此一体化时，将密封凸部应用于一个分离器，同时将拱形凸起和橡胶垫片应用于另一个分离器，由此电池堆可在降低生产成本的同时具有改善的气密性和耐久性。
附图说明
通过以下结合附图的详细描述，将更清楚地理解本发明的上述和其他目的、特征和其他优点将更加明显，其中：
图1(现有技术)是示出典型的燃料电池堆的结构的视图；
图2(现有技术)是示出应用子垫片的燃料电池的单元电池的视图；
图3(现有技术)是示出应用子垫片的燃料电池的单元电池中的垫片的配置的视图；
图4和图5是示出根据本发明的实施例的用于燃料电池的分离器组件的主要部件的视图；
图6是示出根据本发明的实施例的用于燃料电池的分离器组件中氢流动的区域的视图；
图7和图8是示出根据本发明的实施例的用于燃料电池的分离器组件中空气流动的区域的视图；
图9是示出根据本发明的实施例的用于燃料电池的分离器组件中冷却剂流动的区域的视图；以及
图10是示出作用在根据本发明的实施例的用于燃料电池的分离器组件上的面压的视图。
具体实施方式
可以理解的是，本文使用的术语“车辆”或“车辆的”或其它相似的术语一般包括机动车辆，例如包括运动型多功能车辆(SUV)、公共汽车、卡车、各种商用车辆的客车；包括各种艇、船只、航空器等的船舶，并包括混合动力车辆、电动车辆、插电式混合动力电动车辆、氢动力车辆和其他替代燃料车辆(例如，来自非石油资源的燃料)。如本文所提及的，混合动力车辆是具有两个或更多动力源的车辆，例如兼备汽油动力和电动车辆。
在此使用的术语仅用于说明特定实施例，而非旨在限制本发明。如在本文使用的，单数形式“一”、“一种”和“该”也旨在包括复数形式，除非上下文明确指示。要进一步理解的是，当在本说明书中使用“包括”和/或“包含”时，是指陈述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其组合的存在或添加。如在本文使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关所列项目的任何和全部的组合。贯穿整个说明书，除非有明确相反地描述，否则“包括”一词及其变化诸如“包括”或“包含”都将被理解为暗示包含所述的元件但不排除任何其他元件。此外，在说明书中描述的术语“单元”、“器”、“机”以及“模块”意味着处理至少一个功能和操作的单元，并且可以通过硬件部件或部件组件及其组合来实现。
此外，本发明的控制逻辑可以体现为包含由处理器、控制器等执行的可执行程序指令的计算机可读介质上的非暂时性计算机可读介质。计算机可读介质的示例包括但不限于ROM、RAM、光盘(CD)-ROM、磁带、软盘、闪存驱动器、智能卡以及光学数据存储设备。计算机可读介质还可以分布在网络连接的计算机系统中，使得计算机可读介质以分布式方式存储和执行，例如通过远程信息处理服务器或控制器局域网(CAN)。#
在下文中，将参照附图详细描述本发明的示例性实施例。示出本发明的示例性实施例以完整公开本发明并且帮助本领域普通技术人员最好地理解本发明。对以下实施例的各种改变是可能的，并且本发明的范围不限于以下实施例。在整个附图中，相同的附图标记表示相同或相似的部件。
提出了根据本发明的实施例的燃料电池堆，以改善分离器的形状和气密结构，同时保持根据图1和图2中所示的现有技术的电池堆结构，从而在确保反应气体和冷却剂的流动性的同时改善气密性。因此，如图1和图2所示，根据本发明的实施例的燃料电池堆包括彼此串列堆叠的多个单元电池。各单元电池具有：膜电极组件(MEA)10，其具有设置在其每一侧上的子垫片14；一对气体扩散层(GDL)20；以及阳极和阴极分离器30a和30b。因此，构成一个单元电池的阳极分离器30a和构成相邻单元电池的阴极分离器30b布置成彼此面对。在本实施例中，彼此面对的阳极分离器30a和阴极分离器30b接合在一起以彼此一体化，从而形成分离器组件。
图4和图5是示出根据本发明的实施例的用于燃料电池的分离器组件的主要部件的视图。例如，图4和图5示出了在本实施例中得到改进的分离器的形状和气密结构。这里，为了便于说明，将子垫片14、阳极分离器200和阴极分离器100以彼此间隔开的状态示出。
如图5所示，提出了根据本实施例的用于燃料电池的分离器组件，以在分离器组件彼此堆叠并压紧的情况下将由面压引起的分离器的变形最小化，同时保持气密性，用于燃料电池的该分离器组件优选地包括：第一分离器200，其具有提供密封的突出的密封凸部210；第二分离器100，其接合到第一分离器200以与其一体化并且在与形成密封凸部210的位置对应的位置具有沿与密封凸部210相同的方向突出的拱形凸起110；垫片300，其在形成第二分离器100的凸起110的位置设置在凸起110的与凸起110的凸面相反的凹面上；以及密封剂400，其在形成第一分离器200的密封凸部210的位置涂布到密封凸部210的凸面上。在下文中，将第一分离器200描述为阳极分离器，并且将第二分离器100描述为阴极分离器。
此外，优选地，垫片300通过注入(注塑)弹性橡胶材料形成，并且密封剂400通过丝网涂覆来涂布。
如上所述，在阴极分离器100处设置对应于设置在阳极分离器200处的密封凸部210的凸起110。这是为了防止如下情况，即，在堆叠燃料电池堆时，如果面压作用在形成有密封凸部210的部分上，则阴极分离器100向由密封凸部210限定的阴极分离器100和阳极分离器200之间的空间变形，导致阴极分离器100和阳极分离器200之间的接触力减小以及电池堆的气密性降低。
为此，在本实施例中，拱形凸起110预先形成在阴极分离器100处，使得即使在形成有密封凸部210的部分上产生面压，拱形结构也防止该部分发生形变。
因此，优选的是，形成在阴极分离器100处的凸起110的突出高度低于形成在阳极分离器200处的密封凸部210的突出高度。更优选的是，凸起110的高度h等于或小于阳极分离器200和阴极分离器100的厚度之和。此外，优选的是，垫片300的宽度WG大于密封剂400的宽度WS，以便分散面压。更优选的是，垫片300的宽度WG大于密封剂400的宽度WS和堆叠公差的总和。如果密封剂400的宽度WS大于垫片300的宽度WG，则密封凸部210的宽度也相应地增加。在这种情况下，密封凸部210的刚性较弱。因此，当堆叠燃料电池堆时，密封凸部210可能发生变形，导致气密性降低。
另一方面，优选的是，上面提出的气密结构应用于围绕构成燃料电池堆的MEA的区域以及围绕多个入口歧管和多个出口歧管的区域，从而确保这些区域的气密性。
然而，必须在MEA所在的反应面、入口歧管和出口歧管之间确保用于使诸如氢和空气的反应气体以及冷却剂流动的流动路径。
因此，根据本发明的分离器组件可改变密封凸部、凸起和垫片中的任何一个的结构，使得在氢、空气或冷却剂流动的各区域中形成流动路径。
图6是示出在根据本发明的实施例的用于燃料电池的分离器组件中氢流动的区域的视图；图7和图8是示出在根据本发明的实施例的用于燃料电池的分离器组件中空气流动的区域的视图；图9是示出在根据本发明的实施例的用于燃料电池的分离器组件中冷却剂流动的区域的视图。例如，图6对应于沿图2中的线A-A截取的截面结构，图7和图8对应于沿图2中的线C-C截取的截面结构，以及图9对应于沿图2中的线B-B截取的截面结构。
首先，在图6所示的氢流动的区域中，形成在阳极分离器200处的密封凸部210朝向与该密封凸部相邻的子垫片14突出，并通过密封剂400与子垫片14紧密接触而密封。这里，阳极分离器200和阴极分离器100通过接合点W1和W2在密封凸部210的两侧上的位置接合在一起。
此外，密封凸部210具有一对连通孔211，密封凸部210的两侧通过该对连通孔211彼此连通。因此，通过一对连通孔211，氢流过阳极分离器200和子垫片14之间，氢由此被供应到反应面。
此外，在图7所示的空气流动的区域中，形成在阴极分离器100处的凸起110在与相邻的子垫片14相反的方向上突出，并通过垫片300与子垫片14紧密接触而密封。这里，阴极分离器100和阳极分离器200在相对于空气流动方向的空气流动路径的上游侧周围的凸起110外侧的位置彼此间隔开，而阴极分离器100和阳极分离器200在相对于空气流动方向的空气流动路径的下游侧周围的凸起110外侧的位置通过接合点W1接合在一起。
此外，阴极分离器100在相对于空气流动方向的空气流动路径的下游侧周围的凸起110外侧的位置开孔，从而形成穿过阴极分离器的第一和第二表面的通孔111，从而允许流过阴极分离器100和阳极分离器200之间的空气流过阴极分离器100和子垫片14之间。因此，在相对于空气流动方向的空气流动路径的上游侧周围的凸起110外侧的位置，空气流过阴极分离器100和阳极分离器200之间后穿过通孔111。此后，在相对于空气流动方向的空气流动路径的下游侧周围的凸起110外侧的位置，空气流过阴极分离器100和子垫片14之间，空气由此被供应到反应面。
同时，图8示出了空气流动的区域中的空气流动的另一实施例。形成在阴极分离器100处的凸起110在与相邻的子垫片14相反的方向上突出，并通过垫片300与子垫片14紧密接触而密封。此外，阳极分离器200和阴极分离器100在密封凸部210的两侧的位置通过接合点W1和W2接合在一起。
这里，设置在阴极分离器100和子垫片14之间的垫片300具有台阶310，使得垫片300的两侧通过台阶310彼此连通。因此，允许空气流过阴极分离器100和子垫片14之间，由此将空气供应到反应面。
同时，在图9所示的冷却剂流动的区域中，阳极分离器200通过密封剂400与子垫片14紧密接触而密封，而阴极分离器100通过垫片300与子垫片14紧密接触而密封。
这里，阳极分离器200和阴极分离器100在形成于冷却剂流动的区域中的密封凸部210的两侧的位置彼此间隔开。因此，允许冷却剂流过阳极分离器200和阴极分离器100之间。
另一方面，图10是示出作用在根据本发明的实施例的用于燃料电池的分离器组件上的面压的视图。当通过采用根据本发明的分离器组件堆叠燃料电池堆时，发现面压分布A表现出面压根据密封凸部210的形状越去往密封凸部210的中心越增加的趋势。因此，为了防止阴极分离器100由于如上所述形成的面压而变形，采用在阴极分离器100处形成的拱形凸起110。
尽管已经出于说明性目的描述了本发明的示例性实施例，但是本领域技术人员将理解，在不脱离所附权利要求中公开的本发明的范围和精神的情况下，可以进行各种修改、添加和替换。

Claims (11)

1.一种用于燃料电池的分离器组件，所述分离器组件包括：
第一分离器，具有提供密封的突出的密封凸部；
第二分离器，接合到所述第一分离器并与其一体化，并且在与形成所述密封凸部的位置相对应的位置具有沿与所述密封凸部相同的方向突出的拱形凸起；
垫片，在形成所述第二分离器的凸起的位置设置在所述凸起的与所述凸起的凸面相反的凹面上；以及
密封剂，在形成所述第一分离器的密封凸部的位置涂布到所述密封凸部的凸面上。
2.如权利要求1所述的分离器组件，其特征在于，形成在所述第二分离器处的所述凸起的突出高度低于形成在所述第一分离器处的所述密封凸部的突出高度。
3.如权利要求2所述的分离器组件，其特征在于，形成在所述第二分离器处的所述凸起的高度等于或小于所述第一分离器和所述第二分离器的厚度之和。
4.如权利要求1所述的分离器组件，其特征在于，所述垫片的宽度大于所述密封剂的宽度。
5.如权利要求1所述的分离器组件，其特征在于，所述垫片通过注入弹性橡胶材料而形成，并且
所述密封剂通过丝网涂覆而涂布。
6.一种通过堆叠多个单元电池形成的燃料电池堆，所述燃料电池堆包括：
多个单元电池，各自包括膜电极组件、一对气体扩散层、阳极分离器以及阴极分离器，所述膜电极组件具有设置在其每一侧上的子垫片，
其中构成相邻电池的阳极分离器和阴极分离器布置成彼此面对并接合在一起而彼此一体化，
所述阳极分离器具有提供密封的突出的密封凸部；并且
所述阴极分离器在与形成所述密封凸部的位置相对应的位置具有沿与所述密封凸部相同的方向突出的拱形凸起。
7.如权利要求6所述的燃料电池堆，其特征在于，在形成所述阴极分离器的所述凸起的位置，在所述凸起的与所述凸起的凸面相反的凹面上设置有垫片，并且
在形成所述阳极分离器的所述密封凸部的位置，密封剂被涂布到所述密封凸部的凸面上。
8.如权利要求7所述的燃料电池堆，其特征在于，形成在所述阳极分离器处的所述密封凸部朝向与所述密封凸部相邻的子垫片突出，并通过所述密封剂与所述子垫片紧密接触而密封；
在氢流动的区域中，所述阳极分离器和所述阴极分离器在所述密封凸部的两侧的位置通过接合点接合在一起；并且
所述密封凸部具有一对通孔，所述密封凸部的两侧通过所述通孔彼此连通，从而允许氢流过所述阳极分离器和所述子垫片之间。
9.如权利要求7所述的燃料电池堆，其特征在于，形成在所述阴极分离器处的凸起沿与相邻的子垫片相反的方向突出，并通过所述垫片与所述子垫片紧密接触而密封；
在空气流动的区域中，所述阴极分离器和所述阳极分离器在相对于空气流动方向的空气流动路径的上游侧周围的凸起外侧的位置彼此间隔开，而所述阴极分离器和所述阳极分离器在相对于空气流动方向的空气流动路径的下游侧周围的凸起外侧的位置通过接合点接合在一起；并且
所述阴极分离器在相对于空气流动方向的空气流动路径的下游侧周围的凸起外侧的位置开孔，从而形成穿过所述阴极分离器的第一表面和第二表面的通孔，从而允许流过所述阴极分离器和所述阳极分离器之间的空气流过所述阴极分离器和所述子垫片之间。
10.如权利要求7所述的燃料电池堆，其特征在于，形成在所述阴极分离器处的所述凸起沿与相邻的子垫片相反的方向突出，并通过所述垫片与所述子垫片紧密接触而密封，并且
在空气流动的区域中，所述垫片具有台阶，使得所述垫片的两侧通过所述台阶彼此连通，从而允许空气流过所述阴极分离器和所述子垫片之间。
11.如权利要求7所述的燃料电池堆，其特征在于，所述阳极分离器通过所述密封剂与所述子垫片紧密接触而密封，而所述阴极分离器通过所述垫片与所述子垫片紧密接触而密封，并且
在冷却剂流动的区域中，所述阳极分离器和所述阴极分离器在形成于冷却剂在阳极分离器和阴极分离器之间流过的区域中的密封凸部的两侧的位置彼此间隔开，从而允许所述冷却剂流过所述阳极分离器和所述阴极分离器之间。
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