專利名稱：用于燃料電池的流場板和結合流場板的燃料電池組件的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及燃料電池，用于燃料電池的流場板以及結合流場板的燃料電池組件。本發(fā)明更特別涉及一種密封傳統(tǒng)燃料電池或燃料電池組組件的不同流場板和其它元件之間的堆的設備和方法，以便防止各個氣體工作所需的氣體和液體泄漏，以及將反應物送到燃料電池組的有效區(qū)域。
背景技術：
有各種已知類型的燃料電池。當前被認為可以用于很多應用的一種燃料電池是使用質子交換膜(PEM)的燃料電池。PEM燃料電池使得能夠設計簡單、緊湊的燃料電池，這種燃料電池具有魯棒性(robust)，可以工作在與環(huán)境溫度差別不大的溫度下，而且對于燃料、氧化劑和冷卻劑供給沒有復雜的要求。
傳統(tǒng)的燃料電池產生較低的電壓。為了提供可用的功率，通常將燃料電池設計成燃料電池組，在一個單組內典型可以具有10、20、30或甚至100個燃料電池。雖然這確實提供了能夠在可用電壓上產生有效功率的單個部件，但設計會十分復雜，而且會包含大量元件，所有元件都必須小心裝配。
例如，傳統(tǒng)的PEM燃料電池需要兩個流場板，一個陽極流場板和一個陰極流場板。在兩個板之間提供了包含實際質子交換膜的膜電極組件(MEA)。此外，提供了氣體擴散介質(GDM)，夾在各個流場板和質子交換膜之間。氣體擴散膜使合適的氣體燃料或氧化劑，能夠擴散到質子交換膜表面，而且同時提供相關流場板和PEM之間的電傳導。
這種基本的燃料電池結構需要兩個密封，在每個流場板和PEM之間各提供一個密封。而且，這些密封不得不具有相對復雜的配置。特別是，如下面詳細描述的，在燃料電池組中使用的流場板必須提供很多功能，因此需要一個復雜的密封裝置。
對于燃料電池組，流場板在每一端都典型提供了孔或洞，因此一組流場板就形成了垂直穿過流場板的細長通道。因為燃料電池需要燃料、氧化劑和冷卻劑流動，所以這典型共需要三對端口或六個端口。這是因為燃料和氧化劑必須流經每個燃料電池。雖然大多數(shù)燃料或氧化劑看情況會被消耗，但持續(xù)的流轉確保不斷到將任何雜質沖出燃料電池。
前面假設燃料電池是以水或類似的東西作為冷卻劑的緊湊型配置。已知的組配置或依靠自然對流，或通過強制對流，利用空氣作為冷卻劑。這種電池組典型為冷卻劑提供穿過組的開式通道，并且減輕了密封要求。通常又只需要為氧化劑和燃料提供密封了的供給通道。
因此，每個流場板典型每端有三個孔，各個孔作為燃料、氧化劑和冷卻劑之一的入口或出口。在完成的燃料電池組中，這些孔排成一行，形成穿過整個燃料電池組的分配通道。因此將會認識到，密封要求是復雜且難于滿足的。但是依據組/電池設計，燃料電池每種液體有多個入口和出口是可能的。例如，某些燃料電池的陽極、陰極和冷卻劑中的每一個都有兩個入口，冷卻劑有兩個出口，而陰極和陽極中的每一個只有一個出口。但是可以想象各種組合。
對于冷卻劑，通常流經每個燃料電池的背部，以便在相鄰的各個燃料電池之間流動。但是這不是基本的，結果很多燃料電池組設計只在每第二個、第三個或第四個(等)板處有冷卻通道。這得到更為緊湊的組(更薄的板)，但會提供低于符合要求的冷卻。這提出了對另一種密封的要求，即相鄰的每對獨立燃料電池之間的密封。因此，在完成的燃料電池組中，每個獨立燃料電池會需要兩個密封，就是將膜交換組件與兩個流場板密封。因為這個目的，一個具有30個獨立燃料電池的燃料電池組需要60個密封件。此外，如提到的，相鄰的每對燃料電池之間需要一個密封件，而末端密封到集電器。對于一個30電池組，這額外需要31個密封件，因此一個30電池組共需要91個密封件(不包括用于母線、集電器和端板的密封件)，這些密封件中的每一個都具有復雜和精致的結構。在單個30電池組中，加上母線、絕緣板和端板所需的額外絕緣墊，各種配置的密封件的數(shù)量達到100個。
通常形成密封是通過在流場板中提供溝道或凹槽，然后在這些溝道或凹槽中放入預制密封墊來達到密封。密封墊(和/或密封材料)是以已知方法精確聚合和設計的，防止因接觸燃料電池中的各種構造材料、各種氣體和冷卻劑而降解，冷卻劑可以是用于熱傳遞的水基、有機和無機液體。這里對彈性密封件的引用典型是指軟密封墊片，是通過如彈性體的噴射、傳遞或壓縮模塑法等已知方法依據燃料電池的各個元件分別模塑的。通過如插入噴射模塑法等已知方法可以在板上制作彈性密封件，無疑部件的組件就會更簡單，但是由于如模子磨損、預制板的偏差和材料變化等固有工藝參數(shù)，制造這種密封件是困難而昂貴的。此外各個密封件和板設計需要定制加工。
在裝配之后通常要夾緊燃料電池組，以便保護元件并確保在燃料電池組的密封件和有效區(qū)域上施加合適的壓力。這種方法確保將接觸電阻減小到最小，電池的電阻抗在最小值。到這里，燃料電池組典型具有兩個牢固的端板，端板設定為足夠剛硬，使得它們在壓力下的變形在可接受的偏差之內。燃料電池還典型地具有電流母線，以便收集和集中來自燃料電池的電流達到一個小傳播點，然后通過導線將電流傳輸給負載。還可以使用絕緣板來將電流母線和端板彼此熱絕緣和電絕緣。然后在板對之間提供大量的細長拉桿、螺釘和類似的東西，使得能夠將板、張力桿之間的燃料電池組夾緊。也可以使用鉚釘、帶子、鋼琴絲、金屬板以及其它裝置來將組夾在一起。為了裝配組，提供穿過一個板的拉桿，在端板上方放置絕緣板，然后是母線(包括密封件)，然后在拉桿規(guī)定的或由一些其它定位工具規(guī)定的空間內安裝燃料電池的獨立元件。對于每個燃料電池，這典型需要下列步驟(a)放置一個密封件將燃料電池與前面的燃料電池隔離開；(b)在密封件上放置一個流場板；(c)在第一流場板上放置一個密封件；(d)在流場板上的密封件內放置一個GDM；(e)在密封件上放置一個膜電極組件(MEA)；(f)在MEA的上方放置另一個GDM；(g)準備另一個帶有一個密封件的流場板，并將其放置在膜交換組件的上方，同時確保第二個板的密封件落在第二GDM的周圍；(h)然后這個第二或上方流場板露出一個容納密封件的凹槽，如步驟(a)。
這個處理需要到形成最后一個電池，然后以母線、絕緣板和最終端板來結束之后才完成。
很多燃料電池設計中的一個問題是每個流場板必須有一個與供給孔連通、為適當流體規(guī)定分配通道的流場通道網絡。幾乎一直是將燃料電池設計為提供反應氣體的流轉，從而防止雜質堆積。因此，對于反應氣體和冷卻劑，每個流場通道網絡與至少兩個孔或端口連接。同時，很多設計仍然需要在每個流場板和MEA之間提供一個密封件，圍繞MEA，更重要的是，在MEA和孔或端口之間提供一個密封件。這要求密封件或密封墊越過流場通道或連接部分，提供供給孔和流場通道的主要中心或有效部分之間的連接。
對于任何一種反應氣體，可以提供一個密封墊，完全圍繞對應第一流場板上的所有流場通道和供給孔。這將能夠在流場板和MEA之間形成一個良好的密封。但是，在MEA的另一側，必須提供一個密封墊，完全環(huán)繞第二流場板中用于將反應氣體提供給第一流場板的孔。在這種配置中，部分膜將會覆蓋在第一流場板上的開槽上，從而沒有被完全支撐住，因此具有沒有充分密封的危險，導致氣體混合，據知這是非常不希望的。
另一種做法是在第一流場板上提供一個越過凹槽或溝道的密封墊。那么這會為MEA提供一些支撐，MEA就會夾在兩個類似配置的密封墊之間。但是，在密封墊越過第一流場板上的開槽的地方，不會完全支撐住密封墊，這會導致兩個問題。首先，缺少對密封墊的支撐會導致對MEA的不完全密封。其次，密封墊往往會伸入流通道，妨礙氣體流動。
很多以前的設計沒有處理這個問題，只是假定任何不希望的密封墊偏入流場通道不會造成值得注意的困難。所以，一旦受壓的密封墊陷入通道的連接部分，則至少會部分阻塞通道，而且如提到的，同時會有不適當?shù)膲毫釉贛EA上，導致MEA一側或另一側上的密封失敗。
美國專利號6,017,648已經找出并著手解決這個問題。該專利提到了以前的一種技術，該技術使制造流場板變得非常復雜，要求鉆出各個從供給孔到流場通道主要部分的鉆孔，這有效的確保了連接通道部分是被圍繞的。該美國專利提出了一種替代技術；流場通道是完全開放的，但是提供了橋式零件來封住連接通道部分，由此提供了密封墊的支撐。這種技術仍然是復雜的，增加了零件的數(shù)量，使燃料電池組甚至更加復雜，而且存在著確保所有橋式零件在裝配期間正確定位和裝配之后保持在原位的問題。此外，如果各種組件上存在不適當?shù)钠睿瑯蚴搅慵赡懿粫c流場板頂部完全平齊，又會導致密封墊的不正確密封，或者過高的局部壓力導致?lián)p壞流場板。此外，本發(fā)明的委托人先前已經開發(fā)了一種類似的裝置，提供“橋式”零件來防止密封墊陷入流場通道。
因此，應認識到裝配傳統(tǒng)的燃料電池組是困難的，耗時的，而且經常會造成密封失敗。美國專利號6,017,648中提出的技術很大程度上只是用一個問題替代了另一個。
因為所有這些原因，傳統(tǒng)燃料電池的制造和裝配是耗時和昂貴的。更特別的是，現(xiàn)有裝配技術完全不適合在生產線基礎上大規(guī)模生產燃料電池。
發(fā)明概述根據本發(fā)明，提供了一種用于燃料電池的流場板，流場板具有一個前面，與互補流場板為膜電極組件形成一個腔室，以及一個后面，流場板包括至少兩個孔，用于反應氣體提供給該腔室；在其前面，反應氣體流場通道；對于每個孔，在流場板后面延伸的孔延長部；對于每個孔，至少一個從流場板的后面穿過流場板到其前面的狹槽，提供了對應的孔延長部與反應氣體流通道之間的連通。
根據本發(fā)明的另一方面，提供了一種包括至少一個燃料電池的燃料電池組件，其中每個燃料電池包括第一和第二互補流場板，流場板包括前面和后面，前表面相互面對并形成一個燃料電池腔室；一個膜電極組件和氣體擴散介質，在燃料電池腔室內裝配；每個流場板中至少兩個用于第一反應氣體的第一孔和每個流場板中至少兩個用于第二反應氣體的第二孔；其中第一流場板包括在其前面的第一反應氣體流動通道；從第一反應氣體流動通道延伸到其后面的第一狹槽；對于其每個第一孔，在其后面，第一孔延長部提供了其第一孔和第一狹槽之間的連通；以及其中第二流場板包括在其前面的第二反應氣體流動通道；從第二反應氣體流動通道延伸到其后面的第二狹槽；對于其每個第二孔，在其后面，第二孔延長部提供了其第二孔和第二狹槽之間的連通。
附圖簡述為了更好的理解本發(fā)明和更清楚的顯示可以怎樣將其實現(xiàn)，現(xiàn)在通過舉例的方式對附圖進行引用，附圖通過舉例的方式顯示了本發(fā)明的優(yōu)選實施方案，其中

圖1顯示了根據本發(fā)明的燃料電池組的等角視圖；圖2顯示了圖1燃料電池組的等角分解圖，從而顯示其分離元件；圖3和4分別顯示了圖5和6的燃料電池組的陽極雙極流場板的前視圖和后視圖；圖5以較大的比例顯示了圖4的部分5的平面圖，較為詳細的顯示了一個供給孔；圖6a顯示了圖5供給孔的透視圖，是局部剖視并顯示了燃料電池組的相鄰元件；圖6b顯示了類似于圖6a的透視圖，但是比例較大；圖7和8分別顯示了圖1和2的燃料電池組的陰極雙極流場板的前視圖和后視圖；圖9以較大的比例顯示了圖8的部分9的平面圖，較為詳細的顯示了一個供給孔；圖10a顯示了圖9供給孔的透視圖，是局部剖視并顯示了燃料電池組的相鄰元件；圖10b顯示了類似于圖10a的透視圖，但是比例較大；圖11顯示了一個陽極端板的后視圖；圖12以較大的比例顯示了圖11的細節(jié)12的視圖；以及圖13顯示了圖12沿著線13的截面圖。
圖14顯示了陰極端板的后視圖；以及圖15以較大的比例顯示了圖14的細節(jié)15的視圖。
發(fā)明詳述傳統(tǒng)上，對于燃料電池中兩個相對板上的各對凹槽，可以提供某些形式的預制密封墊?，F(xiàn)在，根據美國專利申請?zhí)朹_____中提出的發(fā)明，可以通過合適的管道將各種凹槽連接在一起，形成一個連續(xù)的凹槽或通道。然后，將密封材料注入這些各式凹槽，從而完全填充凹槽。然后通過使密封劑承受合適的高溫來使其固化，達到完全的密封。在本發(fā)明的燃料電池組中可以使用這兩種密封技術或任何其它合適的密封技術。
首先參看圖1和2，顯示了組100的基本元件。因此，組100包括陽極端板102和陰極端板104。用已知的方法為端板102、104提供連接端口來供給必須的流體。106、107表示空氣連接端口；108、109表示冷卻劑連接端口；110、111表示氫連接端口。雖然沒有顯示，但是應認識到，在燃料電池組的陽極面將提供對應于端口109、111的對應冷卻劑和氫端口。象以前的實施方案一樣，各種端口106-111連接到貫穿燃料電池組的分配通道或管道。端口成對提供，并且始終貫穿燃料電池組，從而使燃料電池組連接到各種必須的設備。這也使得很多燃料電池組能夠以已知的方式連接在一起。
緊挨著陽極和陰極端板102、104的是絕緣器112和114。以已知方式緊挨著絕緣器的是陽極集電器116和陰極集電器118。
在集電器116、118之間，有很多燃料電池。在這個特定實施方案中有十個燃料電池。圖5為了簡化只顯示了一個燃料電池的元件。因此，圖5中顯示了陽極流場板120、第一或陽極氣體擴散層或介質122、MEA 124、第二或陰極氣體擴散層126和陰極流場板130。
為了將組件結合在一起，提供了拉桿131，拉桿131旋入陽極端板102中的螺紋鉆孔，穿過陰極端板104中對應的光面鉆孔。以已知的方式提供螺母和墊圈來固定整個組件，確保單個燃料電池的各種元件夾在一起。
現(xiàn)在，本發(fā)明涉及到密封件及形成它們的方法。同樣的，應認識到，燃料電池組組件的其它元件大部分是傳統(tǒng)的，這里將不會詳細描述。特別是，為流場板、MEA和氣體擴散層選擇材料是傳統(tǒng)燃料電池技術的問題，這些內容本身不會成為本發(fā)明的組成部分。
在下面的描述中，也要認識到，關于陽極和陰極流場板120、130的表示“前”和“后”指它們相對于MEA的方向。因此，“前”表示朝向MEA的表面；“后”表示遠離MEA的表面。因此圖9和10中端口的結構與圖7和8相比是相反的。
現(xiàn)在參看圖3到6，顯示了陽極雙極板120的細節(jié)。如圖示，板120通常是矩形的，但可以是任何幾何形狀，包括圖7中顯示的前或內表面132和圖8中顯示的后或外表面134。前表面132提供了用于氫的通道，而后表面134提供了方便冷卻的通道裝置。
對應于整個組組件的端口106-111，流場板120有用于空氣流的矩形孔136、137；用于冷卻劑流的一般是正方形的孔138、139；以及用于氫流的一般是正方形的孔140、141。這些孔136-141與端口106-111對準。在所有流場板上都提供了對應的孔，從而形成了以已知方式穿過燃料電池組的管道或分配通道。
現(xiàn)在，為了將燃料電池組100的各種元件密封在一起，流場板要提供凹槽來形成一個凹槽網絡，如下面詳細描述的，凹槽網絡接受并形成一個冷卻劑流，形成穿過燃料電池組的密封。現(xiàn)在將描述這個在陽極流場板120兩個面上的凹槽網絡的元件。
在前表面132上，前凹槽網絡或網絡部分以142表示。凹槽網絡142深0.024″，寬度的變化如下所示。
凹槽網絡142包括邊槽143。這些邊槽143的寬度是0.153″。
在一端，孔136、138和140周圍，凹槽網絡142提供了相應的矩形凹槽部分。
矩形凹槽部分144用于空氣流136，包括外凹槽段148，該段延伸到凹槽端149中，這些段的寬度都是0.200″。內凹槽段150的寬度是0.120″。對于用于冷卻液的孔138，矩形凹槽145包括在三條邊周圍提供的凹槽段152，每個凹槽段的寬度也是0.200″。對于孔140，矩形凹槽146包括與凹槽段152基本一致的凹槽段154，而且每個的寬度也是0.200″。對于凹槽段152、154，有內凹槽段153、155，類似于寬度為0.120″的凹槽段150。
要提到的是，在相鄰的孔對136、138和138、140之間，存在凹槽連接部158、159，總寬度為0.5″，從而在相鄰凹槽段之間提供了一個平滑的過渡。凹槽連接部158的這種結構以及凹槽段150、153、155的厚度與外凹槽段相比減少了是要確保冷卻劑材料流經所有凹槽段并均勻填充它們。
為了提供穿過各個流場板等等的連接，提供了一個連接孔160，寬度為0.25″，圓形端半徑為0.125″，總長度為0.35″。如圖3中所示，選定連接孔160的尺寸，使得明確地截斷凹槽段152、154。因為連接孔160貫穿到端板而且端板具有對應的凹槽形狀，所以在端板、絕緣器和集電板上也會找到這種結構。在圖12和15中會較為詳細地看到這種結構并在下面進行描述。
圖8中顯示了陽極流場板的后密封件分布圖。這包括邊槽162，與前表面上的邊槽相比寬度較寬，為0.200″。在空氣孔136周圍，有凹槽段164，寬度一致也是0.200″。這些連接到第一凹槽連接部166。
對于冷卻劑孔138，凹槽段168在三條邊周圍延伸，寬度也是0.200″。如顯示，孔138在內側是開口的，使得冷卻液能夠流入所示的通道網絡。如顯示，通道網絡要這樣促進冷卻流均勻分布整個流場板的后部。
對于燃料或氫孔140，在三條邊上有凹槽段170。凹槽連接部172連接孔138、140周圍的凹槽段。
用于孔140的最里面的凹槽段174與凹槽段155相比放置的間隔更大。這使得流通道176能夠在凹槽段155下方延伸。然后提供了傳輸狹槽178，使氣體能夠從流場板的一側流向另一側。如圖3中所示，這些狹槽位于流場板的前面，并提供了一個通道網絡使氣流均勻分布整個板的前面。圖8中孔136、138和140周圍的完整矩形孔分別標示為182、184和186。
圖5和6詳細顯示了孔140周圍的流通道，圖6又顯示了流場板陽極和陰極120、130的互補作用。如下面關于圖7-10詳細描述的，陰極流場板在其后面提供了隔開流通道240的突出部分242。這些突出部分242與突出部分212互補，并在其中間夾入一個MEA；同樣通道240與通道176互補。因為突出部分212、242沒有到達孔140的邊緣，所以圖6的視圖顯示了一個板120、130之間的狹槽，引導燃料氣體穿過流通道176、242到狹槽178。
如圖3和4中所示，陽極流場板120另一端的孔137、139和141的結構是類似的。為了簡明扼要，就不重復這些通道的描述。使用相同的引用數(shù)字來表示各種凹槽段、連接部等等，但以后綴“a”來區(qū)分它們，例如圖3中的凹槽部分144a、145a和146a。
現(xiàn)在參看顯示了陰極流場板130結構的圖7到10。首先要提到的是，密封凹槽的排列與陽極流場板120的排列是基本一致的。因為設計要求在兩個流場板之間夾入MEA 124，而且彼此完全相對的來形成密封，所以這是必須的。通常優(yōu)先設計組組件，使得密封件彼此相對，但這不是必須的。也要認識到，陽極和陰極流場板120、130的前面密封路徑(凹槽)是彼此的鏡像，就像它們的后面一樣。因此，也是為了簡明扼要，在圖7到10中使用相同的引用數(shù)字來表示密封通道組件的不同凹槽段，但用撇號來表示它們用于陰極流場板。
對于陰極流場板130，必須提供前表面上的凹槽結構來達到來自氧化劑孔136、137的氧化劑流的均勻分布。在陰極流場板后面提供了狹槽180，提供了用于氧化劑的孔136、137和板前面的網絡通道之間的連接。與陽極流場板的四個相比，這里為每個孔提供了五個狹槽。在這種情況下，按照燃料電池常用的，使用空氣作為氧化劑，因為空氣近80％為氮，所以必須提供更大的氣流以確保供應足夠的氧化劑。
在陰極流場板130的后面，沒有為冷卻水流提供通道，后表面完全是平的。利用不同的深度來補償不同長度的流通道及其中的不同流體。但是，需要為每個組設計優(yōu)化密封件的深度和寬度。
圖9和10類似圖5和6，詳細顯示了連接孔136到狹槽180的流通道。在那里，突出部分222(圖4)和232也在不到孔136的邊緣處停止，因此在圖10中不可見。突出部分222和232彼此鄰接，從而為用于密封件的凹槽網絡的凹槽提供支撐。然后流通道220、233彼此互補，提供了孔136和狹槽180之間的流通道，但同時由MEA保持隔離。現(xiàn)在將參看詳細顯示了陽極和陰極端板的圖11到15。這些端板帶有與流場板的凹槽網絡對應的凹槽網絡。
因此，對于陽極端板102，具有凹槽網絡190，對應于陽極流場板120前面的凹槽網絡。同樣，使用相似的引用數(shù)字來表示在圖11-13和14-15中詳細顯示的陽極和陰極端板102、104的不同凹槽段，但通過后綴“e”來識別。如192處所示，提供了螺紋鉆孔來接受拉桿132。
現(xiàn)在，根據本發(fā)明，提供了連接端口194，如圖13中最佳顯示的。連接端口194包括螺紋外部196，這是以已知方法鉆孔并刻出螺紋的。外部196延伸到直徑較小的短部198，短部198又與連接孔160e相連。但是可以使用任意的液體連接器。
與流場板對應，陽極端板102有兩個連接端口194，連接到連接孔160e和160ae，如圖12和13最佳顯示的。
相對的，圖14和15詳細顯示了陰極端板，圖15與圖12一樣顯示了通到凹槽段的連接。陰極端板內表面上的凹槽分布圖與陽極流場板的凹槽分布圖對應。如下面詳細描述的，使用時，這種排列使得能夠提供密封材料來密封各種密封凹槽和通道。一旦形成密封，接下來就除掉密封材料的供應導管，并插入封閉塞，這種封閉塞在圖5中以200表示。
目前，本發(fā)明的密封可以是傳統(tǒng)的密封墊，或者如美國專利申請____中提出和要求權利的，通過注入液體硅橡膠材料到燃料電池組不同元件之間的各種凹槽中來達到密封。
在使用中，利用適當數(shù)量的燃料電池來裝配燃料電池組100并使用拉桿131夾在一起。那么組就包含上面關于圖5列出的元件，要提到的是，與傳統(tǒng)燃料電池組相比，暫時在所有元件之間都沒有密封。但是存在絕緣材料來防止陽極和陰極板接觸MEA(防止短路)，而且絕緣材料作為MEA的一部分來提供。這種材料既可以是它本身lonomer的一部分，也可以是某些適合的材料(含氟聚合物、聚酯薄膜等等)。另一種選擇是雙極板在這些區(qū)域中是不導電的。
如果檢測到任何泄漏，則最可能是必須要修補燃料電池了。燃料電池組在組中的燃料電池數(shù)量的范圍可以很大。電池的數(shù)量可以從1到一百，或者是可以想到的更多。在可以牢固密封單個電池和/或可以輕易替換密封件的地方，這可以會有好處。燃料電池可以使用一種在共同懸而未決的美國專利申請?zhí)朹_____中提出的適當密封技術來密封。
另外，可以形成具有單個燃料電池或只有幾個燃料電池的燃料電池組，這些可能需要更多的組內連接，但意圖是通過各個單個燃料電池組可靠性的固有魯棒性來大大補償這一點。這個思想可以一直向下應用到單個電池單元(認作是膜電極單元或MEU)，那么這將能夠制造任意長度的組。
優(yōu)選形成該MEU，使得很多這種MEU可以輕松簡易的夾在一起，形成一個具有希望容量的完整燃料電池組。因此，MEU將只具有流場板，流場板的外或后表面要進行改裝，使得與其它MEU的對應表面相匹配，從而提供必要的功能性。典型的，改裝MEU的表面形成一個冷卻燃料電池的冷卻劑室。MEU的一個外表面可以一起預制一個密封件或密封墊。那么另一個表面可以是平面的，或者可以開槽來容納其它MEU上的預制密封件。這個外密封件或密封墊可以在根據美國專利申請?zhí)朹在適當位置注入而形成內密封件的同時形成。為了這個目的，可以用一個半模對著MEU的外表面，然后可以在將密封材料注入MEU自身內部的凹槽網絡的同時，在半模和MEU外表面之間形成的密封件輪廓中注入密封材料。要形成一個完整的燃料電池組件，只有一件事，選擇希望數(shù)量的MEU，在端板之間將MEU和通常的額外末端元件，例如絕緣器、集電器等等，夾在一起。MEU的外表面和預制密封件形成必需的額外腔室，特別是用于冷卻劑的腔室，該腔室將連接到整個組件中的適當端口和通道。這將使得能夠根據標識為MEU的單個基本單元來配置多種燃料電池組。要提到的是，MEU可以只是單個電池，或者可以是很小數(shù)量的燃料電池，例如5個。在完成的燃料電池組中，替換一個不成功的MEU是簡單的。重新組裝只要求確保在相鄰的MEU之間形成適當?shù)拿芊庖约案鱾€MEU之間的密封不會被這個過程破壞。
參看圖3-6，這些圖詳細顯示了根據本發(fā)明的關于陽極流場板的氣流安排。首先要提到的是陽極流場板的前面，通常表示為132，所有的孔136-141與流通道隔離。為了提供氫、燃料氣體的流動，提供了傳輸狹槽178，貫穿到陽極流場板120的后面或背部。如圖3、4、5和6中所示，孔140、141每一個都包括一個在內凹槽段155、155a下方延伸的孔延長部210。前表面上的凹槽網絡142包括密封表面部分上的凹槽部分，它圍繞孔140、141，將它們與包含狹槽178的主有效區(qū)域分隔開。在后面，凹槽部分或密封表面部分圍繞兩個孔140、141以及狹槽178。這些孔延長部每一個都包括突出部分212，突出部分212形成了流通道214，提供了各個孔140、141與傳輸狹槽178之間的連通。
如圖6中最佳顯示的，用于密封件或密封墊的眾多凹槽段174是偏移的，即它們不位于凹槽段155、155a的正對面。這樣做的結果是在后面，狹槽178由流通道176連接到孔140、141；在前表面上，傳輸狹槽178直接通向貫穿前表面的有效區(qū)域的流通道216。
如顯示，在后表面上提供用于冷卻劑，在孔138、139之間延伸的流通道218。
提供突出部分212來確保對板120形成凹槽段155、155a的部分的適當支撐。如下面詳細描述的，在陰極流場板130的后面提供了相應的突出部分242，所有這些突出部分與對應流場板的表面平齊，因此突出部分212、242彼此相鄰，支撐各自的凹槽段。
另外，對于用于空氣或其它氧化劑流動的孔136、137，提供了孔延長部220。與孔140、141對應，孔延長部220在凹槽段150、150a下方延伸，從而提供對它們的支撐。因此板120后表面上的后凹槽段164、164a在內部偏移。與突出部分212對應，提供了突出部分222，如下面詳細描述的，與陰極流場板上的突出部分互補。
現(xiàn)在參看陰極流場板130，詳細的結構一般與陽極流場板120的結構一致。
因此，對于陰極板130的孔136、137，提供了孔延長部230。在陰極流場板的前表面上，所有的孔136-141被封閉，并且為孔136、137提供了內凹槽段231。提供了傳輸狹槽180，將前表面上以236表示的液流通道連接到后表面。在后表面上，孔延長部230包括形成流通道233的突出部分232，提供了孔136、137和傳輸狹槽180之間的連通，并支撐凹槽段231。
與關于陽極板的一樣，凹槽段234、234a相對于凹槽段231、231a偏移。
突出部分232、232a與陽極流場板的突出部分222、222a互補，用于支撐膜。這提供了兩個功能。首先如提到的，它提供了對每個凹槽段231的支撐。
在后面提供了流通道238，與端口138、139連通，也是為了冷卻的目的。流通道可以為了冷卻劑的有效流動，與陽極流場板后面的流通道互補，或者可以只是從沒有明確規(guī)定的通道開始。
如圖8顯示，也是為了互補陽極流場板120，為陰極流場板130的孔140、141提供了包括突出部分242、242a的孔延長部240、240a。這些突出部分與突出部分212、212a互補。以類似的方式，這種安排提供了對陽極流場板的支撐。
現(xiàn)在轉到圖11和14，這些圖顯示了陽極和陰極端板102、104的后視圖。如顯示，為這些端板提供了密封裝置，標示為圖11上的凹槽網絡190和圖14上的190′。
如顯示，在每個端板102、104上，端口106、107和111通向腔室，裝配了標示為240的延長部。這些延長部240對應于陽極和陰極流場板120、130上的孔延長部210、220、230、240。端口108、109通向提供了用于冷卻劑的流通道的主腔室，也是分別具有對應于陽極和陰極流場板120、130后面上流形狀的形狀。
雖然相應于質子交換膜(PEM)燃料電池描述了本發(fā)明，但是要認識到，本發(fā)明通用于任何類型的燃料電池。因此，本發(fā)明可以應用于使用堿性電解質的燃料電池；使用磷酸電解質的燃料電池；高溫燃料電池，例如使用類似于質子交換膜但適于工作在200℃左右的膜的燃料電池；電解再生燃料電池。
權利要求
1.一種用于燃料電池的流場板，流場板有一個前面，該前面與互補流場板為膜電極組件形成了一個腔室，和一個后面，該流場板包括至少兩個孔，用于反應氣體供應給所述腔室；在其前面，反應氣體流場通道；對于每個孔，在流場板后面上延伸的孔延長部；對于每個孔，至少一個狹槽，從流場板的背面到前面貫穿流場板，提供對應孔延長部和反應氣體流通道之間的連通。
2.一種如權利要求1中要求的流場板，包括前面和后面的密封表面，用于形成一個帶有燃料電池相鄰元件的密封件，其中流場板前面的密封表面包括，關于每個孔的第一密封表面部分，圍繞對應的孔并將至少一個狹槽與對應的孔隔離開，以及在其后面的第二密封表面部分，一起圍繞所述至少一個狹槽和孔。
3.一種如權利要求2中要求的流場板，對于每個孔，包括多個狹槽。
4.一種如權利要求3中要求的流場板，其中每個孔延長部包括多個突出部分，形成了從孔延伸到狹槽的流通道。
5.一種如權利要求3中要求的流場板，其中包括至少兩個用于第二反應氣體的第二孔；在其前面，關于每個第二孔的第二孔延長部和在第二孔延長部中提供的多個第二突出部分，用于鄰接第二流場板用于第二反應氣體的突出部分。
6.一種如權利要求5中要求的流場板，包括，在其后面，關于每個第二孔的、圍繞對應第二孔的后密封部分，以及在其前面，圍繞對應的第二孔及相關的第二孔延長部的第二、前密封部分，其中第二前和后密封部分包括彼此偏移的密封表面段。
7.一種如權利要求6中要求的流場板，其中每個密封表面部分包括一個用于容納密封件的凹槽。
8.一種如權利要求6或7中要求的流場板，包括至少兩個用于冷卻劑流的第三孔；在其后面，在用于冷卻劑流的第三孔之間提供流通路的流通道；以及在其前面，圍繞第三孔的密封部分。
9.一種燃料電池組件，包括至少一個燃料電池，其中每個燃料電池包括第一和第二互補流場板，包括一個前面和一個后面，前表面彼此相對，形成了一個燃料電池腔室；在燃料電池腔室內提供的一個膜電極組件和氣體擴散介質；每個流場板中至少兩個用于第一反應氣體的第一孔和每個流場板中至少兩個用于第二反應氣體的第二孔；其中第一流場板包括在其前面的第一反應氣體流通道；從第一反應氣體流通道延伸到其后面的第一狹槽；在其后面，關于其每個第一孔的第一孔延長部，提供了其第一孔和第一狹槽之間的連通；以及其中第二流場板包括在其前面的第二反應氣體流通道；從第二反應氣體流通道延伸到其后面的第二狹槽；在其后面，關于其每個第二孔的第二孔延長部，提供了其第二孔和第二狹槽之間的連通。
全文摘要
一種用于燃料電池的流場板，在其前面有用于反應氣體的流通道和從其前面延伸到后面的至少兩個狹槽。在后面提供了至少兩個用于反應氣體的孔，并且有一個孔延長部，提供了一個從每個孔到各自狹槽的流通路。這使密封表面能夠在兩個面上偏移，以便被完全支撐。這種安排避免了必須提供穿過流通道的密封件或密封墊并確保完全支撐每個密封墊的所有部分。
文檔編號H01M8/02GK1547785SQ02814222
公開日2004年11月17日 申請日期2002年3月28日 優(yōu)先權日2001年5月15日
發(fā)明者D·弗蘭克, D 弗蘭克, J·卡格內里, 衲誒 申請人:潔能氏公司