專利名稱：用于燃料電池堆的集成擋板的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
0001本發(fā)明涉及燃料電池，更具體而言，涉及阻止燃料電池
中的反應物旁繞流的輔助襯墊。
l品,
背景技術(shù)：
0002作為一種清潔、有效并且環(huán)保的能源，燃料電池已經(jīng)被 推薦用于各種應用中。單個燃料電池能夠被串聯(lián)地堆在一起以形成燃
料電池堆。燃料電池堆能夠供應足以為電動車輛提供動力的電量。特別 是， 替代'
0003
一種類型的燃料電池堆被稱為質(zhì)子交換膜(PEM)燃料電 池堆。典型的PEM燃料電池包括三個基本部件陰極、陽極和電解質(zhì)膜。
池反應容易發(fā)生。電解質(zhì)膜k在陰極和陽極之間。多孔擴散介質(zhì)，'例如 碳紙等等，通常布置成相鄰于陽極和陰極并使反應物例如氫氣或空氣容 易輸送和分配到陽極和陰極。
0004供應給燃料電池的氫氣在有陽極的情況下發(fā)生電化學反應 以產(chǎn)生電子和質(zhì)子。質(zhì)子通過電解質(zhì)膜到達陰極，在此處來自空氣中的 氧發(fā)生電化學反應以產(chǎn)生氧陰離子。氧陰離子與質(zhì)子反應以形成水作為 反應產(chǎn)物。電子通過布置在陽極和陰極之間的電路由陽極傳導到陰極。 該電路允許燃料電池堆被用作電源。
0005電解質(zhì)膜、電極和擴散介質(zhì)布置在一對燃料電池板之間并 用例如輔助襯墊來密封。輔助襯墊通常具有形成在其上的細長的凸肩密 封件(bead seal)，該凸肩密封件為燃料電池提供基本上不透流體的密封。 每個燃料電池板都具有活性區(qū)域(active region)，氣態(tài)反應物被輸送到 活性區(qū)域以分配到電極。燃料電池板也包括填料區(qū)域(feed region),填 料區(qū)域被配置為從供應源向活性區(qū)域輸送氣態(tài)反應物。
0006在已知的燃料電池堆中，擴散介質(zhì)和輔助襯墊的密封件隔 開以適應制造公差并避免擴散介質(zhì)與密封件交迭。已經(jīng)公知的是，擴散介質(zhì)與密封件的交迭會導致不希望有的氣態(tài)反應物的泄漏。但是，隔開 的擴散介質(zhì)與密封件形成了間隙，間隙允許一些反應物繞過燃料電池板 的活性區(qū)域，這種現(xiàn)象被稱為"反應物旁繞流"。反應物旁繞流^f艮浪費，
區(qū)域處。反應物旁繞流也可對燃料電池堆的耐久性、可靠性和性能產(chǎn)生 不希望有的影響，尤其是在可能發(fā)生反應物不足的低化學計量比的情況 下。
0007對于能阻礙燃料電池堆中的浪費的反應物旁繞流的輔助襯 墊有持續(xù)的需求。期望的是，輔助襯墊能使更高百分比的反應物流到燃 料電池堆的活性區(qū)域，并在反應物的低化學計量比的情況下，優(yōu)化燃料 電池堆的耐久性、可靠性和性能。

發(fā)明內(nèi)容
0008依照本發(fā)明，令人驚訝地公開了一種輔助襯墊，它能阻 礙燃料電池堆中浪費的反應物旁繞流、使更高百分比的反應物流到燃 料電池堆的活性區(qū)域、并在低的反應物化學計量比情況下優(yōu)化燃料電 池堆的耐久性、可靠性和性能。
0009在一個實施例中，用于燃料電池的輔助襯墊包括阻擋層， 阻擋層具有形成于其上的細長主密封件。該密封件具有至少一個向內(nèi) 延伸的擋板。擋板適合于阻礙燃料電池中的反應物旁繞流。
0010在另一個實施例中，燃料電池包括一對燃料電池板，燃 料電池板限定燃料電池的活性區(qū)域和填料區(qū)域。電解質(zhì)膜布置在這對 燃料電池板之間，與活性區(qū)域相鄰。電解質(zhì)膜夾在陽極和陰極之間。 一對氣體擴散介質(zhì)布置在電解質(zhì)膜和燃料電池板之間。輔助襯墊布置 在這對燃料電池板之間并與燃料電池的填料區(qū)域相鄰。輔助襯墊阻礙 輔助襯墊的密封件和氣體擴散介質(zhì)之間的反應物旁繞流。
0011在進一步的實施例中，燃料電池堆包括多個布置成堆的 燃料電池，并具有輔助襯墊，輔助村墊具有細長主密封件和至少一個 向內(nèi)延伸的擋板。


0012從下文的具體實施方式
，特別是根據(jù)下文所描述的附圖來考慮時，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將更加清楚本發(fā)明的上述優(yōu)點和其他優(yōu) 點。
0013圖l示出了根據(jù)本發(fā)明的說明性的燃料電池堆的示意性透 視分解圖，僅示出了兩個電池；
0014圖2為示于圖1中的輔助襯墊的局部透視圖，示出了具有 擋板的輔助襯墊密封件；
0015圖3為示于圖1的一個燃料電池的側(cè)視剖面圖，示出了根 據(jù)本發(fā)明的一個實施例的具有傾斜擋板的輔助襯墊密封件；
0016圖4為示于圖1的輔助襯墊局部俯視圖，示出了根據(jù)本發(fā) 明的另 一個實施例的多個擋板；
0017圖5為示于圖1的輔助襯墊的局部透視圖，進一步示出了 根據(jù)本發(fā)明的實施例的裝有擴散介質(zhì)和電解質(zhì)膜的輔助襯墊；
0018圖6為示于圖5的輔助村墊的俯視0019圖7為示于圖1的輔助襯墊的局部透視圖，進一步示出了 根據(jù)本發(fā)明另一個實施例的裝有擴散介質(zhì)和電解質(zhì)膜的輔助襯墊；
0020圖8為示于圖7的輔助襯墊的側(cè)視剖面圖，輔助襯墊進一 步裝有一對燃料電池板，并且在燃料電池的陽極側(cè)具有擋板；以及
0021圖9為示于圖7的輔助襯墊的側(cè)視剖面圖，輔助襯墊進一 步裝有一對燃料電池板，并且在燃料電池的陰極側(cè)具有擋板。
具體實施例方式
0022下文的描述實質(zhì)上僅為示例性的，并不旨在限制本發(fā)明、 應用或使用。應該理解，在各附圖中，相應的標號表示相似的或相應 的零件或特征。
0023圖1描述了根據(jù)本發(fā)明的示例性的燃料電池堆2。為了說 明的目的，僅示出了兩個燃料電池4，可以理解，典型的燃料電池堆2 可具有更多的燃料電池4。燃料電池4通常在一對夾板(未示出)和一 對單極端板(未示出)之間堆疊在一起。每個燃料電池4都具有填料區(qū) 域6，填料區(qū)域6被配置成向或從燃料電池4的活性區(qū)域8傳輸氣態(tài)反應 物。發(fā)生在燃料電池4的活性區(qū)域8的電化學反應會使燃料電池堆2產(chǎn)生 電能。
0024每個燃料電池4包括一對第一和第二燃料電池板10、 12。第一和第二板IO、 12可為單極板或雙極板，例如，具有形成于其上的 多個流動通道和多個臺區(qū)(land)。第一和第二燃料電池板IO、 12限定 燃料電池4的填料區(qū)域6和活性區(qū)域8。例如，流動通道被配置為將氣態(tài) 反應物輸送給燃料電池4的活性區(qū)域8。當裝配板IO、 12以形成燃料電 池4時，活性區(qū)域8布置在第一和第二板10、 12之間，與流動通道相鄰。 相似地，應該理解，當裝配燃料電池4時，填料區(qū)域6布置在笫一和第 二板IO、 12之間并與活性區(qū)域8相鄰。
0025燃料電池4包括電解質(zhì)膜14、陽極16和陰極18。陽極16布 置在電解質(zhì)膜14的第一側(cè)，陰極18布置在電解質(zhì)膜14的第二側(cè)。陽極 16和陰極18將電解質(zhì)膜夾在中間以形成膜電極組件(MEA)。電解質(zhì) 膜14進一步布置在一對氣體擴散介質(zhì)20之間。MEA可如所希望的形成 為涂敷有催化劑的膜(CCM)或涂敷有催化劑的擴散介質(zhì)(CCDM)。邊緣。
0026燃料電池堆2包括歧管，歧管由燃料電池板IO、 12的相應 歧管孔22對齊而形成。歧管與氣態(tài)反應物源例如空氣壓縮機或氫儲存 箱流體連通。如所希望的，歧管被配置為將氣態(tài)反應物輸送到燃料電 池堆2。例如，第一燃料電池板10具有形成于其中的多個口24。至少一 個口24與歧管流體連通。應該理解，口24可包括以下兩者之一被配 置成將氣態(tài)反應物輸送到燃料電池4的活性區(qū)域8的入口 ，以及被配置 成從活性區(qū)域8去除氣態(tài)反應物的出口 。
0027燃料電池4包括輔助襯墊26,輔助襯墊26布置在第一和第 二燃料電池板IO、 12之間。輔助村墊26可如所希望的被單獨使用或與 聚合襯墊(未示出)聯(lián)合使用，為燃料電池4提供基本上不透流體的密 封。輔助襯墊26通常布置在燃料電池4的填料區(qū)域6中。輔助襯墊26包 括阻擋層28，阻擋層28阻礙了供給燃料電池4的不同氣態(tài)反應物的混 合。在某些實施例中，阻擋層28由基本上惰性的聚合材料形成并被連 接到電解質(zhì)膜H。作為非限制性實例，阻擋層28可用粘合劑連接到電 解質(zhì)膜14上。也可以使用其他用于連接阻擋層28和電解質(zhì)膜14的合適 的方法。在其他實施例中，阻擋層28由與電解質(zhì)膜14相同的材料形成 并具有層狀結(jié)構(gòu)。例如， 一部分電解質(zhì)膜14可延伸進填料區(qū)域6中并用 基本上惰性的材料涂敷或分成薄片以阻礙任何不希望有的與第一和第二燃料電池板IO、 12的相互作用。不希望有的相互作用可包括第一和 第二燃料電池板IO、 12的腐蝕和電解質(zhì)膜14的老化。也可以使用其他 用于形成阻擋層28的合適方法。
0028輔助襯墊26包括形成在阻擋層28上的細長主密封件30。 例如，主密封件30可為布置在阻擋層28上的細長凸肩(bead)。在其他實 施例中，主密封件30與阻擋層28整體形成。主密封件30通常圍繞燃料 電池4的填料區(qū)域6和活性區(qū)域8，并且阻礙所不希望發(fā)生的、氣態(tài)反應 物從燃料電池4中的泄漏。輔助襯墊26的主密封件30可被布置成與歧管 相鄰并進一步阻礙不希望發(fā)生的、氣體反應物向燃料電池4中的泄漏。 應該理解，當燃料電池全部裝配好時，間隙(示于圖3)存在于主密封 件30和氣體擴散介質(zhì)20之間。在形成燃料電池4時，該間隙通常被用于 使第一和第二燃料電池板IO、 12的基本上不透流體的密封更容易。但 是，如果不是這樣，間隙則起旁繞區(qū)域的作用，促進燃料電池4中不希 望有的、來自第一和第二燃料電池板IO、 12的口24并環(huán)繞活性區(qū)域8的 反應物旁繞流。
0029如在圖2所示，本發(fā)明的輔助襯墊26包括至少一個向內(nèi)延 伸的擋板32,擋板32適合于阻礙燃料電池4中的反應物旁繞流。例如， 擋板32從主密封件30并朝著燃料電池4的活性區(qū)域8橫向向內(nèi)延伸。一 對擋板32示于圖2,擋板具有基本上T-形的橫截面并且布置在阻擋層28 的第一側(cè)和第二側(cè)。在另一個實施例中，擋板32為具有基本上矩形的 橫截面的翼片(fin)。應該理解，擋板32可具有任何適合于通過減小 主密封件30和氣體擴散介質(zhì)20之間的間隙來阻礙反應物旁繞流的橫截 面形狀。
0030參考圖3，擋板32可相對于主密封件30傾斜?？墒褂脫醢?32的斜面來減小在燃料電池4的陽極側(cè)或者陰極側(cè)的間隙33的體積。例 如，擋板32可具有支柱34，支柱34將擋板32傾斜到所期望的角度。擋 板32也可由于主密封件30的不對稱而被傾斜或偏置到燃料電池4的任 何一側(cè)，例如當主密封件30為具有第一凸肩和第二凸肩的雙凸肩密封 件(double bead sealing )且笫一凸肩高于第二凸肩時。在一個特定的 實施例中，主密封件30為不對稱的并且僅在燃料電池4的陰極側(cè)具有擋 板32,擋板32被進一步偏置到燃料電池4的陰極側(cè)并且阻礙主要在陰極 側(cè)的反應物旁繞流。熟練的技術(shù)人員應該理解，可以使用其他合適的方法來將擋板32相對于主密封件30傾斜或偏置。
0031輔助襯墊26可包括多個擋板32。多個擋板32中的每一個 沿著主密封件30非連續(xù)地布置成隔開放置。應該理解，布置成隔開放 置的多個擋板32不會顯著增加用于燃料電池4的所需壓縮負載，而這種 情況例如在擋板32沿著主密封件30大致連續(xù)地布置在間隙33中時則會 發(fā)生。
0032多個擋板32可如所希望的被布置在阻擋層28的第一側(cè)和 阻擋層28的第二側(cè)中的至少一個上。在特定的實施例中，擋板32的第 一部分可被布置在阻擋層28的笫一側(cè)。擋板32的笫二部分可被布置在 阻擋層28的第二側(cè)。擋板32的第一和笫二部分布置成越過阻擋層28成 彼此錯開的關(guān)系。由于被布置成相對的并且錯開的關(guān)系，可以理解， 布置有擋板32的阻擋層28在裝配燃料電池4時會被傾斜(deflect)，這 進一步減小了與擋板32相對的間隙33的體積。從而，布置成相對的并 且錯開的關(guān)系的擋板32可進一步阻礙燃料電池4中的反應物旁繞流。
0033在圖4所示的一個實施例中， 一個擋板32比另一個擋板32 向內(nèi)延伸得更遠。例如，多個擋板32可被布置成長度順次增加。如在 圖5和圖6中最佳示出的，擋板32的一部分可向內(nèi)延伸到足以使得擋板 32與氣體擴散介質(zhì)20接觸的長度。在特定的實施例中，至少一個擋板 32向內(nèi)延伸以鄰接氣體擴散介質(zhì)20而基本上不傾斜(deflecting)。在 其他的實施例中，與氣體擴散介質(zhì)20接觸的擋板32為可折疊的 (collapsible)并可為相對氣體擴散介質(zhì)20而起皺、翹曲、彎曲和折疊中 的至少一個。擋板32可具有在傳統(tǒng)的燃料電池4組件壓力下賦予擋板32 柔性并允許其向著氣體擴散介質(zhì)20彎曲的厚度。擋板32與氣體擴散介 質(zhì)20的接觸提供了阻礙反應物旁繞流的障礙.
0034在特定的實施例中，擋板32的朝氣體擴散介質(zhì)20向內(nèi)延 伸并且不與氣體擴散介質(zhì)20接觸的那部分導致反應物旁繞流取道曲折 的路徑，例如，蛇線路徑。擋板32的不與氣體擴散介質(zhì)20接觸的那部 分也減少了間隙33可供反應物旁繞流流過的體積。因此，應該理解， 不與氣體擴散介質(zhì)20接觸的擋板32的那部分也阻礙了反應物旁繞流。
0035在示于圖7到9的進一步實施例中，燃料電池4的氣體擴散 介質(zhì)20可具有形成于其中的槽口36。槽口36接收擋板32。應該理解， 當裝配擋板以形成燃料電池4時，氣體擴散介質(zhì)20可包括適合于接收多個擋板32的多個槽口 36?？筛鶕?jù)需要選擇合適的槽口 36的尺寸以例如 基本上匹配擋板32的橫截面形狀。如在圖8和圖9所示，擋板32可布置 在阻擋層28的第一側(cè)例如陽極側(cè)和阻擋層28的第二側(cè)例如陰極側(cè)中的 至少一個上。應該理解，槽口36允許擋板32阻礙反應物旁繞流，也允 許阻礙如果擋板32與氣體擴散介質(zhì)20的邊緣接觸所導致的不希望有的 擋板32的隆起。槽口36也阻礙由氣體擴散介質(zhì)20與擋板32接觸而在氣 體擴散介質(zhì)20上產(chǎn)生的不希望有的壓力。
0036令人驚訝地發(fā)現(xiàn)，擋板32的使用使得更高百分比的提供 給燃料電池4的氣態(tài)反應物到達活性區(qū)域8。從而阻礙了浪費的且效率 低下的反應物旁繞流。所提高的活性區(qū)域8中的氣態(tài)反應物的利用率優(yōu) 化了燃料電池4的長期耐久性、可靠性和性能。特別的，在否則可發(fā)生 反應物不足的低化學計量比的情況下，所提高的氣態(tài)反應物的利用率 阻礙了燃料電池4不希望有的老化，例如電極16、 18的碳腐蝕。在低的 陽極和陰極化學計量比情況下，由于使用本發(fā)明的擋板32而提高了氣 態(tài)反應物的利用率，因此燃料電池4的電壓降被進一步阻礙。
0037盡管出于闡述本發(fā)明的目的而示出了某些代表性的實施 例和細節(jié)，但對本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，可做出各種變化而不偏離本 發(fā)明的范圍是顯而易見的，在下文所附的權(quán)利要求中將進一步描述本 發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于燃料電池的輔助襯墊，包括阻擋層，具有形成于其上的細長主密封件，該密封件具有至少一個向內(nèi)延伸的擋板，擋板適合于阻礙燃料電池中的反應物旁繞流。
2. 權(quán)利要求1的輔助襯墊，其中擋板從主密封件橫向向內(nèi)延伸。
3. 權(quán)利要求1的輔助襯墊，其中主密封件為布置在阻擋層上的大致 細長的凸肩。
4. 權(quán)利要求1的輔助襯墊，其中擋板與主密封件整體成形。
5. 權(quán)利要求1的輔助襯墊，其中阻擋層和擋板中的至少一個相對于主 密封件傾斜。
6. 權(quán)利要求1的輔助襯墊，其中擋板具有適合于將擋板傾斜到所期望 的角度的支柱。
7. 權(quán)利要求1的輔助村墊，其中所述的至少一個擋板包括多個擋板。
8. 權(quán)利要求7的輔助襯墊，其中擋板之一比另一個擋板向內(nèi)延伸得更遠。
9. 權(quán)利要求7的輔助襯墊，其中擋板布置在阻擋層的笫一側(cè)和第二側(cè) 之一上。
10. 權(quán)利要求7的輔助襯墊，其中擋板的第一部分布置在阻擋層的第 一側(cè)，擋板的第二部分布置在阻擋層的笫二側(cè)。
11. 權(quán)利要求10的輔助襯墊，其中擋板的笫一部分相對于擋板的第二 部分錯開。
12. 權(quán)利要求1的輔助襯墊，其中主密封件為不對稱的并且適合于將 阻擋層偏置到所期望的方向上。
13. 權(quán)利要求12的輔助襯墊，其中不對稱的主密封件為具有第一凸肩 和第二凸肩且第一凸肩高于第二凸肩的雙凸肩密封件。
14. 一種燃料電池，包括一對燃料電池板，限定燃料電池的活性區(qū)域和填料區(qū)域； 電解質(zhì)膜，布置在該對燃料電池板之間，與活性區(qū)域相鄰，電解質(zhì) 膜夾在陽極和陰極之間；一對氣體擴散介質(zhì)，布置在電解質(zhì)膜和燃料電池板之間；以及輔助襯墊，布置在該對燃料電池板之間并且與填料區(qū)域相鄰，輔助 襯墊包括阻擋層，阻擋層具有形成于其上的細長主密封件，該密封件具有至少一個向內(nèi)延伸的擋板，擋板適合于阻礙該密封件和氣體擴散 介質(zhì)之間的反應物旁繞流。
15. 權(quán)利要求14的燃料電池，其中阻擋層與電解質(zhì)膜連接。
16. 權(quán)利要求14的燃料電池，其中擋板與氣體擴散介質(zhì)接觸。
17. 權(quán)利要求16的燃料電池，其中擋板為被起皺、翹曲、彎曲和折疊 中的至少一種。
18. 權(quán)利要求14的燃料電池，其中阻擋層朝著電解質(zhì)膜的陽極側(cè)和陰 極側(cè)之一傾斜。
19. 權(quán)利要求14的燃料電池，其中氣體擴散介質(zhì)包括形成于其中的接 收擋板的槽口。
20. —種燃料電池堆，包括多個布置成堆的燃料電池，至少一個所述的燃料電池進一步包括 一對燃料電池板，限定燃料電池的活性區(qū)域和填料區(qū)域； 電解質(zhì)膜，布置在該對燃料電池板之間，與活性區(qū)域相鄰， 電解質(zhì)膜夾在陽極和陰極之間；一對氣體擴散介質(zhì)，布置在電解質(zhì)膜和燃料電池板之間；以及輔助村墊，布置在該對燃料電池板之間并與填料區(qū)域相鄰， 輔助襯墊包括阻擋層，阻擋層具有形成于其上的細長主密封件， 該密封件具有至少一個向內(nèi)延伸的擋板，擋板適合于阻礙該密封 件和氣體擴散介質(zhì)之間的反應物旁繞流。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于燃料電池堆的集成擋板。提供了用于燃料電池的輔助襯墊。輔助襯墊包括阻擋層，阻擋層具有形成于其上的細長主密封件。該密封件具有至少一個向內(nèi)延伸的擋板，擋板適合于阻礙燃料電池中的反應物旁繞流。也提供了具有輔助襯墊的燃料電池和燃料電池堆。
文檔編號H01M8/24GK101567457SQ20091013513
公開日2009年10月28日 申請日期2009年4月22日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月22日
發(fā)明者D·P·米勒, E·J·康諾爾, J·A·羅克, S·維亞斯 申請人:通用汽車環(huán)球科技運作公司