专利名称：模制的多部件流场结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于在燃料电池组件中使用的流场结构。更为具体地是，本发明涉及一种模制多部件流场结构，它优选地具有单极性或单极构造，应当理解的是也可以考虑双极构造。根据一个实施例，流场结构包括模制流场板，该模制流场板由包括第一聚合物的导电材料制成。有模制框架设置在该流场板周围，并且其由包括第二聚合物的非导电材料制成。在模制框架中形成有若干岐管，并且有模制垫圈装置设置在该歧管的周边附近。
根据另一实施例，用于在燃料电池组件中使用的流场结构包括模制流场板和模制框架，该模制流场板由包括第一聚合物的导电材料制成，该模制框架被设置在流场板周围，并由包括第二聚合物的非导电材料制成。有模制联接装置从该模制框架延伸出来。该模制联接装置被构造成将单极流场结构与其它单极流场结构联接起来，以限定出单极流场结构的连续辐材。
根据又一实施例，一种形成用于在燃料电池组件中使用的流场结构的方法，包括以下步骤用包括第一聚合物的导电材料模制流场板和流场板中的歧管。用包括第二聚合物的非导电材料将框架模制在流场板周围。将垫圈装置模制在歧管的周边附近。
根据另一实施例，一种形成在用于燃料电池组件中使用的流场结构的方法，包括以下步骤用包括第一聚合物的导电材料模制流场板，并用包括第二聚合物的非导电材料模制流场板周围的框架。该方法还包括以下步骤模制出单极流场结构和其它单极流场结构之间的联接装置，以限定出单极流场结构的连续辐材。
本发明的上述概述并不期望描述本发明的每个实施例或每种实现方式。通过结合附图参照下面的详细描述和权利要求书，本发明的优点和收获与更加完整的理解将变得明显和清楚。
附图1A是燃料电池及其组成层的图示； 附图1B说明了具有本发明的实施例所述的单极构造的成套燃料电池； 附图1C说明了具有本发明的实施例所述的单极/双极构造的成套燃料电池； 附图2说明了本发明的实施例所述的模制单级流场结构的两个侧面，这两个侧面为流场侧和冷却侧； 附图3说明了本发明的实施例所述的模制流场结构的流场侧的各种特征； 附图4是沿着附图3中A-A剖面所示的流场结构的各个特征的分解视图； 附图5和6说明了两种结合构造，该结合构造提供本发明的实施例所述的流场板和框架之间的互锁接合； 附图7和8说明了密封垫圈的实施例，该密封垫圈被模制在本发明的实施例所述的流场结构的框架上； 附图9A和9B说明了微结构密封垫圈的实施例，该密封垫圈被模制在本发明的实施例所述的流场结构的框架上； 附图10A说明了模制联接装置的实施例，该模制联接装置设置在本发明的实施例所述的相邻流场结构之间； 附图10B说明了本发明的实施例所述的附图10A中所示的模制联接装置的特征； 附图11说明了模制联接装置的另一实施例，该模制联接装置设置在本发明的实施例所述的相邻流场结构之间； 附图12说明了模制联接装置的又一实施例，该模制联接装置设置在本发明的实施例所述的相邻流场结构之间； 附图13A和13B说明了模制联接装置的再一实施例，该模制联接装置设置在本发明的实施例所述的相邻流场结构之间； 附图14A和14B说明了模制联接装置的又一实施例，该模制联接装置设置在本发明的实施例所述的相邻流场结构之间； 附图15和16A-16B说明了用于模制本发明的实施例所述的流场结构的模制设备； 附图17说明了用于模制出流场结构和用于封装本发明的实施例所述的成套燃料电池组件的模制设备；及 附图18-21说明了燃料电池系统，采用本发明的模制多部件流场结构的一个或多个燃料电池堆可以在该燃料电池系统中应用。
尽管本发明适用于各种修改和备选形式，但是其特点已经利用附图中的例子示出并将进行详细描述。然而，应当理解的是，不希望将本发明局限于所述的特定实施例。相反，希望覆盖落入由所附权利要求所限定的本发明的范围内的所有修改、等同物和替换物。
具体实施例方式 在所述实施例的下述描述中，对附图进行参照，附图形成了本发明的一部分，并且其中利用说明进行了示出，本发明可以用各实施例实现。应当理解的是，在不脱离本发明的范围的情况下，可以利用各实施例，并且可以作出结构改变。
本发明的模制多部件流场结构可以合并到各种类型、构造和技术的燃料电池组件中。模制多部件流场结构优选地具有单极性或单极构造。本发明的单极流场结构可以使用一个或多个其它单极流场结构，来构造各种构造的燃料电池组件。本发明的单极流场结构也可以使用一个或多个双极流场结构，来构造各种构造的燃料电池组件。尽管这里在单极构造的范围内基本描述了本发明的模制多部件流场结构，但是应当理解的是，根据本发明的原理也可以构造双极流场结构。因此，出于说明而不是限制的目的，在下面描述了合并有单极、双极及单级和双极流场结构的燃料电池组件的各实施例。
附图1A中描述了一种典型的燃料电池。燃料电池是将氢燃料和空气中的氧组合，以产生电能、热量和水的电化学装置。燃料电池不利用燃烧，这样，即便燃料电池产生任何有毒排放物的话，也非常少。燃料电池将氢燃料和氧直接转化成电能，并可以以比例如内燃发电机更高的效率工作。
附图1A中所示的燃料电池10包括与阳极14相邻的第一流体输送层(FTL)12。该FTL也可以称为气体扩散层(GDL)或扩散/电流收集器(DCC)。与阳极14相邻的是电解质膜16。阴极18位于电解质膜16附近，并且第二流体输送层19位于阴极18附近。在工作中，氢燃料通过第一流体输送层12，并经过阳极14导入到燃料电池10的阳极部分中。在阳极14处，氢燃料被分离成氢离子(H+)和电子(e-)。
电解质膜16只允许氢离子或质子通过电解质膜16到达燃料电池10的阴极部分。电子无法通过电解质膜16，而是以电流的形式流过外部电路。该电流能够驱动如电机之类的电负载17，或导向如可充电电池之类的能量储存装置。
氧经过第二流体输送层19流入燃料电池10的阴极侧。随着氧通过阴极18，氧、质子和电子组合产生水和热量。
如附图1A中所示的单个燃料电池可以封装成成套燃料电池组件。此处称为成套电池组件(UCAs)的成套燃料电池组件可以与数个其它的UCAs组合，形成燃料电池堆。UCA可以在决定堆的总电压的堆中与数个UCA以串联方式电连接，并且每个电池的实际表面面积决定了总电流。通过将总堆电压与总电流相乘，可以决定出给定燃料电池堆所产生的总电功率。
数种不同燃料电池技术可以用于构造本发明的原理所述的UCA。例如本发明的UCA封装工艺可以用于构造质子交换膜(PEM)燃料电池组件。PEM燃料电池在较低的温度下工作(大约175/80℃)，具有较高的能量密度，能够快速改变它们的输出以满足需要功率的变化，并能良好地适用于需要快速启动的应用，例如汽车中。
PEM燃料电池中所使用的质子交换膜通常是允许氢离子通过的薄塑料片。该质子交换膜通常在其两侧上涂覆有作为活性催化剂的高分散金属颗粒或金属合金颗粒(例如，铂或铂/钌)。所用的电解质通常是固体含氟磺酸聚合物。由于减少了腐蚀和管理问题，所以固体电解质的使用是有利的。
氢被送到燃料电池的阳极侧，催化剂在该阳极侧处促使氢原子释放电子并变为氢离子(质子)。电子以电流的形式移动，该电流在返回已经导入氧的燃料电池的阴极侧之前可以使用。同时，质子通过交换膜扩散到阴极，氢离子在阴极处重新组合并与氧反应，产生水。
膜电极组件(MEA)为如氢燃料电池之类的PEM燃料电池的中心元件。如上所述，典型的MEA包括聚合物电解质膜(PEM)(也已知为离子导电膜(ICM))，它起到固体电解质的作用。
PEM的一个表面与阳极电极层接触，且相对表面与阴极电极层接触。每个电极层都包括通常含有铂金属的电化学催化剂。流体输送层(FTL)帮助与阳极和阴极电极材料之间的气体输送，并传导电流。
在典型的PEM燃料电池中，质子经过氢的氧化形成在阳极处，并输送到阴极处与氧反应，允许电流在连接电极的外部电路中流动。在制造期间，可以将阳极和阴极电极层涂敷到PEM或用于FTL上，只要它们在完成的MEA中沉积在PEM和FTL之间即可。
任何合适的PEM都可以在本发明的实践中使用。PEM通常具有小于50μm、更为通常的是小于40μm、更为通常的是小于30μm、最通常的是大约25μm的厚度。PEM通常包括聚合物电解质，该电解质为酸功能含氟聚合物，如Nafion(美国特拉华州威尔明顿的DuPontChemicals公司)和Flemion(日本东京的Asahi Glass有限公司)。在本发明中有用的聚合物电解质通常是四氟乙烯和一个或多个氟化酸功能共聚单体的共聚物。
通常，聚合电解质带有磺化官能团。最为典型地，聚合电解质为Nafion。聚合电解质通常具有1200或更小的酸等效分子量，更为典型地是1100，最为典型地是大约1000。
任何合适的FTL都可以在本发明的实践中使用。典型地，FTL包括含有碳纤维的片材。FTL通常是从纺织和无纺碳纤维构造中选出的碳纤维构造。可以在本发明的实践中使用的碳纤维构造包括TorayCarbon Paper、SpectraCarb Carbon Paper、AFN无纺碳布、Zoltek碳布等。FTL可以用各种材料涂覆或浸润，包括碳颗粒涂层，亲水处理和疏水处理，如用聚四氟乙烯(PTFE)涂覆。
任何合适的催化剂都可以在本发明的实践中使用。通常使用碳支撑的催化剂颗粒。典型的碳支撑催化剂颗粒为50-90％重量的碳和10-50％重量的催化剂金属，该催化剂金属通常包括用于阴极的Pt，和用于阳极的重量比为2∶1的Pt和Ru。催化剂通常以催化剂墨水的形式涂覆到PEM或FTL上。催化剂墨水通常包括聚合物电解质材料，它可以是或可以不是包括PEM的同样聚合物催化剂材料。
催化剂墨水通常包括在聚合物电解质的分散体中的催化剂颗粒分散体。该墨水通常含有5-30％的固体(即聚合物和催化剂)，且更通常含有10-20％的固体。电解质分散体通常是水分散体，它可以另外含有乙醇、如丙三醇和乙二醇之类的多元醇，或如N-甲基吡咯烷酮(NMP)和二甲基甲酰胺(DMF)之类的其它溶剂。可以调节水、乙醇和多元醇组分，以改变墨水的流变性。该墨水通常含有0-50％的乙醇和0-20％的多元醇。另外，该墨水可以含有0-2％的适当分散剂。通常通过加热搅拌，然后稀释到可涂覆浓度而制作出这种墨水。
催化剂可以通过任何合适的装置涂覆到PEM或FTL上，包括手工和机械方法，包括手工涂刷、凹口试杆涂覆、液压轴承模具涂覆、绕线杆涂覆、液压轴承涂覆、狭槽进给刀涂覆、三辊涂覆或贴花转印。可以在一个应用或多个应用中实现涂覆。
直流甲醇燃料电池(DMFC)类似于PEM电池，其中它们都使用聚合物膜作为电解质。然而，在DMFC中，其阳极催化剂将氢从液体甲醇燃料中提出，消除了对燃料重整装置的需要。DMFC通常在120-190/49-88℃温度下工作。直流甲醇燃料电池可以进行根据本发明原理所述的UCA封装。
现在参照附图1B，该
了PEM燃料电池技术中应用的UCA的实施例。如附图1B中所示，UCA20的膜电极组件(MEA)25包括五个组成层。PEM层22夹在一对流体输送层24和26之间。阳极30位于第一FTL24和膜22之间，并且阴极32位于膜22和第二FTL26之间。
在一个构造中，PEM层22被制造成包括在一个表面上的阳极催化剂涂层30；和另一表面上的阴极催化剂涂层32。该结构常被称为催化剂涂覆的膜或CCM。根据另一构造，第一FTL和第二FTL24、26被制造成分别包括阳极和阴极催化剂涂层30、32。在又一构造中，阳极催化剂涂层30可以部分地沉积在第一FTL24上，部分地沉积在PEM22的一个表面上，并且阴极催化剂涂层32可以部分地沉积在第二FTL26上，部分地沉积在PEM22的其它表面上。
FTL24、26通常用碳纤维纸或无纺材料或纺织布制造。根据产品构造，FTL24、26能够在一侧上具有碳颗粒涂层。如上所述，FTL24、26可以制造成包括或不包括催化剂涂层。
在附图1B所示的具体实施例中，MEA25示出为夹在第一边缘密封系统34和第二边缘密封系统36之间。与第一边缘密封系统和第二边缘密封系统34和36相邻的分别是流场板40、42。每个流场板40、42都包括气体流动通道43的场；以及氢和氧进给燃料所通过的口。在附图1B所示的构造中，流场板40、42构造为单极性流场板，也被称为单极流场板，其中在两个流场板之间夹着一单个MEA25。
一般来说，且如附图2中所示，单极流场板称为具有流场侧47和冷却侧45的流场结构。如上所述，流场侧47具有气体流动通道的场，以及氢或氧进给燃料所通过的口。本实施例和其它实施例中的流场可以是低横向流量的流场，如2001年9月17日提交的共同拥有的待审美国专利申请09/954,601中所述。
冷却侧45具有如一体的冷却通道之类的冷却装置。或者，冷却侧45可以被构造成接触单独的冷却元件，如冷却剂通过的冷却块或冷却囊，或散热器元件。在2002年11月15日提交的名为“成套燃料电池组件和冷却设备”的共同拥有的待审美国专利申请10/295,518中描述了各种有效的燃料电池冷却方法。单极流场板40、42优选地根据此处所述的多部件模制工艺构造。
返回附图1B，边缘密封系统34、36提供UCA封装中的必要密封，以隔离各种流体(气体/液体)输送和反应区域的彼此污染和不适当地离开UCA20，并且还可以提供流场板40、42之间的电绝缘和停紧压控制(hard stop compression control)。此处所用的词语“硬停”基本上指的是几乎或基本上不可压缩的材料，它在工作压力和温度下厚度不明显地改变。更为具体的是，词语“硬停”指的是膜电极组件(MEA)中基本不可压缩的构件或层，它在固定厚度或变形下停止MEA的压缩。此处所述的“硬停”不表示离子导电膜层、催化剂层或气体扩散层。
在一个构造中，边缘密封系统34、36包括用弹性材料制成的垫圈系统。在其它构造中，各种所选材料的一个、两个或多个层都可以用于提供UCA20内部的必要密封。这些材料包括例如TEFLON、浸润有TEFLON的玻璃纤维、弹性材料、UV可固化的聚合材料、表面结构材料、多层复合材料、密封剂和硅材料。其它构造使用原地形成的密封系统，如2002年11月1日提交的名为“成套燃料电池组件”的共同拥有的待审美国专利申请10/295,292和前面所引用的2002年11月15日提交的10/295,518中所述。
在另一构造中，垫圈装置合并到流场板40、42中，并在模制过程期间形成。根据一个方法，且如下面详细讨论的那样，流场板40、42模制成包括用于设置在流场板40、42中的歧管的垫圈装置。垫圈装置可以在流场板40、42的模制期间形成，或者在随后的模制过程期间形成。垫圈装置例如可以包括模制流场板40或42的一个或多个升高的模制部分。在另一方法中，一个或多个通道可以模制到流场板40、42中，其中可以插入一个或多个垫圈(例如，O形环)。每个这种垫圈都可以是如2002年11月14日提交的待审申请10/294,098中所述的闭孔橡胶垫圈。在其它实施例中，并如下面进一步所述，垫圈装置可以模制到流场板40、42中，带有接触面，该接触面具有升高的隆起微结构密封图案。
在某些构造中，不需要附图1B中所示类型的单独边缘密封系统的垫圈系统。单独边缘密封可以与模制到流场板40、42中或其上的垫圈装置组合使用。或者，流场板40、42可以被形成或随后处理成除了具有歧管垫圈装置之外，还提供边缘密封，从而省却了对附图1B中所示类型的单独边缘密封系统的需要。
附图1C说明了UCA50，它通过使用单极流场板和一个或多个双极流场板56而具有多个MEA25。在附图1C所示的构造中，UCA50具有两个MEA25a和25b及单个双极流场板56。MEA25a包括夹在FTL66a和64a之间的阴极62a/膜61a/阳极60a叠层结构。FTL66a位于流场板52附近，它被构造成单极流场板。FTL64a位于双极流场板56的第一流场表面56a附近。
类似地，MEA25b包括夹在FTL66b和64b之间的阴极62b/膜61b/阳极60b叠层结构。FTL64b位于流场端板54附近，它被构造为单极流场板。FTL66b位于双极流场板56的第二流场表面56b附近。要理解N个MEA25和N-1个双极流场板56可以合并成单个UCA50。然而，为更加有效地热量管理，相信大致上合并一个或两个MEA56的UCA50(N＝1，双板＝0或N＝2，双板＝1)为优选的。如前面所讨论的那样，UCA的双板可以根据本发明的多部件模制工艺构造，或者可以是常规构造。
附图1B和1C中所示的UCA构造是能够在本发明范围内使用的两个具体装置的代表。这两个装置只用于说明性目的，并不代表本发明范围内所有可能的构造。而且，附图1B和1C试图说明可以有选择地合并到根据本发明原理封装的成套燃料电池组件中的各个部件。
附图3说明了本发明所述流场结构的实施例。附图3示出了具有单级构造的流场结构100。本实施例所述的流场结构100为多部件结构，它包括流场板102和框架104。流场板102用导电材料制成，并且框架104为优选地用聚合物材料制成的模制结构。该聚合物材料的特征可以是类似的或不类似的。
例如，流场板102和框架104可以用同样的基础树脂或不同树脂制成。相信通过流场板102和框架104使用不类似的材料，具有最佳属性和最低成本的材料可以用于流场结构100的每个功能区域。合适材料的非限制性、非穷举性列表包括弹性材料、热固性和热塑性材料。框架优选地用环氧树脂、氨基甲酸乙酯、丙烯酸酯、聚酯或聚丙烯制成，而流场板用这些相同的材料或如聚醚醚酮(PEEK)、聚苯硫、聚苯醚之类的高温树脂制成。最为优选地，框架用如热塑性聚氨酯(TPU)之类的弹性体制成，并且流场板用能够模注等级的石墨填充的热塑性塑料制成。在一个说明性构造中，流场板102可以用热固性材料制成，它大量载有导电填充剂，如石墨或其它含碳导电填充剂。框架104可以用热塑性材料制成。在另一说明性构造中，流场板102和框架都用热塑性基础材料制成。
通过使用一种模制技术或模制技术的组合，可以模制出流场结构100。而且，流场板102和框架104可以在同一模制机器或不同的模制机器上进行模制。而且，流场板102和框架104可以同时在共同的模制机器上模制，如通过经第一材料注入口(shot)而模制出流场板102，随后马上经第二材料注入口而模制出框架104。第一注入和第二注入可以在同一模制机器或不同的机器中进行。同样，在不打开第一注入口和第二注入口之间的铸模的情况下，可以在同一模制机器中进行第一注入和第二注入。
在模制本发明的多部件流场结构100中可以应用和适合使用多种模制技术。这些模制技术包括例如压模法、注模法、转移模塑法和模压注压法。根据一种方法，流场板102可以通过使用压模法形成，而框架104可以使用注模技术形成。优选地，流场板102和框架104可以使用注模技术形成。
作为例子，可以对大量填充的材料进行压模，以形成流场板102。一旦形成之后，流场板102就可以作为插入物而自动或通过人工帮助转移到铸模中。框架104可以环绕该流场板插入物注入模制。在另一方法中，大量填充的材料可以模注形成流场板102。然后，未填充的材料可以环绕流场板102进行注入模制，形成框架104。这优选地在同一铸模或不同的铸模中进行。
在又一方法中，使用在共同铸模内的两次注入方法。一种材料在第一注入口中注入模制，形成流场板102和框架104中的一个，并且第二材料在第二注入口中注入模制形成流场板102和框架104中的另一个。在第一材料注入几乎硬化之后，可以进行第二材料注入。在第一材料和第二材料注入之间，注模可以打开或者可以不打开。
附图4至6说明了可以合并到本发明的模制流场结构中的各个特征。附图4至6是流场板102和框架104的一部分沿着附图3中所示剖面A-A的剖视图。应当理解的是，在某些实施例中，附图4至6中所说明的所有特征都可以合并到模制流场结构中。在其它实施例中，所有这些特征中的一些可以合并到本发明的模制流场结构中。
附图4示出了可以模制到流场结构100的流场板102和框架104中的几个有利特征。歧管106在框架104中限定出燃料或氧通过的空隙。对齐装置108示出为框架104的一部分。该对齐装置108可以构造成提供电池间和电池内中的一个的对齐，或者两者都提供对齐。
例如，对齐装置108的电池内特征用于对准给定燃料电池组件或UCA的至少两个部件。对齐装置108的电池间特征用于使给定燃料电池组件或UCA的至少一个部件与相邻燃料电池组件或UCA的至少一个部件对准。应当注意的是，对齐装置108能够包括用于电池间和电池内对齐的一个或多个特征。使用模制对齐装置有利地避免了在燃料电池部件组装期间将对齐杆插入到相对应对齐孔中的辅助组装工艺。
例如，且如附图4中所示，对齐装置108包括对齐杆108b和对齐凹口108a。对齐杆108b被构造成由流场堆组件的相邻流场结构100或端板的对齐凹口108a所容纳。对齐凹口108a被构造成容纳UCA的相对流场结构100的对齐杆108b。在一个构造中，UCA的MEA(未示出)被制造成包括将尺寸加工成允许对齐杆108b通过的对齐孔。第一流场结构100的对齐杆108b对准并通过设置在MEA中的对齐孔。第一流场结构100的对齐杆108b由UCA的第二流场结构100的对齐凹口108a容纳。第二流场结构100的对齐杆108b从UCA突出。在已经以这种方式组装出第一UCA之后，通过该第一UCA的对齐杆108b而与下一UCA的对齐凹口108a配合接合，另一UCA可以与第一UCA相邻地组装起来。
应当注意的是，从组装好的UCA的流场结构中突出的对齐杆108b的存在(或不存在)能够提供可视的定位和极性辨认特征，用于将另一UCA添加到燃料电池堆。突出的对齐杆108b的存在例如很容易从对齐凹口108a的存在辨认出。根据所采用的具体习惯，通过例如对齐杆108b的存在，每个燃料电池组件的阳极或阴极板都可以辨认出。通过对齐凹口108a的存在，可以辨认出阳极和阴极板中的另一个。
在一个实施例中，对齐杆108b和凹口108a可以具有相同的圆周形状，从而对齐杆108b和凹口108a之间的接触界面限定出一基本连续的压配界面。根据另一实施例，每个对齐杆108b都具有形状与对齐凹口108a的内表面形状不同的外表面。对齐凹口108a的内表面在数个不连续的压配位置处与对齐杆108b的外表面接触。
在一种构造中，对齐凹口108a的内表面和对齐杆108b的外表面中的至少一个的形状可以例如被限定为凸形的弯曲形状。对齐凹口108a的内表面和对齐杆108b的外表面中的至少一个的形状也可以限定出大体弯曲的形状，该形状包括两个或多个凹入或凸出的部分。在另一构造中，对齐凹口108a的内表面和对齐杆108b的外表面中的至少一个的形状可以被限定为圆形或椭圆形。例如，对齐凹口108a的内表面和对齐杆108b的外表面之一的形状可以被限定为圆形，对齐凹口108a的内表面和对齐杆108b的外表面的另一个的形状可以被限定为椭圆形。
其它形状关系是可能的。例如，对齐凹口108a的内表面和对齐杆108b的外表面中至少一个的形状可以被限定为多边形。对齐凹口108a的内表面和对齐杆108b的外表面之一的形状例如可以被限定第一多边形，对齐凹口108a的内表面和对齐杆108b的外表面中另一个的形状可以被限定第二多边形。作为又一个例子，对齐凹口108a的内表面和对齐杆108b的外表面之一的形状可以被限定为多边形，对齐凹口108a的内表面和对齐杆108b的外表面中另一个的形状可以被限定为圆形或椭圆形。对齐凹口108a的内表面的形状也可以被限定为三角形，对齐杆108b的外表面可以被限定为圆形。其它说明性对齐杆的构造包括具有锥形或楔形的对齐杆。在2003年10月31日提交的名为“用于燃料电池组件的对齐装置”的共同拥有的待审美国专利申请10/699,454中公开了可用的燃料电池对齐装置的另外细节。
继续参照附图4，示出在框架104和流场板102之间形成有接缝110。该接缝110形成了提供框架104和流场板102之间的密封。在一种构造中，通过框架和流场板中的一个或两个在模制过程期间的优先地收缩，提供了接缝110的密封。例如，框架104可以环绕流场板102模制，并具有收缩性，收缩性有利于框架104和流场板102之间的气密密封的形成。
如附图4中所示，例如框架104的非导电性聚合物具有定向收缩性，收缩性导致框架104材料优先地朝流场板102向内收缩。通过例如用如玻璃珠或合适矿物之类的合适类型和数量的填充剂与聚合物掺杂，可以控制框架104的收缩性。优选地将框架104的收缩性控制成在接缝110处提供必要的密封，而使框架104的意外翘曲(即铸板凹陷)最小化。本领域技术人员将认识到，其它因素将影响用于形成流场结构100的材料的收缩性，如模制温度、硬化时间、注入压力和保持压力。
接缝110优选地结合有接合装置，该接合装置提供框架104和流场板102之间的坚固机械接触面。在附图4所示的构造中，接缝110具有形成在框架104和流场板102之间的互锁装置，它作为模制过程的一部分。在一个方法中，互锁装置的第一特征模制在流场板102的外周边附近。互锁装置的第二特征模制在板104的内周边附近。模制第一特征和第二特征提供框架104和流场板102之间的机械互锁。
附图5和6说明了接缝110处的互锁装置的两个构造。附图5示出了通过在流场板102的模制外周边中由包括反锥度(backdraft)角θ所形成的局部燕尾槽互锁装置。当框架104的材料注入到流场板102周围时，框架材料绕着流场板102的外周边的反锥度区域流动，产生流场板102和框架104之间的互锁装置。附图6示出了通过在流场板102的模制外周边中两个反锥度区域处由包括反锥度角θ所形成的完全燕尾槽互锁装置。应当注意的是，由于附图6的互锁装置具有两个反锥度区域，而附图5的互锁装置具有单个反锥度区域，所以附图6中所示的反锥度角θ小于附图5的反锥度角。
附图7和8说明了本发明的实施例所述的垫圈装置。附图7是具有模制垫圈装置114的流场结构100的流场侧的视图。在附图7中示出了燃料或氧气歧管106。处于说明性目的，流动通道示出为通过流场板102，并终止于燃料入口和出口歧管106。附图8是框架104的一部分沿着附图7中所示的剖面B-B剖开的分解剖视图。
垫圈装置114形成为从框架102的表面突出的一个或多个隆起。在附图8中，垫圈装置114示出为包括模制材料做的双隆起，应当理解的是单个隆起或两个以上的隆起也可以被模制形成垫圈装置114。在一个构造中，如附图7中所示，垫圈装置114被模制在每个歧管106的周边附近。在另一构造中，共同的垫圈装置114(两个单个的或一个多隆起垫圈)可以形成在所有歧管106周围。
根据一种方法，在模制框架104期间，形成垫圈装置114。在另一方法中，垫圈装置114被模制成在随后的模制过程中预先形成的框架104。在模制过程中与框架104分离开的模制垫圈装置114允许流场结构100的各个功能区域的材料有更多的选择。例如，在某些应用中，可以期望使用与形成框架104相同的材料形成垫圈装置114。在其它应用中，可以期望使用与形成框架104不同的材料形成垫圈装置114。例如，用于将垫圈装置114模制到框架104上的聚合物材料可以具有小于框架材料的硬度。使用这些部件所用的优选材料模制流场板102、框架104和垫圈114提供了可以设计用于在更广范围的应用中生产出流场结构100的机会，还提供了更加有效地平衡性能和成本需求的机会。
附图9A和9B说明了本发明所述垫圈装置的另一实施例。根据本实施例，垫圈装置114包括形成在框架104上的微结构密封图案。如附图9A中所示，微结构密封图案116可以形成在框架104的所有的或几乎所有的表面上。如附图9B中所示，微结构密封图案116可以在框架104的若干所选表面部分处形成。例如，微结构密封图案116可以在框架104的歧管周围形成，如用于将燃料和冷却剂通入和排出燃料电池组件的歧管106。
根据一个实施例，微结构密封图案116包括升高隆起的微结构接触图案。在该构造中，升高隆起的微结构接触图案优选地具有六边形图案，它可以包括例如退化的六边形图案。升高隆起的微结构接触图案一般可以包括在接合点处交汇的隆起，其中不超过三个隆起在任何一个接合点处交汇。升高隆起的微结构接触图案通常由若干单元(cell)组成，以便于局限并防止任何泄漏扩散。
作为非限制性例子，包括升高隆起的微结构接触图案的隆起可以具有小于1000微米、更通常的是小于600微米、最为通常的是小于300微米的空载宽度，并通常具有不超过250微米、更通常的是小于150微米、最通常的是小于100微米的深度(高度)。附图9A和9B中所示的微结构密封图案可以用2002年5月10日提交的共同拥有的待审美国专利申请10/143,273中所述的方式形成。也可以使用多腔铸模，其中联接装置被模制在多腔铸模的空腔之间。
附图10A至14B说明了流场结构的各实施例，该流场结构具有联接装置，以利于生产出这种流场结构的辐材。将流场结构模制成包括附图10A至14B中所述类型的联接装置提供了大量生产适于绕成卷的流场结构。成卷的流场结构可以用于生产UCA的自动工艺，如将在下面所述的那样。用于模制本发明的流场结构的联接装置可以具有一个或多个活动铰链、运载条带或其它互锁装置，如锥孔和插塞装置，以将数个流场结构连接在一起。
在附图10A和10B中，说明了流场结构100a、100b的辐材200中的一段。附图10A中所述的两个流场结构100a、100b优选地属于前述类型。联接装置示出为将两个流场结构100a、100b连接在一起。基本上，联接装置可以由在给定流场结构100a和先前模制的流场结构100b之间模制的或包覆成型(overmold)的材料形成。数个模制流场结构之间的联接装置的重复形成提供用于生产流场结构的连续辐材。
附图10B是附图10A中所示的联接装置的分解视图。该联接装置包括包覆成型区域204，该包覆成型区域204形成在相邻定位的流场结构100a、100b的相应框架104a、104b之间。在附图10B所示的构造中，联接装置具有形成在相邻框架104a、104b之间的互锁凸缘。在一个方法中，通过沿着整个第一框架104a或其一部分模制第一L形凸缘，形成包覆成型区域204。通过将材料从第二框架104b包覆成型到第一L形凸缘的区域中，随后形成第二模制框架104b的第二L形凸缘。将第二L形凸缘包覆成型到第一L形凸缘上，提供了用于在相邻流场结构100a、100b之间形成联接装置。
附图10B中所示的联接装置还包括活动铰链206。附图10B中所示的活动铰链206在连接相邻流场结构100a、100b的框架104a、104b的材料中限定出一凹坑。活动铰链206的存在用于增强流场结构的辐材的挠性，并有利于单个流场结构从辐材的随后分离。应当注意的是，附图10A和10B中所示的联接装置可以连续跨过整个框架104a、104b或其一部分。还应当注意的是，联接装置通常用和框架104a、104b相同的材料制成，但是也可以通过使用和框架104a、104b不同的材料制成。例如，通过使用具有和框架104a、104b属性不同(例如，较大的挠性)的材料，可以在两个模制框架104a、104b之间形成联接装置。
附图11说明了本发明另一实施例所述的接头202。根据本实施例，数个不连续接头202形成在相邻流场结构100a、100b、100c的框架之间。附图11中所示的每个接头202都可以包括附图10B中所示类型的互锁包覆成型区域204和活动铰链206中的一个或两个。
附图12说明了本发明所述的联接装置的另一实施例。在本实施例中，运载条带120a、120b形成以连接连续辐材中的相邻流场结构。在一个方法中，流场结构100a、100b的框架和运载条带120a、120b使用同一注入口形成在铸模中，使得连续的或不连续的连接材料形成在流场结构100a、100b的框架和运载条带120a、120b之间。
附图13A和13B说明了包括运载条带120a、120b的另一联接装置的细节。在一个方法中，流场结构100a、100b的每个框架、运载条带120a、120b和连接接头126(形成在流场结构100a、100b的框架和运载条带120a、120b之间)都使用同一注入口形成在铸模中。在另一种方法中，流场结构100a、100b的框架和运载条带120a、120b使用同一注入口形成，但是在第一次注入之后，有一较窄的间隙将流场结构100a、100b和运载条带120a、120b分开。第二包覆成型注入将材料注入到该较窄间隙中，从而在流场结构100a、100b的框架和运载条带120a、120b之间形成连接接头126。连接接头126可以使用与形成流场结构100a、100b的框架相同的或不同的材料形成。
运载条带120a、120b可以形成得结合有包覆成型区域124，附图13B示出了其分解视图。包覆成型区域124包括形成在相邻模制运载条带124a、124b的边缘特征之间的互锁装置。附图13B示出了多个可能的互锁装置中的一个，该互锁装置可以通过包覆成型运载条带124a、124b形成。
附图14A和14B说明了模制流场结构以形成连续辐材的又一方法。根据该方法，有反向锥孔130在第一次注入期间模制到第一流场结构100a的拐角处。在形成相邻流场板100b的第二包覆成型注入期间，来自第二注入的材料至少流入到先前模制的板100a的反向锥孔130中，形成插塞132。这种保持和插塞互锁装置可以形成在相邻流场结构100a、100b的每个拐角处。
附图15至16B说明了非常适合于生产本发明所述的流场结构的辐材的模制工艺。附图15示出了铸模300的一部分，该铸模300包括上半铸模302和下半铸模304。相应的半个铸模302、304包括有利于在单个模制机器中模制导电流场板和非导电框架的可移动特征。而且，该可移动特征有利于在不打开铸模的情况下连续注入模制导电流场板和非导电框架。应该理解的是，参照附图15至16B所述的铸模和工艺仅仅是用于说明性的，也可以使用其它的铸模构造和工艺。例如，多模制机器可以用于模制流场结构和联接装置的不同部件，以产生流场结构的辐材。
返回附图15，上半铸模302包括可竖直移动的模芯306a、306b和弹簧加载的模芯308a、308b。下半铸模304包括可竖直移动的滑块301a、301b。上半铸模和下半铸模302、304的滑块和模芯以协调的方式动作，用以在第一次注入导电材料中产生出流场板102b，在第二次注入非导电材料中产生出框架104b。在第二注入(或第三注入)期间，联接装置310被形成，将当前模制出的流场结构100b的框架104b与先前模制的流场结构100a的框架104a连接起来。
如前面讨论的那样，联接装置310包括形成互锁装置的包覆成型区域，并还可以包括活动铰链(参见例如附图10B)。应当注意的是，为了简单起见，在附图15至16B中未示出用于形成联接装置310的铸模细节。还应当注意的是，出于简化的目的，也未示出靠近铸模300的入口的铸模结构。然而，本领域技术人员将很容易理解这些铸模结构。
附图16A和16B说明了模制工艺的第一注入和第二注入，其中流场结构和框架在单个模制机器中模制，并且优选地不需打开材料注入口之间的铸模。在附图16A中，假定了先前的多部件流场结构100a已经被模制出，并且当前正在模制下一个相邻流场结构100b。在铸模300处于封闭定向的情况下，将模芯306a、306b从上半铸模304朝下半铸模304移动。弹簧加载模芯308a、308b响应从下半铸模304向上定位的滑块301a、301b所产生的力而处于缩回位置。在模芯306a、306b和滑块301a、301b处于附图16A中所示位置的情况下，将导电材料注入铸模空腔中，形成流场板102b。注意，模芯306a、306b和滑块301a、301b如附图16A中所示的定位导致了形成互锁接缝的一半，其中该互锁接缝形成在流场板102b和框架104b之间。
在第一注入完成并且适当硬化持续时间结束之后，将滑块306a、306b向上移动到相对于流场板102b的上表面共面的位置。将滑块301a、301b向下移动，以使得滑块301a、301b的上表面相对于流场板102b的下表面共面。滑块301a、301b的向下移动允许弹簧加载模芯308a、308b移动到如附图16B中所示的向下位置处。在将滑块306a、306b、301a、301b重新定位到附图16B中所示的位置之后，将非导电材料的第二注入输送到铸模空腔中。该第二注入导致了框架104b的形成，框架104a和流场板102b之间的互锁接缝的完成，及借助于弹簧加载模芯308a、308b的歧管形成。在第二注入期间，还完成了联接装置310的形成。
在第二注入完成并合适硬化持续时间结束之后，将两个半铸模302、304分开，并且将多部件模制流场结构102b与铸模空腔分开，自动或通过手工帮助移动到与铸模空腔的出口相邻的分级位置。铸模300的滑块和模芯被移动到适当的位置处，并且以上述方式模制另一多部件流场结构。以这种方式，可以生产模制流场结构的连续辐材。该辐材可以进行卷绕操作，从而产生成卷的流场结构。
根据本发明所生产出的流场结构的辐材可以卷绕成卷，用于将来在燃料电池组件操作中使用。或者，且如附图17中所示，流场结构的辐材可以直接进给到UCA组装线380上，在这种情况下，可以使用两个模制机器300a、300b，每个都以上述方式制作单极流场结构的辐材。具有单个MEA的很好成卷的燃料电池辐材(MEA辐材)可以以2003年5月28日提交的名为“很好成卷的燃料电池制作工艺、设备及其生产的产品”的共同拥有的待审美国专利申请10/446,485中所述的方法生产。
基本上MEA辐材320被输送成使得MEA辐材320的单个MEA320a从第一及第二流场板辐材100u、100L与一对流场结构100u’、100L’对齐。在将MEA320a封装在相应的数对流场结构100u’、100L’之间后，所得的UCA辐材330还可以借助于密封站和/或卷绕站而进行加工。密封的UCA的辐材330能够随后受到单独处理，以使单个UCA与UCA辐材330分离开。
应当注意的是，各附图中所示的和此处所述的UCA构造是可以在本发明中使用的具体装置的代表。这些装置仅用于说明性目的，并不代表落入本发明范围的所有可能构造。例如，如上所述用于生产流场结构的模制工艺可以表示某些UCA特征的使用，如辅助或加固密封特征、垫圈特征和/或硬停和软停特征。相反地，这种模制工艺可以用于消除某些UCA特征，如通过模制在流场结构的歧管和/或边缘部分周围的材料的使用来消除单个垫圈或密封特征。
各种UCA构造都可以用本发明的其它实施例所述的热管理能力来实现。作为例子，给定UCA构造能够具有一体的热管理系统。或者，或另外地，给定的UCA可以被构造成与单独热管理结构机械式联接。在先前引入的美国专利申请10/295,518和10/295,292中公开了几个示例性的UCA热管理方法。
附图18至21说明了用于电力产生的各个燃料电池系统，可以结合若干燃料电池组件，这些燃料电池组件具有如这里所述的模制多部件流场结构。附图18中所示的燃料电池系统400描述了多个可能系统中的一个，如此处实施例所述的燃料电池组件可以在该系统中使用。
燃料电池系统400包括燃料处理器404、电源部分406和功率调节器408。包括燃料重整装置的燃料处理器404接收如天然气之类的源燃料，并处理该源燃料，以产生出富氢燃料。将该富氢燃料供给到电源部分406。在电源部分406中，将该富氢燃料导入到盛放在电源部分406中的燃料电池堆的UCA的堆中。还向电源部分406提供空气供给，对燃料电池堆提供氧气源。
电源部分406的燃料电池堆产生直流电、可使用的热量和清洁水。在再生系统中，副产热量的一部分或全部可以用于产生蒸汽，蒸汽又可以由燃料处理器404使用，以进行其各种处理功能。电源部分406所产生的直流电被传给功率调节器408，功率调节器408将直流电转换成交流电，用于随后的使用。应当理解的是，交流电转换不需要被包括在提供直流输出功率的系统中。
附图19说明了包括燃料供给单元505、燃料电池电源区域506和功率调节器508的燃料电池电源500。该燃料供给单元505包括盛有供给到燃料电池电源区域506的氢燃料的储存器。在电源区域506中，氢燃料与空气或氧一起被导入到盛放在电源区域506中的燃料电池堆的UCA中。
燃料电池电源系统500的电源区域506产生直流电、可使用热量和清洁水。电源区域506所产生的直流电可以传递给功率调节器508，如果需要的话，则用于转换成交流电。附图19中所示的燃料电池电源供给系统500可以实现为例如固定式或便携式交流或直流发电机。
在附图20所示的实现方式中，燃料电池系统600使用燃料电池电源产生的电力对计算机供电。燃料电池电源供给系统包括燃料供给单元605和燃料电池电源区域606。燃料供给单元605向燃料电池电源区域606提供氢燃料。电源区域606的燃料电池堆产生用于使如台式、便携式或掌上计算机之类的计算机610工作的电力。
在附图21中所示的另一实现方式中，来自燃料电池电源的电力用于使汽车710工作。在该构造中，燃料供给单元705向燃料电池电源区域706供给氢燃料。电源区域706的燃料电池堆产生用于使联接到汽车710的驱动机构上的马达708工作的电力。
本发明各实施例的前面的描述出于说明和描述目的。并不期望将本发明穷举或限制到所公开的确切形式。根据上述教导，可以作出各种修改和改变。期望本发明的范围不受该详细描述局限，而是由所附权利要求限定。
权利要求
1.一种用于在燃料电池组件中使用的流场结构，包括
模制流场板，它由包括第一聚合物的导电材料制成；
模制框架，它被设置在该模制流场板周围，并由包括第二聚合物的非导电材料制成，该模制流场板和模制框架限定出了一单极流场结构；
形成在该模制框架中的数个歧管；及
设置在这些歧管周边附近的模制垫圈装置。
2.一种用于在燃料电池组件中使用的流场结构，包括
模制流场板，它由包括第一聚合物的导电材料制成；
模制框架，它被设置在该模制流场板周围，并由包括第二聚合物的非导电材料制成，该模制流场板和模制框架限定出了一单极流场结构；及
从该模制框架延伸出的模制联接装置，该模制联接装置被构造成将该单极流场结构与其它单极流场结构联接起来，从而限定出单极流场结构的连续辐材。
3.如权利要求2所述的流场结构，其中，所述模制框架包括数个模制歧管和设置在该数个歧管周边附近的垫圈装置。
4.如权利要求2或3所述的流场结构，其中，所述单极流场结构的辐材具有足够的挠性，从而形成很好成卷的单极流场结构。
5.如权利要求1或3所述的流场结构，其中，所述垫圈装置由包括第二聚合物的非导电材料制成。
6.如权利要求1或3所述的流场结构，其中，所述垫圈装置由包括第三聚合物的非导电材料制成，该第三聚合物与所述第二聚合物是不同的。
7.一种形成用于在燃料电池组件中使用的流场结构的方法，包括以下步骤
用包括第一聚合物的导电材料模制出流场板和流场板中的若干歧管；
用包括第二聚合物的非导电材料模制出该流场板周围的框架；
模制出歧管的周边附近的垫圈装置。
8.一种形成用于在在燃料电池组件中使用的流场结构的方法，包括以下步骤
用包括第一聚合物的导电材料模制出流场板；
用包括第二聚合物的非导电材料模制出该流场板周围的框架，该模制流场板和模制框架限定出了一单极流场结构；及
模制出该单极流场结构和其它单极流场结构之间的联接装置，从而限定出单极流场结构的连续辐材。
9.如权利要求7或8所述的方法，其中，模制流场板的步骤和模制框架的步骤同时进行。
10.如权利要求7或8所述的方法，其中
模制流场板和框架的步骤是在单个模制机器中进行的；
模制流场板的步骤是在第一模制注入期间进行的；及
模制框架的步骤是在第二模制注入期间进行的，在第一模制注入和第二模制注入期间及其之间，所述模制机器保持封闭。
全文摘要
一种模制多部件流场结构，包括模制流场板，该模制流场板由包括第一聚合物的导电材料制成。在该流场板周围设置有模制框架，并且该模制框架由包括第二聚合物的非导电材料制成。模制流场板和模制框架优选地限定出了一单极流场结构。在该模制框架中形成了若干歧管，并且在歧管的周边附近设置了模制垫圈装置。有模制联接装置可以形成，从模制框架延伸出来，并被构造成将流场结构与其它单极流场结构联接起来，从而限定出单极流场结构的连续辐材。
文档编号H01M2/08GK1906000SQ200480040609
公开日2007年1月31日 申请日期2004年12月7日 优先权日2003年12月19日
发明者丹尼斯·E·弗格森 申请人:3M创新有限公司