由燃料电池双极板上的冲压板实现的注入金属珠通道密封的制作方法
【专利摘要】一种具有减小燃料电池系统和组装燃料电池系统泄漏的方法。系统中的双极板包括流体联接到入口和出口流动路径的反应物通道和冷却剂通道，其全部形成在板的冷却剂接合表面或反应物接合表面中。一个或多个密封件形成在流体接合表面上，以有助于通过在反应物和冷却剂流动通过其相应通道和限定在邻近放置的板之间的流动路径时保持反应物和冷却剂的流体隔离，从而降低泄漏。密封件——其具有平面内和平面外尺寸的组合——形成基本上中空的容积部，柱塞被置于其中，以降低在板的目的活动区域周围形成冷却剂或反应物分流流动的倾向。流体端口相交部与密封件整体地形成且形成为与容积部流体协作，且能接收柱塞材料的流质前体的引入，使得在固化时，前体材料形成基本上刚性的插入件，所述插入件连续填充容积部和相交部，由此增加柱塞对运动的抵抗和密封件对分流流动的抵抗。在一种形式中，流质材料注入位置的几何结构使得其促进柱塞锚固在其目的位置，同时还提供对柱塞安装可视检视的制造便利，以及用作双极板堆叠对准的定位和验证手段。
【专利说明】
由燃料电池双极板上的冲压板实现的注入金属珠通道密封
技术领域
[0001]本发明一般地涉及用于改善用在燃料电池组件中的双极板内的密封的设备和方法，且更具体地涉及形成在板中的密封件的使用，其中密封件内的容积部承装一柱塞，以避免分流流体流动，否则这种分流流体流动会经过通过密封件形成的液珠路径(bead path)。
【背景技术】
[0002]燃料电池经由电化学反应将燃料转换为可用的电力。这种能量产生方式的重要优点是，其不依赖于作为中间步骤的燃烧就可实现。如此，燃料电池相对于用于推进的内燃发动机(ICE)和相关动力应用来说具有一些环境方面的优点。在典型的燃料电池中，例如质子交换膜或聚合物电解质膜(在任一情况中，PEM)燃料电池，成对的催化电极通过离子传递介质(例如Naf1n?)分离，所述介质在通常所称的膜电极组件(MEA)中。在气体还原剂(例如氢，H2)形式的第一反应物被引入到阳极且在该处离子化并随后经过离子传递介质、使得其与已经通过另一电极(阴极)引入的气体氧化剂(例如氧气，O2))形式的第二反应物结合时，发生电化学反应。这种反应物的结合形成水作为副产物。在第一反应物的电离过程中释放的电子以直流(DC)形式经由外部电路前进到阴极，所述电路通常包括负载(例如电动机，以及各种栗，阀，压缩机或其他流体输送部件)，在负载处可以执行有用的功。通过将许多这种电池组合为更大的电流产生组件，通过DC电力的这种流动产生的发电可增加。在一个这种构造中，燃料电池沿共用堆叠尺寸(dimens1n)连接(其非常类似一副卡牌)，以形成燃料电池堆叠结构。
[0003]在这种堆叠结构中，邻近的MEA通过一系列反应物流动通道彼此分离，通常是不透气双极板的形式，除了能促进反应物、冷却剂和副产物输送外，还提供用于MEA的结构支撑，以及提供电流收集或输送以及电池-电池的密封。在一个通常形式中，通道具有大致蜿蜒的布局，其覆盖每一个板的相对的大致平面表面的大部分。板和MEA的并置促进反应物中之一输送到燃料电池或从燃料电池输送，同时额外通道(其与反应物通道不流体联接)也可以用于冷却剂输送。在一种构造中，双极板本身是通过将一对薄金属板件(称为半板)固定而形成的组件，所述一对薄金属板件具有冲压或以其他方式整体地形成在其表面上的通道，以促进流体接合。通过每一侧上的通道形成的各种反应物和冷却剂流动路径通常在歧管处汇合(在本文还称为歧管区域或歧管区)，所述歧管限定在板的一个或多个相对边缘上。所有这些特征以及这种双极板组件(其可以用在PEM燃料电池中)的典型构造的例子在
【申请人】拥有的美国专利5，776，624和8，679，697中显示并描述，其内容因此通过引用并入本文。
[0004]在典型的双极板构造中，单个板组件用各个冲压板层形成，所述冲压板层焊接在一起，以与各流体通道、密封表面、支撑结构和导电表面形成层叠结构。在历史上，板歧管和活动区域周围的密封功能在一种方式中通过使用分开的垫圈或密封组件而实现(其中下方板用作承载器)，而在另一方式中通过在组装过程期间将置于邻近板层之间的密封材料就地固化(CIP)而实现。CIP方法昂贵，且通常需要长的制造周期时间以适当地使得密封件材料固化，而二者仅适用于可容忍高的制造和材料成本的小量应用。
[0005]不幸地，商业汽车燃料电池应用需要每年应可生产10000到100000个燃料电池堆叠结构(每个堆叠结构具有大致300到400个电池)的大量制造方案。在每一个电池需要在MEA每一侧上具有双极板组件的情况下，相当小量的生产也需要制造大于3百万的板。所述密封方法对实现大量双极板生产来说是成本不利的方式。
[0006]为了克服与CIP或离散密封件和承载器组装方法有关的一些成本和制造问题，本发明的发明人已经开发了用于双极板密封的方法，其中冲压金属珠密封件(MBS，在本文也更简单地称为“密封件”)用于建立电池-电池密封。尽管这种构造更易于用于上述的大量生产需要，但是金属-金属的连接使其难以确保额外泄漏路径不被引入，其中冷却剂或其他流体会填充通过MBS形成的通道;这种通道填充将导致冷却剂或其他流体因冷却剂被直接分流到板的放电侧(通过沿金属珠密封件长度形成的容积空间)而绕过优选路线通过电池。这种分流会对冷却系统栗造成寄生损失(由此必须需要更大、更低效的栗)，以及导致更高的电池操作温度(以及堆叠结构的更快速的恶化)。在预形成时，可密封的所谓盲塞可以在双极板组件和焊接操作期间使用，以便填充和密封通道，柱塞的置放需要高精确度，其会带来柱塞错误安装的风险。而且，这种方式不可进行可视质量检查。
【发明内容】
[0007]本发明的目的是利用冲压特征和密封剂注入装置以在基于MBS的双极板密封设计中形成冷却剂通道柱塞。根据本发明的一个方面，燃料电池系统包括燃料电池堆叠结构，其用许多个电池制造，每一个电池包括与双极板组件协作的MEA。双极板组件包括一个或多个板，其每一个限定流体接合表面，一个或多个反应物通道和冷却剂通道形成在流体接合表面中。类似地，入口和出口流动路径形成在流体接合表面中，使得其每一个与反应物和冷却剂通道中相应的一个流体连通。为了保持相应反应物或冷却剂在经过所述通道的同时流体隔离，一个或多个密封件设置在板流体接合表面上。以此方式，在板面对地抵靠相邻板或其他基本平面表面放置时，密封件提供基本的流体隔离;设置在珠通道、空腔或有关容积部中的柱塞材料通过阻挡密封件的内部容积部中所限定的通道状流动路径而增强密封。
[0008]在优选形式中，用于柱塞的材料在被引入到密封件的通道状流动路径之前和期间是流质的(即液体或半液体的)。在固化时，柱塞作为基本上刚性的、良好锚固的材料将占据容积部的至少一部分。由此，尽管基本上完成在密封件的通道状流动路径的整个长度上的完全填充会实现容积部的期望封堵，但策略性地放置的更小的量(例如，在材料被引入到容积部中的端口或开孔附近的区域中)可以用于实现相似的结果，而没有与完全填充有关的成本或复杂性。
[0009]在本发明的情况下，构成邻近密封区域的填充的轴向长度量取决于双极板的尺寸。例如，柱塞长度可以被选择为满足对密封件刚性、被密封的流体的压力情况和与柱塞的材料性能相称的其他因素(例如耐蚀性、有助于满足制造需求的固化时间、热相容性等)的局部需求。这些将为密封件的内部壁金属表面限定材料和其粘接性能。粘接特点、通过堆叠组装过程施加的挤压量、密封通道的尺寸、和运行压力将影响将柱塞在通道中保持在位所需的长度。同样在本发明的情况下，术语“刚性”和良好锚固(well-anchored)意在覆盖足以避免设置在珠通道或通过MBS形成的容积空间中的柱塞响应于通过冷却剂、反应物或其他有泄露倾向的试剂(所述试剂通过双极板引入到该容积部)对其赋予的流体压力而产生的位移的那些材料的性能和几何形状。如此，其总强度、刚性和有关的结构性能不需要具有与形成板的金属材料相同的这种刚度。用于这种刚性柱塞的一类材料的例子包括硅树脂、聚合物等，只要它们呈现其他期望的腐蚀、污染或相关性能即可。优选地，在双极板组装并焊接在一起之后前体材料被引入且固化;这有助于降低组装过程期间错误的可能性。开孔(其一种形式是可以是被冲压或以其他方式形成在MBS的侧壁中)提供通道柱塞就位的有效视觉验证，且还可用作制造定位器，以确保适当的流质材料就位和堆叠板对准。T形相交部特征形式的MBS中的分开突出部提供机械止动部，以将通道柱塞(在固化时填充MBS容积部和通过相交部限定的容积部)锚固，以便限制沿形成在MBS容积部或通道中的延长轴线的柱塞运动。在另一形式中，固化的柱塞可以用提供视觉标识(例如通过对比颜色等)的材料制造，以提高对具体密封已经被装填的视觉检查的容易性。
[0010]根据本发明的另一方面，公开一种燃料电池双极板。板限定流体接合表面，其其上形成反应物通道或冷却剂通道，这取决于被输送经过板表面的是何种流体(即反应物或冷却剂)。入口和出口流动路径也限定在该表面中，使得其每一个与反应物和冷却剂通道中相应的一个流体连通;至少一个密封件或MBS设置在该表面上，使得在与邻近放置的其中一个板协作接合时，密封件为通过反应物和冷却剂通道中相应的一个输送的反应物或冷却剂提供基本的流体隔离。密封件形成基本上中空的容积部，流质材料流入其中，其固化成柱塞。在一种优选形式中，板流体接合表面分为两个主要区域。第一区域对应于反应物和流动路径通道，其与相邻放置的板中的相伴通道建立热或流体连通，而第二区域形成对应于入口流动路径和出口流动路径的歧管，所述入口流动路径将冷却剂或反应物输送到活动区域，所述出口流动路径从活动区域接收冷却剂或反应物。在更优选的形式中，密封件用许多密封件制造，其每一个在相应活动和歧管区域中的入口和出口流动路径和反应物和流动路径通道中之一的周围形成基本上周向的路径。如前述实施例那样，密封件限定容积空腔，柱塞可以置于其中，而分开的突出部从相交部特征形式的MBS延伸离开，以提供用于锚固柱塞的机械止动部。
[0011 ]根据本发明的另一方面，公开了一种将双极板密封在燃料电池系统中的方法。方法包括将一对板以堆叠构造置于彼此顶部上，使得形成在其表面的一部分上的密封件降低被引入双极板的反应物或冷却剂泄露的倾向。如前所述，板的表面是流体接合的，其限定一个或多个反应物通道和冷却剂通道，以及入口和出口流动路径，以提供与反应物和冷却剂通道中相应一个的流体连通。通过其平面外突出部，密封件限定基本上中空的容积部，流质材料被引入其中，此后材料固化，使得其至少在流体材料引入点附近的密封件部分处形成基本上刚性的柱塞。在一种优选形式中，板是冷却剂板，而在另一优选形式中，流体接合表面限定对应于反应物和流动路径通道的活动区域和对应于入口和出口流动路径的歧管区域。更具体地，许多密封件形成为使得其每一个限定在反应物和流动路径通道以及入口和出口流动路径中之一周围的基本上独立的周向路径，以有助于反应物或冷却剂隔离。如上所述，密封件进一步限定流体端口相交部，其与内部密封件容积部流体协作，且在其中限定开孔以接收引入的流质材料。密封还可以通过视觉方式验证，例如通过基于控制器或分析机系统的合适配备的计算机，其例子可以在2014年11月19日提交的名称为METHOD TOINCORPORATE SKIN AND CORE MATERIAL PROPERTIES IN PERFORMANCE ANALYSIS OF HIGHPRESSURE DIE CASTING ALUMINUM COMPONENTS的待审申请 14/547,308中找到，该申请由本发明的
【申请人】拥有，且通过引用以其全部内容并入本文。如本领域技术人员所理解的，合适配置的传感器可以获得板堆叠、组装和有关制造质量的这种视觉标识，且随后将这种标识传输到计算机，以便提供与密封栓塞(seal-plugging)或堆叠结构的组装操作质量有关的
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[0012]—方面，本发明提出一种燃料电池系统，其限定以堆叠构造布置的多个燃料电池，在所述系统内所述电池的每一个包括:
[0013]膜电极组件;和
[0014]双极板，布置为与所述膜电极组件流体协作，所述板限定流体接合表面且包括:
[0015]反应物通道和冷却剂通道中的至少一个，其限定在所述流体接合表面中；
[0016]入口和出口流动路径，限定在所述流体接合表面中，使得两者与所述反应物和冷却剂通道中的相应一个流体连通；
[0017]至少一个密封件，设置在所述流体接合表面上，使得在与邻近放置的所述板中的一个协作接合时，所述密封件为通过所述反应物和冷却剂通道中的相应一个输送的流体提供基本的流体隔离，所述密封件限定基本上中空的容积部以及形成在其中的流质材料引入开孔;和
[0018]柱塞，设置在所述容积部的邻近所述开孔的至少一部分中，所述柱塞通过被引入通过所述开孔的流质材料的至少一部分限定，使得在固化时所述柱塞形成基本上刚性的插入件，该插入件基本上阻止通过所述容积部的泄漏流动。
[0019]其中所述密封件作为所述流体接合表面的一部分整体形成。
[0020]其中所述密封件限定出基本上周向的路径，其在限定在所述流体接合表面中的活动区域和歧管区域中的至少一个周围。
[0021]其中所述开孔限定在相交部中，所述相交部形成在所述密封件中，使得所述相交部在所述密封件中限定侧向地突出的额外容积部。
[0022]其中所述板由至少两个板件的层叠结构形成，使得下板件限定基本上平面的下表面、且上板限定所述流体接合表面，使得所述容积部通过所述两个板件的协作接合而限定。
[0023]其中所述堆叠的板中的第一个上的所述密封件和所述堆叠板中邻近地设置的第二个之间的所述协作接合包括设置在所述第一板上的所述密封件和所述第二板的基本上平面的表面之间的接触。
[0024]其中所述柱塞通过在所述密封件中在各种位置处具有不同材料硬度值而限定。
[0025]另一方面，本发明还提出一种交通工具，其上述的燃料电池系统。
[0026]再一方面，本发明提出一种燃料电池双极板，其限定基本上平面的流体接合表面，所述板包括:
[0027]反应物通道和冷却剂通道中的至少一个，其限定在所述流体接合表面中；
[0028]入口和出口流动路径，限定在所述流体接合表面中，使得两者与所述反应物和冷却剂通道中的相应一个流体连通；
[0029]至少一个密封件，设置在所述流体接合表面上，使得在与邻近放置的所述板中的一个协作接合时，所述密封件为通过所述反应物和冷却剂通道中的相应一个输送的流体提供基本的流体隔离，所述密封件限定基本上中空的容积部以及形成在其中的流质材料引入开孔;和
[0030]柱塞，设置在所述容积部的邻近所述开孔的至少一部分中，所述柱塞由被引入通过所述开孔的流质材料的至少一部分限定，使得在固化时所述柱塞形成基本上刚性的插入件，该插入件基本上阻止通过所述容积部的泄漏流动。
[0031]其中所述流体接合表面限定:(a)对应于所述反应物和流动路径通道的活动区域，和(b)对应于所述入口和出口流动路径的歧管区域。
[0032]其中所述密封件包括多个密封件，其每一个在相应活动和歧管区域中的所述入口和出口流动路径以及所述反应物和流动路径通道中的一个周围形成基本上周向的路径。[0033 ]再一方面，本发明提出一种密封燃料电池系统中的双极板的方法，该方法包括:
[0034]将至少一对所述板以堆叠构造置于彼此顶部上，至少一个所述板限定其流体接合表面且包括:
[0035]限定在其中的反应物通道和冷却剂通道中的至少一个；
[0036]限定在其中入口和出口流动路径，使得其每一个与所述反应物和冷却剂通道中的相应一个流体连通;和
[0037]至少一个密封件，设置在所述流体接合表面上，使得在所述一对板之间协作接合时，所述密封件为通过所述反应物和冷却剂通道中的相应一个输送的反应物或冷却剂提供基本的流体隔离，所述密封件在其中限定基本上中空的容积部;和
[0038]将流质材料引入到形成在所述容积部中的开孔中，使得所述容积部至少在所述密封件的一区域中占据通过所述容积部限定的基本整个截面部分，所述区域邻近所述密封件的被引入所述流质材料的位置;和
[0039]将所述材料固化，使得其在所述密封件区域中形成基本上刚性的柱塞。
[0040]其中所述流体接合表面限定冷却剂路径。
[0041]其中所述流体接合表面限定:(a)对应于所述反应物和流动路径通道的活动区域，和(b)对应于所述入口和出口流动路径的歧管区域。
[0042]其中所述密封件包括多个密封件，其每一个在相应活动和歧管区域中的所述入口和出口流动路径和所述反应物和流动路径通道中的一个周围形成基本上周向的路径。
[0043]其中所述开孔限定在与所述容积部流体协作的相交部中。
[0044]其中方法进一步包括在所述容积部中建立存在所述流质材料的视觉标识。
[0045]其中所述视觉标识通过形成有颜料的所述流质材料限定，其提供相对于所述密封件的颜色对比。
[0046]其中所述建立视觉标识包括使用计算机控制的视觉系统。
[0047]方法进一步包括通过所述开孔建立视觉标识，以指示所述至少一对所述板在所述堆叠构造中的对准。
[0048]其中所述将至少一对所述板以堆叠构造置于彼此顶部上包括，在引入所述流质材料之前将所述板激光焊接在一起形成双极板组件。
[0049]通过阅读之后的详细描述和所附权利要求，本领域技术人员可理解这些和其他实施例或方面。
【附图说明】
[0050]参考随后的附图阅读时可以更好地理解本发明的优选实施例的以下详细描述，其中相同的结构用相同的附图标记标出且其中附图的各个部分不必按比例绘制:
[0051]图1是具有周围双极板的燃料电池一部分的部分分解截面图的简化显示；
[0052]图2是图1的双极板的详细俯视图，其包括根据本发明一个方面的金属珠密封件；和
[0053]图3是图2的金属珠密封件的实施例的简化透视图，其具有根据本发明一个方面的装填柱塞。
【具体实施方式】
[0054]首先参见图1，以分解形式显示了PEM燃料电池I的简化视图。燃料电池I包括基本上平面的质子交换膜10，与质子交换膜10的一个面面接触的阳极催化层20，和与另一面面接触的阴极催化层30。总的来说，质子交换膜10和催化层20和30称为MEA 40。阳极扩散层50布置为与阳极催化层20面接触，而阴极扩散层60布置为与阴极催化层30面接触。每一个扩散层50和60用基本多孔的构造制造，以有助于气体反应物通到催化层20和30。总的来说，阳极催化层20和阴极催化层30称为电极，且可形成为如所示的分开的不同层，或在替换例中(如上所述)，形成为至少部分地分别嵌入在扩散层50或60中，以及部分地嵌入在质子交换膜10的相对的面中。在一种形式中，也可以包括子垫圈45形式的塑料框架，以保护MEA 40的边缘。该子垫圈45通常用于将催化层20和30之间的气体和电子的分离延伸到MEA 40的边缘，且常常被置于弹性密封件接触MEA 40的位置。这有助于降低气体和冷却剂的外泄，以及在歧管区域处气体和冷却剂的互相混合。在一些情况下，弹性密封件可附接或直接形成在子垫圈45上，作为MEA40的一部分或延伸;任一变化例被认为是在本发明的范围内。
[0055]除了提供基本上多孔的流动路径以用于反应物气体到达质子交换膜10的适当侧之外，扩散层50和60还提供电极催化层20、30和双极板70之间的电接触，所述双极板反过来用作电流收集器。而且，通过其大致多孔的性质，扩散层50和60还形成用于去除在催化层20、30处产生的产物气体的管道。进而，阴极扩散层60在阴极扩散层产生大量水蒸汽。这种特征对于帮助保持质子交换膜10含水来说是重要的。扩散层中的水渗透可通过引入少量聚四氟乙烯(PTFE)或相关材料而调整。
[0056]虽然理论上显示为具有厚壁属性，但是双极板70优选采用板件状或箔片状的结构(如所示和在下文详细描述的)；如此，图1不应用于推断通道72以及限定这种通道的板结构之间的相对厚度。而且，通道72的大致蜿蜒流动路径样式(其在图2中更详细地示出)应理解是示例性的。如此，其他样式可以针对具体燃料电池构造的性能进行优化，所述其他样式也在本发明的范围内。进而，虽然双极板70被显示(为了格式化的目的)为仅仅限定了矩形的反应气体流动通道72和结构74，如本领域技术人员所理解的，更准确(且更优选的)的实施例描述如下，其中形成大致蜿蜒形状的通道72(以及与平台74B对应的其相应的大致平面的顶部)。如所不的，提供一对双极板70的简化的相对表面70A和70B，以在堆叠结构中将每一个MEA 40和附随的扩散层50、60与邻近MEA和层(二者都没有示出)分开。一个板70A接合阳极扩散层50，而第二板70B接合阴极扩散层60。每一个板70A和70B(其在作为一个整体组装时形成双极板70)限定了沿相应板面的许多反应气体流动通道72。三维(即平面以外)结构74由壁74A和平台74B构成，所述壁和平台通过朝向相应扩散层50、60突出和与之直接接触而将反应气体流动通道72的邻近部分分开。
[0057]在运行中，第一气体反应物(例如H2)通过通道72从板70A输送到MEA 40的阳极20侦U，而第二气体反应物(例如02(通常是空气形式))通过通道72从板70B输送到MEA 40的阴极30侧。分别在阳极20和阴极30处发生催化反应，在阳极20产生相应质子(其通过质子交换膜10迀移)并且在阴极30产生电子，这形成可以凭借平台74B和层50和60之间的接触通过扩散层50和60和双极板70传递的电流。
[0058]以大体类似于所示反应物传送通道的方式，有关通道(未示出)可以用于传输冷却剂，以有助于控制燃料电池I产生的温度。这种板可以形成在第一和第二板70A和70B的分开表面上(例如，在相应顶部和底部表面上)。同样，板70A、70B可以由多个组合板件(例如通过薄堆叠层等的层叠片)形成;这可以有助于在密封件内形成基本上封闭的容积部，如在下文更详细描述的。不管构造如何，可理解在本文语境下这种板的变化例(无论是携带冷却剂的或携带其他流体)可包括相等同的特征，作为其反应物传送板的对应物；如此，与表面限定的特征相关的结构细节被认为是相等同的。进而，本领域技术人员应理解本发明所述的通道密封设计还适用于非燃料电池应用，其中冷却剂流动通过所形成的几何密封表面的背面分流。
[0059]接下来参见图2，更详细地描述了图1的双极板70。具体说，板70包括活动区域70act和歧管区域70m，其中前者建立与电化学活动区域的平面面对关系，所述电化学活动区域对应于MEA 40和扩散层50和60，后者对应于一边缘(如所示的)或周向(未示出)区域，其中通过板70形成的开孔可以用作用于向(或从)堆叠燃料电池输送和去除反应物、冷却剂或副产品的管道。如可从图1的分解视图看到的，这两个板70A、70B可以用于形成具有MEA 40和阳极和阴极扩散层50、60的夹层状结构，且随后如有必要尽可能多的重复，以形成燃料电池堆叠结构(未示出)。在一种形式中，阳极板70A和阴极板70B的中之一或两者用抗腐蚀材料(例如304SS等)制造。大致蜿蜒的气体流动通道72形成从一个边缘E1(其邻近双极板70的一个歧管区域70m)附近到相对边缘E2(其邻近相对歧管区域70m)附近的弯曲路径。如图2所示，反应物(在板70置为与MEA 40成面对关系的情况下)或冷却剂(在板70置为与另一板70的背面成面对关系的情况下，冷却剂通道在该另一板中形成)被从一系列的重复门或沟槽供应到通道72，所述门或沟槽形成位于一个(例如供应)边缘E1的歧管区域70m和活动区域70ACT之间的头部(header)70H;相似的构造存在于相对(例如排出)边缘E2±。在替换实施例(未示出)中，供应和排气歧管区域可位于双极板70的相同边缘(S卩E1SE2)附近。在双极板70用可成形材料(例如上述不锈钢)制造的情况下，各种表面特征(包括沟槽、通道等)可以被冲压或通过公知的技术形成。箭头A显示了从最左边的歧管区域70m的入口、通过活动区域70ACT、并进入最右边的歧管区域70m的反应物或冷却剂的大致流动方向。以此方式，存在通过形成活动区域70act的相应气体流动通道72(无论是冷却剂还是反应物)建立在入口(在最左边的歧管区域70m中)和出口(在最右边的歧管区域70m中)之间的专用和直接流体连通。
[0060]在本发明的情况下，燃料电池I的堆叠轴线可以沿实质上竖直的(S卩Z)笛卡尔轴线，使得双极板70每一个的大部分表面位于X-Y平面中。无论如何，如本领域技术人员所理解的，电池1、板70和堆叠结构的具体取向不是关键的，而是提供方便的方法以使得形成在板70的表面上的情景可视化。
[0061 ]接下来结合图2参考图3，一个或多个密封件(S卩MBS)70s形成到双极板70的流体接合表面中。和上述的沟槽、通道和其他特征一样，密封件70s可以通过冲压或其他形成操作形成，且成形为提供围绕各种入口、出口和蜿蜒通道的流体可隔离区域，其组成在板70的表面上方形成的各种区域。在一种优选形式中，密封件70s限定了具有半圆的截面轮廓的水槽状内部容积部70v，所述轮廓为约2.8宽和约1.3mm深，但是也可以使用其他形状和大小，取决于双极板70的密封需要。如上所述，在一种形式下，双极板70可以用薄板件的层叠结构71制造。如在下文更详细描述的，通过用填料填塞容积部70v，本发明避免分流泄漏流体70L的问题(如图2的顶部和底部的箭头所示)。
[0062]密封件70s大致形成圆周跑道状特征，其沿Z轴线突出到板70流体接合表面的XY平面以外，以为板70赋予略微三维的属性;在邻近面对的板70相对于彼此堆叠时，密封件70s彼此接触，以提供对冷却剂或反应物经其边界泄漏的抗性。以相似的方式，相邻放置的板70(未示出)上大致平面的下表面也可以接触密封件70s的顶部，所述顶部沿Z轴线突出，以生产显著接触;任一接触变化例被认为是在本发明的范围内。另外，微密封件90可以沿密封件70s的整个长度的一部分形成。
[0063]在所示版本中，相交部7(h在沿密封件70s的轴向长度的一个或多个位置处相对于密封件70s侧向(即沿Y轴线)形成。在所示实施例中，相交部7(h限定侧分支的T形形状，而其内部空腔的邻近特性和容积部70v的连续特性有助于确保材料在固化到柱塞80中时将具有一形状或有关的几何特征，以促进其固定地锚固在组合的容积部70v中，以进一步降低柱塞80响应于被增压反应物、冷却剂或其他流体剂的冲击而轴向运动的倾向。在一种形式中，相交部70:可以限定密封件70s的整体部分，而其打开空腔状的结构有助于确保沿密封件70s的轴向尺寸形成与容积部70v的连续性。以此方式，相交部70:形成分开的闭端(dead-ended)分支，其接收形成柱塞80的连续质量的流质材料。虽然目前显示为具有实质上垂直的相交部使得形成T形连接，但是密封件70s和相交部70:之间的连结角度可以变化，且所有这些形式被认为是在本发明的范围内。相交部7(h被如此构造以避免与密封件70s几何结构的密封功能相干扰。例如，相交部70j^Z轴线突出优选地不大于、甚至更特别地小于邻近密封件70s。此外，相交部70:优选地被置于密封件70s的周界的非敏感部分;这最佳在图2示出，其中相交部7(h位于靠近通过密封件70s形成的通道的长直线部分中间，且远离更敏感的歧管70m。当然，在不使用所示的“T形”注入位置的其他注入位置的情况中，会需要弯曲部分以有助于将柱塞锚固在密封件70s内的期望位置中。
[0064]对于相交部701被整个移走的这种构造(未示出)，形成直接注入位置(例如经由类似于开孔70ο但是替代地被置于X-Y中进入密封件70s的侧部)。即使技术上在柱塞80和密封件70s的内壁之间没有干涉，但是在弹性材料注入到70s时，也将替代地形成线-线配合。取决于材料，其甚至可在固化过程期间收缩。不管如何，将沿流动通道的轴线(即图3所示的X轴线方向)发生几何变化。然而，在堆叠结构被组装且置于挤压下时，挤压力将使得70s沿Z轴线方向变形，其将具有将柱塞置于挤压状态的效果;这种挤压可有助于锚固柱塞，甚至在使用相交部7(h的上述“Τ形”几何结构的构造中也可以。如此，通过容积部70ν限定的内壁之间的配合足以锚固柱塞80。而且，这可以通过使用前体材料而增强，所述前体材料具有适当的高摩擦系数，使得进一步增强柱塞80和这种内壁之间的锚固接触。由此，且不管侧分支相交部7(h是否被包括，本发明的发明人已经确定柱塞80和容积部70ν的内壁之间的摩擦足以将柱塞80锚固就位，作为抵抗在任何泄漏造成的载荷下的运动的方法。如此，具有或没有特别形状的锚固特征的版本被认为在本发明的范围内。
[0065]柱塞80优选用可注入、弹性、顺应材料(例如上述硅树脂、弹性材料、聚合物等)制造，其一旦被注入则固化。除了具有适当高的摩擦系数，前体材料的其他期望性能优选地包括耐蚀性、避免污染性、刚性(硬度)，所述刚性是堆叠挤压期间被赋予的机械变形量的函数，以及与组成密封件70s的珠通道内部容积部的金属表面的足够结合，以促进在固化时形成柱塞。显著地，柱塞80的存在促进容积部70v内的阻挡动作，使得其改变所谓的从密封件70S离开的“最小阻抗路径”(否则其会存在)。具体说，柱塞80在通过密封件70s形成的容积部70v中的存在有助于降低通过容积部70v限定的跑道状流动路径或通道允许冷却剂或反应物流动在活动区域70ACT周围分流(即绕过)的倾向。在柱塞形成操作期间，足够量的流质密封剂材料将注入，以使得其流动到容积部70v中并占据密封件70s内限定的全部横截面区域，使得其防止(取决于双极板70中的哪个通道72被利用)已经进入密封件70s的反应物或冷却剂沿密封件70s的轴向长度行进超过柱塞80所在位置。
[0066]虽然优选用相对顺应的材料制造，但是柱塞80可以改变密封件70s的刚性;在柱塞80仅在密封件70s的短部分上注入的构造中，这可以成为更大因素，其中其可导致刚性和密封性能的局部变化，所述局部变化可能不会存在于柱塞80被在密封件70s的整个长度上注入的构造中。在这种情况下，前体材料性能的适当选择是有益的，益处在于性能(例如用于刚性或硬度的硬度值)适当地匹配密封件70s需求。由此，沿容积部70v内的不同位置，柱塞可以用不同材料硬度值构成。在其他实施例(未示出)中，对密封件70s的几何和密封要求在双极板70的表面上变化。在另一实施例中，多个不同前体材料可以注入在各种位置(例如通过沿密封件70s的长度或圆周伸展的各种开孔70ο);以此方式，密封件70s和其密封性能可以根据双极板70的几何结构和在板70周围的各种位置处的材料刚性需求“调节”。例如，在歧管区域70m周围的大的密封件70S可需要与沿活动区域70ACT的长通道不同的密封性能。
[0067]如上所述，开孔(即开口)70ο通过限定在密封件70s中的侧壁或相交部70:(如所示)形成，以限定用于注入前体材料的端口，所述前体材料将变成通道柱塞80;其还具有额外功能，即提供用于查证通道柱塞在制造过程期间形成的接取点，以及用作有助于板组装和对准堆叠的制造定位器。这改善随后检查活动(可视地或通过联接到合适计算机或相关控制器的自动检测器)的容易性。另外如以上所提到的，柱塞80采用与其目的功能相称的合适材料性能(例如机械强度、耐蚀性、固化时间等)，而不干扰电池-电池密封件70s的与压缩性、导电性等相关的功能需求。在优选形式中，流质前体材料经由开孔700注入以填充T形相交部70jP密封件70s的主通道或容积部的至少附近部分二者，由此形成期望的锚固和随后通道对泄漏流体流动的阻止。如上所提到的，这种锚固的特性足够牢固(而不管是否存在由于相交部70:中有额外的连续材料而造成的额外锚固)可以降低柱塞80在轴向流体载荷下运动的倾向性(其引起向通道的泄漏(例如泄露的冷却剂、反应物等))。如上所述，在附图所示的构造中，仅紧邻开孔70ο的区域(其中材料被引入到容积部70v)需要被用于实现期望的阻止效果，而没有与在密封件70s的整个流动路径长度上完全地填充容积部70v相关的成本或复杂性。
[0068]虽然未示出，基于PEM燃料电池I的堆叠结构的系统的一个具体应用是汽车或有关交通工具。在本发明的情况下，应理解，术语“交通工具”可以是轿车、卡车、货车、运动型多用途车(SUV)或其他这种汽车形式，例如公交车、飞机、水运工具、宇宙飞船和摩托车;所有的都被认为与本发明协作用于产生推进或机动力的目的。
[0069]应注意“优选”、“大致”和“通常”这样的术语在本文中不用于限制要求保护的发明范围的限制或暗示某些特征是对要求保护的发明的结构或功能来说是关键的、必不可少的或非常重要的。相反，这些术语仅仅是指出了本发明的具体实施例中可以利用或可以不利用的替换或额外的特征。
[0070]在本发明的情况下，与形成在双极板70的流体接合表面中或上的通道、流动路径和其他冷却剂输送或反应物输送特征相关的术语可互换地以单数或复数表示。这些术语指的是沿大致平行的流动路径对准的一组通道的流动路径还是单独的通道对于本发明的密封件70s来说不是关键的；如此，从上下文可以理解一个与另一个之间的任何具体指代，且被认为落入本发明的范围内。
[0071]处于描述和限定本发明的目的，应注意术语“实质上”和“大约”和其变化形式在本文用于表示任何定量比较、值、测量或其他表示所固有的不确定程度。术语“实质上”还在本文用于代表一定量表示，其与所述参照不同，而不造成所述主体基本功能的改变。
[0072]参考具体实施例详细描述了本发明，但是应理解，在不脱离所附权利要求限定的本发明的范围的情况下可以做出修改和改变。具体说，应理解本发明的范围不是必须限定为所述的有限形式和示例性的实施例，而是应受到所附权利要求的限定。
【主权项】
1.一种燃料电池系统，其限定以堆叠构造布置的多个燃料电池，在所述系统内所述电池的每一个包括: 膜电极组件;和 双极板，布置为与所述膜电极组件流体协作，所述板限定流体接合表面且包括: 反应物通道和冷却剂通道中的至少一个，其限定在所述流体接合表面中； 入口和出口流动路径，限定在所述流体接合表面中，使得两者与所述反应物和冷却剂通道中的相应一个流体连通； 至少一个密封件，设置在所述流体接合表面上，使得在与邻近放置的所述板中的一个协作接合时，所述密封件为通过所述反应物和冷却剂通道中的相应一个输送的流体提供基本的流体隔离，所述密封件限定基本上中空的容积部以及形成在其中的流质材料引入开孔;和 柱塞，设置在所述容积部的邻近所述开孔的至少一部分中，所述柱塞通过被引入通过所述开孔的流质材料的至少一部分限定，使得在固化时所述柱塞形成基本上刚性的插入件，该插入件基本上阻止通过所述容积部的泄漏流动。2.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中所述密封件作为所述流体接合表面的一部分整体形成。3.如权利要求2所述的燃料电池系统，其中所述密封件限定出基本上周向的路径，其在限定在所述流体接合表面中的活动区域和歧管区域中的至少一个周围。4.如权利要求3所述的燃料电池系统，其中所述开孔限定在相交部中，所述相交部形成在所述密封件中，使得所述相交部在所述密封件中限定侧向地突出的额外容积部。5.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中所述板由至少两个板件的层叠结构形成，使得下板件限定基本上平面的下表面、且上板限定所述流体接合表面，使得所述容积部通过所述两个板件的协作接合而限定。6.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中所述堆叠的板中的第一个上的所述密封件和所述堆叠板中邻近地设置的第二个之间的所述协作接合包括设置在所述第一板上的所述密封件和所述第二板的基本上平面的表面之间的接触。7.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中所述柱塞通过在所述密封件中在各种位置处具有不同材料硬度值而限定。8.一种燃料电池双极板，其限定基本上平面的流体接合表面，所述板包括: 反应物通道和冷却剂通道中的至少一个，其限定在所述流体接合表面中； 入口和出口流动路径，限定在所述流体接合表面中，使得两者与所述反应物和冷却剂通道中的相应一个流体连通； 至少一个密封件，设置在所述流体接合表面上，使得在与邻近放置的所述板中的一个协作接合时，所述密封件为通过所述反应物和冷却剂通道中的相应一个输送的流体提供基本的流体隔离，所述密封件限定基本上中空的容积部以及形成在其中的流质材料引入开孔;和 柱塞，设置在所述容积部的邻近所述开孔的至少一部分中，所述柱塞由被引入通过所述开孔的流质材料的至少一部分限定，使得在固化时所述柱塞形成基本上刚性的插入件，该插入件基本上阻止通过所述容积部的泄漏流动。9.如权利要求8所述的板，其中所述流体接合表面限定:(a)对应于所述反应物和流动路径通道的活动区域，和(b)对应于所述入口和出口流动路径的歧管区域。10.如权利要求9所述的板，其中所述密封件包括多个密封件，其每一个在相应活动和歧管区域中的所述入口和出口流动路径以及所述反应物和流动路径通道中的一个周围形成基本上周向的路径。
【文档编号】H01M4/86GK106058282SQ201610217808
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年4月8日 公开号201610217808.4, CN 106058282 A, CN 106058282A, CN 201610217808, CN-A-106058282, CN106058282 A, CN106058282A, CN201610217808, CN201610217808.4
【发明人】C.E.弗里兹五世
【申请人】通用汽车环球科技运作有限责任公司