对pem燃料电池的密封垫和双极板的改进的制作方法

专利名称：对pem燃料电池的密封垫和双极板的改进的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于PEM燃料电池的双极板。本发明还涉及用于该双极板在PEM燃料 电池组内的有效密封的密封件。
背景技术：
燃料电池是一种用于将物质清洁且相对高效地转换为电能和热的装置。近几十年 来已经发展了一系列不同的技术，每种技术都有其自身的原理、反应物种类、最佳操作条件 等。近年来一种受到特别关注的技术就是所谓的PEM燃料电池。 PEM(质子交换膜，proton exchange membrane)燃料电池包括阳极、阴极和插入在 其间的质子交换膜。该质子交换膜在朝向阳极的侧面和朝向阴极的侧面上都包括催化剂。 PEM燃料电池的原理是依靠膜朝向阳极的侧面上的催化剂向膜朝向阳极的侧面提供氢，发 生化学反应 (1)阳极反应H2 — 2H++2e— 阳极由导电材料制成并因此输送在膜的阳极侧产生的电子，而在PEM-膜的阳极 侧产生的质子通过膜扩散。 在膜的阴极侧提供氧(或空气)。如果在电池阴极和阳极之间连接电力负载从而 构成电路，则在阳极产生的电子通过该负载流向阴极。依靠膜朝向阴极的侧面上的催化剂 提供给膜的阴极侧的氧按照下述化学方程式与通过膜扩散的质子和流向阴极的电子发生 反应 (2)阴极反应02+4H++4e— — 2H20+热
因此，PEM燃料电池中发生的净反应是
(3) 2H2+02 — 2H20+电能+热 —个PEM燃料电池能够产生1.23V的电压。为使PEM燃料电池产生更高的电压， 多个PEM燃料电池通常串联在所谓的PEM燃料电池组中。为了经济，燃料电池组常设计为 将一个燃料电池的阴极与相应电池组中相邻燃料电池的阳极结合的方式。这通过使用所谓 的双极板实现。双极板是具有两个侧面的板，其中一个侧面用作一个燃料电池的阳极，另一 侧面用作相应燃料电池组中相邻燃料电池的阴极。 向阳极提供的氢不受其它气体污染是很重要的，在这个意义上讲，PEM燃料电池很 敏感。此外，由于阴极侧产生热，因此使该侧面冷却从而使燃料电池组保持在能提供最佳性 能的温度范围内是很重要的。可以通过相对于向每个电池的阳极侧提供的氢的量向每个电 池的阴极侧提供比所需的更多的氧(或空气)来冷却燃料电池组。冷却的另一原理是在电 池组中设置冷却回路。 基于上述考虑，近年来对PEM燃料电池的更多的研究与开发集中于燃料电池的特 殊的结构设计，特别是双极板的结构设计。 US专利申请NO. 2003/0059664公开了一种电池组构造中的双极板，其中，该双极 板夹在氧电极和氢电极之间，所述氧电极和氢电极相邻于由该双极板分开的电解液室。该电极由网格状的通道形成，使该构造在生产方面复杂且昂贵。 —种简单的电池组结构作为现有技术的例子公开于国际专利申请W02007/003751 中，其中，双极板通过正方形0型圈形式的弹性密封件对电极密封。这些0型圈使氧或氢不 能通过，从而提出了一种不同的、改进的系统，然而该系统具有生产方面复杂的结构。
WO 03/077341公开了一种带有双极板的双极电池组构造，该双极板具有从双极板 的一边向另一边延伸的通道。这些通道通过纤维复合材料对电解液密封。为实现气密设置， 该纤维板的尺寸公差很小，其在生产方面复杂。 因此，双极板的许多不同设计已经在该领域被公开。然而，尽管这些设计中的很多 都满足了对该板的技术要求，但它们都具有结构很复杂并因此其制造昂贵的缺点。特别是 在除双极板之外燃料电池组还包括冷却板的情况下更是如此。

发明内容
本发明的目的在于提供一种用于PEM燃料电池的、克服了上述缺点的双极板和适 于与根据本发明的双极板一起使用的密封件。 该目的通过结合有密封件的双极板实现，其中，该双极板具有阳极侧或阴极侧或 两者，该阳极侧具有用于输送给出质子的燃料的第一流动通道，该阴极侧具有用于输送接 受质子的流体的第二流动通道；优选是弹性密封件的密封件平行于双极板设置，以用于将 该双极板靠着相邻的电解膜进行密封；其特征在于，所述密封件具有横穿该密封件的次级 流体通道，以用于分别横穿该密封件和沿着所述双极板输送给出质子的燃料或接受质子的 流体。 通过提供设有通道的、例如在很大程度上是0型圈形式的密封件，使得龍以简单 的方式围绕燃料通道或流体通道实现气密密封。因此，不需要具有小公差的困难的生产过 程，这使得生产简单且生产成本最小化。该流体通道可以提供为切口 ，该术语"切口"不必 然意味着通道被真实地切开，而是其外观类似于切口 。 一种优选的生产方法是模塑弹性密 封件，其中，密封件在两个模具部分之间被模塑，一个模具部分具有波纹状区域。被模塑的 密封件的波纹分别为流体、典型地是氢气和空气的进入或离开提供了流体通道。
在一优选实施例中，第一通道或第二通道或两者都被密封件围绕。换句话说，该密 封件例如通过沿双极板的边缘侧延伸而限制了所述通道。为将该密封件保持在适当位置， 该双极板可以设有例如浅凹部或深沟形式的槽。 可选地、但不是必须地，如上所述的结合中所用的可以是根据本发明的用于PEM 燃料电池的双极板，所述双极板具有阳极侧和阴极侧；其中 a)所述板具有限定了进入燃料电池的氢气的流动通道的穿透的入口 ；所述板具 有限定了离开燃料电池的氢气的流动通道的穿透的出口 ；禾口 bl)所述阴极侧具有一个边部，该边部包括一个或多个限定了氧化剂气体的入口
通道的槽；所述阴极侧具有另一边部，该另一边部包括一个或多个限定了氧化剂气体的出
口通道的槽；其中，该入口通道槽和出口通道槽延伸至各自的边部的边缘；所述阴极侧具
有一个或多个限定了氧化剂气体的流动通道、且连接氧化剂气体的入口通道和氧化剂气体
的出口通道的槽； 禾P /或
b2)所述阳极侧具有形式为一个或多个从入口内侧延伸的槽的氢气入口通道；所 述阳极侧具有形式为一个或多个从出口内侧延伸的槽的氢气出口通道；所述阳极侧具有一 个或多个限定了氢流动通道的槽；所述槽提供了氢气的从氢气入口到氢气出口的流体连 接；和 c)所述板的阳极侧或阴极侧或两者包括 用于容纳密封件的密封件槽，所述密封件槽沿所述板的边缘延伸，以便能够容纳 密封件，以有效地避免气体除了经由上述为此预设的通道之外的泄漏；可能存在的阴极侧 的所述密封件槽与氧化剂气体的入口通道槽和氧化剂气体的出口通道槽相交；可能存在的 阳极侧的所述密封件槽与经由由槽限定的氢气入口通道进入的氢的流动路径相交；可能存 在的阳极侧的所述密封件槽与经由由槽限定的出口通道离开的氢气的流动路径相交。
本发明还涉及一种用于制造根据本发明的双极板的方法。 下文描述用于密封如上所述的双极板的阴极侧的密封件。该密封件适于装配到所 述双极板的所述阴极侧的密封件槽中，其中，所述密封件在一部分中——其中，该部分适于 装配到密封件槽的沿着特定边部延伸的部分中，所述特定边部分别包括氧化剂气体的入口 通道槽和氧化剂气体的出口通道槽——包括一个或多个用于允许氧化剂气体分别经由氧 化剂气体的入口和出口通道通过该密封件的切出部。 本发明另一方面涉及用于密封如上所述的双极板的阳极侧的密封件。该密封件适 于装配到所述双极板的所述阳极侧的密封件凹槽中；其中-所述密封件在一部分中——其中，该部分适于装配到与连接入口通道槽和槽的 氢气流动路径相交的密封件槽中——包括一个或多个允许氢气经由限定氢气入口通道的 所述槽通过该密封件的切出部；-所述密封件的一部分——其中，该部分适于装配到与连接出口通道槽和槽的氢 气流动路径相交的密封件槽中——包括一个或多个允许氢气经由限定氢气出口通道的所 述槽通过该密封件的切出部。 本发明另 一方面涉及用于制造根据本发明的密封件的方法。 本发明再一方面涉及包括多于一个双极板和一个或多个密封件的PEM燃料电池 组。 本发明再一方面涉及PEM燃料电池组系统。根据本发明的PEM燃料电池组系统包 括燃料电池组，其中，该PEM燃料电池组封装于容器中，使得在所述容器内形成两个分离的 室，第一室位于燃料电池组的、包括每个燃料电池的具有氧入口通道的边部的特定侧；另一 室位于燃料电池组的、包括每个燃料电池的具有氧出口通道的边部的特定侧；所述分离的 室因此限定了氧入口总管和氧出口总管。 本发明再一方面涉及使用PEM燃料电池组或通过使用PEM燃料电池组系统产生电 能和/或热的方法。 本发明再一方面涉及根据本发明的PEM燃料电池组或根据本发明的PEM燃料电池 组系统用作备用能量系统的用途。 本发明再一方面涉及根据本发明的PEM燃料电池组或根据本发明的PEM燃料电池 组系统用作连续的能量产生系统的用途。


图1是示出了根据本发明的双极板的阳极侧的平面图。
图2是示出了根据本发明的双极板的阴极侧的平面图。 图3是示出了用于密封根据本发明的双极板的阳极侧的密封件的平面图。 图4是示出了用于密封根据本发明的双极板的阴极侧的密封件的平面图。 图5示出了用于插入在根据本发明双极板之间的膜的平面图。 图6是从一个"多层元件"的阳极侧看去的透视图，该"多层元件"包括(从左至
右)用于PEM双极板的阳极侧的密封件；PEM双极板；用于密封PEM双极板的阴极侧的密
封件；最后是膜。 图7是从一个"多层元件"的阴极侧看去的透视图，该"多层元件"包括(从左至 右)膜；用于密封PEM双极板的阴极侧的密封件；PEM双极板；最后是用于密封PEM双极板 的阳极侧的密封件。 图8是根据本发明的燃料电池组组件的透视分解图，示出了双极板、膜、密封件和 端板。 图9是根据本发明的燃料电池组系统的透视分解图，其中，燃料电池组封装于容 器中，该容器设计成具有两个分离的室，该室分别用作用于吸入的氧/空气的总管和用于 排出的氧/空气及水蒸气的总管。 图10示出了从阳极侧看去的双极板的可选实施例。
图11示出了从阴极侧看去的双极板的可选实施例。
具体实施方式

双极板 本发明在某些方面提供了一种用于PEM燃料电池组的双极板。根据本发明的双极 板由于其简单的设计而很容易生产，并因此可以低成本地制造。 根据本发明的双极板具有两个侧面S卩，如图1所示设计用作阳极的一个侧面和 如图2所示设计用作阴极的另一侧面。根据本发明的双极板还具有限定了用于进入燃料电 池的氢气的流动通道的穿透的入口 2和限定了用于离开该燃料电池的氢气的流动通道的 出口 4。 当堆叠于PEM燃料电池组中时，多个根据本发明的双极板以每个板的氢气入口恰 好彼此相关地位于同一位置的方式设置。这样，电池组的每个双极板的入口限定了用于进 入该燃料电池组的氢气的流动通道。此外，每个板的氢气出口恰好彼此相关地位于同一位 置。这样，电池组的每个双极板的出口限定了用于离开该燃料电池组的氢气的流动通道。
根据本发明的双极板优选具有四个边部，并优选具有其中相邻边部基本互相垂直 的几何形状。在这种设计中，优选将氢入口 2和氢出口 4设置于极板的基本相对的拐角处， 图1和图2示出了该设置。可选择地，这些开口 2和4也可设置于相邻的拐角附近，从而设 置在同一边部上。 燃料电池的双极板的阴极侧 双极板1的阴极侧，如图2中所示，包括两个边部10a、10b。 一个边部10a包括一 个或多个限定了氧化剂气体的入口通道的槽6。另一边部10b包括一个或多个限定了氧化剂气体的出口通道的槽8。该槽6和8分别一直延伸至每个边部10a、10b的边缘。以此种 方式设置双极板的边缘中的开口，这些开口用作向双极板的阴极侧上的反应部位引入氧和 从该反应部位排出氧及水蒸气的通道。 由槽6限定的入口通道和由槽8限定的出口通道经由槽12流体连接，从而实现氧 从入口通道槽6经由槽12流向双极板的阴极侧的反应部段和经由出口通道槽8流出双极 板。连接入口通道槽6和出口通道槽8的槽12的特定几何形状不是关键的，且完全是可选 的。然而，优选地该通道12具有确保将氧有效地提供给双极板的阴极侧的一定区域、并从 而提供给相应膜的尽可能大的相应活性部位的几何形状。 根据本发明的双极板在阴极侧上和沿板边缘包括用于实现密封的密封件槽14a。 这在图6和图7中以分解图示出。当堆叠于燃料电池组中时，密封件槽14a中的密封件确 保除了经由如前所述的预设的通道外，没有氧或氧气/水蒸气逸出燃料电池组的阴极侧。
该密封件槽14a在阴极侧环绕氢入口 2和氢出口 4。当密封件环绕氢入口 2和氢 出口 4时，确保没有来自氢入口 2和氢出口 4的氢泄漏到燃料电池组的双极板的阴极侧。
在边部10a和10b处，密封件槽14a与氧入口通道槽6和氧出口通道槽8相交。然 而，如下文关于密封件自身的部分中所述，处于与边部10a和10b对应的位置处的密封件具 有多个允许氧通过的切口。 入口通道槽6的数量完全是可选的。然而优选地，入口通道槽的数量是2-20，例如 4-18，例如5-15，例如7-14，例如8-12，优选是9、 10或11。 出口通道槽8的数量完全是可选的。然而优选地，出口通道槽的数量是2-30，例如 4-28，例如5-25，例如7-24，例如8-22，例如10-10，例如12-18，优选是13、 14、 15、26或17。
在一优选实施例中一一其中，根据本发明的双极板具有四个边部，且具有相邻边 部基本互相垂直的几何形状——优选地，包括入口通道槽6的边部10a与包括出口通道槽8 的边部10b相对地布置。该优选设计如图2所示。然而，该边部10a和10b在另一实施例 中可以是相邻边部。 图2示出了根据本发明的双极板的阴极侧的平面图。图2示出了包括氢入口 2和 氢出口 4的双极板1。该双极板还在其阴极侧包括从边部10a的边缘延伸的、槽6a-60形式 的氧入口通道。此外，阴极侧还包括从边部10b的边缘延伸的、槽8a-8o形式的氧出口通道。 图2还示出了槽6a-60经由流动通道12连接于槽8a-8o。最后，图2示出了根据本发明的 双极板的阴极侧的密封件槽14a。该密封件槽14a围绕阳极侧的所有其它槽(槽6a-6o和 8a-So的外侧部分除外)，从而有效地提供了有效避免气体泄漏的手段。
可选择地，如图lla所示(图llb示出了其切出区域的放大图)，氧入口通道和氧 出口通道可以仅由密封件50形成。严格地，槽6a-60和8a-80不是必需的，这在生产方面 是有利的。 燃料电池的双极板的阳极侧 如图1所示，燃料电池的阳极侧包括形式为从氢入口 2内侧延伸的一个或多个槽 16的氢气入口通道16。类似地，该阳极侧还包括形式为从氢出口 4内侧延伸的一个或多个 槽18的出口通道。 此外，根据本发明的双极板的阳极侧包括氢流动通道20。该氢流动通道用于有效 地分配提供给燃料电池的阳极侧的氢，并因此有效地分配提供给膜的阳极侧上的相应活性部位的氢。该流动通道20连接入口槽16和出口槽18。 连接入口通道槽16和出口通道槽18的槽20的特定几何形状不是关键的且完全
是可选的。然而，优选地该通道20具有确保将氢有效地提供给双极板的阴极侧的一定区
域、并因此提供给相应膜的阳极侧的尽可能大的相应活性部位的几何形状。 氢槽16、20、18使氢能经由氢槽16和流动通道20从氢入口 2流出、经由槽18流
至氢出口 4。 根据本发明的双极板在阳极侧上和沿板的边缘包括实现密封的密封件槽14b。这 在图6和7中示出。当堆叠于燃料电池组中时，密封件槽14b中的密封件确保除了经由如 前所述预设的通道外，没有氢逸出燃料电池组的阳极侧。 试验表明，如果阴极侧上的密封件的几何形状与阳极侧上的密封件的几何形状镜 像对称——在这个意义上，所述密封件设置成使得，当从垂直于板的表面的方向看去时，所 述密封件相互遮蔽——则会实现最优质的密封性能。由于板的阴极侧必须包括分别围绕氢 入口 2和氢出口 4的密封件槽，因此，优选地根据本发明的双极板的阳极侧也包括分别围绕 氢入口 2和氢出口 4的密封件槽。 在双极板的阳极侧上和围绕氢入口 2提供密封件槽使得密封件槽14b与进入双极
板的阳极侧的氢的流动相交——该氢从入口 2经由入口通道槽16流至流动通道20。类似
地，在双极板的阴极侧上和围绕氢出口 4提供密封件槽使得密封件槽14b与离开双极板的
阳极侧的氢的流动相交——该氢从流动通道20经由出口通道槽16流至出口 2。 如下文中关于该密封件本身的部分所公开的，对应于氢流动路径与密封件槽14b
相交位置处的密封件有多个允许氢通过的切出部。 入口通道槽16和出口通道槽18的数量分别完全是可选的，且将取决于双极板的 尺寸。然而，优选地，入口通道槽16和出口通道槽18的数量分别是1-10，例如2-9，例如 3-8，例如4-7，例如5或6。 图1示出了根据本发明的双极板的阳极侧的平面图。图1示出了包括氢入口 2和 氢出口 4的双极板1。该双极板还在其阳极侧包括从氢入口 2的内侧延伸的、槽16a-16g形 式的氢气入口通道。此外，阳极侧还包括从氢出口 4的内侧延伸的、槽18a-18g形式的出口 通道。图1还示出了槽16a-16g经由流动通道20连接于槽18a-18g。最后，图l示出了根 据本发明的双极板的阳极侧的密封件槽14b。密封件槽14b围绕阳极侧的其它所有槽，并因 此有效地提供了有效避免气体泄漏的手段。 可选择地，如图10所示，该氢入口通道可以仅由密封件70形成。严格地，槽 16a-16o和18a-18o不是必需的，这在生产方面是有利的。 在根据本发明的双极板的一实施例中，该双极板只包括上文关于阳极侧所述的特 征。 在根据本发明的双极板的另一实施例中，该双极板只包括上文关于阴极侧所述的 特征。 在根据本发明的又一实施例中，该双极板包括上文关于阴极侧和阳极侧所述的特 征。 根据本发明的双极板的制造 本发明第二方面涉及根据本发明的双极板的制造方法。
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根据本发明的双极板可以由任何合适的材料制成。必要特征是，该双极板的材料 导电且抗腐蚀。合适的材料可以从包括石墨；含粘合剂的石墨粉；金属；带抗腐蚀涂层的 金属；合金；带抗腐蚀涂层的合金；导电的弹性化合物(elastomeric compound);和导电的 陶瓷材料的群组中选取。 根据本发明的双极板可以通过本领域已知的常规技术制造。在用于制备根据本发
明的双极板的方法的一优选实施例中，该双极板通过下述步骤制造 i)准备尺寸至少对应于双极板的所需设计的材料； ii)通过例如在CNC铣床中铣掉多余材料来准备所需设计的细节； iii)可选地为所述板涂上抗腐蚀涂层。 在用于制备根据本发明的双极板的方法的另一优选实施例中，该双极板通过下述 步骤制造 i)准备适于模塑和/或浇铸的材料；
ii)将材料浇铸成双极板的所需设计；
iii)可选地为所述板涂上抗腐蚀涂层。 肝鄉鹏輛日月麵麵勺國薩隨则白條藩减先隨诚
本发明第三方面涉及用于密封根据本发明的双极板的阴极侧的密封件。该密封件 适于装配到所述双极板的所述阴极侧的密封件槽14a中，从而有效地密封由双极板的阴极 侧的槽提供的流动通道。密封件在部分52a和52b中——其中，该密封件适于装配到密封 件槽的沿特定边部10a和10b延伸的部分中，所述特定边部分别包括氧化剂气体的入口通 道槽和氧化剂气体的出口通道槽——包括一个或多个允许氧化剂气体分别经由氧化剂气 体的入口和出口通道通过该密封件的切出部54a、54b。 在用于密封根据本发明的双极板的阴极侧的密封件的一优选实施例中，密封件中 的切出部54a、54b的数量分别对应于限定氧化剂气体的入口通道的槽6和限定氧化剂气体 的出口通道的槽8的数量。 图4示出了根据本发明的、用于密封根据本发明的双极板的阴极侧的密封件的平
面图。图4示出了密封件50，该密封件包括能完美地适配在图2的双极板的阴极侧的密封
件槽14a中的密封件材料。图4中的密封件包括分别位于边部52a和52b中的切出通道
54a和54b。这些切出部为氧化剂气体进入和离开燃料电池提供了通道。 本发明第四方面涉及用于密封根据本发明的双极板的阳极侧的密封件。该密封件
适于装配到所述双极板的所述阳极侧的密封件槽14b中，从而有效地密封由双极板的阳极
侧的槽提供的流动通道。 阳极侧密封件在部分72中——其中，该密封件适于装配到与连接入口通道槽16 和槽20的氢气流动路径相交的密封件槽中——包括一个或多个切出部74a，以允许氢气经 由限定氢气入口通道的所述槽通过该密封件。此外，阳极侧密封件在部分76中——其中， 该密封件适于装配到与连接出口通道槽18和槽20的氢气流动路径相交的密封件槽中—— 包括一个或多个切出部74b，以允许氢气经由限定氢气出口通道的所述槽通过该密封件。
在用于密封根据本发明的双极板的阴极侧的密封件的一优选实施例中，密封件中 的切出部74a、74b的数量分别对应于限定氢气入口通道的槽16和限定氢气出口通道的槽 18的数量。
图3示出了根据本发明的用于密封根据本发明的双极板的阳极侧的密封件的平 面图。图3示出了密封件70，该密封件包括能完美地适配在图1的双极板的阳极侧的密封 件槽14b中的密封件材料。图3中的密封件包括分别位于部段72和76中的切出通道74a 和74b。这些切出部为氢气进入和离开燃料电池提供了通道。 根据本发明的密封件——无论是用于根据本发明的阳极侧或阴极侧——可以 由任何合适的材料制成。用于该密封件的一种优选材料是从包括合成橡胶/弹性体 (elastomer)，例如烃橡胶，取代烃橡胶(substitutedhydrocarbon rubber)，例如氟代烃橡 胶；和硅橡胶的群组中选取的材料。优选地，该密封件材料非常抗腐蚀和/或非常能够防止 氢渗透。在此，术语"非常"意思是，该材料即使长期暴露于燃料电池组工作期间所遭遇的 条件下、例如暴露几个月或几年，仍具有上述所需特性。 本发明第五方面涉及根据本发明的密封件的制造方法。根据本发明的密封件以合 成橡胶工程技术领域中本身已知的方式进行制造。优选地，通过将密封件材料模塑成密封 件的所需设计来制造该密封件材料。
釘射免月草 为了完整性并参考图5，提供与根据本发明的双极板一起使用的质子交换膜的相 关信息。该质子交换膜可以由这种膜通常使用的任何合适的材料制成。本领域的技术人员 了解适于用作质子交换膜的材料。该膜在一侧包括用于催化阳极反应的催化剂，在另一侧 包括用于催化阴极反应的催化剂。所用的该催化剂可以是任何常规种类的。本领域的技术 人员了解适于用作膜的阳极催化剂和阴极催化剂的材料。优选地，该质子交换膜的尺寸对 应于根据本发明的双极板的表面的尺寸。此外，优选地，该质子交换膜包括允许进入/离开 燃料电池的氢通过的开口。 图5示出了包括催化剂材料46的质子交换膜40。该质子交换膜40的尺寸对应于 根据本发明的质子交换膜的表面的尺寸。此外，该质子交换膜40包括允许进入/离开燃料 电池的氢通过的开口 42和44。
根据本发明的PEM燃料电池组 本发明的第六方面涉及PEM燃料电池组90，该燃料电池组包括多于一个根据本发 明的双极板和一个或多个根据本发明的密封件。 图6以从阳极侧看去的透视图示出了"多层元件"，该"多层元件"包括(从左至 右)用于密封PEM双极板的阳极侧的密封件70 ;PEM双极板1 ;用于密封PEM双极板的阴 极侧的密封件50 ;和最后是膜40。 同样，图7以从阴极侧看去的透视图示出了"多层元件"，该"多层元件"包括(从 左至右)膜40 ;用于密封PEM双极板的阴极侧的密封件50 ;PEM双极板1 ;和最后是用于密
封PEM双极板的阳极侧的密封件70。 根据本发明的PEM燃料电池组包括两个或多个重复的、如图6禾P /或7所示的多 层单元。电池组的末端以端板终止。该端板的设计遵循现有技术的惯例，且在提供该端板 的本领域技术人员的能力范围之内。 图8以透视分解图示出了根据本发明的燃料电池组组件90，该组件90包括双极板 1、膜40、密封件70和50、及端板92。本发明的第七方面涉及PEM燃料电池组系统。该PEM燃料电池组系统包括PEM燃
12料电池组90，所述PEM燃料电池组封装于容器102中，使得在所述容器内形成两个分离的 室104、106，第一室104位于燃料电池组的、包括每个燃料电池的具有氧入口通道6的边部 10a的特定侧；另一室106位于燃料电池组的、包括每个燃料电池的具有氧出口通道8的边 部10b的特定侧。因此，所述分离室限定了氧入口总管和氧出口总管。这使得能够将氧/ 空气抽吸到包括边部10a的分离室中，并由此进入入口通道槽6，并因此使得能够实现氧向 朝向阴极侧的膜的活性部位的恒定供应。 图9是根据本发明的燃料电池组系统100的透视分解图，其中，燃料电池组90封 装于容器102a、102b中，其设计成提供两个分离的隔间104、106，分别用作用于吸入的氧/ 空气的总管和用于排出的氧/空气及水蒸气的总管。
根据本发明的PEM燃料电池朝的用涂 本发明第八方面涉及使用根据本发明的PEM燃料电池组或根据本发明的PEM燃料 电池组系统产生电能和/或热的方法。 本发明第九方面涉及根据本发明的PEM燃料电池组或根据本发明的PEM燃料电池 组系统作为备用能量系统的用途。 本发明第十方面涉及根据本发明的PEM燃料电池组或根据本发明的PEM燃料电池 组系统作为连续的能量产生系统的用途。
权利要求
一种用于PEM燃料电池的、双极板(1)与密封件(50，70)的组合体，其中，所述双极板(1)具有阳极侧或阴极侧或两者，该阳极侧具有用于输送给出质子的燃料的第一流动通道(20)，该阴极侧具有用于输送接受质子的流体的第二流动通道(12)；密封件(50，70)平行于双极板(1)设置，以用于将该双极板靠着相邻的电解膜(40)进行密封；其特征在于，所述密封件(50，70)具有横穿该密封件(50，70)的流体通道(54a，54b，74a，74b)，以用于横穿该密封件和沿着所述双极板输送给出质子的燃料或接受质子的流体。
2. 根据权利要求l的组合体，其特征在于，所述密封件是弹性的。
3. 根据权利要求1或2的组合体，其特征在于，所述第一流动通道(20)或第二流动通 道(12)或两者被密封件(50,70)围绕。
4. 根据权利要求1、2或3的组合体，其特征在于，所述双极板设有用于容纳密封件 (50,70)的槽(14a，14b)。
5. 根据权利要求3的组合体，其特征在于，所述槽(14a，14b)沿着所述双极板(1)的所 有边缘。
6. 用于根据上述任一权利要求的组合体的双极板(l)，所述双极板具有阳极侧和阴极 侧；其中，a)所述板具有限定了进入燃料电池的氢气的流动通道的穿透的入口 (2);所述板具有 限定了离开燃料电池的氢气的流动通道的穿透的出口 (4);禾口bl)所述阴极侧具有一个边部(10a)，该边部包括一个或多个限定了氧化剂气体的入 口通道的槽(6);所述阴极侧具有另一边部(10b)，该另一边部包括一个或多个限定了氧化 剂气体的出口通道的槽(8);其中，该入口通道槽和出口通道槽延伸至各自的边部的边缘；所述阴极侧具有一个或多个限定了氧化剂气体的流动通道且连接氧化剂气体的入口通道和氧化剂气体的出口通道的槽(12); 或b2)所述阳极侧具有形式为一个或多个从入口 (2)内侧延伸的槽(16)的氢气入口通 道；所述阳极侧具有形式为一个或多个从出口 (4)内侧延伸的槽(18)的氢气出口通道；所 述阳极侧具有一个或多个限定了氢流动通道的槽(20);所述槽(16， 18， 20)提供了氢气的 从氢气入口 (2)到氢气出口 (4)的流体连接；或bl)和b2)两者；且C)所述板的阳极侧或阴极侧或两者包括用于容纳密封件的密封件槽(14)，所述密封件槽沿所述板(1)的边缘延伸，以便能够 容纳密封件，以有效地避免气体除了经由上述为此预设的通道之外的泄漏；可能存在的阴 极侧的所述密封件槽(14a)与氧化剂气体的入口通道槽(6)和氧化剂气体的出口通道槽 (8)相交；可能存在的阳极侧的所述密封件槽(14b)与经由由槽(16)限定的氢气入口通道 进入的氢的流动路径相交；可能存在的阳极侧的所述密封件槽与经由由槽(18)限定的出 口通道离开的氢气的流动路径相交。
7. 根据权利要求6的双极板，其特征在于，该双极板包括特征a)、特征bl)、特征b2)和 特征c)。
8. 根据权利要求6的双极板，其特征在于，该双极板包括只与阴极侧相关的特征a)、特 征bl)和特征c)。
9. 根据权利要求6的双极板，其特征在于，该双极板包括只与阳极侧相关的特征a)、特 征b2)和特征c)。
10. 根据权利要求6-8中任一项的双极板，其特征在于，该板包括特征bl);限定氧化剂 气体的入口通道的槽(6)的数量是2-20，例如4-18，例如5-15，例如7_14，例如8_12，优选 地是9、10或11。
11. 根据权利要求6-10中任一项的双极板，其特征在于，该板包括特征bl);限定氧化 剂气体的出口通道的槽(8)的数量是2-30，例如4-28，例如5-25，例如7-24，例如8-22，例 如10-20，例如12-18，优选地是13、 14、 15、 16或17。
12. 根据权利要求6-11中任一项的双极板，其特征在于，该板包括特征b2);提供从氢 入口 (2)至槽(20)的通道的槽(16)的数量是l-10，例如2-9，例如3-8，例如4-7，例如5 或6。
13. 根据权利要求6-12中任一项的双极板，其特征在于，该板包括特征b2);提供从氢 出口 (4)至槽(20)的通道的槽(18)的数量是l-10，例如2-9，例如3-8，例如4-7，例如5 或6。
14. 根据权利要求6-7和10-13中任一项的双极板，其特征在于，该双极板包括特征 a)、bl)、b2)和c)，其中，特征c)在该双极板的阳极侧和阴极侧上包括密封件槽。
15. 根据权利要求6-14中任一项的双极板，其特征在于，该板由从包括石墨；含粘合 剂的石墨粉；金属；带抗腐蚀涂层的金属；合金；带抗腐蚀涂层的合金；导电的弹性化合物； 和导电的陶瓷材料的群组中选取的材料制成。
16. 用于制造根据权利要求6-15中任一项的双极板的方法，该方法包括下述步骤i) 准备尺寸至少对应于双极板的所需设计的材料；ii) 通过例如在CNC铣床中铣掉多余材料来准备所需设计的细节；iii) 可选地为所述板涂上抗腐蚀涂层。
17. 用于制造根据权利要求6-15中任一项的双极板的方法，该方法包括下述步骤i) 准备适于模塑和/或浇铸的材料；ii) 将所述材料浇铸成双极板的所需设计；iii) 可选地为所述板涂上抗腐蚀涂层。
18. 用于密封根据权利要求6-8和10-15中任一项的双极板的阴极侧的密封件(50)， 所述双极板包括bl)中限定的特征，其中，所述密封件适于装配到所述双极板的所述阴极 侧的密封件槽(14a)中；所述密封件的一部分(52a，52b)包括一个或多个用于允许氧化剂 气体分别经由氧化剂气体的入口和出口通道通过该密封件的切出部(54a，54b)，其中，该密 封件部分(52a，52b)适于装配到密封件槽的沿着特定边部(10a，10b)延伸的部分中，所述 特定边部分别包括氧化剂气体的入口通道槽和氧化剂气体的出口通道槽。
19. 根据权利要求18的密封件，其特征在于，密封件中的切出部(54a，54b)的数量分别 对应于限定氧化剂气体的入口通道的槽(6)的数量和限定氧化剂气体的出口通道的槽(8) 的数量。
20. 用于密封根据权利要求6-7和9-15中的任一项的双极板的阳极侧的密封件(70)， 所述双极板包括b2)中限定的特征，其中，所述密封件适于装配到所述双极板的所述阳极 侧的密封件槽(14b)中;-所述密封件的一部分(72)包括一个或多个允许氢气经由限定氢气入口通道的所述 槽通过该密封件的切出部(74a)，其中，该密封件部分(72)适于装配到与连接入口通道槽 (16)和槽(20)的氢气流动路径相交的密封件槽中；-所述密封件的一部分(76)包括一个或多个允许氢气经由限定氢气出口通道的所述 槽通过该密封件的切出部(74b)，其中，该密封件部分(76)适于装配到与连接出口通道槽 (18)和槽(20)的氢气流动路径相交的密封件槽中。
21. 根据权利要求20的密封件，其特征在于，密封件中的切出部(74a，74b)的数量分别 对应于限定氢气入口通道的槽(16)的数量和限定氢出口通道的槽(18)的数量。
22. 根据权利要求18-21中任一项的密封件，其特征在于，所述密封件由从包括合成 橡胶，例如烃橡胶，取代烃橡胶，例如氟代烃橡胶；和硅橡胶的群组中选取的材料制成。
23. 根据权利要求22的密封件，其特征在于，该密封件材料非常抗腐蚀和/或非常能防 止氢的渗透。
24. 根据权利要求18-23中任一项的密封件的制造方法，包括将密封件材料模塑成密 封件的所需设计。
25. —种PEM燃料电池组(90)，该PEM燃料电池组包括多于一个根据权利要求6-15中 任一项的双极板和一个或多个根据权利要求18-23中任一项的密封件。
26. —种PEM燃料电池组系统(100)，该PEM燃料电池组系统包括根据权利要求25的 燃料电池组，其中，该PEM燃料电池组封装于容器(102)中，使得在所述容器内形成两个分 离的室(104，106)，第一室(104)位于燃料电池组的、包括每个燃料电池的具有氧入口通道 (6)的边部(10a)的特定侧；另一室(106)位于燃料电池组的、包括每个燃料电池的具有氧 出口通道(8)的边部(10b)的特定侧；所述分离的室因此限定了氧入口总管和氧出口总管。
27. 使用根据权利要求25的PEM燃料电池组或根据权利要求26的PEM燃料电池组系 统产生电能和/或热的方法。
28. 根据权利要求25的PEM燃料电池组或根据权利要求26的PEM燃料电池组系统用 作备用能量系统的用途。
29. 根据权利要求25的PEM燃料电池组或根据权利要求26的PEM燃料电池组系统用 作连续的能量产生系统的用途。
全文摘要
本发明涉及一种用于PEM燃料电池的、结合有密封件(50，70)的双极板(1)，其中，该双极板(1)具有阳极侧或阴极侧或两者，该阳极侧具有用于输送给出质子的燃料的第一流动通道(20)，该阴极侧具有用于输送接受质子的流体的第二流动通道(12)；密封件(50，70)平行于双极板(1)设置，以用于将该双极板靠着相邻的电解膜(40)进行密封。该密封件(50，70)具有横穿该密封件(50，70)的流体通道(54a，54b，74a，74b)，以用于分别横穿该密封件和沿着所述双极板输送给出质子的燃料或接受质子的流体。
文档编号H01M8/24GK101796677SQ200880105590
公开日2010年8月4日 申请日期2008年7月18日 优先权日2007年7月18日
发明者A·R·科斯加德, M·邦 申请人:塞尔能源公司