[发明专利]成形和填充子衬垫

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池电堆并且更具体地涉及用于制造燃料电池电堆的子衬垫的系统和方法。

背景技术

燃料电池已经被提出作为一种针对各种应用的干净、高效且对环境负责的动力源。具体地，各个燃料电池能够被串联地堆在一起以便形成能够提供足以向电动车辆供给动力的电量的燃料电池电堆。燃料电池电堆已经被认为是在现代车辆中使用的传统内燃发动机的可能替代物。

燃料电池是电化学器件，其将例如氢的燃料和例如氧的氧化剂结合在一起以产生电。氧通常由空气流来供应。氢和氧结合导致水的形成。能够使用其他燃料，例如天然气、甲醇、汽油和例如由煤得到的合成燃料。

一种燃料电池类型公知为质子交换膜（PEM）燃料电池。PEM燃料电池通常包括三个基本部件：阴极、阳极和电解质膜。阴极和阳极通常包括被支撑在碳颗粒上并与离子型聚合物混合的细磨催化剂，例如铂。电解质膜被夹在阴极和阳极之间从而形成膜电解质组件（MEA）。

在典型的PEM型燃料电池中，MEA被夹在扩散介质或扩散层（DM）之间，该扩散介质或扩散层由弹性导电且可透过气体的材料（例如碳纤维或纸）形成。在某些设计中，阴极和阳极也被形成在DM上并在其间夹有电解质膜。DM用作阳极和阴极的电流收集器并且对MEA提供机械支撑。DM和MEA被压在一对导电双极板之间，这对导电双极板也用作电流收集器以用于收集来自电化学燃料电池反应的电流。

双极板通常包括两个薄的对置金属单极板。金属单极板中的一个在其一个外表面上限定流动路径以用于向MEA的阳极输送氢反应物。另一个单极板的外表面限定用于向MEA的阴极侧输送氧化剂反应物的流动路径。当单极板被结合时，结合的表面限定用于从其通过的冷却剂流体的路径。单极板通常由可成形金属制成，该可成形金属提供适当强度、电导率和抗腐蚀性，例如316L合金不锈钢。

燃料电池电堆通常被压缩以便在操作中将其各种部件保持在一起。为了阻止反应物和其他流体从燃料电池电堆的不良泄漏，通常使用密封。可以通过子衬垫来提供密封，例如该子衬垫被连接到电解质膜。密封还可以沿成对板的周界边缘设置。公知的密封由弹性体材料形成。

存在对于在燃料电池电堆的板之间的密封方法的持续需求，其中密封阻止流体从燃料电池电堆泄漏并且最小化制造复杂性。

发明内容

根据本公开，令人瞩目地发现了在燃料电池电堆的板之间的密封方法，其中该密封阻止流体从燃料电池电堆泄漏并且最小化制造复杂性。

成形子衬垫

成形子衬垫的材料候选：

子衬垫可以由薄膜聚合物制成，所述薄膜聚合物成本低且与燃料电池环境和制造子衬垫以及将子衬垫组装到燃料电池内所必要的处理步骤相容。一些膜材料是聚丙烯、PEN和PET的较高温度的变体。本领域的普通技术人员应该理解，在子衬垫厚度在子衬垫占地面积上变化的情况下泡沫型聚合物膜会是理想的。具体地，泡沫聚合物允许厚度变化而不需要在制造过程期间在膜的平面内存在过量的聚合物流动。

制造过程选项：

一种制造方法是热成型薄聚合物膜。具体可以使用公知为匹配模制（match molding）的热成型过程，并且其能够在膜内形成精确的细节。此外，匹配模制能够使得一些聚合物在零件的平面内流动，从而产生厚和薄这两种区段。通过将膜加热到恰在熔点之下或之上并且在零件的阳模和阴模之间挤压该膜从而实现匹配模制。

如果需要最终零件具有稍均匀的厚度并且不需要特征的精确性，则也可以使用真空成型和/或压力成型。因为成形的子衬垫不需要显著的伸缩性（即子衬垫是基本平面的），所以这种方法可以被使用。

密封压条成型件

密封压条成型件（seal bead form）被设计成使得密封压条成型件在堆叠压缩期间能够弯曲，但并不会弯曲成使得应力减小密封压条成型件在注射未固化弹性体密封剂期间保持流体压力的能力。当被部分压缩时，例如，在注射未固化弹性体密封剂之前，密封压条成型件需要在与双极板的接触线处施加足够的力以便充分密封并阻止被注射的未固化弹性体密封剂的显著泄漏。密封剂的任何不显著的泄漏均应当不危害到压条的固化后压缩或阻止燃料电池电堆内反应物或冷却剂的流动。

密封压条成型件可以利用单个隆起的压条轮廓而仅接触一个双极板。这种实施例会在成形的压条轮廓的顶部和上部双极板的下表面之间需要薄的密封（或粘结剂）。第二实施例使用两个隆起的压条轮廓且具有沿成形弹性体通路并位于压条轮廓中的两个隆起之间的孔眼。当被填充时，未固化弹性体流动通过孔眼从而使得弹性体与两个双极板接触。