[发明专利]控制PEM燃料电池堆的现场成型密封厚度的方法

说明书

技术领域

本发明涉及在组件（诸如燃料电池）中密封构件，以及控制密封件的厚度。

背景技术

该部分提供关于本公开的背景信息，该背景信息不一定是现有技术。

氢是有吸引力的燃料，因为其提供低排放并且可以用于在燃料电池中高效地产生电。氢燃料电池是具有阳极和阴极的电化学设备，阳极和阴极由电解质分开。阳极接收燃料（例如，氢气）且阴极接收氧化剂（例如，氧或空气）。氢气在阳极中解离从而生成自由质子和电子，而质子穿过电解质到达阴极。来自阳极的电子不穿过电解质，而是在被引导到阴极之前被引导通过负载来做功。在阴极中，质子、电子和氧反应并生成水。

质子交换膜（PEM）燃料电池是用于驱动车辆的燃料电池的一种类型。PEM燃料电池通常包括固态聚合物电解质质子传导膜，例如全氟磺酸膜。阳极和阴极可以包括细分的催化性颗粒的催化混合物，诸如铂（Pt），担载在碳颗粒上，并与离子聚合物混合。催化混合物可以沉积在膜的相对侧。阳极催化混合物、阴极催化混合物和膜的组合可以被称为膜电极组件（MEA）。

若干燃料电池可以组合为一个或多个燃料电池堆以产生所需功率。对于某些应用，燃料电池堆可以包括几百或更多的燃料电池。燃料电池堆接收阴极反应物气体，其可以是由压缩机强制通过堆的空气流。燃料电池堆也接收阳极反应气体，诸如氢，其流入该堆的阳极侧。

燃料电池堆可以包括位于堆中的若干MEA之间的一系列双极板，双极板和MEA位于两端板之间。对于堆中的相邻的燃料电池，双极板包括阳极侧和阴极侧。在双极板的阳极侧提供有阳极气流通道，其允许阳极反应气体流到相应的MEA。在双极板的阴极侧提供有阴极气流通道，其允许阴极反应气体流到相应的MEA。一个端板包括阳极气流通道，另一个端板包括阴极气流通道。双极板和端板由导电材料制成，诸如不锈钢或导电复合物。端板将燃料电池产生的电导出堆。双极板还可以包括冷却剂流通道，冷却流体流过该流通道，以便控制燃料电池的温度。

反应物气流通道可以被密封以防止燃料和氧化剂流体流的泄漏和相互混合。燃料电池堆可以在堆构件之间采用弹性密封或垫片以提供有效的密封。这种密封还可以通过对燃料电池MEA的歧管和电化学活性区域进行划分而将其隔离开。例如，通过介于流场板和膜之间的受到压缩力的由弹性材料形成的弹性垫片可以实现流体紧密封。因此，具有多个板的燃料电池堆可以设有多个垫片和适当的压缩系统，用于对垫片施加压缩力。

围绕板歧管开口和燃料电池内的MEA的密封可以包括形成带有流体不可透过及弹性的垫片的MEA，将预先成型的垫片放置在电极层和/或隔离板中的通道中，或在电极层或隔离板中的凹槽中模制密封件，以及划分电化学活性区域和任何流体歧管开口。

还可以使用现场固化和现场成型方法来形成密封。现场固化方法使前驱体材料（诸如硅树脂弹性体）的珠分散，以便在两个或多个构件之间提供密封。现场固化工艺可以用于部件可以分解用以维护的情况下。前驱体的珠分散在要组装的构件之一的特别限定的区域中。一旦前驱体已经固化并且粘附到其所施加的构件上，则构件与其它构件组装，并且该固化的珠被压缩。固化的材料的压缩和内聚提供密封。然而，对于现场固化密封来说，可能难以可靠地满足前驱体的分散的珠的严格的垫片高度公差（例如，1.050±0.10mm）。因此，使用慢的和成本高的自动分散速度（例如，每个板大约60秒的循环时间）来获得期望的公差。

在两个或多个堆构件的组装期间，现场成型方法使前驱体材料（诸如硅树脂弹性体）的珠分散。前驱体分散在一个或多个构件的表面上，然后构件在前驱体仍然是湿的和未固化时被组装。一旦前驱体已经固化，则弹性的内聚在构件之间提供密封。该技术可以用于构件在生产线上立即组装并且部件不需要经常分解的情况。使用现场成型密封工艺可以使分散的垫片高度公差放大大约10倍（例如，2.50±1.0mm），其从而使密封循环时间减半（例如，每个板大约30秒循环时间）。然而，对于现场成型密封而言，燃料电池中的金属双极板可能不足够坚硬和平坦，使得难以在堆组装时控制未固化和湿的垫片的厚度。

发明内容

本发明技术包括与组件的密封构件相关的系统、过程、制造物和成分。现场成型方法、密封剂和密封件包括一个或多个可变形的或软的间隔件。这些可变形的间隔件可以控制所得到的密封件的厚度，而不会不利地影响弹性及其密封力。