[发明专利]鲁棒型燃料电池堆密封材料及使用薄弹性体密封件的方法

说明书

背景技术

本发明大体上涉及用于在燃料电池组件中使用的接合的或流体地配合的流体输送板内的改进的反应物和冷却剂流动密封的装置及方法，并且更特别地涉及使用设置在金属压条的顶部上的微型密封件，其一体形成在一个或两个板的配合表面上，以为通过限定在板表面内的通道输送的反应物或冷却剂提供更有效的流体隔离。

燃料电池经由电化学反应将燃料转化为可用的电力。这种能量产生方式的显著益处是其不依赖于作为中间步骤的燃烧来实现。因此，燃料电池相对于用于推进的内燃机(ICE)和相关的动力应用具有若干环境上的优点。在典型的燃料电池中，比如质子交换膜或聚合物电解质膜(在任一情况下，PEM)燃料电池——一对催化电极通过通常称为膜电极组件(MEA)的组件的离子传输介质(比如NafionTM)来分隔。当将气态还原剂(比如氢气，H₂)形式的第一反应物导入到阳极并在阳极处电离，然后使其穿过离子传输介质，使得其与已经通过另一个电极(阴极)导入的气态氧化剂(比如氧气，O₂)形式的第二反应物粘合时，发生电化学反应。这种反应物的组合形成作为副产物的水。在第一反应物的电离中释放的电子以直流(DC)的形式经由外部电路行进到阴极，该外部电路通常包括可以做有用功的负载(比如电动机，以及各种泵、阀、压缩机或其它流体输送部件)。可以通过将许多这样的电池组合到更大的电流产生组件中来增加由这种DC电力产生的发电量。在一个这样的构造中，燃料电池沿着通常的堆叠尺寸方向连接(非常类似于一副纸牌)以形成燃料电池堆。

在这种堆中，相邻的MEA通过一系列反应物流动通道彼此分隔，该反应物流动通道通常是不透气的双极板(在本文中也称为流场板)的形式——除了促进反应物、冷却剂和副产物的输送之外——其为MEA以及电流收集或输送提供结构上的支撑。在一种通常的形式中，这些通道具有大体上蛇形的布局，其覆盖每个板的相对的大体上平坦的表面的大部分。板和MEA的并排设置促进了反应物流到燃料电池或从其流出，同时附加通道(其与反应物通道流体地分离)也可用于冷却剂输送。在一种构造中，双极板本身是通过固定一对较薄的金属片(称为半板)形成的组件，该较薄的金属片具有在其表面上冲压的或以其它方式一体形成的通道。通过每侧上的通道形成的各种反应物和冷却剂流路通常在限定在板的一个或多个相对边缘上的歧管(在本文中也称为歧管区或歧管区域)处汇集。所有这些特征的示例-以及可以在PEM燃料电池中使用的这种双极板组件的典型构造，在共同拥有的美国专利5,776,624和8,679,697中示出和描述，其内容通过引用整体并入本文中。

避免PEM燃料电池内的泄漏和相关的流体串扰是很重要的。为了克服这种泄露，本发明的受让人已经将相对较厚的弹性体密封剂施加到双极板的相对平坦的表面的离散部分上。虽然这些密封剂在建立必要的密封程度中是有用的，但是这些密封剂的较厚的性质使得这种方法在由多于一百个双极板和MEA组件组成的实际燃料电池堆中变得不可行，这是因为体积问题变得极为重要，尤其是在汽车发动机舱的受限空间中得体积问题。此外，确保密封件的持续性且可重复性放置的困难使得此方法在成本上是过高的。

在使用较厚弹性体密封剂的替代方案中，本发明的受让人已经开发了一体形成的双极板密封，其中以大体上类似于用于形成反应物和冷却剂通道的方式在板表面中形成的冲压件产生垫片状向外突出的金属压条以在相邻的板表面之间建立离散的接触点。这些压条(其可以形成为限定了横截面矩形、梯形、半球形或其它相关的形状)比沉积如上面所述的较厚弹性体密封剂的压条与大批量生产的需要更加相容。特别地，受让人施加了较薄、相对柔软且柔性的密封层，其中在理想情况下，沿着密封剂的长度方向在厚度或结构刚度上没有变化，使得标称密封压力(其基于每密封剂长度方向施加的堆叠力除以密封剂的宽度)应该是基本上均匀的。然而，难以沿着压条的长度方向实现适当的密封和避免压力变化，尤其是鉴于燃料电池堆制造的固有的异常变化，其中存在形成的压条的尺寸公差以及堆内一百个或更多个单个电池的不对齐，这两者都使得在板的一个或多个区域周围沿着压条的长度方向密封件有效压力的变化和伴随的泄漏是不可避免的。