[发明专利]使用薄弹性密封件的鲁棒燃料电池堆密封设计

说明书

背景技术

本发明总体涉及一种装置和方法，其用于提高燃料电池组件中使用的接合的或流体配合的流体输送板的反应物和冷却剂流的密封性，并且更具体地涉及设置在金属珠的顶部上的微密封件的使用，所述微密封件一体地形成在一个或两个板的协作表面上，以为反应物或冷却剂提供更有效的流体隔离，所述反应物或冷却剂通过限定在板表面内的通道输送。

燃料电池通过电化学反应将燃料转化为可用能量。这种方法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和相关动力应用的内燃机(ICE)具有若干环境优点。在通常的燃料电池，例如质子交换膜或聚合物电解质膜(在任一情况下，PEM)燃料电池中，一对催化电极被通常称为膜电极组件(MEA)的离子透射介质(例如Nafion^TM)分隔开。当将气态还原剂(例如氢气，H2)形式的第一反应物引入并在阳极离子化，然后使其通过离子透射介质，使得其与通过另一电极(阴极)引入的气态氧化剂(例如氧，O₂)形式的第二反应物混合，此时电化学反应发生；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进入阴极，该外部电路通常包括在其中可以进行有用功的负载(例如电动机，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这种直流电流产生的发电。在一种这样的结构中，燃料电池沿着组件中的共同堆叠尺寸连接以形成燃料电池堆，所述堆叠尺寸非常类似于一副扑克牌。

在这种堆中，相邻的MEA通过一系列反应物流动通道彼此相互隔开，反应物流动通道通常为不透气的导电双极板(在本文中也称为流场板)的形式。在一种常见形式中，通道具有大体蛇形的布局，但是也可以使用其它形式-包括具有大致直的或正弦的图案的形式。不管通道形状如何，其覆盖每个板的大多数大致平坦的表面。板和MEA的并置促进反应物之一输送到燃料电池或从燃料电池输送反应物，而附加通道(其与反应物通道流体地解耦)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薄金属片(称为半板，或更简单地，板)而形成的组件，所述薄金属片具有冲压或以其它方式一体形成在其表面上的通道，而在另一种构造中，该组件包括具有通道的附加间隙片，以使冷却剂与外片的相邻阳极和阴极通道热连通。不管组件是两片还是三片，各种片材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(在本文中也称为歧管区域)处集合，该歧管由板的一个或多个相对边缘限定。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，其内容通过引用并入本文。

避免在PEM燃料电池堆内的泄漏和相关的流体串扰是重要的。由于相对于板有源区域的更大的压力，其中的流体通过孔、表面起伏和相关的密封不连续性被挤出的可能性更大，这在双极板的歧管区域中是特别关注的。为了减轻这种高压流体的泄漏，本发明的受让人已经使用设置在相邻堆叠的双极板的至少这些区域之间的单独的厚弹性体密封件。在一种形式中，密封件被覆盖在表面上以限定大致相框型结构作为围绕板的区域的方式，作为与相邻板或其他部件形成协作界面的方式。在其它构造中，本发明的受让人已经在板表面中形成凹槽，使得放置在凹槽内的大致圆柱形或串形密封件可提供密封界面。不管密封件是否配置成与带槽或无槽的表面配合，即使在压缩下(例如堆叠组装所伴随的)的相邻板之间的微小错位，会导致施加到相应密封件的压力变化，其进而导致密封变形并伴随着间隙形成和反应物或冷却剂泄漏。此外，单独形成的厚密封组件的使用虽然通常有助于实现密封性的改善，但与商业汽车燃料电池组件应用不兼容，其中大批量制造要求可能涉及每年生产大量燃料电池堆。假定每个电池在MEA的两个相对表面上需要双极板组件，则即使小批量生产也需要制造大量的板。因此，这些厚的密封方法将是实现减少反应物或冷却剂通道流动损失所需的密封方法的成本高昂的方式。

为了克服与使用厚弹性体密封方法相关的一些成本和制造问题，本发明的受让人已经开发了整体成形的双极板密封件，其中板表面以类似于用于形成反应物或冷却剂通道的方式冲压。这种冲压产生向外突出的金属珠以建立大体平坦的平台，其限定相邻板表面之间的离散接触点。虽然这种构造与上述大批量生产需要更相容，但是适当的密封仍然难以实现，特别是考虑到燃料电池堆制造的固有变化，其中包括部件的尺寸公差以及可能存在在堆内的一百个或更多个单独电池的电池与电池之间的对齐。