專利名稱：用于燃料電池組件的點膠成形緊固件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及用于燃料電池元件的緊固配置，更具體的，涉及用于燃料電池元件和組件的原位可固化的彈性緊固配置。
背景技術(shù)：
一種典型的燃料電池系統(tǒng)包括電源部分，在該部分中一個或多個燃料電池產(chǎn)生電功率。燃料電池是能量轉(zhuǎn)換設(shè)備，其將氫和氧轉(zhuǎn)換為水，并在該過程中產(chǎn)生電力和熱量。每個燃料電池單元包括位于中心的質(zhì)子交換部件，且在質(zhì)子交換部件的任一側(cè)上具有氣體擴(kuò)散層。陽極和陰極催化劑層分別位于氣體擴(kuò)散層的內(nèi)部。該單元稱為膜電極組件(MEA)。分隔板或流場板分別放置在膜電極組件的氣體擴(kuò)散層的外部上。這種燃料電池經(jīng)常被稱為PEM燃料電池。
單個燃料電池中的反應(yīng)典型地產(chǎn)生小于一伏的電壓。多個燃料電池可以層疊并串聯(lián)地電氣連接以實現(xiàn)理想的電壓。從燃料電池堆收集電流并用于驅(qū)動負(fù)載。燃料電池可以用于為從電動汽車到膝上型計算機(jī)的多種立用提供電源。
燃料電池電源系統(tǒng)的功效很大一部分取決于燃料電池組的各個燃料電池內(nèi)的各種接觸和密封界面的完整性。這樣的接觸和密封界面包括與所述電池組的燃料電池內(nèi)和之間的燃料、冷卻液和排放物的傳輸相關(guān)的那些界面。燃料電池組內(nèi)的燃料電池元件和組件的恰當(dāng)?shù)奈恢脤?zhǔn)對于保證燃料電池系統(tǒng)的有效運(yùn)行至關(guān)重要。例如在燃料電池子組件的組裝期間，由于操作而產(chǎn)生的燃料電池元件的失配會導(dǎo)致各個燃料電池故障以及燃料電池系統(tǒng)的性能下降。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目標(biāo)是用于燃料電池元件的緊固配置以及利用該緊固配置組裝燃料電池元件的方法。本發(fā)明的實施例包括在燃料電池子組件組裝期間原位形成的彈性緊固配置。
根據(jù)一個實施例，燃料電池子組件包括第一流場板，其中第一流場板包括在多個緊固位置處限定的多個緊固件孔徑。第二流場板包括在多個緊固位置處限定的多個緊固件孔徑。膜電極組件位于第一和第二流場板之間，并包括在多個緊固位置處限定的多個緊固件孔徑。膜電極組件和第一以及第二流場板的各個緊固件孔徑限定了緊固孔。由彈性材料形成的點膠成形的緊固件放置在每個緊固孔中。響應(yīng)于將燃料電池子組件壓縮放置，該彈性材料有助于點膠成形的緊固件的體積位移。
根據(jù)另一實施例，一種管理燃料電池子組件內(nèi)的壓縮的方法包括提供第一和第二流場板，每個都包括在許多緊固位置處限定的多個緊固件孔徑。在第一和第二流場板之間提供膜電極組件，該膜電極組件包括在多個緊固位置處限定的多個緊固件孔徑，各個緊固件孔徑限定了緊固孔。該方法也包括在每個緊固孔中放置的由彈性材料形成的點膠成形的緊固件。該方法進(jìn)一步包括將燃料電池子組件壓縮放置，并響應(yīng)于將燃料電池子組件壓縮放置，來利用點膠成形的緊固件容納壓縮應(yīng)變。
根據(jù)另一實施例，組裝燃料電池子組件的方法包括提供第一和第二流場板以及位于兩者之間的膜電極組件，每個都包括在多個緊固位置處限定的多個緊固件孔徑。該方法進(jìn)一步包括將膜電極組件、第一和第二流場板的緊固件孔徑對準(zhǔn)，以限定緊固孔，以及將預(yù)彈性材料流入緊固孔中，從而在其中形成點膠成形的緊固件。
本發(fā)明的上述內(nèi)容不意圖描述本發(fā)明的每個實施例或每個實現(xiàn)方式。本發(fā)明的優(yōu)勢、成就以及更全面的理解結(jié)合附圖并參照下面的詳細(xì)描述和權(quán)利要求將變得顯而易見。


圖1a是燃料電池和其組分層的說明；圖1b示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的具有單極流場板的組合電池組件；圖1c示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的具有單極/雙極板的組合電池組件；圖2是根據(jù)本發(fā)明實施例的多電池組件的截面圖，該多電池組件使用了點膠成形的緊固件配置；圖3是圖2中所示的單極板的頂視圖；圖4表示多電池組件的一部分，該多電池組件包括緊固孔，其中在該緊固孔內(nèi)放置原位形成的彈性緊固件，該緊固孔構(gòu)造為包括一個或多個孔穴，用于容納由燃料電池層疊壓縮導(dǎo)致的緊固件體積位移；圖5表示多電池組件的一部分，該多電池組件包括緊固孔而無需圖4中所示的孔穴，形成緊固件的彈性材料包括氣體或其他可壓縮的成分，其在燃料電池層疊壓縮期間容納大量緊固件材料的體積位移；以及圖6示出了一種配置，以在MCA中原位形成彈性緊固件期間便利MCA的元件精確對準(zhǔn)。
雖然本發(fā)明能經(jīng)受各種修改和替換形式，但是已經(jīng)借助附圖中的示例表示出細(xì)節(jié)，該細(xì)節(jié)也將詳細(xì)描述。但是可以理解，目的不是為了將本發(fā)明限制為所述的特殊的實施例。相反，本發(fā)明涵蓋如后附權(quán)利要求所限定的本發(fā)明保護(hù)范圍內(nèi)的所有修改、等效和替換。
具體實施例方式
在下面的示意實施例的描述中，參考了附圖，附圖形成描述的部分，其中說明性地示出了能夠?qū)崿F(xiàn)本發(fā)明的各種實施例。可以理解，可以使用這些實施例，并且在不脫離本發(fā)明保護(hù)范圍的情況下，可以做出結(jié)構(gòu)上的改變。
本發(fā)明的各個方面通常在燃料電池組件和子組件、燃料電池組以及使用該燃料電池的電力系統(tǒng)的背景下描述。雖然根據(jù)本發(fā)明的緊固方法在燃料電池組件的背景下特別有利，但是可以理解本發(fā)明的原則可以在各種緊固應(yīng)用中實現(xiàn)。因此，下述描述的特定說明性實施例意在用于解釋，而不起限制作用。
本發(fā)明的緊固方法可以用于各種類型、結(jié)構(gòu)和技術(shù)的燃料電池組件和燃料電池組中。圖1a中描述了典型的燃料電池。燃料電池是電化學(xué)器件，用于將氫燃料和空氣中的氧結(jié)合以產(chǎn)生電、熱量和水。燃料電池不使用燃燒，這樣燃料電池幾乎不產(chǎn)生有害的排放物。燃料電池將氫燃料和氧直接轉(zhuǎn)換為電，并以比例如內(nèi)燃發(fā)電機(jī)高得多的效率運(yùn)行。
圖1a中示出的燃料電池10包括與陽極14鄰近的第一擴(kuò)散器/集電器(DDC)12。與陽極14鄰近的是電解質(zhì)膜16。陰極18位于與電解質(zhì)膜16鄰近，以及第二擴(kuò)散器/集電器19與陰極18鄰近。運(yùn)行時，氫燃料被引入燃料電池10的陽極部分，且穿過第一擴(kuò)散器/集電器12并位于陽極14上。在陽極14，氫燃料被分為氫離子(H+)和電子(e-)。
電解質(zhì)膜16只允許氫離子或質(zhì)子穿過電解質(zhì)膜16到達(dá)燃料電池10的陰極部分。電子不能穿過電解質(zhì)膜16，而是代之以電流的形式流經(jīng)外部電路。該電流可以為電負(fù)載17諸如電動機(jī)提供電能，或者直接引入能量存儲設(shè)備，諸如可充電電池。
氧經(jīng)由第二擴(kuò)散器/集電器19流入燃料電池10的陰極側(cè)。當(dāng)氧經(jīng)過陰極18上時，氧、質(zhì)子以及電子組合產(chǎn)生水和熱量。
各個燃料電池，諸如圖1a所示，可以封裝為下述的組合燃料電池組件。組合燃料電池組件，這里被稱為組合電池組件(UCA)，其可以和多個其他的UCA組合以形成燃料電池組。UCA可以串聯(lián)電連接，且由組內(nèi)UCA的個數(shù)確定組的總電壓，每個電池的有效表面積確定了總電流。由給出燃料電池組產(chǎn)生的總電能可以通過將總組電壓和總電流相乘來確定。
根據(jù)本發(fā)明的原則，可以使用多個不同的燃料電池技術(shù)構(gòu)造UCA。例如，可以使用本發(fā)明的UCA封裝方法以構(gòu)造質(zhì)子交換膜(PEM)燃料電池組件。PEM燃料電池運(yùn)行在相對較低的溫度(大約175/80℃)，具有高功率密度，且可以快速改變它們的輸出以符合電能需求的變化，以及適用于需要快速啟動的應(yīng)用，諸如例如在電動汽車中。
PEM燃料電池中使用的質(zhì)子交換膜典型的是薄的固態(tài)聚合物電解質(zhì)片，其允許氫離子穿過它，但將氣態(tài)反應(yīng)物分離。該膜典型地在兩側(cè)涂覆有高度分散的金屬或金屬合金粒子(例如，鉑或鉑/釕)，其中該高度分散的金屬或金屬合金粒子是活性催化劑。使用的電解質(zhì)典型地是固態(tài)全氟磺酸聚合物。使用固態(tài)電解質(zhì)是有利的，這是因為它減少了腐蝕和電解質(zhì)密封的問題。
氫饋入燃料電池的陽極側(cè)，在這里催化劑促進(jìn)氫原子釋放電子以及變?yōu)闅潆x子(質(zhì)子)。在電子返回引入氧的燃料電池的陰極側(cè)之前，電子以可以被利用的電流的形式運(yùn)動。同時，質(zhì)子擴(kuò)散通過膜至陰極，在陰極處，氫離子被重新組合并和氧反應(yīng)以產(chǎn)生水。
膜電極組件(MEA)是PEM燃料電池諸如氫燃料電池的中心元件。如上所述，典型的MEA包括用作固態(tài)電解質(zhì)的聚合物電解質(zhì)膜(PEM)(也已知為離子導(dǎo)電膜(ICM))。
PEM的一面和陽極催化劑電極層接觸，而其相對面和陰極催化劑電極層接觸。每個電極層包括電化學(xué)催化劑，該電化學(xué)催化劑典型包括鉑金屬。擴(kuò)散器/集電器有助于氣體傳輸?shù)疥枠O和陰極材料以及從其傳輸，并將電流從催化劑層傳導(dǎo)至分隔器或流場板。
在典型的PEM燃料電池中，通過氫氧化在陽極形成的質(zhì)子，且該質(zhì)子被傳輸至陰極以和氧反應(yīng)，并允許電流流入和電極連接的外部電路。
DCC也可以稱為氣體擴(kuò)散層(GDL)。在制造期間，陽電極和陰電極層可以應(yīng)用于PEM或DCC，只要它們放置在完整的MEA中的PEM和DCC之間。
在實現(xiàn)本發(fā)明中可以使用任何恰當(dāng)?shù)腜EM。有效的PEM厚度在大約200μm和大約15μm之間的范圍內(nèi)。PEM典型地由是酸官能含氟聚合物的聚合物電解質(zhì)構(gòu)成，諸如Nafion(DuPont Chemicals，Wilmington DE)，F(xiàn)lemion(Asahi Glass Co.Ltd.，Tokyo，Japan)和根據(jù)分子式Y(jié)OSO2-CF2-CF2-CF2-CF2-O-[聚合物骨架]的具有高度氟化骨架和重復(fù)側(cè)基的聚合物，在該分子式中Y是H+或另一單價陽離子，諸如堿金屬陽離子。后一聚合物在WO2004062019中描述過。在本發(fā)明中使用的聚合物電解質(zhì)典型地優(yōu)選是四氟乙烯的共聚物以及一個或多個氟化的酸官能共聚用單體。
典型地，聚合物電解質(zhì)載有磺酸基官能團(tuán)。聚合物電解質(zhì)典型地具有小于或等于1200的酸當(dāng)量，更典型的是1100，以及最典型的是大約1000?？梢允褂玫椭?00甚至是700的當(dāng)量。
實現(xiàn)本發(fā)明中可以使用任何恰當(dāng)?shù)腄CC。典型地，DCC由包括碳纖維的片材料組成。DCC典型地是從織造和非織造碳纖維結(jié)構(gòu)中選擇的碳纖維結(jié)構(gòu)。在本發(fā)明中的實踐中可以使用的碳纖維結(jié)構(gòu)可以包括Toray碳紙，SpectraCarb碳紙，AFN非織造碳布，Zolte碳布等。DCC可以以各種材料涂覆或浸漬，包括碳粒子涂層、親水化處理、以及疏水化處理諸如涂覆聚四氟乙烯(PTFE)。
實現(xiàn)本發(fā)明可以使用任何恰當(dāng)?shù)拇呋瘎?，包括鉑黑或鉑細(xì)粉，含有碳載催化劑粒子的墨水(如US20040107869中所述)，或者納米結(jié)構(gòu)薄膜催化劑(如US6482763和US5879827中所述)。催化劑可以通過任何恰當(dāng)?shù)姆绞綉?yīng)用于PEM或DCC，其中該任何恰當(dāng)?shù)姆绞桨ㄈ斯ず蜋C(jī)械方法，包括手刷、缺口涂覆、液壓軸承模涂覆(die coating)、繞線棒涂覆、液壓軸承涂覆、槽饋刀涂覆、三輥涂覆或貼花轉(zhuǎn)印(decaltransfer)。在一種應(yīng)用或多種應(yīng)用中可以實現(xiàn)涂覆。
直接甲醇燃料電池(DMFC)與PEM電池類似，這是由于它們都使用聚合物膜作為電解質(zhì)。但是在DMFC中，陽極催化劑本身從液態(tài)甲醇燃料中提取氫，從而不需要燃料重整器。DMFC典型地在40-90℃之間的溫度下運(yùn)行。根據(jù)本發(fā)明的原則，直接甲醇燃料電池可以進(jìn)行UCA封裝。
參照圖1b，示出了根據(jù)PEM燃料電池技術(shù)實現(xiàn)的UCA的實施例。如圖1b中所示，UCA 20的膜電極組件(MEA)25包括五個元件層。PEM層22夾在DCC層24和26之間，或者例如在氣體擴(kuò)散層(GDL)之間。陽極催化劑30位于第一DCC 24和膜22之間，陰極催化劑32位于膜22和第二DCC 26之間。
在一種結(jié)構(gòu)中，制造PEM層22以包括一個表面上的陽極催化劑涂層30和另一表面的陰極催化劑涂層32。該結(jié)構(gòu)經(jīng)常稱為催化劑涂覆膜或CCM。根據(jù)另一種結(jié)構(gòu)，制造第一和第二DCC 24、26以分別包括陽極和陰極催化劑涂層30、32。在又一結(jié)構(gòu)中，陽極催化劑涂層30部分地放置在第一DCC 24上，以及部分地放置在PEM 22的一個表面上，以及陰極催化劑涂層32部分地放置在第二DCC 26上，部分地放置在PEM 22的另一表面上。
DCC 24、26典型地由碳纖維紙或非織造材料或織造布制造。根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，DCC 24、26可以在一側(cè)上具有碳粒子涂層。如上所述，制造DCC 24、26以包括或排除催化劑涂層。
在圖1b示出的特殊實施例中，MEA 25示為夾在第一邊緣密封系統(tǒng)34和第二邊緣密封系統(tǒng)36之間。邊緣密封系統(tǒng)34、36在UCA封裝內(nèi)提供必要的密封，以防止各種流體(氣體/液體)傳輸和反應(yīng)區(qū)域彼此污染，以及防止不恰當(dāng)?shù)牧鞒鯱CA20，并且進(jìn)一步用于流場板40、42之間的電氣隔離以及硬停止壓縮控制。
放置流場板40和42以分別與第一和第二邊緣密封系統(tǒng)34和36相鄰。每個流場板40、42包括氣流場的通道43和端口，氫和氧饋入燃料穿過該端口。流場板40、42也包括冷卻液通道和端口。冷卻液通道并入在流場板40、42的表面上，該表面與并入有氣流通道43的表面相對。
在圖1b描述的結(jié)構(gòu)中，流場板40、42構(gòu)造為單極流場板，其中單個的MEA 25夾在它們之間。該實施例和其他實施例中的流場板可以是在共有美國專利No.6780536中公開的低側(cè)向通量的流場。
圖1c示出了UCA或者多電池組件MCA 50，其通過使用一個或多個雙極流場板56而包含多個MEA 25。在圖1c中所示的結(jié)構(gòu)中，UCA50包含兩個MEA 25a和25b以及單個的雙極流場板56，該雙極流場板包括一體的冷卻通道59。MEA 25a包括夾在DCC 66a和64a之間的陰極62a/膜61a/陽極60a層疊結(jié)構(gòu)。DCC 66a和流場端板52相鄰地布置，該流場端板52可以構(gòu)造為單極流場板或雙極板，且具有一體的冷卻通道59，該冷卻通道59正如在雙極板56中所示。DCC 64a與雙極流場板56的第一流場表面56a相鄰地布置。類似的，MEA 25b包括夾在DCC 66b和64b之間的陰極62b/膜61b/陽極60b層疊結(jié)構(gòu)。DCC 64b和流場端板54相鄰地布置，該流場端板54可以構(gòu)造為單極流場板或雙極板，且具有一體的冷卻通道59，該冷卻通道59正如在雙極板56中所示。DCC 66b和雙極流場板56的第二流場表面56b相鄰地布置。
圖1b和1c所示的UCA結(jié)構(gòu)是兩個特殊配置的代表，可以實現(xiàn)它們以用于根據(jù)本發(fā)明的點膠成形的緊固技術(shù)的背景中。這兩個配置僅用于說明，而不意在表示本發(fā)明的范圍內(nèi)的所有可能的結(jié)構(gòu)。并且，圖1b和1c意在示出各種元件，該各種元件選擇性的包括在特殊的燃料電池組件的設(shè)計中。
本發(fā)明的各個方面的目的是一種緊固件以及用于組裝燃料電池組件或子組件的方法。本發(fā)明的各個方面進(jìn)一步的目的是通過將多個單元組件(MCA)或UCA的子單元層疊在一起而形成的燃料電池組，其中每個MCA(或UCA)模塊本身是“較短的組”，它包括至少一個膜電極組件(MEA)和至少兩個雙極或單極流場板(或雙極和單極流場板的混合對)。
借助示例，并根據(jù)一個實施例，燃料電池子組件包括一對流場板，每個流場板具有在多個緊固位置處提供的多個緊固件孔徑。膜電極組件位于兩個流場板之間并且也在多個緊固位置處包括多個緊固件孔徑。該MEA和該對流場板的緊固件孔徑對準(zhǔn)以限定緊固孔。由彈性材料形成的點膠成形的緊固件放置在每個緊固孔中。響應(yīng)于將燃料電池的子組件壓縮放置，彈性材料有助于點膠成形的緊固件的體積位移。
緊固件配置的實施例以及根據(jù)本發(fā)明的緊固方法使用了由彈性材料形成的點膠成形的緊固件，用于將燃料電池組件、子組件或模塊的元件在組中完全壓縮之前，以高度的對準(zhǔn)精度保持在一起。本發(fā)明的緊固方法通過在施加組的壓縮力時容納壓縮應(yīng)變的變化，來允許在整個燃料電池組的壓縮期間的MCA的厚度的變化。
如上所述，本發(fā)明的緊固件配置可以包括在MCA模塊中。這樣的MCA模塊可以包括任意數(shù)量的MEA和相關(guān)的雙極或單極流場板。但是，通常，由于子組模塊的一個目標(biāo)是允許從組中移除表現(xiàn)不佳的MEA，而不破壞組中剩余的MEA，所以認(rèn)為兩個或四個MEA是有益的數(shù)量。
現(xiàn)在見圖2，示出了多電池組件的截面圖，其中該多電池組件使用了根據(jù)本發(fā)明實施例的點膠成形的緊固件配置。如圖2所示，MCA 100包括兩個MEA 104A、104B以及四個單極流場板102。單極板和雙極板的區(qū)別在于雙極板在其相對表面上具有陽極和陰極反應(yīng)物流場，而單極板僅在一個表面具有一種反應(yīng)物流場，而在相對表面上具有冷卻液通道。可以理解，MCA 100除了圖2中所示的一個或多個單極板102之外或作為這些單極板102的代替，可以包括一個或多個雙極流場板。
單極板102典型的很薄，且可以由金屬、石墨或其他恰當(dāng)?shù)牟牧闲纬?。例如，單極板102的厚度可以是大約1mm至6mm。在很低的范圍內(nèi)，需要這樣的薄板102以獲得很高的組功率密度(例如，0.8kW/liter或更大)，例如電動汽車燃料電池的應(yīng)用中所需的。在組裝具有該薄板的MCA模塊中，壓縮下的MCA的總厚度將只有0.5cm厚的數(shù)量級。將冷卻通道分離的結(jié)構(gòu)可以稱為“陸地”。必須將相鄰單極板102的冷卻通道的陸地的對準(zhǔn)保持在陸地寬度的幾個百分比的精密容差內(nèi)，以不干擾冷卻液流動或減少陸地和陸地之間的接觸面積，由此增加對于電流的板到板的電阻。
可以想象，能夠使用機(jī)械型可拆卸的螺釘、鉚釘、索環(huán)或其他這樣的設(shè)備，以在板102和MEA 104A、104B結(jié)合到燃料電池組之前，將它們在合理的力量下保持對準(zhǔn)。但是，找不到商業(yè)上可用的緊固件設(shè)備，以在給出組件極其薄的情況下，將四個單極板保持在一起。同時，不能預(yù)期這樣小的設(shè)備可以施加所需的大約為100-200psi(700-1400kPa)的壓縮力以完全壓縮給出的燃料電池組件的襯墊和MEA。這意味著任何這樣的MCA緊固設(shè)備必須容納額外的壓縮應(yīng)變，該應(yīng)變出現(xiàn)在MCA組裝到燃料電池組中且施加完全的組壓縮時。
解決了該問題的本發(fā)明的緊固方法，使用了原位形成的彈性緊固件110，例如，其可以形成為彈性鉚釘。緊固件110形成在緊固孔106內(nèi)。通過將流場板102和MEA 104A、104B中的緊固件孔徑對準(zhǔn)形成緊固孔106。
圖3是根據(jù)一種結(jié)構(gòu)的單極板102的頂視圖。該板102包括多個緊固件孔徑106A，該多個緊固件孔徑和一個或多個MEA以及其他單極板(或雙極板)的緊固件孔徑一同限定了緊固孔106(如圖2、4和5中所示)，該緊固孔106構(gòu)造為接收易流動的可固化的彈性材料。緊固件孔徑106A的尺寸和形狀可以與圖3中所示的不同，但是優(yōu)選構(gòu)造為有助于易流動的預(yù)彈性材料通過其的分配(例如，作為注射口運(yùn)行)。
與每個緊固件孔徑106A相鄰的是孔111，當(dāng)燃料電池組組裝時，連桿或螺栓穿過該孔，可以理解，孔111可以與緊固件孔徑106A分隔開或偏離緊固件孔徑106A。中心區(qū)域103是板102(一側(cè)或兩側(cè))的活性區(qū)域，諸如陽極或陰極反應(yīng)物流場區(qū)域或冷卻液通道區(qū)域。緊固件孔徑106A和孔111的位置優(yōu)選選擇為使活性區(qū)域103的面積最大，并為襯墊、封條或其他結(jié)構(gòu)提供足夠的間距，其中該襯墊、封條或其他結(jié)構(gòu)在反應(yīng)氣體和冷卻液通道之間提供必要的隔離。
緊固件孔徑106A(以及因此緊固孔106)可以圍繞板102的外圍區(qū)域分布，如圖3的示意性板結(jié)構(gòu)中所示。對于給出的燃料電池組件結(jié)構(gòu)的緊固孔106優(yōu)選具有足夠的數(shù)量，以彈性地將組件保持在原位固化配準(zhǔn)中，以及足夠用于在燃料電池組的組裝之前以及組裝期間處理。作為示例，燃料電池組件或子組件在每大約15cm2至大約25cm2的流場板面積中可以包括一個緊固孔106。作為另一示例，流場板面積和緊固孔106的最小截面面積的總和的比在大約200∶1至大約400∶1的范圍內(nèi)。
圖4和5表示本發(fā)明的點膠成形的緊固件的兩個實施例。圖4表示MCA 101的部分，該MCA的部分包括兩個MEA 104A、104B以及四個單極流場板102。MCA 101包括緊固孔106，在緊固孔106內(nèi)，放置有原位形成的彈性緊固件110。在該實施例中，緊固孔106構(gòu)造為包括一個或多個孔穴108，其在易流動的預(yù)彈性材料已經(jīng)分配到緊固孔106中以形成緊固件110之后，保持基本沒有彈性材料。
孔穴108表示緊固孔106內(nèi)的自由體積，其在組壓縮期間可以接收可變形但不可壓縮的彈性的材料。例如，孔穴108表示在燃料電池組壓縮的最終壓縮之前，在緊固孔106內(nèi)未被點膠成形的緊固件110填充的體積?？籽?08也可以表示在緊固孔106內(nèi)的點膠成形緊固件110的原位形成后，在緊固孔106中未被填充的體積。當(dāng)MCA 101放置在燃料電池組中并利用連桿或螺栓在組的端板之間被壓縮時，原位形成的彈性緊固件110變形，且如果需要的話，膨脹至緊固孔106內(nèi)任意未被填充的孔穴108中。
在圖5所示的實施例中，緊固孔106不必構(gòu)造為包括圖4所示的孔穴108。根據(jù)該實施例，形成緊固件110的易流動預(yù)彈性材料包括氣體或其他可壓縮的成分，其可以在MCA壓縮期間容納大量緊固件材料的體積位移。在該實施例中，形成緊固件110的原位可固化的彈性材料例如可以是氣體吹制彈性材料、多孔彈性橡膠或充有可壓縮空心顆粒的彈性材料。當(dāng)MCA 101放置在燃料電池組中且在組的端板之間被壓縮時，原位形成的彈性緊固件110的變形將被緊固件110本身內(nèi)的孔穴(例如氣泡)或可壓縮的成分(例如空心顆粒)容納。
緊固孔106優(yōu)選包括一個部件，該部件有助于兩個外部流場板102的機(jī)械俘獲。該部件有助于將MCA 101保持在彈性原位固化的配準(zhǔn)中，這在如上所述處理燃料電池組的MCA時非常重要。圖4和5中所示的俘獲部件包括與上流場板102的外表面相鄰的唇形孔穴107A和與下流場板102的外表面相鄰的唇形孔穴107B。當(dāng)易流動的預(yù)彈性材料分配到緊固孔106中時，一些材料流入各個唇形孔穴107A和107B中。固化后，唇形孔穴107A、107B內(nèi)的彈性材料有助于兩個外部流場板102的機(jī)械俘獲。
本發(fā)明的緊固配置包括由可固化的彈性材料形成的點膠成形的緊固件110，更優(yōu)選包括原位可固化的彈性材料。點膠成形的緊固件110可以由相變彈性材料諸如碳?xì)浠衔餆嵯嘧儾牧?例如，硬蠟或蠟和彈性纖維的合成物)形成。用于形成本發(fā)明緊固件110的恰當(dāng)?shù)牟牧习ü铇渲牧?、橡膠材料或牙印模材料。恰當(dāng)?shù)难烙∧２牧鲜?部分聚硅氧烷牙印模材料，它可以從3M Co.as ImprintTMII GarantTMRegularBodied Consistency，No.9379獲得。
用于形成本發(fā)明的緊固件110的恰當(dāng)?shù)膹椥圆牧习切┠軌蚋鶕?jù)加成固化、縮合固化、輻射固化、熱固化或自由基固化來固化的材料。有用的加入固化硅樹脂印模材料包括那些在美國專利No.4,035,453和4,657,959中公開的材料。有用的加入固化聚醚包括那些在DE4019249A1中公開的聚醚。有用的縮合固化硅樹脂印模材料包括那些在美國專利No.6,218,461、5,118,290和4,174,338以及DE 1153169中公開的印模材料。有用的吖丙啶聚醚印模材料包括那些在美國專利No.5,569,691和3,453,242中公開的。
根據(jù)另一實施例，組裝燃料電池子組件的方法包括提供一對流場板和MEA，每個具有幾個在多個緊固位置處提供的緊固件孔徑。該組裝方法進(jìn)一步包括對準(zhǔn)流場板和MEA的緊固件孔徑以限定緊固孔，將機(jī)械壓力施加于MEA的兩側(cè)以部分地壓縮它，以及將預(yù)彈性材料流入緊固孔中以形成點膠成形的緊固件。彈性材料優(yōu)選經(jīng)受在緊固孔內(nèi)的原位固化。例如，該組裝方法可以包括固化或硬化預(yù)彈性材料以在緊固孔內(nèi)形成彈性材料。
根據(jù)一個實施例，在恰當(dāng)?shù)膴A具中組裝一個或多個MCA，其中該夾具在所需的配準(zhǔn)精度下，保持以及部分壓縮MEA和單極板至最大形變的某一任意很大一部分。為此目的，易流動的原位可固化彈性材料(例如，2部分硅樹脂材料)分配進(jìn)入在板、MEA和襯墊模中形成的對準(zhǔn)的緊固孔中。彈性材料填充緊固孔并快速固化(例如，室溫下為5-8分鐘)。如上參考一個實施例所述，實際上在層疊的板的緊固孔內(nèi)存在一些孔穴體積，該體積在彈性材料分配入緊固孔中后保持未填充。這些孔穴表示在燃料電池組壓縮期間接收可變形的但不可壓縮的彈性材料所必需的重要的自由體積。
固化后，使用鋒利的刀與板表面平行地割掉多余材料。當(dāng)MCA從夾具移除時，它稍微膨脹，并且由于彈性材料可以伸展，所以它這樣做不會破壞而是保持板、襯墊和MEA配準(zhǔn)。然后，當(dāng)MCA層疊以形成燃料電池組組件時，以及利用在組的端板之間的螺栓來壓縮時，原位形成的緊固件壓縮，如果需要的話，其在緊固孔內(nèi)膨脹進(jìn)入任何未填充的孔穴。
參照圖2和3，下面是根據(jù)本發(fā)明的原則組裝燃料電池子組件的各種方法的示例。
示例1在該示意性示例中，設(shè)計圖2至4中描述的單極板102被設(shè)計用于5kW的燃料電池組。指定通孔或孔徑106A用于形成上下板102的外圍上的原位彈性緊固件。如上所述，利用原位形成的硅樹脂橡膠緊固件110，制造兩個相同的MCA 100，每個包括四個這樣的板102和兩個MEA 104且在每個單極板102之間具有襯墊。板102、襯墊和MEA104首先被依次層疊在一起，并在夾具中被部分壓縮的情況下保持對準(zhǔn)，其中制造該夾具專門用于該項任務(wù)。
上述3M的牙科硅氧烷印模材料應(yīng)用于通孔106A的每側(cè)，由此在MCA100的兩側(cè)之間硅氧烷具有完整的連續(xù)性。固化后，以及將第一MCA100從夾具移除后，第一MCA100稍微膨脹但是穩(wěn)定且令人滿意的保持在一起，使得它能夠被很容易且安全的處理或者封裝為一個單元。第二MCA 100以相同方式制造，然后它們兩個被安裝在較短的組中，以及完全被壓縮并作為一個燃料電池運(yùn)行。壓縮是標(biāo)稱的，且該組正常運(yùn)行，這表示點膠成形的緊固件在壓縮情況下工作良好。
示例2利用和示例1、15中相同的步驟，組裝以及然后層疊和壓縮這樣的MCA 100，以形成5kW燃料電池。該組正常運(yùn)行且沒有泄漏，其被認(rèn)為是剛性緊固設(shè)備，它不允許，這是由于它不能容納壓縮應(yīng)變的改變。
示例3在示例2中制造的組的擴(kuò)展運(yùn)行期間，觀察到其中一個MCA 100中的一個MEA性能降低。關(guān)閉該組，連桿和端板的壓縮力被釋放，以及包含故障MEA 104的MCA 100被去除。原始的硅樹脂橡膠緊固件110從單極板102去除并被丟棄。在MCA 100的單極板102之間替換兩個新的MEA 104，并且再次原位形成硅樹脂橡膠緊固件110以將MCA 100保持在一起。該MCA100被重新放回組中，該組被再次壓縮并正常運(yùn)行。該示例顯示原地形成的彈性緊固件使得MCA 100被容易地重建和再使用。
示例4該示例用于示意在應(yīng)用原位可固化彈性材料之前，保持MCA的元件精確對準(zhǔn)的方法。為此，參照圖2、3和6，下面描述兩種方法。
在上述示例中，冷卻液通道的陸地僅有大約1mm寬，在層疊板102和MEA 104時中，一個板102背面上的冷卻通道面對相鄰板102上的冷卻通道。這些通道必須在壓縮期間保持精確對準(zhǔn)，使得一個板102上的通道和相鄰板102上的陸地彼此不滑入對方中，以至于能夠保持板對板接觸的最大面積得到最小的電阻。這已被證明很困難，且需要用于組裝的認(rèn)真對準(zhǔn)的夾具。
輔助該對準(zhǔn)和組裝過程的設(shè)備概念包括使用恰當(dāng)直徑的小的滾珠軸承202(不必是鋼的，其他材料也可以)或圓柱桿，以將一個單極板102協(xié)同定位在另一個單極板上。這些對準(zhǔn)球或銷204將配合到底板102B中的V形孔或槽202中以及頂板102A中的匹配孔或槽202中，如圖6中所示。
對準(zhǔn)孔/槽202可以位于板102上任意的位置，但是最方便的是位于外圍。對于0.050”厚的板102來說，可以貫穿板102或幾乎貫穿地切割出孔或槽202，以至于，例如，如果使用板厚度的0.045”，那么“V”的角度可以選擇為至少45°，以容納直徑為0.863×0.045”×2＝0.077”的桿或球體。
作為在彈性材料注入步驟期間保持MEA 104和單極板102對準(zhǔn)的可選擇的且更實際的方法，其使用夾具板設(shè)備，以提供一系列剛性邊界或?qū)蜓b置，用于當(dāng)板102彼此層疊以及和MEA 104層疊時，強(qiáng)迫板102彼此精確地平行。在板端部的中間放置V形槽，并且通過足夠高的配合楔施加力到V形槽的頂點以接觸組中所有板層。
已經(jīng)提供了本發(fā)明的前述各種實施例的描述以用于示意和說明。它的目的不是窮舉和將本發(fā)明限制為公開的精確形式。根據(jù)上述教導(dǎo)下可以有許多修改和變形。目的是本發(fā)明的保護(hù)范圍不被該詳細(xì)的說明限制，而是由附加在這里的權(quán)利要求來限制。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池子組件，包括第一流場板，該第一流場板包含在多個緊固位置處限定的多個緊固件孔徑；第二流場板，該第二流場板包含在多個緊固位置處限定的多個緊固件孔徑；膜電極組件，該膜電極組件位于第一和第二流場板之間并包括在多個緊固位置處限定的多個緊固件孔徑，所述膜電極組件的多個緊固件孔徑和所述第一和第二流場板的多個緊固件孔徑限定了緊固孔；以及放置在多個緊固孔中由彈性材料形成的點膠成形的緊固件，其中響應(yīng)于將燃料電池子組件壓縮放置，所述彈性材料有助于點膠成形的緊固件的體積位移。
2.如權(quán)利要求1所述的子組件，其中響應(yīng)子將所述燃料電池子組件壓縮放置，所述彈性材料有助于點膠成形的緊固件向緊固孔內(nèi)的孔穴體積中的體積位移。
3.如權(quán)利要求2所述的子組件，其中所述孔穴體積限定了在燃料電池子組件壓縮的最終壓縮之前，在緊固孔內(nèi)未被點膠成形的緊固件填充的體積。
4.如權(quán)利要求2所述的子組件，其中所述孔穴體積限定了在緊固孔內(nèi)原位形成點膠成形的緊固件后，緊固孔未被填充的體積。
5.如權(quán)利要求1所述的子組件，其中響應(yīng)于將燃料電池子組件壓縮放置，所述彈性材料有助于點膠成形的緊固件向點膠成形的緊固件內(nèi)的孔穴體積中的體積位移。
6.如權(quán)利要求1所述的子組件，其中所述點膠成形的緊固件由相變彈性材料形成。
7.如權(quán)利要求1所述的子組件，其中所述點膠成形的緊固件由可固化的彈性材料形成。
8.如權(quán)利要求1所述的子組件，其中所述點膠成形的緊固件由原位可固化的彈性材料形成。
9.如權(quán)利要求1所述的子組件，其中所述點膠成形的緊固件由硅樹脂材料形成。
10.如權(quán)利要求1所述的子組件，其中所述點膠成形的緊固件由橡膠材料形成。
11.如權(quán)利要求1所述的子組件，其中所述點膠成形的緊固件由牙科印模材料形成。
12.如權(quán)利要求1所述的子組件，其中所述第一和第二流場板的緊固件孔徑包括與第一和第二流場板的外表面相鄰的唇形孔穴，唇形孔穴內(nèi)的點膠成形的緊固件的部分提供第一和第二流場板的機(jī)械俘獲。
13.如權(quán)利要求1所述的子組件，其中所述第一和第二流場板的每個的厚度都為大約6mm或更小。
14.如權(quán)利要求1所述的子組件，其中所述第一和第二流場板的每個的厚度都為大約1.25mm或更小。
15.如權(quán)利要求1所述的子組件，其中所述緊固孔具有足夠的數(shù)量以將子組件彈性地保持在原位固化配準(zhǔn)中，以及足夠用于在燃料電池組組裝前處理。
16.如權(quán)利要求1所述的子組件，其中所述燃料電池子組件在大約每15cm2至大約25cm2的流場板面積上包括一個緊固孔。
17.如權(quán)利要求1所述的子組件，其中流場板面積和緊固孔的最小截面積的總和的比在大約200∶1至大約400∶1的范圍之間。
18.如權(quán)利要求1所述的子組件，其中所述第一和第二流場板的至少一個構(gòu)造為單極流場板。
19.如權(quán)利要求1所述的子組件，其中所述第一和第二流場板的至少一個構(gòu)造為雙極流場板。
20.如權(quán)利要求1所述的子組件，其中所述第二流場板構(gòu)造為雙極流場板，所述子組件進(jìn)一步包括第三流場板，該第三流場板包含在多個緊固位置處限定的多個緊固件孔徑；第二膜電極組件，該第二膜電極組件位于所述第二和第三流場板之間并包含在多個緊固位置處限定的多個緊固件孔徑，所述膜電極組件和所述第一、第二以及第三流場板的多個緊固件孔徑限定了緊固孔，在該緊固孔內(nèi)放置點膠成形的緊固件。
21.如權(quán)利要求1所述的子組件，進(jìn)一步包括第三流場板，該第三流場板包含在多個緊固位置處限定的多個緊固件孔徑；第四流場板，該第四流場板包含在多個緊固位置處限定的多個緊固件孔徑；第二膜電極組件，該第二膜電極組件位于所述第三和第四流場板之間并包含在多個緊固位置處限定的多個緊固件孔徑，所述膜電極組件和所述第一、第二、第三以及第四流場板的多個緊固件孔徑限定了緊固孔，在該緊固孔內(nèi)放置點膠成形的緊固件。
22.一種組裝燃料電池子組件的方法，包括提供第一流場板，該第一流場板包含在多個緊固位置處限定的多個緊固件孔徑；提供第二流場板，該第二流場板包含在多個緊固位置處限定的多個緊固件孔徑；提供膜電極組件，該膜電極組件位于第一和第二流場板之間并包括在多個緊固位置處限定的多個緊固件孔徑；將所述膜電極組件和第一以及第二流場板的多個緊固件孔徑對準(zhǔn)以限定緊固孔；以及將預(yù)彈性材料流入所述緊固孔中以在其中形成點膠成形的緊固件。
23.如權(quán)利要求22所述的方法，其中所述預(yù)彈性材料經(jīng)受相變以形成彈性材料。
24.如權(quán)利要求22所述的方法，其中所述預(yù)彈性材料包括碳?xì)浠衔餆嵯嘧儾牧稀?br> 25.如權(quán)利要求22所述的方法，進(jìn)一步包括將預(yù)彈性材料固化以形成彈性材料。
26.如權(quán)利要求述25所述的方法，其中所述彈性材料基本與第一和第二流場板的表面齊平。
27.如權(quán)利要求22所述的方法，進(jìn)一步包括可固化預(yù)彈性材料以形成彈性材料。
28.如權(quán)利要求27所述的方法，其中所述彈性材料基本與第一和第二流場板的表面齊平。
29.如權(quán)利要求22所述的方法，其中包括將預(yù)彈性材料固化以形成彈性材料，其中所述彈性材料根據(jù)加成固化、縮合固化、輻射固化、熱固化或自由基固化來固化。
30.如權(quán)利要求22所述的方法，進(jìn)一步包括將預(yù)彈性材料固化以形成彈性材料，其中所述彈性材料包括硅樹脂材料。
31.如權(quán)利要求22所述的方法，進(jìn)一步包括將預(yù)彈性材料固化以形成彈性材料，其中所述彈性材料包括橡膠材料。
32.如權(quán)利要求22所述的方法，進(jìn)一步包括將預(yù)彈性材料固化以形成彈性材料，其中所述彈性材料包括牙科印模材料。
33.如權(quán)利要求22所述的方法，進(jìn)一步包括基于預(yù)彈性材料的固化或硬化，來機(jī)械俘獲第一和第二流場板。
34.如權(quán)利要求22所述的方法，進(jìn)一步包括提供一種組裝固定設(shè)備，其構(gòu)造為有助于燃料電池子組件的組裝，并且利用該組裝固定設(shè)備以將膜電極組件以及第一和第二流場板的多個緊固件孔徑對準(zhǔn)。
35.一種在燃料電池子組件內(nèi)容納壓縮的方法，包括提供第一流場板，該第一流場板包含在多個緊固位置處限定的多個緊固件孔徑；提供第二流場板，該第二流場板包含在多個緊固位置處限定的多個緊固件孔徑；提供膜電極組件，該膜電極組件位于第一和第二流場板之間并包括在多個緊固位置處限定的多個緊固件孔徑；所述膜電極組件以及所述第一和第二流場板的多個緊固件孔徑限定了緊固孔；提供放置在每個緊固孔內(nèi)且包含彈性材料的點膠成形的緊固件；將燃料電池子組件壓縮放置；以及響應(yīng)于將燃料電池子組件壓縮放置，利用點膠成形緊固件容納壓縮應(yīng)變。
36.如權(quán)利要求35所述的方法，其中利用點膠成形緊固件容納壓縮應(yīng)變包括將點膠成形的緊固件的體積移入緊固孔內(nèi)的孔穴體積內(nèi)。
37.如權(quán)利要求35所述的方法，其中利用點膠成形緊固件容納壓縮應(yīng)變包括將點膠成形的緊固件的體積移入點膠成形的緊固孔內(nèi)的孔穴體積內(nèi)。
38.一種燃料電池的子組件，包括第一流場板，該第一流場板包含在多個緊固位置處限定的多個緊固件孔徑；第二流場板，該第二流場板包含在多個緊固位置處限定的多個緊固件孔徑；膜電極組件，該膜電極組件位于第一和第二流場板之間并包括在多個緊固位置處限定的多個緊固件孔徑，所述膜電極組件以及所述第一和第二流場板的多個緊固件孔徑限定了緊固孔；以及放置在緊固孔內(nèi)的裝置，用于響應(yīng)于將燃料電池子組件壓縮放置，而彈性地容納壓縮應(yīng)變。
全文摘要
燃料電池子組件包括第一和第二流場板，每個流場板包括在多個緊固位置限定處的多個緊固件孔徑。膜電極組件位于第一和第二流場板之間并包括在多個緊固位置處限定的多個緊固件孔徑，各個緊固件孔徑對準(zhǔn)以限定緊固孔。由彈性材料形成的點膠成形的緊固件放置在每個緊固孔中。響應(yīng)于將燃料電池子組件壓縮放置，該彈性材料有助于點膠成形的緊固件的體積位移。
文檔編號H01M8/10GK101095253SQ200580045537
公開日2007年12月26日 申請日期2005年11月17日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月29日
發(fā)明者馬克·K·德貝, 安德魯·J·L·斯坦巴克 申請人:3M創(chuàng)新有限公司