專利名稱：在氫燃料電池的導(dǎo)電板之間提供電絕緣的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種燃料電池，且更具體地，涉及一種用于燃料電池的子組件。
背景技術(shù)：
已經(jīng)提出將燃料電池作為用于電動車輛和各種其它應(yīng)用的清潔的、高效的且對環(huán)境負責(zé)的電源。單個燃料電池可以串聯(lián)地堆疊在一起，以形成用于各種應(yīng)用的燃料電池堆。 燃料電池堆能夠提供足以為車輛供以動力的電量。具體地，已經(jīng)將燃料電池堆視為用于在現(xiàn)代汽車中使用的傳統(tǒng)的內(nèi)燃發(fā)動機的潛在替代品。一種類型的燃料電池是聚合物電解質(zhì)膜(PEM)燃料電池。PEM燃料電池包括三個基本部件電解質(zhì)膜；以及一對電極，包括陰極和陽極。電解質(zhì)膜夾在電極之間，從而形成膜-電極-組件(MEA)。MEA通常設(shè)置在諸如碳纖維紙的多孔擴散介質(zhì)(DM)之間，這有助于傳遞反應(yīng)物例如將氫傳遞到陽極和將氧傳遞到陰極。與用于隔離反應(yīng)物流體的子襯墊預(yù)組裝在一起的MEA和DM被稱作一體式電極組件(UEA)。在電化學(xué)燃料電池反應(yīng)中，氫在陽極被催化氧化，從而產(chǎn)生自由質(zhì)子和電子。質(zhì)子穿過電解質(zhì)到達陰極。來自陽極的電子不能穿過電解質(zhì)膜，而是作為電流通過諸如電動機的電負載被引導(dǎo)至陰極。質(zhì)子與陰極中的氧和電子反應(yīng)，從而產(chǎn)生水。電解質(zhì)膜通常由離聚物層形成。燃料電池的電極通常由細分的催化劑形成。催化劑可以是用于燃料電池電化學(xué)反應(yīng)的任何電催化劑，其催化地支持氫或甲醇的氧化和氧的還原中的至少一者。催化劑通常為貴金屬，例如鉬或其它鉬族金屬。催化劑通常設(shè)置在諸如碳黑顆粒的碳支撐體上，并分散在離聚物中。例如采用UEA形式的電解質(zhì)膜、電極、DM和子襯墊設(shè)置在一對燃料電池板之間。 這對燃料電池板構(gòu)成陽極板和陰極板。每個燃料電池板可以具有形成在其中的多個通道， 以將反應(yīng)物和冷卻劑分布到燃料電池。例如，燃料電池板通常由用于使片金屬成形的傳統(tǒng)工藝例如沖壓、機械加工、模制或通過光刻掩模的光蝕刻來形成。在雙極燃料電池板的情況下，燃料電池板通常由一對單極板形成，隨后將這對單極板接合，從而形成雙極燃料電池板。燃料電池的雙極燃料電池板組件必須彼此電絕緣，以使燃料電池正確地運行。一般的燃料電池板是金屬性的，并可以塑性變形，從而有效地減小用于由燃料電池板組裝的燃料電池的所設(shè)計的標稱電壓隔離距離。當(dāng)壓縮的燃料電池的燃料電池板之間的距離落在用于電池的UEA的子襯墊厚度以下時，壓力施加到子襯墊。已經(jīng)證實，由變形例如彎曲的板邊緣產(chǎn)生的所得到的板壓力在燃料電池的正常運行條件下足以穿過子襯墊。在子襯墊已經(jīng)被完全穿過的情況下，會發(fā)生板與板接觸。導(dǎo)致板與板接觸的燃料電池板的變形通常是由于所制造的燃料電池板的尺寸的偏差或在組裝期間燃料電池板的邊緣的變形造成的。一般的燃料電池還依賴于壓縮的密封界面，其對準或未對準會在燃料電池的組裝期間在壓縮下導(dǎo)致板與板接觸。用于防止板與板接觸的已知方法包括在燃料電池板的邊緣輪廓上包覆模制彈性密封件，例如，如在Kikuchi等的美國專利申請公布No. 2007/207372中所公開的，通過引用將其全部公開內(nèi)容并入本文。還已知的是采用樹脂框架和粘附性地結(jié)合的燃料電池板， 例如，如在Inagaki的美國專利申請公布No. 2007/082251中所公開的，通過引用將其全部公開內(nèi)容并入本文。彈性密封件的包覆模制以及樹脂框架和粘附性地結(jié)合的燃料電池板的應(yīng)用是不合期望地耗時的且成本過高。一直需要一種用于制造燃料電池的子組件，其在燃料電池板的周邊邊緣處防止燃料電池的板與板接觸和隨后的板與板電短路。期望地，該子組件使燃料電池板在組裝和操作期間的變形最小化、是廉價的、并利用用于保持的現(xiàn)有粘結(jié)劑、在燃料電池板的周邊邊緣處防止子襯墊的破損、并允許所完成的一體式電極組件(UEA)部件的外周邊的公差偏差以在燃料電池的組裝之后使得對外周邊修整的修整最少化。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，意外地發(fā)現(xiàn)了一種用于制造燃料電池的子組件，所述子組件在燃料電池板的周邊邊緣處防止板與板接觸以及燃料電池的隨后的板與板短路，并在組裝和操作期間減小燃料電池板的變形，所述子組件是廉價的，且利用用于保持的現(xiàn)有粘結(jié)劑，在燃料電池板的周邊邊緣處防止子襯墊的磨損，并允許所完成的一體式電極組件(UEA)部件的外周邊的公差偏差，以在燃料電池的組裝之后使得對外周邊修整的修整最小化。在一個實施例中，一種用于燃料電池的子組件包括具有第一側(cè)和第二側(cè)的燃料電池板。所述第一側(cè)和所述第二側(cè)中的每個具有設(shè)置在一對集管之間的流場。絕緣間隔件鄰接所述燃料電池板的所述第一側(cè)，并設(shè)置為與所述燃料電池板的周邊相鄰。一體式電極組件包括子襯墊和設(shè)置在一對擴散介質(zhì)層之間的膜電極組件。所述膜電極組件具有夾在一對電極之間的電解質(zhì)膜。所述子襯墊圍繞并結(jié)合到所述膜電極組件。所述子襯墊鄰接所述絕緣間隔件。彈性密封件鄰接所述燃料電池板的所述第二側(cè)。在另一實施例中，燃料電池包括以堆布置的一對子組件。所述子組件中的一個子組件的所述彈性密封件鄰接所述子組件中的另一個子組件的所述子襯墊。在其它實施例中，燃料電池堆包括以堆布置的多個燃料電池。本發(fā)明還提供如下方案
1. 一種用于燃料電池的子組件，包括
燃料電池板，所述燃料電池板具有第一側(cè)和第二側(cè)，所述第一側(cè)和所述第二側(cè)中的每個包括設(shè)置在一對集管之間的流場；
絕緣間隔件，所述絕緣間隔件鄰接所述燃料電池板的所述第一側(cè)，并設(shè)置為與所述燃料電池板的周邊相鄰；
一體式電極組件，所述一體式電極組件包括子襯墊和設(shè)置在一對擴散介質(zhì)層之間的膜電極，所述膜電極組件包括夾在一對電極之間的電解質(zhì)膜，所述子襯墊圍繞并結(jié)合到所述膜電極組件，且鄰接所述絕緣間隔件；以及
彈性密封件，所述彈性密封件鄰接所述燃料電池板的所述第二側(cè)。2.根據(jù)方案1所述的子組件，其中，粘結(jié)劑設(shè)置在所述絕緣間隔件和所述一體式電極組件的所述子襯墊之間。3.根據(jù)方案2所述的子組件，其中，所述粘結(jié)劑是設(shè)置在所述子襯墊上的熱粘結(jié)
5劑層。4.根據(jù)方案1所述的子組件，其中，所述絕緣間隔件具有足夠的剛度，以防止在操作期間在與所述燃料電池的壓縮相關(guān)聯(lián)的壓力下由所述燃料電池板的所述周邊處的變形邊緣引起的所述絕緣間隔件的刺穿。5.根據(jù)方案4所述的子組件，其中，所述絕緣間隔件具有至少大約2700MI^的楊氏模量和至少大約50MPa的拉伸強度。6.根據(jù)方案4所述的子組件，其中，所述絕緣間隔件由非導(dǎo)電的且非彈性的材料形成。7.根據(jù)方案6所述的子組件，其中，所述絕緣間隔件由塑料和復(fù)合材料中的一種形成。8.根據(jù)方案7所述的子組件，其中，所述絕緣間隔件是聚對苯二甲酸乙二醇酯和
聚萘二甲酸乙二醇酯中的一種。9.根據(jù)方案4所述的子組件，其中，所述絕緣間隔件具有比所述燃料電池板的平均厚度大大約百分之二十五(25%)至大約百分之一百(100%)的厚度。10.根據(jù)方案1所述的子組件，其中，所述燃料電池板的集管中的至少一個包括向外突出的周邊元件，并且所述絕緣間隔件包括與所述燃料電池板的所述向外突出的周邊元件的至少一部分基本上對應(yīng)的向外突出的周邊元件。11.根據(jù)方案10所述的子組件，其中，所述絕緣間隔件和所述燃料電池板的所述向外突出的周邊元件的一部分是用于將外部部件粗略對準并附接到所述子組件的對準特征。12.根據(jù)方案10所述的子組件，其中，所述燃料電池板的所述向外突出的周邊元件中的至少一個被暴露，并被構(gòu)造為用于電通信。13.根據(jù)方案12所述的子組件，其中，所述絕緣間隔件覆蓋所述燃料電池板的所述向外突出的周邊元件中的所暴露的一個的一部分。14.根據(jù)方案1所述的子組件，其中，所述絕緣間隔件遵循所述燃料電池板的周邊的輪廓，并從所述燃料電池板的周邊突出足夠的量，以確保所述燃料電池板的電絕緣。15.根據(jù)方案1所述的子組件，其中，所述絕緣間隔件包括數(shù)據(jù)孔，所述數(shù)據(jù)孔與形成在所述燃料電池板和所述一體式電極組件的所述子襯墊中的數(shù)據(jù)孔協(xié)作，以在所述燃料電池的組裝期間將所述絕緣間隔件、所述燃料電池板和所述一體式電極組件對準。16.根據(jù)方案1所述的子組件，其中，所述燃料電池板和所述子襯墊中的每個包括在組裝所述燃料電池時形成陽極進口、陽極出口、陰極進口、陰極出口、冷卻劑進口和冷卻劑出口中的一個的孔。17.根據(jù)方案16所述的子組件，其中，所述絕緣間隔件設(shè)置在圍繞所述燃料電池板的所述孔的所述彈性密封件的外側(cè)。18.根據(jù)方案1所述的子組件，其中，所述燃料電池板包括壓制形式特征，所述壓制形式特征與所述絕緣間隔件相鄰，并在所述燃料電池被組裝時有助于所述絕緣間隔件的保持。19. 一種燃料電池，包括
以堆布置的一對子組件，所述子組件中的每個包括具有第一側(cè)和第二側(cè)的燃料電池板，所述第一側(cè)和所述第二側(cè)中的每個包括設(shè)置在一對集管之間的流場；絕緣間隔件，所述絕緣間隔件鄰接所述燃料電池板的所述第一側(cè)，并設(shè)置為與所述燃料電池板的周邊相鄰； 一體式電極組件，所述一體式電極組件包括子襯墊和設(shè)置在一對擴散介質(zhì)層之間的膜電極組件，所述膜電極組件包括夾在一對電極之間的電解質(zhì)膜，所述子襯墊圍繞并結(jié)合到所述膜電極組件，且鄰接所述絕緣間隔件；以及彈性密封件，所述彈性密封件鄰接所述燃料電池板的所述第二側(cè)，
其中，所述子組件中的一個子組件的所述彈性密封件鄰接所述子組件中的另一個子組件的所述子襯墊。20. —種燃料電池堆，包括
以堆布置的多個燃料電池，所述燃料電池中的至少一個包括以堆布置的一對子組件， 每個子組件包括具有第一側(cè)和第二側(cè)的燃料電池板，所述第一側(cè)和所述第二側(cè)中的每個包括設(shè)置在一對集管之間的流場；絕緣間隔件，所述絕緣間隔件鄰接所述燃料電池板的所述第一側(cè)，并設(shè)置為與所述燃料電池板的周邊相鄰；一體式電極組件，所述一體式電極組件包括子襯墊和設(shè)置在一對擴散介質(zhì)層之間的膜電極組件，所述膜電極組件包括夾在一對電極之間的電解質(zhì)膜，所述子襯墊圍繞并結(jié)合到所述膜電極組件，且鄰接所述絕緣間隔件；以及彈性密封件，所述彈性密封件鄰接所述燃料電池板的所述第二側(cè)，其中，所述子組件中的一個子組件的所述彈性密封件鄰接所述子組件中的另一個子組件的所述子襯墊。


根據(jù)以下詳細描述，特別是在結(jié)合這里描述的附圖考慮時，本發(fā)明的以上以及其它優(yōu)點對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說將變得更加明顯。圖1是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的包括絕緣間隔件的燃料電池的子組件的分解頂透視圖2是沒有一體式電極組件的在圖1中示出的子組件的頂部平面圖，以示出絕緣間隔件在燃料電池板上的布置；
圖3是在圖1中示出的具有多個子組件的燃料電池的局部頂透視圖； 圖4是在圖3中示出的單個子組件的局部頂透視圖5是在圖4中示出的單個子組件的局部頂透視圖，并且還示出從視圖分解的一體式電極組件；
圖6是在圖4和圖5中示出的單個子組件的局部頂透視圖，并且還示出從視圖分解的絕緣間隔件和一體式電極組件；
圖7是在圖6中示出的單個子組件的局部底透視圖；以及
圖8是由圖6中的圓圈8指示的燃料電池板的放大局部頂透視圖，并且還示出與本發(fā)明的絕緣間隔件一起使用的沖壓板特征。
具體實施例方式下面的詳細描述和附圖描述并舉例說明本發(fā)明的各個實施例。該描述和附圖用于能夠使本領(lǐng)域技術(shù)人員實施并使用本發(fā)明，并不旨在以任何方式限制本發(fā)明的范圍。參照圖1-2和圖4-7，本發(fā)明包括用于燃料電池4的子組件2。子組件2包括以堆布置的燃料電池板6、絕緣間隔件8、一體式電極組件10和彈性襯墊或密封件12。子組件2 可以成對地對準從而形成燃料電池4，以堆對準的多個燃料電池4形成燃料電池堆14 (在圖3中示出)。子組件2的燃料電池板6包括第一側(cè)16和第二側(cè)18。根據(jù)需要，燃料電池板6可以是雙極板或單極板。第一側(cè)16和第二側(cè)18中的每個可以具有設(shè)置在一對集管(header) 22之間的流場20。流場20可以具有形成在其中的多個流道，其在燃料電池板6的相對側(cè)上在集管22之間限定流動路徑。集管22包括多個孔M。當(dāng)組裝時，燃料電池板6的孔M 可以與子組件2的一個或多個其它部件組合地來限定用于燃料電池4的子組件2的陽極進口、陽極出口、陰極進口、陰極出口、冷卻劑進口和冷卻劑出口中的一個。絕緣間隔件8鄰接燃料電池板6的第一側(cè)16。絕緣間隔件8設(shè)置為相鄰于燃料電池板6的周邊26。絕緣間隔件8遵循燃料電池板6的輪廓，而不管形狀如何，具體地，絕緣間隔件8設(shè)置在孔M和燃料電池板6的周邊沈之間。在具體的實施例中，絕緣間隔件8 與燃料電池板6的周邊沈基本上齊平。絕緣間隔件8可以在覆蓋區(qū)域上略微大于燃料電池板6，例如具有達大約2mm的突出，以確保燃料電池板6之間的電絕緣。例如，絕緣間隔件 8可以具有與燃料電池板6的周邊沈的形狀基本上相符合的形狀。根據(jù)需要，也可以選擇用于絕緣間隔件8的其它適當(dāng)形狀。子組件2的一體式電極組件10包括子襯墊觀和設(shè)置在一對擴散介質(zhì)層32之間的膜電極組件30。膜電極組件30包括夾在一對電極(未示出)之間的電解質(zhì)膜(未示出)。 子襯墊28圍繞膜電極組件30。子襯墊觀結(jié)合到膜電極組件30，并鄰接絕緣間隔件8。在具體的實施例中，粘結(jié)劑設(shè)置在一體式電極組件10的子襯墊觀與絕緣間隔件8和板6之間。例如，粘結(jié)劑可以是設(shè)置在一體式電極組件10的子襯墊觀上的熱粘結(jié)劑層。作為非限制性示例，粘結(jié)劑是設(shè)置在子襯墊觀的一個表面上的乙基醋酸乙烯酯粘結(jié)劑。位于子襯墊觀上的粘結(jié)劑將一體式電極組件10穩(wěn)固到絕緣間隔件8。應(yīng)當(dāng)理解的是，用于將絕緣間隔件8附接到子襯墊 28的手段可以是在不采用絕緣間隔件8時用于將一體式電極組件10穩(wěn)固到燃料電池板6 的子襯墊觀的現(xiàn)有微密封粘結(jié)劑。不需要其它粘結(jié)劑，由此使燃料電池4的組裝的復(fù)雜度最小化。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)明白，在本發(fā)明的范圍內(nèi)，還可以采用其它類型的粘結(jié)劑。如圖1所示，可以將子襯墊28提供為圍繞膜電極組件30的基本上平坦的片。例如，如圖3-7所示，多個孔33可以形成在子襯墊觀中。孔33可以在一體式電極組件10的組裝之前或之后形成在子襯墊28中。當(dāng)組裝時，子襯墊28的孔33與燃料電池板6的孔M 協(xié)作，以限定用于燃料電池4的子組件2的陽極進口、陽極出口、陰極進口、陰極出口、冷卻劑進口和冷卻劑出口中的一個。本發(fā)明的子組件2還包括彈性密封件12。彈性密封件12鄰接燃料電池板6的第二側(cè)18，并使子組件2內(nèi)的冷卻劑與反應(yīng)物隔離以及反應(yīng)物與其它反應(yīng)物隔離。彈性密封件12可以由彈性橡膠例如對與燃料電池4的操作相關(guān)聯(lián)的溫度和環(huán)境條件有足夠抵抗的聚氨酯橡膠形成。彈性密封件12可以在子組件2安裝在燃料電池4中時僅由彈性密封件 12抵靠燃料電池板6的壓縮來保持。彈性密封件12可以對燃料電池板6展現(xiàn)出粘結(jié)吸引力，并定位在燃料電池板6上，且由該粘結(jié)吸引力保持，直到施加壓縮為止。在具體的實施例中，不采用粘結(jié)劑來抵靠燃料電池板6保持彈性密封件12。
一體式電極組件10的子襯墊28將用于燃料電池4的陽極反應(yīng)物流和陰極反應(yīng)物流隔離。在多數(shù)情況下，子襯墊觀還在用于燃料電池4的陽極和陰極燃料電池板6之間提供一定的電絕緣，特別是在用于燃料電池4的所設(shè)計的空隙或間隙不存在的情況下。絕緣間隔件8設(shè)置在子組件2的彈性密封區(qū)域的外部，因此不暴露于燃料電池反應(yīng)物。因此，絕緣間隔件8的期望的材料性能與暴露于燃料電池4的流體和內(nèi)部條件的用于子襯墊觀的期望的材料性能不同。絕緣間隔件8還與彈性密封件12的內(nèi)側(cè)上的高度濕化的狀況隔離。 因此，可用于絕緣間隔件8的材料與用于一體式電極組件10的子襯墊觀的材料不同，并且與后者相比，相對便宜。如果絕緣間隔件8跨過彈性密封件12，則將另外需要這些昂貴材料來用于絕緣間隔件8，以防止吸水而導(dǎo)致絕緣間隔件8的膨脹和弱化。另外，存在設(shè)計局限性，對于絕緣間隔件8來說不合期望地在內(nèi)側(cè)延伸跨過密封件12。物理上說，子組件2內(nèi)的空間是有限的，如果絕緣間隔件8的邊緣突然中斷，則跨過邊緣的密封件12將導(dǎo)致不合期望的泄漏。在具體的實施例中，絕緣間隔件8由不導(dǎo)電且基本上非彈性的材料形成。期望的是，絕緣間隔件8是非彈性的，從而防止在組裝時燃料電池4的總高度的變化。在施加與燃料電池4的通常操作相關(guān)聯(lián)的壓力時，絕緣間隔件8基本上不偏斜。例如，絕緣間隔件8可以由當(dāng)施加壓力時主要展現(xiàn)出塑性變形的塑料和復(fù)合材料中的一種形成。在特定的實施例中，用于絕緣間隔件8所采用的塑料材料是聚對苯二甲酸乙二醇酯和聚萘二甲酸乙二醇酯中的一種。根據(jù)需要，也可以使用其它不導(dǎo)電且基本上非彈性的材料。絕緣間隔件8還具有足夠的剛度，從而防止由于燃料電池板6的周邊沈處的變形邊緣引起的絕緣間隔件8的刺穿。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)明白，變形邊緣可以是在燃料電池4中的安裝期間燃料電池板6的尺寸偏差和與子組件2的壓縮關(guān)聯(lián)的壓力的結(jié)果。應(yīng)當(dāng)明白，可以為材料選擇在燃料電池操作條件下提供足夠的剛度的楊氏模量和拉伸強度。 作為一個非限制性示例，絕緣間隔件8可以具有至少大約2700Mpa的楊氏模量和至少大約 50MI^的拉伸強度。根據(jù)影響材料的抗刺穿性的其它性能，可以采用較低的楊氏模量和拉伸強度。根據(jù)需要，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以選擇具有足夠的剛度和抗刺穿性的材料來用于絕緣間隔件8。應(yīng)當(dāng)理解，絕緣間隔件8的厚度可以選擇成以使其中一個燃料電池板6的變形邊緣可以僅局部地刺穿絕緣間隔件8的表面。在其中一個燃料電池板6的變形邊緣至少局部地刺穿絕緣間隔件8的表面的情況下，燃料電池板6的邊緣中的點缺陷將另外地施加到絕緣間隔件8的壓力被最小化。例如，絕緣間隔件8還可以具有比相鄰的燃料電池板6的厚度更大的厚度。應(yīng)當(dāng)明白，板組件厚度基于部件幾何學(xué)內(nèi)的形成特征而改變。示例性地，絕緣間隔件8可以具有比燃料電池板6的平均厚度大大約百分之二十五(25%)至大約百分之一百(100%)的厚度， 燃料電池板6的平均厚度為形成燃料電池板6的陽極板和陰極板的組合材料厚度。在具體的實施例中，絕緣間隔件8具有大約百分之二十五(25%)至大約百分之七十五(100%)的厚度。例如，在燃料電池板6的平均厚度為大約150微米的情況下，絕緣間隔件8的厚度可以在大約190微米和大約260微米之間。根據(jù)需要，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以采用用于燃料電池板6和絕緣間隔件8的其它適當(dāng)尺寸。燃料電池板6的集管22中的至少一個包括向外突出的周邊元件34。絕緣間隔件
98還包括與燃料電池板6的向外突出的周邊元件34的至少一部分基本上對應(yīng)的向外突出的周邊元件36。在一個示例中，除了用于例如與外部裝置進行電通信的預(yù)定部分之外，絕緣間隔件8的向外突出的周邊元件36基本上覆蓋燃料電池板6的所有突出的周邊元件34。例如， 向外突出的周邊元件34的所暴露的一個可以是電池電壓監(jiān)測接線片。應(yīng)當(dāng)理解，絕緣間隔件8可以覆蓋燃料電池板6的向外突出的周邊元件34中的所暴露的一個的一部分。在其它示例中，燃料電池板6、絕緣間隔件8和一體式電極組件10的子襯墊28中的每個可以均包括數(shù)據(jù)孔38。燃料電池板6、絕緣間隔件8和子襯墊觀的數(shù)據(jù)孔38協(xié)作， 從而在燃料電池4的組裝期間使絕緣間隔件8、燃料電池板6和一體式電極組件10與數(shù)據(jù)棒(未示出)對準。具體參照圖8，燃料電池板6可以包括壓制形式特征40。壓制形式特征40可以是燃料電池板6的表面上的升高部分。壓制形式特征40設(shè)置為相鄰于絕緣間隔件8，例如設(shè)置在向外突出的周邊元件34上，并且當(dāng)組裝燃料電池4時有助于絕緣間隔件8的保持。壓制形式特征40還可以有助于在子組件2和燃料電池4中的一者的形成期間子襯墊觀上的粘結(jié)劑到絕緣間隔件8的熱壓和固化。根據(jù)本發(fā)明，燃料電池4示出在圖3中。燃料電池4包括設(shè)置在一對燃料電池板 6之間的絕緣間隔件8。可以通過堆疊如在上文中公開的一對子組件2來提供燃料電池4。 同樣，燃料電池堆14示出在圖3中，并可以通過堆疊由子組件2形成的多個燃料電池4來提供。絕緣間隔件8在燃料電池板6之間的添加有利地填充燃料電池板6或?qū)⑷剂想姵匕?隔開，并有助于分布將否則由燃料電池板6的周邊沈處的板邊緣的變形引起的負荷或壓力。絕緣間隔件8的剛度還允許絕緣間隔件8用作為板數(shù)據(jù)，并提供用于外部附接的硬件的對準特征。應(yīng)當(dāng)理解，當(dāng)燃料電池堆14未被完全封閉或包封時，燃料電池堆14的外輪廓通常易于變形。絕緣間隔件8是穩(wěn)健的，并在燃料電池堆14的操作壽命內(nèi)防止燃料電池板6的其它變形。在本發(fā)明的子組件2中，絕緣間隔件8沒有額外的粘結(jié)劑，并由存在于一體式電極組件10的子襯墊觀上的粘結(jié)劑保持在適當(dāng)位置。子襯墊觀與絕緣間隔件8的設(shè)置為與燃料電池板6的密封壓蓋區(qū)域相鄰的一部分疊置。子襯墊觀上的粘結(jié)劑將絕緣間隔件8 結(jié)合到子襯墊觀，由此附于子組件2內(nèi)。有利地，整個組裝工藝可以發(fā)生在一個步驟中，由此通過本發(fā)明的子組件2使得制造燃料電池4的復(fù)雜度最小化。本領(lǐng)域技術(shù)人員還應(yīng)當(dāng)明白，子組件2在燃料電池板6的周邊沈的邊緣處防止板與板接觸，并防止燃料電池4的隨后的板與板短路。包括絕緣間隔件8的子組件2在操作期間使燃料電池板6的變形最小化。此外，絕緣間隔件8在燃料電池板6的周邊沈的邊緣處防止子襯墊觀的磨損，并允許所完成的一體式電極組件10的外周邊的公差偏差。由此， 采用絕緣間隔件8排除了在燃料電池4的組裝之后對子襯墊洲的外周邊進行修整的任何需要。雖然為了舉例說明本發(fā)明的目的已經(jīng)示出特定的典型實施例和細節(jié)，但對于本領(lǐng)域技術(shù)人員將顯而易見的是，在不脫離本發(fā)明的在下面所附權(quán)利要求進一步描述的范圍的情況下可以做出各種改變。
權(quán)利要求
1.一種用于燃料電池的子組件，包括燃料電池板，所述燃料電池板具有第一側(cè)和第二側(cè)，所述第一側(cè)和所述第二側(cè)中的每個包括設(shè)置在一對集管之間的流場；絕緣間隔件，所述絕緣間隔件鄰接所述燃料電池板的所述第一側(cè)，并設(shè)置為與所述燃料電池板的周邊相鄰；一體式電極組件，所述一體式電極組件包括子襯墊和設(shè)置在一對擴散介質(zhì)層之間的膜電極，所述膜電極組件包括夾在一對電極之間的電解質(zhì)膜，所述子襯墊圍繞并結(jié)合到所述膜電極組件，且鄰接所述絕緣間隔件；以及彈性密封件，所述彈性密封件鄰接所述燃料電池板的所述第二側(cè)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的子組件，其中，粘結(jié)劑設(shè)置在所述絕緣間隔件和所述一體式電極組件的所述子襯墊之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的子組件，其中，所述粘結(jié)劑是設(shè)置在所述子襯墊上的熱粘結(jié)劑層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的子組件，其中，所述絕緣間隔件具有足夠的剛度，以防止在操作期間在與所述燃料電池的壓縮相關(guān)聯(lián)的壓力下由所述燃料電池板的所述周邊處的變形邊緣引起的所述絕緣間隔件的刺穿。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的子組件，其中，所述絕緣間隔件具有至少大約2700MI^的楊氏模量和至少大約50MPa的拉伸強度。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的子組件，其中，所述絕緣間隔件由非導(dǎo)電的且非彈性的材料形成。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的子組件，其中，所述絕緣間隔件由塑料和復(fù)合材料中的一種形成。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的子組件，其中，所述絕緣間隔件是聚對苯二甲酸乙二醇酯和聚萘二甲酸乙二醇酯中的一種。
9.一種燃料電池，包括以堆布置的一對子組件，所述子組件中的每個包括具有第一側(cè)和第二側(cè)的燃料電池板，所述第一側(cè)和所述第二側(cè)中的每個包括設(shè)置在一對集管之間的流場；絕緣間隔件，所述絕緣間隔件鄰接所述燃料電池板的所述第一側(cè)，并設(shè)置為與所述燃料電池板的周邊相鄰； 一體式電極組件，所述一體式電極組件包括子襯墊和設(shè)置在一對擴散介質(zhì)層之間的膜電極組件，所述膜電極組件包括夾在一對電極之間的電解質(zhì)膜，所述子襯墊圍繞并結(jié)合到所述膜電極組件，且鄰接所述絕緣間隔件；以及彈性密封件，所述彈性密封件鄰接所述燃料電池板的所述第二側(cè)，其中，所述子組件中的一個子組件的所述彈性密封件鄰接所述子組件中的另一個子組件的所述子襯墊。
10.一種燃料電池堆，包括以堆布置的多個燃料電池，所述燃料電池中的至少一個包括以堆布置的一對子組件， 每個子組件包括具有第一側(cè)和第二側(cè)的燃料電池板，所述第一側(cè)和所述第二側(cè)中的每個包括設(shè)置在一對集管之間的流場；絕緣間隔件，所述絕緣間隔件鄰接所述燃料電池板的所述第一側(cè)，并設(shè)置為與所述燃料電池板的周邊相鄰；一體式電極組件，所述一體式電極組件包括子襯墊和設(shè)置在一對擴散介質(zhì)層之間的膜電極組件，所述膜電極組件包括夾在一對電極之間的電解質(zhì)膜，所述子襯墊圍繞并結(jié)合到所述膜電極組件，且鄰接所述絕緣間隔件；以及彈性密封件，所述彈性密封件鄰接所述燃料電池板的所述第二側(cè)，其中，所述子組件中的一個子組件的所述彈性密封件鄰接所述子組件中的另一個子組件的所述子襯墊。
全文摘要
本發(fā)明涉及在氫燃料電池的導(dǎo)電板之間提供電絕緣的方法。一種用于燃料電池的子組件包括具有第一側(cè)和第二側(cè)的燃料電池板。所述第一側(cè)和所述第二側(cè)中的每個具有設(shè)置在一對集管之間的流場。絕緣間隔件鄰接所述燃料電池板的所述第一側(cè)，并設(shè)置為與所述燃料電池板的周邊相鄰。一體式電極組件包括子襯墊、膜電極組件和一對擴散介質(zhì)層。所述膜電極組件具有夾在一對電極之間的電解質(zhì)膜。所述膜電極組件夾在所述一對擴散介質(zhì)層之間。所述子襯墊圍繞并結(jié)合到所述膜電極組件。所述子襯墊鄰接所述絕緣間隔件。彈性密封件鄰接所述燃料電池板的所述第二側(cè)。
文檔編號H01M8/02GK102456895SQ20111032258
公開日2012年5月16日 申請日期2011年10月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月21日
發(fā)明者P. 米勒 D., J. 博伊特爾 M., L. 詹姆斯 R., J. 斯潘塞 S. 申請人:通用汽車環(huán)球科技運作有限責(zé)任公司