專(zhuān)利名稱(chēng)：成形和填充子襯墊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池電堆并且更具體地涉及用于制造燃料電池電堆的子襯墊的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
燃料電池已經(jīng)被提出作為一種針對(duì)各種應(yīng)用的干凈、高效且對(duì)環(huán)境負(fù)責(zé)的動(dòng)力源。具體地，各個(gè)燃料電池能夠被串聯(lián)地堆在一起以便形成能夠提供足以向電動(dòng)車(chē)輛供給動(dòng)力的電量的燃料電池電堆。燃料電池電堆已經(jīng)被認(rèn)為是在現(xiàn)代車(chē)輛中使用的傳統(tǒng)內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的可能替代物。燃料電池是電化學(xué)器件，其將例如氫的燃料和例如氧的氧化劑結(jié)合在一起以產(chǎn)生 電。氧通常由空氣流來(lái)供應(yīng)。氫和氧結(jié)合導(dǎo)致水的形成。能夠使用其他燃料，例如天然氣、甲醇、汽油和例如由煤得到的合成燃料。一種燃料電池類(lèi)型公知為質(zhì)子交換膜(PEM)燃料電池。PEM燃料電池通常包括三個(gè)基本部件陰極、陽(yáng)極和電解質(zhì)膜。陰極和陽(yáng)極通常包括被支撐在碳顆粒上并與離子型聚合物混合的細(xì)磨催化劑，例如鉬。電解質(zhì)膜被夾在陰極和陽(yáng)極之間從而形成膜電解質(zhì)組件(MEA)。在典型的PM型燃料電池中，MEA被夾在擴(kuò)散介質(zhì)或擴(kuò)散層(DM)之間，該擴(kuò)散介質(zhì)或擴(kuò)散層由彈性導(dǎo)電且可透過(guò)氣體的材料(例如碳纖維或紙)形成。在某些設(shè)計(jì)中，陰極和陽(yáng)極也被形成在DM上并在其間夾有電解質(zhì)膜。DM用作陽(yáng)極和陰極的電流收集器并且對(duì)MEA提供機(jī)械支撐。DM和MEA被壓在一對(duì)導(dǎo)電雙極板之間，這對(duì)導(dǎo)電雙極板也用作電流收集器以用于收集來(lái)自電化學(xué)燃料電池反應(yīng)的電流。雙極板通常包括兩個(gè)薄的對(duì)置金屬單極板。金屬單極板中的一個(gè)在其一個(gè)外表面上限定流動(dòng)路徑以用于向MEA的陽(yáng)極輸送氫反應(yīng)物。另一個(gè)單極板的外表面限定用于向MEA的陰極側(cè)輸送氧化劑反應(yīng)物的流動(dòng)路徑。當(dāng)單極板被結(jié)合時(shí)，結(jié)合的表面限定用于從其通過(guò)的冷卻劑流體的路徑。單極板通常由可成形金屬制成，該可成形金屬提供適當(dāng)強(qiáng)度、電導(dǎo)率和抗腐蝕性，例如316L合金不銹鋼。燃料電池電堆通常被壓縮以便在操作中將其各種部件保持在一起。為了阻止反應(yīng)物和其他流體從燃料電池電堆的不良泄漏，通常使用密封?？梢酝ㄟ^(guò)子襯墊來(lái)提供密封，例如該子襯墊被連接到電解質(zhì)膜。密封還可以沿成對(duì)板的周界邊緣設(shè)置。公知的密封由彈性體材料形成。存在對(duì)于在燃料電池電堆的板之間的密封方法的持續(xù)需求，其中密封阻止流體從燃料電池電堆泄漏并且最小化制造復(fù)雜性。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本公開(kāi)，令人矚目地發(fā)現(xiàn)了在燃料電池電堆的板之間的密封方法，其中該密封阻止流體從燃料電池電堆泄漏并且最小化制造復(fù)雜性。
成形子襯墊
成形子襯墊的材料候選
子襯墊可以由薄膜聚合物制成，所述薄膜聚合物成本低且與燃料電池環(huán)境和制造子襯墊以及將子襯墊組裝到燃料電池內(nèi)所必要的處理步驟相容。一些膜材料是聚丙烯、PEN和PET的較高溫度的變體。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)該理解，在子襯墊厚度在子襯墊占地面積上變化的情況下泡沫型聚合物膜會(huì)是理想的。具體地，泡沫聚合物允許厚度變化而不需要在制造過(guò)程期間在膜的平面內(nèi)存在過(guò)量的聚合物流動(dòng)。制造過(guò)程選項(xiàng) 一種制造方法是熱成型薄聚合物膜。具體可以使用公知為匹配模制(match molding)的熱成型過(guò)程，并且其能夠在膜內(nèi)形成精確的細(xì)節(jié)。此外，匹配模制能夠使得一些聚合物在零件的平面內(nèi)流動(dòng)，從而產(chǎn)生厚和薄這兩種區(qū)段。通過(guò)將膜加熱到恰在熔點(diǎn)之下或之上并且在零件的陽(yáng)模和陰模之間擠壓該膜從而實(shí)現(xiàn)匹配模制。如果需要最終零件具有稍均勻的厚度并且不需要特征的精確性，則也可以使用真空成型和/或壓力成型。因?yàn)槌尚蔚淖右r墊不需要顯著的伸縮性(即子襯墊是基本平面的)，所以這種方法可以被使用。密封壓條成型件
密封壓條成型件(seal bead form)被設(shè)計(jì)成使得密封壓條成型件在堆疊壓縮期間能夠彎曲，但并不會(huì)彎曲成使得應(yīng)力減小密封壓條成型件在注射未固化彈性體密封劑期間保持流體壓力的能力。當(dāng)被部分壓縮時(shí)，例如，在注射未固化彈性體密封劑之前，密封壓條成型件需要在與雙極板的接觸線(xiàn)處施加足夠的力以便充分密封并阻止被注射的未固化彈性體密封劑的顯著泄漏。密封劑的任何不顯著的泄漏均應(yīng)當(dāng)不危害到壓條的固化后壓縮或阻止燃料電池電堆內(nèi)反應(yīng)物或冷卻劑的流動(dòng)。密封壓條成型件可以利用單個(gè)隆起的壓條輪廓而僅接觸一個(gè)雙極板。這種實(shí)施例會(huì)在成形的壓條輪廓的頂部和上部雙極板的下表面之間需要薄的密封(或粘結(jié)劑)。第二實(shí)施例使用兩個(gè)隆起的壓條輪廓且具有沿成形彈性體通路并位于壓條輪廓中的兩個(gè)隆起之間的孔眼。當(dāng)被填充時(shí)，未固化彈性體流動(dòng)通過(guò)孔眼從而使得彈性體與兩個(gè)雙極板接觸。彈性體通路在電池的占地面積上連接在一個(gè)或更多個(gè)點(diǎn)處。這些連接點(diǎn)還允許通過(guò)基本重合的通路或孔在電池間流動(dòng)。短路保護(hù)
可以通過(guò)在子襯墊上形成較厚區(qū)域從而大部分填充在密封壓條成型件外側(cè)的雙極板之間的空間，來(lái)提供短路保護(hù)(例如在活性區(qū)之外)。可以通過(guò)使用較厚膜來(lái)開(kāi)始或在具體實(shí)施例中在膜中形成圖案從而獲得較厚區(qū)域。定位特征
將子襯墊組件定位于雙極板中的至少一個(gè)雙極板的特征可以與密封壓條成型件特征同時(shí)形成。這樣確保了密封特征被準(zhǔn)確地對(duì)齊于在雙極板上的沖壓特征。一種實(shí)施例將利用入口和/或出口來(lái)用于未固化彈性體密封劑的注射，因?yàn)檫@也可以被用于在堆疊期間將電池與電池對(duì)齊。密封劑材料候選
已經(jīng)確定的是，相對(duì)低粘度(例如1000至2000CP)的未固化彈性體密封劑可以被使用以便保持填充時(shí)間相當(dāng)短(例如大約30秒)并且注射壓力能夠由成形子襯墊器件內(nèi)的彈性體通路所控制。固化技術(shù)可以是雙組分的、熱學(xué)的或者這二者的組合。還可以使用其他固化技術(shù)。用于密封劑的其他適當(dāng)材料可以是發(fā)泡彈性體流體，只要成形子襯墊通路內(nèi)的泡沫壓縮設(shè)定在燃料電池的壽命期間保持較低即可。燃料電池電堆組件
堆疊
成形子襯墊被置于每個(gè)雙極板之間。子襯墊可以具有已經(jīng)附接的燃料電池膜電極組件(MEA)。在較小體積時(shí)，較小的電池組(例如10-30)可以被堆疊并密封。這些電池組能夠在電池組之間使用可維護(hù)密封。這允許質(zhì)量控制建立并且測(cè)試這些子電堆以及在技術(shù)成熟·時(shí)使其適于使用。隨著時(shí)間流逝，質(zhì)量、可靠性和體積增加，電池組的尺寸會(huì)增加并且最終整個(gè)電堆被堆疊且密封成一個(gè)單元。這是由于對(duì)于維護(hù)的需求的減少以及密封數(shù)量和組裝步驟的減小所導(dǎo)致的。當(dāng)子電堆被使用時(shí)，可以使用專(zhuān)用工具來(lái)壓縮。這種工具模擬了通常由完全組裝的燃料電池電堆的端部單元所提供的壓縮。如果需要后期固化泄漏檢查和/或性能測(cè)試，則這種工具完全模擬完整尺寸的電堆上所存在的端部單元。這將需要壓縮、流體流動(dòng)(氫、濕化空氣以及可能的冷卻劑)密封以及電連接(電池動(dòng)力)和電隔離。當(dāng)完整尺寸的燃料電池電堆一旦被密封，則用于完整燃料電池電堆的成品電堆端部單元可以被用來(lái)代替專(zhuān)用工具。在這種情況中，提供了通過(guò)端部單元向電池電堆內(nèi)注射彈性體。與板的粘附
雖然優(yōu)選地是使用電池壓縮來(lái)密封子襯墊內(nèi)的未填充彈性體通路，不過(guò)必要的是將壓條輪廓的基底處的彈性體通路旁邊的區(qū)域粘附于每個(gè)雙極板的一側(cè)。這可以通過(guò)使用各種與燃料電池相容的壓敏粘結(jié)劑或通過(guò)與被加熱的雙極板和/或熱熔(heat-staking)工具接觸而被激活的熱熔粘結(jié)劑而實(shí)現(xiàn)。部分壓縮
在這個(gè)步驟中電堆(或子電堆)被壓縮成部分地壓縮空的彈性體密封通路。這主要被完成用于將子襯墊膜密封于每個(gè)雙極板并且在注射或填充步驟期間控制未固化彈性體的壓力。彈性體注射
一旦確保了足夠的密封(例如通過(guò)真空或壓力泄漏測(cè)試)，則之后使用噴嘴將未固化的彈性體注射通過(guò)電池組的一端以及一個(gè)或更多個(gè)注射點(diǎn)。分析表明大約60 psi的填充壓力通過(guò)使用具有大約1000 cP粘度的流體提供了近似30秒的填充時(shí)間且具有期望的密封壓條成型件輪廓。根據(jù)需要，塞子還可以被插入到入口內(nèi)以便保持任意未固化彈性體。還可以通過(guò)在彈性體注射之前和/或期間對(duì)彈性體通路抽真空來(lái)促進(jìn)填充。減少壓縮
在具體實(shí)施例中，期望釋放對(duì)電池組的部分壓縮以便允許密封壓條成型件特征在高度上生長(zhǎng)(例如達(dá)到其未壓縮高度)并且允許彈性體固化成較高的形狀。這將允許更多的密封壓縮處于固化狀態(tài)同時(shí)減少在成形的密封壓條成型件上的應(yīng)力。密封固化
一旦確保了完全填充并且停止了彈性體的流動(dòng)，則能夠經(jīng)由多個(gè)途徑固化彈性體?？梢栽谑覝叵聦?shí)現(xiàn)催化固化或者使用熱來(lái)加速催化劑固化。熱量可以在堆疊之前和/或期間被施加于雙極板并且可以在填充步驟期間及之后滲透到彈性體中。完全壓縮
一旦已經(jīng)充分固化了密封，則電堆(或子電堆)之后被完全壓縮并且安裝在其封罩內(nèi)并被傳送到下一工作站以便進(jìn)一步組裝和/或質(zhì)量檢查。在一個(gè)實(shí)施例中，一種用于制造燃料電池電堆的子襯墊的方法，其中該燃料電池電堆具有被置于電堆內(nèi)的一對(duì)板，該方法包括將膜定位在所述板之間的步驟。膜包括內(nèi)部 部分和曲折成形部分。所述曲折成形部分被置于內(nèi)部部分外側(cè)。該內(nèi)部部分鄰接所述燃料電池的質(zhì)子交換膜。在具體實(shí)施例中，內(nèi)部部分是基本平面的。曲折成形部分鄰接每個(gè)所述板。曲折成形部分限定在所述板中的一個(gè)和所述膜之間的至少一個(gè)腔。粘性密封劑被注射到所述腔內(nèi)。所述密封劑被固化以便在所述膜上形成順應(yīng)性壓條密封。在另一實(shí)施例中，用于具有一對(duì)板的燃料電池電堆的子襯墊包括被置于所述板之間的膜。膜包括內(nèi)部部分和曲折成形部分。該內(nèi)部部分鄰接所述燃料電池的質(zhì)子交換膜。曲折成形部分鄰接每個(gè)所述板。曲折成形部分限定在所述板中的一個(gè)和所述膜之間的至少一個(gè)腔。通過(guò)向所述腔內(nèi)注射粘性密封劑并固化所述密封劑從而在所述膜上形成順應(yīng)性壓條密封。在又一實(shí)施例中，燃料電池電堆包括被置于電堆中的一對(duì)板、被置于所述板之間的一對(duì)擴(kuò)散介質(zhì)層以及被夾在所述擴(kuò)散介質(zhì)層之間的膜電極組件。燃料電池還包括子襯墊，其具有被置于所述板之間的膜。該膜包括內(nèi)部部分和曲折成形部分。該內(nèi)部部分鄰接所述燃料電池的膜電極組件。所述曲折成形部分鄰接每個(gè)所述板。所述曲折成形部分限定在所述板中的一個(gè)和所述膜之間的至少一個(gè)腔。通過(guò)向所述腔內(nèi)注射粘性密封劑并固化所述密封劑從而在所述膜上形成順應(yīng)性壓條密封。本發(fā)明還提供了以下技術(shù)方案。方案I. 一種用于制造燃料電池的子襯墊的方法，該燃料電池具有被置于電堆內(nèi)的一對(duì)板，該方法包括步驟
將膜定位在所述板之間，該膜包括內(nèi)部部分和曲折成形部分，該內(nèi)部部分鄰接所述燃料電池的質(zhì)子交換膜，并且所述曲折成形部分鄰接每個(gè)所述板，所述曲折成形部分限定在所述板中的一個(gè)和所述膜之間的至少一個(gè)腔；和向所述腔內(nèi)注射密封劑；以及
固化所述密封劑從而在所述膜上形成順應(yīng)性壓條密封。方案2.根據(jù)方案I所述的方法，還包括步驟在向所述腔內(nèi)注射所述密封劑的步驟之前部分壓縮所述電堆。方案3.根據(jù)方案2所述的方法，其中在向所述腔內(nèi)注射所述密封劑的步驟之后釋放所述部分壓縮從而允許所述密封劑在所述腔內(nèi)膨脹。方案4.根據(jù)方案I所述的方法，其中在固化所述密封劑的步驟之前用所述密封劑基本填充所述腔。方案5.根據(jù)方案I所述的方法，還包括步驟在固化所述密封劑以形成所述壓條密封的步驟之后完全壓縮所述電堆。方案6.根 據(jù)方案I所述的方法，其中通過(guò)由所述板限定的澆注口來(lái)執(zhí)行所述密封劑向所述腔內(nèi)的注射，所述澆注口與每個(gè)所述板內(nèi)形成的端口流體連通。方案7.根據(jù)方案6所述的方法，其中所述密封劑被注射到所述澆注口內(nèi)所通過(guò)的所述端口是用于對(duì)齊所述電堆內(nèi)的所述板的基準(zhǔn)孔。方案8.根據(jù)方案I所述的方法，其中在室溫和高溫之一下執(zhí)行固化所述密封劑的步驟。方案9.根據(jù)方案8所述的方法，其中在所述高溫下執(zhí)行固化所述密封劑的步驟，并且在注射所述密封劑之前加熱所述板從而導(dǎo)致所述高溫。方案10.根據(jù)方案I所述的方法，其中對(duì)所述腔抽真空以有助于將所述密封劑注射到所述腔內(nèi)。方案11.根據(jù)方案I所述的方法，其中所述曲折成形部分包括其間設(shè)有峰部的一對(duì)主槽,所述主槽中的至少一個(gè)鄰接所述板中的一個(gè)并且所述峰部鄰接所述板中的另一個(gè)。方案12.根據(jù)方案11所述的方法，其中所述峰部包括限定另一腔的次槽。方案13.根據(jù)方案12所述的方法，其中在所述曲折成形部分的所述次槽內(nèi)形成孔隙并且當(dāng)被注射時(shí)所述密封劑流動(dòng)通過(guò)所述孔隙并填充兩個(gè)腔。方案14.根據(jù)方案11所述的方法，其中使用粘結(jié)劑將所述峰部附著到所述板中的所述另一個(gè)。方案15.根據(jù)方案I所述的方法，其中所述膜由聚丙烯、PEN和PET中的一者形成。方案16.根據(jù)方案I所述的方法，其中所述膜由聚合泡沫形成。方案17.根據(jù)方案I所述的方法，其中所述密封劑是雙組分可固化彈性體和可熱學(xué)固化彈性體之一。方案18.根據(jù)方案I所述的方法，其中所述密封劑是發(fā)泡彈性體流體。方案19. 一種用于具有一對(duì)板的燃料電池電堆的子襯墊，包括
被置于所述板之間的膜，該膜包括內(nèi)部部分和曲折成形部分，該內(nèi)部部分鄰接所述燃料電池的質(zhì)子交換膜，并且所述曲折成形部分鄰接每個(gè)所述板，所述曲折成形部分限定在所述板中的一個(gè)和所述膜之間的至少一個(gè)腔；以及
通過(guò)向所述腔內(nèi)注射粘性密封劑并固化該密封劑而在所述膜上形成順應(yīng)性壓條密封。方案20. —種燃料電池電堆，包括
被置于電堆中的一對(duì)板；
被置于所述板之間的一對(duì)擴(kuò)散介質(zhì)層；
被夾在所述擴(kuò)散介質(zhì)層之間的膜電極組件；以及
子襯墊，其包括被置于所述板之間的膜，該膜包括內(nèi)部部分和曲折成形部分，該內(nèi)部部分鄰接所述燃料電池的膜電極組件，并且所述曲折成形部分鄰接每個(gè)所述板，所述曲折成形部分限定在所述板中的一個(gè)和所述膜之間的至少一個(gè)腔，通過(guò)向所述腔內(nèi)注射粘性密封劑并固化所述密封劑而在所述膜上形成順應(yīng)性壓條密封。


當(dāng)參考附圖時(shí)本領(lǐng)域的那些技術(shù)人員從優(yōu)選實(shí)施例的下述具體說(shuō)明中將顯而易見(jiàn)到本發(fā)明的上述以及其他優(yōu)點(diǎn)，附圖中
圖I是根據(jù)本公開(kāi)的一種實(shí)施例的示例性燃料電池電堆的俯視平面圖，其中板被移除以便暴露出燃料電池電堆的子襯墊；
圖2是在圖I中剖切線(xiàn)A-A所示的燃料電池電堆的陽(yáng)極供給部段處截取的部分側(cè)截面圖，其中板存在以便示出具有子襯墊的組件；
圖3是在圖I中剖切線(xiàn)B-B所示的燃料電池電堆的陰極供給部段處截取的部分側(cè)截面圖，其中板存在以便示出具有子襯墊的組件； 圖4是在圖I中剖切線(xiàn)C-C所示的燃料電池電堆的冷卻劑供給部段處截取的部分側(cè)截面圖，其中板存在以便示出具有子襯墊的組件；
圖5是在圖I中剖切線(xiàn)D-D所示的燃料電池電堆的邊緣部段處截取的部分側(cè)截面圖，其中板存在以便示出具有子襯墊的組件；
圖6是在圖I中剖切線(xiàn)E-E所示的燃料電池電堆的頂部部段處截取的部分側(cè)截面圖，其中板存在以便示出具有子襯墊的組件；
圖7是在圖I中剖切線(xiàn)F-F所示的燃料電池電堆的陽(yáng)極隧道冷卻劑密封的密封接頭處截取的部分側(cè)截面圖，其中板存在以便示出具有子襯墊的組件；
圖8是在圖I中剖切線(xiàn)G-G所示的燃料電池電堆的陰極隧道冷卻劑密封的密封接頭處截取的部分側(cè)截面圖，其中板存在以便示出具有子襯墊的組件；
圖9是根據(jù)本公開(kāi)的另一實(shí)施例的燃料電池電堆的部分側(cè)截面圖，其是在圖I中剖切線(xiàn)A-A所示的燃料電池電堆的陽(yáng)極供給部段處所截取的，其中板存在以便示出具有子襯墊的組件；
圖10是根據(jù)本公開(kāi)的另一實(shí)施例的燃料電池電堆的部分側(cè)截面圖，其是在圖I中剖切線(xiàn)D-D所示的燃料電池電堆的邊緣部段處所截取的，其中板存在以便示出具有子襯墊的組件；
圖11是根據(jù)本公開(kāi)的另一實(shí)施例的燃料電池電堆的部分側(cè)截面圖，其是在圖I中剖切線(xiàn)F-F所示的燃料電池電堆的陽(yáng)極隧道冷卻劑密封的密封接頭處截取的，其中板存在以便示出具有子襯墊的組件；
圖12是根據(jù)本公開(kāi)的另一實(shí)施例的燃料電池電堆的部分側(cè)截面圖，其是在圖I中剖切線(xiàn)E-E所示的燃料電池電堆的頂部部段處截取的，其中板存在以便示出具有子襯墊的組件；
圖13是根據(jù)本公開(kāi)的又一實(shí)施例的燃料電池電堆的部分側(cè)截面圖，其是在圖I中剖切線(xiàn)D-D所示的燃料電池電堆的邊緣部段處截取的，其中板存在以便示出具有子襯墊的組件；以及
圖14是根據(jù)本公開(kāi)的又一實(shí)施例的燃料電池電堆的部分側(cè)截面圖，其是在圖I中剖切線(xiàn)A-A所示的燃料電池電堆的陽(yáng)極供給部段處截取的，其中板存在以便示出具有子襯墊的組件。
具體實(shí)施例方式下述具體說(shuō)明和附圖描述并圖釋了本發(fā)明的各種示例性實(shí)施例。所述說(shuō)明和附圖用于使得本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠制造和使用本發(fā)明，并且不試圖以任何方式限制本發(fā)明的范圍。在所公開(kāi)的方法背景中，提出的步驟實(shí)質(zhì)上是示例性的，并且因此步驟的次序不是必要的或嚴(yán)格的。圖1-8示出了根據(jù)本公開(kāi)的燃料電池電堆2。在圖I中，為了圖釋目的，示出的燃料電池電堆2具有暴露的子襯墊4。與本公開(kāi)的子襯墊4 一同使用的示例性燃料電池電堆2被示于并描述于受讓人的共同待審美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)序列號(hào)12/341，105和美國(guó)專(zhuān)利號(hào)7，892，692中，其全部?jī)?nèi)容并入本文以供參考。根據(jù)需要，還可以使用其他類(lèi)型的燃料電池電堆2來(lái)用于本公開(kāi)的子襯墊4。燃料電池電堆2包括被置于電堆中的一對(duì)板6、8。例如，板6、8可以是燃料電池電 堆2的雙極板。每個(gè)所述板6、8具有活性區(qū)域10和供給區(qū)域12。膜電極組件或MEA 14包括被夾在一對(duì)電極層之間的質(zhì)子交換膜并且被置于活性區(qū)域10內(nèi)。MEA 14被夾在一對(duì)擴(kuò)散介質(zhì)層16、18之間并且整個(gè)組件被置于板6、8之間，如圖2-14所示。如果需要，MEA 14可以與擴(kuò)散介質(zhì)層16、18及子襯墊4組裝在一起從而形成成套的電極組件或UEA。燃料電池電堆的供給區(qū)域12包括陰極歧管20、冷卻劑歧管22、陽(yáng)極歧管24以及分別用于輸送和排出陰極氣體21、冷卻劑23和陽(yáng)極氣體25的孔口。子襯墊4也被置于供給區(qū)域12中。子襯墊4包括被置于板6、8之間的膜28。膜28由基本可滲透流體的材料形成，該材料具有抵抗燃料電池電堆2的內(nèi)部環(huán)境條件的抗性。作為非限制性示例，膜可以由聚丙烯、PEN和PET中的一種形成。膜28還可以由聚合泡沫形成。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以根據(jù)需要選擇用于膜28的其他適當(dāng)材料。子襯墊4的膜28包括內(nèi)部部分30和曲折成形部分32。內(nèi)部部分30在活性區(qū)10內(nèi)鄰接MEA 14。曲折成形部分32鄰接每個(gè)所述板6、8。曲折成形部分32提供限定在一個(gè)所述板6、8和膜28之間的至少一個(gè)腔34的“成型件”。在圖2-8所示的具體實(shí)施例中，曲折成形部分32包括一對(duì)主槽42且其間設(shè)有峰部44。至少一個(gè)所述主槽42鄰接板6、8中的一個(gè)并且峰部44鄰接板6、8中的另一個(gè)。根據(jù)本公開(kāi)的方法，通過(guò)將粘性密封劑注射到腔34內(nèi)并固化密封劑從而在子襯墊4的膜28上形成順應(yīng)性壓條密封36。作為非限制示例，粘性密封劑可以是硅樹(shù)脂或聚氨酯密封劑。當(dāng)使用硅樹(shù)脂時(shí)，具體地，硅氧烷可以提供與板6、8的附加黏著。還可以根據(jù)需要使用密封劑的其他材料。壓條密封36提供了在板6、8和反應(yīng)物密封之間的冷卻劑密封以用于分離流向燃料電池電堆2的反應(yīng)物氣體。制造子襯墊4的方法首先包括步驟將膜28定位在板6、8之間且使得曲折成形部分32鄰接每個(gè)所述板6、8。當(dāng)被定位時(shí)膜28可以例如通過(guò)至少一個(gè)熱熔柱(heat stake)39被粘附從而固定組件并包含隨后注射的密封劑。粘結(jié)劑還可以用于在注射前粘附膜28。例如，膜28的曲折成形部分32的峰部44可以使用粘結(jié)劑被粘附于一個(gè)所述板6、8以便在峰部44和一個(gè)所述板6、8之間形成干燥密封。子襯墊4優(yōu)選地在被定位于板6、8之間之前例如通過(guò)熱成型過(guò)程(例如匹配模制)而被制成。在本公開(kāi)范圍內(nèi)還可以使用其他制造方法。在將膜28定位在板6、8之間之后，粘性密封劑被注射到由子襯墊4的曲折成形部分32和板6、8所限定的腔34內(nèi)。在注射步驟期間使用密封劑基本填充腔34。腔34限定一通路，在被注射時(shí)密封劑通過(guò)該通路流動(dòng)。如圖5所示，板6、8中的至少一個(gè)可以具有在其內(nèi)形成的鄰近膜28的曲折成形部分32的孔37以用于密封劑從中流過(guò)，并且還在板6、8之間例如在燃料電池電堆2的邊緣部段處在密封壓條成型件和板接頭之間形成密封。如圖7和圖8所示，孔37還可以允許密封劑在燃料電池電堆2的隧道前方流入板接頭內(nèi)。在某些實(shí)施例中，可以對(duì)腔34抽真空以便促進(jìn)密封劑向腔34內(nèi)的注射。在另一些實(shí)施例中，在將密封劑驅(qū)使貫穿腔34所限定的通路的壓力下注射密封劑。根據(jù)需要可以選擇適當(dāng)?shù)恼婵蘸妥⑸鋲毫ΑＷ鳛榉窍拗剖纠?，可以通過(guò)如圖I所示由板6、8所限定的澆注口 38向腔34內(nèi)注射密封劑。澆注口 38與每個(gè)所述板6、8內(nèi)形成的端口 40流體連通。作為非限制示例，密封劑被注射到澆注口 38內(nèi)所通過(guò)的端口 40可以是基準(zhǔn)孔以用于在燃料電池電堆2的組裝期間對(duì)齊電堆中的板6、8。技術(shù)人員可以根據(jù)需要選擇其他端口 40來(lái)注射密封劑?！?br> 密封劑隨后固化從而在膜28上形成壓條密封36。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)意識(shí)·到主要通過(guò)所選的密封劑來(lái)決定壓條密封36的固化步驟。例如固化密封劑的步驟通常在室溫和高溫之一的情況下進(jìn)行。當(dāng)密封劑被熱激活并且固化密封劑的步驟是在高溫下進(jìn)行時(shí)，可以在注射密封劑之前加熱板6、8以便導(dǎo)致高溫并且將密封劑固化成壓條密封36。還可以在已注射了密封劑之后加熱板6、8。在本公開(kāi)的范圍內(nèi)還可以使用固化密封劑并形成壓條密封36的替代性手段(作為非限制示例，例如輻射暴露或使用雙組分固化密封劑)。也可以使用其他材料，例如發(fā)泡彈性體流體，作為密封劑來(lái)形成壓條密封36。在將密封劑注射到腔34內(nèi)的步驟之前，可以至少部分地壓縮電堆。在這個(gè)步驟中部分壓縮電堆會(huì)壓縮形成被注射時(shí)密封劑所流動(dòng)通過(guò)的通路的腔34。部分壓縮會(huì)將子襯墊4的膜28密封于每個(gè)所述板6、8并且使得在注射步驟期間控制未固化密封劑壓力。在將密封劑注射到腔34內(nèi)的步驟之后釋放該部分壓縮，以便允許密封劑在腔34內(nèi)膨脹并且允許腔34成長(zhǎng)到未壓縮高度。密封劑類(lèi)似地被允許固化成具有相同高度的壓條密封36。在固化密封劑從而形成壓條密封36之后，燃料電池電堆2可以被完全壓縮以便進(jìn)一步組裝成燃料電池系統(tǒng)。圖9-12示出了根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的燃料電池電堆2’。為了清楚的目的，針對(duì)圖1-8在上文中討論的類(lèi)似結(jié)構(gòu)包括加有單撇符(’)的相同附圖標(biāo)記。參考圖9-12，子襯墊4’可以具有帶有內(nèi)部部分30’和曲折成形部分32’二者的膜28’。曲折成形部分32’包括具有被置于其間的峰部44’的成對(duì)主槽42’。峰部44’包括限定另一腔48’的次槽46’。孔隙50’被形成在次槽46’內(nèi)。當(dāng)制造密封壓條36’期間注射密封劑到腔34’內(nèi)時(shí)，密封劑還流動(dòng)通過(guò)孔隙50’。從而使用密封劑填充腔34’、48’ 二者。應(yīng)該意識(shí)到，使用密封劑填充腔34’、48’ 二者且隨后固化密封劑可以有利地提供子襯墊4’與兩個(gè)板6’、8’的優(yōu)秀密封。例如，如圖9所示，孔隙50’允許在子襯墊4的兩側(cè)上形成密封，并且因而連結(jié)燃料電池電堆2的多個(gè)電池。如圖10所示，孔37’和孔隙50’的配合允許在腔34’和板接頭之間的流動(dòng)，從而導(dǎo)致板6’、8’的進(jìn)一步密封。根據(jù)需要，孔37’和孔隙50’可以具有基本相同的尺寸和形狀或者具有不同尺寸和形狀。如圖11所示，孔37’和孔隙50’的配合還允許密封劑流動(dòng)到焊接區(qū)附近的腔34’的裂縫，以便避免間隙以及隨后在燃料電池電堆2’操作期間的泄漏。如圖12所示，至少一個(gè)所述板6、8還可以具有平坦區(qū)域53’以允許彎曲并且在燃料電池電堆2’的頂部部段內(nèi)向冷卻劑接頭傳輸密封負(fù)荷。圖13-14示出了根據(jù)本發(fā)明的又一實(shí)施例的燃料電池電堆2”。為了清楚的目的，針對(duì)圖1-8和圖9-12在上文中討論的類(lèi)似結(jié)構(gòu)包括加有雙撇符(”)的相同附圖標(biāo)記。燃料電池電堆2”可以包括雙壓條方案，其具有配合的板6”、8”內(nèi)的孔37”和子襯墊4”內(nèi)的孔隙50”，以便允許在制造壓條密封36”的方法期間密封劑從板6”延伸到板8”。膜28”為了柔性而言足夠薄，不過(guò)還足夠剛性以便在制造過(guò)程期間應(yīng)對(duì)填充壓力。膜28”的曲折成形部分32”被設(shè)計(jì)成在部分壓縮下擴(kuò)展。如圖13所示，邊緣特征54”也可以被結(jié)合到子襯墊4”中以便保護(hù)板6”、8”的邊緣。邊緣特征54”可以從壓條密封36”向外延伸并在一個(gè)所述板6”、8”的邊緣處向下延伸。邊緣特征54”可以用作外部電池電堆基準(zhǔn)，并且還通過(guò)邊緣特征54”的嵌套或交替互鎖構(gòu) 造而有助于電池電堆固定。子襯墊4”還可以設(shè)有內(nèi)部對(duì)齊特征(未示出)以用于將MEA 14”和擴(kuò)散介質(zhì)層16”、18”對(duì)齊于子襯墊4”。內(nèi)部對(duì)齊特征還可以用于將包括MEA 14”和擴(kuò)散介質(zhì)成16”、18”的UEA對(duì)齊于板6”、8”。類(lèi)似地，還應(yīng)該意識(shí)到用于基準(zhǔn)強(qiáng)化和用于影響反應(yīng)物流動(dòng)的特征，例如用于減少旁通流動(dòng)的蜂窩狀特征，也可以使用本公開(kāi)的方法被結(jié)合到子襯墊4”中。進(jìn)一步參考圖13和圖14，膜28”的內(nèi)部部分30”可以漸縮以便最小化在子襯墊4”的邊緣處疊覆且鄰接MEA 14”的膜28”的蓬蓋部(tenting)。例如漸縮內(nèi)部部分30”可以疊覆MEA 14”的質(zhì)子交換膜大約6 mm。技術(shù)人員可以根據(jù)需要更大或更小程度地疊覆漸縮內(nèi)部部分30”。在與MEA 14組裝之前或期間，擴(kuò)散介質(zhì)層16”、18”可以類(lèi)似地如所示是漸縮的。雖然為了圖釋本發(fā)明的目的，已經(jīng)示出了特定代表性實(shí)施例和細(xì)節(jié)，不過(guò)本領(lǐng)域技術(shù)人員可以顯而易見(jiàn)地在不脫離本發(fā)明范圍的情況下做出各種修改，其進(jìn)一步在所附權(quán)利要求中描述。
權(quán)利要求
1.一種用于制造燃料電池的子襯墊的方法，該燃料電池具有被置于電堆內(nèi)的ー對(duì)板，該方法包括步驟 將膜定位在所述板之間，該膜包括內(nèi)部部分和曲折成形部分，該內(nèi)部部分鄰接所述燃料電池的質(zhì)子交換膜，并且所述曲折成形部分鄰接每個(gè)所述板，所述曲折成形部分限定在所述板中的一個(gè)和所述膜之間的至少ー個(gè)腔；和 向所述腔內(nèi)注射密封劑；以及 固化所述密封劑從而在所述膜上形成順應(yīng)性壓條密封。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，還包括步驟在向所述腔內(nèi)注射所述密封劑的步驟之前部分壓縮所述電堆。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中在向所述腔內(nèi)注射所述密封劑的步驟之后釋放所述部分壓縮從而允許所述密封劑在所述腔內(nèi)膨脹。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中在固化所述密封劑的步驟之前用所述密封劑基本填充所述腔。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，還包括步驟在固化所述密封劑以形成所述壓條密封的步驟之后完全壓縮所述電堆。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中通過(guò)由所述板限定的澆注ロ來(lái)執(zhí)行所述密封劑向所述腔內(nèi)的注射，所述澆注ロ與每個(gè)所述板內(nèi)形成的端ロ流體連通。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中所述密封劑被注射到所述澆注口內(nèi)所通過(guò)的所述端ロ是用于對(duì)齊所述電堆內(nèi)的所述板的基準(zhǔn)孔。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中在室溫和高溫之一下執(zhí)行固化所述密封劑的步驟。
9.一種用于具有一對(duì)板的燃料電池電堆的子襯墊，包括 被置于所述板之間的膜，該膜包括內(nèi)部部分和曲折成形部分，該內(nèi)部部分鄰接所述燃料電池的質(zhì)子交換膜，并且所述曲折成形部分鄰接每個(gè)所述板，所述曲折成形部分限定在所述板中的一個(gè)和所述膜之間的至少ー個(gè)腔；以及 通過(guò)向所述腔內(nèi)注射粘性密封劑并固化該密封劑而在所述膜上形成順應(yīng)性壓條密封。
10.ー種燃料電池電堆，包括 被置于電堆中的ー對(duì)板； 被置于所述板之間的ー對(duì)擴(kuò)散介質(zhì)層； 被夾在所述擴(kuò)散介質(zhì)層之間的膜電極組件；以及 子襯墊，其包括被置于所述板之間的膜，該膜包括內(nèi)部部分和曲折成形部分，該內(nèi)部部分鄰接所述燃料電池的膜電極組件，并且所述曲折成形部分鄰接每個(gè)所述板，所述曲折成形部分限定在所述板中的一個(gè)和所述膜之間的至少ー個(gè)腔，通過(guò)向所述腔內(nèi)注射粘性密封劑并固化所述密封劑而在所述膜上形成順應(yīng)性壓條密封。
全文摘要
本發(fā)明涉及成形和填充子襯墊。一種用于制造燃料電池電堆的子襯墊的方法，其中該燃料電池電堆具有被置于電堆內(nèi)的一對(duì)板，該方法包括將膜定位在所述板之間的步驟。膜包括內(nèi)部部分和曲折成形部分。該內(nèi)部部分鄰接所述燃料電池的質(zhì)子交換膜，并且該曲折成形部分鄰接每個(gè)所述板。曲折成形部分限定在所述板中的一個(gè)和所述膜之間的至少一個(gè)腔。粘性密封劑被注射到所述腔內(nèi)。所述密封劑被固化以在所述膜上形成順應(yīng)性壓條密封。
文檔編號(hào)H01M8/02GK102956900SQ201210291680
公開(kāi)日2013年3月6日 申請(qǐng)日期2012年8月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月16日
發(fā)明者G.W.斯卡拉, V.庫(kù)馬 申請(qǐng)人:通用汽車(chē)環(huán)球科技運(yùn)作有限責(zé)任公司