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CN101567457B - 用于燃料电池堆的集成挡板 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于燃料电池堆的集成挡板。提供了用于燃料电池的辅助衬垫。辅助衬垫包括阻挡层，阻挡层具有形成于其上的细长主密封件。该密封件具有至少一个向内延伸的挡板，挡板适合于阻碍燃料电池中的反应物旁绕流。也提供了具有辅助衬垫的燃料电池和燃料电池堆。

Description

用于燃料电池堆的集成挡板
技术领域
本发明涉及燃料电池，更具体而言，涉及阻止燃料电池中的反应物旁绕流的辅助衬垫。
背景技术
作为一种清洁、有效并且环保的能源，燃料电池已经被推荐用于各种应用中。单个燃料电池能够被串联地堆在一起以形成燃料电池堆。燃料电池堆能够供应足以为电动车辆提供动力的电量。特别是，燃料电池堆已经被视为在现代车辆中使用的传统内燃发动机的期望替代品。
一种类型的燃料电池堆被称为质子交换膜(PEM)燃料电池堆。典型的PEM燃料电池包括三个基本部件：阴极、阳极和电解质膜。阴极和阳极通常包括例如铂或其他合适材料的催化剂以使电化学燃料电池反应容易发生。电解质膜夹在阴极和阳极之间。多孔扩散介质，例如碳纸等等，通常布置成相邻于阳极和阴极并使反应物例如氢气或空气容易输送和分配到阳极和阴极。
供应给燃料电池的氢气在有阳极的情况下发生电化学反应以产生电子和质子。质子通过电解质膜到达阴极，在此处来自空气中的氧发生电化学反应以产生氧阴离子。氧阴离子与质子反应以形成水作为反应产物。电子通过布置在阳极和阴极之间的电路由阳极传导到阴极。该电路允许燃料电池堆被用作电源。
电解质膜、电极和扩散介质布置在一对燃料电池板之间并用例如辅助衬垫来密封。辅助衬垫通常具有形成在其上的细长的凸肩密封件(bead seal)，该凸肩密封件为燃料电池提供基本上不透流体的密封。每个燃料电池板都具有活性区域(active region)，气态反应物被输送到活性区域以分配到电极。燃料电池板也包括填料区域(feed region)，填料区域被配置为从供应源向活性区域输送气态反应物。
在已知的燃料电池堆中，扩散介质和辅助衬垫的密封件隔开以适应制造公差并避免扩散介质与密封件交迭。已经公知的是，扩散介质与密封件的交迭会导致不希望有的气态反应物的泄漏。但是，隔开的扩散介质与密封件形成了间隙，间隙允许一些反应物绕过燃料电池板的活性区域，这种现象被称为“反应物旁绕流”。反应物旁绕流很浪费，因为反应物不能被引导到发生电化学燃料电池反应的燃料电池堆的活性区域处。反应物旁绕流也可对燃料电池堆的耐久性、可靠性和性能产生不希望有的影响，尤其是在可能发生反应物不足的低化学计量比的情况下。
对于能阻碍燃料电池堆中的浪费的反应物旁绕流的辅助衬垫有持续的需求。期望的是，辅助衬垫能使更高百分比的反应物流到燃料电池堆的活性区域，并在反应物的低化学计量比的情况下，优化燃料电池堆的耐久性、可靠性和性能。
发明内容
依照本发明，令人惊讶地公开了一种辅助衬垫，它能阻碍燃料电池堆中浪费的反应物旁绕流、使更高百分比的反应物流到燃料电池堆的活性区域、并在低的反应物化学计量比情况下优化燃料电池堆的耐久性、可靠性和性能。
在一个实施例中，用于燃料电池的辅助衬垫包括阻挡层，阻挡层具有形成于其上的细长主密封件。该密封件具有至少一个向内延伸的挡板。挡板适合于阻碍燃料电池中的反应物旁绕流。
在另一个实施例中，燃料电池包括一对燃料电池板，燃料电池板限定燃料电池的活性区域和填料区域。电解质膜布置在这对燃料电池板之间，与活性区域相邻。电解质膜夹在阳极和阴极之间。一对气体扩散介质布置在电解质膜和燃料电池板之间。辅助衬垫布置在这对燃料电池板之间并与燃料电池的填料区域相邻。辅助衬垫阻碍辅助衬垫的密封件和气体扩散介质之间的反应物旁绕流。
在进一步的实施例中，燃料电池堆包括多个布置成堆的燃料电池，并具有辅助衬垫，辅助衬垫具有细长主密封件和至少一个向内延伸的挡板。
附图说明
从下文的具体实施方式，特别是根据下文所描述的附图来考虑时，本领域的技术人员将更加清楚本发明的上述优点和其他优点。
图1示出了根据本发明的说明性的燃料电池堆的示意性透视分解图，仅示出了两个电池；
图2为示于图1中的辅助衬垫的局部透视图，示出了具有挡板的辅助衬垫密封件；
图3为示于图1的一个燃料电池的侧视剖面图，示出了根据本发明的一个实施例的具有倾斜挡板的辅助衬垫密封件；
图4为示于图1的辅助衬垫局部俯视图，示出了根据本发明的另一个实施例的多个挡板；
图5为示于图1的辅助衬垫的局部透视图，进一步示出了根据本发明的实施例的装有扩散介质和电解质膜的辅助衬垫；
图6为示于图5的辅助衬垫的俯视图；
图7为示于图1的辅助衬垫的局部透视图，进一步示出了根据本发明另一个实施例的装有扩散介质和电解质膜的辅助衬垫；
图8为示于图7的辅助衬垫的侧视剖面图，辅助衬垫进一步装有一对燃料电池板，并且在燃料电池的阳极侧具有挡板；以及
图9为示于图7的辅助衬垫的侧视剖面图，辅助衬垫进一步装有一对燃料电池板，并且在燃料电池的阴极侧具有挡板。
具体实施方式
下文的描述实质上仅为示例性的，并不旨在限制本发明、应用或使用。应该理解，在各附图中，相应的标号表示相似的或相应的零件或特征。
图1描述了根据本发明的示例性的燃料电池堆2。为了说明的目的，仅示出了两个燃料电池4，可以理解，典型的燃料电池堆2可具有更多的燃料电池4。燃料电池4通常在一对夹板(未示出)和一对单极端板(未示出)之间堆叠在一起。每个燃料电池4都具有填料区域6，填料区域6被配置成向或从燃料电池4的活性区域8传输气态反应物。发生在燃料电池4的活性区域8的电化学反应会使燃料电池堆2产生电能。
每个燃料电池4包括一对第一和第二燃料电池板10、12。第一和第二板10、12可为单极板或双极板，例如，具有形成于其上的多个流动通道和多个台区(land)。第一和第二燃料电池板10、12限定燃料电池4的填料区域6和活性区域8。例如，流动通道被配置为将气态反应物输送给燃料电池4的活性区域8。当装配板10、12以形成燃料电池4时，活性区域8布置在第一和第二板10、12之间，与流动通道相邻。相似地，应该理解，当装配燃料电池4时，填料区域6布置在第一和第二板10、12之间并与活性区域8相邻。
燃料电池4包括电解质膜14、阳极16和阴极18。阳极16布置在电解质膜14的第一侧，阴极18布置在电解质膜14的第二侧。阳极16和阴极18将电解质膜夹在中间以形成膜电极组件(MEA)。电解质膜14进一步布置在一对气体扩散介质20之间。MEA可如所希望的形成为涂敷有催化剂的膜(CCM)或涂敷有催化剂的扩散介质(CCDM)。电解质膜14和气体扩散介质20大致上延伸到燃料电池4的活性区域8的边缘。
燃料电池堆2包括歧管，歧管由燃料电池板10、12的相应歧管孔22对齐而形成。歧管与气态反应物源例如空气压缩机或氢储存箱流体连通。如所希望的，歧管被配置为将气态反应物输送到燃料电池堆2。例如，第一燃料电池板10具有形成于其中的多个口24。至少一个口24与歧管流体连通。应该理解，口24可包括以下两者之一：被配置成将气态反应物输送到燃料电池4的活性区域8的入口，以及被配置成从活性区域8去除气态反应物的出口。
燃料电池4包括辅助衬垫26，辅助衬垫26布置在第一和第二燃料电池板10、12之间。辅助衬垫26可如所希望的被单独使用或与聚合衬垫(未示出)联合使用，为燃料电池4提供基本上不透流体的密封。辅助衬垫26通常布置在燃料电池4的填料区域6中。辅助衬垫26包括阻挡层28，阻挡层28阻碍了供给燃料电池4的不同气态反应物的混合。在某些实施例中，阻挡层28由基本上惰性的聚合材料形成并被连接到电解质膜14。作为非限制性实例，阻挡层28可用粘合剂连接到电解质膜14上。也可以使用其他用于连接阻挡层28和电解质膜14的合适的方法。在其他实施例中，阻挡层28由与电解质膜14相同的材料形成并具有层状结构。例如，一部分电解质膜14可延伸进填料区域6中并用基本上惰性的材料涂敷或分成薄片以阻碍任何不希望有的与第一和第二燃料电池板10、12的相互作用。不希望有的相互作用可包括第一和第二燃料电池板10、12的腐蚀和电解质膜14的老化。也可以使用其他用于形成阻挡层28的合适方法。
辅助衬垫26包括形成在阻挡层28上的细长主密封件30。例如，主密封件30可为布置在阻挡层28上的细长凸肩(bead)。在其他实施例中，主密封件30与阻挡层28整体形成。主密封件30通常围绕燃料电池4的填料区域6和活性区域8，并且阻碍所不希望发生的、气态反应物从燃料电池4中的泄漏。辅助衬垫26的主密封件30可被布置成与歧管相邻并进一步阻碍不希望发生的、气体反应物向燃料电池4中的泄漏。应该理解，当燃料电池全部装配好时，间隙(示于图3)存在于主密封件30和气体扩散介质20之间。在形成燃料电池4时，该间隙通常被用于使第一和第二燃料电池板10、12的基本上不透流体的密封更容易。但是，如果不是这样，间隙则起旁绕区域的作用，促进燃料电池4中不希望有的、来自第一和第二燃料电池板10、12的口24并环绕活性区域8的反应物旁绕流。
如在图2所示，本发明的辅助衬垫26包括至少一个向内延伸的挡板32，挡板32适合于阻碍燃料电池4中的反应物旁绕流。例如，挡板32从主密封件30并朝着燃料电池4的活性区域8横向向内延伸。一对挡板32示于图2，挡板具有基本上T-形的横截面并且布置在阻挡层28的第一侧和第二侧。在另一个实施例中，挡板32为具有基本上矩形的横截面的翼片(fin)。应该理解，挡板32可具有任何适合于通过减小主密封件30和气体扩散介质20之间的间隙来阻碍反应物旁绕流的横截面形状。
参考图3，挡板32可相对于主密封件30倾斜。可使用挡板32的斜面来减小在燃料电池4的阳极侧或者阴极侧的间隙33的体积。例如，挡板32可具有支柱34，支柱34将挡板32倾斜到所期望的角度。挡板32也可由于主密封件30的不对称而被倾斜或偏置到燃料电池4的任何一侧，例如当主密封件30为具有第一凸肩和第二凸肩的双凸肩密封件(double bead sealing)且第一凸肩高于第二凸肩时。在一个特定的实施例中，主密封件30为不对称的并且仅在燃料电池4的阴极侧具有挡板32，挡板32被进一步偏置到燃料电池4的阴极侧并且阻碍主要在阴极侧的反应物旁绕流。熟练的技术人员应该理解，可以使用其他合适的方法来将挡板32相对于主密封件30倾斜或偏置。
辅助衬垫26可包括多个挡板32。多个挡板32中的每一个沿着主密封件30非连续地布置成隔开放置。应该理解，布置成隔开放置的多个挡板32不会显著增加用于燃料电池4的所需压缩负载，而这种情况例如在挡板32沿着主密封件30大致连续地布置在间隙33中时则会发生。
多个挡板32可如所希望的被布置在阻挡层28的第一侧和阻挡层28的第二侧中的至少一个上。在特定的实施例中，挡板32的第一部分可被布置在阻挡层28的第一侧。挡板32的第二部分可被布置在阻挡层28的第二侧。挡板32的第一和第二部分布置成越过阻挡层28成彼此错开的关系。由于被布置成相对的并且错开的关系，可以理解，布置有挡板32的阻挡层28在装配燃料电池4时会被倾斜(deflect)，这进一步减小了与挡板32相对的间隙33的体积。从而，布置成相对的并且错开的关系的挡板32可进一步阻碍燃料电池4中的反应物旁绕流。
在图4所示的一个实施例中，一个挡板32比另一个挡板32向内延伸得更远。例如，多个挡板32可被布置成长度顺次增加。如在图5和图6中最佳示出的，挡板32的一部分可向内延伸到足以使得挡板32与气体扩散介质20接触的长度。在特定的实施例中，至少一个挡板32向内延伸以邻接气体扩散介质20而基本上不倾斜(deflecting)。在其他的实施例中，与气体扩散介质20接触的挡板32为可折叠的(collapsible)并可为相对气体扩散介质20而起皱、翘曲、弯曲和折叠中的至少一个。挡板32可具有在传统的燃料电池4组件压力下赋予挡板32柔性并允许其向着气体扩散介质20弯曲的厚度。挡板32与气体扩散介质20的接触提供了阻碍反应物旁绕流的障碍。
在特定的实施例中，挡板32的朝气体扩散介质20向内延伸并且不与气体扩散介质20接触的那部分导致反应物旁绕流取道曲折的路径，例如，蛇线路径。挡板32的不与气体扩散介质20接触的那部分也减少了间隙33可供反应物旁绕流流过的体积。因此，应该理解，不与气体扩散介质20接触的挡板32的那部分也阻碍了反应物旁绕流。
在示于图7到9的进一步实施例中，燃料电池4的气体扩散介质20可具有形成于其中的槽口36。槽口36接收挡板32。应该理解，当装配挡板以形成燃料电池4时，气体扩散介质20可包括适合于接收多个挡板32的多个槽口36。可根据需要选择合适的槽口36的尺寸以例如基本上匹配挡板32的横截面形状。如在图8和图9所示，挡板32可布置在阻挡层28的第一侧例如阳极侧和阻挡层28的第二侧例如阴极侧中的至少一个上。应该理解，槽口36允许挡板32阻碍反应物旁绕流，也允许阻碍如果挡板32与气体扩散介质20的边缘接触所导致的不希望有的挡板32的隆起。槽口36也阻碍由气体扩散介质20与挡板32接触而在气体扩散介质20上产生的不希望有的压力。
令人惊讶地发现，挡板32的使用使得更高百分比的提供给燃料电池4的气态反应物到达活性区域8。从而阻碍了浪费的且效率低下的反应物旁绕流。所提高的活性区域8中的气态反应物的利用率优化了燃料电池4的长期耐久性、可靠性和性能。特别的，在否则可发生反应物不足的低化学计量比的情况下，所提高的气态反应物的利用率阻碍了燃料电池4不希望有的老化，例如电极16、18的碳腐蚀。在低的阳极和阴极化学计量比情况下，由于使用本发明的挡板32而提高了气态反应物的利用率，因此燃料电池4的电压降被进一步阻碍。
尽管出于阐述本发明的目的而示出了某些代表性的实施例和细节，但对本领域的技术人员而言，可做出各种变化而不偏离本发明的范围是显而易见的，在下文所附的权利要求中将进一步描述本发明的范围。

Claims (18)

1.一种用于燃料电池的辅助衬垫，包括：
阻挡层，具有形成于其上的细长主密封件，该主密封件具有至少一个向内延伸的挡板，挡板适合于阻碍燃料电池中的反应物旁绕流，其中挡板相对于主密封件倾斜。
2.权利要求1的辅助衬垫，其中挡板从主密封件横向向内延伸。
3.权利要求1的辅助衬垫，其中主密封件为布置在阻挡层上的细长的凸肩。
4.权利要求1的辅助衬垫，其中挡板与主密封件整体成形。
5.权利要求1的辅助衬垫，其中挡板具有适合于将挡板倾斜到所期望的角度的支柱。
6.权利要求1的辅助衬垫，其中所述的至少一个挡板为多个挡板。
7.权利要求6的辅助衬垫，其中挡板之一比另一个挡板向内延伸得更远。
8.权利要求6的辅助衬垫，其中挡板布置在阻挡层的第一侧和第二侧之一上。
9.权利要求6的辅助衬垫，其中挡板的第一部分布置在阻挡层的第一侧，挡板的第二部分布置在阻挡层的第二侧。
10.权利要求9的辅助衬垫，其中挡板的第一部分相对于挡板的第二部分错开。
11.权利要求1的辅助衬垫，其中主密封件为不对称的并且适合于将阻挡层偏置到所期望的方向上，其中不对称的主密封件为具有第一凸肩和第二凸肩且第一凸肩高于第二凸肩的双凸肩密封件。
12.一种燃料电池，包括：
一对燃料电池板，限定燃料电池的活性区域和填料区域；
电解质膜，布置在该对燃料电池板之间，与活性区域相邻，电解质膜夹在阳极和阴极之间；
一对气体扩散介质，布置在电解质膜和燃料电池板之间；以及
辅助衬垫，布置在该对燃料电池板之间并且与填料区域相邻，辅助衬垫包括阻挡层，阻挡层具有形成于其上的细长主密封件，该主密封件具有至少一个向内延伸的挡板，挡板适合于阻碍该密封件和气体扩散介质之间的反应物旁绕流，其中挡板相对于主密封件倾斜。
13.权利要求12的燃料电池，其中阻挡层与电解质膜连接。
14.权利要求12的燃料电池，其中挡板与气体扩散介质接触。
15.权利要求14的燃料电池，其中挡板为被起皱、翘曲、弯曲和折叠中的至少一种。
16.权利要求12的燃料电池，其中阻挡层朝着电解质膜的阳极侧和阴极侧之一倾斜。
17.权利要求12的燃料电池，其中气体扩散介质包括形成于其中的接收挡板的槽口。
18.一种燃料电池堆，包括：
多个布置成堆的燃料电池，至少一个所述的燃料电池进一步包括：
一对燃料电池板，限定燃料电池的活性区域和填料区域；
电解质膜，布置在该对燃料电池板之间，与活性区域相邻，电解质膜夹在阳极和阴极之间；
一对气体扩散介质，布置在电解质膜和燃料电池板之间；以及
辅助衬垫，布置在该对燃料电池板之间并与填料区域相邻，辅助衬垫包括阻挡层，阻挡层具有形成于其上的细长主密封件，该主密封件具有至少一个向内延伸的挡板，挡板适合于阻碍该密封件和气体扩散介质之间的反应物旁绕流，其中挡板相对于主密封件倾斜。
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