CN103187578B - 具有改进的气密封闭的燃料电池隔板的垫片结构 - Google Patents

Abstract

本文公开了一种具有改善的气密封闭/密封性的燃料电池隔板的垫片结构。该垫片结构包含第一和第二主线和多个副线。第一和第二主线在隔板的水平方向上分别布置在隔板的反应面和冷却面的不同线上。多个副线在隔板的垂直方向上以一定间距设置在两面上。此处，第一和第二主线与多个副线一体形成用于反应气体和冷却水的出入口，并且在第一和第二主线上形成尺寸均一的空余空间。

Description

具有改进的气密封闭的燃料电池隔板的垫片结构

技术领域

本发明涉及一种具有改进的气密封闭的燃料电池隔板的垫片结构。更具体地，涉及一种燃料电池隔板的垫片结构，其可以通过在与燃料电池隔板一体形成的垫片上形成空余空间，以改善流道的气密封闭而不出现垫片毛刺，并且促进各流道中流体的流动。

背景技术

通常，与通过机械加工或粉末成型而制备的石墨隔板相比，通过例如冲压金属薄板的方法而得到的金属隔板具有显著减少的制造时间和成本的优点。在多个金属隔板串联堆叠的燃料电池中，垫片布置在金属隔板之间，且垫片可以通过注射成型法一体地形成在隔板两面上。在这种情况下，由于燃料电池必须保持反应气体与冷却流体的气密封闭，垫片必须制备为保持工作流体的气密封闭。

具有保持气密封闭的垫片的示例性燃料电池隔板已在先由本申请人所提交的韩国专利申请公开第10-2011-0015924公开，在此通过引用的方式合并入本文。

如上述公开所示，垫片是一体注射成型在隔板上的燃料电池组件。一体注射在隔板两面上的垫片连续地连接，以形成闭合曲线。同时，在隔板的所有边缘以及歧管(manifold)之间的交界面上形成多个注射孔，以使垫片注射流通过。垫片注射流经由注射孔从隔板的一个面流向另一个面，从而使垫片在隔板的两面上一体地注射成型。

更具体地，以下将分别描述图1A和1B所示的一体形成在传统隔板的反应面侧与冷却面侧上的垫片的结构。图1A所示的隔板的反应面10为燃料电池反应发生的位置/区域。歧管20、22和24用作氢气、冷却水和空气的通道，并且位于反应面10上。反应面侧的主线30a通过注射成型形成在反应面10侧，以阻断反应气体和冷却流体的移动。如图1A所示，多个副线32a平行地从主线30a延伸出来并以一定间距分布。从冷却面12(在后面描述)侧引入的氢气经由氢气通道40而向反应面10移动。

同时，图1B所示的隔板的冷却面12，是用于除去由化学反应所产生的反应热的部分。用作氢气、冷却水和空气的通道的歧管20、22和24位于冷却面12上。冷却面侧的主线30b通过注射成型形成在冷却面12的一侧，以阻断空气，但分别引入冷却流体和氢气。

如图1B所示，多个副线32b平行地从主线30b延伸出来并以一定间距分布。从冷却面12(在后面描述)侧引入的氢气，通过氢气通道40移动至反应面10。在本文中将省略对于冷却水、氢气和空气在流道中的流动以及对隔板的其他部件的详细描述。

通过传统注射成型法而制备的垫片具有局限量的气密性。这些局限性将在以下参考图2A和2B进行描述。图2A是示出一体形成在传统隔板上的垫片的结构的视图，图2B是用于制备沿图2A中沿线A-A形成的垫片的模具的截面视图。

在图2A中，实线表示的垫片为反应面侧的主线30a和副线32a，点线表示的垫片为冷却面侧(即隔板相对面)上的主线30b和副线32b。在该情况中，设置有反应面侧垫片30a和32a以及冷却面侧垫片30b和32b的区域包括，垫片布置在不同线上的区域50和54以及垫片布置在同一线上的区域52。

在上述区域中，垫片布置在同一线且冷却流体流入流出的区域52，通过如图2B中上图所示的布置在隔板上的上垫片模具60a和下垫片模具60b来进行制备。由于大致均匀的注射压P1和P2施加在两个模具上，在垫片注射中不出现任何局限性。

然而，垫片不布置在同一线上且反应气体流入流出的区域50和54，通过如图2B中下图所示的设置在隔板上的上垫片模具60a’和下垫片模具60b’进行制备。由于依垫片形状而定的两个模具之间的凹版结构差异，注射压P1’的量级大于注射压P2’的量级。由此，由于局部施加不同的注射压，在图2B下图中箭头所示方向上所施加的压力引起隔板的微小变形，进而使垫片形成毛刺。

隔板的变形和垫片上毛刺的形成意味着，反应气体出入口(gate)的附近在结合燃料电池组时不能被均匀地挤压，结果是，燃料电池组中相当一部分的密封较差。此外，在反应气体的出入口区域所形成的毛刺使垫片暴露于由燃料电池运行所产生的湿热环境中。由于垫片由聚合物材料制成且易受温度和湿度影响，由图3所示的传统方法所制备的垫片可能很容易从隔板表面上剥落和扩散开。结果，反应气体的流动受阻，且排水能力可能减弱，从而造成燃料电池的性能和耐久性的迅速下降。

相应地，当通过传统方法，尤其是通过注射成型法在金属隔板的表面上一体形成垫片时，可能发生隔板的微小变形和在垫片中生成毛刺。

在背景部分中公开的上述信息仅为加深对本发明背景的理解，因此可以包括不构成被国内本领域普通技术人员已知的现有技术的内容。

发明内容

本发明提供一种具有改进的气密封闭的燃料电池隔板的垫片结构，其可改进各流道的气密封闭而不出现隔板的轻微变形和垫片上毛刺的生成。本发明也通过在燃料电池隔板的需要气密封闭的部分上一体地形成垫片结构而促进各流道中流体的流动。

一方面，本发明提供具有改进的气密封闭的燃料电池隔板的垫片结构，其包含：第一和第二主线，在隔板的水平方向(即隔板的宽度方向)上分别布置在隔板的反应面和冷却面的不同线上；以及多个副线，在隔板的垂直方向(即隔板的长度方向)上，以均一的间距布置在隔板的两面上。第一和第二主线以及多个副线一体地形成反应气体与冷却水的出入口，并在第一和第二主线上形成多个具有均一尺寸的空余空间。

在一个示例性实施方式中，空余空间可由分别布置在上模具和下模具中的支承销形成，该上模具和下模具分别用于在反应面侧制备第一主线以及在冷却面侧制备第二主线。

在另一示例性实施方式中，支承销可以布置在施加有第一注射压和第二注射压中的较低的一个的区域中，其中第一注射压施加到用于在反应面侧制备第一主线的上模具上，第二注射压施加到在冷却面侧制备第二主线的下模具上。

在另一示例性实施方式中，支承销可以设置在上模具与下模具的凹版结构彼此不同的区域中，其中上模具用于在反应面侧制备第一主线而下模具用于在冷却面侧制备第二主线。

在另一示例性实施方式中，空余空间可以形成在第一和第二主线与副线的所有交点上。

本发明的其他方面和示例性实施方式将在下文中说明。

附图说明

本发明的以上和其他特征将参考在附图中加以图示的某些示例性实施方式来详细说明，附图在后面仅以举例说明的方式给出，因而不限制本发明，其中：

图1A为示出一体形成在传统隔板的反应面侧上的垫片的结构视图；

图1B为示出一体形成在传统隔板的冷却面侧上的垫片的结构视图；

图2A为示出一体形成在传统隔板上的垫片的结构视图；

图2B为用于制备沿图2A中A-A线形成的垫片的模具的截面视图；

图3为示出通过传统方法而制备的垫片的形变的视图；

图4A和4B为示出具有气密封闭的隔板垫片的结构视图，其中与隔板的反应面一体形成的垫片结构显示在图4A中，与隔板的冷却面一体形成的垫片结构显示在图4B中；

图4C为示出用于制备图4A和4B中垫片结构的模具的截面视图；

图5A为示出根据本发明示例性实施方式的形成在测试例中的垫片的结构视图，该测试例用于比较垫片随空余空间在具有改进气密封闭的隔板垫片结构上的位置而变的性能；

图5B为示出用于在各测试例中制备沿图5A中B-B线形成的垫片结构的模具的截面视图；

图6A～C为示出具有通过传统方法而制备的垫片的隔板的一部分，以及具有使用图5B中各测试例的模具而制备的垫片的隔板的一部分的视图；以及

图7为示出随具有图6所示垫片的隔板的反应气体流道中气体压力而变的泄漏速率的图。

附图所列的参照数字包含对以下进一步说明的部件的引用：

110：反应面

112：冷却面

120：空气歧管

122：冷却水歧管

124：氢气歧管

130a：第一主线

130b：第二主线

132a：反应面侧副线

132b：冷却面侧副线

140：氢气通道

150：空气出入口区域

152：冷却水出入口区域

154：氢气出入口区域

160a和160b：上和下模具

210：空余空间

220：支承销

应该理解的是，附图没有必要成比例，而是呈现说明本发明基本原理的多种优选特征的略微简化的表现。在附图中，参照数字在附图图表中指代本发明的相同或相当的部件。

在图中，参照数字在几幅图中代表本发明相同或等同的部件。

具体实施方式

在下文中，将会详细做出对本发明多种实施方案的参考，其中的例子在附图中图解并在下面说明。尽管本发明将结合传统实施方案一起描述，但应该理解，本说明书不意在将本发明局限于那些传统实施方案。相反，本发明旨在不仅包括传统实施方案，而且还包括多种替换、修改、同等物以及其他的实施方案，这些可以包括在所附加权利要求限制的本发明的精神和范围内。

应该理解的是，在这里用到的术语“车辆”或者“车辆的”或其他相似的术语包括一般的机动车辆，例如载客汽车，包括运动型多功能车(SUV)、公共汽车、卡车、各种商用车；包括多种小船和海船在内的船只；飞行器等，而且包括混合动力车、电动车、插电式混合动力车、氢动力车和其他燃料车(例如，从非石油类资源得来的燃料)。在这里提及的，混合动力车是具有两个或多个动力来源的车，例如同时为汽油动力和电动力的车。

本发明的上述和其他特征将在下文中讨论。

在下文中，将参考附图详细描述本发明的示例性实施方式。

图4A和4B为示出具有气密封闭的隔板的垫片的结构视图，其中与隔板的反应面一体形成的垫片结构显示在图4A中，与隔板的冷却面一体形成的垫片结构显示在图4B中。图4C为示出用于制备图4A和4B中垫片结构的模具的截面视图。

根据本发明示例性实施方式的具有改进气密封闭的垫片结构可以包含：第一和第二主线130a和130b，在隔板的水平方向(即隔板的宽度方向)上，布置在燃料电池隔板的反应面110和冷却面122的不同线上；以及多个副线132a和132b，在隔板的垂直方向(即隔板的长度方向)上以一定间隔形成在隔板的两面上。第一和第二主线130a和130b以及多个副线132a和132b可以一体形成用于反应气体与冷却水的出入口。且可以在第一和第二主线130a和130b上形成多个空余空间210。

在图4A和4B所示的一体形成在隔板的反应面110和冷却面112上的垫片结构中，空气歧管120、冷却水歧管122以及氢气歧管124可平行布置在隔板的两面，以具有基本相等的长度。此外，通过氢气通道140从冷却面112引入至反应面110的氢气可以在其中流动。

如图4A中反应面110侧所示，第一主线130a可以连接至沿反应面110的所有角所形成的侧线，并可在隔板的水平方向上延伸至氢气歧管120、空气歧管124和冷却水歧管122的邻近区域。同时，多个副线132a可以一定间隔形成在隔板的垂直方向上，并可从第一主线130a延伸至流道。

如图4B中冷却面侧112所示，第二主线130b可连接至沿冷却面112的所有角所形成的侧线上，且可以在隔板的水平方向上延伸至氢气歧管120、空气歧管124和冷却水歧管122的邻近区域。同时，多个副线132b可以以一定的间隔形成在隔板的垂直方向上，并可以从反应气体的出入口150和154处的第二主线130a在流道的相反方向上延伸。多个副线132a可被第二主线130a分隔开，以在出入口152处引入冷却水流。

垫片结构可以形成连接至反应气体的各个流道的反应气体出入口150和154以及连接至冷却水的各个流道的冷却水出入口152，以通过它们引入和阻断在其中的反应气体和冷却流体。在该情况中，可以在第一和第二主线130a和130b上形成多个具有均一尺寸的空余空间210。

下面将详细描述，空余空间210可形成在第一和第二主线130a和130b与多个副线132a和132b的所有交点上。由于空余空间210以均一尺寸形成在反应面110侧的第一主线130a上，并同时形成在冷却面112侧的第二主线130b上，可防止隔板的微小变形和在垫片上生成毛刺，并且可根据设计者的要求在精确位置上形成垫片。

虽然有多种制备图4A和4B所示的垫片结构的方法，将参考图4C描述用于通过注射成型而在隔板两面制备垫片的示例性方法。

当通过使用模具的注射成型来制备垫片结构时，空余空间210可通过支撑销220来形成，该支承销220分别布置在用于在反应面110侧制备第一主线130a的上模具160a以及用于在冷却面112侧制备第二主线130b的下模具160b上。

特别地，支承销220可设置在施加有注射压P1”和注射压P2”中的较低的注射压的区域内，其中注射压P1”施加到用于在反应面110侧制备第一主线130a的上模具160a上，注射压P2”施加到用于在冷却面112侧制备第二主线130b的下模具160b上；或者可以设置在上模具160a与下模具160b的凹版结构不同的区域内，其中上模具160a用于制备第一主线130a，下模具160b用于制备第二主线130b。

具体地，在形成在燃料电池隔板的反应面110和冷却面112上的垫片结构中，第一和第二主线130a和130b可沿不同线布置。具体地，根据在两表面上制得的垫片中反应气体的出入口区域150和154的形状变化，可能出现两模具之间的凹版结构差异。然而，垫片结构不应存在于同一线内。即，当冷却面和反应面重叠时，认为它们在同一线上。同时，在入口/出口的局部区域中，存在不彼此重叠的线，他们被认为不在同一线上。凹版结构差异可能引起施加到两模具上的注射压不同。注射压或者模具凹版结构的差异可能使隔板微小地变形，并且随着变形间隙或空间中垫片材料的引入，可能在垫片上生成毛刺。

相应地，支承销220可设置在容易产生施加到两模具上的注射压之间的差异或存在两模具之间的凹版结构差异的用于制备具有反应气体出入口150和154的垫片的模具中。换言之，如图4C所示，支承销220可布置在如同图2B图所示模具的两模具凹版结构为不同的区域中。这样，尽管分别形成在隔板的反应面110和冷却面112上的垫片不在相同区域150和154内，垫片可根据设计而布置在精确的位置上。

同样，如图4C所示，由于支承销220可布置在施加有如图2B的下图所示用于制备垫片的注射压P1’和P2’中的较低的注射压P2’的区域内，大致均匀的注射压P1”和P2”可施加到两个模具上，从而防止隔板的变形和垫片上毛刺的形成。

如图4A所示，支承销220可设置在上模具160a和下模具160b中，并且当需要控制注射压差时可设置在两个模具中。支承销220可集成到上模具160a和下模具160b的凹版结构中，或可拆卸地形成。

此外，在根据本发明示例性实施方式的注射成型法中，通过多个支承销220而形成的多个空余空间210，如图4A和4B所示，以均一的尺寸形成在将在以下描述的第一和第二主线130a和130b与多个副线132a和132b的所有交点上。

因此，在具有改进气密封闭的隔板的垫片结构中，由于在第一和第二主线的需要密封的部位形成多个尺寸均一的空余空间，可制得具有优良气密封闭和注射性能(injection performance)的隔板用垫片，且垫片线可由设计者以期望的形状形成在期望的位置上。同时，可防止产生垫片的毛刺和隔板的微小变形。

关于形成在第一和第二主线上的空余空间的期望位置，将参考图5A～7做出传统方法与测试例的比较性描述。

图5A为示出根据本发明示例性实施方式的形成在测试例中的垫片的结构视图，该测试例用于比较垫片随空余空间在具有改进气密封闭的隔板垫片结构上的位置而变的性能。图5B为示出用于在各测试例中制备沿图5A中B-B线形成的垫片结构的模具的截面视图。

如图5A所示，在第一测试例中，所使用的垫片结构为，空余空间210’形成在由第一和第二主线130a和130b与多个副线132a(例如，未示出冷却面侧)所形成的交点与其它交点之间。如图5B所示，支承销220’可布置在下模具上，从而形成空余空间210’以通过注射成型来制备垫片结构。同时，在第二测试例中，使用的垫片结构为，空余空间210”形成在由第一和第二主线130a和130b与多个副线132a(未示出冷却面侧)所形成的交点之间。可布置支承销220”，从而形成空余空间210”以通过注射成型来制备垫片结构。

具体地，从图5A中线B-B的截面看，多个副线132a可在反应面侧通过图5B中上模具的凹版结构注射成型，且具有多个尺寸均一的空余空间210’和210”的第二主线130b可通过设置在图5B的下模具上的支承销220’和220”及平板结构而注射成型。

因此，可得到如图6所示的具有通过第一和第二测试例而制备的垫片的隔板。

在图6A隔板的情况中，隔板通过传统方法形成，在该传统方法中通过没有支承销结构的简单模具而制备的垫片结构是一体形成的，由于表面压力可能集中在主线和副线的交点附近，一个交点与另一交点之间气密封闭可能会相对降低。因此，可以理解的是，交点在单位面积垫片上受到很大的应力，并暴露于大的力和压力中。

在图6B的隔板的情况中，其具有在第一测试例中一体形成的垫片结构。虽然通过主线和副线在一个交点与另一交点之间形成空余空间，在气密封闭方面显示出恶化的结果。

在图6C的具有在第二测试例中一体形成的垫片结构的隔板中，由于空余空间可通过主线和副线在一个交点上形成，与图6A和B中的传统方法或第一测试例相比，可减少单位面积的应力，并且显著改善气密封闭。

上述结果在示出气体泄漏速率的图表中得到验证，其中该气体泄漏速率随具有图6垫片的隔板的反应气体流道中气体压力而变化。图7的图表显示出在同时供应氮气和氦气的上述三种情况下的反应气体流道中的泄漏速率。从图6可见，在第一测试例的情况中，比起传统方法，气体仍更易泄漏，即使较低压力下。但在第二测试例的情况中，比起传统方法，可在较高的压力下保持气密封闭。

基于上述结果，可以看到，更需要在第一和第二主线与多个副线的所有交点上形成空余空间。在具有根据传统方法而制备的垫片的隔板中，特别在反应气体出入口附近，会出现形成毛刺的垫片部分，然而在具有根据第二测试例而制备的垫片的隔板中，不在垫片中产生毛刺，并达到极佳的气密封闭。同时，可以通过设计者在期望位置以期望形状进行注塑。

相应地，根据本发明实施方式的具有改进气密封闭的隔板的垫片结构中，因为可以在第一和第二主线上，特别是在第一和第二主线与多个副线的所有交点上形成空余空间，可显著减少由于垫片毛刺所导致的气密封闭缺陷。同时，当通过注射成型来制备垫片时，可提高注射性能，从而提高燃料电池的全面性能和耐久性。

根据本发明的实施方式，在具有改进气密封闭的隔板的垫片结构中，在第一和第二主线上形成尺寸均一的多个空余空间，其中该第一和第二主线分别在反应面和冷却面上一体形成，并且垫片可基于设计以期望形状在期望位置上形成而不发生隔板的微小变形和在垫片上生成毛刺。此外，包含具有该垫片结构的隔板的燃料电池可全面改善性能和耐久性。

同时，当通过采用模具的注射成型在隔板的两面一体形成垫片时，可以通过支承销来克服由于模具的凹版结构之间的差异或所施加的注射压之间的差异所引起的注射缺陷或者垫片上毛刺的形成，从而使得具有改善气密封闭的隔板的垫片的制备成为可能。

此外，即使在长期使用后，由于具有改善的气密封闭和注射性能的垫片不会从隔板上剥离或扩散，垫片的寿命延长，且本发明的说明性实施方式也因此更加经济。

尽管本发明结合示例性实施方式进行了说明，应该理解的是，本发明不意在将本发明限制于那些示例性实施方式。相反，本发明意在不仅涵盖示例性实施方式，而且要涵盖各种替代、变化、等同物和其他实施方式，而这些都被包括在由所附权利要求定义的本发明的精神和范围内。

Claims (8)

1.一种具有改进的气密封闭的燃料电池隔板的垫片结构，包含：

多个第一和第二主线，分别沿所述燃料电池隔板的反应面和冷却面的不同的线，布置在所述燃料电池隔板的水平方向上；以及

多个副线，在所述隔板的垂直方向上，以一定间隔布置在所述隔板的两面上；

其中，所述第一和第二主线与所述多个副线一体形成用于反应气体和冷却水的出入口，并且在所述多个第一和第二主线上形成尺寸均一的多个空余空间，并且

其中，所述空余空间形成在所述第一和第二主线与所述副线的所有交点上。

2.根据权利要求1所述的垫片结构，其中，

所述空余空间通过支承销形成，所述支承销分别布置在用于在所述反应面侧制备所述第一主线的上模具以及用于在所述冷却面侧制备所述第二主线的下模具中。

3.根据权利要求2所述的垫片结构，其中，

所述支承销布置在施加有第一注射压和第二注射压中的较低的一个压力的区域内，所述第一注射压施加在用于在所述反应面侧制备所述第一主线的所述上模具上，所述第二注射压施加在用于在所述冷却面侧制备所述第二主线的所述下模具上。

4.根据权利要求2所述的垫片结构，其中，

所述支承销布置在所述上模具与所述下模具的凹版结构彼此不同的区域内，所述上模具用于在所述反应面侧制备所述第一主线，所述下模具用于在所述冷却面侧制备所述第二主线。

5.一种燃料电池用隔板，包含垫片，

所述垫片包含：

多个第一和第二主线，分别沿所述隔板的反应面和冷却面的不同的线，布置在所述隔板的水平方向上；以及

多个副线，沿所述隔板的垂直方向，以一定间隔布置在所述隔板的两面上；

其中，在所述多个第一和第二主线上形成尺寸均一的多个空余空间，并且

其中，所述空余空间形成在所述第一和第二主线与所述副线的所有交点上。

6.根据权利要求5所述的隔板，其中，

所述空余空间通过支承销形成，所述支承销分别布置在用于在所述反应面侧制备所述第一主线的上模具以及用于在所述冷却面侧制备所述第二主线的下模具中。

7.根据权利要求6所述的隔板，其中，

所述支承销布置在施加有第一注射压和第二注射压中的较低的一个压力的区域内，所述第一注射压施加在用于在所述反应面侧制备所述第一主线的所述上模具上，所述第二注射压施加在用于在所述冷却面侧制备所述第二主线的所述下模具上。

8.根据权利要求6所述的隔板，其中，

所述支承销布置在所述上模具与所述下模具的凹版结构彼此不同的区域内，所述上模具用于在所述反应面侧制备所述第一主线，所述下模具用于在所述冷却面侧制备所述第二主线。