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CN109546193B - 燃料电池堆 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了一种燃料电池堆，所述燃料电池堆包括在一对双极板之间以堆叠方式排列的多个双极板，其中每个双极板包括：具有内腔的外卷边；以及具有槽的内卷边，其中所述内卷边延伸到外卷边的内腔中。内卷边的槽可以有至少约50％的部分填充有弹性密封件。

Description

燃料电池堆
技术领域
本发明涉及一种燃料电池系统，更具体地说，涉及一种改进的燃料电池堆，所述燃料电池堆具有用于在燃料电池堆的板之间进行密封的坚固的卷边结构。
背景技术
燃料电池系统越来越多地被用作各种应用中的电源。例如，燃料电池系统已经被提议用于诸如车辆的电力产品中，作为内燃机的替代品。燃料电池还可以用作建筑物和住宅中的固定发电设备，以及用作摄像机、计算机等中的便携式电源。通常，燃料电池产生电能以给电池充电或为电动机提供电力。
燃料电池是一种电化学装置，其将燃料如氢气和氧化剂如氧气结合起来发电。氧气通常由空气流提供。氢和氧结合形成水。可以使用其他燃料，例如天然气、甲醇、汽油和煤衍生的合成燃料。
燃料电池采用的基本过程是高效的、基本无污染的、安静的且没有运动部件(空气压缩机、冷却风扇、泵和致动器除外)，并且可以构造成副产品仅包括热量和水。术语“燃料电池”通常用于指单个电池或多个电池，取决于其使用的环境。多个电池通常束在一起形成电池堆，所述多个电池通常以电串联方式布置。因为多个燃料电池可以组装成不同尺寸的电池堆，所以系统可以设计成产生期望的能量输出水平，为不同的应用提供灵活的设计。
可以提供不同类型的燃料电池，例如磷酸、碱、熔融碳酸盐、固体氧化物和质子交换膜(PEM)。PEM型燃料电池的基本部件是由聚合物膜电解质隔开的两个电极。每个电极的一侧涂覆有薄催化剂层。电极、催化剂和膜一起形成膜电极组件(MEA)。
在典型的PEM型燃料电池中，MEA夹在“阳极”和“阴极”扩散介质(以下称为“DM”)或扩散层之间，这些扩散层由弹性、导电和透气材料如碳纤维织物或纸形成。DM充当阳极和阴极的主集电器，并为MEA提供机械支撑。DM和MEA被压在一对导电板之间，所述导电板用作次集电器，用于收集来自主集电器的电流。在双极板的情况下，板在电池堆内部的相邻电池之间传导电流；在电池堆末端具有单极板的情况下，板在电池堆外部传导电流。
双极板通常包括两个薄的、相对的金属片。其中一个金属片在其一个外表面上限定了用于将燃料输送到MEA阳极的流动路径。另一个金属片的外表面限定了用于将氧化剂输送到MEA阴极侧的流动路径。当金属片接合时，接合表面限定了介电冷却流体的流动路径。所述板通常由可成形的金属制成，所述金属提供合适的强度、导电性和耐腐蚀性，例如316L合金不锈钢。
可容纳100多块板的电池堆被压缩，元件通过螺栓穿过电池堆的角部固定在一起，并锚定在电池堆末端的框架上。为了防止流体从成对的板之间泄漏，通常使用密封件。密封件沿着成对的板的外围边缘设置。现有技术的密封件采用弹性材料，其结合冲压到双极板中的卷边使用。
期望生产一种用于在燃料电池系统的板之间进行密封的金属卷边密封件，其中卷边结构阻止流体从燃料电池系统泄漏，并且其成本被最小化。
发明内容
在本公开的一个实施例中，提供了一种燃料电池堆，其中燃料电池堆包括在一对双极板之间以堆叠方式排列的多个双极板，其中每个双极板包括具有内腔的外卷边；以及具有槽的内卷边，其中所述内卷边延伸到外卷边的内腔中。内卷边的槽至少约50％填充有弹性密封件。
在本公开的另一实施例中，提供了一种用于燃料电池堆的双极板，其中双极板包括固定到第二壳体的第一壳体，其中第一壳体和第二壳体之间限定了多个通道。外卷边可以限定在第一壳体中靠近第一壳体的周边的位置。外卷边还包括内腔。内卷边可以限定在第二壳体中靠近第二壳体的周边的位置。内卷边可以进一步包括槽。第二壳体的内卷边通过延伸到外卷边的内腔中而与第一壳体的外卷边配合。内卷边的槽可以有至少30％的部分填充有弹性密封件。
通过参考附图进行的以下详细描述，本公开及其特定特征和优点将变得更加明显。
附图说明
通过以下详细描述、最佳模式、权利要求和附图，本公开的这些和其他特征和优点将变得显而易见，附图中：
图1是传统燃料电池堆的放大图。
图2是在施加压缩力之前用于图1的燃料电池堆中的传统燃料电池中的金属卷边密封件的截面图。
图3是根据本公开各种实施例的示例性非限制性双极板的平面图。
图4A是根据本公开的第一示例性非限制性燃料电池的截面图。
图4B是根据本公开的第二示例性非限制性燃料电池的截面图。
图5A是本公开的示例性燃料电池堆的示意性侧视图。
图5B是堆叠在图5A的燃料电池堆内的示例性非限制性燃料电池的放大图。
图5C是堆叠在图5A的燃料电池堆内的不同示例性非限制性燃料电池的另一个放大图。
图6A是根据本公开的具有平坦接合表面的示例性金属卷边密封件的截面图。
图6B是根据本公开的具有凹陷接合表面的示例性金属卷边密封件的截面图。
图6C是根据本公开的具有凸出接合表面的示例性金属卷边密封件的截面图。
在对附图的几个视图的描述中，相同的附图标记表示相同的部件。
具体实施方式
现在将详细参考本公开的目前优选的组成、实施例和方法，它们构成了发明人目前已知的实施本公开的最佳模式。附图不一定按比例绘制。然而，应当理解，所公开的实施例仅仅是本公开的示例，其可以以各种替代形式实施。因此，这里公开的具体细节不应被解释为限制，而仅仅是作为本公开的任何方面的代表性基础和/或作为教导本领域技术人员以各种方式使用本公开的代表性基础。
除了在示例中，或者在另外明确指出的地方，在描述本公开的最宽范围时，本说明书中表示材料的数量或反应和/或使用条件的所有数量值应被理解为由词语“大约”修饰。在规定的数值范围内的实践通常是优选的。此外，除非有相反的明确说明，百分比、“份数”和比值是按重量计的；结合本公开，对适合或优选用于给定目的的一组或一类材料的描述意味着该组或类中任何两种或多种的混合物同样适合或优选；首字母缩略词或其他缩略词的第一个定义适用于本文中相同缩略词的所有后续用途，并且经适当变动后适用于最初定义的缩略词的正常语法变体；并且，除非有相反的明确说明，某一特性的测量值是通过与先前或以后针对相同特性使用的相同技术来确定的。
还应当理解，本公开不限于下面描述的具体实施例和方法，因为具体的部件和/或条件当然可以变化。此外，本文使用的术语仅用于描述本公开的特定实施例的目的，并不旨在以任何方式进行限制。
还必须注意，如说明书和所附权利要求中所使用的，单数形式“一个”和“该”包括复数个指代物，除非上下文另有明确指示。例如，以单数形式提及的部件旨在包括多个部件。
术语“包括”与“具有”、“包含”或“特征在于”同义。这些术语是包含性的和开放式的，不排除额外的、未记载的要素或方法步骤。
短语“由……组成”不包括权利要求中未指定的任何要素、步骤或成分。当这个短语出现在权利要求正文的一个条款中，而不是紧接在前文之后时，它只限制了该条款中规定的要素；其他要素并不排除在整个权利要求之外。
短语“基本上由……组成”将权利要求的范围限制于特定的材料或步骤，以及那些实质上不影响所要求保护的主题的基本和新颖特征的材料或步骤。
术语“包括”、“由……组成’和“基本上由……组成”可以替代使用。在使用这三个术语中的一个的情况下，当前公开和要求保护的主题可以包括使用另外两个术语中的任一个。
在引用出版物的整个申请中，这些出版物的全部公开内容通过引用结合到本申请中，以更全面地描述本公开内容所涉及的现有技术。
以下详细描述本质上仅仅是示例性的，并不旨在限制本公开或本公开的应用和使用。此外，不打算受前面背景技术或下面详细描述中提出的任何理论的约束。
图1示出了本领域已知的示例性双极PEM燃料电池堆10。为了简单起见，在图1中详细描述了电池堆中的两个电池(即三个双极板)，应当理解，典型的电池堆将具有更多的这种电池和双极板(例如，如图3中进一步示出的)。尽管示出了双极PEM燃料电池堆，但是应当理解，在不脱离本公开的范围和精神的情况下，也可以使用其他燃料电池类型和配置。还应当理解，元件7和9表示燃料电池堆10内的附加燃料电池。
示例性燃料电池堆10包括第一MEA12和第二MEA14，每个MEA具有设置在阳极和阴极之间的电解质膜。导电双极板16设置在第一MEA12和第二MEA14之间。第一MEA12、第二MEA14和双极板16堆叠在燃料电池堆10内的双极板22、24之间。夹板18、20与电池堆中的双极板电绝缘。
每个双极板22、24的工作面以及双极板16的两个工作面包括形成在其中的具有多个流动通道的相应流场26、32、28、30。流场26、28、30、32将反应物如氢气和氧气/空气分布在MEA12、14的面上。
非导电垫圈34、36、38、40可以分别设置在双极板22和第一MEA12之间、第一MEA12和双极板16之间、双极板16和第二MEA14之间以及第二MEA14和双极板24之间。垫圈34、36、38、40有助于密封并电绝缘端板22和第一MEA12、第一MEA12和双极板16、双极板16和第二MEA14以及第二MEA14和双极板24。
示例性燃料电池堆10的MEA12、14可以具有非导电子垫圈或阻挡膜42、44。单独或与垫圈34、36、38、40结合使用的子垫圈42、44从电极的边缘延伸，并有助于第一MEA12和双极板16以及双极板16和第二MEA14的密封。子垫圈42、44还将第一MEA12和双极板16以及双极板16和第二MEA14电绝缘。作为非限制性示例，子垫圈42、44可以分别与非导电垫圈34、36、38、40形成一体。子垫圈42、44也可以与电解质膜一体形成。在其他实施例中，子垫圈42、44由另一种合适的非导电材料形成，并分别耦合到MEA12、14。总的来说，MEA12和14、垫圈34、36、38和40子以及垫圈42和44被称为燃料电池“软货物”或“软货物层”。″
透气DM46、48、50、52邻接第一MEA12和第二MEA14的相应电极。DM46、48、50、52分别设置在端板22和第一MEA12之间、第一MEA12和双极板16之间、双极板16和第二MEA14之间以及第二MEA14和双极板24之间。
双极板16、22、24和垫圈34、36、38、40各自包括阴极供给孔54和阴极排放孔56、冷却剂供给孔58和冷却剂排放孔60以及阳极供给孔62和阳极排放孔64。燃料电池堆10的供给歧管和排放歧管通过双极板16、22、24和垫圈34、36、38、40中的相应孔54、56、58、60、62、64的对准而形成。氢气经由阳极入口导管66供应到阳极供给歧管。空气经由端板18处的阴极入口导管(未示出)供应到燃料电池堆10的阴极供给歧管。还分别为阳极排放歧管和阴极排放歧管提供阳极出口导管和阴极出口导管。冷却剂入口导管(未示出)也设置在端板18处，用于向冷却剂供给歧管供应液体冷却剂。冷却剂出口导管(未示出)也可以设置在端板18处，用于从冷却剂排放歧管移除冷却剂。
参照图2，一对传统双极板16、22、24中的每一个由第一单极板301和第二单极板302形成。第一单极板301结合到第二单极板302。结合的第一和第二单极板301、302形成邻近该对双极板16中的每一个的流场28、30(图1)的内部通道(未示出)，供冷却剂流过，以实现示例性燃料电池堆10的温度调节。第一和第二单极板301、302可以通过本领域已知的各种合适的方法中的至少一种来结合，例如通过焊接或通过涂覆粘合剂。可以根据需要选择用于将第一单极板301与第二单极板302结合的其他合适的方法。
传统燃料电池堆10的双极板16、22、24具有较软层304，例如垫圈34、36、38、40和子垫圈42、44(例如，设置在双极板16、22、24之间)中的至少一个。单个卷边200形成在该对双极板16、22、24的每一个上。如图2所示，单个卷边200具有基本弓形的表面。作为非限制性示例，单个卷边200可以通过在第一和第二板301、302上执行的冲压操作来形成。当燃料电池堆10处于压缩状态时，该对双极板16的每一个的单个卷边200夹住较软层304。在压缩状态下，单个卷边200相互接触。
然而，当压缩载荷305(图2)施加到燃料电池的单个卷边时，由于卷边吸收来自压缩载荷305的能量，如图2所示，顶板和底板都沿横向307横向移动，卷边具有变平的趋势。因此，图2的传统卷边的压扁变形可能损害两个双极板之间的流体密封。
因此，本公开提供了一种燃料电池堆400(图5A)，其具有多个燃料电池405，燃料电池405具有设置在一对端板402、403之间的双极板404(图4A-4B)。每个双极板404包括具有内腔408的外卷边406和具有槽412的内卷边410。图3更详细地示出了本公开的示例性双极板404。双极板404包括形成在其上的金属卷边密封件403。金属卷边密封件403通常形成在双极板404上，邻近或接近其周边或外边缘502(图3)。金属卷边密封件403也可以邻近双极板404的外围边缘502设置，并围绕孔554、556、558、560、562、564中的至少一个。如图所示，本公开的金属卷边密封件403包括内卷边410和外卷边406，如本文进一步描述的。
参照图4A，示出了具有内卷边410和外卷边406的示例性金属卷边密封件403。内卷边410延伸到外卷边406的内腔408中。内卷边410的槽412有至少约50％的部分填充有弹性密封件414。弹性密封件414可以填充槽412的至少30％到大约150％，使得弹性密封件414延伸到槽412的侧边缘421之上和/或之外。弹性密封件414可以但不一定由EPDM(三元乙丙橡胶)、HNBR(氢化丁腈橡胶)、NBR(丁腈橡胶)、VMQ(硅橡胶)、FVMQ(氟硅橡胶)和FKM(含氟聚合物)中的任何一种或多种形成。因此，本公开的燃料电池堆400提供了坚固的设计，使得双极板404之间的金属卷边密封件403保持彼此之间的均匀接触，尽管存在显著的压缩载荷505(图4A)。
如图6A所示，外卷边406包括外卷边高度416，其可以但不一定在约0.3mm至约1.0mm的范围内。如图6A所示，内卷边410延伸到内腔408中，内卷边高度418可以但不一定在外卷边高度416的约10％至外卷边高度416的约100％的范围内，即0.003mm至1.0mm。如图所示，内卷边410包括槽412，该槽412可以有至少50％的部分填充有弹性密封件414。弹性密封件414可以延伸到内卷边410的侧边缘421(图6C)之上和之外。此外，弹性密封件414可以限定接合表面420，该接合表面420具有平坦构造422(图6A)、基本凹陷构造424(图6B)或基本凸出构造426(图6C)中的一个。
参照图6A-6C，外卷边406可以包括外弹性体428，该外弹性体428具有在约30微米至约300微米范围内的外弹性体厚度430。外弹性体428可以设置在所示的平坦的外卷边表面432上。类似于外卷边406，内卷边410限定平坦的内卷边表面434。平坦的内卷边表面434的宽度438可以等于、小于或大于平坦的外卷边表面432的宽度。在图6A所示的示例中，平坦的外卷边表面432的宽度436大于平坦的内卷边表面434的宽度438。当压缩载荷505施加到金属卷边密封件403时，相对宽度的变化使得性能(能量吸收率)发生变化。因此，这种布置可以根据燃料电池堆400的需要或使用，例如高压缩负载环境或低压缩负载环境，进行微调和改变。
燃料电池堆400中的多个双极板404可以配置成使得双极板404之一的外卷边406的外弹性体428容纳在另一(相邻)双极板404的槽412中的弹性密封件414中并与其互锁，其间具有子垫圈415，如图5C的接头407所示。应当理解，图5C示出了彼此相邻的两个示例性燃料电池，其中双极板404以“堆叠构造”布置在整个燃料电池堆400中。也就是说，图5C所示的堆叠双极板404的布置贯穿整个燃料电池堆400。
可选地，如图5B所示，燃料电池堆400中的多个双极板404可以配置成使得其中一个双极板404的外弹性体428与另一相邻双极板404的外弹性体428接合。再次，应当理解，图5C是示出了彼此相邻的三个燃料电池405的又一示例，其中双极板404以“镜像构造”409布置在整个燃料电池堆400中。
在本公开的又一实施例中，如图3和图6A所示，提供了一种用于燃料电池堆400的双极板404(图5A)，其中双极板404包括固定到第二壳体452的第一壳体450，其中第一壳体450和第二壳体452之间限定了至少一个通道454。应当理解，在整个本公开中，第一壳体可以通过各种方式固定到第二壳体，这些方式可以包括也可以不包括使用焊缝433(图6A)。外卷边406可以限定在第一壳体450中靠近第一壳体450的周边502(图3)的位置。外卷边406还包括内腔408。内卷边410可以限定在第二壳体452中靠近第二壳体452的周边的位置。内卷边410可以进一步包括槽412。第二壳体452的内卷边410通过延伸到外卷边406的内腔408中而与第一壳体450的外卷边406配合。内卷边410的槽412可以有至少50％的部分填充有弹性密封件414。弹性密封件414可以但不一定由EPDM、HNBR、NBR、VMQ、FVMQ和FKM中的任何一种或多种形成。
如图6A所示，外卷边406可以但不一定包括在约0.3mm至1.0mm的范围内的外卷边高度416。内卷边410可以具有内卷边高度418，其在外卷边高度416的约10％至外卷边高度416的约100％的范围内。进一步参考图6C，弹性密封件414可以填充内卷边410的槽412的大约150％，使得弹性密封件414延伸到槽412的每个侧边缘421之上和之外。如图6A-6C所示，弹性密封件414可以限定接合表面420，该接合表面420可以但不一定具有基本平坦构造422、基本凹陷构造424或基本凸出构造426中的一个。还应理解，本公开的双极板404可以包括设置在外平面432上的外弹性体428，其中外弹性体428具有在约30微米至约300微米范围内的外弹性体厚度430。外卷边406限定平坦的外卷边表面432，内卷边410限定平坦的内卷边表面434。
燃料电池堆400中的多个双极板404(图5A)可以配置成使得双极板404之一的外卷边406的外弹性体428容纳在另一(相邻)双极板404的槽412中的弹性密封件414中并与其互锁，其间具有子垫圈415，如图5C的接头407所示。应当理解，图5C示出了彼此相邻的三个示例性燃料电池，其中双极板404以“堆叠构造”布置在整个燃料电池堆400中。
可选地，如图5B所示，燃料电池堆400中的双极板404可以配置成使得双极板404的外弹性体428与另一相邻双极板404的外弹性体428接合，其间具有子垫圈415。再次，应当理解，图5C是示出了彼此相邻的三个燃料电池405的又一示例，其中双极板404以“镜像构造”布置在整个燃料电池堆400中。
尽管在前面的详细描述中已经给出了至少一个示例性实施例，但是应当理解，存在大量的变化。还应当理解，一个或多个示例性实施例仅仅是示例，并不旨在以任何方式限制本公开的范围、适用性或配置。更确切地说，前面的详细描述将为本领域技术人员提供用于实现一个或多个示例性实施例的便利指示。应当理解，在不脱离所附权利要求及其法律等同物中阐述的本公开的范围的情况下，可以对元件的功能和布置进行各种改变。

Claims (10)

1.一种燃料电池堆，包括：
在一对端板之间排列的多个双极板，每个所述双极板还包括具有内腔的外卷边，以及
具有槽的内卷边，其中所述内卷边延伸到所述外卷边的所述内腔中，所述内卷边的所述槽至少30%的部分填充有弹性密封件。
2.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其中所述弹性密封件由EPDM、HNBR、NBR、VMQ、FVMQ和FKM中的任何一种或多种形成。
3.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其中所述外卷边包括在0.3mm至1.0mm范围内的外卷边高度。
4.根据权利要求3所述的燃料电池堆，其中所述内卷边具有在从所述外卷边高度的10%到所述外卷边高度的100%的范围内的内卷边高度。
5.根据权利要求4所述的燃料电池堆，其中所述弹性密封件填充了所述内卷边的所述槽的150%。
6.根据权利要求4所述的燃料电池堆，其中所述弹性密封件限定了接合表面，所述接合表面具有平坦构造、基本凹陷构造或基本凸出构造中的一种。
7.根据权利要求6所述的燃料电池堆，其中所述外卷边包括外弹性体，所述外弹性体具有在30微米至300微米范围内的外弹性体厚度。
8.根据权利要求7所述的燃料电池堆，其中所述外卷边限定平坦的外卷边表面，所述内卷边限定平坦的内卷边表面。
9.根据权利要求7所述的燃料电池堆，其中所述双极板之一的所述外卷边的外弹性体容纳在另一双极板的所述槽中的所述弹性密封件中并与其互锁。
10.根据权利要求7所述的燃料电池堆，其中所述双极板之一的所述弹性密封件与另一双极板的所述弹性密封件接合。
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