CN1839509A

CN1839509A - 整体燃料电池组合件

Info

Publication number: CN1839509A
Application number: CNA2003801088221A
Authority: CN
Inventors: 毛山宏; D·M·皮尔庞特; J·M·列; K·B·索尔斯伯里; J·R·姆利纳; C·D·莫罗
Original assignee: 3M Innovative Properties Co
Current assignee: 3M Innovative Properties Co
Priority date: 2002-11-15
Filing date: 2003-10-14
Publication date: 2006-09-27
Anticipated expiration: 2023-10-14
Also published as: EP1584123B1; US20040096725A1; JP2006506790A; AU2003282841A8; CA2505838A1; US6989214B2; WO2004047212A2; WO2004047212A3; ATE551748T1; EP1584123A2; CN1839509B; KR20050075400A; AU2003282841A1

Abstract

整体燃料电池组合件包含第一流场板、第二流场板以及位于第一和第二流场板之间的膜电极(MEA)。在一种构造中，在第一和第二流场板之间提供硬塞结构。硬塞结构的作用是限制第一和第二流场板在压力作用下接触时施加在MEA上的压力。第一和第二流场板之间以及MEA周围形成密封结构。整体燃料电池组合件可作为独立的燃料电池单元，它可单独使用，也可以燃料电池组的形式使用。

Description

整体燃料电池组合件

发明领域

本发明总体上涉及燃料电池，具体地说，涉及整体燃料电池组合件和组装方法。

发明背景

典型的燃料电池电力系统包括含有一组或多组燃料电池的电力部分。燃料电池电力系统的效率主要取决于单个燃料电池内部和电池组中相邻燃料电池之间的各种接触和密封界面的完整性。

当前，用传统方法制造燃料电池组的工艺费工费时，不易进行大规模生产。例如，典型的5000kW燃料电池组可能包含约80个膜电极组合件(MEA)、约160个流场板和约160个密封垫圈。电池组中的上述及其他组件必须仔细排列和组装。哪怕只有少数几个组件排列错位，都可能导致漏气、氢气交叉和性能/耐受性下降。

此外，燃料电池MEA非常脆弱，需要非常小心地搬运，以防在膜上形成短路、针孔和皱褶等。MEA污染是燃料电池组在组装过程中的另一个突出问题。目前已知的电池组组装工艺所需劳动强度太大，燃料电池系统的廉价生产用传统方法可能难以实现。

因此需要改进燃料电池组合件和组装方法。还需要一种燃料电池组合件，其中燃料电池组的组装和拆卸比较方便。另外需要燃料电池组和系统中使用的可回收利用的组件。

发明概述

本发明涉及整体燃料电池组合件(UCA)和组装方法。整体燃料电池系统是包含一个或多个电池的单元模块或单元，它可以作为单独的燃料电池，或者与电池组中的其他UCA一起发挥作用。根据本发明的一个实施方式，UCA包含第一流场板和第二流场板。膜电极组合件(MEA)位于第一和第二流场板之间。MEA包含第一和第二流体输运层(FTL)，以及位于负极催化层和正极催化层之间的膜。第一和第二流场板之间是个硬塞结构。至少第一和第二FTL的一部分之间，以及第一和第二FTL与硬塞结构之间是热塑性材料。

根据另一种实施方式，UCA包含第一流场板、第二流场板以及位于第一和第二流场板之间的MEA。在第一和第二流场板之间提供硬塞结构。硬塞结构的尺寸是能控制第一和第二流场板在压力作用下接触时施加在MEA上的压力。第一和第二流场板之间以及MEA周围形成密封结构。

根据另一种实施方式，整体燃料电池组合件适合循环使用。本实施方式的可再生燃料电池组合件包含第一流场板、第二流场板和位于第一和第二流场板之间的MEA。在第一和第二流场板之间提供密封结构。该组合件还包含扣合结构，使第一和第二流场板形成活动连接。扣合结构的作用是让第一和第二流场板可反复连接和脱开，因而至少第一和第二流场板可以回收，再利用于燃料电池组合件的替换组件。

在本发明的另一种实施方式中，整体燃料电池组合件包含第一流场板、第二流场板以及位于第一和第二流场板之间的MEA。MEA包含第一和第二流体输运层(FTL)，以及位于负极和正极催化层之间的膜。至少部分第一和第二FTL的一部分之间，以及第一和第二流场板之间是热塑性材料，用来将第一和第二流场板结合起来，形成单元结构。

上面对本发明的概述没有包括本发明的每一个实施方式或执行形式。通过下面结合附图的详细描述和权利要求，可以更清楚地看到本发明的优点和目标，并更完整地理解本发明。

附图简述

图1a所示为燃料电池和组成它的各层。

图1b所示为本发明一种实施方式中具有单极构造的整体电池组合件。

图1c所示为本发明一种实施方式中具有单极/双极构造的整体电池组合件。

图2a所示为本发明一种实施方式中采用外部硬塞和原位形的密封圈的整体电池组合件的截面示意图。

图2b所示为本发明一种实施方式中采用内部硬塞和原位形成的密封圈的整体电池组合件的截面示意图。

图3a和3b所示为本发明一种实施方式中采用内置的硬塞和原位形成的密封圈的整体电池组合件的截面示意图。

图4a和4b所示为本发明另一种实施方式中采用内部硬塞和原位形成的密封圈的整体电池组合件的截面示意图。

图5a和5b分别是本发明一种实施方式中结合前后整体电池组合件的截面示意图，所述整体电池组合件采用内部硬塞和原位形成的密封圈。

图5c和5d分别是本发明另一种实施方式中结合前后整体电池组合件的截面示意图，所述整体电池组合件采用内部硬塞和原位形成的密封圈。

图5e和5f分别是本发明另一种实施方式中结合前后整体电池组合件的截面示意图，所述整体电池组合件采用原位形成的密封圈，但不含硬塞。

图6a-6c所示为本发明一种实施方式中含有单极整体电池组合件和可分离冷却结构的整体电池组合件系统。

图6d所示为本发明另一种实施方式中含有单极/双极整体电池组合件和可分离冷却结构的整体电池组合件系统。

图7a和7b所示为本发明一种实施方式中位于压缩系统内部的一组整体电池组合件。

图8a-8c所示为本发明一种实施方式中一个整体电池组合件的各截面图，该组合件具有闭锁或扣合功能。

图9a-9e所示为本发明一种实施方式中一个整体电池组合件的各截面图，该组合件整合了一个整体冷却结构。

图10所示为一种简化燃料电池组，这是为了帮助理解燃料进出一组燃料电池的方式，其中燃料电池较好根据本发明原理做成整体电池组合件。

图11所示为燃料电池系统，它可采用一个或多个燃料电池组，所述燃料电池组采用本发明的一些整体电池组合件。

虽然本发明具有各种改进形式和替代形式，但在图中仍以举例的方式示出了细节，并将详加描述。不过应当理解，其意图不是将本发明限于所述特定实施方式。相反，其意图是覆盖所有的改进形式、等价形式和替代形式，只要它们可归入所附权利要求所界定的范围。

各种实施方式详述

在以下对示例性实施方式的描述中，将结合构成实施方式一部分的附图，通过图示来说明本发明的各种实施方式。应当理解，只要不背离本发明，可以利用所述实施方式，而且可以改变结构。

本发明涉及经过改进的燃料电池组合件。本发明的许多实施方式涉及整体燃料电池组合件，它为燃料电池在组装和拆卸提供了便利。本发明采用的整体燃料电池组合件还使用于电池组的燃料电池在制造、修理和维护单个燃料电池和燃料电池组的过程中可以循环利用。

某些实施方式涉及具有单极或双极构造的整体燃料电池组合件。在其他实施方式中，整体燃料电池配有控热结构。在这种实施方式中，控热结构可与整体燃料电池组合件形成一个整体，也可以是独立于整体燃料电池组合件的一个结构。本发明的其他实施方式涉及采用整体燃料电池组合件的燃料电池组和系统。

燃料电池是一种电化学装置，它使氢燃料与空气中的氧结合，产生电、热和水。燃料电池并不进行燃烧，所以燃料电池很少排出有害物质。燃料电池将氢燃料和氧直接转化为电，比内燃发电机等的工作效率高得多。

典型的燃料电池示于图1a。图1所示的燃料电池10包含第一流体输运层(FTL)12，它靠近负极14。同样靠近负极14的是电解膜16。正极18靠近电解膜16，而第二流体输运层19靠近正极18。在工作中，氢燃料进入燃料电池10的负极部分，通过第一流体输运层12和负极14。在负极14上，氢燃料分解为氢离子(H⁺)和电子(e^-)。

电解膜16只允许氢离子即质子通过并进入燃料电池10的正极部分。电子不能通过电解膜16，而是以电流的形式流过外电路。此电流可以为一个电力载荷17，如电动机提供电力，或者进入储能设备，如可充电池。

氧通过第二流体输运层19流入燃料电池10的正极侧。氧通过正极18的过程中，氧、质子和电子结合成水，并产生热。

图1a所示单个燃料电池可组装成整体燃料组合件，下面将对此详细介绍。为方便起见，整体燃料电池组合件在此亦称整体电池组合件或UCA，它可与许多其他UCA结合形成燃料电池组。电池组中UCA的数目决定了电池组的总电压，而每个电池的活性表面面积决定了总电流。给定燃料电池组的总功率可通过电池组总电压与总电流相乘得到。

许多不同的燃料电池技术可用来根据本发明的原理制造UCA。例如，本发明的UCA组装技术可用来制造质子交换膜(PEM)燃料电池组合件。PEM燃料电池可在较低温度(约175/80℃)下工作，功率密度高，可迅速改变输出以应对电力需求上的变化，非常适合要求迅速启动的应用，如汽车。

PEM燃料电池所用的质子交换膜通常是个薄塑料片，它允许氢离子通过。膜两面通常都涂上很细的金属或合金颗粒(例如铂或铂/钌合金)，它们是活性催化剂。所用的电解质通常是固体有机聚合物，如聚全氟磺酸。采用固体电解质比较有利，因为它可减少腐蚀和控制方面的问题。

氢到达燃料电池的负极侧后，这里的催化剂可促使氢原子释放电子，变成氢离子(质子)。电子以电流的形式运动，被利用以后回到燃料电池的正极侧，正极侧有氧。同时，质子通过膜扩散到正极，氢离子在此与氧结合，反应生成水。

膜电极组合件(MEA)是PEM燃料电池，如氢燃料电池的中心元件。如上所述，典型的MEA包含聚合物电解膜(PEM)(亦称离子导电膜(ICM))，它可作为固体电解质。

PEM的一个面与负极层接触，另一面与正极层接触。每个电极层包含电化学催化剂，通常是金属铂。流体输运层(FTL)可促进气体在负极和正极材料之间的传输，并输送电流。

在典型的PEM燃料电池中，质子通过氢的氧化作用在负极形成，移动到正极后与氧反应，而电流在结合两个电极的外电路中流动。FTL也可称作气体扩散层(GDL)或扩散/电流收集层(DCC)。负极层和正极层可在生产过程中施加在PEM或FTL上，只要它们在制成的MEA中位于PEM和FTL之间。

任何合适的PEM均可用于本发明。PEM的厚度通常小于50μm，宜小于40μm，更宜小于30μm，最好约为25μm。PEM通常由聚合物电解质，是含酸官能团的氟聚合物所组成，如Nafion(DuPont Chemicals，Wilmington DE)和Flemion(Asahi Glass Co.Ltd.，Tokyo，Japan)。适用于本发明的聚合物电解质一般宜为四氟乙烯与一个或多个含酸官能团的氟化共聚单体形成的共聚物。

所述聚合物电解质一般包含磺酸官能团，最好为Nafion。聚合物电解质的酸当量通常为1200或以下，宜为1100或以下，更宜为1050或以下，最好约为1000。

任何合适的FTL均可用于本发明。一般地，FTL由包含碳纤维的片材组成。FTL通常为碳纤维结构，选自机织和非织造碳纤维结构。适用于本发明的碳纤维结构包括：Toray碳纸、SpectraCarb碳纸、AFN非织造碳布、Zoltek碳布等。FTL可涂布或浸渍许多种材料，包括碳颗粒涂料、亲水处理剂和疏水处理剂，如含有聚四氟乙烯(PTFE)的涂料。

任何合适的催化剂均可用于本发明。一般采用碳载催化剂颗粒。典型的碳载催化剂颗粒是50-90wt％碳和10-50wt％金属催化剂，催化剂金属通常是正极上的Pt和负极上的Pt和Ru(重量比为2∶1)。催化剂通常以催化剂油墨的形式涂布在PEM或FTL上。催化剂油墨通常包含聚合物电解质材料，这种材料可以与构成PEM的聚合物电解质材料相同，也可以不同。

催化剂油墨通常是催化剂颗粒分散在聚合物电解质分散液中形成的。油墨通常包含5-30％的固体(即聚合物和催化剂)，更宜包含10-20％的固体。电解质分散体通常为水性分散体，它还可包含醇、多元醇如甘油和乙二醇，或其他溶剂如N-甲基吡咯烷酮(NMP)和二甲基甲醚(dimethyoformahyde)(DMF)。可以调整水、醇和多元醇的含量，以改变油墨的流变性。油墨通常包含0-50％的醇和0-20％的多元醇。此外，油墨可包含0-2％的合适分散剂。制备油墨时，通常在加热下搅拌，然后稀释到可涂布的浓度。

催化剂可利用任何合适的方法涂布到PEM或FTL上，包括手工和机械方法，包括手工刷涂、凹口棒涂、流体轴承模涂、绕线棒涂、流体轴承涂布、狭缝进料刮涂、三辊涂或贴花转移。涂布过程可一步或多步完成。

直接甲醇燃料电池(DMFC)类似于PEM电池，它们都用聚合物膜作为电解质。但在DMFC中，负极催化剂本身将氢从液体甲醇燃料中抽吸出来，不需要燃料重整装置。DMFC通常在120-199/49-88℃之间的温度下工作。直接甲醇燃料电池可根据本发明原理与UCA组装在一起。

现在看图1b，它示出了根据PEM燃料电池技术组装的UCA的一种实施方式。如图1b所示，UCA20的膜电极组合件(MEA)25包含五层。PEM层22夹在一对流体输运层24和26之间，这两个流体输运层例如是扩散电流收集层(DCC)或气体扩散层(GDL)。负极30位于第一FTL24和膜22之间，正极32位于膜22和第二FTL26之间。

在一种构造中，PEM层22制成在一个表面上包含负极催化剂涂层30，在另一个表面上包含正极催化剂涂层32。此结构也常称作催化剂涂布的膜或CCM。根据另一种构造，第一和第二FTL24、26分别制成包含负极和正极催化剂涂层30、32。在另一种构造中，负极催化剂涂层30可部分地位于第一FTL24上，部分地位于PEM22的一个表面上，而正极催化剂涂层32可部分地位于第二FTL26上，部分地位于PEM22的另一表面上。

FTL24、26通常由碳纤维纸或非织造材料或机织布制成。根据产品结构，FTL24、26在一个面上具有碳颗粒涂层。如上所述，FTL24、26可制成包含催化剂涂层，也可不包含。

在图1b所示的特定实施方式中，MEA25夹在第一边缘密封体系34和第二边缘密封体系36中。流场板40和42分别靠近第一和第二边缘密封体系34。每块流场板40、42包含气流通道和氢、氧进料进出气口的流场43。在图1b所示构造中，流场板40、42是单极流场板，其中单个MEA25夹在它们之间。此实施方式及其他实施方式中的流场可以是低侧向流通量的流场，如提交于2001年9月17日的在审申请09/954601所述。

边缘密封体系34、36在UCA组合件内部提供了必要的密封，防止各种流体(气体/液体)输运区和反应区相互污染，并防止流体以不适当的方式从UCA20中出来，还可在流场板40、42之间提供电绝缘和硬塞压缩控制。这里所用术语“硬塞”一般指接近或基本上不可压缩的材料，其厚度在工作压力和温度下不发生显著变化。更具体地说，术语“硬塞”指膜电极组合件(MEA)中基本上不可压缩的部件或层，在固定厚度或应力下防止MEA压缩。这里所称“硬塞”不是指离子导电膜层、催化剂层或气体扩散层。

在一种构造中，边缘密封体系34、36包含由弹性体材料形成的垫圈。在其他构造中，如下所述，可采用各种选定材料的一个、两个或多个层提供UCA20中必需的密封。其他构造采用原位形成的密封体系。

在某些实施方式中，垫圈可以是闭孔泡沫橡胶垫圈，如提交于2002年11月14日的代理文件(Attorney Docket)58218US002中的，在审申请10/294098所述。在其他一些实施方式中，垫圈的接触面可具有一种突出的脊形状的微结构密封图案，如提交于2002年5月10日的在审申请10/143273所述。

图1c所示为UCA50，它利用一个或多个双极流场板56将多个MEA25组合起来。在图1c所示构造中，UCA50组合了两个MEA25a和25b及一个双极流场板56。MEA25a包含正极62a/膜61a/负极60a层状结构，夹在FTL66a和64a之间。FTL66a靠近流场端板52，它是单极流场板。FTL64a靠近双极流场板56的第一流场表面56a。

类似地，MEA25b包含正极62b/膜61b/负极60b的层状结构，夹在FTL66b和64b之间。FTL64b靠近流场端板54，它是单极流场板。FTL66b靠近双极流场板56的第一流场表面56b。应当理解，单个UCA50中可组合N个MEA25和N-1个双极流场板56。但是可以认为，一般而言，UCA50宜包含一个或两个MEA56(N＝1，双极板数＝0，或N＝2，双极板数＝1)，以便于控制热量。

图1b和1c所示的UCA构造代表两种适用于本发明的特定结构。这两种结构仅为说明目的而提供，并不代表本发明范围内所有可能的结构。例如，图1b所示密封体系34可用其他密封体系替换或补充，如本说明书所介绍的密封体系。图1b和1c要说明的倒是可选择引入根据本发明原理组装的整体燃料电池组合件中的各种组件。

又如，可用本发明的各种密封技术可为包含单个MEA的UCA提供必要的密封，所述MEA位于一对单极流场板之间；也可用它们来密封包含多个MEA、一对单极流场板和一个或多个双极流场板的UCA。例如，具有单极或双极结构的UCA可包含原位形成的固体垫圈，如扁平固体硅酮垫圈。

在一些特定实施方式中，UCA除了包含密封垫圈外，还可包含硬塞。硬塞可以是内置的，即安装在UCA内部，也可以整合进单极和/或双极流场板。UCA可包含其他特征结构，例如多余垫圈材料收集槽和流场板上的微复制图案。在UCA中加入硬塞有利于限制施加在MEA上的压力大小，例如在制造过程中的压力和使用过程中的外部堆积压力。举例来说，UCA硬塞的高度可经计算能在UCA的构建过程中提供特定量的MEA压缩性，例如30％，硬塞将此类压缩限制为指定的量。在流场板中加入硬塞还可帮助两块流场板对齐。

此外，在本发明的其他实施方式中，可赋予各种UCA结构以控热能力。例如，一个给定的UCA结构可含有一个集成的控热系统。一个给定UCA也可通过机械方式结合一个独立的控热结构，或者另外加一个这样的结构，其实施方式将在下面介绍。因此，本发明的燃料电池组合件不限于这里所述的特定UCA结构或特定的控热系统。

本领域的技术人员应当明白，为大规模生产其价格可为市场接受的燃料电池和系统，需要改进燃料电池技术。目前，传统的燃料电池组装技术限制了高效率组装燃料电池组的能力。而且，当前的组装和堆叠技术无法回收利用燃料电池的组件，结果一旦发现燃料电池性能不足，就不得不将整个燃料电池组合件废弃。而燃料电池的回收则能重新利用从失效电池上拆卸下来的某些燃料电池组件。符合本发明原理的UCA组装技术可以高效率地组装和拆卸燃料电池组，另外还可循环利用各种UCA组件。

现在看图2a，它示出了本发明一种实施方式中UCA的截面图。根据此实施方式，UCA80包含原位形成的扁平固体硅酮垫圈和硬塞。在图2a所示的实施方式中，以及在此描述的其他实施方式中，可采用液化硅酮密封剂。应当理解，硅酮密封剂材料代表数类适合用于本发明UCA结构的材料中的一种。也可以采用其他密封材料，只要这种材料具有适合密封的弹性，对于燃料电池的环境具有足够的耐受性。

图2a所示UCA80可根据以下示例性过程制造。将流场板84放在一个平面上，其流体通道85朝上。举例来说，流场板84是13cm×13cm板，流体通道区为10cm×10cm。应当指出，流场板84、82可由碳/聚合物复合材料、石墨、金属或涂有导电材料的金属制造。

以预定速率，如约0.35g/min的速率，在要形成MEA垫圈的流场板84表面上施加液化硅酮密封材料。合适的硅酮材料是D98-55，A和B部分，可购自Dow Corning。在流场板区85上覆盖11cm×11cm FTL88。在下FTL88上放置涂有催化剂的膜(CCM)90，CCM90中心对准FTL中心，CCM90是一面涂有负极催化材料、另一面涂有正极催化材料的PEM。

将上11cm×11cm FTL86放置在CCM90上，它们的中心对齐。FTL86、88稍大于CCM90，以便为硅酮流进并填注FTL86、88的多孔碳纤维提供空间，从而产生边缘密封。FTL86、88比CCM90大，还可防止硅酮流进流体通道85，否则可能堵塞外流通道。

如图所示，CCM90的膜91或整个CCM90从MEA向外伸到靠近硬塞92的位置。此延伸的膜或CCM部分加强了流场板84与82之间的绝缘。但应当理解，如图2a和其他的图所示，膜91或CCM90不需要从MEA延伸。另外应当理解，膜91或CCM90可从MEA延伸到MEA与硬塞92之间某个所需距离的位置。

外部硬塞92在UCA80内部用作垫片，用以控制MEA的压缩。硬塞92可由各种材料制造，例如包括聚萘二酸乙二酯(PEN)、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、特氟隆或其他不可压缩的材料，以及这些材料的组合。在图2a所示实施方式中，外部硬塞92可由PEN制造，并涂一层特氟隆，以确保没有粘性，在UCA形成后硬塞可以移动。硬塞92的厚度可适当选择，以得到所需的MEA压缩量。在图2a中，硬塞92的厚度可这样选择，确保MEA压缩30％。

以约0.35g/min的速率将两部分(A和B)预混和的液化硅酮施加在上流场板82和下流场板85的表面上，MEA垫圈即在此形成。MEA组件和外部硬塞92夹在两个施加了硅酮的流场板82和85之间。然后将整个夹心结构80放进一个压机中。夹心结构80宜在270和3吨压力下压10分钟，形成带原位形成的扁平固体垫圈的UCA80。在UCA的形成过程中，FTL88、86和CCM90结合起来，形成具有良好界面的MEA。应当指出，如果MEA没有预先结合，则结合时间通常需要满10分钟。还应当指出，如果MEA已经预先结合，则硅酮可在远短于10分钟的时间内固化，此时可将代表性的10分钟压缩/结合时间减少。

图2b所示为符合本发明原理的UCA的另一种实施方式。此实施方式除了采用原位形成的硅酮垫圈外，还采用内部硬塞结构。将具有10cm×10cm流体通道区85的13cm×13cm流场板84放置在一平面上，流体通道朝上。此UCA结构包含在每个流场板82、84的硅酮垫圈形成区内提供的收集槽95。如图所示，收集槽95位于硬塞结构93a/93b和各流场板82、84的外边缘之间。收集槽95还有过量的液化硅酮可以流进的空间，以免堵塞流体通道。这也在必要的MEA密封之外提供了内部闭锁机制，提高了UCA组装的整体性。

以约0.35g/min的速率在要形成MEA垫圈的流场板84表面上施加液化硅酮。由于存在整体的硬塞，流场板表面上施加的硅酮量可比图2a中计算的少约50％。

本实施方式的硬塞结构包含框93a和93b，它们由合适的材料形成，如PEN、PET、聚乙烯、聚丙烯、聚酯、纤维玻璃、尼龙、Delrin、Lexan、Mylar、Kapton、特氟隆等。这些材料的混合物或这些材料与碳、玻璃、陶瓷等填充剂形成的复合材料也可用作硬塞。应当理解，硬塞结构不一定是个连续部件，也可由若干不相连或松散连接的各个硬塞元件组成。

图2b所示框93a和93b可由PEN制造。此实施方式中的PEN框93b具有12.5cm×12.5cm的外部尺寸和11cm×11cm的窗。将框93b放置在流场板84上，使框93b覆盖大部分液化硅酮94。PEN框94的厚度这样选择，要能确保MEA压缩30％。

在PET框93B的内窗中放入11cm×11cm FTL88。将CCM90放置在FTL88上，CCM中心对准FTL中心。将尺寸与框93B相同的另一个PET框93a放置在CCM90上，其中心对齐。将第二个11cm×11cm的FTL86放进PEN框93a的窗中。

以约0.35mg/min的速率将液化硅酮94施加在要形成MEA垫圈的第二流场板82的表面上。将第二流场板82放置在流场板84/FTL88/CCM90/FTL86结构的顶部，然后放入压机，较好在270和3吨压力下压10分钟。

图3a所示为除原位形成的硅酮垫圈外还采用内置式硬塞的另一种实施方式。图3a所示UCA80的基本结构类似于图2b所示结构，不同之处是硬塞结构。在图3a所示实施方式中，硬塞特征结构做在流场板82和84当中。如图所示，流场板82、84各有一个突出边缘82a、84a，这从图3b可更好地看到。边缘82a、84a形成后彼此扣合，并且在内部流场板表面之间形成预定大小的间隙，此间隙足以容纳硅酮密封垫94。突出边缘82a、84a的高度这样选择，使MEA得到适当程度的压缩。

如图3b所示，边缘82a有突出界面，边缘84a有凹陷界面。当两块流场板82和84在压机内在压力作用下靠近时，边缘82a的突出界面就插入边缘84a的凹陷界面。在边缘82a和84a之间有个绝缘层89，在两块流场板82和84之间提供必要的电绝缘。

根据另一种密封技术，可对流场板表面进行加工，使其具有微复制图案，常称作微结构表面。各种微结构图案及其产生方法是本领域所熟知的。可在流场板的特定区域加工出这样的微结构图案，通过相对的流场板表面上图案的扣合，使UCA的流场板之间形成机械结合。例如，所述图案可以是脊，其宽度在5-25密尔之间，高度在约1.5-2.5密尔之间。

例如，可在流场表面的垫圈区加工出微结构图案，在垫圈表面上形成许多小的半脊。在流场板的平坦区也可加工出微结构图案。如下面将要详加讨论的，UCA密封可通过结合使用微结构图案和聚合物垫圈来完成(例如原位形成的硅酮垫圈或分开的弹性垫圈)，或者通过单独使用微结构图案或其他机械结构完成(例如定位针、螺丝、螺栓/螺母、互锁表面特征结构)。

图4a和4b是采用内部硬塞和原位形成的硅酮密封或垫圈的UCA的另一种实施方式。根据此实施方式，UCA100包含代表燃料电池正极侧的上流场板102和代表燃料电池负极侧的下流场板104。如图4b所示，硬塞结构110包含一片硬塞芯或圈112，位于下流场板104的狭缝114中。

狭缝114可预先加工或在制造流场板的过程中在位模制。狭缝114的深度可随硬塞芯112的直径变化。在上流场板102中提供曲线凹陷116，其半径与硬塞芯112一致。下流场板104可包含收集槽105，用来收集垫圈形成过程中可能流动的多余密封材料。

硬塞芯112与本发明所述其他硬塞实施方式一样，可由不可压缩材料形成，如PET、PEN或特氟隆。硬塞芯112的厚度通常在0.5-2.0mm之间。一般地，硬塞芯112的厚度应当约为MEA厚度的70％，通常约厚0.012英寸。

硅酮垫圈这样形成，即将硬塞芯112放置在狭缝114中之前，在芯112的顶部施加液体硅酮。然后可将硬塞芯112塞入狭缝114，沿狭缝114的中心线定位。这有助于保持硅酮层的厚度接于近硬塞芯112。MEA106和上流场板102恰当定位，在合适的温度和压力条件下将夹心结构100放置在压机中，进行一段预定时间的加压，如前所述。

应当指出，膜的尺寸可与FTL相同。即使催化剂意外暴露出来，这也不成问题，因为形成的硅酮可防止催化剂与燃料接触。如果希望UCA可循环利用，可在流场板102、104的表面上再加一个隔离涂层，它可与硅酮垫圈/密封材料直接接触。这样，失效UCA中的MEA和密封/垫圈很容易从可再用的流场板102、104上拆下来。

现在看图5a-5f，它们示出了本发明另一实施方式中采用了密封结构的UCA的一部分。图5a-5f所示实施方式含有热塑性密封材料，它通常以膜、带或其他固体膜的形式提供。热塑性材料可以是氟塑料如THV(四氟乙烯、六氟丙烯和偏二氟乙烯的三聚物)；聚乙烯；聚乙烯共聚物，如聚乙烯与丙烯酸；Thermo-Bond845(3M生产，例如聚乙烯马来酸酐共聚物)和Thermo-Bond 668(3M生产，例如聚酯)。这些材料的混合物或这些材料与碳、玻璃、陶瓷等填充剂的复合材料也可用作热塑性塑料。所述材料的熔程宜为50-180℃，更宜为100-150℃，应当接近MEA的结合温度。热塑性材料还应当能粘着到硬塞和流场板上。

在某些UCA/MEA构造中，除了UCA密封外，热塑性密封材料加强了膜边缘的保护。在其他优点中，用固体热塑性密封膜显著减少或消除了流体通道受阻的危险，而这在使用液化密封剂时可能发生。此外，FTL膜可位于UCA/MEA内部，防止热塑性密封膜流入充气孔或槽。

使用固体热塑性密封膜具有一个特别优点，密封膜可熔进FTL，所以在密封膜覆盖FTL的地方，FTL边缘厚度没有变化。与此不同，制造MEA的传统方法可使MEA边缘的厚度发生小幅变化，从而使MEA的部分区域所受压力明显大于其他地方。如果MEA的边缘受到过大的压力，MEA就容易在这些区域失效。由于本发明的热塑性密封膜一旦扩散进行FTL表面，其相对于FTL表面的厚度就不会发生显著变化。MEA可在整个MEA表面上均匀吸收UCA组中的压力。

使用本实施方式中的热塑性密封膜的另一个优点是膜边缘的保护作用，如前面所简单讨论的。在耐受性实验中发现，引起MEA失效的主要原因是在FTL与垫圈硬塞之间的区域形成的应力，它会引起撕裂，产生大量氢气交叉。这种交叉使MEA完全不能使用，并使UCA组的余下部分失效，因为它无法将氢气燃料送达组中的其他MEA。

这种边缘撕裂现象可发生在某些MEA结构中，因为负极层和正极层之间往往存在压力差，而膜因受到支撑少或没有支撑而非常脆弱。在此情况下，热塑性密封膜在膜上熔化，提供了不易撕裂的强有力支撑。所得到的在FTL边缘受到保护的膜具有更长的寿命和可靠的性能，因为边缘失效的可能性显著降低。

此UCA结构的另一个优点是膜不容易受到FTL上尖锐的角的损害。在许多情况中已经看到，特别是对于刚性更大的FTL，FTL边缘有时会刺破膜，引起短路，从而使MEA失效。传统方法只能部分控制此问题。根据本实施方式，热塑性密封膜较好位于FTL边缘下方，然后再结合。热塑性密封膜可保护膜，使之在结合过程中免遭锐利边缘的损害。与传统技术不同，采用本实施方式的热塑性密封膜完全避免了FTL引起的膜穿孔的发生。

在某些实施方式中，增加硬塞提供了另一优点，即精确控制UCA内部的压缩，且当FTL压缩达到最佳程度时，停止燃料电池的压缩。硬塞的厚度可随FTL的厚度变化，以便提供最佳压缩值。

图5a所示为UCA在置于结合压模之前的边缘部分，图5b所示为图5a所示UCA部分完成结合过程之后的情况。UCA200包含第一和第二流场板202、204，它们各有一个进气口206、210和若干气体流动通道208、212。第一和第二流场板202、204之间是MEA212。图中MEA212包含一对FTL220、222，它们之间是CCM214。CCM214包含正极和负极催化剂层224、226和膜228，膜从MEA212向外延伸。如图所示，膜228延伸到FTL220、222边缘外面，在接近第一和第二流场板202、204边缘的地方终止。

UCA200包含硬塞结构，该硬塞包含第一和第二硬塞框234、240，分别位于膜228与第一和第二流场板202、204之间。硬塞框234、240可由合适的硬塞材料制造，如PET、PEN、特氟隆等。第一硬塞框234用第一硬塞框234与膜228之间的胶粘剂膜或层236固定在膜228上。类似地，第二硬塞框240用第二硬塞框240与膜228之间的胶粘剂膜或层238固定在膜228上。

第一热塑性膜230的第一端位于第一FTL220和膜228延伸到正极催化剂层224以外的部分之间。第一热塑性膜230穿过第一FTL220端部与第一硬塞框234之间形成的间隙211a。在图5a所示构造中，第一热塑性膜230位于第一硬塞框234与第一流场板202之间。第一热塑性膜230的第二端在第一流场板202的边缘终止。

第二热塑性膜232的第一端位于第二FTL222和膜228延伸到负极催化剂层226以外的部分之间。第二热塑性膜232穿过第二FTL222端部与第二硬塞框240之间形成的间隙211b。在图5a所示构造中，第二热塑性膜230位于第二硬塞框240与第二流场板204之间。第二热塑性膜232的第二端在第二流场板204的边缘终止。

热塑性膜230、232的厚度通常都约为2.5密尔，单硬塞框234、240通常厚约5密尔。在采用单硬塞框的UCA构造中，如图5c-5d所示实施方式中，硬塞框235在此情况下厚约10密尔。应当指出，FTL220、222通常厚约8密尔。应当理解，这些尺寸可随具体的UCA结构不同。

根据另一种构造，第一热塑性膜230位于第一FTL220与膜228延伸到正极催化剂层224以外的部分之间。此构造中的第一热塑性膜230通过间隙211a，在第一硬塞框234的边缘终止。类似于层236的胶粘剂膜或层，有个胶粘剂膜或层位于第一硬塞框234和第一流场板202之间。

根据此实施方式，第二热塑性膜232位于第二FTL222与膜228延伸到负极催化剂层226以外的部分之间。此构造中的第二热塑性膜232通过间隙211b，在第二硬塞框240的边缘终止。类似于层238的胶粘剂膜或层，有个胶粘剂膜或层位于第二硬塞框240和第二流场板204之间。

图5b所示为完成结合过程后边缘受到保护的UCA。从图5b可以看到，UCA200的各个组件通过熔化的热塑性膜230、232结合在一起。热塑性材料浸入了FTL220、222，但没有渗入进气口206、210。此外，按照一定策略相对于气体通道208、212放置FTL220、222，可在结合过程中防止气体通道堵塞。在第一和第二塞框234、240与第一和第二FTL220、222之间容易到达的边缘，膜228受到正常的熔融热塑性材料层包围。

图5c和5c所示为UCA组装结构的另一实施方式，该结构包含热塑性密封材料和硬塞结构。图5c所示为UCA在放入结合压机之前的边缘部分，而图5d是图5c所示UCA部分在完成结合过程之后的情况。根据此实施方式，MEA212包含膜228，它在第一和第二FTL220、222的边缘或接近边缘的地方终止。像图5a和5b所示实施方式那样，图5c和5d中所示的第一和第二热塑性膜230、232位于延伸到催化剂层224、226以外的膜228分别与第一和第二FTL220、222之间的位置。

第一和第二热塑性膜230、232分别通过第一和第二FTL220、222端部与硬塞框235之间形成的间隙。由于膜228没有伸到硬塞结构以外，可采用单个硬塞框235。应当指出，膜228可伸入间隙211和硬塞框235，在第一和第二流场板202、204之间加强电绝缘。

第一和第二热塑性膜203、232在图中位于硬塞框235分别与第一和第二流场板202、204之间的位置。像图5a和5b所示构造那样，第一和第二热塑性膜203、232可延伸到硬塞框235并在此终止，在此情况下，可在硬塞框235分别与第一和第二流场板202、204之间的位置放置胶粘剂膜或层。

图5e和5f所示为UCA的另一实施方式，它含有本发明的热塑性密封材料。在此实施方式中，没有像图5a-5d所示实施方式那样采用硬塞结构。图5e所示为UCA200在放入结合压机之前的边缘部分，而图5f是图5e所示UCA部分完成结合过程后的情况。

根据此实施方式，MEA212包含膜228，它从MEA212向外延伸，并在第一和第二FTL202、204的边缘或接近边缘的地方终止。第一热塑性膜230位于第一FTL220与膜228延伸到正极催化剂层224以外的部分之间。在此构造中，第一热塑性膜230位于膜228的延伸部分上，在第一流场板202的边缘终止。

在此实施方式中，第二热塑性膜232位于第二FTL222与膜228延伸到负极催化剂层226以外的部分之间。第二热塑性膜232位于膜228的延伸部分上，在第二流场板204的边缘终止。应当理解，膜228不需要伸到MEA212的边缘以外，或者一路伸到第一和第二流场板202、204的边缘。

现在看本发明的另一方面。其他一些实施方式涉及具有控热特征结构的UCA组合件。在某些实施方式中，控热特征结构包含可与UCA分离的冷却结构。在其他实施方式中，控热特征结构包含整合进UCA组合件的冷却结构。在另外的实施方式中，可与UCA整合在一起或独立于UCA的冷却结构，有利于提高UCA组的组装和拆卸效率。

根据其他一些实施方式，可用各种闭锁/扣合结构方便UCA组中组装的UCA的插入和取出。在另外的实施方式中，可用各种闭锁/扣合结构方便MEA相对于一对流场板的插入和取出。现在更详细地介绍上述及其他特征。

包含流场板、MEA和冷却结构的燃料电池组一般通过仔细对齐所有组件，将这些组件压在一起来组装，每个燃料电池都受到一定程度的压缩。燃料电池组的传统组装方法采用系杆，系杆含有固定的孔，穿过流场板内部，以压缩电池组。如果一个电池失效，则需要取出坏电池并加以替换，以便电池组或电池模块续工作。

对于传统燃料电池组装置，取出或替换坏电池或电池组中坏掉的部分是复杂、费时的过程。例如，为了从用传统技术组装的燃料电池组中取出坏电池，必须拆开整个电池组，然后全部重新组装。这包括取出所有的系杆和每个电池，从电池组中拿掉坏电池后，重新组装整个电池组。

符合本发明原理的燃料电池组技术提供了在电池组装置内部以高效率取出和替换坏电池的方法，它有利地减少了拆卸和组装电池组的复杂程度和耗用的时间。此外，本发明的燃料电池堆装技术促进了燃料电池组件的回收利用，允许再利用从电池组中取出的有缺陷燃料电池组合件的某些燃料电池组件(例如流场板、硬塞组件、弹性密封件、冷却组件等)。

根据一种控热构造，如图6a-6c所示，UCA组合件300包含UCA302和可分离的冷却板304。此实施方式中的UCA302具有矩形或方块形状，但应当理解其他形状和构造也可以。冷却板304上有能放置UCA302的凹陷面308。冷却板304的一个或多个表面，如背面和/或侧面，含有冷却结构306，如冷却槽或冷却翼。一种流体传热介质，如空气、水或其他气体或液体冷却剂，可从冷却结构306当中或上面通过，以控制UCA302的温度(即加热和/或冷却UCA302)。

从图6b和6c中可看出，第一UCA302可放进冷却板304第一表面上的凹陷308中。此外，冷却板304的第二表面，如含有冷却结构306的表面，可包含放置第二UCA302的凹陷307。通过这种方式，可用单个冷却板304进行冷却，并使两个UCA302扣合。

因此，UCA组合件300的电池组可利用UCA302与冷却板304之间的嵌合关系互锁起来。应当指出，在另一种构造中，凹陷可形成于UCA302的一个或多个表面上，冷却板304的结构中可包含一个或多个突出表面，能与UCA302的相关凹陷表面配合。

UCA302和冷却板304之间的嵌合便于它们之间的对齐和插入/取出。根据此实施方式，如图7a和7b所示，UCA组合件300(即含有一些相关冷却板304的UCA302)的电池组可用压缩装置302压缩，在该压缩装置中，系杆306完全位于UCA组合件300外面。有了这种结构，组装电池组时不需要特别的对齐操作。取出或替换电池组系统中的某个特定电池所需的工作量明显少于让系杆穿过流场板的传统方法。

图7a和7b所示的压缩装置320包含一对端板322、324，它们之间有许多系杆326。为了解释简单，图中没有示出燃料和冷却剂管道和定位针。开始，将每个UCA302放置在相关冷却板304的凹陷308内部，它们的组合形成本发明的UCA组合件300。系杆326穿过各端板322、324内部的孔。

如图所示，系杆306a开始可以不装，以方便UCA组合件300插入压缩装置320。所有UCA组合件300插入后，将螺母325套在相关的系杆326上，紧固后产生适合大小的堆积压力(例如约150psi)。可用转矩扳手将螺母325拧紧到所需程度。可以看出，UCA302和冷却板304之间的嵌合使UCA302精确排列在电池组内，可防止UCA302在电池组的组装和拆卸过程中滑出。

如图7a和7b所示，单根系杆326a可以取出，以便于从电池组中取出有毛病的UCA302。如图所示，系杆326a已经取出，所有其他系杆326已经松开。取出有毛病的UCA302。然后将替换的UCA302插入冷却板上取出了有毛病UCA302的凹陷部位。或者，可将冷却板304连同要取出的UCA302一起从电池组中取出，得到少一个UCA组合件300的电池组。替换前面取出的系杆326a，再适当拧紧所有系杆326。

有了本实施方式的嵌合结构，只需将燃料电池组松开，取出坏电池(UCA)，然后或者替换，或者就这样紧固，让电池组少一块电池(UCA)。嵌合结构的优点是可精确对齐模块中的所有电池(UCA)，这样它们就完全在相同的位置。电池(UCA)不允许偏移或滑动，否则会产生高压缩梯度或破坏密封。由于系杆孔不再位于流场板中，流场板也就没有那么复杂，生产成本也可降低。此外，需要密封的地方也少，因为每块流场板两面没有需要密封的系杆孔。减少密封也就相应地减少了交叉和泄漏。

图6d所示为符合本发明原理的可再生UCA组合件的另一个实施方式。如同图6a-6c所示的实施方式，图6d所示的UCA构造采用了可分离的冷却板404a、404b和类似的嵌合互锁机构。图6d所示UCA组合件可以类似方式用来制造燃料电池组，该电池组采用图7a和7b所示的压缩装置。

图6d所示的UCA组合件包含双极UCA402，它有效地嵌入了两个UCA402a、402b。双极UCA402位于一对冷却板404a、404b之间。UCA402包含第一单极流场板410、双极流场板414和第二单极流场板420。第一MEA412位于第一流场板410和双极流场板414之间，第二MEA416位于第二流场板420和双极流场板414之间。第一MEA412的冷却主要由冷却板404a完成，第二MEA416的冷却主要由冷却板404b完成。

图6d示出了UCA的组装构造，当发现一个MEA坏掉时，UCA的各组件可循环利用。假定UCA密封垫圈结构由前述的活动弹性密封结构或热塑性密封结构提供，则可从电池组中取出坏UCA，并可进行拆卸。在一种方法中，举例来说，图6d所示的坏双极UCA组合件402可从相关冷却板404a、404b中取出，用前面介绍单极UCA时提到的方法更换好的双极UCA组合件402。

根据另一种方法，坏双极UCA组合件可取出来，并进一步拆开，从双极UCA组合件中取出每一个MEA。例如，可以加热双极UCA组合件，使原位形成的热塑性密封结构软化或再流动。然后可分开流场板410、414和420，露出两个MEA412和416。接着可取出坏MEA。清洁流场板410、414和420，以备再用。如前所述，在流场板要原位形成垫圈的表面上可涂布隔离涂层，便于UCA组件的拆卸。

现在看图8a-8c，所示为UCA组合件的一种实施方式，该组合件具有本发明的闭锁或扣合能力。UCA500包含第一流场板502和第二流场板504。第一流场板502上还有凹陷面512，用来接纳MEA。第二流场板504也有凹陷面514，用来接纳MEA。

第一流场板502包含冷却结构510。在此特定实施方式中，冷却结构是第一流场板502的整体组成部分。举例来说，冷却结构502包含通道、翅翼或其他结构，它们帮助将热传递介质输送到第一流场板502背面之上或者从其中通过。

图8a-8c所示的UCA500包含闭锁或扣合结构506，它便于在制造UCA组501时使各UCA精确对准，并方便其组装。在图8a-8c所示的实施方式中，闭锁结构506包含机械闭锁结构520和524，它们分别位于第一和第二流场板502和504的相对两端。闭锁结构524包含第二流场板504的突出表面，宜靠近第二流场板504的边缘。闭锁结构520包含第一流场板502的凹陷表面，同样宜靠近第一流场板502的边缘。

各闭锁结构520、524使第一和第二流场板502和504之间，以及组装的UCA500与相邻的配有闭锁结构520、524的UCA之间实现对齐嵌合。应当理解，闭锁结构520、504用合适的绝缘材料实现彼此电绝缘。

此机械闭锁结构为UCA500电池组501的组装和拆卸提供了方便，如图8c所示。应当理解，其他凹陷和突出表面结构也可用来实现本发明此实施方式中的机械闭锁功能。例如，第一流场板502可包含凹陷表面，它接纳第二流场板504上形成的突出表面。

其他机械闭锁结构可用来对UCA相对的两个流场板进行机械连接和去连接。流场板上的这种结构包括定位针、钩环材料、微结构图案、螺丝、螺栓、搭吸连接件和其他类型的机械紧固件。

现在看图9a-9e，所示为一个UCA组合件，它含有本发明的一种实施方式中的整体冷却结构。此实施方式包含许多有利的特征结构，包括定位和对齐特征结构、机械闭锁结构和整体冷却结构，以及其他特征结构。这些特征结构可部分或全部包含在本发明的UCA组合件中。

图9a显示了两块板602、604，它们与夹在中间的MEA(未示出)一起构成UCA600。板602包含带有整体冷却结构630的第一表面606和含有流场的第二表面608。板602的第一表面606示于图9e，板602的第二表面608示于图9b。图9a所示的板604在其第一表面610上含有流场650，在其第二表面612上具有光滑区域。板604的第一表面610示于图9c，第二表面612示于图9d。

板602和604都含有闭锁结构，以便于成对重复出现的板602和604之间实现嵌合，这些板形成燃料电池组的各个UCA。如图9a所示，第一和第二板602、604在图示方向上彼此匹配扣合，这样板602的第二表面608与板604的第一表面610匹配扣合。在第一和第二板602、604上的凹陷表面和突出表面形成了UCA600的主要扣合或闭锁结构。碰到一起后，这些表面扣合起来，形成非常牢固的机械嵌合关系。

组装了这两个UCA600后，两个UCA600彼此面对面地机械结合起来，第一UCA600的第一板602的第一表面606与第二UCA600的第二板604的第二表面612嵌合起来。通过这种方式，任何数目的UCA600都可组装起来，形成指定的燃料电池组。

除了定位、对齐和互锁能力外，可形成UCA板602和604的各种凹陷、光滑和突出表面，以利于UCA各区域，如冷却区620、燃料管区622、624、628和626，以及UCA的周边区域的密封。

如图9a和9e所示，板602的第一表面606包含冷却区620，其中冷却剂分散场630位于冷却剂管道口634和632之间。燃料进口和出口690、688、682和692分别位于燃料管区622、624、628和626内。燃料管区622、624、628、626和冷却区620相对于板606的基表面来说是突出的表面。这些突出表面可为板604的第二表面612上相应的凹陷和/或光滑区所接纳。

特别地，第一UCA600中板602的表面606上形成的突出冷却区620与第二UCA600中板604的表面612上形成的光滑表面700相扣合，并形成密封。第一UCA600中板602的第一表面606上形成的突出燃料管区622、624、628和626与相邻的第二UCA600中板604的表面612上形成的靠近燃料管区652、662、660和658的光滑表面700相扣合，并形成密封。燃料管区622和626中的燃料气口635和637允许燃料通过UCA600的流场。

第一板602的第二表面608包含流场680，如图9b所示。流场680包含燃料进口684和燃料出口686。燃料进口684与板602第一表面606上的燃料气口635相连，可供流体流动，如图9c所示。燃料出口686与板602第一表面606上的燃料气口637相连，可供流体流动。

类似地，第二板604的第一表面包含流场650，如图9c所示。流场650包含燃料进口656和燃料出口654。燃料进口656与板604第二表面612上的燃料气口701相连，可供流体流动，如图9d所示。燃料出口654与板602第二表面612上的燃料气口703相连，可供流体流动。

在制造UCA600的过程中，MEA恰当定位在第一或第二板602、604的流场680、650之一上。板602和604上也可放置一个或多个硬塞框。预形成的密封或原位形成的密封(例如液化硅酮或热塑性密封)可用前述方式形成。

其他各种机械结合技术可作为替代方法或额外的方法采用，如定位针、钩环材料、微结构图案、螺丝、螺栓、搭吸连接件和前面讨论的其他机械紧固件。板602、604可由金属碳或复合材料加工或形成，所述复合材料如导电石墨或碳/聚合物复合材料。

制造完成后，UCA600可在燃料电池组的组装过程中与其他同样的UCA600排列起来。在其他实施方式中，图9a-9e所示的UCA600若性能变差，可用前述方式进行循环利用。

图10所示为燃料电池组的简化图，以便于理解燃料进出电池组的方式。应当理解，若干具有上述结构的UCA可用在图10所示类型的电池组中，图10所示电池组中的特定组件和结构只起说明目的。本领域的技术人员不难理解，本申请中构想的这种类型的燃料电池组可用安装本发明原理制造的UCA来组装。

图10所示燃料电池组800包含第一端板802和第二端部804。每块端板802、804包含流场板，在图中为单极流场板。第一和第二端板802、804之间可插入若干MEA820和双极流场板830。这些MEA和流场板组件宜为上述类型。应当理解，电池组800中也可加入冷却结构。

第一端板802包含第一燃料进口806和第二燃料出口808，举例来说，前者可接受氧气，后者可排放氢气。第二端板804包含第一燃料出口809和第二燃料进口810，举例来说，前者可排放氧气，后者可接受氢气。燃料以一指明方式经端板802、804中的各种气口和电池组800的各MEA820及流场板825(例如UCA)上的管道气口825流过电池组。

图11所示为燃料电池系统，其中可采用一个或多个利用本发明UCA制造的燃料电池组。图11所示的燃料电池系统900说明了许多可能系统中的一种，其中可采用基于UCA的燃料电池组。

燃料电池系统900包含燃料处理器904、电力部分906和电力调节器908。燃料处理器904包含燃料重整器，它接收源燃料如天然气，对源燃料进行处理，产生富氢燃料。将富氢燃料提供给电力部分906。在电力部分906中，富氢燃料进入电力部分906内燃料电池组的UCA组。向电力部分906通入空气，为燃料电池组提供氧源。

电力部分906的燃料电池组产生直流电、可用热和清洁的水。在再生系统中，部分或全部伴生的热量可用来产生蒸汽，该蒸汽则可被燃料处理器904用来进行它的各种加工操作。电力部分906产生的直流电可送入电力调节器908，将直流电转换为交流电，以备后用。应当理解，交流电电力转换器不一定要包含在提供直流电输出的系统中。

前面对本发明各种实施方式的介绍只是供说明之用。它没有包含本发明的全部内容，也不是将本发明限制在具体介绍的形式上。根据上面的介绍，可作出各种改进和变化。本发明的范围不受这些详述的限制，只受所附权利要求的限制。

Claims

1.整体燃料电池组合件，它包括：

第一流场板；

第二流场板；

位于第一和第二流场板之间的膜电极组合件(MEA)，MEA包含第一和第二流体输运层(FTL)，以及位于负极和正极催化层之间的膜；

第一和第二流场板之间的硬塞；

至少第一和第二FTL的一部分之间，以及第一和第二FTL与硬塞间隙内的热塑性材料。

2.如权利要求1所述的组合件，其特征在于，硬塞确定了单元硬塞结构。

3.如权利要求1所述的组合件，其特征在于，热塑性材料至少从第一和第二FTL延伸到硬塞结构。

4.如权利要求1所述的组合件，其特征在于，热塑性材料还分别位于硬塞结构与第一和第二流场板之间。

5.如权利要求1所述的组合件，其特征在于，硬塞结构分别与第一和第二流场板之间存在胶粘剂。

6.如权利要求1所述的组合件，其特征在于，第一和第二FTL之间的热塑性材料扩散进入第一和第二FTL中。

7.如权利要求1所述的组合件，其特征在于，热塑性材料包含许多热塑性膜。

8.如权利要求1所述的组合件，其特征在于，热塑性材料包含：

至少第一和第二FTL一部分之间的第一热塑性膜，且伸入间隙；

至少第一和第二FTL一部分之间的第二热塑性膜，且伸入间隙。

9.如权利要求1所述的组合件，其特征在于，热塑性材料包含：

至少第一和第二FTL一部分之间的第一热塑性膜，伸入间隙，且延伸在硬塞结构和第一流场板之间；

至少第一和第二FTL一部分之间的第二热塑性膜，伸入间隙，且延伸在硬塞结构和第二流场板之间。

10.如权利要求1所述的组合件，其特征在于，硬塞结构包含一个或多个不可压缩的塞件。

11.如权利要求1所述的组合件，其特征在于，

膜的一部分伸到第一和第二FTL外面；

硬塞结构包含：

膜部分的第一表面和第一流场板之间提供的第一硬塞；

膜部分的第二表面和第二流场板之间提供的第二硬塞。

12.如权利要求11所述的组合件，其特征在于，热塑性材料还在第一流场板与第一硬塞以及第二流场板与第二硬塞之间。

13.如权利要求11所述的组合件，其特征在于，热塑性材料包含：

至少第一和第二FTL一部分之间的第一热塑性膜，伸入间隙，且延伸在第一硬塞结构和第一流场板之间；

至少第一和第二FTL一部分之间的第二热塑性膜，伸入间隙，且在延伸第二硬塞结构和第二流场板之间。

14.如权利要求11所述的组合件，其特征在于，它还包括：

第一流场和第一硬塞之间的第一胶粘剂层；

第二流场和第二硬塞之间的第二胶粘剂层。

15.如权利要求1所述的组合件，其特征在于，硬塞结构包含聚乙烯、聚丙烯、聚酯、纤维玻璃、尼龙、PET、Delrin、Mylar、Kapton、Lexan或特氟隆中的一个或多个。

16.如权利要求1所述的组合件，其特征在于，硬塞结构包含PEN。

17.如权利要求1所述的组合件，其特征在于，热塑性材料是聚酯材料。

18.如权利要求1所述的组合件，其特征在于，热塑性材料是聚乙烯或含氟塑料。

19.如权利要求1所述的组合件，其特征在于，热塑性材料的熔点在约50-180℃之间。

20.如权利要求1所述的组合件，其特征在于，热塑性材料的熔点约等于MEA的结合温度。

21.如权利要求1所述的组合件，其特征在于，许多单元燃料电池组合件安装成单元燃料电池组合件的互连组，形成燃料电池组合件。

22.如权利要求21所述的组合件，其特征在于，将一个或多个燃料电池组合件装入燃料电池系统。

23.单元燃料电池组合件，它包括：

第一流场板；

第二流场板；

位于第一和第二流场板之间的MEA，MEA包含第一和第二流体输运层(FTL)，以及位于负极和正极催化层之间的膜；

第一和第二流场板之间的硬塞结构，硬塞结构的尺寸能控制第一和第二流场板在压力作用下接触时施加在MEA上的压力；

第一和第二流场板之间以及MEA周围的密封结构。

24.如权利要求23所述的组合件，其特征在于，密封结构位于MEA和硬塞结构周围。

25.如权利要求23所述的组合件，其特征在于，密封结构位于MEA和硬塞结构之间。

26.如权利要求23所述的组合件，其特征在于，密封结构至少部分地围住硬塞结构。

27.如权利要求23所述的组合件，其特征在于，密封结构是个弹性垫圈。

28.如权利要求23所述的组合件，其特征在于，密封结构是个原位形成的密封结构。

29.如权利要求23所述的组合件，其特征在于，密封结构由热塑性材料形成。

30.如权利要求23所述的组合件，其特征在于，密封结构是硅酮材料。

31.如权利要求23所述的组合件，其特征在于，密封结构由可固化的液化密封材料形成。

32.如权利要求23所述的组合件，其特征在于，第一和第二流场板包含收集槽，用来收集多余的密封材料。

33.如权利要求23所述的组合件，其特征在于，膜的部分伸到第一和第二FTL外面，密封结构与膜部分接触。

34.如权利要求23所述的组合件，其特征在于，密封结构至少与MEA的边缘接触。

35.如权利要求23所述的组合件，其特征在于，硬塞结构可与第一和第二流场板分离。

36.如权利要求23所述的组合件，其特征在于，硬塞结构与第一和第二流场板中的一个或两个整体相连。

37.如权利要求23所述的组合件，其特征在于，硬塞结构位于MEA与第一和第二流场板的边缘之间。

38.如权利要求23所述的组合件，其特征在于，硬塞结构沿着第一和第二流场板的边缘提供，硬塞结构可与第一和第二流场板分离。

39.如权利要求23所述的组合件，其特征在于，硬塞结构包含：

第一和第二流场板之一的边缘上的突出表面；

第一和第二流场板中另外一个的边缘上的凹陷表面；

突出和凹陷表面之间的电绝缘材料。

40.如权利要求23所述的组合件，其特征在于，硬塞结构包含：

第一和第二流场板之一上提供的通道；

环状硬塞芯；

第一和第二流场板中另外一个上提供的弯曲凹陷表面。

41.如权利要求40所述的组合件，其特征在于，密封结构包含可固化液化密封材料，至少部分该液化密封材料位于通道中和环状硬塞芯的弯曲凹陷和相邻表面之间。

42.如权利要求23所述的组合件，其特征在于，许多单元燃料电池组合件安装在单元燃料电池组合件的互连组中，形成燃料电池组组合件。

43.权利要求42所述组合件，其特征在于一个或多个燃料电池组组合件包含在燃料电池系统中。

44.可再生单元燃料电池组合件，它包括：

第一流场板；

第二流场板；

第一和第二流场板之间的密封结构；

使第一和第二流场板形成活动连接的扣合结构，扣合结构的作用是让第一和第二流场板可反复连接和脱开，因而至少第一和第二流场板可以回收，并再利用于燃料电池组合件单元的替换组件。

45.如权利要求44所述的组合件，其特征在于，所述扣合结构包括：

第一和第二流场板之一上的一个或多个突出表面；

第一和第二流场板中另外一个上的一个或多个凹陷面。

46.如权利要求44所述的组合件，其特征在于，所述扣合结构包括：

第一和第二流场板之一的边缘上的突出表面；

第一和第二流场板中另外一个的边缘上的凹陷面。

47.如权利要求44所述的组合件，其特征在于，所述扣合结构包括在第一和第二流场板的一个或多个表面上形成的微结构图案。

48.如权利要求44所述的组合件，其特征在于，所述扣合结构包括许多在第一和第二流场板中的一个或两个上的活动扣合紧固件。

49.如权利要求44所述的组合件，其特征在于，密封结构位于MEA的边缘。

50.如权利要求44所述的组合件，其特征在于，密封结构可与第一和第二流场板分离。

51.如权利要求44所述的组合件，其特征在于，密封结构包含预形成密封。

52.如权利要求44所述的组合件，其特征在于，密封结构包含可固化液化密封剂。

53.如权利要求44所述的组合件，其特征在于，密封结构包含可固化液化硅酮材料。

54.如权利要求44所述的组合件，其特征在于，密封结构包含热塑性材料。

55.如权利要求54所述的组合件，其特征在于，热塑性材料包含一个或多个热塑性膜。

56.如权利要求55所述的组合件，其特征在于，热塑性材料是聚酯材料。

57.如权利要求55所述的组合件，其特征在于，热塑性材料是聚乙烯或氟化塑料。

58.如权利要求44所述的组合件，其特征在于，MEA可与第一和第二流场板分离。

59.如权利要求44所述的组合件，其特征在于，MEA是预结合的MEA。

60.如权利要求44所述的组合件，其特征在于，它还包括位于第一和第二流场板之间的硬塞结构。

61.如权利要求60所述的组合件，其特征在于，硬塞结构包含一个或多个不可压缩的塞件。

62.如权利要求60所述的组合件，其特征在于，硬塞结构包含聚乙烯、聚丙烯、聚酯、纤维玻璃、尼龙、PET、Delrin、Mylar、Kapton、Lexan或特氟隆中的一个或多个。

63.如权利要求60所述的组合件，其特征在于，硬塞结构包含PEN。

64.如权利要求44所述的组合件，其特征在于，它还包括位于第一和第二流场板之间的硬塞结构，该硬塞结构可与第一和第二流场板分离。

65.如权利要求44所述的组合件，其特征在于，许多单元燃料电池组合件安装在单元燃料电池组合件的互连组中，形成燃料电池组组合件。

66.如权利要求65所述的组合件，其特征在于，将一个或多个燃料电池组组合件装入燃料电池系统。

67.单元燃料电池组合件，它包括：

第一流场板；

第二流场板；

至少第一和第二FTL一部分之间，以及第一和第二流场板之间的热塑性材料，用来将第一和第二流场板结合起来，形成单元结构。

68.如权利要求67所述的组合件，其特征在于，热塑性材料位于第一和第二FTL之间，以及第一和第二流场板的边缘。

69.如权利要求67所述的组合件，其特征在于，位于第一和第二FTL之间的热塑性材料扩散进入第一和第二FTL当中。

70.如权利要求67所述的组合件，其特征在于，热塑性材料包含许多热塑性膜。

71.如权利要求67所述的组合件，其特征在于，热塑性材料包含：

至少第一和第二FTL一部分之间的第一热塑性膜，且延伸在MEA和第一流场板之间；

至少第一和第二FTL一部分之间的第二热塑性膜，且延伸在MEA和第二流场板之间。

72.如权利要求67所述的组合件，其特征在于，热塑性材料是聚酯材料。

73.如权利要求67所述的组合件，其特征在于，热塑性材料是聚乙烯或含氟塑料。

74.如权利要求67所述的组合件，其特征在于，热塑性材料的熔点在约50-180℃之间。

75.如权利要求67所述的组合件，其特征在于，热塑性材料的熔点约等于MEA的结合温度。

76.如权利要求67所述的组合件，其特征在于，许多单元燃料电池组合件安装成单元燃料电池组合件的互连组，形成燃料电池组合件。

77.如权利要求76所述的组合件，其特征在于，将一个或多个燃料电池组合件装入燃料电池系统。