增强型密封的燃料电池组件

发明背景

技术领域

本发明涉及密封的燃料电池组件。

燃料电池是燃料和氧化剂流体电化学反应以产生电力的装置。正在为各种商业应用开发的一类燃料电池是固体聚合物电解质燃料电池，其采用膜电极组件(MEA)，所述膜电极组件包括由设置在两个电极之间的合适的离聚物材料(例如

对于商业应用，多个燃料电池通常串联堆叠，以便提供更大的输出电压。在固体聚合物电解质燃料电池中，通常在气体扩散电极层附近使用隔板，以将堆中的一个电池与另一个电池分离。流体分布特征，包括入口和出口、流体分布室(plenums)和许多流体通道，通常形成在邻近电极的隔板的表面中，以便将反应流体分布到电极，并从电极去除反应副产物。隔板还为MEA提供了电传导和热传导的路径，以及机械支撑和尺寸稳定性。

在组装的燃料电池中，MEA中的多孔气体扩散层必须在它们的周围和与它们相邻的隔板充分密封，以防止反应气体泄漏到错误的电极，或者防止反应气体和燃料电池堆周围的大气之间的泄漏。这可能是具有挑战性的，因为MEA通常是相对较大的薄板，因此可能需要在相当大的周缘进行密封，并且燃料电池堆通常涉及密封许多MEA。按照惯例，MEA边缘密封件的设计应提供大批量的生产和可靠的、高质量的不漏的密封件。在本领域中已经提出了实现这一点的各种方法。

一种现有技术的密封方法涉及使用密封垫圈，所述密封垫圈围绕MEA并且可以在阳极和阴极隔板之间被大幅压缩，以便在MEA和环境之间实现可靠的密封。将阳极与阴极分离的密封件可以通过将垫圈密封材料遍布(impregnating)到MEA的边缘中并将这些遍布的边缘连接或整合到周围的垫圈来获得。美国专利号6,057,054公开了这样一种使用齐平切割MEA的实施方案(其中膜电解质、电极和气体扩散层的边缘对齐并终止于相同位置，即齐平切割边缘)。

其他现有技术的密封方法可以在密封区域中使用一种以上的材料。例如，美国专利号7,771,885公开了一种MEA框架组件被布置在用于注射成型的模具中以形成第一流动通道、第二流动通道以及多个连接流动通道，所述第一流动通道被布置为在电极的外周和框架的内周之间沿着电极的外周延伸，所述第二流动通道被布置为沿着所述框架的内周和外周之间的内部弹性构件延伸，所述多个连接流动通道将所述第一流动通道与所述第二流动通道连通。将弹性树脂注入到第一流动通道中，以用该弹性树脂填充第一流动通道，并通过每个连通流动通道用弹性树脂填充第二流动通道，从而整体地形成密封MEA框架组件和隔板之间的空间的弹性构件。以这种方式将阳极电极和阴极电极连接并固定到聚合物电解质膜的两个表面以形成MEA(膜电极组件)，并且其中MEA被框架夹持并支撑的MEA框架组件被夹在一对隔板之间以形成单电池。然而，这样的设计要求膜延伸超过阳极和阴极电极，使得框架可以连接到膜，这由于膜的较大尺寸而导致更高的成本，导致浪费材料，并且制造困难，因为框架必须仅连接到膜而不连接到电极。

燃料电池堆还包括歧管，用于将反应物输送到膜电极组件并用于从膜电极组件去除过量的反应物和产物。在一个示例中，所述歧管可以是内部歧管，例如，在每个燃料电池中以孔的形式用于接收和去除每种来自燃料电池的反应物和冷却剂。在美国专利号6,066,409中描述了一个这样的例子。在另一个例子中，歧管可以是外部歧管，例如在美国专利号6,696,193中描述的歧管。每个歧管必须密封到电池堆组件，以防止反应气体泄漏到周围环境中。外部歧管不如内部歧管理想，因为外部歧管通常更容易泄漏，并且难以管理堆叠材料和外部歧管材料之间的热膨胀差异。

虽然已经提出了许多设计，但仍需要进一步改进燃料电池的密封设计。

简要概述

在一个实施方案中，密封的燃料电池组件包括密封的活性区域，所述活性区域包括设置在阳极电极和阴极电极之间的离聚物电解质以形成膜电极组件；与所述密封的活性区域相邻的密封的歧管区域，所述密封的歧管区域；以及弹性密封件，所述弹性密封件包括围绕所述膜电极的周围的第一弹性密封珠和围绕歧管口的周围的第二弹性密封珠；其中所述弹性密封件还包括增强材料(reinforcing material)，所述增强材料与所述膜电极组件物理分离并且具有比所述弹性密封件更低的弹性。

在一些实施方案中，所述弹性密封件包括在第一和第二弹性密封珠之间的腹板部分；并且所述增强材料设置在所述腹板部分中。

在进一步的实施方案中，所述相邻的密封珠部分包括从所述密封的活性区域的平面垂直突出并且具有比腹板部分更大的高度的密封珠；并且所述增强材料不遍及(traverse)至所述第一和第二弹性密封珠中。

根据附图和下面的详细描述，本发明的这些和其他方面将是显而易见的。

附图简要说明

图1是示例性密封膜电极组件的平面视图。

图2是一个实施方案中密封膜电极组件A-A截面的示意性截面图。

图3是另一个实施方案中密封膜电极组件A-A截面的示意性截面图。

详细说明

在以下描述中，为了提供对本发明的各种实施方案的全面理解，阐述了某些具体细节。然而，本领域技术人员将理解，可以在没有这些细节的情况下实践本发明。在其他情况下，与燃料电池、燃料电池堆和燃料电池系统相关的众所周知的结构没有被详细示出或描述，以避免不必要地混淆对本发明的实施例的描述。

除非上下文另有要求，否则在整个说明书和随后的权利要求中，“包括comprise”一词及其变体，如“包括comprises”和“包括comprising”应以开放、包容的意义解释，即“包括但不限于”。

在整个说明书中，对“一个实施方案”或“实施方案”的引用意味着结合所述实施方案描述的具体特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施方案中。因此，在本说明书的各个地方出现的短语“在一个实施方案”或“在实施方案中”不一定都指同一实施方案。此外，在一个或多个实施方案中，可以以任何合适的方式组合具体特征、结构或特性。

图1显示了燃料电池组件2的平面视图，所述组件包括活性区域4和相邻的入口和出口歧管区域6a、6b。活性区域4包括膜电极组件(MEA)8，其中离聚物电解质设置在阳极电极和阴极电极之间。弹性密封件10在遍布(impregnation)密封区域12处包围MEA 8的周围边缘，并遍布阳极和阴极的周围边缘以基本上密封MEA8，并防止反应物从燃料电池堆泄漏以及跨越至其他电极和冷却剂。出于与可制造性和成本降低相关的原因，MEA8优选为齐平切割的(换句话说，阳极电极、阴极电极和离聚物电解质的尺寸基本相同)。

在歧管区域6a、6b处，弹性密封件10围绕入口歧管口14a、14b、14c和出口歧管口16a、16b、16c的周围进行包围和密封。入口歧管口14a、14b、14c和出口歧管口16a、16b、16c流体连接到流场板(未示出)，并允许反应物、产物和冷却剂流体流入和流出燃料电池组件2。

图2显示了燃料电池组件2的密封件在图1的A-A截面处的横截面。MEA8包括阳极电极18、阴极电极20和离聚物电解质22。弹性密封件10包括MEA遍布密封区域12、腹板部分26和相邻的密封珠24a、24b。密封珠24a围绕MEA 8包围，密封珠24b围绕歧管16b包围，而腹板部分26连接密封珠24a、24b。密封珠24a、24b在垂直于MEA 8的平面方向的方向上突出，并且比腹板部分26更厚。当燃料电池堆在堆叠压缩压力下被压缩时，密封珠24a、24b被压缩在相邻的流场板上，以在MEA和歧管口周围形成密封的密封件，从而防止流体泄漏到不同的流体流中，并防止流体从燃料电池组中泄漏。

弹性密封件10还包括在腹板部分26的至少一部分中的增强材料28。增强材料28优选具有比用于弹性密封件10的材料更低的弹性(通过杨氏模量测量)。发明人已经发现，通过歧管口的流体的相对高的压力倾向于在燃料电池的平面方向上将弹性密封件从它们的期望位置推动和移位。由于弹性密封材料的相对高的弹性，即使当密封珠被包含在流场板的密封槽内时，这种现象仍然可能发生。密封珠的这种位移导致在燃料电池堆的边缘处，特别是在燃料电池堆的气体出口侧的不期望的气体泄漏。然而，通过将增强材料在出口歧管区域处并入弹性密封件的至少一部分内以限制弹性密封件在燃料电池的平面方向上的变形，密封珠被更好地保持在抵靠流场板的位置，从而减少歧管区域处气体泄漏的发生。

在如图3所示的一些实施例中，增强材料28不会遍及至密封珠区域中，因为增强材料的弹性比密封珠更低，因此压缩性也比密封珠更小，当燃料电池堆被压缩时，这可能会损害弹性密封珠的密封能力。增强材料还优选地与膜电极组件及其所有部件(阳极、阴极和离聚物膜)物理分离，因为这样不会干扰膜电极组件的周围边缘处的弹性密封件的密封功能。

增强材料28可以设置在弹性密封件10的任何区域中的腹板部分26中，并且在一些情况下，设置在由于反应物和/或产物的压力而导致拉伸应力最大的离散区域中。例如，参考图1，增强材料可以沿着活性区域4中的弹性密封件10的一部分和/或沿着歧管区域6a、6b处的弹性密封件10的一部分使用。在其他实施方案中，增强材料可以在整个活性区域和/或歧管区域中使用，例如，在活性区域周围和/或在燃料电池的至少一个歧管口周围连续使用。围绕歧管口的连续件可以具有在内部流体压力增加时在适当的位置(例如，围绕歧管口)保持密封的优点。本领域技术人员将能够基于弹性密封件所经受的拉伸应力和易于制造性来确定在哪里使用增强材料。在一些实施方案中，增强材料可以允许移除流场板边缘处的挡墙，所述挡墙将歧管密封珠保持在适当的位置。

用于弹性密封件的材料可以是能够承受燃料电池堆的酸性环境的任何材料。在一些实施方案中，弹性体材料是可液体注射成型的，使得密封件可以在一个步骤中应用到MEA以及歧管口周围，例如在美国专利号6,057,054中描述的那样。例如，弹性体密封材料可以是硅酮、乙烯-丙烯-二烯烃三元共聚物(EPDM)、氟橡胶、全氟橡胶、氯丁二烯橡胶、氟硅酮弹性体、聚异丁烯(PIB)、乙烯-丙烯橡胶(EPR)和热塑性橡胶(TPR)。膜电极组件可以在阳极和/或阴极电极的周围密封边缘处被催化去活化，以保护膜不与挥发性氧化物质接触，所述挥发性氧化物质是由硅氧烷(来自硅基密封材料)与电极中的催化剂反应形成的。

增强材料也可以是能够承受燃料电池堆的酸性环境并且与弹性密封材料兼容的任何材料，但是具有比弹性密封材料更低的弹性(更高的杨氏模量)。例如，增强材料可以是热塑性的或热固性的。代表性的热塑性物质包括聚偏氟乙烯(PVDF)、聚丙烯、聚乙烯、聚烯烃、聚四氟乙烯(PTFE)和芳香族热塑性物质，例如聚芳醚、聚醚醚酮(PEEK)、聚砜等。代表性的热固性物质包括聚酰亚胺、环氧树脂、聚氨酯、腈、丁基、热塑性弹性体(TPEs)等。在具体实施方案中，增强材料的杨氏模量大于约100MPa，并且在一些实施方案中，大于约200MPa。增强材料的厚度优选为弹性密封件腹板部分厚度的约80％或更小。例如，增强材料的厚度小于约250微米。

流场板材料可以是用于燃料电池操作的任何合适的材料，例如碳质或金属材料。在一些实施方案中，流场板可以由膨胀石墨或碳制成，膨胀石墨或碳被压花或机加工成流场板通道、密封槽和歧管口。在其他实施方案中，流场板材料可以是金属的，例如，其可以是涂覆有耐腐蚀层的金属板。燃料电池流场板通常是双极性的，具有在一侧上的阳极流动通道和在另一侧上的阴极流动通道。冷却剂流动通道形成在阳极流动通道侧和阴极流动通道侧之间。在这种情况下，两个流场板通常粘合在一起，每个流场板在一侧上具有阳极流动通道或阴极流动通道，在另一侧上具有冷却剂流动通道，它们粘合在一起使得冷却剂流动通道侧彼此面对。

增强材料可以以几种方式并入。例如，可以将增强材料放置在注射模具中，然后将可注射成型的密封材料应用至增强材料上。在一些实施方案中，增强材料可以包括穿孔，以允许可注射成型的密封材料从中遍布。本领域技术人员将能够确定将增强材料并入弹性密封件内的方式。

本说明书中提及和/或在申请数据表中列出的所有上述美国专利、美国专利申请公布、美国专利申请、外国专利、外国专利申请和非专利出版物全部通过引用整体并入本文。

虽然已经示出和描述了本发明的具体元件、实施方案和应用，但是应当理解，本发明不限于此，因为本领域技术人员可以在不脱离本公开内容的精神和范围的情况下进行修改，特别是根据前述指导。