[发明专利]具有衬垫的燃料电池隔板和用于制造其的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有衬垫的燃料电池隔板和用于制造其的方法。更特别地，本发明涉及一种具有能够进一步改善气密性、电稳定性和耐久性的衬垫的燃料电池隔板和用于制造其的方法。

背景技术

燃料电池堆的构造可以关于单元电池描述如下。膜电极组件(MEA)布置在燃料电池堆的每个单元电池的中心。该MEA包括聚合物电解质膜，以及布置在聚合物电解质膜的两侧中的每一侧的诸如空气电极(阴极)和燃料电极(阳极)之类的电极/催化剂层，其中氢离子(质子)通过所述聚合物电解质膜进行传输，且氢气和氧气之间的电化学反应在所述电极/催化剂层中发生。

此外，气体扩散层(GDL)和衬垫顺序地堆叠在MEA的设有阴极和阳极的两侧上。包括用于供应燃料和排放反应所产生的水的流场的隔板位于GDL的外侧上。在多个单元电池堆叠在一起之后，用于支撑上述组件的端板被连接到燃料电池堆的最外端，从而完成燃料电池堆的制造。

因此，在燃料电池堆的阳极处，氢气通过氢气的氧化反应被分解为氢离子(质子，H+)和电子(e-)。氢离子和电子分别通过电解质膜和隔板传输到阴极。在阴极处，通过从阳极传输来的氢离子和电子与空气中的氧气所参与的电化学反应而产生水，并且同时，通过电子的流动而产生电能。

燃料电池堆的隔板(尤其是金属隔板)包括通过对厚度为大约0.1mm的薄金属板进行冲压而形成的流场，以便向燃料电池堆供应还原气体和氧化气体、供应用于冷却燃料电池堆的冷却剂、以及收集和传输所产生的电力。因此，隔板应该具有气密性和液密性，使得还原气体、氧化气体和冷却剂不会混合在一起。

因此，在隔板的一侧上施加衬垫以保持冷却剂和反应气体(氢气和空气)的气密性，并同时支撑布置在隔板另一侧上的衬垫。

根据燃料电池堆制造期间的生产率的观点，通过注射成型在金属隔板的两侧上一体地形成衬垫。参考图1和图2描述其实例。

特别地，图1是示出通过注射成型将衬垫7一体地结合到隔板上的常规方法的截面视图。首先，将粘结剂涂布到金属隔板1(下文中称为隔板)的整个表面中的将要形成衬垫7的区域上。

然后，将隔板1装载在下部模具3的顶部，使得隔板1位于上部衬垫槽2a和下部衬垫槽3a之间，其中上部衬垫槽2a和下部衬垫槽3a被配置成在上部模具2和下部模具3中配合衬垫7的形状。

随后，移动上部模具2以按压并固定隔板1的边缘，然后将衬垫材料注射到隔板1的顶部和底部内从而将气体侧衬垫5和冷却侧衬垫6一体地模制和结合到隔板1的两侧上。

图2是示出通过注射成型与衬垫7成一体的常规金属隔板1的结构的俯视图和截面视图。如图所示，衬垫7一体地形成在金属隔板1的边缘和歧管的周围。衬垫7包括一体地形成在金属隔板1顶部上并且保持反应气体(氢气或空气)的气密性的气体侧衬垫5，以及一体地形成在金属隔板1底部上并且保持冷却剂的气密性的冷却侧衬垫6。

像这样，形成在隔板上的衬垫7充当用于限定燃料电池堆的每个单元电池的基础，并且密封分别形成在隔板1的表面上的氢气、冷却剂和空气流场。

虽然通过注射成型在隔板1的两侧上形成衬垫7的上述方法能够以简单的方式制造燃料电池堆，但是在衬垫7的注射成型期间会遇到将参考图3和4描述的以下问题。

图3是示出在衬垫7的注射成型期间发生的隔板1的变形和沾污的截面视图。

形成在隔板1两侧上的气体侧衬垫5和冷却侧衬垫6的结构和厚度彼此不同，并且因此当衬垫材料注射在由厚度为大约0.1mm的薄板形成的隔板1的两侧上时，隔板1的中间部分可能会由于流经隔板1两侧的衬垫材料之间的压力差别而向下弯曲。

例如，当衬垫材料同时注射到上部模具2内形成的上部衬垫槽2a和下部模具3内形成的下部衬垫槽3a中时，填充在厚度较大的上部衬垫槽2a内的衬垫材料的量大于填充在厚度较小的下部衬垫槽3a内的衬垫材料的量，因此在填充在上部衬垫槽2a和下部衬垫槽3a内的衬垫材料之间会发生压力差别。结果，隔板1的中间部分由于该压力差别而向下弯曲。

此外，由于流经隔板1两侧的衬垫材料之间的流率的差别，可能会发生非填充部分。在另外的情况下，衬垫材料从上部和下部模具2和3泄漏，导致形成毛刺。

例如，当衬垫材料在相同的压力下注射到衬垫槽2a和3a中时，流经上部衬垫槽2a的衬垫材料的流率低于流经下部衬垫槽3a的衬垫材料的流率，导致发生非填充部分。

此外，当流经上部衬垫槽2a的衬垫材料的压力高于施加到隔板1的未注射衬垫材料的边缘的压力时，衬垫材料从上部和下部模具2和3之间的间隙泄漏并然后固化，导致形成毛刺。