[发明专利]用于冲压板燃料电池的密封设计

说明书

技术领域

本发明的实施方式总体上涉及一种用于在燃料电池环境中使用的双极板，更具体地涉及一种包括改进的密封特性的冲压双极板。

背景技术

氢是一种非常有吸引力的燃料，因为氢是清洁的并且可用于在燃料电池中有效地产生电。氢燃料电池是一种包括由电解质分隔开的阳极和阴极的电化学装置。阳极接收氢气，而阴极通常通过空气流接收氧。氢气在阳极处离解以生成自由氢质子和电子。氢质子穿过电解质到达阴极。氢质子与氧以及电子在阴极中反应以生成水。来自阳极的电子不能穿过电解质，并因此被引导穿过负载以便在被发送到阴极之前做功。

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是用于车辆的流行的燃料电池。在PEMFC中，电解质可以是固体聚合物电解质质子传导膜，例如全氟磺酸膜。阳极和阴极通常包括精细分割的催化颗粒粉末（通常是铂(Pt)），其支撑在碳粒子上并且与离子聚合物混合。催化混合物沉积在膜的相反侧上。阳极催化混合物、阴极催化混合物和所述膜的组合限定膜电极组件(MEA)。MEA需要某些条件以有效运行。

多个燃料电池通常组合在一个燃料电池组中以生成期望的功率。例如，用于车辆的典型燃料电池组可具有两百或更多个成组的燃料电池。燃料电池组接收阴极输入气体，通常是由压缩机迫使穿过电池组的空气流。不是所有氧气都被电池组消耗，空气中的一些作为阴极排出气体被输出，所述阴极排出气体可包括作为发生在电池组的副产品的水。燃料电池组还接收流入到电池组的阳极侧的阳极氢输入气体。

燃料电池组包括定位在电池组中的多个MEA之间的一系列双极板，其中双极板和MEA定位在两个端板之间。在一个优选的形式中，对电池组中的相邻燃料电池而言，双极板包括阳极侧和阴极侧。设置在双极板阳极侧上的阳极气流通道允许阳极反应气体流动到相应的MEA。设置在双极板阴极侧上的阴极气流通道允许阴极反应气体流动到相应的MEA。一个端板包括阳极气流通道，而另一个端板包括阴极气流通道。双极板和端板由导电材料(例如不锈钢或导电复合材料)制成。端板将由燃料电池生成的电流传导出电池组。双极板还包括冷却流体流过其中的流动通道。

所属技术领域已知用于制作双极板的各种技术。在一个设计中，双极板由复合材料(例如，石墨)制成，其中两个板半体独立地模制并且随后粘贴在一起，以便在板半体中的一个的一个侧部处设置阳极流动通道，阴极流动通道设置在另一个板半体的对置侧部处并且冷却液体流动通道设置在所述板半体之间。在另一个设计中，两个独立板半体是冲压的并且随后焊接在一起以便在板半体中的一个的一个侧部处设置阳极流体通道，阴极流动通道设置在另一个板半体的对置侧部处并且冷却液体流动通道设置在所述板半体之间。

如所属技术领域充分理解的那样，燃料电池内的膜需要具有某种相对湿度，以便穿过膜的离子阻力足够低从而有效地传送质子。在燃料电池的运行期间，来自MEA的水分以及外部湿度可以进入阳极和阴极流动通道。在低燃料功率需求(通常低于0.2A/cm²)处，水可以累积在流动通道内，因为反应气体的流率太低而不能迫使水离开所述通道。随着水的累积，水形成小滴，所述小滴由于板材料的相对疏水性而连续膨胀。流动通道中小滴的形式大体上垂直于反应气体的流动。随着小滴的大小的增加，流动通道被关闭，并且反应气体转移到其他流动通道，因为流动通道是在共用入口和出口歧管之间并行的。因为反应气体可能不流过被水阻塞的通道，所以反应气体不能迫使水离开所述通道。膜因为通道被阻塞而不接收反应气体的那些区域将不会生成电，因此导致非均匀的电流分送并且降低燃料电池的总体效率。随着越来越多的流动通道被水阻塞，由燃料电池产生的电减少，其中电池电势小于200mV被认为是电池故障。因为典型燃料电池组可被构造成使燃料电池中的至少某些电气串联，所以如果燃料电池中的一个停止工作，那么整个燃料电池组的运行可能受到损害。

燃料电池组对于每个燃料电池在电池组的集管与活性区域之间通常包括延伸围绕燃料电池活性区域的密封件，以便防止气体从电池组泄漏。因此，为了得到从相应的入口集管流到燃料电池活性区域的阴极流、阳极流和冷却流体，这需要流动通道在不影响密封完整性的情况下穿过密封区域。通常，设置有围绕密封件穿过双极板的孔和隧道，这需要使流动通道弯曲以便它们与活性区域中的流动通道对齐。阴极和阳极流动通道的这种弯曲提供了水可能累积并且受困的区域，这具有关闭流动通道并且降低反应气体流动到此的趋势。因此，需要一种经过燃料电池组的密封区域的更好的技术。