本發(fā)明總體涉及用于燃料電池堆的雙極板，其包括用于密封的壓花特征，更具體地，涉及用于包括壓花特征的燃料電池堆的雙極板，其中雙極板半部被組裝使得相對(duì)板半部的壓花特征彼此相對(duì)偏移以減小圍繞密封周邊的密封力和/或壓力變化。

背景技術(shù)：

氫燃料電池是包括陽(yáng)極和陰極以及位于兩電極之間的電解質(zhì)的電化學(xué)裝置。陽(yáng)極接收氫氣，陰極接收氧氣或空氣。氫氣在陽(yáng)極分解產(chǎn)生游離的氫質(zhì)子和電子。氫質(zhì)子穿過(guò)電解質(zhì)到達(dá)陰極。來(lái)自陽(yáng)極的電子不能通過(guò)電解質(zhì)，因此在被發(fā)送到陰極之前被引導(dǎo)通過(guò)負(fù)載以執(zhí)行工作。質(zhì)子交換膜燃料電池(pemfc)是用于車(chē)輛的普遍的燃料電池類(lèi)型，并且通常包括固體聚合物電解質(zhì)質(zhì)子傳導(dǎo)膜，例如全氟磺酸膜。陽(yáng)極和陰極通常包括細(xì)分的催化顆粒，通常為鉑(pt)，其負(fù)載在碳顆粒上并與離聚物混合，其中催化混合物被沉積在膜的相對(duì)側(cè)上。陽(yáng)極催化混合物、陰極催化混合物和膜的組合限定膜電極組件(mea)。膜阻擋燃料電池堆的陽(yáng)極側(cè)和陰極側(cè)之間的氣體傳輸，同時(shí)允許質(zhì)子的傳輸以在它們各自的電極上完成陽(yáng)極和陰極反應(yīng)。

若干燃料電池通常組合在燃料電池堆中以產(chǎn)生所需功率。燃料電池堆通常包括位于堆中的若干mea之間的一系列流場(chǎng)或雙極板，其中雙極板和mea位于兩個(gè)端板之間。雙極板包括用于堆中的相鄰燃料電池的陽(yáng)極側(cè)和陰極側(cè)。在雙極板的陽(yáng)極側(cè)上提供有陽(yáng)極氣體流動(dòng)通道，其允許陽(yáng)極反應(yīng)氣體流到相應(yīng)的mea。在雙極板的陰極側(cè)上提供有陰極氣體流動(dòng)通道，其允許陰極反應(yīng)氣體流到相應(yīng)的mea。一個(gè)端板包括陽(yáng)極氣體流動(dòng)通道，另一個(gè)端板包括陰極氣體流動(dòng)通道。雙極板和端板由導(dǎo)電材料制成，例如不銹鋼或?qū)щ姀?fù)合材料。端板將燃料電池產(chǎn)生的電傳導(dǎo)出堆外。雙極板還包括冷卻流體流過(guò)的流動(dòng)通道。

燃料電池堆包括其中設(shè)置有mea的有源區(qū)域，其是發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的堆中的區(qū)域。反應(yīng)氣體從入口集管或集管通過(guò)無(wú)源饋電區(qū)域被饋送到有源區(qū)域中的通道，無(wú)源饋電區(qū)域包括陰極和陽(yáng)極流動(dòng)通道之間的子墊圈而不是mea。雙極板通常被組裝和焊接在一起，使得反應(yīng)氣體和冷卻流體可以被分離并聯(lián)結(jié)到適當(dāng)?shù)钠绻芗?。雙極板通常被配置為使得陰極反應(yīng)氣體流動(dòng)通道和陽(yáng)極反應(yīng)氣體流動(dòng)通道在有源和無(wú)源區(qū)域中具有基本相同的尺寸。

用于制造雙極板的各種技術(shù)是本領(lǐng)域已知的。在一種設(shè)計(jì)中，沖壓金屬板半部組裝在一起，使得陽(yáng)極流動(dòng)通道設(shè)置在板半部之一的一側(cè)，陰極流動(dòng)通道設(shè)置在另一板半部的相對(duì)側(cè)，冷卻流體流動(dòng)通道設(shè)置在兩個(gè)板半部之間。雙極板堆疊在彼此的頂部上，然后在端部結(jié)構(gòu)之間壓縮，以便密封其中的各種通道。

板半部的沖壓形狀限定了板中的壓花特征，例如凹槽，其最終限定反應(yīng)氣體或冷卻流體流動(dòng)通道和密封件。通道的壓花特征可以是同相的且對(duì)齊的或異相的且錯(cuò)位的。陽(yáng)極通過(guò)mea到陰極通道的對(duì)齊可以基本上不同，即對(duì)齊或正交。當(dāng)使用壓花特征來(lái)進(jìn)行密封時(shí)，壓花特征路徑在陽(yáng)極和陰極板半部中必須遵循相同的路徑。當(dāng)用于雙極板的相對(duì)的板半部在組裝過(guò)程中堆疊時(shí)，板半部彼此接觸的那些區(qū)域可以限定珠粒密封件，其中接觸區(qū)域是剛性的，并且彼此間隔開(kāi)的那些區(qū)域是可變形的和彈性的。在組裝期間施加到雙極板堆的壓縮力使得板半部在珠粒密封件處密封在一起。通常，薄的彈性體在珠粒密封位置處放置在板半部上以增加密封效果。

在燃料電池堆的組裝過(guò)程中，半部板中的壓花特征彼此最好盡可能地對(duì)齊。然而，由于在組裝過(guò)程中的低效率和通常的燃料電池堆所需的板半部的數(shù)量，板半部中的壓花特征不是完全對(duì)齊的。板半部之間的這種錯(cuò)位在板半部上引起不希望的壓力變化，其影響板密封。此外，饋電區(qū)域中的各個(gè)位置和饋電區(qū)域與有源區(qū)域之間的過(guò)渡區(qū)域是彎曲的，以允許反應(yīng)氣體被引導(dǎo)到特定歧管。直的壓花特征路徑將比彎曲的壓花特征路徑剛性更小。集管形狀和有源區(qū)域覆蓋區(qū)要求密封路徑壓花特征具有轉(zhuǎn)彎以繞著形狀密封，這將比直的密封路徑具有更剛性的密封-偏轉(zhuǎn)響應(yīng)。板半部需要使用將密封區(qū)域中的接觸分離的uea子墊圈來(lái)彼此接觸。當(dāng)密封壓花特征包圍集管或有源區(qū)域形狀時(shí)，其拐角或彎曲剛度將具有密封變化。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明公開(kāi)并描述了用于燃料電池堆的雙極板，其包括具有特殊壓花特征的相對(duì)的沖壓金屬板半部，使得當(dāng)該堆被組裝時(shí)，相對(duì)的板半部的壓花特征相對(duì)于彼此定位，使得相對(duì)的密封路徑的中心線偏移以在雙極板中的更剛性部分和剛性更小的部分之間產(chǎn)生偏移，其允許在壓縮組裝力下沿著板半部之間的珠粒密封件更均勻地密封。

從下面的描述和所附權(quán)利要求書(shū)并結(jié)合附圖，本發(fā)明的附加特征將變得顯而易見(jiàn)。

附圖說(shuō)明

圖1是已知燃料電池堆的集管密封壓花的局部橫截面圖，示出了兩個(gè)非嵌套的沖壓雙極板；

圖2是示出了集管孔的已知雙極板半部的剖視俯視圖；

圖3是燃料電池堆的無(wú)源饋電區(qū)域的局部橫截面圖，示出了兩個(gè)非嵌套的沖壓雙極板半部，其中相對(duì)的板半部中的壓花特征相對(duì)于彼此偏移；以及

圖4是在組裝期間將圖3中示出的燃料電池堆進(jìn)行壓縮之后的局部截面圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的實(shí)施例的以下討論涉及用于燃料電池堆的雙極板，其包括具有特殊的錯(cuò)位的壓花特征的相對(duì)的沖壓金屬板半部?jī)H僅是示例性的，并且絕不旨在限制本發(fā)明或其應(yīng)用或用途。

圖1是通過(guò)已知燃料電池堆10中的無(wú)源饋電區(qū)域的部分的局部橫截面圖。燃料電池堆10的該部分示出兩個(gè)雙極板12和14以及位于它們之間的組合電極組件(uea)子墊圈16。雙極板12包括陰極板半部18和陽(yáng)極板半部20，并且雙極板14包括陰極板半部22和陽(yáng)極板半部24。板半部18、20、22和24中的每一個(gè)都是具有所示構(gòu)造的沖壓金屬板，并且包括壓花特征26以限定用于特定燃料電池堆設(shè)計(jì)的密封件，平臺(tái)，凹槽等。當(dāng)板半部18、20、22和24聯(lián)接以提供雙極板12和14時(shí)，特征26在板半部18和20與板半部22和24之間限定冷卻流體流動(dòng)通道30，陽(yáng)極反應(yīng)物氣體流動(dòng)通道34和陰極反應(yīng)氣體流動(dòng)通道36。顯然，燃料電池堆10將在左右和上下的一定距離重復(fù)，以限定整個(gè)燃料電池堆10中的許多反應(yīng)氣體流動(dòng)通道34和36以及冷卻流體流動(dòng)通道30。

堆10在堆組裝期間經(jīng)受壓縮力，如通常由壓縮力箭頭38表示。板半部18和20與板半部22和24之間的接觸區(qū)域限定了密封所述堆10中的各個(gè)通道30、34和36的珠粒密封件40。壓花特征26的構(gòu)造提供了較不可能在壓縮力38下變形的剛性更大的區(qū)域42和在壓縮力38下更可能變形的剛性更小的區(qū)域44。

圖1所示的雙極板12和14的部分在無(wú)源饋電區(qū)域中，并且因此包括子墊圈16。子墊圈16是在該區(qū)域中的通道34和36之間的分離層，并且可以是任何合適的材料，例如kapton，聚萘二甲酸乙二醇酯或一些其它塑料。應(yīng)注意，本文所討論的板半部18、20、22和24的構(gòu)造將同樣適用于燃料電池堆10的有源區(qū)域，其中以本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的方式用mea和氣體擴(kuò)散介質(zhì)層替換子墊圈16。板半部18、20、22和24在整個(gè)燃料電池堆10上是連續(xù)的，包括所有的有源區(qū)域、無(wú)源區(qū)域和歧管。

如上所述，通常，即使板半部18、20、22和24的絕對(duì)對(duì)齊是需要的，但在板半部18、20、22和24之間仍然存在一些錯(cuò)位，使得珠粒密封件40的密封完整性減小，特別是在諸如冷卻流體流動(dòng)通道30的通道彎曲的那些區(qū)域中。圖2是已知的沖壓雙極板半部50的拐角的剖視俯視圖，示出了板特征中的曲率產(chǎn)生如下區(qū)域，該區(qū)域中板半部18、20、22和24的對(duì)齊可以降低沿著珠粒密封件40的接觸壓力的變化的能力。特別地，板半部50包括多個(gè)開(kāi)口52，其提供例如在冷卻流體通道30中流動(dòng)以便傳送到出口歧管集管(未示出)的冷卻流體的收集區(qū)域。珠粒密封件54和56示出為板半部50中的如下區(qū)域，該區(qū)域中板50中的壓花特征接觸其它板中的壓花特征以形成密封件54和56。顯然，珠粒密封件54和56具有波浪形構(gòu)造，用于減小沿著密封路徑的密封壓力的變化。

如下面將詳細(xì)討論的，本發(fā)明提出在雙極板半部中配置壓花特征，使得當(dāng)在堆組裝過(guò)程中雙極板半部彼此對(duì)齊時(shí)，壓花特征相對(duì)于彼此偏移，使得一個(gè)板半部中的較剛性區(qū)域與相鄰板半部中剛性較小的更大彈性區(qū)域稍微對(duì)齊，以使得沿著密封路徑和跨密封路徑的密封壓力具有較小的變化。板半部的壓花特征之間的這種偏移提供沿著壓花特征的彎曲區(qū)域的較小的壓力變化，例如上面參考圖2討論的那些。該偏移減小或消除了跨珠粒到珠粒接觸的寬度上的接觸壓力的預(yù)期變化，以及當(dāng)珠粒路徑沿著密封路徑的長(zhǎng)度從直的部分過(guò)渡到彎曲部分時(shí)的接觸壓力變化。

圖3是類(lèi)似于燃料電池堆10的燃料電池堆60的部分橫截面圖，其中相同的元件由相同的附圖標(biāo)記表示，并且其中板半部中的壓花特征被配置為使得它們?cè)趦蓚€(gè)板半部之間不精確地對(duì)齊并且相對(duì)于彼此偏移。特別地，燃料電池堆60包括具有陰極板半部64和陽(yáng)極板半部66的雙極板62，并且包括具有陰極板半部70和陽(yáng)極板半部72的雙極板68。板半部64包括壓花特征80，板半部66包括壓花特征82。壓花特征80和82分別有意地配置在板半部64和66中，使得它們?cè)诙?0中相對(duì)于彼此偏移，如圖所示，其中板半部64中的平臺(tái)84部分地延伸穿過(guò)壓花特征82并且限定偏移86，并且板半部66中的平臺(tái)88部分地延伸穿過(guò)壓花特征80并且限定偏移90。以這種方式，由一個(gè)板半部中的壓花特征限定的更剛性的區(qū)域部分地延伸到由相對(duì)的板半部中的壓花特征限定的較不剛性的區(qū)域中，使得在板半部中發(fā)生較小的變形。相對(duì)的板半部64和66之間的密封路徑對(duì)齊，但是密封路徑的中心線偏移。因此，沿著珠粒密封件40存在更均勻的密封壓力，從而產(chǎn)生更高的完整性密封，特別是在珠粒密封件40圍繞彎曲特征行進(jìn)的那些位置處。此外，跨密封珠粒壓縮壓力增益和損耗的對(duì)齊公差的靈敏度的降低得到更好地平衡。

圖4是在堆60經(jīng)受上述壓縮密封力38之后的燃料電池堆60的局部橫截面圖。由于相對(duì)于上述剛性密封區(qū)域和壓花特征80和82的偏移86和90，由壓縮力38引起的變形在平臺(tái)84和88以及壓花特征80和82上更一致，以提供更一致的密封。

前述討論僅公開(kāi)和描述了本發(fā)明的示例性實(shí)施例。本領(lǐng)域技術(shù)人員將容易地從這樣的討論以及從附圖和權(quán)利要求中認(rèn)識(shí)到，在不脫離如所附權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以在其中進(jìn)行各種改變、修改和變化。