將水運(yùn)輸板與彈性體密封物隔開的制作方法
【專利說明】將水運(yùn)輸板與彈性體密封物隔開
[0001]由于與FTA國家燃料電池汽車項(xiàng)目-肉豆蔻(Nutmeg)項(xiàng)目的合同號FTAMA-04-7002，政府可具有本發(fā)明和基于其頒發(fā)的任何專利的權(quán)利。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]在一個表面上具有水通道的且在相對表面上具有反應(yīng)物氣體通道的多孔親水的燃料電池基體通常被稱作水運(yùn)輸板(WTP)，其在WTP的角部處具有彈性體防滲材料，在該角部處與彈性體密封材料的接觸隨著時間推移以其他方式使得WTP疏水，由此消除防止氣體橫穿至冷卻劑的水壓力和氣泡壓力。
【背景技術(shù)】
[0003]參考圖1，在成為一體的電極組件15中將氣體反應(yīng)物施用至質(zhì)子交換膜電解質(zhì)的已知的燃料電池13的堆11，可能為采用多孔親水分離板的類型，所述多孔親水分離板通常在每個基體的一個表面上具有氣體反應(yīng)物溝槽，并且在相對表面上具有用于冷卻劑(通常為水)的溝槽16。一個燃料電池的陰極水運(yùn)輸板18使氧化劑在它的反應(yīng)物氣體溝槽19中流動并且相鄰燃料電池(其與所述相鄰燃料電池接觸)的陽極水運(yùn)輸板22使燃料在它的反應(yīng)物氣體溝槽23中流動。燃料和氧化劑由水運(yùn)輸板的孔中的水彼此隔開，其毛細(xì)力需要某個壓力以用于使氣泡經(jīng)過水，所述壓力被稱作氣泡壓力。
[0004]由于燃料電池堆被組裝，相對于彼此且相對于成為一體的電極組件的水運(yùn)輸板的尺寸公差和位置公差導(dǎo)致了基體邊緣的未對準(zhǔn)，這被標(biāo)出為“邊際線(skyline)”，如WTP18、22和成為一體的電極組件15的不同高度所示出的。由于這些，為了向外部反應(yīng)物氣體歧管(例如氧化劑歧管27)的表面提供用于密封燃料電池邊緣的相對平滑的區(qū)域，彈性體填充物(例如硅酮橡膠29)被施用至燃料電池的不均勻的邊緣表面。這為在硅酮29和歧管27的邊緣之間的橡膠墊30提供了足夠平滑的基床，如在美國專利6，660, 422和7，122，384中所描述的，這兩者均以引用的方式并入本文。在一些實(shí)例中，在橡膠墊和硅酮29之間設(shè)置可能為絕緣體的薄的剛性條。
[0005]已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的是，在歧管27被密封至燃料電池13的區(qū)域中，反應(yīng)物氣體從通道19、23至通道16中的冷卻劑中的滲漏發(fā)生到使得冷卻劑泵不能運(yùn)行的這種程度。這出現(xiàn)在所有燃料電池堆中，限制了所述堆的壽命。還發(fā)現(xiàn)的是，在大多數(shù)情況下更換密封物的外部部分(例如新近的硅酮層和/或新的橡膠墊30)并不是有效的。通常，所述堆必須被重新組裝。在拆卸后，受影響的電池是無用的并且材料在最好的情況下才可被重新利用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]參照圖2，發(fā)現(xiàn)的是，在反應(yīng)物氣體通道和水通道之間的滲漏是由WTP中的氣泡壓力的損失而引起的。
[0007]還得知的是，這進(jìn)而由彈性體(例如硅酮)從燃料電池部件的邊緣處的密封物浸入至水運(yùn)輸板18、22的多孔結(jié)構(gòu)中而造成，如箭頭32所示出的。
[0008]彈性體是非常疏水的并且覆蓋所述孔的既有表面，而不會填充所述孔，使得被硅酮侵入的區(qū)域變得疏水。當(dāng)浸入的程度充分時，反應(yīng)物氣體(通常處于較高壓力)會進(jìn)入水通道16 (通常處于較低壓力)中。冷卻物系統(tǒng)最終會變得充分地夾帶氣體，使得冷卻劑泵可能不再有效地推動冷卻劑液體，使得系統(tǒng)停止。
[0009]本文的方案在接近彈性體密封構(gòu)件的WTP的每個邊緣處設(shè)置彈性體防滲材料，所述彈性體防滲材料會阻礙彈性體浸入WTP中。此方案防止彈性體使得WTP的邊緣變得疏水性，消除氣泡氣壓的損失，并且避免氣體浸入至冷卻劑系統(tǒng)中。材料延伸超過彈性體，并且針對WTP的全部厚度而在WTP內(nèi)延伸一段小的距離，約I Cm (1/3英寸)。
[0010]所述材料可隨著WTP被形成而被預(yù)澆鑄并且模塑至WTP中。所述材料可替代地以流暢的形式沉積在WTP的未罩住的部分的孔中，然后通過在WTP模塑溫度之下熔化或固化而凝固。
[0011]如在附圖中所示出的，根據(jù)所附的示意性實(shí)施例的詳細(xì)描述，其他變型會變得更加清楚。
【附圖說明】
[0012]圖1為在具有橡膠墊和硅酮密封物的外部歧管的邊緣下方以放大的比例畫出的燃料部件的局部透視圖。
[0013]圖2為示出將硅酮浸入WTP中的圖1的局部透視圖。
[0014]圖3為包括根據(jù)本方案的硅酮防滲插入件的局部透視圖。
[0015]圖4為具有某種形式的角部的以放大的比例畫出的局部透視圖，該形式具有在模塑WTP之前定位(register)在其中的娃酮防滲插入件。
[0016]圖5-7為本方案的硅酮防滲插入件的替代實(shí)施例的局部透視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]參照圖3，本方案的第一通常的實(shí)施例借助于預(yù)先成形彈性體防滲插入件34在硅酮29的區(qū)域中每個水運(yùn)輸板(WTP)的邊緣處防止硅酮或其他彈性體浸入至WTP中。如本文所采用的，措辭“在區(qū)域中”和“在鄰近處”包括供將來使用而所計(jì)劃的情況。插入件34防止娃酮浸入水運(yùn)輸板中并且避免了水運(yùn)輸板的氣泡壓力的任何事故(breakdown)。
[0018]插入件34可通過在將模具填充石墨/樹脂(或適當(dāng)?shù)钠渌旌衔?之前將它定位至模具36的角部中來設(shè)置。在圖4中，僅僅示出模具側(cè)的相鄰的面38-40。為了在將模具填充常規(guī)的石墨/樹脂混合物的過程期間幫助確保適當(dāng)?shù)亩ㄎ辉谀＞咧校约澳Ｋ躓TP，銷43被附接至模具的底部表面38以引導(dǎo)洞44，所述洞44僅部分地穿過插入件34。
[0019]為了在模塑過程期間幫助將插入件34接合至WTP，設(shè)置了用于幫助將插入件34連接至WTP的一些表面擴(kuò)大部(enlargement)。在圖4的實(shí)施例中，在插入件34的兩個相應(yīng)的邊緣50、51的每者上均存在槽部46、47，其將與WTP鄰接。
[0020]圖5示出波狀表面53，可用于代替槽部46、47以增加在插入件34和WTP18、22之間的粘合。波狀表面53可輕微的波浪起伏，它可能突然的或它可能更像鋸齒。然而，有益的是，設(shè)置這樣的表面，所述表面與WTP的所希望粘合到的邊緣大體垂直。
[0021]圖6示出洞55，可用于增加表面積和改進(jìn)插入件34和WTP 18之間的粘合。
[0022]圖7示出肋56，可用于增加表面積和改進(jìn)插入件34和WTP 18之間的粘合。
[0023]可以使用其他設(shè)置物用于將插入件34指引至模具36，來代替洞和銷43、44。然而，必須的是，不允許彈性體/硅酮實(shí)現(xiàn)穿過所選擇的任何指引機(jī)構(gòu)的通路。
[0024]在本發(fā)明的第二通常實(shí)施例中，代替將預(yù)成形件澆鑄至WTP，WTP能夠以常規(guī)的方式完成，然后罩在一個表面上(除了需要彈性體防滲材料之處)。然后以流暢形式的可熔化或可固化的非彈性體的彈性體防滲材料被沉積在彈性體密封物的鄰近處在WTP的全部厚度的孔中并且隨后被熔化或固化。
[0025]流暢的材料可為非彈性體的適當(dāng)精細(xì)的粉末、彈性體防滲物、可熔化塑料或從鉍、鉛、錫和鎘中選擇的共晶混合物。
[0026]由于在不偏離本構(gòu)思的意圖的情況下可以做出所公開的實(shí)施例的改變和變型，除了所附權(quán)利要求所要求的以外，其并不意圖限制本公開。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種燃料電池堆(11)，包括: 多個彼此相鄰的燃料電池(13)，每個燃料電池均包括電極組件(15)，所述電極組件(15)包括質(zhì)子交換膜、多孔親水的陽極水運(yùn)輸板(18)和多孔親水的陰極水運(yùn)輸板(22)，所述質(zhì)子交換膜夾在陰極催化劑和催化劑支撐件以及陽極催化劑和催化劑支撐件之間，所述多孔親水的陽極水運(yùn)輸板(18)相鄰所述陽極電極支撐件而配置，所述多孔親水的陰極水運(yùn)輸板(22)相鄰所述陰極電極支撐件而配置； 彈性體密封劑(29)，其在外部歧管(27)被密封至所述燃料電池的區(qū)域中覆蓋所述燃料電池的邊緣； 其特征在于； 彈性體防滲材料(34)，其被配置在所述彈性體密封劑的鄰近處的每個水運(yùn)輸板的全部厚度內(nèi)。2.如權(quán)利要求1所述的燃料電池堆(11)，其特征還在于: 所述彈性體防滲材料(34)針對每個水運(yùn)輸板(18、22)包括插入件(34)，其預(yù)成形為彈性體防滲材料并且隨著所述水運(yùn)輸板被模塑而被澆鑄至相關(guān)的水運(yùn)輸板中。3.如權(quán)利要求2所述的燃料電池堆(11)，其特征還在于: 與水運(yùn)輸板接觸的每個插入件(34)的邊緣包括增加粘合表面擴(kuò)大部(46、47 ；53 ；55 ；56)。4.如權(quán)利要求3所述的燃料電池堆(11)，其特征還在于: 所述增加粘合表面擴(kuò)大部包括槽部(46、47)。5.如權(quán)利要求3所述的燃料電池堆(11)，其特征還在于: 所述增加粘合表面擴(kuò)大部包括一個或多個洞(55)。6.如權(quán)利要求3所述的燃料電池堆(11)，其特征還在于: 所述增加粘合表面擴(kuò)大部包括波狀表面(53 )。7.如權(quán)利要求3所述的燃料電池堆(11)，其特征還在于: 所述增加粘合表面擴(kuò)大部包括肋部(56 )。8.如權(quán)利要求1所述的燃料電池堆(11)，其特征還在于: 所述彈性體防滲材料(34)包括非彈性體塑料。9.如權(quán)利要求1所述的燃料電池堆(11)，其特征還在于: 所述彈性體防滲材料(34)包括金屬。10.如權(quán)利要求1所述的燃料電池堆(11)，其特征還在于: 所述彈性體防滲材料(34)包括可熔化或可固化的非多孔的非彈性體，其以流暢的形式被沉積在所述彈性體密封劑的鄰近處在每個水運(yùn)輸板的全部厚度的孔中，并且隨后在原處被熔化或固化。11.如權(quán)利要求10所述的燃料電池堆(11)，其特征還在于: 所述彈性體防滲材料(34)包括非彈性體塑料。12.如權(quán)利要求10所述的燃料電池堆(11)，其特征還在于: 所述彈性體防滲材料(34)包括金屬。13.如權(quán)利要求12所述的燃料電池堆(11)，其特征還在于: 所述彈性體防滲材料(54)包括從鉍、鉛、錫和鎘中選擇的共晶混合物。14.一種方法，其特征在于，通過在任何彈性體密封劑的鄰近處的每個水運(yùn)輸板的全部厚度內(nèi)設(shè)置彈性體防滲材料（34 )來防止彈性體密封劑（29 )浸入到在燃料電池堆（11)中的多孔親水的水運(yùn)輸板（18、22)中。15.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征還在于： 所述設(shè)置步驟包括隨著所述水運(yùn)輸板被模塑而將所述材料的預(yù)成形插入件（34)澆鑄至每個水運(yùn)輸板（18、22)中。16.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征還在于： 所述設(shè)置步驟包括將可熔化或可固化的非多孔的非彈性體的彈性體防滲材料（34)以流暢的形式沉積在所述彈性體密封劑（29)的鄰近處的每個水運(yùn)輸板（18、22)的全部厚度的孔中，并且隨后熔化或固化所述材料。
【專利摘要】一種燃料電池堆（11）包括多個相鄰的燃料電池（13），每個燃料電池（13）均包括成為一體的電極組件（15），所述電極組件（15）夾在多孔的陽極（22）和陰極水運(yùn)輸板（18）之間。在硅酮橡膠（29）或其他彈性體覆蓋燃料電池的邊緣以便與外部歧管（27）形成密封的區(qū)域中，水運(yùn)輸板的相鄰邊緣由彈性體防滲材料（34）代替或增大。這防止了彈性體浸入至WTP，其可導(dǎo)致足夠的疏水性以減小或消除將反應(yīng)物氣體與冷卻水隔開所需的水氣泡壓力，從而防止了冷卻劑泵的氣體抑制作用。預(yù)成形的插入件（34）可隨著水運(yùn)輸板被模塑而澆鑄至水運(yùn)輸板中，或者以流暢的形式的可熔化的或可固化的非彈性體的彈性體防滲材料可沉積至已形成的水運(yùn)輸板的孔中，然后被熔化或被固化。
【IPC分類】H01M8/02, H01M2/08
【公開號】CN104995776
【申請?zhí)枴緾N201280077422
【發(fā)明人】D.R.布羅
【申請人】奧迪股份公司
【公開日】2015年10月21日
【申請日】2012年11月30日
【公告號】EP2926398A1, US20150288003, WO2014084850A1