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CN207097955U - 在燃料电池中固定垫片的燃料电池组件 - Google Patents

在燃料电池中固定垫片的燃料电池组件 Download PDF

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Abstract

本申请提供一种燃料电池(1)组件，包括阳极板(2)和阴极板(5)；以及阳极板(2)和阴极板(5)之间的空间内的质子交换膜(4)；其中在阳极板(2)和阴极板(5)之间设置具有可变形平面的垫片(10)，垫片(10)密封所述空间；垫片(10)具有沿所述阳极板(2)的边沿区域(12)邻接所述阳极板(2)的第一平面、以及沿所述阴极板(5)的边沿区域邻接所述阴极板(5)的第二相对平面；所述阳极板(2)或所述阴极板(5)或两者均包括凸起(11)，所述凸起(11)设置为沿边沿区域(12)的线形轮廓，所述凸起密封地伸入所述垫片(10)的可变形表面中。本实用新型的燃料电池组件具有垫片的改进的长期稳定性。

Description

在燃料电池中固定垫片的燃料电池组件
技术领域
本发明涉及燃料电池中的垫片，以及确保垫片即使在热循环中仍密封的系统。
背景技术
在燃料电池组中，聚合物垫片用于在阳极板和阴极板之间，例如双极板之间密封。
罗克的美国申请US7081316公开了一种燃料电池组，其中双极板组件夹在两个垫片之间，两个垫片覆盖双极板组件的边缘。垫片包括靠近相对边沿的开口，用于沿燃料电池组运输燃料气和空气所要求的通道。双极板组件由金属板制成，其结合使得在板之间具有用于冷却的水通道。
在生产期间需要将这种垫片精确定位，以提供合适的密封；并且为了保证长期合适的密封，垫片需要保持在该位置。长期的合适密封是具有挑战性的，因为当打开和关闭时，燃料电池的重复热循环导致垫片相对于双极板轻微膨胀和收缩，这是由于它们由具有不同热膨胀系数的不同材料制成。重复这种膨胀和收缩成百或甚至上千次使得垫片大幅度移动和变形，最后导致泄漏。
杉浦的专利申请US2005/079400和井上的专利申请US2002/0122970公开了将垫片模塑在双极板组件上。但是，这个方案非常复杂并昂贵，尽管其可提供良好的长期密封。转让给 Serenergy公司的考斯佳的专利US8865362公开了放置垫片的凹槽，以便固定垫片。韩国的国际专利申请WO2013/069888公开了一种燃料电池组件，其中垫片沿边沿区域具有凸起，其与各个凹槽适配。
尽管多种方法旨在提供长寿命的燃料电池组，在许多情况下垫片的长期稳定性仍然是个问题，特别是当燃料电池要循环加热冷却时。期望提供进一步的改进。
实用新型内容
因此本实用新型的目的在于为本领域提供改进。特别地，目的在于提供一种燃料电池组，其具有垫片的改进的长期稳定性。此目的通过下文所述的燃料电池组实现。
燃料电池，例如为燃料电池组的一部分，包括阳极板和阴极板以及其间的质子交换膜。
例如，阳极板和阴极板作为双极板整体设置在燃料电池组中。或者，阳极板和双极板结合成双极板组件，例如相互背靠背附接，其间具有密封的冷却液流场。这种冷却流场的例子为通道，例如蜿蜒成形的通道。在双极板组件中，阳极板具有朝向膜的阳极侧，阴极板具有朝向膜的阴极侧。阳极板和阴极板都具有相对的冷却侧，它们面向彼此，并包括冷却流场。
垫片具有分别邻接阳极板和阴极板的两个相对的，平面的，可变形的例如有弹性的表面，用于密封设置有膜的空间。特别地，垫片具有沿阳极板的边沿区域邻接阳极板的第一平面；以及沿阴极板的边沿区域邻接阴极板的第二相对平面。
为了提供进一步的密封，阳极板或阴极板或者两者均包括凸起，该凸起设置为沿边沿区域的线形轮廓。这些凸起密封地伸入垫片的可变形表面中。例如，当与垫片配合时，阳极板和阴极板的边沿区域围绕膜，并且凸起沿密封地围绕膜的边沿区域延伸。
在燃料电池的制造期间，膜设置在阳极板和阴极板之间的空间。垫片位于阳极板的边沿区域和阴极板的相对边沿区域之间，并且阳极板和阴极板压在一起，由此将凸起压入垫片的可变形平面中。垫片的平面由此变形，因为在装配期间，凸起在垫片的表面产生凹痕。
凸起确保垫片的长期密封效果，因为允许垫片膨胀和收缩，并允许垫片轻微的移动，而不会损失密封性能。如果密封剂相对凸起移动、膨胀或收缩，仅仅垫片的不同部分被压缩并变形，例如弹性形变，同时保持密封效果。此外，这个原理还具有优势：不再严格地必需将垫片相对于阳极板和阴极板精确放置，因为无论哪部分垫片在阳极板和阴极板之间挤压，凸起都会在垫片的可变形平面上产生凹痕。
相比垫片包括凸起且这些凸起容置在双极板的凹槽中的系统，，本实用新型的包围原则简单地多，并且长期更可靠，因为其不隐含凸起不再与凹槽匹配的风险。
有利地，在阳极板上的凸起具有相同的第一高度。相应地，阴极板上凸起具有相同的第二高度，但是其不必与第一高度相同，尽管通常情况是这样。例如，凸起具有的高度H在0.02-0.1mm的范围内。
例如，垫片包括两个相互邻接的半边部分，其中一个半边部分邻接阳极板的边沿区域，并且另一个半边部分邻接阴极板的边沿区域。如果膜设置在框架上，该框架例如围绕膜延伸，其中框架形成薄片，本实施方式是有效的。然后薄片可夹在垫片的两个半边部分之间，由此使膜一侧的阳极空间相对膜的相对侧的阴极空间密封。这样，膜、阳极空间和阴极空间都相对环境密封。
有利地，阳极板的边沿区域以及阴极板的边沿区域包括这种凸起。在燃料电池的装配期间，阳极板的凸起压入垫片一侧的可变形平面，并且阴极板的凸起压入垫片相对侧的可变形平面。由此，膜的空间密封在阳极板和阴极板之间。
在一些实施方式中，凸起具有高度H，并设置为双线形轮廓，在第一线形轮廓和第二线形轮廓之间具有距离D。在一些实施方式中，比率D：H在5至50的范围内，可选择地5至40的范围内，例如10至40的范围内。例如，距离D在1-3mm的范围内，可选择地1.5-2mm的范围内。
可选择地，作为对抗泄漏的特殊措施，沿凸起的多个位置设置肋状物，该肋状物将一个线形轮廓连接至另一个线形轮廓，优选具有与线形轮廓相同的高度H或基本相同的高度。
举个尺寸的例子，垫片的平面具有宽度W，其横跨朝着燃料电池的外缘的边沿区域，并且这个宽度W为垫片的厚度T的至少3倍，例如至少4倍。厚度T对应装配时阳极板和阴极板之间的距离。例如，沿垫片平面，横跨阳极板或阴极板或两者的边沿区域的垫片宽度W在1-10mm 的范围内，可选择地2-4mm的范围。垫片厚度T的实施例在0.2-1mm的范围内，例如0.5-1mm 的范围内，可选择地0.6-0.8的范围内。通常地，垫片具有恒定的厚度T，除非变形，例如通过凸起。
垫片由可变形的聚合物制成，例如弹性聚合物，以便凸起将聚合物变形至安全密封的情况。例如，垫片由含氟聚合物制成。例如氟化乙烯丙烯(FEP)、聚四氟乙烯(PTFE)或全氟烷氧基聚合物(PFA)。相比如橡胶，含氟聚合物产生的生产成本更少。此外，即使当如附图所展示制成非常薄时，也具有高度的长期稳定性。硅胶通常较少用于PEM燃料电池，因为其在酸化条件下劣化。
上述原理的应用的例子与高温质子交换膜燃料电池，也被称为高温质子电解质膜(HTPEM)燃料电池有关。HTPEM燃料电池的工作温度在120-200摄氏度的范围内，例如在160至170摄氏度的范围内。当不工作时燃料电池冷却到环境温度，在工作温度和环境温度之间重复的热循环涉及相当大的温度变化，这对燃料电池中的垫片很有挑战性。
上文所述和下文进一步详细说明的原理隐含了对于长期运行期间的燃料电池特别对于 HTPEM燃料电池密封的重要改进。
对于阳极板和阴极板、双极板或双极组件板，可用各种材料和生产方法。例如，通过相应的压制，将金属板比如钢板压成具有凸起的正确形状。或者，该板通过铣削或模塑制成。后者的材料的例子为石墨、含石墨聚合物、陶瓷、金属和金属合金。
附图说明
参照附图对本实用新型进行具体说明，其中：
图1示出了燃料电池组件的实施例；
图2示出了阴极板的边沿地区上的双凸起；
图3a、3b示出了燃料电池的爆炸概览图和放大部分。
具体实施方式
图1示出了PEM(质子交换膜)燃料电池组1的实施例。该组件1包括具有燃料通道3的阳极板2和具有氧气通道6的阴极板5，该燃料通道3用于引导质子交换膜4的第一侧上的氢燃料流动，该氧气通道6用于引导质子交换膜4的第二侧上的气体流动。阳极板2和阴极板5背靠背定向，其间具有包括通道7的冷却流场。阳极板2与阴极板5共同形成具有内冷却通道7的双极板组件8。在两个这种双极板组件8之间，具有质子交换膜4。该膜4邻近两个双极板组件8，并通过连接片9连接至垫片10。该垫片10可选择地设置为使连接片9置于垫片10的两个半边部分 10a、10b之间。垫片10围绕膜4，并且与两个双极板组件8邻接。由此，垫片密封在膜4的阳极侧的空间与膜4的阴极侧的空间之间。此外，其使双极板组件8相对环境密封。
如图1所示，但是在图2中所示更清楚，阳极板2以及，同样地，阴极板5在它们的边沿区域12具有凸起11。凸起11沿边沿区域12延伸为线形轮廓，并且围绕膜4，以便完全密封。如图 1所示，垫片10不包括沿双极板组件8的边沿区域12的凸起或凹槽。但是，由于凸起11，在垫片10上产生了凹痕13。因为在燃料电池组的装配期间，凸起11在垫片10上产生了凹痕13，由此实现了高度的密封，即使在垫片10相对双极板组件8滑动的情况下，甚至如果垫片10在长期使用期间变形，仍然能保持密封。
在图1和图2的实施例中，凸起11具有围绕膜4的双线形11a、11b轮廓。但是，理论上单一的线形轮廓也能起作用。但是，发现双线形轮廓作用地更好。如图2所指明，凸起11a、11b 之间的距离D远远大于凸起的高度H。例如，距离D和高度H之间的比率D：H在5-50的范围内，可选择地5-40的范围内，例如在10-40的范围内，可选择地5-30的范围内，比如10-30的范围内。
在实施方式的一些例子中，应用下列尺寸。距离D在1-3mm的范围内，例如1.5-2mm的范围内，并且高度H在0.02-0.1mm的范围内。垫片10具有的厚度T在0.2-1mm的范围内，可选择地0.5-1mm的范围内。例如，垫片由两个半边部分10a、10b组成，每个半边部分的厚度在0.1-0.5mm的范围内，可选择地0.25-0.5mm的范围内，可选择地0.3-0.4mm的范围内，并且在两个半边部分10a、10b之间夹紧薄连接片9。垫片10沿其平面的宽度W，如图1所指明，在 1-10mm的范围内，可选择地2-4mm的范围内。通常地，垫片的厚度恒定，除非变形，例如通过凸起。
图3a为两个双极板组件8的概览图，该两个双极板组件8夹在两个垫片10的中间。图3b为图3a的端部的放大图。垫片10以及双极板组件8包括多个冷却水、燃料气和空气的入口孔14 和出口孔15。在所示的图中，为了更好地展示组件8，隐藏了在两个双极板组件8之间的位置 16处的垫片10。如图3b所示，双极板组件8的表面部分在朝着双极板组件8的端部的所示区域具有突出物17，但是如图1所示，朝着双极板组件8的中心具有通道，图1为靠近组件中心的横截面。
如图所示，通过从一个线形轮廓11a延伸至其它线形轮廓11b的肋状物，两个线形轮廓11a、 11b相互连接。这些肋状物18设置在沿凸起11的多个位置，作为对可能泄漏的附加措施。如示范性展示中所图示，肋状物18设置为成对的肋状物18。可选择地，沿线形轮廓相邻的成对肋状物之间的距离L大于双线性轮廓的线之间的距离D，例如至少大5或10倍。
例如，垫片由含氟聚合物制成，其带来的生产成本比例如橡胶更低。并且，含氟聚合物即使在如附图所展示制得非常薄时，具有高度的长期稳定性。硅胶较少用于质子交换膜燃料电池，因为其在酸性条件下会劣化。

Claims (14)

1.燃料电池组件，包括阳极板(2)和阴极板(5)；以及阳极板(2)和阴极板(5)之间的空间内的质子交换膜(4)；其中在所述阳极板(2)和所述阴极板(5)之间设置具有可变形平面的垫片(10)，所述垫片(10)密封所述空间；所述垫片(10)具有沿所述阳极板(2)的边沿区域(12)邻接所述阳极板(2)的第一平面、以及沿所述阴极板(5)的边沿区域邻接所述阴极板(5)的第二相对平面；所述阳极板(2)或所述阴极板(5)或两者均包括凸起(11)，所述凸起(11)设置为沿边沿区域(12)的线形轮廓，所述凸起密封地伸入所述垫片(10)的可变形表面中。
2.根据权利要求1所述的燃料电池组件，其特征在于，所述凸起具有的高度H在0.02-0.1mm的范围内，并且所述垫片(10)具有的厚度T在0.2-1mm的范围内。
3.根据权利要求2所述的燃料电池组件，其特征在于，所述垫片(10)具有的厚度T为0.5-1mm。
4.根据权利要求2所述的燃料电池组件，其特征在于，所述凸起设置为双线形轮廓(11a、11b)，在第一线形轮廓(11a)和第二线形轮廓(11b)之间具有距离D，其中比率D：H在5-50的范围内。
5.根据权利要求4所述的燃料电池组件，其特征在于，所述比率D：H在5-40的范围内。
6.根据权利要求4所述的燃料电池组件，其特征在于，沿所述凸起(11)的多个位置设置肋状物(18)，作为对抗泄露的措施，所述肋状物连接所述第一线形轮廓(11a)与所述第二线形轮廓(11b)。
7.根据权利要求6所述的燃料电池组件，其特征在于，所述肋状物(18)设置为成对的肋状物(18)，沿线形轮廓相邻的成对肋状物之间具有距离L，其中L大于双线形轮廓中的线之间的距离D。
8.根据权利要求7所述的燃料电池组件，其特征在于，其中L比双线形轮廓中的线之间的距离D至少大5倍。
9.根据权利要求7所述的燃料电池组件，其特征在于，其中L比双线形轮廓中的线之间的距离D至少大10倍。
10.根据权利要求1-7中任一项所述的燃料电池组件，其特征在于，所述垫片(10)的平面沿其平面，横跨阳极板(2)或阴极板(5)或两者的边沿区域(12)，具有宽度W，其中W在1-10mm的范围内。
11.根据权利要求1-7中任一项所述的燃料电池组件，其特征在于，所述阳极板(2)和所述阴极板(5)的边沿区域(12)围绕所述质子交换膜(4)，并且其中所述凸起(11)沿所述边沿区域(12)延伸并密封地围绕所述质子交换膜。
12.根据权利要求1-7中任一项所述的燃料电池组件，其特征在于，所述阳极板(2)包括燃料通道(3)，所述燃料通道(3)邻接所述质子交换膜(4)的第一侧，用于引导所述质子交换膜(4)的第一侧上的氢燃料流动；其中所述阴极板(5)包括氧气通道(6)，所述氧气通道(6)邻接所述质子交换膜(4)的第一侧相对的第二侧，用于引导所述质子交换膜(4)的第二侧上的空气或氧气流动。
13.根据权利要求1-7中任一项所述的燃料电池组件，其特征在于，所述垫片(10)包括两个相互邻接的半边部分(10a、10b)，一个半边部分(10a)邻接所述阳极板(2)的边沿区域(12)，并且另一半边部分(10b)邻接所述阴极板(5)的边沿区域；其中所述质子交换膜(4)设置在框架上，所述框架围绕所述质子交换膜(4)延伸，并形成薄片(9)；其中所述薄片(9)的部分夹在所述垫片(10)的两个半边部分(10a、10b)之间，使所述质子交换膜(4)一侧的阳极空间相对所述质子交换膜(4)相对侧的阴极空间密封。
14.根据权利要求1-7中任一项所述的燃料电池组件，其特征在于，所述燃料电池组件为高温质子电解质膜燃料电池，并且其中所述垫片由含氟聚合物制成。
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