CN100384004C

CN100384004C - 在燃料电池和燃料电池组中形成密封的装置和方法

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Publication number: CN100384004C
Application number: CNB028142314A
Authority: CN
Inventors: D·G·弗兰克; J·卡格内里; L·E·弗里希; W·G·布莱德福德; M·T·马克森; B·J·斯万顿; H·S·特拉维斯
Original assignee: Hydrogenics Corp
Current assignee: Hydrogenics Corp
Priority date: 2001-05-15
Filing date: 2002-05-15
Publication date: 2008-04-23
Anticipated expiration: 2022-05-15
Also published as: EP1423885A2; US7210220B2; US7138202B2; DE60215198T2; US7348092B2; JP2005503643A; KR20040022215A; WO2002093672A8; CA2447433C; US20050091838A1; US20030031914A1; US6852439B2; WO2002093672A3; CN1568557A; CA2447433A1; DE60215198D1; NZ529437A; ATE341839T1; EP1423885B1; MXPA03010397A

Abstract

一种为燃料电池及其他电化学电池的复杂、多重密封结构的密封技术。为了提供一种密封用于密封氧化剂、燃料和/或冷却剂的腔室，设置一个沟槽网络穿过燃料电池组件的各个零件。密封材料源则连接到一个外部填充站，注射到沟槽网络中，然后密封材料固化形成密封。这样就形成了一种“就地密封”，其非常稳固而且可以在任何可能的地方结合到燃料电池组件的各个元件上。这就避免了将许多单个衬垫手工组装成复杂的沟槽形状或类似物的困难、劳动力成本和复杂性。密封材料可以选择很多种气体、液体冷却剂等。

Description

在燃料电池和燃料电池组中形成密封的装置和方法

技术领域

本发明涉及燃料电池，更具体地说，本发明涉及在一个常规燃料电池或燃料电池组的不同元件之间形成密封的一种装置和一种方法，以防止单个燃料电池工作所需的气体和液体泄漏。本发明还涉及用一种新型密封材料形成密封的方法。

背景技术

已经公知多种类型的燃料电池。目前认为适用于多种场合的一种形式的燃料电池是应用质子交换薄膜(PEM)的燃料电池。PEM燃料电池能够设计成简单紧凑的燃料电池，其不但稳固，而且可以在略不同于环境温度的温度下工作，对燃料、氧化剂和冷却剂供给没有复杂要求。

常规的燃料电池只能产生较低的电压。为了提供有效量的电力，燃料电池通常构造成燃料电池组，一个电池组中通常有10，20，30甚至100个燃料电池。尽管这样一来可以用一个单元产生可用电压下的有效量的电力，但这种设计非常复杂，包括了大量的元件，所有这些元件必须仔细装配。

例如，一个常规的PEM燃料电池要求有两块流场极板，一块阳极流场极板和一块阴极流场极板。包括上述质子交换薄膜的一个膜电极组件(MEA)位于两块板之间。另外，气体扩散介质(GDM)夹在每块流场极板和质子交换薄膜之间。气体扩散介质使合适的气体、或者是燃料或者是氧化剂，能够扩散到质子交换薄膜的表面上，同时使相关的流场极板与PEM之间导电。

该基本的电池结构本身需要两个密封，每个密封位于流场极板之一和PEM之间。此外，这些密封必须具有较复杂的构造。具体地，如下面所述，在燃料电池组中使用的流场极板必须提供许多功能并且需要复杂的密封布置。

对于燃料电池组，流场极板通常在每端都提供一个小孔或开口，这样一组流场极板就限定了垂直于流场极板延伸的细长通道。因为燃料电池需要燃料、氧化剂和冷却剂流动，这通常总共需要三对或六个口。这是因为燃料和氧化剂必须流经每个燃料电池。尽管大部分燃料或氧化剂根据具体情况被消耗掉，但连续的通流保证不断地将任何污染物从燃料电池中冲洗掉。

上述内容假定燃料电池构造紧凑，用水或类似物作冷却剂。还有已知的电池组构造，其使用空气作为冷却剂，或者依赖自然对流或者依赖强制对流。这种电池组通常为冷却剂提供贯穿电池组的明沟槽，并且对密封的要求也降低了。通常，仅需要为氧化剂和燃料提供密封的供给通道。

因此，每个流场极板在每端通常具有三个小孔，每个小孔代表燃料、氧化剂和冷却剂之一的或者入口或者出口。在完整的燃料电池组中，这些小孔对齐以形成穿过全部燃料电池组延伸的分配通道。因此应该明白，密封要求复杂且难以满足。但是，根据电池组或电池设计，对于每种流体电池可具有多个入口和出口。例如，某些燃料电池对于阳极、阴极和冷却剂中的每一个都具有两个入口，对于冷却剂具有两个出口，而对于阴极和阳极中的每一个仅有一个出口。但是，任何组合都是可以想象的。

对于冷却剂，其通常流动横穿每个燃料电池的背面，在相邻的单个燃料电池之间流动。但是这不是必要的，因此许多燃料电池设计仅每隔一个、二个或三个(等等)极板才具有冷却通道。这允许更紧凑的电池组(更薄的极板)，但提供的冷却不太令人满意。这需要另外的密封，即在每个相邻的单个燃料电池对之间的密封。因此，在完整的燃料电池组中，每个单个燃料电池将需要两个密封以正好在膜电极组件和两个流场极板之间进行密封。为此，具有30个单个燃料电池的燃料电池组只需要60个密封。此外，如上所述，在每个相邻的燃料电池对之间都需要一个密封，并且还需要与集电器的端部密封。对于具有30个燃料电池的电池组，这需要另外31个密封。因此，具有30个燃料电池的电池组需要总共91个密封(不包括汇流条、绝缘板和端板的密封)，并且这些密封中的每一个都具有复杂且精细的结构。再加上汇流条、绝缘板和端板需要的其它衬垫，在一个具有30个燃料电池的电池组中密封的数量会达到100，并且这些密封构造也是不同的。

通常密封是通过在流场极板中提供通道或沟槽，然后在这些通道或沟槽中提供预制的衬垫以实现密封而形成的。在已知的方式中，这些衬垫(和/或密封材料)是特殊聚合和配制的以抵抗与燃料电池中各种构造材料，各种气体和冷却剂接触造成的退化变质，其中冷却剂可以是用于传热的含水的，有机的和无机的流体。但是，这意味着燃料电池组的装配技术复杂，费时并且易于发生错误。关于弹性密封，这里通常指通过已知方法例如弹性体注射成型法、传递成型法或压缩成型法用单个燃料电池元件单独模制的软衬垫密封。通过已知的方法，例如插入注射成型法，可以在一个板上制造弹性密封，并且显然单元的装配可更简单，但由于固有的加工变量如模的磨损，成品板的公差和材料变化，所以形成这种密封是困难且昂贵的。此外，对于每个密封和板设计，需要定做的工具。

另外一个考虑是形成或生产这种密封或衬垫很复杂。通常有两种用于生产它们的技术。

对于第一种技术，单个衬垫是通过在合适的模具中模制形成的。这比较复杂且昂贵。对于每种燃料电池构造，模具的设计和生产需要与流场极板中的相关沟槽形状精确对应。这具有这样的优点，即设计者可以完全自由地选择每个衬垫或密封的横截面，特别是这些横截面不必具有均匀的厚度。

第二种替代技术是从一片实心材料中切出每个衬垫。这具有这样的优点，即可使用较便宜且简单的技术。仅需要在平面图上限定衬垫的形状，并根据该构造准备切割工具。然后从一片适当厚度的适当材料上切出衬垫。这必然有这样的缺点，即只能形成厚度均匀的衬垫。此外，浪费的材料也多。对于每个衬垫，必须使用与流场极板面积对应的一部分材料，而密封本身的表面积仅为流场极板面积的一小部分。

装配后，一个燃料电池组通常被夹紧以固定元件并保证向密封和燃料电池组的有效面积施加足够的压力。这种方法保证接触电阻最小并且电池的电阻最小。为此，燃料电池组通常具有两个坚固的端板，这两个端板构造为足够刚硬，这样在压力作用下它们的变形在可接受的公差内。燃料电池还通常具有汇流条以将燃料电池的电流收集并集中到小的拾取点，然后通过导体将电流传输到负载。还可以使用绝缘板以使汇流条和端板彼此热隔离和电隔离。然后在一对板之间提供多个细长的杆、螺栓和类似物，这样通过拉杆将燃料电池组夹在板之间。还可以使用铆钉、条带、钢琴丝、金属板和其它的机构将电池组夹在一起。为装配电池组，提供延伸穿过端板之一的杆。在端板顶部上放一个绝缘板，再放上汇流条(包括密封)，然后在杆或某些其它定位工具限定的空间内装配燃料电池的单个元件。对于每个燃料电池，这通常需要下面的步骤：

(a)放置一个密封以将燃料电池与前面的燃料电池分隔开；

(b)在密封上放置一个流场极板；

(c)在第一个流场极板上放置一个密封；

(d)在流场极板上的密封内放置一个GDM；

(e)在密封上放置一个膜电极组件(MEA)；

(f)在MEA上放置另一个GDM；

(g)再准备一个带密封的流场极板并将其放置在膜电极组件上面，同时保证第二极板的密封包围第二GDM；

(h)然后和步骤(a)一样，该第二或上面的流场极板露出用于接收密封的沟槽。

这种方法需要重复直至最后一块电池成型，然后顶部封上一个汇流条、绝缘板和最后的端板。

值得注意的是，每个密封必须谨慎放置，安装者必须确保每个密封完全而且恰当地啮合在其密封沟槽中。安装者很容易忽略密封的一小块可能没有正确定位。在相邻的一对燃料电池之间的密封，对于冷却剂区域，可以在两块流场极板的相对面中具有一个沟槽。必要的是，安装者只能将密封放置在众多沟槽中的一个中，并且在组装过程中必须靠感觉等来确保密封恰当地啮合到另一块板的沟槽中。实际上不可能用视觉检测密封以确保其恰当地装在两个沟槽中。

如上所述，可以将密封直接浇注到各个电池上。尽管这样与软密封相比提供了组装过程中的优点，例如公差更有利和部件配置得以改善，但是与本发明的技术相比仍有很多不足，即与MEA的对齐问题、制造密封要求多重密封和模制，而且比本发明建议的方法要求更多的步骤来完成一个完整的产品。

这样，值得注意的是，组装一个常规燃料电池组是很困难的、费时的，常常会导致密封失败。在一个完整的电池组组装完后要进行测试，但是这本身也是一个困难而复杂的过程。即使检测出泄漏，开始检测可能很简单，检测出电池组不能维持一种特定流体的压力，但要精确定位泄漏发生在何处却非常困难，尤其是内部泄漏的位置。虽然如此，修理电池组的唯一方法就是完全拆开，更换故障密封。这将导致所有其它密封的断裂，从而整个电池组和所有不同密封不得不重新组装，又可能发生对不齐和某一个密封失败的问题。

常规技术的另一个问题是施加到整个电池组的夹紧压力事实上具有两个完全不同的独特功能。它们是提供足够的压力以确保想要的密封功能和为夹在MEA本身与各流场极板之间的气体扩散介质提供理想的压力或者压缩。如果施加到GDM的压力不足，则电接触很差；另一方面如果GDM过压缩，则气体流动可能受损害。不幸的是，在很多种常规设计中，只能为整个燃料电池组施加一个已知的全压。这种压力怎样分成施加到密封的压力和GDM的压力目前尚未知。在常规设计中，这种施加压力的拆分完全取决于燃料电池组中各个元件的设计和适当公差的保持。例如，GDM通常放在流场极板的中心部分，如果每个中心部分的深度超过可接受的公差范围，则会导致施加到GDM的压力不正确。这种深度可以依赖于软垫被压缩的程度，也就是影响密封性能、耐久性和寿命的程度。

鉴于上述理由，制造和装配常规燃料电池费时而且昂贵。更具体说，现有的组装技术完全不适于生产线上的大规模生产。

发明内容

按照本发明的第一个方面，提供了一种燃料电池组件，包括：

多个独立元件；

至少一个沟槽网络，在整个燃料电池组件中延伸并包括至少一个沟槽网络的填充口；

在每个沟槽网络中的一个密封，在所述独立元件装配好之后通过将密封材料注射到沟槽以填充沟槽网络就地成型，其中这种密封提供了在所述独立元件中至少两个之间的密封以限定一个腔室用于燃料电池工作用的液体。

根据本发明的密封成分下面将详述，应注意这些都适于-55至250℃的温度范围。按照本发明，一个在燃料电池组件中就地成型的密封定义为“就地密封”的电池组或者结构，其中所述燃料电池组件可以包括只是一个单个的燃料电池或者如下面所详述的还有另外一些电化学电池。

按照本发明的另一方面，提供了一种包括多个独立元件的方法，该方法包括：

(a)将燃料电池的独立元件组装到一起；

(b)提供一个沟槽网络，其穿过独立元件延伸并且一个填充口向外部开放与沟槽网络连通；

(c)将一个密封材料源连接到填充口，将密封材料注射到沟槽网络中以填充沟槽网络，同时从沟槽网络中排出气体；

(d)固化密封材料，形成填充沟槽网络的密封。

密封的成分最好包括一种线性的聚硅氧烷(polysiloxane)聚合物，带有终端的或者悬吊的不饱和有机基团-CH＝CH2。聚硅氧烷可以是二甲基聚硅氧烷的均聚物或者甲基三氟丙基聚硅氧烷的均聚物或者是二甲基和甲基氟丙基聚硅氧烷的共聚物。可以调节甲基三氟丙基成分使当使用低碳和侵蚀性碳氢化合物基的冷却剂时的稳固性和耐化学腐蚀性增加。除了特定的聚合物组分，还可以有延伸填充物、固化系统如铂硅氢化物和过氧化物、热清除剂和酸清除剂如金属氧化物或氢氧化物以及附着促进剂的组合可以添加以满足燃料电池构造的独特要求和长期工作的操作要求。

本发明的方法与传统的应用独立衬垫的构造相比提供了很多优点。首先，本发明使每个燃料电池的薄膜有源区域能够有效地准确地夹紧和定位。相反，在传统技术中，多重电池组的所有元件的装配使各元件稍稍分隔开，只有最后夹紧才将所有元件拉到最终的夹紧的位置；这就很难保证电池组中的不同元件精确对齐。用于密封的沟槽公差要求可以很宽松，因为它们不必对应于一个选定的衬垫尺寸。被注入的液体材料可以在很宽的范围内补偿沟槽尺寸。结合本发明的上述贡献，可以采用很薄的板构造。目前燃料电池设计的趋向是要求越来越薄的流场极板，意在减小一定电力下的燃料电池组的整体尺寸。应用本发明的密封技术，沟槽可以有很薄的底壁，也就是对着沟槽开放侧的壁。这是因为当电池组第一次装配好时，沟槽中没有压力，而且在装配好的条件下，可以构造成为任何一个薄壁部分提供支撑。只有在装配完成之后，密封材料才注射并固化。

应用固化后形成弹性材料的液体密封剂允许使用可以化学结合到燃料电池组的各种元件上的材料，因此保证了和/或提高了燃料密封性能。这也会提高燃料电池组的整体耐久性。而且，有些燃料电池组可能会使用侵蚀性的冷却剂，例如乙二醇，采用本发明就可以以很简单的方式选择一种与该冷却剂和其它现有液体相容的密封材料。

与上述本发明各方面相关的一个优点是提供了更经济的构造。应注意，对于沟槽来说不必成型为精确的尺寸。另外，衬垫无需复杂的加工而且衬垫材料没有象用板材切割衬垫时出现的浪费。这样，当设计一个根据本发明的燃料电池组时，只需要设计和制造电池组的单个元件，而不必为新的不同的衬垫提供单独的制造。

此外，将各元件结合到一起的密封能力利于膜电极单元(MEU)的制造。如下面将要详述的，这种膜电极单元每个可以包括一个单个的燃料电池或者少量几个电池。每个单元有端面适于在相应膜电极单元的表面内配合，例如，形成冷却剂室；为此，可以在每个膜电极单元的一端或者两端都模制一个密封。然后，膜电极单元可以装配并夹在一起形成一个具有理想电力的燃料电池组。

按照本发明的另一方面，提供了一种液体密封材料，包括：

(a)100份重量的聚二有机基硅氧烷，其中每个分子中含有两个或更多个含硅原子的链烯基团；

(b)5到50份重量的增强填充剂；

(c)1到20份重量的碱土金属氧化物或氢氧化物，其原子量为40或更大；

(d)有机氢硅氧烷，每个分子中含有3个或更多个含硅原子的氢原子，在成分(d)中含硅原子的氢原子与成分(a)中含硅原子的链烯基团的摩尔比为0.4∶1到5∶1之间；

(e)铂型金属催化剂，每1百万份重量的成分(a)提供0.1到500份重量的铂型金属；

(f)任选的，0.1-5.0份重量的带或不带成分(e)的有机过氧化物；

(g)任选的，0.01-5.0份重量的抑止剂；

(h)任选的，0到100份重量的非强化延伸填充剂。

按照本发明的另一个方面，提供了一种通过将密封材料喷射到燃料电池组件中的一个沟槽网络中在燃料电池组件中形成密封的方法。该方法包括注射一种可固化的密封材料，该密封材料包括：

(b)5到50份重量的增强填充剂；

(d)有机氢硅氧烷，每个分子中含有3个或更多个含硅原子的氢原子，在这种成分中含硅原子的氢原子与成分(a)中含硅原子的链烯基团的摩尔比为0.4∶1到5∶1之间；

(e)铂型金属催化剂，每1百万份重量的成分(a)提供0.1到500份重量的铂型金属。

除了可应用于燃料电池，本发明通常还可应用于电化学电池。相应地，本发明的另外两个方面提供了：

一种电化学电池组件，包括：多个独立元件；至少一个沟槽网络，穿过电化学电池组件延伸并包括至少一个用于沟槽网络的填充口；在每个沟槽网络中的一个密封，该密封在所述独立元件组装好之后就地成型，其中密封在至少两个元件之间限定了一种阻挡，形成一个用于电化学电池组件工作所需液体的腔室；

一种在一个包括多个独立元件的电化学电池组件中形成密封的方法，该方法包括：

(a)将电化学电池组件的独立元件装配到一起；

(b)提供一个穿过独立元件的沟槽网络和一个向外部开放与沟槽网络连通的填充口；

(c)将未固化的液体密封材料连到填充口，将密封材料注射到沟槽网络中填充该沟槽网络，同时使气体从沟槽网络排出；

(d)固化密封材料，在沟槽网络中形成密封。

附图说明

为了更好地理解本发明，更清楚地示出本发明是怎样实施的，下面将参照附图举例说明本发明的优选实施例。

图1a示意示出了按照本发明第一种实施例的燃料电池组部分的截面图；

图1b-1e示出了用于图1所示实施例和本发明其它实施例的各种密封结构；

图2示意示出了按照本发明第二种实施例的燃料电池组部分的截面图；

图3示出了用于装配按照本发明另一实施例的燃料电池组的装配装置截面图；

图4示出了按照本发明第四实施例的燃料电池组的等角视图；

图5示出了图4所示燃料电池组地等角分解视图，示出了其各个组成部分；

图6a和6b分别示出了按照本发明第四实施例的包括二十个电池和一百个电池的燃料电池组；

图7和8分别示出了图5和6所示燃料电池组的阳极双极型流场极板地前视图和后视图；

图9和10分别示出了图5和6所示燃料电池组的阴极双极型流场极板地前视图和后视图；

图11示出了一个阳极端板的后视图；

图12示出了图11中的一个细节12的放大视图；

图13示出了沿图12的线13的横截面视图；

图14示出了阴极端板的后视图；

图15示出了图14中的一个细节15的放大视图；

图16a和16b示意示出了将弹性密封材料泵送到燃料电池组中地不同结构形式；

图17示出了阳极双极型流场极板的前面一端的变型，另一端相对应；

图18示出了阳极双极型流场极板的后面一端的变型，另一端相对应；

图19示出了阴极双极型流场极板的前面一端的变型，另一端相对应；

图20示出了阴极双极型流场极板的后面一端的变型，另一端相对应；

图21示出了一个透视截断图，示出了一个极板的端部细节，示出了不同的极板。

具体实施方式

第一种装置实施例在图1a中示出，整体用附图标记20表示。为简化起见，该图只示出了一个燃料电池组的部分，图2也是一样。可以想到，该燃料电池组中的其它燃料电池相对应，燃料电池组可以包括常规的端部元件、夹紧元件等。一般来说，图1a-3意在示出本发明各个实施例的主要元件，本领域的普通技术人员应理解燃料电池组的其它部分是常规的。图1a-e和图2示出了质子交换薄膜，为清楚起见，夸大了厚度，众所周知，它实际上厚度很小。在图1a-e中，示意示出了用于密封材料的沟槽，可以想到这些沟槽通常具有近似的深度和宽度，即，通常是方形横截面。应注意，沟槽的底部可以具有任何理想的轮廓。

第一实施例20示出了一个燃料电池，其包括阳极双极型极板22和一个阴极双极型极板24。一个膜电极组件(MEA)26以公知方式夹在双极型极板22，24之间。为了密封MEA，每一个双极型极板22，24分别有一个沟槽28，30。这是与常规实践的不同，因为通常是流场极板具有用于其它的通道而没有用于其它扩散介质(GDM)的沟槽或类似物。一般地，流场极板上方突伸出来的密封的厚度为容纳GDM提供了足够的空间。这里，流场极板直接相互抵靠，因此对用于一个完整的MEA26的空间具有更好的控制，从而对施加到GDM上的压力具有更好的控制。这保证了来自GDM的更好的和更均匀的性能。

如常规，MEA被认为包括一共三层，即：中央质子交换薄膜层(PEM)；在PEM两侧上的一层细分的催化剂，以促进在PEM的任一侧上的必要反应。还有两层气体扩散介质(GDM)位于PEM的任一侧上抵靠到催化剂层，通常保持压在催化剂层上以确保充分的导电能力，但这两层GDM不认为是MEA本身的一部分。

如图所示的阴极双极型极板24，它有一个后面面向相邻燃料电池的另一个阳极双极型极板22的后面，由此限定了一个冷却剂通道32。为了密封阴极双极型极板24和上面的阳极双极型极板22，还提供了沟槽34和36。

可以理解，阳极和阴极双极型极板22，24在MEA的一侧限定了用于接收MEA26和用于气体扩散介质(GDM)的腔室或凹穴。用于GDM的腔室和凹穴用38表示。

通常，对于每一对沟槽28，30和34，36，将提供几种预成型的衬垫。现在，根据本发明，各种沟槽可以通过适当的管道连在一起以形成一个连续的沟槽或腔室。然后，密封材料注射到这些各种各样的沟槽中，从而完全填充沟槽。随后密封剂固化，例如通过使其经受适当升高的温度，形成完整的密封。这样有很多好处。不要求任何预成型的衬垫，如前面指出的，这定义为一种“就地密封”结构。然而，最终的密封可以呈现任何希望的形状，具体说，可以流动填充缺陷并允许各部件公差变化。

应指出，图1a只是为了示出本发明依据的基本原理，未示出一个完整燃料电池组的其它重要零件。例如，图1a没有强调提供气体流和冷却剂流到各燃料电池的流口。图1a的密封技术结合在图4及后面的图所示实施例中，本发明的另外这些方面将参照那些附图详细描述。

图2示出了另一种可替换的布置方式。这里，阳极和阴极双极型极板用42，44和42a示出，对应于图1a的极板22和24。MEA再次用26示出。在46处形成一个冷却剂凹穴，凹穴或腔室48，50用于GDM。

这里，如图1a所示，极板42，44设计具有各种腔室或沟槽用于待成型的密封52。这样，最低的密封52在MEA26和阳极双极型极板42之间提供了密封。在MEA26顶部，另一个密封52为阴极双极型极板44提供了密封。这些密封52如图1 a所示通过首先提供一个沟槽或通道网络横贯流场极板表面而成型。

下面，按照本发明的第二实施例提供了另外一种密封和密封中的另外一种固定，一个就地密封的密封54围绕燃料电池组的周围，如图所示。对于图1a，可以设置常规的孔口和开口(未示出)用于使气体和冷却剂流到燃料电池组。为形成该密封，整个电池组被封装，设置孔口和排气口使密封材料能够被注射，以形成外部密封54，同时形成全部内部密封。为此，连通通道和管道设置在用于密封52的沟槽之间以及电池组外部形成密封的地方。如前所述，一旦材料被注射，就在室温(环境温度)下固化或者在一个更高的温度下受热。在电池组表面上的最后的密封材料将用于两个目的，即密封整个电池组和电绝缘燃料电池组。

在图2所示布置方式的变型方案中，不是提供完全封装的沟槽，沟槽向燃料电池组的侧面开放。然后，为了形成密封，燃料电池组的侧面可以用塑模等封闭，类似图3(下面将详述)，但是没有为围绕整个燃料电池组的全部外部密封提供任何空间。

图3示出了一种装配装置，整体用60表示，为了形成密封，类似于图2所示实施例。这里，应指出，燃料电池组首先会按照下述已知方法装配，但不插入任何密封。这样，电池组的各种元件主要是流场极板和MEA会先后与适当的端部部件装配。为了使部件对齐，可以使用夹紧杆，该夹紧杆首先装到一个端板上，或者部件可以装到一个尺寸能够保证精确对齐的夹具中。另一种方式是，以所有部件当场将整个组件夹紧在一起通常用上述夹紧杆，使两个端板相互接合。装配装置60有一个基座62和一个限定出一个井66的外周壁64。此外，有上伸出部和下伸出部68，用于接合端板以定位燃料电池组。尽管图3示出的伸出部68只是在燃料电池组的两侧上，但可以想到在所有四个侧面上都有。

随后，燃料电池组的元件包括阴极板和阳极板、MEA、绝缘子、电流汇流条等的装配是在井66中，伸出部68保证了在全部阳极板和阴极板的周围以及至少部分端板周围具有空隙。汇流板通常具有突伸接头(projecting tab)，用于连接到电缆上等，并设有用于这些接头的装纳部位和密封。电池组的各层或各板在图3中用69示出，端板用69a示出。

然后，按照本发明，一个材料层围绕电池组外部注射，用70表示。这就提供了类似图2所示方式的一种密封。此外，在燃料电池组中连到沟槽网络中，从而使内部密封同时形成。在这种情况下，在端板中设置排气口。排气通道可以穿过电池组延伸并延伸到电池组端部之外，并且在电池组本身内部与沟槽网络连通。

也可以想到，在装配之前，通常必须清洁元件的这些表面，在某些情况下还要施加一种底层漆。这样，可以首先用丙酮然后用异丙醇来清洁，在两种清洁处理之间表面要擦干净。

至于使用底层漆，在密封材料与燃料电池中用的很多种不同材料未形成足够的密封结合时是必要的。例如，材料可以包括：钛；不锈钢；金；石墨；热固化塑料；铝；特富龙；或高密度聚乙烯。底层漆可以通过刷、辊压、喷涂、筛网转印(screen transfer)或其它已知方式施加，作为液体成分，可选一种蒸发的溶剂载体，或者底层漆可以镀到或者浸涂到适当的表面上。应指出，所述列举并没有覆盖全部可能的材料。作为另一种替换方案，载体可以结合到用于制造一种特定成分所用的材料中，从而部件或元件的表面特性被改变，从而与形成密封所用的材料形成良好的结合。在另一个实施例中，底层漆可以在喷射到电池组之前加到密封剂材料中。

底层漆可以是各种活性硅烷和/或硅氧烷在一种溶剂中的稀释溶液，例如在美国专利3,377,309(04/09/68)、美国专利3,677,998(07/18/72)、美国专利3,794,556(02/26/74)、美国专利3,960,800(06/01/76)、美国专利4,269,991(05/26/81)，美国专利4,719,262(01/12/88)和美国专利5,973,067(10/26/99)中所描述的，所有这些专利都授予了Dow Corning Corporation，其内容在此作为参考。

为了固化密封材料，通常可以通过选择适当的密封材料成分来选择固化温度。可以选择例如30℃、80℃或更高的固化温度。固化温度必须与燃料电池的材料相容。也可以想到，为了在更高温度下固化，可以使热水通过电池组，这样应保证整个电池组迅速升高到固化温度，从而固化周期较短。如上面所指出的，也可以想到本发明可以使用一种在环境温度下固化的密封材料，因此不需要单独的加热步骤。为了在填充密封材料过程中使空气从各个沟槽排出，可以设置排气口。实践中已发现设计微小刻痕形式来提供充分的通风和消除气泡形成可以获得足够的通风。必要的排气口可以有各种不同的构造形式。最简单的是通过在流场极板等的表面上用利器产生简单刻痕来形成。然而，排气口可以是矩形、椭圆形、圆形或者其它任何希望的型面。优选的是，排气口向外部开放。但是，排气口可以向电池组任何部分开放，至少在初始制造过程中，向大气开放。例如，用于反应气体或冷却剂的很多内部腔室在制造过程中向大气开放，为了某些目的，可以允许具有向这些腔室开放的排气口。作为另一种选择，每个单独的元件可以轻轻地夹紧，以便使沟槽网络中产生的压力足以将空气挤出。同时，夹紧使流场极板保持充分靠近在一起从而阻止材料逸出。

下面参照单个沟槽网络描述本发明，但应指出，可以有很多个沟槽网络。例如，在复杂的设计中，最好是具有单个的独立网络，使密封材料向单个网络的流动可以受控制。多个独立网络也提供了对燃料电池组件的不同部件使用不同的密封材料的可能性。这样，如上所述，可以在燃料电池中使用很多种不同的材料。寻找与这么宽范围的材料相容的密封材料和底层漆可能比较困难。有利的是提供独立的网络，使每种密封材料和底层漆都只需要适配于与很小范围的材料一起使用。

下面将参照图5-13描述，这些图示出了本发明的优选实施例，这些图中的燃料电池组整体用附图标记100表示，

首先参见图5和6，它们示出了电池组100的基本元件。这样，电池组100包括一个阳极端板102和一个阴极端板104。已知的方式是，端板102，104具有连接口用于供给必要的流体。空气连接口在106，107处示出；冷却剂连接口在108，109处示出；氢气的连接口在110，111处示出。尽管没有示出，但应理解相应的空气冷却剂和氢气孔口，可以对应于孔口106、111设置在燃料电池组的阳极侧。各个孔口106-111连接到穿过燃料电池组100延伸的分配通道或管道，如前面的实施例。孔口成对设置，自始至终穿过燃料电池组100，从而使燃料电池组100能够连接到各种必要的设备上。这也使多个燃料电池组能够以公知方式连到一起。

紧挨着阳极端板和阴极端板102，104是绝缘子112和114。紧挨着这些绝缘子按公知方式是一个阳极集电器116和一个阴极集电器118。

在集电器116，118之间是很多个燃料电池。在这个具体实施例中，有十个燃料电池。图5为简化起见只示出了一个燃料电池的元件。这样，在图5中示出了一个阳极流场极板120、一个第一层或者阳极气体扩散层或介质122、一个MEA124、一个第二层或者阴极气体扩散层126和一个阴极流场极板130。

为了将组件固定在一起，设置了系杆131，这些系杆用螺纹拧到阳极端板102中的螺纹孔中，穿过阴极端板104中的普通孔。按照公知的方式，设置螺母和垫圈，用于紧固整个组件并确保单个燃料电池的各种元件都夹紧在一起。

下面描述本发明提出的密封和形成密封的方法。如上所述，燃料电池组件的其它元件可以是非常常规的，这里不再详述。具体说，选择用于流场极板、MEA和气体扩散层的材料是常规燃料电池技术的课题，它们本身不构成本发明的部分。

下面参照图6a和6b描述本发明，这些图分别示出了具有20个和100个单个燃料电池的构造形式。这些图示意示出了燃料电池，并指出燃料电池本身的基本元件，在电池组端部必需的部件没有示出。因此，端板102，104，绝缘子112，114和集电器116，118没有示出。这些图只是示出了流场极板对120，130。

在下面的描述中也应理解，关于阳极流场极板和阴极流场极板120，130的命名“前”和“后”是指它们相对MEA的定向。因此，“前”是指向着MEA的面；“后”是指远离MEA的面。最后，在图8和10中，孔口的构造与图7和9相反。

下面参照图7和8描述，这些图示出了阳极双极型极板120的细节。如图所示，极板120整体是矩形，但可以是任何几何形状，其包括一个在图7中示出的前面或内面132和一个在图8中示出的后面或外面134。前面132为氢气提供了通道，而后面134提供了利于冷却的通道结构。

对应于整个电池组件的孔口106-111，流场极板120具有矩形小孔136，137用于空气流动；大致是方形的小孔138，139用于冷却剂流动；大致是方形的小孔140，141用于氢气。这些小孔136-141与孔口106-111对齐。相应的孔口设置在所有流场极板中，从而以公知方式限定出穿过燃料电池组的管道或分配通道。

现在，为了将燃料电池组100的各种元件密封在一起，为流场极板配备了许多沟槽以形成沟槽网络，如下面详细描述的，沟槽网络构造为接收并限定密封剂流，其中密封剂流形成贯穿燃料电池组的密封。现在描述阳极流场极板120每一侧上该沟槽网络的元件。

在正面132上，前沟槽网络或网络部分以142表示。沟槽网络142的深度为0.024英寸(0.61mm)，宽度根据下面所述改变。

沟槽网络142包括侧面沟槽143。这些侧面沟槽143宽度为0.153英寸(3.89mm)。

在一端，围绕小孔136、138和140，沟槽网络142提供相应的矩形沟槽部分。

小孔136的矩形沟槽部分144包括外沟槽部分148，该部分延伸进入沟槽部分149，它们的宽度都为0.200英寸(5.08mm)。内沟槽部分150的宽度为0.120英寸(3.05mm)。对于冷却液用的小孔138，矩形沟槽145具有包围三个侧面的沟槽部分152，它们宽度也都是0.200英寸(5.08mm)。对于小孔140，沟槽146具有与沟槽部分152基本对应的沟槽部分154，并且宽度也是0.200英寸(5.08mm)。对于沟槽部分152、154，有内沟槽部分153、155，它们和沟槽部分150一样，宽度为0.120英寸(3.05mm)。

应该注意到，在相邻的每对小孔136、138和138、140之间，有总宽为0.5英寸(12.7mm)的沟槽连接部分158、159，以在相邻的沟槽部分之间提供平滑的过渡。与外沟槽部分相比，沟槽连接部分158、159的这种构造，以及沟槽部分150、153、155厚度的减少，意在保证密封剂流的物质穿过所有的沟槽部分并将其均匀填充。

为提供穿过各种流场极板的连接和类似物，提供了连接小孔160，其宽度为0.25英寸(6.35mm)，圆形端部半径为0.125英寸(3.18mm)，总长为0.35英寸(8.89mm)。如图所示，在图7中，这样选定连接小孔160的尺寸以便将沟槽部分152、154清楚地切断。当连接小孔160延伸到端板并且端板具有相应的沟槽轮廓时，这种构造也存在于端板，绝缘体和电流收集板。在图12和15中可以详细地看到这一点，并且在下面也有描述。

阳极流场极板的后密封轮廓展示在图8中。其包括侧面沟槽162，与正面上的侧面沟槽相比，该沟槽宽度较大，为0.200英寸(5.08mm)。围绕气孔136，有宽度均匀且也为0.200英寸(5.08mm)的沟槽部分164。这些沟槽部分连接到第一沟槽连接部分166。

对于冷却剂小孔138，有围绕三个侧面延伸的沟槽部分168，其宽度也为0.200英寸(5.08mm)。如图所示，小孔138内侧开口以允许冷却液流经所示通道网络。如上所述，通道网络为促进冷却液流在流场极板整个后部上均匀分布。

对于燃料小孔或氢气小孔140，有位于三个侧面上的沟槽部分170。沟槽连接部分172将围绕小孔138、140的沟槽部分连接起来。

与沟槽部分155相比，对于小孔140，最里面的沟槽部分174设置为距离更大。这使得流动通道176可在沟槽部分155正面延伸。然后提供了传输槽178，使气体能够从流场极板的一侧流动到另一侧。如图7中所示，这些槽位于流场极板的前侧上，并且提供了通道网络以使气流在极板的整个前侧上分布。在图8中，包围小孔136、138和140的完整矩形沟槽分别以182、184和186标明。

如图7和图8中所示，在阳极流场极板120的另一端，小孔137、139和141的构造是对应的。为了简洁起见，不再重复对这些通道的描述了。在图7中，使用了同一参考标号表示各种沟槽部分，连接部分和类似物，但加上一个后缀“a”以将其区分开，例如对于沟槽部分144a、145a和146a。

现在参考图910，这两个图示出了阴极流场极板130的构造。首先应该注意到，密封沟槽的布置与阳极流场极板基本对应。这是必要的，因为设计要求MEA124要夹在两个流场极板之间，同时密封要精确地彼此相对。通常可取的是这样设计电池组，即密封彼此相对，但这不是必需的。还要注意到，与它们的背面一样，阳极和阴极流场极板120、130的前侧密封路线(沟槽)彼此为镜像。相应地，同样为了简单和简短，在图9和10中使用相同的参考标号表示密封通道组件的不同沟槽部分，但加上一个撇号以表示它们用在阴极流场极板上。

对于阴极流场极板130，有必要提供位于正面上的沟槽图样以使来自氧气孔136、137的氧气气流均匀分布。在流场极板背面上提供了传输槽180，以在氧气孔136、137和极板前侧上的网络通道之间提供连接。与阳极流场极板的四个槽相比，这里为每个小孔提供了五个槽。在这种情况下，对于燃料电池来说，通常使用空气作为氧化剂，由于空气的80％为氮气，所以要提供更多的气体流量，以保证供应足够多的氧化剂。

在阴极流场极板130后面，没有为冷却水流提供通道，并且后表面整个是平的。使用不同的深度补偿不同的流动通道长度和里面不同的流体。但是，对于每个电池组的设计，必须优化密封的深度和宽度。现在参考图11到15，这些图示出了阳极和阴极端板的细节。这些端板具有与流场极板相应的沟槽网络。

这样，对于阳极端板102，有一个沟槽网络190，它与阳极流场极板120背面的沟槽网络对应。相应地，使用类似的参考标号表示图11-13和14-15中详细示出的阳极和阴极端板102、104的不同沟槽部分，但用后缀“e”区别。如用192所示，提供了螺纹孔以接收系杆131。

现在，如图13中所示，根据本发明，提供了连接口194。连接口包括带螺纹的外面部分196，用已知方法将其钻孔并攻丝。其一直延伸到直径较小的短部分198，该部分又与连接孔160e连接。但是，可使用任何流体连接器。

如图12和13中所示，与流场极板相应，对于阳极端板102，有两个连接口194，它们连接到连接小孔160e和160ae。

相应地，阴极端板在图14和15中详细示出，图15与图12一样示出了穿过所述沟槽部分的连接。在阴极端板的内面上的沟槽轮廓对应于阳极流场极板的沟槽轮廓，如下面将详述的，使用这种布置使密封材料能够供给以填充各种密封沟槽和通道。一旦密封形成，则移走密封材料的供给管道，插入封闭插塞，这种封闭插塞在图5中用200表示。

与常规衬垫不同，用于本发明燃料电池的密封是通过将液态硅橡胶材料注射到燃料电池组的不同元件之间的各种沟槽中。当这些沟槽封闭时，必然要求存在于这些通道中的空气排出。否则，会留下气穴，使密封不完美。为此，业已发现通过在极板的适当位置简单刻痕即足以提供非常小的通道或沟槽。这些刻痕的位置可以通过试验或计算确定。

使用中，燃料电池组100用适当数目的燃料电池装配，用系杆131夹紧在一起。电池组则会包括上面参照图5所列，可以注意到，与常规燃料电池组相比，在这一阶段，任何元件之间都没有密封。然而，存在绝缘材料来保护阳极极板和阴极极板接触MEA(阻止短路)，是MEA的一部分。这种材料可以是离聚物本身的一部分或者是一些合适的材料(含氟聚合物、聚酯薄膜等)。另一种可选择的方案是双极型极板在这些区域是不导电的。

由螺纹孔196提供的孔口则连到一个液态硅树脂弹性密封材料的供给源。由于每块端板有两个孔口或孔196，即一共有四个，这就是说密封材料同时从电池组的阳极和阴极端部供给；此外，还从每个阴极和阳极的两端或两边供给。但可以从任意数目的孔口供给，这由设计规定。

然后在适当的压力下注射合适的密封材料。该压力根据材料的粘度、所选沟槽、管道和通道等的尺寸选择，从而保证在理想时间内充分填充所有沟槽和通道。

材料从螺纹孔196提供的内部孔穿过连接小孔160流到每个单独的燃料电池中。在这些单独的燃料电池中，再穿过上述的沟槽网络。这里举例说明的只是阳极流场极板120的沟槽轮廓。可以想到，因为沟槽网络通常是近似的，因此对于其它沟槽网络也可实现近似的流动方式。

应指出，阳极流场极板120的前面的两个端部是旋转对称的，尽管这只是为了方便并不是要点。因此，流动方式将大致是近似的。为了简明起见，将对沟槽网络142的右手端加以描述，如图7所示，应理解，左手端的流动方式是对应的。

密封材料从连接小孔160流出，流到沟槽部分152，154。材料同时沿着这些沟槽部分的外边缘流动，也就是这些沟槽部分向内指向沟槽连接部分159的部分。当材料到达连接部分159，则将转向更窄的沟槽部分153，155中。同时，材料继续围绕小孔138，140外侧穿过沟槽部分152，154流动。

围绕小孔140的两条液流最终将到达侧面的沟槽143中。应指出，选择沟槽154，155的尺寸和连接小孔160的位置，使得两个液流大致同时会聚，更具体说，不会留下气穴。

相应地，围绕小孔138的液流将在沟槽连接部分158处会聚。选择沟槽部分152、153以及沟槽连接部分159的尺寸以保证这些液流大致同时会聚。然后，液流再次分岔，沿两条路径围绕用于氧化剂流的更大的小孔136流动。还应注意，沟槽部分148比沟槽部分150具有更大的宽度，促进了围绕小孔136的行程时间大致相等，从而使两条液流大致同时到达图7所示的与最顶部沟槽143的连接处。然后，这些液流结合沿着侧面沟槽143流动。

如上所述，在阳极流场极板120的另一端，即左手端部，发生类似的行为，如图7所示。最后，对每一侧沟槽143，有两条液流分别从一侧接近。这两条液流将在排气口202会聚。这些排气口的尺寸应使多余的空气被排出到外界，但足够小以便能够建立起使组件中的所有沟槽部分都能完全填充的填充压力水平。沟槽部分图样的设计允许多路未固化密封材料前端能够在填充操作中同时前进。当一路流动前端与另一路相遇时，空气可能会被截留，内部空气压力会阻止沟槽部分完全由密封材料填充。为了防止上述现象发生，排气口202位于密封材料前端会聚处。典型的是，这些排气口宽度为0.5到3.0mm，深度为0.0003″(0.0075mm)到0.002″(0.05mm)，可采用多种已知的替换构造形式，例如圆形排气口、由于规则的磨削条纹产生的环形沟槽、以及格子形结构。排气口的位置在填充功能中是一个关键的参数，通常是结合计算机模拟和经验设计来定位。如图所示，其它排气口202可以设置在任一端，在极板的面上总共有六个排气口。

这些排气口202可以设置用于阳极和阴极流场极板的前后面。应当理解，对于这些极板相对的表面，在一块极板的面上设置排气沟槽常常就足够了。如图11所示，排气口202也设置在端板上相应的位置处。

实践中，对于任何具体的燃料电池组组件，将进行试验以确定保证所有沟槽和通道完全填充所需的填充时间。这可以针对不同材料、不同尺寸、不同温度等进行。借助确定的该填充时间，则可将材料向整个电池组件100中注射这一确定填充时间，随后终止流动，拆除密封材料供给源。

然后，连接口194用插塞200封闭。整个燃料电池组组件100随后经历一个固化过程。通常，这要求将其经受一个较高温度一段设定时间。因此，要选择密封材料保证其在这些条件下固化。

固化之后，燃料电池组100受到一个试验电池作用，以检查希望的电特性和流体特性，尤其是检查没有任何流经燃料电池组的流体泄漏。

如果检测出泄漏，燃料电池将不得不修理。根据泄漏的性质和单个电池组设计的细节，可以简单地将整个组件在一个密封处分开，清除有瑕疵的密封，再形成新的密封。因此，可以证明制造与其它常规燃料电池组相比较小的燃料电池组是可取的。尽管这要求更多的电池组间的连接，但是这一点通过每个单独燃料电池组的固有耐久性和可靠性得到了更多的补偿。这一构思可以用于单个电池单元(定义为膜电极单元或MEU)，因此可以想到这就允许制造任意长度的电池组。

最好形成这种MEU以便许多个这样的MEU能够容易、简单地被夹紧在一起以形成一个具有理想容量的完整燃料电池组。这样，一个MEU就只有2个流场极板，它们的外面或后面适于与其它MEU的对应面相匹配，以提供必要的功能性。通常，使MEU的面适于形成用于冷却燃料电池的一个冷却剂腔室。MEU的一个外面可以有一个与之一起预成型的密封或衬垫。另一个面则可以是平的，或者可以是有沟槽的以便容纳另一MEU上的预成型密封。这一外部的密封或衬垫最好与按照本发明就地注射的内部密封同时形成。为此，一个半模可以靠在MEU的外面上，然后密封材料可以注射入该半模与MEU的这个外面之间的密封轮廓中，同时密封材料注入到MEU本身的沟槽网络中。为了形成一个完整的燃料电池组件，将只是选择理想数目的MEU，将MEU夹紧在端板之间，用通常的其它端部部件例如绝缘子、集电器等。MEU的外面与预成型的密封将形成必要的附加腔室，尤其是用于冷却剂的腔室，这些腔室将连接到整个组件内部合适的冷却剂孔口和通道。这就使由单个基本单元构成的燃料电池组具有很大的多样性。应注意，MEU可以只有一个单个电池，或者可以是很少数目的电池例如5个。在制造好的燃料电池组中，替换一个失效的MEU是很简单的。重新组装只需要保证在相邻的MEU之间形成适当密封和在每个MEU内部的密封不被这一过程破坏。

上述实施例具有沟槽网络，包括在沟槽任一侧的元件或部件中的沟槽部分。应指出，这并不总是必须的。这样，在某些方面，例如为了限定一个冷却剂腔室，在一个匹配表面是平的流场极板中设置沟槽部分就足够了，因此工程不是非常关键。本发明也已被描述其中MEA延伸到流场极板的边缘。这里指出两种主要变型。第一，MEA的材料昂贵，必须做得非常薄，使用通用材料的数量级通常在千分之一到二英寸(0.0254mm到0.0508mm)，因此不是很坚固。对一些场合，优选的是设置周边法兰或者结合在一起并与PEM周边重叠的安装层。通常，法兰由两层形成，每层厚度为千分之一到二英寸(0.0254mm到0.0503mm)，两层总共厚度为千分之二到四英寸(0.0503mm到0.1016mm)。该法兰或层随后与上述密封密封在一起。

第二种是，平分密封材料的一个沟槽或通道的MEA或者法兰层可能会产生问题。这被认为是密封材料流动不均匀。在实际上这是不会发生的。例如，如果MEA稍微有些变形，则一侧上的流动横截面会变形。则将导致MEA两侧上的密封材料的流速畸变，这只会造成变形加剧。这样，就会增加已经增大流量的一侧的流量，而限制另一侧。这会导致MEA不恰当的密封。为了避免这一现象，本发明也提出了很多种变型，如图1b-1e所示。下面将加以描述。为了简洁起见，这些图中的类似部件用与图1中相同的附图标记表示，而用适当的下标b、c、d指示不同的特征。

图1b所示的第一种变型提供了一种构造形式，其中MEA26b的周边或者任何安装法兰的尺寸终止于沟槽本身的边缘，即MEA26b始终不会横穿沟槽。这就要求MEA 26b的安装更精确。此外，这意味着端板的匹配表面等在沟槽网络外部不会被MEA分开。为了在流场极板之间获得绝缘，设置一个单独的绝缘层，用27标示，例如通过丝网印刷将其印到流场极板22b和24b的表面上。如图所示，沟槽28b，30b可以基本不变。

图1c所示的第二种变型通过提供28c，30c所示的偏置的沟槽克服了在相对置沟槽中流速不同引起MEA变形的潜在问题。在这种布置中，极板22c中的每个沟槽28c可以被MEA 26c的一部分封闭，但是MEA 26c的这部分的另一侧由第二块极板24c支承，从而不会变形。相应地，在第二块极板24c上与极板22c上的沟槽28c偏置的一个沟槽30c由MEA26c封闭，MEA26c由极板22c从背部支持。

在图1d中示出的另一种变型中，通过提供延伸到极板22d和24d周边的GDM层将GDM凹坑38有效地去除。沟槽28d，30d仍然如图所示，向GDM层的边缘开放。然后，密封从沟槽28d，30d流出，填充GDM中的空隙，直到密封材料到达MEA26d的表面。密封材料将会围绕催化层的各个颗粒流动，从而使密封形成到实际的质子交换薄膜，即使密封材料没有完全渗透催化层。根据需要，MEA26d层可以与极板22d，24d的周边平齐，或者从极板周边插入；在后一情况下，一个本身与极板周边平齐的密封将围绕MEA26d的外边缘和GDM层有效地形成。在任一情况下，都可以使密封延伸到沟槽28d、30d的外部，超出极板周边，可以围绕整个燃料电池组延伸。

图1e示出的构造与图1d类似。但是，GDM层比极板周边短，如31e所示。随后沟槽28e，30e在GDM层外部有效地形成到极板22e，24e的周边。

在图1d和1e中，阳极和阴极流场极板具有平的对置面，当然可以想到这些面按公知方式可以包括气体的流动通道。但如果这些面是平的，则会大大减轻公差和对齐问题，一般来说MEA26d，e可以插入而不要求保持任何紧公差。

在所有图1a-1e中，PEM层26a-e可以用一个具有一个外安装法兰或外安装边的PEM层替代。这通常使PEM层更强壮，并节省了更昂贵的PEM材料。这样的优点是法兰材料可以选择成与密封材料形成良好的结合，并避免了形成涉及催化层的密封的任何潜在问题。

在图1d和1e中，面对的伸出部可以围绕极板的外周边设置，以便控制极板的间距从而控制GDM层上的压力，而不会影响密封材料的流动。此外，这还有助于PEM层26与GDM层的对齐。作为另一种可选择的方案，可以省去伸出部，整个电池组在密封之前夹紧到一个已知的压力。与公知技术不同的是，所有压力由GDM层承受，因此每个GDM层受到同一压力。这一压力最好在注射密封材料之前预定并由系杆或类似物保持。

下面参照图16a和16b，这里示出了密封材料的完整供给系统，图16b示出了两种不同密封材料的供给系统。

在图16a中示出了图5中的燃料电池组100。一个泵210用软管212连接到燃料电池组100的一端上的两个孔口。另外一根软管212将泵210连到一个硅树脂密封材料分配机214上，该分配机包括一个静力混合器。

在该系统中，密封材料只从电池组100的一端供给。这样，要到达电池组较远的一端需要一定时间，这对大型电池组不利。对于大型电池组，如用点线216示出，可以设置另外的软管，使密封材料从电池组100的两端都供给。如在其它地方详细描述的，材料以一个理想的压力供给，直到电池组被填充并且所有空气已经从电池组排出。通常，这一时间选择将由试验和测试确定，例如通过填充电池组然后拆卸该电池组确定填充程度。一般来说，这会给出一个保证所有空气从电池组排出所需的最小填充时间，也能够检查所设置的适当通风位置。

一旦电池组已经填充完，软管212，如果存在的话还有216是不连接的。优选的是，图5中例如200所标示的封闭插塞用于封闭电池组，尽管并不总是必须的。例如，当一个燃料电池组从一侧被填充时，定向燃料电池组使连接口在顶部向上开放就足够了，从而不要求封闭。实际上，对于有些设计和材料选择来说，这是更可取的，因为它保证了密封材料在固化过程中处于大气压力下。

然后燃料电池组经受一个固化过程。这可以通过很多中方式实现。为了在不同于环境温度的较高温度下固化，电池组可以连到一个热水源，该热水源穿过电池组的冷却剂腔室。一般来说，优选使水低温穿过，因为此时固化的密封还没有形成。作为另一种可选择的方案，或者附加地将整个电池组可以放置在一个固化腔室中经受一个较高的温度以固化密封材料。

参照图16b，该图示出了另一种可替换的燃料电池组，用220标示。该燃料电池组220具有两个独立的沟槽网络，用222和224标示。沟槽网络222在一端连到孔口226，而沟槽网络224在另一端连到孔口228。本发明在此处是每个沟槽网络可以供给独立的密封材料，每种密封材料可以与燃料电池组的不同元件相接触。这使密封材料可以适应燃料电池组的不同部件，而不要求一种密封材料与电池组的所有材料都相容。

对于第一沟槽网络222，有一个泵230借助软管232连到一个燃料电池组220。一根软管232也将泵230连到一个分配机234。相应地，对于第二沟槽网络224，有一个泵236借助软管238连到电池组220，一根软管238也将第二分配机240连到泵236。

使用中，这使每个沟槽网络222，224独立被填充。这将可以为每个沟槽网络选择不同的压力、填充时间等。考虑到制造速度，可取的是填充时间一致，这样就需要根据不同的密封材料采用不同的压力。

也可以提供不同的固化方式。例如，可以首先填充一个沟槽网络，在一个会损害第二种密封材料的较高温度下固化。然后，第二沟槽网络填充第二种密封材料并在一个不同的较低温度下固化。然而，通常来说，优选的是考虑到制造速度，应同时填充和固化两个独立的沟槽网络222，224。

尽管图中示出了独立的泵和分配机，但应指出这些部件也可以相互集成为整体。

尽管以质子交换薄膜(PEM)燃料电池为例描述本发明，但应指出本发明可以广泛应用于任何一种燃料电池。因此，本发明可以用于：碱性电解液燃料电池；磷酸电解液燃料电池；高温燃料电池，例如带有一个类似质子交换薄膜但适于在200℃左右工作的薄膜的燃料电池；电解槽，再生燃料电池以及其它电化学电池。本发明构思也可以用于更高温的燃料电池，即熔融碳酸盐和固体氧化物燃料，只要能够获得适当的密封材料即可。

图17，18，19和20示出了用于极板的可选择的筋条构造形式。这里，靠近用于燃料和氧气流的小孔的筋条数目是加倍的，这些孔口是为了提供“背部”馈给功能。这就为极板另一侧的沟槽部分提供了更大的支持。

在这些图17-20中，对于阳极极板120，传送缝由附图标记178a标示，对于阴极极板130用180a标示。下标表示传送缝具有不同的尺寸，而且可以有更多个。这里，与四个缝178比，有八个传送缝178a，与五个缝180比，有八个(图19)或十个(图20)传送缝180a。也应该理解，提供离散的缝并不是必要的，位于每个流，可以提供一个单个的较大的传送缝。每个缝178a与一个单个的流动通道连通(图17)，每个缝180a与两个流动通道连通，除了一个端部缝180a，它与一个单独的通道连通(图19)。

传送缝178a被筋条179分开，它们比第一实施例或其变型中更多。这里，附加的筋条179为阳极极板前面上的内部沟槽部分提供了附加的支承(图17，18)。与此类似，这里在缝180a之间有更多根筋条，用181标示，它们为沟槽部分150提供了更好的支承(图17，18)。

也可以想到，如上所阐述的，阳极和阴极极板的相对的后面邻接从而形成一个用于冷却剂的格间。因此，筋条179和181相互邻接并支承阴极极板，为围绕阴极极板130的小孔137和141的内部沟槽部分提供了支承(图18)。

本发明的另一方面涉及弹性密封材料的具体成分，它是一种有机硅氧烷成分，可固化为一种弹性材料并且在未固化状态下具有可泵送的粘度，使其在燃料电池凹坑中能够就地固化从而在上述不同区域形成密封。在该优选实施例中，密封材料的成分包括：

(b)5到50份重量的增强填充剂；

(f)任选的，0.1-5.0份重量的带或不带成分(e)的有机过氧化物；

(g)任选的，0.01-5.0份重量的抑止剂；

(h)任选的，0到100份重量的非强化延伸填充剂。

成分(a)(聚二有机基硅氧烷)

优选的是，聚二有机基硅氧烷的粘度在250℃下为大约0.03到小于100Pa·s范围内。聚二有机基硅氧烷可以用通用分子式X(R1R2SiO)nX表示，其中R1和R2代表相同的或不同的一价替代或未替代的烃原子团，n代表在聚合物中重复的单元的平均数，该平均数可以选择以便提供理想的粘度，端基X代表乙烯基的不饱和烃原子团。例如，当该成分通过一种有机氢硅氧烷(organohydrogensiloxane)或一种乙烯基特异性的过氧化物(vinyl-specific peroxide)的氢化硅烷化反应固化，则X典型地是乙烯基或其它烯基原子团。

R1和R2代表的烃原子团包括具有1到20个碳原子的烷基例如甲基、乙基和叔丁基(tertiarybutyl)；具有1到20个碳原子的烯基原子团例如乙烯基、丙烯基和5-己烯基(5-hexenyl)；具有3到20个碳原子的环烷基原子团例如环戊基和环己基；芳烃原子团例如苯基、苄基和甲苯基。R1和R2可以用例如卤素、烷氧基和氰基团取代。优选的烃原子团是具有1到4个碳原子的烷基、苯基和卤素取代的烷基例如3，3，3-三氟丙基。最优选的是R1代表一个甲基原子团，R2代表甲基、苯基和3，3，3-三氟丙基中的至少一个，X代表甲基或乙烯基，作为选项的，一个或多个R2原子团是烯基。优选的聚二有机基硅氧烷是二甲基乙烯基甲硅烷氧基端基封闭的聚二甲基硅氧烷，其粘度在大约0.3到小于100Pa·s范围内。

该方法的聚二有机基硅氧烷可以是均聚物、共聚物或者包含两个或更多个不同均聚物和/或共聚物的混合物。当通过该方法制备的成分是通过一种氢化硅烷化反应固化，至少一部分聚二有机基硅氧烷可以是一种共聚物，其中X代表一个烯基原子团，在非端部硅原子上的R2原子团的一部分可选择是乙烯基的不饱和原子团例如乙烯基和己烯基。

制备粘度在大约0.3到小于100Pa·s范围内的聚二有机基硅氧烷的方法是公知的，不需要在此详细描述。制备这些聚合物的一种方法是通过每个分子中通常含有三或四个硅氧烷单位的环状聚二有机基硅氧烷的酸或碱(base)催化聚合作用。第二种方法包括用相应的二有机二卤代硅烷和一种酸性接受体置换环状聚二有机基硅氧烷。这种聚合作用在会产生理想分子量的聚合物的条件下进行。

成分(b)(增强填充剂)

在本发明中使用的加强硅石填充剂的类型不是关键的，它可以是任何一种现有技术中已知的加强硅石填充剂。加强硅石填充剂可以是例如沉淀的或火成的硅石，其表面积是至少50平方米每克(M2/g)。更优选的是，加强硅石填充剂是一种表面积在约150-500M2/g范围内的沉淀的或火成的硅石。最优选的加强硅石填充剂是表面积约370-420M2/g的火成硅石。火成硅石填充剂可以通过燃烧硅烷例如四氯化硅或者三氯硅烷产生，如Spialter等人的美国专利No.2,614,906和Hugh等人的美国专利No.3,043,660。前述的填充剂可以用硅氮烷例如六甲基二硅氮烷、有机硅烷、有机聚硅氧烷或者其它有机硅化合物加工。这种成分添加的量取决于使用的无机填充剂的类型。该成分的量在5到50份重量每100份重量成分(a)的范围中。

成分(c)，(一种碱土金属的氧化物或过氧化物)

一种原子量为40或更大的碱土金属的氧化物或氢氧化物是本发明的特征性成分。添加这种成分是为了保证组合物的固化产品不被PEM损坏。碱土金属的氧化物和氢氧化物的例子包括钙、锶、钡的氧化物和氢氧化物。它们可以单独使用，也可以两种或更多种混合使用。即，它们可以以细粉末的形式使用以保证其有效地分散在硅的组合物中。在它们中，氢氧化钙和氧化钙是优选的。该成分相对100份重量的成分(a)来说在1到20份重量的范围内，或者优选在6到12份重量的范围内。

成分(d)(有机氢硅氧烷)

每个分子中具有3个或更多个含硅氢原子的有机氢硅氧烷是一种交联剂。使用的有机氢硅氧烷的例子包括两端由三甲基甲硅烷氧基(trimethylsiloxy)团封闭的甲基氢聚硅氧烷、两端由三甲基甲硅烷氧基团封闭的二甲基硅氧烷/甲基氢硅氧烷共聚物、两端由二甲基苯基甲硅烷氧基(dimethylphenylsiloxy)团封闭的甲基苯基硅氧烷/甲基氢硅氧烷共聚物、环状甲基氢聚硅氧烷和二甲基氢甲硅烷氧基单位与SiO4/2单位制成的共聚物。可以使用一种氟硅氧烷交联剂例如两端由二甲基氢基团封闭的甲基三氟丙基/甲基氢硅氧烷共聚物，尤其是甲基三氟丙基的摩尔百分比大于50％时。添加的有机氢硅氧烷有利于保证在该成分中含硅氢原子与成分(a)中的含硅链烯基团的摩尔比在0.4∶1到5∶1的范围内。否则，不可能获得良好的固化特性。

成分(e)，(铂基团催化剂(Platinum-group Catalyst))

铂基团催化剂是一种用于固化上述组合物的催化剂。可用的催化剂的例子包括细铂粉末、铂黑、氢氯铂酸、四氯化铂、氢氯铂酸的石蜡络合物(complex)、氢氯铂酸的酒精溶液、氢氯铂酸和链烯基硅氧烷的络合物或者铑和钯的类似组合物。铂基团催化剂的添加量通常是每一百万份重量的成分(a)中提供0.1到500份重量的铂类金属原子。如果量小于0.1份，则固化反应进行不充分；如果量大于500份，则成本很高。

可选的成分(e)可以是用含有0.01重量百分比或更多的铂金属原子制成的球形细粒催化剂形式，因为不存在毒化成分(c)所产生效果的催化剂。因此，为了保证铂类催化剂成分在常规模制温度下迅速地分散到组合物中，热塑性树脂的软化点应在约50到150℃范围内。因此，球形细粒催化剂的平均粒度在0.01到10微米范围内。

典型的胶囊状催化剂公开在美国专利US 4,766,176(08/23/88)；US 4,784,879(11/15/88)；US 4,874,667(10/17/89)；US 5,077,249(12/31/91)，所有这些专利都属于Dow Corning Corporation，其内容在这里作为参考。

成分(f)(有机过氧化物固化剂)

成分(f)包括一种合适的有机过氧化物固化剂，其有助于形成一种固化的硅弹性体。有机过氧化物可以是那些通常被认为是乙烯基特异性的(vinyl-specific)并要求在聚二有机硅氧烷中存在乙烯基或其它乙烯基不饱和烃取代基。在可固化的液态硅橡胶组合物中用于固化剂的乙烯基特异性的过氧化物包括烷基过氧化物例如2，5-bis(t-butylperoxy)-2，3-二甲基己烷。有机过氧化物可以是那些被认为是非乙烯基的(non-vinylspecific)并且与任何一种烃原子团反应产生一种自由的原子团。

任选的成分(g)(抑止剂)

作为任选的，有时必需一种抑止剂使组合物足以具有适宜的工作寿命满足加工处理，例如炔醇(alkyne alcohol)如3，5-二甲基-1-己炔-3-醇(3，5-dimethyl-1-hexyn-3-ol)、1-乙炔基-1-环己醇(1-ethynyl-1-cyclohexanol)和苯基丁基卡因醇(phenylbutynol)；烯炔(ene-yne)化合物如3-甲基-3-戊烯-1-炔(3-methyl-3-penten-1-yne)和3，5-二甲基-3-己烯-1-炔(3，5-dimethyl-3-hexen-1-yne)；四甲基四己烯环四硅氧烷(tetramethyltetrahexenylcyclotetrasiloxane)；苯并三唑(benzotriazole)；等等。

任选的成分(h)(非加强的延伸填充剂)

成分(h)可以是但不限于选自石英粉末、硅藻土、氧化铁、氧化铝、碳酸钙和碳酸镁中的一种非加强的延伸填充剂。

本发明的组合物通过均匀混合上述必要成分很容易制造。任选地，其它添加剂可以添加，包括固化剂、抑止剂、耐热剂、阻燃剂和颜料。这种混合可以借助一种捏和器、一种增压捏和器、Ross TM混合器和其它混合器进行。该组合物也可以制成两种或更多种液体，其在就要使用前才混合，以从而有利于制造和改善可操作性。

下面借助实施例详细描述本发明的弹性密封材料。在这些实施例中，份是指按重量的份数，粘度是指在25℃下的值。

例1

表I

硅基础材料组合物

份成分

100 二甲基硅氧烷，二甲基乙烯基甲硅烷氧基封端的

40 石英

40 硅石，非晶态的，煅制的(fumed)的

13 六甲基二硅氮烷

0.4 四甲基二乙烯二硅氮烷

3 二甲基硅氧烷，氢氧基封端的

100份二甲基乙烯基甲硅烷氧基封端的聚二甲基硅氧烷，粘度为55,000cp；3份氢氧基封端的二甲基硅氧烷，粘度为41cp；40份石英硅石，平均粒度为5μ；40份表面处理过的煅制的(fumed)的硅石(平均表面积为400m2/g)与13份六甲基二硅氮烷和0.4份四甲基二乙烯二硅氮烷混合直到达到均质性。混合之后，材料在真空下热处理，除去氨和微量挥发物，请注意，通常可取的是对这里所述的全部组合物进行上述这一步骤以形成一种基础材料。这提供了一种保存稳定的组合物。最终的材料是一种可流动的硅酮糊剂，可以在90psig(620KN/m²)的压力下以30g/min的速度通过一个1/8″(3.175mm)的孔挤出。

表II

硅材料A组合物

份成分

100 硅基础材料

56 二甲基硅氧烷，二甲基乙烯基甲硅烷氧基封端的

34 二甲基，甲基乙烯硅氧烷，二甲基乙烯基甲硅烷氧基封端的

12 氢氧化钙

0.7 1，3-二乙烯-1，1，3，3-四甲基二硅氧烷铂络合物

1 00份硅基础材料(如表1中所述)；56份两端由二甲基乙烯基甲硅烷氧基封端的聚二甲基硅氧烷[隔离剂]，粘度为55,000cp；34份二甲基乙烯基甲硅烷氧基封端的二甲基，甲基乙烯硅氧烷，粘度为350cp；12份氢氧化钙，被鉴定具有99％的纯度，硫磺含量小于0.1％；0.7份所含铂金属原子量等于0.52重量百分比的1，3-二乙烯-1，1，3，3-四甲基二硅氧烷铂络合物，上述成分混合直到达到均质性。最终的材料是一种可流动的液态硅，在23℃下粘度为128,000cp。

表III

硅材料B组合物

份成分

100 硅基础材料

55 二甲基硅氧烷，二甲基乙烯基甲硅烷氧基封端的

5 二甲基氢甲硅烷氧基改性

(Dimethylhydrogensiloxy-modified)的硅氧烷树脂

0.2 1-乙炔-1-环己醇

100份硅基础材料(如表1中所述)；55份两端由二甲基乙烯基甲硅烷氧基封端的二甲基硅氧烷，粘度为55,000cp；34份二甲基乙烯基甲硅烷氧基封端的二甲基，甲基乙烯硅氧烷，粘度为350cp；5份二甲基氢甲硅烷氧基改性的硅氧烷树脂，具有0.96重量百分比的含硅原子的氢原子，粘度为25cp；0.2份1-乙炔-1-环己醇，其纯度为99％，用作混合系统的抑止剂，上述成分混合，直到达到均质性。最终的材料是可流动的液态硅，粘度为84,000cp。

上述材料A和材料B以50∶50比例混合并在150℃下压制5分钟后的最终组合物将具有以下特性：

表IV

固化后的弹性体测试结果

性质 ASTM法* 结果

硬度计(肖氏A) ASTM D2240 43

可伸展性，断裂时(psi) ASTM 412 655

断裂时的延伸率(％) ASTM 412 235

撕裂，B型模(Die B)(ppi) ASTM 625 25

模数，100％(psi) ASTM 412 248

*注：基于上述ASTM法的测试

如前面所述，密封材料必须抵抗与燃料电池部件和流体接触的老化。特别重要的是对PEM工作环境的抵抗力和对用作冷却剂各种液体或反应性气体的膨胀的抵抗力。

已知已有几种方法用于确定对PEM工作环境的抵抗力。例如，密封材料薄片被置于与PEM材料薄片接触，紧紧辊压并通过适当的接合固定就位。这种辊压卷随后放到酸性流体中，单独放到热的DI水(去离子水)中以提供一种加速老化试验。这样一种试验对上述密封材料用DI水加热到100℃。在暴露8个月后没有变硬或者裂化。

对燃料电池中所用的各种冷却流体引起的老化的一般抵抗力数据可以从同类产品文献中获得。另一个特殊要求是密封材料不会因与冷却剂接触而过分膨胀。在标准温度或升高温度下确定体积膨胀的标准方法已经对上述密封材料完成。上述材料在DI水、乙二醇/水溶液和丙二醇/水溶液中观察得出在温度为82℃下72小时体积膨胀小于1％。

燃料电池元件组用下列步骤装配(参见图5所示结构)：1)，将铝阳极端板102平放到一个水平表面上，密封沟槽部分向上；2)，将高密度聚乙烯绝缘子板112放到阳极端板上，该板的定位使每个板上的密封沟槽部分相互对齐；3)，将镀金的镍阳极汇流条极板116放到绝缘子板上，该板的定位使每个板上的密封沟槽部分相互对齐；4)，将一个阳极双极型流场极板120放到绝缘子板上，该绝缘子板的有源区向上，每个板的沟槽部分和小孔对齐；5)，放置GDM层122，切割使其在阳极双极型流场极板的凹陷的表面有源区中装配好；6)，将一个PEM层124放到阳极双极型流场极板和GDM上，保证用于流动的密封材料的小孔与流场极板上的小孔对齐；7)，放置一个GDM层126，切割使其在阴极双极型流场极板的凹陷的有源区中装配好；8)，将一个阴极双极型流场极板130放到组件上，有源区向下；9)，将一个镀金的镍阴极汇流条板118放到组件上，板的定位使密封沟槽部分和小孔对齐；10)，将一个高密度聚乙烯绝缘子板114放到组件上，板的定位使每个板上的密封沟槽部分和小孔对齐；11)，将铝阴极端板104放在组件上，密封沟槽部分向下；12)，将周边的螺栓或系杆131穿过阴极端板104延伸拧到阳极端板102上；13)，紧固周边螺栓131，使1)到11)条所述的装配元件更加夹紧。

如图16a所示，分配软管212连接到一个两部分的硅材料分配机214上，该分配机包括一个静力混合器用于完全混合上述硅密封材料的两个部分。分配软管也连到铝制阴极端板104上的螺纹连接口194上。然后将硅材料以高达100psig(689KN/m²)的压力向装配的元件中注射20-30秒。峰值压力100psig(689KN/m²)保持到已经看见材料从每个装配板的通风沟槽部分流出。然后分配压力降到零。移走分配软管，用插塞200关闭口194。电池组组件放在一个炉中预热到80℃，在炉中保持到密封材料完全固化。电池组组件随后从炉中移出并冷却到室温。周边的螺栓重新紧固到均匀的力矩。然后，电池组组件就可以放到一个燃料电池系统中。

例2

如上述例1，燃料电池组的元件按照步骤(1)到(13)装配。再一次使一个分配软管连到铝制阴极端板104的一个螺纹连接口194上。硅材料以高达200psig(1379KN/m²)的压力被扩散到装配好的元件中30-40秒。峰值压力200psig(1379KN/m²)保持到已经看见材料从每个装配板的通风沟槽部分流出，这时分配压力降到零。移走分配软管，如前所述插入插塞200。电池组组件放到一个炉中预热到80℃，在炉中保持到密封材料完全固化。电池组组件随后从炉中移出并冷却到室温。周边的螺栓紧固到均匀的力矩。然后，电池组组件就可以放到一个燃料电池系统中。

例3

另外有三个例子，这些另外的举例性组合物被注射到一个燃料电池组中并固化，详细内容如例1和2所述。为了简明起见，下面的例子不再重复装配和注射技术，只是描述具体组合物。

表I

硅材料A组合物

份成分

111.0 二甲基，三氟丙基甲基硅氧烷，二甲基乙烯基甲硅烷氧基封端的

39.0 硅石，非晶态的，煅制的(fumed)

6.6 六甲基二硅氮烷

5.0 1，3-二乙烯-1，1，3，3-四甲基二硅氧烷铂络合物

2.9 十甲基环五硅氧烷

1.0 二甲基，甲基乙烯基硅氧烷，氢氧封端的

100份二甲基乙烯基甲硅烷氧基封端的聚二甲基硅氧烷，其中30摩尔百分比的甲基三氟丙基，粘度为9,300cst；1份氢氧封端的二甲基甲基乙烯基硅氧烷，粘度为40cst；39份表面处理过的煅制的(fumed)的硅石(平均表面积250m2/g)；与6.6份六甲基二硅氮烷混合直到达到均质性。在混合之后，材料在真空下被热处理，再次除去挥发物，从而形成一种基础材料。然后用下列成分稀释或冲淡：11份二甲基乙烯基甲硅烷氧基封端的聚二甲基硅氧烷，其中30摩尔百分比的甲基三氟丙基，粘度为680cst；2.9份十甲基环五硅氧烷，粘度为25cst；5份1，3-二乙烯-1，1，3，3-四甲基二硅氧烷铂络合物，其铂金属原子含量等于0.52重量百分比。完成的组合物混合直到达到均质性。最终的材料或组合物是一种可流动的硅酮糊剂，可以在90psig(620KN/m²)的压力下以186.9g/min的速度通过一个1/8″(3.175mm)的孔挤出。

表II

硅材料B组合物

份成分

110.0 二甲基，三氟丙基甲基硅氧烷，二甲基乙烯基甲硅烷氧基封端的

38.0 硅石，非晶态的，煅制的(fumed)

6.4 六甲基二硅氮烷

3.8 二甲基，氢甲硅烷氧基改性的硅石

1.0 二甲基，甲基乙烯基硅氧烷，氢氧封端的

0.2 1-乙炔基-1-环己醇

100份二甲基乙烯基甲硅烷氧基封端的聚二甲基硅氧烷，其中30摩尔百分比的甲基三氟丙基，粘度为9,300cst；1份氢氧封端的二甲基甲基乙烯基硅氧烷，粘度为40cst；38份表面处理过的煅制的(fumed)的硅石(平均表面积250m2/g)；与6.4份六甲基二硅氮烷混合直到达到均质性。在混合之后，材料在真空下被热处理除去挥发物，从而形成一种基础材料。然后用下列成分稀释或冲淡：10份二甲基乙烯基甲硅烷氧基封端的聚二甲基硅氧烷，其中30摩尔百分比的甲基三氟丙基，粘度为680cst；3.8份二甲基，氢甲硅烷氧基改性的硅石，具有0.96重量百分比的含硅原子的氢原子，粘度为25cp；0.2份1-乙炔基-1-环己醇，纯度为99％，用作混合系统的抑止剂。完成的组合物混合直到达到均质性。最终的材料或组合物是一种可流动的硅酮糊剂，可以在90psig(620KN/m²)的压力下以259.5g/min的速度通过一个1/8″(3.175mm)的孔挤出。

上述材料A和材料B的最终组合物以50∶50比例混合并在171℃下压制5分钟后在200℃下固化4小时，将具有以下特性：

表III

固化后的弹性体测试结果

性质 ASTM法* 结果

硬度计(肖氏A) ASTMD2240 44

可伸展性，断裂时(psi) ASTM412 693

断裂时的延伸率(％) ASTM412 293

撕裂，B型模(ppi) ASTM625 101

模数， 100％延伸(psi) ASTM412 193

*注：基于上述ASTM法的测试

例四

表I

硅材料A组合物

份成分

39.0 硅石，非晶态的，煅制的(fumed)

6.6 六甲基二硅氮烷

5.0 1，3-二乙烯-1，1，3，3-四甲基二硅氧烷铂络合物

2.9 十甲基环五硅氧烷

1.0 二甲基，甲基乙烯基硅氧烷，氢氧封端的

100份二甲基乙烯基甲硅烷氧基封端的聚二甲基硅氧烷，其中40摩尔百分比的甲基三氟丙基，粘度为25,000cst；1份氢氧封端的二甲基甲基乙烯基硅氧烷，粘度为40cst；39份表面处理过的煅制的(fumed)的硅石(平均表面积250m2/g)；与6.6份六甲基二硅氮烷混合直到达到均质性。在混合之后，材料在真空下被热处理除去挥发物，从而形成一种基础材料。然后用下列成分稀释或冲淡：11份二甲基乙烯基甲硅烷氧基封端的共聚物，其中40摩尔百分比的甲基三氟丙基，粘度为750cst；2.9份十甲基环五硅氧烷，粘度为25cst；5份1，3-二乙烯-1，1，3，3-四甲基二硅氧烷铂络合物，其铂金属原子含量等于0.52重量百分比。完成的组合物混合直到达到均质性。最终的材料或组合物是一种可流动的硅酮糊剂，可以在90psig(620KN/m²)的压力下以184g/min的速度通过一个1/8″(3.175mm)的孔挤出。

表II

硅材料B组合物

份成分

38.0 硅石，非晶态的，煅制的(fumed)

6.4 六甲基二硅氮烷

3.8 二甲基，氢甲硅烷氧基改性的硅石

1.0 二甲基，甲基乙烯基硅氧烷，氢氧封端的

0.2 1-乙炔基-1-环己醇

100份二甲基乙烯基甲硅烷氧基封端的聚二甲基硅氧烷，其中40摩尔百分比的甲基三氟丙基，粘度为25,000cst；1份氢氧封端的二甲基甲基乙烯基硅氧烷，粘度为40cst；38份表面处理过的煅制的(fumed)的硅石(平均表面积250m2/g)；与6.4份六甲基二硅氮烷混合直到达到均质性。在混合之后，材料被热处理除去挥发物，从而形成一种基础材料。然后用下列成分稀释或冲淡：10份二甲基乙烯基甲硅烷氧基封端的聚二甲基硅氧烷，其中40摩尔百分比的甲基三氟丙基，粘度为750cst；3.8份二甲基，氢甲硅烷氧基改性的硅石，具有0.96重量百分比的含硅原子的氢原子，粘度为25cp；0.2份1-乙炔基-1-环己醇，纯度为99％，用作混合系统的抑止剂。完成的组合物混合直到达到均质性。最终的材料或组合物是一种可流动的硅酮糊剂，可以在90psig(620KN/m²)的压力下以225g/min的速度通过一个1/8″(3.175mm)的孔挤出。

表III

固化后的弹性体测试结果

性质 ASTM法* 结果

硬度计(肖氏A) ASTM D2240 42

可伸展性，断裂时(psi) ASTM 412 900

断裂时的延伸率(％) ASTM 412 420

撕裂，B型模(ppi) ASTM 625 130

模数，100％延伸(psi) ASTM 412 260

*注：基于上述ASTM法的测试

如上所述，关于例1，密封材料必须抵抗燃料电池部件引起的老化。特别重要的是，抵抗PEM工作环境和可能用作冷却剂的各种液体的膨胀。

有几种方法已经用于确定对PEM工作环境的抵抗力。例如，密封材料薄片与PEM材料薄片接触，紧紧辊压并借助适当箍紧而固定。这种辊压卷然后放到一种酸性流体中，单独放到热的DI水(去离子水)中以提供一种加速老化试验。这样一种试验对上述密封材料用DI水加热到100℃。在暴露1个月后没有变硬或者裂化。

例5

表I

硅材料A组合物

份成分

39.0 硅石，非晶态的，煅制的(fumed)

6.6 六甲基二硅氮烷

5.0 1，3-二乙烯-1，1，3，3-四甲基二硅氧烷铂络合物

2.9 十甲基环五硅氧烷

1.0 二甲基，甲基乙烯基硅氧烷，氢氧封端的

100份二甲基乙烯基甲硅烷氧基封端的聚二甲基硅氧烷，其中70摩尔百分比的甲基三氟丙基，粘度为20,000cst；1份氢氧封端的二甲基甲基乙烯基硅氧烷，粘度为40cst；39份表面处理过的煅制的(fumed)的硅石(平均表面积250m2/g)；与6.6份六甲基二硅氮烷混合直到达到均质性。在混合之后，材料在真空下被热处理除去挥发物，从而形成一种基础材料。然后用下列成分稀释或冲淡：11份二甲基乙烯基甲硅烷氧基封端的聚二甲基硅氧烷，其中70摩尔百分比的甲基三氟丙基，粘度为1500cst；2.9份十甲基环五硅氧烷，粘度为25cst；5份1，3-二乙烯-1，1，3，3-四甲基二硅氧烷铂络合物，其铂金属原子含量等于0.52重量百分比。完成的组合物混合直到达到均质性。最终的材料或组合物是一种可流动的硅酮糊剂，可以在90psig(620KN/m²)的压力下以(136)g/min的速度通过一个1/8″(3.1 75mm)的孔挤出。

表II

硅材料B组合物

份成分

38.0 硅石，非晶态的，煅制的(fumed)

6.4 六甲基二硅氮烷

3.8 二甲基，氢甲硅烷氧基改性的硅石

1.0 二甲基，甲基乙烯基硅氧烷，氢氧封端的

0.2 1-乙炔基-1-环己醇

100份二甲基乙烯基甲硅烷氧基封端的聚二甲基硅氧烷，其中70摩尔百分比的甲基三氟丙基，粘度为20,000cst；1份氢氧封端的二甲基甲基乙烯基硅氧烷，粘度为40cst；38份表面处理过的煅制的(fumed)的硅石(平均表面积250m2/g)；与6.4份六甲基二硅氮烷混合直到达到均质性。在混合之后，材料在真空下被热处理除去挥发物，从而形成一种基础材料。然后用下列成分稀释或冲淡：10份二甲基乙烯基甲硅烷氧基封端的聚二甲基硅氧烷，其中70摩尔百分比的甲基三氟丙基，粘度为1500cst；3.8份二甲基，氢甲硅烷氧基改性的硅石，具有0.96重量百分比的含硅原子的氢原子，粘度为25cp；0.2份1-乙炔基-1-环己醇，纯度为99％，用作混合系统的抑止剂。完成的组合物混合直到达到均质性。最终的材料或组合物是一种可流动的硅酮糊剂，可以在90psig(620KN/m²)的压力下以(189)g/min的速度通过一个1/8″(3.175mm)的孔挤出。

表III

固化后的弹性体测试结果

性质 ASTM法* 结果

硬度计(肖氏A) ASTM D2240 46

可伸展性，断裂时(psi) ASTM 412 822

断裂时的延伸率(％) ASTM 412 384

撕裂，B型模(ppi) ASTM625 112

*注：基于上述ASTM法的测试

对材料测试了老化和与其它PEM成分的相容性，如例1和4。这样的密封材料被置于与PEM材料薄片接触，紧紧辊压并通过适当箍紧而固定就位。这种辊压卷随后放到酸性流体中，单独放到热的DI水(去离子水)中以提供一种加速老化试验。

这样一种试验对上述密封材料用DI水加热到100℃。在暴露1个月后没有变硬或者裂化。

一种替代的弹性体材料可以用于形成密封，而不用上述聚硅氧烷弹性材料，它们具有适当的粘度和流变学。这些替代的弹性材料例如可以包括下述中的一个或多个：乙烯丙烯酸类聚合物(Ethylene AcrylicPolymer)例如商标为Vamac，氟代弹性体例如商标为Viton，乙烯丙烯三元共聚物例如商标为Nordel(Viton和Nordel都是Du Pont DowElastomers L.L.C.Corp.的注册商标)。其它替代弹性材料还包括环氧树脂和热塑性弹性体。但应注意，在有些情况下，这些材料需要在填充电池组密封区域之前加热和/或不要求固化。

Claims

1.燃料电池组件，包括：

多个独立元件；

至少一个沟槽网络，延伸穿过燃料电池组件并包括至少一个用于该至少一个沟槽网络的填充口；

在每个沟槽网络内的一个密封，该密封在所述独立元件装配完后通过将密封材料注射到沟槽以填充沟槽网络就地形成，其中该密封在至少两个所述独立元件之间提供了一个阻挡从而限定一个用于燃料电池工作所需液体的腔室。

2.按照权利要求1所述的燃料电池组件，其特征在于，沟槽网络包括多个封闭的沟槽部分，每个沟槽部分包括至少一个在所述独立元件之一中面对另一个独立元件并由该另一个独立元件封闭的沟槽部分，由此形成所述的封闭沟槽部分。

3.按照权利要求2所述的燃料电池组件，其特征在于，至少几个所述封闭的沟槽部分每一个都包括一个第一沟槽部分，该第一沟槽部分在所述独立元件之一中面对另一个独立元件中的一个第二沟槽部分。

4.按照权利要求2所述的燃料电池组件，其特征在于，包括多个单个的燃料电池。

5.按照权利要求4所述的燃料电池组件，其特征在于，每个燃料电池包括多个独立元件，每个独立元件具有一个连接小孔，这些连接小孔形成一个穿过每个燃料电池延伸的沟槽网络的连接管道，其中单个燃料电池的连接管道互相连接并连到所述至少一个填充口，由此沟槽网络穿过多个燃料电池，使所有燃料电池的密封能够基本同时形成，其中密封通过注射液态弹性密封材料随后使该弹性密封材料固化而形成。

6.按照权利要求5所述的燃料电池组件，其特征在于，包括多个质子交换薄膜燃料电池，每个质子交换薄膜燃料电池包括一个阳极流场极板、一个阴极流场极板、一个位于阳极流场极板和阴极流场极板之间的包括一个质子交换薄膜的膜电极组件、一个在阳极流场极板和膜电极组件之间的第一气体扩散层和一个在膜电极组件和阴极流场极板之间的第二气体扩散层，其中至少阳极和阴极流场极板限定了小孔用于与其它燃料电池的小孔一起形成燃料、氧化剂和冷却剂的管道。

7.按照权利要求6所述的燃料电池组件，其特征在于，每个阳极流场极板和每个阴极流场极板具有容纳第一和第二气体扩散层的凹穴，其中每个燃料电池的没有被膜电极组件分开的阳极和阴极流场极板部分由一个绝缘子分开，由此第一和第二气体扩散层的压缩由所述凹穴的尺寸决定。

8.按照权利要求6所述的燃料电池组件，其特征在于，每对阳极和阴极流场极板的面对的表面具有基本平的相对面，气体扩散层和薄膜基本延伸到流场极板的边缘。

9.按照权利要求8所述的燃料电池组件，其特征在于，阳极和阴极流场极板的表面具有用于弹性密封材料的沟槽，弹性密封材料填充沟槽并渗透气体扩散层，从而与薄膜形成一个密封。

10.按照权利要求9所述的燃料电池组件，其特征在于，每个质子交换薄膜具有一个周边法兰，密封材料结合到该周边法兰上。

11.按照权利要求8，9或10所述的燃料电池组件，其特征在于，阳极和阴极流场极板的每个平的对置面具有用于气体的流场通道。

12.按照权利要求10所述的燃料电池组件，其特征在于，包括一个膜电极单元，该膜电极单元用于与另一个膜电极单元装配成一个更大的燃料电池组，燃料电池组件在其任一端的端面包括适于与另一个膜电极单元的端面匹配的端面。

13.按照权利要求12所述的燃料电池组件，其特征在于，至少一个所述端面有一个密封，以便与另一个膜电极单元的端面形成一个密封。

14.按照权利要求10所述的燃料电池组件，其特征在于，每个阳极和阴极流场极板在其一端具有一个第一燃料小孔、一个第一冷却剂小孔和一个第一氧化剂小孔，在其另一端具有一个第二燃料小孔、一个第二冷却剂小孔和一个第二氧化剂小孔；其中每个阳极和阴极流场极板在所述一端具有一个第一连接小孔，在所述另一端具有一个第二连接小孔，用于供给形成所述密封的材料。

15.按照权利要求14所述的燃料电池组件，其特征在于，

阳极流场极板在一个远离膜电极组件的后面上有一个沟槽网络部分，该沟槽网络部分包括围绕燃料和氧化剂小孔延伸和仅局部地围绕冷却剂小孔延伸的沟槽部分，由此使冷却剂可以在冷却剂小孔之间穿过所述后面流动，其中一个第二沟槽网络部分设置在阳极流场极板的前面上并包括围绕至少氧化剂和冷却剂小孔延伸的沟槽部分，阳极流场极板在其前面上包括一个通道网络，用于将燃料气体分配在第一气体扩散层上，

阴极流场极板在其后面上有一个远离膜电极组件的第三沟槽网络部分，该第三沟槽网络部分包括围绕氧化剂和燃料小孔和仅局部地围绕冷却剂小孔延伸的沟槽部分，由此使冷却剂可以穿过所述后面在冷却剂小孔之间流动；在阴极流场极板的前面的一个第四沟槽网络部分包括围绕至少燃料和冷却剂小孔延伸的沟槽部分，阴极流场极板在其前面上包括一个通道网络，用于将氧化剂气体分配在第二气体扩散层上。

16.按照权利要求14或15所述的燃料电池组件，其特征在于，每个连接小孔的定位使沟槽部分围绕冷却剂小孔和燃料小孔交叉。

17.按照权利要求16所述的燃料电池组件，其特征在于，沟槽部分的尺寸、形状和大小使填充时间基本相同，较长的沟槽部分设置较大的横截面，由此防止气穴出现。

18.按照权利要求17所述的燃料电池组件，其特征在于，具有在各个沟槽网络和燃料电池组件外部与燃料电池组件内部腔室中的至少一个之间延伸的排气口，所述排气口的尺寸允许空气逸出并且足够小以便在弹性材料中建立起压力，从而保证各个整个沟槽网络完全填充。

19.按照权利要求18所述的燃料电池组件，其特征在于，每个元件包括至少两个连接小孔和多个排气口，所述排气口在连接小孔之间基本等距，用于在填充各个沟槽网络的过程中将空气排出。

20.按照权利要求2所述的燃料电池组件，其特征在于，包括一个围绕燃料电池组件外部形成的外部密封层，与每个沟槽网络内的所述密封材料相同，其中在每个沟槽网络和燃料电池组件之间设置连接，所述外部密封层和所述每个沟槽网络内的密封同时就地形成。

21.按照权利要求20所述的燃料电池组件，其特征在于，其中燃料电池组件包括多个位于两个端板之间的单个燃料电池，其中外部密封层封装所有燃料电池并在两个端板之间延伸。

22.按照权利要求2所述的燃料电池组件，其特征在于，包括至少一个燃料电池和在一侧就地制成的密封，该密封适于抵靠在另一个燃料电池组件的另一侧上从而形成一个用于冷却剂的腔室，由此多个所述燃料电池组件可以装配到一起，形成一个在相邻燃料电池组件之间形成冷却剂腔室的大燃料电池单元组件。

23.按照权利要求1至10、12至15及17至22之一所述的燃料电池组件，其特征在于，密封材料包括下述中的至少一个：乙烯丙烯酸类聚合物，氟代弹性体，乙烯丙烯三元共聚物。

24.按照权利要求1至10、12至15及17至22之一所述的燃料电池组件，其特征在于，密封材料包括一种柔性的或刚性的环氧树脂。

25.按照权利要求1至10、12至15及17至22之一所述的燃料电池组件，其特征在于，密封材料包括一种热塑性弹性体。

26.按照权利要求25所述的燃料电池组件，其特征在于，热塑性弹性体包括一种聚酯弹性体。

27.一种电化学电池组件，包括：

多个独立元件；

至少一个沟槽网络，该沟槽网络穿过电化学电池组件并包括至少一个用于沟槽网络的填充口；

在每个沟槽网络内的一个密封，该密封在所述独立元件装配好之后就地形成，其中该密封在至少两个元件之间限定了一个阻挡，从而限定了一个用于电化学电池组件工作所需流体的腔室。