CN101208821B

CN101208821B - 密封垫和包括贴在双极板上的该密封垫的燃料电池单元

Info

Publication number: CN101208821B
Application number: CN2006800233683A
Authority: CN
Inventors: 达米安·勒马松; 格扎维埃·格利帕; 弗朗西斯·罗伊; 让-菲利普·普瓦罗-克鲁弗齐耶; 帕特里克·勒加洛
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA; Peugeot Citroen Automobiles SA
Current assignee: PSA Automobiles SA; Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2005-06-28
Filing date: 2006-06-23
Publication date: 2012-07-18
Anticipated expiration: 2026-06-23
Also published as: WO2007003742A2; US7713647B2; FR2887686A1; FR2887686B1; EP1897163A2; CN101208821A; JP2009510668A; EP1897163B1; JP5205676B2; US20080268324A1; WO2007003742A3

Abstract

本发明主要涉及一种燃料电池单元的密封垫(52)，用于安置在双极板(22)上，该密封垫以膜的形式存在，它的轮廓基本对应于所述双极板的外围框架，它包括与所述双极板(22)的反应物分布中央表面(46)基本吻合的中央开口(66)。本发明还涉及一种燃料电池单元，它包括膜电极组件(70)，所述膜电极组件(70)尤其包括作为阳极和阴极反应场所的活性区(74)和外围框架(75)，所述膜电极组件(70)被夹在两个双极板(22)之间，所述的密封垫安置在所述双极板上。

Description

密封垫和包括贴在双极板上的该密封垫的燃料电池单元

技术领域

本发明主要涉及一种燃料电池的密封垫。

本发明涉及一种包括贴有这样一种密封垫的双极板的燃料电池单元。

背景技术

燃料电池是一种基于燃料(通常为氢)和助燃剂(氧气或含氧气的气体例如空气)能够将化学能转化为电能的电化学装置，反应唯一的产物是水，同时释放热量并产生电。

在燃料电池内部，导致在电极发生反应的一般化学反应如下：

H₂+

O₂→H₂O

燃料电池可用于为所有的设备例如电脑、手机提供电能，而且它也能够用于确保机动车的驱动和/或在车辆中的电器设备的电力供应。

燃料电池可以由一个或多个单元组成。

参照图1，图1是现有技术的燃料电池单元，该单元(cellule)1包括质子传导电解质2，该电解质夹在阴极多孔电极3和阳极多孔电极4之间，它确保在这两个电极3、4之间的质子传递。

为此，电解质2可以是厚度在20至200μm的质子交换聚合物膜，所得的电池是PEMFC(即质子交换膜燃料电池)类型的电池。

由电解质2和两个电极3、4构成的组件形成了膜电极组件(AME)5，而膜电极组件本身又被夹在第一双极板6和第二双极板7之间，第一双极板6和第二双极板7用于确保电流的积聚(收集)、电极中助燃剂和燃料的分布(分配)以及载热流体的循环。

通常使用的双极板6，7是由具有良好抗腐蚀和导电性能的材料，例如含碳材料，如石墨、浸渍聚合物的石墨或者柔软的石墨片，通过加工或模塑成型而制成的。

也可以使用金属材料例如钛合金、铝合金和铁合金(如不锈钢)来制造双极板6，7。在这种情况下，双极板的成型可以通过对薄片的拉伸或冲压来实现。

为了确保助燃剂、燃料和载热流体分布在电池的所有构成单元中，第二双极板7包括六个孔7a，7b，7c，7d，7e，7f，其中三个孔7a，7b，7c规则地设置在该板7的上边缘8，另外三个孔7d，7e，7f以对称的方式同样规则地设置在该板7的下边缘9。

第一双极板6包括设置在与双极板7相同的地方的相同的孔，图1仅示出了上面的三个孔6a，6b，6c和下面的一个孔6d。

第一双极板6的孔6a，6b，6c，6d和第二双极板7的孔7a，7b，7c，7d，7e，7f应该对齐以确保在组装该电池时流体穿过电池的所有构成单元来循环。

在这些孔7a，7b，7c，7d，7e，7f，6a，6b，6c，6d的每个孔处，导管(未示出)可以用于供应或者回收载热流体、助燃剂或者燃料，这些载热流体、助燃剂或者燃料在板6，7的表面上或者在板6，7中在为此目的设置的管道或流体循环线路中循环，这些管道或流体循环线路将在下面详细描述。

参照图2，图2是沿图1的线II-II的剖视图，阴极电极3和阳极电极4每一个均包括各自的活性层10，11(其分别是发生阴极和阳极反应的所在地)和各自的插在活性层10，11之间的扩散层12，13以及对应的双极板7，6，该扩散层12，13可以是纸基体或碳织物。

扩散层12，13确保反应物(例如氢和氧)在相应的管道14，15中均匀扩散，管道14，15通过在相应的双极板7，6中形成凹槽来形成。

这样，通过扩散层13给阳极电极4的活性层11供应氢，在活性层11中发生如下反应：

H₂→2e^-+2H⁺ (1)

以相同的方式，通过扩散层12给阴极电极3的活性层10供应氧，在活性层10处发生如下反应：

O₂+2H⁺+2e^-→H₂O (2)

通过导电膜2的存在这些反应是可以发生的，导电膜2的存在确保了从阳极4的活性层11到阴极3的活性层10的质子传递。

至于所使用的流体性质和发生的电化学反应，在燃料电池的设计中，密封性是重点。

参照图3，图3示出了现有技术的燃料电池单元，该密封性可以通过插在对应的双极板6，7和膜电极组件5之间的具有圆形横截面16，17的密封垫来实现，膜电极组件5由活性区19和围绕该活性区19的框架18构成，该活性区19是电化学反应的场所。

参照该图示出的电池单元1的阳极部分，在电池组装中，密封垫17嵌入在双极板6上设置的、围绕反应物分布管道15的相配合的周边凹槽20。

在这个组装操作中，组件5的框架18靠在双极板6的整个周边上并压紧对应的密封垫16，这实现了在阳极部分和电极外部之间的密封性。

当然，对称地，在电池1的阴极部分，双极板7也包括容纳密封垫17并围绕该板的助燃剂分布管道(因为清楚起见，没有示出也没有标记)的周边凹槽。可以理解，被示出并标记的凹槽21和双极板7的分布管道14’属于与(电池)单元1相邻的(电池)单元的阳极部分。

同样凹槽20和阴极部分的双极板中的对应凹槽可以设置为圆形形状，这种情况下，使用的密封垫16是环形密封垫。

根据现有技术，密封垫16也可以是平的或者丝印(sérigraphié)的密封垫，在这种情况下，电池部件以及尤其是双极板6，7具有合适的形状。

也可以这样设计，密封垫在安装前定位在膜电极组件5上而不是定位在双极板上，在这种情况下，构成(电池)单元的部件也是适合的。

在图3示出的现有技术的装置中，尤其由于凹槽20中密封垫17的挤压变形，没有实现最佳的密封性。

发明内容

在这种背景下，本发明的目的尤其是提供一种可以解决上述问题的密封垫。

因此，本发明的密封垫52的特征在于，它以膜的形式存在，其轮廓基本对应于所述双极板的外围框架，它包括与所述双极板22的反应物分布中央表面46基本吻合的中央开口66。

优选地，密封垫52包括在所述中央开口的框架内部边缘67处的槽68，当组装电池时作为阳极和阴极反应场所的膜电极组件70的活性区74的阳极或阴极扩散层71a，73a至少部分抵靠在其上，同时还抵靠在所述双极板22的中央区域46处，所述密封垫还包括正面76，当组装所述电池时，所述组件70的外围框架75抵靠在所述正面76上而没有过度变形。

优选地，密封垫与所述双极板接触的表面具有至少一个与外围凸边47吻合的镂空部分69，所述外围凸边47在所述双极板 22上形成并且包围所述双极板22的至少中央区域46以便当组装电池时嵌入到所述密封垫52的镂空部分69中。

另外，这个与所述双极板接触的面包括至少一个与至少一个外围凸边33a，35a，40a，41a，23a，24a，27a，28a相吻合的镂空部分69，所述至少一个外围凸边33a，35a，40a，41a，23a，24a，27a，28a分别包围所述双极板中形成的至少一个开口33，35，40，41，23，24，27，28，这些开口分别形成载热流体进入装置、助燃剂进入装置、燃料进入装置或载热流体输出装置、助燃剂输出装置、燃料输出装置。

优选地，所述密封垫由强化的或者没有强化的和/或填充的(chargé)或者没有经填充的聚醚醚酮、聚四氟乙烯、氟橡胶(vitton)或者聚硅酮制造。

有利地，所述密封垫被模塑或者注入成型(injecté)以便所述镂空部分69与所述双极板22的所述凸边47，33a，35a，40a，41a，23a，24a，27a，28a吻合。

本发明还涉及一种燃料电池单元，它包括膜电极组件70，所述膜电极组件70尤其包括作为阳极和阴极反应场所的活性区74和外围框架75，所述组件被夹在两个双极板22之间，所述的密封垫贴(或安置)在所述双极板上。

优选地，所述膜电极组件70的阳极或阴极扩散层71a，73a抵靠在所述双极板的反应物分布中央区域46上以及至少部分抵靠在所述密封垫52的槽68上，所述膜电极组件70的外围框架75抵靠在所述密封垫52的正面76上，同时相对该膜电极组件70和所述密封垫52放置使得当组装和夹紧电池时不发生过度变形。

另外，所述膜电极组件70的外围框架75包括多个开口77，这些开口分别对应于所述双极板的开口33，35，40，41，23，24，27，28和所述密封垫的开口61，57，60，56，62，63，58，59以便当组装电池时所述外围框架的开口77、密封垫的开口61，57，60，56，62，63，58，59和所述双极板的开口33，35，40，41，23，24，27，28吻合并且使得所述外围框架75抵靠在所述密封垫52的正面76的整个表面上。

优选地，所述密封垫52是可拆换地搁置、粘着或者用复制模浇铸(sormouler)在所述双极板22上。

最后，本发明还包括燃料电池，所述燃料电池包括至少一个上述的单元(cellule)。

附图说明

参照附图，通过阅读以下描述，将更好地理解本发明，本发明的目的、优点和特征将更加清楚，附图示出了本发明装置的非限制性实施例，附图中：

图1是现有技术的燃料电池单元的分解透视图；

图2是沿图1的线II-II的剖视图；

图3是现有技术的燃料电池单元的分解透视图；

图4是双极板的正视图；

图5是本发明密封垫的上部面的正视图；

图6是本发明密封垫的下部面的正视图；

图7是双极板的上部部分的剖视图，包括了本发明的密封垫并与膜电极组件组装在一起。

具体实施方式

参照图4，本发明的双极板22具有长方形的形状。

板22包括载热流体进入窗口23，该窗口在板22的周边在第一纵向边缘31上纵向延伸，从第一纵向边缘始在板22中形成的载热流体导入管道25，26从该进入窗口23延伸到一个长方形中央表面的周边，在中央表面处它们在板22中穿过。

因此，这些管道25，26确保了载热流体自进入窗口23导入到板22中，由此导入的载热流体在整个厚度的板的中央表面处在示意性示出并标记为26a和25a的分布线路中流通。

双极板22还包括载热流体收集窗口27，该窗口在板22的周边在相对的第二纵向边缘32上纵向延伸，自该第二纵向边缘，在板22中形成的两个载热流体收集管道29，30从长方形中央表面46延伸到窗口27，该载热流体收集管道29，30能够收集已经在载热流体分布管道25a，26a中流通的载热流体。

在组装电池时，电池的所有构成单元的载热流体的进入窗口23和收集窗口27重叠(superposer)在一起，形成由载热流体的进入线路和载热流体的输出线路组成的载热流体流通线路。

板22还包括助燃剂的进入窗口33以及助燃剂的输出窗口35，该进入窗口设置在板22的周边并在板22的第一横向边缘34的第一二分之一部分上横向地延伸，助燃剂的输出窗口35设置在板22 的周边并基本在助燃剂进入窗口33的对角线处在相对的第二横向边缘36的二分之一部分上横向地延伸。

助燃剂导入管道37在板22中形成并从助燃剂的进入窗口33朝长方形中央表面46延伸，以便助燃剂从该导入管道37朝着在双极板22中的在长方形中央表面处形成的助燃剂分布管道37a扩散并扩散到助燃剂分布管道37a，助燃剂分布管道37a朝上开口，以便(助燃剂)在膜电极组件的阴极电极中扩散，阴极电极在图上未示出，阴极电极抵靠在双极板上，更具体地说，抵靠在下面将描述的中央区域46处。

助燃剂的收集管道39在板22中形成并从助燃剂的输出窗口35延伸到中央表面46以便助燃剂从分布管道37a朝输出窗口35扩散，同时通过收集管道39。

当组装电池时，电池的所有构成单元的窗口33和35重叠形成用于输送助燃剂的流体线路，该流体线路由助燃剂的进入线路和输出线路构成。

对称地，双极板22还包括燃料的进入窗口40，该窗口在第一横向边缘34的第二二分之一部分上横向延伸，燃料的输出窗口41在基本设置在进入窗口40的对角线上的、第二横向边缘36的一个二分之一部分上横向延伸。

双极板22还包括燃料导入管道42和燃料收集管道43，它们分别从燃料的进入窗口40和输出窗口41朝中央表面46延伸。

这样，燃料通过在双极板22中形成的燃料分布管道42a从进入窗口40流通到输出窗口41，该分布管道42a朝下开口用于在膜电极组件的阴极电极中扩散，该阴极电极在图上未示出，其靠在双极板下。

在组装电池时，电池的所有构成单元的窗口40和41重叠形成一个由燃料的进入线路和输出线路构成的用于输送助燃剂的流体线路。

当然，助燃剂的收集窗口和进入窗口的布置可以颠倒过来，例如使助燃剂的进入窗口33和收集窗口35以及燃料的进入窗口40和收集窗口41各自面对面而不是处在对角线上。

参照图4，双极板22包括设置在板22的整个周边的外围凸边47，该外围凸边47围住载热流体进入窗口23、助燃剂进入窗口33、燃料进入窗口40、载热流体输出窗口27、助燃剂输出窗口35、燃料输出窗口41和双极板22的长方形中央表面46。

该凸边可以确保被组装的电池内部和该电池外部之间的密封性。

而且，载热流体进入窗口23，助燃剂进入窗口33，燃料进入窗口40，载热流体输出窗口27，助燃剂输出窗口35，燃料输出窗口41均包括各自的凸边23a，33a，40a，27a，35a，41a，这些凸边分别确保电池组装(下文描述)时每个窗口23，33，40，27，35，41的密封性。

在载热流体进入窗口23和输出窗口27处，各自的最外面的凸边部分与板22的外围凸边接合，而在助燃剂和燃料对应的进入窗口33，40和输出窗口35，41处，双极板22的外围边47围住每个窗口33，40，41，35以及它的对应凸边33a，40a，41a，35a。

双极板22的外围边47以及载热流体进入窗口23、助燃剂进入窗口33、燃料进入窗口40，载热流体输出窗口27，助燃剂输出窗口35，燃料输出窗口41的各自凸边23a，33a，40a，27a，35a，41a可以通过冲压(emboutissage)或模锻(estampage)来制成，并且具有与双极板22的平面平行的平坦的正面48，该平坦正面48通过直的或倾斜的边缘49与双极板相连。

参照图5，本发明的密封垫52的上部面51是光滑的并具有双极板22外围框架的轮廓(profil)。

更具体地说，密封垫52的外围54是长方形的并且与双极板22的长方形外围55相吻合。

同样，密封垫52具有分别与载热流体的进入窗口和收集窗口23，27，助燃剂的进入窗口和收集窗口33，35和燃料的进入窗口和收集窗口40，41相吻合的六个窗口形状的开口56，57，58，60，61，62。

密封垫52还包括基本长方形的中央开口66，该开口大致与双极板的中央表面46吻合，以便在将该密封垫52安置在板22上时至少双极板22的中央表面46的分布管道37a不被密封垫覆盖。

在组装电池(下文描述)时，中央开口的框架内部周边边缘67限定了膜电极组件的扩散层的容纳槽(feuillure)68。

槽68的宽度使得当密封垫52组装到双极板22上时，该槽68至少覆盖载热流体导入管道25，26、助燃剂导入管道37、燃料导入管道42和载热流体收集管道29，30、助燃剂收集管道39和燃料收集管道43的、从载热流体进入窗口23、助燃剂进入窗口33、燃料进入窗口35和载热流体的输出窗口27、助燃剂输出窗口35和燃料输出窗口41的各自的周边边缘23a，33a，35a，27a，40a，41a到中央表面46的周边的部分。

参照图6，密封垫52的下部面具有与上部面51相同的轮廓(profile)，但包括在密封垫内形成的镂空部分69，这些镂空部分69对应于双极板22的外围凸边47、外围凸边23a，27a，33a，35a，40a，41a、载热流体的凸出导入管道25，26、助燃剂的凸出导入管道37，燃料的凸出导入管道42和载热流体的凸出收集管道29，30，助燃剂的凸出收集管道39，燃料的凸出收集管道43和集流管44a，44b，44c，44d，44e，44f，44g，44h，以便下部面嵌入双极板22并与该双极板22的每个凸出部分吻合。

当组装电池时，密封垫52放置或者粘着在双极板22上。

该密封垫52通过模塑制成以便具有与以上所述的双极板22的凸出部分相容(compatible，相配合)的几何形状。

下部面是双极板22的外围框架的负极(le négatif)，当组装时下部面靠在该双极板上。

参照图7，当组装电池时，膜电极组件70包括由阴极电极71、电解质72、阳极电极73和相应的阳极和阴极扩散层73a和71a(如背景技术所描述的)组成的活性区和外围框架75，该外围框架75形成电解质72的外延部分，该膜电极组件紧靠在双极板22上。

当组装时，阴极扩散层71a覆盖双极板22的整个长方形中央表面46以及密封垫52的槽68的至少一部分。

也可以设计成膜电极组件的阴极扩散层71a覆盖全部的槽68。

正如图7所示，膜电极组件70的外围框架75靠在密封垫52的上部面51的正面76上，这样，保证了活性区74以及载热流体进入窗口和输出窗口23，27、助燃剂进入窗口和输出窗口33，35和燃料进入窗口和输出窗口40，41的密封性。

因此，通过将膜电极组件70的外围框架75和活性区相对于配备有密封垫52的双极板22组装起来，槽68既使膜电极组件70居中又堵塞了助燃剂可能从分布管道37a或从阴极电极71朝(电池)单元的外部通过的通道。

事实上，为了确保活性区74和电池外部之间尽可能好的密封性，在组件70内部的外围框架75所处的高度使得该框架75靠在密封垫52的正面76上而没有过度变形，这可以确保膜电极组件70的活性区74和(电池)单元的外部之间的密封性而不会有该外围框架75剪切变形的危险。

自然地，阳极侧的对应双极板还包括与以上所述相同的密封垫。

当组装时，密封垫52在夹紧力的作用下弹性变形，该变形通过保持用于保证密封性的足够的夹紧力可以抵偿叠放的所有元件的制造公差区间。

由叠放产生的变形完全是弹性的，不必要对其他元件增塑，通过使用某些新的部件诸如其上安装有密封垫的双极板，能够有利地保证电池的可修复性。

同样有利地，通过冲压或模锻双极板外围框架5的成形赋予了该板用于保证密封性所需的线性作用力的足够的刚度。

Claims

1.一种燃料电池单元的密封垫(52)，用于安置在双极板(22)上，其特征在于，所述密封垫以膜的形式存在，它的轮廓基本对应于所述双极板的外围框架，所述密封垫包括与所述双极板(22)的反应物分布中央表面(46)吻合的中央开口(66)，以及所述密封垫包括在所述中央开口的框架内部边缘(67)处的槽(68)，当组装所述电池时作为阳极和阴极反应场所的膜电极组件(70)的活性区(74)的阳极或阴极扩散层(71a，73a)至少部分抵靠在其上，同时还抵靠在所述双极板(22)的中央表面(46)处，所述密封垫还包括正面(76)，当组装所述电池时，所述组件(70)的外围框架(75)能够抵靠在所述正面(76)上而没有过度变形。

2.根据权利要求1所述的密封垫，其特征在于，它与所述双极板接触的表面具有至少一个与外围凸边(47)吻合的镂空部分(69)，所述外围凸边(47)在所述双极板(22)上形成并包围所述双极板(22)的至少中央区域(46)以便当组装所述电池时嵌入到所述密封垫(52)的所述镂空部分(69)中。

3.根据权利要求2所述的密封垫，其特征在于，所述密封垫在它与所述双极板接触的面上包括至少一个与至少一个外围凸边(33a，35a，40a，41a，23a，24a，27a，28a)相吻合的镂空部分(69)，该至少一个外围凸边(33a，35a，40a，41a，23a，24a，27a，28a)分别包围所述双极板中形成的至少一个开口(33，35，40，41，23，24，27，28)，这些开口分别形成用于载热流体、助燃剂和燃料的进入装置和/或用于载热流体、助燃剂和燃料的输出装置。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的密封垫，其特征在于，所述密封垫由强化的或者没有强化的和/或填充的或者没有填充的聚醚醚酮、聚四氟乙烯、氟橡胶或者聚硅酮制成。

5.根据权利要求2或3所述的密封垫，其特征在于，所述密封垫被模塑或者注入成型以便所述镂空部分(69)与所述双极板(22)的所述凸边(47，33a，35a，40a，41a，23a，24a，27a，28a)吻合。

6.根据权利要求4所述的密封垫，其特征在于，所述密封垫被模塑或者注入成型以便所述镂空部分(69)与所述双极板(22)的所述凸边(47，33a，35a，40a，41a，23a，24a，27a，28a)吻合。

7.一种燃料电池单元，其特征在于，它包括膜电极组件(70)，所述膜电极组件(70)包括作为阳极和阴极反应场所的活性区(74)和外围框架(75)，所述膜电极组件(70)被夹在两个双极板(22)之间，根据权利要求1至6中任一项所述的密封垫安置在所述双极板上。

8.根据权利要求7所述的单元，其特征在于，所述膜电极组件(70)的阳极或阴极扩散层(71a，73a)抵靠在所述双极板的反应物分布中央区域(46)上以及至少部分抵靠在所述密封垫(52)的槽(68)上，所述膜电极组件(70)的外围框架(75)抵靠在所述密封垫(52)的正面(76)上，同时相对该膜电极组件(70)和所述密封垫(52)放置使得当组装和夹紧所述电池时不存在过度变形。

9.根据权利要求8所述的单元，其特征在于，所述膜电极组件(70)的外围框架(75)包括多个开口(77)，这些开口分别对应于所述双极板的开口(33，35，40，41，23，24，27，28)和所述密封垫的开口(61，57，60，56，62，63，58，59)以便当组装所述电池时所述外围框架的开口(77)、密封垫的开口(61，57，60，56，62，63，58，59)和所述双极板的开口(33，35，40，41，23，24，27，28)吻合并且使得所述外围框架(75)抵靠在所述密封垫(52)的正面(76)的整个表面上。

10.根据权利要求7至9中任一项所述的单元，其特征在于，所述密封垫(52)是可拆换地放置、粘着或者用复制模浇铸在所述双极板(22)上。

11.一种燃料电池，包括至少一个根据权利要求7至10中任一项所述的单元。