專利名稱：具有變化厚度的封口焊道的燃料電池板的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用來發電的改良燃料電池組件，并尤其涉及改良密封結構，該結構用于單個燃料電池板，電池板借助螺栓連接件固定在一起。
背景技術：
已知可以將彈性封口焊道(sealing beads)施加到燃料電池板的表面，以控制多個電池板之間的流體流動，這些電池板為此目的被層疊并用螺栓連接在一起。在一種通常的燃料電池結構中，多個這樣的電池板在燃料電池設備的傳統裝配期間以一個平行的、對置的模式夾在一起。這些板被彈性封口焊道隔開，彈性封口焊道粘接到任何兩個鄰接板的至少一個板的表面上。該封口焊道限定使流體在這些板之間流動的通路或通道，因此，正如本領域普通技術人員可以想到的一樣，流體電解液用來以這種方式傳遞能量。
平常的燃料電池中使用的電池板是脆性的，因為它們通常是由包括石墨的合成物形成。因此，在燃料電池構造、加工或修理期間，必須特別小心地處理電池板，以確保不會損壞或損害易碎板。這種小心的處理甚至還延伸到燃料電池的后加工處理，以避免脆性板在物理學上的彎曲或破裂。
使用穿孔螺栓連接件會使這種脆性問題特別地惡化，這些孔分布在層疊板的周圍。在這種情況下，孔可以與板的中間區域隔開明顯距離，該板包含流體封口焊道，封口焊道適于控制板之間的電解液流動。因此，當中間的流體封口焊道傾向于消除板周圍的螺栓的旋緊作用時，用來將板固定在一起的螺栓連接件的扭矩實際上會將彎矩引入板中。要注意的是，這種彎矩最終導致脆性板的破裂，特別在對燃料電池結構進行后加工處理過程中。
發明內容
本發明提供一種改進的燃料電池板結構，其中，封口焊道厚度在板表面上受到控制，該板包括那些在螺栓孔周圍的區域，螺栓孔用來將板固定在一起，這樣便有效地減輕了普通脆性板的過度應力或破裂問題。因此，包含本發明的多個平行層疊板，被多個不連續的封口焊道分隔開，這些封口焊道布置在任何兩個對置板的至少一個板上。在一個優選實施例中，通過網板印刷(screen printing)技術將封口焊道施加到板表面上，以形成適當厚度。封口焊道是彈性的，其最好由一種彈性材料形成，而且具有不同厚度或者板表面高度，以適應應力值變化，應力是在傳統燃料電池加工技術條件下，用螺栓將這些板連接在一起時產生的。因此，借助螺栓連接件將多個燃料電池板安裝在一起時，這些焊道用于在層疊板之間保持所需的間隔。
在一定程度上講，最高局部應力區域通常發生在直接鄰近螺栓孔的區域，本發明在螺栓孔周圍提供了封口焊道，封口焊道的高度或厚度比離開螺栓孔并且通常用于調節流體流動的流體封口焊道低。在同一優選實施例中，螺栓孔周圍的封口焊道的厚度雖然比流體封口焊道小，但是寬度卻更大。因此，相對共用同一板的流體封口焊道來講，本發明的燃料電池板在螺栓孔周圍具有封口焊道的補償厚度和寬度，以便于使燃料電池板的應力破裂和相關過早退化最小化。
附圖1是現有技術的一種燃料電池板的一個平面圖，該電池板只包括流體封口焊道；即，只在遠離孔的區域中的，或者與孔無關的封口焊道；附圖2是附圖1沿著線2-2的橫截面圖；附圖3是本發明一個優選實施例的一種燃料電池板的一個平面圖，其包括在流體通路區域和螺栓孔區域周圍的不同高度或厚度的封口焊道；附圖4是附圖3沿著線4-4的一個橫截面圖。
具體實施例方式
先參考附圖1和2，這些圖顯示了一種現有技術的燃料電池板10，該燃料電池板包括連續幾段傳統單個流體封口焊道16，該封口焊道形成的寬度和高度適合于在用螺栓將板10和12連接在一起后，適當控制封口焊道之間的流體通路區域18中的電解液流動。如圖所示，板12上沒有焊道，即使多個燃料電池板中一部分構成一個燃料電池，板12也可能包含與板10上所設置的焊道相似的連續焊道16。
現在具體參考附圖2，通常通過螺栓(圖中未示)將板10和12的一對配對螺栓孔20固定在一起。當旋緊時，螺栓4會將上板12的下側14向下拉，使其靠在彈性焊道16頂部。本領域普通技術人員容易想到，因疏忽而施加在螺栓上的過度轉矩(over-torquing)可能對焊道16造成過度擠壓，這樣會引起板10和12的遠離焊道16的螺栓連接區域(20)一起彎曲，并且在板上產生不希望有的彎曲應力。要注意，這些應力可能使板產生應力裂紋，這些裂紋最終會導致板過早破壞，并且由此過早破壞相關燃料電池裝置，特別是板由易碎合成物例如包含石墨的合成物形成時更是如此。
現在參考附圖3和4，一對配對燃料電池板30和32按本發明一個優選實施例構成。如圖所示，底板30包含彈性焊道36和38。為了方便描述，所示頂板32沒有焊道，但是如果其被包括在一疊平行石墨板中形成一個商用燃料電池組件，那么該頂板也可能包含焊道36和38。通常用于上述用途的燃料電池板的厚度各在四分之一英寸范圍內，而且常常包括便于流體流動的槽(圖中未示)。
焊道36被稱作流體封口焊道，而且連續幾段焊道36用來在借助螺栓連接件(圖中未示)穿過孔40將燃料電池板30和32螺栓連接在一起后，將適當流體通道44和46保持在燃料電池板30和32之間。在一個第一優選實施例中，連續流體封口焊道36具有一致的或單一的厚度“T”，如圖4所示。通常，厚度“T”應當大約為0.10英寸。
另一方面，焊道38充當螺栓載荷補償焊道，而不是充當封口焊道。因此，焊道38被稱作載荷補償焊道，而且基于此目的，焊道38設置在每個螺栓孔40周圍。焊道38具有一個一致的、更小的厚度“t”，以適應于板30和32的螺栓連接區域(40)處的更高預期局部載荷。厚度“t”大約為0.05英寸。焊道38也基本上寬于焊道36，以將更高螺栓連接載荷分散在一個更大區域中。因此，焊道38特別適合于消除板的彎矩，該彎矩與燃料電池板30和32的螺栓連接(boltingtogether)相關。
在這個所述優選實施例中，連續焊道36在板32和30之間充當一個彈性隔離物。連續焊道36的內邊緣限定所述燃料電池電解液流體通道44和46。這些通道44和46通常被限制到板的中間區域，同時螺栓載荷補償焊道38通常會處于孔40處，孔40繞著板30和32的周圍邊緣。現在參考附圖4，本領域技術人員可以想到的是，載荷補償焊道38的厚度必須小于封口焊道36。而且，如果焊道38還寬于焊道38，將會特別有利。因此，更薄但更寬的螺栓孔補償焊道38可以有效地抵抗板的彎曲。為了直觀地理解這個概念，可以顛倒如圖4所示的各個焊道36和38的相對厚度。由此完全可以認識到，板30和32周圍邊緣48處的較厚焊道38不利于上板32向下固定到焊道36的頂部來適當地將通道44和46密封。甚至孔40的螺栓連接產生的壓縮力會全部保持在板邊緣48周圍。
現在具體參考附圖3，兩者都最好是彈性材料的彈性焊道36和38的沉積可以通過網板印刷來實現。本領域普通技術人員可以理解，網板印刷可以調節所需厚度和寬度以獲得所建議的結構。
最后，即使所述焊道36和38的厚度一致，本發明可以設想，焊道也可以另一方面隨與螺栓孔的距離的變化而變化。因此，各個焊道36和38具有不同厚度，每個厚度作為每個螺栓孔與任一焊道任何部分的接近的函數，適合于用來減少板應力的變化。但是，正如本領域普通技術人員可以理解的一樣，在各個情況下，第一封口焊道在離任何一個所述孔都最遠的點處具有其最大厚度。
要理解的是，上面的描述是用來起說明作用的而不是起限定作用的。本領域普通技術人員在閱讀上面的描述之后，很容易想到多個實施例。因此，本發明的范圍不是與上面的描述相關，而是應當確定為與附屬的權利要求書相關，并且包含這些權利要求的等同替換的全部范圍。
權利要求
1.一種裝置，包括至少兩個平行排列、對置但是隔開、而且彼此靠近的板，各個所述板包括至少一個螺栓孔，一個板的各個所述孔與另一個板的至少一個孔對齊，一個第一彈性焊道分布在與所述孔隔開的一個所述板的部分表面上，所述焊道具有一個第一厚度，且適合在所述板之間構成一個彈性隔離物，且其中當借助螺栓連接件穿過所述孔將所述板固定在一起時，所述隔離區域在所述板之間構成密封通道；一個第二彈性焊道設置在所述一個板的所述孔的周圍而且鄰近所述孔，所述第二彈性焊道具有一個第二厚度，該第二厚度小于所述第一焊道的所述第一厚度，所述第一和第二焊道的所述不同厚度減少了在用螺栓固定所述板時貫穿板的應力值的變化。
2.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述彈性焊道由一種彈性材料構成。
3.根據權利要求2所述的裝置，其特征在于，所述第二彈性焊道比所述第一焊道寬。
4.根據權利要求3所述的裝置，其特征在于，所述板是燃料電池板，該電池板由一個相對脆的材料形成。
5.根據權利要求3所述的裝置，其特征在于，所述板是燃料電池板，該電池板由石墨材料形成。
6.根據權利要求4所述的裝置，其特征在于，多個所述燃料電池板夾在一起，各個板在其一側設有所述第一和第二彈性焊道。
7.根據權利要求6所述的裝置，其特征在于，在各個板上形成有多個所述孔，其中，所述孔的多數位于任何給定板的邊緣。
8.根據權利要求7所述的裝置，其特征在于，所述第一和第二彈性焊道分別充當流體封口焊道和穿孔螺栓載荷補償焊道。
9.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述第一和第二彈性焊道有多個厚度，各個厚度隨所述板中每個螺栓孔鄰近所述第一彈性焊道的變化而減少板應力的變化。
10.根據權利要求9所述的裝置，其特征在于，所述螺栓孔分布在所述板周圍，且其中，第一彈性焊道有一個厚度，該厚度隨任一所述孔鄰近所述第一彈性焊道的變化而變化，其中所述第一彈性焊道在離任一所述孔最遠的點處具有最大厚度。
全文摘要
一種燃料電池裝置，包括至少兩個對置的平行板，這些板層疊在一起，但是通過分布在至少一個板上的彈性封口焊道隔開。這些彈性封口焊道便于控制板之間的流體例如電解液流動，并且由此被稱作流體封口焊道。各個板包括至少一個螺栓孔，螺栓孔用來以上述對置但是隔開的方式將兩個板固定在一起。設置在孔周圍的分離的焊道充當孔載荷補償焊道。在一個優選實施例中，流體封口焊道具有一個一致的厚度，同時孔補償焊道具有小于流體封口焊道的另一個厚度。但是在同一實施例中，孔補償焊道比流體封口焊道寬。在另一個實施例中，流體封口焊道的厚度作為流體焊道任何部分與螺栓孔的距離的函數，可以變化，孔補償焊道的厚度減少，以適應螺栓連接部的通常預期的較高的應力載荷。因此，當螺栓載荷由此更一致地遍布于板區域上時，本發明在配對板上產生一種改進的載荷應力分布。
文檔編號H01M8/02GK1528025SQ02805598
公開日2004年9月8日 申請日期2002年2月22日 優先權日2001年2月27日
發明者陳清河, W 波皮耶拉斯, 弗蘭克·W·波皮耶拉斯, G 沙阿, 卡努·G·沙阿, F 珀森, 丹尼斯·F·珀森 申請人:達納公司