專利名稱：聚合物電解液燃料電池的密封結構的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種聚合物電解液燃料電池的密封結構，具體地說，涉及防止反應氣體或冷卻劑等經由雙極板和膜電極組件之間的結合處泄漏的聚合物電解液燃料電池的密封結構。
背景技術：
通常，聚合物電解液燃料電池通過包含氫的燃料氣體和包含氧的氧化劑氣體的電化學反應產生電能和熱量。聚合物電解液燃料電池能夠工作在70-80℃的低溫下，并且能夠維持大電流密度。由于這些原因，聚合物電解液燃料電池具有快速啟動性能，可以被小型化，并且可以被制成重量輕的電池，因而適于例如便攜式電源、車輛電源、供氣和發電的住宅設備等的應用中。
圖1示出了聚合物電解液燃料電池的一個實施例，該電池包括包含聚合物電解液薄膜和電極的膜電極組件(MEA，10)、釋放反應中使用的氣體到電極并且排出反應產物的氣體擴散層(流體分布層，12)、從外部供應反應氣體和冷卻劑并把氧化電極(陽極)與還原電極(陰極)分開的導電雙極板(隔板，14)等。燃料電池是通過根據需要堆疊許多這些膜電極組件、氣體擴散層和雙極板構成的，并且堆形成具有由設備從外部給出的合適壓力的單一主體，因而每個單元電池不會超線或滑動。
在膜電極組件(10)和雙極板(14)的上部和下部中還形成許多支管(20)，以供應或排出反應中需要的氫、氧和需要用來冷卻反應熱量的冷卻劑。并且從外部供應的氫、氧和冷卻劑通過堆外面的導管、雙極板的支管和形成在每個單元電池的雙極板上的氣體流路被送到電極中。
另一方面，應該包括一個密封裝置以防止氫、氧和冷卻劑從每個支管和氫與氧反應的反應地點泄漏。然而，在燃料電池中，由于其自身特性，經常停止會重復，并且由于化學反應產生的熱量，在燃料電池的運行中頻繁地發生膨脹和收縮。因此，用于燃料電池的密封結構必須在頻繁膨脹和收縮的情形下發揮密封性能，并且僅當處于膨脹和收縮中的燃料電池的每個元件中出現的應力分布盡可能均勻時，才可以防止疲勞破壞。
為此，在電極和支管周圍放置墊圈。由于其易于制造的優點和小厚度偏差，玻璃纖維加強的硅片或聚四氟乙烯片經常被用作密封燃料電池的墊圈。
這種加強的硅片或聚四氟乙烯片具有由內部玻璃纖維支持的優良的機械強度，因而它可以在堆被固定時在過度壓力下保持其機械抵抗力。但是收縮和復原的比率不是很高，導致在燃料電池運行時，氣體在由熱量和水造成的膨脹部分泄漏。此外氣體可以通過墊圈表面泄漏，這是因為表面粗糙且材料相對較硬。
另外一個缺點是，如果在堆被固定時厚度比氣體擴散層厚，因為機械強度大于通常用作氣體擴散層的碳紙或碳布的機械強度，抵抗力增加，并且氣體擴散層和雙極板之間的接觸不是足夠緊。相反，如果它太薄了，氣體會因為墊圈表面上的壓力不夠而泄漏。因此難以確定合適厚度。
密封燃料電池的另一個方法是使用具有優良彈性恢復力和柔軟特性的包含硅、氟或烯烴的橡膠作為墊圈材料。制造墊圈的方法有下面幾種使用金屬模具制造為O形圈形狀；通過直接放在雙極板上使用金屬模具噴射澆鑄；和以制造橡膠墊圈的方法使用分配器等制造墊圈。
然而，使用金屬模具制造O形圈形狀的墊圈的方法具有下面的缺點在制造墊圈后，在固定堆時，它必須一個接一個地被放在雙極板的表面上。通過直接放在雙極板上使用金屬模具噴射澆鑄的方法也有缺點，那就是在制造墊圈時，金屬模具的形狀和尺寸必須與墊圈相同。
此外，使用分配器制造墊圈的常規方法是把密封劑放入噴射器中并且擠壓它，因而具有在起始點和終止點的橡膠厚度不能被均勻設置的問題。也就是說，由于使用X-Y軸機器人操作的分配器沿密封槽的路線填充液態橡膠材料，在預先在雙極板上形成具有合適寬度和深度的密封槽后，橡膠在起始點和終止點重疊，因而厚度變得比其余部分大。
由此在固定堆時，雙極板和膜電極組件上的表面壓力變得不均勻，因而不僅密封性能被降低，而且在長時間重復使用的情況下，這種不均勻的應力分布縮短了疲勞破壞的預期壽命。
發明內容
本發明致力于克服常規技術的缺點，本發明的一個目標是提供一種聚合物電解液燃料電池的密封結構，其結構不僅在盡管發生墊圈厚度偏差的情況下仍不降低密封性能，而且可以把不均勻的應力分布分散到雙極板和膜電極組件上。
本發明的另一個目標是提供一種聚合物電解液燃料電池的密封結構，其中橡膠可以被使用相對較容易操作的分配器填充到形成在雙極板上的密封槽中，以具有完全均勻的高度，通過防止表面上的不均勻壓力來改進密封性能，并且延長產品的預期壽命。
為了解決上述技術問題，本發明包括雙極板，具有將被使用分配器填充橡膠的密封槽；墊圈，置于所述雙極板和膜電極組件之間。
根據本發明，在使用分配器將橡膠填充到形成在雙極板上的密封槽后，通過將墊圈置于橡膠填充部分和膜電極組件之間可以吸收墊圈的厚度差。還可以解決應力分布不均勻的問題，這是因為不管橡膠的厚度偏差，墊圈以一定壓力覆蓋，因而應力不被直接傳輸到膜電極組件上，并且不管不均勻的應力分布，應力被墊圈分散。
理想的是，所述密封槽被形成在所述雙極板的反應地點周圍，以及氫、氧和冷卻劑支管的周圍中。
另一方面，在使用分配器的情形中，因為在起始點和終止點的厚度相對大于其它部分的厚度，理想的情況是進一步包括支撐件(anchor)，該支撐件與密封槽接觸，其寬度大于密封槽的寬度。
也就是說，通過控制分配器從支撐件開始并在支撐件結束填充橡膠，在起始點和終止點的厚度可以是均勻的。并且支撐件的寬度足夠寬，盡管由于在起始點與終止點的部分重疊使厚度暫時增加，但是通過向右和左擴散橡膠，厚度變得均勻。
優選支撐件具有密封槽寬度1.5倍的寬度。因此，由于橡膠被過度擴散因而其厚度比密封槽薄，可以防止橡膠密封性能損壞。
理想的是，密封槽和支撐件具有相同深度，以使分配器以相同速度移動。
這是因為，在所述支撐件的深度與所述密封槽的深度不同的情形中，它可能引起例如所述分配器的不同移動速度來填充直到槽表面的不便。
另一方面，只要支撐件與密封槽接觸，它可以被設置在任何地方。就是說，通過向右和左擴大所述密封槽的部分寬度，可以形成支撐件。但是，更理想的是，支撐件被垂直于密封槽的路線方向在密封槽周圍形成。
也就是說，由于操作特性，填充在所述支撐件部分的橡膠的厚度大于填充在所述密封槽部分中的橡膠厚度，并且當所述雙極板被固定到燃料電池堆時，比內部部分相對更大的力施加于雙極板的周圍。因此，通過在密封地點的周圍形成支撐件，施加于所述周圍的壓力可以被有效地吸收，并且因此施加于所述整個雙極板的壓力可以被均勻地分布。在此方面，更理想的是在位于膜電極組件前后的每個所述雙極板上的支撐件在燃料電池固定為堆時被彼此對稱地設置。
另一方面，橡膠由包含硅、氟或烯烴的橡膠材料的任意一種制成。
還理想的是，墊圈以與雙極板相同的材料制造，以防止由熱膨脹率的不同引起的變形和不均勻應力分布。
本發明還包括一種包含上述密封結構的聚合物電解液燃料電池。
圖1為示出聚合物電解液燃料電池一般結構的分解透視圖。
圖2為示出根據本發明的聚合物電解液燃料電池密封結構的一個實施例中的雙極板的前視圖。
圖3為示出圖2中放大的A部分的透視圖。
圖4為對應于圖1的視圖，示出了應用圖2中所示的雙極板的聚合物電解液燃料電池。
圖5為示出圖4中所示的聚合物電解液燃料電池的裝配前狀態的垂直橫斷面視圖。
圖6為示出圖5中所示的聚合物電解液燃料電池的裝配后狀態的垂直橫斷面視圖。
具體實施例方式
下面將參照附圖更詳細地說明根據本發明的聚合物電解液燃料電池的實施例。在本發明中，燃料電池的基本的功能原理和過程與常規相同，因而省略這些方面的描述。
參見圖2，在本實施例的雙極板100的中心部分，形成了氫和氧反應的反應地點102，在上部形成支管104、106和108，氫、氧和冷卻劑中的每一個都在那里被供應。在下部還形成了用來排出冷卻劑、氧和氫中的每一個的支管104′、106′和108′。
雙極板100起到如下作用使得氫和包含氧的空氣不在燃料電池中混合，使得膜電極組件被電連接，還用作堆疊的單元電池的機械支撐件。它還起到如下作用使反應氣體平穩地流向電極，通過充足的水管理使得薄膜不會干燥，排出還原電極中產生的水。雙極板100的材料可以使用石墨或碳化合物，也可以使用金屬板。在使用金屬板的情形下，它可能會被腐蝕，因而必須用高導電、抗腐蝕的材料涂覆表面。在此實施例中，使用碳化合物作為雙極板100的材料。
另一方面，在反應地點和每個導管的周圍形成密封槽110和110′，并且以橡膠填充的密封槽被示出在圖2和圖3中。這里，在位于反應地點中的密封槽110的左下部，形成了向雙極板100的外部延伸的支撐件112，其寬度為密封槽110的寬度的1.5倍。密封槽和支撐件可以用計算機數控(CNC)處理或按壓金屬模型等形成，在示出的實施例中，密封槽110被形成為具有0.3毫米的深度和2毫米的寬度，而支撐件12被形成為具有0.3毫米的深度和3毫米的寬度。此時，橡膠從分配器(未示出)被排出，并具有1.2毫米的寬度和0.6毫米的厚度。也就是說，橡膠以從雙極板的表面部分凸出的狀態被填充到密封槽中，并且密封槽和支撐件的確定尺寸是可以根據燃料電池要求容量和尺寸改變的。
如圖3中所示，如果填充橡膠的工作從支撐件12開始并在支撐件12結束，因為支撐件被足夠寬地形成，盡管填充進的橡膠的厚度是不均勻的，但是它貫穿左右擴散，起始點與終止點重疊，并且橡膠的厚度變得均勻。
在橡膠被填充進密封槽和支撐件后，如果雙極板被在100℃的爐中熱處理30分鐘，液態橡膠被干燥為固態。另一方面，橡膠也被用與上述相同的方法填充進氫、氧和冷卻劑支管的周圍。
參見圖4至圖6，普通的膜電極組件300用上述雙極板100設置在燃料電池的中心，一對墊圈200、200′與膜電極組件300的前側和后側接觸，具有每個對應于反應地點102、氫、氧和冷卻劑支管104、106、108、104′、106′、108′的部分202、204、206、208、206′、208′，并且一對雙極板100、100′被粘附到外部。
一對氣體擴散層310、310′被粘附到膜電極組件300的前側和后側的中心，并且墊圈200的對應于反應地點的部分202的邊緣被保持接觸地粘附到氣體擴散層310的側面，因而膜電極組件300充當結構支撐件，以使整個厚度一致。上述氫、氧和冷卻劑支管304、306、308被形成在膜電極組件300的上部和下部。
在圖5中，橡膠110、110′從表面凸出一定量，但是在圖6中示出的裝配后狀態中，橡膠保持被墊圈200表面按壓和粘附的狀態，因此盡管墊圈的厚度不均勻，仍然可以由橡膠防止泄漏。此外，不是因為由按壓橡膠壓力的反作用力施加的應力不會被直接傳輸到膜電極組件，而是因為它通過墊圈被均勻擴散地傳輸，從而防止了由于不均勻應力分布的變形和破壞。
根據包括如上所述的本發明，不僅因為橡膠和墊圈雙重密封大大改進了密封性能，而且在橡膠或墊圈的表面不均勻的情形下，它被相互作用緩沖和補充，因此它具有如果被長期重復使用也可以保持其初始密封性能的優點。
也就是說，盡管墊圈厚度出現偏差，但是它與從雙極板部分凸出的橡膠接觸，并且可以在墊圈處理時降低微細處，因此不僅可以降低制造成本，還可以更靈活地實現設計。并且在由分配器排出的橡膠表面不均勻的情形下，不僅因為它是以墊圈表面被按壓的狀態被裝配而使完全密封成為可能，而且可以最小化不均勻應力分布造成的問題，這是因為盡管由橡膠產生的應力是不均勻的，但是應力被通過墊圈擴散傳輸到膜電極組件。
還可以通過在以橡膠填充的密封槽的部分中設置支撐件，獲得以下效果不僅可以最小化由分配器填充的橡膠在起始點和終止點的厚度偏差，而且可以通過減少橡膠材料的損失降低生產成本。
權利要求
1.一種聚合物電解液燃料電池的密封結構，包括雙極板，具有將被使用分配器填充橡膠的密封槽；和墊圈，置于所述雙極板和膜電極組件之間。
2.如權利要求1所述的聚合物電解液燃料電池的密封結構，進一步包括與所述密封槽接觸的支撐件，該支撐件的寬度大于所述密封槽的寬度。
3.如權利要求2所述的聚合物電解液燃料電池的密封結構，其中所述支撐件的寬度是所述密封槽寬度的1.5倍。
4.如權利要求3所述的聚合物電解液燃料電池的密封結構，其中所述密封槽和所述支撐件具有相同深度。
5.如權利要求1所述的聚合物電解液燃料電池的密封結構，其中所述支撐件被垂直于所述密封槽的路線方向在所述密封槽的周圍形成。
6.如權利要求5所述的聚合物電解液燃料電池的密封結構，其中設置在所述膜電極組件前后的每個所述雙極板上的所述支撐件的位置彼此對稱。
7.如權利要求1所述的聚合物電解液燃料電池的密封結構，其中所述橡膠由包含硅、氟或烯烴的橡膠材料的任意一種制成。
8.如權利要求1所述的聚合物電解液燃料電池的密封結構，其中所述墊圈以與所述雙極板相同的材料制造。
9.一種聚合物電解液燃料電池，包含權利要求1到8中任意一項所述的密封結構。
全文摘要
本發明涉及一種聚合物電解液燃料電池的密封結構，包括雙極板，具有將被使用分配器填充橡膠的密封槽；墊圈，置于所述雙極板和膜電極組件之間。也就是說，根據本發明，在使用分配器將橡膠填充到形成在雙極板上的密封槽后，通過將墊圈置于橡膠填充部分和膜電極組件之間可以吸收墊圈的厚度差。還可以解決應力分布不均勻的問題，這是因為不管橡膠的厚度偏差，墊圈以一定壓力覆蓋，因而應力不被直接傳輸到膜電極組件上，并且不管不均勻的應力分布，應力被墊圈分散。
文檔編號H01M8/02GK1771621SQ03826499
公開日2006年5月10日 申請日期2003年6月23日 優先權日2003年6月2日
發明者金淏碩, 辛美男, 洪炳善, 吳性鎮, 梁哲南, 徐龍重 申請人:燃料電池動力有限公司