專利名稱：用于最小化從電池堆的反應物外部泄漏的外部歧管的制作方法
用于最小化從電池堆的反應物外部泄漏的外部歧管
背景技術：
本發明總體上涉及用于堆組件的歧管，并且更具體地，涉及用于燃料電池堆組件的外部歧管。再具體地，本發明涉及可以設置在泄漏敏感環境中的用于燃料電池堆組件的外部歧管。在電池堆組件中，使用內部的反應物歧管和冷卻劑歧管及外部的反應物歧管和冷卻劑歧管是已知的。內部歧管大體上包括設置在構成電池堆組件的電池的各個板內的通道。這使得這些板本身比制造成與外部歧管一起使用的板更昂貴。內部歧管在每個電池的板之間具有潛在泄漏路徑，泄漏借助該路徑可“向板外流”到外部環境。雖然外部歧管也會泄漏氣體到外部環境，但是更容易實現這種泄漏的避免。電池堆組件和相關歧管的運行地點經常決定了環境可以容忍的氣體(通常為反應物)泄漏水平。實質上，在一些實例中，如果泄漏區域可以用空氣等凈化時，相對較大的泄漏是可以容忍的。通常，各種閉合空間，像例如容納人的車輛環境，是相對更泄漏敏感的，即更不容忍泄漏的，并且凈化泄漏的能力可能是很有限或不實際的。外部歧管由歧管殼體、歧管密封墊圈、以及將歧管保持為緊緊地壓靠在電池堆邊緣上的機械加載或限制系統。示出在圖1中和圖2的剖面圖中的US專利No. 4，345，009的燃料電池模塊10是現有技術已知的外部歧管和防漏系統的一個實例。圖2的右下角是模塊10圖1中指向觀察者的角。模塊10包括燃料電池14的堆12。如圖3所示，每個燃料電池14包括透氣的陽極電極16和與之間隔設置的透氣的陰極電極18，其中層21，例如保持液體電解質的基體或質子交換膜(PEM)，設置在它們之間。每個電極16、18包括分別在它們的臨近層20的表面上的極薄催化劑層19、21。導電的、不透氣板22可以分隔堆12內的相鄰燃料電池。在堆內的每個燃料電池可以包括一個分隔板以便術語“燃料電池”將包括堆的包括一個分隔板的重復單元。這個示例實施例的燃料電池可能與US專利No. 4，115，627所示的相同，在 4115627所示的中電解質是磷酸。然而，如在US專利No. 6，024，848中的，具有質子交換膜電解質的燃料電池堆在歧管和它們完整性方面具有相似的需要。在這個實施例中，每個第三燃料電池14'(圖3)包括設置在電極16與分隔板22 之間的冷卻劑輸送層對。在平面內穿過這個層M的是冷卻劑輸送通道沈。冷卻劑流動通過這些通道帶走燃料電池產生的熱。堆需要的冷卻劑層M和通道沈的數量由在此未提及的多個不同因素決定。雖然為了簡便冷卻通道26顯示為延伸到表面32，但在實際燃料電池堆中它們將僅在鄰近該電池兩個角的區域內才延伸到表面32。用頂部和底部扁平石墨電流收集塊27、觀完成堆14，這兩個塊分別結合到堆的每一端處的分隔板22，以及壓力板 66、68。如在附圖中所示的，堆部件16、18、20、22、對、27和觀的外邊緣形成四個向外朝
向、幾乎平坦的表面，這些表面是堆12的外表面。圖3中示出了這些表面中的兩個表面30、 32的一部分。四個表面的每個基本上完全由反應氣體歧管覆蓋。空氣或氧氣氣體進入歧管 34覆蓋表面30，而燃料或氫氣氣體進入歧管36覆蓋表面32。相對的表面由空氣排出歧管38和燃料排出歧管40覆蓋(圖2)。剛剛描述的歧管布置結合了在堆的與進入歧管相對的每一側上的排出歧管。然而，如在US專利No. 3，994，748中所示，覆蓋堆的一個表面的燃料歧管可以分成兩個隔間以用作進入和排出歧管，而在堆相對表面上的歧管用作混合歧管，相同的結構可以用于空氣。陽極電極16和陰極電極18都包括相對厚的基板，所述基板具有形成在其側面上、 分別限定反應氣體通道42、44的肋條。燃料氣體通道42輸送氫氣或富氫氣體從燃料進入歧管36到燃料排出歧管40地穿過電池。空氣通道44輸送空氣從空氣進入歧管34到空氣排出歧管38地穿過電池。每個基板的與具有肋條(及因此氣體通道)相對的平坦表面具有設置在其上的催化劑層19、21。石墨塊27、觀具有與其他的堆部件相同的外部尺寸，并且它們的向外朝向表面 (其中的兩個50和52可以在圖3中見到)為每個歧管的頂部和底部密封凸緣M、56提供平滑密封表面。要求在堆的一個端部處的厚塊適應在堆高度(或者長度，依賴于堆的方向) 方面的可能的差異，該差異可能產生于在堆12內的成千上百個部件的厚度方面的極小的公差的累積。例如，400個每個具有大小為0.01cm (士0.004英寸)的公差的厚度大約為 0. 64cm (0. 25英寸)的電池組成的堆的整體高度可以在從250到258cm (98. 4到101. 6英寸)之間。另一方面，歧管具有固定的高度(長度)。因此需要較大的塊厚來確保在已經施加期望的壓縮力到堆之后，頂部和底部凸緣M、56都設置在塊27、28的平滑密封表面的某個位置上，如下文解釋的。如圖2最佳所示，側凸緣58在堆的沒有反應氣體通道的角部附近密封抵靠在該堆 12的豎直延伸的外表面上。密封材料，例如多孔聚四氟乙烯，設置在歧管凸緣M、58與堆的表面之間。鋼帶60 (圖1和2)環繞堆歧管，并且保持它們與堆和石墨塊的密封關系。連接每個鋼帶端部的緊固件62允許將鋼帶緊固到必要程度以確保足夠密封。為了獲得在燃料電池和堆12的不同部件之間良好的電、熱和密封接觸，模塊10包括約束系統64。在這個示例實施例中，約束系統64分別包括柔性頂部和底部鋼的端或壓力板66、68，以及連接這些板的連桿70。板66、68分別平坦地抵靠石墨塊27J8放置。在模塊10的組裝中，壓力板66、68、塊48、49和各種不同的堆部件按恰當順序一個設置在另一個上面(或相鄰，取決于方位)。這個組件被液壓地加載，于是預先選擇的軸向(即，垂直于電池的平面)載荷被施加到板66、68以壓縮堆12。連接螺栓70隨后被向下緊固到如下程度當該組件從壓力設備移開時在堆12上的壓縮力大約是期望的大小。歧管34、36、38和40隨后抵靠著堆的側面放置并且由帶60固定。因為約束系統64和歧管34、36、38和40由相似材料(碳鋼)制成，所以它們具有相同或接近相同的熱膨脹系數。因此，當在操作期間堆變熱時這些部件膨脹大約相同的程度。 雖然堆12具有較低的熱膨脹系數，但是當板66、68移開時，被壓縮的堆12的彈性或彈簧率導致堆12的高度以相同速率增加，并伴隨在軸向載荷的損失。因此在熱膨脹期間，在石墨塊27J8與它們各自的歧管密封凸緣M、56之間幾乎沒有相對移動。同樣，在堆外表面，例如30和32，與垂直歧管密封凸緣58之間具有相對小的移動。一旦到達穩定狀態，約束系統 64將堆高度保持為恒定。參照圖1-3描述的外歧管系統顯示了在保證避免從板泄漏到外部環境中的困難。 雖然專利No. 6，764，787中的由組裝的堆部件16、18、20、22、24、27和28的側面形成的四個向外朝向表面呈現出如上所述的“大約平坦”，但是實際上它們通常在一定程度上是不規則的，這是由于那些組裝的堆部件的尺寸和/或對齊方面的微小不一致。這可以通過參考US 專利No. 6，660，422更好地理解，其描述和示出了這些表面的不規則。在堆的那些向外朝向表面內的這些不規則進一步使在歧管與堆的至少那些表面之間獲得良好密封的努力變得復雜。在現有技術燃料電池組件設計中，例如氫氣的燃料的可能泄漏在封閉空間內，例如在載人車輛等內，可能是特別不希望的，在那里這種泄漏的燃料的排除或稀釋是不可能或不充分的。然而，外部歧管的使用由于各種原因可以是有利的。外部歧管在產品制造成本方面可以較低，并且提供繞著燃料電池頂部的保護性殼體以保護它們免于受到物理破壞和污染。當和絕緣密封材料、塑料涂覆金屬結合和/或由塑料材料制造時，外部歧管還可以提供電短路保護。它們可以給電池堆提供結構支撐。外部歧管還可以提供整合反應物流動和冷卻劑分配特征，例如擋板和/或腔室的靈活性，以允許燃料電池堆的運行更好地利用反應物和冷卻劑，并且使燃料電池堆更耐用。
發明內容
燃料電池組件包括在壓縮壓力情況下在一對端板之間延伸以形成堆的多個燃料電池組成元件，以及以互相緊密密封關系安裝在堆外部并且環繞堆以防止在歧管內的反應氣體泄漏到歧管外的環境中，即向板外流，的多個反應氣體歧管。燃料電池堆可以包括例如多個聚合物電解質膜(PEM)燃料電池。反應氣體歧管構造和定位成最大化與歧管和堆的平滑表面的密封接觸。多個反應氣體歧管的至少一些歧管包括與多個反應氣體歧管的其他歧管的平滑表面緊密密封接合的平滑表面。端板也具有用于與反應氣體歧管緊密密封接合的平滑外周表面。當在此使用時，術語“平滑表面”或“平滑面”在應用于各種不同表面時，一般意味著特定表面具有小于大約1 微英寸(或小于大約3微米)的表面粗糙度。一個示例實施例包括在堆的相對側面上的一對相對燃料反應物歧管，以及在堆的另外相對的側面上的一對相對氧化劑反應物歧管，該氧化劑反應物歧管與燃料反應物歧管成正交關系。反應物歧管具有向內朝向密封表面或凸緣，這些表面或凸緣具有平滑的輪廓以與平滑表面良好地密封接合，并且反應物歧管可以包括具有類似平滑輪廓的外表面，以與其他歧管的向內朝向密封表面配合密封接合。反應物歧管一般是直線的，并且在歧管的相對端部處的向內朝向密封表面與端板的平滑外周表面處于配合密封接合。氧化劑反應物歧管和燃料反應物歧管的向內朝向密封表面一般相對于堆的(軸向)長度彼此同等地延伸。 然而，雖然燃料反應物歧管的橫向于堆延伸的向內朝向密封表面與端板的相應橫向尺寸長度相同，但是氧化劑反應物歧管的橫向于堆延伸的向內朝向密封表面延伸超過端板的相應橫向尺寸并且與燃料反應物歧管的平滑外表面交疊，用于它們之間的良好密封接合。這樣保證來自燃料反應物歧管的在不規則配合表面區域內的任何泄漏可以流道氧化劑反應物歧管，在氧化劑反應物歧管中向內朝向密封表面僅僅并且完全與配合平滑密封表面接合。與上面所述相似，另一個示例實施例附加地包括在反應物歧管的至少外周區域內用于另一種流體，通常為冷卻劑流體，的通道。所述流體一般是冷卻劑，例如水，并且流體通道的定位使得，氣體反應物泄漏，特別是燃料泄漏，以及氧化劑泄漏，可以流到該液體，以實現安全防漏和/或去除。該流體的通道一般是在氧化劑反應物歧管內并且被定位成至少疊加在這樣的區域上，沿著該區域，燃料反應物歧管與燃料電池堆接合。通常存在于歧管的配合密封表面和端板和/或歧管外部之間的密封墊可以被構造成促進在氧化劑和燃料反應物流動通道外部的外周區域或通道內的冷卻劑流動。并且，可以選擇燃料反應物、氧化劑反應物和冷卻劑的相對操作壓力以便燃料反應物壓力最大，并且冷卻劑壓力最小，以便任何反應物泄漏都流向并且進入冷卻劑。
圖1為表示現有技術的燃料系統的透視圖，有局部拆除。圖2為沿著圖1的線2-2剖開的剖面圖。剖面與電池的平面平行地截取，剖切通過陰極電極的反應氣體通道。圖3為圖1的燃料電池堆一部分的透視圖，其中拆卸下歧管和約束系統。圖4為本發明設置在電池堆周圍的外部歧管系統的實施例的簡化、風格化示例透視圖。圖5為圖4的外部歧管系統的局部分解圖。圖6為沿著圖4的線6-6剖開的剖面圖。圖7為本發明設置在電池堆周圍并且提供冷卻劑通道的外部歧管系統的另一個實施例的簡化、風格化示例透視圖，有局部拆除。圖8為圖7的外部歧管系統的局部分解圖。圖9為沿著圖4的線9-9剖開的剖視圖。圖10為示出為由圖7的破折線10圈出的冷卻劑通道的放大視圖。圖11為還示出密封墊和流體流動路徑的圖7的外部歧管系統的分解圖。
具體實施例方式圖1-3的現有技術燃料電池模塊大體上顯示為代表具有液體電解質，例如磷酸， 的模塊的形式，并且顯示為處于垂直朝向中，并且具有石墨電流收集塊和作為分隔構件的端板。雖然下文將要公開的實施例的多個方面可類似地用到如在上述語句中討論的結構中，但是下文描述的示例實施例是在PEM燃料電池模塊的背景下提出的，該模塊通常水平朝向并且在堆的端部具有形成為單一構件的收集塊和端板。參考圖4到6，以簡化、風格化的透視的形式描述了燃料電池組件110，其具有在壓縮壓力情況下在一對端板114、115之間延伸以形成燃料電池堆116的多個燃料電池組成元件112。示出的燃料電池堆116是PEM類型的，雖然也可以使用其他電解質構造。燃料電池組件110還包括外部反應物歧管120、122、IM和126。在示出的實施例中，頂部和底部反應物歧管120、1M分別提供氧化劑反應物，例如空氣或氧氣的通向燃料電池堆116的入口和出口，并且相對側反應物歧管122、1沈分別提供燃料反應物，例如氫氣或富氫氣體的通向燃料電池堆116的入口和出口。 燃料電池堆116、端板114、115及反應物歧管120、122、1M和1沈軸向和周向地保持為壓縮接合。如先前注意到的，在這個實施例中，端板114、115每個將端板和現有技術描述的收集塊結合為單一或一體的結構。具有端板114、115的堆116通過合適部件，例如在組件的相對端部處的安裝凸緣132之間延伸的連桿130，保持為壓縮地軸向接合。安裝凸緣132可以形成為從端板114、115的角延伸的一體的“耳”，或者它們可以是如在此所示的獨立的“X形狀”的交叉構件132'的一部分。連桿130包括螺紋端部并且具有保持螺母， 或任何其他合適的緊固裝置。燃料電池堆116及周圍的反應物歧管120、122、1M和126由例如僅局部地示出在圖4中的不銹鋼壓縮帶134周向地保持為壓縮接合。更加詳細地參考公開的外部歧管布置，反應物歧管120、122、IM和1 每個通常是直線形狀的，并且覆蓋燃料電池堆116的至少燃料電池組成元件112的整個側面。反應物歧管120、122、IM和1 每個包括各自的具有向外朝向平滑平坦表面的覆蓋壁構件120A、 122A、124A和U6A，以及連續地連接且向內朝向燃料電池堆116延伸以限定各自的歧管腔室140、142、144和146的各自的側面凸緣120B、122B、124B和126B,以及端部凸緣120C、 122C、124C 和 126C。側面和端部凸緣 120B、122B、124B 和 126B 和 120C、122C、124C 和 126C 通常是與各個覆蓋壁構件120A、122A、124A和126A垂直的，并且包括用于良好密封接合的平滑端面。這些平滑端面在附圖中沒有單獨編號，但是是位于它們所關聯的各自側面和端部凸緣的遠端處。當在此使用時，術語“平滑表面”或“平滑面”在應用于歧管側面和端部凸緣的端面、及應用于歧管覆蓋壁和端板的側面外周表面時，通常意味著特定表面具有小于大約1 微英寸(或小于大約3微米)的表面粗糙度。歧管腔室140和144分別供應氧化劑反應物給燃料電池堆116和從燃料電池堆 116移走氧化劑反應物。相似地，歧管腔室142和146分別供應燃料反應物給燃料電池堆 116和從燃料電池堆116移走燃料反應物。燃料反應物歧管122和126的長度是這樣的， 使得各自的端部凸緣122C和126C可以、并且已經定位成與各自的端板114、115接合。結果，燃料反應物歧管122和1 的寬度(在這個附圖中是高度)是這樣的，使得各自側面凸緣 122B和126B可以、并且已經是與端板114、115及燃料電池堆116的同一尺寸基本上齊平或相等，它們是基本上相等的。這在圖6中最清晰地見到。與歧管122和1 相同，氧化劑反應物歧管120和124的長度是這樣的，使得各自的端部凸緣120C和124C可以、并且已經定位在與各自的端板114、115接合中。然而，根據本發明，氧化劑反應物歧管120和124的寬度是這樣的，使得各自的側面凸緣120B和124B 是在端板114、115及燃料電池堆116的尺寸之外，并且與歧管122和126的凸緣122B和 126B的平滑外表面基本上垂直地對齊、對接接合(可以通過薄密封墊)，以提供良好密封。這也在圖6中最清晰地見到。各個凸緣120B、120C、122B、122C、124B、124C、126B、126C 的端部每一個都形成和 / 或加工為平滑和線性的以提供與端板114、115及歧管凸緣122BU22CU26B和126C的相似平滑的表面的緊密密封接合。應該注意到，當在此參照上面描述的密封接合使用時，術語“密封接合”意味著不僅包括在上面提及的金屬、石墨和塑料元件之間的直接接觸，而且同樣包括在這些構件之間也提供薄的密封劑或密封墊。在描述的實例中，薄密封墊150定位在氧化劑反應物歧管120和124的凸緣的端面處，并且相似薄密封墊152定位在燃料反應物歧管122和126的凸緣的端面處，如圖6所示。密封墊150、152大體上成形為與歧管 120、122、124、126的(如由它們各自的凸緣的端面所表示的)外周相吻合。密封墊150、152 由具有適用于密封目的的彈性并且在該環境中不與流體反應的材料制成。密封墊通常是具有平坦的或成形的輪廓的固體或泡沫彈性體型材料。密封墊通常粘性地附接到堆和/或歧管，或者它們保持在具有合適的幾何圖形的凹槽內。密封墊也可以是一層或多層現場形成的現場固化的彈性體材料，或者那些前面提及技術的組合。現場固化的彈性體的一個實例是硅樹脂RTV橡膠密封劑。因為燃料反應物歧管122和126的寬度(在這個附圖中是高度)是這樣的，使得各自的側面凸緣122B和126B可以是、并且已經是與端板114、115及燃料電池堆116的同一尺寸基本上齊平或相等，所以那些凸緣的端部可以沿著燃料電池堆鄰接與在一定程度上不規則的表面，這是由于各個燃料電池組成元件112的略微不同的尺寸和熱膨脹(如在前述的US專利6，660，422中所描述和示出的)。雖然密封墊152有助于填充和密封在這些鄰接表面之間的任何空隙，但是經驗已經顯示出，密封是不完整的。然而，因為氧化劑反應物歧管120和124的寬度是這樣的，使得各自的側面凸緣120B和124B是在端板114、115及燃料電池堆116的尺寸之外，并且與歧管122和126的凸緣122B和126B的平滑外表面基本上垂直地對齊，并與其對接接合，所以對于密封墊150具有復雜形式以提供良好密封的要求大大降低。并且，因為氧化劑反應物歧管120和124的寬度將側面凸緣120B和124B放置在燃料反應物歧管側面凸緣122B和126B鄰接燃料電池堆116的位置之外，所以發生在這些后述連接處的任何燃料泄漏被歧管120和124內的氧化劑反應物捕獲或被輸送進入歧管120和124中的氧化劑反應物，沒有不希望的泄漏向板外流到燃料電池組件110外部的局部環境中。現在參考示出在圖7-11中的燃料電池組件210的實施例，其中該組件與圖4_6的實施例的燃料電池組件110具有很強的相似性。為了簡潔起見，用于軸向和周向壓縮和保持燃料電池組件210的元件是存在的，但是未示出。而且，這個實施例的與在圖4-6的實施例的元件相似的元件已經被給出了相似的數字，例如形成燃料電池堆116的燃料電池組成元件112、及端板114和115。這個實施例與圖4-6實施例十分相似但稍微不同的元件被給出了在“200”序列中的相似“后綴”數字，并且新出現的若干部件被給出了在“200”序列中的新的“后綴”數字。雖然圖7-11實施例包括了更寬的圖4-6實施例的外部密封方面，但是它還包括提供一個或以上的液體流動通道，一般用于例如水的冷卻劑，所述流動通道定位在外部歧管內以進一步包括可能發生的任何反應物泄漏。液體存在于一個或多個液體流動通道中可以用來供應和循環冷卻劑，這不僅用于常規目的，而且還用于捕獲或收集可能從反應物歧管隔間或電池元件角泄漏的任何反應氣體。在外部歧管內的該一個或多個液體流動通道可被定位成疊加于反應物歧管與燃料電池堆116接合的區域的大部分或全部之上和/或與其直接連通，所述區域的大部分或全部在沒有這些流動通道的情況下可能受到向堆外部的反應物泄漏的影響。更詳細地參考圖7-11，燃料電池堆116在端部由端板114和115、并且沿著各自的側面由外部歧管220、222、224和226界定。反應物歧管220、222、224和226每個包括各自的具有向外朝向平滑平坦表面的覆蓋壁構件220A、222A、224A和2^A，以及連續連接且向內朝向燃料電池堆116延伸以限定將要描述的相關歧管腔室的各自的板外側面凸緣220B、 222B、224B和226B,以及板外端部凸緣220C、222C、224C和226C。附加地，反應物歧管220 和2 還包括與各自的板外側面凸緣222B和224B向內間隔開的板內側面凸緣222B'和 224B'，以及與各自的板外端部凸緣220C和224C向內間隔開的板內端部凸緣222C'和 224C'(不單獨可見)，其中該各自的板內側面和端部凸緣被連接且是連續的以限定新的腔室。并且進一步地，反應物歧管2 可以包括設置在外側面凸緣226B內側的板內側面凸緣226B'以再劃分腔室。各個不同的側面凸緣220B、220B'、222B、224B、224B‘、226B和 226B'以及各個不同的端部凸緣220C、220C'、222C、224C、224C'、和226C通常與各自的覆蓋壁構件220A、222A、224A和226A垂直，并且包括平滑端面以用于良好密封接合。側面歧管222和2 分別包括各個歧管腔室242、及M6A和246B。如在此示出的， 歧管腔室M6A用于燃料反應物進入燃料電池堆116，歧管腔室242用于在堆相對側處反轉燃料反應物的方向，并且歧管腔室M6B用于從堆釋放燃料反應物。板內側面凸緣226B'用作將歧管2 再劃分為腔室M6A和M6B。剩余的、或者頂部和底部歧管220和2M分別包括各個歧管腔室M0、270以及244和274，其中歧管腔室270和274分別位于歧管腔室240 和270的側向外側。板內側面凸緣220B'和224B'，以及與它們連接的相應的板內端部凸緣220C'和224C'用來將相應歧管220和2 再劃分成各自的歧管腔室對0、270及對4 和274。歧管腔室240和244用來容納和引導氧化劑反應物進入和排出燃料電池堆116，大體上如關于圖4-6實施例描述的。通常氧化劑將在歧管220進入在歧管2M排出，并且冷卻劑的進入和排出與其相反，但是該布置也可以反過來。在本實施例中增加了歧管腔室270 和274，并且其包括液體流動通道，在該流動通道中，例如冷卻劑水等的液體可以包含在其中并且可以流動。將那些歧管腔室270和274定位在它們作為其一部分的歧管220和2M 的側向外側(在我們看來)，使得這些歧管腔室疊加在這樣的區域上沿著該區域，燃料反應物歧管222、2沈接合燃料電池堆116，該區域可能發生燃料反應物的泄漏。用這種方式，形成液體流動通道的歧管腔室270和274能夠接收、或攔截燃料反應物的任何上述泄漏。與前述實施例相同，圖7-11實施例包括定位在氧化劑反應物和/或冷卻劑歧管 220和224的凸緣的端面處的薄密封墊250，并且相似的薄密封墊252定位在燃料反應物歧管222和126的凸緣的端面處，如圖9-11所示。密封墊250、252大體上成形為與歧管 220、222、224、226的(如由它們各個凸緣的端面表示的)外周相吻合。更具體地，密封墊 250、252通常其結構被設計并構造為在各個不同的歧管凸緣的端面和它們所接合的表面之間密封墊材料以提供期望密封。因為現在具有板內凸緣，例如220B'和224B'及220C' 和224C'，它們與各自的板外凸緣隔開以限定液體通道270和274，在限定液體通道270和 274的凸緣之間的空間和區域中基本上沒有密封墊材料是恰當的且可期望的。并且，這個區域內的密封墊材料的相鄰臂或條之間的間隔應該足夠大，例如0. 6mm,以在表面張力沒有形成過大阻力的情況下允許氣體形成相對于該氣體可能流動穿過的液體的流動。這樣，流體冷卻劑容易地經由液體通道270和274循環進和出燃料電池堆116，并且燃料反應物或甚至氧化劑反應物向各自的密封件外的任何泄漏將快捷地流到液體通道270和274內的流體中。因此，選擇密封墊250和252的幾何形狀以提供一體結構，在可能的情況下，還包含流動通路，該通路促進和/或控制流體在通道或這些通道所相鄰的歧管腔室內的流動。形成密封墊250、252的材料具有對密封目的來說合適的彈性并且在那個環境中不與流體反應， 并且方便地，可以是泡沫橡膠等。進一步參考圖7-11，并且尤其參考圖11的燃料電池組件210的分解圖，示出了外部歧管和相關密封墊以提供所公開的用于最小化或阻止反應物，并且尤其是燃料反應物， 泄漏到燃料電池組件外部的環境中的布置。如注意到的，各個不同的歧管220、222、2M和 226形成和構造為提供平滑配合表面以用于良好密封，以及還以促進將任何反應氣體泄漏收集到所包含的液體/冷卻劑中從而阻止該泄漏不期望地釋放到環境中的方式在歧管內提供和定位液體流動通道270、274。在圖11中的流動箭頭意在非常概括地示出了液體，例如冷卻水，在燃料電池堆116的該區域中的用于攜帶和/或凈化可能從各自的反應物歧管腔室240、242、244和M6A和/或M6B泄漏的任何反應氣體的一個可能路徑。密封墊250 和252 —個可能的結構更詳細地示出在圖11中。雖然在此沒有描述，應該理解，在流體通道270和274內的液體以常規方式進出燃料電池組件210，并且可以被引導通過外部儲能器 /洗滌器以便以可接受的已知方式去除任何所攜帶的反應氣體。而且，在系統內的燃料反應物、氧化劑反應物、及液體冷卻劑每個經由如上面描述的各自的歧管被供應到燃料電池堆 116和從燃料電池堆116排出，并且以已知方式(沒有詳細示出)調節它們各自的壓力，以便燃料反應物壓力相對最大，而冷卻劑反應物壓力相對最小，以便任何反應物泄漏流向并且進入冷卻劑。 雖然已經關于其中示例實施例描述和示出了本發明，但是本領域的技術人員應該理解，在不脫離本發明精神和范圍情況下，可以作出前述和各種的其他修改、省略和附加。
權利要求
1.一種燃料電池組件(110，210)，包括包含在一對相對端板(114，115)之間、由燃料電池組成元件(112)形成的堆(116)；以及安裝在所述堆(116)外部并且整體上基本環繞所述堆(116)的多個反應氣體歧管 (120，220 ；122, 222 ； 124, 224 ；126, 2 )，多個反應氣體歧管被構造(120A 及 B 及 C ;220A 及 B 及 B，及 C ； 122A 及 B 及 C ；222A 及 B 及 C ； 124A 及 B 及 C ；224A 及 B 及 B，及 C ； 126A 及 B 及C ；226A及B及B’及C ；)并定位成與所述堆和所述多個反應氣體歧管中的鄰近歧管緊密密封接合，以整體上阻止反應氣體從所述堆和所述歧管泄漏到所述歧管外部的環境中。
2.如權利要求1所述的燃料電池組件(110，210)，其中所述堆(116)在剖面中是直線的并且具有外周，所述端板(114，115)每個具有在形狀和尺寸方面基本上與所述堆一致的剖面并且具有側面外周表面，所述多個反應氣體歧管包括圍繞所述堆外周交替地設置的至少兩個燃料反應物歧管(122，126 ；222, 226)及至少兩個氧化劑反應物歧管(120，124； 220，224)，并且每一個歧管在相對端板的側面外周表面之間延伸，所述多個反應物歧管具有向內朝向所述堆延伸并且具有各自的端面以提供密封接合表面的連續聯接的側面凸緣和端部凸緣(120B 及 120C，122B 及 122C，124B 及 124C，126B 及 U6C，220B 及 220C，222B 及 222C，224B及224C，226B及226C)，所述反應物歧管和所述各自的側面凸緣和端部凸緣被定位和構造成使得所述燃料反應物歧管的端部凸緣的端面與所述相對端板的各自的側面外周表面接合并且與所述相對端板的各自的側面外周表面的長度同等地延伸，所述燃料反應物歧管的側面凸緣的端面與所述相對端板的各自的側面外周表面接合并且與所述相對端板的各自的側面外周表面的長度同等地延伸，所述燃料反應物歧管的側面凸緣的端面大體在并且沿著堆側的角邊緣區域基本上接合堆，所述氧化劑反應物歧管的端部凸緣的端面接合所述相對端板的各自的側面外周表面并且延伸超過所述相對端板的那些各自的側面外周表面的長度，并且交疊并接合各自的相鄰燃料反應物歧管的側面凸緣，并且所述氧化劑反應物歧管的側面凸緣的端面與各自的相鄰燃料反應物歧管的各自的側面凸緣同等地延伸并且連續地接合各自的相鄰燃料反應物歧管的各自的側面凸緣，借此所述氧化劑反應物歧管至少疊加在所述燃料反應物歧管接合所述堆處的角邊緣區域上。
3.如權利要求2所述的燃料電池組件(210)，其中所述氧化劑反應物歧管還至少包括具有與所述堆接合的端面的板內凸緣(220B' ,224B')，所述板內凸緣被側向地間隔設置在所述側面凸緣的內側以在它們之間限定液體流動通道(270，274)，所述液體流動通道與在其板內側的氧化劑反應物腔室(240，244)分隔開，所述板內凸緣的定位使得所述液體流動通道疊加在這樣的區域上，在該區域處，所述燃料反應物歧管的側面凸緣大體在并且沿著所述堆側的角邊緣區域基本上接合所述堆。
4.如權利要求3所述的燃料電池組件(210)，其中所述氧化劑反應物歧管還包括側向間隔設置在所述端部凸緣(220C，224C)內側的并且連續聯接到側向間隔設置在所述側面凸緣內側的板內凸緣(220B' ,224B')的板內凸緣(220C' ,224C')，借此所述液體流動通道基本上連續圍繞在所述氧化劑反應物歧管內的氧化劑反應物腔室的外周。
5.如權利要求3所述的燃料電池組件(210)，其中所述液體流動通道(270，274)適于包含液體冷卻劑，所述液體冷卻劑用來接納從所述燃料反應物歧管(222，226)泄漏的任何燃料反應物。
6.如權利要求4所述的燃料電池組件(210)，其中所述液體流動通道(270，274)適于包含液體冷卻劑，所述液體冷卻劑用來接納從所述燃料反應物歧管(222，226)泄漏的任何燃料反應物。
7.如權利要求2所述的燃料電池組件(210)，其中所述氧化劑反應物歧管和所述燃料反應物歧管的所述側面凸緣和所述端部凸緣的所述端面與所述堆的端板和至少所述燃料反應物歧管的側面凸緣的接合包括在它們之間插入的薄密封墊(150，152 ；250, 252)。
8.如權利要求3所述的燃料電池組件(210)，其中所述氧化劑反應物歧管和所述燃料反應物歧管的所述側面凸緣和所述端部凸緣的所述端面與所述堆的端板和至少所述燃料反應物歧管的側面凸緣的接合包括在它們之間插入的薄密封墊(250，252)。
9.如權利要求8所述的燃料電池組件(210)，其中所述密封墊(250，252)是基本上與所述氧化劑和燃料反應物歧管的所述端部和側面凸緣的端面一致的、并且基本上與所述氧化劑反應物歧管內的板內凸緣的端面一致的構件，借此促進所述歧管之間的以及與所述堆的所述密封接合。
10.如權利要求3所述的燃料電池組件(210)，其中所述堆的直線形狀是矩形的，并且所述氧化劑反應物歧管和燃料反應物歧管在數量上都是兩個。
11.如權利要求6所述的燃料電池組件(210)，其中所述燃料反應物歧管包含處于第一壓力的燃料反應物，所述氧化劑反應物歧管包含處于第二壓力的氧化劑，并且所述氧化劑反應物歧管的液體流動通道包含處于第三壓力的液體冷卻劑，所述第一壓力和所述第二壓力都相對于所述第三壓力更大。
12.如權利要求11所述的燃料電池組件(210)，其中所述第一壓力相對地大于所述第二壓力，并且所述第二壓力相對地大于所述第三壓力。
13.如權利要求4所述的燃料電池組件(210)，其中所述堆的燃料電池組成元件(112) 包括聚合物電解質膜。
14.如權利要求2所述的燃料電池組件(110，210)，其中所述端板(114，115)的所述側面外周表面以及所述至少兩個燃料反應物歧管(120，126 ；220, 226)和至少兩個氧化劑反應物歧管(122，124 ；222, 224)的所述側面和端部凸緣(120B及120C，122B及122C，124B及 124C, 126B 及 U6C，220B 及 220C，222B 及 222C，224B 及 224C，226B 及的所述端面是平滑的，具有小于大約3微米的表面粗糙度，用于緊密密封接合。
15.一種控制反應氣體從燃料電池組件向板外泄漏的方法，所述燃料電池組件包括由包含在一對相對端板(114，115)之間的燃料電池組成元件(112)形成的堆(116)和安裝在所述堆(116)外部并且整體上基本圍繞所述堆(116)的多個反應氣體歧管(120，220 ； 122，222 ；124，224 ；126，226)，包括將所述多個反應氣體歧管構造和定位成與所述堆和所述多個反應氣體歧管中的相鄰歧管緊密密封接合以整體上包含從所述堆泄漏的反應氣體。
16.如權利要求15所述的方法，其中一些所述歧管是氧化劑歧管，一些是燃料歧管，所述氧化劑歧管的外部外周包括液體流動通道，所述液體流動通道與所述燃料歧管交疊，并且包括使液體流動通過所述液體流動通道以捕獲并保持從所述液體流動通道內側泄漏的任何反應氣體的步驟。
17.如權利要求16所述的方法，其中所述液體是用于所述堆的冷卻劑，并且建立至少燃料反應氣體的第一壓力和液體冷卻劑的第二壓力，所述第二壓力小于所述第一壓力以便促進已經從所述堆泄漏的反應氣體流動進入所述冷卻劑液體。
全文摘要
燃料電池組件(110、210)具有在一對端板(114、115)之間延伸以形成堆(116)的多個燃料電池組成元件(112)、以及以互相緊密密封關系安裝在所述堆外部并且圍繞所述堆以防止歧管內的反應氣體泄漏到歧管外部環境的多個反應氣體歧管(120，220；122,222；124,224；126,226)。反應氣體歧管構造和定位成最大化與所述堆和所述歧管的平滑表面的密封接觸。一個實施例構造為氧化劑反應物歧管(120、124)疊加在燃料反應物歧管(122、126)接合所述堆的區域上。另一個實施例還將氧化劑反應物歧管再劃分以包括液體流通通道(270、274)，該液體流通通道疊加在燃料反應物歧管(122、126)接合所述堆的區域上。
文檔編號H01M8/04GK102227843SQ200880132104
公開日2011年10月26日 申請日期2008年11月26日 優先權日2008年11月26日
發明者J. 古斯里伊 R. 申請人:Utc 電力公司