[發明專利]利用離聚合物阻礙隆起區中的膜翹曲

有效

• 申請號: 200910209061.8
• 申請日: 2009-10-30
• 公開（公告）號: CN101752576A
• 公開（公告）日: 2010-06-23
• 發明（設計）人: R·佩奇托爾德;S·L·彼得斯;C·S·吉特爾曼;D·A·波多拉施;H·維納;W·馬卡
• 申請（專利權）人: 通用汽車環球科技運作公司
• 主分類號: H01M8/02
• 分類號: H01M8/02;H01M4/86;H01M4/88
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 劉楨;譚祐祥

技術領域

本發明涉及燃料電池組件，更具體地涉及膜燃料電池組件中所用 的下墊圈(subgasket)。

背景技術

燃料電池系統逐漸作為多種應用中的電源。已提出使用燃料電池 系統作為內燃機的替代品用在車輛之類的能耗設備中。在共同擁有的 美國專利申請序列號10/418,536中公開了這樣的系統，這里通過引用 將其整體結合于此。燃料電池還可用作建筑物和住所中的固定發電站， 作為攝像機、計算機等中的便攜電源。通常，燃料電池所發的電用于 對電池充電，或者為電機提供動力。

燃料電池是使氫之類的燃料與氧化劑(例如氧)結合以產生電的 電化學裝置。所述氧通常由空氣流供應。氫和氧結合而形成水的形式。 可使用其它燃料，例如天然氣、甲醇、汽油和煤成合成燃料。

術語“燃料電池”通常根據應用該術語的上下文而用于指單個電 池或多個電池。多個電池通常捆扎在一起，并且布置成形成具有多個 通常電串聯布置的電池的電池組。由于多個單個的燃料電池可裝配成 不同尺寸的組，可將系統設計成產生期望能量輸出水平而為不同應用 提供設計柔性。

普通類型的燃料電池被稱為質子交換膜(PEM)燃料電池。PEM 燃料電池包括布置在一對雙極板之間的組合電極組件(UEA)。UEA包 括陽極和陰極擴散介質(DM)、陽極和陰極電極以及電解質膜。UEA 部件的順序對于燃料電池操作來說是關鍵的。部件順序依次為：陽極 DM、陽極電極、電解質膜、陰極電極和陰極DM。陰極電極和陽極電 極通常包括承載在碳顆粒上并與離聚合物混合的催化劑粉末，例如鉑。 電解質膜可抵靠勾勒燃料電池板外周的下墊圈布置。根據需要，所述 下墊圈可以是具有電絕緣屬性的剛性膜。DM利于將氣態反應物(通常 為氫和氧)輸送至由UEA的下墊圈的內邊緣限定的活性區，以進行電 化學燃料電池反應。DM還輔助燃料電池內的水副產物的管理。下墊圈 將燃料電池分為陽極側和陰極側，并使陽極側與陰極側電絕緣。下墊 圈上布置的密封部阻止氣態反應物逃離燃料電池。可將UEA部件層壓 在一起而形成UEA。

UEA布置在成對的雙極板之間，這些雙極板用作燃料電池的集電 器。各雙極板均具有端口和供送區，用于氣態反應物的供應和排放。 供送區用于在燃料電池內分配氣態反應物或收集氣態反應物。供送區 包括供應端口，其使氣態反應物經由雙極板中的多個通道形成的流場 從供應歧管分配至燃料電池的活性區。雙極板的對置端或出口端具有 排放供送區，其包括排放端口，收集到的氣態反應物在該排放端口離 開燃料電池進入排放歧管。下墊圈可用于提供雙極板之間的電絕緣。 在供送區的范圍內，下墊圈的剛度是在多個流動通道與下墊圈之間形 成適當界面的重要因素。下墊圈必需足夠剛硬以阻止下墊圈侵入從而 限制形成供送區的多個通道中的流動。

可包含不止一百個板的組被壓縮，并通過任何傳統緊固裝置將元 件保持在一起并錨固至該組的端部的夾緊板。為阻止流體的不期望泄 漏，將密封部壓縮在板組件之間。密封部沿下墊圈兩側的外周緣布置 并可與下墊圈一體形成。通過利用組壓縮以及板中形成的臺階部而固 定UEA，所述臺階部與UEA的密封部相對應?，F有技術下墊圈結合了 從燃料電池的活性區橫穿密封部具有恒定厚度的設計?，F有技術下墊 圈盡管是功能性的，但是也會以多種方式導致燃料電池的壽命縮短。 與膜的厚度相比，現有技術下墊圈可能較厚(厚下墊圈)。厚下墊圈與 膜之間的厚度反差可能會導致局部高壓應力區。局部高壓應力區可導 致DM被壓碎，陽極或陰極破裂，板變形以及電解質膜的剪切，任一 項都會導致燃料電池的壽命縮短或者導致其性能變差。另選的是，與 膜的厚度相比，現有技術下墊圈可能較薄(薄下墊圈)。薄下墊圈與膜 之間的小厚度反差會因反應氣體流而導致下墊圈過度撓曲。

通常，UEA過壓縮或UEA欠壓縮都會導致膜的壽命縮短。膜的鼓 起會致使UEA過壓縮或UEA欠壓縮。電解質膜要求燃料電池內具有 一定濕度水平以正確操作。預計燃料電池啟動或關閉時，為了燃料電 池的最佳性能，可根據需要改變濕度水平。燃料電池內的膜可吸水， 致使膜的尺寸隨濕度變化。相反，下墊圈在濕度變化的情況下維持優 異的尺寸穩定性。具體地說，厚下墊圈與燃料電池中的電解質膜的接 觸邊緣處的膜的反復膨脹和收縮會致使燃料電池壽命縮短。