用于燃料电池堆的密封装置的制造方法
【专利说明】用于燃料电池堆的密封装置
[0001]本发明涉及以堆叠形式设置的电化学燃料电池，并且更具体地说，涉及用于使此类燃料电池堆通风的气流系统。
[0002]常规的电化学燃料电池将通常均为气体流形式的燃料和氧化剂转换成电能和反应产物。用于使氢和氧反应的常见类型的电化学燃料电池包括处于膜电极组件(MEA)内的聚合物离子转移膜，也称为质子交换膜(PEM)，其中燃料和空气穿过所述膜的相应侧面。质子(即氢离子)被传导通过膜，由传导通过连接燃料电池阳极和阴极的回路的电子加以平衡。为了增大可用电压，形成包括多个串联连接的MEA的堆叠，所述MEA布置有单独的阳极流体流动通路和阴极流体流动通路。这种堆叠通常呈包括众多单个燃料电池板的块形式，所述燃料电池板由处于堆叠的任一末端处的端板保持在一起。
[0003]因为燃料与氧化剂的反应产生热量以及电力，所以一旦已达到操作温度就需要冷却燃料电池堆，从而避免对燃料电池的损坏。冷却可通过迫使空气通过燃料电池堆来实现。在开放式阴极堆叠中，氧化剂流动通路和冷却剂流动通路是相同的，即，迫使空气通过阴极流体流动通路会将氧化剂供应给阴极并冷却堆叠。在较低功率的应用中或在低需求时间段内，冷却和氧化剂供应可选地通过将空气扩散到氧化剂/冷却剂流动通路中来提供，即，无需强制通风。在其他燃料电池堆中，氧化剂空气可以与可由例如冷却水回路提供的冷却机构分开提供。
[0004]本发明适用于所有这些燃料电池堆类型。
[0005]在启动或关闭燃料电池堆期间或在非常冷的环境条件的时段期间，阻止或限制气流通过阴极流体流动通路可为有用的。现有技术已提出用于使用阀门或闸门来控制气流通过阴极流体流动通路的各种方法。本发明的目标是提供紧凑且有效的替代方法。
[0006]在燃料电池中发现的膜、催化剂材料和扩散介质也可容易受来自外部源的污染物的影响，这可随着时间的推移而降低燃料电池堆的性能。期望限制燃料电池的敏感部分于微粒和其他空气携带污染物或可使催化剂中毒的气体中的暴露。具体地，在停用的时段期间(如在运输燃料电池堆时和在燃料电池堆环境不被控制时(例如，在有受到瞬时或暂时空气污染的污染风险时)，期望关闭进入阴极流体流动通路的气流通路。本发明的目标是提供限制燃料电池堆的敏感部分于污染物中的暴露的紧凑且有效方式。
[0007]根据一个方面，本发明提供一种燃料电池堆组件，其包括:
[0008]燃料电池堆，每个燃料电池具有气流管道，所述气流管道具有设置在所述堆叠的通风面上的输入/输出通风孔，所述通风孔在所述堆叠的所述通风面上方形成阵列；
[0009]膜，所述膜可在第一配置与第二配置之间移动，在所述第一配置中通风面被遮蔽，在所述第二配置中通风面未被遮蔽。
[0010]膜可在第一配置与第二配置之间卷曲。膜可包括提供至少一个孔的第一部分，所述第一部分被配置来在设置在通风面上方时暴露通风面；和第二部分，所述第二部分被配置来在设置在通风面上方时遮蔽通风面。燃料电池堆组件还可包括第一容器，所述第一容器用于在膜处于第一配置时接收膜的处于卷曲状态的第一部分。燃料电池堆组件还可包括第二容器，所述第二容器用于在膜处于第二配置时接收膜的处于卷曲状态的第二部分。第一容器可设置在通风面的周边边缘处。第一容器和第二容器可设置在通风面的相对周边边缘上。燃料电池堆组件还可包括马达，所述马达被配置来在第一配置与第二配置之间驱动膜。燃料电池堆组件还可包括围绕通风面的周边设置的周边密封件，膜被定位以用于至少在第一配置中与所述周边密封件接合。膜可被定位以用于在移动到第一配置期间与周边密封件的至少一部分滑动接合。控制器可被配置来在第一配置与第二配置之间操作膜，作为燃料电池启动和/或关闭程序的一部分。膜可移动到中间配置，其中燃料电池堆的每个电池中的一些气流管道被遮蔽，并且其中燃料电池堆的每个电池中的其他气流管道未被遮蔽。膜可移动到如下配置:其中燃料电池堆内的第一选定电池的气流管道被遮蔽，并且其中燃料电池堆内的第二选定电池的气流管道未被遮蔽。控制器可被配置来根据燃料电池的水合程度在膜配置之间操作所述膜。
[0011]根据另一个方面，本发明提供一种操作燃料电池堆组件的方法，其包括以下步骤:
[0012]将可移动的膜安装到燃料电池堆上，每个燃料电池具有气流管道，所述气流管道具有设置在所述堆叠的通风面上的输入/输出通风孔，所述通风孔在所述堆叠的所述通风面上方形成阵列；
[0013]在第一配置与第二配置之间驱动膜，在所述第一配置中通风面被遮蔽，在所述第二配置中通风面未被遮蔽。
[0014]现将借助实例并且参照附图来描述本发明的实施方案，在附图中:
[0015]图1示出通风面被膜遮蔽的燃料电池堆的透视图；
[0016]图2示出通风面未被膜遮蔽的图1的燃料电池堆的透视图；
[0017]图3示出具有弹性周边密封件的通风面框架的正视图；
[0018]图4示出具有设置在一个边缘上的膜容器的图3的通风面框架的一部分的透视图；
[0019]图5示出图4的膜容器的放大部分的透视图；并且
[0020]图6示出用在图1至图5的系统中的未卷曲膜的透视图。
[0021]在本说明书的全文中，与相对取向和位置有关的描述符(如“顶部”、“底部”、“水平”、“垂直”、“左”、“右”、“上”、“下”、“前”、“后”)以及其任何形容词或副词派生词是在图1和图2中所呈现的燃料电池堆的取向意义上使用的。然而，此类描述符并不意图以任何方式限制所描述或要求的本发明的预期用途或取向。
[0022]图1和图2示出包括堆叠的单个燃料电池16的燃料电池堆1，所述燃料电池16集体呈现处于堆叠的正面处、在图2中可见的通风面2。例如，如果堆叠具有需要强制通风通过所述堆叠的设计，那么堆叠的背面上可存在对应的通风面。通风面2通常包括多个燃料电池16的通风孔阵列，所述通风孔使氧化剂空气能够被输入到每个电池16中的阴极流体流动通路或从其输出。这使氧化剂能够到达每个电池16的膜电极组件和/或使潮湿空气能够从MEA排出。如图2中所示，单个电池16各自占据一个水平面并且通风面2对应于每一个电池16的边缘。然而，在替代布置中，单个电池16可各自占据一个垂直面。
[0023]各种燃料电池支撑系统3可设置在燃料电池堆的面上及其周围。
[0024]定位在通风面2上的是其中具有一个或多个开口 5a、5b、5c的框架4，从而允许空气穿过通风面2。框架4用作柔性膜6 (在图1中可见)的外壳和导向件，所述柔性膜6可在第一配置与第二配置之间移动，在所述第一配置中通风面2被遮蔽(图1)，在所述第二配置中通风面2未被遮蔽(图2)。
[0025]一对容器7、8中的每一个提供用于接收柔性膜6的至少一部分的腔室13(在图6中可见)。第一容器7的腔室13可例如被配置来在堆叠通风面2未被遮蔽时接收膜6的遮蔽部分，并且第二容器8的腔室13可例如被配置来在堆叠通风面2被遮蔽时接收膜6的非遮蔽部分。在所示的优选实施方案中，容器7、8被配置为圆柱形外壳，尽管其他形状也是可能的。
[0026]图3示出框架4的正视图，其包括第一容器7和第二容器8、孔5a、5b、5c和用来使螺栓或其他机构将框架固定到燃料电池堆I的正面的固定点18。框架4还包括围绕框架的周边延伸以便提供抵靠膜6的流体密封的周边密封件9。也可在隔开孔5a、5b、5c的立柱10中提供另外的密封件(未示出)。周边密封件的一个实例是部分凹入框架4表面中的保持通道的ο型环密封件，其中部分ο型环从框架的表面突出来。框架4还可包括多个孔20或剖开槽21，所述孔20或剖开槽21允许空气流动到通常在燃料电池堆的顶部和底部处发现的集电板。
[0027]图4示出框架4的一部分、第一容器7、孔5a、5b、5c以及从框架4的正面11略微突出的周边密封件9的透视图。也可见的是狭槽12，其在框架4的宽度上延伸，大约对应于孔5a、5b、5c的宽度和超过孔到至少周边密封件9的边缘。狭槽12使膜6能够进入和离开容器7并且使膜能够保持平靠着周边密封件9。在框架4的顶部边缘处也发现对应狭槽，其使膜6能够以类似方式进入和离开另一个容器8。
[0028]参考图5，部分剖开的框架4的透视图揭示了接收膜6的容器7的内部腔室13。膜6经由可包含一对相对狭槽密封件14、15的狭槽12进入和离开腔室13，所述相对狭槽密封件14、15轻微夹持穿过狭槽的膜6，从而足以张紧膜并将其保持在适当位置但不足以在膜6被驱动通过狭槽12时阻止膜在狭槽密封件之间滑动通过。
[0029]优选地，狭槽密封件14、15包括100微米厚的Kapton薄片或50微米厚的不锈钢薄片，或任何其他低顺应性材料并可涂有适合的润滑剂。周边密封件9(和立柱10中的任何其他密封件)也可涂有适合的润滑剂。优选地，所使用的任何润滑剂或润滑涂层均不含可能污染燃料电池的化学敏感部件(如MEA)的材料。不含硅的润滑剂可为合乎需要的。
[0030]图6示出适合与框架4 一起使用的膜6(处于未卷曲状态)的透视图。膜6包括薄片材料，所述薄片材料可用来通过提供横跨孔5a、5b、5c的障碍物或隔断墙来遮蔽通风面。在图6示出的特定布置中，膜6具有第一部分61，所述第一部分61具有在大小和形状上广泛地对应于框架4中的孔5a、5b、5c的孔62a、62b、62c。膜6的第二部分63是未被阻断的或连续横跨至少与框架4中的孔5a、5b、5c的面积一样大的区域，从而当处于适当位置时，能够完全遮蔽(即阻挡)框架中的孔5a、5b、5c。
[0031]当膜被接收到第一容器7或第二容器8中时，膜优选地可卷成紧凑的卷。
[0032]膜6还可包括对应于结合图3描述的框架4中的孔20和剖开槽21的多个单独的孔22或剖开槽23。
[0033]在正常使用中，膜的部分61、63中的一个被接收到相应容器7或8中，而部分61、63的另一个延伸横跨限定孔5a、5b、5c的框架4。因此，在可被视为‘通风面打开’配置的第一配置中，膜6