控制pem燃料电池堆的现场成型密封厚度的方法
专利名称：控制pem燃料电池堆的现场成型密封厚度的方法
技术领域：
本发明涉及在组件(诸如燃料电池)中密封构件，以及控制密封件的厚度。
背景技术：
该部分提供关于本公开的背景信息，该背景信息不一定是现有技术。氢是有吸引力的燃料，因为其提供低排放并且可以用于在燃料电池中高效地产生电。氢燃料电池是具有阳极和阴极的电化学设备，阳极和阴极由电解质分开。阳极接收燃料(例如，氢气)且阴极接收氧化剂(例如，氧或空气)。氢气在阳极中解离从而生成自由质子和电子，而质子穿过电解质到达阴极。来自阳极的电子不穿过电解质，而是在被引导到阴极之前被引导通过负载来做功。在阴极中，质子、电子和氧反应并生成水。质子交换膜(PEM)燃料电池是用于驱动车辆的燃料电池的一种类型。PEM燃料电池通常包括固态聚合物电解质质子传导膜，例如全氟磺酸膜。阳极和阴极可以包括细分的催化性颗粒的催化混合物，诸如钼(Pt)，担载在碳颗粒上，并与离子聚合物混合。催化混合物可以沉积在膜的相对侧。阳极催化混合物、阴极催化混合物和膜的组合可以被称为膜电极组件(MEA)。若干燃料电池可以组合为一个或多个燃料电池堆以产生所需功率。对于某些应用，燃料电池堆可以包括几百或更多的燃料电池。燃料电池堆接收阴极反应物气体，其可以是由压缩机强制通过堆的空气流。燃料电池堆也接收阳极反应气体，诸如氢，其流入该堆的阳极侧。燃料电池堆可以包括位于堆中的若干MEA之间的一系列双极板，双极板和MEA位于两端板之间。对于堆中的相邻的燃料电池，双极板包括阳极侧和阴极侧。在双极板的阳极侧提供有阳极气流通道，其允许阳极反应气体流到相应的MEA。在双极板的阴极侧提供有阴极气流通道，其允许阴极反应气体流到相应的MEA。一个端板包括阳极气流通道，另一个端板包括阴极气流通道。双极板和端板由导电材料制成，诸如不锈钢或导电复合物。端板将燃料电池产生的电导出堆。双极板还可以包括冷却剂流通道，冷却流体流过该流通道，以便控制燃料电池的温度。反应物气流通道可以被密封以防止燃料和氧化剂流体流的泄漏和相互混合。燃料电池堆可以在堆构件之间采用弹性密封或垫片以提供有效的密封。这种密封还可以通过对燃料电池MEA的歧管和电化学活性区域进行划分而将其隔离开。例如，通过介于流场板和膜之间的受到压缩力的由弹性材料形成的弹性垫片可以实现流体紧密封。因此，具有多个板的燃料电池堆可以设有多个垫片和适当的压缩系统，用于对垫片施加压缩力。围绕板歧管开口和燃料电池内的MEA的密封可以包括形成带有流体不可透过及弹性的垫片的MEA，将预先成型的垫片放置在电极层和/或隔离板中的通道中，或在电极层或隔离板中的凹槽中模制密封件，以及划分电化学活性区域和任何流体歧管开口。还可以使用现场固化和现场成型方法来形成密封。现场固化方法使前驱体材料(诸如硅树脂弹性体)的珠分散，以便在两个或多个构件之间提供密封。现场固化工艺可以用于部件可以分解用以维护的情况下。前驱体的珠分散在要组装的构件之一的特别限定的区域中。一旦前驱体已经固化并且粘附到其所施加的构件上，则构件与其它构件组装，并且该固化的珠被压缩。固化的材料的压缩和内聚提供密封。然而，对于现场固化密封来说，可能难以可靠地满足前驱体的分散的珠的严格的垫片高度公差(例如，1.050±0.10mm)。因此，使用慢的和成本高的自动分散速度(例如，每个板大约60秒的循环时间)来获得期望的公差。在两个或多个堆构件的组装期间，现场成型方法使前驱体材料(诸如硅树脂弹性体)的珠分散。前驱体分散在一个或多个构件的表面上，然后构件在前驱体仍然是湿的和未固化时被组装。一旦前驱体已经固化，则弹性的内聚在构件之间提供密封。该技术可以用于构件在生产线上立即组装并且部件不需要经常分解的情况。使用现场成型密封工艺可以使分散的垫片高度公差放大大约10倍(例如，2.50±1.0mm)，其从而使密封循环时间减半(例如，每个板大约30秒循环时间)。然而，对于现场成型密封而言，燃料电池中的金属双极板可能不足够坚硬和平坦，使得难以在堆组装时控制未固化和湿的垫片的厚度。
发明内容
本发明技术包括与组件的密封构件相关的系统、过程、制造物和成分。现场成型方法、密封剂和密封件包括一个或多个可变形的或软的间隔件。这些可变形的间隔件可以控制所得到的密封件的厚度，而不会不利地影响弹性及其密封力。在各种实施例中，密封的组件包括第一构件、第二构件、密封件、和压缩系统。密封件设置在第一构件和所述第二构件之间，并且包括第一弹性材料和可变形的间隔件。可变形的间隔件的第一维度限定第一构件和第二构件之间的距离。压缩系统压缩第一构件和第二构件之间的密封件，并且使可变形的间隔件变形。在各种实施例中，提供一种密封组件的方法，该组件包括第一构件和第二构件。对第一构件和第二构件之一施加密封剂，该密封剂包括前驱体材料和可变形的间隔件。然后，密封剂与第一构件和第二构件中的另一个接触，并且在第一构件和第二构件之间压缩。可变形的间隔件的第一维度限定第一构件和第二构件之间的距离。密封剂被固化，形成包括第一弹性材料和可变形的间隔件的密封件。在一些实施例中，可变形的间隔件包括第二弹性材料，诸如硅树脂弹性体。密封件可以进一步被压缩，以便使含有第二弹性材料的可变形的间隔件变形。在一些实施例中，可变形的间隔件包括热塑性材料，诸如聚乙烯。包括热塑性材料的可变形的间隔件可以被加热以便软化热塑性材料，密封件可以进一步被压缩，使得含有被软化的热塑性材料的可变形的间隔件变形。本发明的技术可以应用于燃料电池组件，燃料电池堆，以及制造燃料电池组件和燃料电池堆的方法。例如，第一构件可以包括选自端板、双极板和膜电极组件的部件，第二构件可以包括选自端板和双极板的部件。燃料电池堆可以包括多个这种燃料电池组件。此外，本发明还涉及以下技术方案。1.一种密封组件，包括:
第一构件；
第二构件；和
设置在所述第一构件和所述第二构件之间的密封件，所述密封件包括第一弹性材料和可变形的间隔件，其中，所述可变形的间隔件的第一维度限定了所述第一构件和所述第二构件之间的距离；
其中，压缩系统压缩所述第一构件和所述第二构件之间的密封件，并且使所述可变形的间隔件变形。2.如技术方案I所述的密封组件，其中，所述可变形的间隔件包括第二弹性材料。3.如技术方案2所述的密封组件，其中，所述第二弹性材料包括硅树脂弹性体。4.如技术方案I所述的密封组件，其中，所述可变形的间隔件包括热塑性材料。5.如技术方案4所述的密封组件，其中，所述热塑性材料包括聚乙烯。6.如技术方案I所述的密封组件，其中，所述密封件包括多个可变形的间隔件。7.如技术方案6所述的密封组件，其中，所述多个可变形的间隔件构成所述密封件的体积的大约1%至大约50%。8.如技术方案I所述的密封组件，其中，所述可变形的间隔件的所述第一维度小
于垂直于所述第一维度的第二维度。9.如技术方案I所述的密封组件，其中，与未压缩的可变形的间隔件相比，在所述压缩系统作用下变形的所述可变形的间隔件的所述第一维度减小至少大约20%。10.如技术方案I所述的密封组件，其中，所述压缩系统施加大约0.075 N/mm2至大约0.75N/mm2的压力。11.一种燃料电池组件，包括如技术方案I所述的密封组件，其中，所述第一构件包括选自端板、双极板和膜电极组件的部件，所述第二构件包括选自端板和双极板的部件。12.一种燃料电池堆，包括多个如技术方案11所述的燃料电池组件。13.一种密封包括第一构件和第二构件的组件的方法，所述方法包括:
对所述第一构件和所述第二构件之一施加密封剂，所述密封剂包括前驱体材料和可变形的间隔件；
使所述密封剂与所述第一构件和所述第二构件中的另一个接触；
压缩所述第一构件和所述第二构件之间的密封剂，其中，所述可变形的间隔件的第一维度限定了所述第一构件和所述第二构件之间的距离；以及
使所述前驱体材料固化，形成包括第一弹性材料和所述可变形的间隔件的密封件。14.如技术方案13所述的方法，其中，所述可变形的间隔件包括第二弹性材料。15.如技术方案14所述的方法，其中，所述第二弹性材料包括硅树脂弹性体。16.如技术方案14所述的方法，还包括压缩所述密封件以便使所述可变形的间隔件变形。17.如技术方案16所述的方法，其中，通过压缩所述密封件以便使包括所述第二弹性材料的所述可变形的间隔件变形，使得所述可变形的间隔件的所述第一维度减小至少大约20%。18.如技术方案16所述的方法，其中，压缩所述密封件以便使包括所述第二弹性材料的所述可变形的间隔件变形包括大约0.075 N/mm2至大约0.75N/mm2的压力。19.如技术方案13所述的方法，其中，所述可变形的间隔件包括热塑性材料。20.如技术方案19所述的方法，其中，所述热塑性材料包括聚乙烯。
21.如技术方案19所述的方法，还包括加热所述含有热塑性材料的可变形的间隔件，以便软化所述热塑性材料。22.如技术方案21所述的方法，还包括压缩所述密封件以便使含有被软化的热塑性材料的可变形的间隔件变形。23.如技术方案22所述的方法，其中，通过压缩所述密封件以便使含有被软化的热塑性材料的可变形的间隔件变形，使得所述可变形的间隔件的所述第一维度被压缩至少大约20%。24.如技术方案22所述的方法，其中，压缩所述密封件以便使含有被软化的热塑性材料的所述可变形的间隔件变形包括大约0.075 N/mm2至大约0.75N/mm2的压力。25.如技术方案13所述的方法，其中，所述密封剂包括多个可变形的间隔件。26.如技术方案25所述的方法，其中，所述多个可变形的间隔件构成所述密封剂的体积的大约1%至大约50%。27.一种密封燃料电池组件的方法，包括如技术方案13所述的方法，其中所述第一构件包括选自端板、双极板和膜电极组件的部件，所述第二构件包括选自端板和双极板的部件。28.一种密封燃料电池堆的方法，所述燃料电池堆包括多个燃料电池组件，所述多个燃料电池组件根据技术方案27所述的方法密封。申请的其它内容将从本文提供的说明书中变得清楚。该发明内容中的说明和具体示例仅旨在用于说明的目的且并不旨在限制本公开的范围。
本文所描述的附图目的仅在于解释说明所选的实施例而并非所有可能的实施方式，且并不意图限制本公开的范围。图1示出了 PEM燃料电池堆(仅显示了两个电池)的实施例的示意性分解透视图，其示出了根据本发明的技术所形成的密封件的位置。图2A-2D示出了根据本发明技术密封组件的方法的实施例的横截面视图。
具体实施例方式以下对技术的描述在主题、制造以及使用一个或多个发明的本质方面仅是示例性的，并且不限制本申请所要求的任何特定发明的范围、应用或用途，或者所提交的申请的要求本申请的优先权或者由此产生的专利。关于所公开的方法，所述的步骤的顺序本质上是示例性的，因此，可能的情况下，在各种实施例中，步骤的顺序可以不同。本发明的技术包括将两个或更多个构件密封在一起的方法，包括通过压缩力而将构件保持在一起的实施例。包括弹性材料或固化以形成弹性材料的密封剂的密封件包括软的或可变形的间隔件，以便在组装期间控制密封件的厚度，其中，可变形的间隔件不会不利地影响密封件的弹性和密封能力。在各种应用中，密封件的厚度以及所密封的构件之间的距离可以是重要的，例如，构件之间的空间提供组件的功能性的方面。可变形的间隔件在组装期间可以保持特定的厚度，并且可以进一步压缩以保持特定的密封力。可变形的间隔件使得弹性材料能够被压缩，以便依赖于期望的应用而产生足够的密封力/反力。一些应用可能要求密封件的压缩和弹性改变，以便适应密封的组件例如由于压力和/或温度的变化导致的膨胀和收缩。可变形的间隔件可以具有弹性性质，用于增强密封，例如，还可以包括诸如热塑性弹性体、热固性弹性体以及聚烯烃的材料。本发明的密封件、密封剂、以及组件可以用在燃料电池应用中，其中，使用压缩来密封某些构件。图1示出了具有一对膜电极组件(MEA) 4、6的两个电池的PEM燃料电池堆2，膜电极组件4、6通过导电流体分配元件8 (下文称为双极板8)彼此分开。在一些实施例中，PEM燃料电池堆2可以包括具有单个MEA的单个燃料电池，具有两个MEA的一对燃料电池(如图1所示)，或者具有多于两个MEA的多于两个燃料电池，包括数十或数百的燃料电池和MEA。MEA4、6和双极板8在端部单元10、12以及端部接触元件或端板14、16之间堆叠在一起。端板14、16以及双极板8的两个工作面分别包括多个流路凹槽或通道18、20、22、24，用于将燃料和氧化气体(例如，H2和O2)分配到MEA4、6。在燃料电池堆的若干构件之间，密封件26、28、30、32有效地密封并且进行电绝缘。在图1的分解视图中，为了清楚起见，密封件26、28、30、32显示为与双极板8、端板14、16以及MEA4、6是分开的构件，然而，密封件26、28,30,32可以包括本文所述的各种密封件，并且可以使用本文所述的各种方法来形成。密封件26、28、30、32布置为防止流体在MEA的边缘周围泄漏。MEA4、6设置为与气体可透过的传导性材料相邻，这些气体可透过的传导性材料称为气体扩散介质(GDM) 34、36、38、40。GDM34、36、38、40可以包括碳或石墨扩散纸。适当的碳纸可以从 Toray Industries 商业购买,例如 Toray TGP-H060。GDM34、36、38、40 接触MEA4、6。端板14、16分别接触GDM34、40。双极板8接触MEA4的阳极面上的GDM36(其配置成接受含有氢的反应物)，并且还接触MEA6的阴极面上的GDM38 (其配置成接受含有氧的反应物)。氧例如通过适当的供应管道42从存储罐46被供应到燃料电池堆2的阴极侧。氢例如通过适当的供应管道44从存储罐48被供应到燃料电池的阳极侧。或者，环境空气可以供应至阴极侧，作为氧源，并且氢从甲醇或汽油重整器等供应至阳极。还设置用于MEA4、6的阳极侧和阴极侧的排出管道(图1中未示出)。提供额外的管道50、52和54用于将液体冷却剂供应到双极板8和端板14、16。还设置用于将冷却剂从双极板8和端板14、16排出的合适管道(未不出)。PEM燃料电池堆2包括压缩系统(未示出)，用于将构件压缩到一起并且保持在密封件26、28、30、32处的有效密封力。适当的压缩系统(也称为压缩保持系统)包括美国专利Andreas-Schott 等人的 7807316,Murphy 等人的 6040072, Wozniczka 等人的 5789091, Gibb等人的5484666以及美国专利申请公开Andreas-Schott等人的2011/0217617, Connor等人的2008/0145713，Budinski等人的2006/0040166，所有这些文献都通过引用而完整地结合在本文中。例如，如同Andreas-Schott等人的美国专利申请公开2011/0217617中所描述的，多个柔性的条带可以设置为与PEM燃料电池堆2相邻。压缩保持系统可以适于将压缩力施加到燃料电池堆2，并且适应燃料电池堆2的膨胀。压缩保持系统还可以适于将压缩力保持在期望的范围内。应该认识到，燃料电池堆2的膨胀可以是由一个或多个MEA的增大或膨胀造成的，其中，该增大或膨胀是响应于操作时燃料电池堆2的湿度和/或温度的变化而发生的。例如，当燃料电池堆2的温度从大约25摄氏度的环境温度上升到大约80摄氏度的操作温度时，可以发生燃料电池堆2的膨胀。如图1所示，密封件26、28、30、32设置在燃料电池堆2的各个构件之间。例如，一个构件可以包括端板14、16、双极板8、或膜电极组件4、6，其利用包括端板14、16或双极板8的另一构件来密封。燃料电池系统中的其它构件可以类似地密封，并且各种构件的各种组件，不限于燃料电池，可以使用本发明的技术来密封。现在参考图2A-2D，包括第一构件210和第二构件215的组件205的密封方法200的实施例以横截面图显示。在图2A中，密封剂220被施加到第一构件210，其中，密封剂220包括前驱体材料225和可变形的间隔件230。前驱体材料225至少部分是流体，使得其能够在压力下流动，诸如在第一构件210和第二构件215之间挤压时。前驱体材料225可以赋予密封剂220以从胶状至膏状的稠度，使得密封剂220可以作为珠被分散到第一构件210上。在图2B中，密封剂220被放置为与第二构件215接触。密封剂220在第一构件210和第二构件215之间压缩至一点，在该点，可变形的间隔件230接触第一构件210和第二构件215。可变形的间隔件230的第一维度235限定第一构件210和第二构件215之间的距离。例如，在将第一构件210和第二构件215压缩到一起时，可变形的间隔件230作为软的止挡件，以便维持由第一维度235所限定的特定距离。改变可变形的间隔件230的形状和尺寸可以按照需要地调整第一维度235。在图2C中，密封剂220被固化以形成包括弹性材料245和可变形的间隔件230的密封件240。固化的前驱体材料225形成弹性材料245。所得到的密封件240可以形成图1中所示的一个或多个密封件26、28、30、32。在图2D中，密封件240在第一构件210和第二构件215之间压缩，由此使得可变形的间隔件230变形，并且导致减小的第一维度250，该减小的第一维度250小于第一维度235。压缩的密封件240在第一构件210和第二构件215之间提供有效的密封和反力。以此方式，密封件240可以防止流体(包括反应物气体、水蒸气和液体水)在燃料电池内通过。可以使用各种可变形的间隔件230。可以采用所有方式的几何形状的可变形的间隔件230，包括球形、圆柱形、立方体形等。可变形的间隔件230的第一维度235可以被改变，以便调整第一构件210和第二构件215之间的距离。在一些实施例中，第一维度235是大约0.5mm至大约2.0mm0在某些实施例中，第一维度235是大约1.0mm。在某些实施例中，第一维度235可以制造得大于第一构件210和第二构件215之间的期望的间隔，使得密封件240的压缩以及可变形的间隔件230的变形导致减小的第一维度250，该减小的第一维度250是密封的组件205的最终期望的间隔。例如，第一维度235可以大于大约0.5mm至大约2.0_，使得在压缩后，可变形的间隔件230具有大约0.5mm至大约2.0mm的减小的第一维度250,包括大约1.0mm。可变形的间隔件230可以由在被压缩之后能够返回至其原始形状的弹性材料制成。在一些实施例中，可变形的间隔件230可以由密封剂220中使用的固化的前驱体材料225制成。因此，所得到的密封件240可以包括由相同材料制成的弹性材料245和可变形的间隔件230，使得它们具有即使不相同也相似的物理性质。可变形的间隔件230可以包括弹性体，诸如硅树脂弹性体，并且也可以由热塑性材料制成，诸如能够在压缩下变形的聚乙烯。在一些情况下，热塑性的可变形的间隔件230可以被加热，使其在压缩时更容易变形。在密封剂220中可以包括多个可变形的间隔件230。在使用多于一个可变形的间隔件230的情况下，可变形的间隔件230的形状可以基本上都是均匀的，或者沿第一维度235至少是均匀的，使得所得到的密封件240在第一和第二构件210、215之间提供均匀的距离。在一些实施例中，多个可变形的间隔件230构成密封剂220和所得到的密封件240的体积的大约1%至大约50%。实施例可以包括，多个可变形的间隔件230构成密封剂220和所得到的密封件240的体积的大约5%至大约20%。在可变形的间隔件230包括弹性材料时，方法200可以进一步包括压缩第一构件210和第二构件215之间的密封件240，以便使可变形的间隔件230变形。S卩，密封件240和可变形的间隔件230可以在第一和第二构件210、215之间进一步压缩，使得第一和第二构件210、215之间的距离小于第一维度235，例如图2D所示的减小的第一维度250。当可变形的间隔件230包括热塑性材料时，方法200可以进一步包括加热可变形的间隔件230，以便软化热塑性材料。密封件240可以被压缩，以便使含有被软化的热塑性材料的可变形的间隔件变形。以此方式，密封件240和可变形的间隔件230可以在第一和第二构件210、215之间进一步压缩，使得第一和第二构件210、215之间的距离小于第一维度235，例如图2D所示的减小的第一维度250。在密封件240进一步被压缩以使可变形的间隔件230变形的实施例中，与未压缩的可变形的间隔件相比，可变形的间隔件230的第一维度235可以减小至少大约1%、大约5%、大约10%、大约15%、大约20%、大约25%、大约30%、大约35%、或大约40%或更多。依赖于可变形的间隔件230的形状，使可变形的间隔件230压缩变形可以使可变形的间隔件的第一维度小于垂直于第一维度的第二维度，例如，球形的可变形的间隔件230可以变形，圆形的横截面变成椭圆形的横截面。在一些实施例中，与未压缩的可变形的间隔件相比，可变形的间隔件230的第一维度235减小大约20%至大约30%。使可变形的间隔件230的第一维度235减小的压缩可以使用本文所述的压缩系统或压缩保持系统来施加。该压缩可以提供第一和第二构件210、215之间的有效的密封力。例如，各种实施例包括使用大约0.075N/mm2至大约0.75N/mm2的压力来压缩密封件240以便使可变形的间隔件230变形。可以各种方式来实施方法200。例如，自动分散系统可以将密封剂220施加到第一构件210，如同用于制造现场成型垫片。在垫片珠(例如，图2的板A中的密封剂220)中使用可变形的间隔件230在燃料电池堆组装期间控制湿的垫片的厚度。可变形的间隔件230可以使得湿的垫片厚度为大约1.0_，然后在周围的前驱体材料225被以1.0mm固化之后，可变形的间隔件230可以允许20%至30%的压缩，以便产生充分的密封力/反力。密封剂220中的前驱体材料225可以包括流动可加工的弹性体，例如，热固性液体喷射可模制的混合物，包括硅树脂、含氟弹性体、含氟硅树脂、天然橡胶、和/或乙烯丙烯二烯单体和聚异丁烯。这些材料还可以被固化并且用于制造可变形的间隔件230。在一些实施例中，前驱体材料225包括流体聚合、可固化的反应系统，其成分在混合时形成弹性体材料，在热力加成可固化实施例中，其被加热到预先限定的固化温度。这种系统可以被调整用作现场成型垫片材料，用于作为大致非陷落或成型稳定的粘性混合物的珠来分散，其从管嘴或其它孔口放出到组件构件的表面上。当被加热到预先限定的温度或者与周围水分反应或暴露于紫外(UV)辐射时，材料可以原地固化，形成弹性的垫片，该垫片粘附到构件的表面。这样形成的垫片能够填充各种构件的配合表面之间的间隙，用于其环境密封。在热力加成可固化的实施例中，反应系统可以调配为以下的流体混合物:(a)聚合的粘结剂成分，即，具有第一官能团的树脂；(b)具有可以与粘结剂成分的第一官能团反应的第二官能团的交联成分；(c)催化第一和第二官能团的反应的催化剂成分；(d)—个或多个可变形的间隔件，以及可选的(e)导电的填充物。流体的意思是指，混合的成分展现出有代表性的流体流动性质，允许其在压力下以给定的流速度挤出通过分散管嘴、针、或其它孔口。例如，可以使用通过大约275至400kPa下大约0.025-2.75g/min之间的0.5至2mm孔口的流率。未固化的成分还提供为充分的粘度，例如在25摄氏度下1000-10000泊，使得其分散在基底上作为大致连续的形状稳定的珠，之后在大气压力下直接固化在其上，不需要使用模具。形状稳定指的是施加到基底上的成分的未固化的珠在固化之前展现小于25%的陷落、下陷或流出，以便形成弹性体材料的密封件。当混合时，粘结剂成分和交联成分可以通过热力加成聚合而反应形成固化的弹性材料，即，硫化或交联的机构。固化指的是成分的粘结剂被聚合、交联、进一步交联或聚合、硫化、冷却、硬化、或从液体或其它流动形式化学地或物理地改变为固体弹性或聚合相。热力加成固化系统可以是泡沫的或非泡沫的，包括具有固化机构的系统，其包括官能团类在相邻的分子上的直接交联反应，其也可以是低聚物或聚合物。交联反应可以是热加速的，并且可以具有固化曲线，该固化曲线可以包括在给定的加热时间内的预先限定的固化或临界温度。固化反应可以发生在相同的分子或官能团之间，或者可以在周围温度下是潮湿的或UV催化的。在各种热固化的基于硅树脂的实施例中，系统结合了弹性的基于硅树脂的粘结剂成分，其具有第一官能类，诸如乙烯基团，以及基于硅树脂的交联剂，其具有第二官能类，诸如氢化物团，其不同于第一官能类，但可以与之反应。即，第一和第二类展现在某个活化能级之上的反应亲和性，使得热导致的交联反应在特定的固化温度或之上实现，导致反应系统的固化，以便形成形状稳定的弹性材料。如本文所用，术语弹性指的是，其大致意思是，展现类似橡胶的柔性性质、弹性、低压缩变形、柔性、以及在变形之后恢复的能力，即，应力松弛。对于硅树脂弹性体，总体上，前驱体材料225可以展现在宽的温度范围上的抗热性和抗氧化性，以及对许多化学物质和天气因素的抵抗性。前驱体材料225可以包括粘结剂和交联成分，其各可以具有大约70000-90000之间的相对重量平均分子重量，即归类为基于硅树脂的热力加成可固化或交联弹性成分。在一些实施例中，线性乙烯基封端的硅氧烷聚合物，如乙烯基封端的聚二甲基硅氧烷，被用作粘结剂成分，至少一种化学计量摩尔量的氢化物封端的硅氧烷，硅氧烷聚合物，或硅氧烷共聚物，被用作交联剂。在某些实施例中，粘结剂和交联剂成分在单组分系统中混合。或者，粘结剂成分可以被包括在两组分系统的第一组分中，包括在第二组分中的交联剂成分被调节以便与第一组分以限定的体积比例混合。在任一系统中，另外一个或两个组分可额外地包括载体，如硅树脂或硅树脂相容流体，如甲苯、酒精的稀释剂，或其它有机溶剂，或额外的粘结剂成分，其包括第一官能团类。可以使用的基于硅树脂的成分包括可以从Dow CorningCorp., Midland, MI和General Electric C0., Silicone Products Div., Pittsfield,MA商业购买到的。各种抑制剂可选地被包括在单个组分中，或在两组分制剂的第二组分中，用于抑制第一和第二官能团类之间在室温下反应，从而增加了混合物的存放时间或打开时间。然而，在从大约85-150摄氏度的升高的固化温度下，抑制剂可能挥发，从而允许第一和第二官能团之间的交联反应，以便进行固化。金属催化剂，如有机金属钼催化剂，类似地可以被包括在单组分或两组分制剂中的第一组分中，以催化第一和第二官能团之间的热力加成交联反应。通常，从这种催化剂的大约5-10ppm，基于功能硅氧烷成分的总重量，被包括在第一成分中。适合作为粘结剂成分使用的其它聚合材料包括天然橡胶，如Hevea和热塑性橡胶，即，可熔融加工的，或热固性的，即，可硫化的、合成橡胶，如含氟聚合物，氯磺酸甲酯，聚丁二烯，丁基，氯丁橡胶，腈，聚异戊二烯，布纳-N，共聚物橡胶，如乙烯-丙烯(EPR)，乙烯-丙烯-二烯单体(EPDM)，丁腈橡胶(NBR)和苯乙烯-丁二烯(SBR)，或共混物，如乙烯或丙烯-EPDM，EPR，或NBR。合成橡胶也应被理解为包括材料，其可选地被广泛归类为热塑性或热固性弹性体，如聚氨酯，硅树脂，氟硅树脂，苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯(SIS)，和苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(SBS)，以及具有类似橡胶性能的其它聚合物，例如增塑的尼龙，聚酯，乙烯-乙烯醋酸乙烯酯，和聚氯乙烯。在一些实施例中，前驱体材料225可以是导电的，其中，基于硅树脂的或其它弹性粘结剂成分通过利用导电填充物来加载而成为导电的。合适的导电填充物包括镍和镀镍基底，如石墨，贵金属系填充物，特别是银基填充物，如:纯银；镀银的贵金属如镀银的金，镀银非贵金属，如镀银的铜，镍，铝和锡；和镀银的玻璃，陶瓷，塑料，和云母，以及它们的混合物。填充物的形状可包括通常在制造或形成本文所涉及类型的导电材料中涉及的任何形状，包括固体球形，中空微球，薄片，小板，纤维，棒，或不规则形状的颗粒。类似地，填充物的颗粒尺寸不被认为是限制性的，但通常将在大约0.250-250微米的范围内，包括大约
0.250-75微米的范围。在制剂的混合过程中可以采用溶剂或其它稀释剂来降低材料的粘性，以便改善混合和输送。根据所设想的特定应用的要求，其它流变剂和添加剂，如颜料，微波衰减或导热性填充物，润滑剂，润湿剂，稳定剂，抗氧化剂，着色剂或遮光剂，阻燃剂，链延伸的油，增粘齐U，发泡剂，发泡或防沫剂等可选地结合到制剂中。如所叙述地表示的，混合的热力加成反应系统在规定的固化规划之后基本上是热固性的。这种固化的规划包括将充分暴露于大约85-105摄氏度之间的固化温度，达到大约30-60分钟之间的时间段，或者直到实现完全的固化。例如，在优选的温度范围和加热或固化时间内，可以实现大约30-50%的50%偏转的压缩变形。所传递的总的热能是固化温度和加热时间的函数，固化时间和温度成反比。即，固化被热加速，使得较低的固化温度要求较长的加热时间，较高的固化温度要求较短的加热时间。然而，将懂得，如果水分，即，RTV，或UV可固化的硅树脂粘结剂系统用来替换所示出实施例的热力加成系统，则加热步骤可以被省略，或利用将材料暴露于UV辐射或周围湿气来代替。本发明的技术提供若干益处和优点。这些包括减小垫片分散循环时间，从而减小成本。例如，本发明的方法可以以现场固化方法形成类似密封的组件所需要的时间的一半来运行。可变形的间隔件控制垫片区域的厚度并且允许使用较低成本的现场成型密封工艺，同时保持组件构件之间的限定的距离。提供了示例性实施例以向本领域技术人员完整充分地说明本公开的范围。给出了多种具体细节(诸如具体构件、设备和方法的示例)以完全地理解本公开的实施例。本领域技术人员将清楚，不需要运用这些具体细节，示例性实施例可以以多种不同的形式来实施并且也不应被解释为限制本发明的范围。在一些示例性实施例中，众所周知的过程，众所周知的设备结构以及众所周知的技术不再详细地描述。在本发明技术的范围内，可以进行一些实施例、材料、成分和方法的等同改变、修改和变化，得到基本上类似的结果。
权利要求
1.一种密封组件，包括: 第一构件； 第二构件；和 设置在所述第一构件和所述第二构件之间的密封件，所述密封件包括第一弹性材料和可变形的间隔件，其中，所述可变形的间隔件的第一维度限定了所述第一构件和所述第二构件之间的距离； 其中，压缩系统压缩所述第一构件和所述第二构件之间的密封件，并且使所述可变形的间隔件变形。
2.如权利要求1所述的密封组件，其中，所述可变形的间隔件包括第二弹性材料。
3.如权利要求2所述的密封组件，其中，所述第二弹性材料包括硅树脂弹性体。
4.如权利要求1所述的密封组件，其中，所述可变形的间隔件包括热塑性材料。
5.如权利要求4所述的密封组件，其中，所述热塑性材料包括聚乙烯。
6.一种燃料电池组件，包括如权利要求1所述的密封组件，其中，所述第一构件包括选自端板、双极板和膜电极组件的部件，所述第二构件包括选自端板和双极板的部件。
7.一种燃料电池堆，包括多个如权利要求6所述的燃料电池组件。
8.—种密封包括第一构件和第二构件的组件的方法，所述方法包括: 对所述第一构件和所述第二构件之一施加密封剂，所述密封剂包括前驱体材料和可变形的间隔件； 使所述密封剂与所述第一构件和所述第二构件中的另一个接触； 压缩所述第一构件和所述第二构件之间的密封剂，其中，所述可变形的间隔件的第一维度限定了所述第一构件和所述第二构件之间的距离；以及 使所述前驱体材料固化，形成包括第一弹性材料和所述可变形的间隔件的密封件。
9.一种密封燃料电池组件的方法，包括如权利要求8所述的方法，其中所述第一构件包括选自端板、双极板和膜电极组件的部件，所述第二构件包括选自端板和双极板的部件。
10.一种密封燃料电池堆的方法，所述燃料电池堆包括多个燃料电池组件，所述多个燃料电池组件根据权利要求9所述的方法密封。
全文摘要
本发明涉及一种控制PEM燃料电池堆的现场成型密封厚度的方法。本发明涉及一种密封的组件，其使用包括可变形的间隔件的密封剂来制造，以便控制厚度，而不会不利地影响弹性和密封力。可变形的间隔件(例如，弹性体、聚烯烃等)与弹性前驱体材料混合，并且分散到组件构件上，诸如燃料电池双极板上，通过压靠可变形的间隔件来组装其余的构件，以便确保所限定的密封厚度。前驱体被固化以形成密封件，该密封件进一步被压缩以提供有效的密封力。可变形的间隔件控制密封区域的厚度并且允许使用现场成型密封工艺。
文档编号H01M8/02GK103107296SQ201210455628
公开日2013年5月15日 申请日期2012年11月14日 优先权日2011年11月14日
发明者R.H.布伦克, A.P.诺瓦克 申请人:通用汽车环球科技运作有限责任公司
技术领域：
本发明涉及在组件(诸如燃料电池)中密封构件，以及控制密封件的厚度。
背景技术：
该部分提供关于本公开的背景信息，该背景信息不一定是现有技术。氢是有吸引力的燃料，因为其提供低排放并且可以用于在燃料电池中高效地产生电。氢燃料电池是具有阳极和阴极的电化学设备，阳极和阴极由电解质分开。阳极接收燃料(例如，氢气)且阴极接收氧化剂(例如，氧或空气)。氢气在阳极中解离从而生成自由质子和电子，而质子穿过电解质到达阴极。来自阳极的电子不穿过电解质，而是在被引导到阴极之前被引导通过负载来做功。在阴极中，质子、电子和氧反应并生成水。质子交换膜(PEM)燃料电池是用于驱动车辆的燃料电池的一种类型。PEM燃料电池通常包括固态聚合物电解质质子传导膜，例如全氟磺酸膜。阳极和阴极可以包括细分的催化性颗粒的催化混合物，诸如钼(Pt)，担载在碳颗粒上，并与离子聚合物混合。催化混合物可以沉积在膜的相对侧。阳极催化混合物、阴极催化混合物和膜的组合可以被称为膜电极组件(MEA)。若干燃料电池可以组合为一个或多个燃料电池堆以产生所需功率。对于某些应用，燃料电池堆可以包括几百或更多的燃料电池。燃料电池堆接收阴极反应物气体，其可以是由压缩机强制通过堆的空气流。燃料电池堆也接收阳极反应气体，诸如氢，其流入该堆的阳极侧。燃料电池堆可以包括位于堆中的若干MEA之间的一系列双极板，双极板和MEA位于两端板之间。对于堆中的相邻的燃料电池，双极板包括阳极侧和阴极侧。在双极板的阳极侧提供有阳极气流通道，其允许阳极反应气体流到相应的MEA。在双极板的阴极侧提供有阴极气流通道，其允许阴极反应气体流到相应的MEA。一个端板包括阳极气流通道，另一个端板包括阴极气流通道。双极板和端板由导电材料制成，诸如不锈钢或导电复合物。端板将燃料电池产生的电导出堆。双极板还可以包括冷却剂流通道，冷却流体流过该流通道，以便控制燃料电池的温度。反应物气流通道可以被密封以防止燃料和氧化剂流体流的泄漏和相互混合。燃料电池堆可以在堆构件之间采用弹性密封或垫片以提供有效的密封。这种密封还可以通过对燃料电池MEA的歧管和电化学活性区域进行划分而将其隔离开。例如，通过介于流场板和膜之间的受到压缩力的由弹性材料形成的弹性垫片可以实现流体紧密封。因此，具有多个板的燃料电池堆可以设有多个垫片和适当的压缩系统，用于对垫片施加压缩力。围绕板歧管开口和燃料电池内的MEA的密封可以包括形成带有流体不可透过及弹性的垫片的MEA，将预先成型的垫片放置在电极层和/或隔离板中的通道中，或在电极层或隔离板中的凹槽中模制密封件，以及划分电化学活性区域和任何流体歧管开口。还可以使用现场固化和现场成型方法来形成密封。现场固化方法使前驱体材料(诸如硅树脂弹性体)的珠分散，以便在两个或多个构件之间提供密封。现场固化工艺可以用于部件可以分解用以维护的情况下。前驱体的珠分散在要组装的构件之一的特别限定的区域中。一旦前驱体已经固化并且粘附到其所施加的构件上，则构件与其它构件组装，并且该固化的珠被压缩。固化的材料的压缩和内聚提供密封。然而，对于现场固化密封来说，可能难以可靠地满足前驱体的分散的珠的严格的垫片高度公差(例如，1.050±0.10mm)。因此，使用慢的和成本高的自动分散速度(例如，每个板大约60秒的循环时间)来获得期望的公差。在两个或多个堆构件的组装期间，现场成型方法使前驱体材料(诸如硅树脂弹性体)的珠分散。前驱体分散在一个或多个构件的表面上，然后构件在前驱体仍然是湿的和未固化时被组装。一旦前驱体已经固化，则弹性的内聚在构件之间提供密封。该技术可以用于构件在生产线上立即组装并且部件不需要经常分解的情况。使用现场成型密封工艺可以使分散的垫片高度公差放大大约10倍(例如，2.50±1.0mm)，其从而使密封循环时间减半(例如，每个板大约30秒循环时间)。然而，对于现场成型密封而言，燃料电池中的金属双极板可能不足够坚硬和平坦，使得难以在堆组装时控制未固化和湿的垫片的厚度。
发明内容
本发明技术包括与组件的密封构件相关的系统、过程、制造物和成分。现场成型方法、密封剂和密封件包括一个或多个可变形的或软的间隔件。这些可变形的间隔件可以控制所得到的密封件的厚度，而不会不利地影响弹性及其密封力。在各种实施例中，密封的组件包括第一构件、第二构件、密封件、和压缩系统。密封件设置在第一构件和所述第二构件之间，并且包括第一弹性材料和可变形的间隔件。可变形的间隔件的第一维度限定第一构件和第二构件之间的距离。压缩系统压缩第一构件和第二构件之间的密封件，并且使可变形的间隔件变形。在各种实施例中，提供一种密封组件的方法，该组件包括第一构件和第二构件。对第一构件和第二构件之一施加密封剂，该密封剂包括前驱体材料和可变形的间隔件。然后，密封剂与第一构件和第二构件中的另一个接触，并且在第一构件和第二构件之间压缩。可变形的间隔件的第一维度限定第一构件和第二构件之间的距离。密封剂被固化，形成包括第一弹性材料和可变形的间隔件的密封件。在一些实施例中，可变形的间隔件包括第二弹性材料，诸如硅树脂弹性体。密封件可以进一步被压缩，以便使含有第二弹性材料的可变形的间隔件变形。在一些实施例中，可变形的间隔件包括热塑性材料，诸如聚乙烯。包括热塑性材料的可变形的间隔件可以被加热以便软化热塑性材料，密封件可以进一步被压缩，使得含有被软化的热塑性材料的可变形的间隔件变形。本发明的技术可以应用于燃料电池组件，燃料电池堆，以及制造燃料电池组件和燃料电池堆的方法。例如，第一构件可以包括选自端板、双极板和膜电极组件的部件，第二构件可以包括选自端板和双极板的部件。燃料电池堆可以包括多个这种燃料电池组件。此外，本发明还涉及以下技术方案。1.一种密封组件，包括:
第一构件；
第二构件；和
设置在所述第一构件和所述第二构件之间的密封件，所述密封件包括第一弹性材料和可变形的间隔件，其中，所述可变形的间隔件的第一维度限定了所述第一构件和所述第二构件之间的距离；
其中，压缩系统压缩所述第一构件和所述第二构件之间的密封件，并且使所述可变形的间隔件变形。2.如技术方案I所述的密封组件，其中，所述可变形的间隔件包括第二弹性材料。3.如技术方案2所述的密封组件，其中，所述第二弹性材料包括硅树脂弹性体。4.如技术方案I所述的密封组件，其中，所述可变形的间隔件包括热塑性材料。5.如技术方案4所述的密封组件，其中，所述热塑性材料包括聚乙烯。6.如技术方案I所述的密封组件，其中，所述密封件包括多个可变形的间隔件。7.如技术方案6所述的密封组件，其中，所述多个可变形的间隔件构成所述密封件的体积的大约1%至大约50%。8.如技术方案I所述的密封组件，其中，所述可变形的间隔件的所述第一维度小
于垂直于所述第一维度的第二维度。9.如技术方案I所述的密封组件，其中，与未压缩的可变形的间隔件相比，在所述压缩系统作用下变形的所述可变形的间隔件的所述第一维度减小至少大约20%。10.如技术方案I所述的密封组件，其中，所述压缩系统施加大约0.075 N/mm2至大约0.75N/mm2的压力。11.一种燃料电池组件，包括如技术方案I所述的密封组件，其中，所述第一构件包括选自端板、双极板和膜电极组件的部件，所述第二构件包括选自端板和双极板的部件。12.一种燃料电池堆，包括多个如技术方案11所述的燃料电池组件。13.一种密封包括第一构件和第二构件的组件的方法，所述方法包括:
对所述第一构件和所述第二构件之一施加密封剂，所述密封剂包括前驱体材料和可变形的间隔件；
使所述密封剂与所述第一构件和所述第二构件中的另一个接触；
压缩所述第一构件和所述第二构件之间的密封剂，其中，所述可变形的间隔件的第一维度限定了所述第一构件和所述第二构件之间的距离；以及
使所述前驱体材料固化，形成包括第一弹性材料和所述可变形的间隔件的密封件。14.如技术方案13所述的方法，其中，所述可变形的间隔件包括第二弹性材料。15.如技术方案14所述的方法，其中，所述第二弹性材料包括硅树脂弹性体。16.如技术方案14所述的方法，还包括压缩所述密封件以便使所述可变形的间隔件变形。17.如技术方案16所述的方法，其中，通过压缩所述密封件以便使包括所述第二弹性材料的所述可变形的间隔件变形，使得所述可变形的间隔件的所述第一维度减小至少大约20%。18.如技术方案16所述的方法，其中，压缩所述密封件以便使包括所述第二弹性材料的所述可变形的间隔件变形包括大约0.075 N/mm2至大约0.75N/mm2的压力。19.如技术方案13所述的方法，其中，所述可变形的间隔件包括热塑性材料。20.如技术方案19所述的方法，其中，所述热塑性材料包括聚乙烯。
21.如技术方案19所述的方法，还包括加热所述含有热塑性材料的可变形的间隔件，以便软化所述热塑性材料。22.如技术方案21所述的方法，还包括压缩所述密封件以便使含有被软化的热塑性材料的可变形的间隔件变形。23.如技术方案22所述的方法，其中，通过压缩所述密封件以便使含有被软化的热塑性材料的可变形的间隔件变形，使得所述可变形的间隔件的所述第一维度被压缩至少大约20%。24.如技术方案22所述的方法，其中，压缩所述密封件以便使含有被软化的热塑性材料的所述可变形的间隔件变形包括大约0.075 N/mm2至大约0.75N/mm2的压力。25.如技术方案13所述的方法，其中，所述密封剂包括多个可变形的间隔件。26.如技术方案25所述的方法，其中，所述多个可变形的间隔件构成所述密封剂的体积的大约1%至大约50%。27.一种密封燃料电池组件的方法，包括如技术方案13所述的方法，其中所述第一构件包括选自端板、双极板和膜电极组件的部件，所述第二构件包括选自端板和双极板的部件。28.一种密封燃料电池堆的方法，所述燃料电池堆包括多个燃料电池组件，所述多个燃料电池组件根据技术方案27所述的方法密封。申请的其它内容将从本文提供的说明书中变得清楚。该发明内容中的说明和具体示例仅旨在用于说明的目的且并不旨在限制本公开的范围。
本文所描述的附图目的仅在于解释说明所选的实施例而并非所有可能的实施方式，且并不意图限制本公开的范围。图1示出了 PEM燃料电池堆(仅显示了两个电池)的实施例的示意性分解透视图，其示出了根据本发明的技术所形成的密封件的位置。图2A-2D示出了根据本发明技术密封组件的方法的实施例的横截面视图。
具体实施例方式以下对技术的描述在主题、制造以及使用一个或多个发明的本质方面仅是示例性的，并且不限制本申请所要求的任何特定发明的范围、应用或用途，或者所提交的申请的要求本申请的优先权或者由此产生的专利。关于所公开的方法，所述的步骤的顺序本质上是示例性的，因此，可能的情况下，在各种实施例中，步骤的顺序可以不同。本发明的技术包括将两个或更多个构件密封在一起的方法，包括通过压缩力而将构件保持在一起的实施例。包括弹性材料或固化以形成弹性材料的密封剂的密封件包括软的或可变形的间隔件，以便在组装期间控制密封件的厚度，其中，可变形的间隔件不会不利地影响密封件的弹性和密封能力。在各种应用中，密封件的厚度以及所密封的构件之间的距离可以是重要的，例如，构件之间的空间提供组件的功能性的方面。可变形的间隔件在组装期间可以保持特定的厚度，并且可以进一步压缩以保持特定的密封力。可变形的间隔件使得弹性材料能够被压缩，以便依赖于期望的应用而产生足够的密封力/反力。一些应用可能要求密封件的压缩和弹性改变，以便适应密封的组件例如由于压力和/或温度的变化导致的膨胀和收缩。可变形的间隔件可以具有弹性性质，用于增强密封，例如，还可以包括诸如热塑性弹性体、热固性弹性体以及聚烯烃的材料。本发明的密封件、密封剂、以及组件可以用在燃料电池应用中，其中，使用压缩来密封某些构件。图1示出了具有一对膜电极组件(MEA) 4、6的两个电池的PEM燃料电池堆2，膜电极组件4、6通过导电流体分配元件8 (下文称为双极板8)彼此分开。在一些实施例中，PEM燃料电池堆2可以包括具有单个MEA的单个燃料电池，具有两个MEA的一对燃料电池(如图1所示)，或者具有多于两个MEA的多于两个燃料电池，包括数十或数百的燃料电池和MEA。MEA4、6和双极板8在端部单元10、12以及端部接触元件或端板14、16之间堆叠在一起。端板14、16以及双极板8的两个工作面分别包括多个流路凹槽或通道18、20、22、24，用于将燃料和氧化气体(例如，H2和O2)分配到MEA4、6。在燃料电池堆的若干构件之间，密封件26、28、30、32有效地密封并且进行电绝缘。在图1的分解视图中，为了清楚起见，密封件26、28、30、32显示为与双极板8、端板14、16以及MEA4、6是分开的构件，然而，密封件26、28,30,32可以包括本文所述的各种密封件，并且可以使用本文所述的各种方法来形成。密封件26、28、30、32布置为防止流体在MEA的边缘周围泄漏。MEA4、6设置为与气体可透过的传导性材料相邻，这些气体可透过的传导性材料称为气体扩散介质(GDM) 34、36、38、40。GDM34、36、38、40可以包括碳或石墨扩散纸。适当的碳纸可以从 Toray Industries 商业购买,例如 Toray TGP-H060。GDM34、36、38、40 接触MEA4、6。端板14、16分别接触GDM34、40。双极板8接触MEA4的阳极面上的GDM36(其配置成接受含有氢的反应物)，并且还接触MEA6的阴极面上的GDM38 (其配置成接受含有氧的反应物)。氧例如通过适当的供应管道42从存储罐46被供应到燃料电池堆2的阴极侧。氢例如通过适当的供应管道44从存储罐48被供应到燃料电池的阳极侧。或者，环境空气可以供应至阴极侧，作为氧源，并且氢从甲醇或汽油重整器等供应至阳极。还设置用于MEA4、6的阳极侧和阴极侧的排出管道(图1中未示出)。提供额外的管道50、52和54用于将液体冷却剂供应到双极板8和端板14、16。还设置用于将冷却剂从双极板8和端板14、16排出的合适管道(未不出)。PEM燃料电池堆2包括压缩系统(未示出)，用于将构件压缩到一起并且保持在密封件26、28、30、32处的有效密封力。适当的压缩系统(也称为压缩保持系统)包括美国专利Andreas-Schott 等人的 7807316,Murphy 等人的 6040072, Wozniczka 等人的 5789091, Gibb等人的5484666以及美国专利申请公开Andreas-Schott等人的2011/0217617, Connor等人的2008/0145713，Budinski等人的2006/0040166，所有这些文献都通过引用而完整地结合在本文中。例如，如同Andreas-Schott等人的美国专利申请公开2011/0217617中所描述的，多个柔性的条带可以设置为与PEM燃料电池堆2相邻。压缩保持系统可以适于将压缩力施加到燃料电池堆2，并且适应燃料电池堆2的膨胀。压缩保持系统还可以适于将压缩力保持在期望的范围内。应该认识到，燃料电池堆2的膨胀可以是由一个或多个MEA的增大或膨胀造成的，其中，该增大或膨胀是响应于操作时燃料电池堆2的湿度和/或温度的变化而发生的。例如，当燃料电池堆2的温度从大约25摄氏度的环境温度上升到大约80摄氏度的操作温度时，可以发生燃料电池堆2的膨胀。如图1所示，密封件26、28、30、32设置在燃料电池堆2的各个构件之间。例如，一个构件可以包括端板14、16、双极板8、或膜电极组件4、6，其利用包括端板14、16或双极板8的另一构件来密封。燃料电池系统中的其它构件可以类似地密封，并且各种构件的各种组件，不限于燃料电池，可以使用本发明的技术来密封。现在参考图2A-2D，包括第一构件210和第二构件215的组件205的密封方法200的实施例以横截面图显示。在图2A中，密封剂220被施加到第一构件210，其中，密封剂220包括前驱体材料225和可变形的间隔件230。前驱体材料225至少部分是流体，使得其能够在压力下流动，诸如在第一构件210和第二构件215之间挤压时。前驱体材料225可以赋予密封剂220以从胶状至膏状的稠度，使得密封剂220可以作为珠被分散到第一构件210上。在图2B中，密封剂220被放置为与第二构件215接触。密封剂220在第一构件210和第二构件215之间压缩至一点，在该点，可变形的间隔件230接触第一构件210和第二构件215。可变形的间隔件230的第一维度235限定第一构件210和第二构件215之间的距离。例如，在将第一构件210和第二构件215压缩到一起时，可变形的间隔件230作为软的止挡件，以便维持由第一维度235所限定的特定距离。改变可变形的间隔件230的形状和尺寸可以按照需要地调整第一维度235。在图2C中，密封剂220被固化以形成包括弹性材料245和可变形的间隔件230的密封件240。固化的前驱体材料225形成弹性材料245。所得到的密封件240可以形成图1中所示的一个或多个密封件26、28、30、32。在图2D中，密封件240在第一构件210和第二构件215之间压缩，由此使得可变形的间隔件230变形，并且导致减小的第一维度250，该减小的第一维度250小于第一维度235。压缩的密封件240在第一构件210和第二构件215之间提供有效的密封和反力。以此方式，密封件240可以防止流体(包括反应物气体、水蒸气和液体水)在燃料电池内通过。可以使用各种可变形的间隔件230。可以采用所有方式的几何形状的可变形的间隔件230，包括球形、圆柱形、立方体形等。可变形的间隔件230的第一维度235可以被改变，以便调整第一构件210和第二构件215之间的距离。在一些实施例中，第一维度235是大约0.5mm至大约2.0mm0在某些实施例中，第一维度235是大约1.0mm。在某些实施例中，第一维度235可以制造得大于第一构件210和第二构件215之间的期望的间隔，使得密封件240的压缩以及可变形的间隔件230的变形导致减小的第一维度250，该减小的第一维度250是密封的组件205的最终期望的间隔。例如，第一维度235可以大于大约0.5mm至大约2.0_，使得在压缩后，可变形的间隔件230具有大约0.5mm至大约2.0mm的减小的第一维度250,包括大约1.0mm。可变形的间隔件230可以由在被压缩之后能够返回至其原始形状的弹性材料制成。在一些实施例中，可变形的间隔件230可以由密封剂220中使用的固化的前驱体材料225制成。因此，所得到的密封件240可以包括由相同材料制成的弹性材料245和可变形的间隔件230，使得它们具有即使不相同也相似的物理性质。可变形的间隔件230可以包括弹性体，诸如硅树脂弹性体，并且也可以由热塑性材料制成，诸如能够在压缩下变形的聚乙烯。在一些情况下，热塑性的可变形的间隔件230可以被加热，使其在压缩时更容易变形。在密封剂220中可以包括多个可变形的间隔件230。在使用多于一个可变形的间隔件230的情况下，可变形的间隔件230的形状可以基本上都是均匀的，或者沿第一维度235至少是均匀的，使得所得到的密封件240在第一和第二构件210、215之间提供均匀的距离。在一些实施例中，多个可变形的间隔件230构成密封剂220和所得到的密封件240的体积的大约1%至大约50%。实施例可以包括，多个可变形的间隔件230构成密封剂220和所得到的密封件240的体积的大约5%至大约20%。在可变形的间隔件230包括弹性材料时，方法200可以进一步包括压缩第一构件210和第二构件215之间的密封件240，以便使可变形的间隔件230变形。S卩，密封件240和可变形的间隔件230可以在第一和第二构件210、215之间进一步压缩，使得第一和第二构件210、215之间的距离小于第一维度235，例如图2D所示的减小的第一维度250。当可变形的间隔件230包括热塑性材料时，方法200可以进一步包括加热可变形的间隔件230，以便软化热塑性材料。密封件240可以被压缩，以便使含有被软化的热塑性材料的可变形的间隔件变形。以此方式，密封件240和可变形的间隔件230可以在第一和第二构件210、215之间进一步压缩，使得第一和第二构件210、215之间的距离小于第一维度235，例如图2D所示的减小的第一维度250。在密封件240进一步被压缩以使可变形的间隔件230变形的实施例中，与未压缩的可变形的间隔件相比，可变形的间隔件230的第一维度235可以减小至少大约1%、大约5%、大约10%、大约15%、大约20%、大约25%、大约30%、大约35%、或大约40%或更多。依赖于可变形的间隔件230的形状，使可变形的间隔件230压缩变形可以使可变形的间隔件的第一维度小于垂直于第一维度的第二维度，例如，球形的可变形的间隔件230可以变形，圆形的横截面变成椭圆形的横截面。在一些实施例中，与未压缩的可变形的间隔件相比，可变形的间隔件230的第一维度235减小大约20%至大约30%。使可变形的间隔件230的第一维度235减小的压缩可以使用本文所述的压缩系统或压缩保持系统来施加。该压缩可以提供第一和第二构件210、215之间的有效的密封力。例如，各种实施例包括使用大约0.075N/mm2至大约0.75N/mm2的压力来压缩密封件240以便使可变形的间隔件230变形。可以各种方式来实施方法200。例如，自动分散系统可以将密封剂220施加到第一构件210，如同用于制造现场成型垫片。在垫片珠(例如，图2的板A中的密封剂220)中使用可变形的间隔件230在燃料电池堆组装期间控制湿的垫片的厚度。可变形的间隔件230可以使得湿的垫片厚度为大约1.0_，然后在周围的前驱体材料225被以1.0mm固化之后，可变形的间隔件230可以允许20%至30%的压缩，以便产生充分的密封力/反力。密封剂220中的前驱体材料225可以包括流动可加工的弹性体，例如，热固性液体喷射可模制的混合物，包括硅树脂、含氟弹性体、含氟硅树脂、天然橡胶、和/或乙烯丙烯二烯单体和聚异丁烯。这些材料还可以被固化并且用于制造可变形的间隔件230。在一些实施例中，前驱体材料225包括流体聚合、可固化的反应系统，其成分在混合时形成弹性体材料，在热力加成可固化实施例中，其被加热到预先限定的固化温度。这种系统可以被调整用作现场成型垫片材料，用于作为大致非陷落或成型稳定的粘性混合物的珠来分散，其从管嘴或其它孔口放出到组件构件的表面上。当被加热到预先限定的温度或者与周围水分反应或暴露于紫外(UV)辐射时，材料可以原地固化，形成弹性的垫片，该垫片粘附到构件的表面。这样形成的垫片能够填充各种构件的配合表面之间的间隙，用于其环境密封。在热力加成可固化的实施例中，反应系统可以调配为以下的流体混合物:(a)聚合的粘结剂成分，即，具有第一官能团的树脂；(b)具有可以与粘结剂成分的第一官能团反应的第二官能团的交联成分；(c)催化第一和第二官能团的反应的催化剂成分；(d)—个或多个可变形的间隔件，以及可选的(e)导电的填充物。流体的意思是指，混合的成分展现出有代表性的流体流动性质，允许其在压力下以给定的流速度挤出通过分散管嘴、针、或其它孔口。例如，可以使用通过大约275至400kPa下大约0.025-2.75g/min之间的0.5至2mm孔口的流率。未固化的成分还提供为充分的粘度，例如在25摄氏度下1000-10000泊，使得其分散在基底上作为大致连续的形状稳定的珠，之后在大气压力下直接固化在其上，不需要使用模具。形状稳定指的是施加到基底上的成分的未固化的珠在固化之前展现小于25%的陷落、下陷或流出，以便形成弹性体材料的密封件。当混合时，粘结剂成分和交联成分可以通过热力加成聚合而反应形成固化的弹性材料，即，硫化或交联的机构。固化指的是成分的粘结剂被聚合、交联、进一步交联或聚合、硫化、冷却、硬化、或从液体或其它流动形式化学地或物理地改变为固体弹性或聚合相。热力加成固化系统可以是泡沫的或非泡沫的，包括具有固化机构的系统，其包括官能团类在相邻的分子上的直接交联反应，其也可以是低聚物或聚合物。交联反应可以是热加速的，并且可以具有固化曲线，该固化曲线可以包括在给定的加热时间内的预先限定的固化或临界温度。固化反应可以发生在相同的分子或官能团之间，或者可以在周围温度下是潮湿的或UV催化的。在各种热固化的基于硅树脂的实施例中，系统结合了弹性的基于硅树脂的粘结剂成分，其具有第一官能类，诸如乙烯基团，以及基于硅树脂的交联剂，其具有第二官能类，诸如氢化物团，其不同于第一官能类，但可以与之反应。即，第一和第二类展现在某个活化能级之上的反应亲和性，使得热导致的交联反应在特定的固化温度或之上实现，导致反应系统的固化，以便形成形状稳定的弹性材料。如本文所用，术语弹性指的是，其大致意思是，展现类似橡胶的柔性性质、弹性、低压缩变形、柔性、以及在变形之后恢复的能力，即，应力松弛。对于硅树脂弹性体，总体上，前驱体材料225可以展现在宽的温度范围上的抗热性和抗氧化性，以及对许多化学物质和天气因素的抵抗性。前驱体材料225可以包括粘结剂和交联成分，其各可以具有大约70000-90000之间的相对重量平均分子重量，即归类为基于硅树脂的热力加成可固化或交联弹性成分。在一些实施例中，线性乙烯基封端的硅氧烷聚合物，如乙烯基封端的聚二甲基硅氧烷，被用作粘结剂成分，至少一种化学计量摩尔量的氢化物封端的硅氧烷，硅氧烷聚合物，或硅氧烷共聚物，被用作交联剂。在某些实施例中，粘结剂和交联剂成分在单组分系统中混合。或者，粘结剂成分可以被包括在两组分系统的第一组分中，包括在第二组分中的交联剂成分被调节以便与第一组分以限定的体积比例混合。在任一系统中，另外一个或两个组分可额外地包括载体，如硅树脂或硅树脂相容流体，如甲苯、酒精的稀释剂，或其它有机溶剂，或额外的粘结剂成分，其包括第一官能团类。可以使用的基于硅树脂的成分包括可以从Dow CorningCorp., Midland, MI和General Electric C0., Silicone Products Div., Pittsfield,MA商业购买到的。各种抑制剂可选地被包括在单个组分中，或在两组分制剂的第二组分中，用于抑制第一和第二官能团类之间在室温下反应，从而增加了混合物的存放时间或打开时间。然而，在从大约85-150摄氏度的升高的固化温度下，抑制剂可能挥发，从而允许第一和第二官能团之间的交联反应，以便进行固化。金属催化剂，如有机金属钼催化剂，类似地可以被包括在单组分或两组分制剂中的第一组分中，以催化第一和第二官能团之间的热力加成交联反应。通常，从这种催化剂的大约5-10ppm，基于功能硅氧烷成分的总重量，被包括在第一成分中。适合作为粘结剂成分使用的其它聚合材料包括天然橡胶，如Hevea和热塑性橡胶，即，可熔融加工的，或热固性的，即，可硫化的、合成橡胶，如含氟聚合物，氯磺酸甲酯，聚丁二烯，丁基，氯丁橡胶，腈，聚异戊二烯，布纳-N，共聚物橡胶，如乙烯-丙烯(EPR)，乙烯-丙烯-二烯单体(EPDM)，丁腈橡胶(NBR)和苯乙烯-丁二烯(SBR)，或共混物，如乙烯或丙烯-EPDM，EPR，或NBR。合成橡胶也应被理解为包括材料，其可选地被广泛归类为热塑性或热固性弹性体，如聚氨酯，硅树脂，氟硅树脂，苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯(SIS)，和苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(SBS)，以及具有类似橡胶性能的其它聚合物，例如增塑的尼龙，聚酯，乙烯-乙烯醋酸乙烯酯，和聚氯乙烯。在一些实施例中，前驱体材料225可以是导电的，其中，基于硅树脂的或其它弹性粘结剂成分通过利用导电填充物来加载而成为导电的。合适的导电填充物包括镍和镀镍基底，如石墨，贵金属系填充物，特别是银基填充物，如:纯银；镀银的贵金属如镀银的金，镀银非贵金属，如镀银的铜，镍，铝和锡；和镀银的玻璃，陶瓷，塑料，和云母，以及它们的混合物。填充物的形状可包括通常在制造或形成本文所涉及类型的导电材料中涉及的任何形状，包括固体球形，中空微球，薄片，小板，纤维，棒，或不规则形状的颗粒。类似地，填充物的颗粒尺寸不被认为是限制性的，但通常将在大约0.250-250微米的范围内，包括大约
0.250-75微米的范围。在制剂的混合过程中可以采用溶剂或其它稀释剂来降低材料的粘性，以便改善混合和输送。根据所设想的特定应用的要求，其它流变剂和添加剂，如颜料，微波衰减或导热性填充物，润滑剂，润湿剂，稳定剂，抗氧化剂，着色剂或遮光剂，阻燃剂，链延伸的油，增粘齐U，发泡剂，发泡或防沫剂等可选地结合到制剂中。如所叙述地表示的，混合的热力加成反应系统在规定的固化规划之后基本上是热固性的。这种固化的规划包括将充分暴露于大约85-105摄氏度之间的固化温度，达到大约30-60分钟之间的时间段，或者直到实现完全的固化。例如，在优选的温度范围和加热或固化时间内，可以实现大约30-50%的50%偏转的压缩变形。所传递的总的热能是固化温度和加热时间的函数，固化时间和温度成反比。即，固化被热加速，使得较低的固化温度要求较长的加热时间，较高的固化温度要求较短的加热时间。然而，将懂得，如果水分，即，RTV，或UV可固化的硅树脂粘结剂系统用来替换所示出实施例的热力加成系统，则加热步骤可以被省略，或利用将材料暴露于UV辐射或周围湿气来代替。本发明的技术提供若干益处和优点。这些包括减小垫片分散循环时间，从而减小成本。例如，本发明的方法可以以现场固化方法形成类似密封的组件所需要的时间的一半来运行。可变形的间隔件控制垫片区域的厚度并且允许使用较低成本的现场成型密封工艺，同时保持组件构件之间的限定的距离。提供了示例性实施例以向本领域技术人员完整充分地说明本公开的范围。给出了多种具体细节(诸如具体构件、设备和方法的示例)以完全地理解本公开的实施例。本领域技术人员将清楚，不需要运用这些具体细节，示例性实施例可以以多种不同的形式来实施并且也不应被解释为限制本发明的范围。在一些示例性实施例中，众所周知的过程，众所周知的设备结构以及众所周知的技术不再详细地描述。在本发明技术的范围内，可以进行一些实施例、材料、成分和方法的等同改变、修改和变化，得到基本上类似的结果。
权利要求
1.一种密封组件，包括: 第一构件； 第二构件；和 设置在所述第一构件和所述第二构件之间的密封件，所述密封件包括第一弹性材料和可变形的间隔件，其中，所述可变形的间隔件的第一维度限定了所述第一构件和所述第二构件之间的距离； 其中，压缩系统压缩所述第一构件和所述第二构件之间的密封件，并且使所述可变形的间隔件变形。
2.如权利要求1所述的密封组件，其中，所述可变形的间隔件包括第二弹性材料。
3.如权利要求2所述的密封组件，其中，所述第二弹性材料包括硅树脂弹性体。
4.如权利要求1所述的密封组件，其中，所述可变形的间隔件包括热塑性材料。
5.如权利要求4所述的密封组件，其中，所述热塑性材料包括聚乙烯。
6.一种燃料电池组件，包括如权利要求1所述的密封组件，其中，所述第一构件包括选自端板、双极板和膜电极组件的部件，所述第二构件包括选自端板和双极板的部件。
7.一种燃料电池堆，包括多个如权利要求6所述的燃料电池组件。
8.—种密封包括第一构件和第二构件的组件的方法，所述方法包括: 对所述第一构件和所述第二构件之一施加密封剂，所述密封剂包括前驱体材料和可变形的间隔件； 使所述密封剂与所述第一构件和所述第二构件中的另一个接触； 压缩所述第一构件和所述第二构件之间的密封剂，其中，所述可变形的间隔件的第一维度限定了所述第一构件和所述第二构件之间的距离；以及 使所述前驱体材料固化，形成包括第一弹性材料和所述可变形的间隔件的密封件。
9.一种密封燃料电池组件的方法，包括如权利要求8所述的方法，其中所述第一构件包括选自端板、双极板和膜电极组件的部件，所述第二构件包括选自端板和双极板的部件。
10.一种密封燃料电池堆的方法，所述燃料电池堆包括多个燃料电池组件，所述多个燃料电池组件根据权利要求9所述的方法密封。
全文摘要
本发明涉及一种控制PEM燃料电池堆的现场成型密封厚度的方法。本发明涉及一种密封的组件，其使用包括可变形的间隔件的密封剂来制造，以便控制厚度，而不会不利地影响弹性和密封力。可变形的间隔件(例如，弹性体、聚烯烃等)与弹性前驱体材料混合，并且分散到组件构件上，诸如燃料电池双极板上，通过压靠可变形的间隔件来组装其余的构件，以便确保所限定的密封厚度。前驱体被固化以形成密封件，该密封件进一步被压缩以提供有效的密封力。可变形的间隔件控制密封区域的厚度并且允许使用现场成型密封工艺。
文档编号H01M8/02GK103107296SQ201210455628
公开日2013年5月15日 申请日期2012年11月14日 优先权日2011年11月14日
发明者R.H.布伦克, A.P.诺瓦克 申请人:通用汽车环球科技运作有限责任公司
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