專利名稱：控制pem燃料電池堆的現(xiàn)場成型密封厚度的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在組件(諸如燃料電池)中密封構(gòu)件，以及控制密封件的厚度。
背景技術(shù)：
該部分提供關(guān)于本公開的背景信息，該背景信息不一定是現(xiàn)有技術(shù)。氫是有吸引力的燃料，因為其提供低排放并且可以用于在燃料電池中高效地產(chǎn)生電。氫燃料電池是具有陽極和陰極的電化學(xué)設(shè)備，陽極和陰極由電解質(zhì)分開。陽極接收燃料(例如，氫氣)且陰極接收氧化劑(例如，氧或空氣)。氫氣在陽極中解離從而生成自由質(zhì)子和電子，而質(zhì)子穿過電解質(zhì)到達(dá)陰極。來自陽極的電子不穿過電解質(zhì)，而是在被引導(dǎo)到陰極之前被引導(dǎo)通過負(fù)載來做功。在陰極中，質(zhì)子、電子和氧反應(yīng)并生成水。質(zhì)子交換膜(PEM)燃料電池是用于驅(qū)動車輛的燃料電池的一種類型。PEM燃料電池通常包括固態(tài)聚合物電解質(zhì)質(zhì)子傳導(dǎo)膜，例如全氟磺酸膜。陽極和陰極可以包括細(xì)分的催化性顆粒的催化混合物，諸如鉬(Pt)，擔(dān)載在碳顆粒上，并與離子聚合物混合。催化混合物可以沉積在膜的相對側(cè)。陽極催化混合物、陰極催化混合物和膜的組合可以被稱為膜電極組件(MEA)。若干燃料電池可以組合為一個或多個燃料電池堆以產(chǎn)生所需功率。對于某些應(yīng)用，燃料電池堆可以包括幾百或更多的燃料電池。燃料電池堆接收陰極反應(yīng)物氣體，其可以是由壓縮機(jī)強(qiáng)制通過堆的空氣流。燃料電池堆也接收陽極反應(yīng)氣體，諸如氫，其流入該堆的陽極側(cè)。燃料電池堆可以包括位于堆中的若干MEA之間的一系列雙極板，雙極板和MEA位于兩端板之間。對于堆中的相鄰的燃料電池，雙極板包括陽極側(cè)和陰極側(cè)。在雙極板的陽極側(cè)提供有陽極氣流通道，其允許陽極反應(yīng)氣體流到相應(yīng)的MEA。在雙極板的陰極側(cè)提供有陰極氣流通道，其允許陰極反應(yīng)氣體流到相應(yīng)的MEA。一個端板包括陽極氣流通道，另一個端板包括陰極氣流通道。雙極板和端板由導(dǎo)電材料制成，諸如不銹鋼或?qū)щ姀?fù)合物。端板將燃料電池產(chǎn)生的電導(dǎo)出堆。雙極板還可以包括冷卻劑流通道，冷卻流體流過該流通道，以便控制燃料電池的溫度。反應(yīng)物氣流通道可以被密封以防止燃料和氧化劑流體流的泄漏和相互混合。燃料電池堆可以在堆構(gòu)件之間采用彈性密封或墊片以提供有效的密封。這種密封還可以通過對燃料電池MEA的歧管和電化學(xué)活性區(qū)域進(jìn)行劃分而將其隔離開。例如，通過介于流場板和膜之間的受到壓縮力的由彈性材料形成的彈性墊片可以實現(xiàn)流體緊密封。因此，具有多個板的燃料電池堆可以設(shè)有多個墊片和適當(dāng)?shù)膲嚎s系統(tǒng)，用于對墊片施加壓縮力。圍繞板歧管開口和燃料電池內(nèi)的MEA的密封可以包括形成帶有流體不可透過及彈性的墊片的MEA，將預(yù)先成型的墊片放置在電極層和/或隔離板中的通道中，或在電極層或隔離板中的凹槽中模制密封件，以及劃分電化學(xué)活性區(qū)域和任何流體歧管開口。還可以使用現(xiàn)場固化和現(xiàn)場成型方法來形成密封?，F(xiàn)場固化方法使前驅(qū)體材料(諸如硅樹脂彈性體)的珠分散，以便在兩個或多個構(gòu)件之間提供密封。現(xiàn)場固化工藝可以用于部件可以分解用以維護(hù)的情況下。前驅(qū)體的珠分散在要組裝的構(gòu)件之一的特別限定的區(qū)域中。一旦前驅(qū)體已經(jīng)固化并且粘附到其所施加的構(gòu)件上，則構(gòu)件與其它構(gòu)件組裝，并且該固化的珠被壓縮。固化的材料的壓縮和內(nèi)聚提供密封。然而，對于現(xiàn)場固化密封來說，可能難以可靠地滿足前驅(qū)體的分散的珠的嚴(yán)格的墊片高度公差(例如，1.050±0.10mm)。因此，使用慢的和成本高的自動分散速度(例如，每個板大約60秒的循環(huán)時間)來獲得期望的公差。在兩個或多個堆構(gòu)件的組裝期間，現(xiàn)場成型方法使前驅(qū)體材料(諸如硅樹脂彈性體)的珠分散。前驅(qū)體分散在一個或多個構(gòu)件的表面上，然后構(gòu)件在前驅(qū)體仍然是濕的和未固化時被組裝。一旦前驅(qū)體已經(jīng)固化，則彈性的內(nèi)聚在構(gòu)件之間提供密封。該技術(shù)可以用于構(gòu)件在生產(chǎn)線上立即組裝并且部件不需要經(jīng)常分解的情況。使用現(xiàn)場成型密封工藝可以使分散的墊片高度公差放大大約10倍(例如，2.50±1.0mm)，其從而使密封循環(huán)時間減半(例如，每個板大約30秒循環(huán)時間)。然而，對于現(xiàn)場成型密封而言，燃料電池中的金屬雙極板可能不足夠堅硬和平坦，使得難以在堆組裝時控制未固化和濕的墊片的厚度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明技術(shù)包括與組件的密封構(gòu)件相關(guān)的系統(tǒng)、過程、制造物和成分?，F(xiàn)場成型方法、密封劑和密封件包括一個或多個可變形的或軟的間隔件。這些可變形的間隔件可以控制所得到的密封件的厚度，而不會不利地影響彈性及其密封力。在各種實施例中，密封的組件包括第一構(gòu)件、第二構(gòu)件、密封件、和壓縮系統(tǒng)。密封件設(shè)置在第一構(gòu)件和所述第二構(gòu)件之間，并且包括第一彈性材料和可變形的間隔件?？勺冃蔚拈g隔件的第一維度限定第一構(gòu)件和第二構(gòu)件之間的距離。壓縮系統(tǒng)壓縮第一構(gòu)件和第二構(gòu)件之間的密封件，并且使可變形的間隔件變形。在各種實施例中，提供一種密封組件的方法，該組件包括第一構(gòu)件和第二構(gòu)件。對第一構(gòu)件和第二構(gòu)件之一施加密封劑，該密封劑包括前驅(qū)體材料和可變形的間隔件。然后，密封劑與第一構(gòu)件和第二構(gòu)件中的另一個接觸，并且在第一構(gòu)件和第二構(gòu)件之間壓縮?？勺冃蔚拈g隔件的第一維度限定第一構(gòu)件和第二構(gòu)件之間的距離。密封劑被固化，形成包括第一彈性材料和可變形的間隔件的密封件。在一些實施例中，可變形的間隔件包括第二彈性材料，諸如硅樹脂彈性體。密封件可以進(jìn)一步被壓縮，以便使含有第二彈性材料的可變形的間隔件變形。在一些實施例中，可變形的間隔件包括熱塑性材料，諸如聚乙烯。包括熱塑性材料的可變形的間隔件可以被加熱以便軟化熱塑性材料，密封件可以進(jìn)一步被壓縮，使得含有被軟化的熱塑性材料的可變形的間隔件變形。本發(fā)明的技術(shù)可以應(yīng)用于燃料電池組件，燃料電池堆，以及制造燃料電池組件和燃料電池堆的方法。例如，第一構(gòu)件可以包括選自端板、雙極板和膜電極組件的部件，第二構(gòu)件可以包括選自端板和雙極板的部件。燃料電池堆可以包括多個這種燃料電池組件。此外，本發(fā)明還涉及以下技術(shù)方案。1.一種密封組件，包括:
第一構(gòu)件；
第二構(gòu)件；和
設(shè)置在所述第一構(gòu)件和所述第二構(gòu)件之間的密封件，所述密封件包括第一彈性材料和可變形的間隔件，其中，所述可變形的間隔件的第一維度限定了所述第一構(gòu)件和所述第二構(gòu)件之間的距離；
其中，壓縮系統(tǒng)壓縮所述第一構(gòu)件和所述第二構(gòu)件之間的密封件，并且使所述可變形的間隔件變形。2.如技術(shù)方案I所述的密封組件，其中，所述可變形的間隔件包括第二彈性材料。3.如技術(shù)方案2所述的密封組件，其中，所述第二彈性材料包括硅樹脂彈性體。4.如技術(shù)方案I所述的密封組件，其中，所述可變形的間隔件包括熱塑性材料。5.如技術(shù)方案4所述的密封組件，其中，所述熱塑性材料包括聚乙烯。6.如技術(shù)方案I所述的密封組件，其中，所述密封件包括多個可變形的間隔件。7.如技術(shù)方案6所述的密封組件，其中，所述多個可變形的間隔件構(gòu)成所述密封件的體積的大約1%至大約50%。8.如技術(shù)方案I所述的密封組件，其中，所述可變形的間隔件的所述第一維度小
于垂直于所述第一維度的第二維度。9.如技術(shù)方案I所述的密封組件，其中，與未壓縮的可變形的間隔件相比，在所述壓縮系統(tǒng)作用下變形的所述可變形的間隔件的所述第一維度減小至少大約20%。10.如技術(shù)方案I所述的密封組件，其中，所述壓縮系統(tǒng)施加大約0.075 N/mm2至大約0.75N/mm2的壓力。11.一種燃料電池組件，包括如技術(shù)方案I所述的密封組件，其中，所述第一構(gòu)件包括選自端板、雙極板和膜電極組件的部件，所述第二構(gòu)件包括選自端板和雙極板的部件。12.一種燃料電池堆，包括多個如技術(shù)方案11所述的燃料電池組件。13.一種密封包括第一構(gòu)件和第二構(gòu)件的組件的方法，所述方法包括:
對所述第一構(gòu)件和所述第二構(gòu)件之一施加密封劑，所述密封劑包括前驅(qū)體材料和可變形的間隔件；
使所述密封劑與所述第一構(gòu)件和所述第二構(gòu)件中的另一個接觸；
壓縮所述第一構(gòu)件和所述第二構(gòu)件之間的密封劑，其中，所述可變形的間隔件的第一維度限定了所述第一構(gòu)件和所述第二構(gòu)件之間的距離；以及
使所述前驅(qū)體材料固化，形成包括第一彈性材料和所述可變形的間隔件的密封件。14.如技術(shù)方案13所述的方法，其中，所述可變形的間隔件包括第二彈性材料。15.如技術(shù)方案14所述的方法，其中，所述第二彈性材料包括硅樹脂彈性體。16.如技術(shù)方案14所述的方法，還包括壓縮所述密封件以便使所述可變形的間隔件變形。17.如技術(shù)方案16所述的方法，其中，通過壓縮所述密封件以便使包括所述第二彈性材料的所述可變形的間隔件變形，使得所述可變形的間隔件的所述第一維度減小至少大約20%。18.如技術(shù)方案16所述的方法，其中，壓縮所述密封件以便使包括所述第二彈性材料的所述可變形的間隔件變形包括大約0.075 N/mm2至大約0.75N/mm2的壓力。19.如技術(shù)方案13所述的方法，其中，所述可變形的間隔件包括熱塑性材料。20.如技術(shù)方案19所述的方法，其中，所述熱塑性材料包括聚乙烯。
21.如技術(shù)方案19所述的方法，還包括加熱所述含有熱塑性材料的可變形的間隔件，以便軟化所述熱塑性材料。22.如技術(shù)方案21所述的方法，還包括壓縮所述密封件以便使含有被軟化的熱塑性材料的可變形的間隔件變形。23.如技術(shù)方案22所述的方法，其中，通過壓縮所述密封件以便使含有被軟化的熱塑性材料的可變形的間隔件變形，使得所述可變形的間隔件的所述第一維度被壓縮至少大約20%。24.如技術(shù)方案22所述的方法，其中，壓縮所述密封件以便使含有被軟化的熱塑性材料的所述可變形的間隔件變形包括大約0.075 N/mm2至大約0.75N/mm2的壓力。25.如技術(shù)方案13所述的方法，其中，所述密封劑包括多個可變形的間隔件。26.如技術(shù)方案25所述的方法，其中，所述多個可變形的間隔件構(gòu)成所述密封劑的體積的大約1%至大約50%。27.一種密封燃料電池組件的方法，包括如技術(shù)方案13所述的方法，其中所述第一構(gòu)件包括選自端板、雙極板和膜電極組件的部件，所述第二構(gòu)件包括選自端板和雙極板的部件。28.一種密封燃料電池堆的方法，所述燃料電池堆包括多個燃料電池組件，所述多個燃料電池組件根據(jù)技術(shù)方案27所述的方法密封。申請的其它內(nèi)容將從本文提供的說明書中變得清楚。該發(fā)明內(nèi)容中的說明和具體示例僅旨在用于說明的目的且并不旨在限制本公開的范圍。


本文所描述的附圖目的僅在于解釋說明所選的實施例而并非所有可能的實施方式，且并不意圖限制本公開的范圍。圖1示出了 PEM燃料電池堆(僅顯示了兩個電池)的實施例的示意性分解透視圖，其示出了根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)所形成的密封件的位置。圖2A-2D示出了根據(jù)本發(fā)明技術(shù)密封組件的方法的實施例的橫截面視圖。
具體實施例方式以下對技術(shù)的描述在主題、制造以及使用一個或多個發(fā)明的本質(zhì)方面僅是示例性的，并且不限制本申請所要求的任何特定發(fā)明的范圍、應(yīng)用或用途，或者所提交的申請的要求本申請的優(yōu)先權(quán)或者由此產(chǎn)生的專利。關(guān)于所公開的方法，所述的步驟的順序本質(zhì)上是示例性的，因此，可能的情況下，在各種實施例中，步驟的順序可以不同。本發(fā)明的技術(shù)包括將兩個或更多個構(gòu)件密封在一起的方法，包括通過壓縮力而將構(gòu)件保持在一起的實施例。包括彈性材料或固化以形成彈性材料的密封劑的密封件包括軟的或可變形的間隔件，以便在組裝期間控制密封件的厚度，其中，可變形的間隔件不會不利地影響密封件的彈性和密封能力。在各種應(yīng)用中，密封件的厚度以及所密封的構(gòu)件之間的距離可以是重要的，例如，構(gòu)件之間的空間提供組件的功能性的方面?？勺冃蔚拈g隔件在組裝期間可以保持特定的厚度，并且可以進(jìn)一步壓縮以保持特定的密封力。可變形的間隔件使得彈性材料能夠被壓縮，以便依賴于期望的應(yīng)用而產(chǎn)生足夠的密封力/反力。一些應(yīng)用可能要求密封件的壓縮和彈性改變，以便適應(yīng)密封的組件例如由于壓力和/或溫度的變化導(dǎo)致的膨脹和收縮。可變形的間隔件可以具有彈性性質(zhì)，用于增強(qiáng)密封，例如，還可以包括諸如熱塑性彈性體、熱固性彈性體以及聚烯烴的材料。本發(fā)明的密封件、密封劑、以及組件可以用在燃料電池應(yīng)用中，其中，使用壓縮來密封某些構(gòu)件。圖1示出了具有一對膜電極組件(MEA) 4、6的兩個電池的PEM燃料電池堆2，膜電極組件4、6通過導(dǎo)電流體分配元件8 (下文稱為雙極板8)彼此分開。在一些實施例中，PEM燃料電池堆2可以包括具有單個MEA的單個燃料電池，具有兩個MEA的一對燃料電池(如圖1所示)，或者具有多于兩個MEA的多于兩個燃料電池，包括數(shù)十或數(shù)百的燃料電池和MEA。MEA4、6和雙極板8在端部單元10、12以及端部接觸元件或端板14、16之間堆疊在一起。端板14、16以及雙極板8的兩個工作面分別包括多個流路凹槽或通道18、20、22、24，用于將燃料和氧化氣體(例如，H2和O2)分配到MEA4、6。在燃料電池堆的若干構(gòu)件之間，密封件26、28、30、32有效地密封并且進(jìn)行電絕緣。在圖1的分解視圖中，為了清楚起見，密封件26、28、30、32顯示為與雙極板8、端板14、16以及MEA4、6是分開的構(gòu)件，然而，密封件26、28,30,32可以包括本文所述的各種密封件，并且可以使用本文所述的各種方法來形成。密封件26、28、30、32布置為防止流體在MEA的邊緣周圍泄漏。MEA4、6設(shè)置為與氣體可透過的傳導(dǎo)性材料相鄰，這些氣體可透過的傳導(dǎo)性材料稱為氣體擴(kuò)散介質(zhì)(GDM) 34、36、38、40。GDM34、36、38、40可以包括碳或石墨擴(kuò)散紙。適當(dāng)?shù)奶技埧梢詮?Toray Industries 商業(yè)購買,例如 Toray TGP-H060。GDM34、36、38、40 接觸MEA4、6。端板14、16分別接觸GDM34、40。雙極板8接觸MEA4的陽極面上的GDM36(其配置成接受含有氫的反應(yīng)物)，并且還接觸MEA6的陰極面上的GDM38 (其配置成接受含有氧的反應(yīng)物)。氧例如通過適當(dāng)?shù)墓?yīng)管道42從存儲罐46被供應(yīng)到燃料電池堆2的陰極側(cè)。氫例如通過適當(dāng)?shù)墓?yīng)管道44從存儲罐48被供應(yīng)到燃料電池的陽極側(cè)?；蛘?，環(huán)境空氣可以供應(yīng)至陰極側(cè)，作為氧源，并且氫從甲醇或汽油重整器等供應(yīng)至陽極。還設(shè)置用于MEA4、6的陽極側(cè)和陰極側(cè)的排出管道(圖1中未示出)。提供額外的管道50、52和54用于將液體冷卻劑供應(yīng)到雙極板8和端板14、16。還設(shè)置用于將冷卻劑從雙極板8和端板14、16排出的合適管道(未不出)。PEM燃料電池堆2包括壓縮系統(tǒng)(未示出)，用于將構(gòu)件壓縮到一起并且保持在密封件26、28、30、32處的有效密封力。適當(dāng)?shù)膲嚎s系統(tǒng)(也稱為壓縮保持系統(tǒng))包括美國專利Andreas-Schott 等人的 7807316,Murphy 等人的 6040072, Wozniczka 等人的 5789091, Gibb等人的5484666以及美國專利申請公開Andreas-Schott等人的2011/0217617, Connor等人的2008/0145713，Budinski等人的2006/0040166，所有這些文獻(xiàn)都通過引用而完整地結(jié)合在本文中。例如，如同Andreas-Schott等人的美國專利申請公開2011/0217617中所描述的，多個柔性的條帶可以設(shè)置為與PEM燃料電池堆2相鄰。壓縮保持系統(tǒng)可以適于將壓縮力施加到燃料電池堆2，并且適應(yīng)燃料電池堆2的膨脹。壓縮保持系統(tǒng)還可以適于將壓縮力保持在期望的范圍內(nèi)。應(yīng)該認(rèn)識到，燃料電池堆2的膨脹可以是由一個或多個MEA的增大或膨脹造成的，其中，該增大或膨脹是響應(yīng)于操作時燃料電池堆2的濕度和/或溫度的變化而發(fā)生的。例如，當(dāng)燃料電池堆2的溫度從大約25攝氏度的環(huán)境溫度上升到大約80攝氏度的操作溫度時，可以發(fā)生燃料電池堆2的膨脹。如圖1所示，密封件26、28、30、32設(shè)置在燃料電池堆2的各個構(gòu)件之間。例如，一個構(gòu)件可以包括端板14、16、雙極板8、或膜電極組件4、6，其利用包括端板14、16或雙極板8的另一構(gòu)件來密封。燃料電池系統(tǒng)中的其它構(gòu)件可以類似地密封，并且各種構(gòu)件的各種組件，不限于燃料電池，可以使用本發(fā)明的技術(shù)來密封。現(xiàn)在參考圖2A-2D，包括第一構(gòu)件210和第二構(gòu)件215的組件205的密封方法200的實施例以橫截面圖顯示。在圖2A中，密封劑220被施加到第一構(gòu)件210，其中，密封劑220包括前驅(qū)體材料225和可變形的間隔件230。前驅(qū)體材料225至少部分是流體，使得其能夠在壓力下流動，諸如在第一構(gòu)件210和第二構(gòu)件215之間擠壓時。前驅(qū)體材料225可以賦予密封劑220以從膠狀至膏狀的稠度，使得密封劑220可以作為珠被分散到第一構(gòu)件210上。在圖2B中，密封劑220被放置為與第二構(gòu)件215接觸。密封劑220在第一構(gòu)件210和第二構(gòu)件215之間壓縮至一點，在該點，可變形的間隔件230接觸第一構(gòu)件210和第二構(gòu)件215?？勺冃蔚拈g隔件230的第一維度235限定第一構(gòu)件210和第二構(gòu)件215之間的距離。例如，在將第一構(gòu)件210和第二構(gòu)件215壓縮到一起時，可變形的間隔件230作為軟的止擋件，以便維持由第一維度235所限定的特定距離。改變可變形的間隔件230的形狀和尺寸可以按照需要地調(diào)整第一維度235。在圖2C中，密封劑220被固化以形成包括彈性材料245和可變形的間隔件230的密封件240。固化的前驅(qū)體材料225形成彈性材料245。所得到的密封件240可以形成圖1中所示的一個或多個密封件26、28、30、32。在圖2D中，密封件240在第一構(gòu)件210和第二構(gòu)件215之間壓縮，由此使得可變形的間隔件230變形，并且導(dǎo)致減小的第一維度250，該減小的第一維度250小于第一維度235。壓縮的密封件240在第一構(gòu)件210和第二構(gòu)件215之間提供有效的密封和反力。以此方式，密封件240可以防止流體(包括反應(yīng)物氣體、水蒸氣和液體水)在燃料電池內(nèi)通過?？梢允褂酶鞣N可變形的間隔件230。可以采用所有方式的幾何形狀的可變形的間隔件230，包括球形、圓柱形、立方體形等?？勺冃蔚拈g隔件230的第一維度235可以被改變，以便調(diào)整第一構(gòu)件210和第二構(gòu)件215之間的距離。在一些實施例中，第一維度235是大約0.5mm至大約2.0mm0在某些實施例中，第一維度235是大約1.0mm。在某些實施例中，第一維度235可以制造得大于第一構(gòu)件210和第二構(gòu)件215之間的期望的間隔，使得密封件240的壓縮以及可變形的間隔件230的變形導(dǎo)致減小的第一維度250，該減小的第一維度250是密封的組件205的最終期望的間隔。例如，第一維度235可以大于大約0.5mm至大約2.0_，使得在壓縮后，可變形的間隔件230具有大約0.5mm至大約2.0mm的減小的第一維度250,包括大約1.0mm。可變形的間隔件230可以由在被壓縮之后能夠返回至其原始形狀的彈性材料制成。在一些實施例中，可變形的間隔件230可以由密封劑220中使用的固化的前驅(qū)體材料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彈性材料245和可變形的間隔件230，使得它們具有即使不相同也相似的物理性質(zhì)?？勺冃蔚拈g隔件230可以包括彈性體，諸如硅樹脂彈性體，并且也可以由熱塑性材料制成，諸如能夠在壓縮下變形的聚乙烯。在一些情況下，熱塑性的可變形的間隔件230可以被加熱，使其在壓縮時更容易變形。在密封劑220中可以包括多個可變形的間隔件230。在使用多于一個可變形的間隔件230的情況下，可變形的間隔件230的形狀可以基本上都是均勻的，或者沿第一維度235至少是均勻的，使得所得到的密封件240在第一和第二構(gòu)件210、215之間提供均勻的距離。在一些實施例中，多個可變形的間隔件230構(gòu)成密封劑220和所得到的密封件240的體積的大約1%至大約50%。實施例可以包括，多個可變形的間隔件230構(gòu)成密封劑220和所得到的密封件240的體積的大約5%至大約20%。在可變形的間隔件230包括彈性材料時，方法200可以進(jìn)一步包括壓縮第一構(gòu)件210和第二構(gòu)件215之間的密封件240，以便使可變形的間隔件230變形。S卩，密封件240和可變形的間隔件230可以在第一和第二構(gòu)件210、215之間進(jìn)一步壓縮，使得第一和第二構(gòu)件210、215之間的距離小于第一維度235，例如圖2D所示的減小的第一維度250。當(dāng)可變形的間隔件230包括熱塑性材料時，方法200可以進(jìn)一步包括加熱可變形的間隔件230，以便軟化熱塑性材料。密封件240可以被壓縮，以便使含有被軟化的熱塑性材料的可變形的間隔件變形。以此方式，密封件240和可變形的間隔件230可以在第一和第二構(gòu)件210、215之間進(jìn)一步壓縮，使得第一和第二構(gòu)件210、215之間的距離小于第一維度235，例如圖2D所示的減小的第一維度250。在密封件240進(jìn)一步被壓縮以使可變形的間隔件230變形的實施例中，與未壓縮的可變形的間隔件相比，可變形的間隔件230的第一維度235可以減小至少大約1%、大約5%、大約10%、大約15%、大約20%、大約25%、大約30%、大約35%、或大約40%或更多。依賴于可變形的間隔件230的形狀，使可變形的間隔件230壓縮變形可以使可變形的間隔件的第一維度小于垂直于第一維度的第二維度，例如，球形的可變形的間隔件230可以變形，圓形的橫截面變成橢圓形的橫截面。在一些實施例中，與未壓縮的可變形的間隔件相比，可變形的間隔件230的第一維度235減小大約20%至大約30%。使可變形的間隔件230的第一維度235減小的壓縮可以使用本文所述的壓縮系統(tǒng)或壓縮保持系統(tǒng)來施加。該壓縮可以提供第一和第二構(gòu)件210、215之間的有效的密封力。例如，各種實施例包括使用大約0.075N/mm2至大約0.75N/mm2的壓力來壓縮密封件240以便使可變形的間隔件230變形。可以各種方式來實施方法200。例如，自動分散系統(tǒng)可以將密封劑220施加到第一構(gòu)件210，如同用于制造現(xiàn)場成型墊片。在墊片珠(例如，圖2的板A中的密封劑220)中使用可變形的間隔件230在燃料電池堆組裝期間控制濕的墊片的厚度?？勺冃蔚拈g隔件230可以使得濕的墊片厚度為大約1.0_，然后在周圍的前驅(qū)體材料225被以1.0mm固化之后，可變形的間隔件230可以允許20%至30%的壓縮，以便產(chǎn)生充分的密封力/反力。密封劑220中的前驅(qū)體材料225可以包括流動可加工的彈性體，例如，熱固性液體噴射可模制的混合物，包括硅樹脂、含氟彈性體、含氟硅樹脂、天然橡膠、和/或乙烯丙烯二烯單體和聚異丁烯。這些材料還可以被固化并且用于制造可變形的間隔件230。在一些實施例中，前驅(qū)體材料225包括流體聚合、可固化的反應(yīng)系統(tǒng)，其成分在混合時形成彈性體材料，在熱力加成可固化實施例中，其被加熱到預(yù)先限定的固化溫度。這種系統(tǒng)可以被調(diào)整用作現(xiàn)場成型墊片材料，用于作為大致非陷落或成型穩(wěn)定的粘性混合物的珠來分散，其從管嘴或其它孔口放出到組件構(gòu)件的表面上。當(dāng)被加熱到預(yù)先限定的溫度或者與周圍水分反應(yīng)或暴露于紫外(UV)輻射時，材料可以原地固化，形成彈性的墊片，該墊片粘附到構(gòu)件的表面。這樣形成的墊片能夠填充各種構(gòu)件的配合表面之間的間隙，用于其環(huán)境密封。在熱力加成可固化的實施例中，反應(yīng)系統(tǒng)可以調(diào)配為以下的流體混合物:(a)聚合的粘結(jié)劑成分，即，具有第一官能團(tuán)的樹脂；(b)具有可以與粘結(jié)劑成分的第一官能團(tuán)反應(yīng)的第二官能團(tuán)的交聯(lián)成分；(c)催化第一和第二官能團(tuán)的反應(yīng)的催化劑成分；(d)—個或多個可變形的間隔件，以及可選的(e)導(dǎo)電的填充物。流體的意思是指，混合的成分展現(xiàn)出有代表性的流體流動性質(zhì)，允許其在壓力下以給定的流速度擠出通過分散管嘴、針、或其它孔口。例如，可以使用通過大約275至400kPa下大約0.025-2.75g/min之間的0.5至2mm孔口的流率。未固化的成分還提供為充分的粘度，例如在25攝氏度下1000-10000泊，使得其分散在基底上作為大致連續(xù)的形狀穩(wěn)定的珠，之后在大氣壓力下直接固化在其上，不需要使用模具。形狀穩(wěn)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現(xiàn)小于25%的陷落、下陷或流出，以便形成彈性體材料的密封件。當(dāng)混合時，粘結(jié)劑成分和交聯(lián)成分可以通過熱力加成聚合而反應(yīng)形成固化的彈性材料，即，硫化或交聯(lián)的機(jī)構(gòu)。固化指的是成分的粘結(jié)劑被聚合、交聯(lián)、進(jìn)一步交聯(lián)或聚合、硫化、冷卻、硬化、或從液體或其它流動形式化學(xué)地或物理地改變?yōu)楣腆w彈性或聚合相。熱力加成固化系統(tǒng)可以是泡沫的或非泡沫的，包括具有固化機(jī)構(gòu)的系統(tǒng)，其包括官能團(tuán)類在相鄰的分子上的直接交聯(lián)反應(yīng)，其也可以是低聚物或聚合物。交聯(lián)反應(yīng)可以是熱加速的，并且可以具有固化曲線，該固化曲線可以包括在給定的加熱時間內(nèi)的預(yù)先限定的固化或臨界溫度。固化反應(yīng)可以發(fā)生在相同的分子或官能團(tuán)之間，或者可以在周圍溫度下是潮濕的或UV催化的。在各種熱固化的基于硅樹脂的實施例中，系統(tǒng)結(jié)合了彈性的基于硅樹脂的粘結(jié)劑成分，其具有第一官能類，諸如乙烯基團(tuán)，以及基于硅樹脂的交聯(lián)劑，其具有第二官能類，諸如氫化物團(tuán)，其不同于第一官能類，但可以與之反應(yīng)。即，第一和第二類展現(xiàn)在某個活化能級之上的反應(yīng)親和性，使得熱導(dǎo)致的交聯(lián)反應(yīng)在特定的固化溫度或之上實現(xiàn)，導(dǎo)致反應(yīng)系統(tǒng)的固化，以便形成形狀穩(wěn)定的彈性材料。如本文所用，術(shù)語彈性指的是，其大致意思是，展現(xiàn)類似橡膠的柔性性質(zhì)、彈性、低壓縮變形、柔性、以及在變形之后恢復(fù)的能力，即，應(yīng)力松弛。對于硅樹脂彈性體，總體上，前驅(qū)體材料225可以展現(xiàn)在寬的溫度范圍上的抗熱性和抗氧化性，以及對許多化學(xué)物質(zhì)和天氣因素的抵抗性。前驅(qū)體材料225可以包括粘結(jié)劑和交聯(lián)成分，其各可以具有大約70000-90000之間的相對重量平均分子重量，即歸類為基于硅樹脂的熱力加成可固化或交聯(lián)彈性成分。在一些實施例中，線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，被用作粘結(jié)劑成分，至少一種化學(xué)計量摩爾量的氫化物封端的硅氧烷，硅氧烷聚合物，或硅氧烷共聚物，被用作交聯(lián)劑。在某些實施例中，粘結(jié)劑和交聯(lián)劑成分在單組分系統(tǒng)中混合?；蛘?，粘結(jié)劑成分可以被包括在兩組分系統(tǒng)的第一組分中，包括在第二組分中的交聯(lián)劑成分被調(diào)節(jié)以便與第一組分以限定的體積比例混合。在任一系統(tǒng)中，另外一個或兩個組分可額外地包括載體，如硅樹脂或硅樹脂相容流體，如甲苯、酒精的稀釋劑，或其它有機(jī)溶劑，或額外的粘結(jié)劑成分，其包括第一官能團(tuán)類?？梢允褂玫幕诠铇渲某煞职梢詮腄ow CorningCorp., Midland, MI和General Electric C0., Silicone Products Div., Pittsfield,MA商業(yè)購買到的。各種抑制劑可選地被包括在單個組分中，或在兩組分制劑的第二組分中，用于抑制第一和第二官能團(tuán)類之間在室溫下反應(yīng)，從而增加了混合物的存放時間或打開時間。然而，在從大約85-150攝氏度的升高的固化溫度下，抑制劑可能揮發(fā)，從而允許第一和第二官能團(tuán)之間的交聯(lián)反應(yīng)，以便進(jìn)行固化。金屬催化劑，如有機(jī)金屬鉬催化劑，類似地可以被包括在單組分或兩組分制劑中的第一組分中，以催化第一和第二官能團(tuán)之間的熱力加成交聯(lián)反應(yīng)。通常，從這種催化劑的大約5-10ppm，基于功能硅氧烷成分的總重量，被包括在第一成分中。適合作為粘結(jié)劑成分使用的其它聚合材料包括天然橡膠，如Hevea和熱塑性橡膠，即，可熔融加工的，或熱固性的，即，可硫化的、合成橡膠，如含氟聚合物，氯磺酸甲酯，聚丁二烯，丁基，氯丁橡膠，腈，聚異戊二烯，布納-N，共聚物橡膠，如乙烯-丙烯(EPR)，乙烯-丙烯-二烯單體(EPDM)，丁腈橡膠(NBR)和苯乙烯-丁二烯(SBR)，或共混物，如乙烯或丙烯-EPDM，EPR，或NBR。合成橡膠也應(yīng)被理解為包括材料，其可選地被廣泛歸類為熱塑性或熱固性彈性體，如聚氨酯，硅樹脂，氟硅樹脂，苯乙烯-異戊二烯-苯乙烯(SIS)，和苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(SBS)，以及具有類似橡膠性能的其它聚合物，例如增塑的尼龍，聚酯，乙烯-乙烯醋酸乙烯酯，和聚氯乙烯。在一些實施例中，前驅(qū)體材料225可以是導(dǎo)電的，其中，基于硅樹脂的或其它彈性粘結(jié)劑成分通過利用導(dǎo)電填充物來加載而成為導(dǎo)電的。合適的導(dǎo)電填充物包括鎳和鍍鎳基底，如石墨，貴金屬系填充物，特別是銀基填充物，如:純銀；鍍銀的貴金屬如鍍銀的金，鍍銀非貴金屬，如鍍銀的銅，鎳，鋁和錫；和鍍銀的玻璃，陶瓷，塑料，和云母，以及它們的混合物。填充物的形狀可包括通常在制造或形成本文所涉及類型的導(dǎo)電材料中涉及的任何形狀，包括固體球形，中空微球，薄片，小板，纖維，棒，或不規(guī)則形狀的顆粒。類似地，填充物的顆粒尺寸不被認(rèn)為是限制性的，但通常將在大約0.250-250微米的范圍內(nèi)，包括大約
0.250-75微米的范圍。在制劑的混合過程中可以采用溶劑或其它稀釋劑來降低材料的粘性，以便改善混合和輸送。根據(jù)所設(shè)想的特定應(yīng)用的要求，其它流變劑和添加劑，如顏料，微波衰減或?qū)嵝蕴畛湮?，潤滑劑，潤濕劑，穩(wěn)定劑，抗氧化劑，著色劑或遮光劑，阻燃劑，鏈延伸的油，增粘齊U，發(fā)泡劑，發(fā)泡或防沫劑等可選地結(jié)合到制劑中。如所敘述地表示的，混合的熱力加成反應(yīng)系統(tǒng)在規(guī)定的固化規(guī)劃之后基本上是熱固性的。這種固化的規(guī)劃包括將充分暴露于大約85-105攝氏度之間的固化溫度，達(dá)到大約30-60分鐘之間的時間段，或者直到實現(xiàn)完全的固化。例如，在優(yōu)選的溫度范圍和加熱或固化時間內(nèi)，可以實現(xiàn)大約30-50%的50%偏轉(zhuǎn)的壓縮變形。所傳遞的總的熱能是固化溫度和加熱時間的函數(shù)，固化時間和溫度成反比。即，固化被熱加速，使得較低的固化溫度要求較長的加熱時間，較高的固化溫度要求較短的加熱時間。然而，將懂得，如果水分，即，RTV，或UV可固化的硅樹脂粘結(jié)劑系統(tǒng)用來替換所示出實施例的熱力加成系統(tǒng)，則加熱步驟可以被省略，或利用將材料暴露于UV輻射或周圍濕氣來代替。本發(fā)明的技術(shù)提供若干益處和優(yōu)點。這些包括減小墊片分散循環(huán)時間，從而減小成本。例如，本發(fā)明的方法可以以現(xiàn)場固化方法形成類似密封的組件所需要的時間的一半來運行?？勺冃蔚拈g隔件控制墊片區(qū)域的厚度并且允許使用較低成本的現(xiàn)場成型密封工藝，同時保持組件構(gòu)件之間的限定的距離。提供了示例性實施例以向本領(lǐng)域技術(shù)人員完整充分地說明本公開的范圍。給出了多種具體細(xì)節(jié)(諸如具體構(gòu)件、設(shè)備和方法的示例)以完全地理解本公開的實施例。本領(lǐng)域技術(shù)人員將清楚，不需要運用這些具體細(xì)節(jié)，示例性實施例可以以多種不同的形式來實施并且也不應(yīng)被解釋為限制本發(fā)明的范圍。在一些示例性實施例中，眾所周知的過程，眾所周知的設(shè)備結(jié)構(gòu)以及眾所周知的技術(shù)不再詳細(xì)地描述。在本發(fā)明技術(shù)的范圍內(nèi)，可以進(jìn)行一些實施例、材料、成分和方法的等同改變、修改和變化，得到基本上類似的結(jié)果。
權(quán)利要求
1.一種密封組件，包括: 第一構(gòu)件； 第二構(gòu)件；和 設(shè)置在所述第一構(gòu)件和所述第二構(gòu)件之間的密封件，所述密封件包括第一彈性材料和可變形的間隔件，其中，所述可變形的間隔件的第一維度限定了所述第一構(gòu)件和所述第二構(gòu)件之間的距離； 其中，壓縮系統(tǒng)壓縮所述第一構(gòu)件和所述第二構(gòu)件之間的密封件，并且使所述可變形的間隔件變形。
2.如權(quán)利要求1所述的密封組件，其中，所述可變形的間隔件包括第二彈性材料。
3.如權(quán)利要求2所述的密封組件，其中，所述第二彈性材料包括硅樹脂彈性體。
4.如權(quán)利要求1所述的密封組件，其中，所述可變形的間隔件包括熱塑性材料。
5.如權(quán)利要求4所述的密封組件，其中，所述熱塑性材料包括聚乙烯。
6.一種燃料電池組件，包括如權(quán)利要求1所述的密封組件，其中，所述第一構(gòu)件包括選自端板、雙極板和膜電極組件的部件，所述第二構(gòu)件包括選自端板和雙極板的部件。
7.一種燃料電池堆，包括多個如權(quán)利要求6所述的燃料電池組件。
8.—種密封包括第一構(gòu)件和第二構(gòu)件的組件的方法，所述方法包括: 對所述第一構(gòu)件和所述第二構(gòu)件之一施加密封劑，所述密封劑包括前驅(qū)體材料和可變形的間隔件； 使所述密封劑與所述第一構(gòu)件和所述第二構(gòu)件中的另一個接觸； 壓縮所述第一構(gòu)件和所述第二構(gòu)件之間的密封劑，其中，所述可變形的間隔件的第一維度限定了所述第一構(gòu)件和所述第二構(gòu)件之間的距離；以及 使所述前驅(qū)體材料固化，形成包括第一彈性材料和所述可變形的間隔件的密封件。
9.一種密封燃料電池組件的方法，包括如權(quán)利要求8所述的方法，其中所述第一構(gòu)件包括選自端板、雙極板和膜電極組件的部件，所述第二構(gòu)件包括選自端板和雙極板的部件。
10.一種密封燃料電池堆的方法，所述燃料電池堆包括多個燃料電池組件，所述多個燃料電池組件根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法密封。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種控制PEM燃料電池堆的現(xiàn)場成型密封厚度的方法。本發(fā)明涉及一種密封的組件，其使用包括可變形的間隔件的密封劑來制造，以便控制厚度，而不會不利地影響彈性和密封力?？勺冃蔚拈g隔件(例如，彈性體、聚烯烴等)與彈性前驅(qū)體材料混合，并且分散到組件構(gòu)件上，諸如燃料電池雙極板上，通過壓靠可變形的間隔件來組裝其余的構(gòu)件，以便確保所限定的密封厚度。前驅(qū)體被固化以形成密封件，該密封件進(jìn)一步被壓縮以提供有效的密封力?？勺冃蔚拈g隔件控制密封區(qū)域的厚度并且允許使用現(xiàn)場成型密封工藝。
文檔編號H01M8/02GK103107296SQ201210455628
公開日2013年5月15日 申請日期2012年11月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月14日
發(fā)明者R.H.布倫克, A.P.諾瓦克 申請人:通用汽車環(huán)球科技運作有限責(zé)任公司