用于燃料電池的分離器組件及其制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種設置在燃料電池內的分離器組件及其制造方法，該分離器組件在結構上提高了結構安全性和燃料電池堆的耐久性并且允許大批量生產燃料電池堆。
【背景技術】
[0002]通常，燃料電池通過將由燃料氧化生成的化學能量直接轉換成電能來生成電力，并且將通過改良或凈化基于碳氫化合物的燃料產生的氫氣或基于碳氫化合物的燃料以及空氣直接供應到燃料電池堆內，以允許燃料和空氣生成電化學反應，從而生成電能。
[0003]在燃料電池堆內，多個薄膜電極組件(MEA)均包括陽極、陰極以及插在陽極與陰極之間的電解質膜。多個單位電池堆疊在一起，以形成燃料電池堆，每個單位電池均包括用于分離薄膜電極組件的分離器。
[0004]燃料電池堆分離器通常可包括石墨分離器和金屬分離器。然而，與通過加工或粉碎來制造的石墨分離器相比，金屬分離器的制造時間和成本大幅降低。由于這些分離器由金屬制成，所以必須將分離器制薄，以便減少燃料電池堆的重量。
[0005]然而，結果，這些金屬分離器具有低強度，并且在材料厚度減小時，增大其回彈性。這造成堆棧的對準退化并且影響大批量生產堆棧的金屬分離器的錯誤率增大。
[0006]在堆疊多個單位電池的燃料電池堆內，在相鄰的單位電池之間可發生對準誤差，并且在相鄰的分離器之間可發生對準誤差。同樣，由于在分離器變得更薄時，缺乏強度并且增大回彈性，而且由于在相鄰分離器之間可能生成影響堆棧的結構和性能的對準誤差，所以更加難以均勻地堆疊分離器、MEA以及GDL(氣體分散層)。
[0007]而且，需要在燃料電池堆內密封反應氣體(氫氣和空氣)和冷卻水，并且在金屬分離器的相反表面上提供燃料電池堆。同樣，燃料電池堆通常在金屬分離器內整體地注射成型。然而，在金屬分離器變得更薄時，金屬分離器的質量降低。例如，由于注射成型壓力，所以分離器可變形，并且墊圈可生成毛邊，從而金屬分離器的錯誤率增大。

【發明內容】

[0008]本發明提供了一種用于燃料電池的分離器組件及其制造方法，該分離器組件通過在結構上提高陽極分離器和/或陰極分離器的強度，提高了燃料電池堆的結構穩定性和耐久性,并且可確保大批量生產堆棧。
[0009]根據本發明的一個方面，提供了一種用于燃料電池的分離器組件，其包括:陽極分離器；陰極分離器；冷卻表面框架，其在陽極分離器和陰極分離器的外圍部分之間整體地接合；以及墊圈，其同時封閉在其間插入所述冷卻表面框架的陽極分離器和陰極分離器的外圍部分。
[0010]根據本發明的另一個方面，提供了一種制造用于燃料電池的分離器組件的方法，所述方法包括:在選自陽極分離器和陰極分離器的一個的內表面的外圍部分上，注射成型冷卻表面框架；在冷卻表面框架上堆疊另一個分離器，并且接合陽極分離器和陰極分離器；以及注射成型同時封閉陽極分離器和陰極分離器的外表面的外圍部分的墊圈。
[0011]在注射成型墊圈的同時，在本發明的示例性實施方式中的墊圈可接合至陽極板和陰極板的外表面的外圍部分，并且可將粘合劑涂覆于還未形成冷卻表面框架的分離器的內表面的外圍部分。
[0012]冷卻表面框架可由聚合樹脂構成，所述聚合樹脂是選自由聚酰胺(PA)、聚丙烯(PP)以及液晶聚合物(LCP)構成的組中的一個，并且所述陽極分離器和陰極分離器可為由薄板構成的金屬分離器。
[0013]根據本發明的示例性實施方式的用于燃料電池的分離器組件，可提高燃料電池堆的結構穩定性，可提高電池的性能，并且可通過提高堆棧對準，來減少在電池性能之間的偏差，從而允許大批量生產燃料電池堆。
【附圖說明】
[0014]現在，參照在附圖中顯示的其某些示例性實施方式，詳細描述本發明的以上和其他特征，在后文中僅僅通過舉例來提供這些實施方式，因此，這些實施方式并非限制本發明，并且其中:
[0015]圖1為示出根據本發明的一個示例性實施方式的用于燃料電池的分離器組件的示圖；
[0016]圖2為用于解釋根據本發明的一個示例性實施方式的用于燃料電池的分離器組件的制造工序的不圖；
[0017]圖3為用于比較測量使用根據本發明的示例性實施方式的用于燃料電池的分離器組件的燃料電池堆的對準程度的結果與傳統堆棧的對準程度的結果的示圖；
[0018]圖4為用于比較使用根據本發明的示例性實施方式的用于燃料電池的分離器組件燃料電池堆的對準偏差的分析結果與傳統堆棧的對準偏差的分析結果的示圖；
[0019]圖5為用于比較使用根據本發明的示例性實施方式的用于燃料電池的分離器組件的燃料電池堆的結構安全性的評估結果與傳統堆棧的結構安全性的評估結果的示圖；以及
[0020]圖6為用于比較使用根據本發明的示例性實施方式的用于燃料電池的分離器組件的燃料電池堆的單位電池性能的評估結果與傳統堆棧的單位電池性能的評估結果的示圖。
[0021]應理解的是，附圖不必按比例繪出，顯示了說明本發明的基本原理的各種優選特征的略微簡化的表示。例如，包括特定尺寸、方向、位置以及形狀的在本文中公開的本發明的特定設計特征部分由特定的預期應用和使用環境決定。
[0022]在圖中，參考數字在附圖的這幾幅圖中表示本發明的相同或相等部件。
【具體實施方式】
[0023]在后文中，描述本發明的示例性實施方式，以便本發明所屬的領域的技術人員可容易地執行本發明。
[0024]在本文中使用的術語僅僅用于描述特定實施方式的目的，并非旨在限制本發明。在本文中使用的單數形式“a”、“an”以及“the”旨在還包括復數形式，除非在上下文中另有明確規定。進一步要理解的是，在本說明書中使用時，術語“comprises”和/或“comprising”詳細說明具有規定的特征、整體、步驟、操作、部件和/或元件，但是不排除具有或添加一個或多個其他特征、整體、步驟、操作、部件、元件和/或其組。在本文中使用的術語“和/或”包括一個或多個所列出的相關物品的任何和所有組合。
[0025]如圖1中所示，根據本發明的一個示例性實施方式的分離器組件包括陽極分離器10、陰極分離器20、冷卻表面框架30以及墊圈40。陽極分離器10和陰極分離器20可為由金屬構成的薄分離器。每個陽極分離器10和陰極分離器20在其中心部分11和21中具有反復彎曲的具有特定形狀的可彎曲結構，并且在其中心部分11和21的外周長上整體地形成的外圍部分12和22中具有平板結構。
[0026]冷卻表面框架30可由聚合樹脂構成，并且在陽極分離器10的內表面(冷卻表面)或陰極分離器20的內表面(冷卻表面)內注射成型，尤其形成在所選分離器10或20的外圍部分12或22上。在此處，陽極分離器10和陰極分離器20彼此接合，分離器10和20的相對表面是冷卻表面(內表面)，并且其相反表面是反應表面(外表面)。
[0027]而且，墊圈40可同時封閉陽極分離器10和陰極分離器20的外表面(反應表面)的外圍部分12和22，并且分離器10和20的外圍部分12和22可具有U形橫截面。詳細而言，墊圈40可連接至陽極分離器10的反應表面、陰極分離器20的反應表面以及插在要封閉的分離器10和20之間的冷卻表面框架30的一個表面(外表面)。
[0028]S卩，墊圈40可封閉冷卻表面框架30插在其間的陽極分離器10和陰極分離器20的外圍部分12和22，以便在其邊緣上密封分離器10和20和冷卻表面框架30。
[0029]具有整體結構的分離器組件密封冷卻水和反應氣體(氫氣和空氣)并且在結構上增強分離器的強度。如圖2中所示，通過制備陽極分離器10和陰極分離器20的工序、在一個分離器的內表面(冷卻表面)上注射成型冷卻表面框架30的工序以及在這兩個分離器10和20的外表面的外圍部分12和22上注射成型整體式墊圈的工序，可制造分離器組件。
[0030]首先，制造薄板型陽極分離器10和陰極分離器20，將粘合劑涂覆于陽極分離器10(或陰極分離器)的內表面的外圍部分12中，并且可將底漆涂覆于陰極分離器20 (或陽極分離器)的內表面的外圍部分22中。然后，粘合劑和底漆可為通常用于制造燃料電池堆的粘合劑和底漆。
[0031]還可將粘合劑涂覆于陽極分離器10的外表面(反應表面)的外圍部分12和陰極分離器20的外表面(反應表面)的外圍部分22中，用于接合墊圈。在這種情況下，由于在注射成型墊圈的同時，墊圈40整體地接合至這兩個分離器10和20的外表面，所以可不將用于接合墊圈40的粘合劑涂覆于分離器10和20的外表面(反應表面)的外圍部分11和12中。
[0032]接下來，在涂覆底漆的陰極分離器20 (或陽極分離器)的內表面的外圍部分22中注射成