背景技術(shù)：

本發(fā)明總體涉及一種裝置和方法，其用于提高燃料電池組件中使用的接合的或流體配合的流體輸送板的反應(yīng)物和冷卻劑流的密封性，并且更具體地涉及設(shè)置在金屬珠的頂部上的微密封件的使用，所述微密封件一體地形成在一個(gè)或兩個(gè)板的協(xié)作表面上，以為反應(yīng)物或冷卻劑提供更有效的流體隔離，所述反應(yīng)物或冷卻劑通過(guò)限定在板表面內(nèi)的通道輸送。

燃料電池通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)將燃料轉(zhuǎn)化為可用能量。這種方法的顯著益處是其不依賴(lài)于作為中間步驟的燃燒來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，燃料電池相對(duì)于用于推進(jìn)和相關(guān)動(dòng)力應(yīng)用的內(nèi)燃機(jī)(ice)具有若干環(huán)境優(yōu)點(diǎn)。在通常的燃料電池，例如質(zhì)子交換膜或聚合物電解質(zhì)膜(在任一情況下，pem)燃料電池中，一對(duì)催化電極被通常稱(chēng)為膜電極組件(mea)的離子透射介質(zhì)(例如nafion^tm)分隔開(kāi)。當(dāng)將氣態(tài)還原劑(例如氫氣，h2)形式的第一反應(yīng)物引入并在陽(yáng)極離子化，然后使其通過(guò)離子透射介質(zhì)，使得其與通過(guò)另一電極(陰極)引入的氣態(tài)氧化劑(例如氧，o2)形式的第二反應(yīng)物混合，此時(shí)電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生；這種反應(yīng)物的組合形成作為副產(chǎn)物的水。在第一反應(yīng)物的電離中釋放的電子以直流(dc)的形式經(jīng)由外部電路進(jìn)入陰極，該外部電路通常包括在其中可以進(jìn)行有用功的負(fù)載(例如電動(dòng)機(jī)，以及各種泵、閥、壓縮機(jī)或其它流體輸送部件)?？梢酝ㄟ^(guò)將許多這樣的電池組合到更大的電流產(chǎn)生組件中來(lái)增加這種直流電流產(chǎn)生的發(fā)電。在一種這樣的結(jié)構(gòu)中，燃料電池沿著組件中的共同堆疊尺寸連接以形成燃料電池堆，所述堆疊尺寸非常類(lèi)似于一副撲克牌。

在這種堆中，相鄰的mea通過(guò)一系列反應(yīng)物流動(dòng)通道彼此相互隔開(kāi)，反應(yīng)物流動(dòng)通道通常為不透氣的導(dǎo)電雙極板(在本文中也稱(chēng)為流場(chǎng)板)的形式。在一種常見(jiàn)形式中，通道具有大體蛇形的布局，但是也可以使用其它形式-包括具有大致直的或正弦的圖案的形式。不管通道形狀如何，其覆蓋每個(gè)板的大多數(shù)大致平坦的表面。板和mea的并置促進(jìn)反應(yīng)物之一輸送到燃料電池或從燃料電池輸送反應(yīng)物，而附加通道(其與反應(yīng)物通道流體地解耦)也可用于冷卻劑輸送。在一種構(gòu)造中，雙極板本身是通過(guò)固定一對(duì)薄金屬片(稱(chēng)為半板，或更簡(jiǎn)單地，板)而形成的組件，所述薄金屬片具有沖壓或以其它方式一體形成在其表面上的通道，而在另一種構(gòu)造中，該組件包括具有通道的附加間隙片，以使冷卻劑與外片的相鄰陽(yáng)極和陰極通道熱連通。不管組件是兩片還是三片，各種片材上的通道形成的各種反應(yīng)物和冷卻劑流動(dòng)路徑通常在歧管(在本文中也稱(chēng)為歧管區(qū)域)處集合，該歧管由板的一個(gè)或多個(gè)相對(duì)邊緣限定。所有這些特征的示例以及可以在pem燃料電池中使用的這種雙極板組件的典型構(gòu)造在共同擁有的美國(guó)專(zhuān)利5,776,624和8,679,697中示出和描述，其內(nèi)容通過(guò)引用并入本文。

避免在pem燃料電池堆內(nèi)的泄漏和相關(guān)的流體串?dāng)_是重要的。由于相對(duì)于板有源區(qū)域的更大的壓力，其中的流體通過(guò)孔、表面起伏和相關(guān)的密封不連續(xù)性被擠出的可能性更大，這在雙極板的歧管區(qū)域中是特別關(guān)注的。為了減輕這種高壓流體的泄漏，本發(fā)明的受讓人已經(jīng)使用設(shè)置在相鄰堆疊的雙極板的至少這些區(qū)域之間的單獨(dú)的厚彈性體密封件。在一種形式中，密封件被覆蓋在表面上以限定大致相框型結(jié)構(gòu)作為圍繞板的區(qū)域的方式，作為與相鄰板或其他部件形成協(xié)作界面的方式。在其它構(gòu)造中，本發(fā)明的受讓人已經(jīng)在板表面中形成凹槽，使得放置在凹槽內(nèi)的大致圓柱形或串形密封件可提供密封界面。不管密封件是否配置成與帶槽或無(wú)槽的表面配合，即使在壓縮下(例如堆疊組裝所伴隨的)的相鄰板之間的微小錯(cuò)位，會(huì)導(dǎo)致施加到相應(yīng)密封件的壓力變化，其進(jìn)而導(dǎo)致密封變形并伴隨著間隙形成和反應(yīng)物或冷卻劑泄漏。此外，單獨(dú)形成的厚密封組件的使用雖然通常有助于實(shí)現(xiàn)密封性的改善，但與商業(yè)汽車(chē)燃料電池組件應(yīng)用不兼容，其中大批量制造要求可能涉及每年生產(chǎn)大量燃料電池堆。假定每個(gè)電池在mea的兩個(gè)相對(duì)表面上需要雙極板組件，則即使小批量生產(chǎn)也需要制造大量的板。因此，這些厚的密封方法將是實(shí)現(xiàn)減少反應(yīng)物或冷卻劑通道流動(dòng)損失所需的密封方法的成本高昂的方式。

為了克服與使用厚彈性體密封方法相關(guān)的一些成本和制造問(wèn)題，本發(fā)明的受讓人已經(jīng)開(kāi)發(fā)了整體成形的雙極板密封件，其中板表面以類(lèi)似于用于形成反應(yīng)物或冷卻劑通道的方式?jīng)_壓。這種沖壓產(chǎn)生向外突出的金屬珠以建立大體平坦的平臺(tái)，其限定相鄰板表面之間的離散接觸點(diǎn)。雖然這種構(gòu)造與上述大批量生產(chǎn)需要更相容，但是適當(dāng)?shù)拿芊馊匀浑y以實(shí)現(xiàn)，特別是考慮到燃料電池堆制造的固有變化，其中包括部件的尺寸公差以及可能存在在堆內(nèi)的一百個(gè)或更多個(gè)單獨(dú)電池的電池與電池之間的對(duì)齊。

期望在相鄰堆疊的板之間(無(wú)論在單個(gè)雙極板組件內(nèi)還是在燃料電池堆內(nèi)的多個(gè)板上)提供增強(qiáng)的密封，包括確保這種密封件不受部件公差、板間錯(cuò)位和其他難以控制的制造因素的影響。同樣期望以可重復(fù)的、節(jié)省成本的方式實(shí)現(xiàn)這種密封。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本公開(kāi)的目的是提供一種微密封件，其將有助于使得雙極板及其金屬珠的接合過(guò)程相對(duì)地不受板與板的錯(cuò)位和部件公差的影響。根據(jù)本發(fā)明的第一方面，用于燃料電池系統(tǒng)的雙極板組件包括連接在一起的一對(duì)板(通常稱(chēng)為半板)，使得設(shè)置在至少一個(gè)半板的金屬珠表面上的微密封件增加它們之間的流體密封。副墊片放置在所述一對(duì)板之間，并且可與微密封件和設(shè)置在所述一對(duì)板之間的mea配合。此外，副墊片的尺寸和形狀由非導(dǎo)電和不透氣材料形成，使得其形成圍繞mea的框架狀外圍，作為分離和防止電池的陽(yáng)極和陰極側(cè)的電子導(dǎo)電層(電極和氣體擴(kuò)散層)之間接觸的方式。通過(guò)微密封件和相應(yīng)金屬珠和副墊片的接合表面的協(xié)作，保持了一對(duì)板之間的流體隔離，同時(shí)副墊片和mea的配合確保了所需的電隔離。

在本文中，半板中的一個(gè)或兩個(gè)將被理解為由薄的下層金屬結(jié)構(gòu)制成，其包括平面相對(duì)表面，其中至少一個(gè)表面限定反應(yīng)物通道、反應(yīng)物歧管、冷卻劑通道和冷卻劑歧管中的一個(gè)或多個(gè)。同樣地，金屬珠由與半板的表面一體形成并從半板的表面突出的矩形、梯形、半球形或相關(guān)形狀的橫截面限定；該金屬珠通過(guò)面外彈性和剛度的適當(dāng)平衡提供了在協(xié)作接合的板之間的必要的密封力和相關(guān)的流體隔離。此外，微密封件是可以通過(guò)各種方法(也在下文更詳細(xì)地討論)沉積到金屬珠或副墊片上的聚合材料層(例如下面更詳細(xì)討論的)。微密封件和下面的金屬珠一起組成金屬珠密封件(mbs)，其中微密封件的功能是：(a)填充金屬珠和副墊片表面的缺陷，(b)通過(guò)提供柔性襯墊以形成金屬珠的不均勻壓縮高度，從而沿著mbs長(zhǎng)度在每長(zhǎng)度上引起更均勻的密封力，(c)防止氣體/流體通過(guò)微密封件主體的滲透接面以及(d)防止在副墊片/微密封件或金屬珠/微密封件接口處的泄漏。此外，在本文中，副墊片的周邊形成不需要圍繞mea的完全沿邊覆蓋，而是在mea的陽(yáng)極和陰極之間完成整個(gè)厚度的電隔離。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，一種組裝燃料電池系統(tǒng)的方法包括：將多個(gè)燃料電池以堆疊構(gòu)造彼此堆疊地放置，以及將微密封件放置在金屬珠的頂部上，所述金屬珠一體地形成為雙極板組件的至少一個(gè)板的一部分。板，金屬珠和微密封件構(gòu)造類(lèi)似于在前述方面中討論的那些。

通過(guò)閱讀以下詳細(xì)描述和所附權(quán)利要求，這些和其它目的，特征，實(shí)施例和優(yōu)點(diǎn)對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將變得顯而易見(jiàn)。

附圖說(shuō)明

當(dāng)結(jié)合以下附圖閱讀時(shí)，可以最好地理解本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的以下詳細(xì)描述，其中相同的結(jié)構(gòu)由相同的附圖標(biāo)記表示，并且其中附圖的各種部件不一定按比例示出：

圖1描繪了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面組裝的燃料電池堆的簡(jiǎn)化分解圖；

圖2是來(lái)自圖1的堆的單個(gè)燃料電池的部分分解剖視圖的簡(jiǎn)化圖示，其中所述電池包括圍繞雙極板的上部和下部部分；

圖3是雙極板組件的分解透視詳圖，包括在其表面上形成的通道、密封件和各種區(qū)域；

圖4a示出了根據(jù)本發(fā)明的第一方面的可用于圖3中的雙極板組件中的金屬珠、微密封件和副墊片的放置的簡(jiǎn)化橫截面圖；

圖4b示出了根據(jù)本發(fā)明的第二方面的可用于圖3中的雙極板組件中的金屬珠、微密封件和副墊片的放置的簡(jiǎn)化橫截面圖；

圖5示出了基于微密封件的泊松比的差異的mbs剛度對(duì)錯(cuò)位的敏感度；

圖6示出了如何在金屬珠和副墊片之間形成間隙；并且

圖7示出了印刷微密封件的假想形狀，其中形成了稍微穹頂形的上表面。

具體實(shí)施方式

首先參考圖1至圖3，示出了分解形式的燃料電池堆(圖1)、pem燃料電池(圖2)和雙極板組件(圖3)的簡(jiǎn)化視圖。堆1包括由干端單元板10和濕端單元板15構(gòu)成的殼體5；這些(以及其他未示出的)可以幫助執(zhí)行殼體5的壓縮保持系統(tǒng)的壓縮夾緊動(dòng)作；這種壓縮保持系統(tǒng)包括延伸穿過(guò)堆1的厚度的多個(gè)螺栓(未示出)，以及沿堆疊方向(y軸)垂直設(shè)置的用于將濕端單元板15固定到干端單元板10的各種側(cè)板20和剛性支架元件25。通過(guò)螺栓、支架元件25和殼體5內(nèi)的其他部件的作用，多個(gè)燃料電池30的堆沿堆疊方向牢固地保持在壓縮關(guān)系中。因此，在本文中，燃料電池1的堆疊軸線可以沿著基本上垂直(即y)的笛卡爾軸線，使得每個(gè)燃料電池30的大部分表面在x-z平面中。無(wú)論如何，本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，堆1內(nèi)的電池30的特定取向不是關(guān)鍵的，而是提供了一種方便的方式來(lái)使形成在各個(gè)板的表面上的景觀可視化，這將在下面更詳細(xì)地討論。

燃料電池30包括基本上水平的質(zhì)子交換膜35、與質(zhì)子交換膜35的一個(gè)表面面對(duì)接觸的陽(yáng)極催化劑層40和以及與另一個(gè)表面面對(duì)接觸的陰極催化劑層45?？偟膩?lái)說(shuō)，質(zhì)子交換膜35和催化劑層40和45被稱(chēng)為mea50。陽(yáng)極擴(kuò)散層55布置成與陽(yáng)極催化劑層40面對(duì)接觸，而陰極擴(kuò)散層60布置成與陰極催化劑層45面對(duì)接觸。擴(kuò)散層55和60中的每一個(gè)由通常多孔的結(jié)構(gòu)制成，以便于氣態(tài)反應(yīng)物到催化劑層40和45的通過(guò)?？偟膩?lái)說(shuō)，陽(yáng)極催化劑層40和陰極催化劑層45被稱(chēng)為電極，并且可以形成如圖所示的單獨(dú)的不同層，或者可替代地(如上所述)，如分別至少部分地嵌入擴(kuò)散層55或60中，以及部分地嵌入質(zhì)子交換膜35的相對(duì)面中。事實(shí)上，如本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解的，催化劑層40、45在膜35或擴(kuò)散層55、60上的精確放置對(duì)于本文所討論的本發(fā)明的實(shí)施例的操作不是關(guān)鍵的；因此，mea50可以是兩種常規(guī)形式之一，其中第一種是催化劑涂覆的膜(ccm)，第二種是催化劑涂覆的擴(kuò)散介質(zhì)(ccdm)，其隨后連接到pem。任一變體被認(rèn)為與本發(fā)明的范圍相容并因此在本發(fā)明的范圍內(nèi)。

除了提供用于反應(yīng)物氣體到達(dá)質(zhì)子交換膜35的適當(dāng)側(cè)的基本上多孔的流動(dòng)路徑，擴(kuò)散層55和60提供電極催化劑層40、45與雙極板組件65之間的電接觸，這反過(guò)來(lái)又作為一個(gè)集電器。盡管在圖2中概念性地示出為具有厚壁結(jié)構(gòu)，構(gòu)成組件的單個(gè)板65a和65b(在本文中也稱(chēng)為半板)優(yōu)選地采用薄的片狀或箔狀結(jié)構(gòu)(如下面結(jié)合圖3更詳細(xì)地示出和描述的)；因此，圖2不用于推斷雙極板65的相對(duì)厚度。提供由面向相鄰的半板65a和65b限定的簡(jiǎn)化的相對(duì)表面，以將每個(gè)mea50和伴隨的擴(kuò)散層55、60與堆1中的相鄰mea和層(均未示出)隔開(kāi)。一個(gè)半板65a接合陽(yáng)極擴(kuò)散層55，而第二半板65b接合陰極擴(kuò)散層60。組成半板65a、65b的兩個(gè)薄的，相對(duì)的金屬板在適當(dāng)?shù)膲嚎s和相關(guān)的接合技術(shù)下限定組裝板65。每個(gè)半板65a和65b限定了沿著各自板面的多個(gè)反應(yīng)氣體流動(dòng)通道70。雖然示出了限定純矩形反應(yīng)氣體流動(dòng)通道70和周?chē)Y(jié)構(gòu)的雙極板65(為了程式化目的)，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，下面將示出更精確(和優(yōu)選)的實(shí)施例，其中通常由沖壓的大致梯形的橫截面輪廓形成的蛇形通道70被限定。

副墊片75可以用于促進(jìn)半板65a和65b與mea50之間的密封附接或相關(guān)的協(xié)作；在一種形式中，副墊片75可以由塑料材料制成，以限定外圍放置的為了保護(hù)mea50的邊緣的不導(dǎo)電的相框狀輪廓。該副墊片75(其厚度優(yōu)選在約50μm和250μm之間)通常用于將催化劑層40和45之間的氣體和電子的分離延伸到mea50的邊緣，作為增加膜35的有效表面面積的方式。

在操作中，第一氣態(tài)反應(yīng)物，例如h2，通過(guò)通道70從半板65a輸送到mea50的陽(yáng)極側(cè)，而第二氣態(tài)反應(yīng)物，例如o2(通常為空氣形式)，通過(guò)通道70從半板65b傳送到mea50的陰極側(cè)。分別在陽(yáng)極40和陰極45處發(fā)生催化反應(yīng)，產(chǎn)生通過(guò)質(zhì)子交換膜35遷移的質(zhì)子和電子，其導(dǎo)致可以通過(guò)其與層55和60之間的接觸而傳輸通過(guò)擴(kuò)散層55和60以及雙極板65的電流。相關(guān)通道(未示出)可以用于輸送冷卻劑以幫助控制由燃料電池1產(chǎn)生的溫度。在半板65a、65b被構(gòu)造為用于冷卻劑流動(dòng)的情況下，它們與其反應(yīng)物輸送板對(duì)應(yīng)物相當(dāng)?shù)奶卣骶哂蓄?lèi)似的構(gòu)造，并且將不在本文進(jìn)一步詳細(xì)討論。

特別參考圖3，更詳細(xì)地示出了顯示兩個(gè)相鄰堆疊的半板65a、65b以形成雙極板組件65的分解圖。特別地，各個(gè)半板65a、65b各自包括有源區(qū)域80和歧管區(qū)域85，其中前者與對(duì)應(yīng)于mea50和擴(kuò)散層55和60的電化學(xué)作用區(qū)建立平面面向關(guān)系，后者對(duì)應(yīng)于邊緣(如圖所示)或外圍(未示出)區(qū)域，其中穿過(guò)板65a、65b形成的孔可作為將反應(yīng)物、冷卻劑或副產(chǎn)物輸送和移除到堆疊的燃料電池30的導(dǎo)管。從圖3的分解圖可以看出，這兩個(gè)半板65a、65b可用于與mea50以及陽(yáng)極和陰極擴(kuò)散層55、60形成夾層狀結(jié)構(gòu)，然后根據(jù)需要重復(fù)多次以形成燃料電池堆1。在一種形式中，陽(yáng)極半板65a和陰極半板65b中的一者或兩者由耐腐蝕材料(例如304lss等)制成。大致蛇形的氣體流動(dòng)通道70形成從鄰近一個(gè)歧管區(qū)域85的一個(gè)邊緣90到鄰近相對(duì)的歧管區(qū)域85的相對(duì)邊緣95附近的曲折路徑?？梢钥闯?，反應(yīng)物(在板65a、65b與mea50成面對(duì)關(guān)系的情況下)或冷卻劑(在板65a與形成冷卻劑通道的另一板65b的背面成面對(duì)關(guān)系的情況下)被從一系列重復(fù)的門(mén)或凹槽供應(yīng)到通道70，其形成位于一個(gè)(例如，供應(yīng))邊緣90的有源區(qū)域80和歧管區(qū)域85之間的集管100；類(lèi)似的構(gòu)造存在于相對(duì)(例如，排氣)邊緣95上。在替代實(shí)施例(未示出)中，供應(yīng)歧管區(qū)域和排出歧管區(qū)域可以位于相同的邊緣(即90或95)附近。在單獨(dú)的板65a、65b由可成形材料(例如上述不銹鋼)制成的情況下，各種表面特征(包括凹槽，通道等)優(yōu)選地通過(guò)公知的技術(shù)沖壓，從而確保除了mbs(將在下面更詳細(xì)地討論)之外，通道70及其相應(yīng)的結(jié)構(gòu)由單片材料一體地形成。此外，形成半板65a、65b中的平臺(tái)和通道70的相同的沖壓操作可以用于形成如下所述的類(lèi)似形狀。

接下來(lái)，參考圖4a和4b，示出了根據(jù)本發(fā)明的兩個(gè)不同實(shí)施例的相鄰堆疊的雙極板組件65如何相對(duì)于其他這樣的組件放置的橫截面圖。在優(yōu)選形式中，每個(gè)半板65a、65b采用整體沖壓的金屬珠105，其限定由金屬珠105形成的墊片狀接合表面107，其形狀為直立的矩形、梯形(如圖所示)或稍微彎曲的突起。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，金屬珠105的厚度在約300μm和600μm之間，寬度在約1mm和4mm之間。微密封件110設(shè)置在接合表面107上或前述的副墊片75上。金屬珠105的接合表面107的墊片狀結(jié)構(gòu)和微密封件110一起限定了mbs115。如將理解的，金屬珠105的墊片狀性質(zhì)在與另一匹配表面接合時(shí)提供至少一些流體隔離度量以用作封閉件，而在頂部的薄彈性微密封件110的納入使得mbs115提供更多的流體夾帶或隔離。接合表面107在結(jié)構(gòu)和功能上大致類(lèi)似于圖2的平臺(tái)72，其也可以一體地形成在板65a、65b中的一個(gè)或兩個(gè)內(nèi)。

盡管圖4a示出了形成半板65b的一部分的金屬珠105，但是應(yīng)當(dāng)理解的是，這同樣適用于板65a，并且兩者都被認(rèn)為在本發(fā)明的范圍內(nèi)。不管每個(gè)半板65a、65b是否被配置為傳送反應(yīng)物、冷卻劑或兩者，并且進(jìn)一步不管這些流體是否正被通過(guò)半板65a、65b、有源區(qū)域80或歧管區(qū)域85傳送，重要的是避免這種流體穿過(guò)區(qū)域邊界以及在每個(gè)區(qū)域內(nèi)限定的單個(gè)通道邊界的泄漏。為此，微密封件110以薄彈性體層的形式放置在接合表面107上，使得當(dāng)多個(gè)電池30對(duì)齊，堆疊并壓縮成殼體10以構(gòu)成堆1時(shí)，微密封件110被可變形地壓縮以增強(qiáng)相鄰半板65a、65b之間的密封。盡管在圖4a或4b中未示出，mea50被夾在相鄰的半板65a、65b之間，使得三個(gè)部件類(lèi)似于電池30。在本文中，本發(fā)明的薄彈性微密封件110與上述厚密封件不同之處在于幾個(gè)重要的方面。首先，微密封件110的厚度不超過(guò)約300μm，而常規(guī)密封件的厚度超過(guò)1000μm。

如上所述，每個(gè)連接的半板65a、65b上的金屬珠105和微密封件110的協(xié)作限定了mbs115；該結(jié)構(gòu)促進(jìn)更堅(jiān)固，無(wú)泄漏的密封，而不管這種密封是在有源區(qū)域80還是歧管區(qū)域85中形成。在另一種形式(未示出)中，微密封件110可作為mea50的一部分或延伸部分附接或直接形成在副墊片75上；任一變體被認(rèn)為在本發(fā)明的范圍內(nèi)。本實(shí)施例中所示的微密封件110由于其相對(duì)較大的縱橫比(即，厚度與寬度的比)值得注意。

如圖4b所示，在另一優(yōu)選形式中，相鄰放置的微密封件110限定不對(duì)稱(chēng)輪廓，其中在當(dāng)前上下文中，當(dāng)同一雙極板組件65內(nèi)的兩個(gè)相鄰放置的微密封件110限定不同的幾何輪廓時(shí)，產(chǎn)生這種輪廓。以圖4b為例，這些幾何輪廓通常具有不同的縱橫比的形式。如圖所示，最上面的微密封件變體110a具有相對(duì)高的、厚的矩形輪廓(即高縱橫比)，而最下面的變體110b具有相對(duì)短的、寬的矩形輪廓(即低縱橫比)。在一個(gè)優(yōu)選形式中，微密封件變體110a、110b兩者直接形成在金屬珠105上或直接形成在副墊片75上，但是在另一種形式中，高縱橫比的微密封件變體110a可直接形成在金屬珠105的接合表面107上，而低縱橫比的微密封件變體110b直接形成在副墊片75上。同樣，在微密封件110直接形成在金屬珠105的接合表面107上的一種優(yōu)選形式中，可以使用已知的工藝(例如絲網(wǎng)印刷或注射成型)。本發(fā)明的受讓人正在尋求使用絲網(wǎng)印刷來(lái)將本文所討論的密封件應(yīng)用于題為“sealmaterialwithlatentadhesivepropertiesandamethodofsealingfuelcellcomponentswithsame”的共同未決的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)15/019,100(以下稱(chēng)為′100申請(qǐng))，該內(nèi)容通過(guò)引用整體并入本文。在授予walker的題為“methodofmanufacturingaseal”的美國(guó)專(zhuān)利4,919,969中以示例性形式公開(kāi)了形成密封件特有的附加絲網(wǎng)印刷特征，其內(nèi)容通過(guò)引用整體并入本文。

在微密封件110形成在副墊片75上的構(gòu)造中，微密封件110將需要比金屬珠105的接合表面107的寬度更寬。此外，在通過(guò)絲網(wǎng)印刷直接在金屬珠105的接合表面107上形成微密封件110的構(gòu)造中，微密封件110限定了在其最厚處不大于約300μm的厚度，并且在金屬珠105的接合表面107上的總寬度不大于約3000μm(即3mm)。更具體地，厚度優(yōu)選在約30和300μm之間，寬度在約1.0和3.0mm之間。

本發(fā)明人已經(jīng)觀察到，在傳統(tǒng)的彈性密封件中，密封壓力簡(jiǎn)單地與接觸壓力和寬度成比例，其中比例常數(shù)是材料的彈性模量(或拉伸模量)e。然而，本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明的mbs115不模擬這些理想化的壓力條件，而是需要考慮空間約束；這些約束是因?yàn)椋?1)微密封件110被放置在相對(duì)剛性的面對(duì)的金屬珠105和副墊片75基板上、(2)通過(guò)改進(jìn)的制造工藝能力(例如本文所討論的絲網(wǎng)印刷)使得微密封件110層的厚度變薄以及(3)假定微密封件110與其相應(yīng)的基板之間基本上完全粘附，作為在初始制造期間以及在再加工或重建期間能夠容易地進(jìn)行部件處理的方式。

重要的是，本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，這些約束導(dǎo)致微密封件110的材料顯示出高得多的剛度(本文稱(chēng)為有效模量，eeff)，其將設(shè)計(jì)的幾何形狀(h′表示接合的微密封件110的高度，a’表示接合的微密封件110寬度和η表示微密封件110的縱橫比)和材料性質(zhì)(包括拉伸模量e和泊松比υ)與所施加的載荷和導(dǎo)致的偏轉(zhuǎn)相關(guān)聯(lián)。換句話說(shuō)，有效模量或剛度通過(guò)考慮放置在微密封件110上的空間約束來(lái)修改微密封件110的材料組成中固有的值。甚至更重要的是，本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，由于微密封件110相對(duì)于常規(guī)厚密封件的薄幾何形狀，有效模量eeff(其更好地解釋泄漏現(xiàn)象而不是依賴(lài)于常規(guī)的標(biāo)稱(chēng)密封壓力)對(duì)板到板和電池到電池的錯(cuò)位非常敏感。yeh-hunglai，d在文章“壓縮性對(duì)薄彈性體塊和環(huán)形襯套中應(yīng)力分布的影響(effectofcompressibilityonthestressdistributionsinthinelastomericblocksandannularbushings)”中提出了一種表示受約束系統(tǒng)的機(jī)械行為的分析解決方案。a.dillard和j.s.thornton在“thejournalofappliedmechanics(1992)”中的內(nèi)容，其內(nèi)容通過(guò)引用整體并入本文。在方程形式中，該分析表示法示出為：

其中δ表示偏轉(zhuǎn)，f表示沿著它們的軸向堆疊方向在堆1內(nèi)壓縮電池30相關(guān)聯(lián)的力(例如，以牛頓為單位)，s表示剛度以及：

因此，δ/h′等于應(yīng)力(或響應(yīng)于施加的力f沿著厚度尺寸的厚度變化)。從上文，本發(fā)明人認(rèn)為有效模量eeff可以與局部密封壓力相關(guān)，以類(lèi)似于在傳統(tǒng)彈性密封件設(shè)計(jì)中材料的模量e如何與密封壓力相關(guān)的方式。

本發(fā)明的關(guān)鍵部件是降低微密封件110的有效模量eeff對(duì)錯(cuò)位的靈敏度，其與微密封件110施加在面向的界面(無(wú)論是金屬珠105還是副墊片75)上的密封壓力直接相關(guān)。本發(fā)明人考慮了錯(cuò)位，具體通過(guò)考慮接合的微密封件110的寬度a′被定義為：

其中a等于標(biāo)稱(chēng)微密封件110的寬度，α為錯(cuò)位。對(duì)于本發(fā)明感興趣的燃料電池，錯(cuò)位約可能小于0.4mm。此外，在存在不對(duì)稱(chēng)微密封件110設(shè)計(jì)(例如圖4b所示)的情況下，總接合厚度h′可如下描述：

a’＝a-α

其中h1等于第一微密封件110a的厚度，h2等于第二微密封件110b的厚度。由此，接合的微密封件110的縱橫比η為：

制造和裝配過(guò)程能力將決定縱橫比η的相關(guān)范圍。例如，組件對(duì)齊能力有助于限定錯(cuò)位α的范圍，并且所施加的微密封件110厚度的一致性有助于限定總接合厚度h′的范圍。由此，優(yōu)選地設(shè)計(jì)mbs115，使得有效模量eeff對(duì)于由優(yōu)選的制造和組裝過(guò)程產(chǎn)生的整個(gè)縱橫比η的范圍是魯棒的。以這種方式，本發(fā)明人已經(jīng)確定，減小有效模量eeff對(duì)錯(cuò)位的靈敏度的優(yōu)選方式是減小微密封件110上的上述空間約束。更具體地，如下面更詳細(xì)地討論的，本發(fā)明人已經(jīng)確定，存在幾種方式(通過(guò)所謂的“設(shè)計(jì)旋鈕”)來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。

第一種方法是在設(shè)計(jì)的幾何形狀中增加縱橫比η，例如通過(guò)(a)增加整個(gè)微密封件110的高度、(b)使用更穹頂狀的微密封件110輪廓(如圖7所示)，其中高度h將隨著錯(cuò)位時(shí)的寬度a而減小，從而減小縱橫比η的相關(guān)范圍，或者(c)采用如圖4b所示的非對(duì)稱(chēng)密封設(shè)計(jì)，其中重復(fù)單元中的一個(gè)微密封件110a始終比相鄰微密封件110b窄，由此使得接合寬度a′能夠在錯(cuò)位α的情況下保持基本恒定。從表1可以看出操縱三個(gè)空間約束中的任何一個(gè)或全部的重要性，其使用標(biāo)稱(chēng)條件作為基準(zhǔn)，以示出對(duì)于不同設(shè)計(jì)的幾何形狀(其中每個(gè)施加的壓力已經(jīng)被歸一化而不是以絕對(duì)值示出)，有效模量eeff對(duì)錯(cuò)位的相對(duì)靈敏度。

表1

在表中，示出了針對(duì)不同設(shè)計(jì)的幾何形狀的相對(duì)有效模量eeff對(duì)錯(cuò)位的靈敏度，其中，標(biāo)題為增加的縱橫比的列對(duì)應(yīng)于圖4a中所示的結(jié)構(gòu)，而標(biāo)題為不同縱橫比的列對(duì)應(yīng)于圖4b中所示的結(jié)構(gòu)，其中當(dāng)錯(cuò)位閾值等于非對(duì)稱(chēng)設(shè)計(jì)的較窄微密封件的寬度時(shí)，獲得恒定的縱橫比η。因此，相對(duì)于標(biāo)稱(chēng)條件(至少部分地由于高空間限制)，雖然密封件的有效模量eeff和相關(guān)剛度高于圖4a中的相對(duì)高縱橫比的微密封件110設(shè)計(jì)或者圖4b的不對(duì)稱(chēng)微密封件110設(shè)計(jì)，它與本發(fā)明的這兩種設(shè)計(jì)中的任一種相比，經(jīng)歷了更陡峭(和不期望的)的錯(cuò)位下降。可以看出，與本發(fā)明的兩個(gè)變型相比，標(biāo)題為現(xiàn)有技術(shù)的列的常規(guī)密封構(gòu)造示出了具有錯(cuò)位的eeff的更加急劇的下降。

接下來(lái)參考圖5所示，第二種方法是減小微密封件110的泊松比ν。由于材料的可壓縮性，允許材料應(yīng)力在內(nèi)部減小，因而具有減小微密封件110上的空間約束的效果。在彈性體中，影響給定橡膠聚合物主鏈的泊松比ν的一些方法是引入發(fā)泡-開(kāi)放或閉孔-或?qū)⒁徊糠挚蓧嚎s填料分散在整個(gè)材料中。如圖5所示，即使從較大值(例如0.49995至0.49990)到較低值(例如0.47至0.497)的泊松比ν的較小減小，也可以極大地影響材料對(duì)于錯(cuò)位的敏感性，如上面關(guān)于有效模量eeff的公式所證明的。

第三種方法是減小微密封件110與副墊片75或金屬珠105的面對(duì)的基板的粘附或摩擦。在壓縮下，減小的摩擦或粘附將允許微密封件110側(cè)向膨脹并逃避先前假設(shè)的空間約束。然而，必須小心，因?yàn)樘砑訚?rùn)滑劑作為降低摩擦或粘附的一種方式可能將污染物引入雙極板65。同樣地，減小金屬珠105或副墊片75的粗糙度可以對(duì)基板制造增加非常昂貴的步驟，而完全去除微密封件110的粘附將在堆1對(duì)齊和組裝期間以及在任何所需的重建或再加工期間使得部件處理困難?？紤]到這些問(wèn)題，本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過(guò)明智地使用副墊片75的材料，副墊片75減小表面粗糙度并且在副墊片75、金屬珠105和微密封110之間的任何或所有界面區(qū)域之間使用潤(rùn)滑劑，可以允許放松其他設(shè)計(jì)參數(shù)，以便降低由于錯(cuò)位而發(fā)生的壓力差(δp)，即使在初始?jí)毫赡茌^低的構(gòu)造中。

接下來(lái)參照?qǐng)D6和7，實(shí)現(xiàn)微密封件110、副墊片75和金屬珠105之間的連續(xù)接觸是有利的，因?yàn)槿绻浜穸炔蛔阋蕴畛涓眽|片75和金屬珠105之間的間隙，則橫跨微密封件110的寬度的不連續(xù)接觸將會(huì)出現(xiàn)。雖然當(dāng)密封件完全對(duì)齊并且接觸塊完全彼此對(duì)齊并產(chǎn)生足夠的壓力以沿著密封路徑的整個(gè)長(zhǎng)度產(chǎn)生連續(xù)密封時(shí)，這種情況是可以容忍的，但是已知電池30對(duì)齊和堆1組件的難以預(yù)測(cè)意味著將存在錯(cuò)位和許多間隙(以及伴隨的泄漏)，特別是在彎曲和曲線周?chē)膮^(qū)域中。本發(fā)明人已經(jīng)確定，如上所述的圖7的圓頂形(即，凸?fàn)畹?微密封件110結(jié)合增加微密封件110幾何形狀中的縱橫比η的第一可調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)旋鈕是大多數(shù)彈性體沉積工藝的自然副產(chǎn)品，并且因此非常適合于在與堆1形成相關(guān)的預(yù)期壓縮范圍內(nèi)保持接觸。微密封件110的這種偶然使用有助于在接合表面107的整個(gè)寬度上更好地分布接觸壓力，這進(jìn)一步改善了上述有效參數(shù)中的一個(gè)或多個(gè)。圖6示出了形成在金屬珠105的接合表面107的冠部處的這種天然間隙，其可以通過(guò)圖7的絲網(wǎng)印刷的微密封件110來(lái)補(bǔ)救。在所示的理論實(shí)施例中，總高度的一部分限定大致矩形的輪廓，而另一部分可用于填充圖6的間隙。盡管圖6示出了金屬珠105和副墊片75之間的間隙g，但是應(yīng)當(dāng)理解，這種間隙g也可以在沒(méi)有副墊片75的構(gòu)造中形成；這種構(gòu)造可以包括彼此直接放置的相鄰朝向的金屬珠密封件105，使得在相應(yīng)的接合表面107之間形成的空間也被認(rèn)為是本發(fā)明可以補(bǔ)救的情況。

在優(yōu)選形式中，微密封件110可以由各種彈性塑料或彈性材料制成，包括聚丙烯酸酯、水合氯磺化聚乙烯、乙烯丙烯酸、氯丁二烯、氯磺化聚乙烯、乙烯丙烯、乙烯乙酸乙烯酯、全氟彈性體、氟碳、氟硅氧烷、氫化腈、聚異戊二烯、微膠囊聚氨酯、丁腈橡膠、天然橡膠、聚氨酯，苯乙烯-丁二烯橡膠、tfe/丙烯、硅酮，羧基化腈等)，并且優(yōu)選地通過(guò)本領(lǐng)域已知的絲網(wǎng)印刷方法施加，但是也可以使用其它方法，例如壓印、注射成型或其他沉積技術(shù)。

應(yīng)當(dāng)注意，諸如“優(yōu)選地”、“一般地”和“典型地”的術(shù)語(yǔ)在本文中不用于限制所要求保護(hù)的發(fā)明的范圍或暗示某些特征對(duì)于所要求保護(hù)的發(fā)明的結(jié)構(gòu)或功能是關(guān)鍵的、必要的或甚至重要的。相反，這些術(shù)語(yǔ)僅旨在強(qiáng)調(diào)可以或可以不在本發(fā)明的特定實(shí)施例中使用的替代或附加特征。

為了描述和定義本發(fā)明，注意，本文中使用的術(shù)語(yǔ)“基本上”和“近似”及其變體在本文中用于表示可歸因于任何定量比較、值、測(cè)量或其他表示的不確定性的固有程度。術(shù)語(yǔ)“基本上”在本文中也用于定量表示可以與所述參考值不同的程度，而不導(dǎo)致所討論的主題的基本功能的改變。

已經(jīng)詳細(xì)地并通過(guò)參考具體實(shí)施例描述了本發(fā)明，但是顯而易見(jiàn)的是，在不脫離所附權(quán)利要求中限定的本發(fā)明的范圍的情況下，修改和變化是可能的。特別地，可以預(yù)期本發(fā)明的范圍不必限于所述的優(yōu)選方面和示例性實(shí)施方案，而是應(yīng)由所附權(quán)利要求書(shū)來(lái)限定。