[發明專利]使用真空密封形成膜－子墊片組件的方法

無效

• 申請號: 201110002725.0
• 申請日: 2011-01-07
• 公開（公告）號: CN102270765A
• 公開（公告）日: 2011-12-07
• 發明（設計）人: M.K.布丁斯基;S.巴加瓦;B.K.布拉迪;L.迪皮特羅
• 申請（專利權）人: 通用汽車環球科技運作有限責任公司
• 主分類號: H01M8/02
• 分類號: H01M8/02
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 代易寧

技術領域

本公開涉及燃料電池系統，且更特定地涉及使用在燃料電池系統內的膜－子墊片組件及其制造方法。

背景技術

燃料電池已作為清潔、有效和環保的動力源而建議用于電動車輛和多種其他應用。特別地，燃料電池已視作使用在現代汽車內的傳統內燃機的潛在替代。

通常類型的燃料電池已知為質子交換膜（PEM）燃料電池。PEM燃料電池包括布置在例如雙極板的一對燃料電池板之間的組合電極組件（UEA）。UEA包括布置為鄰近膜電極組件（MEA）的陽極面和陰極面的擴散介質。電極面典型地包括磨碎的催化劑，例如鉑，所述催化劑例如支承在碳顆粒上且與離聚物混合。擴散介質便于典型地為氫和氧的氣體反應劑輸送到MEA的活性區域以用于電化學燃料電池反應。擴散介質也幫助管理燃料電池內的水副產物。

典型地，MEA包括夾在陰極電極和陽極電極之間的電解質膜。沿著燃料電池板外周延伸的子墊片鄰接MEA。子墊片可以是具有電絕緣性能的硬膜。子墊片的內部邊緣限定了MEA的活性區域。子墊片將MEA的陽極側與MEA的陰極側電絕緣。布置在子墊片上的密封部分防止氣體反應劑從燃料電池溢出。

現有技術的子墊片具有合并的設計，所述設計具有從活性區域越過且經過密封部分的恒定的厚度。現有技術的子墊片盡管具有功能性，但導致燃料電池的縮短的壽命。現有技術的子墊片當與MEA的厚度相比時可能相對地厚（厚子墊片）。厚子墊片和MEA之間的厚度的高反差可能導致局部區域的高壓縮。局部區域的高壓縮可能導致擴散介質壓碎、陽極電極或陰極電極斷裂、板變形和電解質膜的剪切，這些情況中的任何情況都可能導致燃料電池的不良性能。替代地，現有技術的子墊片與MEA的厚度相比可能相對薄（薄子墊片）。因此，薄子墊片可能導致由于通過燃料電池的反應劑氣體的流動而變形。

總之，作為UEA過度壓縮和UEA欠壓縮之一的結果，MEA可能在子墊片處劣化。作為UEA過度壓縮的結果的MEA的劣化可能由于電解質膜的膨脹以及用于形成UEA的制造過程所導致。電解質膜的膨脹可能影響MEA的長度、寬度和厚度。由于膨脹而增加的MEA的厚度造成了整個UEA上的壓縮載荷變化。整個UEA上的壓縮載荷變化造成了內子墊片邊緣處的應力集中。內子墊片邊緣處的應力集中不利地影響MEA的壽命。另外，由于膨脹而增加的MEA的厚度可能增加子墊片區內UEA上的壓縮載荷，從而導致雙極板和鄰近的擴散介質的永久變形。

另外，要求壓縮力的UEA的制造過程可能使MEA的電解質膜劣化。UEA的生產典型地涉及部件的熱壓，因此將部件結合在一起。熱壓可能導致內部子墊片邊緣沿子墊片和電解質膜的接觸邊緣剪切電解質膜。在電解質膜內的剪切可能導致交叉泄漏（陽極到陰極氣體屏障的損失）或短路（其中鄰近的擴散介質或電極直接接觸或電接觸）。

作為UEA欠壓縮結果的MEA的劣化可能在鄰近內子墊片邊緣的隆起區域內發生。隆起區域是UEA的鄰近子墊片邊緣的區域，此處MEA上的壓縮載荷明顯降低或消除。擴散介質可能起作用以將由子墊片的內邊緣厚度形成的臺階橋接。擴散介質可能跨過由子墊片的內邊緣厚度形成的臺階柔性地順應，從而導致位于隆起區域內的楔形形狀的跨度。當MEA的電解質膜受潮后，MEA的長度和厚度可能增加。潮濕的電解質膜可能膨脹為隆起的區域。作為UEA欠壓縮的結果，電解質膜可能翹曲。電解質膜的翹曲可能導致陽極電極和形成在其上的陰極電極其中之一斷裂。

希望的是開發用于燃料電池的UEA和子墊片組件及其生產方法，其中制造成本被最小化且產生輸出被優化。

發明內容

根據本發明，令人驚奇地發現了用于燃料電池的UEA和子墊片組件及其生產方法，其中制造成本被最小化且產生輸出被優化。

在一個實施例中，用于燃料電池的UEA和子墊片組件包括：組合電極組件，包括布置在陽極電極和陰極電極之間的電解質膜，和鄰近陽極電極和陰極電極的至少一個布置的多孔擴散介質；和鄰近組合電極組件布置的子墊片，其中子墊片的至少部分滲透擴散介質以形成大體上不漏流體的密封部。

在另一個實施例中，用于生產UEA和子墊片組件的方法包括如下步驟：提供組合電極組件，所述組合電極組件包括布置在陽極電極和陰極電極之間的電解質膜，和鄰近陽極電極和陰極電極的至少一個布置的多孔擴散介質；提供子墊片；提供定位和保持裝置；將組合電極組件布置在定位和保持裝置內；將子墊片鄰近組合電極組件布置；且使子墊片的至少部分滲透擴散介質以形成大體上不漏流體的密封部。