[發(fā)明專利]質子交換膜燃料電池密封設計以及制造方法

有效

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• 申請日: 2015-01-23
• 公開（公告）號: CN104810533B
• 公開（公告）日: 2017-09-15
• 發(fā)明（設計）人: M.J.伯伊特爾
• 申請（專利權）人: 通用汽車環(huán)球科技運作有限責任公司
• 主分類號: H01M8/0276
• 分類號: H01M8/0276;H01M8/0284;H01M8/0286
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司72001
• 代理人: 姜云霞,傅永霄

技術領域

在至少一個方面中，本發(fā)明涉及用于燃料電池應用中的催化劑層。

背景技術

燃料電池在許多應用中用作電力電源。具體來說，打算將燃料電池用于汽車中來取代內燃發(fā)動機。通常使用的燃料電池設計使用固體聚合物電解質（“SPE”）膜或質子交換膜（“PEM”）來在陽極與陰極之間提供離子傳輸。

在質子交換膜型燃料電池中，氫氣被供應到陽極作為燃料，并且氧氣被供應到陰極作為氧化劑。氧氣可以是純的形式（O₂）或空氣（O₂與N₂的混合物）的形式。PEM燃料電池通常具有膜電極組件（“MEA”），其中固體聚合物膜（即，離子傳導膜）在一個面上具有陽極催化劑并且在相對的面上具有陰極催化劑。典型的PEM燃料電池的陽極和陰極層由多孔傳導材料（諸如編織石墨、石墨化薄片或碳紙）形成，以使得燃料能夠在面向燃料供應電極的膜表面上分散。每個電極具有支撐在碳顆粒上的細分的催化劑顆粒（例如，鉑顆粒）以促進氫氣在陽極的氧化和氧氣在陰極的還原。質子穿過離子鍵傳導聚合物膜從陽極流到陰極，它們在陰極與氧氣結合從而形成從電池排出的水。MEA夾在一對多孔氣體擴散層（“GDL”）之間，所述氣體擴散層又夾在一對無孔、導電元件或板之間。板用作用于陽極和陰極的電流收集器，并且含有形成在其中的適當通道和開口以用于將燃料電池的氣體反應劑分布在相應的陽極催化劑和陰極催化劑的表面上。為了有效地產生電力，PEM燃料電池的聚合物電解質膜必須薄、化學穩(wěn)定、質子可穿透、不導電并且不透氣。在典型應用中，燃料電池以許多個別燃料電池堆的陣列來提供以便提供高水平的電功率。

一些現(xiàn)有技術的燃料電池在催化劑電極與離子導電膜之間包括墊片。重復電池設計的不同區(qū)域具有不同的功能要求，這通過利用材料的不同橫截面厚度來滿足。例如，圖1中描繪的燃料電池截面示出現(xiàn)有技術密封配置。燃料電池堆10包括介于氣體擴散層14與16之間以及雙極板20與22之間的密封墊片12。在此示例中，墊片12當在氣體擴散層之間時應薄并且在雙極板之間時應較厚。一些現(xiàn)有技術墊片使用壓條24結合密封薄片26來實現(xiàn)所需的厚度變化。

因此，本發(fā)明提供用于燃料電池墊片部件的改進的設計。

發(fā)明內容

本發(fā)明通過在至少一個實施例中提供用于形成用于燃料電池應用的墊片的方法來解決現(xiàn)有技術的一個或多個問題。該方法包括提供包括樹脂材料層的大體上平面的薄片的步驟。由該大體上平面的薄片形成第一折疊薄片。第一折疊薄片具有從大體上平面的薄片的大體上平面的部分延伸的第一褶皺，該第一褶皺具有第一側面部分和與第一側面部分相對并且由頂部連接的第二側面部分。通過將第一褶皺朝向平面的部分折疊以形成復合褶皺而形成墊片。將復合褶皺放置于第一燃料電池部件與第二燃料電池部件之間。有利地，墊片形成電絕緣、密封、間隔功能性或其組合。

在另一個實施例中，提供由上述方法形成的燃料電池。該燃料電池包括具有陽極側和陰極側的膜電極組件。第一流場布置在陽極側上以及第二流場布置在陰極側上。第一氣體擴散介質介于陽極側與第一流場之間，以及第二氣體擴散介質介于陰極側與第二流場之間。墊片介于第一流場與第二流場之間，該墊片限定中心開口。墊片可選地包括周邊密封區(qū)域，該周邊密封區(qū)域包括其中具有復合褶皺的樹脂材料。復合褶皺包括在從薄片的大體上平面的區(qū)域延伸的薄片中的第一褶皺。第一褶皺具有第一側面部分和與第一側面部分相對的第二側面部分，以使得第一側面部分與第二側面部分由頂部連接。復合褶皺包括通過將第一褶皺朝向薄片的平面的部分折疊形成的第二褶皺。

1. 一種方法包括：

提供包括樹脂材料層的大體上平面的薄片；

由大體上平面的薄片形成第一折疊薄片，第一折疊薄片具有從第一折疊薄片的大體上平面的部分延伸的第一褶皺，第一褶皺具有第一側面部分和與第一側面部分相對的第二側面部分，第一側面部分與第二側面部分由頂部連接；

通過將第一褶皺朝向所述平面的部分折疊以形成復合褶皺來形成墊片，所述復合褶皺具有與大體上平面的部分相鄰的第一側面部分；以及

將復合褶皺放置于第一燃料電池部件與第二燃料電池部件之間。

2. 如方案1所述的方法，其中所述第一褶皺通過在心軸上拉曳所述薄片形成并且進行加熱以輔助形成第一褶皺。

3. 如方案2所述的方法，其中所述薄片被加熱到約90至約300攝氏度的溫度。

4. 如方案3所述的方法，其進一步包括應用真空以將心軸形狀賦予到所述薄片上由此形成第一褶皺。