專利名稱：用于膜電極組件的可固化的副墊片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及燃料電池，更具體地，涉及用于膜電極組件的可固化的副墊片(subgasket)。
背景技術(shù)：
典型的燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)包括電源部分，其中提供一個(gè)或多個(gè)燃料電池堆。燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)的功效在很大部分上取決于堆中的單個(gè)燃料電池內(nèi)和相鄰的燃料電池之間的各種接觸和密封界面的完整性。
當(dāng)前，使用常規(guī)方法建造燃料電池堆的工藝冗長，耗時(shí)，并且不太容易適合大規(guī)模生產(chǎn)。舉例來說，典型的5千瓦燃料電池堆可包括大約80個(gè)膜電極組件(MEAs)，大約160塊流場板，和大約160個(gè)密封襯片。該堆的這些及其他組件必須小心對準(zhǔn)裝配。即使少數(shù)幾個(gè)組件的錯(cuò)位也可導(dǎo)致氣體泄漏，氫滲透，和性能/壽命的劣化。
在延長操作期間燃料電池膜的壽命通常決定了燃料電池能否以成本效益方式使用。盡管MEA在許多方面會發(fā)生故障，但通常在氣體滲透大于某一速率情況下不能使用，表明該膜已經(jīng)被機(jī)械擊穿或由于化學(xué)性腐蝕而厚度受到侵蝕。
需要具有改進(jìn)耐用性和壽命的MEA。本發(fā)明滿足了這些及其他需要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及用于膜電極組件的可固化副墊片。本發(fā)明實(shí)施方式涉及用于膜電極組件(MEA)的結(jié)構(gòu)。該MEA結(jié)構(gòu)包括膜電極組件，該組件包括高分子電解質(zhì)膜，氣體擴(kuò)散層和在高分子電解質(zhì)膜和氣體擴(kuò)散層之間的催化劑層。該膜電極組件包括布置在該膜電極組件的一個(gè)或多個(gè)構(gòu)件之內(nèi)的副墊片。該副墊片由可原位沉積和固化的材料的層制成。氣體擴(kuò)散層的圍緣與該副墊片重疊。
該副墊片可以布置在高分子電解質(zhì)膜外圍部分上。在一些構(gòu)造中，該副墊片的一部分可以布置在催化劑層和高分子電解質(zhì)膜之間，或布置在催化劑層和氣體擴(kuò)散層之間?；蛘?，副墊片層可以布置在氣體擴(kuò)散層外圍部分上。
在一些實(shí)施過程中，氣體擴(kuò)散層和催化劑層形成涂覆催化劑的電極背襯。該涂覆催化劑的電極背襯的邊緣與副墊片重疊。在其它的實(shí)施過程中，該高分子電解質(zhì)膜和該催化劑層形成涂覆催化劑的膜。該副墊片可以布置在涂覆催化劑膜的外圍部分上。
本發(fā)明另外的實(shí)施方式涉及具有連接在一起的第一和第二膜電極結(jié)構(gòu)的膜電極組件(MEA)。第一和第二膜電極結(jié)構(gòu)的至少一個(gè)包括電極組件，所述的電極組件包括高分子電解質(zhì)膜，氣體擴(kuò)散層，和在高分子電解質(zhì)膜和氣體擴(kuò)散層之間的催化劑層。副墊片布置在電極組件的一個(gè)或多個(gè)構(gòu)件上。該副墊片由原位可沉積可固化的材料的層組成。安置該副墊片要使氣體擴(kuò)散層的圍緣與該副墊片重疊。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，通過熔合的雙層高分子電解質(zhì)膜連接第一和第二膜電極結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明另一實(shí)施方式涉及電化學(xué)電池組件。該電化學(xué)電池組件包括具有副墊片層的膜電極組件(MEA)。該MEA包括高分子電解質(zhì)膜，布置在高分子電解質(zhì)膜的相對表面上的第一和第二氣體擴(kuò)散層，和分別布置在第一和第二氣體擴(kuò)散層和高分子電解質(zhì)膜之間的第一和第二催化劑層。該副墊片由原位可沉積可固化的材料的層組成。該副墊片層的一部分布置在該MEA的第一和第二氣體擴(kuò)散層之間。
本發(fā)明另外的實(shí)施方式包括用于制造膜電極組件(MEA)的方法。該方法包括形成一個(gè)或多個(gè)具有副墊片的MEA構(gòu)件。該具有副墊片的MEA構(gòu)件通過將可分散副墊片材料沉積在一個(gè)或多個(gè)MEA構(gòu)件的至少一個(gè)表面的一部分上形成。該副墊片分散材料原位固化以形成一個(gè)或多個(gè)副墊片層。第一和第二氣體擴(kuò)散層(GDL)結(jié)構(gòu)在高分子電解質(zhì)膜(PEM)結(jié)構(gòu)的相對表面處對準(zhǔn)，因此副墊片層的部分布置在第一和第二GDL結(jié)構(gòu)之間。一個(gè)或多個(gè)第一GDL結(jié)構(gòu)，第二GDL結(jié)構(gòu)和PEM結(jié)構(gòu)包括一個(gè)或多個(gè)具有副墊片的MEA構(gòu)件。
本發(fā)明的另一實(shí)施方式涉及制造包括氣體擴(kuò)散層結(jié)構(gòu)和高分子電解質(zhì)膜結(jié)構(gòu)的膜電極組件的方法。該方法包括形成具有副墊片的MEA組份。通過將可分散的副墊片材料沉積在MEA組件至少一個(gè)表面的一部分上形成該具有副墊片的MEA組件。該副墊片分散材料原位固化以形成一個(gè)或多個(gè)副墊片層。該GDL結(jié)構(gòu)布置在PEM結(jié)構(gòu)上，因此GDL結(jié)構(gòu)的邊緣與一個(gè)或多個(gè)副墊片層的一部分重疊。至少一個(gè)GDL和PEM包含一個(gè)或多個(gè)具有副墊片的MEA構(gòu)件。
上述本發(fā)明的概括不意欲描述本發(fā)明的每一實(shí)施方式或每一實(shí)施過程。通過參考以下的詳細(xì)說明和權(quán)利要求并結(jié)合附圖，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和目的將是顯而易見的，而且可以更完全地理解本發(fā)明。


圖1A說明燃料電池和其構(gòu)成層；圖1B說明根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的具有單極構(gòu)造的成套電池組件；圖1C說明根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的具有單極/雙極構(gòu)造的成套電池組件；圖2A說明基于涂覆催化劑的電極背襯(CCEB)的膜電極組件(MEA)結(jié)構(gòu)的橫斷面視圖；圖2B說明基于涂覆催化劑的膜(CCM)的MEA結(jié)構(gòu)的橫斷面視圖；
圖2C是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式基于CCEB的具有副墊片層的MEA的橫截面；圖2D說明根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式基于CCM的MEA的橫截面，其中氣體擴(kuò)散層(GDL)結(jié)構(gòu)的邊緣與副墊片層重疊；圖2E說明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，基于CCM具有GDL結(jié)構(gòu)的MEA的橫截面，所述的GDL結(jié)構(gòu)與副墊片重疊，因此該GDL結(jié)構(gòu)的周界不直接接觸CCM。
圖3A顯示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的基于CCEB的MEA次組件(或1/2-MEA)的橫截面圖；圖3B說明根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的結(jié)合在一起的兩個(gè)1/2-MEA次組件的截面的詳圖；圖3C表示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的具有與保護(hù)性副墊片重疊的GDL的基于CCM的次組件(1/2-MEA結(jié)構(gòu))的橫斷面視圖；圖3D說明根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的結(jié)合在一起以形成MEA結(jié)構(gòu)的兩個(gè)CCM次組件的橫斷面視圖；圖3E描述根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的基于CCM的1/2-MEA次組件的橫截面；圖3F說明根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的兩個(gè)基于CCM的1/2-MEA次組件的熔合；圖4A說明根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的具有加強(qiáng)PEM周圍區(qū)域的副墊片層的1/2-MEA組件；圖4B說明根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的熔接之前的兩個(gè)1/2-MEA組件，所述的1/2-MEAs具有布置在可熔膜后部上的副墊片層；圖4C說明根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式具有施加到PEMs后部的保護(hù)性副墊片層的基于CCEB的MEA組件的橫截面；圖4D說明根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式具有施加到膜后部的保護(hù)性副墊片層的基于CCM的MEA次組件(1/4-MEA)的橫斷面視圖；圖4E說明根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的可以層壓在一起以形成雙層膜的兩個(gè)CCM次組件；圖4F說明根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式具有雙層膜450同時(shí)具有形成加固邊緣的內(nèi)部副墊片層的完整MEA的橫截面；圖5說明根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式具有布置在GDLs外圍部分上的保護(hù)性副墊片層的基于CCM的MEA的橫截面；附圖6和7是說明根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式涉及制造MEA組件和次組件的工藝流程圖；圖8是舉例說明簡化的燃料電池堆，便于理解燃料進(jìn)入和離開燃料電池堆的方式，其中該燃料電池優(yōu)選利用根據(jù)本發(fā)明原則的MEA組件；和附圖9-12說明可以引入本文描述的MEA組件的各種燃料電池體系，和使用燃料電池堆用于發(fā)電。盡管本發(fā)明可以有各種改進(jìn)和代替方式，但通過附圖中的實(shí)施例已經(jīng)表明其具體情況，并將進(jìn)行詳細(xì)地描述。然而，應(yīng)理解并非意圖將本發(fā)明限于所述的具體實(shí)施方式
。相反地，該意圖是覆蓋如所附權(quán)利要求定義的本發(fā)明范圍內(nèi)所有的改進(jìn)，等同和替代方案。
不同實(shí)施方式的詳細(xì)說明在下面舉例說明的實(shí)施方式中，參考構(gòu)成本發(fā)明一部分的附圖，在描述中通過舉例說明解釋附圖，可以實(shí)施本發(fā)明的各種各樣的實(shí)施方式。應(yīng)理解為可以利用所述實(shí)施方式，在不背離本發(fā)明范圍的前提下進(jìn)行有結(jié)構(gòu)改變。
本發(fā)明涉及在膜電極組件(MEA)層之間形成的保護(hù)性的副墊片。特定的實(shí)施方式涉及具有分別布置在電解質(zhì)膜和第一和第二GDL層之間的副墊片的整個(gè)MEA組件。在其它的實(shí)施過程中，1/2MEA組件提供有布置在PEM和GDL層之間的副墊片。本發(fā)明另外的實(shí)施方式涉及使用具有副墊片的MEA組件實(shí)施的燃料電池堆和體系。
燃料電池是將氫燃料和空氣中的氧結(jié)合以產(chǎn)生電、熱量和水的電化學(xué)裝置。燃料電池不利用燃燒，正因如此，燃料電池產(chǎn)生一如果有的話一很少的有害流出物。燃料電池將氫燃料和氧直接轉(zhuǎn)化為電，且能以比例如內(nèi)燃發(fā)電機(jī)高得多的效率運(yùn)行。
典型的燃料電池在圖1A中說明。顯示于圖1A中的燃料電池10包括鄰近包括陽極14的氣體擴(kuò)散微層的第一氣體擴(kuò)散層(GDL)12。鄰近陽極14是電解質(zhì)膜16。氣體擴(kuò)散微層陰極18位于鄰近電解質(zhì)膜16處，第二氣體擴(kuò)散層19位于鄰近陰極18處。操作中，氫燃料被引入燃料電池10的陽極區(qū)部分，通過第一氣體擴(kuò)散層12并到達(dá)陽極14上。在陽極14，該氫燃料分離為氫離子(H+)和電子(e-)。
電解質(zhì)膜16僅容許氫離子或質(zhì)子通過該電解質(zhì)膜16達(dá)到燃料電池10的陰極區(qū)。電子不能通過該電解質(zhì)膜16，相反以電流形式流過外部電路。該電流能給電力載荷17，比如電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，或?qū)胭A能裝置比如可再充電電池中。
氧通過第二氣體擴(kuò)散層19流動(dòng)進(jìn)入燃料電池10的陰極側(cè)面。當(dāng)氧在陰極18上通過時(shí)，氧，質(zhì)子和電子結(jié)合產(chǎn)生水和熱量。
單個(gè)燃料電池，比如圖1A中顯示的燃料電池，可組裝為成套的燃料電池組件。該成套的燃料電池組件，為了方便起見本發(fā)明中稱為成套的電池組件或UCAs，能與許多其它的UCAs一起形成燃料電池堆。在堆之內(nèi)UCAs的數(shù)量決定該堆的總電壓，每一電池的有效表面區(qū)域決定總電流。給定燃料電池堆產(chǎn)生的總的電功率可通過總電流乘以總的堆電壓確定。
可使用許多不同的燃料電池技術(shù)構(gòu)造根據(jù)本發(fā)明原則的UCAs。例如，可使用本發(fā)明的UCA包裝工藝構(gòu)造質(zhì)子交換膜(PEM)燃料電池組件。PEM燃料電池在相對低溫(約175F/80℃)下操作，具有高功率密度，能迅速改變它們的輸出功率以滿足電力需量的變化，最適合用于其中需要迅速啟動(dòng)的應(yīng)用場合，比如在汽車中。
用于PEM燃料電池中的質(zhì)子交換膜通常是允許氫離子通過的薄塑料片。該膜可以涂有催化劑層，比如高度分散的金屬或金屬合金粒子(例如鉑或鉑/釕)層。使用的電解質(zhì)通常是固體有機(jī)聚合物，比如聚全氟磺酸。使用固體電解質(zhì)是有利的，因?yàn)樗軠p少腐蝕和管理問題。在一些構(gòu)造中，該GDL電極層可以涂有催化劑而非PEM，形成稱為涂覆催化劑的電極背襯(CCEB)的結(jié)構(gòu)。
氫被送到燃料電池的陽極側(cè)面，其中該催化劑促進(jìn)氫原子放出電子變?yōu)闅潆x子(質(zhì)子)。電子以電流形式移動(dòng)，所述的電流可在它返回到已經(jīng)引入氧的燃料電池陰極側(cè)以前被利用。同時(shí)，該質(zhì)子擴(kuò)散通過該膜到達(dá)陰極，其中該氫離子被再結(jié)合并與氧反應(yīng)產(chǎn)生水。
膜電極組件(MEA)是PEM燃料電池，比如氫燃料電池的主要部件。正如以上討論的，典型的MEAs包含高分子電解質(zhì)膜(PEM)(亦稱離子導(dǎo)電膜(ICM))，起固體電解質(zhì)的作用。
該P(yáng)EM的一個(gè)面與陽極電極層接觸，相對的面與陰極層接觸。每一個(gè)電極層可以包括電化學(xué)催化劑，通常包括鉑系金屬。氣體擴(kuò)散層(GDLs)促進(jìn)往返于陽極和陰極材料的氣體輸送并傳導(dǎo)電流。
在一個(gè)典型的PEM燃料電池中，在陽極通過氫氧化形成質(zhì)子并輸送到陰極與氧起反應(yīng)，使電流流入連接電極的外電路。該GDL也可以被稱作流體輸送層(FTL)或擴(kuò)散器/集電器(DCC)。
任何適當(dāng)?shù)腜EM可以用于實(shí)施本發(fā)明。PEM通常具有的厚度小于50微米，更代表性地小于40微米，更通常小于30微米，最通常約25微米。PEM通常由高分子電解質(zhì)組成，所述的高分子電解質(zhì)是酸官能含氟聚合物比如Nafion(DuPont Chemicals，Wilmington DE)和Flemion(Asahi Glass Co.Ltd.，Tokyo，Japan)，或具有如下通式的具有高度氟化的骨架和重復(fù)側(cè)基的聚合物YOSO2-CF2-CF2-CF2-CF2-O-[聚合物骨架]。后者公開在共同擁有的2002年12月19日提交的U.S.專利申請S/N 10/325,278中。用于本發(fā)明的高分子電解質(zhì)優(yōu)選是四氟乙烯和一種或多種氟化的酸官能共聚單體的共聚物。
通常，該高分子電解質(zhì)帶有磺酸酯官能團(tuán)。最通常，該高分子電解質(zhì)是具有如下通式的具有高度氟化骨架和重復(fù)側(cè)基的聚合物YOSO2-CF2-CF2-CF2-CF2-O-[聚合物骨架]，如公開在先前引入的US專利申請S/N 10/325,278中的聚合物。該高分子電解質(zhì)通常的酸當(dāng)量重量為1200或更少，更通常為1100或更少，更通常為1050或更少，和最通常為約1000。
任何適當(dāng)?shù)腉DL均可以用于實(shí)施本發(fā)明。通常，該GDL由包括碳纖維的薄板材料組成。該GDL通常是選自紡織和無紡碳纖維結(jié)構(gòu)的碳纖維構(gòu)造?？梢杂糜趯?shí)施本發(fā)明的碳纖維織物結(jié)構(gòu)可以包括Toray碳紙，SPECTRACARB碳紙，AFN無紡碳纖維布，ZOLTEK碳纖維布，等等。該GDL可以涂覆或浸漬有各種材料，包括碳粒子涂層，比如用聚四氟乙烯(PTFE)涂層進(jìn)行親水處理和疏水處理。
任何適當(dāng)?shù)拇呋瘎┛梢杂糜趯?shí)施本發(fā)明。通常，使用碳負(fù)載的催化劑粒子。典型的碳負(fù)載的催化劑粒子是50-90wt％碳和10-50wt％的催化劑金屬，催化劑金屬通常包括用于陰極的Pt，和用于陽極重量比為2∶1的Pt和Ru。該催化劑通常以催化劑墨的形式施加到PEM或GDL上。該催化劑墨通常包括高分子電解質(zhì)材料，所述的高分子電解質(zhì)材料與包括PEM的高分子電解質(zhì)材料可以相同或可不相同。
該催化劑墨通常包括在高分子電解質(zhì)分散體中的催化劑粒子分散體。該墨通常包括5-30％的固體(即聚合物和催化劑)，更通常為10-20％的固體。該電解質(zhì)分散體通常是水分散體，所述的水分散體可以另外包含醇，多元醇，諸如甘油和乙二醇，或其它的溶劑，比如N-甲基-吡咯烷酮〔N-methylpyrilidon〕(NMP)和二甲基甲酰胺〔dimethyoformahyde〕(DMF)。可以調(diào)節(jié)水，醇和多元醇含量以改變該墨的流變性質(zhì)。該墨通常包括0-50％的醇和0-20％的多元醇。另外，該墨可以包含0-2％的適當(dāng)?shù)姆稚?。該墨通常通過加熱下攪拌，隨后稀釋到可涂覆的稠度而制備。
該催化劑可以通過任何合適的方法施加到PEM或GDL上，包括手工和機(jī)械方法，包括手刷，凹口棒涂覆，載帶流體模具涂覆，卷線桿涂覆，載帶流體涂覆，槽進(jìn)料刮涂法，三輥涂覆，或貼花印刷移轉(zhuǎn)。涂層可以一次施加或多次施加實(shí)現(xiàn)。
直接甲醇燃料電池(DMFC)類似于PEM電池，在于它們兩個(gè)都使用聚合物膜作為電解質(zhì)。然而，在DMFC中，陽極催化劑本身從液體甲醇燃料中吸取氫，而無需使用燃料轉(zhuǎn)化器。DMFCs通常在為120-190/49-88℃的溫度下操作。根據(jù)本發(fā)明的原則，直接甲醇燃料電池能進(jìn)行UCA組裝。
現(xiàn)在參考圖1B，說明根據(jù)PEM燃料電池技術(shù)實(shí)現(xiàn)的UCA的實(shí)施方式。如圖1B表明，UCA20的膜電極組件(MEA)25包括五個(gè)組件層。PEM層22夾在一對氣體擴(kuò)散層24和26之間。陽極層30位于第一GDL24和膜22之間，陰極層32位于膜22和第二GDL26之間。
在一種構(gòu)造中，PEM層22制造為包括涂覆在一個(gè)表面上的陽極催化劑和涂覆在另一面上的陰極催化劑。該結(jié)構(gòu)通常稱為涂覆催化劑的膜或CCM。根據(jù)另一種構(gòu)造，氣體擴(kuò)散層24和26制造為包括陽極和陰極催化劑涂層30和32。該結(jié)構(gòu)稱為涂覆催化劑的電極背襯或CCEB。還在另一種構(gòu)造中，陽極催化劑涂層30可部分布置在第一GDL24上，部分布置在PEM 22的表面上，陰極催化劑涂層32可部分布置在第二GDL 26上和部分布置在PEM22的另一面上。
通常用碳纖維紙或無紡材料或紡織布制造GDL24，26。取決于產(chǎn)品的構(gòu)造，GDL24，26可在一側(cè)具有碳粒子涂層。正如以上討論的，GDL24，26可制造為包括或不包括催化劑涂層。
在圖1B表示的特定實(shí)施方式中，MEA25顯示為夾在第一邊緣密封體系34和第二邊緣密封體系36之間。鄰近第一和第二邊緣密封體系34和36的分別是流場板40和42。各流場板40，42包括氣流通道43的場，和通過該氣流通道的氫和氧原料燃料送入的端口。在描繪在圖1B的構(gòu)造中，流場板40，42被構(gòu)造為單極流場板，其中單一的MEA25被夾于其之間。
該邊緣密封體系34，36在UCA組裝之內(nèi)提供必要的密封，以隔離不同的流體(氣體/液體)輸送和反應(yīng)區(qū)，防止彼此污染，并防止不適當(dāng)離開UCA20，并可以另外提供流場板40，42之間的電絕緣和壓縮控制。
在一個(gè)構(gòu)造中，該邊緣密封體系34，36包括由彈性體材料形成的密封墊體系。在各種構(gòu)造中，如以下將描述的那樣，兩層或多層的各種選擇的材料可原位沉積并固化，以提供用于UCA20之間密封的副墊片。
圖1C圖解UCA 50，所述的UCA 50通過使用一個(gè)或多個(gè)雙極的流場板56結(jié)合多個(gè)MEA25。在顯示于圖1C中的構(gòu)造中，UCA 50結(jié)合兩個(gè)MEA25a和25b和單一雙極的流場板56。MEA25a包括夾在GDL66a和64a之間的氣體擴(kuò)散微層陰極62a/膜61a/氣體擴(kuò)散微層陽極60a層狀結(jié)構(gòu)。GDL66a位于鄰近流場端板52處，所述的端板設(shè)置為單極的流場板。GDL64a位于鄰近雙極流場板56的第一流場表面56a處。
類似地，MEA 25b包括夾在GDL 66b和64b之間的氣體擴(kuò)散微層陰極62b/膜61b/氣體擴(kuò)散層陽極60b層狀結(jié)構(gòu)。GDL 64b位于鄰近流場端板54處，所述的端板設(shè)置為單極的流場板。GDL 66b位于鄰近雙極流場板56的第二流場表面56b處。應(yīng)理解N塊MEAs25和N-1塊雙極流場板56可被引入到單一的UCA 50中。然而，總的來說，認(rèn)為對于更高效的熱處理，優(yōu)選UCA 50包含一個(gè)或二個(gè)MEA 56(N＝1，雙極板＝0，或N＝2，雙極板＝1)。
顯示于附圖1B和1C中的UCA構(gòu)造代表兩個(gè)可用于本發(fā)明上下文中實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的特定裝置。提供這兩個(gè)裝置僅僅是說明性的目的，并非意欲代表所有的在本發(fā)明范圍內(nèi)可能的構(gòu)造。更確切地講，圖1B和1C意圖說明可選擇性引入根據(jù)本發(fā)明原則制備的包括成套單元化燃料電池組件的MEA中的各種構(gòu)件。
本發(fā)明實(shí)施方式涉及用于PEM類型燃料電池膜電極組件和次組件中的保護(hù)性的副墊片。該副墊片用于密封MEA減少滲漏，同時(shí)防止損害PEM。該副墊片的表面可以包含微結(jié)構(gòu)或膠粘面以增強(qiáng)MEA的密封。在一些實(shí)施方式中，該副墊片材料可以包含壓敏粘結(jié)劑組合物。
顯微鏡下觀察破裂的MEAs顯示，通常在MEA周圍出現(xiàn)膜中的空穴或裂縫。該損害通常起因于膜和GDL之間周圍界面處的膜的應(yīng)力和起皺。GDL通常用纖維狀碳制備，這往往容易擦傷其中與纖維接觸的膜?？梢允褂帽景l(fā)明的副墊片減少該燃料電池膜例如在有效面積的邊緣或在GDL邊緣的機(jī)械故障。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，保護(hù)層副墊片沉積在該膜和GDL之間，并固化在適當(dāng)?shù)奈恢?，提供需要的高低不平的界面，該界面減少了沿著周圍界面膜的損害。該副墊片相關(guān)特征在于涂覆該膜(所述的膜是吸濕性的)，從而防止潮氣。
該副墊片增強(qiáng)了該膜的穩(wěn)定性，減少膜在MEA周圍起皺。該膜的起皺，特別當(dāng)它們在GDL邊緣發(fā)生時(shí)，可導(dǎo)致產(chǎn)生應(yīng)力集中點(diǎn)，當(dāng)該MEA被壓制時(shí)膜會被擊穿。
圖2圖解典型的基于涂覆催化劑的電極背襯(CCEB)的MEA結(jié)構(gòu)。MEA結(jié)構(gòu)包括夾在CCEB結(jié)構(gòu)210，215之間的PEM 250。該CCEB結(jié)構(gòu)包含GDL層220，225，其具有涂有陽極和陰極催化劑層240，245的陽極和陰極氣體擴(kuò)散微層230，235。CCEBs 210，215在高壓和高溫下結(jié)合為PEM 250，因此獲得該膜和催化劑層之間的緊密接觸。適當(dāng)?shù)慕佑|減少了阻抗損耗并增強(qiáng)催化劑的可利用性。此外，CCEBs 210，215由于催化劑層和膜之間產(chǎn)生的粘合而保持在適當(dāng)?shù)奈恢?。在?qiáng)化的MEA兩面上的GDLs 220，225在雙極板之間被進(jìn)一步壓制，以在燃料電池操作期間保持該緊密接觸。
盡管在催化劑層230，235和膜250之間的良好接觸減少了歐姆電阻的損失，但由于壓縮應(yīng)力，在GDL/膜界面的外圍251處可發(fā)生膜裂縫。當(dāng)電池長期運(yùn)行時(shí)，如果CCEB 210，215對膜250加壓，可觀察到邊緣裂縫和膜損害。這種膜損害導(dǎo)致燃料和氧化劑氣體的滲透。
圖2B圖解涂覆催化劑膜(CCM)255結(jié)構(gòu)的橫斷面視圖。在CCM構(gòu)造中，通常施加熱和壓力以有效地將催化劑層240，245熔化到膜250，形成涂覆催化劑的膜255。利用加壓和加熱將GDL/氣體擴(kuò)散微層結(jié)構(gòu)211，216結(jié)合到CCM255上。盡管所述的GDL/氣體擴(kuò)散微層結(jié)構(gòu)211，216有時(shí)附著得很好，但附著度是變化的，在處理期間GDL結(jié)構(gòu)211，216從CCM 255脫層時(shí)有發(fā)生。為防止這種情況發(fā)生，通常將GDL結(jié)構(gòu)211，216的尺寸做得要比膜的有效面積稍大，形成重疊。因此氣體擴(kuò)散微層230，235直接與該重疊區(qū)中的膜250接觸。這形成GDL結(jié)構(gòu)211，216和膜250之間更穩(wěn)固的附著，但是在氣體擴(kuò)散微層230，235中的碳粒結(jié)塊或在GDL邊緣暴露的碳纖維相應(yīng)地可能在GDL/膜界面的外圍251處產(chǎn)生膜損害。
本發(fā)明的一些實(shí)施方式包括在MEA組件的PEM外圍部分上形成的副墊片。圖2C是基于CCEB的MEA的橫截面，圖解根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的副墊片層260，265。在該實(shí)施方式中，副墊片層260，265布置在PEM 250和CCEBs 210，215之間的PEM 250的外圍部分上。CCEBs210，215的外圍邊緣與副墊片層260，265重疊。例如，CCEB 210，215的外圍邊緣可以與該副墊片重疊約0.05毫米-約10毫米。
副墊片層260，265可以沉積在PEM250的一面或兩面上。副墊片層260，265沉積之后在適當(dāng)?shù)奈恢霉袒?br> 該副墊片層260，265包含可以液體或流動(dòng)形式沉積的材料，因此該材料可分配或計(jì)量在PEM或其它的MEA結(jié)構(gòu)上。例如可以使用絲網(wǎng)印刷，凹版涂布，花樣涂布，墨噴印刷，或其它適當(dāng)?shù)某练e技術(shù)沉積該副墊片材料。該副墊片材料可以例如包含液體單體/低聚物分散體混合物。該分散體混合物能夠被置于可流動(dòng)的狀態(tài)，以使得該混合物能被分配或計(jì)量。
該副墊片材料由可在MEA結(jié)構(gòu)上原位固化的材料形成?！霸弧惫袒馑际窃摳眽|片在施加該副墊片位置的表面上或相對其的適當(dāng)位置處被固化。該副墊片材料可以例如通過輻射，加熱和/或冷卻該沉積的副墊片材料而固化。在一些實(shí)施方式中，該副墊片例如可以由熱塑性材料形成。該副墊片材料可以通過使沉積的副墊片材料接觸潮氣或活性氣體而固化，和/或通過使用其它的固化方法進(jìn)行固化。
在各種實(shí)施方式中，固化該副墊片材料可以涉及或不涉及副墊片材料的化學(xué)變化。在一個(gè)實(shí)施例中，該副墊片材料可以溶體形式沉積。例如在室溫下當(dāng)材料從沉積的液態(tài)冷卻到固結(jié)的聚合物時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)該副墊片材料的固化。在另外的實(shí)施例中，該副墊片材料的固化包括沉積物的化學(xué)變化，比如通過紫外線(UV)固化過程進(jìn)行的聚合物交聯(lián)。
圖2D圖解根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的基于CCM的MEA的橫截面，其中所述GDL結(jié)構(gòu)211，216與CCM 255重疊。該GDL結(jié)構(gòu)211，216的外圍邊緣與副墊片層260，265重疊。例如，該GDL結(jié)構(gòu)211，216的外圍邊緣可以與副墊片重疊約0.05毫米-約10毫米。
在該實(shí)施例中，副墊片層在PEM250外圍部分上形成，因此在催化劑240，245和副墊片260，265之間有裂縫252。在該構(gòu)造中，催化劑240，245的有效面積沒有由于副墊片重疊而減少。
圖2E圖解根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式基于CCM的MEA的橫截面。在該實(shí)施方式中，GDL結(jié)構(gòu)211，216與CCM 255上的副墊片260，265重疊，因此該GDL結(jié)構(gòu)211，216的周界212，217不直接接觸CCM 255或裸露的膜250。在該構(gòu)造中，保護(hù)性的副墊片260，265與CCM 255有效面積的外圍部分略微重疊，防止反應(yīng)性氣體直接碰撞膜250。
圖3A顯示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的基于CCEB的MEA次組件(或1/2-MEA)的橫截面圖。在該實(shí)施方式中，CCEB 310，包括氣體擴(kuò)散層320，氣體擴(kuò)散微層330，和催化劑層340，以這樣一種方法結(jié)合到膜353上，即使CCEB 310與本發(fā)明保護(hù)性的副墊片360重疊。在該構(gòu)造中，GDL周界351不直接接觸膜353。
圖3B圖解兩個(gè)1/2-MEA次組件的截面的細(xì)節(jié)，如與圖3A相關(guān)的描述，與直接相對的膜表面353，354結(jié)合，得到具有“熔合”雙層膜350的MEA。注意圖3B顯示為虛線，其中膜層353，354熔化。每一個(gè)CCEB 310，315分別包括GDL 320，325，微層330，335和催化劑層340，345。因?yàn)楦鞣N層是薄的而且一致的，和因?yàn)镃CEBs 310，315的性質(zhì)是可壓縮的，所以因此得到的層狀結(jié)構(gòu)基本上是平的。然而，如果保護(hù)性的副墊片360，365施加得太厚，當(dāng)MEA在雙極板之間被壓制時(shí)，則可能出現(xiàn)硬帶，其中CCEB 310，315與保護(hù)性的副墊片360，365重疊。
圖3C顯示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式基于CCM次組件(1/2-MEA結(jié)構(gòu))的橫斷面視圖。GDL 311與施加的本發(fā)明保護(hù)性的副墊片360重疊，使得GDL周邊351不直接接觸該膜。類似于在圖2D中描繪的MEA結(jié)構(gòu)，形成副墊片360，從而使副墊片360和催化劑層340之間有間隙352。
圖3D圖解與圖3C相關(guān)描述類型的、結(jié)合在一起形成MEA結(jié)構(gòu)的兩個(gè)CCM次組件的橫斷面視圖。根據(jù)該實(shí)施方式，該1/2-MEA結(jié)構(gòu)的膜表面353，354直接相對，產(chǎn)生具有如所示的“熔合”雙層膜350的CCM 355。注意圖3D顯示為虛線，其中膜層353，354熔化。如描繪在圖3C中，保護(hù)性的副墊片360，365和熔合雙層PEM350的催化劑340，345涂覆區(qū)域之間的裂縫352防止催化劑有效面積尺寸的減少。GDLs 311，316顯示于它們與保護(hù)雙層CCM355結(jié)合并強(qiáng)化的位置。
本發(fā)明另外的實(shí)施方式在圖3E中舉例說明。圖3E描述基于CCM的1/2-MEA次組件。該保護(hù)性的副墊片層360與覆蓋膜353的催化劑層340重疊。由于該重疊，在GDL-CCM界面351的周邊，GDL 311不直接接觸催化劑340或膜353。在該構(gòu)造中，該副墊片360布置在PEM 350和GDL 311之間，其中該副墊片的一部分布置在GDL 311和催化劑層340之間。
圖3F圖解在圖3E中舉例說明類型的兩個(gè)CCM次組件的熔合。該1/2-MEA次組件結(jié)合在一起制造具有熔合雙層膜350的CCM 355。保護(hù)性的副墊片布置在如所示CCM 355的催化劑層340，345上。類似在圖2E中舉例說明的實(shí)施方式，該保護(hù)性的副墊片360，365與有效面積略微重疊以防止反應(yīng)性氣體直接碰撞該膜。該GDL層311，316在所示位置處布置保護(hù)性的副墊片360，365上。
注意圖3F顯示為虛線，其中膜層353，354熔化。因?yàn)镸EA結(jié)構(gòu)各層是薄的和一致的，因?yàn)镚DLs 311，316的性質(zhì)是可壓縮的，所以得到的層狀結(jié)構(gòu)基本上是平面的。如果該保護(hù)性的副墊片層360，365施加得太厚，當(dāng)該MEA在雙極板之間被壓制時(shí)，出現(xiàn)硬帶，其中GDL311，316與保護(hù)性的副墊片360，365重疊。
在附圖4A-4F中，舉例說明的本發(fā)明各種實(shí)施方式包括布置在雙層膜熔合層之間的保護(hù)性的副墊片層。圖4A圖解具有布置在膜453背部上副墊片層460的1/2-MEA組件。如此安置副墊片層460以使它加強(qiáng)周邊區(qū)域452，其中該GDL結(jié)構(gòu)411(GDL 420和微層430)結(jié)合到膜453上。
圖4B圖解熔接形成整個(gè)MEA之前的兩個(gè)1/2-MEA次組件480，485。1/2MEAs 480，485的每一個(gè)分別包括GDL結(jié)構(gòu)411，416，催化劑層440，445和可熔的膜453，454。該1/2-MEAs 480，485具有布置在可熔膜453，454背部上的副墊片層460，465。熔接之后，該副墊片層460，465在熔合膜之內(nèi)形成加強(qiáng)層，保護(hù)周邊區(qū)域452中的熔合膜。
圖4C圖解根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的基于CCEB的MEA組件的橫截面。該MEA組件具有施加到膜453，454背部的保護(hù)性副墊片層460，465。膜453，454熔合以形成熔合的雙層膜450。注意圖4C顯示有虛線，其中該膜層453，454熔化。圖4C圖解設(shè)置在熔合膜450上方的CCEBs 410，415，該熔合的膜450包括內(nèi)部副墊片層460，465。兩個(gè)邊緣保護(hù)的膜次組件453，454能與表面直接相對的膜層壓，得到具有內(nèi)部加固邊緣的雙層膜450的MEA。在前面步驟中得到雙層膜450之后，CCEBs 410，415顯示在要與熔合雙層膜450結(jié)合的適當(dāng)位置處。
具有內(nèi)部加強(qiáng)層的熔合雙層膜的一般原理可推廣以產(chǎn)生另外的改變中，比如具有帶加固邊緣的雙層膜的CCM。在這種構(gòu)造中，保護(hù)性的副墊片層被密封在雙層膜內(nèi)，因此不直接經(jīng)受燃料，氧化劑，水或催化劑的侵襲。
圖4D圖解根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的基于CCM的MEA次組件(1/2-MEA)490的橫斷面視圖。在該實(shí)施例中，本發(fā)明保護(hù)性的副墊片層460施加到膜453的背部，加強(qiáng)周邊區(qū)域452，其中GDL隨后與膜453結(jié)合。
圖4E圖解在將該次組件490，495與表面直接相對的膜453，454一起層壓(如前面的附圖中所示)形成具有加固邊緣的雙層膜450之前，該構(gòu)造的CCM次組件490，495。在形成雙層膜450前后，在所示的適當(dāng)位置上，該GDL 411能結(jié)合到CCM次組件490，495上。
圖4F圖解具有形成加固邊緣的內(nèi)部副墊片層460，465的雙層膜450的整個(gè)MEA的橫截面。注意圖4F顯示虛線，其中該膜層453，454熔化。如先前提及的，由于薄層和它們一致的性質(zhì)，最后強(qiáng)化的MEA基本上是平面的。
圖5圖解根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式結(jié)合之前的基于CCM的MEA結(jié)構(gòu)的橫截面?；贑CM的MEA包括催化劑層540，545，它們?nèi)酆系侥?50形成涂覆催化劑的膜555。該GDL結(jié)構(gòu)511，516包括氣體擴(kuò)散層520，525和氣體擴(kuò)散微層530，535。該GDL結(jié)構(gòu)511，516在壓力和加熱下結(jié)合到CCM555。在圖5中描繪的MEA結(jié)構(gòu)包括本發(fā)明布置在GDLs 511，516外圍部分上的保護(hù)性副墊片層560，565，以制造具有加固GDL邊緣的MEA。
本發(fā)明包括在GDL周邊和膜之間副墊片保護(hù)層的沉積。形成副墊片保護(hù)層可減少沿MEA周邊界面的膜損害。沉積的副墊片層涂覆并防止膜受潮。該副墊片層使膜更穩(wěn)定，減少在MEA周邊中膜的起皺。該膜的起皺，特別當(dāng)它們在GDL邊緣發(fā)生時(shí)，能導(dǎo)致產(chǎn)生應(yīng)力集中點(diǎn)，當(dāng)該MEA被壓制時(shí)膜會擊穿。該保護(hù)性的副墊片層可以包含不傳導(dǎo)離子或電的材料。
用于形成本發(fā)明的保護(hù)性副墊片層的材料可以通過許多方法沉積在該膜，GDL或其它的MEA構(gòu)件上。沉積方法可以包括絲網(wǎng)印刷，涂層，例如凹版涂布或花樣涂布，噴霧，比如通過噴墨印刷，或通過其它的沉積方法。該副墊片材料可以例如沉積成為適合形狀的比MEA有效面積圖樣略微較小或略微較大面積的圖樣。設(shè)定圖樣尺寸以使GDL的周邊邊緣與保護(hù)層重疊。通常重疊的量大約為0.05毫米到約10毫米。
如果使用CCEB(涂覆催化劑的電極背襯)方法，設(shè)定保護(hù)性的副墊片層的尺寸以使該CCEB周邊與保護(hù)涂層重疊。如果使用CCM(涂覆催化劑的膜)方法，可施加該保護(hù)性的副墊片層以使它比有效面積更大或更小。在任一情況下，設(shè)定保護(hù)層尺寸以使GDL與保護(hù)層重疊。
該保護(hù)性的副墊片層可以或者在制造CCM之前(其中催化劑隨后施加到該未涂覆的窗口)施加，或者在已經(jīng)制備CCM之后施加該保護(hù)涂層。當(dāng)該保護(hù)涂層在制造CCM之后施加時(shí)，該涂層能或者與催化劑有效面積重疊，或者可設(shè)定尺寸以圍繞該有效面積留下未涂覆膜的窄的邊緣。
沉積在膜上之后，該保護(hù)性的副墊片層可以通過干燥，加熱，冷卻，置于照射，電場，潮氣，氣體之下，或通過其它的固化方法進(jìn)行固化。在各種實(shí)施過程中，當(dāng)該材料從可流動(dòng)形式固化為固態(tài)時(shí)，該固化過程可以包括不可逆變化。固化可以包括化學(xué)改變該副墊片材料比如通過化學(xué)交聯(lián)材料中的聚合物。
該副墊片材料可以通過置于不同波長的照射下，包括紫外光或可見光譜，電子束照射和/或其它類型的照射之下固化。
該副墊片材料可以通過置于潮氣，比如來自空氣或來自MEA構(gòu)件的潮氣之下進(jìn)行固化。適于濕固化的材料包括例如3M JET MELT。潮氣可固化材料比如聚氨酯熱熔膠，可以從聚酯和/或聚醚多醇的化合制造。這些材料當(dāng)它們與過量的二異氰酸酯起反應(yīng)時(shí)，形成具有封端異氰酸酯基的預(yù)聚物。該預(yù)聚物可通過凹版涂布，絲網(wǎng)印刷或通過縫式噴嘴沉積為副墊片層。
該副墊片材料可以通過置于各種氣體，包括反應(yīng)性氣體比如等離子體，或通過置于電場之下進(jìn)行固化。
可以通過冷卻引發(fā)相變而固化特定種類可分散的副墊片材料，以使該副墊片材料在燃料電池工作溫度下仍為固體。該相變可以是可逆的或不可逆轉(zhuǎn)的，然而不可逆轉(zhuǎn)的相變是優(yōu)選的。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)本發(fā)明的保護(hù)層能物理保護(hù)膜免于由于如下原因受到的損害GDL的粗糙纖維質(zhì)邊緣引起的損害，在GDL微層涂層中由顆粒狀物或大塊凝聚物引起的損害，在膜/催化劑或膜/GDL界面處通常出現(xiàn)的邊緣裂縫引起的損害，由濕空氣接觸或脫水條件產(chǎn)生的尺寸變化引起的損害，和/或在燃料電池操作期間在進(jìn)氣和膜之間出現(xiàn)的化學(xué)性腐蝕引起的損害。
相對于裸露的膜的機(jī)械性能，該復(fù)合結(jié)構(gòu)(膜加上保護(hù)性的副墊片層)的機(jī)械性能得以增強(qiáng)。該膜的彈性模量，抗穿刺性和抗褲形撕裂性得以改進(jìn)。在燃料電池操作中該膜的耐用性由于本發(fā)明保護(hù)性的副墊片提供的機(jī)械性能改進(jìn)而得以增加。
進(jìn)一步，使用本發(fā)明描述的副墊片能增強(qiáng)該膜在濕空氣或高溫下的尺寸穩(wěn)定性。在該膜和該保護(hù)層之間的粘著力得以提高，因此該涂層甚至在沸水存在下仍保持附著。在該膜和保護(hù)涂層之間的界面足以防止氣體泄漏。
本發(fā)明的副墊片適于以各種各樣構(gòu)造制成的MEA。在一個(gè)構(gòu)造中，MEA由GDL結(jié)構(gòu)和涂覆催化劑的PEM膜(CCM)構(gòu)成。在另外的構(gòu)造中，該MEA由未改性的PEM膜結(jié)合涂覆催化劑的GDL結(jié)構(gòu)構(gòu)成。涂覆催化劑的GDL結(jié)構(gòu)也可以被稱作涂覆催化劑的電極背襯(CCEB)。
附圖6和7的流程圖說明涉及根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式制造MEA組件和次組件的方法。如圖6示意的流程圖，制造MEA組件的方法包括在GDL結(jié)構(gòu)上沉積610-可分散的副墊片材料。該可分散的副墊片材料可以例如通過絲網(wǎng)印刷，各種涂布技術(shù)，包括凹版涂布和花樣涂布，或通過噴霧工藝，比如噴墨印刷進(jìn)行沉積。在該實(shí)施方式中，GDL結(jié)構(gòu)可以包含涂覆催化劑的電極背襯(CCEB)。
圖6圖解形成MEA組件的方法。在沉積610之后，該副墊片材料原位固化620以在GDL結(jié)構(gòu)上形成副墊片。該具有副墊片的GDL布置630在PEM結(jié)構(gòu)的一個(gè)表面上。整個(gè)MEA可以通過將具有副墊片的第二GDL結(jié)構(gòu)結(jié)合到第一具有副墊片的GDL結(jié)構(gòu)形成。具有副墊片的第二GDL結(jié)構(gòu)連接到PEM的自由表面。在一些實(shí)施過程中，該P(yáng)EM可以是涂覆催化劑的膜(CCM)。
圖7圖解形成MEA組件的方法。分散的副墊片材料沉積710在第一PEM層上，原位固化720。第一GDL布置730在第一PEM的表面處，形成第一1/2MEA組件。副墊片材料沉積740在第二PEM層上，原位固化750。第二GDL布置760在第一PEM的表面上，形成第二1/2的MEA組件。第一和第二的1/2MEA次組件相連以形成整個(gè)MEA。
根據(jù)如上所述實(shí)施方式，原位沉積和固化的副墊片層相對于先前使用的膜副墊片具有許多優(yōu)點(diǎn)。副墊片層用來物理防止膜免于損害。膜的損害可能起因于GDL粗糙纖維質(zhì)的邊緣和/或GDL微層涂層中顆粒狀物或大的凝聚物。以前，邊緣防護(hù)方法包括將薄的剛性的膜基材層壓到該膜上。以前的邊緣防護(hù)方法使用薄的材料以減少其中GDL與邊緣防護(hù)重疊的硬帶。由于它們脆弱的性質(zhì)和由于靜電荷，處理和切割這些薄的材料而不起皺是非常困難的。另外，由于棄去窗口部分浪費(fèi)了大量的材料。根據(jù)在這里描述的實(shí)施方式中使用的方法，如果需要可選擇性施加防護(hù)材料，產(chǎn)生更少的廢品。
此外，根據(jù)在這里描述的實(shí)施方式中使用的方法，可以減少如以前方法所需要的具有復(fù)合薄膜切割和卷繞設(shè)備的需要。
如本發(fā)明實(shí)施方式描述的，副墊片的沉積和原位固化，可減少由膜副墊片邊緣引起的膜損害發(fā)生。已知的邊緣防護(hù)方法中切割使用的膜材料通常在切割邊緣上留下邊緣毛口或碎裂缺陷。該膜副墊片尖的毛口或邊緣可引起該膜的損害。在其中由于濕度或溫度變化引起膜擴(kuò)展或緊縮情況下，或在其中電池壓縮比高的情形下，該損害可能加劇。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式形成的副墊片相對于先前的方法可提供該副墊片與膜增強(qiáng)的粘著。用先前的方法在MEA制造中使用的典型的剛性膜副墊片由1.2密耳的聚酯薄膜，通常稱作OL-12制成。先前方法的典型剛性膜副墊片通?；蛘呔o貼該膜放置或?qū)訅旱皆撃ど?。OL-12僅通過內(nèi)聚力粘緊，因此漏氣路徑是可能的。
在裝配堆或電池時(shí)，使用OL-12時(shí)，通常將它僅置于該膜的一面。因?yàn)樵搶邮潜〉亩艺持那液茈y處理，該層通常僅在膜的一面上使用。這種單面化的方法可導(dǎo)致在未覆蓋的另一側(cè)上發(fā)生侵襲或降解。當(dāng)使用單面化的副墊片方法時(shí)，MEA周邊邊緣同樣容易被嚴(yán)重卷曲。使用本發(fā)明的方法沉積和固化副墊片可以使保護(hù)層容易地施加到該膜兩面上。
根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式形成副墊片中使用的單體和低聚分散體能部分穿透和潤脹離子聚合物膜，之后固化它們。該離子聚合物膜的滲透和溶脹能在保護(hù)層和膜之間形成非常穩(wěn)固的結(jié)合。這種結(jié)合能夠經(jīng)受長期接觸液態(tài)水，甚至沸水。在保護(hù)性的副墊片層和膜之間的粘著比用以前使用的膜副墊片得到的膜穩(wěn)固得多。
根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式沉積和固化的副墊片可提供厚度減少的邊緣防護(hù)。在膜副墊片的情況下，難以獲得比1密耳薄的薄膜，更通常使用厚度為1.2密耳的薄膜。使用本發(fā)明的印刷和區(qū)域涂覆方法，可容易地沉積薄至0.2密耳的均一的保護(hù)層。
本發(fā)明的副墊片可提供減少的潮氣吸收性。燃料電池膜通常是尺寸不穩(wěn)定的，對濕空氣和液態(tài)水敏感。當(dāng)濕度水平改變時(shí)，膜擴(kuò)展和收縮。使用本發(fā)明的副墊片，保護(hù)膜的潮氣吸收性比未保護(hù)的膜的潮氣吸收性顯著更少。
如以下實(shí)施例1描述，當(dāng)完全干燥的膜在室溫下在飽和條件下水合10分鐘，它的原重增加51％。在相同條件下，通過如本發(fā)明描述的沉積和固化的副墊片材料保護(hù)的膜增量僅僅為18％。從尺寸穩(wěn)定性的觀點(diǎn)看，在相同的增濕之后，與保護(hù)膜11％的增量相比，裸露的膜的斷面長度增加21％。
當(dāng)水微滴位于裸露的膜上時(shí)，與該液滴接觸的膜顯著起皺。當(dāng)水液滴位于實(shí)施例1的保護(hù)膜上時(shí)，在附近沒有起皺。
根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的具有副墊片的膜與裸露的膜相比，可提供改進(jìn)的機(jī)械性能。通過根據(jù)本發(fā)明描述實(shí)施方式沉積和固化的副墊片保護(hù)的膜的彈性模量高于裸露的膜的彈性模量。裸露的和保護(hù)的膜樣品切成0.5″×8″尺寸，并經(jīng)受拉伸載荷試驗(yàn)。在845kgf/cm2負(fù)荷下，裸露的膜延伸到初始長度的40％，而與實(shí)施例1保護(hù)膜相比，延伸相同的量則需要1665kgf/cm2的負(fù)荷。這表明保護(hù)膜的堅(jiān)韌性大約為裸露的膜的兩倍。
在0.5″×8″樣品上進(jìn)行的拉伸強(qiáng)度測量中，與實(shí)施例1保護(hù)膜在3330kgf/cm2斷裂相比，裸露的膜在856kgf/cm2應(yīng)力下斷裂。這表明拉伸強(qiáng)度約三倍高。與裸露的膜60磅/平方英寸的抗穿刺性相比，保護(hù)膜抗穿刺性更高，為65磅/平方英寸。
如通過拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)方法測量，褲式撕裂強(qiáng)度是一旦引起片或點(diǎn)缺陷，一種材料對裂縫延伸的抵抗力為多大的量度。對于均一的燃料電池膜該值通常極其低。通過本發(fā)明副墊片保護(hù)的實(shí)施例1的膜的褲式撕裂強(qiáng)度為5.5克，而裸露膜的褲式撕裂強(qiáng)度為3.1克。相對于裸露的膜，褲式撕裂強(qiáng)度有相當(dāng)大的增強(qiáng)。熱處理或增加裸露的膜的厚度，例如25％的厚度增加，通?？筛倪M(jìn)褲式撕裂強(qiáng)度。然而，使用本發(fā)明的副墊片材料可提供褲式撕裂強(qiáng)度的改進(jìn)，其超過通過熱處理或增加厚度得到的改進(jìn)。例如，在160℃和200℃熱處理3M離子聚合物膜的比較中，向下網(wǎng)方向的褲式撕裂強(qiáng)度從2.4克增加到3.3克，橫向網(wǎng)方向的褲式撕裂強(qiáng)度從2.1克增加到2.8克。在1-密耳和1.5密耳鑄塑的Nafion之間可見類似很小的差異。
根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式沉積和原位固化形成的副墊片提供對熱收縮降低的敏感性。當(dāng)從襯墊除去鑄塑膜時(shí)，即使沒有施加張力，也容易發(fā)生由于熱照射引起的尺寸變化。暴露在150F，100％RH下裸露的膜收縮約2％或20,000ppm。如通過本發(fā)明(實(shí)施例1)描述的形成的副墊片材料保護(hù)的膜暴露在相同條件下，收縮僅約1.5％或15,000ppm。
在MEA裝配之后，使用本發(fā)明的副墊片能改進(jìn)GDL與膜的粘著。通常，GDLs不與以前形成的CCM充分地粘合，即使當(dāng)施加大量的熱和相當(dāng)大的壓力時(shí)。在一些方案中，只有當(dāng)MEA被仔細(xì)處理時(shí)GDLs才保持附著。本發(fā)明的防護(hù)層膜甚至在固化之后也是一致的而且是適應(yīng)的。值得注意的是在適度加熱和壓力下，GDLs容易地結(jié)合到本發(fā)明描述的副墊片材料上。
圖8描述一個(gè)簡化的燃料電池體系，以便于理解燃料電池作為電源的操作。顯示于圖8中的燃料電池體系800包括布置在燃料電池堆每一端的第一和第二端板組件。該燃料電池堆包括流場板832，834，設(shè)置為布置于端板802，804附近的單極的流場板。許多MEAs 860和雙極的流場板870位于第一和第二端板802，804之間。這些MEA構(gòu)件優(yōu)選利用如上所述的形成的副墊片。
當(dāng)上緊連桿螺母885時(shí)，優(yōu)選利用通過端板802，804的連接桿880壓縮燃料電池堆。從燃料電池堆收集的電流用于負(fù)荷890的電源。
如圖8中示意，該燃料電池體系800包括第一端板802，其具有能接受例如氧的第一燃料進(jìn)口孔口806，和能排出例如氫的第二燃料出口孔口808。第二端板804包括能排出例如氧的第一燃料出口孔口809，和能接受例如氫的第二燃料進(jìn)口孔口810。燃料以特定的方式經(jīng)由提供于該堆端板802，804上不同的端口806，808，809，810，和提供在該堆MEAs 860和流場板870(例如UCAs)每一個(gè)上的歧管端口通過該堆。
附圖9-12說明可以引入本發(fā)明描述的燃料電池組件的各種各樣的燃料電池體系，和使用燃料電池堆用于發(fā)電。顯示于圖9中的燃料電池體系900描述了許多可能體系中的一個(gè)，其中可以利用由本發(fā)明實(shí)施方式示意的燃料電池組件。
該燃料電池體系900包括燃料處理系統(tǒng)904，電源部件906和電源調(diào)節(jié)器908。燃料處理系統(tǒng)904包括燃料轉(zhuǎn)化器，能接受源燃料，比如天然氣，和處理源燃料制造富氫燃料的工藝過程。富氫的燃料提供給電源部件906。在發(fā)電部件906之內(nèi)，富氫的燃料被引入包含于發(fā)電部件906中的燃料電池堆的UCAs的堆中。供應(yīng)的空氣同樣提供到發(fā)電部件906中，其提供燃料電池堆的氧源。
該發(fā)電部件906的燃料電池堆產(chǎn)生直流電源，可用的熱量和清潔水。在再生系統(tǒng)中，一些或所有的副產(chǎn)品熱量可用于產(chǎn)生蒸汽，反過來產(chǎn)生的蒸汽能被燃料處理系統(tǒng)904利用以完成不同的處理功能。由發(fā)電部件906產(chǎn)生的直流電力被送到電源調(diào)節(jié)器908，其將直流電源轉(zhuǎn)換為交流功率用于隨后的使用中。應(yīng)理解交流功率轉(zhuǎn)換器不必包括在提供直流電輸出功率的系統(tǒng)中。
圖10說明燃料電池電源1000，其包括燃料供應(yīng)單元1005，燃料電池發(fā)電部件1006和電源調(diào)節(jié)器1008。該燃料供應(yīng)單元1005包括包含提供給燃料電池發(fā)電部件1006氫燃料的貯存器。在發(fā)電部件1006之內(nèi)，該氫燃料隨同空氣或氧一起被引入包含于發(fā)電部件1006中的燃料電池堆的UCAs中。
該燃料電池供電系統(tǒng)1000的發(fā)電部件1006產(chǎn)生直流電源，可用的熱量和清潔水。如果需要，由發(fā)電部件1006產(chǎn)生的直流電源可以傳輸?shù)诫娫凑{(diào)節(jié)器1008，轉(zhuǎn)換為交流功率。在圖10中舉例說明的燃料電池供電系統(tǒng)1000可以例如實(shí)施為固定的或手提式的交流或直流電源發(fā)生器。
在圖11中舉例說明的實(shí)施過程中，燃料電池系統(tǒng)1100使用由燃料電池動(dòng)力源產(chǎn)生的動(dòng)力以提供操作電腦的電源。如與圖10相關(guān)的描述，燃料電池供電系統(tǒng)包括燃料供應(yīng)單元1105和燃料電池發(fā)電部件1106。該燃料供應(yīng)單元1105提供送到燃料電池發(fā)電部件1106的氫燃料。該發(fā)電部件1106的燃料電池堆產(chǎn)生動(dòng)力用于操作電腦1110，比如臺式或膝上電腦。
在圖12中舉例說明的另外的實(shí)施過程中，燃料電池系統(tǒng)1200使用來自燃料電池動(dòng)力源的動(dòng)力操作汽車。在該構(gòu)造中，燃料供應(yīng)單元1205供應(yīng)送到燃料電池發(fā)電部件1206的氫燃料。該發(fā)電部件1206的燃料電池堆產(chǎn)生用于操作連接到汽車1210驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的馬達(dá)1208。
試驗(yàn)以下提供的實(shí)施例描述不同的工藝，涉及制造根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的MEA結(jié)構(gòu)。
一般的工藝將構(gòu)成保護(hù)性副墊片層的分散溶液徹底混合，以形成均一的液體混合物(以下稱為“分散體”)。優(yōu)選通過絲網(wǎng)印刷將該分散體施加到PEM或GDL結(jié)構(gòu)上。從襯墊上除去PEM，在絲網(wǎng)印刷臺上擺平，通過帶子固定在邊緣的適當(dāng)位置處。使用具有希望圖樣的篩網(wǎng)，將分散體的薄層施加到PEM上。沉積的副墊片層的厚度通過篩眼大小控制。例如，該副墊片可以具有約5μm-約100μm的厚度。該篩網(wǎng)的圖樣設(shè)計(jì)為要使該膜未涂覆的區(qū)域略微小于使用的GDL或CCEB的大小。使用270網(wǎng)目的篩網(wǎng)淀積～1密耳厚的保護(hù)涂層。
使用適當(dāng)波長和強(qiáng)度的紫外線燈固化該第一副墊片層的“濕”涂層。使用的紫外線設(shè)備是Model#DRS-120，F(xiàn)usion Systems，Inc.，Gaithesburg，MA。可以使用AD或H-型燈泡，以4英尺/分固化該副墊片層。根據(jù)施加的分散體的化學(xué)作用，燈泡類型不同。
使用帶子將部分涂覆的膜在絲網(wǎng)印刷臺上翻轉(zhuǎn)擺平，然后涂覆該膜的第二面。將具有副墊片的膜設(shè)置在臺面上，使未涂覆的窗對準(zhǔn)每一個(gè)層。
GDL/催化劑附著包括用適當(dāng)?shù)哪＞邔CEB或GDL件切割到應(yīng)有的尺寸。該CCEB尺寸略微比在膜上無保護(hù)的窗大，因此該GDL的邊緣周圍有約100密耳的重疊。CCEB件位于涂覆膜的每一個(gè)面上，其中PTFE墊片放置在GDLs周圍。
形成堆疊層組件，包括具有副墊片的膜，兩個(gè)GDLs(一個(gè)在頂部上，一個(gè)在底部上)和兩個(gè)圍繞GDLs放置的PTFE密封墊。放置該構(gòu)件以使GDLs的邊緣和密封墊對準(zhǔn)。
可以通過向MEA構(gòu)件施加壓力和熱的一種或兩種預(yù)先確定的一段時(shí)間，從而可使該層狀組件結(jié)合。例如，可在接近PEM軟化點(diǎn)的溫度加熱。通過施加約132℃(270)和約0.89MPa(0.5噸/50cm2)-約5.3MPa(3.0噸/50cm2)，優(yōu)選2.7MPa(1.5噸/50cm2)的熱和壓力，約10分鐘以實(shí)現(xiàn)結(jié)合以加固該層并制造具有密封墊的MEA。在結(jié)合期間可以在膜的每一個(gè)面上使用一對5密耳的PTFE墊片以防止過度壓縮。
實(shí)施例1制備紫外線可固化的分散體混合物，包括10份聚丁二烯二甲基丙烯酸酯低聚物(以商品名“CN301”從Sartomer，Exton，PA可以得到)和3份二丙烯酸1，6-己二醇酯(以商品名“SR 238”從Sartomer，Exton，PA 19341可以得到)。使用大約5wt％的α-羥基-苯乙酮類型的光引發(fā)劑(以商品名SR1129從Sartomer，Exton，PA可以得到)。該分散體的粘度大約為1000cps。在第一步驟中將厚度為1.1密耳的鑄塑的Nafion1100膜從載體襯墊剝落。為便于處理所述薄膜，將部件用帶子固定到用線固定到網(wǎng)板印模上的對苯二甲酸乙二醇酯(PET)載體織物上。使用圖樣化的Gallus類型網(wǎng)板將分散體施加到所述的膜上。使用每英寸具有240個(gè)開口的篩網(wǎng)將～1密耳厚的保護(hù)膜淀積在膜的每一個(gè)面上。在施加每一個(gè)涂層之后，使用D類型燈泡固化該分散體。在一面上印刷并UV固化之后，膜的部件被迅速翻轉(zhuǎn)，在翻轉(zhuǎn)位置用帶子捆扎在PET載體上。在第二道分散體施加和固化之后，得到的膜兩面上涂覆有大約1密耳強(qiáng)韌的樹脂狀聚合物。
實(shí)施例2以上實(shí)施例1中描述的分散體混合物被印刷在膜上，同時(shí)該膜仍附著于其PET載體襯墊上。在3密耳厚的PET襯墊上鑄塑的厚度為1.1密耳的Nafion1100膜，在TELSTAR(Burnsville，MN)絲網(wǎng)印刷設(shè)備上用線從展開態(tài)固定為收卷態(tài)。該紫外線可固化分散體混合物沉積在PEM上到厚度為接近1密耳。如實(shí)施例1用D類型燈泡固化分散體。然后從襯墊剝落該膜。得到的膜在一面具有施加在未涂覆的窗體開口周圍的防護(hù)材料框架。
實(shí)施例3從Northern Coatings(Menominee，M1)獲得紫外線防護(hù)清漆樣品(三羥甲基丙烷三丙烯酸酯)。使用實(shí)施例2的方法，將紫外線清漆施加到該膜上達(dá)到2密耳的厚度。如實(shí)施例1用D類型燈泡固化分散體。然后從襯墊剝落該膜。得到的膜具有施加在未涂覆窗口周圍的防護(hù)材料的框架。盡管當(dāng)手工試驗(yàn)時(shí)該保護(hù)膜明顯更加耐延伸和變形，但當(dāng)該膜暴露于沸水時(shí)，涂層剝離。
實(shí)施例4從以下組合物制備噴墨可印刷的溶膠-凝膠PSA分散體80wt％的單體混合物80份的2-丙烯酸乙基己酯(2-EHA)，20份丙烯酸異冰片酯(IBA)，0.10份的1，6-二丙烯酸己二醇酯(HDDA)交聯(lián)劑和光引發(fā)劑(已知為商品名“ESACURE KB-1”，可以從Sartomer，Exton，PA獲得)和20wt％的表面處理的二氧化硅。該分散體描述于US專利申請2002/0128340中，例如實(shí)施例8，表4和相關(guān)文本中。使用刮涂涂覆法將該材料以1-2密耳的厚度施加到Nafion 1100，和在以前引入的US專利申請S/N 10/325,278中描述的四氟乙烯(TFE)與HOSO2CF2CF2CF2-CF2OCF2CF2的共聚物上。使用低壓T5殺菌紫外線管實(shí)施20-分鐘紫外線固化以實(shí)現(xiàn)PSA性質(zhì)。該固化步驟描述于US專利申請2002/0128340中，例如實(shí)施例9。得到的薄膜是強(qiáng)韌的和粘性的。當(dāng)延伸時(shí)，與未經(jīng)處理的膜相比樣品感覺顯著地更堅(jiān)固。將該材料的一部分在蒸餾水中煮沸4小時(shí)，殘留的涂層積極地附著在該膜上。在固化以前該單體可以略微貫穿該膜，導(dǎo)致與該膜的粘著增強(qiáng)。在涂層固化之后，由于預(yù)溶脹錨式固定良好。
實(shí)施例5如以前引入的US專利申請S/N 10/325,278中的描述，將950當(dāng)量重量的1.2密耳厚的樣品膜(160℃熱處理)在玻璃板上延伸拉緊。使用1-密耳聚酯的蠟紙雕刻版，將大約1密耳的乙烯塑料溶膠樹脂(從PolyOne Corporation，Avon Lake，OH以商品名“M3108BLACK”可以得到)施加在具有開放區(qū)域的框架圖樣中。該塑料溶膠是顆粒填充的制劑，在80℃顯現(xiàn)出較低的蠕變。在涂層之后，該塑料溶膠被加熱到170℃保持10分鐘以凝膠并凝固該塑料溶膠。沒有進(jìn)行紫外線固化。冷卻到室溫之后，手工比較該涂覆和未涂覆的膜。該涂覆的膜顯著地更加堅(jiān)固，更加耐延伸。在80℃去離子水中2小時(shí)之后，所述涂層仍保持附著。然而，在去離子水中煮沸4小時(shí)之后，該塑料溶膠層開始部分脫離。
該塑料溶膠也可能不附著，因?yàn)闆]有單體物質(zhì)溶脹該膜。然而，在燃料電池操作期間，該層狀結(jié)構(gòu)處于壓力下，很少會脫離。當(dāng)在水中長時(shí)間煮沸時(shí)，發(fā)現(xiàn)乙烯塑料溶膠樹脂是穩(wěn)定的，不發(fā)生降解?？偟膩碚f，已知乙烯塑料溶膠聚合物是耐酸的，是用于防護(hù)的適當(dāng)選擇。
實(shí)施例6制備紫外線可固化的分散體，包括10份的“酯骨架，脂族聚氨酯丙烯酸酯低聚物”(從Sartomer，Exton，PA 19341以商品名“CN964”可以得到)和6份的二丙烯酸1，6-己二醇酯(從Sartomer，Exton，PA以商品名“SR238”可以得到)。加入大約5wt％的α-羥基-苯乙酮類型的光引發(fā)劑(以商品名SR1129從Sartomer，Exton，PA 19341可以得到)。該分散體的粘度大約為2000cps。將1.1密耳厚的Nation1100膜在第一步驟中從載體襯墊剝落。為便于處理該薄膜，部件向下用帶子捆扎在玻璃板上。使用每英寸340個(gè)開口的絲網(wǎng)印刷網(wǎng)孔將分散體施加在1.1密耳的鑄塑Nation1100的兩面上，以使大約一密耳厚度的薄膜沉積在該膜的每一個(gè)側(cè)面上。在施加每一個(gè)涂層之后，使用D類型燈泡固化該分散體。在一面上印刷并紫外線固化之后，迅速翻轉(zhuǎn)該膜并在翻轉(zhuǎn)位置用帶子向下捆扎。在第二道分散體施加和固化之后，得到的膜兩面上均涂覆有大致1密耳強(qiáng)韌的樹脂狀聚合物。
實(shí)施例7制備紫外線可固化的分散體，包括80份的雙酚A二縮水甘油醚環(huán)氧樹脂，以已知的商品名“EPON 828”從Resolution PerformanceProducts，Houston，TX獲得，和20份的聚酯多元醇，以已知的商品名“TONER 0201 POLYOL”從Dow Chemical，Midland，MI得到。加入2％w/w的光引發(fā)劑，以已知的商品名“CPI 6976”從Dow Chemical，Midland，Ml得到。該分散體的粘度大約為4000cps。1.1密耳厚的Nation1100膜在第一步驟在從載體襯墊剝落。為便于處理該薄膜，部件向下用帶子捆扎在玻璃板上。使用每英寸270個(gè)開口的絲網(wǎng)印刷網(wǎng)孔將分散體施加在1.1密耳的鑄塑Nation1100的兩面上，以使大約一密耳厚度的薄膜沉積在該膜的每一個(gè)面上。在施加每一個(gè)涂層之后，使用D類型燈泡固化該分散體。在一面上印刷并紫外線固化之后，迅速翻轉(zhuǎn)該膜并在翻轉(zhuǎn)位置用帶子向下捆扎。在第二道分散體施加和固化之后，得到的膜兩面上均涂覆有大致1密耳強(qiáng)韌的樹脂狀聚合物。
上述不同的實(shí)施方式的描述是為舉例說明和描述本發(fā)明的目的。不意欲窮舉或?qū)⒈景l(fā)明限制到公開的特定形式。根據(jù)上述教導(dǎo)可以有許多的改進(jìn)和變化。意欲是本發(fā)明的范圍不應(yīng)被該詳細(xì)說明所限制，而是通過所附權(quán)利要求所限定。
權(quán)利要求
1.一種用于膜電極組件(MEA)的結(jié)構(gòu)，包括具有如下組件的膜電極組件，包括高分子電解質(zhì)膜；氣體擴(kuò)散層；和在高分子電解質(zhì)膜和氣體擴(kuò)散層之間的催化劑層；和副墊片，布置在膜電極組件的一個(gè)或多個(gè)組件上，氣體擴(kuò)散層的圍緣與副墊片重疊，該副墊片包括可原位沉積并可固化的材料層。
2.權(quán)利要求1的MEA結(jié)構(gòu)，其中該副墊片布置在高分子電解質(zhì)膜的外圍部分上。
3.權(quán)利要求1的MEA結(jié)構(gòu)，其中副墊片的一部分布置在催化劑層和高分子電解質(zhì)膜之間。
4.權(quán)利要求1的MEA結(jié)構(gòu)，其中副墊片的一部分布置在催化劑層和氣體擴(kuò)散層之間。
5.權(quán)利要求1的MEA結(jié)構(gòu)，其中氣體擴(kuò)散層和催化劑層形成涂覆催化劑的電極背襯，涂覆催化劑的電極背襯的邊緣與該副墊片重疊。
6.權(quán)利要求1的MEA結(jié)構(gòu)，其中該高分子電解質(zhì)膜和該催化劑層形成涂覆催化劑的膜，和該副墊片布置在該涂覆催化劑膜的外圍部分上。
7.權(quán)利要求1的MEA結(jié)構(gòu)，其中氣體擴(kuò)散層的圍緣與該副墊片重疊約0.05毫米到約10毫米。
8.權(quán)利要求1的MEA結(jié)構(gòu)，其中該副墊片材料通過照射原位可固化。
9.權(quán)利要求8的MEA結(jié)構(gòu)，其中該照射包括紫外線。
10.權(quán)利要求1的MEA結(jié)構(gòu)，其中該副墊片材料通過熱可原位固化。
11.權(quán)利要求1的MEA結(jié)構(gòu)，其中該副墊片材料是通過化學(xué)交聯(lián)可固化的。
12.權(quán)利要求1的MEA結(jié)構(gòu)，其中該副墊片材料通過絲網(wǎng)印刷是可沉積的。
13.權(quán)利要求1的MEA結(jié)構(gòu)，其中該副墊片材料通過涂覆是可沉積的。
14.權(quán)利要求1的MEA結(jié)構(gòu)，其中該副墊片材料通過噴霧是可沉積的。
15.權(quán)利要求1的MEA結(jié)構(gòu)，其中該副墊片材料通過墨噴印刷是可沉積的。
16.權(quán)利要求1的MEA結(jié)構(gòu)，其中該副墊片尺寸設(shè)定為與該MEA結(jié)構(gòu)的有效面積重疊。
17.權(quán)利要求1的MEA結(jié)構(gòu)，其中該副墊片尺寸設(shè)定為避免與該MEA結(jié)構(gòu)的有效面積重疊。
18.權(quán)利要求1的MEA結(jié)構(gòu)，其中該副墊片的厚度為約5微米到約100微米。
19.權(quán)利要求1的MEA結(jié)構(gòu)，其中該副墊片包括壓敏粘結(jié)劑組合物。
20.權(quán)利要求1的MEA結(jié)構(gòu)，其中該副墊片包括熱塑性材料。
21.權(quán)利要求1的MEA結(jié)構(gòu)，其中該副墊片包括非離子導(dǎo)體的材料。
22.權(quán)利要求1的MEA結(jié)構(gòu)，其中該副墊片包括非導(dǎo)電的材料。
23.權(quán)利要求1的MEA結(jié)構(gòu)，其中該副墊片的表面包括密封面。
24.權(quán)利要求23的MEA結(jié)構(gòu)，其中該密封面包括微結(jié)構(gòu)的表面。
25.一種膜電極組件(MEA)，包括第一膜電極結(jié)構(gòu)；和連接到第一膜電極結(jié)構(gòu)的第二膜電極結(jié)構(gòu)，第一和第二膜電極結(jié)構(gòu)的至少一個(gè)具有如下的組件，包括具有如下組件的電極組件，包括高分子電解質(zhì)膜；氣體擴(kuò)散層；和在高分子電解質(zhì)膜和氣體擴(kuò)散層之間的催化劑層；和副墊片，布置在膜電極組件的一個(gè)或多個(gè)組件上，氣體擴(kuò)散層的圍緣與副墊片重疊，該副墊片包括可原位沉積并可固化的材料層。
26.權(quán)利要求25的MEA，其中該副墊片布置在高分子電解質(zhì)膜的外圍部分上。
27.權(quán)利要求25的MEA，其中副墊片的一部分布置在催化劑層和高分子電解質(zhì)膜之間。
28.權(quán)利要求25的MEA，其中副墊片的一部分布置在催化劑層和氣體擴(kuò)散層之間。
29.權(quán)利要求25的MEA，其中氣體擴(kuò)散層和催化劑層形成涂覆催化劑的電極背襯，涂覆催化劑的電極背襯的邊緣與該副墊片重疊。
30.權(quán)利要求25的MEA，其中該高分子電解質(zhì)膜和該催化劑層形成涂覆催化劑的膜，和該副墊片布置在該涂覆催化劑膜的外圍部分上。
31.權(quán)利要求25的MEA，其中氣體擴(kuò)散層的圍緣與該副墊片重疊約0.05毫米到約10毫米。
32.權(quán)利要求25的MEA，其中第二膜電極結(jié)構(gòu)和第一膜電極結(jié)構(gòu)通過熔合的雙層高分子電解質(zhì)膜連接。
33.權(quán)利要求25的MEA，其中該副墊片布置在該高分子電解質(zhì)膜的外圍部分上；和第二膜電極結(jié)構(gòu)和第一膜電極結(jié)構(gòu)通過具有熔合的內(nèi)部副墊片的熔合的雙層高分子電解質(zhì)膜連接。
34.權(quán)利要求25的MEA，其中該副墊片材料通過照射原位可固化。
35.權(quán)利要求25的MEA，其中該副墊片材料是通過化學(xué)交聯(lián)可固化的。
36.權(quán)利要求25的MEA，其中該副墊片材料通過絲網(wǎng)印刷是可沉積的。
37.權(quán)利要求25的MEA，其中該副墊片材料通過涂層是可沉積的。
38.權(quán)利要求25的MEA，其中該副墊片材料通過噴霧是可沉積的。
39.權(quán)利要求25的MEA，其中該副墊片材料通過墨噴印刷是可沉積的。
40.權(quán)利要求25的MEA，其中該副墊片的尺寸設(shè)定為與電極組件的有效面積重疊。
41.權(quán)利要求25的MEA，其中該副墊片的尺寸設(shè)定為避免與電極組件的有效面積重疊。
42.權(quán)利要求25的MEA，其中該副墊片的厚度為約5微米到約100微米。
43.權(quán)利要求25的MEA，其中該副墊片包括非離子導(dǎo)體的材料。
44.權(quán)利要求25的MEA，其中該副墊片包括非導(dǎo)電的材料。
45.權(quán)利要求25的MEA，其中該副墊片的表面包括密封表面。
46.權(quán)利要求45的MEA，其中該密封表面包括微結(jié)構(gòu)的表面。
47.一種電化學(xué)電池組件，包括具有如下組件的膜電極組件(MEA)，包括高分子電解質(zhì)膜；布置在高分子電解質(zhì)膜相對表面上的第一和第二氣體擴(kuò)散層；和第一和第二催化劑層，第一催化劑層布置在第一氣體擴(kuò)散層和高分子電解質(zhì)膜之間，和第二催化劑層布置在第二氣體擴(kuò)散層和高分子電解質(zhì)膜之間；和副墊片，由一種或多種原位可沉積并可固化的材料層形成，該副墊片的一部分布置在第一和第二氣體擴(kuò)散層之間。
48.該權(quán)利要求47的組件，其中該副墊片層布置在高分子電解質(zhì)膜的外圍部分上。
49.權(quán)利要求47的組件，其中第一氣體擴(kuò)散層和第一催化劑層形成第一涂覆催化劑的電極背襯，第二氣體擴(kuò)散層和第二催化劑層形成第二涂覆催化劑的電極背襯，該副墊片的部分布置在第一涂覆催化劑的電極背襯和第二涂覆催化劑的電極背襯之間。
50.權(quán)利要求47的組件，其中該高分子電解質(zhì)膜和第一和第二催化劑層形成涂覆催化劑的膜，該副墊片布置在涂覆催化劑膜的外圍部分上。
51.權(quán)利要求47的組件，其中該副墊片材料通過照射原位可固化。
52.權(quán)利要求51的組件，其中該照射包括紫外線。
53.權(quán)利要求47的組件，其中該副墊片材料通過熱原位可固化。
54.權(quán)利要求47的組件，其中該副墊片材料是通過化學(xué)交聯(lián)可固化的。
55.權(quán)利要求47的組件，其中該副墊片材料通過絲網(wǎng)印刷，涂層，噴霧和墨噴印刷的至少一種是可沉積的。
56.權(quán)利要求47的組件，其中該副墊片尺寸設(shè)定為與MEA的有效面積重疊。
57.權(quán)利要求47的組件，其中該副墊片尺寸設(shè)定為避免與MEA的有效面積重疊。
58.權(quán)利要求47的組件，其中該副墊片的厚度為約5微米到約100微米。
59.權(quán)利要求47的組件，其中該副墊片包括非離子導(dǎo)體的材料。
60.權(quán)利要求47的組件，其中該副墊片包括非導(dǎo)電的材料。
61.權(quán)利要求47的組件，其中該副墊片的表面包括密封表面。
62.權(quán)利要求61的組件，其中該密封面包括微結(jié)構(gòu)的表面。
63.一種用于制造膜電極組件(MEA)的方法，包括形成一個(gè)或多個(gè)具有副墊片的MEA組件，包括將可分散的副墊片材料沉積在一種或多種MEA組件的至少一個(gè)表面的一部分上；原位固化該副墊片分散體材料以形成一個(gè)或多個(gè)副墊片層；第一和第二氣體擴(kuò)散層(GDL)結(jié)構(gòu)在高分子電解質(zhì)膜(PEM)結(jié)構(gòu)的相對表面處對準(zhǔn)，以使副墊片層的部分布置在第一和第二GDL結(jié)構(gòu)之間，其中一個(gè)或多個(gè)第一GDL結(jié)構(gòu)，第二GDL結(jié)構(gòu)和PEM結(jié)構(gòu)包括一個(gè)或多個(gè)具有副墊片的MEA構(gòu)件。
64.權(quán)利要求63的方法，其中形成一個(gè)或多個(gè)具有副墊片的MEA組件包括形成具有副墊片的PEM結(jié)構(gòu)。
65.權(quán)利要求63的方法，其中形成一個(gè)或多個(gè)具有副墊片的MEA組件包括形成具有副墊片的GDL結(jié)構(gòu)。
66.權(quán)利要求63的方法，其中該P(yáng)EM結(jié)構(gòu)包括涂覆催化劑的膜。
67.權(quán)利要求63的方法，其中第一和第二GDL結(jié)構(gòu)包含涂覆催化劑的電極背襯。
68.權(quán)利要求63的方法，其中沉積可分散的副墊片材料包括絲網(wǎng)印刷該可分散的副墊片材料。
69.權(quán)利要求63的方法，其中沉積所述分散的副墊片材料包括涂覆該可分散的副墊片材料。
70.權(quán)利要求63的方法，其中沉積分散的副墊片材料包括噴霧該可分散的副墊片材料。
71.權(quán)利要求63的方法，其中沉積分散的副墊片材料包括墨噴印刷該可分散的副墊片材料。
72.權(quán)利要求63的方法，其中原位固化可分散的副墊片材料包括通過接觸潮氣原位固化該副墊片的分散體材料。
73.權(quán)利要求63的方法，其中原位固化可分散的副墊片材料包括通過接觸氣體原位固化該副墊片的分散體材料。
74.權(quán)利要求63的方法，其中原位固化可分散的副墊片材料包括置于輻射之下原位固化該副墊片的分散體材料。
75.權(quán)利要求63的方法，其中原位固化副墊片分散體材料包括原位熱固化該副墊片分散體材料。
76.權(quán)利要求63的方法，其中原位固化可分散的副墊片材料包括通過冷卻可分散的副墊片材料原位固化該副墊片的分散體材料。
77.權(quán)利要求63的方法，其中原位固化副墊片分散體材料包括化學(xué)改變該副墊片分散體材料。
78.權(quán)利要求63的方法，其中原位固化副墊片分散體材料包括不發(fā)生化學(xué)改變而固化該副墊片分散體材料。
79.權(quán)利要求63的方法，還包括將第一和第二GDL結(jié)構(gòu)結(jié)合到PEM結(jié)構(gòu)上。
80.權(quán)利要求79的方法，其中將第一和第二GDL結(jié)構(gòu)結(jié)合到PEM結(jié)構(gòu)，包括向第一和第二GDL結(jié)構(gòu)和PEM結(jié)構(gòu)施加壓力和熱的一種或兩種。
81.權(quán)利要求80的方法，其中向第一和第二GDL結(jié)構(gòu)和PEM結(jié)構(gòu)施加壓力和熱的一種或兩種，包括施加每50cm2約0.5噸-約3.0噸的壓力。
82.權(quán)利要求80的方法，其中向第一和第二GDL結(jié)構(gòu)和PEM結(jié)構(gòu)施加壓力和熱的一種或兩種，包括在接近PEM軟化點(diǎn)溫度的加熱。
83.權(quán)利要求80的方法，其中將第一和第二GDL結(jié)構(gòu)結(jié)合到具有副墊片的PEM，包括向第一和第二GDL結(jié)構(gòu)和PEM結(jié)構(gòu)施加預(yù)先確定的一段時(shí)間的壓力和熱的一種或兩種。
84.權(quán)利要求83的方法，其中該預(yù)先確定的一段時(shí)間包括約10分鐘或更少。
85.權(quán)利要求63的方法，其中形成一個(gè)或多個(gè)具有副墊片的MEA組件包括形成具有副墊片的PEM結(jié)構(gòu)；和將第一和第二GDL結(jié)構(gòu)布置在具有副墊片的PEM結(jié)構(gòu)的相對表面上，包括從較大片切割第一和第二GDL結(jié)構(gòu)；和相對于具有副墊片的PEM結(jié)構(gòu)的相對表面，對準(zhǔn)第一和第二GDL結(jié)構(gòu)。
86.權(quán)利要求63的方法，其中形成一個(gè)或多個(gè)具有副墊片的MEA組件包括形成具有副墊片的PEM結(jié)構(gòu)；和相對于該具有副墊片的PEM結(jié)構(gòu)的相對表面對準(zhǔn)第一和第二GDL結(jié)構(gòu)，包括對準(zhǔn)第一和第二GDL結(jié)構(gòu)以與具有副墊片的PEM結(jié)構(gòu)的具有副墊片的部分重疊。
87.一種制造包括氣體擴(kuò)散層(GDL)結(jié)構(gòu)和高分子電解質(zhì)膜(PEM)結(jié)構(gòu)的膜電極(MEA)組件的方法，該方法包括形成具有副墊片的MEA組件，包括將可分散的副墊片材料沉積在MEA組件至少一個(gè)表面的一部分上；原位固化該副墊片分散體材料以形成一個(gè)或多個(gè)副墊片層；將該GDL結(jié)構(gòu)布置在該P(yáng)EM結(jié)構(gòu)上，以使該GDL結(jié)構(gòu)的邊緣與一個(gè)或多個(gè)副墊片層的一部分重疊，其中該GDL和該P(yáng)EM的至少一個(gè)包含一個(gè)或多個(gè)具有副墊片的MEA組件。
88.權(quán)利要求87的方法，其中形成該具有副墊片的MEA組件包括形成具有副墊片的PEM。
89.權(quán)利要求87的方法，其中形成該具有副墊片的MEA組件包括形成具有副墊片的GDL。
90.權(quán)利要求87的方法，其中形成該具有副墊片的MEA組件包括形成具有副墊片的涂覆催化劑的膜。
91.權(quán)利要求87的方法，其中形成該具有副墊片的MEA組件包括形成具有副墊片的涂覆催化劑的電極背襯。
92.權(quán)利要求87的方法，還包括將該GDL結(jié)構(gòu)布置在該P(yáng)EM結(jié)構(gòu)一個(gè)表面上，并將相對的GDL結(jié)構(gòu)布置在該P(yáng)EM結(jié)構(gòu)相對的表面上。
全文摘要
用于膜電極組件的副墊片沉積在MEA組件的表面上并原位固化。膜電極組件包括高分子電解質(zhì)膜，氣體擴(kuò)散層和在高分子電解質(zhì)膜和氣體擴(kuò)散層之間的催化劑層。該膜電極組件包括布置在膜電極組件一個(gè)或多個(gè)構(gòu)件之內(nèi)的副墊片。該副墊片由原位可沉積可固化的材料的層組成。氣體擴(kuò)散層的圍緣與該副墊片重疊。
文檔編號H01M8/10GK101036256SQ200580034321
公開日2007年9月12日 申請日期2005年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月8日
發(fā)明者戴維·W·斯特金克, 戴維·R·梅卡拉 申請人:3M創(chuàng)新有限公司