質(zhì)子交換膜燃料電池密封設(shè)計(jì)以及制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]在至少一個(gè)方面中，本發(fā)明涉及用于燃料電池應(yīng)用中的催化劑層。
【背景技術(shù)】
[0002]燃料電池在許多應(yīng)用中用作電力電源。具體來(lái)說(shuō)，打算將燃料電池用于汽車中來(lái)取代內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)。通常使用的燃料電池設(shè)計(jì)使用固體聚合物電解質(zhì)(“SPE”)膜或質(zhì)子交換膜(“ PEM”)來(lái)在陽(yáng)極與陰極之間提供離子傳輸。
[0003]在質(zhì)子交換膜型燃料電池中，氫氣被供應(yīng)到陽(yáng)極作為燃料，并且氧氣被供應(yīng)到陰極作為氧化劑。氧氣可以是純的形式(O2)或空氣(02與1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(S卩，離子傳導(dǎo)膜)在一個(gè)面上具有陽(yáng)極催化劑并且在相對(duì)的面上具有陰極催化劑。典型的PEM燃料電池的陽(yáng)極和陰極層由多孔傳導(dǎo)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(yīng)電極的膜表面上分散。每個(gè)電極具有支撐在碳顆粒上的細(xì)分的催化劑顆粒(例如，鉑顆粒)以促進(jìn)氫氣在陽(yáng)極的氧化和氧氣在陰極的還原。質(zhì)子穿過(guò)離子鍵傳導(dǎo)聚合物膜從陽(yáng)極流到陰極，它們?cè)陉帢O與氧氣結(jié)合從而形成從電池排出的水。MEA夾在一對(duì)多孔氣體擴(kuò)散層(“GDL”)之間，所述氣體擴(kuò)散層又夾在一對(duì)無(wú)孔、導(dǎo)電元件或板之間。板用作用于陽(yáng)極和陰極的電流收集器，并且含有形成在其中的適當(dāng)通道和開(kāi)口以用于將燃料電池的氣體反應(yīng)劑分布在相應(yīng)的陽(yáng)極催化劑和陰極催化劑的表面上。為了有效地產(chǎn)生電力，PEM燃料電池的聚合物電解質(zhì)膜必須薄、化學(xué)穩(wěn)定、質(zhì)子可穿透、不導(dǎo)電并且不透氣。在典型應(yīng)用中，燃料電池以許多個(gè)別燃料電池堆的陣列來(lái)提供以便提供高水平的電功率。
[0004]一些現(xiàn)有技術(shù)的燃料電池在催化劑電極與離子導(dǎo)電膜之間包括墊片。重復(fù)電池設(shè)計(jì)的不同區(qū)域具有不同的功能要求，這通過(guò)利用材料的不同橫截面厚度來(lái)滿足。例如，圖1中描繪的燃料電池截面示出現(xiàn)有技術(shù)密封配置。燃料電池堆10包括介于氣體擴(kuò)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(dāng)在氣體擴(kuò)散層之間時(shí)應(yīng)薄并且在雙極板之間時(shí)應(yīng)較厚。一些現(xiàn)有技術(shù)墊片使用壓條24結(jié)合密封薄片26來(lái)實(shí)現(xiàn)所需的厚度變化。
[0005]因此，本發(fā)明提供用于燃料電池墊片部件的改進(jìn)的設(shè)計(jì)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明通過(guò)在至少一個(gè)實(shí)施例中提供用于形成用于燃料電池應(yīng)用的墊片的方法來(lái)解決現(xiàn)有技術(shù)的一個(gè)或多個(gè)問(wèn)題。該方法包括提供包括樹(shù)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(cè)面部分和與第一側(cè)面部分相對(duì)并且由頂部連接的第二側(cè)面部分。通過(guò)將第一褶皺朝向平面的部分折疊以形成復(fù)合褶皺而形成墊片。將復(fù)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。
[0007]在另一個(gè)實(shí)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(yáng)極側(cè)和陰極側(cè)的膜電極組件。第一流場(chǎng)布置在陽(yáng)極側(cè)上以及第二流場(chǎng)布置在陰極側(cè)上。第一氣體擴(kuò)散介質(zhì)介于陽(yáng)極側(cè)與第一流場(chǎng)之間，以及第二氣體擴(kuò)散介質(zhì)介于陰極側(cè)與第二流場(chǎng)之間。墊片介于第一流場(chǎng)與第二流場(chǎng)之間，該墊片限定中心開(kāi)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(fù)合褶皺的樹(shù)脂材料。復(fù)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(cè)面部分和與第一側(cè)面部分相對(duì)的第二側(cè)面部分，以使得第一側(cè)面部分與第二側(cè)面部分由頂部連接。復(fù)合褶皺包括通過(guò)將第一褶皺朝向薄片的平面的部分折疊形成的第二褶皺。
[0008]1.一種方法包括:
提供包括樹(shù)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(cè)面部分和與第一側(cè)面部分相對(duì)的第二側(cè)面部分，第一側(cè)面部分與第二側(cè)面部分由頂部連接；
通過(guò)將第一褶皺朝向所述平面的部分折疊以形成復(fù)合褶皺來(lái)形成墊片，所述復(fù)合褶皺具有與大體上平面的部分相鄰的第一側(cè)面部分；以及
將復(fù)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。
[0009]2.如方案I所述的方法，其中所述第一褶皺通過(guò)在心軸上拉曳所述薄片形成并且進(jìn)行加熱以輔助形成第一褶皺。
[0010]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。
[0011]4.如方案3所述的方法，其進(jìn)一步包括應(yīng)用真空以將心軸形狀賦予到所述薄片上由此形成第一裙皺。
[0012]5.如方案2所述的方法，其中從所述心軸移除其中具有第一褶皺的薄片。
[0013]6.如方案I所述的方法，其中所述復(fù)合褶皺被允許在放置于第一燃料電池部件與第二燃料電池部件之間之后冷卻。
[0014]7.如方案I所述的方法，其中所述第一燃料電池部件和所述第二燃料電池是各自獨(dú)立的流場(chǎng)。
[0015]8.如方案I所述的方法，其中所述墊片形成電絕緣、密封、間隔功能性或其組合。
[0016]9.如方案I所述的方法，其中所述樹(shù)脂材料層包括熱塑性聚合物。
[0017]10.如方案9所述的方法，其中所述熱塑性聚合物包括選自以下各項(xiàng)構(gòu)成的群組的成分:聚乙烯、聚丙烯、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二酯、聚苯醚、聚硫化亞苯以及其組合。
[0018]11.如方案I所述的方法，其中所述墊片具有周邊密封區(qū)域，所述墊片限定中心開(kāi)口。
[0019]12.如方案I所述的方法，其中所述薄片具有層壓結(jié)構(gòu)。
[0020]13.如方案I所述的方法，其中所述層壓結(jié)構(gòu)是多層熱塑性塑料或者具有非熱塑性彈性體層的熱塑性塑料。
[0021]14.如方案12所述的方法，其中所述層壓結(jié)構(gòu)包括第一固體層和第一泡沫層以及可選的第二固體層，第一泡沫層介于第一固體層與第二固體層之間。
[0022]15.如方案14所述的方法，其中所述第一固體層、所述第二固體層以及所述第一泡沫層各自獨(dú)立地包括熱塑性聚合物。
[0023]16.如方案14所述的方法，其中所述薄片具有約0.050 mm至約I mm的厚度。
[0024]17.一種燃料電池，包括:
具有陽(yáng)極側(cè)和陰極側(cè)的膜電極組件；
布置在陽(yáng)極側(cè)上的第一流場(chǎng)；
布置在陰極側(cè)上的第二流場(chǎng)；
介于陽(yáng)極側(cè)與第一流場(chǎng)之間的第一氣體擴(kuò)散介質(zhì)；
介于陰極側(cè)與第二流場(chǎng)之間的第二氣體擴(kuò)散介質(zhì)；
介于第一流場(chǎng)與第二流場(chǎng)之間的墊片，所述墊片限定中心開(kāi)口，所述墊片具有周邊密封區(qū)域，所述周邊密封區(qū)域包括其中具有復(fù)合褶皺的樹(shù)脂材料，所述復(fù)合褶皺包括:在薄片中的第一褶皺，所述第一褶皺從所述薄片的大體上平面的區(qū)域延伸，第一褶皺具有第一側(cè)面部分和與第一側(cè)面部分相對(duì)的第二側(cè)面部分，第一側(cè)面部分與第二側(cè)面部分由頂部連接；以及通過(guò)將第一褶皺朝向薄片的平面的部分折疊形成的第二褶皺。
[0025]18.如方案17所述的燃料電池，其中所述薄片具有層壓結(jié)構(gòu)。
[0026]19.如方案18所述的燃料電池，其中所述層壓結(jié)構(gòu)包括第一固體層和第一泡沫層O
[0027]20.如方案19所述的燃料電池，其中所述層壓結(jié)構(gòu)進(jìn)一步包括第二固體層，第一泡沫層介于第一固體層與第二固體層之間。
【附圖說(shuō)明】
[0028]本發(fā)明的示例性實(shí)施例將從詳細(xì)描述和附圖得到更完整理解，其中:
圖1是使用現(xiàn)有技術(shù)墊片系統(tǒng)的燃料密封堆的透視圖；
圖2A是使用具有折疊區(qū)域的墊片的燃料電池的實(shí)施例的截面；
圖2B是使用具有折疊區(qū)域的墊片的燃料電池的實(shí)施例的截面；
圖3是使用具有折疊區(qū)域的墊片的燃料電池的實(shí)施例的透視圖；
圖4是燃料電池墊片的頂視圖；
圖5是燃料電池墊片的截面圖；以及
圖6A和6B提供用于形成用于燃料電池應(yīng)用的墊片的方法的示意性流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0029]現(xiàn)在將詳細(xì)參照構(gòu)成實(shí)施發(fā)明人當(dāng)前已知的發(fā)明的最佳模式的本發(fā)明的當(dāng)前優(yōu)選的組成、實(shí)施例和方法。圖式不必按比例。然而，應(yīng)理解，所披露的實(shí)施例僅是可以各種和替代形式實(shí)施的本發(fā)明的示例。因此，本文披露的具體細(xì)節(jié)并不解釋為限制性的，而僅作為用于本發(fā)明的任何方面的代表基礎(chǔ)和/或作為用于教示本領(lǐng)域技術(shù)人員不同地使用本發(fā)明的代表基礎(chǔ)。
[0030]除了在示例中之外或者在除非另有明確指示的情況下，否則在描述本發(fā)明的最廣泛范圍時(shí)，此描述中指示反應(yīng)和/或使用的材料或條件的量的所有數(shù)值數(shù)量應(yīng)理解為由詞“約”修飾。另外，除非另有明確相反說(shuō)明，否則百分比、“部分”以及比值是按重量計(jì)算的；術(shù)語(yǔ)“聚合物”包括“低聚物”、“共聚物”、“三元共聚物”等；對(duì)于與本發(fā)明有關(guān)的給定目的而言適合或優(yōu)選的材料的分組或類別的描述暗示分組或類別的成員中的任何兩個(gè)或更多個(gè)的混合物同樣適合或優(yōu)選；為任何聚合物提供的分子量指數(shù)均分子量；化學(xué)術(shù)語(yǔ)中的成分的描述指在添加到描述中指定的任何組合時(shí)的成分，而不必排除混合物的成分一旦被混合則在其之間的化學(xué)反應(yīng)；首字母縮寫(xiě)或其他縮寫(xiě)的第一個(gè)定義適用于相同縮寫(xiě)的本文隨后所有使用，并且在作必要的更正之后適用于最初定