CN101026241A - 用于改进的膜电极组件耐久性的受控电极重叠结构 - Google Patents

用于改进的膜电极组件耐久性的受控电极重叠结构 Download PDF

Info

Publication number
CN101026241A
CN101026241A CNA200710100640XA CN200710100640A CN101026241A CN 101026241 A CN101026241 A CN 101026241A CN A200710100640X A CNA200710100640X A CN A200710100640XA CN 200710100640 A CN200710100640 A CN 200710100640A CN 101026241 A CN101026241 A CN 101026241A
Authority
CN
China
Prior art keywords
layer
catalyst layer
subgasket
rete
marginal portion
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CNA200710100640XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN101026241B (zh
Inventor
J·莱斯特拉
R·L·詹姆斯
D·多布利斯
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
GM Global Technology Operations LLC
Original Assignee
GM Global Technology Operations LLC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by GM Global Technology Operations LLC filed Critical GM Global Technology Operations LLC
Publication of CN101026241A publication Critical patent/CN101026241A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN101026241B publication Critical patent/CN101026241B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1004—Fuel cells with solid electrolytes characterised by membrane-electrode assemblies [MEA]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0271—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0271—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes
    • H01M8/0276—Sealing means characterised by their form
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0271—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes
    • H01M8/028—Sealing means characterised by their material
    • H01M8/0284—Organic resins; Organic polymers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0297—Arrangements for joining electrodes, reservoir layers, heat exchange units or bipolar separators to each other
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

一种膜电极组件包括：膜层；与膜层表面相邻的阴极或阳极催化剂层；与膜层的另一表面相邻的阳极或阴极催化剂层；与膜层的所述另一表面相邻的粘合层，其中粘合层与阳极或阴极催化剂层的表面相邻接；以及具有边缘部分的子密封垫层，其中子密封垫层与粘合层的表面相邻，其中相对于子密封垫层的边缘部分，阴极催化剂层和阳极催化剂层沿着膜层的长度延伸，其中相对于子密封垫层的边缘部分，阴极或阳极催化剂层比阳极或阴极催化剂层沿着膜层的长度延伸更长的长度。

Description

用于改进的膜电极组件耐久性的受控电极重叠结构
技术领域
本发明主要涉及燃料电池，特别是，本发明涉及新的改进的显示出增强的耐久性的膜电极组件。
背景技术
在许多应用中已采用燃料电池作为电源。例如，已经提议将燃料电池用于电动车辆动力设备从而替代内燃机。在质子交换膜(PEM)型燃料电池中，向燃料电池的阳极提供氢气，同时向阴极提供作为氧化剂的氧气。PEM燃料电池包括膜电极组件(MEA)，所述膜电极组件中包含薄的，质子可传送的，不导电的固体聚合物电解质膜，该膜具有位于一面的阳极催化剂以及位于相对面的阴极催化剂。MEA被夹在一对导电元件之间，该导电元件有时也被称作气体扩散介质部件，所述气体扩散介质部件：(1)作为阳极和阴极的集电器；(2)包含适当的开口，用于在各自的阳极和阴极催化剂的表面上分配燃料电池的气态反应剂；(3)从电极上移除产物水蒸气或液态水到流场通道；(4)对于废热排放进行热传导；以及(5)具有一定的机械强度。根据上下文的理解，术语燃料电池一般是指单个电池或多个电池(例如，电池堆)。多个单电池通常被组装一起以形成燃料电池堆且通常串联布置。堆内的每个电池包括前面描述的MEA，以及每个这样的MEA提供其电压增量。
在PEM燃料电池中，氢气(H2)是阳极反应剂(即，燃料)，同时氧气是阴极反应剂(即，氧化剂)。氧气可以是纯氧(O2)，也可以是空气(O2和N2的混合物)。固体聚合物电解质一般由离子交换树脂形成，例如全氟磺酸。阳极/阴极一般包括极细的催化颗粒，所述催化颗粒经常被担载在碳颗粒上，且与质子传导树脂相混合。该催化颗粒一般是昂贵的贵金属颗粒。这些膜电极组件制造起来相对昂贵且需要某些条件，其中就包括适当的水管理和加湿，以及诸如一氧化碳(CO)之类的催化剂污损组分形成的控制，为了有效操作。
可以参考以下文献来查找涉及PEM以及其它相关类型的燃料电池系统的技术实例：Witherspoon等的共同转让的美国专利3,985,578；Swathirajan等的5,272,017；Li等的5,624,769；Neutzler等的5,776,624；DiPierno Bosco等的6,103,409；Swathirajan等的6,277,513；Woods，III等的6,350,539；Fronk等的6,372,376；Mathias等的6,376,111；Vyas等的6,521,381；Sompalli等的6,524,736；Senner等的6,528,191；Fly等的6,566,004；Forte等的6,630,260；Fly等的6,663,994；Senner等的6,740,433；Nelson等的6,777,120；Brady等的6,793,544；Rapaport等的6,794,068；Blunk等的6,811,918；Mathias等的6,824,909；Senner等的美国专利申请2004/0229087；O’Hara等的2005/0026012；O’Hara等的2005/0026018；以及O’Hara等的2005/0026523，上述所有申请在此作为参考而被整体引用。
图1和2示出了典型的通常边缘区域不足的非受控的重叠边缘结构，例如，在该结构中阳极催化剂层12的边缘部分10邻接紧靠子密封垫层16的边缘部分14以及粘合层20的边缘部分18，和/或在该结构中阴极催化剂层24的边缘部分22邻接紧靠另一子密封垫层28的边缘部分26以及另一粘合层32的边缘部分30。应注意到，阳极催化剂层12和阴极催化剂层24以重叠的、交错的或偏移的结构形式将膜层34夹在中间，如图1和2所示。
通常由于在对膜应用阳极和阴极子密封垫期间以及电极转压传输工艺期间存在制造公差，该非受控的重叠结构在一些MEA边缘位置处产生了阳极＞阴极的结构以及在一些其它MEA边缘位置处产生了阴极＞阳极的结构。这些特殊设计的局限性包括位于各自的催化剂层的边缘和各自子密封垫的边缘之间的潜在间隙G，如图3和4所示。间隙允许例如O2或H2的气体直接进入到膜表面，从而增强来自交换气体的*OH和*HO2自由基物质的形成，因此导致聚合物膜局部的加速化学劣化。如果电极大于由子密封垫形成的窗口，那么在对膜施加催化剂的操作期间(一般地已知为转压传输)，催化剂层可以在子密封垫的边缘之上形成“帐篷”T，如图5和6所示。这种隆起一般导致子密封垫边缘的催化剂破裂以及后来的气体直接进入膜表面以及加速的局部化学退化。此外，隆起现象一般地导致膜表面的一些长度，它的长度与子密封垫的厚度大小相似，催化剂不附着到膜表面上。
已经作出多种尝试来克服这个问题。例如，一些制造商利用热压连接子密封垫与离聚物膜。技术中除了需要加热和加压之外，另一个缺陷是催化剂层在子密封垫之后添加。这防止子密封垫被连接在催化剂层上面。通过这种方法，可以在催化剂下面连接子密封垫，但是这样将会导致在子密封垫边缘催化剂破裂和分层。这种破裂导致在子密封垫边缘处形成模糊的催化剂边缘。为了使阳极和阴极催化剂边缘偏移，这种方法需要附加空间来解决由破裂引起的催化剂边缘的不确定性。另外，这种方法会留出催化剂和子密封垫边缘之间的暴露的离聚物膜的间隙。
其它一些尝试利用了一种将子密封垫放置在膜顶部的方法。接着这三层结构被夹在两块涂覆催化剂的扩散介质之间。整个组件接着通过离聚物的玻璃化转变点被热压从而形成MEA。虽然这种方法还算加强了控制催化剂边缘方面，它还是具有许多缺点。第一，实现结合所需的热量和压力可能会引起离聚物膜产生流动，这会导致子密封垫下面变薄。第二，加热/冷却循环会在部件中诱发出热应力。接着子密封垫边缘处可能会失效。第三，由于整个MEA，为了包含气体扩散介质(GDM)，在一个热压步骤中被组装在一起，因此以后很难检查催化剂边缘的位置。
因此，存在一种对新的改进的MEA结构的需求，其中接近子密封垫和涂覆催化剂的膜层的边缘结构提供了增强的膜耐久性。
发明内容
根据本发明的一般教导，提供一种适用于改进的膜耐久性的新的改进的MEA边缘设计和结构。
根据本发明的一个实施例，提供一种膜电极组件，所述膜电极组件包括：(1)膜层；(2)与膜层表面相邻的阴极催化剂层；(3)与膜层的另一表面相邻的阳极催化剂层，其中膜层被布置在阴极催化剂层和阳极催化剂层之间；(4)与膜的所述另一表面相邻的粘合层，其中粘合层与阳极催化剂层的表面相邻接；以及(5)具有边缘部分的子密封垫层，其中子密封垫层与粘合层的表面相邻，其中粘合层被布置在子密封垫层和膜层之间，其中相对于子密封垫层的边缘部分，阴极催化剂层和阳极催化剂层沿着膜层的长度延伸，其中相对于子密封垫层的边缘部分，阴极催化剂层比阳极催化剂层沿着膜层的长度延伸更长的长度。
根据本发明的第一可选实施例，提供一种膜电极组件，所述膜电极组件包括：(1)膜层；(2)与膜层表面相邻的阴极催化剂层；(3)与膜层的另一表面相邻的阳极催化剂层，其中膜层被布置在阴极催化剂层和阳极催化剂层之间；(4)与膜的所述另一表面相邻的粘合层，其中粘合层与阳极催化剂层的表面相邻接；以及(5)具有边缘部分的子密封垫层，其中子密封垫层与粘合层的表面相邻，其中粘合层被布置在子密封垫层和膜层之间，其中相对于子密封垫层的边缘部分，阴极催化剂层和阳极催化剂层沿着膜层的长度延伸，其中相对于子密封垫层的边缘部分，阳极催化剂层比阴极催化剂层沿着膜层的长度延伸更长的长度。
根据本发明的第二可选实施例，提供一种膜电极组件，所述膜电极组件包括：(1)膜层；(2)与膜层表面相邻的阳极催化剂层；(3)与膜层的另一表面相邻的阴极催化剂层，其中膜层被布置在阴极催化剂层和阳极催化剂层之间；(4)与膜的所述另一表面相邻的粘合层，其中粘合层与阴极催化剂层的表面相邻接；以及(5)具有边缘部分的子密封垫层，其中子密封垫层与粘合层的表面相邻，其中粘合层被布置在子密封垫层和膜层之间，其中相对于子密封垫层的边缘部分，阴极催化剂层和阳极催化剂层沿着膜层的长度延伸，其中相对于子密封垫层的边缘部分，阴极催化剂层比阳极催化剂层沿着膜层的长度延伸更长的长度。
根据本发明的第三可选实施例，提供一种膜电极组件，所述膜电极组件包括：(1)膜层；(2)与膜层表面相邻的阳极催化剂层；(3)与膜层的另一表面相邻的阴极催化剂层，其中膜层被布置在阴极催化剂层和阳极催化剂层之间；(4)与膜的所述另一表面相邻的粘合层，其中粘合层与阴极催化剂层的表面相邻接；以及(5)具有边缘部分的子密封垫层，其中子密封垫层与粘合层的表面相邻，其中粘合层被布置在子密封垫层和膜层之间，其中相对于子密封垫层的边缘部分，阴极催化剂层和阳极催化剂层沿着膜层的长度延伸，其中相对于子密封垫层的边缘部分，阳极催化剂层比阴极催化剂层沿着膜层的长度延伸更长的长度。
本发明其它适用领域的范围将通过以下给出的详细描述来体现。应理解的是，详细描述和具体实例，尽管显示的是本发明的优选实施例，仅是旨在说明的目的且不意味着限定了本发明的范围。
附图说明
本发明将通过附图及其详细说明得到充分理解，其中：
图1是根据现有技术的第一传统MEA的示意图；
图2是根据现有技术的第二传统MEA的示意图；
图3是根据现有技术的第三传统MEA的示意图；
图4是根据现有技术的第四传统MEA的示意图；
图5是根据现有技术的图1或3中示出的传统MEA的示意图，其中催化剂层已经在子密封垫的上方隆起；
图6是根据现有技术的图2或4中示出的传统MEA的示意图，其中催化剂层已经在子密封垫的上方隆起；
图7是根据本发明第一实施例的具有比阳极催化剂层区域局部更大的阴极催化剂层区域的MEA的示意图，其中子密封垫重叠阳极催化剂层且粘合层被布置在子密封垫和阳极催化剂层之间；
图8是根据本发明第二实施例的具有比阴极催化剂层区域局部更大的阳极催化剂层区域的MEA的示意图，其中子密封垫重叠阳极催化剂层且粘合层被布置在子密封垫和阳极催化剂层之间；
图9是根据本发明第三实施例的具有比阳极催化剂层区域局部更大的阴极催化剂层区域的MEA的示意图，其中子密封垫重叠阴极催化剂层且粘合层被布置在子密封垫和阴极催化剂层之间；
图10是根据本发明第四实施例的具有比阴极催化剂层区域局部更大的阳极催化剂层区域的MEA的示意图，其中子密封垫重叠阴极催化剂层且粘合层被布置在子密封垫和阴极催化剂层之间。
具体实施方式
以下对优选实施例的描述本质上仅是示例性的，并且绝不是旨在限定本发明，其应用，或用途。
根据本发明的一般教导，MEA改进的边缘结构包括涂覆有催化剂的膜，具有包括不能渗透的阻挡膜和粘合剂的子密封垫。该子密封垫可以应用于或者阳极催化剂侧面，产生比阳极电极区域更大的阴极电极区域，或者应用于阴极催化剂侧面，产生比阴极催化剂区域更大的阳极催化剂区域，和/或应用于阳极电极区域以及阴极电极区域两者，产生比阳极/阴极催化剂区域更小和/或更大的阳极/阴极催化剂区域。然而，应注意的是：可以配置阳极和阴极使其本质上关于另一个的边缘部分的共终端(即，没有或非常低的重叠度)，而不考虑使用了多少子密封垫。
参考图7，图中示出了根据本发明第一实施例的具有比阳极催化剂层区域局部更大的阴极催化剂层区域的MEA的示意图，其中子密封垫重叠阳极催化剂层且粘合层被布置在子密封垫和阳极催化剂层之间。
更具体而言，该MEA，通常表示为100，主要包括膜层102，与膜层102的表面102a相邻的阴极催化剂层104，与膜层102的另一个表面102b相邻的阳极催化剂层106，其中膜层102被布置在阴极催化剂层104和阳极催化剂层106之间，与膜层102的另一表面102b相邻的粘合层108，其中粘合层108与阳极催化剂层106的表面106a相邻接，和具有边缘部分112的子密封垫层110，其中子密封垫层110与粘合层108的表面108a相邻，其中粘合层108被布置在子密封垫层110和膜层102之间，其中相对于子密封垫层110的边缘部分112，阴极催化剂层104和阳极催化剂层106沿着膜层102的长度延伸，其中相对于子密封垫层110的边缘部分112，阴极催化剂层104比阳极催化剂层106沿着膜层102的长度延伸了更长的长度。即，阴极催化剂层104和阳极催化剂层106对于彼此处于重叠，交错或偏移定位。另外，当从子密封垫层110的边缘部分112测量到阴极催化剂层104的边缘部分114时，阴极催化剂层104要长于阳极催化剂层106。即，当从子密封垫层110的边缘部分112测量到阴极催化剂层104的边缘部分114时的阴极催化剂层104的长度要长于当从子密封垫层110的边缘部分112测量到阳极催化剂层106的边缘部分116时的阳极催化剂层106的长度。
根据本发明的一个方面，子密封垫层110的边缘部分112与阴极催化剂层104的边缘部分114之间的距离在大约0.1毫米到大约5毫米的范围内。根据本发明的另一个方面，子密封垫层110的边缘部分112与阴极催化剂层104的边缘部分114之间的距离在大约1.5毫米到大约2.5毫米的范围内。
根据本发明的一个方面，粘合层108的一部分渗入阳极催化剂层106从而形成粘合剂渗透层118。粘合剂渗透层118被布置在阳极催化剂层106和子密封垫层110之间。根据本发明的一个方面，粘合剂渗透层118渗入阳极催化剂层106上部大约10％的深度。
参照图8，图中示出了根据本发明第二实施例的具有比阴极催化剂层区域局部更大的阳极催化剂层区域的MEA的示意图，其中子密封垫重叠阳极催化剂层且粘合层被布置在子密封垫和阳极催化剂层之间。
更具体而言，该MEA，通常表示为200，主要包括膜层202，与膜层202的表面202a相邻的阴极催化剂层204，与膜层202的另一个表面202b相邻的阳极催化剂层206，其中膜层202被布置在阴极催化剂层204和阳极催化剂层206之间，与膜层202所述另一表面202b相邻的粘合层208，其中粘合层208与阳极催化剂层206的表面206a相邻接，和具有边缘部分212的子密封垫层210，其中子密封垫层210与粘合层208的表面208a相邻，其中粘合层208被布置在子密封垫层210和膜层202之间，其中相对于子密封垫层210的边缘部分212，阴极催化剂层204和阳极催化剂层206沿着膜层202的长度延伸，其中相对于子密封垫层210的边缘部分212，阳极催化剂层206比阴极催化剂层204沿着膜层202的长度延伸了更长的长度。即，阴极催化剂层204和阳极催化剂层206对于彼此处于重叠，交错或偏移定位。另外，当从子密封垫层210的边缘部分212测量到阳极催化剂层206的边缘部分214时，阳极催化剂层206要长于阴极催化剂层204。即，当从子密封垫层210的边缘部分212测量到阳极催化剂层206的边缘部分214时的阳极催化剂层206的长度要长于当从子密封垫层210的边缘部分212测量到阴极催化剂层204的边缘部分216时的阴极催化剂层204的长度。
根据本发明的一个方面，子密封垫层210的边缘部分212与阳极催化剂层206的边缘部分214之间的距离在大约0.1毫米到大约5毫米的范围内。根据本发明的另一个方面，子密封垫层210的边缘部分212与阳极催化剂层206的边缘部分214之间的距离在大约1.5毫米到大约2.5毫米的范围内。
根据本发明的一个方面，粘合层208的一部分渗入阳极催化剂层206从而形成粘合渗透层218。粘合渗透层218被布置在阳极催化剂层206和子密封垫层210之间。根据本发明的一个方面，粘合渗透层218渗入阳极催化剂层206上部大约10％的深度。
参照图9，图中示出了根据本发明第三实施例的具有比阳极催化剂层区域局部更大的阴极催化剂层区域的MEA的示意图，其中子密封垫重叠阴极催化剂层且粘合层被布置在子密封垫和阴极催化剂层之间。
更具体而言，该MEA，通常表示为300，主要包括膜层302，与膜层302的表面302a相邻的阳极催化剂层304，与膜层302的另一个表面302b相邻的阴极催化剂层306，其中膜层302被布置在阳极催化剂层304和阴极催化剂层306之间，与膜层302的所述另一表面302b相邻的粘合层308，其中粘合层308与阴极催化剂层306的表面306a相邻接，和具有边缘部分312的子密封垫层310，其中子密封垫层310与粘合层308的表面308a相邻，其中粘合层308被布置在子密封垫层310和膜层302之间，其中相对于子密封垫层310的边缘部分312，阳极催化剂层304和阴极催化剂层306沿着膜层302的长度延伸，其中相对于子密封垫层310的边缘部分312，阴极催化剂层306比阳极催化剂层304沿着膜层302的长度延伸了更长的长度。即，阴极催化剂层306和阳极催化剂层304对于彼此处于重叠，交错或偏移定位。另外，当从子密封垫层310的边缘部分312测量到阴极催化剂层306的边缘部分314时，阴极催化剂层306要长于阳极催化剂层304。即，当从子密封垫层310的边缘部分312测量到阴极催化剂层306的边缘部分314时的阴极催化剂层306的长度要长于当从子密封垫层310的边缘部分312测量到阳极催化剂层304的边缘部分316时的阳极催化剂层304的长度。
根据本发明的一个方面，子密封垫层310的边缘部分312与阴极催化剂层306的边缘部分314之间的距离在大约0.1毫米到大约5毫米的范围内。根据本发明的另一个方面，子密封垫层310的边缘部分312与阴极催化剂层306的边缘部分314之间的距离在大约1.5毫米到大约2.5毫米的范围内。
根据本发明的一个方面，粘合层308的一部分渗入阴极催化剂层306从而形成粘合渗透层318。粘合渗透层318被布置在阴极催化剂层306和子密封垫310之间。根据本发明的一个方面，粘合渗透层318渗入阴极催化剂层306上部大约10％的深度。
参考图10，图中示出了根据本发明第四实施例的具有比阴极催化剂层区域局部更大的阳极催化剂层区域的MEA的示意图，其中子密封垫重叠阴极催化剂层且粘合层被布置在子密封垫和阴极催化剂层之间。
更具体而言，该MEA，通常表示为400，主要包括膜层402，与膜层402的表面402a相邻的阳极催化剂层404，与膜层402的另一个表面402b相邻的阴极催化剂层406，其中膜层402被布置在阳极催化剂层404和阴极催化剂层406之间，与膜层402的所述另一表面402b相邻的粘合层408，其中粘合层408与阴极催化剂层406的表面406a相邻接，和具有边缘部分412的子密封垫层410，其中子密封垫层410与粘合层408的表面408a相邻，其中粘合层408被布置在子密封垫层410和膜层402之间，其中相对于子密封垫层410的边缘部分412，阳极催化剂层404和阴极催化剂层406沿着膜层402的长度延伸，其中相对于子密封垫层410的边缘部分412，阳极催化剂层404比阴极催化剂层406沿着膜层402的长度延伸了更长的长度。即，阳极催化剂层404和阴极催化剂层406对于彼此处于重叠，交错或偏移定位。另外，当从子密封垫层410的边缘部分412测量到阳极催化剂层404的边缘部分414时，阳极催化剂层404要长于阴极催化剂层406。即，当从子密封垫层410的边缘部分412测量到阳极催化剂层404的边缘部分414时的阳极催化剂层404的长度要长于当从子密封垫层410的边缘部分412测量到阴极催化剂层406的边缘部分416时的阴极催化剂层406的长度。
根据本发明的一个方面，子密封垫层410的边缘部分412与阳极催化剂层404的边缘部分414之间的距离在大约0.1毫米到大约5毫米的范围内。根据本发明的另一个方面，子密封垫层410的边缘部分412与阳极催化剂层404的边缘部分414之间的距离在大约1.5毫米到大约2.5毫米的范围内。
根据本发明的一个方面，粘合层408的一部分渗入阴极催化剂层406从而形成粘合渗透层418。粘合渗透层418被布置在阴极催化剂层406和子密封垫410之间。根据本发明的一个方面，粘合渗透层418渗入阴极催化剂层406上部大约10％的深度。
就上述实施例而言，子密封垫层中包含有从由聚酯、聚乙烯、聚酰亚胺及其组合物组成的组中选择出的材料。通过非限制性的例子，子密封垫层108中可能包含MYLAR(例如，双轴取向的聚对苯二甲酸乙二醇酯(BOPET)聚酯膜)或PET(即，聚对苯二甲酸乙二醇酯)作为不能渗透的阻挡膜。然而，应注意的是，也可以使用其它材料，例如包括，但不限制于PEN(即，聚萘二酸2，6-乙二醇酯)，KAPTON(即，聚酰亚胺膜)，其它聚酯膜，和/或类似物。根据本发明的一个方面，由于在气体渗透性方面与聚酰亚胺膜相比分别有5倍和10倍的缩减，该边缘结构包括PET或PEN。另外，分别与聚酰亚胺膜相比，对于PET和PEN而言，湿气吸附减少了3倍和4倍。这些厚度范围给出了一些5层MEA组件(通常已知为MEA5)的边缘的刚度，其需要大量的制造工艺操作，但是仍要足够薄使其用于通用汽车应用需要的高的功率密度需求。
根据前述实施例，该子密封垫层具有大约100μm或更大的厚度。根据本发明的另一个方面，子密封垫层具有范围大约在6μm到大约100μm的厚度。根据本发明的另一个方面，子密封垫层具有范围大约在12μm到大约50μm的厚度。
根据前述实施例，粘合层中的粘合剂可包括，但不限于，压敏粘合剂(PSA)，热熔性粘合剂和/或类似物。PSA可包括，但不限于，基于丙烯酸的或硅树脂的粘合剂。热熔性粘合剂可包括，但不限于，聚乙烯乙酸酯或醋酸乙烯酯/聚乙烯的混合物。根据本发明的一个方面，MEA的边缘结构包括使用PSA，因为PSA可以在室温下被施加到涂覆有催化剂的膜上，其不影响膜耐久性。
根据前述实施例，粘合层具有大约50μm或更大的厚度。根据本发明的另一个方面，粘合层具有范围在大约6μm到大约50μm的厚度。根据本发明的另一个方面，粘合层具有范围在大约8μm到大约25μm的厚度。
在不受本发明的特定操作原理约束的条件下，这些范围产生连续的具有无粘合空隙的粘合剂膜，且允许粘合剂在催化剂层边缘进行流动，从而提供催化剂边缘和膜之间的气密密封部。在不受本发明的特定操作原理约束的条件下，该气密密封部将直接进入到膜的气体以及后来的导致加速的局部化学劣化的自由基的形成减小到最小。
根据前述实施例，整个MEA的耐久性比较于传统MEA结构而言提高2-3倍。一般地，对阴极侧面使用子密封垫层(即，不能渗透的阻挡膜)/粘合剂使得MEA耐久性提高近2倍，并且对阳极侧面使用子密封垫层(即，不能渗透的阻挡膜)/粘合剂使得MEA耐久性提高大约3倍。
在不受本发明的特定操作原理约束的条件下，通过利用本发明可以意识到存在几个好处，例如但不局限于：(1)对于更易于通过大量制造工艺操作处理而言，将子密封垫层附着到具有粘合剂的膜层提供了刚性更大的部分；(2)子密封垫层(即，不能渗透的气体阻挡膜)限定出一致的边缘结构组成，例如，或是阴极＞阳极或是阳极＞阴极，而不考虑导致改进的整个膜耐久性的局部电极重叠；(3)与沿着涂覆有催化剂的膜边缘的自由铺置的阻挡膜相比而言，子密封垫层(即，不能渗透的气体阻挡膜)和催化剂层(即，电极)边缘之间的粘合剂膜(即，粘合渗透层)使得直接进入到膜的气体以及后来的导致加速的局部化学劣化的自由基的形成减小到最小；(4)在局部聚合物膜化学劣化发生在阳极催化剂边缘和阴极催化剂边缘之间的区域内的情况下，该子密封垫层/粘合层将防止气体从那里流入，从而提高了整个膜的耐久性。
以上对本发明的描述本质上仅是示例性的，因此，不偏离本发明要点的变型旨在落入本发明的范围内。这些变型不被视为超出了本发明的精神和范围。

Claims (24)

1、一种膜电极组件，包括：
膜层；
与膜层的一个表面相邻的阴极催化剂层；
与膜层的另一表面相邻的阳极催化剂层，其中膜层被布置在阴极催化剂层和阳极催化剂层之间；
与膜层的所述另一表面相邻的粘合层，其中粘合层与阳极催化剂层的表面相邻接；以及
具有边缘部分的子密封垫层，其中子密封垫层与粘合层的表面相邻，其中粘合层被布置在子密封垫层和膜层之间；
其中相对于子密封垫层的边缘部分，阴极催化剂层和阳极催化剂层沿着膜层的长度延伸，其中相对于子密封垫层的边缘部分，阴极催化剂层比阳极催化剂层沿着膜层的长度延伸更长的长度。
2、根据权利要求1所述的发明，其中一部分粘合层渗入阳极催化剂层以形成粘合渗透层。
3、根据权利要求2所述的发明，其中粘合渗透层被布置在阳极催化剂层和子密封垫层之间。
4、根据权利要求1所述的发明，其中子密封垫层包含从包括聚酯、聚乙烯、聚酰亚胺及其组合物组成的组中选择的材料。
5、根据权利要求1所述的发明，其中子密封垫层的边缘部分和阴极催化剂层的边缘部分之间的距离是在大约0.1毫米到大约5毫米的范围内。
6、根据权利要求1所述的发明，其中子密封垫层的边缘部分与阴极催化剂层的边缘部分之间的距离在大约1.5毫米到大约2.5毫米的范围内。
7、一种膜电极组件，包括：
膜层；
与膜层的一个表面相邻的阴极催化剂层；
与膜层的另一表面相邻的阳极催化剂层，其中膜层被布置在阴极催化剂层和阳极催化剂层之间；
与膜层的另一表面相邻的粘合层，其中粘合层与阳极催化剂层的表面相邻接；以及
具有边缘部分的子密封垫层，其中子密封垫层与粘合层的表面相邻，其中粘合层被布置在子密封垫层和膜层之间，
其中相对于子密封垫层的边缘部分，阴极催化剂层和阳极催化剂层沿着膜层的长度延伸，其中相对于子密封垫层的边缘部分，阳极催化剂层比阴极催化剂层沿着膜层的长度延伸更长的长度。
8、根据权利要求7所述的发明，其中一部分粘合层渗入阳极催化剂层以形成粘合渗透层。
9、根据权利要求8所述的发明，其中粘合渗透层被布置在阳极催化剂层和子密封垫层之间。
10、根据权利要求7所述的发明，其中子密封垫层包含从包括聚酯、聚乙烯、聚酰亚胺及其组合物组成的组中选择的材料。
11、根据权利要求7所述的发明，其中子密封垫层的边缘部分和阳极催化剂层的边缘部分之间的距离是在大约0.1毫米到大约5毫米的范围内。
12、根据权利要求7所述的发明，其中子密封垫层的边缘部分与阳极催化剂层的边缘部分之间的距离在大约1.5毫米到大约2.5毫米的范围内。
13、一种膜电极组件，包括：
膜层；
与膜层的一个表面相邻的阳极催化剂层；
与膜层的另一表面相邻的阴极催化剂层，其中膜层被布置在阴极催化剂层和阳极催化剂层之间；
与膜层的所述另一表面相邻的粘合层，其中粘合层与阴极催化剂层的表面相邻接；以及
具有边缘部分的子密封垫层，其中子密封垫层与粘合层的表面相邻，其中粘合层被布置在子密封垫层和膜层之间，
其中相对于子密封垫层的边缘部分，阴极催化剂层和阳极催化剂层沿着膜层的长度延伸，其中相对于子密封垫层的边缘部分，阴极催化剂层比阳极催化剂层沿着膜层的长度延伸更长的长度。
14、根据权利要求13所述的发明，其中一部分粘合层渗入阴极催化剂层以形成粘合渗透层。
15、根据权利要求14所述的发明，其中粘合渗透层被布置在阴极催化剂层和子密封垫层之间。
16、根据权利要求13所述的发明，其中子密封垫层包含从包括聚酯、聚乙烯、聚酰亚胺及其组合物组成的组中选择的材料。
17、根据权利要求13所述的发明，其中子密封垫层的边缘部分和阴极催化剂层的边缘部分之间的距离是在大约0.1毫米到大约5毫米的范围内。
18、根据权利要求13所述的发明，其中子密封垫层的边缘部分与阴极催化剂层的边缘部分之间的距离在大约1.5毫米到大约2.5毫米的范围内。
19、一种膜电极组件，包括：
膜层；
与膜层的一个表面相邻的阳极催化剂层；
与膜层的另一表面相邻的阴极催化剂层，其中膜层被布置在阴极催化剂层和阳极催化剂层之间；
与膜层的所述另一表面相邻的粘合层，其中粘合层与阴极催化剂层的表面相邻接；以及
具有边缘部分的子密封垫层，其中子密封垫层与粘合层的表面相邻，其中粘合层被布置在子密封垫层和膜层之间，
其中相对于子密封垫层的边缘部分，阴极催化剂层和阳极催化剂层沿着膜层的长度延伸，其中相对于子密封垫层的边缘部分，阳极催化剂层比阴极催化剂层沿着膜层的长度延伸更长的长度。
20、根据权利要求19所述的发明，其中一部分粘合层渗入阴极催化剂层以形成粘合渗透层。
21、根据权利要求20所述的发明，其中粘合渗透层被布置在阴极催化剂层和子密封垫层之间。
22、根据权利要求19所述的发明，其中子密封垫层包含从包括聚酯、聚乙烯、聚酰亚胺及其组合物组成的组中选择的材料。
23、根据权利要求19所述的发明，其中子密封垫层的边缘部分和阳极催化剂层的边缘部分之间的距离是在大约0.1毫米到大约5毫米的范围内。
24、根据权利要求19所述的发明，其中子密封垫层的边缘部分与阳极催化剂层的边缘部分之间的距离在大约1.5毫米到大约2.5毫米的范围内。
CN200710100640XA 2006-02-21 2007-02-17 用于改进的膜电极组件耐久性的受控电极重叠结构 Active CN101026241B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US11/358,670 US7955750B2 (en) 2006-02-21 2006-02-21 Controlled electrode overlap architecture for improved MEA durability
US11/358,670 2006-02-21
US11/358670 2006-02-21

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN101026241A true CN101026241A (zh) 2007-08-29
CN101026241B CN101026241B (zh) 2010-07-28

Family

ID=38336232

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN200710100640XA Active CN101026241B (zh) 2006-02-21 2007-02-17 用于改进的膜电极组件耐久性的受控电极重叠结构

Country Status (4)

Country Link
US (1) US7955750B2 (zh)
JP (1) JP4738362B2 (zh)
CN (1) CN101026241B (zh)
DE (1) DE102007008213B4 (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114830388A (zh) * 2019-12-31 2022-07-29 可隆工业株式会社 能够改善燃料电池的反向电压耐久性的膜-电极组件、其制造方法和包括其的燃料电池

Families Citing this family (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8168025B2 (en) * 2006-04-21 2012-05-01 Bdf Ip Holdings Ltd. Methods of making components for electrochemical cells
JP5319073B2 (ja) * 2007-03-20 2013-10-16 帝人デュポンフィルム株式会社 固体高分子電解質膜補強用二軸配向ポリエステルフィルム
WO2009038091A1 (ja) 2007-09-19 2009-03-26 Ulvac, Inc. 太陽電池の製造方法
US8512907B2 (en) * 2007-09-27 2013-08-20 Dai Nippon Printing Co., Ltd. Membrane catalyst layer assembly with reinforcing films, membrane electrode assembly with reinforcing films, and polymer electrolyte fuel cells
US8426078B2 (en) 2007-12-21 2013-04-23 3M Innovative Properties Company Manufacturing of fuel cell membrane electrode assemblies incorporating photocurable cationic crosslinkable resin gasket
CN102077401A (zh) * 2008-06-24 2011-05-25 Utc电力公司 具有来自部分离子交换的提高的耐久性的膜
WO2013044224A2 (en) * 2011-09-22 2013-03-28 Blue Spark Technologies, Inc. Cell attachment method
JP5562924B2 (ja) * 2011-11-28 2014-07-30 本田技研工業株式会社 燃料電池
JP6104050B2 (ja) * 2012-06-29 2017-03-29 本田技研工業株式会社 燃料電池用電解質膜・電極構造体
US9076998B2 (en) 2012-09-12 2015-07-07 GM Global Technology Operations LLC Fuel-cell membrane-subgasket assemblies comprising coated subgaskets, and fuel-cell assemblies and fuel-cell stacks comprising the fuel-cell membrane subgasket assemblies
US9911988B2 (en) * 2012-10-04 2018-03-06 GM Global Technology Operations LLC Subgasket design to dissipate thermal energy generated from catalytic combustion experienced in a PEM fuel cell
DE102012020975A1 (de) * 2012-10-25 2014-04-30 Volkswagen Aktiengesellschaft Membran-Elektroden-Anordnung, Brennstoffzelle mit einer solchen und Kraftfahrzeug mit der Brennstoffzelle
KR101484206B1 (ko) 2013-05-02 2015-01-16 현대자동차 주식회사 연료전지용 막-전극 접합체
JP6245194B2 (ja) * 2015-03-03 2017-12-13 トヨタ自動車株式会社 燃料電池単セル及び燃料電池単セルの製造方法

Family Cites Families (34)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3985578A (en) * 1975-06-27 1976-10-12 General Motors Corporation Tailored-carbon substrate for fuel cell electrodes
AU664703B2 (en) * 1991-06-04 1995-11-30 Ballard Power Systems Inc. Gasketed membrane electrode assembly for electrochemical fuel cells
US5272017A (en) * 1992-04-03 1993-12-21 General Motors Corporation Membrane-electrode assemblies for electrochemical cells
US5528191A (en) * 1994-09-12 1996-06-18 Fuji Photo Film Co., Ltd. Logarithmic amplifier having improved speed response
US5624769A (en) * 1995-12-22 1997-04-29 General Motors Corporation Corrosion resistant PEM fuel cell
US5776624A (en) * 1996-12-23 1998-07-07 General Motors Corporation Brazed bipolar plates for PEM fuel cells
US6103409A (en) * 1998-02-10 2000-08-15 General Motors Corporation Fuel cell flooding detection and correction
US6521381B1 (en) * 1999-03-16 2003-02-18 General Motors Corporation Electrode and membrane-electrode assemblies for electrochemical cells
US6277513B1 (en) * 1999-04-12 2001-08-21 General Motors Corporation Layered electrode for electrochemical cells
US6528191B1 (en) * 1999-10-12 2003-03-04 General Motors Corporation Apparatus for monitoring a hydrogen containing gas stream
US6350539B1 (en) * 1999-10-25 2002-02-26 General Motors Corporation Composite gas distribution structure for fuel cell
US6372376B1 (en) * 1999-12-07 2002-04-16 General Motors Corporation Corrosion resistant PEM fuel cell
US6376111B1 (en) * 2000-01-25 2002-04-23 General Motors Corporation System and method for controlling the humidity level of a fuel cell
US6566004B1 (en) * 2000-08-31 2003-05-20 General Motors Corporation Fuel cell with variable porosity gas distribution layers
US6663994B1 (en) * 2000-10-23 2003-12-16 General Motors Corporation Fuel cell with convoluted MEA
US6524736B1 (en) * 2000-10-18 2003-02-25 General Motors Corporation Methods of preparing membrane electrode assemblies
US6937187B2 (en) * 2000-11-17 2005-08-30 Global Locate, Inc. Method and apparatus for forming a dynamic model to locate position of a satellite receiver
US6777120B2 (en) * 2001-05-23 2004-08-17 General Motors Corporation Relative humidity sensor with compensation for changes in pressure and gas composition
US6630260B2 (en) * 2001-07-20 2003-10-07 General Motors Corporation Water vapor transfer device for a fuel cell power plant
JP4818546B2 (ja) * 2001-08-29 2011-11-16 本田技研工業株式会社 膜・電極構造体
US6811918B2 (en) * 2001-11-20 2004-11-02 General Motors Corporation Low contact resistance PEM fuel cell
US20030221311A1 (en) * 2002-03-20 2003-12-04 Smith Jeffrey A. Fuel cell assembly and sealing
US6824909B2 (en) * 2002-07-09 2004-11-30 General Motors Corporation Low-humidification and durable fuel cell membrane
US6794068B2 (en) * 2002-08-29 2004-09-21 General Motors Corporation Fuel cell stack design and method of operation
US7977005B2 (en) * 2002-10-08 2011-07-12 GM Global Technology Operations LLC Edge-protected catalyst-coated membrane electrode assemblies
US6793544B2 (en) * 2003-02-05 2004-09-21 General Motors Corporation Corrosion resistant fuel cell terminal plates
US6921601B2 (en) 2003-05-16 2005-07-26 General Motors Corporation Fuel cell stack humidification method incorporating an accumulation device
EP1654776B1 (de) 2003-07-14 2013-09-11 Umicore AG & Co. KG Membran-elektroden-einheit für elektrochemische vorrichtungen
US6967039B2 (en) * 2003-07-28 2005-11-22 General Motors Corporation Untreated diffusion media with mesoporous layer and devices incorporating the same
US20050026012A1 (en) * 2003-07-28 2005-02-03 O'hara Jeanette E. Diffusion media tailored to account for variations in operating humidity and devices incorporating the same
US7332240B2 (en) * 2003-07-28 2008-02-19 General Motors Corporation Spatially varying diffusion media and devices incorporating the same
GB0319780D0 (en) * 2003-08-22 2003-09-24 Johnson Matthey Plc Membrane electrode assembly
JP4304101B2 (ja) * 2003-12-24 2009-07-29 本田技研工業株式会社 電解質膜・電極構造体及び燃料電池
US7914943B2 (en) * 2005-08-19 2011-03-29 Daimler Ag Integrated seal for fuel cell assembly and fuel cell stack

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114830388A (zh) * 2019-12-31 2022-07-29 可隆工业株式会社 能够改善燃料电池的反向电压耐久性的膜-电极组件、其制造方法和包括其的燃料电池

Also Published As

Publication number Publication date
US20070196718A1 (en) 2007-08-23
DE102007008213A1 (de) 2007-09-13
DE102007008213B4 (de) 2018-07-12
JP2007242609A (ja) 2007-09-20
CN101026241B (zh) 2010-07-28
US7955750B2 (en) 2011-06-07
JP4738362B2 (ja) 2011-08-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN101026241B (zh) 用于改进的膜电极组件耐久性的受控电极重叠结构
JP4719771B2 (ja) 燃料電池用の電極−膜−枠接合体およびその製造方法、並びに高分子電解質型燃料電池およびその製造方法
RU2507643C2 (ru) Интерконнектор для топливных элементов и способ производства интерконнектора для топливных элементов
US7303832B2 (en) Electrochemical fuel cell comprised of a series of conductive compression gaskets and method of manufacture
JP4416038B2 (ja) 燃料電池
US8232023B2 (en) Fuel cell and method of manufacturing same
US8007949B2 (en) Edge-protected catalyst-coated diffusion media and membrane electrode assemblies
JP2000100457A (ja) 燃料電池
JP2005294155A (ja) セパレータおよび燃料電池
US8986897B2 (en) Fuel cell comprising single layer bipolar plates, water damming layers and MEA of diffusion layers locally treated with water transferring materials, and integrating functions of gas humidification, membrane hydration, water removal and cell cooling
WO2011058677A1 (ja) 燃料電池
JP5838570B2 (ja) 固体高分子形燃料電池における膜電極接合体
JP2009094046A (ja) 燃料電池
JP2007194077A (ja) 燃料電池
JP2007250432A (ja) 燃料電池
JP6115414B2 (ja) 膜電極構造体および膜電極構造体の製造方法
JP5165353B2 (ja) 燃料電池スタック
JP2010205428A (ja) 燃料電池
JP2005222809A (ja) 燃料電池
JP2008226601A (ja) 膜−膜補強部材接合体、膜−触媒層接合体、膜−電極接合体、高分子電解質形燃料電池、及び膜−膜補強部材接合体の製造方法
CN114830389A (zh) 膜电极接合体以及燃料电池
JP5316648B2 (ja) 燃料電池
JP2008159289A (ja) 燃料電池
JP2011108405A (ja) 燃料電池
JP2009252667A (ja) 燃料電池

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant