CN101278429A - 用于燃料电池的垫圈子组件 - Google Patents

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Abstract

本发明为包括膜电极组件及垫圈的电化学装置子组件。所述膜电极组件包括电解质膜，所述电解质膜具有第一主表面、与所述第一主表面相对的第二主表面以及周边边缘。垫圈在所述周边边缘与所述电解质膜的第一主表面相邻，并具有多个重复结构从所述垫圈表面延伸，延伸长度大于约250微米。

Description

用于燃料电池的垫圈子组件
发明背景
燃料电池是电化学装置，其可通过燃料(例如氢)和氧化剂(例如氧气)的催化组合物生成可用的电力。与传统的动力设备相比(例如内燃发电机)，燃料电池不会利用燃烧。因此，燃料电池排放的有害流出物很少。燃料电池将氢燃料和氧气直接转换为电力，并且与内燃发电机相比运转效率更高。由于单个燃料电池不会产生太多能量(例如介于约0.7至0.9伏特之间)，因而可以叠堆形式排布多个燃料电池以生成足够的电力来运转机动车辆以及向远处场所提供电力。
燃料电池(如质子交换膜(PEM)燃料电池)通常包含由位于一对气体扩散层之间的催化剂涂敷膜形成的膜电极组件(MEA)。催化剂涂敷膜本身通常包括一张位于一对催化剂层之间的电解质膜。电解质膜的两面分别称为阳极部分和阴极部分。在典型的PEM燃料电池中，将氢燃料引入阳极部分，氢发生反应并分离为质子和电子。电解质膜将质子传送到阴极部分，同时让电子流通过外部电路流动到阴极部分以产生电能。将氧气引入阴极部分，与质子和电子发生反应产生水和热能。
MEA通常由垫圈密封以防止受压气体逸出。通常通过在电极板之间压缩垫圈及MEA来形成密封结构。然而，该方法存在一个常见问题，即装配者可能会过度压缩MEA以确保密封结构不会泄露。因此，过度压缩可能会让MEA的阳极部分和阴极部分穿过各自的电解质膜相接触，从而导致电短路。
发明内容
本发明为包括MEA及垫圈的电化学装置子组件。MEA包括电解质膜，所述电解质膜具有第一主表面以及与第一主表面相对的第二主表面，还具有周边边缘。垫圈设置在电解质膜的周边边缘处与第一主表面相邻，并具有多个重复结构从垫圈表面延伸，延伸长度大于约250微米。折转的结构可使垫圈起到密封作用，从而在使用过程中防止受压气体从MEA逸出，同时还降低了制造过程中过度压缩MEA的风险。
在一个实施例中，本发明也可能包括设置在电解质膜周边边缘、靠近第二主表面的第二垫圈。第二垫圈也可能具有多个折转的结构，所述结构从第二垫圈表面延伸，延伸长度大于约250微米。本发明还涉及形成子组件的方法以及包括所述子组件的电化学装置(例如燃料电池)。
附图简要说明
图1a为本发明电化学装置子组件周边部分在未压缩状态下的剖视图。
图1b为本发明电化学装置子组件周边部分在压缩状态下的剖视图。
图2a为本发明备选电化学装置子组件周边部分未压缩状态的剖视图。
图2b为本发明备选电化学装置子组件周边部分压缩状态的剖视图。
图3a为本发明第二备选电化学装置子组件周边部分未压缩状态的剖视图。
图3b为本发明第二备选电化学装置子组件周边部分压缩状态的剖视图。
图4a-4d为在本发明电化学装置子组件垫圈中适用的转折结构的俯视示意图。
图5为用于形成在本发明电化学装置子组件中使用的垫圈薄膜的适用挤出系统的示意图。
图6为用于形成在本发明电化学装置子组件中使用的垫圈薄膜的适用包衣系统的示意图。
除以上图中提出的本发明的数个实施例之外，还可以想到其它的实施例，将在讨论中指出。在所有情况下，本公开内容仅仅示例性而非限制性地描述本发明。应该理解，本领域的技术人员可以设计出大量其它修改形式和实施例，这些修改形式和实施例均属于本发明的范围之内并符合本发明的原理的精神。这些图可能未按比例绘制。所有图中采用类似的参考号码来指示类似的部件。
发明详述
图1a和1b为本发明电化学装置子组件10的周边部分的剖视图，其中图1a图示了制造过程中未压缩状态的子组件10，而图1b则图示了在电化学装置(诸如燃料电池)中使用的压缩状态的子组件10。图1a和1b中所示的子组件10的周边部分是子组件10整个周边的代表性部分。
如图1a所示，子组件10包括MEA 12、阳极垫圈14、阴极垫圈16、阳极电极板18以及阴极电极板20。MEA 12、阳极垫圈14以及阴极垫圈16设置于阳极电极板18和阴极电极板20之间。阳极垫圈14和阴极垫圈16以背靠背取向以相反的方向相对，并且与MEA 12大致处于同一个平面。如下所述，当在燃料电池中使用子组件10时，阳极电极板18和阴极电极板20将与MEA 12、阳极垫圈14以及阴极垫圈16压缩在一起。压缩将在阳极垫圈14和阳极电极板18之间生成第一密封结构，并在阴极垫圈16和阴极电极板20之间生成第二密封结构。密封结构可防止受压气体在操作过程中从子组件10逸出。
MEA 12是子组件10的一部分，它通过将燃料分离为氢离子(H+)和电子(e-)来在操作过程中生成电流。MEA 12包括电解质膜22、阳极催化剂层24、阴极催化剂层26、阳极气体扩散层28、阴极气体扩散层30以及子垫圈31a和31b。电解质膜22包括第一表面22a和第二表面22b(它们是相对的主表面)，还包括周边边缘22c(它限定电解质膜22的外部周边)。电解质膜22的适用材料实例包括酸官能团的氟聚合物，例如四氟乙烯的共聚物以及一种或多种氟化的、酸官能团的共聚单体。可商购获得的适用材料的实例包括出自DuPont Chemicals(Wilmington，DE)的氟聚合物，商品名称为“NAFION”。
阳极催化剂层24的位置邻近第一表面22a，而阴极催化剂层26的位置邻近第二表面22b。阳极催化剂层24和阴极催化剂层26的适用材料的实例包括碳基催化剂颗粒，碳基催化剂颗粒包括碳颗粒和催化剂金属，而催化剂金属包括用于阳极催化剂层的铂和钌以及用于阴极催化剂层的铂。也可将催化剂材料作为催化剂墨水施加于电解质膜22上，催化剂墨水包括分散于水性或一元醇分散体中的催化剂颗粒和电解质膜材料。
阳极气体扩散层28的位置邻近阳极催化剂层24，与电解质膜22相对。与之相似，阴极气体扩散层30的位置邻近阴极催化剂层26，与电解质膜22相对。可从任何适用的导电多孔基底(诸如碳纤维构造(例如织造和非织造碳纤维构造))分别形成阳极气体扩散层28和阴极气体扩散层30，也可将它们进行处理以增强或具备不易沾水性。
子垫圈31a和31b为薄层垫圈，可提供额外的密封保护并在周边部分22c处加强电解质膜22。如图1a所示，子垫圈31a固定到第一表面22a，而子垫圈31b固定到第二表面22b。虽然未在图1a中示出，但子垫圈31a也可在阳极催化剂层24和阳极气体扩散层28之间部分地延伸，同时子垫圈31b也可能在阴极催化剂层26和阴极气体扩散层30之间部分地延伸。这增加了阳极气体扩散层28和阴极气体扩散层30之间的密封性，从而防止燃料和氧化剂在MEA12以外混合。在共同转让的申请中美国专利申请(代理人案卷号59691US002)中公开了子垫圈31a及31b的适用子垫圈实例。
MEA 12适用厚度12t的实例的范围为约200微米至约1000微米，尤其适用的MEA 12厚度12t的范围为约300微米至约500微米。本文所讨论的所有厚度均是指未压缩状态的厚度(即其中的阳极电极板18和阴极电极板20未压缩在一起)，并且均以图1a中沿着轴A的方向测量。
在电解质膜22的周边边缘22c上，阳极垫圈14和阴极垫圈16被分别固定到子垫圈31a和31b上。这允许阳极垫圈14和阴极垫圈16密封子组件10的整个周边。阳极垫圈14包括基层32和弹性体层34，而阴极垫圈16包括基层36和弹性体层38。阳极垫圈14和阴极垫圈16也可能包括位于各自的基层和弹性体层之间的粘接剂层(未示出)，以降低夹层剥离的风险。
基层32和38为低压缩层，可用作张力控制的急停装置，限制施加到MEA 12的压缩力，并在制造过程中为处理子组件10提供方便。弹性体层34和38为可压缩层，它们分别包括折转的结构40和42。重复结构40和42通过图1a中的侧面剖视图示出。如果从上往下看，折转的结构40和42将呈现重复的图案(例如六边形)，由弹性体层34和38整体地形成。如下所述，折转的结构40和42的重复几何图案增强了由阳极垫圈14和阴极垫圈16形成的密封结构的耐久性。
如图1a中进一步所示，电解质膜22的周边边缘22c不会与阳极垫圈14和阴极垫圈16共同延伸。因此，阳极垫圈14和阴极垫圈16将延伸出周边边缘22c并超出周边边缘22c固定在一起。具体地讲，基层32在周边边缘22c处固定到子垫圈31a上，并超出周边边缘22c固定到基层36上。与之相似，基层36在周边边缘22c处固定到子垫圈31b上(并相应地超出周边边缘22c固定到基层32上)。基层32及34也可能通过粘接剂层(未示出)固定到一起，并固定到子垫圈31a和31b上。
基层32和36的适用层厚度32t和36t的实例的范围为约20微米至约130微米。弹性体层34和38的适用层厚度34t和36t(不包括重复结构40和42)的实例的范围亦为约20微米至约130微米。重复结构40和42的适用厚度40t和42t的实例均包括大于约250微米的厚度，该厚度分别从弹性体层34和38的表面测量。尤其适用的厚度40t和42t的实例的范围各为大于约250微米至约2000微米，而更为合适的厚度范围为大于约250微米至约500微米。另外，阳极垫圈14和阴极垫圈16的厚度总和(即，厚度32t、34t、36t、38t、40t和42t的总和)有利地至少大于MEA 12厚度12t的约20％。
阳极电极板18和阴极电极板20为燃料电池的导电电极板，它们为MEA 12提供结构上的支撑。阳极电极板18包括接触表面44和凹面46，而阴极电极板20包括接触表面48和凹面50。接触表面44为阳极电极板18的一部分，紧压着MEA 12的阳极气体扩散层28，而凹面46为阳极电极板18的一部分，紧压着阳极垫圈14的重复结构40。与之相似，接触表面48为阴极电极板20的一部分，紧压着MEA 12的阴极气体扩散层30，而凹面50为阴极电极板20的一部分，紧压着阴极垫圈16的重复结构42。
凹面46和50分别从接触表面44和48偏移以适应阳极垫圈14和阴极垫圈16的尺寸。凹面46有利地从接触表面44偏移，这样重复结构40与凹面46之间的间隙就小于MEA 12的阳极气体扩散层28与接触表面44之间的间隙。与之相似，凹面50也有利地从接触表面48偏移，这样重复结构42与凹面50之间的间隙就小于MEA 12的阴极气体扩散层30与接触表面48之间的间隙。这允许在接触表面44和48接触MEA 12之前或同时形成密封结构。因此可最小化施加到MEA 12的压缩量，从而降低过压缩MEA 12的风险。
阳极电极板18和阴极电极板20的适用厚度18t和20t的实例的范围均为约1500微米至约2100微米。凹面46和48从接触表面44和48起的适用偏移距离46t和48t的实例的范围各分别为约50微米至约1300微米，尤其适用的偏移距离46t和48t的范围为约100微米至约400微米。
子组件10在图1a中以对称组件示出，作为另一种选择，32t-42t中的一个或多个厚度可能彼此不同。例如，重复结构40和42的厚度40t和42t可以是不同的，从而改变密封图案。作为另外一种选择，凹面46和50各自从接触表面44和48起的偏移距离46t和50t可以是不同的。
阳极电极板18和阴极电极板20均也包括流动通道(未示出)，用于将燃料和氧化剂引导至MEA 12。具体地讲，阳极电极板18提供流动通道以向MEA 12提供燃料，而阴极电极板20提供流动通道以向MEA 12提供氧化剂并用于清除MEA 12内电化学反应过程中形成的水。
根据燃料电池的构造，阳极电极板18和阴极电极板20可能是单极性板或双极性板。如果燃料电池为单电池主体，则阳极电极板18及阴极电极板20为单极性板，其中阳极电极板18用作阳极电极而阴极电极板20用作阴极电极。作为另外一种选择，如果燃料电池为燃料电池叠堆的一部分，则阳极电极板18和阴极电极板20可能为双极性板，其中每个板用作第一燃料电池的阳极电极以及相邻燃料电池的阴极电极。例如，阳极电极板18可用作包含子组件10的第一燃料电池的阳极电极，同时还可用作靠近第一燃料电池的第二燃料电池(与阳极电极板18相对)的阴极电极。
如图1a所示，可通过相对于MEA 12、阳极垫圈14和阴极垫圈16定位阳极电极板18和阴极电极板20来装配子组件10。然后可将阳极电极板18和阴极电极板20压缩到一起。在阳极电极板18朝向MEA 12以及阳极垫圈14压缩时，重复结构40将接触凹面46，并会被压缩以形成第一密封结构。与之相似，在阴极电极板20朝向MEA 12以及阴极垫圈16压缩时，重复结构42将接触凹面50，并会被压缩以形成第二密封结构。
如图1b所示，当阳极电极板18和阴极电极板20接触MEA12时，已在重复结构40、42及凹面48、50之间形成了密封结构。压缩可一直进行直到MEA 12、阳极电极板18和阴极电极板20三者之间分别形成良好的电接触。然而，形成密封结构并不需要额外的压缩。
在包含子组件10的燃料电池的操作过程中，燃料(例如氢气)通过阳极电极板18的流动通道引入，并到达阳极气体扩散层28。作为选择，MEA 12可使用其它燃料源，例如甲醇、乙醇、甲酸和重整气。燃料经过阳极气体扩散层28并穿越阳极催化剂层24。在阳极催化剂层24，燃料被分离为氢离子和电子。电解质膜22仅允许氢离子通过并接触阴极催化剂层26和阴极气体扩散层30。电子无法通过电解质膜22。同样地，电子以电流的形式流经阳极电极板18与阴极电极板20之间的外部电路(未示出)。该电流可为电气负载(例如电动机)提供动力，或者可将之引导至一个能量存储装置(例如可充电电池)。氧化剂(例如氧气)通过阴极电极板20的流动通道引入，并到达阴极气体扩散层30。氧化剂经过阴极气体扩散层30并穿越阴极催化剂层26。在阴极催化剂层26，氧化剂、氢离子和电子相组合生成水和热。然后，生成的水将通过阴极电极板20中的另一个流动通道流出燃料电池。此外，由阳极垫圈14和阴极垫圈16提供的密封结构将防止受压的燃料和氧化剂逸出子组件10。
在子组件10的可供选择的实施例中，电解质膜22的周边边缘22c与阳极垫圈14和阴极垫圈16共同延伸。因此，基层32和36将被基本上固定到周边边缘22c上。在第二个可供选择的实施例中，可能在没有基层32和36的情况下形成阳极垫圈14和阴极垫圈16。这将降低制造阳极垫圈14和阴极垫圈16的成本。在第三个可供选择的实施例中，阳极电极板18和阴极电极板20可能是不包含凹面46和50的标准电极板。当阳极电极板18和阴极电极板20压缩在一起时，该实施例将向阳极垫圈14和阴极垫圈16施加更高的压缩力。
图2a和2b为电化学装置子组件110周边部分的剖视图，其为本发明可供选择的子组件。图2a图示制造过程中未压缩状态的子组件110，而图2b图示在电化学装置中使用的压缩状态的子组件110。如图2a所示，子组件110与子组件10相似(各个参考标号增加了100)，不同的是阳极垫圈114固定到阳极电极板118的凹面146上，而阴极垫圈116固定到阴极电极板120的凹面150上。这与子组件10的阳极垫圈14和阴极垫圈16的所示背靠背取向形成对比。阳极垫圈114和阴极垫圈116也可使用粘接剂层(未示出)分别固定到凹面146和150上。阳极垫圈114和阴极垫圈116为子组件110提供密封结构，并采用与上述图1a和1b中的阳极垫圈14和阴极垫圈16所用方式相同的方式降低过度压缩MEA 112的风险。
子组件110可通过将阳极电极板118和阴极电极板120压缩到一起来装配。在阳极电极板118朝向MEA 112压缩时，重复结构140将在电解质膜122的周边边缘122c接触子垫圈131a。这将在周边边缘122c压缩重复结构140并使其变形。与之相似，在阴极电极板120朝向MEA 112压缩时，重复结构142将在电解质膜122的周边边缘122c接触子垫圈131b。这将在周边边缘122c压缩重复结构142并使其变形。此外，重复结构140也会超出周边边缘122c接触重复结构142，这将压缩重复结构140和142的这些部分并使其变形。这在重复结构140和142之间形成密封结构，从而防止受压气体逸出子组件110。
如图2b所示，当阳极电极板118和阴极电极板120接触MEA112时，就已经在重复结构140和142之间形成密封结构。压缩可一直进行直到MEA 112、阳极电极板118和阴极电极板120三者之间分别形成良好的接触。然而，形成密封结构并不需要额外的压缩。然后可采用与上述图1b中方式相同的方式在燃料电池中使用子组件110。
图3a和图3b为电化学装置子组件210周边部分的剖视图，其为本发明另一个可供选择的子组件。图3a图示制造过程中未压缩状态的子组件210，而图3b图示在电化学装置中使用的压缩状态的子组件210。如图3a所示，子组件210也与子组件10相似(各个参考标号增加了200)，不同的是阳极垫圈214和阴极垫圈216没有固定到电解质膜222上。相反，电解质膜222的周边边缘222c是弯曲的，从而在阴极垫圈216和阴极电极板220之间延伸。该构造允许周边边缘222c继续作为引入MEA 212的燃料和氧化剂之间的屏蔽装置。在该实施例中，阳极垫圈214和阴极垫圈216为子组件210提供密封结构，同时也采用与上述图1a和1b中的阳极垫圈14和阴极垫圈16所用方式相似的方式降低过度压缩MEA 212的风险。在一种可供选择的构造中，周边边缘222c可在阳极垫圈214和阳极电极板218之间延伸。另外，周边边缘222c也可能设置在一对子垫圈(与上述图1a中的子垫圈31a和31b相似)之间。
可通过在凹面246和248之间定位阳极垫圈214和阴极垫圈216来装配子组件210，这样阳极垫圈214和阴极垫圈216将邻近电解质膜222的周边边缘222c，如图3a所示。因为阳极垫圈214和阴极垫圈216无需连接到电解质膜222，这减少了制造子组件210所需的时间，因此该实施例是有利的。在插入阳极垫圈214和阴极垫圈216之后，阳极电极板218和阴极电极板220可能会压缩在一起，这会以与上述图1a和1b中的重复结构40和42所用方式相似的方式，压缩重复结构240和242并使其变形以形成密封结构。另外，压缩将在阳极电极板218和阴极电极板220之间保留阳极垫圈214和阴极垫圈216。
如图3b所示，当阳极电极板218和阴极电极板220接触MEA212时，已经在电解质膜222的周边边缘222c、重复结构240和242以及凹面248和250之间形成密封结构。压缩可一直进行直到MEA 212、阳极电极板218和阴极电极板220三者之间分别形成良好的电接触。然而，形成密封结构并不需要额外的压缩。然后可采用与上述图1b中方式相同的方式在燃料电池中使用子组件210。
在子组件210可供选择的实施例中，可在没有基层232或236的情况下形成阳极垫圈214和阴极垫圈216。在该实施例中，阳极垫圈214和阴极垫圈216可分别仅包括弹性体层34和38，其中弹性体层34和38具有的厚度占用了基层232和236缺少的厚度。另外，在重复结构240及242从相对表面延伸的情况下，阳极垫圈214和阴极垫圈216可形成为单个弹性体层。此外，作为选择，电解质膜222的周边边缘222c的延伸范围可小于阴极垫圈216和凹面250之间的整个区域(即不与阴极垫圈216共同延伸)。这允许阴极垫圈250的一部分直接压缩凹面250以形成密封结构。
图4a-4d为重复结构40的不同重复几何图案的俯视图。虽然图4a-4d中所示重复图案是指重复结构40，但是重复图案适用于本发明的所有实施例(例如重复结构40、42、140、142、240和242)。图4a和4b示出重复六边形图案的重复结构40，图4c示出重复七边形图案的重复结构40，而图4d则示出重复正方形图案的重复结构40。重复结构40也可能包括不同重复图案的组合。
如图4a-4d所示，重复结构40包括壁40a(可在图1a和1b中看到的重复结构40的一部分)以及壁40a相交的交点40b。除了上述适用的尺寸之外，重复结构40可有利地包括重复图案，其中在任何给定交点40b相交的壁40a不超过三个或四个。这增强了可压缩性和可塑性，并将所施加的压力分散，从而保持重复结构40的耐用性。重复结构40重复图案的中心至中心适用距离的实例的范围为约1200微米至约3200微米。每个壁40a的适用厚度的实例的范围为约250微米至约500微米。
当在相应的垫圈(例如阳极垫圈14和阴极垫圈16)中切割出孔时，重复结构40也是有利的。可在垫圈中切割出孔以容纳燃料电池的各种组件。当在传统垫圈中切割出孔时，通常会在孔附近设置O形环以防止密封结构发生泄露。然而，当在重复结构40中切割出孔时，则不再需要O形环，因为所切割孔周围的壁40a会自动形成有效防止泄漏的密封结构。这会减少制造本发明子组件10所需的精力和时间。为了保持有效的密封效果，子组件10的垫圈有利地在相应垫圈的任何两个开口和/或边缘之间包括约一个至约十个重复图案。更为有利地，所述垫圈在相应垫圈的任何两个开口和/或边缘之间包括约二个至约五个重复图案。
弹性体层适用材料的实例包括弹性体材料，诸如橡胶、硅氧烷弹性体、热塑性弹性体、热固性弹性体、弹性体粘接剂、含苯乙烯两嵌段和三嵌段共聚物以及它们的组合。适用材料组合的实例包括比重占约60％的可熔融加工的热塑性弹性体(可从Advanced ElastomerSystems(Akron，OH)商购获得，商品名为“SANTOPRENE 101-64”)，以及比重占约40％的直链苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯三嵌段共聚物(可从Dexco Polymers(Houston，TX)商购获得，商品名为“VECTOR4211”)。
如上所述，基层与弹性体层相比具有较低的可压缩性。术语“可压缩性”在本文是指一种材料在承受施用的压力时表现的变形量。基层适用材料的实例包括聚烯烃(例如聚丙烯和聚乙烯)、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯以及它们的组合。适用的材料可让基层具备低可压缩性，这样基层可在制造过程中用作张力控制的急停装置。低可压缩性也使垫圈在装配前更易于处理。
可通过构造一层垫圈薄膜来形成适用于本发明的垫圈(例如阳极垫圈14)，该垫圈薄膜包括弹性体层(例如弹性体层34)、基层(例如基层32)以及位于弹性体层和基层之间的可选粘接剂层。可采用多种方式加工垫圈薄膜，例如挤出、滴液浇注、压延、涂层以及它们的组合。例如，在一个实施例中，可通过共同挤压材料来形成基层及弹性体层，从而形成垫圈薄膜。然后可在弹性体层中形成重复结构(例如重复结构40)，形成方式包括压缩模制、注塑成型、压花以及它们的组合。在一个可供选择的实施例中，在把弹性体层固定到基层上之前，可在弹性体层中形成重复结构。在该实施例中，随后可能将包含重复结构的弹性体层层合到基层上以形成垫圈薄膜。
在制造后，可将垫圈薄膜切割或以其他方式分离为各个垫圈(例如阳极垫圈14和阴极垫圈16)。然后可将垫圈连接到电解质膜的周边边缘(例如周边边缘22c)。该操作可通过在电解质膜的周边边缘将垫圈薄膜的基层连接到电解质膜的相对表面来完成。作为另外一种选择，如上述图1a-2b中所示，垫圈薄膜的基层可能连接到子垫圈(例如子垫圈31a和31b)，同时子垫圈相应地在电解质膜的周边边缘固定到电解质膜相对表面的薄膜上。然后如上所述，可将所得子组件压缩以形成密封结构。
图5为挤出体系300的示意图，其为以连续方法形成垫圈(例如阳极垫圈14)的适用体系。挤出体系300包括挤出机302和304、颈管306和308、供料块310以及辊体系312。挤出机302和304为单螺杆挤出机(例如Davis-Standard Corporation出品的1.25英寸或1.5英寸直径的挤出机)，用于熔融和共挤弹性体层及基层的材料。颈管306和308分别将挤出机302和304连接到进料块310。
挤出机302熔融并挤压弹性体层材料通过颈管306进入进料块310中。与之相似，挤出机304熔融并挤压基层材料通过颈管308进入进料块310中。进料块310将把接纳的材料定向并生产垫圈薄膜314，其包括基层316及弹性体层318。然后可把垫圈薄膜314滴液浇注到辊体系312上。在一个可供选择的实施例中，挤出体系300可能仅包括挤出机302以挤出弹性体层318。在该实施例中，可能以薄膜的形式提供基层316，然后可在进入辊体系312前层合到弹性体层318。
辊体系312包括浇铸辊320、轧辊322及324和空转辊326。浇铸辊320包括成图案的套管328，其设置在浇铸辊320环形表面的周围。成图案的套管328可能是由工具加工的金属套管或固体聚合物薄膜(例如聚氨酯)，包含与弹性体层的重复结构(例如重复结构40和42)相反的重复图案。轧辊322和324为邻近浇铸辊320的光滑辊，可向垫圈薄膜314施加压力(例如约100磅/线性英寸至约400磅/线性英寸)。垫圈薄膜314会被导向，使弹性体层318面向浇铸辊320，而基层316面向轧辊322。
在垫圈薄膜314进入浇铸辊320和轧辊322之间时，轧辊322把垫圈薄膜314紧压在浇铸辊320的成图案套管328上。在成图案套管328的转折图案中将对弹性体层318的各部分施加压力，形成弹性体层318中的重复结构。浇铸辊320及轧辊322和324有利地维持在高温下(例如约65℃)，有助于重复结构的形成。在从浇铸辊320和轧辊324之间经过后，垫圈薄膜314将从成图案套管328上脱离。然后所得的具有重复结构的垫圈薄膜314会从空转辊326上经过并缠绕在卷轴上。然后垫圈薄膜314可分离为独立的垫圈并连接到电解质膜上，从而在上述电化学装置子组件中提供耐用密封结构。
图6为涂层体系400的示意图，其为以连续方法形成垫圈(例如阳极垫圈14)的另一个适用体系。涂层体系400包括两组件式分配器402、供料轴404、接纳轴406、空转辊408及410，还有轮子体系412。两组件式分配器402是分配器和静态搅拌器，适用于组合两部分材料(例如硅氧烷弹性体)，从而形成弹性体层414。进料轴404为基层416薄膜的进料源。基层416的薄膜可从进料轴404上退绕并经过空转辊408的上方，从而在轮子体系412接触弹性体层414的材料。
轮子体系412包括轧辊418及420、鼓轮422以及加热灯体系424。轧辊418及420为邻近鼓轮422的光滑辊，可向弹性体层414和基层416施加压力(例如约20磅/线性英寸)。鼓轮422包括成图案的套管426，其位于鼓轮422的环形表面附近。成图案的套管426可能是由工具加工的金属套管或固体聚合物薄膜(例如聚氨酯)，包含与弹性体层的重复结构(例如重复结构40和42)相反的重复图案。加热灯体系424为加热源的环，在鼓轮422的环形表面附近延伸并径向地向内把热量施加到鼓轮422。例如，加热灯系统424可能为红外线灯组成的环，在鼓轮422的附近将温度维持在约70℃。
在图6所示的实施例中，鼓轮422以逆时针方向机械式旋转。这将使来自两组件式分配器402的位于鼓轮422上的弹性体层414的材料在轧辊418及鼓轮422之间受到压力。与之相似，基层416的薄膜以逆时针方向在轧辊418周围延伸，从而也会在轧辊418和鼓轮422之间受到压力。因此，弹性体层414将层合到基层416的薄膜上，其中弹性体层414的材料将朝向鼓轮422的成图案套管426，而基层416的薄膜将朝向轧辊418。
在弹性体层414的材料及基层416的薄膜从轧辊418及鼓轮422之间经过时，轧辊418将把弹性体层414的材料紧压在鼓轮422的成图案套管426上。弹性体层414的材料的各部分在成图案套管426的转折图案中受压，形成弹性体层414中的转折结构。弹性体层414的材料和基层416的薄膜围绕鼓轮422旋转时，加热灯体系424会固化弹性体层414的材料。这将形成具有弹性体层414(带重复图案)的垫圈薄膜428，且弹性体层414已层合到基层416上。
垫圈薄膜428在绕鼓轮422旋转并在轧辊420和鼓轮422之间经过之后，将脱离成图案的套管426。然后，所得到的具有重复结构的垫圈薄膜428可经过空转辊410的上方并缠绕在接纳轴406上。然后垫圈薄膜428可分离为独立的垫圈并连接到电解质膜上，从而在上述电化学装置子组件中提供耐用密封结构。
上述图5和6中所示连续方法不仅适用于形成用于本发明子组件(例如子组件10)的垫圈薄膜，该连续方法还适用于形成普通转让的美国专利申请公开No.2003/0211378(Wald等人)中公开的垫圈薄膜。
尽管本发明参考优选的实施例叙述，本领域技术人员应该认识到在形式上和细节上可以变化而不脱离本发明的精神和范围。

Claims (23)

1.一种电化学装置子组件，所述电化学装置子组件包括：
膜电极组件，包括电解质膜，所述电解质膜具有第一主表面、与所述第一主表面相对的第二主表面以及周边边缘；以及
放置在所述周边边缘邻近所述电解质膜的所述第一主表面附近的第一垫圈，所述第一垫圈具有第一垫圈表面以及多个第一重复结构，所述第一重复结构从所述第一垫圈表面延伸，延伸长度大于约250微米。
2.根据权利要求1所述的电化学装置子组件，其中所述第一垫圈包含基层以及弹性体层，其中所述弹性体层连接到所述基层，其中所述弹性体层包括所述第一垫圈表面以及所述第一重复图案，并且其中所述基层的可压缩性比所述弹性体层低。
3.根据权利要求2所述的电化学装置子组件，其中所述基层选自由聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚丙烯、聚乙烯、聚碳酸酯、聚酸亚胺以及它们的组合组成的组。
4.根据权利要求2所述的电化学装置子组件，其中所述第一垫圈还包含粘接剂层。
5.根据权利要求1所述的电化学装置子组件，其中所述第一垫圈在所述周边边缘连接到所述电解质膜的所述第一主表面。
6.根据权利要求1所述的电化学装置子组件，还包含邻近所述第一垫圈的电极板，其中所述电极板具有邻近所述第一垫圈的凹面。
7.根据权利要求1所述的电化学装置子组件，还包含在所述周边边缘邻近所述电解质膜的所述第二主表面的第二垫圈，所述第二垫圈具有第二垫圈表面及多个第二重复结构，所述第二重复结构从所述第二垫圈表面延伸，延伸长度大于约250微米。
8.根据权利要求7所述的电化学装置子组件，还包含第一电极板和第二电极板，其中所述第一电极板邻近所述第一垫圈而所述第二电极板则邻近所述第二垫圈。
9.根据权利要求8所述的电化学装置子组件，其中所述第一电极板具有邻近所述第一垫圈的第一凹面，而所述第二电极板具有邻近所述第二垫圈的第二凹面。
10.一种电化学装置子组件，所述电化学装置子组件包括：
具有第一未压缩状态厚度的膜电极组件，所述膜电极组件包括：
电解质膜，所述电解质膜具有第一主表面、与所述第一主表面相对的第二主表面以及周边边缘；
邻近所述电解质膜的所述第一主表面的阳极催化剂层；
邻近所述电解质膜的所述第二主表面的阴极催化剂层；
邻近所述阳极催化剂层的阳极气体扩散层，与所述电解质膜相对；以及
邻近所述阴极催化剂层的阴极气体扩散层，与所述电解质膜相对；
在所述周边边缘邻近所述电解质膜的所述第一主表面的第一垫圈，所述第一垫圈具有第一重复结构和第二未压缩状态厚度；以及
在所述周边边缘邻近所述电解质膜的所述第二主表面的第二垫圈，所述第二垫圈具有第二重复结构和第三未压缩状态厚度，其中所述第二未压缩状态厚度和所述第三未压缩状态厚度的总和至少比所述第一未压缩状态厚度大大约20％。
11.根据权利要求10所述的电化学装置子组件，其中所述第一垫圈具有第一垫圈表面，且所述第一重复结构从所述第一垫圈表面延伸，延伸长度大于约250微米。
12.根据权利要求10所述的电化学装置子组件，其中所述第一垫圈包含基层和连接到所述基层的弹性体层，其中所述弹性体层包括所述第一垫圈表面和所述第一重复图案，并且其中所述基层的可压缩性比所述弹性体层低。
13.根据权利要求12所述的电化学装置子组件，其中所述基层选自由聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚丙烯、聚乙烯、聚碳酸酯、聚酸亚胺以及它们的组合组成的组。
14.根据权利要求10所述的电化学装置子组件，还包括第一电极板和第二电极板，其中所述第一电极板邻近所述第一垫圈及所述阳极气体扩散层，而所述第二电极板则邻近所述第二垫圈及所述阴极气体扩散层。
15.根据权利要求14所述的电化学装置子组件，其中所述第一电极板具有邻近所述第一垫圈的第一凹面，而所述第二电极板具有邻近所述第二垫圈的第二凹面。
16.根据权利要求10所述的电化学装置子组件，其中所述第一垫圈在所述周边边缘连接到所述电解质膜的所述第一主表面，并且其中所述第二垫圈在所述周边边缘连接到所述电解质膜的所述第二主表面。
17.一种制作电化学装置子组件的方法，所述方法包括：
构造包括具有重复结构的弹性体层的垫圈薄膜；
将所述垫圈薄膜至少分离为第一部分和第二部分；
在所述电解质膜的周边边缘将所述垫圈薄膜的第一部分连接到所述电解质膜的第一主表面；以及
在所述电解质膜的所述周边边缘将所述垫圈薄膜的所述第二部分连接到所述电解质膜的第二主表面。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述垫圈薄膜还包括固定到所述弹性体层上的基层，所述基层的可压缩性比所述弹性体层低。
19.根据权利要求17所述的方法，其中所述垫圈薄膜的所述第一部分具有第一垫圈表面并且所述第一部分的所述重复结构从所述第一垫圈表面延伸，延伸长度大于约250微米，并且其中所述垫圈薄膜的所述第二部分具有第二垫圈表面并且所述第二部分的所述重复结构从所述第二垫圈表面延伸，延伸长度大于约250微米。
20.根据权利要求17所述的方法，其中构造所述垫圈薄膜的方式选自由挤出、滴液浇注、压延、涂层以及它们的组合组成的组。
21.根据权利要求17所述的方法，还包括在所述弹性体层中形成所述重复结构。
22.根据权利要求21所述的方法，其中形成所述重复结构的方式选自由压缩模制、注塑成型、压花以及它们的组合组成的组。
23.根据权利要求17所述的方法，其中所述基层选自由聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚丙烯、聚乙烯、聚碳酸酯、聚酸亚胺以及它们的组合组成的组。
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