CN101351915A - 超声焊接燃料电池的组合电极组件 - Google Patents

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Abstract

适用于燃料电池的组合电极组件(9)包括第一GDL(23)、PEM(28)以及第二GDL(12)，其中电极催化剂(27，30)设置在所述PEM和每一所述GDL之间，所述层(23，27，30，12)从UEA的每一边缘由热塑性聚合物浸渍足够的距离，从而形成流体密封(13)。UEA由下述过程形成，该过程包括制备由所述层(23，27，28，30和33)中的一些层或所有层构成的层状结构，其中热塑性聚合物薄膜(22，25，32，35)从所述层状结构的边缘向内延伸足够的距离，以形成密封，所述热塑性聚合物薄膜设置在每一电极和邻近的GDL之间和/或设置在每一GDL和位于层状结构顶部和底部上的释放薄膜(21，36)之间。由固定器(19)和砧(40)之间的力压缩的层状结构通过超声振动加热，从而导致所述热塑性聚合物熔化并且浸渍具有薄膜(22和/或25；32和/或35)的UEA的层(23，27，30，12)。

Description

超声焊接燃料电池的组合电极组件
技术领域
本发明涉及适于燃料电池的组合电极组件(UEA)，其通过利用诸如聚乙烯、聚丙烯或其它易于熔化的高流动性塑性材料的热塑性聚合物薄膜层叠在阴极和阳极气体扩散层(GDL)周围而形成。利用诸如垂直振动压力的超声焊接来加热UEA平板的边缘区域，导致塑性材料扩散通过GDL和电极催化剂，从而形成起到UEA流体密封作用的固体塑性材料边缘。
背景技术
应用聚合物、质子交换电解质膜(PEM)的燃料电池发电厂包括位于PEM一侧上的阴极电极以及位于PEM另一侧上的阳极电极，电极包括合适的催化剂，以便将氢和氧反应气体转变成电流和水，所有上述都是已知的。反应物通过有时称为水传输板的反应气体流动域板到达上述膜，从而达到有时称为基片的气体扩散层(GDL)。GDL接近电极的相应侧。上述膜具体为氟代聚合物，诸如以名称NAFION
Figure A20058005244300051
出售的氟代聚合物。如已知的那样，上述电极具体为聚合物和贵金属的混合物。
最近的创新是制备组合的电极组件(UEA)，其包括阳极和阴极GDL以及位于上述膜相应侧上的电极，利用热塑性材料将上述膜和电极组合和密封成单一结构。热塑性材料仅经受状态变化，当处于高温下时为液态而当冷却时恢复固态，并且可以在熔化和重组。这与热固性塑性材料形成对比，热固性塑性材料经受不可逆的化学变化，并且不能通过加热重组。
用于结合热塑性材料的技术利用对将要结合的热塑性材料进行局部加热导致熔化，之后在界面处进行重新凝固。
在“摩擦焊接”中，一个部件接触另一部件并相对于另一部件移动，在界面处产生使得一个部件或两个部件熔化的热量。一旦熔化开始，上述部件保持在一起直到热塑性材料凝固到彼此。该方法还已知为“线性振动焊接”、“轨道振动焊接”或“旋转焊接”。
“激光或IR”焊接将激光或IR束导引通过透明热塑性材料，导致在两个热塑性材料的界面处对不透明热塑性材料的表面加热。当界面达到足够的温度时，热塑性材料开始熔化并通过层间流动结合到一起。
还称为“高频”焊接的“无线电频率”焊接依赖于变化电磁场的一些能量耗散在无定型电解质中以加热塑性材料；随后冷却导致两个塑性材料结合到一起。
在“热板”焊接方法中，保持将要结合的一个或两个塑性材料片接触热板，直到软化开始。将塑性材料从热板去除，并且接触配合面放置，并且保持直到冷却。
上述焊接方法不能用于MEAs的制备，因为上述焊接方法只在两个热塑性材料的界面处将两个热塑性材料有效结合。
“超声焊接”限定为应用16kHz到1GHz之间的机械振动。典型的超声焊接机器在15kHz到70kHz之间的范围内运行，并且最通常为20kHz左右。发电机在所需的频率下产生电振动，接着将其传送到转换器，在转换器中晶体膨胀和收缩产生相同频率的机械振动。这些振动传送到角状物，角状物接触将要焊接的堆叠塑性材料部分。当角状物垂直于塑性材料部分进行垂直上下移动时，沿着两个塑性材料部分之间的结合区域产生热摩擦，从而熔化热塑性材料并将塑性材料部分结合在一起。
并不是所有的热塑性材料对超声焊接具有同样的响应。具有无定型聚合物结构、以分子随机分布为特征的那些热塑性材料会具有较宽的软化点和熔点，并且良好地传送超声振动。这种热塑性材料的例子是聚苯乙烯、聚醚酰亚胺和低密度的聚乙烯。半晶质性质的热塑性聚合物具有更为有序的结构，并具有限定适当的熔点，并且还不传送超声振动，因此它们难于焊接。这种热塑性材料的例子是聚酯、聚乙烯、以及线性低密度聚乙烯(LLDPE)。高熔点和低熔融指数的聚合物通常更难于焊接。
用于制备UEA的“压板”方法涉及生产完整的UEA，其中聚乙烯薄膜在各层之间，并且位于GDL的外面上。然后当压板加热到150°C(320°F)的量级时，压板施加压力到组件。之后，在压力释放以及将密封的UEA从压板去除之前必须冷却压板。在制备UEA的每一过程中该过程通常进行至少十次，以及多达六十次。该过程是昂贵的，并且耗费工厂厂房面积。此外，由于其需要加热除了压板之外的整个平板，因此该过程是无效的。已知温度升高导致PEM的降解，并且由于在制备过程中加热整个UEA平板的结果导致UEA的耐用性降低。
在国际公开号为WO03/063280A2的专利申请PCT/US03/01796中公开了利用对热塑性聚合物注模或压模的另一方法。该过程需要预处理，诸如电晕处理、氧等离子体处理或氟化聚合物色散。这会存在射流热塑性材料重新调整组分定位等的附加问题。这些和其它问题需要另外的处理技术，以便导致UEA的成功制备。
发明内容
本发明的目的包括：制备燃料电池UEA的方法，其只加热将要密封的UEA外侧边缘；提供UEA，其中PEM不经受高温；提供短周期的UEA制备；在制备UEA的过程中避免加热和冷却压板以及整个UEA的必要性；用单一的专用方法制备UEA；以及改进的燃料电池UEA。
本发明是在下述发现上进行断言的，上述发现是：诸如聚乙烯的热塑性聚合物当由振动能量加热时，将浸渍气体扩散层的碳纤维并且扩散到邻近PEM的多孔催化剂/聚合物电极层内，从而形成UEA整个可渗透边缘体积的固体塑性材料密封。
根据本发明的第一方面，诸如聚乙烯薄膜的易熔化、自由流动的热塑性聚合物薄膜放置到GDL的外面，和/或沿着层叠UEA层状结构的周缘边缘放置到每一GDL和相关电极之间，其中合适的不熔化薄膜放置到UEA层状结构的上表面和下表面上；热塑性聚合物薄膜通过仅仅施加到邻近塑性薄膜的UEA层状结构边缘的振动能量熔化；振动能量熔化薄膜，并且同时施加压力，导致热塑性聚合物浸渍GDL，并且扩散到邻近的多孔催化剂层中，与其形成机械结合。
根据本发明的另一方面，GDL的边缘由热塑性材料浸渍，接着层叠到邻近电极的层状结构中，其中PEM位于电极和上表面和下表面上的释放薄膜之间。利用预形成在GDL中的塑性材料，施加振动能量并施加压缩以形成UEA，如在之前所述的本发明第一方面中的那样。
在本发明的一方面，通过具有直振动砧的超声焊接器以形成UEA的一个边缘；在另一方面，可通过利用具有框形振动砧的超声焊接器来实践本发明。利用本发明还可焊接其它组合的边缘。
本发明避免使得UEA的活性区域经受高温，高温会降低聚合物交换膜的耐用性。
根据本发明制备UEA的熔化、浸渍、扩散和冷却仅需要五秒钟的量级。本发明使得周期时间为一分半到几分钟的量级，并且与先前技术的组建方法相比使用较少能量。
还可利用本发明来制备适于除了燃料电池之外的组合组件，诸如电解剂。
根据下面对附图中所示的示范性实施例的详细描述可以更加明了本发明的其它目的、特征和优势。
附图的简要说明
图1是根据本发明过程制备的组合电极组件的透视图；
图2是在组合前沿着图1的线A-A所取的局部断面正视图，其中为了清楚起见省略了剖面线；
图3是当UEA完成时图2断面的局部断面正视图，其中为了清楚起见省略了剖面线；
图4是根据图2和图3方法的第一替换实施例的局部断面正视图，其中为了清楚起见省略了剖面线；
图5是根据图2和图3方法的第二替换实施例的局部断面正视图，其中为了清楚起见省略了剖面线；
图6是根据本发明第二方面的局部断面正视图，其中为了清楚起见省略了剖面线。
具体实施例
参照图1和图2，根据本发明过程制备的组合电极组件9包括在此称为气体扩散层(GDL)的反应气体流动分配层12以及整体密封13；在形成密封13的过程中对准各层的孔15，16。密封13围绕组合电极组件9的整个周缘边缘延伸。在典型情况下，当成型时，组合电极组件可在8厘米乘以14厘米的量级，并且密封可形成2厘米至3厘米的宽度，接着UEA整边，这样密封宽度为8毫米至10毫米的量级。
如图2中所示，上述过程包括在固定器之上层叠各个组件，该固定器具有容纳对准孔15，16的销。首先铺设释放薄膜21，其可为TEFLON
Figure A20058005244300081
、KAPTON
Figure A20058005244300082
或不熔化或粘合到聚乙烯的任意其它高温塑性薄膜，包括高温聚乙烯薄膜。接着铺设第一层热塑性聚合物薄膜22，其可从边缘延伸各个距离以形成流体边缘密封；在该实施例中，薄膜22可从UEA组件的边缘延伸2厘米或3厘米的量级。诸如阳极GDL的GDL23定位在薄膜22之上。第二层热塑性聚合物薄膜25定位在GDL23之上。包括传统燃料电池催化剂的诸如阳极电极27的电极设置在第二层薄膜25之上。PEM28设置在电极27之上。诸如阴极电极30的另一电极定位在PEM28之上。第三层热塑性聚合物薄膜32定位在电极30之上。诸如阳极GDL的第二GDL12设置在第三层薄膜32之上。第四层热塑性聚合物薄膜35设置在第二GDL12之上。释放薄膜36定位在组件堆叠的顶部处。
固定器19是具有砧40的超声焊接机的一部分，当固定器19和砧40之间的距离超声改变2千米到10千米量级的距离时，砧40提供垂直力。可获得的用于达到该目的的系统是Branson2000IW超声焊接系统。夹紧力可在500kPa(60psig)的量级上。例如振动可在20kHz的量级上。砧可是直的，这样UEA的每一边缘单独密封，或具有图框形状，这样UEA的四个边缘可在单一进给(singleplunge)中密封。还可使用其它组合的边缘密封。
在用振动施加力延续大约一秒半之后，聚乙烯薄膜完全扩散通过各层以形成完整密封13，如由图3中的点画所示的完全浸渍。
取代将热塑性薄片22，25；32，35放置到每一GDL的两侧上，可只将热塑性薄片25，32放置到每一GDL23，12和邻近的电极27，30之间，如图4所示。经历合适时间的压力和振动之后，熔化的塑性材料将从内向外浸渍每一GDL的边缘，并扩散入电极内，以提供此前关于图3所述的密封。
可替换的，热塑性薄片22，35可放置到GDL23，12的外面，如图5中所示。熔化塑性材料将从外向内浸渍每一GDL。
在本发明的另一方面，在图6中所示，GDL23a，12a浸渍有热塑性聚合物，如通过点画所示的那样，并且之后层叠成释放薄膜21、阳极电极27、PEM28、阴极电极30和释放薄膜36的层状结构。接着由超声焊接机19，40施加振动力。
热塑性聚合物可包括聚乙烯、聚丙烯或其它合适的聚合物。

Claims (14)

1.制备具有一对相对表面和若干边缘的燃料电池组合电极组件(9)的方法，该方法的特征在于：
成型多层层状结构，该层状结构包括质子交换电解质膜(28)；一对电极催化剂层(27，30)，每一层邻近所述表面之相应一设置；以及一对气体扩散层(23，12；23a，12a)，每一层具有上表面和下表面，并且每一具有热塑性聚合物，上述热塑性聚合物要么(a)分散在其中要么(b)分散在一层热塑性聚合物薄膜中，该热塑性聚合物薄膜邻近(i)每一所述气体扩散层的所述上表面或(ii)所述下表面或(iii)所述上表面和所述下表面，所述热塑性聚合物从所述边缘向内延伸一定距离以提供围绕组合电极组件周缘的所述流体边缘密封；以及
将夹紧力和超声振动能量(19，40)施加到所述层状结构，以浸渍所述第一和第二电极催化剂层，并且将所述第一和第二电极催化剂层用热塑性聚合物结合在所述气体扩散层中。
2.根据权利要求1所述的方法，其中：
所述施加步骤包括用足够的振动能量加热所述热塑性聚合物，以导致所述热塑性聚合物将所述电极催化剂层与所述气体扩散层结合。
3.根据权利要求1所述的方法，其中：
(a)一次在一个边缘上执行所述成型步骤；或(b)一次在多于一个的边缘上执行所述成型步骤。
4.制备具有若干边缘的燃料电池组合电极组件(9)的方法，该方法的特征在于：
成型多层层状结构，该层状结构包括具有上表面和下表面的第一气体扩散层(23)；第一电极催化剂(27)；(a)设置在所述第一气体扩散层所述上表面上的第一热塑性聚合物薄膜(22)，或(b)设置在所述第一气体扩散层所述下表面上的第二热塑性聚合物薄膜(25)，或(c)第一、第二热塑性聚合物薄膜；具有邻近所述第一电极催化剂(27)第一表面的质子交换电解质膜(28)；邻近所述质子交换电解质膜(28)第二表面的第二电极催化剂(30)；
具有上表面和下表面的第二气体扩散层(12)；以及要么(d)设置在所述第二气体扩散层所述上表面上的第三热塑性聚合物薄膜，要么(e)设置在所述第二气体扩散层所述下表面上的第四热塑性聚合物薄膜(35)，要么(f)所述第三和第四热塑性聚合物薄膜，所述热塑性聚合物从所述边缘向内延伸一定距离以提供围绕组合电极组件周缘的所述流体边缘密封；以及
将夹紧力和超声振动能量(19，40)施加到所述层状结构，以导致所述热塑性聚合物浸渍和结合所述气体扩散层和所述电极催化剂。
5.根据权利要求4所述的方法，其中：
(a)一次在一个边缘上执行所述成型步骤；或(b)一次在多于一个的边缘上执行所述成型步骤。
6.根据权利要求4所述的方法，还包括：
在施加所述夹紧力和超声振动能量之前将所述层状结构设置在释放薄膜(21，36)之间。
7.制备具有若干边缘的燃料电池组合电极组件(9)的方法，该方法的特征在于：
成型多层层状结构，该层状结构包括第一释放薄膜(21)；第一气体扩散层(23)；第一电极催化剂(27)；要么(a)设置在所述第一释放薄膜和所述第一气体扩散层之间的第一热塑性聚合物薄膜(22)，要么(b)设置在所述第一气体扩散层和所述第一电极催化剂之间的第二热塑性聚合物薄膜(25)，要么(c)所述第一和第二热塑性聚合物薄膜；具有邻近所述第一电极催化剂(27)第一表面的质子交换电解质膜(28)；邻近所述质子交换电解质膜(28)第二表面的第二电极催化剂(30)；第二气体扩散层(12)；第二释放薄膜(36)；以及要么(d)设置在所述第二电极催化剂和所述第二气体扩散层之间的第三热塑性聚合物薄膜，要么(e)设置在所述第二气体扩散层和所述第二释放薄膜之间的第四热塑性聚合物薄膜(35)，要么(f)所述第三和第四热塑性聚合物薄膜，所述热塑性聚合物从所述边缘向内延伸一定距离以提供围绕组合电极组件周缘的所述流体边缘密封；以及
将夹紧力和超声振动能量(19，40)施加到所述层状结构，以导致所述热塑性聚合物浸渍和结合所述气体扩散层和所述电极催化剂。
8.根据权利要求7所述的方法，其中：
所述施加步骤包括用足够的振动能量加热所述热塑性聚合物，以导致所述热塑性聚合物将所述电极催化剂层与所述气体扩散层结合。
9.根据权利要求7所述的方法，其中：
(a)一次在一个边缘上执行所述成型步骤；或(b)一次在多于一个的边缘上执行所述成型步骤。
10.根据权利要求1所述过程制备的燃料电池组合电极组件(9)。
11.根据权利要求4所述过程制备的燃料电池组合电极组件(9)。
12.根据权利要求7所述过程制备的燃料电池组合电极组件(9)。
13.包括根据权利要求10的若干燃料电池的燃料电池堆。
14.通过超声焊接组合的燃料电池组合电极组件。
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