CN101483245A - 用于燃料电池的具有优化尺寸的薄膜 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于燃料电池的具有优化尺寸的薄膜。其中用于具有活性区域和供应区域的燃料电池的UEA包括：电解质薄膜，布置在一对电极之间，电解质薄膜和该对电极布置在一对DM之间，并且构造成布置在燃料电池的活性区域处；以及阻挡层，连接到电解质薄膜上，阻挡层构造成布置在燃料电池的供应区域处。

Description

用于燃料电池的具有优化尺寸的薄膜
技术领域
本发明涉及一种燃料电池，并且更特别是本发明涉及一种具有优化尺寸的电解质薄膜的燃料电池的组合-电极-组件(UEA)。
背景技术
燃料电池作为清洁、有效和环保的能源被推荐用于多种应用。特别是，单个燃料电池可串联叠置在一起以便形成能够供应一定量的电能从而为电动车辆供能的燃料电池组。因此，已经认为燃料电池作为用于现代车辆的传统内燃机的潜在的选择。
常见类型的燃料电池公知为质子交换薄膜(PEM)燃料电池。PEM燃料电池包括三个基本部件：阴极电极、阳极电极和电解质薄膜。电极通常包括例如铂的细分的催化剂，支承在阴极颗粒上并与离子交联聚合物混合。电解质薄膜布置在电极之间，并且通常由例如从E.I.duPont de Nemours and Company得到的Nafion
Figure A200910001398D0004093739QIETU
聚合物的质子传导聚合物形成。电解质薄膜和电极布置在多孔扩散介质(DM)之间。DM有助于通常是氢和氧的气态反应剂输送到电极以便电化学燃料电池反应。通常，催化剂涂覆在电解质薄膜(CCM)上以便形成薄膜-电极-组件(MEA)。在另一典型构造中，DM涂覆催化剂(CCDM)以便形成燃料电池的电极。
电解质薄膜、电极和DM布置在一对燃料电池板之间并通过垫片密封。在电解质薄膜、电极和DM作为一个单元通过例如垫片和类似物的其它部件组装时，组件称为组合电极组件(UEA)。
每个燃料电池板具有气态反应剂输送其中以便分布到电极的活性区域。燃料电池板还包括具有构造成将气态反应剂从供应源输送到活性区域的流动通道的供应区域。电解质薄膜通常在供应区域上延伸并且终止于垫片。电解质薄膜用来分离并防止气态反应剂混合。但是，DM通常局限于活性区域，使得气态反应剂有足够的空间流过供应区域内的流动通道。燃料电池在供应区域内还包括金属垫片或箔片，将刚性提供给电解质薄膜，并且防止流动通道被薄膜堵塞。
供应区域内的电解质薄膜通常涂覆或层压化学惰性材料，以防止接触电解质薄膜的燃料电池板腐蚀。但是，电解质薄膜和惰性材料容易膨胀。电解质薄膜的膨胀公知地造成流动通道堵塞、与金属垫片分层并造成燃料电池不稳定。电解质薄膜还通常不与某些燃料电池或在操作过程中与电解质薄膜接触的例如冷却剂、油脂和油的车辆流体相容。延伸到供应区域内或燃料电池外周边的电解质薄膜特别容易被这些类型的流体污染。
持续地需要一种燃料电池，具有优化尺寸的电解质薄膜。希望的是优化的薄膜尺寸增加燃料电池的强度和可靠性。优化电解质薄膜还有利地减小了燃料电池的复杂性和成本，并且改善燃料电池的制造性能。
发明内容
按照本发明，令人吃惊地发现一种UEA，UEA具有基本上不布置在燃料电池的供应区域内的电解质薄膜，通过减小流动通道堵塞和燃料电池板的腐蚀，增加了燃料电池的强度和可靠性，减小燃料电池制造复杂性和成本。
在一个实施例中，UEA用于具有活性区域和供应区域的燃料电池中。UEA包括布置在一对电极之间的电解质薄膜。电解质薄膜、该对电极和DM构造成靠近燃料电池的活性区域布置。连接到电解质薄膜上的阻挡层构造成靠近燃料电池的供应区域布置。
在另一实施例中，燃料电池包括布置在一对燃料电池板之间的UEA。每个燃料电池板具有活性区域和供应区域。电解质薄膜、电极和DM靠近活性区域布置。阻挡膜靠近供应区域布置。电解质薄膜的尺寸由此得到优化。
在另一实施例中，具有优化电解质薄膜的多个燃料电池可叠置以便形成燃料电池组。燃料电池组具有增强的强度和可靠性。
附图说明
特别是在结合随后描述的附图时，本领域的普通技术人员容易从下面的详细描述中明白本发明的以上以及其它优点。
图1表示按照本发明具有阻挡膜的PEM燃料电池组的示意分解透视图，只表示两个电池；
图2a是具有夹在一对DM之间的阻挡膜和结合膜的UEA的局部截面图，阻挡膜与电解质薄膜和结合膜重叠；
图2b是具有夹在一对DM之间的阻挡膜的UEA的局部截面图，阻挡膜与电极和电解质薄膜重叠；
图2c是具有夹在DM和涂覆催化剂的DM之间的阻挡膜的UEA的局部截面图，阻挡膜布置在涂覆催化剂的DM和电解质薄膜之间；
图2d是具有夹在一对涂覆催化剂的DM之间的阻挡膜的UEA的局部截面图，阻挡膜布置在涂覆催化剂的DM和电解质薄膜之间；
图3a是具有夹在一对DM之间的阻挡膜的UEA的局部截面图，阻挡膜布置在一对结合膜之间；
图3b是具有夹在一对DM之间的阻挡膜的UEA的局部截面图，阻挡膜与单个结合膜重叠；
图4a是具有布置在DM外侧的阻挡膜的UEA的局部截面图，阻挡膜布置在一对结合膜之间；
图4b是具有布置在DM外侧的阻挡膜的UEA的局部截面图，阻挡膜与单个结合膜重叠；
图5a是具有层压在单个DM上的阻挡膜的UEA的局部截面图，阻挡膜与布置在一对结合膜之间的电解质薄膜重叠；
图5b是具有层压在单个DM和结合膜上的阻挡膜的UEA的局部截面图，阻挡膜与电解质薄膜和结合膜重叠；
图5c是具有层压在单个DM上的阻挡膜的UEA的局部截面图，阻挡膜与电解质薄膜和结合膜重叠；以及
图5d是具有层压在单个DM上的阻挡膜的UEA的局部截面图，阻挡膜与电极和电解质薄膜重叠。
具体实施方式
下面描述本质上是示例性的，并且不打算限制本发明、应用或使用。还应该理解到在所有附图中，相应的参考标号指的是类似或相应的部件和特征。
图1表示按照本发明的示例性燃料电池组2。燃料电池组2具有通过导电双极板8相互分开的一对MEA 4、6。虽然CCM结构的MEA 4、6出于简单目的表示，应该理解到如果需要燃料电池组2可采用CCDM结构。
双极板8具有活性区域9和供应区域10。双极板8可具有例如US专利No.6974648以及US专利申请公开No.2006/0127706中描述的嵌套板结构，这些披露整体结合于此作为参考。出于简便，在图1中只表示和说明两电池组(即一个双极板)，应该理解到典型的燃料电池组2将具有多个这样的电池和双极板。
MEA 4、6以及特别是MEA 4、6的电解质薄膜具有优化或“节俭”的尺寸，基本上不延伸超过活性区域9。例如，MEA 4、6基本上局限于燃料电池组2的电化学反应区域。应该理解到根据需要MEA 4、6可在所有边缘或所选边缘上优化。
MEA 4、6和双极板8在一对夹紧板11、12以及一对单极板14、16之间叠置在一起。夹紧板11、12通过垫片或介电涂层(未示出)与端板14、16电隔离。单极端板14、双极板8的两个工作面以及单极端板16包括流场18、20、22、24。流场18、20、22、24从压缩氢源或重整产品分配例如氢气的反应剂，例如从MEA 4、6的各自阳极和阴极之上的空气分配氧。
非传导垫片26、28、20、32在燃料电池组2的多个部件之间提供密封和电隔离。透气的DM 34、36、38、40邻靠MEA 4、6的阳极和阴极。端板14、16分别靠近DM 34、40布置，而双极板8靠近DM 36布置在MEA 4的阳极面上。双极板8还靠近DM 38布置在MEA 6的阴极面上。
阻挡膜42、44定位在MEA 4、6和非传导垫片26、28、30、32之间。阻挡膜42、44靠近双极板8的供应区域10布置。阻挡膜42、44是不导电的。MEA 4、6连接到阻挡膜42、44上。阻挡膜42、44还可连接到非传导垫片26、28、30、32上。在特殊实例中，阻挡膜42、44可各自与非传导垫片26、28、30、32整体形成。阻挡膜42、44可包括作为密封件承载件模制在阻挡膜42、44上的至少一个密封件。应该理解到具有形成在阻挡膜42、44上的密封件可有助于在组装燃料电池组2的过程中使用较少的部件。
双极板8、单极端板14、16以及垫片26、28、30、32各自包括阴极供应开口72以及阴极排放开口74、冷却剂供应开口75和冷却剂排放开口77以及阳极供应开口76和阳极排放开口78。燃料电池组2的供应歧管和排放歧管通过双极板8、单极端板14、16以及垫片26、28、30、32内各自开口72、74、75、77、76、78对准来形成。氢气经由阳极入口导管80供应到阳极供应歧管。空气经由阴极入口导管82供应到燃料电池组2的阴极供应歧管。阳极出口导管84和阴极出口导管86也分别设置用于阳极排放歧管和阴极排放歧管。冷却剂入口导管88设置用于将液体冷却剂供应到冷却剂供应歧管。冷却剂出口导管90设置用于从冷却剂排放歧管去除冷却剂。应该理解到图1的多个入口80、82、88以及出口84、86、90的构造是出于说明目的，根据需要可以选择其它构造。
阻挡膜42、44用来在供应区域10内将供应到燃料电池组2的氢气和空气分开，特别是由于优化MEA 4、6基本上局限于活性区域8。令人吃惊地发现到如此后多个实施例中描述那样MEA 4、6以及阻挡膜42、44的结合构造防止MEA 4、6和阻挡膜42、44在典型燃料电池组2的操作情况下分离。结合构造可用来可靠地连接MEA 4、6和阻挡膜42、44，由此可以使用优化的电解质薄膜尺寸。例如化学粘合剂的粘接、熔接以及压缩中的至少一种可用来进一步在所述结合构造下连接MEA 4、6和阻挡膜42、44。
在图2a-5d所示的多种示例性结合构造中，燃料电池组2的UEA200可包括阻挡层202、电解质薄膜204、第一电极206、第二电极208、至少一个第一结合膜210和第二结合膜212、第一DM层214以及第二DM层216。第一电极206和第二电极208可根据需要粘接到CCM构造中的薄膜204上或者CCDM构造中的DM层214、216之一上。也可以使用图2a-5d所示构造的组合，例如沿着供应区域9的一种构造以及沿着活性区域10的另一种构造。本领域的普通技术人员将理解到所述的结合构造出于说明目的，并且可根据需要选择其它适当的结合构造。
阻挡层202大致与图1所示的阻挡膜42、44之一相对应。阻挡层202由在暴露于燃料电池组反应剂和例如冷却剂、油和油脂的车辆流体的情况下基本上不膨胀或退化的材料形成。特别是，阻挡膜202由能够提供电和机械分离的材料形成。阻挡层202还可形成整体层，以防止分层。作为非限定实例，阻挡层202由聚萘二甲酸乙二酯(PEN)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、由例如从E.I.du Pont de Nemours andCompany得到的
Figure A200910001398D00081
聚合物的聚酰亚胺聚合物之一形成。应该理解到根据需要可以选择用于阻挡层202的其它适当的聚合材料。
电解质薄膜204、第一电极206和第二电极208在组装时基本上与图1所示的MEA 4、6之一相对应。第一和第二DM层214、216基本上与图1所示的DM 36、38相对应。
现在参考图2a-2d，表示第一、第二、第三和第三结合构造，其中阻挡层202与电解质薄膜204重叠以便分别形成结合部218。第一DM层214和第二DM层216都与图2a-2c的结合部218重叠。
在图2a所示的第一结合构造中，电解质薄膜204的暴露部分220延伸超过第一和第二电极206、208。暴露部分220由此提供非涂层表面以便连接到阻挡层202上。阻挡层202布置在电解质薄膜204的至少一部分上，并可以如上所述粘接。第一结合膜210覆盖并密封第一电极206的一端和电解质薄膜204。在第一和第二电极206、208各自通过第一结合膜210和阻挡层202分开时，防止电极206、208之一和相对DM 214、216之间的接触。由此防止短路。
阻挡层202、电解质薄膜204、第一和第二电极206、208以及结合膜210夹在第一DM 214和第二DM 216之间。第一DM 214和第二DM 216与结合构造重叠。在燃料电池组2在组装过程中处于压缩时，第一和第二DM 214、216在阻挡层202和电解质薄膜204上提供机械压力。在特定实施例中，机械压力足以连接阻挡层202和电解质薄膜204，通过或不通过辅助结合，例如通过化学粘合剂结合。
如图2b的第二结合构造所示，电解质薄膜204和第二电极208布置在阻挡层202的一部分上。阻挡层202布置在第二电极2087和第二DM 216之间。延伸超过第一和第二电极206、208的电解质薄膜204的暴露部分220连接到阻挡层202。
参考图2c，第三结合构造包括布置在第二电极208和电解质薄膜204之间的阻挡层202。应该理解到第二和第三结合构造不采用第一和第二结合膜210、212，因此可具有减小的制造复杂性。
在图2d中，第四结合构造包括布置在第一DM 214和电解质薄膜204之间的阻挡层202。第一DM 214涂覆催化剂以便形成第一电极206。通过在第二DM 216切割之前结合，第二DM 216同样涂覆催化剂以便形成第二电极208以及布置其上的电解质薄膜204。每个电解质薄膜204的边缘、电极206、208和DM 214、216同样在所示的第四结合构造中对准。
示例性的第五和第六结合构造在图3a和3b中分别表示。在第五和第六结合构造中，阻挡层202与第一和第二结合膜210、212中的至少一个重叠。至少一个第一和第二结合膜210、212进一步布置在电解质薄膜204的暴露部分220上。第一DM 214和第二DM 216夹持通过阻挡层202和至少一个第一和第二结合膜210、212重叠形成的结合部218。
在图3a所示的第五结合构造中，电解质薄膜204的暴露部分220和阻挡膜202夹在第一和第二结合膜210、212之间。第一结合膜210布置在电解质薄膜204和阻挡层202之上，并且进一步靠近第一电极206布置。第二结合膜212布置在电解质薄膜204和阻挡层202之下，并且进一步靠近第二电极208布置。第一和第二电极206、208的端部分别通过第一和第二结合膜210、212密封。
在图3b中，第六结合构造包括第一结合膜210与每个第一电极206、电解质薄膜204的暴露部分220以及阻挡层202重叠。
第七和第八结合构造在图4a和4b中表示。第七和第八结合构造包括布置在第一DM 214和第二DM 216外侧的阻挡层202。在图4a中，第一和第二结合膜210、212分别布置在第一和第二电极206、208以及电解质薄膜204的暴露部分220上。暴露部分220基本上分别终止于第一DM 214和第二DM 216的边缘222、224。第一和第二结合膜210、212延伸超过第一和第二DM 214、216，并且夹持阻挡层202。
在图4b所示的第八结合构造中，只有第一结合膜210与第一DM214和第二DM 216外侧的阻挡层202膜的一部分重叠。第一和第二DM 214、216可在其边缘222、224处通过第一结合膜210压缩，以便密封电解质薄膜204的暴露部分220。
在阻挡层202不被第一和第二DM 214、216覆盖时，结合膜210。212可通过压缩力以外的方式结合到阻挡层202上。第七和第八结合构造中的阻挡层202的厚度可大于阻挡层202夹在DM 214、216之间的情况。较厚的阻挡层202提供改善的刚性，防止燃料电池组2的供应区域10内的流动通道阻塞。本领域普通技术人员还将理解到随着燃料电池组2的设计，根据需要可以改变并可以采用适当的厚度。
现在参考图5a-5d，分别表示用于UEA 200的示例性第九、第十、第十一和第十二结合构造。阻挡层202与第一DM 214和第二DM 216之一相对应(in-line with)布置。在特定实施例中，阻挡层202具有大致与第一和第二DM 214、216之一的厚度相同的厚度。应该理解到具有与相对应的DM 214、216相同的厚度，可以在通过或不通过辅助结合的情况下，提供足以密封阻挡层202和电解质薄膜204之间的结合部218的压缩力。
在图5a的第九结合构造中，阻挡层202与DM 214相对应布置。阻挡层202的一部分与每个第一结合膜210、电解质薄膜204的暴露部分220以及第二DM 216层压。第一结合膜210和第二结合膜212夹持第一电极206、电解质薄膜204以及第二电极208的组件。第一和第二结合膜210、212分别密封第一和第二电极206、208。
图5b的第十结合构造包括与第二DM 216相对应布置的阻挡层202。阻挡层202与电解质薄膜204的暴露部分220以及第一DM 214层压。第二电极208大致终止于第二DM 216的边缘224处。
在图5c的第十一结合构造中，阻挡层202的一部分布置在每个第一结合膜210、电解质薄膜204的暴露部分220以及第二DM 216上。第十一构造不包括第二结合膜212。
参考图5d，阻挡层202与第一DM 214相对应布置。阻挡层202的一部分还布置在每个第一电极206、电解质薄膜204以及第二DM 216上。图5d的第十二结合构造不采用结合膜210、212。应该理解到与具有两个结合膜210、212的结合构造相比，采用一个或不采用结合膜210、212的图5c和5d的结合构造提供了较少的制造成本。
令人吃惊地发现到这里披露的结合构造有助于阻挡层202和电解质薄膜204之间的结合，使得电解质薄膜204和电极206、208的尺寸优化。在特别实施例中，电解质薄膜204基本上不延伸到燃料电池组2的供应区域10内。因此，电解质薄膜204不变得被燃料电池以及例如冷却剂、油脂和油的车辆流体污染，其中燃料电池组2可暴露于操作中。
本领域普通技术人员将理解到根据所选择的结合构造，本发明的阻挡层202以及结合膜210、212中的至少一个还可防止由于DM214、216造成的电解质薄膜204的退化。例如，在部件处于压力之下时，阻挡层202和结合膜210、212与电解质薄膜204重叠，并且防止由于DM 214、216的边缘222、224退化或切割。
由于消除了补充粘合剂，按照本发明的多种结合构造可进一步减小形成结合部所需的容积。在特别实施例中，在DM 214、216与结合部218重叠以及燃料电池组2处于压缩时，提供机械压力足以连接阻挡层202和电解质薄膜204。将电解质薄膜204的暴露部分220连接到阻挡层202上还提供了基本上燃料电池组2流体不透过的牢固密封件。
阻挡层202的厚度可进一步选择成防止结合部218的不希望的过度压缩以及对于例如通过阻挡层202和电解质薄膜204之间的化学粘合剂所进行补充结合的不希望的依赖。阻挡层202的厚度适用于支承一个或多个聚合密封件。具有适当厚度的阻挡层202还为供应区域10提供改进的刚性。特别是如果阻挡层202没有例如通过金属垫片支承，阻挡层202可防止燃料电池组2的供应区域10内流动通道的阻塞。阻挡层202减小流动通道侵入以及在燃料电池组2上错误流动分布。
应该理解到阻挡层202用作氢气和空气的流动支承件，这是由于气体流过其上并且沿着阻挡层202来往于燃料电池组2输送。在氢气和空气流过其上时，基本上不渗透的阻挡层202还有利地抵抗氢气和空气的交叉和混合。阻挡层202还防止燃料电池组2短路，例如通过在至少一个第一和第二电极206、208、第一和第二DM 214、216、第一电极206和第二DM 216、第二电极208和第一DM 214以及燃料电池组2的板(例如双极板8之间以及单极板14、16之一)之间提供隔离层。
还应该理解到得益于本发明结合构造的电解质薄膜204的优化尺寸可以充分利用电解质薄膜204的材料。按照本发明采用的电解质薄膜204的数量可以最小化。如所示，沿着至少一个活性区域9和供应区域10的电解质薄膜204材料可以通过阻挡层202来代替。另外，由于电解质薄膜204可基本上不延伸到燃料电池组2的供应区域10内，不需要另外的保护涂层和层来防止双极板8和单极板14、16腐蚀。
虽然出于说明本发明的目的描述了某些代表性实施例和细节，本领域普通技术人员将理解到可以进行多种变化而不偏离在下面所附权利要求中进一步描述的本发明的范围。

Claims (20)

1.一种用于具有活性区域和供应区域的燃料电池的UEA，UEA包括：
电解质薄膜，布置在一对电极之间，电解质薄膜和该对电极布置在一对DM之间，并且构造成布置在燃料电池的活性区域处；以及
阻挡层，连接到电解质薄膜上，阻挡层构造成布置在燃料电池的供应区域处。
2.如权利要求1所述的UEA，其特征在于，电解质薄膜具有从该对电极之间延伸的暴露部分，暴露部分覆盖阻挡层的一部分。
3.如权利要求1所述的UEA，其特征在于，至少一个电极与阻挡层重叠。
4.如权利要求1所述的UEA，其特征在于，该对电极中的至少一个延伸到电解质薄膜的边缘。
5.如权利要求1所述的UEA，其特征在于，阻挡层布置在电解质薄膜和电极之一之间。
6.如权利要求1所述的UEA，其特征在于，包括布置其上并适用于将阻挡层连接到电解质薄膜上的至少一个结合膜。
7.如权利要求6所述的UEA，其特征在于，结合膜夹在该对DM和阻挡层之间。
8.如权利要求6所述的UEA，其特征在于，阻挡层和结合膜的暴露部分超过该对DM中的至少一个的边缘布置。
9.如权利要求1所述的UEA，其特征在于，包括连接到至少一个电解质薄膜和电极之一上的一对结合膜，阻挡层布置在该对结合膜之间。
10.如权利要求9所述的UEA，其特征在于，该对结合膜之一夹在该对DM之一和阻挡层之间。
11.如权利要求9所述的UEA，其特征在于，阻挡层和每个结合膜的一部分超过该对DM的边缘布置。
12.如权利要求1所述的UEA，其特征在于，该对DM包括第一DM和第二DM，阻挡层于第一DM相对应布置并在第二DM上。
13.如权利要求12所述的UEA，其特征在于，阻挡层布置在电解质薄膜上。
14.如权利要求12所述的UEA，其特征在于，阻挡层布置在结合膜和电解质薄膜上。
15.如权利要求12所述的UEA，其特征在于，阻挡层具有基本上等于第一DM厚度的厚度。
16.如权利要求1所述的UEA，其特征在于，阻挡层由聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二酯(PEN)、聚酰亚胺聚合物中的至少一种形成。
17.如权利要求1所述的UEA，其特征在于，阻挡层与垫片形成整体。
18.如权利要求1所述的UEA，其特征在于，阻挡层具有形成其上的密封件。
19.一种燃料电池，包括：
一对燃料电池板，每个燃料电池板具有活性区域和供应区域；以及
UEA，布置在该对燃料电池板之间，UEA具有布置在一对电极之间的电解质薄膜，电解质薄膜和该对电极布置在一对DM之间，并且布置在活性区域处；以及连接到电解质薄膜上并布置在供应区域处的阻挡层。
20.一种燃料电池组，包括：
多个燃料电池，燃料电池之一具有一对燃料电池板，每个燃料电池板具有活性区域和供应区域以及布置在其中的UEA，UEA具有布置在于活性区域处布置的一对电极之间的电解质薄膜以及连接到电解质薄膜上并布置在供应区域处的阻挡层。
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