CN102270765A - 使用真空密封形成膜－子垫片组件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及使用真空密封形成膜－子垫片组件的方法。公开了一种用于燃料电池系统的UEA和子垫片组件及其生产方法。UEA和子垫片组件包括膜电解质组件、扩散介质和子垫片，其中子垫片渗透到扩散介质中的一个内以形成大体上不漏流体的密封部。

Description

使用真空密封形成膜－子垫片组件的方法
技术领域
本公开涉及燃料电池系统，且更特定地涉及使用在燃料电池系统内的膜－子垫片组件及其制造方法。
背景技术
燃料电池已作为清洁、有效和环保的动力源而建议用于电动车辆和多种其他应用。特别地，燃料电池已视作使用在现代汽车内的传统内燃机的潜在替代。
通常类型的燃料电池已知为质子交换膜（PEM）燃料电池。PEM燃料电池包括布置在例如双极板的一对燃料电池板之间的组合电极组件（UEA）。UEA包括布置为邻近膜电极组件（MEA）的阳极面和阴极面的扩散介质。电极面典型地包括磨碎的催化剂，例如铂，所述催化剂例如支承在碳颗粒上且与离聚物混合。扩散介质便于典型地为氢和氧的气体反应剂输送到MEA的活性区域以用于电化学燃料电池反应。扩散介质也帮助管理燃料电池内的水副产物。
典型地，MEA包括夹在阴极电极和阳极电极之间的电解质膜。沿着燃料电池板外周延伸的子垫片邻接MEA。子垫片可以是具有电绝缘性能的硬膜。子垫片的内部边缘限定了MEA的活性区域。子垫片将MEA的阳极侧与MEA的阴极侧电绝缘。布置在子垫片上的密封部分防止气体反应剂从燃料电池溢出。
现有技术的子垫片具有合并的设计，所述设计具有从活性区域越过且经过密封部分的恒定的厚度。现有技术的子垫片尽管具有功能性，但导致燃料电池的缩短的寿命。现有技术的子垫片当与MEA的厚度相比时可能相对地厚（厚子垫片）。厚子垫片和MEA之间的厚度的高反差可能导致局部区域的高压缩。局部区域的高压缩可能导致扩散介质压碎、阳极电极或阴极电极断裂、板变形和电解质膜的剪切，这些情况中的任何情况都可能导致燃料电池的不良性能。替代地，现有技术的子垫片与MEA的厚度相比可能相对薄（薄子垫片）。因此，薄子垫片可能导致由于通过燃料电池的反应剂气体的流动而变形。
总之，作为UEA过度压缩和UEA欠压缩之一的结果，MEA可能在子垫片处劣化。作为UEA过度压缩的结果的MEA的劣化可能由于电解质膜的膨胀以及用于形成UEA的制造过程所导致。电解质膜的膨胀可能影响MEA的长度、宽度和厚度。由于膨胀而增加的MEA的厚度造成了整个UEA上的压缩载荷变化。整个UEA上的压缩载荷变化造成了内子垫片边缘处的应力集中。内子垫片边缘处的应力集中不利地影响MEA的寿命。另外，由于膨胀而增加的MEA的厚度可能增加子垫片区内UEA上的压缩载荷，从而导致双极板和邻近的扩散介质的永久变形。
另外，要求压缩力的UEA的制造过程可能使MEA的电解质膜劣化。UEA的生产典型地涉及部件的热压，因此将部件结合在一起。热压可能导致内部子垫片边缘沿子垫片和电解质膜的接触边缘剪切电解质膜。在电解质膜内的剪切可能导致交叉泄漏（阳极到阴极气体屏障的损失）或短路（其中邻近的扩散介质或电极直接接触或电接触）。
作为UEA欠压缩结果的MEA的劣化可能在邻近内子垫片边缘的隆起区域内发生。隆起区域是UEA的邻近子垫片边缘的区域，此处MEA上的压缩载荷明显降低或消除。扩散介质可能起作用以将由子垫片的内边缘厚度形成的台阶桥接。扩散介质可能跨过由子垫片的内边缘厚度形成的台阶柔性地顺应，从而导致位于隆起区域内的楔形形状的跨度。当MEA的电解质膜受潮后，MEA的长度和厚度可能增加。潮湿的电解质膜可能膨胀为隆起的区域。作为UEA欠压缩的结果，电解质膜可能翘曲。电解质膜的翘曲可能导致阳极电极和形成在其上的阴极电极其中之一断裂。
希望的是开发用于燃料电池的UEA和子垫片组件及其生产方法，其中制造成本被最小化且产生输出被优化。
发明内容
根据本发明，令人惊奇地发现了用于燃料电池的UEA和子垫片组件及其生产方法，其中制造成本被最小化且产生输出被优化。
在一个实施例中，用于燃料电池的UEA和子垫片组件包括：组合电极组件，包括布置在阳极电极和阴极电极之间的电解质膜，和邻近阳极电极和阴极电极的至少一个布置的多孔扩散介质；和邻近组合电极组件布置的子垫片，其中子垫片的至少部分渗透扩散介质以形成大体上不漏流体的密封部。
在另一个实施例中，用于生产UEA和子垫片组件的方法包括如下步骤：提供组合电极组件，所述组合电极组件包括布置在阳极电极和阴极电极之间的电解质膜，和邻近阳极电极和阴极电极的至少一个布置的多孔扩散介质；提供子垫片；提供定位和保持装置；将组合电极组件布置在定位和保持装置内；将子垫片邻近组合电极组件布置；且使子垫片的至少部分渗透扩散介质以形成大体上不漏流体的密封部。
在另一个实施例中，用于生产UEA和子垫片组件的方法包括如下步骤：提供组合电极组件，所述组合电极组件包括布置在阳极电极和阴极电极之间的电解质膜，和邻近阳极电极和阴极电极的至少一个布置的多孔扩散介质；提供邻近电解质膜布置的子垫片；提供包括腔的定位和保持装置；提供热密封装置；将组合电极组件布置在定位和保持装置的腔内；将子垫片邻近组合电极组件布置；在组合电极组件和子垫片之间造成真空；和使用热密封装置加热子垫片的至少部分，其中真空和加热导致子垫片的至少部分熔化且渗透扩散介质以形成大体上不漏流体的密封部。
本发明提供以下技术方案：
方案1.一种用于燃料电池的UEA和子垫片组件，包括：
组合电极组件，所述组合电极组件包括：布置在阳极电极和阴极电极之间的电解质膜，和邻近阳极电极和阴极电极的至少一个布置的多孔扩散介质；和
邻近组合电极组件布置的子垫片，其中子垫片的至少部分渗透扩散介质以形成大体上不漏流体的密封部。
方案2.根据方案1所述的UEA和子垫片组件，其中子垫片是多层片。
方案3.根据方案1所述的UEA和子垫片组件，其中子垫片由聚合材料生产。
方案4.根据方案1所述的UEA和子垫片组件，其中子垫片是预成型片。
方案5.根据方案1所述的UEA和子垫片组件，其中子垫片可移除地接附到载体元件。
方案6.根据方案1所述的UEA和子垫片组件，其中子垫片的至少一个边缘使用密封材料密封。
方案7.一种用于生产UEA和子垫片组件的方法，所述方法包括如下步骤：
提供组合电极组件，所述组合电极组件包括布置在阳极电极和阴极电极之间的电解质膜，和邻近阳极电极和阴极电极的至少一个布置的多孔扩散介质；
提供子垫片；
提供定位和保持装置；
将组合电极组件布置在定位和保持装置内；
将子垫片邻近组合电极组件布置；和
使子垫片的至少部分渗透扩散介质以形成大体上不漏流体的密封部。
方案8.根据方案7所述的方法，其中子垫片是多层片。
方案9.根据方案7所述的方法，其中子垫片是预成型片。
方案10.根据方案7所述的方法，其中子垫片的至少一个边缘使用密封材料密封。
方案11.根据方案7所述的方法，进一步包括如下步骤：
提供热密封装置；
在组合电极组件和子垫片之间造成真空；和
使用热密封装置加热子垫片的至少部分，其中真空和加热使子垫片的至少部分熔化且渗透扩散介质以形成大体上不漏流体的密封部。
方案12.根据方案11所述的方法，其中子垫片和热密封装置的至少一个包括载体元件。
方案13.根据方案11所述的方法，其中热密封装置包括至少一个加热部分和至少一个不加热部分。
方案14.一种用于生产UEA和子垫片组件的方法，所述方法包括如下步骤：
提供组合电极组件，所述组合电极组件包括布置在阳极电极和阴极电极之间的电解质膜，和邻近阳极电极和阴极电极的至少一个布置的多孔扩散介质；
提供邻近电解质膜布置的子垫片；
提供包括腔的定位和保持装置；
提供热密封装置；
将组合电极组件布置在定位和保持装置的腔内；
将子垫片邻近组合电极组件布置；
在组合电极组件和子垫片之间造成真空；和
使用热密封装置加热子垫片的至少部分，其中真空和加热使子垫片的至少部分熔化且渗透扩散介质以形成大体上不漏流体的密封部。
方案15.根据方案14所述的方法，其中子垫片是多层片。
方案16.根据方案14所述的方法，其中子垫片是预成型片。
方案17.根据方案14所述的方法，其中子垫片的至少一个边缘使用密封材料密封。
方案18.根据方案14所述的方法，其中子垫片和热密封装置的至少一个包括载体元件。
方案19.根据方案14所述的方法，其中热密封装置包括至少一个加热部分和至少一个不加热部分。
方案20.根据方案14所述的方法，进一步包括如下步骤：
提供激光；和
使用激光修剪子垫片的多余部分，其中多余部分使用真空抽吸移除。
附图说明
本发明的以上的以及其他的优点将从如下详细描述中对于本领域一般技术人员变得容易的显见，特别地当根据以下所描述的附图考虑时。
图1图示了根据本发明的实施例的PEM燃料电池堆（仅示出两个燃料电池）的示意性分解透视图；
图2是根据本发明的实施例的布置在定位和保持装置内的UEA的示意性截断横截面视图，所述UEA具有布置在其上的子垫片；
图3是图2中图示的UEA的示意性截断横截面视图，其中热密封装置邻近子垫片布置；
图4是图2和图3中图示的UEA的示意性截断横截面视图，其中子垫片已渗透到UEA的扩散介质的部分内以形成UEA和子垫片组件；
图5是图4中图示的UEA和子垫片组件的示意性截断横截面视图，其中UEA和子垫片组件已从定位和保持装置移除；
图6是图4和5中图示的UEA和子垫片组件的示意性截断横截面视图，其中激光邻近子垫片的多余部分布置；
图7是图4、图5和图6中图示的UEA和子垫片组件的示意性截断横截面视图，其中多余部分被修剪且移除；
图8是UEA和子垫片组件的示意性截断横截面视图，其中子垫片是多层片或膜；
图9是根据本发明的另一个实施例的布置在定位和保持装置内的UEA的示意性截断横截面视图，所述UEA具有布置在其上的子垫片；
图10是从定位和保持装置移除的UEA和子垫片组件的示意性截断横截面视图，其中UEA和子垫片组件包括图9中图示的UEA；
图11是根据本发明的另一个实施例的布置在定位和保持装置内的UEA的示意性截断横截面视图，所述UEA具有布置在其上的子垫片，其中热密封装置包括布置在其上的载体元件；和
图12是UEA和子垫片组件的示意性截断横截面视图，其中UEA和子垫片组件包括在图11中图示的UEA。
具体实施方式
如下的详细描述和附图描述且图示了本发明的多种实施例。描述和附图用于使得本领域一般技术人员制造和使用本发明，且不意图于以任何方式限制本发明的范围。关于所公开的方法，所给出的步骤在本质上是示范性的，步骤次序不是必需或关键的。
为简单起见，下文中仅图示且描述了包括两个电池的堆（即一个双极板），但应理解的是典型的堆将具有许多这样的电池和双极板。
图1描绘了具有一对通过导电的双极板8相互分开的MEA 4、6的示例性燃料电池堆2。MEA 4、6的每个包括夹在阳极电极（未示出）和阴极电极（未示出）之间的电解质膜7。MEA 4、6和双极板8在夹紧板10、12和一对单极端板14、16之间堆叠在一起。夹紧板10、12与端板14、16通过垫片或介电涂层（未示出）电绝缘。端板14、双极板8的两个工作面和端板16包括各自的活性区18、20、22、24。活性区18、20、22、24典型地是用于分别在MEA 4、6的阳极电极和阴极电极上分配例如氢气和空气的气体反应剂的流场。
双极板8典型地通过用于金属板成形的常规过程形成，例如通过冲压、机加工、模制或通过光刻掩模的光刻形成。在一个实施例中，双极板8由随后连接在一起的单极板形成。应进一步理解的是双极板8也可由复合材料形成。在一个特定实施例中，双极板8由石墨或石墨填充的聚合物形成。
气体可渗透的扩散介质34、36、38、40邻近MEA 4、6的阳极和阴极。端板14、16分别邻近扩散介质34、40布置，而双极板8邻近扩散介质36布置在MEA 4的阳极面上。双极板8进一步邻近扩散介质38布置在MEA 6的阴极面上。
双极板8、端板14、16和MEA 4、6每个包括阴极供给开口42和阴极排放开口44，冷却剂供给开口46和冷却剂排放开口48，和阳极供给开口50和阳极排放开口52。燃料电池堆2的供给歧管和排放歧管通过将双极板8、端板14、16和MEA 4、6内的各开口42、44、46、48、50、52对齐而形成。氢气通过阳极入口导管54供给到阳极供给歧管。空气通过阴极入口导管56供给到燃料电池堆2的阴极供给歧管。也分别为阳极排放歧管和阴极排放歧管提供阳极出口导管58和阴极出口导管60。提供冷却剂入口导管62以用于将液体冷却剂提供到冷却剂供给歧管。提供冷却剂出口导管64以用于从冷却剂排放歧管移除冷却剂。应理解的是图1中各种入口54、56、62和出口58、60、64的构造仅为图示目的，且可如希望地选择其他构造。
燃料电池堆2的一对组合电极组件（UEA）66、68可组装在大体上如图1中示出的构造内。UEA 66包括夹在扩散介质34、36之间的MEA 4。UEA 68包括夹在扩散介质38、40之间的MEA 6。UEA 66、68的部件在其生产期间组装，且通过任何常规工艺相互结合，例如通过热压。必要时，粘合剂可使用在单独部件之间。
第一子垫片70布置在UEA 66上。第二子垫片72布置在UEA 68上。子垫片70、72提供了UEA 66、68与双极板8和端板14、16其中之一之间的密封和电绝缘。子垫片70、72可大体上跟随UEA 66、68的外周。形成在子垫片70、72内的多个开口74对应于形成在双极板8、MEA 4、6和端板14、16内的开口42、44、46、48、50、52。在示出的实施例中，子垫片70、72由例如聚丙烯的聚合物材料形成。然而，应理解的是，如需要，具有电绝缘特性和低熔点的其他材料也可以用于形成子垫片70、72，例如烯烃变体材料。进一步应理解的是子垫片70、72可以例如是单层片或膜，如在图2至图7中示出，和多层片或膜，如在图8中示出。多层子垫片70、72优化了子垫片插入端板14、16和双极板8的供给区域内的阻力。应认识到的是多层子垫片70、72的弯曲刚度与子垫片70、72的截面模量和其厚度的立方成比例。
为简单起见，在下文中仅图示且描述了带有子垫片70的UEA 66的组件，但应理解的是带有子垫片72的UEA 68的组件大体上与所述UEA 66的组件类似。
图2至图7示出了根据本发明的实施例将UEA 66与子垫片70组装的方法。UEA 66布置在形成在定位和保持装置76内的腔内。然后，子垫片70布置在图2中示出的UEA 66的扩散介质34的表面上。应理解的是如希望子垫片70可布置在扩散介质36的相对表面上。在子垫片70和UEA 66和定位和保持装置76之间造成真空。真空便于子垫片70在UEA 66上的正确对齐。真空通过从子垫片70、UEA 66和定位和保持装置76之间抽吸空气到至少一个开口78内导致。热沿UEA 66的外周和形成在MEA 4内的开口42、44、46、48、50、52的外周的至少一个施加到子垫片70，从而导致子垫片70熔化。如在图3中示出，使用热密封装置80以将热施加到子垫片70。然而，应认识到的是热可使用其他方法和装置如希望地施加。真空导致子垫片70的熔化的部分渗透到扩散介质34的开孔结构内，如在图4中示出，因此制成大体上不漏流体的密封部82和UEA和子垫片组件84。随后，UEA和子垫片组件84迅速冷却。真空被解除，且如在图5中示出，UEA和子垫片组件84从定位和保持装置76移除。子垫片70的多余部分然后被修剪且从扩散介质34的表面移除，从而留下子垫片70的剩余部分固定地接附到UEA 66。在示出的实施例中，子垫片70的多余部分73通过激光88修剪，且通过真空抽吸（未示出）从扩散介质34的表面移除。应理解的是子垫片70的多余部分可如希望地使用其他方法和装置被修剪且移除。
现在参考图9和图10，图中示出根据本发明的另一个实施例的将UEA 66'与子垫片70'组装的方法。用于关于图1至图8的以上论述的类似结构的附图标号以撇号（'）重复。
UEA 66'布置在形成在定位和保持装置76'内的腔内。然后，子垫片70'布置在UEA 66'的扩散介质34'的表面上。应理解的是如希望，子垫片70'可布置在扩散介质36'的相对表面上。在示出的实施例中，子垫片70'是预成型片（例如，子垫片70'是大体上以最终尺寸和形状提供的片），且可移除地接附到载体元件100。载体元件100可具有适合于在其上接收子垫片70'的任何形状和尺寸。如所示出，载体元件100由例如DuPont公司开发的Kapton®的聚酰亚胺材料或例如Teflon®的氟化聚合物制成。应理解的是载体元件100可如希望地由其他合适的材料产生。载体元件100便于子垫片70'的真空密封。在载体元件100和子垫片70'、UEA 66'和定位和保持装置76'之间造成真空。真空便于子垫片70'在UEA 66'上的正确对齐。真空通过从载体元件100、子垫片70'、UEA 66'和定位和保持装置76'之间抽吸空气到至少一个开口78'内而造成。热施加到载体元件100的至少部分。载体元件100的加热的部分沿UEA 66'的外周和形成在MEA 4'内的开口的至少一个接触子垫片70'，从而导致子垫片70'熔化。如在图9中示出，使用热密封装置80'将热施加到载体元件100。应理解的是热密封装置80'可如希望地包括加热和不加热部分。进一步认识到的是热可使用其他方法和装置如希望地施加。真空导致子垫片70'的熔化的部分渗透到扩散介质34'的开孔结构内，如在图10中示出，因此制成大体上不漏流体的密封部82'和UEA和子垫片组件84'。随后，UEA和子垫片组件84'迅速冷却。真空被解除，且载体元件100从UEA和子垫片组件84'移除。应理解的是载体元件100可从UEA和子垫片组件87'分离且被再次使用。然后，UEA和子垫片组件84'从定位和保持装置76'移除。
图11公开了根据本发明的另一个实施例将UEA 66''与子垫片70''组装的方法。关于图1至图10中以上所述的类似结构的附图标号以双撇号（''）重复。
UEA 66''布置在形成在定位和保持装置76''内的腔内。然后，子垫片70''布置在UEA 66''的扩散介质34''的表面上。应理解的是如希望，子垫片70''可布置在扩散介质36''的相对表面上。在示出的实施例中，子垫片70''是预成型片（例如，子垫片70''是大体上以最终尺寸和形状提供的片）。子垫片70''使用热密封装置120的载体元件110布置在扩散介质34''上。载体元件110可具有适合于在其上接收子垫片70''的任何形状和尺寸。如所示出，载体元件110由例如DuPont公司开发的Kapton®的聚酰亚胺材料或例如Teflon®的氟化聚合物制成。应理解的是载体元件110可如希望地由其他合适的材料产生。进一步应理解的是，载体元件110如希望可以是表面处理，例如布置在热密封装置120上的涂层。载体元件110便于子垫片70''的真空密封。在载体元件110和子垫片70''、UEA 66''和定位和保持装置76''之间造成真空。真空便于子垫片70''在UEA 66''上的正确对齐。真空通过从载体元件110、子垫片70''、UEA 66''和定位和保持装置76''之间抽吸空气到至少一个开口78''内而造成。热通过热密封装置120施加到载体元件110的至少部分。载体元件110的加热的部分沿UEA 66''的外周和形成在MEA 4''内的开口的至少一个接触子垫片70''，从而导致子垫片70''熔化。如在图11中图示，热密封装置120可如希望地包括至少一个加热部分122和至少一个不加热部分124。进一步认识到的是热可使用其他方法和装置如希望地施加。真空的力导致子垫片70''的熔化的部分渗透到扩散介质34''的开孔结构内，如在图12中示出，因此制成大体上不漏流体的密封部82''和UEA和子垫片组件84''。随后，UEA和子垫片组件84''迅速冷却。真空被解除，且包括载体元件110的热密封装置120从UEA和子垫片组件84''移除。然后，UEA和子垫片组件84''从定位和保持装置76''移除。
选择地，例如，UEA和子垫片组件84、84’、84’’的子垫片边缘130、132可进一步使用例如热塑性聚合物的密封材料被密封。应理解的是密封材料可沿边缘130、132如希望地使用任何合适的方法和装置布置，例如使用注射装置以将密封材料沿边缘130、132分配。
虽然已为阐述本发明的目的示出了一些代表性实施例和细节，但对于本领域一般技术人员显见的是可进行多种改变而不偏离在附带的权利要求中进一步描述的本发明的范围。

Claims (10)

1. 一种用于燃料电池的UEA和子垫片组件，包括：
组合电极组件，所述组合电极组件包括：布置在阳极电极和阴极电极之间的电解质膜，和邻近阳极电极和阴极电极的至少一个布置的多孔扩散介质；和
邻近组合电极组件布置的子垫片，其中子垫片的至少部分渗透扩散介质以形成大体上不漏流体的密封部。
2. 根据权利要求1所述的UEA和子垫片组件，其中子垫片是多层片。
3. 根据权利要求1所述的UEA和子垫片组件，其中子垫片可移除地接附到载体元件。
4. 一种用于生产UEA和子垫片组件的方法，所述方法包括如下步骤：
提供组合电极组件，所述组合电极组件包括布置在阳极电极和阴极电极之间的电解质膜，和邻近阳极电极和阴极电极的至少一个布置的多孔扩散介质；
提供子垫片；
提供定位和保持装置；
将组合电极组件布置在定位和保持装置内；
将子垫片邻近组合电极组件布置；和
使子垫片的至少部分渗透扩散介质以形成大体上不漏流体的密封部。
5. 根据权利要求4所述的方法，其中子垫片是多层片。
6. 根据权利要求4所述的方法，其中子垫片是预成型片。
7. 根据权利要求4所述的方法，其中子垫片的至少一个边缘使用密封材料密封。
8. 根据权利要求4所述的方法，进一步包括如下步骤：
提供热密封装置；
在组合电极组件和子垫片之间造成真空；和
使用热密封装置加热子垫片的至少部分，其中真空和加热使子垫片的至少部分熔化且渗透扩散介质以形成大体上不漏流体的密封部。
9. 根据权利要求8所述的方法，其中子垫片和热密封装置的至少一个包括载体元件。
10. 一种用于生产UEA和子垫片组件的方法，所述方法包括如下步骤：
提供组合电极组件，所述组合电极组件包括布置在阳极电极和阴极电极之间的电解质膜，和邻近阳极电极和阴极电极的至少一个布置的多孔扩散介质；
提供邻近电解质膜布置的子垫片；
提供包括腔的定位和保持装置；
提供热密封装置；
将组合电极组件布置在定位和保持装置的腔内；
将子垫片邻近组合电极组件布置；
在组合电极组件和子垫片之间造成真空；和
使用热密封装置加热子垫片的至少部分，其中真空和加热使子垫片的至少部分熔化且渗透扩散介质以形成大体上不漏流体的密封部。
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