CN104641501A - 燃料电池电极组件 - Google Patents

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Abstract

一种示例性燃料电池电极组件包括膜。第一电极在膜的第一侧上。第二电极在膜的第二侧上。第一气体扩散层邻近第一电极。第一气体扩散层的至少一部分由第一塑料材料至少部分地灌注，第一塑料材料将第一气体扩散层的部分结合到第一电极。第二气体扩散层邻近第二电极。第二气体扩散层的至少一部分由第二塑料材料至少部分地灌注，第二塑料材料将气体扩散层结合到第二电极。第三塑料材料在气体扩散层中至少一个与相邻电极之间，其电隔离第一气体扩散层与第二气体扩散层。

Description

燃料电池电极组件
背景技术
燃料电池可用于发电。燃料电池便于促成诸如氢气与氧气这样的反应物之间的电化学反应。在包括电极组件的燃料电池内存在各种部件。
示例电极组件包括膜，在膜两侧上具有电极。电极之一用作阴极并且另一个用作阳极。在某些燃料电池设计中，气体扩散层设置于电极与反应物分布板之间，反应物分布板便于朝向所述膜导向所述反应物。
存在与组装燃料电池相关联的各种挑战，包括实现燃料电池内各种部件的适当对准。典型组装程序是相对耗时、劳动力密集型的，因此倾向于引入额外成本。
发明内容
示例性燃料电池电极组件包括膜。第一电极在膜的第一侧上。第二电极在膜的第二侧上。第一气体扩散层邻近于第一电极。第一气体扩散层的至少一部分被第一塑料材料至少部分地灌注/注入（impregnate），第一塑料材料将第一气体扩散层的部分结合到第一电极。第二气体扩散层邻近于第二电极。第二气体扩散层的至少一部分被第二塑料材料至少部分地灌注，第二塑料材料将第二气体扩散层结合到第二电极。第三塑料材料在气体扩散层中至少一个与相邻电极之间，用于电隔离第一气体扩散层与第二气体扩散层。
制造燃料电池电极组件的示例性方法包括将第一塑料材料定位于第一气体扩散层与第一电极之间。第二塑料材料定位于第二气体扩散层与第二电极之间。第三塑料材料定位于第二气体扩散层与第二电极之间。第一塑料材料被熔化使得第一塑料材料至少部分地灌注第一气体扩散层的一部分。熔化的第一塑料材料也将第一气体扩散层牢固固定到第一电极上。第二塑料材料被熔化使得其至少部分地灌注第二气体扩散层的一部分。第二塑料材料将第二气体扩散层牢固固定到第二电极上，其中在所述第二电极与第二气体扩散层之间的第三塑料材料用于电隔离第二气体扩散层与第一气体扩散层。
通过下文的详细描述，所公开的示例实施例的各种特点和优点对于本领域技术人员显而易见。随附着详细描述的附图可如下简要地描述。
附图说明
图1示意性地示出了根据本发明的一实施例而设计的示例电极组件。
图2示出了在制造类似于图1的示例的电极组件的过程期间使用的多个层。
图3示意性地示出了制造示例电极组件的过程的一部分。
图4示意性地示出了示例过程的另一部分。
具体实施方式
图1示意性地示出了被认为是组合电极组件(UEA)的燃料电极组件20。图示的UEA 20包括膜24、在膜24的一侧上的第一电极26和在膜24的相反侧上的第二电极28。电极26、28之一被配置成用作阳极电极，而另一电极26、28被配置成用作阴极电极。
第一气体扩散层30邻近于第一电极26并且至少沿着第一气体扩散层30的外部周围而牢固固定到第一电极26。第二气体扩散层32至少沿着第二气体扩散层32的外部周围邻近于第二电极28而牢固固定。电隔离塑料层34定位于第二气体扩散层32与第二电极28之间。电隔离塑料层34电隔离第一气体扩散层30与第二气体扩散层32。层34防止气体扩散层的任何纤维穿透UEA 22并且接触另一气体扩散层。
图2示意性地示出了用于制造示例电极组件20的多个层。第一塑料材料层40位于第一气体扩散层30与第一电极26之间。在此示例中，第一塑料材料层40包括两个塑料薄膜40A和40B。也能使用第一塑料材料的单个塑料薄膜。如从图示可以认识到，塑料薄膜40A和40B具有沿着大体上矩形周围的四侧的宽度，该宽度对应于围绕第一气体扩散层30的周围的边界。
包括第二塑料材料的至少一个薄膜层位于第二气体扩散层32与第二电极28之间。在此示例中，第二塑料材料层包括两个薄膜层44和46。薄膜层44紧邻于第二电极28而定位并且薄膜层46紧邻于第二气体扩散层32而定位。
在此示例中，电隔离塑料层34包括第三塑料材料。在此示例中，第三塑料材料的薄膜位于塑料薄膜44与46之间。塑料薄膜44便于将第三塑料材料34结合到第二电极28。塑料薄膜46和44至少部分地灌注/注入（impregnate）第二气体扩散层32的外部周围并且便于将第二气体扩散层32结合到第二电极28上。
图3示意性地示出了包括对置压板的压力机50。释放薄膜层52分别位于压板与气体扩散层30和32之间。当组装过程完成时，释放薄膜层52便于从压力机50移除完成的电极组件。
在图3的示例中，第一塑料材料被示出为单个层或薄膜40，层或薄膜40可以包括多于一个薄膜，如在图2中示意性地示出。
图3示出了各个塑料薄膜层的相应宽度，但它们未必按照比例示出。如从图2和图3可以看出，包括第三塑料材料的薄膜层34的大体上线性区段的宽度小于第二塑料材料的薄膜层44和46的区段的宽度。第三塑料材料层34的更小宽度便于通过组装过程将第三塑料材料至少部分地封装在第二塑料材料内。如从图4可以认识到，一旦第二塑料材料已被熔化，其至少部分地灌注第二气体扩散层32的部分64，在第二电极28与第三塑料材料层34之间提供结合层并且至少部分地封装第三塑料材料34。在组装过程的结尾使第二塑料材料处于这种配置确保了在围绕第二气体扩散层32周围与第二电极28的界面处的不透流体的密封，即使在第二电极28与第二气体扩散层32之间存在第三塑料材料34。
如从图3可以认识到，气体扩散层、塑料材料和电极被分层使得第一塑料材料层40抵靠第一气体扩散层定位；第一电极26抵靠第一塑料材料层40定位；第二塑料材料层44抵靠第二电极28定位；第三塑料材料层34抵靠第二塑料材料层44定位；第二塑料材料层46抵靠第三塑料材料层34定位；以及，第二气体扩散层32抵靠第二塑料材料层46定位。所有这些层定位于压力机50内。在某些示例中，每个个别层放置到压力机内以建立图3所示的不同层的次序。在其它示例中，个别层以分层布置定位在一起并且整个分层布置然后被放置于压力机50内。
一旦所有层在压力机50内适当定位，在将压制板朝向彼此推压的方向上施加第一压制力。在一示例中，第一压制力为大约1500磅。在压力机50内的所有层被加热直到它们达到第一选定温度。在一示例中，第一选定温度为大约240℉。在压力机50的内含物处于第一选定温度的情况下，施加第二压制力。在一示例中第二压制力为大约7000磅。
施加第二压制力持续选定时间量，诸如在一示例中为五分钟，同时继续加热压力机50内的内含物。在一示例中，电极组件的各个层达到大约250℉的温度，同时施加第二压制力。在已经过了选定时间量之后，停止加热并且冷却在压力机50内的内含物。在组装过程的冷却部分期间施加第二压制力。在一示例中，在压力机50内的内含物被冷却直到它们到达低于110℉的温度，之后释放第二压制力。
在释放了第二压制力后，打开压力机50并且可以移除完成的电极组件20。
如从图4可以认识到，充分加热压力机50的内含物以熔化第一塑料材料使得其至少部分地灌注第一气体扩散层30的一部分60。相同温度足以至少部分地熔化第二塑料材料使得其至少部分地灌注第二气体扩散层32的一部分64。在一示例中，第一塑料材料和第二塑料材料相同。一个示例包括低密度聚乙烯作为第一塑料材料和第二塑料材料。在某些示例中，第一塑料材料和第二塑料材料可以不同，只要它们各具有足够低的熔化温度使得两种塑料材料将至少部分地熔化到足以灌注相应气体扩散层的部分并且将那些部分牢固固定到相邻电极上。
第三塑料材料层34的熔化温度高于第一塑料材料和第二塑料材料的熔化温度。这种更高的熔化温度防止第三塑料材料层34在组装过程期间熔化。在一示例中，第三材料当向用于熔化第一塑料材料和第二塑料材料的温度暴露时至少部分地软化。图4示意性地示出了塑料层34，其大体上保持了在加热和施加压制力之前其所具有的相同形状。图4的布置未必按照比例示出，而是预期示出在电极组件的各种塑料材料与层之间的关系。在一示例中，第三塑料材料包括线性低密度聚乙烯，线性低密度聚乙烯有效地用于电隔离第一气体扩散层30与第二气体扩散层32。
所公开的示例的一个特点在于其允许在单次结合过程期间组装电极组件20。在压力机50内在单个过程期间建立起将气体扩散层牢固固定到相应电极上的结合。同一过程允许在气体扩散层上建立塑料灌注的部分以用于在介于那些部分与相应电极之间的界面处形成不透流体的密封。同时，气体扩散层的塑料灌注周围包括屏障，屏障抵抗在平行于气体扩散层平面的方向上跨气体扩散层边缘的流体移动（例如，在图3和图4中向右或向左）。
在压力机内能使用单个过程来用于形成各种密封并且将电极组件20的各个层牢固固定在一起减少了组装时间、劳动和费用。因此，与用于制造燃料电池电极组件的多阶段组装过程相比，所公开的示例提供了改进的经济性。
前文的描述在性质上是示例性的而非限制性的。对于所公开的实例的变型和修改对于本领域技术人员显而易见，这些变型和修改未必偏离本发明的本质。仅通过学习所附权利要求来确定给予本发明的法律保护范围。

Claims (18)

1.一种燃料电池电极组件，包括：
膜；
在所述膜的第一侧上的第一电极；
在所述膜的第二侧上的第二电极；
邻近于所述第一电极的第一气体扩散层，所述第一气体扩散层的至少一部分由第一塑料材料至少部分地灌注，所述第一塑料材料将所述第一气体扩散层的部分结合到所述第一电极；
邻近于所述第二电极的第二气体扩散层，所述第二气体扩散层的至少一部分由第二塑料材料至少部分地灌注，所述第二塑料材料将所述第二气体扩散层结合到所述第二电极；以及
在所述气体扩散层中至少一个与相邻电极之间的第三塑料材料，其用于电隔离所述第一气体扩散层与所述第二气体扩散层。
2.根据权利要求1所述的燃料电池电极组件，其特征在于，
所述第三塑料材料不同于所述第一塑料材料和第二塑料材料。
3.根据权利要求2所述的燃料电池电极组件，其特征在于，
所述第一塑料材料和第二塑料材料具有熔化温度；并且
所述第三塑料材料具有比所述第一塑料和第二塑料的熔化温度更高的熔化温度。
4.根据权利要求2所述的燃料电池电极组件，其特征在于，
所述第一塑料材料和第二塑料材料包括低密度聚乙烯；并且
所述第三塑料材料包括线性低密度聚乙烯。
5.根据权利要求1所述的燃料电池电极组件，其特征在于，
所述第三塑料材料至少部分地包封在所述第一塑料材料或所述第二塑料材料中至少一个内。
6.根据权利要求5所述的燃料电池电极组件，其特征在于，
所述第三塑料材料在所述第二气体扩散层与所述第二电极之间；
所述第二电极的部分具有在沿着所述第二气体扩散层的平面的方向上的宽度；以及
所述第三塑料材料在所述方向上具有比所述第二气体扩散层的部分的宽度更小的宽度。
7.根据权利要求1所述的燃料电池电极组件，其特征在于，
所述塑料材料密封着在所述第一电极与所述第一气体扩散层的部分之间的界面；
所述第一塑料材料沿着所述第一气体扩散层的外部周围形成屏障以用于抵抗跨过所述第一气体扩散层的外部周围的流体移动；
所述第二塑料材料密封着在所述第二电极与所述第二气体扩散层的部分之间的界面；以及
所述第二塑料材料沿着所述第二气体扩散层的外部周围形成屏障以用于抵抗跨过所述第二气体扩散层的外部周围的流体移动。
8.一种用于制造燃料电池电极组件的方法，包括以下步骤：
将第一塑料材料定位于第一气体扩散层与第一电极之间；
将第二塑料材料定位于第二气体扩散层与第二电极之间；
将第三塑料材料定位于至少所述第二气体扩散层与第二电极之间；
使所述第一塑料材料熔化从而使得所述第一塑料材料至少部分地灌注所述第一气体扩散层的一部分并且将所述第一气体扩散层牢固固定到所述第一电极上；
使所述第二塑料材料熔化从而使得所述第二塑料材料至少部分地灌注所述第二气体扩散层的一部分并且将所述第二气体扩散层牢固固定到所述第二电极上，其中在所述第二电极与所述第二气体扩散层之间存在所述第三塑料材料用于电隔离所述第二气体扩散层与所述第一气体扩散层。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，其还包括：
将所述塑料材料、所述气体扩散层和所述电极定位于压力机中；
向所述压力机内的至少所述塑料材料和所述气体扩散层施加压制力；
充分加热所述塑料材料以使所述第一塑料材料和第二塑料材料至少部分地熔化，同时使所述塑料材料经受所述压制力；以及
在加热后冷却所述塑料材料，同时使所述塑料材料经受所述压制力。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，其包括：
将所述塑料材料加热到至少为所述第一塑料材料和第二塑料材料的熔化温度并且小于所述第三塑料材料的熔化温度的温度。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，其包括：使所述第三塑料材料软化而不使所述第三塑料材料熔化。
12.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，其包括：
使所述气体扩散层、所述塑料材料和所述电极分层从而使得
包括所述第一塑料材料的至少一个第一薄膜抵靠所述第一气体扩散层定位；
所述第一电极抵靠所述第一薄膜定位；
包括所述第二塑料材料的至少一个第二薄膜抵靠所述第二电极定位；
包括所述第三塑料材料的至少一个第三薄膜抵靠所述第二薄膜定位；
包括所述第二塑料材料的至少一个第四薄膜抵靠所述第三薄膜定位；以及
所述第二气体扩散层抵靠所述第四薄膜定位；以及
将所述分层的气体扩散层、所述薄膜和所述电极定位于所述压力机中。
13.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，
所述第三塑料材料不同于所述第一塑料材料和第二塑料材料。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，
所述第一塑料材料和第二塑料材料具有熔化温度；并且
所述第三塑料材料具有比所述第一塑料和第二塑料的熔化温度更高的熔化温度。
15.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，
所述第一塑料材料和第二塑料材料包括低密度聚乙烯；并且
所述第三塑料材料包括线性低密度聚乙烯。
16.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，其包括：
将所述第三塑料材料至少部分地封装于所述第二塑料材料中。
17.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，
所述第二电极的部分具有在沿着所述第二气体扩散层的平面的方向上的宽度；以及
所述第三塑料材料在所述方向上具有比所述第二气体扩散层部分的宽度更小的宽度。
18.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，其包括：
利用所述第一塑料材料来密封在所述第一电极与所述第一气体扩散层的部分之间的界面；
沿着所述第一气体扩散层的外部周围形成包括所述第一塑料材料的屏障以用于抵抗跨过所述第一气体扩散层的外部周围的流体移动；
利用所述第二塑料材料来密封在所述第二电极与所述第二气体扩散层的部分之间的界面；
沿着所述第二气体扩散层的外部周围形成包括所述第二塑料材料的屏障以用于抵抗跨过所述第二气体扩散层的外部周围的流体移动。
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