CN104752738B - 用于燃料电池的膜-电极组件(mea) - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于燃料电池的膜‑电极组件(MEA)，其包括发电阵列，该发电阵列包括阳极、阴极和电解质膜。子垫片阵列包括围绕阳极外围的阳极子垫片和围绕阴极外围的阴极子垫片。结阵列包括围绕电解质膜外围且使阳极子垫片和阴极子垫片彼此连接的极性结和非极性结。

Description

用于燃料电池的膜-电极组件(MEA)

技术领域

本发明涉及用于燃料电池的膜-电极组件(MEA)，其中位于MEA的反应区域外部的电解质膜的长度比子垫片(subgasket)的长度更短，施加在子垫片上的粘合剂被形成为极性粘合剂块和非极性粘合剂块，且子垫片通过热层压被连接到电解质膜，因此防止在电解质膜中充入的水扩散并排出到MEA的外部。

背景技术

通常，聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)被用作机动车燃料电池。为使这种聚合物电解质膜燃料电池正常地表现出在各种操作条件下的数十千瓦(KW)或更高的高功率性能，需要在宽电流密度范围内稳定地操作。

在聚合物电解质膜燃料电池中，用于发电的电化学反应在包括全氟磺酸膜以及阳极和阴极的电极对的膜-电极组件(MEA)中发生。在膜-电极组件中，提供给阳极(氧化电极)的氢被分离成氢离子(质子)和电子。然后，氢离子通过隔膜转移到阴极(还原电极)，电子通过外部电路转移到阴极，并且转移到阴极的氢离子和电子与氧分子起反应产生电、热和副产品水(H₂O)。在这种情况下，当在燃料电池中的电化学反应期间产生适量的水时，膜-电极组件的湿度可维持，但是当产生过量的水时，如果未能适当去除，则在高电流密度发生溢流现象，且溢出的水抑制反应气体有效地供给到燃料电池，因此增加电压损失。

在燃料电池的电化学反应中，当氢离子通过隔膜从阳极转移到阴极时，它们以水合氢离子(H₃O⁺)的形式与水分子结合从而拖曳水分子。这种现象称为“电-渗透拖曳(EOD)”。当在阴极积聚的水量增加时，一部分水从阴极反向转移到阳极，其称为“逆扩散(BD)”。因此，为使燃料电池获得优越的电池性能，需要清楚理解这些水转移现象，且需要有效使用在燃料电池中存在的水。

通常，燃料电池车辆使用由数百个单元电池叠置的燃料电池堆。这种单元电池包括膜-电极组件(MEA)、气体扩散层(GDL)、垫片和隔板。气体扩散层必须连接到MEA的阳极和阴极。在这种情况下，为提高MEA的处理性能，需要高的硬度。进一步地，MEA通过由弹性橡胶制成的垫片长时间接收压缩压力，从而，即使是在压缩条件下，该垫片仍需要维持它的形状而不被撕破或变形。为此，固相膜式子垫片通常由热层压连接到隔膜的外围。在子垫片层压过程中，为提高隔膜和子垫片之间的粘附力，可以与热一起使用粘合剂，但是也可以根据子垫片的材料性能和所要求的粘附性不使用粘合剂。这样，当使用具有子垫片的MEA时，即使叠置有数百个MEA，燃料电池堆亦可长时间使用。

在以上传统的MEA结构中，为增强子垫片与隔膜的连接性，除了其中在燃料电池的电化学反应中所使用的阳极和阴极被连接到隔膜的反应区域外，还可以使隔膜延伸到燃料电池的外壁且然后连接到子垫片。然而，在该MEA结构中，需要使用大量昂贵的隔膜，且特别地，会发生非期望的水扩散。从而，用于燃料电池反应的水会被损失，且使由金属材料制成的其它燃料堆组件的侵蚀加快，因此使得机动车的操作稳定性大大恶化。

作为另一个传统技术，存在通过使用注塑成型而不是热层压来使子垫片连接到MEA的建议的方法。然而在该方法中，在子垫片的注塑成型期间，MEA变形或被污染。进一步地，为克服这个问题，需要使用复杂的多步骤工艺。因此，由于相比于使用热垫片时，子垫片的附加工艺变得复杂，且由于其生产率降低，所以该方法也是有问题的。

应该理解，提供的上述说明仅为了帮助理解本发明，且并非意味着本发明落入对本领域技术人员已知的现有技术的范围。

发明内容

作出本发明以解决上面提到的问题。本发明的一方面提供用于燃料电池的膜-电极组件(MEA)，其中位于MEA反应区域外部的电解质膜的长度比子垫片的长度短。施加在子垫片上的粘合剂被形成为极性粘合剂块和非极性粘合剂块，且子垫片由热层压而连接到电解质膜上。因此防止充入电解质膜的水被扩散并排出到MEA的外部。

根据本发明的示例性实施例，用于燃料电池的膜-电极组件(MEA)包括发电阵列，该发电阵列包括阳极、阴极和电解质膜。子垫片阵列包括围绕阳极的外围的阳极子垫片和围绕阴极的外围的阴极子垫片。结阵列包括围绕电解质膜的外围且使阳极子垫片和阴极子垫片相互连接的极性结和非极性结。

电解质膜可以比阳极和阴极长，且从阳极和阴极的侧面中突出。

阳极子垫片和阴极子垫片可被形成为使它们从电解质膜的侧面突出。

结阵列可被布置在电解质膜的外围，且可置于阳极子垫片和阴极子垫片之间，以使阳极子垫片和阴极子垫片相互连接。

阳极子垫片和阴极子垫片的边缘可以被激光焊接。

结阵列可被配置成使极性结和非极性结交替地排列在阳极子垫片和阴极子垫片之间。

结阵列可包括多个极性结和多个非极性结，且这些极性结和非极性结交替地排列在阳极子垫片和阴极子垫片之间。

结阵列可被配置成使极性结和非极性结沿着电解质膜的外围交替地排列。

结阵列可被配置成使极性结与电解质膜相邻，非极性结包围极性结的侧面，且非极性结的凸起部分被置于到极性结的凹入部分中。

结阵列可被配置成使非极性结与电解质膜相邻，极性结包围非极性结的侧面，且非极性结的突起部分置于到极性结的凹入部分中。

附图说明

本发明的以上和其它目的、特征和优点从下面的结合附图的详细描述中被更清楚地理解。

图1到图5是示出根据本发明的各种实施例的用于燃料电池的膜-电极组件(MEA)的截面图。

具体实施方式

在下文中，参考附图详细描述本发明的示例性实施例。图1到图5为示出根据本发明的各种实施例的用于燃料电池的MEA的截面图。

参考图1，根据本发明的用于燃料电池的膜-电极组件(MEA)包括发电阵列100，该发电阵列100包括阳极120、阴极140和电解质膜160。子垫片阵列200包括围绕阳极120的外围的阳极子垫片220和围绕阴极140的外围的阴极子垫片240。结阵列300包括围绕电解质膜160的外围且使阳极子垫片220和阴极子垫片240相互连接的极性结320和非极性结340。在此，极性结320和非极性结340的顺序可相互改变。

本发明提供了MEA子垫片结构，其可直接显示子垫片220和240的主要功能，且同时可防止充入电解质膜160中的水排出到燃料电池的外部。本发明提供了用于燃料电池的MEA，其由热层压而不是注塑成型制造，且因为电解质膜的长度比传统电解质膜的长度短，其可减少电解质膜的损失及防止充入电解质膜的水不必要地排出到燃料电池的外部。在该热层压中，具有高强度的聚合物膜通常用作子垫片。在这种情况下，为获得电解质膜和子垫片之间的粘附力，可使用极性粘合剂。

然而，当仅长期使用极性粘合剂时，充入电解质膜中的水可通过该极性粘合剂排出到燃料电池的外部。相反，当仅使用具有大于90°的静止接触角和优良疏水性的非极性粘合剂时，可大大增加在电解质膜和子垫片之间的粘附力。

在本发明中，使用了同时使用极性粘合剂和非极性粘合剂的双粘合剂块组件结构，以便通过使位于MEA反应区域外部的电解质膜的长度比子垫片长度短，相比于传统技术减少电解质膜的使用，且防止水排出到MEA的外部。

即，因为电解质膜160比阳极120和阴极140长，所以电解质膜160可从阳极120和阴极140的侧面突出。进一步地，阳极子垫片220和阴极子垫片240可形成为使它们包围电解质膜160的突出部分。

这样，当子垫片由热层压连接到电解质膜时，具有高疏水性的非极性结340封锁水经过极性结320而扩散，从而防止水扩散到MEA的外部而被排出到燃料电池的外部。在本发明中，极性结320和非极性结340的厚度可等于或小于电解质膜160的厚度。在图1所示的该实施例中，极性结320和非极性结340的厚度小于电解质膜160的厚度。

在本发明中，极性结320和非极性结340在位置上可改变。在这种情况下，充入电解质膜160的水由与电解质膜160直接相邻的非极性结340立即封锁，从而防止水扩散到MEA的外部。

如图2所示，根据本发明的用于燃料电池的MEA可具有多粘合剂块组件结构。当使用该多粘合剂块组件时，在电解质膜160和子垫片220与240之间的粘附力能够更均匀地维持。进一步地，即使任何一个非极性结340不能完全封锁在电解质膜160中所充满的水，另一个非极性结340也可另外地封锁该水流。即，结阵列300可被配置成使极性结320和非极性结340交替地排列在阳极子垫片220和阴极子垫片240之间。具体地，结阵列300包括多个极性结320和多个非极性结340。多个极性结320和非极性结340可以交替地排列在阳极子垫片220和阴极子垫片240之间。进一步地，结阵列300可被配置成使极性结320和非极性结340沿着电解质膜160的外围交替地排列。

图3和图4示出用于燃料电池的MEA，其中使用了双粘合剂块组件结构，直接连接到子垫片220和240上的极性结320比非极性结340长，以增加在结320和340与子垫片220和240之间的粘附力。极性结320和非极性结340以凸-凹的形式彼此结合，以有效地防止水的排出。在图3中所示的结阵列300被配置成使极性结320与电解质膜160相邻，非极性结340包围极性结320的侧面，且非极性结340的凸起部分被置于到极性结320的凹入部分中。在图4中所示的结阵列300被配置成使非极性结340与电解质膜160相邻，极性结320包围非极性结340的侧面，且非极性结340的凸起部分置于到极性结320的凹入部分中。

极性结可以由选自环氧树脂、丙烯酸树脂、硅酮树脂、苯氧基树脂、聚酰胺、聚氨酯、氰基丙烯酸酯、聚酯、尿素甲醛、三聚氰胺甲醛、聚酰亚胺、聚苯并咪唑、乙酸纤维素、硝酸纤维素、聚乙酸乙烯酯和聚乙烯醇的一种，或两种或多种的混合物制成。

进一步地，非极性结可以由选自聚异丁烯、聚乙烯的均聚物和共聚物、聚丙烯的均聚物和共聚物及天然橡胶的一种或两种或多种的混合物制成。这样的极性和非极性粘合剂可包括各种粘合剂类型，例如液体粘合剂、膜粘合剂、热熔粘合剂、压敏粘合剂等。具有优越操作性能的膜粘合剂或热熔粘合剂可在连接MEA的子垫片中使用。

如图5中所示，阳极子垫片220和阴极子垫片240的边缘可以激光焊接。在此，可使用同时使用极性结320和非极性结340的双粘合剂块或多粘合剂块组件结构，且施加到子垫片220和240的粘合剂块总长度比子垫片的每个的长度短。在这些条件下，电解质膜由热层压连接到子垫片220和240上，且然后再激光焊接未涂有粘合剂的子垫片220的外围，从而补充地防止水排出到燃料电池的外部。

甚至即使使用了少量的粘合剂，但是以这种方式配置的MEA在补充地防止水排出到MEA的外部方面是有效的。在这种情况下，激光的输出功率可以是5～100W，因为当激光的输出小于5W时，焊接活性(welding activity)很低，且从而难以获得在子垫片膜之间的高粘附性。当其输出大于100W时，子垫片膜热变形，过度地增加每个子垫片的厚度，从而难以维持激光焊接之后稳定的子垫片形状。特别地，当激光焊接实行到子垫片膜严重热变形的程度时，在子垫片之间的厚度偏差增加，从而使在包括数百层叠置的MEA的燃料电池堆中的单元电池的叠置稳定性迅速恶化。

进一步地，激光照射率可以是10～600mm/_s，因为当激光照射率小于10mm/s时，结速度很低，使其生产率降低。当其照射率大于600mm/s时，其结效果变得相对低。

如上所述，根据上述配置的用于燃料电池的MEA，可以维持对传统MEA子垫片必要的优越的操作性能子，可以解决昂贵的电解质膜的过量使用，且可以防止水扩散到燃料电池的外部，因此提高在燃料电池中的水管理效率和机动车的操作稳定性。

虽然为说明的目的已公开了本发明的示例性实施例，但是本领域技术人员应当清楚，可以进行各种修改、添加和替换而不脱离如所附权利要求中所公开的本发明的范围和精神。

Claims (8)

1.一种用于燃料电池的膜-电极组件，包括：

发电阵列，包括阳极、阴极和电解质膜；

子垫片阵列，包括围绕所述阳极外围的阳极子垫片和围绕所述阴极外围的阴极子垫片；以及

结阵列，包括极性结和非极性结，

其中所述子垫片阵列围绕所述电解质膜的端部，

所述结阵列被设置在所述电解质膜的外周以与所述电解质膜的端部相邻，并插入所述阳极子垫片和所述阴极子垫片之间，以使所述阳极子垫片和所述阴极子垫片彼此连接，

所述结阵列被配置成使得所述极性结和所述非极性结沿着所述电解质膜所在的平面交替地排列，使得所述极性结和所述非极性结中的一个与电解质膜的两端的一端接触，而所述极性结和所述非极性结的另一个不与电解质膜的两端的另一端接触，

所述极性结和所述非极性结将阳极子垫片和阴极子垫片相互连接，并且

所述极性结包括亲水性树脂组合物，且非极性结包括疏水性树脂组合物。

2.根据权利要求1所述的用于燃料电池的膜-电极组件，其中所述电解质膜比所述阳极和所述阴极长，以便从所述阳极和所述阴极的侧面突出。

3.根据权利要求1所述的用于燃料电池的膜-电极组件，其中所述阳极子垫片和所述阴极子垫片被形成为从所述电解质膜的侧面突出。

4.根据权利要求1所述的用于燃料电池的膜-电极组件，其中所述阳极子垫片和所述阴极子垫片的边缘被激光焊接。

5.根据权利要求1所述的用于燃料电池的膜-电极组件，其中所述结阵列包括多个极性结和多个非极性结，且所述多个极性结和所述多个非极性结交替地排列在所述阳极子垫片和所述阴极子垫片之间。

6.根据权利要求5所述的用于燃料电池的膜-电极组件，其中所述结阵列被配置成使所述多个极性结和所述多个非极性结沿着所述电解质膜的外围交替地排列。

7.根据权利要求1所述的用于燃料电池的膜-电极组件，其中所述结阵列被配置成使所述极性结与所述电解质膜相邻，所述非极性结围绕所述极性结的侧面，且所述非极性结的凸起部分置于所述极性结的凹入部分中。

8.根据权利要求1所述的用于燃料电池的膜-电极组件，其中所述结阵列被配置成使所述非极性结与所述电解质膜相邻，所述极性结围绕所述非极性结的侧面，且所述非极性结的凸起部分置于所述极性结的凹入部分中。

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