CN104795578B - 具有一体膜电极组件和气体扩散层的燃料电池及制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有一体膜电极组件和气体扩散层的燃料电池及制造方法，该燃料电池包括：膜电极组件(MEA)，其具有电解质膜、阳极和阴极；以及气体扩散层(GDL)，其结合于膜电极组件的两个表面内，其中气体扩散层包括第一层，其具有与膜电极组件的反应区域相接触的第一表面；第二层，其形成在第一层的第二表面上；以及第三层，其沿着其中形成有第一层和第二层两者的第一区域与其中仅形成有第二层的第二区域之间的周边部分形成。
Description
技术领域
本发明涉及一种燃料电池及其制造方法，更特别涉及一种包括与气体扩散层(GDL)结合成一体的膜电极组件(MEA)的燃料电池及其制造方法。
背景技术
近年来，为了解决通过利用石油资源导致的环境污染问题，并解决石油资源的排放，人们已开始研究和开发作为石油资源的可替代能源的新的、可再生的能源来源。
如在此使用的，术语“燃料电池”是指一种电化学装置，其通过在诸如甲醇、乙醇或天然气等烃基材料中含有的氢与从外界提供的氧之间的电化学反应，将化学能直接转换成电能。
根据电解质的种类，将燃料电池分成熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)、直接甲醇燃料电池(DMFC)等。
具体地，对于大多数用途，燃料电池基于相同的一般原理来工作，然而，根据其使用的燃料的种类、操作温度、实施的催化剂的种类或供应的电解质的种类的不同而彼此有所区别。
聚合物电解质膜燃料电池具有高功率密度和效率、低操作温度与快速起动和响应特性，因此它们具有优于其他类型燃料电池的优点。由于具有这些优点，因此聚合物电解质膜燃料电池可用于各种应用，包括作为车辆中的电源、用于住宅应用的分布式电源、用于各种便携装置的电源等。
燃料电池用来将通过燃料氧化产生的化学能直接转换成电能。在燃料电池的燃料电极(阳极)中，发生氢的氧化反应，并且在空气电极(阴极)中，发生氧的还原反应。整个燃料电池反应是水电解(其产生电、热和水)的逆向。
燃料电池单元通常由电解质膜、电极(阳极和阴极)、气体扩散层(GDL)和隔板构成。这种燃料电池单元经装配形成燃料电池堆。
由安装有电解质膜的电极组成的结构称为膜电极组件(MEA)。MEA的电解质膜主要由离子导电聚合物组成。电解质膜的材料必须具有高离子导电性、在100％的湿度下展示高机械强度，并具有低透气性以及高热稳定性和化学稳定性。
此外，GDL可被用作允许从隔板引入的氢和空气细微地扩散并提供给MEA的通道，同时支撑催化剂层，允许在催化剂层中生成的电流移动到隔板，并使得所产生的水能够流出催化剂层。GDL通常设置在MEA的上、下表面上，并由诸如碳毡、碳纸或碳布等材料制成。
图1示出利用传统层压技术制造的MEA结构。通过向电解质膜10的两个表面施加聚合物膜片20、热压缩所应用的膜片20、以及在施加于电解质膜10的两个表面的热压缩膜片20的表面上涂覆催化剂层30a，形成图1所示的MEA结构。
然而，MEA非常薄(50μm或更小)，因此在运输过程中可能会损坏。特别地，在层压过程中，MEA和GDL之间的对齐较差时，层叠质量可能会劣化。目前，在大多数情况下，通过热压缩法将GDL与MEA简单地层压。
MEA与GDL之间的较低质量的层压，会导致低劣的燃料电池性能，并且在严重的情况下，燃料电池被分类成缺陷产品，因此其使用和供应受到限制。因此，迫切需要该问题的解决方案。
在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成在本国中本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。
发明内容
因此，做出本发明以解决在本领域中发生的上述问题，并且本发明的目的在于提供包含与MEA结合成一体的GDL的燃料电池及其制造方法。
为了实现上述目的，本发明提供一种燃料电池，包括：膜电极组件(MEA)，其具有电解质膜、阳极和阴极；以及气体扩散层(GDL)，其与膜电极组件的两个表面组合或结合成一体。具体地，气体扩散层包括第一层，其具有与膜电极组件的反应区域相接触的一个表面；第二层，其形成在第一层的另一表面上；以及第三层，其沿着其中形成有第一层和第二层两者的第一区域与其中仅形成有第二层的第二区域之间的周边部分形成。第一层可以包括第一微孔层，第三层可以包括第二微孔层，该第二微孔层由具有比第一微孔层的粘度更低粘度的材料制成，并且第二层不包括第一微孔层和第二微孔层。
燃料电池还可以包括注塑成型制成的框架，该框架被配置成将MEA与GDL结合成一体。该框架可以由聚合物材料、金属材料或陶瓷材料制成。作为一个具体的例子，可以使用可注塑成型且可绝缘的液晶聚合物(LCP)。该框架可以与第一层分离，并且与第三层接触。该框架还可以通过第三层与第一区域分离。
该燃料电池还可以包括歧管，所述框架的一侧与MEA和GDL中每一个的侧面接触，并且该框架的另一侧与歧管接触。
本发明还提供一种用于制造燃料电池的方法，该方法包括：将气体扩散层(GDL)与具有电解质膜、阳极和阴极的膜电极组件(MEA)的两个表面相结合，气体扩散层由第一层、第二层和第三层构成，它们与MEA具有不同的距离，其中第一层包括第一微孔层，第三层包括第二微孔层，该第二微孔层由具有比第一微孔层的粘度更低粘度的材料制成，并且第二层不包括第一微孔层和第二微孔层。
该方法还可以包括注塑成型出框架，该框架被配置成将MEA与GDL结合成一体。该框架可以由聚合物材料、金属材料或陶瓷材料制成。作为一个具体例子，可以使用可注塑成型且可绝缘的液晶聚合物(LCP)。该框架可以与膜电极组件和气体扩散层中的每一个的侧面相结合，以将膜电极组件与气体扩散层结合成一体。
附图说明
通过以下的详细描述，并结合附图，本发明的上述及其它目的、特征和优点将会更加显而易见，其中：
图1示出使用传统层压技术制造的MEA结构；
图2A是根据本发明示例性实施例的GDL40的俯视图；
图2B是根据本发明示例性实施例的GDL40的侧视图；
图3示出根据本发明示例性实施例的包括结合成一体的GDL40、电解质膜10、催化剂层30a、30b和框架50a的燃料电池；
图4示出根据本发明示例性实施例的用来通过注塑成型工艺形成框架50a的上模具50b和下模具50c，以及注塑成型出的框架50a；以及
图5A和5B示出根据本发明示例性实施例的框架50a的形状和位置。
具体实施方式
可以理解的是，本文中所使用的术语“车辆”或“车辆的”或其它类似的术语包括一般而言的机动车辆，比如包含运动型多用途车辆(SUV)、公共汽车、货车，各种商用车辆的客车、包含各种轮船和舰船的船只、飞行器等等。
在此使用的术语仅用于描述特别实施例并且不旨在限制本发明。如在此使用，单数形式“一个”、“一只”和“该”意图同样包括复数形式，除上下文以其他方式明确表明之外。进一步理解术语“包括”和/或“正在包括”，在本说明书中使用时，指定已陈述特征、整体、步骤、操作、元素和/或部件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元素、部件和/或其集合的存在或添加。如在此使用，术语“和/或”包括关联的列出条目中的一个或多个的任何与全部组合。
图2A和2B分别示出根据本发明的示例性实施例的GDL40的俯视图和侧视图；图3示出根据本发明的示例性实施例的燃料电池，其包括GDL40、电解质膜10、催化剂层30a、30b以及框架50a的组合；图4示出根据本发明的示例性实施例的上模具50b和下模具50c以及注塑成型的框架50a，该上模具50b和下模具50c用于通过注塑成型工艺形成框架50a。
参考图2A和2B，根据本发明的示例性实施例的GDL40包括靠近MEA100的反应区域的第一层42、第二层46、以及布置在第一层42外侧的第三层44。第一层42包括第一微孔层，第三层44包括第二微孔层，该第二微孔层由具有比第一微孔层的材料更低粘度的材料制成。第二层46可以不包括第一微孔层和第二微孔层。
此外，第三层44可包括粘合剂成分，第二层46可以不包括微孔层和粘合剂成分。
参考图3和4，根据本发明一个实施例的GDL40被结合(嵌入到)MEA100的两个表面，并且GDL40和MEA100可以通过注塑成型出的框架50a彼此结合成一体。具体地，框架50a可被注塑成型在插入在上模具50b和下模具50c之间的MEA100和GDL40的侧面上，以便将MEA100与GDL40结合成一体。框架50a可由聚合物材料，特别是液晶聚合物(LCP)、金属材料或陶瓷材料等制成。此外，其可由电绝缘材料制成。
GDL40可包括第一层42，其一个表面与MEA100的反应区域相邻；第二层46，形成在第一层42的另一表面上；以及第三层44，沿着其中形成有第一层42和第二层46两者的第一区域52(反应区域)与其中仅形成有第二层46的第二区域54之间的周边部分形成。第一层42包括第一微孔层，第三层44包括由具有比第一微孔层的材料更低粘度的材料制成的第二微孔层。第二层46不应包括第一微孔层和第二微孔层。
第三层44也可包括粘合剂成分。在此情况下，第一层42包括微孔层，第三层44包括粘合剂成分，第二层46不包括微孔层和粘合剂成分。
在本发明的示例性实施例中的框架50a优选地不与第一层42相邻，与第三层44相邻。框架50a可以通过第三层44与第一区域52分离。即，第三层44起到将框架50a与由第一层42和第二层46构成的第一区域52分离的作用。另一方面，在注塑成型过程中，框架50a可以形成于在第二区域54中形成的第二层46部分上。第二层46可以由具有较高多孔性的材料制成。
即，构成框架50a的材料可穿透进入与第二区域54相对应的第二层46部分中。例如，当框架50a的材料是液体聚合物材料时，由于第三层44形成在框架50a与第一区域52之间，因此该材料不与第一区域52的第一层42和第二层46相接触，但是该材料可穿透进入到形成在第二区域54中的第二层46部分。关于这一点，图3示出其中框架50a的材料穿透进入到形成在第二区域54中的第二层46的一部分的结构，图4示出上模具50b、下模具50c和形成在模具中的框架50a。
图5A和5B示出根据本发明的实施例的框架50a的形状和位置。如图5A和5B所示，根据本发明的示例性实施例的燃料电池可包括歧管60。框架50a的一侧可与MEA100和GDL40的每个侧面相接触，并且框架50a的另一侧可以与歧管60相邻。如图5B所示，框架50a与歧管60相邻的一部分的厚度可以小于框架50a与MEA100和GDL40中每一个的侧面相接触的一部分的厚度。
如上所述，根据本发明，通过注塑成型工艺将MEA和GDL彼此结合成一体，因此可以容易地组装和处理。可以减小MEA的损耗，因此可以降低生产成本。此外，可以减少用于生产燃料电池的工艺的数目，因此可以简化生产线，并且可以提高生产率。
此外，可以以自动、精确的方式来进行注塑成型工艺，因此可以降低产品的故障率，并且可以进行大批量生产。此外，因为在歧管侧不存在电解质膜，因此可减少燃料电池堆的墙壁部分的腐蚀，该腐蚀可能通过其中由电化学反应产生的水通过电解质膜流出燃料电池的现象而导致。此外，还可确保稳定的电绝缘。
最后，由于框架形成在MEA的反应区域的外侧，因此可防止在电池装配期间GDL被隔板压缩时，GDL受损和过度压缩。
尽管已经出于说明的目的对本发明的优选实施例进行描述，然而，本领域技术人员应该意识到，在不脱离所附权利要求所公开的本发明的保护范围和精神的范围内，还可以对本发明进行各种修改、添加和替换。
Claims (15)
1.一种燃料电池，包括：
膜电极组件(MEA)，其具有电解质膜、阳极和阴极；以及
气体扩散层(GDL)，其结合于所述膜电极组件的两个表面内，
其中所述气体扩散层包括第一层，其具有与所述膜电极组件的反应区域相接触的第一表面；第二层，其形成在所述第一层的第二表面上；以及第三层，其沿着其中形成有所述第一层和所述第二层两者的第一区域与其中仅形成有所述第二层的第二区域之间的周边部分形成，
其中所述第一层和所述第三层各自包括微孔层，且所述第三层的微孔层从所述第一表面向隔板延伸而比所述第一层的微孔层更长。
2.如权利要求1所述的燃料电池，其中所述第一层是第一微孔层，所述第三层是第二微孔层，所述第二微孔层由具有比所述第一微孔层的材料更低粘度的材料制成，并且所述第二层不包括所述第一微孔层和所述第二微孔层。
3.如权利要求1所述的燃料电池，其中所述第一层是微孔层，所述第三层是粘合剂成分，并且所述第二层不是微孔层或所述粘合剂成分。
4.如权利要求1所述的燃料电池，还包括被配置成将所述MEA与所述GDL结合成一体的框架。
5.如权利要求4所述的燃料电池，其中所述框架由聚合物材料、金属材料或陶瓷材料制成。
6.如权利要求4所述的燃料电池，其中所述框架与所述第一层分离，并且与所述第三层接触。
7.如权利要求4所述的燃料电池，其中所述框架通过所述第三层与所述第一区域分离。
8.如权利要求4所述的燃料电池，其中形成所述框架的材料穿透进入形成在所述第二区域中的所述第二层的一部分。
9.如权利要求4所述的燃料电池，其中所述燃料电池还包括至少一根歧管，所述框架的一侧与所述MEA和所述GDL接触，并且所述框架的另一侧与所述歧管接触。
10.一种用于制造燃料电池的方法，所述方法包括：
将气体扩散层(GDL)与具有电解质膜、阳极和阴极的膜电极组件(MEA)的两个表面相结合，所述气体扩散层包括其中一个表面与所述膜电极组件的反应区域相接触的第一层、形成于所述第一层的另一表面的第二层、以及沿着其中形成有所述第一层和所述第二层两者的第一区域与其中仅形成有所述第二层的第二区域之间的周边部分形成的第三层，
其中所述第一层和所述第三层各自包括微孔层，且所述第三层的微孔层从第一表面向隔板延伸而比所述第一层的微孔层更长，以使框架与所述第一区域隔离。
11.如权利要求10所述的方法，其中所述第一层是第一微孔层，所述第三层是第二微孔层，所述第二微孔层由具有比所述第一微孔层的材料更低粘度的材料制成，并且所述第二层不是由所述第一微孔层和所述第二微孔层构成。
12.如权利要求10所述的方法，其中所述第一层是微孔层，所述第三层是粘合剂成分，并且所述第二层不是所述微孔层和所述粘合剂成分。
13.如权利要求10所述的方法，还包括注塑成型出框架，所述框架被配置成将所述MEA与所述GDL结合成一体。
14.如权利要求13所述的方法，其中所述框架由聚合物材料、金属材料或陶瓷材料制成。
15.如权利要求13所述的方法，其中所述框架与所述膜电极组件和所述气体扩散层中的每一个的侧面相结合，以便将所述膜电极组件与所述气体扩散层结合成一体。
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