CN105074987B - 包括粘接到膜电极组件和流场板的框架薄片的燃料电池组件 - Google Patents

Abstract

一种用于固态聚合物电解质燃料电池堆的燃料电池组件(1)，采用使用塑料薄膜框架(12)框住其中的催化剂涂层膜(2)的结构。在一个有利的实施方案中，所述塑料薄膜框架(12)在一侧上涂有胶粘剂(13)并且在其内缘(12a)处层压到所述催化剂涂层膜的一个表面而在其外缘(12b)处层压到对侧上的流场板(8)上。

Description

包括粘接到膜电极组件和流场板的框架薄片的燃料电池组件

技术领域

本发明涉及制造用于固态聚合物电解质燃料电池堆的燃料电池组件的设计和方法。具体而言，本发明涉及框住催化剂涂层膜并提供适当密封的框架设计。

背景技术

燃料电池例如固态聚合物电解质燃料电池用电化学方法转化燃料和氧化剂反应物(例如，分别为氢气和氧气或空气)以生成电力。固态聚合物电解质燃料电池通常采用介于阴极和阳极之间的质子导电聚合物膜电解质。所述电极含适当的催化剂并且通常还包括导电粒子、粘合剂和改变可湿性的物质。包括夹在两个电极之间的质子导电聚合物膜的结构称为膜电极组件。可通过适当地将催化剂混合物涂到聚合物膜上以有效方式制备此类组件，并且因此通常称为催化剂涂层膜(CCM)。

通常，在催化剂涂层膜的任一侧采用邻近其各自电极的阳极和阴极气体扩散层。气体扩散层用于使反应物均匀地分布于催化电极并从上去除副产物。然后通常邻近其各自的气体扩散层提供了燃料和氧化物流场板并且所有这些组件的组合代表典型的单独燃料电池组件。流场板包括通常容纳许多流体分布通道的流场。流场板起多种功能，包括：使反应物分布于气体扩散层、从上去除副产物、结构支撑和牵制及集电。常常，将燃料和氧化剂流场板装配成单一双极板，以便在其间并入冷却液流场和/或用于其它装配目的。因为单个电池的输出电压为1V级，所以通常将多个此类燃料电池组件串联堆叠在一起供商业应用。燃料电池堆可进一步连接成串联和/或并联的互连堆阵列，用于汽车应用等。

因此在典型燃料电池堆结构中需要许多密封件，并且以适合商业、高容量制造的方式实现充分可靠的密封具有挑战性。在催化剂涂层膜的外周，必须将加压燃料和氧化剂气体相互分开(即必须防止在膜边缘周围的气体短路)并且还必须防止其渗漏到外部环境中。若存在，许多附加组件(例如密封件、垫圈、框架)用于密封流体孔口并且在电极电势相反的表面之间提供电绝缘也是普遍现象。关于迄今为止所用密封工艺的问题是成本高、零件数量多、复杂、循环时间长、昂贵组件(例如催化剂涂层膜)的收益风险和无法扩大为高容量生产。

目前使用三种主要方法密封在催化剂涂层膜边缘处的工作流体：框架、直接模塑于其上的弹性密封件和胶粘剂密度。

传统框架CCM通常包括在边缘处粘合到CCM上并将CCM夹在中间的两张聚合薄膜。然后框架可用作用于密封目的的垫圈。常常与此类设计一起采用的气体扩散层延伸到电极的有源区外，以便机械性协助其它外周密封件。在这些设计中，用于燃料电池组件外部密封的弹性密封件可模塑到双极板上或离散地模塑，然后预装配到双极板上。采用的聚合薄膜可为两种通用类型。第一种类型是本身可熔化并层压/层积在一起的热塑性塑料(例如聚乙烯)。第二种类型是一侧涂有适合胶粘剂(例如热活化型胶粘剂)的聚合物。这样允许使用机械性能提高的基底聚合薄膜(例如PEN)。两张此类胶粘剂涂层薄膜可经胶粘剂侧与胶粘剂侧层压在一起。此类聚合薄膜的层压通常需要热循环以将其熔合在一起或活化胶粘剂。因为典型的催化剂涂层膜、框架和气体扩散层较薄且柔韧，所以这种制造工艺可能有问题。进一步地，CCM可在温度和湿度变化下在尺寸上变形。通常装配所需的加工包括精密的机械加工步骤以精确适量的粘合压力依次接触在有源区边缘处的层压制品的每个薄层。因为每个组件都十分薄并且具有其自身的公差(例如CCM、框架和气体扩散层的厚度范围分别为约10-25μm、25-50μm和150-200μm)，所以公差非常严格。另外，在CCM的加热层压区和有源区之间有时需要隔热。有源区在层压过程中甚至可能需要冷却。这种复杂的装配夹具在成千上万次热循环后在尺寸上必须在几微米范围内保持稳定。并且不幸的是，因为从连续薄板上切下有源区窗口在外周部留下仅几mm的边界，所以浪费了大部分框架材料。

将弹性密封件直接模塑到膜电极组件上时，通常使用液体注射成型压力机生产直接附着于包含CCM和气体扩散层的层压膜电极组件的聚硅氧烷密封件。聚硅氧烷使气体扩散层的边缘饱和并且将CCM的边缘从入口与气体隔绝。将聚硅氧烷密封件压缩在相邻分离器板表面上的平面密封槽上以从外部密封流体。这也需要为指定膜电极组件定制的精密加工，所以在膜电极组件中又需要稳定的结构/机械特征。变化影响工艺稳定性并且鉴于典型气体扩散层中随机纤维材料的性质，可难以控制。另外，模腔内的高压弹性体可以将CCM无约束的边缘与气体扩散层分开，导致几种类型的故障或需要附加垫圈以将气体扩散层粘合到CCM上。模塑所需投资成本高并且循环时间长，因此是不合需要的操作。

在胶粘剂密封方法中，可考虑两种类型的胶粘剂，即热固化胶粘剂和环境温度固化胶粘剂。用前者，在装配到CCM期间存在与前述加框过程中所述的相同风险，从而需要相同类型的控制。用后者，固化时间通常过长，以便获得允许涂到组件上的必要适用期。

在典型固态聚合物电解质燃料电池中另一个密封要求是在于反应物流场和流场板上的反应物孔口之间存在的过渡区中。这里同样，反应物流体流必须适当分离。用于这些区域的密封件也必须密封到膜电解质或CCM上，并且足够坚硬以抵抗由反应物之间的压力差产生的弯曲力，以致密封件不阻塞过渡区内的流体流动并且因此不影响性能。通常，因为为了获得必要硬度必须考虑较厚的密封组件，所以必须在硬度和燃料电池厚度之间进行平衡。在现有技术结构中，采用带延伸框(延伸超过过渡区)的框架CCM和延伸气体扩散层的设计可在过渡区内提供必要的密封件。框架CCM为CCM提供了密封件而气体扩散层提供了硬度。可选地，可包括附加桥接组件(例如金属嵌体、加强聚合物材料薄垫片)以提供附加硬度。虽然这种方法可在过渡区内提供足够的密封，但是其涉及附加材料和复杂性。

尽管迄今为止取得了进展，但是在燃料电池组件工艺上仍然需要更大的简化、可靠性和降低成本。本发明满足这些需要并且提供了更多相关优势。

发明内容

本发明提供了制造用于固态聚合物电解质燃料电池堆的燃料电池组件更简单的结构和方法。所述燃料电池组件采用催化剂涂层膜和使用塑料薄膜框架框住其中的催化剂涂层膜的结构。本发明的实施方案在相关层压过程中产生更少的零件数量，组成材料更有效的使用和更高的稳健性。

在一个实施方案中，塑料薄膜框架一侧上涂有胶粘剂并且在其内缘处层压到所述催化剂涂层膜的一个表面而在其外缘处层压到对侧上的流场板上。特别地，这些燃料电池组件包括催化剂涂层膜，其具有第一表面和第二表面并且包括在阴极侧涂有阴极催化剂且在阳极侧涂有阳极催化剂的固态聚合物电解质膜电解质；邻近所述阴极催化剂的阴极气体扩散层；邻近所述阳极催化剂的阳极气体扩散层；邻近所述阴极气体扩散层的氧化剂流场板，其中所述氧化剂流场板包括在邻近所述阴极气体扩散层的一侧上的氧化剂流场；邻近所述阳极气体扩散层的燃料流场板，其中所述燃料流场板包括在邻近所述阳极气体扩散层的一侧上的燃料流场；用于在边缘密封位置将氧化剂流场板密封到燃料流场板的密封件；和至少一侧涂有胶粘剂并且框住所述催化剂涂层膜的塑料薄膜框架。另外，所述塑料薄膜框架内缘的胶粘剂侧层压到所述催化剂涂层膜的第一表面，并且所述塑料薄膜框架外缘的胶粘剂侧层压到所述氧化剂和燃料流场板中的在边缘密封位置面向所述催化剂涂层膜的第二表面的一个上。这种结构允许单层的胶粘剂背衬框架材料在其边缘处将燃料电池电极分开。同样，催化剂涂层膜也可层压到平面、稳定流场板上，从而提高了层压工艺的稳健性。

在前述实施方案中，可在催化剂涂层膜的第二表面和在塑料薄膜框架的内缘附近的塑料薄膜的胶粘剂侧涂一层胶粘剂。以这种方式可获得更可靠的流体密封。可选地，固态聚合物膜电解质可以在塑料薄膜框架的内缘附近的第一表面上不含催化剂涂层。然后，所述塑料薄膜框架的内缘可直接层压到固态聚合物膜电解质上并且实现更可靠的流体密封。

虽然塑料薄膜框架可层压到催化剂涂层膜的任一表面，但是可优选层压到阴极侧。因此在这里，催化剂涂层膜的第一表面为阴极侧，第二表面为阳极侧，并且燃料流场板面对第二表面。这样，催化剂涂层膜暴露于燃料气体的区域可略微比暴露于阴极气体的区域大，从而缓和了燃料不足相关的催化剂腐蚀风险。

用于在边缘密封位置将氧化剂流场板密封到燃料流场板的密封件为弹性密封件，例如聚硅氧烷弹性体。以这样一个选择并且使氧化剂和燃料流场板粘合在一起成单一双极流场板，可制造简洁的重复单元，用于后期装配成燃料电池堆。

在一个替代实施方案中，塑料薄膜框架两侧均涂有胶粘剂，则在边缘密封位置的密封件可为层压、非弹性密封件。以这种选择，可制造完整的密封燃料电池单元，用于后期装配成燃料电池堆。

适合的塑料薄膜框架为聚萘二甲酸乙二酯。聚乙烯为另一种潜在选择。采用的胶粘剂可为热活化型胶粘剂，因此层压步骤可涉及加热和加压。

在这些实施方案中，面向催化剂涂层膜的第二表面的气体扩散层可任选地延伸到催化剂涂层膜的边缘之外以便也层压到所述塑料薄膜框架介于内缘和外缘之间的胶粘剂侧上。并且，面向催化剂涂层膜的第一表面的气体扩散层可任选地延伸到催化剂涂层膜的边缘处并且塑料薄膜框架的内缘可位于催化剂涂层膜和面向第一表面的气体扩散层之间。

在另一个有利的实施方案中，塑料薄膜框架层压到并入流场板内的过渡区的密封部件上。特别地，在这些燃料电池组件中，流场板面向催化剂涂层膜的第二表面的一侧包含邻近流场的过渡区，并且过渡区包括密封部件。阴极和阳极气体扩散层可延伸到催化剂涂层膜的边缘处。内缘和外缘之间的塑料薄膜框架层压到过渡区内和周围的密封部件上。

可通过将塑料薄膜框架内缘的胶粘剂侧层压到催化剂涂层膜的第一表面，从而框住催化剂涂层膜，并且通过将塑料薄膜框架外缘的胶粘剂侧层压到氧化剂和燃料流场板中在边缘密封位置面向催化剂涂层膜的第二表面的一个上，制造前述实施方案。

在有关实施方案中，可通过将胶粘剂涂层背膜贴到催化剂涂层膜的第二表面和塑料薄膜框架的内缘附近的塑料薄膜的胶粘剂侧，然后去除所述背膜，在催化剂涂层膜的第二表面和在塑料薄膜框架的内缘附近的塑料薄膜的胶粘剂侧涂一层胶粘剂。

在有关实施方案中，塑料薄膜框架的内缘可直接层压到固态聚合物膜电解质上。在面向催化剂涂层膜的第二表面的气体扩散层延伸到催化剂涂层膜的边缘外的实施方案中，也可在将塑料薄膜框架内缘的胶粘剂侧层压到催化剂涂层膜的第一表面期间，将这种气体扩散层层压到塑料薄膜框架介于内缘和外缘之间的胶粘剂侧。

当采用弹性密封件时，可通过将燃料电池组件堆成串联堆，并且将弹性密封件压缩在氧化剂和流场板之间，从而密封燃料电池组件，制造燃料电池堆。

当塑料薄膜框架两侧均涂有胶粘剂，并且采用非弹性密封件时，可通过将氧化剂和燃料流场板粘合在一起成单一双极流场板，将燃料电池组件堆成串联堆，并且将非弹性密封件层压到相邻氧化剂和流场板上，从而密封燃料电池组件，制造燃料电池堆。可选地，可通过将面向催化剂涂层膜的第二表面的气体扩散层层压到塑料薄膜框架的胶粘剂侧，从而产生层压子组件(包括催化剂涂层膜、塑料薄膜框架、面向催化剂涂层膜的第二表面的气体扩散层和面向催化剂涂层膜的第二表面的流场板)，制备多个燃料电池子组件，将面向催化剂涂层膜的第一表面的气体扩散层层压到子组件上，将氧化剂和燃料流场板中的面向催化剂涂层膜的第一表面的一个层压到子组件上，并且将非弹性密封件层压到氧化剂和流场板上，从而密封燃料电池组件，制造燃料电池堆。然后通过将燃料电池组件堆成串联堆，并且将与燃料流场板相邻的每个氧化剂流场板粘合在一起制造所述堆。

在本发明的另一个实施方案中，塑料薄膜框架框住每个燃料电池组中的催化剂涂层膜并且至少一个流场板包括邻近流场的过渡区。过渡区包括密封部件，并且塑料薄膜框架层压到过渡区的密封部件上。可通过为塑料薄膜框架在至少一侧涂上胶粘剂，并且将塑料薄膜框架的胶粘剂侧层压到过渡区的密封部件上制备此类燃料电池组件。在这样一个实施方案中，目前较薄的塑料框架可在过渡区内提供流体分离功能，而不是较厚的气体扩散层，从而减小了电池厚度并减少了浪费的扩散层材料。并且与先前提到的实施方案一样，催化剂涂层膜层压到平面、稳定流场板上，从而提高了层压工艺的稳健性。这些密封过渡区的实施方案可独立地或可选地和在其边缘处用单层的胶粘剂背衬框架材料将燃料电池电极分开的实施方案组合使用。后者对启用前者特别有用。

参考附图和后面的详细描述后，本发明的这些和其它方面显而易见。

附图说明

图1a显示了燃料电池组件的示意性横截面视图，该燃料电池组件包括一侧涂有胶粘剂并且层压到CCM的阴极侧和阳极流场板的单个塑料薄膜框架。同样在这种组件中，阳极气体扩散层延伸到CCM外并且采用弹性密封件。

图1b显示了除塑料薄膜框架的内缘直接层压到固态聚合物膜电解质上外，与图1a相同的燃料电池组件的示意性横截面视图。

图2显示了除以下不同点之外与图1a相同的燃料电池组件的示意性横截面视图：阳极气体扩散层延伸到CCM的边缘处，塑料薄膜框架两侧均有胶粘剂，并且采用非弹性密封件。

图3显示了除塑料薄膜框架层压到过渡区内的密封部件上外，与图1a相同的燃料电池组件的示意性横截面视图。

图4显示了除在CCM的两侧均采用传统塑料薄膜框架结构外，与图3相同的燃料电池组件的示意性横截面视图。

具体实施方式

本文，已经使用了下列定义。在定量的情况下，术语“约”应理解为在高达+10％和低至-10％的范围内。

“层压/层积”指至少两个薄片状组件的粘合或一体化并且“层压/层积制品”为相关产品。

术语“过渡区”在本文中用于指反应物流场的通道和燃料电池流场板内反应物孔口之间的区域。在该区域内，流体流从单一大流量主体转变为许多小通道流。过渡区通常包括为了使反应物和副产物流在流场内所需的分布流和在所述孔口处出现的总体流之间适当地转变的部件。通常不将过渡区视为燃料电池的电化学有源零件。

图1a中显示了本发明的示例性实施方案的示意性横截面视图。还提供了靠近CCM边缘的放大视图以帮助分辨涉及的较小组件。此处，燃料电池组件1包括CCM 2，其包括在电解质的相对表面上涂有阴极4和阳极5的固态聚合物电解质3。阴极气体扩散层6和阳极气体扩散层7分别位于阴极4和阳极5附近。燃料电池组件1还包括双极流场板组件，其包括已经粘合在一起成单一组件的燃料流场板8和氧化剂流场板9。弹性密封件10出现在燃料电池组件1的边缘处，用于在边缘位置10a处将燃料流场板8密封到包括相似燃料电池组件的串联堆的燃料电池堆中的相邻燃料流场板8(未示出)。在图1a的实施方案中，一侧有胶粘剂13的单个塑料薄膜框架12在其内缘12a处层压到CCM 2的阴极侧并且在其外缘12b处层压到燃料流场板8上。在图1a中，阳极气体扩散层7的截面7a延伸到CCM 2的边缘外并且塑料薄膜框架12也层压到截面7a上。

虽然不用附加胶粘剂可能在CCM 2的边缘处获得足够的密封，但是在图1的优选实施方案中，在CCM 2的另一个表面和塑料薄膜框架12在其内缘12a附近的胶粘剂层上涂上附加胶粘剂层14。附加胶粘剂层14和胶粘剂背衬塑料薄膜框架12的组合基本上封装了CCM 2的边缘以实现更结实的密封。

图1b显示了图1a所示实施方案的替代实施方案。同样，也提供了CCM边缘附近的放大视图。在图1b中，使用来自于图1a的相同数字指示共有组件。此处燃料电池组件15具有相似结构，但是电解质3在塑料薄膜框架12的内缘12a附近的两个表面上不存在催化剂涂层(即在电解质3的边缘处不存在阴极4和阳极5)。在该实施方案中，塑料薄膜框架12直接层压到电解质3上。

图2显示了本发明的另一个实施方案，其中在塑料薄膜框架的两侧上均使用胶粘剂。这样允许在组件中使用非弹性密封件。同样，也提供了CCM边缘附近的放大视图。像以前一样，使用来自于图1a的相同数字指示共有组件。然而此处燃料电池组件20在塑料薄膜框架12的两侧上均采用胶粘剂13，然后可用于在外缘12b处直接密封相邻燃料流场板8和相邻氧化剂流场板9。胶粘剂13和塑料薄膜框架的外缘12b的组合用作燃料电池的不可压缩的非弹性边缘密封件。在替代实施方案中(未示出)，可在燃料和氧化剂流场板8、9其中之一或二者与胶粘剂涂层塑料薄膜框架的外缘12b之间采用非弹性垫圈或垫片。在这个替代实施方案中，垫圈、胶粘剂13和塑料薄膜框架的外缘12b的组合用作燃料电池的非弹性边缘密封件。

因此图2中的燃料电池组件20是完全密封的单元燃料电池，但是不包括预装配的单一双极板。相反，在燃料电池堆的后期装配期间，相邻的燃料和氧化剂流场板粘合在一起。例如，图2显示了来自于燃料电池堆中两个相邻燃料电池的氧化剂流场板21和燃料流场板22是如何经由胶粘剂23分别粘合到燃料流场板8和氧化剂流场板9上。

图2中的实施方案还显示了在塑料薄膜框架内缘12a附近的交错排列。此处，阳极气体扩散层7和阴极气体扩散层6正好延伸到CCM 2的边缘处。

在前面的图中，流场板的过渡区内的密封结构可以各种传统方式制成并且未示出。图3显示了本发明有利实施方案的立体视图，其中塑料薄膜框架层压到燃料流场板8的过渡区内的密封部件上。此处燃料电池组件30在结构上与图1a中在CCM 2附近的燃料电池组件1类似。并且同样，使用相同数字指示共有组件。然而此处，通过将延伸塑料薄膜框架12层压到不同密封部件32上在过渡区31内获得密封。(在图3中，将塑料薄膜框架12在过渡区31内显示为透明以便观察底层结构。然而已经用交叉影线显示出了塑料薄膜框架12已经层压到密封部件32的区域。)这些密封部件32通常出现在过渡区31周围和内部并且基本上是胶粘剂背衬塑料薄膜框架12将要粘合的平台。此类部件通常支撑膜电极组件，抵抗迫使其朝向流场板的底板的流体压差。

图4显示了本发明的另一个实施方案，其中在另外的现有技术燃料电池结构中采用图3中过渡区内的密封结构。同样也提供了靠近CCM边缘的放大视图。图4显示了燃料电池组件40的示意性横截面视图，其中在CCM 2的两侧均采用传统塑料薄膜框架结构。(若非传统塑料薄膜框架结构，电池组件40与图1所示的实施方案十分相似。同样，使用相同数字指示共有组件。然而此处，显示燃料流场板8和氧化剂流场板9使用胶粘剂23a粘合在一起。)传统塑料薄膜框架结构采用两个单独的塑料薄膜框架41、42，其夹住并密封到CCM 2的边缘并且在燃料电池的燃料和氧化剂侧之间提供分离。如图所示，使用胶粘剂涂层43将塑料薄膜框架41、42在其相遇之处粘合在一起。(在替代性传统实施方案中，塑料薄膜框架41、42可熔融粘合在一起，无需使用附加胶粘剂。)如图所示，过渡区31包括燃料过渡区44、氧化剂过渡区45和与氧化剂孔口47流体连接的氧化剂回料槽46。

与图3一样，在过渡区31内通过将塑料薄膜框架41、42层压到不同密封部件32上获得密封。为实现这一目的，首先将胶粘剂49涂或以另外的方式施加到密封部件32上，之后将塑料薄膜框架41、42层压到其上。然后可通过适当地将多个燃料电池组件40堆叠并粘合在一起，容易地制备燃料电池堆。图4显示了来自于此类相邻燃料电池组件，包括已经经由胶粘剂23b粘合在一起的氧化剂流场板21和燃料流场板22的双极板。相邻燃料电池组件在氧化剂流场板21上具有与密封部件32互补的自身密封部件48。因此通过首先将胶粘剂50涂或施加到密封部件48上，转化将相邻燃料电池组件排列并层压到燃料电池组件40产生了密封粘合。(不采用带胶粘剂50的胶粘剂基密封件，相反可考虑弹性密封件。然而，塑料薄膜框架的抗张强度规格可能需要明显更高以经受密封件在任何开放跨度的反作用力。另一方面，不存在使用胶粘剂50而施加的压力，因此可优选此类基于胶粘剂的密封件)。

通过将塑料薄膜框架密封到过渡区内的密封部件(例如图3和4所示)，薄膜框架在反应物流体腔上方保持处于拉伸。流体压力载荷作用于薄膜，使其拉伸(从而完美地适宜于薄膜的材料性质)，在层压胶粘剂与板的接合点，转化为剪切载荷(从而完美地适宜于胶粘剂的材料性质)。

在前述实施方案中，塑料薄膜框架可由适合用于燃料电池环境中并且具有可接受的机械性质的任何聚合材料制成。聚萘二甲酸乙二酯特别适合。胶粘剂背衬可包括用于此目的的各种胶粘剂，例如市场上可买到的Sheldahl A438，并且可为25-50微米级厚。用于密封目的的重叠材料通常在尺寸上可为1-3mm级。

一般而言，在指出胶粘剂应用时，胶粘剂可任选地以离散模式(例如使用筛或喷墨打印机)涂覆或可选地经由辊涂连续地施加。例如，在可能的情况下，要粘合的任何组件区域均可并入直立平台(例如图3和4中燃料流场板8上的密封部件)。当此类组件通过辊涂机时，胶粘剂将连续且均匀地沉积在这些直立平台上。

前述组件的设计和方法提供了许多潜在优势。这些包括零件数量减少(例如可除去框架的一层并且可能除去一个模制弹性密封件)。通过将CCM层压到平面、稳定板表面而非柔性薄膜上提高层压工艺的稳健性本身。可使排列和向层压夹具的定位更加精确。

进一步地，存在减小燃料电池厚度的潜力。实现流体密封和反应物流体压力载荷所需的总厚度较小。例如，在靠近CCM边缘的密封区内，一层胶粘剂涂层聚萘二甲酸乙二酯可代替两个气体扩散层和一层CCM，从而基于现有技术组件厚度的状态，在厚度上节约了多达约300微米。

另外的潜在优势包括所需模塑设备的量，实现电池密封所需的总循环时间和成本减少(通过除去靠近CCM边缘的密封区内的气体扩散层材料或附加桥接组件)。

下面的实施例说明了本发明，但是不得以任何方式解释为对本发明的限制。

示例

使用用于固态聚合物电解质燃料电池的传统组件，即在全氟磺酸化离子交联聚合物膜电解质上包括碳载铂催化剂的CCM，包括基于碳粒子的分层的碳纤维气体扩散层，及由石墨/树脂复合材料制成的燃料和氧化剂流场板，制成实验室规格的实验燃料电池组件。然而，根据本发明使用单个胶粘剂涂层塑料薄膜框架制造燃料电池组件以在CCM的边缘处提供密封件。使用的塑料为聚萘二甲酸乙二酯并且胶粘剂为Sheldahl A438。如图1a所示，除不使用在靠近CCM边缘的阳极表面上涂的任何附加胶粘剂层14外，制造所述组件。

然后在典型反应物压力和温度操作条件下测试实验燃料电池组件。虽然CCM处的边缘密封件最初可接受，但是组件随时间推移由于CCM边缘周围的气体和电短路经历早期故障。

这一次除涂上附加胶粘剂层外(如同图1a中的附加胶粘剂层14)，用另一个实验燃料组件重复前述试验。在与先前相同的操作条件下测试该实验燃料电池组件。这一次，燃料电池组件没有由于CCM边缘周围的气体和电短路经历任何早期故障。

这一次用商业规格的实验燃料组件(例如用于汽车应用的规格)，同时再次使用在靠近CCM边缘的阳极表面上涂的附加胶粘剂层，再次重复前述试验。另外，如图3所示，将塑料薄膜框架层压到燃料流场板的过渡区内的密封部件上。在与先前相同的操作条件下测试这个较大的实验燃料电池组件。并且与先前相同，燃料电池组件在试验时未经历任何早期故障。

在本说明书中提到的以上所有美国专利、美国专利申请公布、美国专利申请、国外专利、国外专利申请和非专利出版物均以引用的方式整体并入本文。

虽然已经显示并描述了本发明的特定要素、实施方案和应用，但是当然应理解，本发明不限于此，因为在不背离本发明的精神和范围的前提下，特别是根据前述教导，本领域中的技术人员可做修改。此类修改将被视为在所附权利要求的权限和范围之内。

Claims (31)

1.一种用于固态聚合物电解质燃料电池堆的燃料电池组件，其包括：

催化剂涂层膜，其具有第一表面和第二表面，并且包括在阴极侧涂有阴极催化剂并且在阳极侧涂有阳极催化剂的固态聚合物电解质膜电解质；

邻近所述阴极催化剂的阴极气体扩散层；

邻近所述阳极催化剂的阳极气体扩散层；

邻近所述阴极气体扩散层的氧化剂流场板，所述氧化剂流场板包括在邻近所述阴极气体扩散层的一侧上的氧化剂流场；

邻近所述阳极气体扩散层的燃料流场板，所述燃料流场板包括在邻近所述阳极气体扩散层的一侧上的燃料流场；

用于在边缘密封位置将氧化剂流场板密封到燃料流场板的密封件；和

塑料薄膜框架，其具有内缘和外缘并至少一侧涂有胶粘剂并且框住所述催化剂涂层膜，其中所述塑料薄膜框架内缘的所述胶粘剂侧层压到所述催化剂涂层膜的所述第一表面，并且其中所述塑料薄膜框架外缘的所述胶粘剂侧层压到所述氧化剂流场板和燃料流场板中的在所述边缘密封位置面向所述催化剂涂层膜的第二表面的一个上，

燃料电池组件另外包括涂在所述催化剂涂层膜的所述第二表面和在所述塑料薄膜框架的内缘附近的塑料薄膜的所述胶粘剂侧的一层胶粘剂。

2.根据权利要求1所述的燃料电池组件，其中所述固态聚合物膜电解质在所述塑料薄膜框架的内缘附近的所述第一表面上不含催化剂涂层，并且所述塑料薄膜框架的内缘直接层压到所述固态聚合物膜电解质上。

3.根据权利要求1所述的燃料电池组件，其中所述催化剂涂层膜的所述第一表面为所述阴极侧，所述第二表面为所述阳极侧，并且所述燃料流场板面向所述第二表面。

4.根据权利要求1所述的燃料电池组件，其中用于在边缘密封位置将氧化剂流场板密封到燃料流场板的所述密封件为弹性密封件。

5.根据权利要求4所述的燃料电池组件，其中所述弹性密封件为聚硅 氧烷。

6.根据权利要求1所述的燃料电池组件，其中所述塑料薄膜框架两侧均涂有胶粘剂并且在所述边缘密封位置的所述密封件为层压的、非弹性密封件。

7.根据权利要求1所述的燃料电池组件，其中所述塑料薄膜框架包含聚萘二甲酸乙二酯。

8.根据权利要求1所述的燃料电池组件，其中所述胶粘剂为热活化型胶粘剂。

9.根据权利要求1所述的燃料电池组件，其中面向所述催化剂涂层膜的第二表面的所述气体扩散层延伸到所述催化剂涂层膜的边缘之外，并且也层压到所述塑料薄膜框架介于所述内缘和外缘之间的所述胶粘剂侧上。

10.根据权利要求9所述的燃料电池组件，其中面向所述催化剂涂层膜的第一表面的所述气体扩散层延伸到所述催化剂涂层膜的边缘处，并且所述塑料薄膜框架的内缘位于所述催化剂涂层膜和面向所述第一表面的所述气体扩散层之间。

11.根据权利要求1所述的燃料电池组件，其中所述流场板面向所述催化剂涂层膜的第二表面的一侧包括邻近所述流场的过渡区，并且所述过渡区包括密封部件。

12.根据权利要求11所述的燃料电池组件，其中所述阴极和阳极气体扩散层延伸到所述催化剂涂层膜的边缘处并且介于所述内缘和外缘之间的所述塑料薄膜框架层压到所述过渡区的所述密封部件上。

13.根据权利要求1所述的燃料电池组件，其中所述氧化剂和燃料流场板粘合在一起成单一双极流场板。

14.一种固态聚合物电解质燃料电池堆，其包括多个根据权利要求1所述的燃料电池组件的串联堆。

15.一种制造根据权利要求1所述的燃料电池组件的方法，包括：

提供所述催化剂涂层膜、所述阴极气体扩散层、所述阳极气体扩散层、所述氧化剂流场板、所述燃料流场板和在边缘密封位置将氧化剂流场板 密封到燃料流场板的密封件；

提供至少一侧涂有胶粘剂的所述塑料薄膜框架；

将所述塑料薄膜框架内缘的所述胶粘剂侧层压到所述催化剂涂层膜的所述第一表面，从而框住所述催化剂涂层膜；

将所述塑料薄膜框架外缘的所述胶粘剂侧层压到所述氧化剂和燃料流场板中的在所述边缘密封位置面向所述催化剂涂层膜的第二表面的一个上。

16.根据权利要求15所述的方法，包括：

在所述催化剂涂层膜的所述第二表面和在所述塑料薄膜框架的内缘附近的塑料薄膜的所述胶粘剂侧涂一层胶粘剂。

17.根据权利要求16所述的方法，其中通过：

将胶粘剂涂层背膜贴到所述催化剂涂层膜的所述第二表面和在所述塑料薄膜框架的内缘附近的塑料薄膜的所述胶粘剂侧；并且

去除所述背膜。

18.根据权利要求15所述的方法，其中所述固态聚合物膜电解质在所述塑料薄膜框架的内缘附近不存在阴极催化剂涂层，并且所述方法包括：

将所述塑料薄膜框架的内缘直接层压到所述固态聚合物膜电解质上。

19.根据权利要求15所述的方法，其中面向所述催化剂涂层膜的第二表面的所述气体扩散层延伸到所述催化剂涂层膜的边缘之外，并且所述方法包括：

在将所述塑料薄膜框架内缘的所述胶粘剂侧层压到所述催化剂涂层膜的第一表面期间，另外将面向所述催化剂涂层膜的第二表面的所述气体扩散层层压到所述塑料薄膜框架介于所述内缘和外缘之间的所述胶粘剂侧。

20.根据权利要求15所述的方法，其中所述胶粘剂为热活化型胶粘剂并且所述层压步骤包括加热和加压。

21.根据权利要求15所述的方法，其中所述氧化剂和燃料流场板粘合在一起成单一双极流场板；并且其中用于在边缘密封位置将氧化剂流场板密封到燃料流场板的所述密封件为弹性密封件。

22.一种制造包括多个燃料电池组件的串联堆的固态聚合物电解质燃料电池堆的方法，所述方法包括根据权利要求21所述的方法制造所述燃料电池组件；将所述燃料电池组件堆成串联堆；并且将所述弹性密封件压缩在所述氧化剂和流场板之间，从而密封所述燃料电池组件。

23.根据权利要求15所述的方法，包括提供两侧均涂有胶粘剂的所述塑料薄膜框架。

24.根据权利要求23所述的方法，其中用于在边缘密封位置将氧化剂流场板密封到燃料流场板的所述密封件为非弹性密封件，并且所述方法包括将所述氧化剂和燃料流场板粘合在一起成单一双极流场板。

25.一种制造包括多个燃料电池组件的串联堆的固态聚合物电解质燃料电池堆的方法，所述方法包括根据权利要求24所述的方法制造所述燃料电池组件；将所述燃料电池组件堆成串联堆；并且将所述非弹性密封件层压到相邻的氧化剂和流场板上，从而密封所述燃料电池组件。

26.根据权利要求23所述的方法，其中用于在边缘密封位置将氧化剂流场板密封到燃料流场板的所述密封件为非弹性密封件，并且所述方法包括：

将面向所述催化剂涂层膜的第二表面的所述气体扩散层层压到所述塑料薄膜框架的所述胶粘剂侧，从而形成层压子组件，该层压子组件包含所述催化剂涂层膜、所述塑料薄膜框架、面向所述催化剂涂层膜的第二表面的所述气体扩散层和面向所述催化剂涂层膜的第二表面的所述流场板；

将面向所述催化剂涂层膜的第一表面的所述气体扩散层层压到所述子组件上；

将所述氧化剂流场板和燃料流场板中的面向所述催化剂涂层膜的第一表面的一个层压到所述子组件上；并且

将所述非弹性密封件层压到所述氧化剂和流场板上，从而密封所述燃料电池组件。

27.一种制造包括多个燃料电池组件的串联堆的固态聚合物电解质燃料电池堆的方法，所述方法包括根据权利要求26所述的方法制造所述燃料 电池组件；将所述燃料电池组件堆成串联堆；并且将与燃料流场板相邻的每个氧化剂流场板粘合在一起。

28.根据权利要求15所述的方法，其中所述流场板面向所述催化剂涂层膜的第二表面的一侧包括邻近所述流场的过渡区；并且所述过渡区包括密封部件。

29.根据权利要求28所述的方法，其中所述阴极和阳极气体扩散层延伸到所述催化剂涂层膜的边缘处并且所述方法包括将介于所述内缘和外缘之间的所述塑料薄膜框架层压到所述过渡区的所述密封部件上。

30.一种用于固态聚合物电解质燃料电池堆的燃料电池组件，其包括：

催化剂涂层膜，其具有第一和第二表面并且包括在阴极侧涂有阴极催化剂且在阳极侧涂有阳极催化剂的固态聚合物电解质膜电解质；

框住所述催化剂涂层膜的塑料薄膜框架；

邻近所述阴极催化剂并延伸到所述催化剂涂层膜的边缘处的阴极气体扩散层；

邻近所述阳极催化剂并延伸到所述催化剂涂层膜的边缘处的阳极气体扩散层；

邻近所述阴极气体扩散层的氧化剂流场板，所述氧化剂流场板包括在邻近所述阴极气体扩散层的一侧上的氧化剂流场；

邻近所述阳极气体扩散层的燃料流场板，所述燃料流场板包括在邻近所述阳极气体扩散层的一侧上的燃料流场；和

用于在边缘密封位置将氧化剂流场板密封到燃料流场板的密封件；

其中至少一个流场板包括邻近所述流场的过渡区，所述过渡区包括密封部件，并且所述塑料薄膜框架层压到所述过渡区的所述密封部件上。

31.一种制造根据权利要求30所述的燃料电池组件的方法，包括：

提供所述催化剂涂层膜、所述阴极气体扩散层、所述阳极气体扩散层、所述氧化剂流场板、所述燃料流场板和在边缘密封位置将氧化剂流场板密封到燃料流场板的密封件；

在至少一侧将所述塑料薄膜框架涂上胶粘剂；

将所述塑料薄膜框架的胶粘剂侧层压到所述过渡区的所述密封部件上。