CN108232256A - 用于燃料电池的膜电极组件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于燃料电池的膜电极组件及其制造方法。膜电极组件包括:电解质膜;阴极和阳极,各自堆叠于所述电解质膜上;和结合至位于活性区域外部的所述电解质膜的周边区域的辅助衬垫,其中所述阴极和所述阳极各自堆叠于所述电解质膜上。所述电解质膜在位于所述活性区域之外的所述电解质膜的周边区域的至少一部分中设置有用于防止电解质膜中的水扩散和排放到外部的排水阻隔区域。
Description
技术领域
本公开涉及用于燃料电池的膜电极组件及其制造方法。更具体而言,本公开涉及能够防止膜电极组件的电解质膜中的水扩散到位于燃料电池的活性区域之外的电解质膜的周边区域中,从而防止电解质膜中用于燃料电池反应的水的损失,提高了所述燃料电池中水的处理效率,并改进了堆叠(stack)的耐腐蚀性的燃料电池的膜电极组件,及其制造方法。
背景技术
燃料电池是在燃料气体和氧化气体之间引起电化学反应从而将燃料中的化学能转化成电能的发电装置。这种燃料电池广泛地用于工业,家庭和车辆中的电源。所述燃料电池也可以用于向小尺寸电气/电子产品或便携式设备供电。
迄今为止,表现出高功率密度的聚合物电解质膜燃料电池(polymer electrolytemembrane fuel cell)(PEMFC)已被广泛用作车辆燃料电池。聚合物电解质膜燃料电池被用作向用于驱动燃料电池车辆的电机和燃料电池车辆的各种电气装置供电的电源。
在聚合物电解质膜燃料电池中,使用氢气作为燃料气体,以及使用氧气或含有氧气的空气作为氧化气体。
另外,所述燃料电池包括其中燃料气体和氧化气体彼此反应从而产生电能的电池。通常而言,多个电池将进行堆叠并以堆叠的形式彼此串联连接从而满足电力需求。
用于车辆的燃料电池需要高功率。为此,数百个各自产生电能的单元电池(unitcell)以堆叠的形式进行堆叠。
所述聚合物电解质膜燃料电池的每个单元电池包括包含能够移动质子的聚合物电解质膜和附着于所述聚合物电解质膜的相对表面上的电极的膜电极组件(MEA),向膜电极组件供给反应气体如燃料气体和氧化气体并传递所产生的电能的气体扩散层(GDL),用于维持反应气体和冷却剂的气密性的衬垫(gasket),用于维持合适的紧固压力的紧固元件,以及用于移动所述反应气体和所述冷却剂的双极板(BP)。
所述膜电极组件(MEA)包括能够使质子移动的聚合物电解质膜,和附着于所述聚合物电解质膜的相对表面的阳极(anode)和阴极(cathode),用于诱导作为燃料气体的氢气和作为氧化气体的空气(或氧气)(施加于所述阳极和所述阴极)之间反应的催化剂。
用于均匀分布所述燃料气体和所述氧化气体的气体扩散层(GDL)堆叠于所述膜电极组件的外侧上,即所述阳极和所述阴极每一个的外侧,而用于提供所述反应气体和冷却剂沿着其流动的通道并将所述反应气体供给到所述气体扩散层的双极板设置于所述气体扩散层的外部。
另外,在构成单元电池的部件之间设置用于流体密封的衬垫。所述衬垫可以与所述膜电极组件或所述双极板一体形成。
上述元件构成一个单元电池。多个电池进行堆叠,支撑所述电池的端板连接至所述堆叠的电池的最外端,并且使用堆叠紧固元件将所述端板紧固于所述电池从而构成燃料电池堆。
燃料电池中用于产生电能的反应在包括全氟磺酸(PFSA)电解质膜和诸如阳极和阴极的电极的膜电极组件(MEA)中进行。
此时,供给到作为所述燃料电池的氧化电极(即,燃料电极)的所述阳极的燃料气体即氢气被分离成质子和电子。所述质子通过所述电解质膜移动到作为还原电极的所述阴极(即空气电极)。氧分子、质子和电子在所述阴极一起反应,结果产生电和热。同时,产生作为反应副产物的水。
具体而言,当所述质子通过所述膜从所述阳极移动到所述阴极时,所述质子会以水合氢离子(hydronium ion)的形式与水分子结合,结果会发生电渗阻力(electro-osmotic drag)(EOD)现象,在这种现象中所述质子会拖曳所述水分子。
另外,如果积聚于所述阴极中的水量增加,则可能发生其中一些水从所述阴极向所述阳极反向移动的逆扩散(back diffusion)现象。
如果由所述燃料电池反应产生并随后移动的水的量是合适的,则有可能维持所述膜电极组件(MEA)的所述可湿性(wettability)。然而,如果水量过多,则会发生水淹(waterflooding)现象。出于这个原因,有必要适当地去除过量的水。
另外,所述过满的水(flooded water)会阻止反应气体有效地供给至所述燃料电池的单元电池中,由此进一步增加电压损失。
为了使所述燃料电池能够在宽电流密度范围内稳定工作,因此有必要精确理解这种水移动现象并有效利用所述燃料电池中的水。
通常而言,由橡胶弹性体制成的所述衬垫产生的压缩压力会长时间施加于所述膜电极组件上。即使当所述膜电极组件被长时间压缩时,也必须保持所述膜电极组件的形状而不能够被撕裂或变形。
另外,需要高的刚性才能提高膜电极组件堆叠期间的处理性能。
为此,通过施加热量将表现出高刚性的固相膜状的辅助衬垫(subgasket)层压到所述膜的周边区域上。
如果所述膜电极组件包括这样的辅助衬垫,则即使当数百个膜电极组件堆叠于一个叠堆中时,所述膜电极组件也可以长时间使用。
在传统的膜电极组件的结构中,所述电解质膜经过制造使得除了其中用于引起所述燃料电池中的电化学反应的阴极和阳极结合于所述电解质膜的活性区域之外,扩展区域形成于所述燃料电池的所述活性区域之外,以使所述辅助衬垫牢固地结合于所述电解质膜。所述辅助衬垫结合于所述电解质膜的所述扩展区域,即周边区域。
然而,在常规的膜电极组件的结构中,水可能扩散到所述辅助衬垫与其结合的所述电解质膜的周边区域中,这是非所期望的。因此,用于燃料电池反应的水可能会被损失掉。
另外,所述扩散的水可能会腐蚀由金属材料制成的所述叠堆的其他部件,由此可能大大降低所述车辆行驶的稳定性。
为了解决上述问题,有人已经提出了减小位于所述膜电极组件(MEA)活性区域之外的所述电解质膜周边区域,即所述辅助衬垫结合在其上的所述电解质膜周边区域的尺寸,从而使之小于所述辅助衬垫的尺寸的方法,由此防止所述膜电极组件的膜暴露于外部,并由此防止水排出到外部。
然而,所述反应气体和所述冷却剂可能由于所述电解质膜结合在其上的所述辅助衬垫的区域与所述电解质膜未结合在其上的所述辅助衬垫的区域之间的所述台阶(step)而泄漏。此外,在燃料电池长时间运行之后,所述膜和所述辅助衬垫可能彼此分离,其结果可能是所述燃料电池的操作被中止。
可替代地,有人已经提出了通过注射成型而不是层压将所述辅助衬垫结合于所述膜电极组件的方法。当使用这些方法注射成型所述辅助衬垫时,所述膜电极组件可能会变形或被污染。
另外,为了解决上述问题,可以执行复杂的多阶段方法(multistage process)。因此,辅助衬垫结合方法变得复杂,从而降低了生产率。
发明内容
为了解决与相关技术相关联的上述问题,做出本公开。因此,本公开旨在提供用于燃料电池的膜电极组件及其制造方法,所述膜电极组件配置成有可能防止膜电极组件的电解质膜中的水扩散到位于燃料电池的活性区域外部的所述电解质膜的周边区域中,由此防止了所述电解质膜中用于燃料电池反应的水的损失,提高了燃料电池中水的处理效率,并提高了堆叠的耐腐蚀性。
根据本公开的示例性实施方式,用于燃料电池的膜电极组件包括:电解质膜;阴极和阳极,各自堆叠于所述电解质膜上;和结合到位于活性区域外部的所述电解质膜周边区域的辅助衬垫,其中所述阴极和所述阳极堆叠于所述电解质膜上。在位于所述活性区域之外的所述电解质膜的至少一部分所述周边区域中为所述电解质膜提供了用于防止所述电解质膜中的水扩散并排放到外部的排水阻隔区域。
根据本公开的另一个示例性实施方式,制造燃料电池的膜电极组件的方法包括:将具有溶解于溶剂中的金属阳离子前体的金属阳离子溶液涂施于位于所述电解质膜的活性区域外部的电解质膜的至少选定部分的周边区域上,其中所述阴极和所述阳极堆叠于所述电解质膜上,从而形成排水阻隔区域;将所述阴极和所述阳极堆叠于所述电解质膜的活性区域上;和在位于所述活性区域外部的所述电解质膜的所述周边区域上堆叠辅助衬垫,其中所述阴极和所述阳极堆叠于所述电解质膜上。所述排水阻隔区由于所述电解质膜的磺酸基(-SO3 -H+)中结合的质子被所述溶液中的金属阳离子取代而形成。
以下讨论本公开的其他方面和实施方式。
应该理解的是,本文所使用的所述术语“车辆”或“车辆的”或其它类似的术语包括通常的机动车辆如客车,包括运动型多用途车辆(SUV)、公共汽车、卡车,各种商用车辆,船只包括各种舟楫和船舶,飞行器等,并包括混合动力车辆,电动车辆,插电式混合动力电动车辆,氢动力车辆和其他替代燃料车辆(例如,来源于除石油以外的资源的燃料)。正如本文所提及的,混合动力车辆是具有两种或更多种动力源的车辆,例如,汽油动力和电动动力车辆。
以下讨论本公开的上述和其他特征。
附图说明
现在将参照附图中图示说明的本发明的某些示例性实施方式详细描述本公开的以上和其它特征,这些示例性实施方式在下文中仅通过示例性的方式提供,由此并不限制本公开,并且其中:
图1显示了根据本公开的实施方式的膜电极组件;
图2显示了根据本公开的另一个实施方式的膜电极组件;和
图3显示了根据本公开的进一步的实施方式的膜电极组件。
应该理解的是,所述附图不一定按比例绘制,呈现了图示说明本公开的基本原理的各种特征的稍微简化的图示。本文所公开的本公开的所述具体设计特征,包括,例如,具体尺寸,取向,位置和形状,将部分由所述具体的预期应用和使用环境而确定。
在附图中,参考数字是指贯穿附图的多个图的本公开的相同或等同部分。
具体实施方式
在下文中,将参照附图详细描述本公开的示例性实施方式,从而允许本领域技术人员容易地实践本公开。
结合附图,参考以下实施方式的详细描述,将会很清楚地理解本公开的优点和特征及其实现方法。
然而,本公开不限于本文中公开的实施方式,可以以各种不同的形式实施。提供这些实施方式仅仅是为了使本公开内容被完整公开,和将本公开的范围完全地指示给本领域技术人员,并且本公开应该由权利要求的范围限定。
另外,在本公开的描述中,当导致本公开的主题不清楚时,将会省略相关的已知技术等的详细描述。
除非另有说明,否则本文所述的所述术语“包括”和“包括了”应该解释为不排除其他元件,而是进一步包括这样的其他元件。
本公开提供了用于燃料电池的膜电极组件及其制造方法,所述用于燃料电池的膜电极组件配置成有可能防止所述膜电极组件的电解质膜中的水扩散到位于燃料电池的活性区域外部的所述电解质膜的周边区域中,而不会降低所述燃料电池的运行性能和损害气密性,从而防止用于所述电解质膜中的燃料电池反应的水的损失,改进了所述燃料电池中水的处理效率,并提高了堆叠的耐腐蚀性。
图1是显示根据本公开的实施方式的膜电极组件的平面图和截面图。
如图1所示,在聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)中使用的根据本公开的膜电极组件(MEA)10包括能够移动质子的聚合物电解质膜11,附着于所述聚合物电解质膜11的相对表面上的阳极13和阴极12,引起作为燃料气体的氢和作为氧化气体的空气(或氧)(应用于所述阳极13和所述阴极12上)之间的反应的催化剂,和结合至所述聚合物电解质膜11的周边区域的相对表面上的辅助衬垫14。
所述膜电极组件10具有其中所述阳极13和所述阴极12结合至所述聚合物电解质膜11的区域,所述区域是发生电化学反应的区域,即活性区域,所述燃料气体和所述氧化气体供给至其上从而使反应发生于燃料电池中。
也就是说,所述阴极12和所述阳极13附着于所述膜电极组件10的相对表面上,其中所述阴极12和所述阳极13结合至所述聚合物电解质膜11的所述区域是燃料电池中的反应发生的活性区域。
另外,所述辅助衬垫14结合至除了其中所述阴极12和所述阳极13结合至所述聚合物电解质膜11的活性区域之外的所述聚合物电解质膜11的周边区域。所述辅助衬垫14可以结合至除了所述活性区域以外的所述聚合物电解质膜11的整个周边区域。
图1是所述膜电极组件的平面图。另外,图1是沿着所述平面图的X-X线得到的截面图和沿着所述平面图的Y-Y线得到的截面图。本文中,X-X线可以是在所述膜电极组件10纵向方向上延伸,同时穿过所述活性区域的线,而Y-Y线可以是在所述膜电极组件10的横向方向上延伸,同时穿过所述活性区域的线。
参照图1,其中所述阴极12和所述阳极13结合于所述聚合物电解质膜11的所述膜电极组件10的所述活性区域位于所述膜电极组件中间呈矩形形状。
另外,所述辅助衬垫14结合至除了其中所述阴极12和所述阳极13结合至所述聚合物电解质膜11上的所述中间活性区域以外的所述聚合物电解质膜11所述周边区域。每个辅助衬垫14具有形成于其中间的矩形开口从而使所述中间活性区域通过所述开口暴露出来,即,从而使所述阴极12和所述阳极13通过所述开口而暴露出来。
更具体而言,每个辅助衬垫14形成矩形框架形状,从而使每个辅助衬垫14位于所述膜电极组件10的所述矩形边缘处。此时,所述辅助衬垫14可以堆叠并结合于位于所述聚合物电解质膜11的周边区域的所述聚合物电解质膜11相对表面上(其处于所述阴极12和所述阳极13的外部(即所述活性区域)),从而使所述辅助衬垫14不与所述阴极12或所述阳极13重叠。
同时,根据本公开的所述膜电极组件10进一步包括形成于所述辅助衬垫14结合于其上的所述聚合物电解质膜11的至少一部分所述周边区域中的排水阻隔区域11a。
所述排水阻隔区域11a配置成防止所述聚合物电解质膜11中的水因其扩散作用而向位于所述活性区域外部的所述聚合物电解质膜11的所述周边区域移动。即,所述排水阻断区域11a会防止所述燃料电池内的用于反应的水向所述聚合物电解质膜11的所述周边区域扩散并排出所述燃料电池外,由此防止了所述水的损失。
通过提供所述排水阻隔区域11a,就有可能防止水向所述聚合物电解质膜11的所述周边区域移动和扩散,并防止所述水排出到外部,由此防止所述水的损失。因此,有可能防止从每个电池排出的水腐蚀所述叠堆,从而改进所述叠堆的耐腐蚀性。另外,有可能改进所述燃料电池中水的处理效率。
根据本公开,所述排水阻隔区域11a通过额外的处理形成于所述辅助衬垫14结合于其上的所述聚合物电解质膜11的周边区域中。在所述处理之后,所述聚合物电解质膜11的所述周边区域可以执行排水阻隔功能。
另外,所述排水阻隔区域11a可以在所述聚合物电解质膜11的所述周边区域处沿着所述聚合物电解质膜11的侧边延伸从而具有预定的宽度。如图1中所示,所述排水阻隔区域11a可以沿着所述聚合物电解质膜11的整个周边区域延伸从而具有矩形框架形状。
即,正如图1中所示,假设所述辅助衬垫14结合于其上的所述聚合物电解质膜11所述周边区域形成为矩形框形状,所述排水阻隔区域11a形成于通过预定距离与所述活性区域分隔开的所述聚合物电解质膜11的一部分周边区域中从而具有预定宽度。
由于所述排水阻隔区域11a形成于所述辅助衬垫14结合于其上的所述聚合物电解质膜11的所述周边区域内,所以辅助衬垫14堆叠并结合于所述聚合物电解质膜11的所述排水阻隔区域11a。
正如图1所示,所述排水阻断区域11a沿着所述膜电极组件10的四条侧边,即其两条长边和两条短边形成于所述聚合物电解质膜11中,从而在每个侧边上具有预定的宽度。所述排水阻隔区域11a形成为矩形框形状。
所述聚合物电解质膜11的所述排水阻隔区域11a的宽度可以是所述聚合物电解质膜11的所述周边区域总宽度的0.5倍或更低。
简言之,所述聚合物电解质膜11的所述排水阻隔区域11a形成于除了其中所述阴极12和所述阳极13结合于所述聚合物电解质膜11的所述活性区域(即,所述电化学反应区域)之外的所述聚合物电解质膜11的一部分所述周边区域中,即通过在每个侧边上设定的预定距离与所述活性区域间隔开的其中所述辅助衬垫结合于所述聚合物电解质膜11的区域。此时,每个侧边的任意位置处的所述排水阻隔区域11a的宽度可以是其中所述辅助衬垫结合至相同位置处所述聚合物电解质膜11的所述区域的总宽度的0.5倍或更低。
如果所述排水阻隔区域11a的宽度大于其中所述辅助衬垫结合至所述聚合物电解质膜11的所述区域的总宽度的0.5倍,则由金属阳离子取代形成的所述排水阻隔区域11a,正如以下将要描述的那样,太靠近所述活性区域(即,电化学反应区域),从而导致电化学反应(即,燃料电池反应)可能受到影响。
与图1的所述实施方式不同,所述排水阻隔区域11a可以形成于所述聚合物电解质膜11的一部分所述周边区域上,更具体而言,形成于所述聚合物电解质膜11的四侧边之中的所述聚合物电解质膜11仅两个相对侧边上。
图2和图3显示了仅在所述聚合物电解质膜11的两个相对侧边中形成所述排水阻隔区域11a的实施方式。图2显示了在所述聚合物电解质膜11的所述四侧边之中仅在所述聚合物电解质膜11的两个相对长侧边上形成所述排水阻隔区域11a的所述实施方式。图3显示了在所述聚合物电解质膜11的所述四个侧边之中仅在所述聚合物电解质膜11的两个短侧边上形成所述排水阻隔区域11a的实施方式。
在每个实施方式中,如上所述,所述排水阻隔区域11a可以在每一侧边上与所述活性区域间隔开预定距离。即使在图1和2的所述实施方式中,在每一侧边的任意位置处的所述排水阻隔区域11a的所述宽度可以是其中所述辅助衬垫结合至相同位置处的所述聚合物电解质膜11的所述区域的总宽度的0.5倍或更低。
即,在图1~3的实施方式中,每个侧边的任意位置处的所述排水阻隔区域11a的所述宽度可以小于与所述活性区域的距离。
对此的原因是所述排水阻隔区域11a与其中所述阴极12和所述阳极13结合于所述聚合物电解质膜11的所述活性区域隔开,并且所述聚合物电解质膜11的所述活性区域之外的所述聚合物电解质膜11的周边区域(即,其中所述辅助衬垫14结合至所述聚合物电解质膜11的所述区域)分成形成所述排水阻隔区域11a的部分和仅形成所述聚合物电解质膜11的部分。
根据本公开的一个实施方式,所述排水阻隔区域11a可以通过将包含金属阳离子的溶液应用于所述聚合物电解质膜11上而形成从而使所述聚合物电解质膜11的磺酸基(-SO3 -H+)中结合的质子被所述金属阳离子取代。
也就是说,在本公开中,用于阻挡水移动的所述排水阻隔区域11a形成于所述聚合物电解质膜11中。对应于所述排水阻隔区域11a的所述聚合物电解质膜11的一部分所述周边区域的性质通过选择性的阳离子取代进行改变从而使所述聚合物电解质膜11的特定区域形成所述排水阻隔区域11a。
所述排水阻隔区域11a是通过阳离子取代改变其中辅助衬垫14结合至所述聚合物电解质膜11的一部分所述区域的性质而实现的。因此,所述排水阻隔区域11a阻止了所述聚合物电解质膜11中的水向外部移动,由此就有可能防止所述水排出到外部。
对所述聚合物电解质膜的先前研究表明,当金属阳离子如Na+,Ca2+和Fe3+暴露于所述膜时,离子电导率会降低并发生膜脱水(Kitiya Hongsirikarn et al.,J.PowerSources,195,7213-7220(2010);Michael J.Kelly et al.,J.Power Sources,145,249-252(2005);D.A.Shores and G.A.Deluga,“Basic materials corrosion issues”,Ch.23in Handbook of Fuel Cells-Fundamentals,Technology and Applications,Edited by Wolf Vielstich,Hubert A.Gasteiger,Arnold Lamm.,Volume 3,John Wiley&Sons,Ltd.(2003))。
对此的原因是所述膜的磺酸基(-SO3 -H+)中结合的质子被阳离子取代,这会表现出对于所述膜的磺酸基(-SO3 -)比质子更高的亲和性,从而干扰了所述质子和水分子之间的结合。
具体而言,多价阳离子,而不是单价阳离子,会受到强烈的影响。
如果在所述膜电极组件的所述活性区域中出现上述现象,则离子传导性会降低,由此所述燃料电池的性能将会大大降低。
然而,在所述活性区域外的所述聚合物电解质膜11的所述周边区域,即其中辅助衬垫14结合至所述聚合物电解质膜11的区域进行阳离子取代的情况下,所述膜的水含量在不影响所述燃料电池反应的情况下可以减少,从而大大降低了从所述膜电极组件排出的水量。
因此,在本公开中,所述聚合物电解质膜11包括通过选择性阳离子取代形成于所述活性区域之外的所述聚合物电解质膜11的所述周边区域中的所述排水阻隔区域11a。
所述聚合物电解质膜11中的所述排水阻隔区域11a形成于除了作为电化学反应部分的活性区域之外的其中所述辅助衬垫14结合至所述聚合物电解质膜11的所述区域的至少一部分外部部分中。
以下,将描述所述聚合物电解质膜中形成所述排水阻隔区的方法。
首先,作为在所述聚合物电解质膜11的所选择区域中形成所述排水阻隔区域11a的方法,除了所述排水阻隔区域11a以外的所述聚合物电解质膜11的相对表面用掩蔽元件(未显示)进行覆盖,并将具有溶解于溶剂中的金属阳离子前体的金属阳离子溶液通过湿法如喷雾、刷涂或辊涂使用施用于未用掩蔽元件覆盖的所述聚合物电解质膜11的暴露区域。
可替代地,在组装所述燃料电池堆之后,通过将金属阳离子溶液喷涂于所述燃料电池堆的侧表面上,就可以在所述电池的活性区域之外的所述聚合物电解质膜的所述周边区域中同时形成所述排水阻隔区。然而,本公开不限于此。
在本公开中,所述金属(M)阳离子溶液可以包括由以下[化学式1]表示的金属阳离子前体和溶剂。
[化学式1]
M(X)n
其中M可以选自由Na,Li,K,Ca,Mg,Cu,Zn,Ni,Fe,Cr和Al组成的组中,X可以选自由氯离子,硫酸根,乙酸根,硝酸根,氢氧根及其组合组成的组中。
另外,n根据M的价态设定。
在本公开中,所述金属阳离子溶液可以包括一种或多种金属阳离子前体。由所述金属(M)产生的所述金属阳离子可以是二价金属阳离子。更具体而言,所述金属阳离子可以是二价或三价金属阳离子。
另外,所述溶液中的所述金属阳离子的浓度可以为至少1mol%。如果所述金属阳离子的浓度小于1mol%,则所述阳离子取代进行不充分,其结果可能会降低排水阻挡效率。
所述溶剂用于溶解所述金属阳离子前体。选自由去离子水、甲醇、乙醇、异丙醇、1-丙醇和2-甲氧基乙醇组成的组中的一种或两种或更多种的混合物都可以用作所述溶剂。可以使用去离子水。
在所述金属阳离子溶液应用于所述聚合物电解质膜11的所选定区域从而形成所述排水阻隔区域11a之后,如上所述,将所述聚合物电解质膜11干燥,并去除所述掩蔽元件足够长的一段时间以进行阳离子取代。
所述聚合物电解质膜11可以使用自然干燥法进行干燥。可替代地,为了减少干燥时间,可以使用热空气干燥法或真空干燥法。
在除去所述掩蔽元件从而获得所述聚合物电解质膜11之后,将所述阴极12和所述阳极13堆叠于所述聚合物电解质膜11上,并使用常规工艺方法将所述辅助衬垫14堆叠并结合于所述聚合物电解质膜11上。
在形成所述阴极12和所述阳极13之后,可以形成所述排水阻隔区域11a。
因此,通过金属阳离子取代形成的所述排水阻隔区域形成于位于所述膜电极组件的活性区域之外的所述聚合物电解质膜的周边区域上,由此有可能通过使用所述排水阻隔区域,由于所述辅助衬垫实现了所述膜电极组件所需的优异处理性质,以维持所述燃料电池的气密性和防止水扩散到所述燃料电池的所述周边区域中。
因此,有可能改进所述燃料电池中的水的处理效率,改进所述叠堆的耐腐蚀性,并改进车辆行驶的安全性。
在图1~3中,A′和A″指示所述电化学反应部分,即其中所述阴极12和所述阳极13结合至所述聚合物电解质膜11的所述膜电极组件的活性区域,B'和B″指示其中所述辅助衬垫14结合至所述聚合物电解质膜11的所述区域,即位于所述活性区域之外的所述聚合物电解质膜11的所述周边区域。
更具体而言,A'指示所述活性区域的长度,而A″指示所述活性区域的宽度。
另外,B'指示每个短侧边处的所述周边区域的宽度,而B″指示每个长侧边的所述周边区域的宽度。
另外,B1'和B1″指示其中未进行阳离子取代的所述聚合物电解质膜11的一部分所述周边区域,即提供用于使所述聚合物电解质膜11的所述活性区域与所述排水阻隔区11a相互分隔开的阳离子未取代区域。
B1'指示每个短侧边处的所述阳离子未取代区域的宽度(即,所述活性区域和所述排水阻隔区域之间的距离),B1″指示每个长侧边的所述阳离子未取代区域的宽度(即,所述活性区域和所述排水阻隔区域之间的距离)。
另外,B2'和B2″指示通过选择性阳离子取代形成的所述聚合物电解质膜11的所述排水阻隔区域11a。在图1的所述实施方式中,所述排水阻隔区域11a形成于所述聚合物电解质膜11的四个侧边处。在图2的所述实施方式中,所述排水阻隔区域11a形成于所述聚合物电解质膜11的两个相对的长侧边处。在图3的所述实施方式中,所述排水阻隔区域11a形成于所述聚合物电解质膜11的两个相对的短侧边处。
如上所述,在图1的所述实施方式中,显示了B2'≤0.5×B'和B2"≤0.5×B"。而在图2的所述实施方式中显示了B2"≤0.5×B"。
另外,在图3的所述实施方式中描述了B2'≤0.5×B'。
从以上的描述显而易见的是,在根据本公开的用于燃料电池的膜电极组件及其制造方法中,通过金属阳离子取代形成的所述排水阻隔区域形成于位于所述膜电极组件的所述活性区域之外的所述聚合物电解质膜的所述周边区域中,由此有可能通过使用所述排水阻隔区域,由于所述辅助衬垫实现了所述膜电极组件所需的优异处理性质,以维持所述燃料电池的气密性和防止水扩散到所述燃料电池的所述周边区域中。
因此,可能改进所述燃料电池中的水的处理效率,改进堆叠的耐腐蚀性,并改进车辆行驶的安全性。
本公开已经参照其实施方式进行了详细描述。然而,本领域技术人员将会理解的是,在不脱离本公开的原理和精神的情况下,可以对这些实施方式进行改变,本公开的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (20)
1.一种用于燃料电池的膜电极组件,包括:
电解质膜;
阴极和阳极,各自堆叠于所述电解质膜上;和
结合至位于活性区域之外的所述电解质膜的周边区域的辅助衬垫,其中所述阴极和所述阳极各自堆叠于所述电解质膜上,
其中所述电解质膜在位于所述活性区域之外的所述电解质膜的周边区域的至少一部分中提供有用于防止所述电解质膜中的水扩散和排放到外部的排水阻隔区域。
2.根据权利要求1所述的膜电极组件,其中在与所述活性区域间隔开的所述电解质膜的周边区域的一部分中形成所述排水阻隔区域。
3.根据权利要求1所述的膜电极组件,其中所述排水阻隔区域在所述电解质膜的周边区域处沿着所述电解质膜的侧边延伸以具有预定宽度。
4.根据权利要求1所述的膜电极组件,其中在所述辅助衬垫结合至其上的所述电解质膜的周边区域中形成所述排水阻隔区域从而使所述辅助衬垫堆叠并结合于所述排水阻隔区域。
5.根据权利要求1所述的膜电极组件,其中所述辅助衬垫堆叠于除了其中所述阴极和所述阳极各自堆叠于所述电解质膜上的活性区域之外的所述电解质膜的整个周边区域上。
6.根据权利要求1所述的膜电极组件,其中沿着所述电解质膜的四个侧边在所述电解质膜的周边区域中形成所述排水阻隔区域。
7.根据权利要求1所述的膜电极组件,其中沿着所述电解质膜的四个侧边中的所述电解质膜的两个相对侧边在所述电解质膜的周边区域中形成所述排水阻隔区域。
8.根据权利要求1所述的膜电极组件,其中沿着所述电解质膜的侧边在与所述活性区域间隔开的所述电解质膜的周边区域的一部分中形成所述排水阻隔区域,并且所述排水阻隔区域具有预定宽度,以及
其中所述排水阻隔区域的宽度是所述电解质膜的周边区域的总宽度的0.5倍或更小。
9.根据权利要求1所述的膜电极组件,其中通过用金属阳离子取代所述电解质膜的磺酸基中结合的质子,形成所述排水阻隔区域。
10.根据权利要求9所述的膜电极组件,其中所述金属阳离子选自由Na、Li、K、Ca、Mg、Cu、Zn、Ni、Fe、Cr和Al组成的组。
11.根据权利要求9所述的膜电极组件,其中所述金属阳离子是二价或三价金属阳离子。
12.一种制造用于燃料电池的膜电极组件的方法,所述方法包括以下步骤:
将具有溶解于溶剂中的金属阳离子前体的金属阳离子溶液施用于位于电解质膜的活性区域之外所述电解质膜的周边区域的至少选定部分上,其中阴极和阳极各自堆叠于所述电解质膜上从而形成排水阻隔区域;
将所述阴极和所述阳极堆叠于所述电解质膜的活性区域上;和
将辅助衬垫堆叠于位于所述活性区域之外的所述电解质膜的周边区域上,其中所述阴极和所述阳极各自堆叠于所述电解质膜上,其中通过用所述金属阳离子溶液中的金属阳离子取代所述电解质膜的磺酸基团中结合的质子,形成所述排水阻隔区域。
13.根据权利要求12所述的方法,其中在与所述活性区域隔开的所述电解质膜的周边区域的一部分中形成所述排水阻隔区域。
14.根据权利要求12所述的方法,其中所述排水阻隔区域在所述电解质膜的周边区域处沿着所述电解质膜的侧边延伸并具有预定宽度。
15.根据权利要求12所述的方法,其中沿着所述电解质膜的侧边在与所述活性区域隔开的所述电解质膜的周边区域的一部分中形成所述排水阻隔区域,并且所述排水阻隔区域具有预定宽度,以及
其中所述排水阻隔区域的宽度是所述电解质膜的周边区域的总宽度的0.5倍或更小。
16.根据权利要求12所述的方法,其中所述金属阳离子前体由化学式M(X)n表示,其中M选自由Na、Li、K、Ca、Mg、Cu、Zn、Ni、Fe、Cr和Al组成的组,以及
其中X选自由氯离子、硫酸根、乙酸根、硝酸根、氢氧根以及它们的组合组成的组。
17.根据权利要求12所述的方法,其中所述溶剂是选自由去离子水、甲醇、乙醇、异丙醇、1-丙醇和2-甲氧基乙醇组成的组中的一种,或两种或更多种的混合物。
18.根据权利要求12所述的方法,其中所述金属阳离子选自由Na、Li、K、Ca、Mg、Cu、Zn、Ni、Fe、Cr和Al组成的组。
19.根据权利要求12所述的方法,其中所述金属阳离子是二价或三价金属阳离子。
20.根据权利要求12所述的方法,其中形成所述排水阻隔区域的步骤包括:
用掩蔽元件掩蔽除了其中形成所述排水阻隔区域的所述电解质膜的选定部分之外的所述电解质膜的剩余部分;和
将所述金属阳离子溶液施用于未被所述掩蔽元件覆盖的所述电解质膜的暴露部分。
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