CN109428100A - 包覆模制组合式电极组件 - Google Patents

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Abstract

用于燃料电池的阶梯式UEA包括主扩散层、次扩散层、包覆模制的子垫片，以及设置在主扩散层和次扩散层之间的质子交换膜层。对于主扩散层、次扩散层和质子交换膜层中的每一个，包覆模制的子垫片可以直接模制到其外围边缘区域。

Description

包覆模制组合式电极组件
技术领域
本公开涉及燃料电池组件，并且具体涉及具有坚固的包覆模制组合式电极组件的燃料电池组件。
背景技术
燃料电池在许多应用中用作电源。特别地，建议将燃料电池用于汽车中以代替内燃机。常用的燃料电池设计使用固体聚合物电解质(“SPE”)膜或质子交换膜(“PEM”)，以在阳极和阴极之间提供离子传输。
燃料电池通常是在催化剂存在下将燃料(氢气、甲醇等)和氧化剂(空气或纯氧)的化学能转化为电、热和水的电化学装置。燃料电池在整个燃料的电化学转换过程中产生清洁能源。因此，由于零排放或非常低的排放，它们是环境友好的。此外，燃料电池是从几瓦到几百千瓦的高功率发电系统，其效率远高于传统的内燃机。由于运动部件很少，燃料电池的噪音也很低。
在质子交换膜型燃料电池中，氢作为燃料供给阳极，氧作为氧化剂供给阴极。氧气可以是纯形式(O2)或空气(O2和N2的混合物)。PEM燃料电池通常具有膜电极组件(“MEA”)，其中固体聚合物膜在一面上具有阳极催化剂，在相对面上具有阴极催化剂。典型的PEM燃料电池的阳极和阴极层由多孔导电材料形成，例如编织石墨、石墨化片或碳纸以使燃料能够分散在面向燃料供应电极的膜表面上。每个电极具有负载在碳颗粒上的细碎催化剂颗粒(例如，铂颗粒)，以促进阳极处的氢氧化和阴极处的氧还原。质子从阳极通过离子导电聚合物膜流到阴极，在那里它们与氧结合形成水，水从电池中排出。质子交换膜夹在一对多孔气体扩散层(“GDL”)之间，该多孔气体扩散层转而夹在一对无孔导电元件或板(即流场板)之间。这些板用作阳极和阴极的集电器，并包含在其中形成的适当的通道和开口，用于将燃料电池的气态反应物分布在相应的阳极和阴极催化剂的表面上。为了有效地发电，PEM燃料电池的聚合物电解质膜必须薄、化学稳定、可传输质子、不导电且不透气。在典型的应用中，燃料电池以许多单独的燃料电池堆的阵列提供，以便提供高水平的电力。
如图2A-2B所示，通过在如图1所示的质子交换膜124的任一侧浸渍多孔扩散层122、120，将UEA的直边167与子垫片34集成，可以将密封件集成在传统的组合式电极组件110中。子垫片34可以横向延伸超过UEA110的均匀边或直边167并包围其周边。然而，如图1所示，根据到弹性体密封材料132的粘度，扩散层120、122和PEM 124趋于弯曲和断裂，弹性体材料132在模具155中模制到微孔层120、122上并渗透微孔层120、122，从而导致结构中的泄漏。图2A示出了放置在双极板116上的示例性传统包覆模制UEA 110，而图2B示出了具有传统的包覆模制UEA 110和双极板114、116的示例性传统燃料电池组件112。因此，需要坚固的组合式电极组件和/或燃料电池组件，其防止气体扩散层中的破裂和/或泄漏。
发明内容
本公开提供了用于燃料电池组件的阶梯式包覆模制UEA。阶梯式UEA包括主扩散层、次扩散层、包覆模制的子垫片，以及设置在主扩散层和次扩散层之间的质子交换膜层。对于主扩散层、次扩散层和质子交换膜层中的每一个，包覆模制的子垫片可以直接模制到其外围边缘区域。
在本公开的又一方面，提供了一种燃料电池组件，其包括第一双极板、第二双极板和阶梯式UEA，该阶梯式UEA具有设置在第一双极板和第二双极板之间的包覆模制的子垫片。阶梯式UEA还包括主扩散层、次扩散层和设置在主扩散层和次扩散层之间的质子交换膜层。应该理解的是，次扩散层的表面区域小于主扩散层和质子交换膜层中的每一个。主扩散层和质子交换膜层可以具有基本上相等尺寸的表面区域。
制造阶梯式UEA的方法包括以下步骤：在下支撑模具上设置主扩散层、PEM层和次扩散层；将主扩散层、PEM层和次扩散层包围在下支撑模具和上模具中；将聚合物材料注入模具中；将聚合物材料渗透到每个主和次扩散层的外围边缘区域中，并将聚合物材料直接模制到PEM的外围边缘区域上；从上模具和下支撑模具中取出包覆模制UEA。
根据参考附图的以下详细描述，本公开及其特定特征和优势将变得更加明显。
附图说明
根据以下详细描述、最佳模式、权利要求和附图，本公开的这些和其他特征和优点将显而易见，其中：
图1是传统的包覆模制UEA在模制浇口处的示意性横截面图。
图2A是在第二双极板上的传统的包覆模制UEA的示意性横截面图。
图2B是传统的燃料电池组件的示意性横截面图，该燃料电池组件具有设置在第一双极板和第二双极板之间的包覆模制UEA。
图3A是第二双极板上的示例性非限制性包覆模制UEA的示意性横截面图。
图3B是示例性非限制性燃料电池组件的示意性横截面图，该燃料电池组件具有设置在第一双极板和第二双极板之间的包覆模制UEA。
图4是根据本公开的设置在模制浇口内的示例性包覆模制UEA的示意性横截面图。
图5是示出用于制造阶梯式UEA的示例性非限制性过程的流程图。
在整个附图的若干附图的描述中，相同的附图标记指代相同的部件。
具体实施方式
现在将详细参考本公开的目前优选的组合物、实施方案和方法，其构成实施本发明人目前已知的本公开的最佳模式。这些数字不一定按比例。然而，应该理解的是，所公开的实施例仅仅是本公开的示例，其可以以各种和替代的形式实施。因此，本文公开的具体细节不应被解释为限制，而仅仅作为本公开的任何方面的代表性基础和/或作为教导本领域技术人员以各种方式使用本公开的代表性基础。
除了在实施例中或另外明确指出之外，本说明书中表示材料量或反应和/或用途的条件的所有数值应理解为在描述本公开最广泛的范围时由“约”修饰。通常优选在所规定的数值范围内的实践。此外，除非有相反的明确说明：百分比、“份数”和比值是按重量计；对于与本公开相关的给定目的而言适合或优选的一组或一类材料的描述意味着该组或类中的任何两个或多个成员的混合物同样适合或优选；首字母缩写词或其他缩写词的第一个定义适用于此处相同缩写的所有后续用法，并经必要的变更适用于最初定义的缩写词的正常语法变异；并且，除非另有明确说明，否则性能的测量是通过与之前或之后针对同一性能引用的相同技术确定的。
还应该理解的是，本公开不限于下面描述的具体实施方案和方法，因为具体的组分和/或条件当然可以变化。此外，这里使用的术语仅用于描述本公开的特定实施例的目的，并不旨在以任何方式进行限制。
还必须注意，如说明书和所附权利要求中所使用的，单数形式“一”，“一个”和“该”包括复数指示物，除非上下文另有明确说明。例如，以单数形式对组件的引用旨在包括多个组件。
术语“包括”与“包含”、“具有”、“含有”或“其特征在于”同义。这些术语是包含性的和开放式的，并且不排除另外的、未列举的元件或方法步骤。
短语“由......组成”排除了权利要求中未指定的任何元件、步骤或成分。当这一短语出现在权利要求正文的一个条款中，而不是紧跟在前言之后，它只限制该条款中阐述的元件；其他元件不排除在整体的权利要求之外。
短语“基本上由......组成”将权利要求的范围限制于指定的材料或步骤，以及不会实质上影响所要求保护的主题的基本和新颖特征。
可以替代地使用术语“包括”、“由......组成”和“基本上由......组成”。在使用这三个术语之一的情况下，当前公开和要求保护的主题可包括其他两个术语中任一个的使用。
在整个本申请中，在引用出版物的情况下，这些出版物的公开内容整体通过引用并入本申请，以更全面地描述本公开所属领域的现有技术。
以下详细描述本质上仅是示例性的，并且不旨在限制本公开或本公开的应用和使用。此外，无意受前述背景技术或以下详细描述中提出的任何理论的约束。
本公开提供了用于燃料电池组件12的阶梯式包覆模制UEA 10。阶梯式包覆模制UEA10在图3A中示出。阶梯式UEA10包括主扩散层20、次扩散层22、包覆模制的子垫片34，以及设置在主扩散层20和次扩散层22之间的质子交换膜层24(PEM 24)。对于主扩散层20、次扩散层22和质子交换膜层24中的每一个，可以将包覆模制的子垫片34直接模制到其外围边缘区域。本公开的包覆模制密封件防止在UEA 10的边缘周围的流体转移，由于扩散层/PEM24中破裂的风险降低，因此对两个相邻的流场板产生流体密封。如图3A所示，示出了阶梯式UEA 10布置，其中主扩散层20和PEM 24延伸超出次扩散层22。如图所示，主扩散层20、次扩散层22和PEM 24均包括外围边缘区域(在图3A和3B中分别示出为元件26、28和30)。主扩散层20和次扩散层22均可以是阳极或阴极。然而，如果主扩散层20是阳极，那么次扩散层必须是阴极。类似地，如果主扩散层20是阴极，则次扩散层必须是阳极。
应该理解的是，图3A-3B中所示的阶梯式布置可以沿着气体扩散层(主和次)和PEM24的整个周边实现。因此，可以理解，质子交换膜层24和主扩散层20可以等效地确定尺寸或者基本上具有等效表面区域，而次扩散层22的表面区域61小于主扩散层的表面积。如图3A-3B所示，次扩散层22的端部69设置在主扩散层20和PEM 24的端部67的内侧。
在这种布置下，质子交换膜层24的外围边缘区域28被暴露，使得子垫片的弹性体材料可以直接模制到PEM 24上。此外，在模制过程中，聚合物材料32可以直接模制到并渗透主扩散层20和次扩散层22的外围边缘区域。主扩散层和次扩散层的外围边缘区域分别显示为元件30和26，其中子垫片34和各层20、22相交。还应该理解的是，聚合物材料32可以直接模制到质子交换膜层24的外围边缘区域28，从而形成用于UEA 10的包覆模制的子垫片34。因此，如图3B所示，包覆模制的子垫片34配置成在它们之间提供屏障36，同时还将主扩散层20和次扩散层22与外部环境38密封隔绝。
如图3B所示，包覆模制的子垫片34配置成将第一双极板14密封到第二双极板16，并且包覆模制的子垫片34还配置成将质子交换膜层24和主扩散层20密封到第二双极板16。还应该理解的是，包覆模制的子垫片34可以进一步限定至少一个密封焊道40，该密封焊道40靠近包覆模制的子垫片34的边缘42。图3A和图3B示出了两个密封焊道40，其设置在包覆模制密封件的端部42与主扩散层20和PEM24的端部67之间。如图3A所示，密封焊道40可以从子垫片表面69突出，能够在如图3B所示的第一和第二双极板14、16之间进行密封。
在本公开的又一方面，提供了一种燃料电池组件12，其包括第一双极板14、第二双极板16和阶梯式UEA 10，阶梯式UEA 10具有设置在第一双极板14和第二双极板16之间的包覆模制的子垫片34。在图3B中示出了燃料电池组件12。如图所示，燃料电池组件12包括阶梯式UEA 10，其进一步包括主扩散层20、次扩散层22和设置在主扩散层20和次扩散层22之间的质子交换膜层24。应该理解的是，次扩散层22具有表面区域61，该表面区域61小于主扩散层20和质子交换膜层24的每个表面区域61。主扩散层20和质子交换膜层24可具有大小基本相同的表面区域61。
如图所示，质子交换膜层24的外围边缘区域28被暴露，使得包覆模制的子垫片34的聚合物材料32可以直接模制到PEM 24的外围边缘区域28上。图3B中所示的阶梯式UEA 10的布置通常可以沿着UEA 10的整个周边63设置。因此，可以理解的是，质子交换膜层24和主扩散层20可以具有基本上等效的尺寸和基本相等的表面区域61。然而，如图所示，次扩散层22可以具有小于主扩散层20和PEM 24的表面区域61。在该燃料电池组件12的布置下，聚合物材料32模制到并渗透到主扩散层20和次扩散层22的外围边缘区域30、26。如图3B所示，还可以理解的是，聚合物材料32可以直接模制在质子交换膜层24的外围边缘区域28上。
因此，模制到主扩散层20、次扩散层22和质子交换膜层24的外围边缘区域30、26、28的聚合物材料32形成用于UEA 10的包覆模制的子垫片34。包覆模制的子垫片34配置成在主扩散层20和次扩散层22之间提供屏障36，同时还将主扩散层20和次扩散层22与外部环境38密封隔绝。如图3B所示，还应该理解的是，包覆模制的子垫片34配置成将第一双极板14密封到第二双极板16，并且包覆模制的子垫片34还配置成将质子交换膜层24和主扩散层20密封到第二双极板16。此外，如图3B所示，燃料电池组件12还包括包覆模制的子垫片34，该包覆模制的子垫片34限定至少一个密封焊道40靠近包覆模制的子垫片34的边缘区域。
参考图5，以流程图的形式示出了用于制造包覆模制的子垫片34的工艺58。工艺58包括以下步骤：将主扩散层20、PEM 24层和次扩散层22设置60到下支撑模具50上；将主扩散层20、PEM 24层和次扩散层22包围62在下支撑模具50和上模具52中；将聚合物材料32注入64模具55(由上模具52和下支撑模具50形成)中；将聚合物材料32渗透66进入每个主和次扩散层20、22的外围边缘区域，并且将聚合物材料32直接模制66到PEM 24的外围边缘区域28上，以形成包覆模制UEA；从上模具52和下支撑模具50中取出68包覆模制UEA 10。可以理解的是，主扩散层20、PEM层24和次扩散层22均包括分别显示为元件30、28和26的外围边缘区域。
在上述过程中，应该理解的是，次扩散层22具有表面区域61，该表面区域61小于主扩散层20和次扩散层22的每个表面层61，使得PEM 24的外围边缘区域28能够暴露于聚合物材料32。此外，应该理解的是，下支撑模具50在模制过程中支撑主扩散层20和PEM 24层的外围边缘区域30、28，从而降低了层中的破损或泄漏的风险。如图4所示的次扩散层22由PEM24和主扩散层20支撑，从而降低了在模制过程中次扩散层22中任何破裂或泄漏的风险。
尽管在前面的详细描述中已经呈现了至少一个示例性实施例，但是应该理解的是，存在大量的变化。还应当理解的是，一个示例性实施例或多个示例性实施例仅是示例，并不旨在以任何方式限制本公开的范围、适用性或配置。相反，前面的详细描述将为本领域技术人员提供用于实现一个示例性实施例或多个示例性实施例的便利路线图。应当理解的是，在不脱离所附权利要求及其合法等同物所阐述的本公开的范围的情况下，可以对元件的功能和布置进行各种改变。

Claims (5)

1.一种用于制造阶梯式UEA的方法，包括以下步骤：
在下支撑模具上设置主扩散层、PEM层和次扩散层；
将所述主扩散层、PEM层和次扩散层包围在所述下支撑模具和所述上模具中，所述主扩散层、所述PEM层和所述次扩散层均包括外围边缘区域；
将聚合物材料注入所述模具中；
将所述聚合物材料渗透到所述主和次扩散层中的每一个的外围边缘区域中，并将所述聚合物材料直接模制到所述PEM的外围边缘区域上，以产生包覆模制UEA；以及
从所述上模具和下支撑模具中取出所述包覆模制UEA。
2.如权利要求1所述的用于制造阶梯式UEA的方法，其中，所述次扩散层具有表面区域，所述表面区域小于所述主扩散层和所述PEM的每个表面区域。
3.如权利要求2所述的用于制造阶梯式UEA的方法，其中，所述PEM的外围边缘区域暴露于注入所述模具中的所述聚合物材料。
4.如权利要求3所述的用于制造阶梯式UEA的方法，其中，当将所述聚合物材料注入所述模具中时，所述下支撑模具支撑所述主扩散层和所述PEM的外围边缘区域。
5.如权利要求4所述的用于制造阶梯式UEA的方法，其中，当将所述聚合物材料注入所述模具中时，所述次扩散层由所述PEM和所述主扩散层支撑。
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