质子交换膜燃料电池密封设计以及制造方法

摘要

本发明公开了质子交换膜燃料电池密封设计以及制造方法。一种用于在PEM燃料电池中由均匀厚度的树脂薄片形成可变截面厚度的方法。一种用于在燃料电池中形成密封件的方法包括提供包括树脂材料层的薄片的步骤。在薄片中形成第一褶皱。第一褶皱从薄片的大体上平面的部分延伸，该第一褶皱具有第一侧面部分和与第一侧面部分相对并且由顶部连接的第二侧面部分。通过将第一褶皱朝向平面的部分折叠以形成复合褶皱而形成垫片。将复合褶皱放置于第一燃料电池部件与第二燃料电池部件之间以便在其中形成密封件。还提供并入垫片的燃料电池。

权利要求

1.一种形成用于燃料电池的垫片的方法包括：

提供包括树脂材料层的大体上平面的薄片；

由大体上平面的薄片形成第一折叠薄片，第一折叠薄片具有从第一折叠薄片的大体上平面的部分延伸的第一褶皱，第一褶皱具有第一侧面部分和与第一侧面部分相对的第二侧面部分，第一侧面部分与第二侧面部分由顶部连接；

通过将第一褶皱朝向所述平面的部分折叠以形成复合褶皱来形成垫片，所述复合褶皱具有与大体上平面的部分相邻的第一侧面部分；以及将复合褶皱放置于第一燃料电池部件与第二燃料电池部件之间。

2.如权利要求1所述的形成用于燃料电池的垫片的方法，其中所述第一褶皱通过在心轴上拉曳所述薄片形成并且进行加热以辅助形成第一褶皱。

3.如权利要求2所述的形成用于燃料电池的垫片的方法，其中所述薄片被加热到90至

300摄氏度的温度。

4.如权利要求3所述的形成用于燃料电池的垫片的方法，其进一步包括应用真空以将心轴形状赋予到所述薄片上由此形成第一褶皱。

5.如权利要求2所述的形成用于燃料电池的垫片的方法，其中从所述心轴移除其中具有第一褶皱的薄片。

6.如权利要求1所述的形成用于燃料电池的垫片的方法，其中所述复合褶皱被允许在放置于第一燃料电池部件与第二燃料电池部件之间之后冷却。

7.如权利要求1所述的形成用于燃料电池的垫片的方法，其中所述第一燃料电池部件和所述第二燃料电池部件是各自独立的流场。

8.如权利要求1所述形成用于燃料电池的垫片的方法，其中所述垫片形成电绝缘、密封、间隔功能性或其组合。

9.如权利要求1所述的形成用于燃料电池的垫片的方法，其中所述树脂材料层包括热塑性聚合物。

10.如权利要求9所述的形成用于燃料电池的垫片的方法，其中所述热塑性聚合物包括选自以下各项构成的群组的成分：聚乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二酯、聚苯醚、聚硫化亚苯以及其组合。

11.如权利要求1所述的形成用于燃料电池的垫片的方法，其中所述垫片具有周边密封区域，所述垫片限定中心开口。

12.如权利要求1所述的形成用于燃料电池的垫片的方法，其中所述薄片具有层压结构。

13.如权利要求12所述的形成用于燃料电池的垫片的方法，其中所述层压结构是多层热塑性塑料或者具有非热塑性弹性体层的热塑性塑料。

14.如权利要求12所述的形成用于燃料电池的垫片的方法，其中所述层压结构包括第一固体层和第一泡沫层以及可选的第二固体层，第一泡沫层介于第一固体层与第二固体层之间。

15.如权利要求14所述的形成用于燃料电池的垫片的方法，其中所述第一固体层、所述第二固体层以及所述第一泡沫层各自独立地包括热塑性聚合物。

16.如权利要求14所述的形成用于燃料电池的垫片的方法，其中所述薄片具有0.050 mm至1 mm的厚度。

17.一种燃料电池，包括：

具有阳极侧和阴极侧的膜电极组件；

布置在阳极侧上的第一流场；

布置在阴极侧上的第二流场；

介于阳极侧与第一流场之间的第一气体扩散介质；

介于阴极侧与第二流场之间的第二气体扩散介质；

介于第一流场与第二流场之间的垫片，所述垫片限定中心开口，所述垫片具有周边密封区域，所述周边密封区域包括其中具有复合褶皱的树脂材料，所述复合褶皱包括：在薄片中的第一褶皱，所述第一褶皱从所述薄片的大体上平面的区域延伸，第一褶皱具有第一侧面部分和与第一侧面部分相对的第二侧面部分，第一侧面部分与第二侧面部分由顶部连接；以及通过将第一褶皱朝向薄片的平面的部分折叠形成的第二褶皱。

18.如权利要求17所述的燃料电池，其中所述薄片具有层压结构。

19.如权利要求18所述的燃料电池，其中所述层压结构包括第一固体层和第一泡沫层。

20.如权利要求19所述的燃料电池，其中所述层压结构进一步包括第二固体层，第一泡沫层介于第一固体层与第二固体层之间。

说明书

质子交换膜燃料电池密封设计以及制造方法

技术领域

[0001] 在至少一个方面中，本发明涉及用于燃料电池应用中的催化剂层。

背景技术

[0002] 燃料电池在许多应用中用作电力电源。具体来说，打算将燃料电池用于汽车中来取代内燃发动机。通常使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”）来在阳极与阴极之间提供离子传输。

[0003] 在质子交换膜型燃料电池中，氢气被供应到阳极作为燃料，并且氧气被供应到阴极作为氧化剂。氧气可以是纯的形式（O2）或空气（O2与N2的混合物）的形式。PEM燃料电池通常具有膜电极组件（“MEA”），其中固体聚合物膜（即，离子传导膜）在一个面上具有阳极催化剂并且在相对的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传导材料（诸如编织石墨、石墨化薄片或碳纸）形成，以使得燃料能够在面向燃料供应电极的膜表面上分散。每个电极具有支撑在碳颗粒上的细分的催化剂颗粒（例如，铂颗粒）以促进氢气在阳极的氧化和氧气在阴极的还原。质子穿过离子键传导聚合物膜从阳极流到阴极，它们在阴极与氧气结合从而形成从电池排出的水。MEA夹在一对多孔气体扩散层（“GDL”）之间，所述气体扩散层又夹在一对无孔、导电元件或板之间。板用作用于阳极和阴极的电流收集器，并且含有形成在其中的适当通道和开口以用于将燃料电池的气体反应剂分布在相应的阳极催化剂和阴极催化剂的表面上。为了有效地产生电力，PEM燃料电池的聚合物电解质膜必须薄、化学稳定、质子可穿透、不导电并且不透气。在典型应用中，燃料电池以许多个别燃料电池堆的阵列来提供以便提供高水平的电功率。

[0004] 一些现有技术的燃料电池在催化剂电极与离子导电膜之间包括垫片。重复电池设计的不同区域具有不同的功能要求，这通过利用材料的不同横截面厚度来满足。例如，图1中描绘的燃料电池截面示出现有技术密封配置。燃料电池堆10包括介于气体扩散层14与16之间以及双极板20与22之间的密封垫片12。在此示例中，垫片12当在气体扩散层之间时应薄并且在双极板之间时应较厚。一些现有技术垫片使用压条24结合密封薄片26来实现所需的厚度变化。

[0005] 因此，本发明提供用于燃料电池垫片部件的改进的设计。

发明内容

[0006] 本发明通过在至少一个实施例中提供用于形成用于燃料电池应用的垫片的方法来解决现有技术的一个或多个问题。该方法包括提供包括树脂材料层的大体上平面的薄片的步骤。由该大体上平面的薄片形成第一折叠薄片。第一折叠薄片具有从大体上平面的薄片的大体上平面的部分延伸的第一褶皱，该第一褶皱具有第一侧面部分和与第一侧面部分相对并且由顶部连接的第二侧面部分。通过将第一褶皱朝向平面的部分折叠以形成复合褶皱而形成垫片。将复合褶皱放置于第一燃料电池部件与第二燃料电池部件之间。有利地，垫片形成电绝缘、密封、间隔功能性或其组合。

[0007] 在另一个实施例中，提供由上述方法形成的燃料电池。该燃料电池包括具有阳极侧和阴极侧的膜电极组件。第一流场布置在阳极侧上以及第二流场布置在阴极侧上。第一气体扩散介质介于阳极侧与第一流场之间，以及第二气体扩散介质介于阴极侧与第二流场之间。垫片介于第一流场与第二流场之间，该垫片限定中心开口。垫片可选地包括周边密封区域，该周边密封区域包括其中具有复合褶皱的树脂材料。复合褶皱包括在从薄片的大体上平面的区域延伸的薄片中的第一褶皱。第一褶皱具有第一侧面部分和与第一侧面部分相对的第二侧面部分，以使得第一侧面部分与第二侧面部分由顶部连接。复合褶皱包括通过将第一褶皱朝向薄片的平面的部分折叠形成的第二褶皱。

[0008] 1. 一种方法包括：

[0009] 提供包括树脂材料层的大体上平面的薄片；

[0010] 由大体上平面的薄片形成第一折叠薄片，第一折叠薄片具有从第一折叠薄片的大体上平面的部分延伸的第一褶皱，第一褶皱具有第一侧面部分和与第一侧面部分相对的第二侧面部分，第一侧面部分与第二侧面部分由顶部连接；

[0011] 通过将第一褶皱朝向所述平面的部分折叠以形成复合褶皱来形成垫片，所述复合褶皱具有与大体上平面的部分相邻的第一侧面部分；以及

[0012] 将复合褶皱放置于第一燃料电池部件与第二燃料电池部件之间。

[0013] 2. 如方案1所述的方法，其中所述第一褶皱通过在心轴上拉曳所述薄片形成并且进行加热以辅助形成第一褶皱。

[0014] 3. 如方案2所述的方法，其中所述薄片被加热到约90至约300摄氏度的温度。

[0015] 4. 如方案3所述的方法，其进一步包括应用真空以将心轴形状赋予到所述薄片上由此形成第一褶皱。

[0016] 5. 如方案2所述的方法，其中从所述心轴移除其中具有第一褶皱的薄片。

[0017] 6. 如方案1所述的方法，其中所述复合褶皱被允许在放置于第一燃料电池部件与第二燃料电池部件之间之后冷却。

[0018] 7. 如方案1所述的方法，其中所述第一燃料电池部件和所述第二燃料电池是各自独立的流场。

[0019] 8. 如方案1所述的方法，其中所述垫片形成电绝缘、密封、间隔功能性或其组合。

[0020] 9. 如方案1所述的方法，其中所述树脂材料层包括热塑性聚合物。

[0021] 10. 如方案9所述的方法，其中所述热塑性聚合物包括选自以下各项构成的群组的成分：聚乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二酯、聚苯醚、聚硫化亚苯以及其组合。

[0022] 11. 如方案1所述的方法，其中所述垫片具有周边密封区域，所述垫片限定中心开口。

[0023] 12. 如方案1所述的方法，其中所述薄片具有层压结构。

[0024] 13. 如方案1所述的方法，其中所述层压结构是多层热塑性塑料或者具有非热塑性弹性体层的热塑性塑料。

[0025] 14. 如方案12所述的方法，其中所述层压结构包括第一固体层和第一泡沫层以及可选的第二固体层，第一泡沫层介于第一固体层与第二固体层之间。

[0026] 15. 如方案14所述的方法，其中所述第一固体层、所述第二固体层以及所述第一泡沫层各自独立地包括热塑性聚合物。

[0027] 16. 如方案14所述的方法，其中所述薄片具有约0.050 mm至约1 mm的厚度。

[0028] 17. 一种燃料电池，包括：

[0029] 具有阳极侧和阴极侧的膜电极组件；

[0030] 布置在阳极侧上的第一流场；

[0031] 布置在阴极侧上的第二流场；

[0032] 介于阳极侧与第一流场之间的第一气体扩散介质；

[0033] 介于阴极侧与第二流场之间的第二气体扩散介质；

[0034] 介于第一流场与第二流场之间的垫片，所述垫片限定中心开口，所述垫片具有周边密封区域，所述周边密封区域包括其中具有复合褶皱的树脂材料，所述复合褶皱包括：在薄片中的第一褶皱，所述第一褶皱从所述薄片的大体上平面的区域延伸，第一褶皱具有第一侧面部分和与第一侧面部分相对的第二侧面部分，第一侧面部分与第二侧面部分由顶部连接；以及通过将第一褶皱朝向薄片的平面的部分折叠形成的第二褶皱。

[0035] 18. 如方案17所述的燃料电池，其中所述薄片具有层压结构。

[0036] 19. 如方案18所述的燃料电池，其中所述层压结构包括第一固体层和第一泡沫层。

[0037] 20. 如方案19所述的燃料电池，其中所述层压结构进一步包括第二固体层，第一泡沫层介于第一固体层与第二固体层之间。

附图说明

[0038] 本发明的示例性实施例将从详细描述和附图得到更完整理解，其中：

[0039] 图1是使用现有技术垫片系统的燃料密封堆的透视图；

[0040] 图2A是使用具有折叠区域的垫片的燃料电池的实施例的截面；

[0041] 图2B是使用具有折叠区域的垫片的燃料电池的实施例的截面；

[0042] 图3是使用具有折叠区域的垫片的燃料电池的实施例的透视图；

[0043] 图4是燃料电池垫片的顶视图；

[0044] 图5是燃料电池垫片的截面图；以及

[0045] 图6A和6B提供用于形成用于燃料电池应用的垫片的方法的示意性流程图。

具体实施方式

[0046] 现在将详细参照构成实施发明人当前已知的发明的最佳模式的本发明的当前优选的组成、实施例和方法。图式不必按比例。然而，应理解，所披露的实施例仅是可以各种和替代形式实施的本发明的示例。因此，本文披露的具体细节并不解释为限制性的，而仅作为用于本发明的任何方面的代表基础和/或作为用于教示本领域技术人员不同地使用本发明的代表基础。

[0047] 除了在示例中之外或者在除非另有明确指示的情况下，否则在描述本发明的最广泛范围时，此描述中指示反应和/或使用的材料或条件的量的所有数值数量应理解为由词“约”修饰。另外，除非另有明确相反说明，否则百分比、“部分”以及比值是按重量计算的；术语“聚合物”包括“低聚物”、“共聚物”、“三元共聚物”等；对于与本发明有关的给定目的而言适合或优选的材料的分组或类别的描述暗示分组或类别的成员中的任何两个或更多个的混合物同样适合或优选；为任何聚合物提供的分子量指数均分子量；化学术语中的成分的描述指在添加到描述中指定的任何组合时的成分，而不必排除混合物的成分一旦被混合则在其之间的化学反应；首字母缩写或其他缩写的第一个定义适用于相同缩写的本文随后所有使用，并且在作必要的更正之后适用于最初定义的缩写的正常的语法变化；并且除非另有明确相反说明，否则性质的测量由先前或随后对于相同性质所提及的相同技术来确定。

[0048] 还应理解，本发明并不限于以下描述的特定实施例和方法，因为特定部件和/或条件当然可以变化。此外，本文使用的技术仅用于描述本发明的具体实施例的目的而并不意欲以任何方式限制。

[0049] 还必须注意，如说明书和随附权利要求中所使用，除非上下文另有明确指示，否则单数形式的“一”、“一个”和“该”包括复数指示物。例如，对单数的部件的提及意欲包括多个部件。

[0050] 贯穿其中提及公开的此申请，这些公开的披露的全部内容以引用的方式并入此申请中以更完整地描述本发明所涉及的技术状态。

[0051] 参照图2A、2B和3，提供示意性地示出将垫片并入到燃料电池中。图2是并入垫片的一个实施例的燃料电池的示意性截面，而图3是使用垫片的燃料电池堆的一部分的透视图。燃料电池30包括膜电极组件，该膜电极组件包括阳极催化剂层34、阴极催化剂层36以及离子传导膜（即，质子交换膜、离聚物等）38。离子传导膜38介于阳极催化剂层34与阴极催化剂层36之间，其中阳极催化剂层34布置在离子传导膜38的第一侧上，并且阴极催化剂层36布置在离子传导膜38的第二侧上。燃料电池30还包括多孔气体扩散层42和44。气体扩散层42布置在阳极催化剂层34上，而气体扩散层44布置在阴极催化剂层36上。燃料电池30包括布置在气体扩散层42上的阳极流场板46和布置在气体扩散层44上的阴极流场板48。燃料电池
30使用垫片50来提供边缘密封件。

[0052] 参照图2A、2B、3、4和5，提供示出垫片50的设计的示意图。图4是垫片50的顶视图而图5是垫片50的截面图。通常，垫片50包括限定中心开口54的周边密封区域52。垫片50在区域58中包括复合褶皱56以便在阳极流场板46与阴极流场板48之间提供密封。在另一个改进中，垫片还提供用于反应剂和冷却剂集管孔（通常由项目59描绘）的密封件。这些孔的示例在美国专利号8524414中阐述；该专利的全部披露内容以引用的方式并入本文。如本文所使用的术语“复合褶皱”意味着至少折叠两次的区域。例如，复合褶皱56包括第一褶皱60和第二褶皱62。在气体扩散层的边缘64附近，垫片50包括较薄（即，未折叠）区域66以在其中提供密封。在一个改进中，垫片50包括两个复合褶皱，即复合褶皱56和复合褶皱68。在一个变体中，垫片50的一部分介于催化剂层（阳极或阴极催化剂层）与离子传导膜38之间。图2A描绘介于阳极催化剂层与离子传导膜之间的垫片。图2B描绘了具有介于气体扩散层42与气体扩散层44之间并且接触这两个层的垫片50的示例。

[0053] 在一个变体中，垫片50由树脂材料薄片形成。在一个改进中，树脂材料薄片包括热塑性聚合物。适合的热塑性聚合物的示例包括但不限于聚乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二酯、聚苯醚、聚硫化亚苯以及其组合。树脂材料薄片可以包括单层或层压结构。通常，层压结构是多层热塑性塑料或者具有非热塑性弹性体层（例如，硅、三元乙丙橡胶等）的热塑性塑料。在如图5中阐述的改进中，层压结构包括第一固体层70和第一泡沫层72以及可选的第二固体层74。第一泡沫层72介于第一固体层70与第二固体层74之间。在另一个改进中，第一固体层、第二固体层以及第一泡沫层各自独立地包括如以上阐述的热塑性聚合物。

[0054] 参照图6A和6B，提供一种用于在燃料电池中形成密封件的方法。该方法包括提供包括树脂材料层的大体上平面的薄片80的步骤。在一个改进中，树脂材料层包括如以上阐述的热塑性聚合物。在另一个改进中，大体上平面的薄片80具有约0.050 mm至约1 mm的厚度。由大体上平面的薄片80形成第一折叠薄片82。第一折叠薄片82包括第一褶皱60，该第一褶皱通常包括从大体上平面的部分88延伸的突出部分84。第一褶皱60包括第一侧面部分90和与第一侧面部分90相对的第二侧面部分92。第一侧面部分90与第二侧面部分94由顶部92连接。第一折叠薄片82还包括中间褶皱96和98。

[0055] 通常，第一褶皱60通过在心轴100上拉曳大体上平面的薄片80来形成，如步骤a)中所描绘。在此步骤中，可以维持均匀地变薄。在一个改进中，将大体上平面的薄片80加热以辅助形成第一褶皱60。就此而言，通常将薄片80加热到约90至300摄氏度。在步骤b)中，应用真空（即，真空形成）以将心轴形状赋予到薄片上由此形成第一褶皱60。在此形成之后，在步骤c)中从心轴移除其中具有第一褶皱的第一折叠薄片82。在步骤d)中，通过将第一褶皱、并且具体来说将突出部分84朝向平面的部分折叠以形成复合褶皱56来形成垫片50。垫片50且因此复合物56被放置于第一燃料电池部件102与第二燃料电池部件104之间从而形成密封件。在一个改进中，垫片50并且具体来说复合褶皱被允许在被放置于第一燃料电池部件102与第二燃料电池部件104之间之后冷却。在如以上阐述的一个改进中，第一燃料电池部件和第二燃料电池部件是各自独立的流场。在一个改进中，垫片50用来在此部件之间和/或此部件中的孔中形成密封件。在另一个改进中，垫片50用来在燃料电池部件并且具体来说在导电燃料电池部件（诸如流场板）之间形成绝缘层。在另一个改进中，垫片50用来在连续相邻的燃料电池的导电部件之间的所需区域中提供较厚绝缘或间隔材料。以上关于图2A和2B的描述阐述垫片50的额外放置。

[0056] 在一个改进中，薄片80具有层压结构。通常，层压结构是多层热塑性塑料或者具有非热塑性弹性体层的热塑性塑料。在一个改进中，层压结构包括第一固体层和第一泡沫层以及可选的第二固体层，第一泡沫层介于第一固体层与第二固体层之间。在另一个改进中，第一固体层、第二固体层以及第一泡沫层各自独立地包括热塑性聚合物。

[0057] 虽然以上描述示例性实施例，但是这些实施例并不意欲描述本发明的所有可能形式。相反，说明书中所使用的词语是描述而非限制的词语，并且应理解在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以进行各种改变。此外，可以组合各种实施的实施例的特征来形成本发明的其他实施例。