專利名稱：有密封表面的燃料電池膜電極組件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于燃料電池，如氫燃料電池的膜電極組件(MEA)，還涉及它們的制造方法。MEA有一個(gè)整體墊圈或密封圈，這些墊圈具有微結(jié)構(gòu)密封表面，通常為六邊形或退化六邊形。
背景技術(shù)：
美國(guó)專利2001/0019790和2001/0019791介紹的一種燃料電池包含多瓣墊圈，可模塑到聚合物電解質(zhì)膜上。
美國(guó)專利6337120介紹了形成槽形片材的墊圈。
美國(guó)專利6261711介紹了燃料電池用的密封圈，它包含的墊圈位于燃料電池流板里的凹槽內(nèi)。
美國(guó)專利6159628介紹的燃料電池有一些多孔基底，它們周邊滲活靈活現(xiàn)了一種在熱塑性材料。
美國(guó)專利6080503介紹的燃料電池中，MEA黏著在一個(gè)或多個(gè)隔板上。
美國(guó)專利6057054在某些實(shí)施方式中介紹了一種MEA，它含有共面聚合物電解質(zhì)膜和多孔電極層，多孔電解層中有密封材料，如滲嵌在其中的硅氧烷。在其他實(shí)施方式中，該專利介紹的MEA含有的密封材料滲嵌在多孔電極層中，密封圈延伸到MEA之外。密封圈可具有肋狀和橫肋狀圖案。
美國(guó)專利5928807介紹的聚合物電解質(zhì)燃料電池中有彈性、可發(fā)生塑性形變的導(dǎo)電石墨密封圈。
美國(guó)專利5464700介紹了一種燃料電池膜電極組件(MEA)用的墊圈系統(tǒng)，旨在盡可能減少燃料電池中聚合物電解質(zhì)膜材料的量，具體方法是在周緣采用墊圈材料，而不是聚合物電解質(zhì)膜材料。
美國(guó)專利5441621介紹了燃料電池用的密封表面，它具有“交叉脊”圖案，特別是形成方形電池的“交叉脊”圖案。該專利介紹了采用交叉脊密封表面的剛性電池框架。
美國(guó)專利5264299介紹了用于MEA的多孔支撐體，其邊緣部分填有彈性材料。
美國(guó)專利4721555介紹了可插在電解槽的電極框架件之間的固體密封組件。該專利介紹了含有內(nèi)隔板的電解槽，如
圖17和18所示的有色堿性電池；還介紹了沒有內(nèi)隔板的電解槽，如氯酸鹽電解槽。圖8和9介紹了六邊形圖案。
發(fā)明概述簡(jiǎn)言之，本發(fā)明提供了一種裝有墊圈的燃料電池膜電極組件，它包含a)聚合物電解質(zhì)膜；b)一層陽(yáng)極催化劑；c)一層陰極催化劑；d)陽(yáng)極側(cè)流體輸送層；e)陰極側(cè)流體輸送層；f)陽(yáng)極側(cè)墊圈；g)陰極側(cè)墊圈；這兩個(gè)墊圈是彈性墊圈材料；每個(gè)墊圈的彈性材料滲嵌在相應(yīng)流體輸送層的外邊緣部分；每個(gè)墊圈至少有一部分接觸面上具有突起脊?fàn)钗⒔Y(jié)構(gòu)接觸圖案。每個(gè)墊圈的外周緣通常與聚合物電解質(zhì)膜的外周緣共面。本發(fā)明含墊圈的燃料電池膜電極還可包含h)剛性、非彈性陽(yáng)極側(cè)墊片，位于至少部分陽(yáng)極側(cè)墊圈和聚合物電解質(zhì)膜之間；j)剛性、非彈性陰極側(cè)墊片，位于至少部分所述陰極側(cè)墊圈和聚合物電解質(zhì)膜之間。墊片的外周緣可與聚合物電解質(zhì)膜的外周緣共面。突起脊?fàn)钗⒔Y(jié)構(gòu)接觸圖案所包含的脊在連接點(diǎn)上相遇，且在任意一個(gè)連接點(diǎn)上相遇的脊不超過(guò)三個(gè)。這種突起脊?fàn)钗⒔Y(jié)構(gòu)接觸圖案可以是六邊形或退化六邊形。
另一方面，本發(fā)明提供了制備含有墊圈的燃料電池膜電極組件的方法，具體說(shuō)來(lái)是在一臺(tái)壓機(jī)的兩個(gè)臺(tái)板之間放置a)陽(yáng)極側(cè)流體輸送層；b)一層陽(yáng)極催化劑材料；c)聚合物電解質(zhì)膜，它含有一個(gè)帶外邊緣部分的陽(yáng)極面和一個(gè)帶外邊緣部分的陰極面；d)一層陰極催化劑材料；e)陰極側(cè)流體輸送層；然后在聚合物電解質(zhì)膜正負(fù)兩極的外邊緣部分施加未固化彈性墊圈材料；加熱加壓，同時(shí)將MEA各部分粘合在一起，使所述未固化彈性墊圈材料滲嵌在相應(yīng)流體輸送層的外邊緣部分，使未固化彈性墊圈材料基本固化，從而形成陽(yáng)極側(cè)墊圈和陰極側(cè)墊圈。為在每個(gè)墊圈的接觸面上形成突起脊?fàn)钗⒔Y(jié)構(gòu)接觸圖案，可在所述壓機(jī)的一個(gè)或兩個(gè)臺(tái)板和未固化彈性墊圈材料之間放置圖案版，該圖案版具有與突起脊?fàn)钗⒔Y(jié)構(gòu)接觸圖案相反的凹形圖案。這樣形成的MEA邊緣一般可用任何合適的方法修整，使每個(gè)墊圈的外周緣與PEM的外周緣共面。
本領(lǐng)域未曾見諸報(bào)道但本發(fā)明提供的是具有整體微結(jié)構(gòu)的墊圈或密封圈的膜電極組件，所述墊圈或密封圈與聚合物電解質(zhì)膜共面，并滲嵌在流體輸送層中，這些流體輸送層與聚合物電解質(zhì)膜不共面；具體的是，所述密封圈具有六邊形或退化六邊形分布的突起脊。
在此申請(qǐng)中“微結(jié)構(gòu)”用來(lái)描述脊的圖案時(shí)，是指基本上由寬度小于1000微米，更宜小于600微米，最好小于300微米，深度(高度)不超過(guò)250微米，更宜小于150微米，最好小于100微米的脊組成。
“六邊形圖案”是指基本上滿足這樣一種規(guī)律的脊圖案，即在一點(diǎn)上相遇的脊不超過(guò)三條，該圖案主要包含有6個(gè)邊(六邊形)的小室，如圖3a和3b所示，而在邊緣區(qū)域可包含不完整的小室。
“退化六邊形”是指基本上滿足這樣一種規(guī)律的脊圖案，即在一點(diǎn)上相遇的脊不超過(guò)三條，它主要包含由6個(gè)邊(六邊形)的小室通過(guò)使兩個(gè)或多個(gè)連續(xù)邊平行而演化來(lái)的3、4或5個(gè)邊的小室，如圖4a和4b所示，而在邊緣區(qū)域可包含不完整的小室。
“整體墊圈”用來(lái)描述MEA時(shí)，是指連接在MEA的聚合物電解質(zhì)膜上、MEA的流體輸送層上或同時(shí)連接在這兩者上的墊圈，最一般是這樣一種墊圈，它所用的墊圈材料滲嵌在MEA的流體輸送層中。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是，所提供的MEA含有適用于燃料電池的改進(jìn)型整體密封圈或墊圈，它們可在低密封力作用下對(duì)耐壓性低的配件形成密封，同時(shí)壓縮率具有急停的特點(diǎn)(壓縮率急劇減小)，從而防止過(guò)度壓縮。本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，在所提供的MEA中，PEM在兩個(gè)面上完全受到FTL、墊圈或這兩者的保護(hù)和機(jī)械支撐，因此可以采用更薄的PEM。
附圖簡(jiǎn)述圖1是本發(fā)明膜電極組件邊緣部分的截面示意圖。
圖2是本發(fā)明膜電極組件邊緣部分的截面示意圖。
圖3a和3b是可用于本發(fā)明的六邊形圖案。
圖4a和4b是可用于本發(fā)明的退化六邊形圖案。
圖5是微結(jié)構(gòu)墊圈材料(A)和作比較的非微結(jié)構(gòu)墊圈材料(B)的壓縮率-外加壓力的關(guān)系圖。
優(yōu)選實(shí)施方式詳述本發(fā)明提供了含有整體微結(jié)構(gòu)墊圈或密封圈的膜電極組件，其優(yōu)點(diǎn)是所述墊圈或密封圈可在低密封力作用下對(duì)耐壓性低的配件形成密封，同時(shí)壓縮率具有急停的特點(diǎn)，從而防止過(guò)度壓縮。
膜電極組件(MEA)是質(zhì)子交換膜燃料電池，如氫燃料電池的中心部件。燃料電池是一種化學(xué)電池，燃料(如氫)和氧化劑(如氧)在催化劑作用下結(jié)合后，產(chǎn)生可加以利用的電流。典型的MEA中有聚合物電解質(zhì)膜(PEM)(也稱離子導(dǎo)電膜(ICM))，其功能是作為固體電解質(zhì)。PEM的一個(gè)面與陽(yáng)極電極層接觸，另一面與陰極電極層接觸。每個(gè)電極層都含有電化催化劑，通常是鉑金屬。流體輸送層(FTL)是幫助氣體進(jìn)出陽(yáng)極材料和陰極材料，同時(shí)傳導(dǎo)電流。在典型的PEM燃料電池中，質(zhì)子在陽(yáng)極通過(guò)氫氧化形成，輸送到陰極與氧反應(yīng)，使電流在連接兩個(gè)電極的外電路中流通。FTL也可稱作氣體擴(kuò)散層(GDL)或擴(kuò)散層/集流層(DCC)。陽(yáng)極層和陰極層可在生產(chǎn)過(guò)程中安裝在PEM或FTL上，只要它們?cè)谧罱K的MEA中位于PEM和FTL之間。
任何合適的PEM均可用于本發(fā)明。PEM的厚度一般小于50μm，更宜小于40μm，更宜小于30μm，最好約為25μm。PEM一般由聚合物電解質(zhì)質(zhì)組成，所述電解質(zhì)是酸化氟聚合物，如Nafion(杜邦公司，Wilmington DE)和FlemionTM(Asahi玻璃有限公司，東京，日本)。適用于本發(fā)明的聚合物電解質(zhì)質(zhì)一般宜為四氟乙烯和一種或多種含氟酸化的共聚單體的共聚物。聚合物電解質(zhì)質(zhì)一般含有磺酸基。聚合物電解質(zhì)質(zhì)一般為Nafion。聚合物電解質(zhì)質(zhì)的酸當(dāng)量一般為1200或更小，宜為1100或更小，更宜為1050或更小，最好約為1000。
任何合適的FTL都可用于本發(fā)明。典型的FTL由包含碳纖維的片材組成。FTL一般是碳纖維結(jié)構(gòu)，選自機(jī)織和非織造碳纖維結(jié)構(gòu)。適用于本發(fā)明的碳纖維結(jié)構(gòu)可是TorayTM碳紙、SpectraCarbTM碳紙、AFNTM非織造碳布、ZoltekTM碳布等。FTL可涂布或浸漬各種材料，包括碳顆粒涂敷、親水處理和疏水處理，如涂布以聚四氟乙烯(PTFE)。
任何合適的催化劑都可用于本發(fā)明。一般采用碳載催化劑顆粒。典型的碳載催化劑顆粒是50-90wt％的碳和10-50wt％的催化劑金屬，所述催化劑金屬用于陰極的一般包是Pt，用于陽(yáng)極的是重量比為2∶1的Pt和Ru。一般地，催化劑以催化劑漿液的形式施涂到PEM或FTL上。催化劑漿液一般包含聚合物電解質(zhì)質(zhì)材料，它可以與構(gòu)成PEM的聚合物電解質(zhì)質(zhì)材料相同，也可以與之不同。聚合物電解質(zhì)質(zhì)一般是酸化氟聚合物，如Nafion(杜邦公司，Wilmington DE)和FlemionTM(Asahi玻璃有限公司，東京，日本)?？稍诒景l(fā)明中用作漿液的聚合物電解質(zhì)質(zhì)一般宜為四氟乙烯和一種或多種含氟酸化共聚單體形成的共聚物。聚合物電解質(zhì)質(zhì)一般包含磺酸基。聚合物電解質(zhì)質(zhì)最好為Nafion。聚合物電解質(zhì)質(zhì)的酸當(dāng)量一般為1200或更小，宜為1100或更小，更宜為1050或更小，最好約為1000。催化劑漿液一般是催化劑顆粒在聚合物電解質(zhì)質(zhì)中形成的分散液。漿液通常包含5-30wt％固體(即聚合物和催化劑)，更宜包含10-20wt％固體。電解質(zhì)分散液通常為水分散液，它還可包含一元醇和多元醇，如甘油和乙二醇。水、醇和多元醇的含量可以調(diào)整，以改變漿液的流變性。漿液一般可包含0-50％一元醇和0-20％多元醇。此外，漿液可包含0-2％合適的分散劑。漿液一般在加熱下攪拌形成，然后用稀釋到具有可施涂的濃度。
催化劑可用任何合適的方法施涂到PEM或FTL上，包括手動(dòng)方法和機(jī)械方法，如手刷、缺口棒涂、液壓軸承模涂、線繞棒涂、液壓軸承涂敷、狹槽進(jìn)料刮涂、三輥涂敷或貼花轉(zhuǎn)移。涂敷可一次完成或多次完成。
試看圖1和2，本發(fā)明的MEA具有5個(gè)層，依次如下陽(yáng)極側(cè)流體輸送層(2)、一薄層陽(yáng)極催化劑材料(未示出)、聚合物電解質(zhì)膜(1)、一薄層陰極催化劑材料(未示出)和陰極側(cè)流體輸送層(3)。每個(gè)催化劑層與PEM和兩個(gè)FTL之一接觸。流體輸送層(2、3)不延伸到聚合物電解質(zhì)膜(1)的外邊緣部分(6)。聚合物電解質(zhì)膜(1)的外邊緣部分(6)具有一定的寬度。一般地，催化劑層不延伸到它們各自的FTL(2、3)周緣以外。本發(fā)明的MEA還有個(gè)延伸到PEM(1)陽(yáng)極側(cè)外邊緣部分(6)的陽(yáng)極側(cè)墊圈(10)，和有個(gè)延伸到PEM(1)陰極側(cè)外邊緣部分(6)的陰極側(cè)墊圈(11)。每個(gè)墊圈(10、11)的外周緣(16、17)一般與PEM(1)的外周緣(7)共面。在另一種實(shí)施方式中，每個(gè)墊圈的外周緣延伸到PEM(1)外周緣(7)的外面。每個(gè)墊圈(10、11)有一個(gè)接觸面(14、15)。每個(gè)接觸面(14、15)至少有一部分具有突起脊?fàn)钗⒔Y(jié)構(gòu)接觸圖案(12、13)，下面對(duì)此有更詳細(xì)的討論。如下面將要討論的，每個(gè)墊圈(10、11)用的是彈性墊圈材料。每個(gè)墊圈(10、11)的彈性材料滲嵌在相應(yīng)FTL(2、3)的外邊緣部分(4、5)。
本發(fā)明MEA的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，PEM在兩個(gè)面上完全受到FTL、墊圈或這兩者的保護(hù)和機(jī)械支撐。這樣就可以采用更薄的PEM，其厚度通常小于30μm，更宜小于約25μm。
雖然圖1和2均表示本發(fā)明MEA邊緣的截面，但不難理解，本發(fā)明的MEA在兩側(cè)具有其他類似的邊緣。墊圈可具有任何合適的寬度。墊圈寬度可繞著MEA圓周邊變化。MEA的墊圈部分可適應(yīng)垂直于MEA平面切割的孔。MEA的周邊可具有任何合適的形狀。
試看圖2，本發(fā)明的一種實(shí)施方案還包括在陰極側(cè)墊圈10下有個(gè)剛性、非彈性陽(yáng)極墊片20，在陽(yáng)極側(cè)墊圈11下有個(gè)剛性、非彈性陰極墊片21。這兩個(gè)墊片的作用是限制MEA的壓縮。每個(gè)墊片(20、21)的厚度小于各FTL(2、3)厚度的90％。一般地，每個(gè)墊片(20、21)的外周(22、23)與PEM(1)的外周(7)共面。墊片可由任何合適的材料制備，該材料要在MEA的使用條件下呈惰性。墊片材料通常選自聚合物或陶瓷，包括聚酯如聚對(duì)苯二甲酸乙二酯(PET)和聚萘二酸乙二酯(PEN)、聚碳酸酯、高密度聚乙烯和玻璃纖維。墊片材料最好選自PET和PEN。
墊圈可由任何合適的彈性材料制備，包括橡膠、硅氧烷、熱塑性彈性體和彈性體粘結(jié)劑。彈性墊圈材料一般選自橡膠，如乙烯-丙烯-二烯單體橡膠(EPDM橡膠)或丁基橡膠，或硅氧烷；最好是硅氧烷。彈性墊圈材料通常不導(dǎo)電。
突起脊?fàn)钗⒔Y(jié)構(gòu)接觸圖案所包含的脊一般在連接點(diǎn)上相遇，且在任意一個(gè)連接點(diǎn)上相遇的脊不超過(guò)三個(gè)。本發(fā)明的突起脊?fàn)钗⒔Y(jié)構(gòu)接觸圖案宜為六邊形，包括圖3a和3b所示圖案，或退化六邊形，包括圖4a和4b所示圖案。本發(fā)明突起脊?fàn)钗⒔Y(jié)構(gòu)接觸圖案宜由一些小室組成，以便將任何泄漏控制在局部，并防止其擴(kuò)散。由小室組成的圖案還允許在MEA的墊圈部分沿垂直于MEA平面的方向切出多個(gè)孔，而不會(huì)在孔之間打通連接通道。應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明的接觸面由壓縮性不是很強(qiáng)的彈性材料形成，但它所形成的形狀在壓力作用下可發(fā)生變形，以便形成密封。接觸圖案較好為彈性材料在壓力作用下遷移提供空間，哪怕在脊相遇的連接點(diǎn)上也是如此。在本發(fā)明的MEA中，由小室組成的圖案里，脊的最大形變性通過(guò)將在任意一點(diǎn)相遇的脊限制在3條以內(nèi)來(lái)維持，從幾何角度看，這種結(jié)構(gòu)的形變性最小。
脊?fàn)钗⒔Y(jié)構(gòu)接觸圖案中脊的自然寬度小于1000微米，更宜小于600微米，最好小于300微米，深度(高度)不超過(guò)250微米，更宜小于150微米，最好小于100微米。
本發(fā)明MEA可用任何合適的方法制備。本發(fā)明MEA較好用單步施加墊圈和粘結(jié)工藝制備，如下所述。
在本發(fā)明一個(gè)方法中，上面已經(jīng)詳細(xì)討論過(guò)的以下各層位于壓機(jī)的兩個(gè)臺(tái)板之間1)陽(yáng)極側(cè)流體輸送層；2)一層陽(yáng)極催化劑材料；3)聚合物電解質(zhì)膜，它具有一個(gè)帶外邊緣部分的陽(yáng)極面和一個(gè)帶外邊緣部分的陰極面；4)一層陰極催化劑材料；5)陰極側(cè)流體輸送層。聚合物電解質(zhì)膜的外邊緣部分還可以放置陽(yáng)極側(cè)墊片和陰極側(cè)墊片。然后在聚合物電解質(zhì)膜正負(fù)兩極的外邊緣部分施加未固化的彈性墊圈材料。將壓機(jī)的兩個(gè)臺(tái)板并合到一起，加熱加壓，以便同時(shí)將MEA各部分粘合在一起，并使所述未固化彈性墊圈材料滲嵌進(jìn)入相應(yīng)流體輸送層的外邊緣部分，且使未固化彈性墊圈材料基本固化，從而形成陽(yáng)極側(cè)墊圈和陰極側(cè)墊圈?！盎竟袒蓖ǔＶ腹袒竭@樣一種程度，即墊圈材料在不受外力作用時(shí)能夠保持穩(wěn)定的形狀。更一般地，“基本固化”指大體完全固化。接著可再進(jìn)行一次固化。合適的壓力、溫度和處理時(shí)間根據(jù)所用材料確定。壓力通常在1-3MPa之間，更宜在1-2MPa之間，最好約為1.7MPa。溫度通常為80-150℃，更宜為120-140℃，最好約為132℃。處理時(shí)間一般為1-15分鐘，更宜為3-8分鐘，最好約為5分鐘。
這樣形成的MEA邊緣一般可用任何合適的方法修整，使每個(gè)墊圈的外周緣與PEM的外周緣共面。
為在每個(gè)墊圈的接觸面上形成突起脊?fàn)钗⒔Y(jié)構(gòu)接觸圖案，可在所述壓機(jī)的一個(gè)或兩個(gè)臺(tái)板和未固化彈性墊圈材料之間放置圖案版，該圖案版具有與突起脊?fàn)钗⒔Y(jié)構(gòu)接觸圖案相反的凹形圖案。
本發(fā)明適用于燃料電池的生產(chǎn)和使用。
本發(fā)明的目標(biāo)和優(yōu)點(diǎn)將通過(guò)以下實(shí)施例進(jìn)一步闡述，但這些實(shí)施例中所引用的具體材料和用量，以及其他條件和細(xì)節(jié)不對(duì)本發(fā)明構(gòu)成不當(dāng)限制。
實(shí)施例分別測(cè)定了微結(jié)構(gòu)墊圈材料(A)，如本發(fā)明MEA所用微結(jié)構(gòu)墊圈材料，和作比較的非微結(jié)構(gòu)墊圈材料(B)的壓縮率與外加壓力的關(guān)系。
兩份樣品均由雙份液態(tài)硅氧烷橡膠(Dow CorningD98-55，Dow CorningCorporation，Midland，Michigan)制備。
樣品A厚430微米(17mil)，其兩個(gè)面上均有突起脊?fàn)钗⒔Y(jié)構(gòu)接觸圖案。微結(jié)構(gòu)脊深130微米(5mil)，寬250微米(10mil)。突起脊?fàn)钗⒔Y(jié)構(gòu)接觸圖案基本上如圖4b所示。脊之間的平均間距在每個(gè)小室的長(zhǎng)邊方向?yàn)?70微米(38mil)，在每個(gè)小室的短邊方向?yàn)?40微米(33mil)。
樣品B具有光滑表面，厚430微米(17mil)。
樣品A和B的制備是攪拌兩份硅氧烷，然后將混合物放置在兩個(gè)微結(jié)構(gòu)臺(tái)板對(duì)(樣品A)或兩個(gè)平整臺(tái)板(對(duì)樣品B)之間，在132℃固化5分鐘。
將樣品放在壓縮試驗(yàn)機(jī)中，該測(cè)試機(jī)是個(gè)壓機(jī)，樣品夾在其兩個(gè)臺(tái)板之間進(jìn)行壓縮，在指定壓力下測(cè)定壓縮率。該裝置完全由計(jì)算機(jī)控制。用測(cè)壓元件測(cè)定將兩個(gè)臺(tái)板壓到一起所需的力。壓縮率在若干外加壓力值下測(cè)定。所得數(shù)據(jù)繪制成圖5所示應(yīng)力/應(yīng)變曲線。
該曲線顯示了本發(fā)明MEA中所用墊圈材料在低密封作用力下密封低耐受性配件的能力，其壓縮率具有急停的特點(diǎn)，以此防止過(guò)度壓縮。
由于樣品A有微結(jié)構(gòu)接觸圖案，它在低密封作用力下可獲得明顯的壓縮效果。在比較樣品B只能產(chǎn)生1％的壓縮率的壓力下，樣品A的壓縮率已可達(dá)到5％。
樣品A的曲線表明，樣品A的墊圈材料可在5-25％的壓縮率下獲得有效密封，而比較樣品B的有效壓縮率范圍為1-3％。因此，在配合部件厚度發(fā)生變化時(shí)，樣品A具有寬得多的適應(yīng)性。
注意，當(dāng)樣品A的微重復(fù)脊受到壓縮后，樣品A和樣品B的曲線的斜率就變得比較相似。壓縮率的這種變化代表了一種壓縮急?，F(xiàn)象，這可用來(lái)保護(hù)容易壓壞的MEA部件。
對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，不難看出本發(fā)明具有許多改進(jìn)和替代形式，只要它們不背離本發(fā)明的范圍和原理。應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明不受上述示例性實(shí)施方式的限制。
權(quán)利要求
1.一種具有墊圈的燃料電池膜電極組件，它包含a)聚合物電解質(zhì)膜，它有一個(gè)帶外邊緣部分的陽(yáng)極面、一個(gè)帶外邊緣部分的陰極面以及外周緣；b)一層陽(yáng)極催化劑材料，它與所述聚合物電解質(zhì)膜的至少一部分陽(yáng)極面接觸；c)一層陰極催化劑材料，它與所述聚合物電解質(zhì)膜的至少一部分陰極面接觸；d)帶有外邊緣部分的陽(yáng)極側(cè)流體輸送層，所述陽(yáng)極側(cè)流體輸送層與所述陽(yáng)極催化劑材料層接觸，所述陽(yáng)極側(cè)流體輸送層不超出所述聚合物電解質(zhì)膜的陽(yáng)極側(cè)的外邊緣部分；e)帶有外邊緣部分的陰極側(cè)流體輸送層，所述陰極側(cè)流體輸送層與所述陰極催化劑材料層接觸，所述陰極側(cè)流體輸送層不超出所述聚合物電解質(zhì)膜的陰極側(cè)的外邊緣部分；f)超出所述聚合物電解質(zhì)膜陽(yáng)極側(cè)外邊緣部分的陽(yáng)極側(cè)墊圈，所述陽(yáng)極側(cè)墊圈具有接觸面和外周緣；g)超出所述聚合物電解質(zhì)膜陰極側(cè)外邊緣部分的陰極側(cè)墊圈，所述陰極側(cè)墊圈具有接觸面和外周緣；其中墊圈用的是彈性墊圈材料；每個(gè)墊圈的彈性材料滲嵌在相應(yīng)流體輸送層的外邊緣部分中；所述每個(gè)墊圈至少有一部分接觸面上具有突起脊?fàn)钗⒔Y(jié)構(gòu)接觸圖案。
2.權(quán)利要求1所述含有墊圈的燃料電池膜電極組件，其特征在于每個(gè)所述墊圈的外周緣與所述聚合物電解質(zhì)膜的外周緣共面。
3.權(quán)利要求1所述含有墊圈的燃料電池膜電極組件，其特征在于它還包含h)具有外周緣的剛性、非彈性陽(yáng)極側(cè)墊片，所述陽(yáng)極側(cè)墊片位于至少部分陽(yáng)極側(cè)墊圈和聚合物電解質(zhì)膜之間，所述陽(yáng)極側(cè)墊片的厚度小于陽(yáng)極側(cè)流體輸送層厚度的90％；j)具有外周緣的剛性、非彈性陰極側(cè)墊片，所述陰極側(cè)墊片位于至少部分所述陰極側(cè)墊圈和聚合物電解質(zhì)膜之間，所述陰極側(cè)墊片的厚度小于陰極側(cè)流體輸送層厚度的90％。
4.權(quán)利要求3所述含有墊圈的燃料電池膜電極組件，其特征在于所述每個(gè)墊片的外周緣與聚合物電解質(zhì)膜的外周緣共面。
5.權(quán)利要求1所述含有墊圈的燃料電池膜電極組件，其特征在于所述突起脊?fàn)钗⒔Y(jié)構(gòu)接觸圖案所包含的脊在連接點(diǎn)上相遇，且在任意一個(gè)連接點(diǎn)上相遇的脊不超過(guò)三個(gè)。
6.權(quán)利要求5所述含有墊圈的燃料電池膜電極組件，其特征在于所述突起脊?fàn)钗⒔Y(jié)構(gòu)接觸圖案是六邊形。
7.權(quán)利要求5所述含有墊圈的燃料電池膜電極組件，其特征在于所述突起脊?fàn)钗⒔Y(jié)構(gòu)接觸圖案是退化六邊形。
8.權(quán)利要求2所述含有墊圈的燃料電池膜電極組件，其特征在于所述突起脊?fàn)钗⒔Y(jié)構(gòu)接觸圖案所包含的脊在連接點(diǎn)上相遇，且在任意一個(gè)連接點(diǎn)上相遇的脊不超過(guò)三個(gè)。
9.權(quán)利要求8所述含有墊圈的燃料電池膜電極組件，其特征在于所述突起脊?fàn)钗⒔Y(jié)構(gòu)接觸圖案是六邊形。
10.權(quán)利要求8所述含有墊圈的燃料電池膜電極組件，其特征在于所述突起脊?fàn)钗⒔Y(jié)構(gòu)接觸圖案是退化六邊形。
11.權(quán)利要求3所述含有墊圈的燃料電池膜電極組件，其特征在于所述突起脊?fàn)钗⒔Y(jié)構(gòu)接觸圖案所包含的脊在連接點(diǎn)上相遇，且在任意一個(gè)連接點(diǎn)上相遇的脊不超過(guò)三個(gè)。
12.權(quán)利要求11所述含有墊圈的燃料電池膜電極組件，其特征在于所述突起脊?fàn)钗⒔Y(jié)構(gòu)接觸圖案是六邊形。
13.權(quán)利要求11所述含有墊圈的燃料電池膜電極組件，其特征在于所述突起脊?fàn)钗⒔Y(jié)構(gòu)接觸圖案是退化六邊形。
14.權(quán)利要求4所述含有墊圈的燃料電池膜電極組件，其特征在于所述突起脊?fàn)钗⒔Y(jié)構(gòu)接觸圖案所包含的脊在連接點(diǎn)上相遇，且在任意一個(gè)連接點(diǎn)上相遇的脊不超過(guò)三個(gè)。
15.權(quán)利要求14所述含有墊圈的燃料電池膜電極組件，其特征在于所述突起脊?fàn)钗⒔Y(jié)構(gòu)接觸圖案是六邊形。
16.權(quán)利要求14所述含有墊圈的燃料電池膜電極組件，其特征在于所述突起脊?fàn)钗⒔Y(jié)構(gòu)接觸圖案是退化六邊形。
17.權(quán)利要求5所述含有墊圈的燃料電池膜電極組件，其特征在于所述微結(jié)構(gòu)接觸圖案所含的脊寬不超過(guò)300微米，深不超過(guò)100微米。
18.權(quán)利要求8所述含有墊圈的燃料電池膜電極組件，其特征在于所述微結(jié)構(gòu)接觸圖案所含的脊寬不超過(guò)300微米，深不超過(guò)100微米。
19.權(quán)利要求11所述含有墊圈的燃料電池膜電極組件，其特征在于所述微結(jié)構(gòu)接觸圖案所含的脊寬不超過(guò)300微米，深不超過(guò)100微米。
20.權(quán)利要求12所述含有墊圈的燃料電池膜電極組件，其特征在于所述微結(jié)構(gòu)接觸圖案所含的脊寬不超過(guò)300微米，深不超過(guò)100微米。
21.權(quán)利要求5所述含有墊圈的燃料電池膜電極組件，其特征在于所述彈性墊圈材料選自乙烯-丙烯-二烯單體橡膠(EPDM橡膠)、丁基橡膠和硅氧烷。
22.權(quán)利要求21所述含有墊圈的燃料電池膜電極組件，其特征在于所述彈性墊圈材料是硅氧烷。
23.權(quán)利要求8所述含有墊圈的燃料電池膜電極組件，其特征在于所述彈性墊圈材料選自乙烯-丙烯-二烯單體橡膠(EPDM橡膠)、丁基橡膠和硅氧烷。
24.權(quán)利要求23所述含有墊圈的燃料電池膜電極組件，其特征在于所述彈性墊圈材料是硅氧烷。
25.權(quán)利要求11所述含有墊圈的燃料電池膜電極組件，其特征在于所述彈性墊圈材料選自乙烯-丙烯-二烯單體橡膠(EPDM橡膠)、丁基橡膠和硅氧烷。
26.權(quán)利要求25所述含有墊圈的燃料電池膜電極組件，其特征在于所述彈性墊圈材料是硅氧烷。
27.權(quán)利要求14所述含有墊圈的燃料電池膜電極組件，其特征在于所述彈性墊圈材料選自乙烯-丙烯-二烯單體橡膠(EPDM橡膠)、丁基橡膠和硅氧烷。
28.權(quán)利要求27所述含有墊圈的燃料電池膜電極組件，其特征在于所述彈性墊圈材料是硅氧烷。
29.權(quán)利要求5所述含有墊圈的燃料電池膜電極組件，其特征在于所述聚合物電解質(zhì)膜的厚度不超過(guò)30微米。
30.權(quán)利要求8所述含有墊圈的燃料電池膜電極組件，其特征在于所述聚合物電解質(zhì)膜的厚度不超過(guò)30微米。
31.權(quán)利要求11所述含有墊圈的燃料電池膜電極組件，其特征在于所述聚合物電解質(zhì)膜的厚度不超過(guò)30微米。
32.權(quán)利要求14所述含有墊圈的燃料電池膜電極組件，其特征在于所述聚合物電解質(zhì)膜的厚度不超過(guò)30微米。
33.權(quán)利要求5所述含有墊圈的燃料電池膜電極組件，其特征在于所述流體輸送層是碳纖維結(jié)構(gòu)。
34.權(quán)利要求8所述含有墊圈的燃料電池膜電極組件，其特征在于所述流體輸送層是碳纖維結(jié)構(gòu)。
35.權(quán)利要求11所述含有墊圈的燃料電池膜電極組件，其特征在于所述流體輸送層是碳纖維結(jié)構(gòu)。
36.權(quán)利要求14所述含有墊圈的燃料電池膜電極組件，其特征在于所述流體輸送層是碳纖維結(jié)構(gòu)。
37.制備含有墊圈的燃料電池膜電極組件的方法，所述電極組件包含a)聚合物電解質(zhì)膜，它有一個(gè)帶外邊緣部分的陽(yáng)極面、一個(gè)帶外邊緣部分的陰極面以及外周緣；b)一層陽(yáng)極催化劑材料，它與所述聚合物電解質(zhì)膜的至少一部分陽(yáng)極面接觸；c)一層陰極催化劑材料，它與所述聚合物電解質(zhì)膜的至少一部分陰極面接觸；d)帶有外邊緣部分的陽(yáng)極側(cè)流體輸送層，所述陽(yáng)極側(cè)流體輸送層與所述陽(yáng)極催化劑材料層接觸，所述陽(yáng)極側(cè)流體輸送層不超出所述聚合物電解質(zhì)膜的陽(yáng)極側(cè)的外邊緣部分；e)帶有外邊緣部分的陰極側(cè)流體輸送層，所述陰極側(cè)流體輸送層與所述陰極催化劑材料層接觸，所述陰極側(cè)流體輸送層不超出所述聚合物電解質(zhì)膜的陰極側(cè)的外邊緣部分；f)超出所述聚合物電解質(zhì)膜陽(yáng)極側(cè)外邊緣部分的陽(yáng)極側(cè)墊圈，所述陽(yáng)極側(cè)墊圈具有接觸面和外周緣；g)超出所述聚合物電解質(zhì)膜陰極側(cè)外邊緣部分的陰極側(cè)墊圈，所述陰極側(cè)墊圈具有接觸面和外周緣；其中每個(gè)墊圈用的是彈性材料滲嵌在各流體輸送層的外邊緣部分；所述方法包括如下步驟i)在壓機(jī)的兩個(gè)臺(tái)板之間放置1)陽(yáng)極側(cè)流體輸送層；2)一層陽(yáng)極催化劑材料；3)聚合物電解質(zhì)膜，它具有一個(gè)帶外邊緣部分的陽(yáng)極面和一個(gè)帶外邊緣部分的陰極面；4)一層陰極催化劑材料；5)陰極側(cè)流體輸送層；ii)在所述聚合物電解質(zhì)膜陽(yáng)極的外邊緣部分施加未固化的彈性墊圈材料；iii)在所述聚合物電解質(zhì)膜陰極的外邊緣部分施加未固化的彈性墊圈材料；iv)加熱加壓，使得1)將i)1)、i)2)、i)3)、i)4)、i)5)各部分粘合在一起；2)所述未固化彈性墊圈材料滲嵌入每個(gè)流體輸送層的外邊緣部分；3)未固化彈性墊圈材料基本固化，從而形成陽(yáng)極側(cè)墊圈和陰極側(cè)墊圈。
38.權(quán)利要求37所述方法，其特征在于步驟i)還包括在所述壓機(jī)的兩個(gè)臺(tái)板之間放置6)具有外周緣的剛性、非彈性陽(yáng)極側(cè)墊片，所述陽(yáng)極側(cè)墊片位于至少部分陽(yáng)極側(cè)墊圈和聚合物電解質(zhì)膜之間，所述陽(yáng)極側(cè)墊片的厚度小于陽(yáng)極側(cè)流體輸送層厚度的90％；7)具有外周緣的剛性、非彈性陰極側(cè)墊片，所述陰極側(cè)墊片位于至少部分所述陰極側(cè)墊圈和聚合物電解質(zhì)膜之間，所述陰極側(cè)墊片的厚度小于陰極側(cè)流體輸送層厚度的90％。
39.權(quán)利要求37所述方法，其特征在于它還包括以下步驟v)修整步驟iv)所得含有墊圈的燃料電池膜電極組件的邊緣，使所述每個(gè)墊圈的外周緣與所述聚合物電解質(zhì)膜的外周緣共面。
40.權(quán)利要求38所述方法，其特征在于它還包括以下步驟v)修整步驟iv)所得含有墊圈的燃料電池膜電極組件的邊緣，使所述每個(gè)墊圈的外周緣與所述聚合物電解質(zhì)膜的外周緣共面。
41.權(quán)利要求37所述方法，其特征在于所述每個(gè)墊圈的至少部分接觸面具有突起脊?fàn)钗⒔Y(jié)構(gòu)接觸圖案，它還包括以下步驟vi)在所述一個(gè)或兩個(gè)臺(tái)板與所述未固化彈性墊圈之間放置一個(gè)或兩個(gè)圖案版，該圖案版具有與突起脊?fàn)钗⒔Y(jié)構(gòu)接觸圖案相反的凹形圖案。
42.權(quán)利要求41所述方法，其特征在于所述突起脊?fàn)钗⒔Y(jié)構(gòu)接觸圖案所包含的脊在連接點(diǎn)上相遇，且在任意一個(gè)連接點(diǎn)上相遇的脊不超過(guò)三個(gè)。
43.權(quán)利要求38所述方法，其特征在于所述每個(gè)墊圈的至少部分接觸面具有突起脊?fàn)钗⒔Y(jié)構(gòu)接觸圖案，它還包括以下步驟vi)在所述一個(gè)或兩個(gè)臺(tái)板與所述未固化彈性墊圈之間放置一個(gè)或兩個(gè)圖案版，該圖案版具有與突起脊?fàn)钗⒔Y(jié)構(gòu)接觸圖案相反的凹形圖案。
44.權(quán)利要求43所述方法，其特征在于所述突起脊?fàn)钗⒔Y(jié)構(gòu)接觸圖案所包含的脊在連接點(diǎn)上相遇，且在任意一個(gè)連接點(diǎn)上相遇的脊不超過(guò)三個(gè)。
45.權(quán)利要求39所述方法，其特征在于所述每個(gè)墊圈的至少部分接觸面具有突起脊?fàn)钗⒔Y(jié)構(gòu)接觸圖案，它還包括以下步驟vi)在所述一個(gè)或兩個(gè)臺(tái)板與所述未固化彈性墊圈之間放置一個(gè)或兩個(gè)圖案版，該圖案版具有與突起脊?fàn)钗⒔Y(jié)構(gòu)接觸圖案相反的凹形圖案。
46.權(quán)利要求45所述方法，其特征在于所述突起脊?fàn)钗⒔Y(jié)構(gòu)接觸圖案所包含的脊在連接點(diǎn)上相遇，且在任意一個(gè)連接點(diǎn)上相遇的脊不超過(guò)三個(gè)。
47.權(quán)利要求40所述方法，其特征在于所述每個(gè)墊圈的至少部分接觸面具有突起脊?fàn)钗⒔Y(jié)構(gòu)接觸圖案，它還包括以下步驟vi)在所述一個(gè)或兩個(gè)臺(tái)板與所述未固化彈性墊圈之間放置一個(gè)或兩個(gè)圖案版，該圖案版具有與突起脊?fàn)钗⒔Y(jié)構(gòu)接觸圖案相反的凹形圖案。
48.權(quán)利要求47所述方法，其特征在于所述突起脊?fàn)钗⒔Y(jié)構(gòu)接觸圖案所包含的脊在連接點(diǎn)上相遇，且在任意一個(gè)連接點(diǎn)上相遇的脊不超過(guò)三個(gè)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種具有墊圈的燃料電池膜電極組件，它包含聚合物電解質(zhì)膜、陰極和陽(yáng)極催化劑層、陰極和陽(yáng)極側(cè)流體輸送層、陰極側(cè)和陽(yáng)極側(cè)墊圈，其中墊圈用的是彈性墊圈材料，每個(gè)墊圈的彈性材料滲嵌在相應(yīng)流體輸送層的外邊緣部分，每個(gè)墊圈至少有一部分接觸面上具有突起脊?fàn)钗⒔Y(jié)構(gòu)接觸圖案。本發(fā)明含有墊圈的燃料電池膜電極組件還包含剛性、非彈性陽(yáng)極側(cè)和陰極側(cè)墊片，它們位于至少部分墊圈和聚合物電解質(zhì)膜之間。這種突起脊?fàn)钗⒔Y(jié)構(gòu)接觸圖案所包含的脊宜在連接點(diǎn)上相遇，且在任意一個(gè)連接點(diǎn)上相遇的脊不超過(guò)三個(gè)。所述突起脊?fàn)钗⒔Y(jié)構(gòu)接觸圖案可以是六邊形或退化六邊形。另一方面，本發(fā)明提供了制備含有墊圈的燃料電池膜電極組件的方法，具體說(shuō)來(lái)是將MEA的各個(gè)部分粘合在一起，使所述未固化彈性墊圈材料滲嵌入每個(gè)流體輸送層的外邊緣部分，使未固化彈性墊圈材料基本固化，從而形成陽(yáng)極側(cè)墊圈和陰極側(cè)墊圈。為了在每個(gè)墊圈的接觸面上形成突起脊?fàn)钗⒔Y(jié)構(gòu)接觸圖案，可在臺(tái)板和未固化彈性墊圈材料之間放置圖案版，該圖案版具有與突起脊?fàn)钗⒔Y(jié)構(gòu)接觸圖案相反的凹形圖案。
文檔編號(hào)H01M8/00GK1669170SQ03816413
公開日2005年9月14日 申請(qǐng)日期2003年3月21日 優(yōu)先權(quán)日2002年5月10日
發(fā)明者D·A·瓦爾德, J·M·樂, M·A·嚴(yán)德拉西茨, P·M·保徹爾 申請(qǐng)人:3M創(chuàng)新有限公司