用于燃料电池的智能MEA制造技术

本发明专利技术提供了一种用于燃料电池的智能ＭＥＡ，其包括方便地测量单位电池的电压的装置和在低温操作燃料电池组时防止热量从外部低温热源传递至ＭＥＡ的催化剂层的装置。为此，本发明专利技术提供的用于燃料电池的智能膜电极组件（ＭＥＡ）包括：ＭＥＡ，其中催化剂层被涂覆于离子交换膜的两侧，且离子交换膜支撑薄膜附着于离子交换膜的边缘部分的两侧；挠性印刷电路板（ＰＣＢ），其沿着ＭＥＡ的催化剂层的外线安装于离子交换膜支撑薄膜的一个表面上；ＰＣＢ端子，其形成于挠性ＰＣＢ的一端；和连接器，其连接于ＰＣＢ端子以与外部控制器连通，其中挠性ＰＣＢ包括电加热元件、用于测量电加热元件温度的电加热元件温度传感器、用于测量ＭＥＡ温度的ＭＥＡ温度传感器、用于测量单位电池的电阻的电触头、和用于测量单位电池的电压的电触头，它们以预定的配置形成以与ＰＣＢ端子连通。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种用于燃料电池的智能膜电极组件(MEA)。更具体 地，本专利技术涉及这样一种用于燃料电池的智能MEA，该用于燃料电池 的智能MEA能够易于测量单位电池的电压，并且在低温保存和操作燃 料电池组时，防止热量从外部低温热源传递至MEA的催化剂层。
技术介绍
作为燃料电池交通工具的主要能源的燃料电池组，是通过空气中 的氧与燃料提供的氢之间的电化学反应产生电的装置。应用于交通工 具的燃料电池组由数百个单位电池组成，每个单位电池产生大约0.6 V 至l.OV的电压。图1是说明由三个单位电池组成的常规燃料电池组的示意图。如图所示，单位电池包括膜电极组件(MEA) 100、气体扩散层 (GDL) 102、隔板103和用于密封的垫圈101。单位电池的电压通常通过形成在隔板103上的电触头104作为测 量端子来监测，以检测相应的单位电池在燃料电池组操作时的状态。这样的电池电压监测系统(CVMS)包括用于与隔板103形成电触 头104的测量端子和用于测量电压的控制单元。如上所述，由于用于交通工具的燃料电池组由数百个单位电池组 成，在组装电池组后在每个单位电池中形成电压端子要耗费大量的时 间，这被认为是影响燃料电池组大规模生产的生产速度的问题。根据些缺点隔板可由驾驶交通工具时产生的振动和撞击而损坏，如图3 和4的照片所示。此外，隔板的接触性能会降低，端子会从其上分离。 而且，将端子顺序地插入凹槽会耗费很多的时间。为了克服这些缺点，美国专利第6,410,176号和美国专利申请公开 第2003/0092292号公开了一种电压监测系统，其中弹性(elestomeric)连接器紧密附着于隔板的后表面。此外，美国专利申请公开第 2002/0090540号公开了一种用于电化学燃料电池的电接触装置，其中 在印制电路板(PCB)上形成电接触，且PCB附着于隔板的后表面。 另外，本领域已知一种使用电接触端子监测电压的方法，其中使用弹 簧对电接触端子施加弹性力。然而，上述现有技术具有一些普遍的问题，由于隔板的间距不规 则，在燃料电池组由少量单位电池组成的情况下，考虑到燃料电池组 的制造公差，有可能设计出具有连续排列的弹性接触端子的连接器， 并将由此设计的连接器安装在隔板上；然而，在燃料电池组由至少200 个单位电池组成的情况下，由于电池组全长的制造公差，难以设计接 触端子。图2是说明常规MEA 100的示意图。如图2所示，MEA IOO具有如下结构催化剂层201被涂覆于能 够传递氢核的离子交换膜200 (或电解膜)两侧，使得氢与氧彼此反应； 并且在离子交换膜200的两侧形成支撑薄膜202以加强离子交换膜200 并便于处理。要获得燃料电池组的大规模生产需解决的主要问题是，在低于冰 点的低温时的稳定性。在低温条件下，如果离子交换膜20的离子传导性急速降低，燃料 电池组的性能会退化。特别地，氢与氧之间的反应产生的蒸气会在催 化剂层201上凝结，由此使反应不发生。因此，在低于冰点的温度启动燃料电池对于许多涉及燃料电池的 公司和研究所来说是关键的问题。为了提高燃料电池组的低温稳定性，燃料电池组的温度应该在短 时间内升至常规状态，己经提出的改善稳定性的方法包括1)在位于燃料电池组两端的燃料电池组连接装置或电集电器附近安装电加热装置；2) 用隔热材料包裹燃料电池组，以防止燃料电池中产生的热传递 至空气，并使用该热量来提高电池组的温度；和3) 通过燃料电池组初始阶段的操作所产生的电能来加热冷却剂， 并将加热的冷却剂供应给燃料电池组。如上所述，为了在低于冰点的温度启动燃料电池组以在常态下操 作，电池组的温度应该在短时间内升至高于冰点的温度。然而，在由 氢和氧之间的反应产生水、热和电的同时，燃料电池组本身产生的能 量的量，不足以将电池组的温度升至冰点以上。特别地，燃料电池组的温度应该在反应水在催化剂层的表面上冻 结而使电化学反应不能在燃料电池组中发生之前达到熔化温度。为了 实现上述目的，美国专利申请公开第2006/0240300号公开了一种燃烧-解冻燃料电池结构，其中燃烧室位于末端电池附近以在燃料电池组冷 启动时传导性地加热末端电池。美国专利申请公开第2005/0277003号 公开了一种燃料电池系统，其采用连接在冷板上的启动加热器在系统 启动时使电池组冷却剂升温。此外，美国专利第6,916,566号公开了快 速预加热汽车燃料电池的系统和方法，其中使用来自空气供应压縮机 的压縮空气，通过使用热交换器，加热燃料电池组的燃料电池。然而，尽管上述现有技术方法加热暴露于冷空气的末端电池以提 高其温度，但它们不能提高整个燃料电池组的温度。此外，通过在燃料电池组的初始操作阶段产生的电能或使用热交 换器加热冷却剂的方法，需要大量时间来加热中间材料，并且考虑到 热交换器的效率，该方法是低效的。而且，用隔热材料包裹燃料电池组的方法，通过防止电池组中产 生的热传递至空气中，有效地防止了低温驾驶后电池组的温度降低， 并有效地縮短将电池组的温度提高到冰点之上所需的时间；然而，其 不能主动地提高电池组的温度。该
技术介绍
部分公开的信息只是为了加强对本专利技术的
技术介绍
的 理解，不应该被视为这些信息已形成本领域技术人员己知的现有技术 的承认或任何形式的建议。
技术实现思路
已经努力实施本专利技术以解决上述问题，本专利技术的一个目的是提供一种用于燃料电池的智能膜电极组件(MEA)，其中将包括电加热元件、 温度传感器和电触头的挠性PCB安装在MEA上，其能够容易地测量 构成燃料电池组的单位电池的电压和MEA的电阻和温度，并且在燃料 电池组于低温保存和操作时，防止热从外部低温热源传递至MEA的催 化剂层。在一个方面，本专利技术提供了一种用于燃料电池的智能膜电极组件 (MEA)，其包括MEA，其中催化剂层被涂覆于离子交换膜的两侧， 且离子交换膜支撑薄膜附着于离子交换膜的边缘部分的两侧；挠性印 刷电路板(PCB)，其沿着MEA的催化剂层的外线(outerline)安装于离 子交换膜支撑薄膜的一个表面上；PCB端子，其形成于挠性PCB的一 端；和连接器，其连接于PCB端子以与外部控制器连通，其中挠性PCB 包括电加热元件、用于测量电加热元件温度的电加热元件温度传感器、 用于测量MEA温度的MEA温度传感器、用于测量单位电池的电阻的 电触头、和用于测量单位电池的电压的电触头，它们以预定的配置形 成以与PCB端子连通(communicate)。在一个优选的实施方式中，挠性PCB由聚酰亚胺材料的聚合物绝 缘薄膜形成，并包括沿着MEA的催化剂层的外线附着的矩形框线 (frame line)、以及从矩形框线的底端向外伸出的延伸部分。优选地，电加热元件电连接到PCB端子，并沿着挠性PCB的矩形 框线和延伸部分的外线附着于挠性PCB上。合适地，电加热元件温度传感器、MEA温度传感器、用于测量单 位电池的电阻的电触头、和用于测量单位电池的电压的电触头，在挠 性PCB的延伸部分开始从矩形框线延伸的位置形成一排。在另一个优选的实施方式中，包括用于测量单位电池的电阻的电 触头和用于测量单位电池的电压的电触头的分支端子被一体形成，使 得延伸部分位于MEA的一个表面上且分支端子位于MEA的相对表面 上。优选地，PCB端子在旋转本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于燃料电池的智能膜电极组件（ＭＥＡ），其包括：　ＭＥＡ，其中催化剂层被涂覆于离子交换膜的两侧，且离子交换膜支撑薄膜附着于所述离子交换膜的边缘部分的两侧；　挠性印刷电路板（ＰＣＢ），其沿着所述ＭＥＡ的催化剂层的外线安装于所述离子交换膜支撑薄膜的一个表面上；　ＰＣＢ端子，其形成于所述挠性ＰＣＢ的一端；和　连接器，其连接于所述ＰＣＢ端子以与外部控制器连通，　其中所述挠性ＰＣＢ包括电加热元件、用于测量所述电加热元件温度的电加热元件温度传感器、用于测量所述ＭＥＡ温度的ＭＥＡ温度传感器、用于测量单位电池的电阻的电触头、和用于测量所述单位电池的电压的电触头，它们以预定的配置形成以与所述ＰＣＢ端子连通。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：金世勋，李龙贤，
申请(专利权)人：现代自动车株式会社，起亚自动车株式会社，
类型：发明
国别省市：KR[韩国]