用于质子交换膜片燃料电池的改进的膜片电极组件制造技术

分别在完全平面式ＰＥＭ（４８）的两侧上设置用于ＰＥＭ燃料薄片电池催化剂层（４０，４４）的改进的膜片电极组件（１０）。气体扩散层（３８，５０）分别设置在不与完全平面式ＰＥＭ（４８）连通的催化剂层（４０，４４）上。多孔衬底（３２，３４）分别设置在不与催化剂层（４０，４４）连通的气体扩散层（３８，５０）上。多孔衬底（３２，３４）在与多孔衬底（３２，３４）的密封剂浸渍区域（３６，５２）连通的区域中在其周围用密封剂（６０，６２）浸渍。气体扩散层（３８，５０）、多孔衬底（３２，３４）和催化剂层（４０，４４）与ＰＥＭ（４８）共同延伸。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及质子交换膜片燃料电池和用于用于燃料电池的膜片电极组件。尤其，本专利技术涉及燃料电池的改进的结构以简化并降低这种燃料电池的制造成本。
技术介绍
固态聚合物电解质燃料电池发电设备在已有技术中是已知的，并且样品甚至可来自商业上，如加拿大的温哥华公司的Ballard PowerSystem。这些系统是可可使用的，但是相对复杂。Ballard Power System聚合物膜片发电设备的一个例子在1994年11月1日批准的美国专利No.5360679中公开。另外，已知的燃料电池结构通常包括设置在各个阴极和阳极板之间的质子交换膜片。这种燃料电池的结构和操作的一般原理是公知的，这里不需要具体讨论。通常，质子交换膜片(PEM)燃料电池的操作包括分别提供气体燃料和氧化剂气体到阳极板和阴极板，并且在各个电极板的活性表面上尽可能均匀分布，尤其是面对质子交换膜片的电极板表面，其每一个通常包括之间的催化剂层。电化学反应在阳极板和阴极板处以及之间发生，注意到在燃料与氧之间反应的产物的形成，释放热能，电极板之间产生电势差，并且在电极板之间有电荷载流子传输，这样产生的电能通常构成燃料电池的有用输出。在固态聚合物燃料电池中产生的一个问题涉及发电设备中的电池内的冷却剂和产物水的管理。在固态聚合物膜片燃料电池发电设备中产物水通过电池阴极侧上的电化学反应形成，尤其通过将氢离子、电子与氧分子结合形成。产物水必须从电池阴极侧被移走，补充水必须以防止质子交换膜片枯干的量被提供到电池阳极侧，同时避免电极板的阴极侧水泛滥。澳大利亚专利No.389020描述了一种氢离子交换膜片燃料电池堆，其使用精细孔隙水冷却剂板聚集体来提供无源(passive)的冷却剂和水管理控制。澳大利亚人的系统在一个电池的阴极侧与相邻电池的阳极侧之间使用水饱和精细孔隙板聚集体来冷却电池并防止反应物跨过相邻电池之间。精细孔隙板聚集体还被用来把产物水从离子交换膜片的阴极侧移走并移到冷却水流，以及把冷却水移到离子交换膜片的阳极侧以防止阳极枯干。产物和冷却水的优选的方向的移动通过在两部分中形成水冷却板聚集体来完成，一部分具有空隙尺寸，其确保在阳极侧上形成的产物水沁入精细孔隙板并通过毛细作用被移动向冷却剂板聚集体的内部的水冷却剂通道网中。冷却剂板聚集体还包括第二板，其具有比第一板更细的空隙结构，并且其可运转来把水沁出水冷却剂通道并通过毛细作用把该水移向阳极。各个聚集体中的精细孔隙和更精细孔隙板被开槽以形成冷却剂通道网和反应物通道网，并在相邻电池之间被设置成面对面对齐。更精细孔隙板比精细孔隙板薄，以把水冷却剂通道定位得更靠近阳极而不是更靠近阴极。前述的离子交换膜片燃料电池发电设备中的水管理和电池冷却方案难以实现，这是因为精细孔隙和更精细孔隙板的质量控制要求，并且其也是昂贵的，因为板组件不均匀地来制造。在燃料电池技术中，水传输板是填充水的多孔结构。在燃料电池操作期间，水传输板局部提供水来维持质子交换膜片(PEM)的湿润，把在阴极处形成的产物水移走，把副产品热量经循环冷却剂水流移走，把电从电池导向电池，在相邻电池之间提供气体分离器并提供用于把反应物引导过电池的通道。水传输板把水提供到燃料电池以再补充蒸发失去的水。这个系统及操作在Meyer的美国专利No.5303944和Reiser的美国专利No.5700595和Reiser的美国专利No.4769297中公开，这些专利在这里引入为参考。对于经济实用的燃料电池，必须不仅具有优良的设计并具有需要的性能，还必须能够大批量生产。大批量生产燃料电池组件提出非常关键的几个要求。在不牺牲电池的质量和效率的情况下，制造成本必须被保持在尽可能地低。由于燃料电池组件变得越来越复杂，并且在给定的燃料电池中燃料电池的成本明显提高。燃料电池组件，如双层、催化剂层、基片和水传输板变得越来越复杂，要求精确尺寸。尤其，已有技术的燃料电池组件通常使用边缘衬垫，其与上述组件一起要求制造过程中要求紧公差，以避免组件被废弃并提供有效的密封。维持紧公差的要求是必须的，这是由于与已知燃料电池组件内的边缘衬垫的使用相关的固有步距(step)不连续导致的。另外，关于PEM燃料电池的一个主要考虑是电池内反应物分布和含量。当使用多孔部件，如电极衬底时尤其应考虑这一点。需要这个多孔性来提供并基本上均匀地在各个活性表面上分布经各个设置在阳极水传输板和阴极水传输板中的通道提供给被催化地激活的且与质子交换膜片分隔开的各个电极板区域的各种气体媒质。而且，这些多孔结构被用于把反应物水从活性表面和水源之一去除到另一个活性表面，以避免质子交换膜片的枯干。当多孔水传输板和多孔电极衬底被用于PEM燃料电池中时，必须确保任何液体，如PEM燃料电池中的产物或冷却水，或者任何气体媒质，如燃料或氧化剂都不能流入或流出各个多孔水传输板或电极衬底的周围或边缘。反应物气体经水传输板或电极衬底的周围或边缘的逸出导致各个媒质的损失，这引起燃料电池效率的降低。最重要的是，防止媒质经水传输板或电极衬底的周围或边缘的逸出对于避免气体燃料与可能起催化作用的氧化气体或周围空气的混合物是关键的。因此，制造公差必须被保持最小值并且必须消除步距的不连续性，以确保有效密封，实现燃料电池的正确操作。而且，为避免组分腐蚀，必须使氧气不能到达其相应的密封区域的阴极催化剂和燃料电池的阴极侧上的相关的高电势。在已有技术中已经作了各种尝试来提供PEM燃料电池的密封设计以把差的制造公差和步距不连续性的影响降低到最小。一个这种尝试在Epp等人的美国专利No.5,176,966中公开，该专利在这里引用来作为参考。例如，该专利公开了一种设置在两个碳纤维置支持层之间的固态聚合物离子交换膜片。插入支持层与交换膜片之间的是催化剂层。支持层大体支持交换膜片的整个表面。但是，因为防止氧到达阴极催化剂的较差的周围密封，这种结构易于腐蚀。例如这里引用为参考的美国专利No.5,264,299中还给出这样一种结构。考虑前面所述，要求一种改进的燃料电池，其价格便宜并且能够大量生产。还要求PEM燃料电池包括膜片电极组件，其消除了步距式结构，避免了步距的不连续性。一种改进的燃料电池要求膜片电极组件可以以更容易维持的制造公差被连续并且大量地制造。专利技术公开本专利技术保留了已有技术的用于燃料电池的质子交换膜片的优点。另外，还提供在现有的可利用的燃料电池中找不到的新的优点，并且克服了这种现有可利用燃料电池的很多缺点。本专利技术通常指的是一种新颖的燃料电池，带有改进的膜片电极组件(MEA)结构。在电池的整个平面上改进的MEA由其表面涂覆催化剂的质子交换膜片构成。与两个催化剂层相邻的是所谓的气体扩散双层，其在技术上是已知的。双层被支持在多孔石墨衬底上，该衬底在技术上也是已知的。双层和衬底彼此共同延伸并且还与质子交换膜片和催化剂层一起延伸。衬底周围浸渍有弹性体，以生成反应物密封，并且双层的暴露表面在与衬底的浸渍区域相对的周围用弹性体涂覆，以防止反应物渗透到催化剂中，从而防止腐蚀。本专利技术的膜片电极组件以连续方式制造，以避免与已有技术的膜片电极组件相关的问题。例如，本专利技术的组件去掉了已知膜片电极组件的若干部件，如分离边缘密封和衬垫。每一个都是彼此共同延伸的质子交换膜片、催化剂层和双层的连续制造本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种膜片电极组件，包括： 完全平面形式的质子交换膜片，在其两侧有中央区域； 分别与所述完全平面形式的质子交换膜片的两侧连通的催化剂层； 分别与所述催化剂层的侧面连通的并且不与所述完全平面形式的质子交换膜片连通的气体扩散层； 分别与所述气体扩散层的两侧连通的并且不与所述催化剂层连通的多孔衬底，各个所述多孔衬底在其周围浸渍有密封剂；以及 所述气体扩散层在与所述多孔衬底的密封剂浸渍区域连通的区域中的其各个侧面涂覆有密封剂，所述气体扩散层、所述多孔衬底层和所述催化剂层与所述质子交换膜片共同延伸。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：马龙克拉西克，理查德D布劳尔特，
申请(专利权)人：UTC燃料电池有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]