边缘保护的涂覆催化剂的扩散介质和膜电极组件制造技术

一种燃料电池，所述燃料电池含阳极侧涂覆催化剂的扩散介质和阴极侧涂覆催化剂的扩散介质，所述扩散介质将离子传导膜夹在中间。所述离子传导膜和所述阳极侧和阴极侧涂覆催化剂的扩散介质之间布置有密封材料，其中所述密封材料由渗透性低于所述离子传导构件的渗透性的材料形成。所述密封材料也可由较所述离子传导膜更软的材料形成以便密封材料可变形并使燃料电池的膜电极组件在整个组件内受到均匀的压力。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及用于燃料电池的膜电极组件，特别是对氧气和氢气具有低透性的膜电极组件。
技术介绍
燃料电池正作为电动车辆和其他应用的能源被开发。一种这样的燃料电池是含所谓“膜电极组件”(MEA)的PEM(即质子交换膜)燃料电池，其中所述MEA包含薄的固体聚合物膜电解质，在所述聚合物膜电解质的相反面上有一对电极(即阳极和阴极)，MEA夹在平面气体分布元件之间。在这些PEM燃料电池中，电极的表面积通常较膜电解质要小以便膜电解质的边缘突出在电极之外。在膜电解质的这些边缘上，布置了密封垫或封条以从外围框住电极。但由于制造公差的限制，封条、MEA和气体分布元件没有充分紧密地定位。由于这些元件定位不当，膜电解质的边缘处可能发生破损，从而缩短燃料电池的寿命，降低燃料电池的性能。此外，当膜电解质从湿态向干态循环时膜收缩会在膜电解质上引起张应力，且透过气体(氢气从阳极到阴极、氧气从阴极到阳极)的反应产生的自由基对膜和电极中的电解质的化学侵蚀会引起膜电解质的化学降解。因此，需要开发消除了上述缺点的燃料电池用MEA。专利技术简述考虑到上述缺点，本专利技术的专利技术人开发出了含阳极侧涂覆催化剂的扩散介质和阴极侧涂覆催化剂的扩散介质的燃料电池，所述扩散介质将离子传导膜夹在中间。密封材料布置在离子传导膜和阳极侧及阴极侧涂覆催化剂的扩散介质之间，其中所述密封材料由渗透性比离子传导构件的渗透性低的材料形成。在本专利技术的另一个方面，所述密封材料由较离子传导膜更软的材料形成以便密封材料可变形并使燃料电池的膜电极组件在整个组件内受到均匀的压力。通过后文提供的详细描述，本专利技术的适用性的更多方面将是显而易见的。应该理解详细描述和具体实例虽然指出了本专利技术的优选实施方案，但仅是出于示例的目的而非要限制本专利技术的范围。附图简述通过详述和附图，本专利技术将得到更好的理解，在附图中附图说明图1为本专利技术的原理的膜电极组件的分解剖视图；图2为本专利技术的另一原理的膜电极组件的分解剖视图；图3为现有技术膜电极组件的剖视图；图4为本专利技术的又一原理的膜电极组件的分解剖视图；和图5为本专利技术的再一原理的膜电极组件的分解剖视图。优选实施方案详述下面对优选实施方案的描述仅是示例性的，而决非想限制本专利技术、其应用或用途。图1为本专利技术的原理的膜电极组件(MEA)的分解剖视图。如图1中所示，MEA2含夹在阳极电极6和阴极电极8之间的离子传导构件4。MEA2也含一对导电构件10和12或气体扩散介质10和12。离子传导构件4的周边也被框形密封件14和16包围住。图1中所示的MEA2由施用在流场板(也称双极板，未示出)和密封件14和16之间的聚合物密封材料封在燃料电池堆内。离子传导构件4优选固体聚合物膜电解质，并优选质子交换膜(PEM)。优选离子传导构件4的厚度在约10微米-100微米的范围内，最优选约25微米的厚度。适合这类膜电解质的聚合物是本领域内众所周知的，见述于美国专利5,272,017和3,134,697以及专利和非专利文献中的其他地方。但应该指出，离子传导构件4的组成可包含任何本领域内常用的质子传导性聚合物。优选使用全氟化磺酸聚合物如NAFION。离子传导构件4为阳离子可透过的质子传导膜，以H+作为流动离子；燃料气体为氢气(或重整油)，氧化剂为氧气或空气。整个电池反应为氢氧化成水，阳极和阴极上的反应分别为H2＝2H++2e-(阳极)和1/2O2+2H++2e-＝H2O(阴极)。阳极电极6和阴极电极8的组成优选包含分散于聚合物粘合剂中的电化学活性物质，所述聚合物粘合剂为质子传导性材料如NAFION(像离子传导构件4)。所述电化学活性物质优选包含涂覆催化剂的碳或石墨颗粒。阳极电极6和阴极电极8优选含铂作为催化剂。尽管图中所示的阳极6和阴极8具有相同的尺寸，但应该指出，阳极6和阴极8具有不同的尺寸(即阴极比阳极大或反过来)并不超出本专利技术的范围。阳极和阴极的优选厚度在约2-30微米的范围内，最优选约10微米。在本专利技术的第一个实施方案中，阳极6和阴极8优选布置在扩散介质10和12上以形成涂覆催化剂的扩散介质(CCDM)。但应该理解，尽管阳极6和阴极8优选布置在扩散介质10和12上，但阳极6和阴极8也可布置在离子传导构件4上以形成涂覆催化剂的膜(CCM)并仍在本专利技术的精神和范围内。更具体地讲，阳极6和阴极8的电化学活性物质可布置在离子传导构件上向着扩散介质10和12的表面5a和5b上。阳极和阴极电极6和8优选布置在扩散介质10和12上与离子传导构件相邻的整个表面上以便阳极6和阴极8的周边延伸到扩散介质10和12的周边处。这样，阳极6、阴极8和扩散介质10和12的边缘承靠在密封件14和16上，如前所述，密封件14和16为绕离子传导构件4的周边布置的框形件。但应理解，阳极电极6和阴极电极8不必布置到气体扩散介质10和12的边缘处也在本专利技术的范围内。图1中也示出了微孔层7和9。这些微孔层7和9优选布置在电极6和8及扩散介质10和12之间，并用作控水层，其通过毛细作用将燃料电池电化学反应过程中产生的水从离子传导构件4的表面带走。优选所述微孔层(由分散在疏水性粘合剂如PTFE中的碳粒子形成)直接施用到气体扩散介质10和12上。气体扩散介质10和12可为本领域内熟知的任何气体扩散介质。优选气体扩散介质10和12为碳纸、碳布或碳泡沫，厚度在约100-300微米的范围内。密封件14和16可为足以密封膜电极组件2、为离子传导构件的边缘提供力学支持并阻止反应性气体透过离子传导构件的任何材料。在这点上，密封件14和16的优选材料为弹性体或聚合物性质、电绝缘(不导电)并耐酸性和潮湿的燃料电池环境的材料。也就是说，所述密封件必须能耐受pH为0的酸性并能承受60-120℃的工作温度。本专利技术的一个重要方面是选定用作密封件14和16的材料其对空气(氧气)和氢气的渗透性应低于离子传导构件4对空气(氧气)和氢气的渗透性。当密封件14和16的渗透性低于离子传导构件4的渗透性时，在膜电极组件2的边缘处反应性燃料电池气体的透过被阻止。这是有利的，因为气体透过膜4(即或氢气从阳极到阴极或氧气从阴极到阳极)会使膜和电极中的电解质发生化学降解，因此，不透性的密封件14和16能缓解化学降解。更具体地讲，在燃料电池的正常运行中，氢气和氧气可透过离子传导构件(膜)4分别到达阴极8和阳极6，从而使氢气燃料中存在有氧气。当这些反应性气体与阳极6和阴极8的电化学活性物质接触时，氧气被还原并与自燃料气体氢气氧化产生的H+离子反应。结果，被还原的氧与H+离子间发生如下副反应产生H2O2O2+2H++2e-＝H2O2已经知道，这样产生的H2O2会引起膜4的降解，并因此缩短燃料电池的寿命、降低燃料电池的性能。此外，应理解膜和电极中电解质化学降解的其他可能机理可通过阻止或至少抑制气体透过膜4而得到缓解。这些气体更易于从因制造公差造成的燃料电池元件间的间隙处膜4的边缘透过膜4。因此，反应性气体的浓缩流可在阳极6和阴极8的边缘处聚集。膜4的降解因此通常发生在阳极6和阴极8的边缘处。为抑制和消除H2O2的产生，密封件14和16由对空气和氢气的渗透性低于膜4的材料形成。例如，当用NAFION膜如N112作为膜4时，密封件14和16在77/100％RH下对空气(氧气本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于燃料电池的组件，所述组件包含：离子传导构件；布置在所述离子传导构件表面上的导电构件；夹在所述离子传导构件和所述导电构件之间的电化学活性物质；和与所述导电构件的周边交叠的密封件；其中所述密封件的 渗透性低于所述离子传导构件的渗透性。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：B索姆帕利，HA加斯泰格，BA利特尔，甄苏珊，
申请(专利权)人：通用汽车公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]