專利名稱：用于整體式膜電極組件的設(shè)計(jì)、方法和工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于燃料電池的膜電極組件，并且涉及一種用 于制備膜電極組件的方法和工藝。
背景技術(shù)：
作為用于電動(dòng)車輛和其它應(yīng)用的能源，燃料電池正處于開發(fā)中。
這樣的一種燃料電池是PEM (即質(zhì)子交換膜)燃料電池，PEM燃料 電池包括具有薄的固體聚合物膜電解質(zhì)的所謂"膜電極組件，， (MEA),該膜電解質(zhì)在其對立面上具有一對電極(即陽極和陰極)。 MEA夾持在平坦的氣體分布元件之間。
在這些PEM燃料電池中，同膜電解質(zhì)相比較，電極典型地具有 較小的表面面積，以致于膜電解質(zhì)邊緣自電極向外突出。在這些膜 電解質(zhì)邊緣，設(shè)置從外部構(gòu)框住電極的襯墊或封口。然而，由于制 造公差的限制，封口、 MEA和氣體分布元件沒有充分精確地對準(zhǔn)。 由于這些元件的未對準(zhǔn)，會(huì)產(chǎn)生在膜電解質(zhì)邊緣的缺陷，并縮短燃 料電池的使用壽命和降低燃料電池的性能。
此外，通過交叉氣體反應(yīng)(氫從陽極到陰極，而氧從陰極到陽 極)產(chǎn)生的自由基，引起膜和電極中電解質(zhì)的化學(xué)侵蝕，當(dāng)膜電解 質(zhì)自濕潤到干燥條件循環(huán)時(shí)因膜收縮而在膜電解質(zhì)上引起的拉應(yīng) 力，以及因化學(xué)侵蝕而產(chǎn)生的膜電解質(zhì)化學(xué)降解，也會(huì)影響燃料電 池的壽命和性能。正因如此，希望開發(fā)一種消除以上缺陷的PEM燃 料電池。
發(fā)明概述
本發(fā)明鑒于以上期望已在開發(fā)，并提供一種包括具有離子傳導(dǎo)
性部件、電極和電傳導(dǎo)性部件的組件的燃料電池。組件還包括設(shè)置 在組件外圍邊緣的粘合劑，粘合劑粘合電傳導(dǎo)性部件、電極和離子 傳導(dǎo)性部件，并提供機(jī)械支撐和抑制反應(yīng)氣體透過離子傳導(dǎo)性部件 的滲入。
為了制造上述燃料電池，也已開發(fā)了一種方法，該方法包括步
驟將粘合劑施加在電極的邊緣和離子傳導(dǎo)性部件的外圍表面上， 以致于設(shè)置在電極上的電傳導(dǎo)性部件可粘結(jié)到電極上和離子傳導(dǎo)性 部件的外圍表面上。該方法還包括在施加粘合劑之前預(yù)處理電才及、 離子傳導(dǎo)性部件和電傳導(dǎo)性部件的表面。
從下文所提供的詳細(xì)說明中，可以清楚本發(fā)明可適用的其它領(lǐng) 域。應(yīng)該理解，詳細(xì)說明和特定示例雖然顯示了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施 例，但只是用于示例目的，而非試圖限制本發(fā)明的范圍。
附圖簡述
從詳細(xì)說明和附圖中將更完整地了解本發(fā)明，其中

圖1A和圖1B是根據(jù)本發(fā)明的原理和第一實(shí)施例的膜電極組件 (MEA)的分解截面圖2是現(xiàn)有技術(shù)的膜電極組件的截面圖3是圖1A和圖1B示出的MEA裝配形態(tài)的截面圖4是圖3示出的MEA的截面圖，描述了預(yù)防氣體濃縮流從膜
電解質(zhì)中穿過；和
圖5是根據(jù)本發(fā)明的原理和第二實(shí)施例的MEA的截面圖。
優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)i兌明
以下對優(yōu)選實(shí)施例的描述在本質(zhì)上只是示例性的，并非試圖限 制本發(fā)明、其應(yīng)用或用途。
圖1A和圖1B是根據(jù)本發(fā)明原理的膜電極組件(MEA)的分解 截面圖。如圖1A和圖1B所示，MEA 2包括設(shè)置在陽極電極6和陰極電極8之間的離子傳導(dǎo)性部件4。 MEA 2另外設(shè)置在一對電傳導(dǎo) 性部件10和12或者氣體擴(kuò)散介質(zhì)10和12之間。框形襯墊14和16 從外圍環(huán)繞氣體擴(kuò)散介質(zhì)10和12。襯墊14和16和擴(kuò)散介質(zhì)10和 12可或不可疊加在離子傳導(dǎo)性部件4和/或電極6和8上。
離子傳導(dǎo)性部件4優(yōu)選是固體聚合物膜電解質(zhì)，并且優(yōu)選是 PEM。部件4在這里也稱為膜4。優(yōu)選地，離子傳導(dǎo)性部件4的厚度 處于大約10)Lim-10(Vm的范圍內(nèi)，并且更優(yōu)選地是大約為25pm的厚 度。適合用于這種膜電解質(zhì)的聚合物，在本技術(shù)領(lǐng)域是眾所周知的， 并在美國專利Nos. 5,272，017和3,134,697以及其它專利和非專利文 獻(xiàn)中都有描述。然而，應(yīng)當(dāng)注意，離子傳導(dǎo)性部件4的組成可包4舌 本技術(shù)領(lǐng)域通常使用的任何質(zhì)子可導(dǎo)聚合物。優(yōu)選地，使用全氟石黃 酸聚合物如NAFION⑧。此外，聚合物可以是單組分的膜，包含其它 材料的機(jī)械支撐細(xì)纖維，或者散置有顆粒(例如硅石、沸石或其它 類似顆粒)。作為備選，聚合物或離聚物可通過其它材料的孔隙攜 帶。
在本發(fā)明的燃料電池中，離子傳導(dǎo)性部件4是一種可滲透陽離 子的質(zhì)子可導(dǎo)膜，其把1"1+離子作為移動(dòng)離子；可燃?xì)怏w是氫氣(或 重整產(chǎn)品)，而氧化劑是氧氣或空氣。總電解反應(yīng)是氫氣變?yōu)樗?氧化作用，并且在陽極和陰極的各自反應(yīng)為H2=2H+ + 2e-(陽極)和 V202 + 2H+ + 2e- = H20 (陰極)。
陽極電極6和陰極電極8的組分優(yōu)選地包括分布在聚合物粘合 劑中的電化學(xué)活性材料，如同離子傳導(dǎo)性部件4，活性材料是質(zhì)子可 導(dǎo)材料如NAFION 。電化學(xué)活性材料優(yōu)選地包括催化劑涂層的,灰或 石墨顆粒。陽極電才及6和陰極電極8將優(yōu)選地包括柏釕、柏，或其 它的鉑/過渡金屬合金以作為催化劑。盡管圖中所示的陽極6和陰極 8具有相同的尺寸，但應(yīng)注意到，具有不同尺寸(如陰極大于陽極， 或反之亦然)的陽極6和陰極8并沒有超出本發(fā)明的范圍。陽極6 和陰極8的優(yōu)選厚度處于大約2|Lim-30nm的范圍內(nèi)，更優(yōu)選地大約為
10|xm。
氣體擴(kuò)散介質(zhì)10和12和襯墊14和16可以是本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的 任何一種氣體擴(kuò)散介質(zhì)或襯墊。優(yōu)選地，氣體擴(kuò)散介質(zhì)10和12為 碳纖維紙、碳纖維布或碳纖維海綿，其厚度在大約為50pm-30(^m的 范圍內(nèi)。此外，氣體擴(kuò)散介質(zhì)10和12可浸透各種水平的Tefloi^或 其它碳氟化合物，以獲得或多或少的疏水性。襯墊14和16本質(zhì)上 是典型的彈性材料，但也可包括材料如聚酯和聚四氟乙烯(PTFE)。 然而，襯墊14和16可以是任何足以密封膜電極組件2的材料。襯 墊14和16的優(yōu)選厚度，大約處于氣體擴(kuò)散介質(zhì)10和12厚度的0.5-1.5倍之間。
根據(jù)圖1A和圖1B所示的本發(fā)明的第一實(shí)施例，用于將擴(kuò)散介 質(zhì)10和12粘合到MEA 2上的粘合劑18設(shè)置在膜電極4的邊緣20 或外圍表面20，以將電極6和8和膜電解質(zhì)4相交疊。優(yōu)選地，粘 合劑18是熱熔粘合劑，如乙烯基乙酸乙酯(EVA)、聚酰胺、聚烯 烴或聚酯。通過將粘合劑18設(shè)置在擴(kuò)散介質(zhì)10和12和膜4 (圖1A) 之間或設(shè)置在電極6和8和膜4 (圖1B )之間，膜邊緣20的耐久性 被提高。應(yīng)當(dāng)理解，熱熔粘合劑18的應(yīng)用僅僅是優(yōu)選的，本發(fā)明不 應(yīng)僅限于此。更特別地，其它粘合劑18如硅樹脂、聚氨酯和氟橡膠 也可用作粘合劑18。此外，彈性體系如熱塑性彈性體、環(huán)氧化物、 苯氧基、丙烯酸樹脂和壓敏粘合劑系也可用作粘合劑18。在膜電解 質(zhì)4的外圍表面20施加粘合劑18，降低和均勻化了處于未受電極6 和8支撐的膜電解質(zhì)4的邊緣20的拉伸應(yīng)力，并防止了膜電解質(zhì)4 的化學(xué)降解。
更特別地，參照圖2，描述的是現(xiàn)有技術(shù)的MEA 22。同膜電解 質(zhì)28相比，現(xiàn)有技術(shù)的MEA 22包括具有較小表面面積的電極24 和26，使得膜電解質(zhì)28的邊緣30自電極24和26向外突出。在膜 電解質(zhì)28的這些邊緣30上，保持有副襯墊32和34，副襯墊設(shè)置成 環(huán)繞電極24和26。氣體擴(kuò)散介質(zhì)36和38位于副襯墊32和34上。
襯墊40和42環(huán)繞氣體擴(kuò)散介質(zhì)36和38。
由于精密公差制造上的困難，在電極24和26和副襯墊32和34 之間存在間隙44。間隙44作為活動(dòng)樞紐，允許膜28彎曲。這種才區(qū) 紐作用導(dǎo)致在膜電極28邊緣30處的應(yīng)力和撕裂、裂縫或孔。這也 導(dǎo)致應(yīng)力，因?yàn)樽饔迷谀る娊赓|(zhì)28上的壓縮力由于這種差異而不一 致。例如，如果副襯墊32或34高于電極24或26,則副襯墊32和 34上的壓縮力將會(huì)太高，如果副襯墊32或34低于電極24或26， 則電極24或26上的壓縮力將會(huì)太高。因此，現(xiàn)有技術(shù)的典型配置 導(dǎo)致在副襯墊32和34和電極24和26之間形成小間隙44。這種小 間隙44使膜電解質(zhì)28的一小部分未受支撐。
此外，如果副襯墊32和34厚于電極24和26,它們就會(huì)形成氣 體擴(kuò)散介質(zhì)36和38保持在其上的"臺(tái)階"。氣體擴(kuò)散介質(zhì)36和38 幫助反應(yīng)氣體H2和02在電極24和26上方的擴(kuò)散，并從電極24和 26到導(dǎo)電雙極板(未示出)的焊盤(land)引導(dǎo)電流。如此以來， 為了促進(jìn)氣體擴(kuò)散介質(zhì)36和38和電極24和26之間的導(dǎo)電性，膜 電極組件22需要高壓壓縮。這便在膜電解質(zhì)28的未受支撐部分施 加大量的應(yīng)力，應(yīng)力可導(dǎo)致其上會(huì)出現(xiàn)針孔和撕裂。通過氣體擴(kuò)散 介質(zhì)36和38的碳或石墨纖維刺穿膜電解質(zhì)28，也會(huì)產(chǎn)生針孔。這 些纖維穿孔導(dǎo)致燃料電池縮短和產(chǎn)生4交低的電池電位。
現(xiàn)在參照圖3,以裝配形態(tài)描述了根據(jù)本發(fā)明原理的膜電極組件 2的截面圖。圖3中，能看出膜電極組件2的各個(gè)元件已通過粘合劑 18粘合在一起。由于氣體擴(kuò)散介質(zhì)10和12為多孔材料，當(dāng)燃料電 池的元件壓縮在一起時(shí)，粘合劑18進(jìn)入氣體擴(kuò)散介質(zhì)10和12的孔 隙內(nèi)。 一旦粘合劑18固化，粘合劑18在膜電解質(zhì)4的外圍表面20 周圍起密封作用，以將膜電解質(zhì)4的外圍表面20、電極6和8以及 氣體擴(kuò)散介質(zhì)10和12粘合在一起。由于膜電解質(zhì)4、電極6和8以 及氣體擴(kuò)散介質(zhì)10和12粘合在一起，故形成整體式結(jié)構(gòu)。正因如 此，燃料電池的各個(gè)元件間未存有間隙，并且膜電解質(zhì)4可貫穿其
表面經(jīng)受均勻壓力。均勻壓力阻止膜電解質(zhì)4上的任何拉伸應(yīng)力發(fā) 揮作用，這便阻止膜電解質(zhì)4的降解和針孔的發(fā)生。因而獲得了耐 久和耐用的高性能燃料電池。
此外，因?yàn)檎澈蟿?8具有密封特性，粘合劑18阻止氫氣和氧 氣在膜電解質(zhì)邊緣20透過膜電解質(zhì)4擴(kuò)散。由于粘合劑18具有密 封特性，密封特性阻止成分反應(yīng)物(如112和02)在其邊緣20透過 膜4擴(kuò)散，阻止了膜電解質(zhì)4的化學(xué)降解。
也就是說，在燃料電池正常運(yùn)行期間，氫氣和氧氣可滲過膜電 解質(zhì)4，分別進(jìn)入到陰極8和陽極6，使得氧氣出現(xiàn)在氫氣中。當(dāng)這 些反應(yīng)氣體同電極6和8的電化學(xué)活性材料-接觸時(shí)，氧氣一皮還原并 同H+離子反應(yīng)，H+由氫燃料氣體的氧化而產(chǎn)生。還原的氧和H+離子 之間隨后發(fā)生的副反應(yīng)生成&02,如下所示
02 + 2H+ + 2e- = H202
已知的是，H202的生成會(huì)導(dǎo)致膜電解質(zhì)4降解，并因此導(dǎo)致燃 料電池壽命和性能的降低。此外，通常認(rèn)為，在缺乏交叉透過膜4 的氣體時(shí)，能減輕膜和電極內(nèi)電解質(zhì)化學(xué)降解的其它可能機(jī)理。再 次參考圖2中所示的現(xiàn)有技術(shù)的膜電極組件，這些氣體更易于在膜28 邊緣的所謂間隙44處滲過膜28,燃料電池元件間的間隙44因這些 元件的制造公差而產(chǎn)生。正因如此，在位于電極24和26的邊緣接 觸未受支撐和未密封的膜電解質(zhì)28的區(qū)域處，可收集反應(yīng)氣體的濃 縮流46，這便可形成11202并且化學(xué)降解膜電解質(zhì)28。也就是說，當(dāng) 在間隙44收集的濃縮流46接觸電極24和26的電化學(xué)活性材料時(shí)， 就會(huì)生成H202。
特別地，當(dāng)燃料電池環(huán)境中存有污染或雜質(zhì)，如具有多種氧化 狀態(tài)的金屬陽離子時(shí)，H202在存在這些金屬陽離子的情況下，可分 解成過氧化物游離基，過氧化物游離基可腐蝕膜28和電極24和26 中的離聚物。由于濃縮流46易于在膜28的邊緣形成，所以膜28的 邊緣特別容易降解。
現(xiàn)在參照圖4,在由粘合劑18支撐和密封膜電解質(zhì)的外圍表面
20上，粘合劑18阻止氣體濃縮流46在膜電解質(zhì)4上擴(kuò)散，氣體濃 縮流可在膜的外圍表面20上收集。正因如此，氣體濃縮流46 #1阻 止同電極6和8的電化學(xué)活性區(qū)域接觸，這便防止了 &02的產(chǎn)生。 ^v而，阻止了膜電解質(zhì)4在膜電解質(zhì)4邊緣20處的降解。
現(xiàn)在參照圖5，將要描述本發(fā)明的第二個(gè)實(shí)施例。如圖5所示， 粘合劑18施加在MEA 2的邊緣上，以致于不需要襯墊。也就是i兌， 可通過注塑成型或加熱并壓沖莫成塞子或插入物的方式施加粘合劑 18,以密封MEA 2的整個(gè)外部。當(dāng)施加壓才莫成塞子的粘合劑18時(shí)， 粘合劑18表現(xiàn)為如陰影線所示的形狀。如此，MEA2的元件粘結(jié)在 一起形成整體式結(jié)構(gòu)，當(dāng)MEA 2壓進(jìn)燃料電池時(shí)，整體式結(jié)構(gòu)在遍 布MEA 2的整個(gè)結(jié)構(gòu)內(nèi)，提供均勻的機(jī)械支撐。
圖5描述的第二個(gè)實(shí)施例的一個(gè)獨(dú)特方面是形成在粘合劑18邊 緣上的凸出部分19。這些球形部分19可用作MEA 2的襯墊，使得 當(dāng)MEA 2連同燃料電池堆中的多個(gè)MEA 2 —起壓縮時(shí)，在堆內(nèi)MEA 2的邊緣處提供進(jìn)一步的機(jī)械支撐。這是因?yàn)檎澈蟿?8,即使其在 MEA2上成型后固化之后，將仍然是可彎曲的柔軟材料。
應(yīng)當(dāng)理解，根據(jù)本發(fā)明笫二實(shí)施例的MEA 2,除以上描述的扭j 械支撐特性外，也提供相同的阻止反應(yīng)氣體交叉透過膜的密封特性， 如同第一實(shí)施例所描述的一樣。也就是說，粘合劑18降低或阻止氫
氣和氧氣交叉透過膜4，使其能夠防止&02的產(chǎn)生。此外，通過注 塑成型或作為壓模成的塞子所施加的粘合劑18也可吸入到氣體擴(kuò)散 介質(zhì)10和12內(nèi)。
現(xiàn)在將要描述的是一種根據(jù)本發(fā)明制備圖1A和圖2B所示MEA 2的方法。為了制備MEA 2的陽極6和陰極8，制備出;f皮催化的^灰 顆粒，然后同處于溶解狀態(tài)的帶有制膜溶劑(casting solvent)的離 聚物粘合劑混合。優(yōu)選地，陽極6和陰極8包括1/3的碳或石墨、1/3 的離聚物，和l/3的催化劑。優(yōu)選的制膜溶劑本質(zhì)上是含水或含酒精
的，但也可使用溶劑如二甲基乙酸(DMAc)或三氟乙酸(TFA)。
鑄造溶液施加到適于采用轉(zhuǎn)壓法(decal method)的薄片上，優(yōu) 選地，薄片為聚四氟乙烯薄片。隨后薄片被熱壓到離子傳導(dǎo)性部件4
(膜電解質(zhì))如PEM上，以形成催化劑涂層膜(CCM)。然后從離 子傳導(dǎo)性部件4上剝離薄片，而含催化劑涂層的碳或石墨作為連續(xù) 的電極6或8保持埋置以形成MEA 2。作為備選，鑄造溶液可直4矣 施加到氣體擴(kuò)散介質(zhì)10或12上，以形成含催化劑涂層的擴(kuò)散介質(zhì)
(CCDM)。
也應(yīng)當(dāng)理解，或許希望在氣體擴(kuò)散介質(zhì)10或12上形成多微孔 層11和13。多微孔層11和13是利用毛細(xì)作用從膜4吸取水的水分 管理層并且可以與上文所描述的電極6和8相同的方式形成，除了 制膜溶劑包括碳顆粒和Tefloi^溶液之外。
為了施加粘合劑18,可采用多種方法。也就是說，粘合劑18可 作為薄膜、小塊施加，或噴涂在膜電解質(zhì)4的邊緣20、電極6和8 以及氣體擴(kuò)散介質(zhì)10和12上。此外，如上文中第二個(gè)實(shí)施例所描 述的那樣，粘合劑可在MEA 2的邊緣上注塑成型。在施加粘合劑18 后，通過將粘合劑加熱到熔點(diǎn)并施加在10psi-20psi范圍內(nèi)的壓力， 將MEA 2的元件粘合成整體式結(jié)構(gòu)，該熔點(diǎn)取決于所使用的粘合劑 材料類型。優(yōu)選地，粘合劑粘合溫度處于270F-380F的范圍內(nèi)。采用 該范圍內(nèi)的溫度防止了 MEA 2的敏感材料如膜電解質(zhì)4、電極6和 8經(jīng)受可導(dǎo)致這些材料降解的溫度。
在本發(fā)明的一個(gè)獨(dú)特方面中，在施加粘合劑18前，膜電解質(zhì)4、 電極6和8以及氣體擴(kuò)散介質(zhì)10和12,都經(jīng)過預(yù)處理。也就是i兌， 膜電解質(zhì)4、電極6和8以及氣體擴(kuò)散介質(zhì)10和12經(jīng)過表面處理的 預(yù)處理，以活化這些材料的表面。優(yōu)選地，采用射頻輝光》t電處理。
電處理、火焰處理、等離子處理、紫外線(UV)處理、濕化學(xué)處理、 表面擴(kuò)散處理、濺射蝕刻處理、離子束蝕刻處理、射頻(RF)濺射
蝕刻處理，和底層涂料的使用。
對于等離子處理，可使用各種等離子基技術(shù)，如等離子基火焰 處理、等離子基紫外線或紫外線/臭氧處理、大氣壓力放電等離子處 理和低壓等離子處理。這些等離子處理干凈、化學(xué)活化并且覆蓋了
MEA 2的元件。其它可使用的等離子處理為介質(zhì)阻擋放電等離子處 理濺射沉積等離子處理(DC和RF磁性增強(qiáng)等離子體)、蝕刻等離 子處理(RF和微波等離子以及RF和微波磁性增強(qiáng)等離子)、賊射 蝕刻等離子處理、RF濺射蝕刻等離子處理、離子束蝕刻等離子處理、 輝光放電等離子處理和電容性耦合等離子處理。
預(yù)處理的使用，通過刺激或活化膜電解質(zhì)4、電極6和8、氣體 擴(kuò)散介質(zhì)10和12的聚合物群體，提高了 MEA 2元件間的粘合力。 這是有益的，因?yàn)榫酆衔锖退芰鲜堑捅砻婺懿牧希鄶?shù)高強(qiáng)度粘 合劑并不能自然地濕潤它們的表面。這也是有益的，由于表面預(yù)處 理提供了可再生的表面，以致于粘合劑18從物到物的粘合作用可變 得牢固。因而，通過活化膜電解質(zhì)4、電極6和8以及氣體擴(kuò)散介質(zhì) 10和12的表面增強(qiáng)了粘合劑18的粘合力，這導(dǎo)致MEA 2增強(qiáng)了密 封效果。此外，MEA 2元件間增強(qiáng)的粘合力提供了更為牢固的MEA 2 ，該MEA 2增強(qiáng)了對機(jī)械和化學(xué)應(yīng)力的抵抗。
也就是說，通過使用預(yù)處理，元件的表面能提高，使得在形成 膜電解質(zhì)4、電極6和8以及氣體擴(kuò)散介質(zhì)10和12的聚合物群體端 部生成了原子團(tuán)。當(dāng)施加粘合劑18以利用粘合劑18 "粘合"MEA 2 的元件時(shí)，這些原子團(tuán)吸引粘合劑18的分子。此外，應(yīng)當(dāng)理解，通 過在MEA 2的聚合物元件內(nèi)誘發(fā)產(chǎn)生化學(xué)變化和物理變化，上述表 面處理提高了 MEA2的元件的表面能。
更具體地說，通過上述預(yù)處理，經(jīng)過結(jié)合新的化學(xué)物種、減少 化學(xué)物種、原子團(tuán)的生成和MEA 2的元件的處理表面同其內(nèi)實(shí)施預(yù) 處理的大氣的相互作用，MEA 2的元件可被化學(xué)改變。能在MEA2 元件中出現(xiàn)的物理變化包括斷鏈、低分子量碎片的產(chǎn)生、表面交叉
結(jié)合、表面基團(tuán)的重取向以及表面物種的蝕刻和除去。然而，應(yīng)當(dāng)
注意的是，物理變化除了提供物理變化外，通常改變了 MEA 2元件
的表面化學(xué)特性。
此外，如果MEA 2的元件的預(yù)處理在由帶有排入的活性氣體的 空氣組成的大氣內(nèi)進(jìn)行，活性氣體包括合適的化學(xué)物種如氬、氮、 硅烷或任何其它能產(chǎn)生原子團(tuán)的氣體，元件間的粘合特性可進(jìn)一步 地增強(qiáng)。也就是說，當(dāng)原子團(tuán)在形成膜4、電極6和8以及氣體擴(kuò)散 介質(zhì)10和12的聚合物群體的端部生成時(shí)，排入大氣內(nèi)的化學(xué)物種 也能生成原子團(tuán)，原子團(tuán)能結(jié)合到形成在聚合物群體端部的原子團(tuán) 上。于是當(dāng)MEA2元件被壓縮以促進(jìn)MEA2元件間的接觸時(shí)，化學(xué) 物種可結(jié)合在一起，以緊緊地連接MEA 2的元件。例如，如果預(yù)處 理期間，包含活性氣體的氮?dú)鉂B入大氣，氮原子團(tuán)將在MEA2元件 的聚合物群體端部生成。當(dāng)這些元件壓縮在一起時(shí)， 一種元件的氮 原子團(tuán)將同另一種元件的氮原子團(tuán)結(jié)合，以形成非常強(qiáng)的氮結(jié)合。
在電暈處理的情況下，該處理希望是在由帶有排入氮?dú)饣驓鍤?的空氣組成的大氣中進(jìn)行。對于射頻輝光放電處理，該處理希望是 在帶有活性氣體如排入氬或氮的真空內(nèi)進(jìn)行?；蛘撸部膳湃胩假|(zhì) 氣體或黃色氣體(salacious gas)，或其它氣體如氧氣或氦-氧混合物 也可使用。
應(yīng)當(dāng)理解，在實(shí)施預(yù)處理后和將MEA2的元件壓縮在一起之前， 可對MEA 2元件施加底層涂料或連接劑。在這點(diǎn)上，底層涂料或連 接劑可以是本技術(shù)領(lǐng)域已知的任何底層涂料或連接劑，但應(yīng)當(dāng)特別 地選擇以作為預(yù)處理使用而應(yīng)用。
本發(fā)明的描述本質(zhì)上僅僅是示范性的，因而，認(rèn)為不脫離本發(fā) 明要點(diǎn)的變動(dòng)均屬于本發(fā)明的范圍內(nèi)。這樣的變動(dòng)不能被認(rèn)為是偏 離了本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于燃料電池的組件，包括具有主要表面的離子傳導(dǎo)性部件；設(shè)置在所述主要表面上的電極；設(shè)置在所述電極上的電傳導(dǎo)性部件；和粘合劑，所述粘合劑設(shè)置在所述組件的外圍邊緣處，以便粘合所述電傳導(dǎo)性部件、所述電極和所述離子傳導(dǎo)性部件。
2. 如權(quán)利要求1所述的組件，其特征在于，所述粘合劑包 括選自乙烯基乙酸乙酯(EVA)、聚酰胺、聚烯烴、聚酯及它 們的混合物中的至少 一種熱熔粘合劑。
3. 如權(quán)利要求1所述的組件，其特征在于，所述粘合劑包 括選自硅樹脂、聚氨酯、氟橡膠、熱塑性彈性體、環(huán)氧化物、 苯氧基、丙烯酸樹脂、壓敏粘合劑及它們的混合物中的至少一 種粘合劑。
4. 如權(quán)利要求1所述的組件，其特征在于，所述粘合劑纟合 所述離子傳導(dǎo)性部件的外圍表面提供機(jī)械支撐。
5. 如權(quán)利要求1所迷的組件，其特征在于，所迷電傳導(dǎo)性 部件為氣體擴(kuò)散介質(zhì)。
6. 如權(quán)利要求1所述的組件，其特征在于，所述電傳導(dǎo)性 部件包括多個(gè)孔；以及所述粘合劑被吸收到所述電傳導(dǎo)性部件的多個(gè)孔內(nèi)。
7. 如權(quán)利要求1所述的組件，其特征在于，所述粘合劑至 少抑制反應(yīng)氣體在所述離子傳導(dǎo)性部件的外圍表面透過所述離 子傳導(dǎo)性部件的擴(kuò)散。
8. 如權(quán)利要求1所述的組件，其特征在于，所述粘合劑在 所述電傳導(dǎo)性部件和離子傳導(dǎo)性部件之間提供了密封。
9. 如權(quán)利要求1所述的組件，其特征在于，所述電極形成在所述離子傳導(dǎo)性部件上。
10. 如權(quán)利要求1所述的組件，其特征在于，所述電極形 成在所述電傳導(dǎo)性部件上。
11. 如權(quán)利要求1所述的組件，其特征在于，還包括形成 在所述電傳導(dǎo)性部件上的多微孔層。
12. 如權(quán)利要求11所述的組件，其特征在于，所述多微孔層是水分管理層。
13. —種制備燃料電池的方法，包括 提供離子傳導(dǎo)性部件； 在所述離子傳導(dǎo)性部件上提供電極；在所述電極的邊緣和所述離子傳導(dǎo)性部件外圍表面上施加 粘合劑；在所述電極上提供電傳導(dǎo)性部件；和利用所述粘合劑將所述電傳導(dǎo)性部件粘合到所述電極上和 所述離子傳導(dǎo)性部件的所述外圍表面上。
14. 如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，還包括在施 加所述粘合劑之前，預(yù)處理所迷電極、所述離子傳導(dǎo)性部件和 所述電傳導(dǎo)性部件的表面。
15. 如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，所述電極、處理是通過選自射頻輝光放電處理、鈉聚乙烯蝕刻處理、電暈 ;故電處理和火焰處理中的至少一種完成。
16. 如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，所述預(yù)處理 活化了所述電極、所述離子傳導(dǎo)性部件和所述電傳導(dǎo)性部件的 所述表面。
17. 如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述粘合劑 包括選自乙烯基乙酸乙酯(EVA)、聚酰胺、聚烯烴、聚酯及 它們的混合物中的至少 一種熱熔粘合劑。
18. 如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述粘合劑包括選自硅樹脂、聚氨酯、氟橡膠、熱塑性彈性體、環(huán)氧化物、 苯氧基、丙烯酸樹脂、壓敏粘合劑及它們的混合物中的至少一 種粘合劑。
19. 如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，還包括在所 述預(yù)處理之后，將底層涂料或連接劑施加到所述電極、所述離 子傳導(dǎo)性部件和所述電傳導(dǎo)性部件的所述表面上。
20. 如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述粘合劑 通過注塑成型的方式施加。
21. 如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述粘合劑 以小塊的方式施力口。
22. 如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述粘合劑 通過噴涂的方式施加。
23. 如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述粘合劑 以薄膜的形式施加。
24. 如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，所述電極、 所述離子傳導(dǎo)性部件和所述電傳導(dǎo)性部件的所述表面的所述預(yù) 處理是通過等離子處理完成，所述等離子處理選自等離子基火 焰處理、等離子基紫外線處理、等離子基紫外線/臭氧處理、大 氣壓力放電等離子處理和低壓等離子處理中的至少一種。
25. 如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，所述電極、 所述離子傳導(dǎo)性部件和所述電傳導(dǎo)性部件的所述表面的所述預(yù) 處理是通過等離子處理完成，所述等離子處理選自介質(zhì)阻擋放 電等離子處理、DC濺射沉積等離子處理、RF磁性增強(qiáng)'踐射沉 積等離子處理、RF和微波蝕刻等離子處理、RF和微波磁性增強(qiáng) 蝕刻等離子處理、濺射蝕刻等離子處理、RF濺射蝕刻等離子處 理、離子束蝕刻等離子處理、輝光放電等離子處理和電容性耦 合等離子處理中的至少一種。
26. —種燃料電池，包括 具有主要表面的離子傳導(dǎo)性部件； 設(shè)置在所述主要表面上的電極； 設(shè)置在所述電極上的電傳導(dǎo)性部件；和粘合劑，所述粘合劑設(shè)置在所述燃料電池的外圍邊緣處， 以粘合所述電傳導(dǎo)性部件、所述電極和所述離子傳導(dǎo)性部件； 其中，所述粘合劑包括至少一個(gè)突出部分。
27. 如權(quán)利要求26所述的燃料電池，其特征在于，包括所 述突出部分的所述粘合劑注塑成型在所述燃料電池的所述外圍 邊緣處。
28. 如權(quán)利要求26所述的燃料電池，其特征在于，所述突 出部分在所述燃料電池的所述外圍邊緣處提供了機(jī)械支撐。
29. 如權(quán)利要求26所述的燃料電池，其特征在于，還包括 形成在所述電傳導(dǎo)性部件上的多微孔層。
30. 如權(quán)利要求29所述的燃料電池，其特征在于，所述多 微孔層是水分管理層。
31. 如權(quán)利要求26所述的燃料電池，其特征在于，所述電 極形成在所述離子傳導(dǎo)性部件上。
32. 如權(quán)利要求26所述的燃料電池，其特征在于，所述電 極形成在所述電傳導(dǎo)性部件上。
全文摘要
一種用于燃料電池的組件包括離子傳導(dǎo)性部件、電極和電傳導(dǎo)性部件。該組件還包括設(shè)置在組件外圍邊緣處的粘合劑，粘合劑粘合電傳導(dǎo)性部件、電極和離子傳導(dǎo)性部件，并提供機(jī)械支撐和抑制反應(yīng)氣體透過離子傳導(dǎo)性部件滲入。
文檔編號(hào)H01M2/08GK101116205SQ200580047973
公開日2008年1月30日 申請日期2005年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月13日
發(fā)明者B·A·利特爾, B·索姆帕利, L·A·卡波維奇, M·K·布丁斯基 申請人:通用汽車公司