專利名稱：高溫燃料電池系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在高溫下使用的燃料電池系統(tǒng)，更具體地，本發(fā)明涉及一種在聚合物電解質(zhì)膜中利用磷酸作為氫傳導(dǎo)材料的燃料電池系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
一組燃料電池構(gòu)成產(chǎn)能系統(tǒng)，其中氧和包含在烴-基物質(zhì)如甲醇、乙醇或天然氣中的氫之間的化學(xué)反應(yīng)的能量直接轉(zhuǎn)化成電能。根據(jù)所使用的電解液，燃料電池可以分為磷酸型燃料電池、熔融碳酸鹽型燃料電池、固體氧化物型燃料電池、聚合物電解質(zhì)膜燃料電池(PEMFC)、堿性燃料電池等。這些燃料電池基于相同的原理運(yùn)行，但是具有不同的燃料、不同的工作溫度、不同的催化劑、不同的電解液等。
與其它燃料電池相比，PEMFC具有更好的能量輸出特性，更低的工作溫度，更快的初始運(yùn)行，及更快的響應(yīng)。由于這些優(yōu)點(diǎn)，所以PEMFC具有廣泛的應(yīng)用，包括汽車的便攜式電源，家庭或公共建筑的分散電源，及電子器件的小型電源。
通常，PEMFC包括由聚合物電解液如全氟磺酸聚合物構(gòu)成的聚合物電解質(zhì)膜，例如，NAFIONTM。在這種情況下，值得注意的是，聚合物電解質(zhì)膜通過浸漬適量的水獲得高離子導(dǎo)電性。
為了防止PEMFC的聚合物電解質(zhì)膜干燥，常規(guī)的PEMFC在100℃或更低的溫度，例如約80℃下運(yùn)行。然而，這種100℃或更低的低溫導(dǎo)致下列問題。
作為PEMFC的主要燃料的富氫氣體，可以通過重整有機(jī)燃料如天然氣或甲醇得到。然而，在這種情況下，所述富氫氣體包含作為副產(chǎn)品的CO以及CO2。CO使包含在陰極和陽極中的催化劑中毒。當(dāng)催化劑被CO毒化時(shí)，它的電化學(xué)活性大大降低，因而PEMFC的工作效率和壽命就顯著降低。具體地，值得注意的是，隨著PEMFC的工作溫度降低，中毒的催化劑的量增加。
當(dāng)PEMFC的工作溫度升至約130℃或更高時(shí)，可以防止催化劑被CO毒化，并且可以容易控制PEMFC的水管理。因此，可以使燃料重整器小型化，并且可以簡(jiǎn)化冷卻裝置，因而可以使PEMFC的整個(gè)能量產(chǎn)生系統(tǒng)小型化。然而，由于高溫下的水分蒸發(fā)，常規(guī)電解質(zhì)膜，即聚合物電解液如全氟磺酸聚合物經(jīng)歷性能上的大幅下降。
用于高溫燃料電池的電解質(zhì)膜利用強(qiáng)酸如磷酸或硫酸代替水作為氫離子導(dǎo)電材料。因此，使用了浸有強(qiáng)酸如磷酸或硫酸的聚合物膜。浸有磷酸的膜布置在陽極和陰極之間形成膜電極組件(MEA)，然后將多個(gè)MEA堆疊在導(dǎo)電板上形成燃料電池組。將用作燃料的氫氣和空氣分別供應(yīng)給陽極和陰極，以通過化學(xué)反應(yīng)發(fā)電。重要的是防止所供應(yīng)的燃料經(jīng)過膜或者沿著MEA的側(cè)面進(jìn)入其它電極，而不與相應(yīng)的催化劑反應(yīng)。當(dāng)燃料不與相應(yīng)的催化劑反應(yīng)并進(jìn)入相對(duì)的電極時(shí)，因?yàn)殡妷合陆担匀剂闲式档筒⑶夜β拭芏冉档汀?br> 可以通過形成良好的膜結(jié)構(gòu)來防止燃料穿過膜，并且可以通過利用墊片密封MEA防止燃料沿著MEA的側(cè)面移動(dòng)。
US 6720103公開了具有墊片(sheet gasket)和橡膠墊(rubber gasket)的燃料電池。然而，因?yàn)榻辛姿岬哪楸∧で沂枪饣?，并且具體地根據(jù)其環(huán)境收縮，所以US 6720103中公開的膜可以將墊片隔開。因此，憑借墊片進(jìn)行密封是不可靠的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種高溫燃料電池系統(tǒng)，考慮到其中膜的收縮和膨脹，該高溫燃料電池系統(tǒng)具有改善的密封性。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種高溫燃料電池系統(tǒng)，其包括多個(gè)膜電極組件(MEA)，該膜電極組件包括布置在電解質(zhì)膜各個(gè)側(cè)面的陽極和陰極，多個(gè)分別與電極接觸的導(dǎo)電板，且所述電解質(zhì)膜含有磷酸作為氫傳導(dǎo)材料，所述高溫燃料電池系統(tǒng)包括上墊片和下墊片，其包括分別覆蓋電解質(zhì)膜的伸出部分的內(nèi)部和彼此結(jié)合的外部，其中所述電解質(zhì)膜的伸出部分從電極中露出來；橡膠墊，其布置在所述墊片的外部上，以密封導(dǎo)電板與墊片之間的空間；及粘合劑，其密封所述下墊片和上墊片的外部，其中該上墊片和下墊片的內(nèi)部末端分別布置在電極的邊緣和電解質(zhì)膜之間。
所述墊片可以由具有高于130℃的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和高于200℃的熱分解溫度的耐熱性聚合物構(gòu)成。
所述墊片可以由選自聚酰亞胺、聚苯并咪唑、聚(酰胺酰亞胺)和聚(亞芳基醚膦)氧化物(poly(arylene ether phosphine)oxide)中的材料制成。
所述粘合劑可以為耐熱性粘合劑，該耐熱性粘合劑由選自硅-基樹脂、氟-基樹脂和酰胺-基樹脂中的樹脂構(gòu)成。
所述橡膠墊可以由氟-基樹脂構(gòu)成。


通過參照附圖詳述其示例性實(shí)施方案，本發(fā)明的上述及其它特征和優(yōu)點(diǎn)將變得更加顯而易見，附圖中圖1為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的高溫燃料電池的剖視圖的一部分；及圖2和3為在根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的單元電池中結(jié)合墊片與電解質(zhì)膜的方法的俯視圖。
具體實(shí)施例方式
在下文中，將參照附圖更充分地描述本發(fā)明，附圖中圖示了本發(fā)明的示例性實(shí)施方案。在附圖中，為了清楚，放大各層和區(qū)域的尺寸和厚度。
圖1為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的高溫燃料電池單元電池的剖視圖。在高溫燃料電池中，可以堆疊數(shù)十個(gè)至數(shù)百個(gè)單元電池。高溫燃料電池的每個(gè)單元電池包括膜電極組件(MEA)，其中陽極20和陰極30分別位于電解質(zhì)膜10的各個(gè)側(cè)面上。導(dǎo)電板41和42分別位于陽極和陰極20和30上。在各導(dǎo)電板41和42中形成燃料通道(未示出)，燃料即氫氣或作用氧化劑的空氣經(jīng)過該燃料通道供應(yīng)給相應(yīng)的陽極和陰極20和30。
因?yàn)殡娊赓|(zhì)膜10在高溫例如130℃下使用，所以電解質(zhì)膜10包括作為氫傳導(dǎo)材料的酸代替水。電解質(zhì)膜10會(huì)由于高溫而收縮，其長(zhǎng)度可能收縮約1～2％。電解質(zhì)膜10包括從陽極和陰極20和30中露出來的伸出部分12。
燃料電池系統(tǒng)包括墊片51和52，其次包括橡膠墊71和72，以密封燃料。
所述墊片51和52為上墊片51和下墊片52。該墊片51和52分別包括被粘合劑60連接起來的外部53和54，及與電解質(zhì)膜10的側(cè)面接觸的內(nèi)部55和56。內(nèi)部55和56的末端可以分別排列在電解質(zhì)膜10與相應(yīng)的陽極和陰極20和30的邊緣之間。當(dāng)電解質(zhì)膜10收縮時(shí)，內(nèi)部55和56的這種排列，保持了陽極和陰極20和30與墊片51和52之間的良好密封。
因?yàn)樯蠅|片和下墊片51和52暴露于強(qiáng)酸如磷酸，所以上墊片和下墊片51和52是由高耐酸的材料構(gòu)成的。上墊片和下墊片51和52具有約1～300μm的厚度。當(dāng)墊片51和52具有小于1μm的厚度時(shí)，難于對(duì)墊片51和52進(jìn)行處理。當(dāng)上墊片和下墊片51和52具有大于300μm的厚度時(shí)，陽極和陰極20和30與電解質(zhì)膜10之間的密封惡化。另外，墊片51和52的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度優(yōu)選高于130℃。如果墊片51和52的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度低于130℃，則墊片51和52會(huì)逐漸變形并且密封惡化。因?yàn)閴|片51和52的內(nèi)部55和56與電解質(zhì)膜10接觸，所以墊片51和52必須具有高的耐酸性。另外，因?yàn)閴|片51和52長(zhǎng)時(shí)間暴露于高溫下，所以墊片51和52的熱分解溫度要高于200℃。墊片51和52的熱分解溫度優(yōu)選高于例如400℃。墊片51和52可以由例如聚酰亞胺，聚苯并咪唑，聚(酰胺酰亞胺)，或者聚(亞芳基醚膦氧化物)構(gòu)成。所述粘合劑60固定上墊片和下墊片51和52。粘合劑60可以在室溫下固定上墊片和下墊片51和52，可以在室溫下附著于上墊片和下墊片51和52之后通過高溫處理硬化，并且可以在高溫下熔化壓縮以附著于上墊片和下墊片51和52上。所述高溫處理和熔化-壓縮是復(fù)雜的，并且會(huì)揮發(fā)酸中的水。因此，在本發(fā)明的實(shí)施方案中，粘合劑60優(yōu)選在室溫下附著于上墊片和下墊片51和52上。另外，因?yàn)檎澈蟿?0長(zhǎng)時(shí)間暴露于高溫下，所以粘合劑60優(yōu)選具有高的熱分解溫度。當(dāng)與利用熱壓的密封相比時(shí)，在室溫下處理的粘合劑60的粘合性在附著力方面可能較低。為了補(bǔ)償該限制，可以將橡膠墊61和62布置在上墊片和下墊片51和52上以增強(qiáng)密封。粘合劑60可以為能夠在高溫下保持粘合性的耐熱性粘合劑，其由例如硅-基、氟-基或酰胺-基樹脂構(gòu)成。粘合劑60可以在室溫下附著于墊片51和52上。
橡膠墊71和72可以由耐熱材料例如氟-基材料構(gòu)成。橡膠墊71和72密封形成防止燃料泄漏的第二道屏障。橡膠墊71和72可以由具有良好的耐熱性和化學(xué)穩(wěn)定性的材料，例如硅-基或氟-基材料構(gòu)成。
電解質(zhì)膜10為薄膜并浸有磷酸，因而其力學(xué)強(qiáng)度非常低。另外，因?yàn)閴|片51和52的末端分別插入到陽極和陰極20和30與電解質(zhì)膜10之間，所以不能采用常規(guī)方法，例如墊片51和52結(jié)合到電解質(zhì)膜10的兩個(gè)表面上。
圖2和3為在根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的單元電池中結(jié)合墊片51和52與電解質(zhì)膜10的方法的俯視圖。
參照?qǐng)D2，粘合劑60沉積在下墊片52的外部54上。粘合劑60可以沉積在聚對(duì)苯二甲酸乙二酯(PET)薄膜(未示出)上，將該P(yáng)ET薄膜對(duì)準(zhǔn)在下墊片52上并將其從墊片52上移除，從而將布置在PET薄膜上的粘合劑60轉(zhuǎn)移到墊片52上。
參照?qǐng)D3，將電解質(zhì)膜10排列在下墊片52的內(nèi)部56上。電解質(zhì)膜10不與布置在外部54上的粘合劑60接觸。
接著，將上墊片51與下墊片52對(duì)準(zhǔn)，并壓縮上墊片和下墊片51和52，使得上墊片和下墊片51和52的外部53和54在室溫下通過粘合劑60結(jié)合到一起。將電解質(zhì)膜10布置在墊片51和52之間。將陽極和陰極20和30附著于電解質(zhì)膜10上。陽極和陰極20和30的邊緣可以布置在墊片51和52的內(nèi)部末端上。墊片51和52的末端插入到陽極和陰極20和30的邊緣與電解質(zhì)膜10之間。因?yàn)橄鹉z墊71和72與導(dǎo)電板41和42可以利用常規(guī)方法結(jié)合到MEA以及墊片51和52上，所以將不對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)描述。上述過程都是在室溫下進(jìn)行的。
如上所述，當(dāng)電解質(zhì)膜膨脹或收縮時(shí)，根據(jù)本發(fā)明的高溫燃料電池系統(tǒng)可以保持良好的密封性。
盡管已經(jīng)參照其示例性實(shí)施方案具體地說明和描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會(huì)理解，其中可以進(jìn)行各種形式和細(xì)節(jié)上的變化，而不脫離由所附的權(quán)利要求書限定的本發(fā)明的構(gòu)思和范圍。
權(quán)利要求
1.一種高溫燃料電池系統(tǒng)，其包括多個(gè)具有布置在電解質(zhì)膜各側(cè)面的陽極和陰極的膜電極組件(MEA)，多個(gè)分別與電極接觸的導(dǎo)電板，且所述電解質(zhì)膜含有磷酸作為氫傳導(dǎo)材料，該高溫燃料電池系統(tǒng)包括上墊片和下墊片，包括分別覆蓋電解質(zhì)膜的伸出部分的內(nèi)部和彼此相連的外部，其中所述電解質(zhì)膜的伸出部分自電極中暴露出來；橡膠墊，其布置在所述墊片的外部上，以密封導(dǎo)電板和墊片之間的空間；及粘合劑，其密封下墊片和上墊片的外部，其中所述上墊片和下墊片的內(nèi)部末端分別布置在各電極邊緣與電解質(zhì)膜之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的高溫燃料電池系統(tǒng)，其中所述墊片由玻璃化轉(zhuǎn)變溫度高于130℃和熱分解溫度高于200℃的耐熱性聚合物形成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的高溫燃料電池系統(tǒng)，其中所述墊片由選自下列的材料制成聚酰亞胺，聚苯并咪唑，聚(酰胺酰亞胺)，及聚(亞芳基醚膦)氧化物。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的高溫燃料電池系統(tǒng)，其中所述墊片的厚度為1～300μm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的高溫燃料電池系統(tǒng)，其中所述粘合劑為耐熱性粘合劑，該耐熱性粘合劑由選自硅-基樹脂、氟-基樹脂和酰胺-基樹脂中的樹脂形成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的高溫燃料電池系統(tǒng)，其中所述橡膠墊由氟-基樹脂形成。
全文摘要
本發(fā)明提供一種高溫燃料電池系統(tǒng)。該高溫燃料電池系統(tǒng)包括上墊片和下墊片，其包括分別覆蓋電解質(zhì)膜的伸出部分的內(nèi)部和彼此結(jié)合的外部，其中所述電解質(zhì)膜的伸出部分從電極中露出來；橡膠墊，其布置在所述墊片的外部上，以密封導(dǎo)電板和墊片之間的空間；及粘合劑，其密封下墊片和上墊片的外部，其中所述上墊片和下墊片的內(nèi)部的末端分別布置在電極的邊緣與電解質(zhì)膜之間。
文檔編號(hào)H01M8/12GK1901264SQ20061010347
公開日2007年1月24日 申請(qǐng)日期2006年7月24日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月22日
發(fā)明者趙重根, 金占迪 申請(qǐng)人:三星Sdi株式會(huì)社