專利名稱：包括可模制襯墊的燃料電池及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及電化學(xué)轉(zhuǎn)化電池，更特別地涉及設(shè)置在雙極板之間的電化學(xué)轉(zhuǎn)化電池。
背景技術(shù)：
電化學(xué)轉(zhuǎn)化電池，通常稱為燃料電池，其例如通過利用氫和氧的氧化和還原處理第一和第二反應(yīng)物從而產(chǎn)生電能。為了解釋而不是限制，典型的聚合物電解質(zhì)燃料電池包括設(shè)置在一對氣體擴(kuò)散介質(zhì)層和催化劑層之間的聚合物膜(例如質(zhì)子交換膜)。陰極板和陽極板設(shè)置在相鄰氣體擴(kuò)散介質(zhì)層的最外側(cè)上，緊緊壓制該前述元件以形成電池單元。
由單個(gè)電池單元提供的電壓對于有效應(yīng)用來說通常太小。因此，通常設(shè)置多個(gè)電池并且連續(xù)連接成“堆(stack)”以增加電化學(xué)轉(zhuǎn)化組件或者燃料電池的電輸出。在這種結(jié)構(gòu)中，兩個(gè)相鄰的電池單元可以共用一個(gè)公共極板，該公共極板作為其串連連接的兩個(gè)相鄰電池單元的陽極和陰極。這種基板通常稱之為雙極板并且通常包括在其中限定的流場以提高反應(yīng)物和冷卻劑向相關(guān)電池的傳輸。用于燃料電池的雙極板通常需要是電化學(xué)性能穩(wěn)定并且導(dǎo)電的。

發(fā)明內(nèi)容
在本發(fā)明的第一實(shí)施方案中，提供包括電化學(xué)轉(zhuǎn)化組件的裝置。電化學(xué)轉(zhuǎn)化組件包括多個(gè)電化學(xué)轉(zhuǎn)化電池以及多個(gè)導(dǎo)電雙極板，其中，電化學(xué)轉(zhuǎn)化電池設(shè)置在相鄰雙極板之間。該電化學(xué)轉(zhuǎn)化組件還包括多個(gè)轉(zhuǎn)化組件襯墊，其中各個(gè)轉(zhuǎn)化組件襯墊模制到對應(yīng)的多個(gè)雙極板的多個(gè)上。該轉(zhuǎn)化組件襯墊包含包括聚偏二氟乙烯(PVDF)的混合物。
在本發(fā)明的第二實(shí)施方案中，提供包括電化學(xué)轉(zhuǎn)化組件的裝置。該電化學(xué)轉(zhuǎn)化組件包括多個(gè)電化學(xué)轉(zhuǎn)化電池，其中，各個(gè)轉(zhuǎn)化電池包括膜電極組件。該電化學(xué)轉(zhuǎn)化組件還包括多個(gè)導(dǎo)電雙極板，其中該電化學(xué)轉(zhuǎn)化電池單元設(shè)置在相鄰的雙極板之間。該電化學(xué)轉(zhuǎn)化組件還包括模制到膜電極組件上的多個(gè)轉(zhuǎn)化組件襯墊，其中，該轉(zhuǎn)化組件襯墊包含包括聚偏二氟乙烯(PVDF)的混合物。
在本發(fā)明的第三實(shí)施方案中，提供電化學(xué)轉(zhuǎn)化組件的制造方法。該方法包括提供多個(gè)電化學(xué)轉(zhuǎn)化電池和多個(gè)導(dǎo)電雙極板。該方法還包括形成包括聚偏二氟乙烯(PVDF)和將PVDF溶解在其中的溶劑的混合物，將該混合物施加到多個(gè)雙極板上，并且在一定溫度和壓力下加熱該混合物足夠的時(shí)間以在多個(gè)雙極板上形成多個(gè)轉(zhuǎn)化組件襯墊。
在本發(fā)明的第四實(shí)施方案中，提供電化學(xué)轉(zhuǎn)化組件的制造方法。該方法包括提供包括電極膜組件的多個(gè)電化學(xué)轉(zhuǎn)化電池和多個(gè)導(dǎo)電雙極板。該方法還包括形成包括聚偏二氟乙烯(PVDF)和將PVDF溶解在其中的溶劑的混合物，將該混合物施加到膜電極組件上，并且在一定溫度和壓力下加熱該混合物足夠的時(shí)間以在膜電極組件上形成多個(gè)轉(zhuǎn)化組件襯墊。
根據(jù)本文體現(xiàn)的本發(fā)明的描述，本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)將更加明顯。


當(dāng)結(jié)合以下附圖閱讀時(shí)，可以更容易理解以下對于本發(fā)明的特定實(shí)施方案的詳細(xì)描述，其中，相似的結(jié)構(gòu)由相似的附圖標(biāo)記表示，其中附圖的各個(gè)元件不需要按比例畫出，其中 圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或者多個(gè)實(shí)施方案的雙極板視圖； 圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或者多個(gè)實(shí)施方案的其上包括襯墊的雙極板的橫截面視圖； 圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或者多個(gè)實(shí)施方案的電化學(xué)轉(zhuǎn)化組件的示意圖； 圖4是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或者多個(gè)實(shí)施方案的具有燃料處理系統(tǒng)和電化學(xué)轉(zhuǎn)化組件的交通工具的示意圖；以及 圖5是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或者多個(gè)實(shí)施方案的其上包括襯墊的膜電極組件的示意圖。
具體實(shí)施例方式參考圖1-5，示出了根據(jù)本發(fā)明的電化學(xué)轉(zhuǎn)化組件10。通常，電化學(xué)轉(zhuǎn)化組件10包括多個(gè)電化學(xué)轉(zhuǎn)化電池20和多個(gè)導(dǎo)電雙極板30。電化學(xué)轉(zhuǎn)化電池可以包括聚合物交換膜(PEM)燃料電池。本發(fā)明預(yù)期多種轉(zhuǎn)化組件構(gòu)造，只要該組件利用在部分或者全部各個(gè)電化學(xué)轉(zhuǎn)化電池20之間的一個(gè)或者多個(gè)雙極板30。實(shí)際上，轉(zhuǎn)化組件10和各個(gè)轉(zhuǎn)化電池20的特定結(jié)構(gòu)超出了本發(fā)明的范圍并且可以從任何已有的或者有待發(fā)展的教導(dǎo)(與組件設(shè)計(jì)相關(guān))中找到，這些組件能夠從與電化學(xué)轉(zhuǎn)化電池20相連的第一和第二化學(xué)反應(yīng)物源R1、R2產(chǎn)生電。通常還提供一個(gè)或者更多反應(yīng)物出口Rout。
根據(jù)本發(fā)明雙極板30的特定結(jié)構(gòu)的許多方面也超出本發(fā)明的范圍。例如，特別參考圖1，根據(jù)本發(fā)明的雙極板30可以包括流場部分32和連接于該流場部分32的流體集管(fluid header portion)34。如圖2所示，流場部分32可以包括在雙極板30的相對的導(dǎo)電側(cè)36、38之間的流場通道35。
如圖3所示，相鄰電化學(xué)轉(zhuǎn)化電池20由多個(gè)雙極板30的各個(gè)板分隔。為了在電化學(xué)轉(zhuǎn)化組件中最小化流體反應(yīng)物和產(chǎn)物料流的泄漏，襯墊可以用作防泄漏的密封。然而，密封燃料電池相當(dāng)困難，因?yàn)槿剂想姵氐乃嵝原h(huán)境侵蝕金屬和非金屬材料。而且，襯墊必須電化學(xué)性能穩(wěn)定、可壓縮、便宜并且可獲得。
如圖2所示，雙極板30可以包括模制到雙極板30之上的轉(zhuǎn)化組件襯墊40。該襯墊40可以模制到雙極板30的一側(cè)或者兩側(cè)36、38上。參考圖2的實(shí)施方案，密封襯墊40可以模制到雙極板30上，使得襯墊40設(shè)置在雙極板30和轉(zhuǎn)化電池20之間。在該實(shí)施方案中，襯墊40限定尺寸大小密封圍繞流場通道35的至少部分外周的基本上矩形形狀的開口。
參考圖5，轉(zhuǎn)化組件襯墊還可以被結(jié)合到電化學(xué)轉(zhuǎn)化電池的膜電極組件200中。膜電極組件200可以包含多層結(jié)構(gòu)，例如，圖5的7層結(jié)構(gòu)，因此，密封襯墊的位置可以變化。如圖5所示，至少一個(gè)襯墊膜220模制到膜210上。在該實(shí)施方案中，襯墊220限定尺寸經(jīng)定制以密封膜210的外周的基本上矩形形狀的開口。膜電極組件200還可以包括至少一個(gè)電極層230和至少一個(gè)氣體擴(kuò)散層240。圖5示出了2個(gè)電極層，一個(gè)包括陽極層，另一個(gè)包括陰極層。在如圖5所示的一個(gè)示例性實(shí)施方案中，電極層230和氣體擴(kuò)散層240設(shè)置在襯墊220的開口內(nèi)以促使反應(yīng)物流過膜電極組件200。在再一實(shí)施方案中，電化學(xué)轉(zhuǎn)化組件10可以包括在雙極板之上的襯墊和如圖2和5所示的膜。除了在此描述襯墊以外，本文可以預(yù)期本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的其它襯墊形狀、尺寸和結(jié)構(gòu)。
該轉(zhuǎn)化組件襯墊包含包括聚偏二氟乙烯(PVDF)的混合物。在一個(gè)實(shí)施方案中，混合物包括PVDF均聚物，例如，由Solvay Solexis生產(chǎn)的Hylar461。在又一實(shí)施方案中，該混合物包括至少一種溶劑。該溶劑可以包括任何有效溶解PVDF的適當(dāng)材料。在一個(gè)示例性實(shí)施方案中，該溶劑是包括碳酸亞丙酯、碳酸亞乙酯或其混合物的碳酸酯溶劑?？梢赃x擇PVDF材料使得其能很好的溶于碳酸酯。在溶解后，形成漿料，其可以模制到電極膜組件或雙極板的膜之上。例如，但不是為了限制，漿料可以包括60wt％的PVDF均聚物和40wt％的碳酸亞丙酯的組合物。
能夠預(yù)期可以使用任何適合的PVDF材料；然而，PVDF均聚物例如Hylar461可以提供其它益處。與典型的碳氟化合物不同，Hylar溶解于碳酸亞乙酯/碳酸亞丙酯，其能夠使Hylar注模到雙極板中。而且，由于其來自Teflon族，其是化學(xué)惰性的并且可以直接施加到MEA的膜上。
相反，Hylar具有能夠在襯墊中促進(jìn)其有效性的優(yōu)良化學(xué)穩(wěn)定性。Hylar具有大約1.76cm3的密度和大約158至大約160℃的熔點(diǎn)。Hylar表現(xiàn)出優(yōu)良的熱穩(wěn)定性。例如，在高溫下，Hylar在410℃下在N2氣中只有1％的質(zhì)量損失。高溫穩(wěn)定性使得Hylar可以用作在高溫質(zhì)子交換膜燃料電池堆中的襯墊材料，其中，Hylar襯墊可以接觸具有在大約120℃至大約150℃之間以及更高溫度的操作溫度的膜。
Hylar還在較低溫下例如在冰點(diǎn)以下的溫度是熱穩(wěn)定的。例如，Hylar表現(xiàn)出大約-39℃的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。Hylar還理想地用于密封襯墊中，因?yàn)槠涫请娊^緣材料。例如，Hylar在23℃下具有大約1×1015Ω·cm的體積電阻率，和大約6kV/mm的介電強(qiáng)度。與其它含氟聚合物或者其它襯墊(例如橡膠或者硅樹脂基襯墊)不同，Hylar是化學(xué)惰性的。例如，如由僅僅吸收大約0.02wt％的水所證實(shí)的，Hylar不反應(yīng)或者吸收水。由于Hylar通常被壓入燃料電池襯墊，襯墊的吸水率甚至可以小于0.02wt％。而且，Hylar表現(xiàn)出良好的機(jī)械性質(zhì)，這有助于其長期的穩(wěn)定性。例如，Hylar表現(xiàn)出大約100％的斷裂伸長率以及大約10％的屈服伸長率。此外，Hylar具有大約190000psi或者大約1310Mpa的拉伸模量。
可以使用本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的各種方法制造電化學(xué)轉(zhuǎn)化組件，其中，襯墊40提供在如圖2所示的雙極板30上或者其中襯墊220提供在如圖5所示的膜210上。在一個(gè)實(shí)施方案中，該方法包括提供多個(gè)電化學(xué)轉(zhuǎn)化電池單元和多個(gè)導(dǎo)電雙極板，以及形成包含聚偏二氟乙烯(PVDF)和PVDF溶于其中的溶劑的混合物。如上所述，許多可行的PVDF/溶劑組合物是可用的，例如包含溶解于碳酸亞丙酯或者碳酸亞乙酯中的PVDF均聚物Hylar461的漿料配方。然后，該混合物可以施加到多個(gè)雙極板或者膜電極組件上。該混合物可以經(jīng)由本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的任何適當(dāng)施加或者沉積方法(例如絲網(wǎng)印刷或者刷涂)來施加。在一個(gè)示例性實(shí)施方案中，該混合物通過注模工藝模制到雙極板或者膜電極組件上。在施加之后，在一定溫度和壓力下加熱該混合物足夠長時(shí)間以在多個(gè)雙極板上、在膜電極組件或者這兩者之上形成多個(gè)轉(zhuǎn)化組件襯墊。在加熱期間，溫度可以在大約150℃至大約200℃之間的范圍持續(xù)最多大約5小時(shí)。壓力可以通過熱壓機(jī)或者任何其它本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的適合的壓力施加裝置施加。在一個(gè)示例性實(shí)施方案中，包括Hylar461和碳酸亞丙酯的漿料混合物通過在160℃熱壓該混合物3分鐘形成襯墊。本文可以預(yù)期其它的工藝參數(shù)和/或步驟。
如上所述，轉(zhuǎn)化組件10和各個(gè)轉(zhuǎn)化電池20的特定結(jié)構(gòu)超出了本發(fā)明的范圍。然而，應(yīng)該注意典型的轉(zhuǎn)化組件包括各個(gè)膜電極組件，這些組件配置成使用含氫氣體和空氣作為各自的反應(yīng)物源來工作。再次為了解釋而不是限制，電化學(xué)轉(zhuǎn)化電池20可以包含各個(gè)電解質(zhì)膜、氣體擴(kuò)散層、催化劑元件、含碳元件、導(dǎo)電元件及其組合。最后，盡管如圖1和2所示的雙極板30包括在雙極板30的相對的導(dǎo)電側(cè)之間確定的流場，可以預(yù)期適合的雙極板結(jié)構(gòu)不需要包括流場。
參考圖4，根據(jù)本發(fā)明的裝置可以包括交通工具100和根據(jù)本發(fā)明的電化學(xué)轉(zhuǎn)化組件110。電化學(xué)轉(zhuǎn)化組件110可以配置成至少部分地向交通工具100提供動力。交通工具100還可以具有配置成向電化學(xué)轉(zhuǎn)化組件110提供燃料的燃料處理系統(tǒng)或者燃料源120。
盡管本發(fā)明不限于任何特定反應(yīng)物組成，實(shí)踐本發(fā)明并基本熟悉燃料電池技術(shù)的人員應(yīng)該理解第一反應(yīng)物源R1通常包括氧和氮，第二反應(yīng)物源R2包括氫。
注意術(shù)語“優(yōu)選地”“一般”和“通?！痹诖耸褂貌皇菫榱讼拗票景l(fā)明的范圍或者暗示某些技術(shù)特征對于要求保護(hù)的本發(fā)明的結(jié)構(gòu)或者功能是關(guān)鍵的、本質(zhì)的或者同等重要。相反，這些術(shù)語僅僅為了突出可能會或者不可能會在本發(fā)明的特定實(shí)施方案中使用的可選擇的或者額外的特征。
為了描述和限定本發(fā)明，注意在此使用的術(shù)語“裝置”表示元件的組合和單獨(dú)的元件，不考慮這些元件是否與其它元件組合。例如，根據(jù)本發(fā)明的“裝置”可以包括電化學(xué)轉(zhuǎn)化組件或者燃料電池，以及結(jié)合了根據(jù)本發(fā)明的電化學(xué)轉(zhuǎn)化組件的交通工具等。
為了描述和限定本發(fā)明，應(yīng)該注意在此使用的術(shù)語“基本上”表示固有的不確定程度，其可以歸因于任何定量比較、數(shù)值、測量或者其它代表物。在此使用的術(shù)語“基本上”還表示定量代表物可以從所述的參考變化的程度，而沒有導(dǎo)致所涉及主題的基本功能的變化。
已經(jīng)詳細(xì)地并且參考其特定實(shí)施方案描述了本發(fā)明，顯而易見的是不偏離由所附的權(quán)利要求確定的本發(fā)明的范圍的前提下，可以進(jìn)行各種修改和變形。更特別地，盡管本發(fā)明的一些方面在此看作優(yōu)選或者特別優(yōu)選的，可以預(yù)期本發(fā)明不需要受限于本發(fā)明的這些優(yōu)選方面。
權(quán)利要求
1.一種包括電化學(xué)轉(zhuǎn)化組件的裝置，該電化學(xué)轉(zhuǎn)化組件包括多個(gè)電化學(xué)轉(zhuǎn)化電池；多個(gè)導(dǎo)電雙極板，該電化學(xué)轉(zhuǎn)化電池設(shè)置在相鄰的雙極板之間；以及多個(gè)轉(zhuǎn)化組件襯墊，其中各轉(zhuǎn)化組件襯墊模制到對應(yīng)的各個(gè)雙極板上，該轉(zhuǎn)化組件襯墊包含包括聚偏二氟乙烯(PVDF)的混合物。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中所述混合物包含PVDF均聚物。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的裝置，其中所述PVDF均聚物具有大約1.76cm3的密度。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的裝置，其中所述PVDF均聚物具有大約158℃至大約160℃的熔點(diǎn)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2的裝置，其中所述PVDF均聚物在410℃下在N2中表現(xiàn)出大約1％的質(zhì)量損失。
6.根據(jù)權(quán)利要求2的裝置，其中所述PVDF均聚物表現(xiàn)出大約-39℃的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。
7.根據(jù)權(quán)利要求2的裝置，其中所述PVDF均聚物在23℃下具有大約1×1015Ω·cm的體積電阻率。
8.根據(jù)權(quán)利要求2的裝置，其中所述PVDF均聚物具有大約6kV/mm的介電強(qiáng)度。
9.根據(jù)權(quán)利要求2的裝置，其中所述PVDF均聚物具有大約0.02wt％的最大吸水率。
10.根據(jù)權(quán)利要求2的裝置，其中所述PVDF均聚物具有大約100％的斷裂伸長率和大約10％的屈服伸長量。
11.根據(jù)權(quán)利要求2的裝置，其中所述PVDF均聚物具有大約1310Mpa的拉伸模量。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中所述混合物包括至少一種溶劑。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的裝置，其中所述溶劑是包括碳酸亞丙酯、碳酸亞乙酯或其混合物的碳酸酯溶劑。
14.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中所述混合物包括60wt％的PVDF均聚物和40wt％的碳酸亞丙酯。
15.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中所述雙極板包括在雙極板的相對導(dǎo)電側(cè)之間確定的流場。
16.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中所述電化學(xué)轉(zhuǎn)化電池還包括各自的膜電極組件、電解質(zhì)膜、氣體擴(kuò)散層、催化劑元件、含碳元件、導(dǎo)電元件及其組合。
17.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，還包括用于為電化學(xué)轉(zhuǎn)化組件提供含氫氣體的燃料處理系統(tǒng)或者燃料源。
18.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中所述裝置是交通工具；以及所述電化學(xué)轉(zhuǎn)化組件配置成至少部分提供交通工具的動力。
19.一種包括電化學(xué)轉(zhuǎn)化組件的裝置，所述電化學(xué)轉(zhuǎn)化組件包括多個(gè)電化學(xué)轉(zhuǎn)化電池，其中，各個(gè)轉(zhuǎn)化電池包括膜電極組件；多個(gè)導(dǎo)電雙極板，該電化學(xué)轉(zhuǎn)化電池設(shè)置在相鄰的雙極板之間；以及模制到膜電極組件上的多個(gè)轉(zhuǎn)化組件襯墊，其中該轉(zhuǎn)化組件襯墊包含含聚偏二氟乙烯(PVDF)的混合物。
20.根據(jù)權(quán)利要求19的裝置，其中該膜電極組件包括至少一個(gè)聚合物電解質(zhì)層、至少一個(gè)陽極層和至少一個(gè)陰極層。
21.根據(jù)權(quán)利要求19的裝置，還包括模制在多個(gè)雙極板之上的轉(zhuǎn)化組件襯墊。
22.一種電化學(xué)轉(zhuǎn)化組件的制造方法，包括提供多個(gè)電化學(xué)轉(zhuǎn)化電池和多個(gè)導(dǎo)電雙極板；形成包括聚偏二氟乙烯(PVDF)和將PVDF溶解在其中的溶劑的混合物；將該混合物施加到多個(gè)雙極板上；以及在一定溫度和壓力下加熱該混合物足夠時(shí)間以在多個(gè)雙極板上形成多個(gè)轉(zhuǎn)化組件襯墊。
23.根據(jù)權(quán)利要求22的方法，其中通過注模工藝施加襯墊。
24.根據(jù)權(quán)利要求22的方法，其中所述溫度在大約150℃至大約200℃之間。
25.根據(jù)權(quán)利要求22的方法，其中所述持續(xù)時(shí)間最長為大約5小時(shí)。
26.根據(jù)權(quán)利要求22的方法，其中所述壓力通過熱壓機(jī)施加。
27.一種電化學(xué)轉(zhuǎn)化組件的制造方法，包括提供包括電極膜組件的多個(gè)電化學(xué)轉(zhuǎn)化電池和多個(gè)導(dǎo)電雙極板；形成包括聚偏二氟乙烯(PVDF)和將PVDF溶解在其中的溶劑的混合物；將該混合物施加到膜電極組件上；以及在一定溫度和壓力下并且持續(xù)足夠的時(shí)間加熱該混合物以在膜電極組件上形成多個(gè)轉(zhuǎn)化組件襯墊。
28.根據(jù)權(quán)利要求27的方法，還包括施加該混合物到多個(gè)雙極板上；以及在一定溫度和壓力下加熱該混合物足夠的時(shí)間以在多個(gè)雙極板上形成多個(gè)轉(zhuǎn)化組件襯墊。
全文摘要
包括電化學(xué)轉(zhuǎn)化組件的裝置包括多個(gè)電化學(xué)轉(zhuǎn)化電池，以及多個(gè)導(dǎo)電雙極板，其中電化學(xué)轉(zhuǎn)化電池單元設(shè)置在相鄰雙極板之間。該電化學(xué)轉(zhuǎn)化組件還包括多個(gè)轉(zhuǎn)化組件襯墊，其中各轉(zhuǎn)化組件襯墊模制到對應(yīng)的各個(gè)雙極板上。該轉(zhuǎn)化組件襯墊包含包括聚偏二氟乙烯(PVDF)的混合物。
文檔編號H01M8/24GK101030653SQ20071009232
公開日2007年9月5日 申請日期2007年3月2日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月3日
發(fā)明者埃爾哈米德 M·H·阿布德, Y·M·米克海爾, D·J·利西, G·維亞斯 申請人:通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作公司