專利名稱：用于固體聚合物電解質(zhì)燃料電池的密封的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及固體聚合物電解質(zhì)燃料電池的密封設計。
背景技術：
燃料電池是燃料和氧化劑流體以電化學方式進行反應以產(chǎn)生電流的裝置。針對各種商業(yè)應用開發(fā)的一種類型的燃料電池是固體聚合物電解質(zhì)燃料電池，它采用膜電極組件(MEA)，該膜電極組件(MEA)包括設置在兩個電極之間的由合適的離聚物材料(例如， Nafion )形成的固體聚合物電解質(zhì)。每個電極包括緊接著固體聚合物電解質(zhì)定位的適宜催化劑。該催化劑例如可以是黑色金屬(Metal Black)、合金、或者例如碳上鉬的支持金屬催化劑。該催化劑可以安置在催化劑層內(nèi)，并且該催化劑層通常包含離聚物，這可以與用于固體聚合物電解質(zhì)的情況類似。為了機械支撐、電流收集、和/或反應物分布，通常與電極相鄰采用流體擴散層(多孔導電片狀材料)。在氣態(tài)反應物的情況下，流體擴散層稱作氣體擴散層。如果催化劑層被并入在氣體擴散層上，則這個單元被稱作氣體擴散電極。針對商業(yè)應用，多個燃料電池通常串行堆疊在一起從而傳遞更大的輸出電壓。通常與固體聚合物電解質(zhì)燃料電池中的氣體擴散電極層相鄰采用隔離物板將堆疊在一起的燃料電池進行彼此隔離。流體分布特征(包括入口和出口、流體分布穩(wěn)壓室和大量流體通道)通常形成于與電極相鄰的隔離物板的表面中，從而將反應物流體分布到電極以及從電極去除反應副產(chǎn)品。隔離物板還提供電傳導和熱傳導的路徑以及對MEA提供機械支撐和尺寸穩(wěn)定性。在組裝的燃料電池中，必須在MEA中的多孔氣體擴散層的外周使它們充分密封以及使MEA中的多孔氣體擴散層與它們的相鄰隔離物板密封，從而防止反應物氣體泄漏到錯誤電極或者防止反應物氣體與圍繞燃料電池組的環(huán)境大氣之間的泄漏。這可能是個挑戰(zhàn)， 這是因為MEA通常是相對大的薄片。因此，需要在重要周界上進行密封，并且燃料電池組通常涉及密封大量MEA。MEA邊緣密封的設計應該形成較高生產(chǎn)率并且形成可靠的高品質(zhì)泄漏緊密密封。在現(xiàn)有技術中已經(jīng)提出實現(xiàn)這的各種方法。一種這樣的密封方法涉及使用密封墊圈，該密封墊圈圍繞MEA并且能夠在陽極與陰極隔離物板之間明顯受到壓縮，從而實現(xiàn)MEA與環(huán)境之間的可靠密封。通過使墊圈密封材料充滿(impregnate)MEA的邊緣并且使這些充滿的邊緣附接或集成到周圍墊圈能夠獲得使陽極與陰極隔離的密封。美國專利No. 6，057，054公開了使用平面切削MEA的這樣一個實施例，其中，膜電解質(zhì)、電極和氣體擴散層的邊緣對齊并且終止于相同位置(即，在平面切削邊緣)。然而，這種方案通常要求對于邊緣充滿以及墊圈使用相同材料，并且還可能要求緊密度容限(tight tolerance)，因此是生產(chǎn)難點。或者，框架可以應用到MEA的邊緣，該MEA的邊緣以密封形式附接或結合到周圍可壓縮墊圈。在這個實施例中，MEA中的電解質(zhì)通常輕微延伸超越陽極和陰極的邊緣。采用的框架通常包括應用到MEA的任一側(cè)上的邊緣的兩個薄片。這些框架片基本沒有可壓縮性并且主要與膜電解質(zhì)的邊緣密封，從而隔離陽極與陰極。EP1M6281公開了這樣一個實施例，其中，框架結合到周圍的明顯可壓縮橡膠墊圈(例如，1毫米厚的聚異丁烯)。其它密封方法采用超過一個的可壓縮墊圈以實現(xiàn)所需密封。例如，已經(jīng)提出了采用加框架的MEA的實施例，其中，框架沒有結合到周圍單個墊圈，而是被夾在兩個周圍可壓縮墊圈之間。因此，一個周圍墊圈密封陽極框架與相鄰隔離物板之間的陽極，而其它周圍墊圈密封陰極框架與它的相鄰隔離物板之間的陰極。然而，如果相對墊圈沒有彼此對齊則可能出現(xiàn)難題，并且再次需要緊密度容限。已經(jīng)提出了另外實施例，這些實施例采用在MEA上不采用框架的兩個可壓縮墊圈，從而實現(xiàn)所需密封。例如，美國專利No. 6，815，115公開了各種實施例，其中，使一個可壓縮墊圈直接與MEA中的膜電解質(zhì)進行密封，而其它墊圈用于在相鄰隔離物板的邊緣之間進行密封。這里，兩個墊圈錯位從而不對齊不是問題。在所有這些現(xiàn)有實施例中，采用可充分壓縮的順從密封件(compliant seal)將陽極和陰極與周圍環(huán)境進行密封隔離。然而，為了增加功率密度，持續(xù)嘗試減小組成燃料電池組的各個電池的厚度。由于燃料電池制造商成功減小了電池中的其它部件的厚度，所以密封設計現(xiàn)在表現(xiàn)為對厚度進一步減小的重要限制。因此，現(xiàn)有技術中仍需要改進的密封方法和設計。本發(fā)明滿足這個需要并且提供另外的相關優(yōu)點。

發(fā)明內(nèi)容
在某些應用中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)可接受放寬燃料電池的氧化劑(空氣)側(cè)上的密封的質(zhì)量并且由此慮及較簡單較薄的密封設計。該設計由較薄和相對不可壓縮密封件替代氧化劑側(cè)上的較厚和明顯更加可壓縮密封件，由此導致較高泄漏率。然而，泄漏量在具有較低工作壓力(例如，低于5psig)的應用中較低，結果對于燃料電池的氧化劑側(cè)與周圍環(huán)境之間的微小泄漏通常并不嚴重。當使用加框架的膜電極組件時，該設計慮及較薄密封件，于是慮及較薄電池。另外，使用非順從密封件(non-compliant seal)避免一些現(xiàn)有技術結構發(fā)現(xiàn)的密封件對齊的密封問題。本發(fā)明可應用于具有膜電極組件的固態(tài)聚合物電解質(zhì)燃料電池，該膜電極組件包括安置在陽極與陰極之間的離聚物電解質(zhì)、與陽極相鄰的陽極流體擴散層以及與陰極相鄰的陰極流體擴散層。膜電極組件中的電解質(zhì)延伸超越陽極、陰極和擴散層的邊緣。該燃料電池還包括與陽極流體擴散層相鄰的陽極隔離物板、與陰極流體擴散層相鄰的陰極隔離物板、和圍繞MEA的外周的框架。該框架包括陽極框架件和陰極框架件，其中，該陽極框架件在其內(nèi)周附接到陽極流體擴散層的邊緣并且在其外周附接到延伸的電解質(zhì)，該陰極框架件在其內(nèi)周附接到陰極流體擴散層的邊緣并且在其外周附接到延伸的電解質(zhì)。在加框架的膜電極組件的邊緣處設置密封件，用于使陽極與陰極流體式隔離以及用于使陽極和陰極都與周圍環(huán)境流體式隔離。該密封件主要包括位于陽極框架件與陽極隔離物板之間的順從密封件和位于陰極框架件與陰極隔離物板之間的非順從密封件。因此， 不存在使燃料電池組的氧化劑/空氣側(cè)與周圍大氣隔離的順從密封件。然而，存在使電池組的燃料側(cè)與氧化劑側(cè)和周圍環(huán)境都隔離的順從密封件。順從密封件可以受到明顯壓縮 (例如，根據(jù)密封件材料，厚度壓縮15%到50%或者30%到50% )。無需附加部件就可以獲得非順從密封件并且非順從密封件主要源于在陰極框架件與陰極隔離物板之間不存在傳統(tǒng)的順從密封件。在這個例子中，在陰極框架件與陰極隔離物板之間的接口處進行非順從密封。
或者，附加非順從部件(例如，壓敏粘合劑或彈性體的膜)可用于增強非順從密封的質(zhì)量。本發(fā)明能夠用于具有其他傳統(tǒng)部件(例如，由聚酰亞胺或聚萘二甲酸乙二醇酯形成的熱塑性片狀框架件、由硅基彈性體形成的順從墊圈和由碳形成的隔離物板)的燃料電池實施例中。多個燃料電池以串行堆疊方式進行組裝以形成燃料電池組。這個電池組可以采用雙極板，其中，電池組中的一個燃料電池的陽極隔離物板與電池組中的相鄰燃料電池的陰極板為一個整體。鑒于附圖和下面詳細描述，本發(fā)明的這些和其它方面將變得清楚。


圖Ia是采用附接到并充滿MEA的邊緣部分的墊圈的現(xiàn)有技術固態(tài)聚合物電解質(zhì)燃料電池的密封部分的示意性截面圖。圖Ib是采用加框架MEA和在框架的相對側(cè)上的兩個墊圈的現(xiàn)有技術固態(tài)聚合物電解質(zhì)燃料電池的密封部分的示意性截面圖。圖2是采用加框架MEA以及順從和非順從密封的本發(fā)明的代表性燃料電池的密封部分的示意性截面圖。
具體實施例方式在下面的描述中，闡述某些特定細節(jié)以提供對本發(fā)明的各個實施例的完全理解。 然而，本領域技術人員應該明白，無需這些細節(jié)就可以實現(xiàn)本發(fā)明。在其它例子中，沒有詳細顯示或描述與燃料電池、燃料電池組和燃料電池系統(tǒng)關聯(lián)的已知結構從而避免不必要的模糊本發(fā)明的實施例的描述。除非上下文另外需要，否則貫穿說明書和隨后的權利要求，詞語“包括”及其變型 (諸如“包括”和“包含”)應該以開放相容意義進行解釋，即解釋為“包括但不限于”。整個說明書中對“一個實施例”或“實施例”的提及是指與實施例結合描述的特定特征、結構或特性被包括在本發(fā)明的至少一個實施例中。因此，整個說明書中的各個地方的 “在一個實施例中”或“在實施例中”的短語的出現(xiàn)并非必須指同一實施例。另外，在一個或多個實施例中特定特征、結構或特性可以以任何適宜方式進行組合。在本文中，術語“順從”和“非順從”用于根據(jù)密封件在給定負載下受到多大壓縮來區(qū)分密封件。在密封件在大約50psi的壓力之下在平板之間壓縮至少50微米的特定情況下，密封件被認為是順從的。由于這是基于位移的定義，所以在非常薄的片中采用可壓縮彈性體的情況下該可壓縮彈性體仍可能是非順從的。以類似方式，粘合劑膜被認為是非順從的，即使在負載之下可以容易地置換非常厚的層。由此，順從性不僅隨材料變化還隨尺寸和形狀變化。非常順從的密封件將是壓縮超過這個量的10倍的密封件，非常非順從的密封件將是壓縮小于這個量(例如小于這個量的10倍)的密封件。圖Ia和圖Ib是現(xiàn)有技術固態(tài)聚合物電解質(zhì)燃料電池的密封部分的示意性截面圖，示出了順從密封如何用于使陽極和陰極與周圍環(huán)境都密封隔離以及如何使陽極與陰極密封隔離。
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在這兩個附圖中，燃料電池1包括膜電極組件“MEA”2，該膜電極組件“MEA”2包括離聚物電解質(zhì)3、陽極和相鄰陽極流體擴散層4(在這些附圖中顯現(xiàn)為一個單元)以及陰極和相鄰陰極流體擴散層5(在這些附圖中顯現(xiàn)為一個單元)。燃料電池1還包括陽極隔離物板6和陰極隔離物板7。在圖Ia中，MEA 2是“平面切削”(即，組成組件的部件全部一起終止)。(通常， 這是在部件層疊在一起以后將組件切削到期望尺寸的結果。)非常順從的墊圈8附接到MEA 2的邊緣部分9并充滿MEA 2的邊緣部分9。陽極和陰極隔離物板6和7相當充分地壓縮墊圈8，由此形成使陽極和陰極都與周圍環(huán)境大氣10隔離的有效密封。通過在邊緣部分9 處附接并充滿墊圈8形成使陽極4與陰極5彼此隔離的密封。在圖Ib中，電解質(zhì)3延伸超越其余的MEA 2的邊緣(即，超越陽極、陰極以及相鄰陽極流體擴散層4和幻。這里，在陽極框架件11與陰極框架件12之間在MEA 2的邊緣加框架?？蚣芗?1和12在13結合到電解質(zhì)3。在框架的相對側(cè)上使用兩個非常順從的墊圈14和15以分別將MEA 2的加框架邊緣與相鄰陽極和陰極隔離物板6和7進行密封。再次，隔離物板相當徹底壓縮墊圈14和15從而形成使陽極和陰極都與周圍環(huán)境大氣10隔離的有效密封。在MEA 2的邊緣處的加框架的延伸的電解質(zhì)用于使陽極4與陰極5進行彼此密封隔離。然而，在本發(fā)明的燃料電池中，在能夠保持可接受密封的同時，能夠減小整體電池厚度并且能夠簡化密封結構。圖2示出了這樣的代表性燃料電池的密封部分的示意性截面圖。圖2中的實施例采用加框架的MEA以及順從和非順從密封。在圖2中，相同標號用于標識圖Ib中出現(xiàn)的相同部件。非順從密封被標識為部件16。然而，在一個實施例中，非順從密封16是指沒有墊圈15。在這個實施例中，沒有采用其它密封部件并且在陰極流體擴散層5和陰極隔離物板7的表面之間形成密封。通過加框架的MEA的另一側(cè)上的非常壓縮的墊圈14提供閉合力。在另一個實施例中，非順從密封 16可以包括一些適宜彈性材料(例如但不限于硅樹脂)或壓敏粘合劑(例如但不限于3M 467MP)的可選擇薄膜，從而改進密封的質(zhì)量(即，降低泄漏率)。與墊圈14和15相比，可選擇膜十分薄。盡管由非順從密封替代圖Ib的墊圈15導致相對較差的密封和較高的泄漏率，但是這在燃料電池的氧化劑或空氣側(cè)仍是可以接受的。氧化劑側(cè)與環(huán)境之間的微小泄漏不會明顯影響燃料電池性能或者對周圍環(huán)境產(chǎn)生任何安全問題。可接受的陰極泄漏率例如可以小于在給定負載下燃料電池工作期間氧化劑化學計量的10%，例如小于在給定負載下燃料電池工作期間氧化劑化學計量的5%。 簡化的較薄密封設計適用于各種固態(tài)聚合物電解質(zhì)燃料電池結構。下面例子用于示出本發(fā)明的某些方面和實施例但不應該解釋為以任何方式進行限制。例子使用具有加框架的膜電極組件的電池組裝五電池固態(tài)聚合物電解質(zhì)燃料電池組。 該電池設計與圖2所示的類似。膜電極組件具有通過3M 467MP壓敏粘合劑附接到邊緣的聚酰亞胺(Kapton)片狀框架。在陽極框架件與陽極隔離物板之間采用單個順從硅彈性體墊圈。在陰極框架件與陰極隔離物板之間沒有采用墊圈或附加密封部件。當首先組裝電池組時(干狀態(tài))以及在已經(jīng)對電池組進行加熱以后對電池組進行泄漏測試并且電池組在加濕空氣氧化劑供應上進行工作(濕狀態(tài))。在這兩種情況下，泄漏測試壓力是20psi。對于干狀態(tài)和濕狀態(tài)，泄漏率分別是76cc/m和16cc/m。對于商業(yè)目的，這被認為是可接受的。此外，結構與上述五電池燃料電池組類似但每個電池組平均超過80個電池并且使用PEN(聚萘二甲酸乙二醇酯)片狀框架利用熱塑性粘合劑的超過10個以上的電池組也在工作以后進行泄漏測試。當在標稱陰極工作壓力的1.6倍下進行測量時，陰極泄漏率表示為低于0.01化學計量損失。在這個說明書中涉及和/或在應用數(shù)據(jù)頁中列出的所有以上美國專利、美國專利申請公布、美國專利申請、外國專利、外國專利申請和非專利公布的全部內(nèi)容以引用方式并入本文。盡管已經(jīng)顯示和描述了本發(fā)明的特定元件、實施例和應用，但是應該明白，本發(fā)明不限于此，這是因為在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下尤其鑒于上述教述本領域的技術人員可以進行改動。
權利要求
1.一種固態(tài)聚合物電解質(zhì)燃料電池，包括膜電極組件，包括安置在陽極與陰極之間的離聚物電解質(zhì)、與陽極相鄰的陽極流體擴散層和與陰極相鄰的陰極流體擴散層，其中，電解質(zhì)延伸超越陽極、陰極和擴散層的邊緣；陽極和陰極隔離物板，分別與陽極和陰極流體擴散層相鄰；框架，圍繞膜電極組件的外周，包括陽極框架件和陰極框架件，所述陽極框架件在其內(nèi)周附接到陽極流體擴散層的邊緣并且在其外周附接到延伸的電解質(zhì)，所述陰極框架件在其內(nèi)周附接到陰極流體擴散層的邊緣并且在其外周附接到延伸的電解質(zhì)；密封件，位于加框架的膜電極組件的邊緣處，用于使陽極與陰極流體式隔離以及用于使陽極和陰極都與周圍環(huán)境流體式隔離；其中，所述密封件主要包括順從密封件，位于陽極框架件與陽極隔離物板之間；以及非順從密封件，位于陰極框架件與陰極隔離物板之間。
2.根據(jù)權利要求1的燃料電池，其中，非順從密封件包括彈性體或壓敏粘合劑的膜。
3.根據(jù)權利要求1的燃料電池，其中，非順從密封件是陰極框架件與陰極隔離物板之間的接口。
4.根據(jù)權利要求1的燃料電池，其中，陽極和陰極框架件包括熱塑性板。
5.根據(jù)權利要求4的燃料電池，其中，熱塑性板是聚酰亞胺或聚萘二甲酸乙二醇酯板。
6.根據(jù)權利要求1的燃料電池，其中，順從密封件是硅基彈性體。
7.根據(jù)權利要求6的燃料電池，其中，順從密封件的厚度被壓縮15%到50%。
8.根據(jù)權利要求1的燃料電池，其中，陽極和陰極隔離物板包括碳。
9.一種燃料電池組，包括串行堆疊的多個權利要求1所述的燃料電池。
10.根據(jù)權利要求9的燃料電池組，其中，電池組中的燃料電池的陽極隔離物板與電池組中的相鄰燃料電池的陰極板為一個整體。
11.一種密封固態(tài)聚合物電解質(zhì)燃料電池的方法，所述燃料電池包括膜電極組件，包括安置在陽極與陰極之間的離聚物電解質(zhì)、與陽極相鄰的陽極流體擴散層和與陰極相鄰的陰極流體擴散層，其中，電解質(zhì)延伸超越陽極、陰極和擴散層的邊緣；陽極和陰極隔離物板， 分別與陽極和陰極流體擴散層相鄰；框架，圍繞膜電極組件的外周，包括陽極框架件和陰極框架件，所述陽極框架件在其內(nèi)周附接到陽極流體擴散層的邊緣并且在其外周附接到延伸的電解質(zhì)，所述陰極框架件在其內(nèi)周附接到陰極流體擴散層的邊緣并且在其外周附接到延伸的電解質(zhì)；所述方法包括在陽極框架件與陽極隔離物板之間設置順從密封件；以及在陰極框架件與陰極隔離物板之間設置非順從密封件；其中，非順從密封件向周圍環(huán)境的泄漏率高于順從密封件向周圍環(huán)境的泄漏率。
12.根據(jù)權利要求11的方法，其中，非順從密封件包括彈性體或壓敏粘合劑的膜。
13.根據(jù)權利要求11的方法，其中，非順從密封件是陰極框架件與陰極隔離物板之間的接口。
全文摘要
在采用加框架的膜電極組件的固態(tài)聚合物燃料電池中，尤其在燃料電池組的上下文中，結合陰極非順從密封件采用傳統(tǒng)的陽極順從密封件以提供較薄的燃料電池設計。這個方案尤其適于低壓下工作的燃料電池。
文檔編號H01M8/24GK102257663SQ200980150763
公開日2011年11月23日 申請日期2009年12月16日 優(yōu)先權日2008年12月19日
發(fā)明者E·R·加拉格爾, K·M·馬丁, S·巴拉卡特 申請人:百拉得動力系統(tǒng)公司