专利名称：燃料电池部件存储或运输的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池薄膜电极组件、单元电池组件或燃料电池堆的存储或运输。
发明内容
简要来说，本发明提供一种物件，其包括a)包括至少一个端口的燃料电池堆；和b)与端口连通的加湿元件。该加湿元件可包含在加湿装置中，该加湿装置可与端口形成密封。该燃料电池堆可或可不包括阳极进入端口、阳极排出端口、阴极进入端口、阴极排出端口。该物件可或可不包括与四个端口中的每一个连通的加湿元件。
另一方面，本发明提供一种物件，其包括容器；包含在容器内的加湿元件；和包含在容器内的燃料电池薄膜电极组件(MEA)。该物件可包含一个、两个或多个MEA。该加湿元件可以或可以不包含在容器的副袋中，该容器可以是或可以不是不透水的或基本上不透水的。
另一方面，本发明提供一种物件，其包括容器；包含在容器内的加湿元件；和包含在容器内的燃料电池单元电池组件(UCA)。该物件可包含一个、两个或多个UCA。该加湿元件可或可不包含在容器的副袋中，该容器可以是或可以不是不透水的或基本上不透水的。
图1为根据本发明的封装燃料电池薄膜电极组件的示意性描述。
图2为根据本发明的封装燃料电池堆的示意性描述。
图3为图2的详图。
具体实施例方式
本发明通过利用加湿元件为燃料电池薄膜电极组件(MEA)、单元电池组件(UCA)或燃料电池堆的存储和运输提供物件和方法。
薄膜电极组件(MEA)为诸如氢燃料电池的质子交换薄膜燃料电池的中心元件。燃料电池为通过诸如氢的燃料和诸如氧气的氧化剂的催化化合来制造可用的电的电化学电池。典型的MEA′s包括作为固态电解质的高分子电解质薄膜(PEM)(亦称离子导电薄膜(ICM))。PEM的一个面与阳极层接触，相对面与阴极层接触。每个电极层包括电化学催化剂，典型地包括铂族金属。在典型的PEM燃料电池中，质子通过氢氧化形成在阳极上并跨过PEM输送至阴极与氧发生反应，从而使得电流流入连接电极的外部电路中。PEM在反应气体之间形成持久的、无孔的、在电气上不导电的机械屏障，然而PEM轻易地通过H+离子。气体扩散层(GDL′s)便于气体往返于阳极材料和阴极材料之间传输并传导电流。GDL也可称作流体传输层(FTL)或扩散器/集流器(DCC)。阳极层和阴极层能够以催化剂油墨(catalyst ink)的形式施加于GDL′s，所得的涂覆的GDL′s夹在PEM之间以形成五层MEA。或者，阳极层和阴极层能够以催化剂油墨的形式施加于PEM的相对侧，所得的3层MEA夹在两个GDL′s之间以形成五层MEA。3层MEA也可称作催化剂涂覆薄膜(CCM)。五层MEA的五层依次为阳极GDL、阳极层、PEM、阴极层和阴极GDL。可通过在5层MEA的每侧添加适当的衬片(gasket)形成7层MEA。MEA′s可额外地包括其他功能层，该功能层可包括坚硬的填塞(hard stop)、亲水涂层或疏水涂层、胶粘剂等等。
任何合适的MEA可用于实施本发明，包括3层MEA′s、5层MEA′s、7层MEA′s，其有或者没有GDL′s、衬片、坚硬的填塞、亲水涂层或疏水涂层，胶粘剂等等。
MEA可包括任何合适的PEM，包括非氟化PEM′s、高氟化PEM′s和完全氟化PEM′s，其有或者没有支承矩阵，诸如多孔PTFE支承矩阵。PEM可包括任何合适的高分子电解质。在燃料电池中有用的典型的高分子电解质具有限制至公共主链的阴离子官能团，其典型地为磺酸基，但是也可包括羧酸基、酰亚胺基、酰胺基或其他的酸性官能团。典型的高分子电解质为四氟乙烯和一个或多个氟化的酸性功能共聚单体的共聚物。典型的高分子电解质包括NAFION(DuPont Chemicals，Wilmington DE)和FLEMIONTM(Asahi Glass Co.Ltd.，Tokyo，Japan)。高分子电解质可以为四氟乙烯(TFE)和FSO2-CF2CF2CF2CF2-O-CF＝CF2的共聚物，其描述在美国专利申请10/322,254、10/322,226和10/325,278中。聚合物的当量(EW)典型为1200或者更小，更典型地为1100或者更小，更典型地为1000或者更小，以及更典型地为900或者更小。除氟化薄膜之外，在本发明中有用的薄膜包括碳氢聚合物，该碳氢聚合物包括芳族聚合物。有用的碳氢聚合物的示例包括磺化聚醚醚酮，磺化聚砜和磺化聚苯乙烯。
聚合物可通过任何合适的方法形成为PEM。聚合物典型地由悬浮物铸成。可使用任何合适的铸造方法，包括杆涂、喷涂、缝涂、刷涂等等。或者，薄膜可在诸如挤压的熔化工艺由无杂质的聚合物形成。在形成之后，可对薄膜进行退火，其工作温度典型地为120℃或更高，更典型地130℃或更高，最典型地150℃或更高。PEM的厚度典型地小于50微米，更典型地小于40微米，更典型地小于30微米，最典型地为大约25微米。
任何合适的催化剂可用于实施本发明。典型地，使用碳载体催化剂颗粒。按重量计算，典型的碳载体催化剂颗粒为50-90％碳和10-50％催化剂金属，催化剂金属典型地包括阴极的Pt和阳极的重量比为2∶1的Pt和Ru。典型地，催化剂以催化剂油墨的形式施加于PEM或FTL。或者，催化剂油墨可施加于传输基底，进行干燥，此后作为贴花施加于PEM或FTL。催化剂油墨典型地包括高分子电解质材料，该高分子电解质材料可与包括PEM的高分子电解质材料相同或与其不同。催化剂油墨典型地包括高分子电解质的分散体中的催化剂颗粒的分散体。油墨典型地包含5-30％固体(即聚合物和催化剂)，以及更典型地10-20％固体。电解液分散体可在任何合适的溶解系统中。电解液分散体典型地为含水分散体，该含水分散体可额外地包含NMP(N-甲基-2-吡咯烷酮)，乙醇或诸如丙三醇和乙二醇的多元醇。可调节水、乙醇和多元醇的含量以改变油墨的流变特性。油墨典型地包含0-50％乙醇和0-20％多元醇。此外，油墨可包含0-2％的合适的分散剂。油墨典型地由以下方式制成，即利用热量对油墨进行搅拌，然后将该油墨稀释至可涂覆的粘度。
或者，MEA可包括高纵横比的纳米结构载体催化剂，其描述在美国专利号Nos.6,425,993；6,042,959；6,042,959；6,319,293；5,879,828；6,040,077和5,879,827和美国专利申请号No 10/674,594中。
为了制造3层MEA或CCM，催化剂可通过任何合适方法施加于PEM，包括手工方法和机械方法，包括手刷、切口杆涂、流体轴承压模涂、线绕杆涂、流体支承涂、槽道供应刀涂、三卷涂或贴花传输。可在一个应用或多个应用中实现涂覆。
或者，催化剂可通过任何合适的方法施加于GDL，包括手工方法和机械方法，包括手刷、切口杆涂、流体轴承压模涂、线绕杆涂、流体支承涂、槽道供应刀涂、三卷涂或贴花传输。可在一个应用或多个应用中实现涂覆。
任何合适的GDL可用于实施本发明。典型地，GDL由包括碳纤维的薄板材料组成。典型地，GDL为选自编织碳纤维结构和非编织碳纤维结构的碳纤维结构。可用于实施本发明的碳纤维结构可包括TORAYTM碳纸、SPECTRACARBTM碳纸、AFNTM非编织碳布、ZOLTEKTM碳布等等。GDL可由各种材料涂覆和浸渍，其可包括碳颗粒涂覆、疏水处理和诸如利用聚四氟乙烯(PTFE)进行涂覆的疏水处理。
为了制造MEA，GDL可通过任何合适的方法施加于CCM的任何一侧。或者，催化剂涂覆的GDL′s可通过任何合适的方法施加于PEM的任何一侧。
在一个实施例中，MEA′s可并入燃料电池堆中。在堆中，MEA典型地夹在两个刚性板之间，该刚性板称为分配板，亦称为双极板(BPP′s)或单极板。与GDL相似，分配板典型地为在电气上导电。分配板典型地由碳复合物、金属或沉积金属材料制成。分配板将反应物或生成流体往返于MEA电极表面分配，典型地通过一个或多个流体传导槽道，该槽道雕刻、碾磨、模制或压印在朝向MEA的表面上。这些槽道有时称之为流场。分配板可往返于堆中的两个连续的MEA′s中分配流体，其中一个面将燃料引向第一MEA的阳极，而另一面将氧化剂引向下一个MEA的阴极(并移动生成水)，因而称之为术语“双极板”。或者，BPP的一个面可往返于MEA分配流体，而另一面包含用于冷却流体的槽道。或者，分配板可仅在一侧具有槽道，以仅在那一侧上往返于MEA分配流体，其可称之为“单极板”。现有技术中使用的术语双极板也典型地包括单极板。典型的燃料电池堆包括多个与双极板或双极板对交替堆叠的MEA′s。
在一个实施例中，MEA′s可并入单元电池组件(UCA′s)，例如如美国专利申请10/295,518和10/295,292所述。
参考图1，本发明的一个实施例在容器10中包括一个或多个MEA70。容器10可由由任何合适的材料制成，该材料可不透水、基本上不透水、不透气、基本上不透气、改进的空气封装、不透水、基本上不透水或者既不透气又不透水。不透水意味着不能渗过液态水和水蒸汽。典型地，该材料不透水或基本上不透水。容器10的材料可以是刚性的或挠性的。容器10的材料可以是单层或者是多层。容器10的内部可随意地包括释放材料或涂层。其中，两个或多个MEA 70包括在一个容器10中，该MEA 70可与分离器60随意地交错。任何合适的材料可用于分离器，该分离器可随意地包括释放材料或涂层。这实施例还包括加湿元件40。加湿元件40可松散地位于容器10中，或者如图1所示，加湿元件40可包含在由副壁20形成的副袋30中。副壁20可包括与容器10的内部连通的穿孔50。加湿元件40可由能够保持和释放水的任何材料制成，包括诸如水合盐、亲水材料的化学制品和诸如海绵、衬垫或储液器的物理水容器。在可选的实施例中，UCA包含在容器10中而不是MEA 70。
参考图2和3，本发明的另一实施例包括燃料电池堆100，该燃料电池堆100包括至少一个端口150，该端口150与邻近MEA′s的堆中的内部空隙连通。如图2和3所述，端口150为歧管110中的开口，该歧管110为连接两个或多个分配板的外部歧管。或者，端口150可为内部歧管中的开口或与单个分配板连通的开口。在该实施例中，端口150安装有加湿装置120，该加湿装置120包含上述的加湿元件。加湿装置120可包括允许通向加湿元件的穿孔130和适合于密封端口150的塞子140。端口150与塞子140的密封可以不透气、基本上不透气、不透水、基本上不透水或既不透气也不透水。典型地，密封为不透气的或基本上不透气的。加湿装置120可由任何合适的材料制成。在一个实施例中，堆在阳极气体入口、阳极气体出口、阴极气体入口和阴极气体出口处都安装有四个加湿装置。
在本发明的一个实施例中，在利用加湿元件将MEA密封或包围在容器中之前，预先准备MEA，其公开在与本发明同一日期提出的共同未决的美国专利申请10/988,811(律师代理登记号)。在本发明的一个实施例中，在MEA并入UCA中之前，预先准备MEA，该UCA在容器中由加湿元件密封或包围。在本发明的一个实施例中，在MEA并入堆中之前，预先准备MEA，然后在该堆安装一个或多个上述加湿装置。
本发明用于燃料电池的制造和运行。
在不脱离本发明的范围和原理的情况下，本发明的各种改进和变化将对本领域的技术人员变得明显，应了解的是，本发明不能不恰当地局限于上文提出的说明性实施例。
权利要求
1.一种物件，其包括a)包括端口的燃料电池堆，和b)与所述端口连通的加湿元件。
2.如权利要求1所述的物件，其中，所述燃料电池堆包括阳极进入端口、阳极排出端口、阴极进入端口、阴极排出端口；所述物件包括与四个端口中的每一个相连通的加湿元件。
3.如权利要求1所述的物件，其中，所述加湿元件包括在加湿装置中。
4.如权利要求3所述的物件，其中，所述加湿装置与所述端口形成密封。
5.如权利要求2所述的物件，其中，每个加湿元件包括在加湿装置中。
6.如权利要求3所述的物件，其中，每个加湿装置与端口形成密封。
7.一种物件，其包括容器；包含在所述容器内的加湿元件；和包含在所述容器内的燃料电池薄膜电极组件。
8.如权利要求7所述的物件，包括两个或多个包含在所述容器内的燃料电池薄膜电极组件。
9.如权利要求7所述的物件，其中，所述加湿元件包含在所述容器的副袋中。
10.如权利要求7所述的物件，其中，所述容器是基本上不透水的。
11.如权利要求8所述的物件，其中，所述加湿元件包含在所述容器的副袋中。
12.如权利要求8所述的物件，其中，所述容器基本上不透水。
13.一种物件，其包括容器；包含在所述容器内的加湿元件；和包含在所述容器内的燃料电池单元电池组件。
14.如权利要求13所述的物件，包括两个或多个包含在所述容器内的燃料电池单元电池组件。
15.如权利要求13所述的物件，其中，所述加湿元件包含在所述容器的副袋中。
16.如权利要求13所述的物件，其中，所述容器是基本上不透水的。
17.如权利要求14所述的物件，其中，所述加湿元件包含在所述容器的副袋中。
18.如权利要求14所述的物件，其中，所述容器基本上不透水。
全文摘要
提供一种物件，其包括a)包括至少一个端口的燃料电池堆；和b)与端口连通的加湿元件。加湿元件可包含在加湿装置中，该加湿装置可与端口形成密封。另一方面，提供一种物件，其包括容器；包含在容器内的加湿元件；和包含在容器内的燃料电池薄膜电极组件(MEA)。另一方面，提供一种物件，其包括容器；包含在容器内的加湿元件；和包含在容器内的燃料电池单元电池组件(UCA)。加湿元件可包含或者可不包含在容器的副袋中，该容器可以是或可以不是不透水的或基本上不透水的。
文档编号H01M8/24GK101057359SQ200580039087
公开日2007年10月17日 申请日期2005年9月27日 优先权日2004年11月15日
发明者罗伯特·D·安德森 申请人:3M创新有限公司