包括可模制衬垫的燃料电池及其制造方法

专利名称：包括可模制衬垫的燃料电池及其制造方法
技术领域：
本发明一般地涉及电化学转化电池，更特别地涉及设置在双极板之间的电化学转化电池。
背景技术：
电化学转化电池，通常称为燃料电池，其例如通过利用氢和氧的氧化和还原处理第一和第二反应物从而产生电能。为了解释而不是限制，典型的聚合物电解质燃料电池包括设置在一对气体扩散介质层和催化剂层之间的聚合物膜(例如质子交换膜)。阴极板和阳极板设置在相邻气体扩散介质层的最外侧上，紧紧压制该前述元件以形成电池单元。
由单个电池单元提供的电压对于有效应用来说通常太小。因此，通常设置多个电池并且连续连接成“堆(stack)”以增加电化学转化组件或者燃料电池的电输出。在这种结构中，两个相邻的电池单元可以共用一个公共极板，该公共极板作为其串连连接的两个相邻电池单元的阳极和阴极。这种基板通常称之为双极板并且通常包括在其中限定的流场以提高反应物和冷却剂向相关电池的传输。用于燃料电池的双极板通常需要是电化学性能稳定并且导电的。

发明内容
在本发明的第一实施方案中，提供包括电化学转化组件的装置。电化学转化组件包括多个电化学转化电池以及多个导电双极板，其中，电化学转化电池设置在相邻双极板之间。该电化学转化组件还包括多个转化组件衬垫，其中各个转化组件衬垫模制到对应的多个双极板的多个上。该转化组件衬垫包含包括聚偏二氟乙烯(PVDF)的混合物。
在本发明的第二实施方案中，提供包括电化学转化组件的装置。该电化学转化组件包括多个电化学转化电池，其中，各个转化电池包括膜电极组件。该电化学转化组件还包括多个导电双极板，其中该电化学转化电池单元设置在相邻的双极板之间。该电化学转化组件还包括模制到膜电极组件上的多个转化组件衬垫，其中，该转化组件衬垫包含包括聚偏二氟乙烯(PVDF)的混合物。
在本发明的第三实施方案中，提供电化学转化组件的制造方法。该方法包括提供多个电化学转化电池和多个导电双极板。该方法还包括形成包括聚偏二氟乙烯(PVDF)和将PVDF溶解在其中的溶剂的混合物，将该混合物施加到多个双极板上，并且在一定温度和压力下加热该混合物足够的时间以在多个双极板上形成多个转化组件衬垫。
在本发明的第四实施方案中，提供电化学转化组件的制造方法。该方法包括提供包括电极膜组件的多个电化学转化电池和多个导电双极板。该方法还包括形成包括聚偏二氟乙烯(PVDF)和将PVDF溶解在其中的溶剂的混合物，将该混合物施加到膜电极组件上，并且在一定温度和压力下加热该混合物足够的时间以在膜电极组件上形成多个转化组件衬垫。
根据本文体现的本发明的描述，本发明的其它特征和优点将更加明显。


当结合以下附图阅读时，可以更容易理解以下对于本发明的特定实施方案的详细描述，其中，相似的结构由相似的附图标记表示，其中附图的各个元件不需要按比例画出，其中 图1是根据本发明的一个或者多个实施方案的双极板视图； 图2是根据本发明的一个或者多个实施方案的其上包括衬垫的双极板的横截面视图； 图3是根据本发明的一个或者多个实施方案的电化学转化组件的示意图； 图4是根据本发明的一个或者多个实施方案的具有燃料处理系统和电化学转化组件的交通工具的示意图；以及 图5是根据本发明的一个或者多个实施方案的其上包括衬垫的膜电极组件的示意图。
具体实施例方式参考图1-5，示出了根据本发明的电化学转化组件10。通常，电化学转化组件10包括多个电化学转化电池20和多个导电双极板30。电化学转化电池可以包括聚合物交换膜(PEM)燃料电池。本发明预期多种转化组件构造，只要该组件利用在部分或者全部各个电化学转化电池20之间的一个或者多个双极板30。实际上，转化组件10和各个转化电池20的特定结构超出了本发明的范围并且可以从任何已有的或者有待发展的教导(与组件设计相关)中找到，这些组件能够从与电化学转化电池20相连的第一和第二化学反应物源R1、R2产生电。通常还提供一个或者更多反应物出口Rout。
根据本发明双极板30的特定结构的许多方面也超出本发明的范围。例如，特别参考图1，根据本发明的双极板30可以包括流场部分32和连接于该流场部分32的流体集管(fluid header portion)34。如图2所示，流场部分32可以包括在双极板30的相对的导电侧36、38之间的流场通道35。
如图3所示，相邻电化学转化电池20由多个双极板30的各个板分隔。为了在电化学转化组件中最小化流体反应物和产物料流的泄漏，衬垫可以用作防泄漏的密封。然而，密封燃料电池相当困难，因为燃料电池的酸性环境侵蚀金属和非金属材料。而且，衬垫必须电化学性能稳定、可压缩、便宜并且可获得。
如图2所示，双极板30可以包括模制到双极板30之上的转化组件衬垫40。该衬垫40可以模制到双极板30的一侧或者两侧36、38上。参考图2的实施方案，密封衬垫40可以模制到双极板30上，使得衬垫40设置在双极板30和转化电池20之间。在该实施方案中，衬垫40限定尺寸大小密封围绕流场通道35的至少部分外周的基本上矩形形状的开口。
参考图5，转化组件衬垫还可以被结合到电化学转化电池的膜电极组件200中。膜电极组件200可以包含多层结构，例如，图5的7层结构，因此，密封衬垫的位置可以变化。如图5所示，至少一个衬垫膜220模制到膜210上。在该实施方案中，衬垫220限定尺寸经定制以密封膜210的外周的基本上矩形形状的开口。膜电极组件200还可以包括至少一个电极层230和至少一个气体扩散层240。图5示出了2个电极层，一个包括阳极层，另一个包括阴极层。在如图5所示的一个示例性实施方案中，电极层230和气体扩散层240设置在衬垫220的开口内以促使反应物流过膜电极组件200。在再一实施方案中，电化学转化组件10可以包括在双极板之上的衬垫和如图2和5所示的膜。除了在此描述衬垫以外，本文可以预期本领域技术人员公知的其它衬垫形状、尺寸和结构。
该转化组件衬垫包含包括聚偏二氟乙烯(PVDF)的混合物。在一个实施方案中，混合物包括PVDF均聚物，例如，由Solvay Solexis生产的Hylar461。在又一实施方案中，该混合物包括至少一种溶剂。该溶剂可以包括任何有效溶解PVDF的适当材料。在一个示例性实施方案中，该溶剂是包括碳酸亚丙酯、碳酸亚乙酯或其混合物的碳酸酯溶剂。可以选择PVDF材料使得其能很好的溶于碳酸酯。在溶解后，形成浆料，其可以模制到电极膜组件或双极板的膜之上。例如，但不是为了限制，浆料可以包括60wt％的PVDF均聚物和40wt％的碳酸亚丙酯的组合物。
能够预期可以使用任何适合的PVDF材料；然而，PVDF均聚物例如Hylar461可以提供其它益处。与典型的碳氟化合物不同，Hylar溶解于碳酸亚乙酯/碳酸亚丙酯，其能够使Hylar注模到双极板中。而且，由于其来自Teflon族，其是化学惰性的并且可以直接施加到MEA的膜上。
相反，Hylar具有能够在衬垫中促进其有效性的优良化学稳定性。Hylar具有大约1.76cm3的密度和大约158至大约160℃的熔点。Hylar表现出优良的热稳定性。例如，在高温下，Hylar在410℃下在N2气中只有1％的质量损失。高温稳定性使得Hylar可以用作在高温质子交换膜燃料电池堆中的衬垫材料，其中，Hylar衬垫可以接触具有在大约120℃至大约150℃之间以及更高温度的操作温度的膜。
Hylar还在较低温下例如在冰点以下的温度是热稳定的。例如，Hylar表现出大约-39℃的玻璃化转变温度。Hylar还理想地用于密封衬垫中，因为其是电绝缘材料。例如，Hylar在23℃下具有大约1×1015Ω·cm的体积电阻率，和大约6kV/mm的介电强度。与其它含氟聚合物或者其它衬垫(例如橡胶或者硅树脂基衬垫)不同，Hylar是化学惰性的。例如，如由仅仅吸收大约0.02wt％的水所证实的，Hylar不反应或者吸收水。由于Hylar通常被压入燃料电池衬垫，衬垫的吸水率甚至可以小于0.02wt％。而且，Hylar表现出良好的机械性质，这有助于其长期的稳定性。例如，Hylar表现出大约100％的断裂伸长率以及大约10％的屈服伸长率。此外，Hylar具有大约190000psi或者大约1310Mpa的拉伸模量。
可以使用本领域技术人员公知的各种方法制造电化学转化组件，其中，衬垫40提供在如图2所示的双极板30上或者其中衬垫220提供在如图5所示的膜210上。在一个实施方案中，该方法包括提供多个电化学转化电池单元和多个导电双极板，以及形成包含聚偏二氟乙烯(PVDF)和PVDF溶于其中的溶剂的混合物。如上所述，许多可行的PVDF/溶剂组合物是可用的，例如包含溶解于碳酸亚丙酯或者碳酸亚乙酯中的PVDF均聚物Hylar461的浆料配方。然后，该混合物可以施加到多个双极板或者膜电极组件上。该混合物可以经由本领域技术人员公知的任何适当施加或者沉积方法(例如丝网印刷或者刷涂)来施加。在一个示例性实施方案中，该混合物通过注模工艺模制到双极板或者膜电极组件上。在施加之后，在一定温度和压力下加热该混合物足够长时间以在多个双极板上、在膜电极组件或者这两者之上形成多个转化组件衬垫。在加热期间，温度可以在大约150℃至大约200℃之间的范围持续最多大约5小时。压力可以通过热压机或者任何其它本领域技术人员公知的适合的压力施加装置施加。在一个示例性实施方案中，包括Hylar461和碳酸亚丙酯的浆料混合物通过在160℃热压该混合物3分钟形成衬垫。本文可以预期其它的工艺参数和/或步骤。
如上所述，转化组件10和各个转化电池20的特定结构超出了本发明的范围。然而，应该注意典型的转化组件包括各个膜电极组件，这些组件配置成使用含氢气体和空气作为各自的反应物源来工作。再次为了解释而不是限制，电化学转化电池20可以包含各个电解质膜、气体扩散层、催化剂元件、含碳元件、导电元件及其组合。最后，尽管如图1和2所示的双极板30包括在双极板30的相对的导电侧之间确定的流场，可以预期适合的双极板结构不需要包括流场。
参考图4，根据本发明的装置可以包括交通工具100和根据本发明的电化学转化组件110。电化学转化组件110可以配置成至少部分地向交通工具100提供动力。交通工具100还可以具有配置成向电化学转化组件110提供燃料的燃料处理系统或者燃料源120。
尽管本发明不限于任何特定反应物组成，实践本发明并基本熟悉燃料电池技术的人员应该理解第一反应物源R1通常包括氧和氮，第二反应物源R2包括氢。
注意术语“优选地”“一般”和“通常”在此使用不是为了限制本发明的范围或者暗示某些技术特征对于要求保护的本发明的结构或者功能是关键的、本质的或者同等重要。相反，这些术语仅仅为了突出可能会或者不可能会在本发明的特定实施方案中使用的可选择的或者额外的特征。
为了描述和限定本发明，注意在此使用的术语“装置”表示元件的组合和单独的元件，不考虑这些元件是否与其它元件组合。例如，根据本发明的“装置”可以包括电化学转化组件或者燃料电池，以及结合了根据本发明的电化学转化组件的交通工具等。
为了描述和限定本发明，应该注意在此使用的术语“基本上”表示固有的不确定程度，其可以归因于任何定量比较、数值、测量或者其它代表物。在此使用的术语“基本上”还表示定量代表物可以从所述的参考变化的程度，而没有导致所涉及主题的基本功能的变化。
已经详细地并且参考其特定实施方案描述了本发明，显而易见的是不偏离由所附的权利要求确定的本发明的范围的前提下，可以进行各种修改和变形。更特别地，尽管本发明的一些方面在此看作优选或者特别优选的，可以预期本发明不需要受限于本发明的这些优选方面。
权利要求
1.一种包括电化学转化组件的装置，该电化学转化组件包括多个电化学转化电池；多个导电双极板，该电化学转化电池设置在相邻的双极板之间；以及多个转化组件衬垫，其中各转化组件衬垫模制到对应的各个双极板上，该转化组件衬垫包含包括聚偏二氟乙烯(PVDF)的混合物。
2.根据权利要求1的装置，其中所述混合物包含PVDF均聚物。
3.根据权利要求2的装置，其中所述PVDF均聚物具有大约1.76cm3的密度。
4.根据权利要求2的装置，其中所述PVDF均聚物具有大约158℃至大约160℃的熔点。
5.根据权利要求2的装置，其中所述PVDF均聚物在410℃下在N2中表现出大约1％的质量损失。
6.根据权利要求2的装置，其中所述PVDF均聚物表现出大约-39℃的玻璃化转变温度。
7.根据权利要求2的装置，其中所述PVDF均聚物在23℃下具有大约1×1015Ω·cm的体积电阻率。
8.根据权利要求2的装置，其中所述PVDF均聚物具有大约6kV/mm的介电强度。
9.根据权利要求2的装置，其中所述PVDF均聚物具有大约0.02wt％的最大吸水率。
10.根据权利要求2的装置，其中所述PVDF均聚物具有大约100％的断裂伸长率和大约10％的屈服伸长量。
11.根据权利要求2的装置，其中所述PVDF均聚物具有大约1310Mpa的拉伸模量。
12.根据权利要求1的装置，其中所述混合物包括至少一种溶剂。
13.根据权利要求12的装置，其中所述溶剂是包括碳酸亚丙酯、碳酸亚乙酯或其混合物的碳酸酯溶剂。
14.根据权利要求1的装置，其中所述混合物包括60wt％的PVDF均聚物和40wt％的碳酸亚丙酯。
15.根据权利要求1的装置，其中所述双极板包括在双极板的相对导电侧之间确定的流场。
16.根据权利要求1的装置，其中所述电化学转化电池还包括各自的膜电极组件、电解质膜、气体扩散层、催化剂元件、含碳元件、导电元件及其组合。
17.根据权利要求1的装置，还包括用于为电化学转化组件提供含氢气体的燃料处理系统或者燃料源。
18.根据权利要求1的装置，其中所述装置是交通工具；以及所述电化学转化组件配置成至少部分提供交通工具的动力。
19.一种包括电化学转化组件的装置，所述电化学转化组件包括多个电化学转化电池，其中，各个转化电池包括膜电极组件；多个导电双极板，该电化学转化电池设置在相邻的双极板之间；以及模制到膜电极组件上的多个转化组件衬垫，其中该转化组件衬垫包含含聚偏二氟乙烯(PVDF)的混合物。
20.根据权利要求19的装置，其中该膜电极组件包括至少一个聚合物电解质层、至少一个阳极层和至少一个阴极层。
21.根据权利要求19的装置，还包括模制在多个双极板之上的转化组件衬垫。
22.一种电化学转化组件的制造方法，包括提供多个电化学转化电池和多个导电双极板；形成包括聚偏二氟乙烯(PVDF)和将PVDF溶解在其中的溶剂的混合物；将该混合物施加到多个双极板上；以及在一定温度和压力下加热该混合物足够时间以在多个双极板上形成多个转化组件衬垫。
23.根据权利要求22的方法，其中通过注模工艺施加衬垫。
24.根据权利要求22的方法，其中所述温度在大约150℃至大约200℃之间。
25.根据权利要求22的方法，其中所述持续时间最长为大约5小时。
26.根据权利要求22的方法，其中所述压力通过热压机施加。
27.一种电化学转化组件的制造方法，包括提供包括电极膜组件的多个电化学转化电池和多个导电双极板；形成包括聚偏二氟乙烯(PVDF)和将PVDF溶解在其中的溶剂的混合物；将该混合物施加到膜电极组件上；以及在一定温度和压力下并且持续足够的时间加热该混合物以在膜电极组件上形成多个转化组件衬垫。
28.根据权利要求27的方法，还包括施加该混合物到多个双极板上；以及在一定温度和压力下加热该混合物足够的时间以在多个双极板上形成多个转化组件衬垫。
全文摘要
包括电化学转化组件的装置包括多个电化学转化电池，以及多个导电双极板，其中电化学转化电池单元设置在相邻双极板之间。该电化学转化组件还包括多个转化组件衬垫，其中各转化组件衬垫模制到对应的各个双极板上。该转化组件衬垫包含包括聚偏二氟乙烯(PVDF)的混合物。
文档编号H01M8/24GK101030653SQ20071009232
公开日2007年9月5日 申请日期2007年3月2日 优先权日2006年3月3日
发明者埃尔哈米德 M·H·阿布德, Y·M·米克海尔, D·J·利西, G·维亚斯 申请人:通用汽车环球科技运作公司