用于燃料电池堆的单元电池组件和制造方法与流程

1.本发明涉及用于固体聚合物电解质燃料电池堆的单元电池组件及其制造方法。它尤其涉及牵涉到液体注射模制密封的设计和方法。


背景技术：

2.燃料电池以电化学方式转化燃料和氧化剂反应物例如氢气和氧气或空气以发电。固态聚合物电解质燃料电池通常在阴极电极和阳极电极之间使用质子传导性固体聚合物膜电解质。电极一般包含合适的催化剂以促进在每个电极处发生的电化学反应。包含夹在这两个电极之间的固体聚合物膜电解质的结构被称为膜电极组件(mea)。在一个常见实施方式中，mea包含催化剂涂覆膜(ccm)和施加于ccm的每一侧的气体扩散层(gdl)。在ccm中，合适的催化剂组分已被施加和接合至膜电解质的任一侧。gdl设置用于以改善的方式将流体反应物分布至电极并且从电极除去液体副产物。
3.在典型的固体聚合物电解质燃料电池中，包含许多反应物用流体分布流道的流场板设置在mea的任一侧以分布燃料和氧化剂至相应的电极并从燃料电池除去反应副产物。水是在依靠氢气和空气反应物的电池工作中的主要副产物。因为单格电池的输出电压具有1v数量级，故许多电池通常为了商业应用被串列堆叠在一起以提供更高的输出电压。燃料电池堆还可以按照串联和/或并联的互连堆阵列被连接以便用在汽车应用等中。
4.伴随水，热是来自在燃料电池内发生的电化学反应的显著副产物。于是，通常需要用于冷却燃料电池堆的手段。设计用于获得高功率密度的堆(如汽车电池堆)一般在整个堆内循环液体冷却剂以快速高效地除去热。为了做到这一点，包含许多冷却剂流道的冷却剂流场一般也被加入到所述堆内的电池的流场板中。冷却剂流场一般形成在阳极侧和阴极侧流场板的电化学惰性表面上，并且通过适当的设计，当阳极侧和阴极侧板都共同配对形成双极流场板组件时产生被密封的冷却剂流场。
5.为了高效制造这种燃料电池堆，通常以合适设计制备许多相同的被称为单元电池组件的电池组件，从而它们能简单地相互堆叠以完成大部分的堆组合体。可能在堆末端需要特殊的末端电池组件以正确完善所述组合体。
6.典型的单元电池组件包括被接合至双极流场板组件的mea(例如ccm连带施加于其每一侧的gdl)。在现有技术中提出了各种不同设计和组装方法以获得燃料电池堆所需要的许多密封和接合。在一种做法中，单元电池组件包括塑料膜框，其被用在mea中以提供电绝缘、机械对准和密封功能。用于提供在单元电池组件边缘附近的令人满意的密封的弹性体密封利用诸如液体注射模制(lim)、丝网印刷、分配之类的方法被施加至双极流场板组件。但这种做法可能导致框膜的大量废料流(因为在燃料电池活性区域内的膜必须被除去和丢弃)。另外，框膜可能造成对准问题，因为它一般不是很坚硬并且可能在牵涉到许多组件时增大对公差消弭空间的需求。
7.在de 102015201129 a1所描述的另一相关做法中，单元电池组件可以又包含塑料膜框，但用于在单元电池组件之间提供令人满意的密封的弹性体密封被施加至所述框而不
是双极流场板。这种做法同样具有上述缺点，尽管这种设计可能因为公差累积路径的简化而略微更紧凑。
8.并非使用塑料膜框地，其它替代做法可以采用齐平切割mea，在此，gdl的边缘已被充以弹性体并随之密封，例如通过液体注射模制法。例如us6423439b1披露了具有液体注射模制边缘密封的齐平切割mea设计。此设计未产生框膜废料流(因为根本没有用它)，但它需要使用过程黏度很低的密封材料，因为要求它充分穿透和密封gdl边缘。这通常将弹性体材料选择限制到硅氧烷，其化学性不利地导致了膜电解质的使用寿命问题。此外，围绕被密封的mea周边的柔性材料于是可在边缘密封的mea与燃料电池堆组合体内的流场板组件对齐时造成严重问题。
9.在另一相关做法中，上述的lim边缘密封的齐平切割的mea可以相对于其相关的流场板组件同时被lim密封。在此变型中，流场板组件被装入lim工具中，齐平切割的mea被安放在其上方，并且lim过程将这两者共同接合形成一个完整的单元电池组件。此设计可以改善公差路径(需要较少的公差消弭空间)并且简化堆组合体和部件对准。但是，它仍需要过程粘性很低的密封剂来穿透gdl边缘，又通常将弹性体选择限制到硅氧烷，其又不利地影响到燃料电池使用寿命。低过程粘性也需要lim工具擦位来接触该板以防止溢料，其加剧显著的公差限制并可能因所加载荷而造成板破裂。还有，如果在lim加工过程中经历任何问题，则整个单元电池组件可能被废弃，因此加入废料流中。


技术实现要素：

10.虽然大量心血已投入到单元电池组件设计及其制造方法的研发中，但人们始终一直期望这些零部件的制造的进一步简化和效率提升。这是本发明的目的。
11.本发明包含新颖的用于固体聚合物电解质燃料电池堆的单元电池组件及改善的制造方法。另外，本发明包含燃料电池堆，其包括多个串联堆叠的这些单元电池组件。在该方法中，电池的多个气体扩散层中的各个气体扩散层一开始利用弹性体密封例如液体注射模制密封被接合至相关的流场板组件。按照没有以弹性体穿透两个气体扩散层的边缘的方式完成单元电池组件的密封。该方法保证可靠发挥功能的单元电池组件，同时有利地允许在其制造中使用黏度更高的弹性体以及减少在出现lim过程问题时所产生的废料。
12.一种用于固体聚合物电解质燃料电池堆的单元电池组件通常包括催化剂涂覆膜组件(ccm)，其包括阳极催化剂层、阴极催化剂层和固体聚合物膜电解质，在此，阳极和阴极催化剂层被接合至固体聚合物膜电解质的对置两侧。单元电池组件也包括：在与固体聚合物膜电解质相对的阳极催化剂层侧被接合至催化剂涂覆膜组件的阳极气体扩散层；在与固体聚合物膜电解质相对的阴极催化剂层侧被接合至催化剂涂覆膜组件的阴极气体扩散层；以及在流场板组件的对置两侧包括燃料和氧化剂流场的流场板组件。该流场板组件在其燃料和氧化剂流场侧中的相应侧被接合至阳极和阴极气体扩散层之一。在本发明中，单元电池组件的特点是，在该流场板组件与所述阳极和阴极气体扩散层中相关气体扩散层之间的接合包括在所述阳极和阴极气体扩散层中相关气体扩散层的边缘处的弹性体密封，而且在所述阳极和阴极气体扩散层中相关气体扩散层与催化剂涂覆膜组件之间的接合包括胶层，胶层跨接弹性体密封和所述阳极和阴极气体扩散层中相关气体扩散层的边缘。
13.本发明适合用在如下实施方式中，在此，所述阳极和阴极气体扩散层是多孔碳板
和/或该流场板组件是含碳的。另外，它适合用在如下实施方式中，其包含双极流场板组件(即，流场板组件包括：在对置两侧包括燃料流场和冷却剂流场的燃料流场板和在对置两侧包含氧化剂流场和冷却剂流场的氧化剂流场板，并且燃料和氧化剂流场板在其各自冷却剂流场侧被接合在一起)。
14.虽然任一气体扩散层可以是一开始被接合至其相关的流场板的气体扩散层，但在典型实施方式中，流场板组件在其燃料流场侧被接合至阳极气体扩散层(这是因为阳极气体扩散层一般比阴极气体扩散层更厚、更致密且更耐用)。于是，在流场板组件与阳极气体扩散层之间的接合包括在阳极扩散层边缘处的弹性体密封，并且在阳极气体扩散层与催化剂涂覆膜组件之间的接合包括跨接弹性体密封和阳极气体扩散层边缘的胶层。
15.在一个典型实施方式中，该弹性体密封是液体注射模制(lim)密封。有利地，该弹性体密封现在可以包含其黏度大于100000mpa
·
s的弹性体。于是，弹性体密封现在可以例如由选自由聚异丁烯、三元乙丙橡胶、硅氧烷、聚烯烃弹性体和氟碳橡胶组成的组的弹性体制造。
16.在典型的实施方式中，胶层基本上与催化剂涂覆膜组件的边缘对齐(在这样的情况下它无法用作塑料框)。所用胶层可以包含选自由环氧树脂、氨基甲酸乙酯、聚异丁烯和聚烯烃组成的组的胶。
17.如所述地，有利地并不需要弹性体密封穿透任一气体扩散层的边缘，也不需要穿透催化剂涂覆膜组件的任一边缘。但在某些实施方式中，在所述阳极与阴极气体扩散层中相关气体扩散层的边缘处仍出现了一定穿透，这取决于所用的弹性体和组装方法。尽管如此，在那些实施方式中，弹性体密封没有实质上穿透所述阳极和阴极气体扩散层中另一个的边缘，也没有穿透催化剂涂覆膜组件的边缘。
18.本发明的单元电池组件可以利用包括以下步骤的方法来制造：制备催化剂涂覆膜组件，获得阳极和阴极气体扩散层，获得用于流场板组件的组成部分，在所述阳极和阴极气体扩散层之一的边缘与该流场板组件的燃料和氧化剂流场侧中的相应侧之间施加弹性体密封(例如通过液体注射模制)，以便将所述阳极和阴极气体扩散层之一接合至流场板组件，将阳极和阴极气体扩散层中另一个接合至催化剂涂覆膜组件，在阳极和阴极气体扩散层之一与催化剂涂覆膜组件之间施加胶层，使得它跨接弹性体密封和所述阳极和阴极气体扩散层之一的边缘，并且利用胶层将催化剂涂覆膜组件接合至弹性体密封与阳极和阴极气体扩散层之一的边缘。
19.对于牵涉双极流场板组件的实施方式(即，在这些实施方式中，其流场板组件包括：在对置两侧包括燃料流场和冷却剂流场的燃料流场板以及在对置两侧包括氧化剂流场和冷却剂流场的氧化剂流场板)，该方法可以包括：在已制备了双极板组件后，施加该弹性体密封。但或者，该方法可以包括：在组装双极板组件之前，施加该弹性体密封至合适的组成部分流场板。即，该方法可包括：在所述阳极与阴极气体扩散层之一的边缘与所述燃料和氧化剂流场板中相应流场板的燃料和氧化剂流场侧中的相应侧之间施加弹性体密封，并且在弹性体密封施加步骤之后，在其各自冷却剂流场侧将燃料和氧化剂流场板接合在一起。
20.在流场板组件在其燃料流场侧被接合至阳极气体扩散层的那些实施方式中，该方法具体包括：在阳极气体扩散层的边缘与流场板组件的燃料流场侧之间施加弹性体密封以将阳极气体扩散层接合至流场板组件，将阴极气体扩散层接合至催化剂涂覆膜组件，在阳
极气体扩散层与催化剂涂覆膜组件之间施加该胶层以使其跨接弹性体密封和阳极气体扩散层的边缘，并且利用该胶层将催化剂涂覆膜组件接合至该弹性体密封和该阳极气体扩散层的边缘。
21.当参照附图和以下详细说明时，本发明的这些和其它方面是清楚易懂的。
附图说明
22.图1是现有技术的单元电池组件的边缘部段的示意图，该单元电池组件包括齐平切割的mea，在其中，所述gdl和ccm的边缘已经用lim密封穿透。lim密封还将mea接合至流场板组件。
23.图2a和2b示出在制造本发明的单元电池组件期间制备的独特的子组件的示意图。图2c是本发明的完整的单元电池组件的边缘部段的示意图。
具体实施方式
24.在本说明书中，词语例如“一个”和“包括”要以开放式含义来解读并且应被认为是指至少一个、而不是局限于仅一个。
25.在本文中，“单元电池组件”是指个别组件，其包括组成在相关燃料电池堆内的单独燃料电池所需要的每个组成部分。单元电池组件被如此设计，即，多个所述单元电池组件能被简单堆叠以完成电池堆组合体的大部分(在所述堆的末端处的燃料电池是可能的例外)。具体说，在这里，单元电池组件包括mea(即ccm连带施加于其每一侧的gdl)和双极流场板组件。
26.短语“基本上对齐”被用在胶层在单元电池组件内就位的语境中。并非想要排除如下实施方式，其中的胶层适度地或不小心突出超过催化剂涂覆膜组件边缘。但它应被解读为足够对齐，因此理论上足以用作密封用框件。
27.在此，用语“实质上未穿透”被用在就弹性体密封穿透单元电池组件中的gdl和/或ccm的边缘而言的语境中。并不应排除以下实施方式，其中，少量弹性体密封材料已经穿透这些边缘中的一个或多个(例如在制造过程中无意地)。应该排除以下实施方式，在此，所述穿透足以且旨在提供在这些边缘处的可接受的密封。
28.用于固体聚合物电解质燃料电池堆的独特的单元电池组件和及其改进的制造方法被披露，在此，该方法一开始包括利用弹性体密封(如液体注射模制密封)将单独气体扩散层接合至流场板组件。单元电池组件的密封不依赖用弹性体穿透任一气体扩散层。该方法产生可靠发挥功能的单元电池组件，同时有利地允许使用黏度更高的弹性体和减少废料。
29.为了对比目的，图1示出现有技术的单元电池组件1的边缘部段的示意图，该单元电池组件包括齐平切割的mea，其中的gdl和ccm的边缘已用液体注射模制(lim)密封穿透。lim密封还将mea接合至流场板组件。具体说，单元电池组件1中的齐平切割的mea 2包括ccm 3(ccm 3中的阳极催化剂层、阴极催化剂层和固体聚合物膜电解质在图1中未标明。但是，所述阳极和阴极催化剂层被接合至固体聚合物膜电解质的对置两侧)。阳极气体扩散层4在与固体聚合物膜电解质相对的阳极催化剂层侧被接合至ccm 3。阴极气体扩散层5在与固体聚合物膜电解质相对的阴极催化剂层侧被接合至ccm 3。双极流场板组件6在对置的两侧包括
燃料流场板6a和氧化剂流场板6b。图1也示出用于燃料流场的燃料流道6c和将燃料流场连接至供应端口(未示出)的燃料过渡区6d连同用于氧化剂流场的氧化剂流道6e和将氧化剂流场连接至供应端口(未示出)的氧化剂过渡区6f(流场板组件6一般包括内冷却剂流场，但这既在图1中未被示出、也未标明)。如图所示，流场板组件6在燃料流场侧被接合至阳极气体扩散层4。在现有技术的单元电池组件1中，所施加的lim密封7用于多重密封和接合功能。阳极气体扩散层4和阴极气体扩散层5的多孔边缘已经被分别故意充以lim密封部7a和7b以完全密封其边缘。此外，在ccm 3中的阳极催化剂层和阴极催化剂层的多孔边缘也已经被故意充以lim密封部以完全密封其边缘(但是，这些催化剂层的被密封的边缘在图1中既未被示出、也未标明)。还有，lim密封7将ccm 3、阳极和阴极气体扩散层4、5和流场板组件6接合在一起。还有，lim密封7的成形部分7c以密封垫圈形式形成，密封垫圈用于相对于单元电池组件的串联堆中的单元电池组件1的流场板组件密封相邻的单元电池组件的流场板组件。由lim密封7提供的多重密封功能用于相互密封所述阳极和阴极部件(例如电极、气体扩散层)以及相互密封和相对于外部环境密封燃料电池堆中的单独电池。
30.图1所示的实施方式示出目前优选的商业设计。但当形成lim密封7以穿透所述阳极和阴极gdl边缘时，必须使用低过程粘性密封剂。如上所述，这不希望地限制了可供考虑的弹性体选择并且也需要lim工具擦位来接触该板以防止飞边(其又加剧显著公差限制并可能因所施加载荷而造成板破裂)。另外，如果在lim加工中经历任何问题，则整个单元电池组件同样废掉。
31.在本发明的单元电池组件中，所牵涉的大部分组成部分可与用在图1的现有技术的单元电池组件中的组成部分相同或相似。另外，用来组装所述组成部分而形成本发明的单元电池组件的技术也可与被用在图1的现有技术的单元电池组件的制备中的技术相似。但在本发明中使用附加胶层来实现粘接合适的气体扩散层和ccm。并且有利地，低黏度密封剂可以被用在lim密封中。
32.图2a和2b示出在本发明的示例性单元电池组件20的制造过程中所制备的独特的子组件20a、20b的示意图。图2c是本发明的完成的单元电池组件20的边缘部段的示意图。在所有这些图中，相同的标示数字已被用于与图1中的相同的那些零部件。
33.在图2a中的子组件20a通过在阳极气体扩散层4的边缘和流场板组件6的燃料流场侧之间施加弹性体lim密封17以将这两个组成部分接合在一起来制备。图2b中的子组件20b通过接合阴极气体扩散层5至ccm 3来制备。胶层18被施加到ccm 3并且以其在最终组装时位于阳极气体扩散层4和ccm 3之间并且跨接弹性体lim密封17和阳极气体扩散层4边缘的方式就位。这两个子组件20a、20b接着相互配对以产生本发明的图2c的单元电池组件20，在此，ccm 3通过胶层18被接合至弹性体lim密封17和阳极气体扩散层4的边缘二者。在完成的单元电池组件20中，胶层18执行所需的阳极对阴极气体密封功能，该功能否则由lim密封部7a和7b完成，其穿透现有技术的单元电池组件1中的gdl边缘。要注意的是，所述特征可以规定在流场板6a和/或6b中，使得在组装后对胶层18的压缩保持在一定水平，以确保胶层18不承受张紧载荷。也要注意的是，如果在ccm 3中的催化膜区域需要失活以防止因与之相对地加入胶层18而间接造成的损伤(例如在ccm 3的边缘处且越过过渡区6d和/或6f的阴极催化剂区域)，则可以采用已知的失活方法。
34.在本发明的替代实施方式中，可以制备其阴极气体扩散层5被接合至板组件6的流
场侧的氧化剂侧的子组件，而不是子组件20a。可以制备其阳极气体扩散层4被接合至ccm 3的子组件，而不是子组件20b。于是，这两个替代的子组件可以相互配对以产生与图2c所示的相似的单元电池组件20。
35.在另一替代实施例中，胶层18可一开始在制造子组件20a时被施加到阳极气体扩散层4和弹性体lim密封17，而不是在子组件20b制造时被施加到ccm 3。也可能的是首先相对于双极流场板组件6的单流场板来密封单独gdl(例如首先相对于燃料流场板6a密封阳极gdl 4)，接着在随后步骤中将双极流场板组件胶粘在一起(即，将氧化剂流场板6b胶粘至燃料流场板6a)。这种做法将允许所用的lim密封工具在lim过程中更充分支承流场板，因为在此阶段将不会有内部空穴(如冷却剂流场，但在图中未被示出)。这可降低流场板受损的风险。
36.本发明相对于现有技术带来许多优点。因为ccm和gdl的多孔边缘无需用弹性体来穿透，故现在可以使用过程粘度更高的弹性体材料，例如pib(聚异丁烯)或某种epdm(三元乙丙橡胶)混合物，由此消除由在燃料电池组件中使用硅氧烷造成的故障。此外，黏度更高的弹性体材料的使用允许对双极板组件的更容易的飞边控制。还有，在lim加工过程中产生的任何废料仅牵涉到单独gdl，而非整个较高价值的mea。
37.本发明的使用取消了任何未受支承的ccm(因为它总是完全由gdl、例如图2b中的阴极gdl 5支承)并由此降低催化剂未被电连接的风险，这种风险又在暴露在空气和氢气作用下时会加剧膜损坏反应。
38.在其它方面，本发明维持图1的lim密封齐平切割的mea设计的许多优点。例如，接合的单元电池组件20具有与现有技术的单元电池组件1一样的易堆叠组装性能(因为这些零部件全都是比较坚硬的并且在各不同电池组成部分之间的公差路径也在没有框围件的情况下比较短)。
39.有利地代替使用lim过程，也可能在此可利用丝网印刷或分配过程施加弹性体密封剂，又是因为密封剂不需要穿透gdl。但如果这样做，则可能还需要一定的补充加工以保证密封剂落位在与相邻gdl的边缘相似的高度。
40.虽然已经示出和描述了本发明的特定组成部分、实施方式和应用，但显然将理解的是本发明不局限于此，因为本领域技术人员可以尤其鉴于以上教导在未脱离本文的精神和范围的情况下做出改动。这样的改动应被认为在所附权利要求书的权限和范围内。