专利名称：在各膜片组件与板组件之间具有改进密封的燃料电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及电化学燃料电池，尤其涉及冷却剂流场板与相邻的燃料电池组件之间提供的密封，特别是膜片电极组件和/或相关的水分离板。
背景技术：
转让给这里的受让人的早期专利5264299和5523175是用弹性封闭材料密封料电池组件的外围部分，特别是多孔组件的代表性的已有技术方法。尤其，’299专利的第4栏1行到第6栏49行描述了支撑板如何通过这种在外围连接这些组件的密封材料与质子交换膜片组装一起。因此这里把’299专利组合进来作为参考。
已有技术膜片与板组件的外围密封通常要求用化学制剂浸渍各个组件的外周边，这种化学制剂如为SARTOMER公司的SARTOMER GRADE2108，其要求在没有氧的情况下固化。这种化学制剂在被固化的状态中是憎水的，以便一直与现在燃料电池中通常使用的当前有益处的冷却流体，即水进行接触，在已有技术燃料电池中，水传输板的边缘浸渍有树脂，该树脂在被聚合时产生边缘密封，防止气态反应物泄漏，并且还用于防止这些反应物渗入液体冷却剂中。
通常，用于在水传输板中产生这种边缘密封的树脂是SARTOMER公司的SARTOMER GRADE2100和DOW CHEMICAL公司的SYLGARD170.这些聚合物稍有憎水性，但是，总体不被水湿润。由于水是燃料电池中的反应产物并且通常还包括质子交换膜片燃料电池(PEM)中的冷却剂，这种特性在这种边缘密封应用中是不需要的。尤其，作为这种憎水性的结果，水传输板的中央活性区与水传输板的外围边缘密封部分之间的界面不可能总是填充水。这种位置减少了水传输板的密封有效性，并且导致一些反应物气体泄漏到冷却剂中，这会导致不希望的状态。
浸渍多孔催化剂支撑板的边缘以产生边缘密封。用于这种浸入的一种常用的化合物是硅橡胶。但是，尽管硅橡胶会产生催化剂支撑板内的有效密封，但却表现出与质子交换膜片(PEM)的粘结性不好。这种差粘结性趋向于使得这些组件之间的界面处反应物泄漏并使得PEM从催化剂支撑板边缘收缩，尤其如果质子交换膜片的水含量由于PEM操作燃料电池的状态而被降低，更会这样。质子交换膜片的收缩会导致阳极催化剂支撑板与阴极催化剂支撑板之间的电短路。这种短路当然将会降低燃料电池的效率并会引起局部过热。
最后，传统PEM电池中的密封结构通常使用丙烯酸带，以把水传输板的外围粘结于催化剂支撑板的外围，为的是产生这些组件之间的有效密封。这种丙烯酸带还被用于把水传输板的两半粘结一起。这种密封结构由于所使用的该材料的憎水性和由于与PEM的差粘结性表现出临界性能。另外，这种密封制造起来昂贵，这是在它们制造过程和组装中需要的组件数目和处理步骤所导致的。
本发明的一个目标是提供一种单一外围密封涂层，其粘结于多孔石墨水传输板和多孔石墨催化剂支撑板，并且其还粘结于交换膜片自身。
本发明的优点可归因于用于涂覆外边缘并且浸渍这些组件的外边缘的单一粘结/密封提供实现密封和粘结的所需要功能的简便方式并且还避免了用于实现密封和粘结功能的上述材料的使用产生的缺点这一事实。
本发明公开燃料电池结构和其操作方法的细节是已知的并在美国专利5264299，5523175和美国专利5303944，5700595以及4769297中进行描述，这些专利全部被引入来作为参考。
本发明的这些和其它目标可通过提供燃料电池堆实现，其中堆中的各个电池包括膜片电极组件(MEA)，其中相对的催化剂层被设置在质子交换膜片(PEM)的相对侧上，并且其中通常是多孔石墨的相对的阳极和阴极支撑板被设置在这个催化剂的相对侧上，所述催化剂支撑板包含与催化剂相邻的中央区域和要被密封的包括第一密封表面的外围区域。组合起来的反应物流场(flow-field)板/水传输板被设置成与催化剂支撑板相邻，并且也是多孔石墨的，且包括含第二密封表面的外围密封区域。
优选是氟代弹性体的密封涂层被设置在这些第一和第二密封表面之间，并且用于粘结以及把催化剂支撑板粘贴于流场板。
与催化剂层和膜片自身相邻的催化剂支撑板在已有技术的燃料电池结构中有一些问题，但是相同的密封涂改还可设置在膜片电极组件和相关的水传输板的边缘外围以提供防止反应物与冷却剂的泄漏的结构。
附图的简要描述本发明的这些和其它特征、方面以及优点参考下面的描述、附加的权利要求以及附图将变得更容易理解，其中
图1是适合于利用本发明的类型的常规燃料电池堆中一对并排燃料电池中的各个组件的分解视图；图2是图1的燃料电池的一部分的视图，表示设置在燃料电池的指定组件的外围表面之间的密封涂层，还表示出在燃料电池堆外边缘设置的相同的密封涂层；图3是类似于图2的视图，但是表示用于带有两个水传输板的电池的多孔催化剂支撑板与水传输板组件之间的影响。
实施本发明的最佳模式现在参考附图，图1以分解关系表示传统燃料电池的各个组件，该电池在传统燃料电池堆中以重复方式设置。两个膜片电极组件在图1中以MEA表示，并且内插在二者之间设置的是水传输板WTP和分离板SP。
各个膜片电极组件包括插入于阳极12和阴极14之间的固态聚合物离子交换膜片10。在此，阳极和阴极被称为电极，并且每一个包含催化剂层，如通常以图1中的16表示以及包括催化剂支撑板。催化剂层在与膜片10相邻的电极的一侧上，并且使得这些电极电化学上是活性的。
流场板或水传输板WTP在面对膜片电极组件MEA的一侧上包含通道18，通过通道18氧化剂通常以氧或空气形式流入。这个流场板WTP在面对远离膜片电极组件MEA的一侧上包含其它通道20，通过通道20冷却剂流以水流形式流入，目的是带走来自燃料电池中设置的电化学反应的热。
分离板SP相邻于水传输板WTP设置，用于闭合这些通道，并在与下一个膜片电极组件相邻的相对侧上限定用于邻接阳极12的燃料流动的适当的通道，如22所示，燃料通常是包括氢的气体形式。
这种结构的各种变化是可能的，并且在一些安装设施中，可能或优选限定用于分离板SP而不是限定与反应气体相关的通道18的同一板中的冷却剂的通道20。
已有技术建议这些不同组件之间的密封，即膜片电极组件、水传输板和分离板SP之间的密封包括应用于这些组件中每一个的一侧的硅压敏粘结剂形式的涂覆硅的玻璃纤维的界面外围衬垫。这些硅衬垫确实提供可接受的密封，但要求相对高的密封负载，并且必须从大薄层切下来，产生大量废弃物。对于这个问题的其它方法采用通过以树脂例如SARTOMER浸渍这些组件的外外围形成的边缘密封形式，不幸的是这个树脂产生临界的结果，因为这种树脂通常在被固化状态中是恨水的，因此在边缘密封界面处承受水汽泡压降低。在用水浸渍后，涂覆化学制剂的组件的较差的湿润通常导致局部泄漏。
如前面所述，电极支撑板的优选形式通常是薄层形式，并且涂覆催化剂，要求沿着其外围边缘用硅橡胶如SYLGARD 170来密封。使用这种硅密封提供可接受的密封，但是不能提供与通常从NAFION制造的膜片电极组件自身的足够的粘结性。
根据本发明，在电池组件的外边缘上和膜片电极组件与水传输板之间提供改进的粘结剂/密封30，最后如图2所示。用于这种密封的优选的材料是氟代弹性体，如牌号SB或WB的FLUOROLAST(氟代弹性体)，由Laureen分公司Fluorolast制造。这个牌号的氟代弹性体当用于和膜片电极组件MEA结构连接时不仅具有优良的与NAFION的粘结性，而且已经发现FLUOROLAST非常好地粘结于石墨。石墨材料当前包括用于制造流体流板的优选的传导材料，如图2中的WTP和SP所示的那些。石墨适合于与这种粘结剂/涂层一起使用，从而这些组件被固定于另外一个并提供通道20中对水的有效密封。
或者，可不用分离板并且两个水传输板(WTP)可背对背使用。在这种结构中，反应物流通道被限定在外表面上，水流通道被限定在内表面上。各个WTP用足够的汽泡压力制造，其提供把燃料与氧分离的功能。
本发明的优选的实施例如图3所示，其中电极支撑板的外围浸渍Flourolast弹性体。图3还表示水传输板(WTP)背对背的另一个电池结构，其不用分离板。电极支撑板的外围是可渗透的，并且浸渍有Flourolast弹性体以产生边缘密封，并且各个WTP的密封表面涂覆有Flourolast。
实验室结果表明以往以丙烯酸带、SARTOMER 2100和SYLGARD170形式要求的各种界面密封和边缘密封用图2所示的氟代弹性体材料30代替，从而降低传统燃料电池堆的整体制造成本并提高密封特性。
执行扩散氧化物组件测试以证明本发明的各种特征。尤其，Toray销售的牌号TGP-H-120的14密尔多孔石墨电极支撑板浸渍Flourolast，并且接着在大约212°F把浸渍样品固化大约1小时，该样品随后被切割成3×3英寸的框架(frame)以具有0.25英寸的框架宽度。两个这样的样品被限制在压力测试夹具中，并且当框架的内部被压缩到95psig(每平方英寸以磅计算压力)时测量没有氮的过载泄漏。
在牌号为GCR 101G的KOBE STEEL公司销售的类型的分离板的密封表面是0.9mm厚的致密石墨材料的情况下，执行类似的测试。这些组件涂覆Flourolast并在大约70°F的室温下被固化72小时。4个这种样品被切割为上述尺寸并且被组装到压力测试夹具中。粘结的堆承受95psig的氮内部压力，没有界面泄漏，作为在没有压力衰减的情况下进行10分钟的证据。在把堆浸没到水中时看不到气泡。
还执行测试以评估水传输板的汽泡压力上氟代弹性体边缘密封的效果。由国际燃料电池公司制造的3英寸×3英寸且0.1英寸厚的多孔石墨水传输板用水填充并且它们的气压力确定为8psi。该样品被干燥，它们的边缘用Flourolast密封，把3英寸×3英寸×2.5英寸的石墨框架用Flourolast粘结到样品的两侧。在180°F固化16小时中，样品再次填充水并且气压力测量为8psi，表明用氟代弹性体密封的边缘没有降低水传输板的气压力。然后对这个特定样品测试外部泄漏，在95psi测量时没有泄漏。
尽管表示并描述了优选实施例，在不脱离本发明的精神和范围的情况下可进行各种修改和替代。因此，应理解本发明以举例方式而不是限制方式进行了描述。
权利要求
1.一种用于产生电能的燃料电池堆，其中堆中的电池包括膜片电极组件，包括相对的催化剂层，以及所述催化剂层之间的质子交换膜片，该膜片包括与催化剂层相邻的相对的阳极和阴极支撑板，各个催化剂支撑板具有限定第一密封表面的边缘外围区域；与一个所述催化剂支撑板相邻的并具有限定第二密封表面的外围表面的反应物流场板或水传输板；及第一和第二密封表面之间的密封涂层，所述密封涂层是弹性粘结剂，用于把所述催化剂支撑板粘结于所述流场板或水传输板。
2.根据权利要求1的组合，其中所述膜片电极组件包括所述催化剂层与所述膜片之间的催化剂支持层，所述催化剂支持层以支持薄层形式提供，所述密封涂层围绕所述膜片电极组件外面和所述反应物流场板外面设置。
3.根据权利要求1的组合，其中所述弹性粘结剂包括氟代弹性体。
4.根据权利要求1的组合，其中所述弹性粘结剂是Fluorolast。
5.根据权利要求1的组合，其特征还在于与所述流场板相邻地设置的分离板以限定其间的冷却剂流过通道，并且所述流场板和所述分离板在它们的外围区域中被所述弹性粘结剂密封。
6.根据权利要求1的组合，其中所述流体流场板由石墨材料制造。
7.根据权利要求1的组合，其中所述催化剂支撑板由石墨材料制造。
8.根据前面任何一项的权利要求的组合，其中所述密封涂层包括氟代弹性体，其中所述氟代弹性体设置在燃料电池堆中的所述膜片电极组件和流场板或水传输板的外部。
9.根据权利要求1的组合，其中所述催化剂支撑板具有浸渍有氟代弹性体的可渗透的外围部分，所述弹性体粘结剂包括氟代弹性体。
全文摘要
燃料电池堆包括大量燃料电池,每个电池包括膜片电极组件(MEA)和从石墨制造的水传输板(WTP)或流体流板。这个板以及可选择的分离板(SP)被彼此维持成组装关系,并且通过氟代弹性体粘结剂/密封(30)与膜片电极组件(MEA)维持一起,该氟代弹性体粘结剂/密封(30)还被涂覆在这些组件的外边缘以提供水密封,来更好地包含燃料电池堆中提供的水的形式的冷却剂流体。
文档编号H01M8/02GK1367939SQ99812445
公开日2002年9月4日 申请日期1999年10月21日 优先权日1998年10月21日
发明者迈龙·克拉西奇, 爱德华·A·莫斯克 申请人:国际燃料电池有限责任公司