专利名称:用衬垫装配的膜电极接合体和应用其的燃料电池系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及用衬垫装配的膜电极接合体和包含其的燃料电池系统。因为衬垫和膜电极接合体作为单一的主体提供，故当燃料电池工作时气体，如可燃气体和氧化气体的泄漏减少。各种材料可以被选择用于制备每一层，并且随其燃料电池的制备过程简单，因此用衬垫装配的膜电极接合体适用于燃料电池的大规模生产。
背景技术：
燃料电池作为新的电力生产系统变得更加重要。在不久的将来，燃料电池可能替代当前使用的电力资源应用于汽车、住宅电力发电机和便携式产品。
聚合物电解质燃料电池是通过电化学反应将燃料的化学能转换为电能的直流电电力发生器。燃料电池是一连续合成体(continuouscomplex)，其包含作为燃料电池核心的膜电极接合体(MEA)和收集电流并提供燃料的隔板(或双极性板)。膜电极接合体是氢离子被迁移到的聚合物膜，与甲醇溶液或像氢的燃料在此处通过电化学催化反应与空气反应的电极的联合体。
电化学反应由在燃料电极处的电化学氧化反应和在空气电极处的电化学还原反应这两个单独的反应组成。燃料电极和空气电极被电解质隔开。在直接甲醇燃料电池中，燃料电极被供应甲醇和替代氢的水，在甲醇氧化过程中产生的氢离子沿着聚合物电解质移动到空气电极，然后与空气电极提供的氧气发生还原反应以产生电流。
如果从各电极供应的燃料或者氧化剂穿过电解质膜，那么这对燃料电池的性能具有负面影响。据此，有必要防止燃料和氧化气体穿过电解质膜并混合。防止燃料和氧化气体混合的能力与聚合物电解质膜的性质有关。在这点上，衬垫被设置在电极区域之外的膜电极接合体的周围部分上，从而防止燃料或者氧化气体穿过膜电极并混合。然而，因为电解质膜相当昂贵，在膜电极接合体内的电解质膜的周围部分用新的衬垫替代以降低燃料电池的价格。
另外，对于传统的电解质膜接合体和衬垫来说，通常通过浇铸方法来制造。浇铸方法不适于连续的大规模生产，并且由于电解质膜的酸性，与电解质膜直接接触的衬垫必须仅由具有耐酸性的卤化树脂制成。
专利号为6,316,139的美国专利公开了一种结合的膜电极接合体，其插入到一对衬垫之间，所述衬垫的每一个由橡胶层(elastomer layer)和粘附层组成。
日本专利申请公开号JP H09-097619公开了一种结合的膜电极接合体，其插入到一对包括在丙烯酸基体上形成的弹性层的衬垫之间，并且该丙烯酸基体通过粘附层粘附到隔板的一侧。
日本专利申请公开号JP 2002-329512公开了一种燃料电池的衬垫，该衬垫的主体由具有树脂薄膜、粘附剂和释放膜(releasing film)的多层薄膜的弹性材料组件制成。通过剥去释放膜，衬垫用粘附剂安置在聚合物电解质膜上。然而，在该方法中，仅去除释放膜的一部分，从而减少了聚合物电解质膜和衬垫之间的粘附性。
发明内容为了解决现有技术中的问题，当本发明的发明人研究能替代用作膜电极接合体的周围部分的电解质膜的新的衬垫材料时，他们发现通过将膜电极接合体的周围部分粘附到具有粘附剂的衬垫上可以获得用衬垫装配的膜电极接合体。
本发明的目的在于提供一种用于替代昂贵的电解质膜的新的衬垫材料，并且因此降低燃料电池的价格。本发明的另一个目的在于提供一种当装配燃料电池或燃料电池组时易于操作的用衬垫装配的膜电极接合体。
图1为根据本发明的一个实施例的用衬垫装配的膜电极接合体的主视图。
图2为沿着图1中的I-I’线切割的截面的截面图。
图3为根据本发明的一个实施例的装备有开口的多层薄膜衬垫的制造方法的操作程序图。
图4为包含阴极、阳极和电解质膜的膜电极接合体的截面图。
图5为根据本发明的一个实施例的用衬垫装配的膜电极接合体的操作程序图。
图6为隔板安置在膜电极接合体两侧的燃料电池的单元电池的截面图。
具体实施方式本发明涉及用衬垫装配的膜电极接合体，该衬垫安置在膜电极接合体的每一侧，该膜电极接合体包括阴极、阳极和聚合物电解质膜，其中衬垫为包含弹性层和形成在支撑层的每一侧上的粘附层的多层薄膜。
在用衬垫装配的膜电极接合体中，通过固化多层衬垫中的粘附层来粘附聚合物电解质膜的预定区域而将衬垫与膜电极接合体结合到一起。
另外，本发明涉及一燃料电池系统，其包含插入到一对隔板之间的用衬垫装配的膜电极接合体。
进一步，本发明涉及一燃料电池系统，其包含由燃料电池的多个单元电池形成的燃料电池组和用于注入可燃气体和氧化气体的气体供应部分。
现在详细解释本发明。
根据本发明，衬垫薄膜可以与聚合物电解质膜结合到一起，并且在燃料电池工作时可燃气体和氧化气体的泄漏减少。另外，各种材料可以被选择用于衬垫的每一层。因此，由于其简单的制造过程适于聚合物燃料电池的大规模生产。
图1为根据本发明的用衬垫装配的膜电极接合体200的主视图，图2为沿着图1中的I-I’线切割的截面的截面图。
参照图1和图2，用衬垫装配的膜电极接合体200具有这样的结构电极60(62+64)处于一对具有开口的多层衬垫100a、100b之间。膜电极接合体的聚合物电解质膜42插入到衬垫的粘附层22a和22b之间。衬垫为通过在粘附层22a、22b上顺序堆叠支撑层24a、24b和弹性层26a、26b而形成的多层薄膜。
粘附层22a、22b用于将多层衬垫粘附到膜电极接合体。为了获得充分的密封，具有耐水、热和酸的材料可以用于粘附层。
优选地，粘附层22a、22b的材料可以是任何具有耐燃料电池工作时产生的热的粘附剂，并且更优选地耐150到200℃的热。
粘附剂的例子包括硅树脂、环氧树脂、丙烯酸类树脂和聚酯-聚氨基甲酸酯的双组份树脂。为了获得充分的粘附和密封，粘附层22a、22b的厚度为10到200μm，并且更优选地为50到100μm。
支撑层24a、24b防止弹性层26a、26b与聚合物电解质膜直接接触。聚合物电解质膜包括有机或者聚合物电解质以传输氢离子，因此其为酸性。因此，如果聚合物电解质膜长时间接触到弹性层26a、26b，其开始腐蚀弹性层。支撑层24a、24b分离了聚合物电解质膜和弹性层以防止弹性层的腐蚀。另外，支撑层24a、24b形成了衬垫的形状，并且能耐受由粘附聚合物电解质膜到膜电极接合体引起的压力。
任何易于形成薄膜以及具有尺寸稳定型和耐久性的材料可以用于支撑层24a、24b。例如，可以使用聚酯，如聚乙烯对苯二甲酸酯和聚丁烯对苯二甲酸酯，聚酰胺，聚苯乙烯，和聚烯烃，如聚乙烯、聚丙烯及其共聚物。为了提高分界面性质，可以通过等离子体改变这些材料。
支撑层24a、24b通过通常的干法和湿法制备成薄膜形状。为了提供支撑层24a、24b合适的强度，支撑层的厚度为50到200μm，更优选地为100到150μm。支撑层24a、24b厚度的设计要考虑到在后续步骤中插入的聚合物电解质膜的厚度。如果厚度小于50μm，支撑层不能充分地支撑膜电极接合体，因此不能提供衬垫功能。
弹性层26a、26b用于承受在密封聚合物电解质膜42的端部之后在装配膜电极接合体与聚合物电解质膜的过程中的压力的重压。弹性层的材料为液态型弹性材料。液态型弹性材料的例子有天然橡胶，和合成橡胶，如三元乙丙(ethylene-propylene-diene monomer，EPDM)橡胶、腈基丁二烯(nitrile butadiene rubber，NBR)橡胶、硅橡胶、丙烯酸类橡胶和聚氨基甲酸酯，并且优选的弹性材料为硅橡胶。
弹性层26a、26b厚度的设计要考虑到在后续步骤中装配的阴极和阳极。优选地，该厚度等于电极的厚度，为50到300μm。如果弹性层26a、26b的厚度与电极的厚度相比过厚或过薄，堆叠膜电极接合体变得不紧固并且会在后续的燃料电池堆叠过程中由于弹性层和电极厚度的差别被推出来。
该包括粘附层22a、22b，支撑层24a、24b和弹性层26a、26b的多层衬垫具有开口A以插入聚合物电解质膜的周围部分。开口A形成在粘附层22a、22b和支撑层24a、46b上，到支撑层24a、24b和弹性层26a、26b的交界面。
图3为显示具有开口的多层衬垫的制造方法的操作程序图。
参照图3，具有开口的多层薄膜100a通过以下步骤制备a)通过在支撑层24a一侧涂覆并固化弹性材料制成弹性层26a；b)通过在支撑层24a另一侧涂覆粘附剂制成多层薄膜；以及c)通过对多层薄膜的内部圆形部分冲孔制成开口A。
在冲孔过程中，保护薄膜(未示出)被堆叠到粘附层22a的一侧以保护它。
弹性层26a通过在步骤a)中制备的支撑层24a的一侧涂覆、干燥和固化液态型弹性材料制成。干燥和固化条件可以根据使用的弹性材料的种类被合适地调整。
在步骤c)中，支撑层24a的没有形成支撑层24a的另一侧被涂覆粘附剂并被干燥以制成粘附层22a。
在步骤d)中，多层的粘附层/支撑层/弹性层22a/24a/26a的内部部分被冲孔以制成开口A。在冲孔步骤前，保护薄膜被堆叠到粘附层22a的一侧，被冲孔，并接着在结合步骤前被剥离。
保护薄膜防止粘附层22a彼此粘附，并有助于多层薄膜的粘附和分离。可以使用该领域中常用的保护薄膜，例如，聚酯，如聚乙烯对苯二甲酸酯和聚丁烯对苯二甲酸酯。
当在具有开口的多层薄膜之间堆叠膜电极接合体之后，粘附层被硬化以制造用衬垫装配的膜电极接合体。
图4为包含阴极、阳极和电解质膜的膜电极接合体的截面图。
参照图4，膜电极接合体包括插入到阴极64和阳极62之间的聚合物电解质膜42。聚合物电解质膜42的暴露部分的宽度等于或小于通过冲孔过程制备的衬垫薄膜100a的宽度。
本发明的聚合物电解质膜42的材料为本领域常用材料而没有限制。例如，使用聚(全氟磺酸)，杜邦销售的NafionTM被广泛使用。
阴极和阳极62、64执行燃料电池的电化学反应。电极60通常包含用于加速电极的氧化和还原反应的催化剂层，以及用于支撑催化剂层和注入可燃气体和氧化气体到电极的气体扩散层。所有用于燃料电池的催化剂可以在本发明中使用，例如，铂(Pt)催化剂和由碳承载的铂(Pt)催化剂。电极的厚度依赖于催化剂的数量。
图5为根据本发明的一个实施例的用衬垫装配的膜电极接合体的操作程序图。
参照图5，制备用衬垫装配的膜电极接合体的方法包含步骤(i)使粘附层相对并彼此相对地顺序安置一对堆叠有粘附层22a、22b，支撑层24a、24b和弹性层26a、26b的多层薄膜；(ii)在一对多层薄膜100a、100b之间插入膜电极接合体200；以及(iii)固化粘附层22a、22b。
固化过程依赖于粘附层的材料而不同，且优选地通过紫外线照射、X射线照射或加热完成。
通过上述过程，制成包括粘附层、支撑层和弹性层的多层薄膜。具有阴极、阳极和聚合物电解质膜的膜电极接合体被插入到一对内部具有开口的衬垫中以面对粘附层22a、22b，并接着被结合以获得用衬垫装配的膜电极接合体。
优选地，用衬垫装配的膜电极接合体可以用于燃料电池。
图6为装配有本发明的用衬垫装配的膜电极接合体的燃料电池的单元电池的截面图。
参照图6，燃料电池300具有这样的结构用衬垫装配的膜电极接合体200插入到一对隔板(或双极性板220、240)之间。
隔板未在图6中示出，但其形成了具有确定形状的流通路径以注入可燃气体和氧化气体以及收集电流。
随后，燃料电池通过堆叠多个单元电池形成。多个堆叠的衬垫的前述区域被冲孔，优选地在同一位置堆叠单元电池从而被冲孔的区域在同一位置。
因此，包括燃料电池组的燃料电池系统包含用于燃料电池的堆叠，该燃料电池包括用衬垫装配的膜电极接合体和位于膜电极接合体两侧的隔板，以及为燃料电池的堆叠供应可燃气体和氧化气体的气体供应部分。
根据本发明，衬垫薄膜可以与聚合物电解质膜结合，并且燃料电池工作时可燃气体和氧化气体的泄漏减少。另外，各种材料可以被选择用于衬垫的每一层。因此，由于其简单的制造过程其可适于聚合物燃料电池的大规模生产。
下面的例子进一步详细说明了本发明，但不限制本发明的范围。
样例1100μm厚的聚酯对苯二甲酸酯薄膜用作支撑层，并且通过电晕放电对其表面处理。接着，利用刮板涂覆方法(doctor blade coating method)通过涂覆液态硅树脂于支撑层的上侧制备200μm厚的弹性层，并固化。随后，利用通过棒式涂镀设备在2～3g/m2的涂覆量下涂覆和干燥聚酯-聚氨基甲酸酯的聚合物的双组份树脂粘附剂。
当在多层薄膜上形成50μm厚的聚合物保护薄膜后，通过手动冲床冲出稍大于电极的矩形尺寸形成开口。保护薄膜被去除。在面对粘附层安置具有开口的多层薄膜之后，制备的膜电极接合体被插入并接着在60℃下留在烘箱内达24小时以完全硬化粘附层。因此，制备成结合了衬垫的膜电极接合体。
膜电极接合体的聚合物电解质膜为通过普通的薄膜铸塑方法制备的150μm厚的NAFIONTM膜(杜邦)。阳极和阴极电极为承载在碳纸(Pt/C)一侧的铂(Pt)催化剂。
测试样例1气体渗透性测量为了测试用衬垫装配的膜电极接合体的气体渗透性，进行了如下的测试。
燃料电池的单元电池通过安置用衬垫装配的膜电极接合体与隔板接触形成，并且被注入穿过增湿器到达一个电极的氮气。该单元电池的温度为70℃。在通过注入1小时的氮气充分地增湿电极之后，通过加压到最大值4atm并在另一侧检测电极的气体渗透性来测量气体渗透性。
通过连接管子到与注入氮气的电极相对的电极并将该管子浸入水浴中来执行氮气的检测。结果，在测试过程中没有产生气泡，因此通过本发明制备的用衬垫装配的膜电极接合体可以防止可燃气体和氧化气体的泄漏。利用本发明的结合膜电极接合体与衬垫的方法，电解质膜和衬垫的接合体可以大量制造，并且可以选择各种衬垫材料。
权利要求
1.一种用衬垫装配的膜电极接合体，包括安置在膜电极接合体的每一侧的衬垫，所述膜电极接合体包括阴极、阳极和聚合物电解质膜，其中衬垫为包含弹性层和形成在一支撑层的每一侧上的粘附层的多层薄膜。
2.如权利要求
1所述的用衬垫装配的膜电极接合体，其中聚合物电解质膜的预定区域粘附于衬垫的粘附层。
3.如权利要求
1所述的用衬垫装配的膜电极接合体，其中粘附层由从组中选出的材料制备，所述组包括硅树脂、环氧树脂、丙烯酸类树脂和聚酯-聚氨基甲酸酯的聚合制备的双组份树脂。
4.如权利要求
1所述的用衬垫装配的膜电极接合体，其中粘附层具有10-200μm的厚度。
5.如权利要求
1所述的用衬垫装配的膜电极接合体，其中支撑层由从组中选出的材料制备，所述组包括聚酯、聚酰胺、聚苯乙烯、以及从包括聚乙烯和聚丙烯以及其共聚物的组中选出的聚烯烃。
6.如权利要求
1所述的用衬垫装配的膜电极接合体，其中支撑层具有50-200μm的厚度。
7.如权利要求
1所述的用衬垫装配的膜电极接合体，其中弹性层由从组中选出的材料制备，所述组包括天然橡胶、三元乙丙橡胶(EPDM)、腈基丁二烯橡胶(NBR)、硅橡胶、丙烯酸类橡胶和聚氨基甲酸酯。
8.如权利要求
1所述的用衬垫装配的膜电极接合体，其中弹性层具有50-300μm的厚度。
9.一种制备用衬垫装配的膜电极接合体的方法，其包括步骤安置一对顺序堆叠有粘附层、支撑层和弹性层的多层薄膜以使粘附层相对并彼此相对；在多层薄膜之间插入膜电极接合体；以及固化粘附层。
10.如权利要求
9所述的制备用衬垫装配的膜电极接合体的方法，其中多层薄膜由以下步骤制备通过在支撑层的一侧涂覆和固化弹性材料形成弹性层，通过在支撑层的未处理的另一侧涂覆粘合剂形成粘附层，接着对多层薄膜的内部表面冲孔以制成开口。
11.一种包含插入到一对隔板之间的如权利要求
1所述的用衬垫装配的膜电极接合体的燃料电池。
专利摘要
本发明涉及一种用衬垫装配的膜电极接合体，其包括安置在所述膜电极接合体的每一侧的衬垫，所述膜电极接合体包括阴极、阳极和聚合物电解质膜，其中衬垫为包含弹性层和形成在支撑层的每一侧上的粘附层的多层薄膜。根据本发明，衬垫薄膜可以与聚合物电解质膜结合到一起，并且在燃料电池工作时可燃气体和氧化气体的泄漏减少。另外，各种材料可以选择用于衬垫的每一层。因此，由于其简单的制造过程其可以适用于聚合物燃料电池的大规模生产。
文档编号H01M8/02GK1993851SQ20068000054
公开日2007年7月4日 申请日期2006年1月11日
发明者宋星旻, 文高永, 李源镐, 郑夏澈, 朴京一, 柳惶灿, 李尚铉 申请人:Lg化学株式会社导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan