專利名稱：燃料電池襯墊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及有襯墊的燃料電池膜電極組件，它包括閉孔泡沫橡膠襯墊(gasket)并且通常沒有硬阻擋層(no hard stop layer)。
背景技術(shù)：
US2001/0019790和US2001/0019791公開了一種燃料電池，它包括能模制成聚合物電解質(zhì)膜的多葉片(multi-lobe)襯墊。所述襯墊優(yōu)選是硅橡膠或氟硅氧烷。
US6337120公開了一種襯墊，它由液體橡膠通過注射成型成形到片材的凹槽中制成。
US6261711公開了一種燃料電池的密封，它包括置于燃料電池流動板的凹槽的襯墊和相對的可壓縮組件。兩者由聚合物，如EPDM或硅氧烷聚合物制成。
US6159628公開了一種燃料電池，它包括其周邊注入熱塑性材料的多孔基材。
US6080503公開了一種燃料電池，其中MEA用粘合劑粘附到一塊或多塊隔板上。
US6057054的一些實施方式公開了一種MEA，它具有同延的聚合物電解質(zhì)膜和多孔電極層，所述多孔電極層具有注入所述多孔電極層的密封材料如硅氧烷。該文獻在其他實施方式中公開了一種MEA，它具有注入其多孔電極層的密封材料，其中所述密封材料延伸超過所述MEA。
US5928807公開了一種聚合物電解質(zhì)燃料電池，它包括彈性的、可塑性變形的導電石墨密封。
US5464700公開了一種用于燃料電池膜電極組件(MEA)的襯墊系統(tǒng)，以通過使用襯墊材料代替周邊的聚合物電解質(zhì)膜材料來使燃料電池中的聚合物電解質(zhì)膜材料用量最少。所述襯墊材料優(yōu)選是非親水熱塑性彈性體。
US5264299公開了一種用于MEA的多孔支撐體，所述MEA具有用彈性材料(優(yōu)選硅橡膠)填充的周邊部分。
US4721555公開了一種插入電解電池的電極框架組件之間的固體密封裝置。該文獻描述了具有內(nèi)隔板的電解電池，如

圖17和18所述的氯-堿電池(chlor-alkali cell)，以及沒有內(nèi)隔板的電解電池，如氯酸鹽電池。
發(fā)明概述簡要地，本發(fā)明提供了一種有襯墊的燃料電池膜電極組件，它包括燃料電池膜電極組件和襯墊，所述襯墊包括閉孔泡沫橡膠(例如硅氧烷泡沫橡膠)且通常沒有硬阻擋層。
本發(fā)明另一方面提供了一種有襯墊的燃料電池膜電極組件，它包括周邊密封區(qū)域，其中所述襯墊的燃料電池膜電極組件基本上由離子導電膜或涂有催化劑的膜(catalyst coated membrane)、閉孔泡沫橡膠襯墊(如硅氧烷泡沫橡膠襯墊)、任選的粘合劑組成，且通常沒有硬阻擋層。
在現(xiàn)有技術(shù)中沒有提到而本發(fā)明提供的是，有襯墊的燃料電池膜電極組件包括閉孔泡沫橡膠襯墊，特別是不包括硬阻擋層的襯墊。
在本申請中“有襯墊的燃料電池膜電極組件”表示結(jié)合有一塊或多塊襯墊的燃料電池膜電極組件，而不管所述襯墊是否粘合到膜電極組件上，或者僅僅由機械力固定就位。
“泡沫橡膠”表示有回彈力的彈性聚合物的固體泡沫材料，通常是天然橡膠、合成橡膠、聚氨酯、氟硅橡膠，或者最通常是硅橡膠。
“硬阻擋”或“硬阻擋層”表示除了離子導電膜層、催化劑層、氣體擴散層、密封或襯墊層或者粘合層之外，膜電極組件(MEA)中阻止固定厚度的MEA壓縮或應變(strain)的層。
本發(fā)明的一個優(yōu)點是提供了一種有襯墊的燃料電池膜電極組件，它在各種壓縮條件下密封。
優(yōu)選實施方式的詳細描述本發(fā)明提供了一種有襯墊的燃料電池膜電極組件，它包括燃料電極膜電極組件和襯墊，其中所述襯墊包括閉孔泡沫橡膠，通常是硅氧烷泡沫橡膠。所述膜電極組件(MEA)通常包括周邊密封區(qū)域，其中所述MEA基本由其中央離子導電膜層或涂有催化劑的膜層以及閉孔泡沫橡膠襯墊組成，所述閉孔泡沫橡膠襯墊任選附著有粘合劑。通常，本發(fā)明有襯墊的燃料電池膜電極組件不包括硬阻擋層。
膜電極組件(MEA)是質(zhì)子交換膜燃料電池(例如氫燃料電池)的中心元件。燃料電池是通過燃料(如氫)和氧化劑(如氧)的催化結(jié)合產(chǎn)生有用電力的電化學電池。通常，MEA包括離子導電膜(ICM)(也稱為質(zhì)子交換膜(PEM))它可用作固體電解質(zhì)。ICM的一面與陽極電極層接觸，另一面與陰極電極層接觸。各個電極層包括電化學催化劑，通常包括鉑金屬。氣體擴散層(GDL)便于氣體輸送到陽極和陰極電極材料中，以及從陽極和陰極電極材料離開，并傳導電流。在典型的PEM燃料電池中，質(zhì)子通過氫氧化在陽極上形成，并輸送到陰極與氧氣反應，從而使電流在連接電極的內(nèi)部電路中流動。GDL可稱為流體輸送層(FTL)或者擴散器(diffuser)/集電器(DCC)。所述陽極和陰極電極層可在制造過程中施加到ICM上，或施加到GDL上，只要它們置于完整MEA的ICM和GDL之間即可。在本發(fā)明的實踐中，可使用任何合適的MEA。
任何合適的ICM可用在本發(fā)明的實踐中。所述ICM的厚度通常小于50微米，更優(yōu)選小于40微米，還要優(yōu)選小于30微米，最優(yōu)選約25微米。所述ICM通常包括聚合物電解質(zhì)，所述聚合物電解質(zhì)是酸官能氟聚合物，如Nafion(DuPont Chmeicals，Wilmington DE)和FlemionTM(Asahi Glass Co.Ltd.，Tokyo，Japan)。用于本發(fā)明的聚合物電解質(zhì)一般宜為四氟乙烯和一種或多種氟化、酸官能共聚單體的共聚物。所述聚合物電解質(zhì)一般帶有磺酸鹽官能團。更通常地，所述聚合物電解質(zhì)最好是Nafion。所述聚合物電解質(zhì)的酸當量通常1200或更少，更優(yōu)選1100或更少，還要優(yōu)選1050或更少，最優(yōu)選約1000。
任何合適的GDL可用在本發(fā)明的實踐中。所述GDL通常包括包含碳纖維的片材。通常，所述GDL是選自織造或非織造碳纖維結(jié)構(gòu)的碳纖維結(jié)構(gòu)?？捎糜诒景l(fā)明實踐的碳纖維結(jié)構(gòu)可包括TorayTMCarbon Paper，SpectraCarbTMCarbonPaper，AFNTM非織造碳布，ZolteTMCarbon Cloth等。所述GDL可用各種材料涂覆或浸漬，包括碳顆粒涂覆、親水處理和疏水處理，例如用四氟乙烯(PTFE)。
任何合適的催化劑可用在本發(fā)明的實踐中。通常，可使用碳負載的催化劑顆粒。通常，碳負載的催化劑顆粒是50-90重量％的碳和10-50重量％的催化劑金屬，所述催化劑金屬通常包括用于陰極的鉑和用于陽極的重量比為2∶1的鉑和釕。通常，所述催化劑以催化劑油墨的形式施加到ICM或GDL上。所述催化劑油墨通常包括聚合物電解質(zhì)材料，它們可以是包括ICM的相同或不同的聚合物電解質(zhì)材料。所述聚合物電解質(zhì)通常是酸官能氟聚合物，例如Nafion(DuPont Chemicals，Wilmington DE)和FlemionTM(Asahi GlassCo.Ltd.，Tokyo，Japan)。用于本發(fā)明油墨中的聚合物電解質(zhì)通常優(yōu)選是四氟乙烯和一種或多種氟化的酸官能共單體的共聚物。通常，所述聚合物電解質(zhì)帶有磺酸鹽官能團。最優(yōu)選地，所述聚合物電解質(zhì)是Nafion。所述聚合物電解質(zhì)的當量通常為1200或更少，更優(yōu)選為1100或更少，還要優(yōu)選為1050或更少，最優(yōu)選為約1000。所述催化劑油墨通常包括催化劑顆粒在聚合物電解質(zhì)分散體中的分散體。所述油墨通常包含5-30％的固體(即聚合物和催化劑)，更優(yōu)選為10-20％固體。所述電解質(zhì)分散體通常是水性分散體，它還可包含醇和多元醇，如甘油和乙二醇。所述水、醇和多元醇的含量可進行調(diào)節(jié)，以改變所述油墨的流變性。所述油墨通常包含0-50％的醇和0-20％的多元醇。另外，所述油墨可包含0-2％的合適分散劑。所述油墨通常通過加熱攪拌，然后稀釋到可涂覆的稠度來制得。
所述催化劑可通過任何合適的方法施加到ICM或GDL上，包括用手和機械方法，包括用手刷、凹槽棒涂覆、帶流體口模式涂覆(fluid bearing diecoating)、繞線棒涂覆(wire-wound rod coating)、帶流體涂覆(fluid bearingcoating)、狹縫給料刮涂(slot-fed knife coating)、三輥涂覆、或轉(zhuǎn)印?？捎靡淮瓮扛不蚨啻瓮扛驳玫酵繉?。當催化劑電極材料直接涂覆在ICM上時，得到三層結(jié)構(gòu)是涂有催化劑的膜(CCM)。術(shù)語5層MEA具體表示附著有GDL的CCM。所述催化劑電極層可在制造過程中施加到ICM或GDL上，只要它們置于在完整MEA中的ICM和GDL之間即可，這樣所得的5層MEA依次包括GDL、催化劑、ICM、催化劑、GDL。所述GDL可通過任何合適方法與MEA的剩余部分連接，包括在加熱和/或加壓條件下層壓。
或者，如美國專利5338430(納米結(jié)構(gòu)電極嵌入固體聚合物電解質(zhì)中)或美國專利5879828(MEA具有包括納米結(jié)構(gòu)元件的電極層)所述，可使用納米結(jié)構(gòu)的催化劑制造CCM。
通常，所述催化劑限制在MEA的內(nèi)部活性區(qū)域。但是，當使用納米結(jié)構(gòu)的催化劑時，所述催化劑通常延伸到所述ICM的邊緣。通常，GDL限制到MEA的內(nèi)部區(qū)域。因此，所述MEA可包括周邊密封區(qū)域，在那里，襯墊或密封材料可施加到ICM或CCM上。所述襯墊或密封可通過合適的粘合劑粘合到MEA上，或者僅通過機械力固定就位。當硬阻擋層加入所述MEA時，其通常位于所述襯墊或密封的下面。所述硬阻擋層可通過合適的粘合劑粘合到MEA和/或襯墊上，或者僅通過機械力固定就位。所述MEA的周邊也可包括穿過MEA的孔，該孔也可穿過任何襯墊和/或任何硬阻擋層。這些孔可用作反應試劑或產(chǎn)物流體的歧管，或者用作冷卻流體的歧管，在這種情況下，所述襯墊不僅可用來密封所述MEA活性區(qū)域的外邊緣，也可用于保持所述歧管的整體性以及使之與活性區(qū)域隔開。這些孔也可用于機械目的，例如固定或定位，或者用于其他目的。
本發(fā)明的襯墊由閉孔泡沫橡膠制成。所述閉孔泡沫橡膠可由任何合適的有回彈力的彈性聚合物制成，包括天然橡膠、合成橡膠、聚氨酯、氟硅橡膠，或者最通常是硅氧烷橡膠。一種合適的閉孔硅氧烷泡沫橡膠是由RogersCorporation，High Performance Foams Division，Bisco Materials Units，2300East Devon Avenue，Elk Grove Village，Illinois 60007-6120生產(chǎn)的，購自Stockwell Rubber Company，Inc.，4749Talbot St.，Philadelphia，PA 19136的產(chǎn)品HT800，其標稱厚度為1/32”(0.79毫米)，并具有下述規(guī)格壓縮力變形在25％變形為8psi(55MPa)在70℃的壓縮永久變形＜1％在100℃的壓縮永久變形＜5％密度201b/ft3(0.32千克/升)
拉伸強度45psi(310MPa)伸長率80％體積電阻率1014歐姆-厘米所述襯墊材料通常需要在25％應變(變形)下壓縮力小于180MPa，更優(yōu)選小于120MPa，最優(yōu)選小于60MPa。所述襯墊材料通常在70℃具有小于5％的壓縮永久變形，更優(yōu)選小于3％，最優(yōu)選小于1％。所述襯墊材料通常是不導電的。
所述襯墊可具有合適的非壓縮厚度，這樣它可用于密封。通常，所述襯墊的非壓縮厚度為GDL的非壓縮厚度的50-300％，更優(yōu)選為GDL厚度的80-200％，最優(yōu)選為GDL厚度的100-150％。
本發(fā)明的MEA可用于燃料電池組中，如與本申請同日提交的待審美國專利申請?zhí)?0/294224所述。
本發(fā)明用于燃料電池MEA、電池組和系統(tǒng)的設(shè)計和制造。
本發(fā)明的各種改進和變化對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說是顯而易見的，它們并沒有離開本發(fā)明的范圍和原理。應該理解，本發(fā)明的并沒有局限于上述的描述性實例。
權(quán)利要求
1.一種有襯墊的燃料電池膜電極組件，它包括燃料電池膜電極組件和襯墊，所述襯墊包括閉孔泡沫橡膠。
2.如權(quán)利要求1所述的有襯墊的燃料電池膜電極組件，其特征在于所述閉孔泡沫橡膠包括硅氧烷。
3.如權(quán)利要求1所述的有襯墊的燃料電池膜電極組件，其特征在于所述閉孔泡沫橡膠基本由硅氧烷組成。
4.如權(quán)利要求1所述的有襯墊的燃料電池膜電極組件，它不包括硬阻擋層。
5.如權(quán)利要求2所述的有襯墊的燃料電池膜電極組件，它不包括硬阻擋層。
6.如權(quán)利要求3所述的有襯墊的燃料電池膜電極組件，它不包括硬阻擋層。
7.如權(quán)利要求1所述的有襯墊的燃料電池膜電極組件，它包括周邊密封區(qū)域，其中所述有襯墊的燃料電池膜電極組件基本上由離子導電膜和閉孔泡沫橡膠襯墊組成。
8.如權(quán)利要求7所述的有襯墊的燃料電池膜電極組件，其特征在于所述閉孔泡沫橡膠包括硅氧烷。
9.如權(quán)利要求7所述的有襯墊的燃料電池膜電極組件，其特征在于所述閉孔泡沫橡膠基本由硅氧烷組成。
10.如權(quán)利要求1所述的有襯墊的燃料電池膜電極組件，它包括周邊密封區(qū)域，其中所述有襯墊的燃料電池膜電極組件基本上由離子導電膜、粘合劑和閉孔泡沫橡膠襯墊組成。
11.如權(quán)利要求10所述的有襯墊的燃料電池膜電極組件，其特征在于所述閉孔泡沫橡膠包括硅氧烷。
12.如權(quán)利要求10所述的有襯墊的燃料電池膜電極組件，其特征在于所述閉孔橡膠基本由硅氧烷組成。
13.如權(quán)利要求1所述的有襯墊的燃料電池膜電極組件，它包括周邊密封區(qū)域，其中所述有襯墊的燃料電池膜電極組件基本上由涂有催化劑的膜、閉孔泡沫橡膠襯墊組成。
14.如權(quán)利要求13所述的有襯墊的燃料電池膜電極組件，其特征在于所述閉孔泡沫橡膠包括硅氧烷。
15.如權(quán)利要求13所述的有襯墊的燃料電池膜電極組件，其特征在于所述閉孔泡沫橡膠基本由硅氧烷組成。
16.如權(quán)利要求1所述的有襯墊的燃料電池膜電極組件，它包括周邊密封區(qū)域，其中所述有襯墊的燃料電池膜電極組件基本上由涂有催化劑的膜、粘合劑和閉孔泡沫橡膠襯墊組成。
17.如權(quán)利要求16所述的有襯墊的燃料電池膜電極組件，其特征在于所述閉孔泡沫橡膠包括硅氧烷。
18.如權(quán)利要求16所述的襯墊的燃料電池膜電極組件，其特征在于所述閉孔泡沫橡膠基本由硅氧烷組成。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種襯墊的燃料電池膜電極組件，它包括燃料電池膜電極組件和襯墊，當所述襯墊包括閉孔泡沫橡膠時，它通常是硅氧烷泡沫橡膠。所述膜電極組件(MEA)通常包括周邊密封區(qū)域，其中所述MEA基本由其中心離子導電膜層或涂有催化劑的膜和閉孔泡沫材料組成，所述MEA任選附著有粘合劑。通常，本發(fā)明的襯墊的燃料電池膜電極不包括硬阻擋層。
文檔編號H01M8/02GK1701458SQ03825159
公開日2005年11月23日 申請日期2003年9月19日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月14日
發(fā)明者M·K·德比, A·J·斯坦巴克 申請人:3M創(chuàng)新有限公司