用襯墊裝配的膜電極接合體和應用其的燃料電池系統的製作方法
2023-05-20 08:10:46 1
專利名稱:用襯墊裝配的膜電極接合體和應用其的燃料電池系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及用襯墊裝配的膜電極接合體和包含其的燃料電池系統。因為襯墊和膜電極接合體作為單一的主體提供，故當燃料電池工作時氣體，如可燃氣體和氧化氣體的洩漏減少。各種材料可以被選擇用於製備每一層，並且隨其燃料電池的製備過程簡單，因此用襯墊裝配的膜電極接合體適用於燃料電池的大規模生產。
背景技術：
燃料電池作為新的電力生產系統變得更加重要。在不久的將來，燃料電池可能替代當前使用的電力資源應用於汽車、住宅電力發電機和可攜式產品。
聚合物電解質燃料電池是通過電化學反應將燃料的化學能轉換為電能的直流電電力發生器。燃料電池是一連續合成體(continuouscomplex)，其包含作為燃料電池核心的膜電極接合體(MEA)和收集電流並提供燃料的隔板(或雙極性板)。膜電極接合體是氫離子被遷移到的聚合物膜，與甲醇溶液或像氫的燃料在此處通過電化學催化反應與空氣反應的電極的聯合體。
電化學反應由在燃料電極處的電化學氧化反應和在空氣電極處的電化學還原反應這兩個單獨的反應組成。燃料電極和空氣電極被電解質隔開。在直接甲醇燃料電池中，燃料電極被供應甲醇和替代氫的水，在甲醇氧化過程中產生的氫離子沿著聚合物電解質移動到空氣電極，然後與空氣電極提供的氧氣發生還原反應以產生電流。
如果從各電極供應的燃料或者氧化劑穿過電解質膜，那麼這對燃料電池的性能具有負面影響。據此，有必要防止燃料和氧化氣體穿過電解質膜並混合。防止燃料和氧化氣體混合的能力與聚合物電解質膜的性質有關。在這點上，襯墊被設置在電極區域之外的膜電極接合體的周圍部分上，從而防止燃料或者氧化氣體穿過膜電極並混合。然而，因為電解質膜相當昂貴，在膜電極接合體內的電解質膜的周圍部分用新的襯墊替代以降低燃料電池的價格。
另外，對於傳統的電解質膜接合體和襯墊來說，通常通過澆鑄方法來製造。澆鑄方法不適於連續的大規模生產，並且由於電解質膜的酸性，與電解質膜直接接觸的襯墊必須僅由具有耐酸性的滷化樹脂製成。
專利號為6,316,139的美國專利公開了一種結合的膜電極接合體，其插入到一對襯墊之間，所述襯墊的每一個由橡膠層(elastomer layer)和粘附層組成。
日本專利申請公開號JP H09-097619公開了一種結合的膜電極接合體，其插入到一對包括在丙烯酸基體上形成的彈性層的襯墊之間，並且該丙烯酸基體通過粘附層粘附到隔板的一側。
日本專利申請公開號JP 2002-329512公開了一種燃料電池的襯墊，該襯墊的主體由具有樹脂薄膜、粘附劑和釋放膜(releasing film)的多層薄膜的彈性材料組件製成。通過剝去釋放膜，襯墊用粘附劑安置在聚合物電解質膜上。然而，在該方法中，僅去除釋放膜的一部分，從而減少了聚合物電解質膜和襯墊之間的粘附性。
發明內容為了解決現有技術中的問題，當本發明的發明人研究能替代用作膜電極接合體的周圍部分的電解質膜的新的襯墊材料時，他們發現通過將膜電極接合體的周圍部分粘附到具有粘附劑的襯墊上可以獲得用襯墊裝配的膜電極接合體。
本發明的目的在於提供一種用於替代昂貴的電解質膜的新的襯墊材料，並且因此降低燃料電池的價格。本發明的另一個目的在於提供一種當裝配燃料電池或燃料電池組時易於操作的用襯墊裝配的膜電極接合體。
圖1為根據本發明的一個實施例的用襯墊裝配的膜電極接合體的主視圖。
圖2為沿著圖1中的I-I』線切割的截面的截面圖。
圖3為根據本發明的一個實施例的裝備有開口的多層薄膜襯墊的製造方法的操作程序圖。
圖4為包含陰極、陽極和電解質膜的膜電極接合體的截面圖。
圖5為根據本發明的一個實施例的用襯墊裝配的膜電極接合體的操作程序圖。
圖6為隔板安置在膜電極接合體兩側的燃料電池的單元電池的截面圖。
具體實施方式本發明涉及用襯墊裝配的膜電極接合體，該襯墊安置在膜電極接合體的每一側，該膜電極接合體包括陰極、陽極和聚合物電解質膜，其中襯墊為包含彈性層和形成在支撐層的每一側上的粘附層的多層薄膜。
在用襯墊裝配的膜電極接合體中，通過固化多層襯墊中的粘附層來粘附聚合物電解質膜的預定區域而將襯墊與膜電極接合體結合到一起。
另外，本發明涉及一燃料電池系統，其包含插入到一對隔板之間的用襯墊裝配的膜電極接合體。
進一步，本發明涉及一燃料電池系統，其包含由燃料電池的多個單元電池形成的燃料電池組和用於注入可燃氣體和氧化氣體的氣體供應部分。
現在詳細解釋本發明。
根據本發明，襯墊薄膜可以與聚合物電解質膜結合到一起，並且在燃料電池工作時可燃氣體和氧化氣體的洩漏減少。另外，各種材料可以被選擇用於襯墊的每一層。因此，由於其簡單的製造過程適於聚合物燃料電池的大規模生產。
圖1為根據本發明的用襯墊裝配的膜電極接合體200的主視圖，圖2為沿著圖1中的I-I』線切割的截面的截面圖。
參照圖1和圖2，用襯墊裝配的膜電極接合體200具有這樣的結構電極60(62+64)處於一對具有開口的多層襯墊100a、100b之間。膜電極接合體的聚合物電解質膜42插入到襯墊的粘附層22a和22b之間。襯墊為通過在粘附層22a、22b上順序堆疊支撐層24a、24b和彈性層26a、26b而形成的多層薄膜。
粘附層22a、22b用於將多層襯墊粘附到膜電極接合體。為了獲得充分的密封，具有耐水、熱和酸的材料可以用於粘附層。
優選地，粘附層22a、22b的材料可以是任何具有耐燃料電池工作時產生的熱的粘附劑，並且更優選地耐150到200℃的熱。
粘附劑的例子包括矽樹脂、環氧樹脂、丙烯酸類樹脂和聚酯-聚氨基甲酸酯的雙組份樹脂。為了獲得充分的粘附和密封，粘附層22a、22b的厚度為10到200μm，並且更優選地為50到100μm。
支撐層24a、24b防止彈性層26a、26b與聚合物電解質膜直接接觸。聚合物電解質膜包括有機或者聚合物電解質以傳輸氫離子，因此其為酸性。因此，如果聚合物電解質膜長時間接觸到彈性層26a、26b，其開始腐蝕彈性層。支撐層24a、24b分離了聚合物電解質膜和彈性層以防止彈性層的腐蝕。另外，支撐層24a、24b形成了襯墊的形狀，並且能耐受由粘附聚合物電解質膜到膜電極接合體引起的壓力。
任何易於形成薄膜以及具有尺寸穩定型和耐久性的材料可以用於支撐層24a、24b。例如，可以使用聚酯，如聚乙烯對苯二甲酸酯和聚丁烯對苯二甲酸酯，聚醯胺，聚苯乙烯，和聚烯烴，如聚乙烯、聚丙烯及其共聚物。為了提高分界面性質，可以通過等離子體改變這些材料。
支撐層24a、24b通過通常的幹法和溼法製備成薄膜形狀。為了提供支撐層24a、24b合適的強度，支撐層的厚度為50到200μm，更優選地為100到150μm。支撐層24a、24b厚度的設計要考慮到在後續步驟中插入的聚合物電解質膜的厚度。如果厚度小於50μm，支撐層不能充分地支撐膜電極接合體，因此不能提供襯墊功能。
彈性層26a、26b用於承受在密封聚合物電解質膜42的端部之後在裝配膜電極接合體與聚合物電解質膜的過程中的壓力的重壓。彈性層的材料為液態型彈性材料。液態型彈性材料的例子有天然橡膠，和合成橡膠，如三元乙丙(ethylene-propylene-diene monomer，EPDM)橡膠、腈基丁二烯(nitrile butadiene rubber，NBR)橡膠、矽橡膠、丙烯酸類橡膠和聚氨基甲酸酯，並且優選的彈性材料為矽橡膠。
彈性層26a、26b厚度的設計要考慮到在後續步驟中裝配的陰極和陽極。優選地，該厚度等於電極的厚度，為50到300μm。如果彈性層26a、26b的厚度與電極的厚度相比過厚或過薄，堆疊膜電極接合體變得不緊固並且會在後續的燃料電池堆疊過程中由於彈性層和電極厚度的差別被推出來。
該包括粘附層22a、22b，支撐層24a、24b和彈性層26a、26b的多層襯墊具有開口A以插入聚合物電解質膜的周圍部分。開口A形成在粘附層22a、22b和支撐層24a、46b上，到支撐層24a、24b和彈性層26a、26b的交界面。
圖3為顯示具有開口的多層襯墊的製造方法的操作程序圖。
參照圖3，具有開口的多層薄膜100a通過以下步驟製備a)通過在支撐層24a一側塗覆並固化彈性材料製成彈性層26a；b)通過在支撐層24a另一側塗覆粘附劑製成多層薄膜；以及c)通過對多層薄膜的內部圓形部分衝孔製成開口A。
在衝孔過程中，保護薄膜(未示出)被堆疊到粘附層22a的一側以保護它。
彈性層26a通過在步驟a)中製備的支撐層24a的一側塗覆、乾燥和固化液態型彈性材料製成。乾燥和固化條件可以根據使用的彈性材料的種類被合適地調整。
在步驟c)中，支撐層24a的沒有形成支撐層24a的另一側被塗覆粘附劑並被乾燥以製成粘附層22a。
在步驟d)中，多層的粘附層/支撐層/彈性層22a/24a/26a的內部部分被衝孔以製成開口A。在衝孔步驟前，保護薄膜被堆疊到粘附層22a的一側，被衝孔，並接著在結合步驟前被剝離。
保護薄膜防止粘附層22a彼此粘附，並有助於多層薄膜的粘附和分離。可以使用該領域中常用的保護薄膜，例如，聚酯，如聚乙烯對苯二甲酸酯和聚丁烯對苯二甲酸酯。
當在具有開口的多層薄膜之間堆疊膜電極接合體之後，粘附層被硬化以製造用襯墊裝配的膜電極接合體。
圖4為包含陰極、陽極和電解質膜的膜電極接合體的截面圖。
參照圖4，膜電極接合體包括插入到陰極64和陽極62之間的聚合物電解質膜42。聚合物電解質膜42的暴露部分的寬度等於或小於通過衝孔過程製備的襯墊薄膜100a的寬度。
本發明的聚合物電解質膜42的材料為本領域常用材料而沒有限制。例如，使用聚(全氟磺酸)，杜邦銷售的NafionTM被廣泛使用。
陰極和陽極62、64執行燃料電池的電化學反應。電極60通常包含用於加速電極的氧化和還原反應的催化劑層，以及用於支撐催化劑層和注入可燃氣體和氧化氣體到電極的氣體擴散層。所有用於燃料電池的催化劑可以在本發明中使用，例如，鉑(Pt)催化劑和由碳承載的鉑(Pt)催化劑。電極的厚度依賴於催化劑的數量。
圖5為根據本發明的一個實施例的用襯墊裝配的膜電極接合體的操作程序圖。
參照圖5，製備用襯墊裝配的膜電極接合體的方法包含步驟(i)使粘附層相對並彼此相對地順序安置一對堆疊有粘附層22a、22b，支撐層24a、24b和彈性層26a、26b的多層薄膜；(ii)在一對多層薄膜100a、100b之間插入膜電極接合體200；以及(iii)固化粘附層22a、22b。
固化過程依賴於粘附層的材料而不同，且優選地通過紫外線照射、X射線照射或加熱完成。
通過上述過程，製成包括粘附層、支撐層和彈性層的多層薄膜。具有陰極、陽極和聚合物電解質膜的膜電極接合體被插入到一對內部具有開口的襯墊中以面對粘附層22a、22b，並接著被結合以獲得用襯墊裝配的膜電極接合體。
優選地，用襯墊裝配的膜電極接合體可以用於燃料電池。
圖6為裝配有本發明的用襯墊裝配的膜電極接合體的燃料電池的單元電池的截面圖。
參照圖6，燃料電池300具有這樣的結構用襯墊裝配的膜電極接合體200插入到一對隔板(或雙極性板220、240)之間。
隔板未在圖6中示出，但其形成了具有確定形狀的流通路徑以注入可燃氣體和氧化氣體以及收集電流。
隨後，燃料電池通過堆疊多個單元電池形成。多個堆疊的襯墊的前述區域被衝孔，優選地在同一位置堆疊單元電池從而被衝孔的區域在同一位置。
因此，包括燃料電池組的燃料電池系統包含用於燃料電池的堆疊，該燃料電池包括用襯墊裝配的膜電極接合體和位於膜電極接合體兩側的隔板，以及為燃料電池的堆疊供應可燃氣體和氧化氣體的氣體供應部分。
根據本發明，襯墊薄膜可以與聚合物電解質膜結合，並且燃料電池工作時可燃氣體和氧化氣體的洩漏減少。另外，各種材料可以被選擇用於襯墊的每一層。因此，由於其簡單的製造過程其可適於聚合物燃料電池的大規模生產。
下面的例子進一步詳細說明了本發明，但不限制本發明的範圍。
樣例1100μm厚的聚酯對苯二甲酸酯薄膜用作支撐層，並且通過電暈放電對其表面處理。接著，利用刮板塗覆方法(doctor blade coating method)通過塗覆液態矽樹脂於支撐層的上側製備200μm厚的彈性層，並固化。隨後，利用通過棒式塗鍍設備在2～3g/m2的塗覆量下塗覆和乾燥聚酯-聚氨基甲酸酯的聚合物的雙組份樹脂粘附劑。
當在多層薄膜上形成50μm厚的聚合物保護薄膜後，通過手動衝床衝出稍大於電極的矩形尺寸形成開口。保護薄膜被去除。在面對粘附層安置具有開口的多層薄膜之後，製備的膜電極接合體被插入並接著在60℃下留在烘箱內達24小時以完全硬化粘附層。因此，製備成結合了襯墊的膜電極接合體。
膜電極接合體的聚合物電解質膜為通過普通的薄膜鑄塑方法製備的150μm厚的NAFIONTM膜(杜邦)。陽極和陰極電極為承載在碳紙(Pt/C)一側的鉑(Pt)催化劑。
測試樣例1氣體滲透性測量為了測試用襯墊裝配的膜電極接合體的氣體滲透性，進行了如下的測試。
燃料電池的單元電池通過安置用襯墊裝配的膜電極接合體與隔板接觸形成，並且被注入穿過增溼器到達一個電極的氮氣。該單元電池的溫度為70℃。在通過注入1小時的氮氣充分地增溼電極之後，通過加壓到最大值4atm並在另一側檢測電極的氣體滲透性來測量氣體滲透性。
通過連接管子到與注入氮氣的電極相對的電極並將該管子浸入水浴中來執行氮氣的檢測。結果，在測試過程中沒有產生氣泡，因此通過本發明製備的用襯墊裝配的膜電極接合體可以防止可燃氣體和氧化氣體的洩漏。利用本發明的結合膜電極接合體與襯墊的方法，電解質膜和襯墊的接合體可以大量製造，並且可以選擇各種襯墊材料。
權利要求
1.一種用襯墊裝配的膜電極接合體，包括安置在膜電極接合體的每一側的襯墊，所述膜電極接合體包括陰極、陽極和聚合物電解質膜，其中襯墊為包含彈性層和形成在一支撐層的每一側上的粘附層的多層薄膜。
2.如權利要求
1所述的用襯墊裝配的膜電極接合體，其中聚合物電解質膜的預定區域粘附於襯墊的粘附層。
3.如權利要求
1所述的用襯墊裝配的膜電極接合體，其中粘附層由從組中選出的材料製備，所述組包括矽樹脂、環氧樹脂、丙烯酸類樹脂和聚酯-聚氨基甲酸酯的聚合製備的雙組份樹脂。
4.如權利要求
1所述的用襯墊裝配的膜電極接合體，其中粘附層具有10-200μm的厚度。
5.如權利要求
1所述的用襯墊裝配的膜電極接合體，其中支撐層由從組中選出的材料製備，所述組包括聚酯、聚醯胺、聚苯乙烯、以及從包括聚乙烯和聚丙烯以及其共聚物的組中選出的聚烯烴。
6.如權利要求
1所述的用襯墊裝配的膜電極接合體，其中支撐層具有50-200μm的厚度。
7.如權利要求
1所述的用襯墊裝配的膜電極接合體，其中彈性層由從組中選出的材料製備，所述組包括天然橡膠、三元乙丙橡膠(EPDM)、腈基丁二烯橡膠(NBR)、矽橡膠、丙烯酸類橡膠和聚氨基甲酸酯。
8.如權利要求
1所述的用襯墊裝配的膜電極接合體，其中彈性層具有50-300μm的厚度。
9.一種製備用襯墊裝配的膜電極接合體的方法，其包括步驟安置一對順序堆疊有粘附層、支撐層和彈性層的多層薄膜以使粘附層相對並彼此相對；在多層薄膜之間插入膜電極接合體；以及固化粘附層。
10.如權利要求
9所述的製備用襯墊裝配的膜電極接合體的方法，其中多層薄膜由以下步驟製備通過在支撐層的一側塗覆和固化彈性材料形成彈性層，通過在支撐層的未處理的另一側塗覆粘合劑形成粘附層，接著對多層薄膜的內部表面衝孔以製成開口。
11.一種包含插入到一對隔板之間的如權利要求
1所述的用襯墊裝配的膜電極接合體的燃料電池。
專利摘要
本發明涉及一種用襯墊裝配的膜電極接合體，其包括安置在所述膜電極接合體的每一側的襯墊，所述膜電極接合體包括陰極、陽極和聚合物電解質膜，其中襯墊為包含彈性層和形成在支撐層的每一側上的粘附層的多層薄膜。根據本發明，襯墊薄膜可以與聚合物電解質膜結合到一起，並且在燃料電池工作時可燃氣體和氧化氣體的洩漏減少。另外，各種材料可以選擇用於襯墊的每一層。因此，由於其簡單的製造過程其可以適用於聚合物燃料電池的大規模生產。
文檔編號H01M8/02GK1993851SQ20068000054
公開日2007年7月4日 申請日期2006年1月11日
發明者宋星旻, 文高永, 李源鎬, 鄭夏澈, 樸京一, 柳惶燦, 李尚鉉 申請人:Lg化學株式會社導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan