[发明专利]用于整体式膜电极组件的设计、方法和工艺

说明书

发明领域

本发明涉及一种用于燃料电池的膜电极组件，并且涉及一种用于制备膜电极组件的方法和工艺。

发明背景

作为用于电动车辆和其它应用的能源，燃料电池正处于开发中。这样的一种燃料电池是PEM(即质子交换膜)燃料电池，PEM燃料电池包括具有薄的固体聚合物膜电解质的所谓“膜电极组件”(MEA)，该膜电解质在其对立面上具有一对电极(即阳极和阴极)。MEA夹持在平坦的气体分布元件之间。

在这些PEM燃料电池中，同膜电解质相比较，电极典型地具有较小的表面面积，以致于膜电解质边缘自电极向外突出。在这些膜电解质边缘，设置从外部构框住电极的衬垫或封口。然而，由于制造公差的限制，封口、MEA和气体分布元件没有充分精确地对准。由于这些元件的未对准，会产生在膜电解质边缘的缺陷，并缩短燃料电池的使用寿命和降低燃料电池的性能。

此外，通过交叉气体反应(氢从阳极到阴极，而氧从阴极到阳极)产生的自由基，引起膜和电极中电解质的化学侵蚀，当膜电解质自湿润到干燥条件循环时因膜收缩而在膜电解质上引起的拉应力，以及因化学侵蚀而产生的膜电解质化学降解，也会影响燃料电池的寿命和性能。正因如此，希望开发一种消除以上缺陷的PEM燃料电池。

发明概述

本发明鉴于以上期望已在开发，并提供一种包括具有离子传导性部件、电极和电传导性部件的组件的燃料电池。组件还包括设置在组件外围边缘的粘合剂，粘合剂粘合电传导性部件、电极和离子传导性部件，并提供机械支撑和抑制反应气体透过离子传导性部件的渗入。

为了制造上述燃料电池，也已开发了一种方法，该方法包括步骤：将粘合剂施加在电极的边缘和离子传导性部件的外围表面上，以致于设置在电极上的电传导性部件可粘结到电极上和离子传导性部件的外围表面上。该方法还包括在施加粘合剂之前预处理电极、离子传导性部件和电传导性部件的表面。

从下文所提供的详细说明中，可以清楚本发明可适用的其它领域。应该理解，详细说明和特定示例虽然显示了本发明的优选实施例，但只是用于示例目的，而非试图限制本发明的范围。

附图简述

从详细说明和附图中将更完整地了解本发明，其中：

图1A和图1B是根据本发明的原理和第一实施例的膜电极组件(MEA)的分解截面图；

图2是现有技术的膜电极组件的截面图；

图3是图1A和图1B示出的MEA装配形态的截面图；

图4是图3示出的MEA的截面图，描述了预防气体浓缩流从膜电解质中穿过；和

图5是根据本发明的原理和第二实施例的MEA的截面图。

优选实施例的详细说明

以下对优选实施例的描述在本质上只是示例性的，并非试图限制本发明、其应用或用途。

图1A和图1B是根据本发明原理的膜电极组件(MEA)的分解截面图。如图1A和图1B所示，MEA 2包括设置在阳极电极6和阴极电极8之间的离子传导性部件4。MEA 2另外设置在一对电传导性部件10和12或者气体扩散介质10和12之间。框形衬垫14和16从外围环绕气体扩散介质10和12。衬垫14和16和扩散介质10和12可或不可叠加在离子传导性部件4和/或电极6和8上。

离子传导性部件4优选是固体聚合物膜电解质，并且优选是PEM。部件4在这里也称为膜4。优选地，离子传导性部件4的厚度处于大约10μm-100μm的范围内，并且更优选地是大约为25μm的厚度。适合用于这种膜电解质的聚合物，在本技术领域是众所周知的，并在美国专利Nos.5,272,017和3,134,697以及其它专利和非专利文献中都有描述。然而，应当注意，离子传导性部件4的组成可包括本技术领域通常使用的任何质子可导聚合物。优选地，使用全氟磺酸聚合物如NAFION^。此外，聚合物可以是单组分的膜，包含其它材料的机械支撑细纤维，或者散置有颗粒(例如硅石、沸石或其它类似颗粒)。作为备选，聚合物或离聚物可通过其它材料的孔隙携带。

在本发明的燃料电池中，离子传导性部件4是一种可渗透阳离子的质子可导膜，其把H+离子作为移动离子；可燃气体是氢气(或重整产品)，而氧化剂是氧气或空气。总电解反应是氢气变为水的氧化作用，并且在阳极和阴极的各自反应为H₂＝2H⁺+2e^-(阳极)和1/2 O₂+2H⁺+2e^-＝H₂O(阴极)。