[发明专利]膜电极组件

说明书

技术领域

本发明涉及膜电极组件。

背景技术

电化学电池，具体地包括固体聚合物燃料电池和电解槽，通常由膜电极组件(MEA)和刚性的金属或石墨双极板构成，所述MEA包含在刚性的用来传递燃料的歧管(manifold)结构中，所述双极板用来分隔电池堆中的各个电池。

此外，各个MEA一般被构造成使催化剂被压入到热塑膜(是工业标准材料的Nafion)的表面中，并且使传导电极被压到催化剂涂层上。通过约束歧道和/或双电极板结构在MEA的整个区域施加压力，而保持电极接触。

该常规结构在历史上起源于“压滤机”方法，效果显著。但是，该结构是刚性的，抗振性差，并且不太适合于生产具有优良抗振性或机械柔性的轻型电池。

WO03/023890描述了制造MEA和整个电池堆，它们能生产具有重量轻及柔性、抗振结构的电化学电池，特别是燃料电池和电解槽。

发明内容

依照本发明的第一方面，柔性MEA包括一个由电极、催化剂和离聚膜材料形成的集成组件。

根据本发明的第二方面，用于制造MEA的方法包括向催化剂和电极添加单体或前聚合物形式的离聚物，并且原位(in situ)聚合单体和前聚合物。

附图说明

将参考附图说明本发明。

图1显示了一种柔性燃料电池，其中通过内部反应物流体(气体或液体)向催化剂/电极结构施加压力。

图2是多腔室注射铸模和焊造结构的燃料电池。

图3显示自身柔性MEA。

图4是一个刚性电池的连接堆的示例。

具体实施方式

本发明的实施方案是：

(A)一个自身柔性单电池，其可以是弹性的或可复原的柔性，不需要施加或维持由某个外部结构施加的压力。

(B)一个自身柔性电池堆，其中各个电池本身是柔性的，但堆的设计可以改变各个电池固有的柔韧度。

(C)一个由各个非柔性电池嵌合组成的柔性堆，即连接堆；所有的柔性都是由堆的设计和电池间连接赋予的。

(D)一个柔性电池或电池堆，由不满足上述(A)所要求的任一或所有标准的MEA组成：特别地，将MEA固定在一起，以及为保持电接触所需的由外部结构施加的压力允许施加外部压力而保持柔性。仅用于说明目的，图1示出了这样的结构。

所有的情况下，“柔性的”这种描述可适用于这样一种结构，其可变形并且然后在再整形之前保持这个新的变形状态，即它不需要施加外力就能维持这个变形的形状；也可适用于这样一种结构，其通常试图恢复它原先的形状，需要外力维持在新的或变形的状态。

采用柔性的，意味着电池或电池堆本身是柔性的，柔韧度由结构的性能(初始为平直的)表示，弯曲到给定的半径并且恢复到原先平直的形式而没有明显降低运行效率。这个定义是象征性的；它不能明确地适用于复杂的多电池堆结构，例如以图3所示的形式；这是一个优选的“华夫饼(waffle)”形状，例如，其在MEA上具有不同的拉伸特性(沿着褶)或弯曲特性。

在一个优选实施方案中，MEA绕直径为100厘米的圆筒的表面弯曲，同时与圆筒表面保持连续接触。

在另一个优选实施方案中，MEA在二维上是柔性的，并且能绕直径为100厘米的球体弯曲，同时与球体表面保持连续接触。

在燃料电池堆中，柔性可能仅应用在一个方向；该装置可能在另一个方向相对僵硬，例如，它可以是折叠的或手风琴状的堆设计。

在下面的状况下可获得柔性：

(i)把电极(无论它是金属的、碳纤的还是聚合物的)粘合到离聚物表面中或表面上；通过使用WO03/023890的方法这容易实现，其中通过原位聚合电极合并到离聚物表面中。通过使用离子活性粘合剂，这也可以实现。

(ii)把催化剂粘合到离聚物表面中或表面上，也可能粘合到电极表面上。

(iii)把离聚物附到一种非离子(但为了匹配膨胀应变可能是吸水的和/或可能有预应力的)结构，以利于与歧管或其它外部结构的连接，以及电学上从相邻的电池中电子地和离子地分离出一个电池。通过使用合适的粘合剂，这可以实现，但优先使用如在GB1463301公开的互穿聚合物网络系统(IPN)。

(iv)使用聚合物(如在WO03/023890公开的)或者一些预制和结合到或者形成在MEA结构的其它可变形材料构造柔性歧管。