[发明专利]用于PEM燃料电池的具有边缘保护的膜电极组件的制造

说明书

技术领域

【0001】本发明通常涉及燃料电池，且更具体地是涉及用于构建表现出加强的耐久性的膜电极组件的新的以及改善的方法。

背景技术

【0002】燃料电池已经在许多领域中用作电源。例如，已经计划将燃料电池用于电动车电源工厂来取代内燃机。在质子交换膜(PEM)型燃料电池中，氢供给给燃料电池的阳极和氧作为氧化剂供给给阴极。PEM燃料电池包括膜电极组件(MEA)，所述膜电极组件包括薄的、质子传导的、不导电的固体聚合物电解质膜，在所述膜的一面具有阳极催化剂，在其相对面具有阴极催化剂。夹在一对导电元件之间的MEA，有时称之为气体扩散介质元件，其：(1)作为用于阳极和阴极的集电器；(2)包括在其中用于将燃料电池气体反应物分配到各阳极和阴极催化剂表面上的适当的开口；(3)除去电极上产生的水蒸汽或液态水到流场通道；(4)是热传导的用于热消耗；和(5)具有机械强度。根据上下文，所述术语燃料电池通常是用于指或者单个电池或者多个电池(例如堆)。多个独立电池通常捆扎在一起以形成燃料电池堆并通常布置为串联。堆内部的每个电池包含先前描述的MEA，且每个这种MEA提供电压增加。

【0003】在PEM燃料电池中，氢(H₂)是阳极反应物(也就是燃料)，而氧是阴极反应物(也就是氧化剂)。所述氧可以是纯氧(O₂)，或者是空气(O₂和N₂的混合物)。所述固体聚合物电解质通常是由例如全氟磺酸等离子交换树脂制成。所述阳极/阴极通常包括细分散的催化剂颗粒，其通常负载在碳颗粒上，且与质子导电树脂混合。所述催化剂颗粒通常是贵重的贵金属颗粒。制备这些膜电极组件是相对昂贵的，为实现有效的运转，需要特定的条件，所述条件包括合适的水控制和增湿，以及例如一氧化碳(CO)等催化剂污染成分的控制。

【0004】涉及PEM及其它相关类型的燃料电池体系的技术实例可以在共同转让的专利中找到，所述专利为Witherspoon等的U.S专利No.3,985,578；Swathirajan等的5,272,017；Li等的5,624,769；Neutzler等的5,776,624；DiPierno Bosco等的6,103,409；Swathirajan等的6,277,513；Woods III等的6,350,539；Fronk等的6,372,376；Mathias等的6,376,111；Vyas等的6,521,381；Sompalli等的6,524,736；Senner的6,528,191；Fly等的6,566,004；Forte等的6,630,260；Fly等的6,663,994；Senner的6,740,433；Nelson等的6,777,120；Brady等的6,793,544；Rapaport等的6,794,068；Blunk等的6,811,918；Mathias等的6,824,909；Senner等的U.S专利申请公开No.2004/0229087；O′Hara的2005/0026012；O′Hara等的2005/0026018；和O′Hara等的2005/0026523，其中所有的说明在此全文引入作为参考。

【0005】可以使用燃料电池辅助垫圈以实现下列功能：(1)因为所述离聚物膜是柔软材料，其尺寸随温度和相对湿度强烈变化，辅助垫圈对所述膜的密封区域提供坚固和尺寸上稳定的材料(例如PET或PEN)；(2)因为所述离聚物膜是柔软的，辅助垫圈的使用允许增加密封负载而不会破坏膜；(3)PEM燃料电池中不同部件的边缘可导致在所述膜上的局部应力集中(例如，辅助垫圈的使用可以防止这些边缘导致膜过早损坏)；和(4)辅助垫圈边缘的定位可以用于在催化剂边缘控制活性(例如，如果所述辅助垫圈是不渗透的，其可以防止反应物到达所述催化剂，因此所述辅助垫圈边缘可以控制所述催化剂的有效活性边缘)。已证实通过使用辅助垫圈而人工控制催化剂边缘，MEA的寿命得到显著的改善。