[发明专利]对用于燃料电池的MEA材料自动冲孔和结合的设备

说明书

相关申请的交叉引用

按据35U.S.C§119(a)，本申请要求于2008年4月11日提交的韩 国专利申请第10-2008-0033938号的优先权，其全部内容引入本文作为 参考。

技术领域

本发明涉及对燃料电池的薄膜电极组件(MEA)材料自动冲孔和 与之结合的设备。更具体地，本发明涉及用于对燃料电池的MEA材料 自动冲孔和结合的设备，其可通过改进手工制造5层MEA材料的常规 方法而自动并且连续对MEA材料执行冲孔处理和结合处理。

背景技术.

燃料电池是不通过燃烧将燃料的化学能转换为热量，而是在燃料 电池组中直接将化学能电化学地转换为电能的电生成系统。燃料电池 可被应用于为小型电/电子装置(例如便携式装置)供应电能，也为工 业、家庭和车辆供应电能。

目前，最引人关注的用于车辆的燃料电池为聚合物电解质薄膜燃 料电池(PEMFC)，也称为质子交换薄膜燃料电池，其在燃料电池中具 有最高的能量密度。PEMFC由于其低操作温度，具有能量转化的快速 启动时间和快速反应时间。

PEMFC包括：薄膜电极组件(此后称为MEA)，其包括用于传送 氢离子的聚合物电解质薄膜、和布置在聚合物电解质薄膜两侧的电极/ 催化剂层，在该电极/催化剂层中发生电化学反应；用于均匀散播反应 物气体和传输生成的电的气体扩散层(此后称为GDL)；用于保持反应 物气体和冷却剂的密封性并且用于提供适当的结合压力的垫圈和密封 部件；和用于传送反应物气体和冷却剂的双极板。

在具有上述构造的燃料电池中，氢作为燃料被供应到阳极(也称 为燃料电极或氧化电极)，并且氧(气)作为氧化剂被供应到阴极(也 称为气体电极、氧电极或还原电极)。

供应到阳极的氢由设置在电解质薄膜两侧的电极/催化剂层的催化 剂解离为氢离子(质子，H⁺)和电子(e^-)。此时，仅氢离子通过优选 为阳离子交换薄膜的电解质薄膜被传输到阴极，并且同时，电子通过 用作导体的GDL和双极板被传输到阳极。

在阳极，通过电解质薄膜供应的氢离子和通过双极板传输的电子 遇到由空气供应器供应到阳极的空气中的氧气，并且引起生成水的反 应。

由于此时产生的氢离子的运动，通过外部导线的电子流产生，并 且因此生成电流。

在聚合物电解质薄膜燃料电池中的电极反应可由以下公式表示：

在阳极的反应：2H₂→4H⁺+4e^-

在阴极的反应：O₂+4H⁺+4e^-→2H₂O

总体反应：2H₂+O₂→2H₂O+电能+热能

如以上反应式所示，氢分子在阳极解离为四个氢离子和四个电子。 生成的电子通过外部电路移动以生成电流，并且生成的氢离子通过电 解质薄膜移动到阴极以执行还原电极反应。

燃料电池组通过重复堆叠多个单位电池而形成，并且每一个单位 电池具有双极板、GDL和MEA堆叠于其中的结构。

在制造燃料电池组时，诸如双极板、GDL和MEA的单位电池的 部件被重复堆叠。在5层MEA材料中，GDL和MEA在5层结构中堆 叠，并且双极板被交替堆叠和装配。

5层MEA材料具有如下结构，其中两个GDL被附加地结合到包 括电解质薄膜和电极催化剂(阴极催化剂和阳极催化剂)的3层MEA， 其将参照以下附图1和2更为详细地进行说明。

如图1所示，阴极催化剂2和阳极催化剂3优选结合在Nafion薄 膜(适当的电解质薄膜)1的上侧和下侧以制备3层MEA，并且除了 催化剂部分，副垫圈4结合到Nafion薄膜1的上侧和下侧以促进对3 层MEA的操作。

在结合有副垫圈4的3层MEA的制备中，与歧管相对应的部分被 冲孔以形成图2中所示的开口6。优选地，GDL7在高温和高压下结合 到具有歧管开口6的3层MEA的上部和下部，由此形成5层MEA材 料8。