[发明专利]用于固体聚合物电解质燃料电池的密封

说明书

技术领域

本发明涉及固体聚合物电解质燃料电池的密封设计。

背景技术

燃料电池是燃料和氧化剂流体以电化学方式进行反应以产生电流的装置。针对各种商业应用开发的一种类型的燃料电池是固体聚合物电解质燃料电池，它采用膜电极组件(MEA)，该膜电极组件(MEA)包括设置在两个电极之间的由合适的离聚物材料(例如，)形成的固体聚合物电解质。每个电极包括紧接着固体聚合物电解质定位的适宜催化剂。该催化剂例如可以是黑色金属(Metal Black)、合金、或者例如碳上铂的支持金属催化剂。该催化剂可以安置在催化剂层内，并且该催化剂层通常包含离聚物，这可以与用于固体聚合物电解质的情况类似。为了机械支撑、电流收集、和/或反应物分布，通常与电极相邻采用流体扩散层(多孔导电片状材料)。在气态反应物的情况下，流体扩散层称作气体扩散层。如果催化剂层被并入在气体扩散层上，则这个单元被称作气体扩散电极。

针对商业应用，多个燃料电池通常串行堆叠在一起从而传递更大的输出电压。通常与固体聚合物电解质燃料电池中的气体扩散电极层相邻采用隔离物板将堆叠在一起的燃料电池进行彼此隔离。流体分布特征(包括入口和出口、流体分布稳压室和大量流体通道)通常形成于与电极相邻的隔离物板的表面中，从而将反应物流体分布到电极以及从电极去除反应副产品。隔离物板还提供电传导和热传导的路径以及对MEA提供机械支撑和尺寸稳定性。

在组装的燃料电池中，必须在MEA中的多孔气体扩散层的外周使它们充分密封以及使MEA中的多孔气体扩散层与它们的相邻隔离物板密封，从而防止反应物气体泄漏到错误电极或者防止反应物气体与围绕燃料电池组的环境大气之间的泄漏。这可能是个挑战，这是因为MEA通常是相对大的薄片。因此，需要在重要周界上进行密封，并且燃料电池组通常涉及密封大量MEA。MEA边缘密封的设计应该形成较高生产率并且形成可靠的高品质泄漏紧密密封。在现有技术中已经提出实现这的各种方法。

一种这样的密封方法涉及使用密封垫圈，该密封垫圈围绕MEA并且能够在阳极与阴极隔离物板之间明显受到压缩，从而实现MEA与环境之间的可靠密封。通过使垫圈密封材料充满(impregnate)MEA的边缘并且使这些充满的边缘附接或集成到周围垫圈能够获得使阳极与阴极隔离的密封。美国专利No.6,057,054公开了使用平面切削MEA的这样一个实施例，其中，膜电解质、电极和气体扩散层的边缘对齐并且终止于相同位置(即，在平面切削边缘)。然而，这种方案通常要求对于边缘充满以及垫圈使用相同材料，并且还可能要求紧密度容限(tight tolerance)，因此是生产难点。

或者，框架可以应用到MEA的边缘，该MEA的边缘以密封形式附接或结合到周围可压缩垫圈。在这个实施例中，MEA中的电解质通常轻微延伸超越阳极和阴极的边缘。采用的框架通常包括应用到MEA的任一侧上的边缘的两个薄片。这些框架片基本没有可压缩性并且主要与膜电解质的边缘密封，从而隔离阳极与阴极。EP1246281公开了这样一个实施例，其中，框架结合到周围的明显可压缩橡胶垫圈(例如，1毫米厚的聚异丁烯)。

其它密封方法采用超过一个的可压缩垫圈以实现所需密封。例如，已经提出了采用加框架的MEA的实施例，其中，框架没有结合到周围单个垫圈，而是被夹在两个周围可压缩垫圈之间。因此，一个周围垫圈密封阳极框架与相邻隔离物板之间的阳极，而其它周围垫圈密封阴极框架与它的相邻隔离物板之间的阴极。然而，如果相对垫圈没有彼此对齐则可能出现难题，并且再次需要紧密度容限。已经提出了另外实施例，这些实施例采用在MEA上不采用框架的两个可压缩垫圈，从而实现所需密封。例如，美国专利No.6,815,115公开了各种实施例，其中，使一个可压缩垫圈直接与MEA中的膜电解质进行密封，而其它垫圈用于在相邻隔离物板的边缘之间进行密封。这里，两个垫圈错位从而不对齐不是问题。

在所有这些现有实施例中，采用可充分压缩的顺从密封件(compliant seal)将阳极和阴极与周围环境进行密封隔离。然而，为了增加功率密度，持续尝试减小组成燃料电池组的各个电池的厚度。由于燃料电池制造商成功减小了电池中的其它部件的厚度，所以密封设计现在表现为对厚度进一步减小的重要限制。因此，现有技术中仍需要改进的密封方法和设计。本发明满足这个需要并且提供另外的相关优点。

发明内容