[发明专利]集成燃料电池组件及制造方法

说明书

技术领域

本发明总体上涉及燃料电池，尤其涉及集成燃料电池组件，并涉及制造它们的方法。

背景技术

通常称为燃料电池的电化学转化电池通过处理第一与第二反应物（例如通过氢与氧的氧化和还原）来产生电能。作为例示而不作为限制，典型的聚合物电解质燃料电池包括聚合物膜（例如质子交换膜（PEM）），该聚合物膜定位在一对催化剂层与一对气体扩散介质（GDM）之间。GDM典型地包括气体扩散层和微孔层（MPL）。阴极电极层可以是PEM的一部分（涂布有催化剂的膜（CCM）），或者作为在DM上的层（涂布有催化剂的扩散介质（CCDM））。阴极板和阳极板（或双极板BPP）定位在相邻于气体扩散介质层的最外侧，并且前述部件被紧密地挤压以形成电池单元。

由单个电池单元所提供的电压对于有用的应用而言通常都太小。因此，大量的电池（典型地大约200到大约300或更多）以“电池组”的形式依次电串联地布置并连接起来，以提高电化学转化组件或燃料电池的电压的电气输出。每个电池典型地包括双极板组件（BPP）和组合电极组件（UEA）（GDM/Cat/PEM/Cat/GDM）。这些部件必须组装到电池组中，导致要组装大约400至大约600或更多的单独部件。

UEA包括子垫片材料，该子垫片材料用于将阳极流动流和阴极流动流分开，并提供燃料电池的阳极板与阴极板之间的电绝缘。希望减小子垫片材料的厚度，以降低成本并减小阳极GDM和阴极GDM与子垫片重叠的子垫片边缘处的膜应力。一些当前的UEA利用在1至2密耳厚度范围内的薄膜子垫片制成，该薄膜子垫片在机械上是不结实的，并且可能难于操纵。当具有薄的子垫片的UEA作为分立部件组装到燃料电池组中时，可能难以在燃料电池组组件中获得经修整的UEA轮廓特征相对于BPP特征的良好位置对准。

围绕电池的周边设置密封，并且还在反应物流之间设置密封。由于子垫片膜材料没有独立地向板材料提供足够的密封完整性，所以UEA的子垫片材料需要被密封在燃料电池的相邻板组件之间。弹性体密封材料典型地提供了该功能。密封材料能够相等地设置在子垫片膜的每一侧上，或者在一侧上仅具有薄的密封材料层（微密封）的同时，弹性体的大部分可存在于另一侧上。在有些情况下，利用压敏粘合剂（PSA）的微密封将UEA密封至BPP，这需要专门的释放衬垫，以防止不希望的或过早的粘附。希望子垫片膜材料延伸至或稍微超过板边缘，以用作电池的阳极板与阴极板之间的电绝缘体。由于粘合剂在不一定需要粘合功能的区域中暴露并有效，所以在这些悬置子垫片上存在的PSA可能引起额外的电池组组件问题。

因此，存在对一种电池组件的需求，其在还维持构成电池组组件的所有部件和特征之间良好的尺寸对准的同时，易于操纵并易于随后组装到电池组中。

发明内容

本发明满足了该需求。一个方面是集成燃料电池组件。该集成燃料电池组件包括：聚合物膜；阳极电极和阴极电极，其位于聚合物膜的相对侧上；一对气体扩散介质，其位于聚合物膜的相对侧上，所述气体扩散介质包括微孔层和气体扩散层，阳极电极和阴极电极定位在所述聚合物膜与所述一对气体扩散介质之间；子垫片，其定位成围绕气体扩散介质中的一个气体扩散介质的周边，子垫片在周边内限定有效区域，子垫片在其上具有热活化粘合剂层；以及双极板，其通过热活化粘合剂层密封至子垫片，以形成气密密封，该双极板具有阳极侧和阴极侧。

本发明的另一方面是一种制造集成燃料电池组件的方法。该方法包括：提供一种组合电极组件，包括：聚合物膜；阳极电极层和阴极电极层，其位于聚合物膜的相对侧上；一对气体扩散介质，其位于聚合物膜的相对侧上，所述气体扩散介质包括微孔层和气体扩散层，阳极电极和阴极电极定位在所述聚合物膜与所述一对气体扩散介质之间；以及子垫片，其定位成围绕气体扩散介质中的一个气体扩散介质的周边，子垫片在周边内限定有效区域，子垫片具有给该子垫片的热活化粘合剂层；将双极板安置在热活化粘合剂层上，该双极板具有阳极侧和阴极侧；以及加热该热活化粘合剂，以将双极板密封至组合电极组件，从而形成气密密封。