[发明专利]通过注射成型制造的用于氢燃料电池的集成氟垫片

说明书

技术领域

本发明涉及通过注射成型制造的用于氢燃料电池的集成氟垫片。更具体地，本发明涉及通过注射成型制造的用于氢燃料电池的高流动性/高弹性集成氟垫片，其具有优异的流动性和优异的弹性，从而当通过在薄双极板上进行注射成型而使氟垫片与薄双极板集成时，薄双极板可以最小程度地形变，且电池组的密封持久性得以增加。

背景技术

通常而言，聚合物电解质膜燃料电池（PEMFC）被广泛用作车用燃料电池。因此，当数百个PEMFC单元电池堆叠在一起以制造成单个邻接电池组时，为了将电池组安装在车辆上并在不同运行条件下正常提供约100kW的高输出性能，PEMFC应能在大范围的电流密度下稳定运行。

在燃料电池中产生电力的反应中，在供应至燃料电池膜电极组件（MEA）阳极（即，氧化电极）的氢被分解成质子（或氢离子）和电子之后，质子经电解质膜移动至阴极（即，还原电极），而电子经外部电路移动至阴极。氧分子、氢离子和电子在阴极中一起反应以产生电和热，同时产生水作为反应产物。（在下文中，膜电极组件和MEA一起用作并被提及为单个单元）。

为维持作为反应气体的氢/空气以及水在车用燃料电池组中的密封性，须在各个电池中使用垫片。因此，可以独立并分开地制造垫片，以便可将其安装在燃料电池中。或者，MEA和垫片可以相互集成，或可以通过在双极板上注塑垫片而使垫片与双极板集成。

为高效地大规模生产燃料电池组，应当快速地组装并堆叠组件。在大型电池组系统例如氢燃料电池车辆中，优选在垫片的交联过程中使用具有优异的操作特性（handling property）和优异的耐热性的双极板集成型垫片。

图1是现有的双极板与垫片没有互相集成的电池组的常规组装工序的透视图。如图1所示，提供一种常规的催化剂涂覆膜（CCM）型MEA，其是通过将两个电极例如阳极和阴极的催化剂涂覆在膜的两侧并使两电极的催化剂结合而配置成的。

然而，在常规的电池组组装工序中，需要将CCM MEA1、气体扩散层2、垫片3和双极板4彼此粘合，由此可能使工作工序量和工作时间增加。此外，因为这些电池组组件不是集成模块的形式，大多数组装工序是人工进行的。因此，当组件布置不精确或不统一时，整体电池性能和耐用性可能在燃料电池组组装之后降低。

为解决常规电池组组装工序中的问题，使用图2所示结构（3+4）的燃料电池组组装工序开始被广泛使用，其中结构（3+4）是通过在组装前集成垫片3和双极板4而形成的。当垫片3在通过于双极板4上注射成型而与双极板4集成后被使用时，在电池组组装过程中不需要另外将单独的垫片附装到双极板4上，从而使电池组组装工序更加方便，且规模生产率可以增加。

在氢燃料电池用燃料电池组中使用的垫片应当满足多种特性要求，例如合适的硬度、良好的弹性或非常低的压缩永久变形（compression set）、优异的机械特性、优异的耐酸性/耐水解性、对氢/空气（或氧）/冷却剂的低扩散性、低含量的可能造成催化剂中毒的杂质、优异的耐热性、高的电绝缘性、高生产率和低成本。满足这些特性要求的氢燃料电池车用电池组的垫片中主要使用的聚合物弹性体，可以大致划分为氟类弹性体（或氟弹性体）、硅酮弹性体和烃类弹性体。

氟类弹性体被美国测试与材料协会（ASTM）大致分类为FKM和FFKM，并被广泛用于多种领域中，例如汽车/建筑/石化工业。硅酮弹性体大致被分类为通用硅酮弹性体例如聚二甲硅氧烷，以及改性的硅酮弹性体例如氟硅酮。可以使用固体的硅酮弹性体。然而，液体硅酮橡胶已被更加广泛地用于燃料电池的精密注射成型中。此外还曾使用烃类弹性体，例如乙烯-丙烯二烯单体（EPDM）和乙烯-丙烯橡胶（EPR）。

氟类弹性体，特别是具有优异弹性、优异耐酸性和耐热性的氟类弹性体，经常被用于经受长期恶劣工作条件的用途例如氢燃料电池车，并且已经作为垫片用于电池组用途而受到大量关注。

具体而言，氟类弹性体显示出低极化性以及因氟原子的强烈电负性而引起的独特特性。当氟弹性体的氟含量较大时，氟类弹性体显示出比如高的耐热/耐化学/耐老化性、耐气候性、对于溶剂/烃类/酸/碱的优异耐化学性、低介电常数、低可燃性、低表面能和低吸湿性的特性。此外，C-F键有助于对氧化和水解的高耐受性。

然而，常规市售的氟类弹性体具有高分子量和高熔体粘度，因此不适合快速容易地形成复杂的形状。因此，对于大部分部件，氟类弹性体用于压缩成型、传递成型、挤压和压延而非精密注射成型中。