[发明专利]燃料电池的膜电极组件及其制造方法和燃料电池系统

说明书

本申请是2009年4月28日提交的题为“燃料电池的膜电极组件及其制造方法和燃料电池系统”的第200910132200.1号发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种用于燃料电池的膜电极（membrane-electrode）组件及其制造方法，以及包括该膜电极组件的燃料电池系统。

背景技术

燃料电池是能量产生系统，其通过氧化剂与包括在诸如甲醇、乙醇、天然气等的碳氢化合物基材料中的氢的电化学氧化还原反应来产生电能。

燃料电池提供清洁能源，其能够取代燃烧化石燃料（fossil fuel）的能量产生系统。典型燃料电池包括由单元电池组成的电池堆并且产生各种范围的能量输出。由于典型燃料电池的能量密度是小的锂电池的四至十倍，所以燃料电池可以用作小的便携电源。

典型的示范性燃料电池包括聚合物电解质膜燃料电池（PEMFC）和直接氧化燃料电池（DOFC）。直接氧化燃料电池包括利用甲醇作为燃料的直接甲醇燃料电池（DMFC）。

在工作中，燃料电池的燃料供给到燃料电池的阳极并被吸附到阳极的催化剂层上，燃料被氧化以产生质子和电子。电子通过外部电路被传输到燃料电池的阴极，质子通过阳极和阴极之间的聚合物电解质膜被传输到阴极。此外，氧化剂被供给到阴极，接着氧化剂、质子和电子在阴极的催化剂层上反应以产生电和水。

通过利用金属掩模，阳极的催化剂层和/或阴极的催化剂层仅形成在聚合物电解质膜的设定或预定区域中。然而，利用（或定位）金属掩模来形成催化剂层需要大量的时间，所以金属掩模会引起阴影效应（shadow effect），在阴影效应中催化剂层没有形成在催化剂层的上表面的边缘部分上，因为由于金属掩模的厚度催化剂被金属掩模遮蔽。

发明内容

本发明实施例的一个方面涉及改良的膜电极组件，其包括大量的催化剂且每单位体积具有高能量。

在一个实施例中，用于燃料电池的膜电极组件包括第一基板、面对第一基板的第二基板以及第一基板和第二基板之间的催化剂层，该催化剂层具有大约0.5或更大的h₁/t₁比率，或者更具体地，h₁/t₁比率为约0.5至约2，其中：s₁表示在催化剂层的一端处第一基板上的点，h₁表示第一基板和第二基板之间的距离，s₂表示在第一基板上最靠近s₁的点，在该点处催化剂层的高度（h）变为h₁，t₁表示s₁和s₂之间的距离。在一个实施例中，第一基板是聚合物电解质膜，第二基板是电极基板。在另一个实施例中，第一基板是电极基板，第二基板是聚合物电解质膜。

在一个实施例中，膜电极组件还包括衬垫，该衬垫围绕催化剂层的外围表面并用于密封第一基板和第二基板之间的催化剂层。衬垫可包括在衬垫的侧面上的粘合层，通过该粘合层，该衬垫被固定到第一基板的某区域。

粘合层可包括从硅酮基树脂、环氧基树脂、丙烯基树脂、聚酯－聚亚安酯聚合物两组分树脂及其的组合组成的组中选择的树脂。在一个实施例中，粘合层的厚度在约10至约50μm之间。

在一个实施例中，电极基板和催化剂层成整体来作为阳极或阴极。

本发明实施例的另一个方面涉及一种用于燃料电池的膜电极组件的制造方法。在一个实施例中，用于燃料电池的膜电极组件的制造方法包括：通过贴附衬垫的粘合层到基板的区域来将衬垫固定到基板上，该衬垫包括在其侧面上的所述粘合层；以及通过利用衬垫作为掩模来在基板上形成催化剂层。

基板可以是聚合物电解质膜或者电极基板。

在一个实施例中，衬垫的厚度在约100至约300μm之间，和/或粘合层的厚度在约10至约50μm之间。

本发明实施例的另一个方面涉及一种燃料电池系统，其包括至少一个具有膜电极组件的生电元件；燃料供应器，用于供应燃料到生电元件；和氧化剂供应器，用于供应氧化剂到生电元件，其中膜电极组件与前述膜电极组件相同或基本相同。

附图说明

图1A是显示根据本发明的实施例的膜电极组件的示意性截面图；

图1B是显示根据本发明另一个实施例的膜电极组件的示意性截面图；

图2是显示图1A中示出的区域A的放大图；

图3是显示利用掩模制造常规膜电极组件的方法的截面图；

图4是显示根据本发明的实施例的膜电极组件的制造方法的截面图；