[发明专利]制造集成水蒸气传输装置和燃料电池的方法-II

说明书

一种用于制造集成MEA的方法，该方法包括如下步骤：(1)提供具有AA区域和WVT区域的基底；(2)将微孔层、催化剂层以及第一膜离聚物层同时地涂覆到基底上；(3)在AA区域和WVT区域中将可选的膜载体层施涂于第一膜离聚物层；(4)施涂可选的第二膜离聚物层；(5)对涂覆基底进行热处理；以及(6)将涂覆基底组装至配套涂覆基底。

技术领域

本发明涉及一种制造集成膜电极组件(MEA)的方法，该集成膜电极组件具有水蒸气传输(WVT)区域。

背景技术

燃料电池堆叠系统用作用于电动车辆的电源、固定电源以及其他应用。一种已知的燃料电池堆叠系统是质子交换膜(PEM)燃料电池堆叠系统，其包括膜电极组件(MEA)，该膜电极组件包括薄的固体聚合物电解质膜，其在一个表面上具有阳极而在相对表面上具有阴极。MEA夹在成对导电接触元件之间，这些导电接触元件用作用于阳极和阴极的集电器，该集电器可在其中包含合适的通道和开口，用于将燃料电池堆叠系统的气态反应物(即，H₂和O₂或空气)分配到相应的阳极和阴极的表面之上。

PEM燃料电池包括多个MEA，这些MEA以电串联的形式堆叠在一起，同时由称为双极板或集电器的不可渗透的导电接触元件分开。燃料电池堆叠系统以将MEA维持在湿润状态中的方式操作。MEA的湿度水平影响燃料电池堆叠系统的性能。附加地，如果MEA过干地操作，则MEA的性能和使用寿命会降低。为了避免弄干MEA，传统的燃料电池堆叠系统在期望的湿度水平下与MEA操作，其中，在生产电力期间，液体水形成在燃料电池中。附加地，供给至燃料电池堆叠系统的阴极和阳极反应气体也加湿，以防止干燥在靠近于用于反应气体的入口的位置中的MEA。通常，水蒸气传输(WVT)单元用于在阴极反应气体进入到燃料电池之前加湿该阴极反应气体。例如参见其全文通过参照的方式纳入本文的授予Forte等人的美国专利7,138,197，一种操作燃料电池堆叠系统的方法。

PEM型燃料电池的基本部件是由聚合物膜电极分开的两个电极。每个电极均作为薄催化剂层定位在膜的相对侧部上。类似地，在组件的邻近于每个薄催化剂层的每个侧部上，将微孔层(MPL)涂覆在气体扩散基底上，以产生气体扩散层，其中，气体扩散层是膜电极组件(MEA)的每个侧部上的最外层。气体扩散基底通常由非织造碳纤维纸或织造碳布构成。主要提供GDL以实现导电性，并且允许气体与催化剂相接触。GDL作为用于催化剂层的载体工作，提供良好的机械强度并且使得气体易于通向催化剂且提供导电性。微孔层的目的是使得GDL和催化剂层之间的接触阻力最小，限制催化剂向GDL内部的损失，并且有助于在其提供有效的水传输时改善水管理。因此，电极(催化剂层)、膜、微孔层以及气体扩散层一起形成膜电极组件(MEA)。MEA通常设置在两个双极板之间以形成燃料电池结构。

例如众所周知的是，将氢气供给到燃料电池堆叠中的燃料电池，以引起所需的化学反应，从而使用电力来为车辆供电。传统的燃料电池中的此种化学反应的其中一个副产物是呈蒸气和/或液体形式的水。还期望将潮湿空气提供为向燃料电池堆叠的输入，以使得针对给定燃料电池堆叠尺寸的性能输出最大。潮湿空气还防止燃料电池膜的过早机械和化学退化。

输入空气通常由压缩机供给，而在堆叠外部的水传输装置通常实施在燃料电池系统中，以向由压缩机供给的输入空气添加湿气，而湿气源通常来自含水产品堆叠阴极出口流。传统的燃料电池系统中的许多其他部件中的这些部件引起燃料电池系统的成本并且还需要包装空间。在许多申请(例如但不限于车辆)中，包装空间受限。

因此，需要在合理成本可能的情形下集成燃料电池系统的部件。

发明内容