[发明专利]用于燃料电池的垫圈子组件

说明书

发明背景

燃料电池是电化学装置，其可通过燃料(例如氢)和氧化剂(例如氧气)的催化组合物生成可用的电力。与传统的动力设备相比(例如内燃发电机)，燃料电池不会利用燃烧。因此，燃料电池排放的有害流出物很少。燃料电池将氢燃料和氧气直接转换为电力，并且与内燃发电机相比运转效率更高。由于单个燃料电池不会产生太多能量(例如介于约0.7至0.9伏特之间)，因而可以叠堆形式排布多个燃料电池以生成足够的电力来运转机动车辆以及向远处场所提供电力。

燃料电池(如质子交换膜(PEM)燃料电池)通常包含由位于一对气体扩散层之间的催化剂涂敷膜形成的膜电极组件(MEA)。催化剂涂敷膜本身通常包括一张位于一对催化剂层之间的电解质膜。电解质膜的两面分别称为阳极部分和阴极部分。在典型的PEM燃料电池中，将氢燃料引入阳极部分，氢发生反应并分离为质子和电子。电解质膜将质子传送到阴极部分，同时让电子流通过外部电路流动到阴极部分以产生电能。将氧气引入阴极部分，与质子和电子发生反应产生水和热能。

MEA通常由垫圈密封以防止受压气体逸出。通常通过在电极板之间压缩垫圈及MEA来形成密封结构。然而，该方法存在一个常见问题，即装配者可能会过度压缩MEA以确保密封结构不会泄露。因此，过度压缩可能会让MEA的阳极部分和阴极部分穿过各自的电解质膜相接触，从而导致电短路。

发明内容

本发明为包括MEA及垫圈的电化学装置子组件。MEA包括电解质膜，所述电解质膜具有第一主表面以及与第一主表面相对的第二主表面，还具有周边边缘。垫圈设置在电解质膜的周边边缘处与第一主表面相邻，并具有多个重复结构从垫圈表面延伸，延伸长度大于约250微米。折转的结构可使垫圈起到密封作用，从而在使用过程中防止受压气体从MEA逸出，同时还降低了制造过程中过度压缩MEA的风险。

在一个实施例中，本发明也可能包括设置在电解质膜周边边缘、靠近第二主表面的第二垫圈。第二垫圈也可能具有多个折转的结构，所述结构从第二垫圈表面延伸，延伸长度大于约250微米。本发明还涉及形成子组件的方法以及包括所述子组件的电化学装置(例如燃料电池)。

附图简要说明

图1a为本发明电化学装置子组件周边部分在未压缩状态下的剖视图。

图1b为本发明电化学装置子组件周边部分在压缩状态下的剖视图。

图2a为本发明备选电化学装置子组件周边部分未压缩状态的剖视图。

图2b为本发明备选电化学装置子组件周边部分压缩状态的剖视图。

图3a为本发明第二备选电化学装置子组件周边部分未压缩状态的剖视图。

图3b为本发明第二备选电化学装置子组件周边部分压缩状态的剖视图。

图4a-4d为在本发明电化学装置子组件垫圈中适用的转折结构的俯视示意图。

图5为用于形成在本发明电化学装置子组件中使用的垫圈薄膜的适用挤出系统的示意图。

图6为用于形成在本发明电化学装置子组件中使用的垫圈薄膜的适用包衣系统的示意图。

除以上图中提出的本发明的数个实施例之外，还可以想到其它的实施例，将在讨论中指出。在所有情况下，本公开内容仅仅示例性而非限制性地描述本发明。应该理解，本领域的技术人员可以设计出大量其它修改形式和实施例，这些修改形式和实施例均属于本发明的范围之内并符合本发明的原理的精神。这些图可能未按比例绘制。所有图中采用类似的参考号码来指示类似的部件。

发明详述

图1a和1b为本发明电化学装置子组件10的周边部分的剖视图，其中图1a图示了制造过程中未压缩状态的子组件10，而图1b则图示了在电化学装置(诸如燃料电池)中使用的压缩状态的子组件10。图1a和1b中所示的子组件10的周边部分是子组件10整个周边的代表性部分。

如图1a所示，子组件10包括MEA 12、阳极垫圈14、阴极垫圈16、阳极电极板18以及阴极电极板20。MEA 12、阳极垫圈14以及阴极垫圈16设置于阳极电极板18和阴极电极板20之间。阳极垫圈14和阴极垫圈16以背靠背取向以相反的方向相对，并且与MEA 12大致处于同一个平面。如下所述，当在燃料电池中使用子组件10时，阳极电极板18和阴极电极板20将与MEA 12、阳极垫圈14以及阴极垫圈16压缩在一起。压缩将在阳极垫圈14和阳极电极板18之间生成第一密封结构，并在阴极垫圈16和阴极电极板20之间生成第二密封结构。密封结构可防止受压气体在操作过程中从子组件10逸出。