[发明专利]使用真空密封形成膜－子垫片组件的方法

说明书

技术领域

本公开涉及燃料电池系统，且更特定地涉及使用在燃料电池系统内的膜－子垫片组件及其制造方法。

背景技术

燃料电池已作为清洁、有效和环保的动力源而建议用于电动车辆和多种其他应用。特别地，燃料电池已视作使用在现代汽车内的传统内燃机的潜在替代。

通常类型的燃料电池已知为质子交换膜（PEM）燃料电池。PEM燃料电池包括布置在例如双极板的一对燃料电池板之间的组合电极组件（UEA）。UEA包括布置为邻近膜电极组件（MEA）的阳极面和阴极面的扩散介质。电极面典型地包括磨碎的催化剂，例如铂，所述催化剂例如支承在碳颗粒上且与离聚物混合。扩散介质便于典型地为氢和氧的气体反应剂输送到MEA的活性区域以用于电化学燃料电池反应。扩散介质也帮助管理燃料电池内的水副产物。

典型地，MEA包括夹在阴极电极和阳极电极之间的电解质膜。沿着燃料电池板外周延伸的子垫片邻接MEA。子垫片可以是具有电绝缘性能的硬膜。子垫片的内部边缘限定了MEA的活性区域。子垫片将MEA的阳极侧与MEA的阴极侧电绝缘。布置在子垫片上的密封部分防止气体反应剂从燃料电池溢出。

现有技术的子垫片具有合并的设计，所述设计具有从活性区域越过且经过密封部分的恒定的厚度。现有技术的子垫片尽管具有功能性，但导致燃料电池的缩短的寿命。现有技术的子垫片当与MEA的厚度相比时可能相对地厚（厚子垫片）。厚子垫片和MEA之间的厚度的高反差可能导致局部区域的高压缩。局部区域的高压缩可能导致扩散介质压碎、阳极电极或阴极电极断裂、板变形和电解质膜的剪切，这些情况中的任何情况都可能导致燃料电池的不良性能。替代地，现有技术的子垫片与MEA的厚度相比可能相对薄（薄子垫片）。因此，薄子垫片可能导致由于通过燃料电池的反应剂气体的流动而变形。

总之，作为UEA过度压缩和UEA欠压缩之一的结果，MEA可能在子垫片处劣化。作为UEA过度压缩的结果的MEA的劣化可能由于电解质膜的膨胀以及用于形成UEA的制造过程所导致。电解质膜的膨胀可能影响MEA的长度、宽度和厚度。由于膨胀而增加的MEA的厚度造成了整个UEA上的压缩载荷变化。整个UEA上的压缩载荷变化造成了内子垫片边缘处的应力集中。内子垫片边缘处的应力集中不利地影响MEA的寿命。另外，由于膨胀而增加的MEA的厚度可能增加子垫片区内UEA上的压缩载荷，从而导致双极板和邻近的扩散介质的永久变形。

另外，要求压缩力的UEA的制造过程可能使MEA的电解质膜劣化。UEA的生产典型地涉及部件的热压，因此将部件结合在一起。热压可能导致内部子垫片边缘沿子垫片和电解质膜的接触边缘剪切电解质膜。在电解质膜内的剪切可能导致交叉泄漏（阳极到阴极气体屏障的损失）或短路（其中邻近的扩散介质或电极直接接触或电接触）。

作为UEA欠压缩结果的MEA的劣化可能在邻近内子垫片边缘的隆起区域内发生。隆起区域是UEA的邻近子垫片边缘的区域，此处MEA上的压缩载荷明显降低或消除。扩散介质可能起作用以将由子垫片的内边缘厚度形成的台阶桥接。扩散介质可能跨过由子垫片的内边缘厚度形成的台阶柔性地顺应，从而导致位于隆起区域内的楔形形状的跨度。当MEA的电解质膜受潮后，MEA的长度和厚度可能增加。潮湿的电解质膜可能膨胀为隆起的区域。作为UEA欠压缩的结果，电解质膜可能翘曲。电解质膜的翘曲可能导致阳极电极和形成在其上的阴极电极其中之一断裂。

希望的是开发用于燃料电池的UEA和子垫片组件及其生产方法，其中制造成本被最小化且产生输出被优化。

发明内容

根据本发明，令人惊奇地发现了用于燃料电池的UEA和子垫片组件及其生产方法，其中制造成本被最小化且产生输出被优化。

在一个实施例中，用于燃料电池的UEA和子垫片组件包括：组合电极组件，包括布置在阳极电极和阴极电极之间的电解质膜，和邻近阳极电极和阴极电极的至少一个布置的多孔扩散介质；和邻近组合电极组件布置的子垫片，其中子垫片的至少部分渗透扩散介质以形成大体上不漏流体的密封部。

在另一个实施例中，用于生产UEA和子垫片组件的方法包括如下步骤：提供组合电极组件，所述组合电极组件包括布置在阳极电极和阴极电极之间的电解质膜，和邻近阳极电极和阴极电极的至少一个布置的多孔扩散介质；提供子垫片；提供定位和保持装置；将组合电极组件布置在定位和保持装置内；将子垫片邻近组合电极组件布置；且使子垫片的至少部分渗透扩散介质以形成大体上不漏流体的密封部。