[发明专利]用于制造集成水汽传输装置及燃料电池的方法

说明书

本公开提供了用于制造集成MEA的方法。该方法包括如下步骤：(1)提供具有AA区域以及WVT区域的基底；(2)将疏水微孔层涂覆至整个基底上；(3)将催化剂层涂覆至AA区域中的疏水微孔层上；(4)将第一燃料电池膜离聚物层涂覆至AA区域中的催化剂层以及WVT区域中的疏水微孔层上；(5)任选地将膜载体层施涂至AA区域和WVT区域中的第一燃料电池膜离聚物层上；(6)任选地施涂第二燃料电池膜离聚物层的涂层，由此形成涂覆基底；以及(7)将涂覆基底组装至配对涂覆基底上。

技术领域

本发明涉及一种用于制造具有水汽传输(WVT)区域的集成膜电极组件(MEA)的方法。

背景技术

燃料电池堆叠体系统作为动力源用于电动车辆、固定电源以及其他应用中。一种已知的燃料电池堆叠体系统为质子交换膜(PEM)燃料电池堆叠体系统，其包括具有薄固体聚合物电解质膜的膜电极组件(MEA)，该电解质膜的一面是阳极，而相对面是阴极。MEA夹设在一对用作阳极和阴极的集流体的导电接触元件之间，其可在其中包括合适的通道及开口，以将燃料电池堆叠体系统的气体反应物(即H2以及O2或空气)分布在相应的阳极和阴极的表面上。

PEM燃料电池包括多个MEA，该多个MEA以电串联的形式堆叠在一起，同时通过被称作双极板或集流体的不可渗透导电接触元件隔开。燃料电池堆叠体系统的操作方式使得MEA保持处于湿润状态中。MEA的湿度水平会对燃料电池堆叠体系统的性能产生影响。此外，若MEA在过于干燥的状态下进行操作，则MEA的性能及使用寿命可能会发生降低。为了避免使MEA变得干燥，典型的燃料电池堆叠体系统在MEA具有期望的湿度水平的条件下进行操作，其中液态水在电的产生期间形成在燃料电池中。此外，供给至燃料电池堆叠体系统的阴极反应气体和阳极反应气体也进行加湿，以防止MEA在反应气体入口附近的位置中变得干燥。在进入燃料电池之前，阴极反应气体通常通过水汽传输(WVT)单元进行加湿。例如，参见授予Forte等人的第7,138,197号美国专利。该专利以全文引用的方式并入本文中，其公开了一种用于操作燃料电池堆叠体系统的方法。

PEM型燃料电池的基本部件为两个通过聚合物膜电解质隔开的电极。各电极作为薄催化剂层设置在膜的相对侧上。类似地，在组件的邻近各薄催化剂层的各侧上，微孔层(MPL)涂覆至气体扩散基底上，以形成气体扩散层(GDL)，其中该气体扩散层为膜电极组件(MEA)的各侧上的最外层。气体扩散基底通常由非织造碳纤维纸或织造碳布组成。GDL主要提供来实现传导性，并使得气体能够通过GDL孔与催化剂进行接触。GDL用作为催化剂层的载体，其具有较高的机械强度，并使得气体能够容易地与催化剂进行接触，而且还具有导电性。微孔层的目的在于最大程度地降低GDL与催化剂层之间的接触电阻、防止催化剂流失至GDL内部，并在提供有效水输送时帮助改善水管理。因此，电极(催化剂层)、膜、微孔层以及气体扩散层共同形成膜电极组件(MEA)。MEA通常设置在两个双极板之间，以形成燃料电池结构。

众所周知，氢气可供给至燃料电池堆叠体中的燃料电池，以引起必要的化学反应，从而通过电为车辆提供动力。在传统燃料电池中，这种化学反应的副产物中的一种为以蒸汽和/或液体的形式存在的水。还期望的是，将湿润空气作为输入提供至燃料电池堆叠体，以实现给定的燃料电池堆叠体尺寸下的最大性能输出。湿润空气还可防止燃料电池膜过早出现机械及化学降解。

输入空气通常由压缩机提供，同时，位于堆叠体外部的水传输装置通常实施在燃料电池系统中，以为压缩机所供给的输入空气增加水分，其中水分源通常来自载有产物水的堆叠体阴极出口流。在传统的燃料电池系统中，这些部件以及许多其他部件增加了燃料电池系统的成本，并且还需要安装空间。在许多应用中(例如，但不限于：车辆)，安装空间是有限的。

因此，在可能的情况下，有必要以合理的成本集成燃料电池系统的部件。

发明内容