[发明专利]用于燃料电池堆的单元电池组件和制造方法

说明书

披露了用于固体聚合物电解质燃料电池堆的独特的单元电池组件(20)及其改进的制造方法，其中，该方法一开始包括：利用弹性体密封(17)例如液体注射模制密封将单独气体扩散层接合至流场板组件(6)。单元电池组件(20)的密封不依赖以弹性体穿透该气体扩散层。该方法提供可靠的单元电池组件(20)，同时有利地允许使用黏度更高的弹性体并减少废料。

技术领域

本发明涉及用于固体聚合物电解质燃料电池堆的单元电池组件及其制造方法。它尤其涉及牵涉到液体注射模制密封的设计和方法。

背景技术

燃料电池以电化学方式转化燃料和氧化剂反应物例如氢气和氧气或空气以发电。固态聚合物电解质燃料电池通常在阴极电极和阳极电极之间使用质子传导性固体聚合物膜电解质。电极一般包含合适的催化剂以促进在每个电极处发生的电化学反应。包含夹在这两个电极之间的固体聚合物膜电解质的结构被称为膜电极组件(MEA)。在一个常见实施方式中，MEA包含催化剂涂覆膜(CCM)和施加于CCM的每一侧的气体扩散层(GDL)。在CCM中，合适的催化剂组分已被施加和接合至膜电解质的任一侧。GDL设置用于以改善的方式将流体反应物分布至电极并且从电极除去液体副产物。

在典型的固体聚合物电解质燃料电池中，包含许多反应物用流体分布流道的流场板设置在MEA的任一侧以分布燃料和氧化剂至相应的电极并从燃料电池除去反应副产物。水是在依靠氢气和空气反应物的电池工作中的主要副产物。因为单格电池的输出电压具有1V数量级，故许多电池通常为了商业应用被串列堆叠在一起以提供更高的输出电压。燃料电池堆还可以按照串联和/或并联的互连堆阵列被连接以便用在汽车应用等中。

伴随水，热是来自在燃料电池内发生的电化学反应的显著副产物。于是，通常需要用于冷却燃料电池堆的手段。设计用于获得高功率密度的堆(如汽车电池堆)一般在整个堆内循环液体冷却剂以快速高效地除去热。为了做到这一点，包含许多冷却剂流道的冷却剂流场一般也被加入到所述堆内的电池的流场板中。冷却剂流场一般形成在阳极侧和阴极侧流场板的电化学惰性表面上，并且通过适当的设计，当阳极侧和阴极侧板都共同配对形成双极流场板组件时产生被密封的冷却剂流场。

为了高效制造这种燃料电池堆，通常以合适设计制备许多相同的被称为单元电池组件的电池组件，从而它们能简单地相互堆叠以完成大部分的堆组合体。可能在堆末端需要特殊的末端电池组件以正确完善所述组合体。

典型的单元电池组件包括被接合至双极流场板组件的MEA(例如CCM连带施加于其每一侧的GDL)。在现有技术中提出了各种不同设计和组装方法以获得燃料电池堆所需要的许多密封和接合。在一种做法中，单元电池组件包括塑料膜框，其被用在MEA中以提供电绝缘、机械对准和密封功能。用于提供在单元电池组件边缘附近的令人满意的密封的弹性体密封利用诸如液体注射模制(LIM)、丝网印刷、分配之类的方法被施加至双极流场板组件。但这种做法可能导致框膜的大量废料流(因为在燃料电池活性区域内的膜必须被除去和丢弃)。另外，框膜可能造成对准问题，因为它一般不是很坚硬并且可能在牵涉到许多组件时增大对公差消弭空间的需求。

在DE 102015201129 A1所描述的另一相关做法中，单元电池组件可以又包含塑料膜框，但用于在单元电池组件之间提供令人满意的密封的弹性体密封被施加至所述框而不是双极流场板。这种做法同样具有上述缺点，尽管这种设计可能因为公差累积路径的简化而略微更紧凑。

并非使用塑料膜框地，其它替代做法可以采用齐平切割MEA，在此，GDL的边缘已被充以弹性体并随之密封，例如通过液体注射模制法。例如US6423439B1披露了具有液体注射模制边缘密封的齐平切割MEA设计。此设计未产生框膜废料流(因为根本没有用它)，但它需要使用过程黏度很低的密封材料，因为要求它充分穿透和密封GDL边缘。这通常将弹性体材料选择限制到硅氧烷，其化学性不利地导致了膜电解质的使用寿命问题。此外，围绕被密封的MEA周边的柔性材料于是可在边缘密封的MEA与燃料电池堆组合体内的流场板组件对齐时造成严重问题。