专利名称：集成燃料电池组件及制造方法
技术领域：
本发明总体上涉及燃料电池，尤其涉及集成燃料电池组件，并涉及制造它们的方法。
背景技术：
通常称为燃料电池的电化学转化电池通过处理第一与第二反应物(例如通过氢与氧的氧化和还原)来产生电能。作为例示而不作为限制，典型的聚合物电解质燃料电池包括聚合物膜(例如质子交换膜(PEM))，该聚合物膜定位在一对催化剂层与一对气体扩散介质 (GDM)之间。GDM典型地包括气体扩散层和微孔层(MPL)。阴极电极层可以是PEM的一部分 (涂布有催化剂的膜(CCM))，或者作为在DM上的层(涂布有催化剂的扩散介质(CCDM))。阴极板和阳极板(或双极板BPP)定位在相邻于气体扩散介质层的最外侧，并且前述部件被紧密地挤压以形成电池单元。由单个电池单元所提供的电压对于有用的应用而言通常都太小。因此，大量的电池(典型地大约200到大约300或更多)以“电池组”的形式依次电串联地布置并连接起来， 以提高电化学转化组件或燃料电池的电压的电气输出。每个电池典型地包括双极板组件 (BPP)和组合电极组件(UEA) (GDM/Cat/PEM/Cat/GDM)。这些部件必须组装到电池组中，导致要组装大约400至大约600或更多的单独部件。UEA包括子垫片材料，该子垫片材料用于将阳极流动流和阴极流动流分开，并提供燃料电池的阳极板与阴极板之间的电绝缘。希望减小子垫片材料的厚度，以降低成本并减小阳极GDM和阴极GDM与子垫片重叠的子垫片边缘处的膜应力。一些当前的UEA利用在1 至2密耳厚度范围内的薄膜子垫片制成，该薄膜子垫片在机械上是不结实的，并且可能难于操纵。当具有薄的子垫片的UEA作为分立部件组装到燃料电池组中时，可能难以在燃料电池组组件中获得经修整的UEA轮廓特征相对于BPP特征的良好位置对准。围绕电池的周边设置密封，并且还在反应物流之间设置密封。由于子垫片膜材料没有独立地向板材料提供足够的密封完整性，所以UEA的子垫片材料需要被密封在燃料电池的相邻板组件之间。弹性体密封材料典型地提供了该功能。密封材料能够相等地设置在子垫片膜的每一侧上，或者在一侧上仅具有薄的密封材料层(微密封)的同时，弹性体的大部分可存在于另一侧上。在有些情况下，利用压敏粘合剂(PSA)的微密封将UEA密封至BPP， 这需要专门的释放衬垫，以防止不希望的或过早的粘附。希望子垫片膜材料延伸至或稍微超过板边缘，以用作电池的阳极板与阴极板之间的电绝缘体。由于粘合剂在不一定需要粘合功能的区域中暴露并有效，所以在这些悬置子垫片上存在的PSA可能引起额外的电池组组件问题。因此，存在对一种电池组件的需求，其在还维持构成电池组组件的所有部件和特征之间良好的尺寸对准的同时，易于操纵并易于随后组装到电池组中
发明内容
本发明满足了该需求。一个方面是集成燃料电池组件。该集成燃料电池组件包括 聚合物膜；阳极电极和阴极电极，其位于聚合物膜的相对侧上；一对气体扩散介质，其位于聚合物膜的相对侧上，所述气体扩散介质包括微孔层和气体扩散层，阳极电极和阴极电极定位在所述聚合物膜与所述一对气体扩散介质之间；子垫片，其定位成围绕气体扩散介质中的一个气体扩散介质的周边，子垫片在周边内限定有效区域，子垫片在其上具有热活化粘合剂层；以及双极板，其通过热活化粘合剂层密封至子垫片，以形成气密密封，该双极板具有阳极侧和阴极侧。本发明的另一方面是一种制造集成燃料电池组件的方法。该方法包括提供一种组合电极组件，包括聚合物膜；阳极电极层和阴极电极层，其位于聚合物膜的相对侧上； 一对气体扩散介质，其位于聚合物膜的相对侧上，所述气体扩散介质包括微孔层和气体扩散层，阳极电极和阴极电极定位在所述聚合物膜与所述一对气体扩散介质之间；以及子垫片，其定位成围绕气体扩散介质中的一个气体扩散介质的周边，子垫片在周边内限定有效区域，子垫片具有给该子垫片的热活化粘合剂层；将双极板安置在热活化粘合剂层上，该双极板具有阳极侧和阴极侧；以及加热该热活化粘合剂，以将双极板密封至组合电极组件，从而形成气密密封。本发明的另一方面是一种组装燃料电池组的方法。该方法包括提供多个集成燃料电池组件，包括聚合物膜；阳极电极和阴极电极，其位于聚合物膜的相对侧上；一对气体扩散介质，其位于聚合物膜的相对侧上，所述气体扩散介质包括微孔层和气体扩散层，阳极和阴极定位在所述聚合物膜与所述一对气体扩散介质之间；子垫片，其定位成围绕气体扩散介质中的一个气体扩散介质的周边，所述子垫片在周边内限定有效区域，所述子垫片在其上具有热活化粘合剂层；以及双极板，其通过热活化粘合剂层密封至子垫片，以形成气密密封，该双极板具有阳极侧和阴极侧；堆叠多个集成燃料电池组件，使得一个集成燃料电池组件中的双极板相邻于另一集成燃料电池组件的气体扩散介质中的一个气体扩散介质； 以及挤压多个集成燃料电池组件。本发明还包括以下方案
方案1. 一种集成燃料电池组件，包括 聚合物膜；
阳极电极和阴极电极，所述阳极电极和阴极电极位于所述聚合物膜的相对侧上； 一对气体扩散介质，所述一对气体扩散介质位于所述聚合物膜的相对侧上，所述气体扩散介质包括微孔层和气体扩散层，所述阳极电极和所述阴极电极定位在所述聚合物膜与所述一对气体扩散介质之间；
子垫片，所述子垫片定位成围绕所述气体扩散介质中的一个气体扩散介质的周边，所述子垫片在所述周边内限定有效区域，所述子垫片在其上具有热活化粘合剂层；
双极板，所述双极板通过所述热活化粘合剂层密封至所述子垫片以形成气密密封，所述双极板具有阳极侧和阴极侧。方案2.根据方案1所述的集成燃料电池组件，其中，所述热活化粘合剂为乙烯-醋酸乙烯酯、乙烯基丙烯酸、聚酰胺、聚酯、聚烯烃、聚氨酯、或者它们的组合。方案3.根据方案1所述的集成燃料电池组件，其中，所述阳极电极和所述阴极电极位于所述聚合物膜上。
方案4.根据方案1所述的集成燃料电池组件，其中，所述阳极电极和所述阴极电极位于所述一对气体扩散介质的微孔层上。方案5.根据方案1所述的集成燃料电池组件，还包括由所述热活化粘合剂层附接至所述子垫片的进料衬垫。方案6.根据方案1所述的集成燃料电池组件，其中，所述子垫片具有对准孔。方案7.根据方案1所述的集成燃料电池组件，其中，所述阳极电极和所述阴极电极位于所述一对气体扩散介质的微孔层上，并且其中所述双极板密封至所述阴极侧上的子垫片。方案8.根据方案1所述的集成燃料电池组件，其中，所述双极板密封至所述阳极侧上的子垫片。方案9.根据方案1所述的集成燃料电池组件，其中，所述双击板密封至所述阴极侧上的子垫片。方案10.根据方案1所述的集成燃料电池组件，其中，所述热活化粘合剂在所述子垫片边缘处对在所述有效区域中形成的空隙进行填充。方案11. 一种制造集成燃料电池组件的方法，包括 提供一种组合电极组件，包括
聚合物膜；
阳极电极层和阴极电极层，所述阳极电极层和阴极电极层位于所述聚合物膜的相对侧
上；
一对气体扩散介质，所述一对气体扩散介质位于所述聚合物膜的相对侧上，所述气体扩散介质包括微孔层和气体扩散层，所述阳极电极和所述阴极电极定位在所述聚合物膜与所述一对气体扩散介质之间；以及
子垫片，所述子垫片定位成围绕所述气体扩散介质中的一个气体扩散介质的周边，所述子垫片在所述周边内限定有效区域，所述子垫片具有给所述子垫片的热活化粘合剂层； 将双极板安置在所述热活化粘合剂层上，所述双极板具有阳极侧和阴极侧；以及加热所述热活化粘合剂，以将所述双极板密封至所述组合电极组件，从而形成气密密封。方案12.根据方案11所述的方法，其中，所述热活化粘合剂为乙烯-醋酸乙烯酯、 乙烯基丙烯酸、聚酰胺、聚酯、聚烯烃、聚氨酯、或者它们的组合。方案13.根据方案11所述的方法，其中，所述阳极电极和所述阴极电极位于所述聚合物膜上。方案14.根据方案11所述的方法，其中，所述阳极电极和所述阴极电极位于所述一对气体扩散介质的微孔层上。方案15.根据方案11所述的方法，其中，所述阳极电极和所述阴极电极位于所述一对气体扩散介质的微孔层上，并且其中所述双极板密封至所述阴极侧上的子垫片。方案16.根据方案11所述的方法，其中，所述组合电极组件还包括进料衬垫，并且还包括用所述热活化粘合剂将所述进料衬垫密封至所述子垫片。方案17.根据方案11所述的方法，其中，所述双极板密封至所述阳极侧上的子垫片。
方案18.根据方案11所述的方法，其中，所述双极板密封至所述阴极侧上的子垫片。方案19.根据方案11所述的方法，其中，所述热活化粘合剂在所述子垫片边缘处对在所述有效区域中形成的空隙进行填充。方案20. —种组装燃料电池组的方法，包括 提供多个集成燃料电池组件，包括
聚合物膜；
阳极电极和阴极电极，所述阳极电极和阴极电极位于所述聚合物膜的相对侧上； 一对气体扩散介质，所述一对气体扩散介质位于所述聚合物膜的相对侧上，所述气体扩散介质包括微孔层和气体扩散层，所述阳极和所述阴极定位在所述聚合物膜与所述一对气体扩散介质之间；
子垫片，所述子垫片定位成围绕所述气体扩散介质中的一个气体扩散介质的周边，所述子垫片在所述周边内限定有效区域，所述子垫片在其上具有热活化粘合剂层；以及
双极板，所述双极板通过所述热活化粘合剂层密封至所述子垫片以形成气密密封，所述双极板具有阳极侧和阴极侧；
堆叠所述多个集成燃料电池组件，使得所述一个集成燃料电池组件中的双极板相邻于所述另一集成燃料电池组件的所述气体扩散介质中的一个气体扩散介质；以及挤压所述多个集成燃料电池组件。
图1是组合电极组件的分解图。图2A-B是组合电极组件的剖面视图。图3是结合有组合电极组件的燃料电池的一部分的剖面视图。图4是图3的燃料电池的另一部分的剖面视图。
具体实施例方式图1和图2图示了 UEA 10。UEA 10包括位于PEM 25的相对侧上的阳极15和阴极 20。在该实施例中，阳极15和阴极20为CCDM，其中阴极电极层30和阳极电极层32在GDM 35上，GDM 35包括MPL 40和气体扩散层45。阴极电极层30和阳极电极层32位于MPL 40 上。然而，如果需要，还可使用CCM (其中电极层位于PEM上)。在阳极15与阴极20之间存在子垫片55。子垫片55围绕阳极15和阴极20的有效区域的周边(类似于相框)。子垫片可由满足燃料电池要求的任何聚合物膜制成(例如具有基于操作温度、压力和厚度的合适的机械性能、为电绝缘体或具有不导电的表面、以及期望是便宜的并且可容易地制造)。合适的材料包括但不局限于聚邻苯二甲酸酯(PEN)、聚酰亚胺(PI)、聚醚-醚酮(PEEK)等。子垫片55可任选地包括一个或多个对准孔57，所述一个或多个对准孔57相对于 BPP的对准特征定位UEA。还可使用本领域已知的其他类型的对准特征。如果需要，还可存在用于各种板特征的通焊孔(clearance hole) 59。子垫片55在面对阴极20的侧面上具有热活化粘合剂层60。热活化粘合剂不需要在环境温度下防止过早粘附的释放衬垫。热活化粘合剂可以是满足燃料电池要求的任何粘合剂(例如，在-30 1与100 ！之间的操作温度；高达300 kPa的压力；与酸性膜、氢、空气和水相容；和为电绝缘体)。合适的热活化粘合剂包括但不局限于乙烯-醋酸乙烯酯(EVA)、 乙烯基丙烯酸(EAA)、聚酰胺、聚酯、聚烯烃、聚氨酯和它们的组合。热活化粘合剂60还将PEM结合至子垫片55，以形成气密联接。加强进料衬垫(reinforcing feed shims)50定位于阴极20的相对端上。进料衬垫用于在板的进料区中为通道特征上的子垫片提供结构支撑。典型地，存在阳极到阴极的压力偏差，用于将子垫片推入到通道中，从而限制了通过电池的流动和/或增大通过电池的压降。尽管对于进料区而言需要厚的且结构合理的材料，但在GDM与子垫片重叠的区域中需要保持该子垫片是薄的。热活化粘合剂60将进料衬垫50结合至子垫片55。取决于进料区的设计，进料衬垫50可以是相同的尺寸，或者它们可以不同。进料衬垫典型地具有与进料区几乎相同的尺寸，例如大约50 cm2至大约SOcm2的进料衬垫是合适的。进料衬垫典型地由PEN制成，但还可以使用其他合适的材料。图3-4图示了集成燃料电池组件100，其包括UEA 10和BPP 65。BPP 65具有阴极板70和阳极板75。UEA 10通过热活化粘合剂60结合至BPP 65的阴极板70。热活化粘合剂60在UEA 10 (子垫片55)与BPP 65之间形成气密密封。热活化粘合剂60在进一步的处理(诸如，增加通过子垫片的集管切口、将子垫片修整至最终尺寸、以及燃料电池组组装) 期间将UEA 10与BPP 65维持处于正确的对准中。集成燃料电池组件100具有四个部分进料部105、有效区域边缘部110、有效区域部115、和密封区域部120。进料部105包括具有阴极板70和阳极板75的BPP 65。子垫片55的阴极侧上的热活化粘合剂60将进料衬垫50定位至BPP 65的阴极板70。有效区域边缘部110包括BPP 65的阳极板75和阴极板70。在该部分中的UEA 10包括气体扩散层45、MPL 40、阴极电极30、PEM 25、热活化粘合剂60、子垫片55、阳极电极32、MPL 40和气体扩散层45。这可继之以另外的集成燃料电池组件。除没有子垫片55或热活化粘合剂60之外，有效区域部115包含与有效区域边缘部110相同的部件。在有些情况下，期望热粘合剂在温度与压力作用下徙动越过子垫片窗的边缘并稍微进入到有效区域中( 100-500 μ m)，以在子垫片边缘与阳极催化剂层32 接触PEM 25的点之间提供平滑的过渡。没有热粘合剂存在的该区域导致了在电极与用于 CCDM的PEM之间和在MPL与用于CCM的电极之间都没有接触的地方中由子垫片的厚度形成的隆起区域。当从气体扩散层的外表面挤压阳极和阴极GMD/电极/膜(使它们与阳极板和阴极板接触)时，形成所述隆起区域。UEA层足够刚硬，以便在防止相邻的层彼此接触的子垫片的厚度上形成跨度。如图2B所示，当UEA的气体扩散层经受温度与压力时，区域62由于热粘合剂通过所施加的压力的徙动从而被填充。这样的布置描述于2010年3月11公开的名称为 “Subgasket Window Edge Design Relief” 的美国公开 2010/0062320 Al 中，该美国公开在此以引用的方式并入。密封区域部120包含阳极板70、阴极板75、热活化粘合剂60、子垫片55、密封件80 和85、紧随的是另一 BPP 65等。密封件80和85是可使用的两种类型的弹性体密封件。密封件80为预模制密封件的示例。密封件85通过将密封材料分送到BPP上并使其固化来形成。如果需要，可使用如本领域的技术人员所知的其他类型的密封件。UEA 10可利用对准销或其他类似的对准机构(未示出)与BPP 65准确地对准。在整个密封压盖区域上将经加热的压板压靠在UEA 10上。所述热使得热活化粘合剂活化，该热活化粘合剂将UEA 10结合至BPP 65。该热活化粘合剂在阴极板表面的几何形状之间形成气密密封，并用作阴极密封。该热活化粘合剂还可用作冷却剂，并用作阴极板上的集管处的阳极密封。这允许该密封被连续地涂布在子垫片上，而非在在UEA 10的阴极板上或者阴极侧上的图案涂布或印刷微密封。由于UEA 10附接至BPP 65，所以子垫片55能够相对于 BPP的特征被修正，而与UEA相对于BPP特征为了用作所述板之间的电绝缘体的正确悬置而定位的地方无关。替代性地，如果需要，可在板的阳极侧上形成气密密封。通过在组装电池组之前预组装电池部件，从而远远地减少在电池组组装期间要组装的部件数。这也减少了在电池组的组装过程期间必须操纵和追踪的部件数量，并因此缩短了电池组的组装时间。预组装的电池在UEA和BPP作为分开部件处理的情况下还允许交替的(altertate)电池堆叠方法，但其也可以不被使用。另外，在200-300个电池的电池组中，与控制每个分开的UEA和BPP的对准相比较，在将UEA和BPP结合到一起以形成集成燃料电池组件时更容易控制UEA和BPP的对准。 所述结合还在用于将电池组保持到一起的挤压加载被施加之前，防止电池部件相对于彼此的任何移动。在定位并联接至BPP之后，电池子组件还允许贯穿子垫片材料来切割集管特征。这减少了需要悬置在板边缘以隔离所述板并防止板间短路的子垫片材料量。这还增大可用于反应物和冷却剂流动通过子垫片集管开口的截面积。将UEA的薄弱的子垫片材料附接到刚性的BPP产生了这样的子组件其在组装电池组时容易被操纵和对准，而不用担心损害所述子垫片材料。热活化粘合剂用作子垫片到BPP的接触面所用的低成本的且坚固结实的密封材料。所述粘合剂不完全依赖于压缩(弹性体)材料的性能，其在电池组寿命期间经受蠕变，并且还经受诸如电池组冻结之类的极端条件，其中一些弹性体可能丧失它们大部分的弹性。应指出的是，类似“优选地”、“通常地”和“典型地”之类的措词在此不用于限制所要求保护的发明的范围，也不暗示某些特征对所要求保护的发明的结构或功能而言是关键的、本质的、甚至重要的。相反，这些术语仅用于强调可能或可能不用于本发明特定实施例的替代性特征或附加特征。为了描述并限定本发明，应指出的是，不管部件是否与其他部件结合，术语“装置” 在此均用于表示部件和单独部件的组合，例如，根据本发明的“装置”可包括电化学转化组件或燃料电池、结合有根据本发明的电化学转化组件的车辆等。为了描述并限定本发明，应指出的是，措词“大致地”在此用于表示可归因于任何数量(或定量)比较、值、测量或其他表示的固有的不确定度。措词“大致地”在此还用于表示数量表述可以从所陈述的基准发生变化而不会导致论述中的主题的基本功能产生变化的程度。尽管已详细地并参考本发明特定的实施例描述了本发明，但在不偏离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下，显然可能有变型和变体。更具体地，尽管本发明的有些方面在此确定为优选的或特别有利的，但所设想的是，本发明不比局限于本发明的这些优选方面。
权利要求
1.一种集成燃料电池组件，包括 聚合物膜；阳极电极和阴极电极，所述阳极电极和阴极电极位于所述聚合物膜的相对侧上； 一对气体扩散介质，所述一对气体扩散介质位于所述聚合物膜的相对侧上，所述气体扩散介质包括微孔层和气体扩散层，所述阳极电极和所述阴极电极定位在所述聚合物膜与所述一对气体扩散介质之间；子垫片，所述子垫片定位成围绕所述气体扩散介质中的一个气体扩散介质的周边，所述子垫片在所述周边内限定有效区域，所述子垫片在其上具有热活化粘合剂层；双极板，所述双极板通过所述热活化粘合剂层密封至所述子垫片以形成气密密封，所述双极板具有阳极侧和阴极侧。
2.根据权利要求1所述的集成燃料电池组件，其中，所述热活化粘合剂为乙烯-醋酸乙烯酯、乙烯基丙烯酸、聚酰胺、聚酯、聚烯烃、聚氨酯、或者它们的组合。
3.根据权利要求1所述的集成燃料电池组件，其中，所述阳极电极和所述阴极电极位于所述聚合物膜上。
4.根据权利要求1所述的集成燃料电池组件，其中，所述阳极电极和所述阴极电极位于所述一对气体扩散介质的微孔层上。
5.根据权利要求1所述的集成燃料电池组件，还包括由所述热活化粘合剂层附接至所述子垫片的进料衬垫。
6.根据权利要求1所述的集成燃料电池组件，其中，所述子垫片具有对准孔。
7.根据权利要求1所述的集成燃料电池组件，其中，所述阳极电极和所述阴极电极位于所述一对气体扩散介质的微孔层上，并且其中所述双极板密封至所述阴极侧上的子垫片。
8.根据权利要求1所述的集成燃料电池组件，其中，所述双极板密封至所述阳极侧上的子垫片。
9.一种制造集成燃料电池组件的方法，包括 提供一种组合电极组件，包括聚合物膜；阳极电极层和阴极电极层，所述阳极电极层和阴极电极层位于所述聚合物膜的相对侧上；一对气体扩散介质，所述一对气体扩散介质位于所述聚合物膜的相对侧上，所述气体扩散介质包括微孔层和气体扩散层，所述阳极电极和所述阴极电极定位在所述聚合物膜与所述一对气体扩散介质之间；以及子垫片，所述子垫片定位成围绕所述气体扩散介质中的一个气体扩散介质的周边，所述子垫片在所述周边内限定有效区域，所述子垫片具有给所述子垫片的热活化粘合剂层； 将双极板安置在所述热活化粘合剂层上，所述双极板具有阳极侧和阴极侧；以及加热所述热活化粘合剂，以将所述双极板密封至所述组合电极组件，从而形成气密密封。
10.一种组装燃料电池组的方法，包括 提供多个集成燃料电池组件，包括聚合物膜；阳极电极和阴极电极，所述阳极电极和阴极电极位于所述聚合物膜的相对侧上； 一对气体扩散介质，所述一对气体扩散介质位于所述聚合物膜的相对侧上，所述气体扩散介质包括微孔层和气体扩散层，所述阳极和所述阴极定位在所述聚合物膜与所述一对气体扩散介质之间；子垫片，所述子垫片定位成围绕所述气体扩散介质中的一个气体扩散介质的周边，所述子垫片在所述周边内限定有效区域，所述子垫片在其上具有热活化粘合剂层；以及双极板，所述双极板通过所述热活化粘合剂层密封至所述子垫片以形成气密密封，所述双极板具有阳极侧和阴极侧；堆叠所述多个集成燃料电池组件，使得所述一个集成燃料电池组件中的双极板相邻于所述另一集成燃料电池组件的所述气体扩散介质中的一个气体扩散介质；以及挤压所述多个集成燃料电池组件。
全文摘要
本发明涉及集成燃料电池组件及制造方法。具体地，描述了一种集成燃料电池组件。集成燃料电池组件包括聚合物膜；阳极电极和阴极电极，其位于聚合物膜的相对侧上；一对气体扩散介质，其位于聚合物膜的相对侧上，气体扩散介质包括微孔层和气体扩散层，阳极电极和阴极电极定位在所述聚合物膜与所述一对气体扩散介质之间；子垫片，其定位成围绕气体扩散介质中的一个气体扩散介质的周边，子垫片在周边内限定有效区域，子垫片在其上具有热活化粘合剂层；以及双极板，其通过热活化粘合剂层密封至子垫片。还描述了制造集成燃料电池组件和组装燃料电池组的方法。
文档编号H01M4/86GK102299342SQ20111017124
公开日2011年12月28日 申请日期2011年6月23日 优先权日2010年6月23日
发明者E. 赖克 C., P. 米勒 D., J. 博伊特尔 M., 巴加瓦 S. 申请人:通用汽车环球科技运作有限责任公司