燃料电池堆的接合装置及其方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种燃料电池堆的接合(bonding)装置和方法。更具体地，本发明涉及在膜电极组件和气体扩散层接合时通过供应蒸汽来避免聚合物(polymer)电解质膜的变形并且通过除去气体扩散层中残留的水分来提高性能的燃料电池堆的接合装置和方法。
【背景技术】
[0002]众所周知，燃料电池是一种直接将燃料的化学能转换为电能的发电系统。
[0003]不同类型的燃料电池按电解质的类型包括熔融碳酸盐燃料电池(MCFD =MoltenCarbonate Fuel Cell)、固体氧化物燃料电池(SOFC:Solid Oxide Fuel Cell)、聚合物电解质燃料电池(PEFC:Polymer Electrolyte Fuel Cell)、憐酸燃料电池(PAFC:PhosphoricAcid Fuel Cell)和碱性燃料电池(AFC:Alkali Fuel Cell)。
[0004]如图1所不，燃料电池堆中的膜电极组件(MEA:Membrane Electrode Assembly)包括聚合物电解质膜12、设置在聚合物电解质膜12的两侧的催化剂层11(阳极和阴极)、和设置在催化剂层11的两侧的副垫片(subgasket) 13。副垫片13简化了膜电极组件10的处理。
[0005]参照图2，气体扩散层(⑶L:Gas Diffus1n Layer)20设置在膜电极组件10的两侦U。形成有流场的分离板(未示出)位于气体扩散层20的外部，用于将燃料和空气供应至阴极和阳极，并且排出通过化学反应生成的水。
[0006]氢和氧通过每个催化剂层11的化学反应被电离，从而氢部分发生氧化反应而氧部分发生还原反应。
[0007]也就是说，氢被供应至阳极，氧(空气)被供应至阴极。因此，供应至阳极的氢通过设置在电解质层的两侧的电极层的催化剂被分解为质子(H+)和电子(e-)。只有质子(Η+)通过阳离子交换层的电解质层选择性地转移至阴极。同时，电子(e_)通过气体扩散层20和分离板转移至阴极。
[0008]在阴极中，通过电解质层供应的质子和通过分离板供应的电子与通过空气供应装置供应至阴极的空气中的氧进行化学反应并生成水。
[0009]质子的移动产生电流并且在水生成反应中产生热量。
[0010]当将燃料电池堆叠层时，需要进行膜电极组件10和气体扩散层20的一体化过程。一般而言，该一体化过程分为以下两种方法:
[0011]首先，如图2 (a)所示，催化剂涂覆膜(CCM:Catalyst Coated Membrane)直接涂覆聚合物电解质膜12的催化剂层11。CCM需要一单独的过程用于接合气体扩散层20。因为CCM中，膜电极组件10和气体扩散层20分离，所以当通过将多个单元电池叠层而制造燃料电池堆时，膜电极组件10和气体扩散层20需要接合。CCM通过热压缩(thermalcompress1n)将膜电极组件10和气体扩散层20接合。
[0012]如图2 (b)所示，直接涂覆气体扩散层20的催化剂层11的催化剂涂覆基片(CCS:Catalyst Coated Substrate)或催化剂涂覆气体扩散层(CCGDL:Catalyst Coated GasDiffus1n Layer)通过热压缩将气体扩散层20和膜电极组件10接合。因为CCS为了制造膜电极组件10而将催化剂层11和聚合物电解质膜12接合，所以膜电极组件10和气体扩散层20通过热压缩接合。
[0013]如图3所示，在CCM的膜电极组件10，当膜电极组件10和气体扩散层20通过热压缩接合时，在催化剂层11与气体扩散层20之间形成界面15，并且在气体扩散层20与副垫片13之间形成界面16。
[0014]在形成于催化剂层11与气体扩散层20之间的界面15处发生燃料电池反应，而在形成于副垫片13与气体扩散层20之间的界面16处不发生燃料电池反应。膜电极组件10和气体扩散层20在将离聚物(1nomer)例如Naf1n (全氟磺酸_聚四氟乙烯共聚物)涂敷到气体扩散层20之后进行热压缩，以提高粘附力。但在这种情况下，因为界面15和界面16的材料性质是亲水性的，所以实际性能与所要求的性能不同。
[0015]而且，当膜电极组件10和气体扩散层20通过热压缩接合时，由于聚合物电解质膜12发生热变形，所以管理各个部件的不同尺寸是困难的。尤其是，为了使燃料电池尺寸更小而减小聚合物电解质膜12的厚度时，这些问题变得更严重。
[0016]为了获得燃料电池的充分的性能，需要将充分的水分供应至聚合物电解质膜12。然而，因为膜电极组件10和气体扩散层20通过热压缩接合，所以聚合物电解质膜12会变干燥，而且燃料电池的性能会退化。
[0017]在此【背景技术】部分公开的上述信息仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成本国本领域技术人员所已知的现有技术的信息。
【发明内容】
[0018]本发明提供一种燃料电池堆的接合装置和方法，其能够在膜电极组件和气体扩散层通过热压缩接合时，防止聚合物电解质膜的热变形。
[0019]而且，本发明提供一种燃料电池堆的接合装置和方法，其能够在膜电极组件和气体扩散层通过热压缩接合时，防止燃料电池的性能因聚合物电解质膜变干燥而劣化。
[0020]根据本发明的一示例性实施例的燃料电池堆的接合装置包括下部加热板，设置在气体扩散层的一侧，上述气体扩散层设置在膜电极组件的两侧，上述下部加热板将热量供应至上述气体扩散层并且包括用于将蒸汽供应至上述气体扩散层的蒸汽供应线路；上部加热板，设置在上述气体扩散层的另一侧，上述上部加热板将热量供应至上述气体扩散层并且包括用于将蒸汽供应至上述气体扩散层的蒸汽供应线路；和控制器，配置为控制上述热量和蒸汽供应至上述下部加热板和上述上部加热板的供应时间。
[0021]上述控制器经控制在一段时间内使热量和蒸汽供应至上述下部加热板和上述上部加热板，使上述膜电极组件和上述气体扩散层被热压缩。上述控制器经进一步控制在一段时间内仅使热量供应至上述下部加热板和上述上部加热板使上述膜电极组件和上述气体扩散层被热压缩。
[0022]上述控制器经控制在一段时间内使热量供应至上述下部加热板和上述上部加热板，使上述膜电极组件和上述气体扩散层被热压缩。上述控制器经进一步控制在热量供应至下部加热板和上部加热板时，在一段时间内反复使蒸汽供应至上述下部加热板和上述上部加热板。
[0023]至少一个下部水分蒸发孔位于上述下部加热板的下侧，用于将来自上述气体扩散层的水分排出至外部，并且至少一个上部水分蒸发孔位于上述上部加热板的上侧，用于将来自上述气体扩散层的水分排出至外部。
[0024]上述下部水分蒸发孔和上述上部水分蒸发孔分别位于上述下部加热板和上述上部加热板的中心部，并且上述蒸汽供应线路形成在上述水分蒸发孔的外部。
[0025]位于上述下部加热板的上述蒸汽供应线路和上述下部水分蒸发孔彼此连通，并且位于上述上部加热板的上述蒸汽供应线路和上述上部水分蒸发孔彼此连通。上述下部水分蒸发孔和上述上部水分蒸发孔能够打开和关闭。
[0026]本发明的一示例性实施例的燃料电池堆的制造方法，包括:在一段时间内通过设置在膜电极组件的两侧的下部加热板和上部加热板供应热量和蒸汽，由此对上述膜电极组件和气体扩散层进行热压缩；和在一段时间内通过上述下部加热板和上述上部加热板将热量供应至上述膜电极组件和上述气体扩散层，由此除去上述气体扩散层中残留的水分。
[0027]上述气体扩散层中残留的水分通过位于上述下部加热板的下侧和上述上部加热板的上侧的水分蒸发孔排出。
[0028]本发明的另一示例性实施例的燃料电池堆的制造方法，包括:在一段时间内通过设置在膜电极组件的两侧的气体扩散层供应热量和蒸汽，由此对上述膜电极组件和上述气体扩散层进行热压缩；和在通过下部加热板和上部加热板将热量供应至上述膜电极组件和上述气体扩散层时，在一段时间内反复供应水分。
[0029]上述气体扩散层中残留的水分通过分别位于上述下部加热板的下侧和上述上部加热板的上侧的水分蒸发孔排出。
【附图说明】
[0030]这些附图在描述本发明的示例性实施例时被提供作为参