增強的膜電極組件制造技術

本發(fā)明專利技術致力于解決由電化學轉換電池中的膜電極組件及其元件引起的性能問題。根據本發(fā)明專利技術的一個實施例，提供一種包括至少一個電化學轉換電池的裝置。該電池構造成將第一和第二反應物轉換為電能，并且包括膜電極組件和至少一個膜增強層。該增強層的彈性模量和厚度與增強層和膜電極組件之間的結合的組合足以將膜電極組件的結構整體性增強到超過該組件的操作退化閾值。

【技術實現步驟摘要】
?增強的膜電極組件
本專利技術涉及電化學轉換電池，通常稱為燃料電池，其通過例如氫和氧的氧化和還原處理第一和第二反應物來產生電能。
技術介紹
典型的電池包括位于一對氣體擴散介質層之間的膜電極組件，這只是舉例說明，而不是限制性的。陰極流場板和陽極流場板位于電池單元的相對側，與氣體擴散介質層相鄰。單個電池單元提供的電壓對于有用的應用來說通常太小。因此，通常將多個電池布置和依次連接成“堆疊體”，從而提高電化學轉換組件或燃料電池的電輸出。本專利技術的目的是解決由于電化學轉換電池中的膜電極組件及其元件導致的性能問題。具體而言，本專利技術的目的是向電化學轉換電池的膜電極組件(MEA)添加一個或更多外部增強層。由于添加外部加強層，可以通過減小與在電池中的熱和水循環(huán)期間引起的機械應力有關的裂紋驅動力和裂紋開口面積，減少反應氣體的交叉泄漏。更具體地說，本專利技術人認識到燃料電池的耐用性通常受到三個因素的限制：(1)整個MEA性能下降，(2)密封的使用壽命，和(3)聚合物電解質膜(PEM)的機械完整性。最后的因素很重要，因為膜用作防止反應氣體從陽極到陰極或者從陰極到陽極的交叉的阻擋物。在極端情況下，在PEM電池達到其使用壽命的末端時，經常發(fā)現針孔的形成導致膜中的局部加熱和完整性的破壞。本專利技術人認識到這種膜的故障可能由脫水引起的局部應力而觸發(fā)或增加。而且，針孔的尺寸和數量可能與氣體跨越速度(crossover?rate)密切相關。通常，氣體跨越速度最初低，但是隨著燃料電池的使用緩慢地增加。當燃料電池接近其使用壽命的最后階段時，跨越速度急劇增加。因為跨越速度與針孔的形-->成密切相關，而針孔的形成又與機械故障密切相關，所以跨越速度和膜的耐用性與膜中的裂紋引發(fā)和擴展有關。本專利技術人認識到，在燃料電池壽命的第一階段，該電池的特征在于低跨越速度增加，由于很多機制而引起裂紋，例如擴散介質的碳纖維穿透MEA、化學降解、膜制造過程中的材料缺陷、局部應力集中和蠕變斷裂等等。在這個階段，裂紋通常短并且很少開口，這導致低的跨越速度。隨著膜經歷大量熱和水循環(huán)，在材料中積聚的疲勞損壞建立裂紋擴展階段。隨著裂紋開始擴展，裂紋長度增加，并且張力撕開裂紋表面，使得更多氣體可以跨越膜。根據斷裂力學理論，增加的裂紋長度導致更大的裂紋驅動力，導致更快的裂紋生長。更快的裂紋生長伴隨著氣體跨越速度的加速增加，加速膜的故障。本專利技術的一個目的是通過解決上述裂紋生長的加速特性，減小裂紋驅動力和裂紋開口面積。根據斷裂力學分析的概念，本專利技術人認識到，如果可以將裂紋生長速度限制在燃料電池壽命的第一階段觀察到的大小內，并因而防止裂紋生長的第二階段，就可以顯著提高燃料電池的壽命。而且，本專利技術人還認識到，如果可以進一步減小裂紋開口面積，可以減少氣體的交叉泄漏，并因而提高燃料電池的壽命。尤其是在非增強的MEA的情況下，其中MEA包括給定長度的裂紋，并且經受典型的雙軸張力，裂紋的裂紋驅動力的特征在于G＝πaσ2/Em并且裂紋開口面積或開口的針孔尺寸是A＝2πa2σ/Em其中a是裂紋長度的一半，σ是MEA的雙軸張力，Em是MEA的合成彈性模量，其中可以用標準測試(例如ASTM?D882)來測量單層或多層層疊材料的彈性模量。請注意，可以假設氣體跨越速度與裂紋開口面積A成比例。而且請注意，裂紋驅動力G與裂紋長度成比例，而裂紋開口面積與裂紋長度的平方成比例。可以想到，當裂紋達到一定的尺寸時，跨越速度將急劇地加速，因為在裂紋擴展時，MEA張力通常保持恒定，而且裂紋速度與裂紋驅動力成比例。
技術實現思路
-->根據本專利技術的一個方面，給MEA提供的外部增強層要與MEA具有足夠的粘著，從而在MEA和增強層之間沒有分層。根據本專利技術的另一個方面，選擇增強層，使得其厚度是MEA的至少50％，而且其彈性模量是MEA的至少10％。一般而言，根據本專利技術利用外部增強層的膜電極組件的特征在于與裂紋長度α無關的裂紋驅動力G：G＝Zhσ2/Em其中h是MEA的厚度，Z是代表MEA和外部增強層的相對彈性模量的常數。例如，在MEA的合成彈性模量小于增強層的模量的10倍時，Z的范圍為大約0.5到大約5。而且，裂紋開口面積A表示為：A＝2haσ/Em因此，對于根據本專利技術增強的膜，裂紋驅動力G與裂紋長度無關，而裂紋開口面積僅僅與裂紋長度a成比例。通過在本專利技術中排除裂紋驅動力對裂紋長度的依賴性，可望減小裂紋擴展速度。而且，通過使裂紋開口面積更少地依賴于裂紋長度，并且因而使交叉泄漏更少地依賴于裂紋長度，利用本專利技術，即使在裂紋擴展時，也可望大大地減小氣體交叉泄漏速度。通過本專利技術和現有技術之間裂紋驅動力和裂紋開口面積的比值(本專利技術除以現有技術的量)，可以進一步檢驗本專利技術相對于現有技術的一個優(yōu)點，該比值表示為：裂紋驅動力比＝Zh/(πa)；和裂紋開口面積比＝h/(πa)，在該等式中清楚地顯示隨著裂紋長度2a的增加這兩個比值都減小，證明所述增加得益于本專利技術。圖6示出在MEA兩側具有增強層的MEA的裂紋驅動力比和裂紋開口面積比，其中Er和hr分別是所述增強的彈性模量和厚度。在這個曲線中可以清楚地看出，對于裂紋擴展的所有情況，對于大于MEA厚度的3倍的裂紋長度，隨著該值最終下降到1以下，裂紋驅動力比和裂紋開口面積比都將減小。這個例子證明，對于彈性模量大于MEA的彈性模量的10％并且厚度大于MEA的厚度的50％的增強層，本專利技術不僅可以減少裂紋擴展，還可以降低氣體交叉泄漏速度。-->根據本專利技術的一個實施例，提供一種包括至少一個電化學轉換電池的裝置。該電池配置成將第一和第二反應物轉換為電能，并且包括膜電極組件和至少一個膜增強層。該膜電極組件限定一斷裂韌度，該斷裂韌度不足以將膜電極組件的結構整體性保持在給定的操作退化閾值之上，其中斷裂韌度可以通過例如ASTM?D1938或者其它傳統的或有待開發(fā)的撕裂試驗來評估。膜增強層限定一彈性模量和厚度，并且結合到膜電極組件的至少一側。增強層的彈性模量和厚度以及增強層和膜電極組件之間的結合足以將膜電極組件的結構整體性增強到超過操作退化閾值。根據本專利技術的另一個實施例，提供一種裝置，包括配置成將第一和第二反應物轉換為電能的至少一個電化學轉換電池。第一反應物包括含氫氣體，第二反應物包括氧。膜增強層沿著與第一反應物連通的膜電極組件的那側結合，并且在與第二反應物連通的膜電極組件的那側沒有膜增強層。根據本專利技術的另一個實施例，該膜電極組件限定第一和第二反應物之間的隔離物，并且包括與第一反應物連通的陽極側和與第二反應物連通的陰極側。該膜增強層結合到膜電極組件的陽極側，并且在膜電極組件的陰極側沒有膜增強層。因此，本專利技術的目的是解決電化學轉換電池中的膜電極組件及其元件引起的性能問題。在這里實施的本專利技術的說明的啟示下，本專利技術的其它目的將顯而易見。附圖說明在結合以下的附圖進行閱讀時，將最好地理解本專利技術具體實施例的以下詳細說明，其中用相同的附圖標記表示相同的結構，其中：圖1是根據本專利技術一個實施例的電化學轉換電池的分解圖；圖2-4是根據本專利技術一些具體實施例的膜電極組件的圖；圖5是使用根據本專利技術的電化學轉換電池的車輛的圖；和圖6是示出在組件兩側都具有增強層的膜電極組件的裂紋驅動力比和裂紋開口面積比的圖。具體實施方式-->參見圖1的分解圖，注意，本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種裝置，包括構造成將第一和第二反應物轉換為電能的至少一個電化學轉換電池，所述電化學轉換電池包括膜電極組件和至少一個膜增強層，其中：在所述電化學轉換電池工作期間，所述膜電極組件受到一定的操作應力，所述操作應力具有沿著所述膜電極組件的 主平面維度取向的縱向分量；所述膜電極組件確定一斷裂韌度，該斷裂韌度不足以在所述操作應力的所述縱向分量下將所述膜電極組件的結構整體性保持為超過給定的操作退化閾值；所述膜增強層確定彈性模量Ｅ↓［ｒ］和厚度ｈ↓［ｒ］，并且沿著平行 于所述操作應力的所述縱向分量的維度結合到所述膜電極組件的至少一側；并且所述增強層的所述彈性模量Ｅ↓［ｒ］和所述厚度ｈ↓［ｒ］以及所述增強層和所述膜電極組件之間的所述結合足以將所述膜電極組件的所述結構整體性增強到超過所述操作退化閾值。

【技術特征摘要】
US 2005-10-4 11/2426981、一種裝置，包括構造成將第一和第二反應物轉換為電能的至少一個電化學轉換電池，所述電化學轉換電池包括膜電極組件和至少一個膜增強層，其中：在所述電化學轉換電池工作期間，所述膜電極組件受到一定的操作應力，所述操作應力具有沿著所述膜電極組件的主平面維度取向的縱向分量；所述膜電極組件確定一斷裂韌度，該斷裂韌度不足以在所述操作應力的所述縱向分量下將所述膜電極組件的結構整體性保持為超過給定的操作退化閾值；所述膜增強層確定彈性模量Er和厚度hr，并且沿著平行于所述操作應力的所述縱向分量的維度結合到所述膜電極組件的至少一側；并且所述增強層的所述彈性模量Er和所述厚度hr以及所述增強層和所述膜電極組件之間的所述結合足以將所述膜電極組件的所述結構整體性增強到超過所述操作退化閾值。2、權利要求1所述的裝置，其中選擇所述膜增強層，使得所述膜電極組件的特征在于與裂紋長度a無關的裂紋驅動力G如下表示：G＝Zhσ2/Em其中Z是代表該膜電極組件和該外部增強層的相對彈性模量的常數，h是該膜電極組件的厚度，σ是該膜電極組件的雙軸張力，Em是該膜電極組件的彈性模量。3、權利要求1所述的裝置，其中選擇所述膜增強層，使得它確定至少和該膜電極組件的彈性模量Em一樣大的彈性模量Er，同時該增強層的厚度hr至少和該膜電極組件的厚度h一樣大。4、權利要求1所述的裝置，其中選擇所述膜增強層，使得所述膜電極組件的特征在于與裂紋長度無關的裂紋驅動力和僅僅與裂紋長度a成比例而不是與裂紋長度a的平方成比例的裂紋開口面積。5、權利要求1所述的裝置，其中所述增強層的所述彈性模量E至少是所述膜電極組件的所述彈性模量Em的10％。6、權利要求1所述的裝置，其中所述增強層的所述厚度hr至少是所述膜-->電極組件的所述厚度h的50％。7、權利要求1所述的裝置，其中所述增強層的所述彈性模量Er至少和所述膜電極組件的所述彈性模量Em一樣大。8、權利要求1所述的裝置，其中所述增強層的所述厚度hr至少和所述膜電極組件的所述厚度h一樣大。9、權利要求1所述的裝置，其中：所述第一反應物包括含氫氣體；所述第二反應物包括氧；所述膜電極組件限定所述第一和第二反應物之間的隔離物；并且所述膜增強層結合到與所述第一反應物連通的所述膜電極組件一側，在與所述第二反應物連通的所述膜電極組件一側沒有所述膜增強層。10、權利要求1所述的裝置，其中：所述膜電極組件限定所述第一和第二反應物之間的隔離物；并且所述膜增強層結合到所述膜電極組件的兩側。11、權利要求1所述的裝置，其中：所述膜電極組件限定所述第一和第二反應物之間的隔離物；并且所述膜增強層結合到所述膜電極組件的僅僅一側。12、權利要求1所述的裝置，其中所述膜增強層包括導電材料。13、權利要求1所述的裝置，其中：所述電化學轉換電池包括插入在所述第一和第二反應物源與所述膜電極組件之間的各氣體擴散介質層；且所述膜增強層包括所述各氣體擴散介質層之一。14、權利要求1所述的裝置，其中所述膜增強層和所述膜電極組件之間的所述結合的強度，足以確保在所述膜電極組件中引入的應變基本上等于在所述增強層中的應變。15、權利要求1所述的裝置，其中通過粘合層促進所述膜增強層和所述膜電極組件之間的所述結合。16、權利要求1所述的裝置，其中：所述膜電極組件包括在構造成傳導質子的聚合物電解質膜的相對側形成的第一和第二催化電極；-->所述第一催化電極與第一反應物源連通；且所述第二催化電極與第二反應物源連通。17、權利要求1所述的裝置，其中所述電化學轉換組件還包括置于所述膜電極組件的相對側的第一和第二流場部分，所述第一流場部分與第一反應物源連通，所...

【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：YH賴，D米勒，BA利蒂爾，CS吉特爾曼，MK布丁斯基，
申請(專利權)人：通用汽車環(huán)球科技運作公司，
類型：發(fā)明
國別省市：US[美國]