【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專(zhuān)利技術(shù)涉及用于固體聚合物電解質(zhì)燃料電池堆的帶框架的膜電極組件及其制造方法。本專(zhuān)利技術(shù)也涉及包括至少其中一個(gè)所述帶框架的膜電極組件的固體聚合物電解質(zhì)燃料電池堆。
技術(shù)介紹
1、燃料電池是通過(guò)電化學(xué)方式將燃料和氧化劑反應(yīng)物(如氫氣和氧氣或空氣)轉(zhuǎn)化而產(chǎn)生電力的裝置。固體聚合物電解質(zhì)燃料電池是一種在陰極和陽(yáng)極電極之間采用質(zhì)子導(dǎo)電固體聚合物膜電解質(zhì)的燃料電池。電極一般包含合適的催化劑，用以促進(jìn)在各電極上發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)。由固體聚合物膜電解質(zhì)夾在兩個(gè)電極之間組成的結(jié)構(gòu)被稱(chēng)為膜電極組件(mea)。mea因此通常包括催化劑涂覆膜(ccm)和施加在ccm兩側(cè)的氣體擴(kuò)散層(gdl)。ccm是一個(gè)子組件，其中合適的催化劑組合物被施加并接合到膜電解質(zhì)的兩側(cè)。提供gdl是為了改善流體反應(yīng)物至電極的分布和從電極排出流體副產(chǎn)物的過(guò)程。
2、在典型的固體聚合物電解質(zhì)燃料電池中，在mea兩側(cè)設(shè)置多個(gè)流場(chǎng)板，這些流場(chǎng)板包括用于反應(yīng)物的多個(gè)流體分配通道，以將燃料和氧化劑分配給各自電極并從燃料電池中排出反應(yīng)副產(chǎn)物。水是以氫氣和空氣反應(yīng)物工作的電池中的主要副產(chǎn)品。因?yàn)閱蝹€(gè)電池的輸出電壓在1v左右，故在商業(yè)應(yīng)用中，通常將多個(gè)電池串聯(lián)堆疊以提供更高的輸出電壓。燃料電池堆可以按照成組互連堆疊的方式串聯(lián)和/或并聯(lián)連接，用于汽車(chē)等應(yīng)用。
3、為了高效地制造此類(lèi)燃料電池堆，設(shè)計(jì)了被稱(chēng)為“單元電池組件”的多個(gè)相同電池組件，其可以直接一個(gè)疊一個(gè)地堆疊，以完成電池堆的大部分組裝。
4、本領(lǐng)域已經(jīng)提出各種設(shè)計(jì)和組裝方法來(lái)達(dá)成燃料電池堆中所需的大量密
5、例如us2023/048?138a1公開(kāi)一種mefa設(shè)計(jì)，其采用單個(gè)膠層在mefa的不同部件之間提供多處接合。
6、盡管在mefa的設(shè)計(jì)方面取得了這些進(jìn)展，但在大批量制造工藝中制造mefa仍有挑戰(zhàn)性。由于受mefa的設(shè)計(jì)所決定，處理的材料層較薄，故制造mefa可能牽涉到相對(duì)大量的人力勞動(dòng)和/或貼裝作業(yè)。但這種加工通常導(dǎo)致制造速度的降低并且容易產(chǎn)生制造誤差。相比之下，通過(guò)采用卷對(duì)卷制造可實(shí)現(xiàn)mefa制造的高生產(chǎn)率。在卷對(duì)卷制造中，柔性卷繞基材通常被連續(xù)運(yùn)送通過(guò)不同的機(jī)械輥，這些機(jī)械輥形成用于增材制造或減材制造的工位。
7、將用于提供密封功能的物理結(jié)構(gòu)添加到mefa的框架設(shè)計(jì)中，使得mefa的大批量加工變得更困難。以下通過(guò)參照?qǐng)D1至3b來(lái)解釋其中一些原因，圖1-3b示出一種現(xiàn)有技術(shù)mefa(900)，該mefa通過(guò)根據(jù)兩種不同做法給框架添加密封功能來(lái)做出改進(jìn)。在每種做法中都試圖避免降低制造速度。圖1示出作為起點(diǎn)的未經(jīng)改進(jìn)的現(xiàn)有技術(shù)mefa(900)。圖2a和2b示出在組裝現(xiàn)有技術(shù)mefa(900)之前給框架(930)添加密封功能的方法。圖3a和3b示出在接合后步驟中給框架(930)添加密封功能的另一做法。具體而言：
8、圖1示出現(xiàn)有技術(shù)mefa(900)的一個(gè)設(shè)計(jì)示例，其應(yīng)通過(guò)為其框架結(jié)構(gòu)提供密封機(jī)構(gòu)來(lái)做出改進(jìn)。現(xiàn)有技術(shù)mefa(900)包括現(xiàn)有技術(shù)的催化劑涂覆膜組件(911)、第一和第二現(xiàn)有技術(shù)氣體擴(kuò)散層(921,922)以及由兩個(gè)框架部件、即第一和第二現(xiàn)有技術(shù)框架部件(931,932)組成的現(xiàn)有技術(shù)框架(930)。現(xiàn)有技術(shù)的mefa(900)的各部件通過(guò)膠層、即第一、第二、第三和第四現(xiàn)有技術(shù)膠層(941,942,943,944)彼此接合。
9、在圖2a和2b的現(xiàn)有技術(shù)mefa(900)中，在接合現(xiàn)有技術(shù)框架(930)之前，密封功能以密封結(jié)構(gòu)(935,936)的形式被分別集成在第一和第二現(xiàn)有技術(shù)框架部件(931,932)中。但在卷對(duì)卷加工過(guò)程中，每個(gè)密封結(jié)構(gòu)(935,936)都因其外凸形狀而被施加壓力。密封結(jié)構(gòu)(935,936)可能會(huì)因此受損。圖2a中發(fā)生在其中一個(gè)密封結(jié)構(gòu)(936)處的斷裂(937)表明這一點(diǎn)。此外，在卷對(duì)卷加工過(guò)程中，當(dāng)將兩個(gè)框架部件(931,932)放在一起進(jìn)行接合時(shí)，這兩個(gè)密封結(jié)構(gòu)(935,936)可能會(huì)錯(cuò)位。這在圖2b中被示例性示出。由此可以看出，現(xiàn)有技術(shù)的mefa設(shè)計(jì)可能不適合在大批量制造工藝(如卷對(duì)卷工藝)中制造具有一體式密封結(jié)構(gòu)的框架。相反，可能需要采用人工和/或貼裝作業(yè)，這在需要大批量制造的情況下是不利的。
10、圖3a和3b示出一種替代做法，在此，密封結(jié)構(gòu)(935,936)作為接合后工藝的一部分被添加到現(xiàn)有技術(shù)mefa(900)的框架部件(931,932)中。特別是，通過(guò)完成液體注射成型工藝，將密封結(jié)構(gòu)(935,936)注塑到已組裝的現(xiàn)有技術(shù)mefa(900)的框架上。這種做法的明顯缺點(diǎn)在于液體注射成型工藝需要較高的溫度和壓力。因此，已附接的現(xiàn)有技術(shù)氣體擴(kuò)散層(921,922)受損的風(fēng)險(xiǎn)增大。例如在圖3a中示出第二現(xiàn)有技術(shù)氣體擴(kuò)散層(922)的斷裂(929)，這是由注射成型過(guò)程中mefa(900)所受的機(jī)械和熱負(fù)荷引起的。此外，圖3a示出現(xiàn)有技術(shù)的催化劑涂層膜組件(911)在該過(guò)程中可能彎曲或錯(cuò)位的方式。此外，框架(931,932)變形的風(fēng)險(xiǎn)也增大。圖3b示出膠層(941,942,943,944)在注射成型過(guò)程中可能受損。例如，第二和第三現(xiàn)有技術(shù)膠層(942,943)可能會(huì)因所施加的高注塑溫度而熔化并流動(dòng)，因而導(dǎo)致尺寸縮小或分解，如受損部分(949)所示。
11、從上述內(nèi)容中可以明顯看出，在現(xiàn)有技術(shù)中，關(guān)于實(shí)現(xiàn)具有一體密封功能的框架結(jié)構(gòu)的mefa的大批量制造仍存在缺點(diǎn)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、因此，本專(zhuān)利技術(shù)的目的是至少部分克服上述缺點(diǎn)。特別是，本專(zhuān)利技術(shù)的目的是提供一種mefa的制造方法和設(shè)計(jì)，其允許在不損害mefa結(jié)構(gòu)完整性的情況下提高具有一體密封機(jī)構(gòu)的框架的mefa的制造速度。
2、上述技術(shù)問(wèn)題通過(guò)本專(zhuān)利技術(shù)的帶框架的膜電極組件、本專(zhuān)利技術(shù)的固體聚合物電解質(zhì)燃料電池堆、本專(zhuān)利技術(shù)的帶框架的膜電極組件制造方法來(lái)解決。
3、本專(zhuān)利技術(shù)的其它優(yōu)點(diǎn)和特征得自說(shuō)明書(shū)和圖。關(guān)于本專(zhuān)利技術(shù)的帶框架的膜電極組件所描述的特征和細(xì)節(jié)自然也分別適用于本專(zhuān)利技術(shù)的固體聚合物電解質(zhì)燃料電池堆和本專(zhuān)利技術(shù)的制造方法，反之亦然，故對(duì)于公開(kāi)內(nèi)容，相互參照或者可相互參照本專(zhuān)利技術(shù)的各個(gè)方面。
4、本專(zhuān)利技術(shù)的第一方面涉及一種用于固體聚合物電解質(zhì)燃料電池堆的帶框架的膜電極組件。帶框架的膜電極組件包括催化劑涂覆膜組件，其包括陽(yáng)極催化劑層、陰極催化劑層和固體聚合物膜電解質(zhì)。陽(yáng)極催化劑層和陰極催化劑層被接合至固體聚合物膜電解質(zhì)的相反兩側(cè)。帶框架的膜電極組件包括若干氣體擴(kuò)散層，它們包括與催化劑涂覆膜組件的陽(yáng)極催化劑層鄰接的陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層和與催化劑涂覆膜組件的陰極催化劑層鄰接的陰極氣體擴(kuò)散層。帶框架的膜電極組件還包括用于承載催化劑涂覆膜組件的框架。框架在內(nèi)周和外周之間延伸并包括用于提供密封功能的密封本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
1.一種用于固體聚合物電解質(zhì)燃料電池堆的帶框架的膜電極組件(10)，包括：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶框架的膜電極組件(10)，其特征是，該密封部段(135)包括用于提供密封功能的密封元件(1351)，其中，該密封元件(1351)優(yōu)選與該框架(13)成一體地提供和/或優(yōu)選由彈性體密封材料制造，和/或
3.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的帶框架的膜電極組件(10)，其特征是，該催化劑涂覆膜組件(11)、該第一膠層(141)、該第二膠層(142)和所述其中一個(gè)氣體擴(kuò)散層(121)
4.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的帶框架的膜電極組件(10)，其特征是，該連接部段(1423)通過(guò)至少部分或完全沿該第二膠層(142)的內(nèi)周(1421)延伸而形成該第二膠層(142)的內(nèi)周(1421)的至少一部分，和/或
5.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的帶框架的膜電極組件(10)，其特征是，包括至少一個(gè)邊緣部段(15)，在該邊緣部段處，
6.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的帶框架的膜電極組件(10)，其特征是，該第一膠層(141)的外周(1412)、該第二膠層(14
7.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的帶框架的膜電極組件(10)，其特征是，所述其中一個(gè)氣體擴(kuò)散層(121)是陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層，
8.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的帶框架的膜電極組件(10)，其特征是，該第一膠層(141)和/或該第二膠層(142)包括選自以下組的聚合物，該組包括環(huán)氧樹(shù)脂、聚氨酯、聚異丁烯、聚烯烴、聚乙烯和可固化交聯(lián)劑。
9.一種固體聚合物電解質(zhì)燃料電池堆，其特征是，包括多個(gè)依次堆疊的根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的帶框架的膜電極組件(10)。
10.一種制造根據(jù)權(quán)利要求1至8之一所述的帶框架的膜電極組件(10)的方法，包括：
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征是，分別獲得設(shè)于載體層(16,161,162)上的所述第一和第二膠層(142)，并且該方法進(jìn)一步包括：
12.根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的方法，其特征是，
13.根據(jù)權(quán)利要求10至12之一所述的方法，其特征是，
14.根據(jù)權(quán)利要求10至13之一所述的方法，其特征是，
15.根據(jù)權(quán)利要求1至8之一所述的帶框架的膜電極組件(10)或根據(jù)權(quán)利要求9所述的固體聚合物電解質(zhì)燃料電池堆用于水電解的用途。
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種用于固體聚合物電解質(zhì)燃料電池堆的帶框架的膜電極組件(10)，包括：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶框架的膜電極組件(10)，其特征是，該密封部段(135)包括用于提供密封功能的密封元件(1351)，其中，該密封元件(1351)優(yōu)選與該框架(13)成一體地提供和/或優(yōu)選由彈性體密封材料制造，和/或
3.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的帶框架的膜電極組件(10)，其特征是，該催化劑涂覆膜組件(11)、該第一膠層(141)、該第二膠層(142)和所述其中一個(gè)氣體擴(kuò)散層(121)
4.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的帶框架的膜電極組件(10)，其特征是，該連接部段(1423)通過(guò)至少部分或完全沿該第二膠層(142)的內(nèi)周(1421)延伸而形成該第二膠層(142)的內(nèi)周(1421)的至少一部分，和/或
5.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的帶框架的膜電極組件(10)，其特征是，包括至少一個(gè)邊緣部段(15)，在該邊緣部段處，
6.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的帶框架的膜電極組件(10)，其特征是，該第一膠層(141)的外周(1412)、該第二膠層(142)的外周(1422)和至少其中一個(gè)所述氣體擴(kuò)散層(12,121,122)的外周(1212,1222)和優(yōu)選該催化劑涂覆膜組件...
【專(zhuān)利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：O·托馬斯，
申請(qǐng)(專(zhuān)利權(quán))人：AVL李斯特有限公司，
類(lèi)型：發(fā)明
國(guó)別省市：
還沒(méi)有人留言評(píng)論。發(fā)表了對(duì)其他瀏覽者有用的留言會(huì)獲得科技券。