用于燃料電池的膜-電極組件(mea)的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及用于燃料電池的膜-電極組件(MEA)，其中位于MEA的反應區域外部的電解質膜的長度比子墊片(subgasket)的長度更短，施加在子墊片上的粘合劑被形成為極性粘合劑塊和非極性粘合劑塊，且子墊片通過熱層壓被連接到電解質膜，因此防止在電解質膜中充入的水擴散并排出到MEA的外部。
【背景技術】
[0002]通常，聚合物電解質膜燃料電池(PEMFC)被用作機動車燃料電池。為使這種聚合物電解質膜燃料電池正常地表現出在各種操作條件下的數十千瓦(KW)或更高的高功率性能，需要在寬電流密度范圍內穩定地操作。
[0003]在聚合物電解質膜燃料電池中，用于發電的電化學反應在包括全氟磺酸膜以及陽極和陰極的電極對的膜-電極組件(MEA)中發生。在膜-電極組件中，提供給陽極(氧化電極)的氫被分離成氫離子(質子)和電子。然后，氫離子通過隔膜轉移到陰極(還原電極)，電子通過外部電路轉移到陰極，并且轉移到陰極的氫離子和電子與氧分子起反應產生電、熱和副產品水(H2O)。在這種情況下，當在燃料電池中的電化學反應期間產生適量的水時，膜-電極組件的濕度可維持，但是當產生過量的水時，如果未能適當去除，則在高電流密度發生溢流現象，且溢出的水抑制反應氣體有效地供給到燃料電池，因此增加電壓損失。
[0004]在燃料電池的電化學反應中，當氫離子通過隔膜從陽極轉移到陰極時，它們以水合氫離子(H3O+)的形式與水分子結合從而拖曳水分子。這種現象稱為“電-滲透拖曳(EOD) ”。當在陰極積聚的水量增加時，一部分水從陰極反向轉移到陽極，其稱為“逆擴散(BD) ”。因此，為使燃料電池獲得優越的電池性能，需要清楚理解這些水轉移現象，且需要有效使用在燃料電池中存在的水。
[0005]通常，燃料電池車輛使用由數百個單元電池疊置的燃料電池堆。這種單元電池包括膜-電極組件(MEA)、氣體擴散層(OTL)、墊片和隔板。氣體擴散層必須連接到MEA的陽極和陰極。在這種情況下，為提高MEA的處理性能，需要高的硬度。進一步地，MEA通過由彈性橡膠制成的墊片長時間接收壓縮壓力，從而，即使是在壓縮條件下，該墊片仍需要維持它的形狀而不被撕破或變形。為此，固相膜式子墊片通常由熱層壓連接到隔膜的外圍。在子墊片層壓過程中，為提高隔膜和子墊片之間的粘附力，可以與熱一起使用粘合劑，但是也可以根據子墊片的材料性能和所要求的粘附性不使用粘合劑。這樣，當使用具有子墊片的MEA時，即使疊置有數百個MEA，燃料電池堆亦可長時間使用。
[0006]在以上傳統的MEA結構中，為增強子墊片與隔膜的連接性，除了其中在燃料電池的電化學反應中所使用的陽極和陰極被連接到隔膜的反應區域外，還可以使隔膜延伸到燃料電池的外壁且然后連接到子墊片。然而，在該MEA結構中，需要使用大量昂貴的隔膜，且特別地，會發生非期望的水擴散。從而，用于燃料電池反應的水會被損失，且使由金屬材料制成的其它燃料堆組件的侵蝕加快，因此使得機動車的操作穩定性大大惡化。
[0007]作為另一個傳統技術，存在通過使用注塑成型而不是熱層壓來使子墊片連接到MEA的建議的方法。然而在該方法中，在子墊片的注塑成型期間，MEA變形或被污染。進一步地，為克服這個問題，需要使用復雜的多步驟工藝。因此，由于相比于使用熱墊片時，子墊片的附加工藝變得復雜，且由于其生產率降低，所以該方法也是有問題的。
[0008]應該理解，提供的上述說明僅為了幫助理解本發明，且并非意味著本發明落入對本領域技術人員已知的現有技術的范圍。

【發明內容】

[0009]作出本發明以解決上面提到的問題。本發明的一方面提供用于燃料電池的膜-電極組件(MEA)，其中位于MEA反應區域外部的電解質膜的長度比子墊片的長度短。施加在子墊片上的粘合劑被形成為極性粘合劑塊和非極性粘合劑塊，且子墊片由熱層壓而連接到電解質膜上。因此防止充入電解質膜的水被擴散并排出到MEA的外部。
[0010]根據本發明的示例性實施例，用于燃料電池的膜-電極組件(MEA)包括發電陣列，該發電陣列包括陽極、陰極和電解質膜。子墊片陣列包括圍繞陽極的外圍的陽極子墊片和圍繞陰極的外圍的陰極子墊片。結陣列包括圍繞電解質膜的外圍且使陽極子墊片和陰極子墊片相互連接的極性結和非極性結。
[0011]電解質膜可以比陽極和陰極長，且從陽極和陰極的側面中突出。
[0012]陽極子墊片和陰極子墊片可被形成為使它們從電解質膜的側面突出。
[0013]結陣列可被布置在電解質膜的外圍，且可置于陽極子墊片和陰極子墊片之間，以使陽極子墊片和陰極子墊片相互連接。
[0014]陽極子墊片和陰極子墊片的邊緣可以被激光焊接。
[0015]結陣列可被配置成使極性結和非極性結交替地排列在陽極子墊片和陰極子墊片之間。
[0016]結陣列可包括多個極性結和多個非極性結，且這些極性結和非極性結交替地排列在陽極子墊片和陰極子墊片之間。
[0017]結陣列可被配置成使極性結和非極性結沿著電解質膜的外圍交替地排列。
[0018]結陣列可被配置成使極性結與電解質膜相鄰，非極性結包圍極性結的側面，且非極性結的凸起部分被置于到極性結的凹入部分中。
[0019]結陣列可被配置成使非極性結與電解質膜相鄰，極性結包圍非極性結的側面，且非極性結的突起部分置于到極性結的凹入部分中。
【附圖說明】
[0020]本發明的以上和其它目的、特征和優點從下面的結合附圖的詳細描述中被更清楚地理解。
[0021]圖1到圖5是示出根據本發明的各種實施例的用于燃料電池的膜-電極組件(MEA)的截面圖。
【具體實施方式】
[0022]在下文中，參考附圖詳細描述本發明的示例性實施例。圖1到圖5為示出根據本發明的各種實施例的用于燃料電池的MEA的截面圖。
[0023]參考圖1，根據本發明的用于燃料電池的膜-電極組件(MEA)包括發電陣列100，該發電陣列100包括陽極120、陰極140和電解質膜160。子墊片陣列200包括圍繞陽極120的外圍的陽極子墊片220和圍繞陰極140的外圍的陰極子墊片240。結陣列300包括圍繞電解質膜160的外圍且使陽極子墊片220和陰極子墊片240相互連接的極性結320和非極性結340。在此，極性結320和非極性結340的順序可相互改變。
[0024]本發明提供了 MEA子墊片結構，其可直接顯示子墊片220和240的主要功能，且同時可防止充入電解質膜160中的水排出到燃料電池的外部。本發明提供了用于燃料電池的MEA，其由熱層壓而不是注塑成型制造，且因為電解質膜的長度比傳統電解質膜的長度短，其可減少電解質膜的損失及防止充入電解質膜的水不必要地排出到燃料電池的外部。在該熱層壓中，具有高強度的聚合物膜通常用作子墊片。在這種情況下，為獲得電解質膜和子墊片之間的粘附力，可使用極性粘合劑。
[0025]然而，當僅長期使用極性粘合劑時，充入電解質膜中的水可通過該極性粘合劑排出到燃料電池的外部。相反，當僅使用具有大于90°的靜止接觸角和優良疏水性的非極性粘合劑時，可大大增加在電解質膜和子墊片之間的粘附力。
[0026]在本發明中，使用了同時使用極性粘合劑和非極性粘合劑的雙粘合劑塊組件結構，以便通過使位于MEA反應區域外部的電解質膜的長度比子墊片長度短，相比于傳統技術減少電解質膜的使用，且防止水排出到MEA的外部。
[0027]S卩，因為電解質膜160比陽極120和陰極140長，所以電解質膜160可從陽極120和陰極140