质子交换膜燃料电池密封设计以及制造方法技术

本发明专利技术公开了质子交换膜燃料电池密封设计以及制造方法。一种用于在PEM燃料电池中由均匀厚度的树脂薄片形成可变截面厚度的方法。一种用于在燃料电池中形成密封件的方法包括提供包括树脂材料层的薄片的步骤。在薄片中形成第一褶皱。第一褶皱从薄片的大体上平面的部分延伸，该第一褶皱具有第一侧面部分和与第一侧面部分相对并且由顶部连接的第二侧面部分。通过将第一褶皱朝向平面的部分折叠以形成复合褶皱而形成垫片。将复合褶皱放置于第一燃料电池部件与第二燃料电池部件之间以便在其中形成密封件。还提供并入垫片的燃料电池。

【技术实现步骤摘要】
质子交换膜燃料电池密封设计以及制造方法
在至少一个方面中，本专利技术涉及用于燃料电池应用中的催化剂层。
技术介绍
燃料电池在许多应用中用作电力电源。具体来说，打算将燃料电池用于汽车中来取代内燃发动机。通常使用的燃料电池设计使用固体聚合物电解质（“SPE”）膜或质子交换膜（“PEM”）来在阳极与阴极之间提供离子传输。在质子交换膜型燃料电池中，氢气被供应到阳极作为燃料，并且氧气被供应到阴极作为氧化剂。氧气可以是纯的形式（O2）或空气（O2与N2的混合物）的形式。PEM燃料电池通常具有膜电极组件（“MEA”），其中固体聚合物膜（即，离子传导膜）在一个面上具有阳极催化剂并且在相对的面上具有阴极催化剂。典型的PEM燃料电池的阳极和阴极层由多孔传导材料（诸如编织石墨、石墨化薄片或碳纸）形成，以使得燃料能够在面向燃料供应电极的膜表面上分散。每个电极具有支撑在碳颗粒上的细分的催化剂颗粒（例如，铂颗粒）以促进氢气在阳极的氧化和氧气在阴极的还原。质子穿过离子键传导聚合物膜从阳极流到阴极，它们在阴极与氧气结合从而形成从电池排出的水。MEA夹在一对多孔气体扩散层（“GDL”）之间，所述气体扩散层又夹在一对无孔、导电元件或板之间。板用作用于阳极和阴极的电流收集器，并且含有形成在其中的适当通道和开口以用于将燃料电池的气体反应剂分布在相应的阳极催化剂和阴极催化剂的表面上。为了有效地产生电力，PEM燃料电池的聚合物电解质膜必须薄、化学稳定、质子可穿透、不导电并且不透气。在典型应用中，燃料电池以许多个别燃料电池堆的阵列来提供以便提供高水平的电功率。一些现有技术的燃料电池在催化剂电极与离子导电膜之间包括垫片。重复电池设计的不同区域具有不同的功能要求，这通过利用材料的不同横截面厚度来满足。例如，图1中描绘的燃料电池截面示出现有技术密封配置。燃料电池堆10包括介于气体扩散层14与16之间以及双极板20与22之间的密封垫片12。在此示例中，垫片12当在气体扩散层之间时应薄并且在双极板之间时应较厚。一些现有技术垫片使用压条24结合密封薄片26来实现所需的厚度变化。因此，本专利技术提供用于燃料电池垫片部件的改进的设计。
技术实现思路
本专利技术通过在至少一个实施例中提供用于形成用于燃料电池应用的垫片的方法来解决现有技术的一个或多个问题。该方法包括提供包括树脂材料层的大体上平面的薄片的步骤。由该大体上平面的薄片形成第一折叠薄片。第一折叠薄片具有从大体上平面的薄片的大体上平面的部分延伸的第一褶皱，该第一褶皱具有第一侧面部分和与第一侧面部分相对并且由顶部连接的第二侧面部分。通过将第一褶皱朝向平面的部分折叠以形成复合褶皱而形成垫片。将复合褶皱放置于第一燃料电池部件与第二燃料电池部件之间。有利地，垫片形成电绝缘、密封、间隔功能性或其组合。在另一个实施例中，提供由上述方法形成的燃料电池。该燃料电池包括具有阳极侧和阴极侧的膜电极组件。第一流场布置在阳极侧上以及第二流场布置在阴极侧上。第一气体扩散介质介于阳极侧与第一流场之间，以及第二气体扩散介质介于阴极侧与第二流场之间。垫片介于第一流场与第二流场之间，该垫片限定中心开口。垫片可选地包括周边密封区域，该周边密封区域包括其中具有复合褶皱的树脂材料。复合褶皱包括在从薄片的大体上平面的区域延伸的薄片中的第一褶皱。第一褶皱具有第一侧面部分和与第一侧面部分相对的第二侧面部分，以使得第一侧面部分与第二侧面部分由顶部连接。复合褶皱包括通过将第一褶皱朝向薄片的平面的部分折叠形成的第二褶皱。1.一种方法包括：提供包括树脂材料层的大体上平面的薄片；由大体上平面的薄片形成第一折叠薄片，第一折叠薄片具有从第一折叠薄片的大体上平面的部分延伸的第一褶皱，第一褶皱具有第一侧面部分和与第一侧面部分相对的第二侧面部分，第一侧面部分与第二侧面部分由顶部连接；通过将第一褶皱朝向所述平面的部分折叠以形成复合褶皱来形成垫片，所述复合褶皱具有与大体上平面的部分相邻的第一侧面部分；以及将复合褶皱放置于第一燃料电池部件与第二燃料电池部件之间。2.如方案1所述的方法，其中所述第一褶皱通过在心轴上拉曳所述薄片形成并且进行加热以辅助形成第一褶皱。3.如方案2所述的方法，其中所述薄片被加热到约90至约300摄氏度的温度。4.如方案3所述的方法，其进一步包括应用真空以将心轴形状赋予到所述薄片上由此形成第一褶皱。5.如方案2所述的方法，其中从所述心轴移除其中具有第一褶皱的薄片。6.如方案1所述的方法，其中所述复合褶皱被允许在放置于第一燃料电池部件与第二燃料电池部件之间之后冷却。7.如方案1所述的方法，其中所述第一燃料电池部件和所述第二燃料电池是各自独立的流场。8.如方案1所述的方法，其中所述垫片形成电绝缘、密封、间隔功能性或其组合。9.如方案1所述的方法，其中所述树脂材料层包括热塑性聚合物。10.如方案9所述的方法，其中所述热塑性聚合物包括选自以下各项构成的群组的成分：聚乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二酯、聚苯醚、聚硫化亚苯以及其组合。11.如方案1所述的方法，其中所述垫片具有周边密封区域，所述垫片限定中心开口。12.如方案1所述的方法，其中所述薄片具有层压结构。13.如方案1所述的方法，其中所述层压结构是多层热塑性塑料或者具有非热塑性弹性体层的热塑性塑料。14.如方案12所述的方法，其中所述层压结构包括第一固体层和第一泡沫层以及可选的第二固体层，第一泡沫层介于第一固体层与第二固体层之间。15.如方案14所述的方法，其中所述第一固体层、所述第二固体层以及所述第一泡沫层各自独立地包括热塑性聚合物。16.如方案14所述的方法，其中所述薄片具有约0.050mm至约1mm的厚度。17.一种燃料电池，包括：具有阳极侧和阴极侧的膜电极组件；布置在阳极侧上的第一流场；布置在阴极侧上的第二流场；介于阳极侧与第一流场之间的第一气体扩散介质；介于阴极侧与第二流场之间的第二气体扩散介质；介于第一流场与第二流场之间的垫片，所述垫片限定中心开口，所述垫片具有周边密封区域，所述周边密封区域包括其中具有复合褶皱的树脂材料，所述复合褶皱包括：在薄片中的第一褶皱，所述第一褶皱从所述薄片的大体上平面的区域延伸，第一褶皱具有第一侧面部分和与第一侧面部分相对的第二侧面部分，第一侧面部分与第二侧面部分由顶部连接；以及通过将第一褶皱朝向薄片的平面的部分折叠形成的第二褶皱。18.如方案17所述的燃料电池，其中所述薄片具有层压结构。19.如方案18所述的燃料电池，其中所述层压结构包括第一固体层和第一泡沫层。20.如方案19所述的燃料电池，其中所述层压结构进一步包括第二固体层，第一泡沫层介于第一固体层与第二固体层之间。附图说明本专利技术的示例性实施例将从详细描述和附图得到更完整理解，其中：图1是使用现有技术垫片系统的燃料密封堆的透视图；图2A是使用具有折叠区域的垫片的燃料电池的实施例的截面；图2B是使用具有折叠区域的垫片的燃料电池的实施例的截面；图3是使用具有折叠区域的垫片的燃料电池的实施例的透视图；图4是燃料电池垫片的顶视图；图5是燃料电池垫片的截面图；以及图6A和6B提供用于形成用于燃料电池应用的垫片的方法的示意性流程图。具体实施方式现在将详细参照构成实施专利技术人当前已知的专利技术的最佳模式的本专利技术的当前优选的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种方法包括：提供包括树脂材料层的大体上平面的薄片；由大体上平面的薄片形成第一折叠薄片，第一折叠薄片具有从第一折叠薄片的大体上平面的部分延伸的第一褶皱，第一褶皱具有第一侧面部分和与第一侧面部分相对的第二侧面部分，第一侧面部分与第二侧面部分由顶部连接；通过将第一褶皱朝向所述平面的部分折叠以形成复合褶皱来形成垫片，所述复合褶皱具有与大体上平面的部分相邻的第一侧面部分；以及将复合褶皱放置于第一燃料电池部件与第二燃料电池部件之间。

【技术特征摘要】
2014.01.23 US 14/1622521.一种形成用于燃料电池的垫片的方法包括：提供包括树脂材料层的大体上平面的薄片；由大体上平面的薄片形成第一折叠薄片，第一折叠薄片具有从第一折叠薄片的大体上平面的部分延伸的第一褶皱，第一褶皱具有第一侧面部分和与第一侧面部分相对的第二侧面部分，第一侧面部分与第二侧面部分由顶部连接；通过将第一褶皱朝向所述平面的部分折叠以形成复合褶皱来形成垫片，所述复合褶皱具有与大体上平面的部分相邻的第一侧面部分；以及将复合褶皱放置于第一燃料电池部件与第二燃料电池部件之间。2.如权利要求1所述的形成用于燃料电池的垫片的方法，其中所述第一褶皱通过在心轴上拉曳所述薄片形成并且进行加热以辅助形成第一褶皱。3.如权利要求2所述的形成用于燃料电池的垫片的方法，其中所述薄片被加热到90至300摄氏度的温度。4.如权利要求3所述的形成用于燃料电池的垫片的方法，其进一步包括应用真空以将心轴形状赋予到所述薄片上由此形成第一褶皱。5.如权利要求2所述的形成用于燃料电池的垫片的方法，其中从所述心轴移除其中具有第一褶皱的薄片。6.如权利要求1所述的形成用于燃料电池的垫片的方法，其中所述复合褶皱被允许在放置于第一燃料电池部件与第二燃料电池部件之间之后冷却。7.如权利要求1所述的形成用于燃料电池的垫片的方法，其中所述第一燃料电池部件和所述第二燃料电池部件是各自独立的流场。8.如权利要求1所述形成用于燃料电池的垫片的方法，其中所述垫片形成电绝缘、密封、间隔功能性或其组合。9.如权利要求1所述的形成用于燃料电池的垫片的方法，其中所述树脂材料层包括热塑性聚合物。10.如权利要求9所述的形成用于燃料电池的垫片的方法，其中所述热塑性聚合物包括选自以下各项构成的群组的成分：聚乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸...

【专利技术属性】
技术研发人员：MJ伯伊特尔，
申请(专利权)人：通用汽车环球科技运作有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国;US