包括涂覆子墊圈的燃料電池膜-子墊圈組件，以及包括燃料電池膜-子墊圈組件的燃料電...的制作方法
包括涂覆子墊圈的燃料電池膜-子墊圈組件，以及包括燃料電池膜-子墊圈組件的燃料電 ...的制作方法
【專利摘要】本發明涉及包括涂覆子墊圈的燃料電池膜-子墊圈組件，以及包括燃料電池膜-子墊圈組件的燃料電池組件和燃料電池堆。燃料電池膜-子墊圈組件可包括電解質膜和涂覆子墊圈，涂覆子墊圈圍繞著電解質膜的周長疊置在電解質膜上，從而限定了在周長內部的有效區域。涂覆子墊圈可包括由子墊圈材料形成的子墊圈本體。涂覆子墊圈的至少一側包括子墊圈覆層，子墊圈覆層包含涂覆材料或由涂覆材料形成，該涂覆材料例如是金屬、陶瓷、聚合物、高分子復合材料、或其它硬覆層。燃料電池組件可包括氣體擴散介質、雙極板、和具有涂覆子墊圈的燃料電池膜-子墊圈組件。燃料電池堆可包括夾緊板、單極端板、和多個單獨的燃料電池組件，它們中的至少一個包括具有涂覆子墊圈的燃料電池膜-子墊圈組件。
【專利說明】包括涂覆子墊圈的燃料電池膜-子墊圈組件，以及包括燃料電池膜-子墊圈組件的燃料電池組件和燃料電池堆
【技術領域】
[0001]本發明概括地涉及燃料電池系統，并更具體地，涉及具有金屬化的或硬涂覆的子墊圈的燃料電池膜-子墊圈組件，涉及包括燃料電池膜-子墊圈組件的燃料電池組件，并且涉及包括燃料電池組件的燃料電池堆。
【背景技術】
[0002]燃料電池已經被提出作為清潔、高效、且環保的功率源而用于電動車輛和各種其它應用。具體來說，燃料電池已經被認為是用在現代汽車中的傳統的內燃發動機的潛在替代者。
[0003]一種類型的燃料電池是高分子電解質膜(PEM)燃料電池。PEM燃料電池包括三個基本部件:電解質膜；和一對電極，包括陰極和陽極。電解質膜被夾在所述電極之間以形成膜-電極-組件(MEA)。MEA通常被定位在多孔擴散介質(DM)之間，例如碳纖維紙，其有利于諸如氫氣的反應物傳遞到陽極，并有利于諸如氧氣，通常來自空氣，傳遞到陰極。在電化學燃料電池反應中，氫氣在陽極中被催化氧化以產生自由質子和電子。質子穿過電解質到達陰極。來自陽極的電子不能穿過電解質膜，并代替地被作為電流通過電負載引導到陰極，電負載例如是電馬達。質子在陰極中與氧和電子反應以生成水。
[0004]電解質膜通常由離聚物層形成。典型的離聚物是全副磺酸(PFSA)聚合物，例如Nafion?,其在商業上可從E.1.du Pont de Nemours and Company獲得。燃料電池的電極通常由細粒催化劑形成。催化劑可以是催化地支持燃料電池電化學反應的氫氣氧化和氧氣還原中的至少一個的任何電催化劑。催化劑可以是貴金屬，例如鉬或另一鉬族金屬。催化劑通常被設置在碳支撐體上，例如碳黑顆粒，并且被分散在離聚物中。電解質膜、電極和DM被定位在一對燃料電池板之間并且例如用墊圈密封，該墊圈提供了基本上不透流體的密封。
[0005]電解質膜還通常具有屏障薄膜或子墊圈，這聯接到該電解質膜上以提供內部加強且將供應到燃料電池堆的氫氣和空氣分隔開。子墊圈通常疊置在電解質膜的邊緣并且在二次操作中通過切割一片聚合物薄片材料并且用壓縮和粘合劑中的至少一個將該薄片材料結合到電解質膜來形成。子墊圈和用于將子墊圈聯接到電解質膜的裝置的一些示例在共有的美國專利7，935，453中被描述，該專利的全部內容通過引用并入本文。
[0006]沿著燃料電池板有效區域的外圍的子墊圈抵接MEA并能與MEA交疊。子墊圈通常用于同時支撐MEA并且將燃料電池的陰極流場與堆疊組件中的鄰近的燃料電池的陽極流場電絕緣。子墊圈也電絕緣流場外部的區域。子墊圈的內邊緣限定了 MEA的有效區域。
[0007]在燃料電池的正常運行中會遇到諸如高溫和高壓或這兩者的嚴酷條件，這使得必須用不會降級或變形的材料來構建燃料電池的各種部件。降級或變形的通常原因包括當厚子墊圈被使用時的具有高壓縮的局部區域或者是在薄子墊圈被使用時的由反應物氣體流導致的子墊圈偏轉區域。子墊圈的這種降級或變形可負面地影響MEA的壽命或者可降低整個燃料電池的性能。
[0008]因此，一直存在對改進的子墊圈的需求，其能被包含在MEA中；以及包括該MEA的燃料電池組件；以及包括一個或多個該燃料電池組件的燃料電池堆，借此子墊圈降級和變形的問題可被解決，但不犧牲制造成本或生產產量。
【發明內容】
[0009]在上述背景下，本文描述的一些實施例涉及燃料電池膜-子墊圈組件。燃料電池膜-子墊圈組件可包括電解質膜和涂覆子墊圈，該子墊圈疊置在電解質膜的周長上。涂覆子墊圈可限定了在電解質膜的周長內部的有效區域。涂覆子墊圈可包括由子墊圈材料形成的子墊圈本體。子墊圈本體可具有面向電解質膜的第一子墊圈側和與第一子墊圈側相對的第二子墊圈側。子墊圈本體的第一子墊圈側和子墊圈本體的第二子墊圈側中的至少一個可包括在子墊圈材料上的子墊圈涂覆層。子墊圈涂覆層可包含一個或多個涂覆材料或由該一個或多個涂覆材料形成，該材料例如是金屬、鋼、合金、陶瓷、氧化物、氮化物、碳化物、碳、類金剛石、丙烯酸樹脂、聚合物、高分子復合材料、和硬覆層。
[0010]本文描述的其它實施例涉及燃料電池組件，其包括根據還在本文中描述的一個或多個實施例的燃料電池膜-子墊圈組件。燃料電池組件可包括第一氣體擴散介質、第二氣體擴散介質、設置在第一氣體擴散介質和第二氣體擴散介質之間的燃料電池膜-子墊圈組件。燃料電池膜-子墊圈組件可包括電解質膜和涂覆子墊圈，該子墊圈疊置在電解質膜的周長上。涂覆子墊圈可限定了在電解質膜的周長內部的有效區域。涂覆子墊圈可包括由子墊圈材料形成的子墊圈本體。子墊圈本體可具有面向電解質膜的第一子墊圈側和與第一子墊圈側相對的第二子墊圈側。子墊圈本體的第一子墊圈側和子墊圈本體的第二子墊圈側中的至少一個可包括在子墊圈材料上的子墊圈涂覆層。子墊圈涂覆層可包含一個或多個涂覆材料或由該一個或多個涂覆材料形成，該材料例如是金屬、鋼、合金、陶瓷、氧化物、氮化物、碳化物、碳、類金剛石、丙烯酸樹脂、聚合物、高分子復合材料、和硬覆層。燃料電池組件的第一電極層可被設置在燃料電池膜-子墊圈組件的電解質膜和第一氣體擴散介質之間。燃料電池組件的第二電極層可被設置在燃料電池膜-子墊圈組件的電解質膜和第二氣體擴散介質之間。燃料電池組件也可包括雙極板，該雙極板具有陰極側和與陰極側相對的陽極側。雙極板可與電解質膜流體連通。
[0011]本文中描述的另外的實施例涉及燃料電池堆，其包括至少一個上述的燃料電池組件。該至少一個燃料電池組件可包括根據本文描述的一個或多個實施例的燃料電池子墊圈電極組件。燃料電池堆可包括第一夾緊板、第二夾緊板、設置在第一夾緊板和第二夾緊板之間的第一單極端板、和設置在第一單極端板和第二夾緊板之間的第二單極端板。燃料電池堆可還包括在第一單極端板和第二單極端板之間的多個單獨的燃料電池組件。單獨的燃料電池組件中的至少一個可包括第一氣體擴散介質、第二氣體擴散介質、設置在第一氣體擴散介質和第二氣體擴散介質之間的燃料電池膜-子墊圈組件。在這個單獨的燃料電池組件中的燃料電池膜-子墊圈組件可包括電解質膜和涂覆子墊圈，該子墊圈疊置在電解質膜的周長上。涂覆子墊圈可限定了在電解質膜的周長內部的有效區域。涂覆子墊圈可包括由子墊圈材料形成的子墊圈本體。子墊圈本體可具有面向電解質膜的第一子墊圈側和與第一子墊圈側相對的第二子墊圈側。子墊圈本體的第一子墊圈側和子墊圈本體的第二子墊圈側中的至少一個可包括在子墊圈材料上的子墊圈涂覆層。子墊圈涂覆層可包含一個或多個涂覆材料或由該一個或多個涂覆材料形成，該材料例如是金屬、鋼、合金、陶瓷、氧化物、氮化物、碳化物、碳、類金剛石、丙烯酸樹脂、聚合物、高分子復合材料、和硬覆層。單獨的燃料電池組件的第一電極層可被設置在燃料電池膜-子墊圈組件的電解質膜和第一氣體擴散介質之間。單獨的燃料電池組件的第二電極層可被設置在燃料電池膜-子墊圈組件的電解質膜和第二氣體擴散介質之間。單獨的燃料電池組件可還包括雙極板，該雙極板與電解質膜流體連通并且具有面對第一夾緊板和第二夾緊板中的其中一個的陰極側和面對第一夾緊板和第二夾緊板中的另一個的陽極側。在燃料電池堆中，多個堆疊的單獨的燃料電池組件的鄰近的單獨的燃料電池組件可共享在第一單獨的燃料電池組件和第二單獨的燃料電池組件之間的公共雙極板。具體來說，公共雙極板的陰極側可面對第一單獨的燃料電池組件，并且公共雙極板的陽極側可面對第二單獨的燃料電池組件。
[0012]應該理解，前述的概括描述和下面的詳細描述都描述了各種實施例，并且都被用于提供總覽或框架以理解所要求保護的主題的本質和特征。包括了附圖以提供了對各種實施例的進一步理解，這些附圖被包含在說明書內并構成了該說明書的一部分。【專利附圖】
【附圖說明】了本文描述的各種實施例，并且與描述一起用于解釋所要求保護的主題的原理和操作。
[0013]本申請還提供了如下方案:
方案1.一種燃料電池膜-子墊圈組件，包括:
電解質膜；以及
涂覆子墊圈，其疊置在電解質膜的周長上，涂覆子墊圈限定了在電解質膜的周長內部的電解質膜的有效區域，
其中:
涂覆子墊圈包括由子墊圈材料形成的子墊圈本體；
子墊圈本體具有面向電解質膜的第一子墊圈側和與第一子墊圈側相對的第二子墊圈
側；
子墊圈本體的第一子墊圈側和子墊圈本體的第二子墊圈側中的至少一個包括在子墊圈材料上的子墊圈覆層；以及
子墊圈覆層包括選自由下列各項組成的組的子墊圈涂覆材料:金屬、鋼、合金、陶瓷、氧化物、氮化物、碳化物、碳、類金剛石、丙烯酸、聚合物、高分子復合材料、和硬覆層。
[0014]方案2.如方案I所述的燃料電池膜-子墊圈組件，其中，子墊圈材料選自由聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚烯烴、和它們的組合物組成的組。
[0015]方案3.如方案I所述的燃料電池膜-子墊圈組件，其中，子墊圈涂覆材料選自由金屬、鋼和氮化物組成的組。
[0016]方案4.如方案I所述的燃料電池膜-子墊圈組件，其中，子墊圈涂覆材料選自由鉻、不銹鋼、類金剛石和氮化鈦組成的組。
[0017]方案5.如方案I所述的燃料電池膜-子墊圈組件，其中:
子墊圈覆層具有的厚度是從約0.0lMm到約20Mm ；
子墊圈本體具有的厚度是從約5Mm到約200Mm ；以及 子墊圈覆層的厚度與子墊圈本體的厚度的比是從約1:2到約1:500。
[0018]方案6.如方案5所述的燃料電池膜-子墊圈組件，其中，子墊圈材料是聚對苯二甲酸乙二醇酯而子墊圈涂覆材料選自由鉻、不銹鋼、類金剛石和氮化鈦組成的組。
[0019]方案7.如方案I所述的燃料電池膜-子墊圈組件，還包括第一電極層和第二電極層，其中:
電解質膜在電解質膜的第一側上涂覆有第一電極層，在電解質膜的與第一側相對的第二側上涂覆有第二電極層；以及
第一電極層設置在電解質膜和涂覆子墊圈之間。
[0020]方案8.如方案I所述的燃料電池膜-子墊圈組件，還包括第一氣體擴散介質、第二氣體擴散介質、第一電極層和第二電極層，其中:
第一電極層是在第一氣體擴散介質上的催化劑覆層；
第二電極層是在第二氣體擴散介質上的催化劑覆層；以及 涂覆子墊圈設置在第一電極層和電解質膜之間。
[0021]方案9.一種燃料電池組件，包括:
第一氣體擴散介質；
第二氣體擴散介質；
燃料電池膜-子墊圈組件，其設置在第一氣體擴散介質和第二氣體擴散介質之間，燃料電池膜-子墊圈組件包括:
電解質膜；以及
涂覆子墊圈，其疊置在電解質膜的周長上，涂覆子墊圈限定了在電解質膜的周長內部的有效區域，
其中:
涂覆子墊圈包括由子墊圈材料形成的子墊圈本體；
子墊圈本體具有面向電解質膜的第一子墊圈側和與第一子墊圈側相對的第二子墊圈
側；
子墊圈本體的第一子墊圈側和子墊圈本體的第二子墊圈側中的至少一個包括在子墊圈材料上的子墊圈覆層；以及
子墊圈覆層包括選自由下列各項組成的組的子墊圈涂覆材料:金屬、鋼、合金、陶瓷、氧化物、氮化物、碳化物、碳、類金剛石、丙烯酸、聚合物、高分子復合材料、和硬覆層；
設置在電解質膜和第一氣體擴散介質之間的第一電極層；
設置在電解質膜和第二氣體擴散介質之間的第二電極層；以及
雙極板，其具有陰極側和與陰極側相對的陽極側，雙極板與電解質膜流體連通。
[0022]方案10.如方案9所述的燃料電池組件，其中，子墊圈材料選自由聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚烯烴、和它們的組合物組成的組。
[0023]方案11.如方案9所述的燃料電池組件，其中，子墊圈涂覆材料選自由金屬、鋼和氮化物組成的組。
[0024]方案12.如方案9所述的燃料電池組件，其中，子墊圈材料是聚對苯二甲酸乙二醇酯。
[0025]方案13.如方案9所述的燃料電池組件，其中，子墊圈材料是聚對苯二甲酸乙二醇酯而子墊圈涂覆材料選自由鉻、不銹鋼、和氮化鈦組成的組。
[0026]方案14.如方案9所述的燃料電池組件，其中: 第一電極層是在電解質膜的第一電極表面上的催化劑覆層；以及 第一電極層設置在電解質膜和涂覆子墊圈之間。
[0027]方案15.如方案9所述的燃料電池組件，其中:
第一電極層是在第一氣體擴散介質上的催化劑覆層；以及 涂覆子墊圈設置在第一電極層和電解質膜之間。
[0028]方案16.—種燃料電池堆，包括:
第一夾緊板；
第二夾緊板；
定位在第一夾緊板和第二夾緊板之間的第一單極端板；
定位在第一單極端板和第二夾緊板之間的第二單極端板；以及多個堆疊的單獨的燃料電池組件，每個燃料電池組件被定位在第一單極端板和第二單極端板之間，各個燃料電池組件中的至少一個包括:
第一氣體擴散介質；
第二氣體擴散介質；
燃料電池膜-子墊圈組件，其設置在第一氣體擴散介質和第二氣體擴散介質之間，燃料電池膜-子墊圈組件包括:
電解質膜；以及
涂覆子墊圈，其疊置在電解質膜的周長上，涂覆子墊圈限定了在電解質膜的周長內部的有效區域，
其中:
涂覆子墊圈包括由子墊圈材料形成的子墊圈本體；
子墊圈本體具有面向電解質膜的第一子墊圈側和與第一子墊圈側相對的第二子墊圈
側；
子墊圈本體的第一子墊圈側和子墊圈本體的第二子墊圈側中的至少一個包括在子墊圈材料上的子墊圈覆層；以及
子墊圈覆層包括選自由下列各項組成的組的子墊圈涂覆材料:金屬、鋼、合金、陶瓷、氧化物、氮化物、碳化物、碳、類金剛石、丙烯酸、聚合物、高分子復合材料、和硬覆層；
設置在電解質膜和第一氣體擴散介質之間的第一電極層；
設置在電解質膜和第二氣體擴散介質之間的第二電極層；以及
雙極板，其具有陰極側和與陰極側相對的陽極側，雙極板與電解質膜流體連通，
其中:
多個堆疊的單獨的燃料電池組件的鄰近的單獨的燃料電池組件可共享在第一單獨的燃料電池組件和第二單獨的燃料電池組件之間的公共雙極板；
公共雙極板的陰極側面對第一單獨的燃料電池組件；以及 公共雙極板的陽極側面對第二單獨的燃料電池組件。
[0029]方案17.如方案16所述的燃料電池堆，其中:
至少一個燃料電池組件的子墊圈材料選自由聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚烯烴、和它們的組合物組成的組；以及
至少一個燃料電池組件的子墊圈涂覆材料選自由金屬、鋼和氮化物組成的組。[0030]方案18.如方案16所述的燃料電池堆，其中，至少一個燃料電池組件的子墊圈材料是聚對苯二甲酸乙二醇酯而至少一個燃料電池組件的子墊圈涂覆材料選自由鉻、不銹鋼、類金剛石和氮化鈦組成的組。
[0031]方案19.如方案16所述的燃料電池堆，其中:
至少一個燃料電池組件的第一電極層是在電解質膜的第一電極表面上的催化劑覆層；
以及
至少一個燃料電池組件的第一電極層被設置在涂覆子墊圈和電解質膜之間。
[0032]方案20.如方案16所述的燃料電池堆，其中:
第一電極層是在第一氣體擴散介質上的催化劑覆層；以及 涂覆子墊圈設置在第一電極層和電解質膜之間。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0033]圖1是根據本文描述的實施例的燃料電池膜-子墊圈組件的平面圖，包括涂覆子墊圈；
圖2A是圖1的燃料電池膜-子墊圈組件的橫截面，示出了根據本文公開的一個實施例的涂覆子墊圈，其中涂覆子墊圈僅在第一面上被涂覆；
圖2B是圖1的燃料電池膜-子墊圈組件的橫截面，示出了根據本文公開的一個實施例的涂覆子墊圈，其中涂覆子墊圈僅在與第一面相對的第二面上被涂覆；
圖2C是圖1的燃料電池膜-子墊圈組件的橫截面，示出了根據本文公開的另一個實施例的涂覆子墊圈，其中涂覆子墊圈在第一面和第二面上都被涂覆；
圖3A是燃料電池膜-子墊圈組件的一個實施例的橫截面，包括了圍繞電解質膜的外周長的根據圖2A的實施例的子墊圈；
圖3B是燃料電池膜-子墊圈組件的一個實施例的橫截面，包括了圍繞涂覆有電極層的電解質膜的外周長的根據圖2A的實施例的子墊圈，該電極層被設置在電解質膜和子墊圈之間；
圖3C是燃料電池膜-子墊圈組件的一個實施例的橫截面，包括圍繞電解質膜的外周長的涂覆子墊圈，其中該涂覆子墊圈和電解質膜被設置在兩個催化劑涂覆的氣體擴散介質之間；
圖4是根據本文描述的實施例的燃料電池組件，其包括了根據本文中的實施例的燃料電池膜-子墊圈組件；以及
圖5是根據本文描述的實施例的燃料電池堆，其包括了包含兩個圖4的燃料電池組件的堆疊構造。
【具體實施方式】
[0034]現在將具體參照在附圖中示出的具有金屬化或硬涂覆的子墊圈的燃料電池膜-子墊圈組件的，包括該燃料電池膜-子墊圈組件的燃料電池組件的，并包括該燃料電池組件的燃料電池堆的非限定示例。在可能時，在所有附圖中相同的附圖標記被用來指示相同或相似的部分。燃料電池膜-子墊圈組件的一個實施例被描述在圖1中，在圖2A和2B中的橫截面說明了在該燃料電池膜-子墊圈組件中存在的涂覆子墊圈，并在圖3中的橫截面說明了該子墊圈與燃料電池膜-子墊圈組件的其它層的關系。燃料電池膜-子墊圈組件的其它實施例可通過圖3、3B和3C的橫截面示出。下面將參照圖4描述包括燃料電池膜-子墊圈組件的燃料電池組件的實施例，并且下面將參照圖5描述包括燃料電池組件的燃料電池堆的實施例。
[0035]參照圖1和3A，根據一些實施例的燃料電池膜-子墊圈組件I可包括電解質膜35和涂覆子墊圈10，涂覆子墊圈10圍繞電解質膜35的周長31疊置在電解質膜35上。如在本文中使用時，術語關于涂覆子墊圈10的“疊置”僅指的是涂覆子墊圈10相對于電解質膜35的定位并且不排除在涂覆子墊圈10和電解質膜35之間還存在額外的特征。而且，應該理解的是，術語“疊置”不是用來暗示燃料電池膜-子墊圈組件I的任何優選取向，使得在操作中，在一些實施例中涂覆子墊圈可在電解質膜35之上，在另一些實施例中可在電解質膜35之下，或者在其它的實施例中在電解質膜35旁邊。涂覆子墊圈10可限定了在電解質膜35的周長31內部的有效區域30。
[0036]圖3A、3B和3C說明了燃料電池膜-子墊圈組件I的三個示例性實施例。應該理解的是，圖3A、3B和3C是部分分解圖，并且在附圖中示出的各個部件可在運行的燃料電池中物理接觸以及可任選地通過中間層(未示出)例如粘結劑保持在一起。在根據圖3A的實施例中，燃料電池膜-子墊圈組件I的涂覆子墊圈10可直接放置在電解質膜35上。在根據圖3B的實施例中，燃料電池膜-子墊圈組件I可還包括第一電極層32和第二電極層34。第一電極層32可以是在電解質膜35的第一側上的催化劑覆層，第二電極層可以是在電解質膜35的與第一側相對的第二側上的催化劑覆層。在根據圖3B的一些實施例中，第一電極層32可以是陽極電極，而第二電極層34可以是陰極電極。在根據圖3B的另一些實施例中，第一電極層32可以是陰極電極，而第二電極層34可以是陽極電極。
[0037]在根據圖3C的實施例中，燃料電池膜-子墊圈組件I可還包括第一氣體擴散介質160、第二氣體擴散介質170、第一電極層32和第二電極層34。第一電極層32是在第一氣體擴散介質160上的催化劑覆層。第二電極層34是在第二氣體擴散介質170上的催化劑覆層。涂覆子墊圈10被設置在第一電極層32和電解質膜35之間。在根據圖3C的一些實施例中，第一電極層32可以是陽極電極，而第二電極層34可以是陰極電極。在根據圖3C的另一些實施例中，第一電極層32可以是陰極電極，而第二電極層34可以是陽極電極。
[0038]參照圖1，在根據圖3A、3B和3C中任一個的實施例中，涂覆子墊圈10可具有限定在其內的多個單獨的通道或集管，用以容納氣體或流體的流動，例如燃料、氧化劑或冷卻齊U。例如，涂覆子墊圈10可具有限定在其內的第一子墊圈燃料通道50、第二子墊圈燃料通道55、第一子墊圈氧化劑通道60、第二子墊圈氧化劑通道65、第一子墊圈冷卻劑通道70、和第二子墊圈冷卻劑通道75。在包括燃料電池膜-子墊圈組件I的燃料電池組件或燃料電池堆中，例如，各個通道或集管中的每一個可與燃料電池組件或燃料電池堆的其它板上的對應通道或集管流體連通。
[0039]參照在圖2A-2C中示出的圖1的橫截面，涂覆子墊圈10包括由子墊圈材料形成的子墊圈本體20。子墊圈本體20具有面對電解質膜35的第一子墊圈側12和與第一子墊圈側12相對的第二子墊圈側14。子墊圈本體20的第一子墊圈側12和子墊圈本體20的第二子墊圈側14中的至少一個包括在子墊圈材料上的子墊圈覆層25。子墊圈本體20的各個側面的涂覆的非限定實施例在圖2A-2C中示出。例如，如在圖2A的實施例中，僅子墊圈本體20的第二子墊圈側14可被涂覆有子墊圈覆層25。替換地，如在圖2B的實施例中，僅子墊圈本體20的第一子墊圈側12可被涂覆有子墊圈覆層25。在圖2C中示出的另一實施例中，子墊圈本體20的第一子墊圈側12和子墊圈本體20的第二子墊圈側14可涂覆有子墊圈覆層25。
[0040]盡管在圖3A和3B中，燃料電池膜-子墊圈組件I包括根據圖2A的實施例的涂覆子墊圈10，但是應該理解的是，根據圖2B或2C的任一實施例的涂覆子墊圈10可被替換地包含在燃料電池膜-子墊圈組件I中。同樣，盡管在圖3C中，燃料電池膜-子墊圈組件I包括根據圖2C的實施例的涂覆子墊圈10，但是應該理解的是，根據圖2A或2B的任一實施例的涂覆子墊圈10可被替換地包含在燃料電池膜-子墊圈組件I中。子墊圈本體20的子墊圈材料和子墊圈覆層25的材料和性能將在下面被更具體討論。
[0041]涂覆子墊圈10的子墊圈本體20可由本領域已知的任何合適的子墊圈材料形成。在非限定性實施例中，子墊圈本體20可由聚合物材料形成，例如聚烯烴(例如，聚乙烯、聚丙烯、它們的混合物、以及它們的衍生物)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、或聚酯薄膜。在優選的實施例中，子墊圈本體20可由聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)制成。不受理論所約束，認為PET通常不適合用作在燃料電池應用中的子墊圈材料，因為隨著時間推移，其往往降級或變脆，尤其是在有水存在下，燃料電池的運行期間產生水。不過，發明人已經令人驚奇地發現了當子墊圈本體20的一側或兩側涂覆有根據本文描述的實施例的子墊圈覆層25時，不僅PET的機械性能被改善，而且PET被保護不受水侵入的影響并且不太可能出現降級問題。而且，PET可以是子墊圈本體20的優選材料，因為其相比最通常使用的子墊圈材料，尤其是PEN，要相對便宜。在說明性實施例中，子墊圈本體可具有從約12Mm到約125Mm的厚度，或者優選地，從約25Mm到約75Mm。
[0042]在一些實施例中，子墊圈覆層25可以是任何涂覆材料，該材料與子墊圈材料化學兼容，并且優選地，還在操作溫度和壓力下與燃料電池反應物，例如氫氣，與氧化劑，例如氧氣，和與副產品或冷卻劑介質，例如水和乙二醇兼容。優選地，子墊圈覆層25的材料、涂覆材料的厚度、或這兩者被選擇成使得子墊圈本體20的物理特征以對限制涂覆子墊圈在包括燃料電池膜-子墊圈組件I的燃料電池組件或燃料電池堆的長久運行期間的降級和/或變形來說有用的方式被大大改變。在說明性實施例中，子墊圈覆層25可包括涂覆材料、主要由涂覆材料構成或者由涂覆材料構成，該涂覆材料例如是金屬；鋼；合金；陶瓷，例如氧化物、氮化物、和碳化物；丙烯酸涂層；聚合物材料；聚合物復合材料；和硬覆層，例如類金剛石。在一些優選實施例中，氮化鈦(TiN)、鉻、不銹鋼可非常適合作為子墊圈覆層25。子墊圈覆層25可通過合適的且實用的涂覆方法被施涂到第一子墊圈側12，第二子墊圈側14或這兩者，涂覆方法例如是真空沉積、等離子體輔助沉積、微波輔助化學氣相沉積、金屬化、電沉積、RF或磁控濺射、化學氣相沉積、物理氣相沉積、或蒸發。
[0043]子墊圈覆層25的厚度可變化,這取決于子墊圈本體20的厚度和被選擇用于子墊圈本體20和子墊圈覆層25的材料。在非限定性說明性實施例中，子墊圈覆層可具有從約
0.0lMm到約20Mm的厚度，優選地，從約0.1Mm到約10Mm。在一些實施例中，子墊圈覆層的厚度與子墊圈本體的厚度的比可從約I '2到約1:500，從約1:10到約1:500，或從約1:50到約1:500，或從約1:100到約1:500，或優選地從約1:250到約1:500。在一些實施例中，子墊圈本體20可具有的厚度是從約0.2Mm到約lOOOMm，或從約1.0Mm到約500Mm，或從約5Mm到約200Mm,或從約IOMm到約200Mm,或從約IOMm到約lOOMm。在說明性的、非限定性實施例中，子墊圈本體20可由具有從約IOMm到約IOOMm的厚度的PET形成，并且子墊圈覆層25可具有從約0.1Mm到約IOMm的厚度并可包括鉻、不銹鋼或氮化鈦。
[0044]優選地，子墊圈覆層25，不論厚度如何，具有基本上一致的厚度，基本上沒有裂縫，或這兩者。在本文中使用時，短語“基本上一致的厚度”意思是子墊圈覆層25從其最厚點到其最薄點變化，但不多于約±25%，優選地不多于約±10%，這是在與子墊圈本體20的表面垂直地測量的。在本文中使用時，短語“基本上沒有裂縫”意思是子墊圈覆層25完全沒有直徑大于50mm的小孔并且還完全沒有具有平行于子墊圈本體20的表面測量的大于50nm的寬度的裂縫。尤其優選的是，子墊圈覆層25可完全沒有能夠建立從子墊圈覆層25的暴露表面到第一子墊圈側12，第二子墊圈側14或這兩者的電氣連接的任何厚度變化或者表面缺陷。不受理論的約束，認為子墊圈覆層25中的裂縫或缺陷的出現或普遍存在可減少或否定一些益處，諸如將子墊圈覆層25添加到子墊圈本體20相關聯的增加的抗彎剛度和/或增加的穿刺阻力。
[0045]不受理論約束，認為子墊圈覆層25可通過增加涂覆子墊圈10的剛性和涂覆子墊圈10的穿刺阻力而對子墊圈本體20有益。在一些實施例中，例如，子墊圈覆層25可使子墊圈本體的抗彎剛度增加至少50%，至少100%，至少200%，至少300%，或甚至至少500%。當涂覆子墊圈被包含在燃料電池組件或燃料電池堆中時，包括下面要描述的那些，這些物理特征是重要的。具體來說，認為具有增加的剛性的涂覆子墊圈10在燃料電池的運行期間在涂覆子墊圈10的相對側上存在壓力差時不太可能彎曲。通常，不易彎曲變形的子墊圈也會不太可能侵入燃料電池堆中的雙極板的燃料或氧化劑導管。這種接觸和/或侵入可降低到有效區域30的可用燃料和/或氧化劑供應。這些有害影響可導致燃料電池堆的功率輸出的減少。關于穿刺阻力，相信涂覆子墊圈10的增加的穿刺阻力是可取的，因為在典型的燃料電池堆中靠近或鄰近涂覆子墊圈10的諸如雙極板的層自然地可具有不平坦的表面或缺陷，這可刺穿子墊圈本體20。一旦子墊圈本體20被以這種方式刺穿，會發生燃料、氧化劑、或水的泄漏，這潛在地減少了有效區域或甚至使燃料電池堆中的特定膜電極組件不工作。
[0046]在包括燃料電池膜-子墊圈組件I的燃料電池的運行期間，燃料，諸如氫氣，可沿垂直于涂覆子墊圈10的平面的一個方向流過第一子墊圈燃料通道50并且沿相反方向流過第二子墊圈燃料通道55。氧化劑，例如氧氣，可沿著垂直于涂覆子墊圈10的平面的一個方向流過第一子墊圈氧化劑通道60，并沿著相反方向流過第二子墊圈氧化劑通道65。同樣，冷卻劑，例如水，可沿著垂直于涂覆子墊圈10的平面的一個方向流過第一子墊圈冷卻劑通道70，并沿著相反方向流過第二子墊圈冷卻劑通道75。取決于這種燃料電池的運行要求，應該理解的是，燃料、氧化劑、和冷卻劑在涂覆子墊圈10的一側上的流動方向(例如，通過第二子墊圈燃料通道55，第一子墊圈氧化劑通道60，和第一子墊圈冷卻劑通道70)可都是相同的，或者燃料、氧化劑、和冷卻劑中的任意兩個可與燃料、氧化劑和冷卻劑中的剩余一個在涂覆子墊圈10的同一側上具有逆流關系。
[0047]現在將參照圖4描述燃料電池組件100的實施例，偶爾參照圖1、2A-2C和3A-3C以描述燃料電池膜-子墊圈組件I的部件。燃料電池組件100包括第一氣體擴散介質160，第二氣體擴散介質170和根據上述實施例中任一個的燃料電池膜-子墊圈組件I。具體來說(見圖1和3A)，燃料電池膜-子墊圈組件I可包括電解質膜35和涂覆子墊圈10，涂覆子墊圈10疊置在電解質膜35的周長31上。涂覆子墊圈10限定了在電解質膜35的周長31內部的有效區域30。涂覆子墊圈10包括由子墊圈材料形成的子墊圈本體20。子墊圈本體20具有第一子墊圈側12和與第一子墊圈側12相對的第二子墊圈側14。子墊圈本體20的第一子墊圈側12和子墊圈本體20的第二子墊圈側14中的至少一個包括在子墊圈材料上的子墊圈覆層25。子墊圈材料和子墊圈覆層25為如上關于燃料電池膜-子墊圈組件I的實施例所描述的。
[0048]在燃料電池組件100中，燃料電池膜-子墊圈組件I可被設置在第一氣體擴散介質160和第二氣體擴散介質170之間。在一些實施例中，第一氣體擴散介質160和第二氣體擴散介質170可任選地包括在其面對電解質膜的表面上的多微孔層(未不出)。
[0049]在一些實施例中，燃料電池組件100的燃料電池膜-子墊圈組件I可根據圖3B或3C的實施例中的任一個構造。燃料電池膜-子墊圈組件I的構造確定了電極層在燃料電池組件100中的位置。在任一種構造中，燃料電池組件100包括設置在燃料電池膜-子墊圈組件I的電解質膜35和第一氣體擴散介質160之間的第一電極層32 (在圖4中未不出)。燃料電池組件100還包括設置在燃料電池膜-子墊圈組件I的電解質膜35和第二氣體擴散介質170之間的第二電極層34 (在圖4中未示出)。
[0050]在一些實施例中，燃料電池組件100的燃料電池膜-子墊圈組件I可根據圖3B構造。在這種實施例中，第一電極層32和第二電極層34是在電解質膜35上的催化劑覆層并且第一氣體擴散介質160和第二氣體擴散介質170在燃料電池膜-子墊圈組件I外部。在其它實施例中，燃料電池組件100的燃料電池膜-子墊圈組件I可根據圖3C構造。在這種實施例中，第一電極層32是在第一氣體擴散介質160上的催化劑覆層,第二電極層34是在第二氣體擴散介質170上的催化劑覆層。不過，不論電極層被定位在何處，燃料電池膜-子墊圈組件I，第一氣體擴散介質160和第二氣體擴散介質170的組合可形成單元化的電極組件150。單元化的電極組件150的部件可在其生產期間被組裝并且通過任何傳統的工藝例如熱處理被彼此附接。粘結劑在必要時可被用在單獨的部件之間。
[0051]燃料電池組件100還包括雙極板110，其具有陰極側120和與陰極側120相對的陽極側130。雙極板被布置成使得第一氣體擴散介質160被設置在雙極板110和燃料電池膜-子墊圈組件I的有效區域30之間。應該理解的是，雙極板110的陰極側120和陽極側130相對于燃料電池膜-子墊圈組件I的如圖4中所示的取向是僅出于說明目的被選擇的，并且取決于燃料電池膜-子墊圈組件I的電極的實際取向(見圖3)，雙極板110的陰極側120和陽極側130可與它們在圖4中的取向相反。這將在下面對燃料電池堆的描述中更加容易理解。
[0052]雙極板110通常由成形薄片金屬的傳統工藝形成，例如，沖壓、機加工、模制或通過光刻罩光刻。在一個實施例中，雙極板110可由單極端板形成，這些單極端板此后被連接。應該理解的是，雙極板110也可由復合材料形成。在一個特定實施例中，雙極板110可由石墨或石墨填充的聚合物形成。
[0053]如在圖4的非限定性實施例中所示，雙極板110還可包括多個單獨的通道或集管，這些通道或集管將雙極板110設置成與燃料電池膜-子墊圈組件I的電解質膜(見圖3)，尤其是有效區域30流體連通。流體連通可被建立，例如，因為雙極板110的各個通道與涂覆子墊圈10的各個通道對準以形成流體導管。例如，雙極板110可包括與第一子墊圈燃料通道50對準的第一板燃料通道122，與第二子墊圈燃料通道55對準的第二板燃料通道132，與第一子墊圈氧化劑通道60對準的第一板氧化劑通道124，與第二子墊圈氧化劑通道65對準的第二板氧化劑通道134，與第一子墊圈冷卻劑通道70對準的第一板冷卻劑通道126，和與第二子墊圈冷卻劑通道75對準的第二板冷卻劑通道136。
[0054]現在參照圖5，將描述燃料電池組件200的實施例。出于簡化目的，此后僅圖示和描述兩個電池的堆(即，僅具有一個雙極板(即，雙極板110)的堆)，應該理解的是，典型的燃料電池堆可包含更多數量的這種電池和雙極板，例如，數十個、數百個、或者甚至數千個。
[0055]根據一些實施例，燃料電池堆200可包括第一夾緊板210、第二夾緊板215、設置在第一夾緊板210和第二夾緊板215之間的第一單極端板250、和設置在第一單極端板250和第二夾緊板215之間的第二單極端板255。任選地，夾緊板210、215可被墊圈(未示出)或介電覆層(未示出)與單極端板250、255電絕緣。
[0056]第一夾緊板210可包括各種連接部220、225、230、235、240、245，其將燃料電池堆200設置為與燃料源、氧化劑源、冷卻劑源、燃料排放裝置、氧化劑排放裝置和冷卻劑排放裝置流體連通。例如，第一夾緊板可包括到燃料源(未示出)的燃料供應連接部230，到燃料排放歧管(未示出)的燃料排放連接部235，到氧化劑源(未示出)的氧化劑供應連接部220，到氧化劑排放歧管(未示出)的氧化劑排放連接部225，冷卻劑進口 240，和冷卻劑出口 245。在一些實施例中，冷卻劑進口 240和冷卻劑出口 245可被連接為冷卻劑回路(未示出)或者可被單獨地連接到相應的冷卻劑源(未示出)和排放裝置(未示出)。各種連接部220、225、230、235,240,245中的每一個都被構造成與由燃料電池堆200的板250、10A、110、10B、255中的通道限定的導管對準。各種連接部可被構造成使得燃料、氧化劑、和冷卻劑全部沿相同方向流過燃料電池堆200或者使得燃料、氧化劑、和冷卻劑中的任意兩個沿與燃料、氧化劑、和冷卻劑中的第三個相反的方向流動。如此，應該理解的是，圖5中的各個連接部220、225、230、235、240、245的名稱選擇僅是出于說明目的。
[0057]燃料電池堆200可還包括多個單獨的燃料電池組件100A、100B,圖5中僅示出了它們中的兩個，但是，典型的燃料電池堆可包含10、50或甚至數百個單獨的燃料電池組件。每個單獨的燃料電池組件100AU00B被定位在第一單極端板250和第二單極端板255之間。單極端板250、255包括相應的有效區域252、257。同樣地，雙極板110的鄰近第一氣體擴散介質160AU60B的部分也限定了有效區域。有效區域中的每一個通常是用于分布氣體反應物于各個燃料電池組件100AU00B中的燃料電池膜-子墊圈組件1A、1B的電極層(見圖3)上的流場，反應物例如是氫氣和空氣。
[0058]各個燃料電池組件100A、100B中的至少一個是根據上面參照圖4描述的實施例中的至少一個的燃料電池組件100。在一些實施例中，燃料電池堆200中的各個燃料電池組件IOOaUOOB全部是根據上面參照圖4描述的實施例中的至少一個的燃料電池組件。燃料電池組件100AU00B中的至少一個包括燃料電池膜-子墊圈組件1A、1B，其包括涂覆子墊圈10A、10B，其中涂覆子墊圈10AU0B在至少一個子墊圈側12A、14A、12B、14B上被涂覆有子墊圈覆層25 (見圖2A-2C以及上面的進一步描述)。每個燃料電池膜-子墊圈組件1A、1B被設置在相應的第一氣體擴散介質160AU60B和相應的第二氣體擴散介質170AU70B之間，借此燃料電池膜-子墊圈組件1A、1B和相應的氣體擴散介質160A、160B、170A、170B的組合形成單元化的電極組件150AU50B。涂覆子墊圈10AU0B可提供在單元化的電極組件150A、150B與雙極板110和端板250、255中之一之間的密封和電絕緣。涂覆子墊圈10AU0B可基本上沿著單元化的電極組件150AU50B的外圍。關于電極層(未在圖5中示出)的定位，燃料電池膜-子墊圈組件1A、1B可被根據上述的實施例中的任一個構造，尤其是參照圖3B和3C描述的那些。
[0059]燃料電池組件100A、100B中的至少一個還包括雙極板110，該雙極板110具有面對第一夾緊板210和第二夾緊板215中的其中一個的陰極側120和面對第一夾緊板210和第二夾緊板215中的另一個的陽極側130。應該理解的是，盡管圖5中的雙極板110被定向為使得陰極側120面對第一夾緊板210而陽極側130面對第二夾緊板215，但是這種定向只是用于說明目的，并且陰極側120和陽極側130可顛倒。盡管如此，還應該理解的是，當多個雙極板存在于包含比圖5中所示的更多的燃料電池組件的燃料電池堆中時，雙極板的全部陰極側將面對相同的方向(即，朝向第一夾緊板210或第二夾緊板215)。每個單獨的燃料電池組件IOOAUOOb的雙極板110與其相應的單獨的燃料電池組件100AU00B的燃料電池膜-子墊圈組件1A、1B流體連通，如上面參照圖4所示。
[0060]在燃料電池堆200中，每個鄰近的第一單獨的燃料電池組件100A和第二單獨的燃料電池組件100B共享公共雙極板110，使得雙極板110的陰極側120面對第一單獨的燃料電池組件100A，而公共雙極板110的陽極側130面對第二單獨的雙極板110B。因此，根據圖5中描述的關于單獨的燃料電池組件100AU00B的命名約定，第一單獨的燃料電池組件100A的第一子墊圈側12A是第一單獨的燃料電池組件100A的陽極側，而第一單獨的燃料電池組件100A的第二子墊圈側12A是第一單獨的燃料電池組件100A的陰極側。對于第二單獨的燃料電池組件100B來說這個關系被顛倒，借此，第二單獨的燃料電池組件100B的第一子墊圈側12B是第二單獨的燃料電池組件100B的陰極側，而第二單獨的燃料電池組件100B的第二子墊圈側14B是第一單獨的燃料電池組件100B的陽極側。應該理解的是，命名約定僅是說明性的并且可在燃料電池堆200中被整體顛倒，使得全部的陰極側變為陽極側而全部的陽極側變為陰極側。
[0061]應該理解的是，意圖是圖5的燃料電池堆200在可被包含的任何額外部件或特征方面是非限定性的。燃料電池堆也可包含未在圖5中示出的額外部件，例如絕緣板或非導電墊圈，這在共同轉讓的美國專利申請公開2010/0159294中被描述，該文獻通過引用并全文并入本文。燃料電池堆200可被用作車輛的惟一的或補充的電源，例如汽車。
[0062]因此，根據各種實施例，燃料電池膜-子墊圈組件1、包括燃料電池膜-子墊圈組件I的燃料電池組件100，和包括至少一個燃料電池組件100的燃料電池堆200已被描述。在燃料電池膜-子墊圈組件I和燃料電池組件100中，以及在包含在燃料電池堆200的燃料電池膜-子墊圈組件I的至少一個中，存在涂覆子墊圈10、10A、10B。在涂覆子墊圈10、10AU0B中，在子墊圈本體20上的子墊圈覆層25已經被示出為增加了涂覆子墊圈10、10A、IOB的降級和變形阻力，由此避免了這種降級和變形對包含涂覆子墊圈的燃料電池的電輸出操作的負面影響，同時不犧牲制造成本或者生產產量。
[0063]示例
僅以說明方式提供了下面示例。本領域技術人員應該認識到，具體的示例不是用于限制上述的實施例和附在本說明書的權利要求的范圍。
[0064]根據上述的實施例的涂覆子墊圈被準備和測試以確定該涂覆子墊圈對于燃料電池應用的適用性。涂覆子墊圈通過如下制造，準備子墊圈材料的子墊圈本體，然后將該子墊圈本體的一側或兩側涂覆有子墊圈涂覆材料。為了評價通過涂覆子墊圈本體所提供的改進，涂覆子墊圈的物理特征與未涂覆子墊圈的那些進行比較。尤其是，涂覆子墊圈和未涂覆子墊圈在關于抗彎剛度和刺穿所需的力方面被評估。作為給定厚度的子墊圈本體的品質因數，在抗彎剛度和刺穿所需的力的一者或兩者中的增加被認為是指示可取的改進。
[0065]抗彎剛度數據被總結在表1中。其條件被標記為“干”的測量結果是在室溫(25±2攝氏度)下進行的，而其條件被標記為“濕”的測量結果是在水浴中在70攝氏度下進行的。抗彎剛度數據是通過根據ASTM D790執行三點彎曲測試獲得的，其中子墊圈薄膜在兩個圓柱形固定裝置上以撓曲模式被施加應力，并且阻力由按照在拉伸測試設備上的測力傳感器記錄。由此獲得的力偏轉數據被用于計算剛度。
[0066]表1
【權利要求】
1.一種燃料電池膜-子墊圈組件，包括: 電解質膜；以及 涂覆子墊圈，其疊置在電解質膜的周長上，涂覆子墊圈限定了在電解質膜的周長內部的電解質膜的有效區域， 其中: 涂覆子墊圈包括由子墊圈材料形成的子墊圈本體； 子墊圈本體具有面向電解質膜的第一子墊圈側和與第一子墊圈側相對的第二子墊圈側； 子墊圈本體的第一子墊圈側和子墊圈本體的第二子墊圈側中的至少一個包括在子墊圈材料上的子墊圈覆層；以及 子墊圈覆層包括選自由下列各項組成的組的子墊圈涂覆材料:金屬、鋼、合金、陶瓷、氧化物、氮化物、碳化物、碳、類金剛石、丙烯酸、聚合物、高分子復合材料、和硬覆層。
2.如權利要求1所述的燃料電池膜-子墊圈組件，其中，子墊圈材料選自由聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚烯烴、和它們的組合物組成的組。
3.如權利要求1所述的燃料電池膜-子墊圈組件，其中，子墊圈涂覆材料選自由金屬、鋼和氮化物組成的組。
4.如權利要求1所述的燃料電池膜-子墊圈組件，其中，子墊圈涂覆材料選自由鉻、不銹鋼、類金剛石和氮化鈦組成的組。
5.如權利要求1所述的燃料電池膜-子墊圈組件，其中: 子墊圈覆層具有的厚度是從約0.01Mm到約20Mm ； 子墊圈本體具有的厚度是從約5Mm到約200Mm ；以及 子墊圈覆層的厚度與子墊圈本體的厚度的比是從約1:2到約1:500。
6.如權利要求5所述的燃料電池膜-子墊圈組件，其中，子墊圈材料是聚對苯二甲酸乙二醇酯而子墊圈涂覆材料選自由鉻、不銹鋼、類金剛石和氮化鈦組成的組。
7.如權利要求1所述的燃料電池膜-子墊圈組件，還包括第一電極層和第二電極層，其中: 電解質膜在電解質膜的第一側上涂覆有第一電極層，在電解質膜的與第一側相對的第二側上涂覆有第二電極層；以及 第一電極層設置在電解質膜和涂覆子墊圈之間。
8.如權利要求1所述的燃料電池膜-子墊圈組件，還包括第一氣體擴散介質、第二氣體擴散介質、第一電極層和第二電極層，其中: 第一電極層是在第一氣體擴散介質上的催化劑覆層； 第二電極層是在第二氣體擴散介質上的催化劑覆層；以及 涂覆子墊圈設置在第一電極層和電解質膜之間。
9.一種燃料電池組件，包括: 第一氣體擴散介質； 第二氣體擴散介質； 燃料電池膜-子墊圈組件，其設置在第一氣體擴散介質和第二氣體擴散介質之間，燃料電池膜-子墊圈組件包括:電解質膜；以及 涂覆子墊圈，其疊置在電解質膜的周長上，涂覆子墊圈限定了在電解質膜的周長內部的有效區域， 其中: 涂覆子墊圈包括由子墊圈材料形成的子墊圈本體； 子墊圈本體具有面向電解質膜的第一子墊圈側和與第一子墊圈側相對的第二子墊圈側； 子墊圈本體的第一子墊圈側和子墊圈本體的第二子墊圈側中的至少一個包括在子墊圈材料上的子墊圈覆層；以及 子墊圈覆層包括選自由下列各項組成的組的子墊圈涂覆材料:金屬、鋼、合金、陶瓷、氧化物、氮化物、碳化物、 碳、類金剛石、丙烯酸、聚合物、高分子復合材料、和硬覆層； 設置在電解質膜和第一氣體擴散介質之間的第一電極層； 設置在電解質膜和第二氣體擴散介質之間的第二電極層；以及 雙極板，其具有陰極側和與陰極側相對的陽極側，雙極板與電解質膜流體連通。
10.一種燃料電池堆，包括: 第一夾緊板； 第二夾緊板； 定位在第一夾緊板和第二夾緊板之間的第一單極端板； 定位在第一單極端板和第二夾緊板之間的第二單極端板；以及多個堆疊的單獨的燃料電池組件，每個燃料電池組件被定位在第一單極端板和第二單極端板之間，各個燃料電池組件中的至少一個包括: 第一氣體擴散介質； 第二氣體擴散介質； 燃料電池膜-子墊圈組件，其設置在第一氣體擴散介質和第二氣體擴散介質之間，燃料電池膜-子墊圈組件包括: 電解質膜；以及 涂覆子墊圈，其疊置在電解質膜的周長上，涂覆子墊圈限定了在電解質膜的周長內部的有效區域， 其中: 涂覆子墊圈包括由子墊圈材料形成的子墊圈本體； 子墊圈本體具有面向電解質膜的第一子墊圈側和與第一子墊圈側相對的第二子墊圈側； 子墊圈本體的第一子墊圈側和子墊圈本體的第二子墊圈側中的至少一個包括在子墊圈材料上的子墊圈覆層；以及 子墊圈覆層包括選自由下列各項組成的組的子墊圈涂覆材料:金屬、鋼、合金、陶瓷、氧化物、氮化物、碳化物、碳、類金剛石、丙烯酸、聚合物、高分子復合材料、和硬覆層； 設置在電解質膜和第一氣體擴散介質之間的第一電極層; 設置在電解質膜和第二氣體擴散介質之間的第二電極層；以及 雙極板，其具有陰極側和與陰極側相對的陽極側，雙極板與電解質膜流體連通，其中: 多個堆疊的單獨的燃料電池組件的鄰近的單獨的燃料電池組件可共享在第一單獨的燃料電池組件和第二單獨的燃料電池組件之間的公共雙極板； 公共雙極板的陰極側面對第一單獨的燃料電池組件；以及 公共雙極板的陽極側面對第`二單獨的燃料電池組件。
【文檔編號】H01M8/02GK103682393SQ201310414676
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年9月12日 優先權日:2012年9月12日
【發明者】G.W.弗利, S.巴加瓦, J.萊斯特拉, G.V.達希奇 申請人:通用汽車環球科技運作有限責任公司
【專利摘要】本發明涉及包括涂覆子墊圈的燃料電池膜-子墊圈組件，以及包括燃料電池膜-子墊圈組件的燃料電池組件和燃料電池堆。燃料電池膜-子墊圈組件可包括電解質膜和涂覆子墊圈，涂覆子墊圈圍繞著電解質膜的周長疊置在電解質膜上，從而限定了在周長內部的有效區域。涂覆子墊圈可包括由子墊圈材料形成的子墊圈本體。涂覆子墊圈的至少一側包括子墊圈覆層，子墊圈覆層包含涂覆材料或由涂覆材料形成，該涂覆材料例如是金屬、陶瓷、聚合物、高分子復合材料、或其它硬覆層。燃料電池組件可包括氣體擴散介質、雙極板、和具有涂覆子墊圈的燃料電池膜-子墊圈組件。燃料電池堆可包括夾緊板、單極端板、和多個單獨的燃料電池組件，它們中的至少一個包括具有涂覆子墊圈的燃料電池膜-子墊圈組件。
【專利說明】包括涂覆子墊圈的燃料電池膜-子墊圈組件，以及包括燃料電池膜-子墊圈組件的燃料電池組件和燃料電池堆
【技術領域】
[0001]本發明概括地涉及燃料電池系統，并更具體地，涉及具有金屬化的或硬涂覆的子墊圈的燃料電池膜-子墊圈組件，涉及包括燃料電池膜-子墊圈組件的燃料電池組件，并且涉及包括燃料電池組件的燃料電池堆。
【背景技術】
[0002]燃料電池已經被提出作為清潔、高效、且環保的功率源而用于電動車輛和各種其它應用。具體來說，燃料電池已經被認為是用在現代汽車中的傳統的內燃發動機的潛在替代者。
[0003]一種類型的燃料電池是高分子電解質膜(PEM)燃料電池。PEM燃料電池包括三個基本部件:電解質膜；和一對電極，包括陰極和陽極。電解質膜被夾在所述電極之間以形成膜-電極-組件(MEA)。MEA通常被定位在多孔擴散介質(DM)之間，例如碳纖維紙，其有利于諸如氫氣的反應物傳遞到陽極，并有利于諸如氧氣，通常來自空氣，傳遞到陰極。在電化學燃料電池反應中，氫氣在陽極中被催化氧化以產生自由質子和電子。質子穿過電解質到達陰極。來自陽極的電子不能穿過電解質膜，并代替地被作為電流通過電負載引導到陰極，電負載例如是電馬達。質子在陰極中與氧和電子反應以生成水。
[0004]電解質膜通常由離聚物層形成。典型的離聚物是全副磺酸(PFSA)聚合物，例如Nafion?,其在商業上可從E.1.du Pont de Nemours and Company獲得。燃料電池的電極通常由細粒催化劑形成。催化劑可以是催化地支持燃料電池電化學反應的氫氣氧化和氧氣還原中的至少一個的任何電催化劑。催化劑可以是貴金屬，例如鉬或另一鉬族金屬。催化劑通常被設置在碳支撐體上，例如碳黑顆粒，并且被分散在離聚物中。電解質膜、電極和DM被定位在一對燃料電池板之間并且例如用墊圈密封，該墊圈提供了基本上不透流體的密封。
[0005]電解質膜還通常具有屏障薄膜或子墊圈，這聯接到該電解質膜上以提供內部加強且將供應到燃料電池堆的氫氣和空氣分隔開。子墊圈通常疊置在電解質膜的邊緣并且在二次操作中通過切割一片聚合物薄片材料并且用壓縮和粘合劑中的至少一個將該薄片材料結合到電解質膜來形成。子墊圈和用于將子墊圈聯接到電解質膜的裝置的一些示例在共有的美國專利7，935，453中被描述，該專利的全部內容通過引用并入本文。
[0006]沿著燃料電池板有效區域的外圍的子墊圈抵接MEA并能與MEA交疊。子墊圈通常用于同時支撐MEA并且將燃料電池的陰極流場與堆疊組件中的鄰近的燃料電池的陽極流場電絕緣。子墊圈也電絕緣流場外部的區域。子墊圈的內邊緣限定了 MEA的有效區域。
[0007]在燃料電池的正常運行中會遇到諸如高溫和高壓或這兩者的嚴酷條件，這使得必須用不會降級或變形的材料來構建燃料電池的各種部件。降級或變形的通常原因包括當厚子墊圈被使用時的具有高壓縮的局部區域或者是在薄子墊圈被使用時的由反應物氣體流導致的子墊圈偏轉區域。子墊圈的這種降級或變形可負面地影響MEA的壽命或者可降低整個燃料電池的性能。
[0008]因此，一直存在對改進的子墊圈的需求，其能被包含在MEA中；以及包括該MEA的燃料電池組件；以及包括一個或多個該燃料電池組件的燃料電池堆，借此子墊圈降級和變形的問題可被解決，但不犧牲制造成本或生產產量。
【發明內容】
[0009]在上述背景下，本文描述的一些實施例涉及燃料電池膜-子墊圈組件。燃料電池膜-子墊圈組件可包括電解質膜和涂覆子墊圈，該子墊圈疊置在電解質膜的周長上。涂覆子墊圈可限定了在電解質膜的周長內部的有效區域。涂覆子墊圈可包括由子墊圈材料形成的子墊圈本體。子墊圈本體可具有面向電解質膜的第一子墊圈側和與第一子墊圈側相對的第二子墊圈側。子墊圈本體的第一子墊圈側和子墊圈本體的第二子墊圈側中的至少一個可包括在子墊圈材料上的子墊圈涂覆層。子墊圈涂覆層可包含一個或多個涂覆材料或由該一個或多個涂覆材料形成，該材料例如是金屬、鋼、合金、陶瓷、氧化物、氮化物、碳化物、碳、類金剛石、丙烯酸樹脂、聚合物、高分子復合材料、和硬覆層。
[0010]本文描述的其它實施例涉及燃料電池組件，其包括根據還在本文中描述的一個或多個實施例的燃料電池膜-子墊圈組件。燃料電池組件可包括第一氣體擴散介質、第二氣體擴散介質、設置在第一氣體擴散介質和第二氣體擴散介質之間的燃料電池膜-子墊圈組件。燃料電池膜-子墊圈組件可包括電解質膜和涂覆子墊圈，該子墊圈疊置在電解質膜的周長上。涂覆子墊圈可限定了在電解質膜的周長內部的有效區域。涂覆子墊圈可包括由子墊圈材料形成的子墊圈本體。子墊圈本體可具有面向電解質膜的第一子墊圈側和與第一子墊圈側相對的第二子墊圈側。子墊圈本體的第一子墊圈側和子墊圈本體的第二子墊圈側中的至少一個可包括在子墊圈材料上的子墊圈涂覆層。子墊圈涂覆層可包含一個或多個涂覆材料或由該一個或多個涂覆材料形成，該材料例如是金屬、鋼、合金、陶瓷、氧化物、氮化物、碳化物、碳、類金剛石、丙烯酸樹脂、聚合物、高分子復合材料、和硬覆層。燃料電池組件的第一電極層可被設置在燃料電池膜-子墊圈組件的電解質膜和第一氣體擴散介質之間。燃料電池組件的第二電極層可被設置在燃料電池膜-子墊圈組件的電解質膜和第二氣體擴散介質之間。燃料電池組件也可包括雙極板，該雙極板具有陰極側和與陰極側相對的陽極側。雙極板可與電解質膜流體連通。
[0011]本文中描述的另外的實施例涉及燃料電池堆，其包括至少一個上述的燃料電池組件。該至少一個燃料電池組件可包括根據本文描述的一個或多個實施例的燃料電池子墊圈電極組件。燃料電池堆可包括第一夾緊板、第二夾緊板、設置在第一夾緊板和第二夾緊板之間的第一單極端板、和設置在第一單極端板和第二夾緊板之間的第二單極端板。燃料電池堆可還包括在第一單極端板和第二單極端板之間的多個單獨的燃料電池組件。單獨的燃料電池組件中的至少一個可包括第一氣體擴散介質、第二氣體擴散介質、設置在第一氣體擴散介質和第二氣體擴散介質之間的燃料電池膜-子墊圈組件。在這個單獨的燃料電池組件中的燃料電池膜-子墊圈組件可包括電解質膜和涂覆子墊圈，該子墊圈疊置在電解質膜的周長上。涂覆子墊圈可限定了在電解質膜的周長內部的有效區域。涂覆子墊圈可包括由子墊圈材料形成的子墊圈本體。子墊圈本體可具有面向電解質膜的第一子墊圈側和與第一子墊圈側相對的第二子墊圈側。子墊圈本體的第一子墊圈側和子墊圈本體的第二子墊圈側中的至少一個可包括在子墊圈材料上的子墊圈涂覆層。子墊圈涂覆層可包含一個或多個涂覆材料或由該一個或多個涂覆材料形成，該材料例如是金屬、鋼、合金、陶瓷、氧化物、氮化物、碳化物、碳、類金剛石、丙烯酸樹脂、聚合物、高分子復合材料、和硬覆層。單獨的燃料電池組件的第一電極層可被設置在燃料電池膜-子墊圈組件的電解質膜和第一氣體擴散介質之間。單獨的燃料電池組件的第二電極層可被設置在燃料電池膜-子墊圈組件的電解質膜和第二氣體擴散介質之間。單獨的燃料電池組件可還包括雙極板，該雙極板與電解質膜流體連通并且具有面對第一夾緊板和第二夾緊板中的其中一個的陰極側和面對第一夾緊板和第二夾緊板中的另一個的陽極側。在燃料電池堆中，多個堆疊的單獨的燃料電池組件的鄰近的單獨的燃料電池組件可共享在第一單獨的燃料電池組件和第二單獨的燃料電池組件之間的公共雙極板。具體來說，公共雙極板的陰極側可面對第一單獨的燃料電池組件，并且公共雙極板的陽極側可面對第二單獨的燃料電池組件。
[0012]應該理解，前述的概括描述和下面的詳細描述都描述了各種實施例，并且都被用于提供總覽或框架以理解所要求保護的主題的本質和特征。包括了附圖以提供了對各種實施例的進一步理解，這些附圖被包含在說明書內并構成了該說明書的一部分。【專利附圖】
【附圖說明】了本文描述的各種實施例，并且與描述一起用于解釋所要求保護的主題的原理和操作。
[0013]本申請還提供了如下方案:
方案1.一種燃料電池膜-子墊圈組件，包括:
電解質膜；以及
涂覆子墊圈，其疊置在電解質膜的周長上，涂覆子墊圈限定了在電解質膜的周長內部的電解質膜的有效區域，
其中:
涂覆子墊圈包括由子墊圈材料形成的子墊圈本體；
子墊圈本體具有面向電解質膜的第一子墊圈側和與第一子墊圈側相對的第二子墊圈
側；
子墊圈本體的第一子墊圈側和子墊圈本體的第二子墊圈側中的至少一個包括在子墊圈材料上的子墊圈覆層；以及
子墊圈覆層包括選自由下列各項組成的組的子墊圈涂覆材料:金屬、鋼、合金、陶瓷、氧化物、氮化物、碳化物、碳、類金剛石、丙烯酸、聚合物、高分子復合材料、和硬覆層。
[0014]方案2.如方案I所述的燃料電池膜-子墊圈組件，其中，子墊圈材料選自由聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚烯烴、和它們的組合物組成的組。
[0015]方案3.如方案I所述的燃料電池膜-子墊圈組件，其中，子墊圈涂覆材料選自由金屬、鋼和氮化物組成的組。
[0016]方案4.如方案I所述的燃料電池膜-子墊圈組件，其中，子墊圈涂覆材料選自由鉻、不銹鋼、類金剛石和氮化鈦組成的組。
[0017]方案5.如方案I所述的燃料電池膜-子墊圈組件，其中:
子墊圈覆層具有的厚度是從約0.0lMm到約20Mm ；
子墊圈本體具有的厚度是從約5Mm到約200Mm ；以及 子墊圈覆層的厚度與子墊圈本體的厚度的比是從約1:2到約1:500。
[0018]方案6.如方案5所述的燃料電池膜-子墊圈組件，其中，子墊圈材料是聚對苯二甲酸乙二醇酯而子墊圈涂覆材料選自由鉻、不銹鋼、類金剛石和氮化鈦組成的組。
[0019]方案7.如方案I所述的燃料電池膜-子墊圈組件，還包括第一電極層和第二電極層，其中:
電解質膜在電解質膜的第一側上涂覆有第一電極層，在電解質膜的與第一側相對的第二側上涂覆有第二電極層；以及
第一電極層設置在電解質膜和涂覆子墊圈之間。
[0020]方案8.如方案I所述的燃料電池膜-子墊圈組件，還包括第一氣體擴散介質、第二氣體擴散介質、第一電極層和第二電極層，其中:
第一電極層是在第一氣體擴散介質上的催化劑覆層；
第二電極層是在第二氣體擴散介質上的催化劑覆層；以及 涂覆子墊圈設置在第一電極層和電解質膜之間。
[0021]方案9.一種燃料電池組件，包括:
第一氣體擴散介質；
第二氣體擴散介質；
燃料電池膜-子墊圈組件，其設置在第一氣體擴散介質和第二氣體擴散介質之間，燃料電池膜-子墊圈組件包括:
電解質膜；以及
涂覆子墊圈，其疊置在電解質膜的周長上，涂覆子墊圈限定了在電解質膜的周長內部的有效區域，
其中:
涂覆子墊圈包括由子墊圈材料形成的子墊圈本體；
子墊圈本體具有面向電解質膜的第一子墊圈側和與第一子墊圈側相對的第二子墊圈
側；
子墊圈本體的第一子墊圈側和子墊圈本體的第二子墊圈側中的至少一個包括在子墊圈材料上的子墊圈覆層；以及
子墊圈覆層包括選自由下列各項組成的組的子墊圈涂覆材料:金屬、鋼、合金、陶瓷、氧化物、氮化物、碳化物、碳、類金剛石、丙烯酸、聚合物、高分子復合材料、和硬覆層；
設置在電解質膜和第一氣體擴散介質之間的第一電極層；
設置在電解質膜和第二氣體擴散介質之間的第二電極層；以及
雙極板，其具有陰極側和與陰極側相對的陽極側，雙極板與電解質膜流體連通。
[0022]方案10.如方案9所述的燃料電池組件，其中，子墊圈材料選自由聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚烯烴、和它們的組合物組成的組。
[0023]方案11.如方案9所述的燃料電池組件，其中，子墊圈涂覆材料選自由金屬、鋼和氮化物組成的組。
[0024]方案12.如方案9所述的燃料電池組件，其中，子墊圈材料是聚對苯二甲酸乙二醇酯。
[0025]方案13.如方案9所述的燃料電池組件，其中，子墊圈材料是聚對苯二甲酸乙二醇酯而子墊圈涂覆材料選自由鉻、不銹鋼、和氮化鈦組成的組。
[0026]方案14.如方案9所述的燃料電池組件，其中: 第一電極層是在電解質膜的第一電極表面上的催化劑覆層；以及 第一電極層設置在電解質膜和涂覆子墊圈之間。
[0027]方案15.如方案9所述的燃料電池組件，其中:
第一電極層是在第一氣體擴散介質上的催化劑覆層；以及 涂覆子墊圈設置在第一電極層和電解質膜之間。
[0028]方案16.—種燃料電池堆，包括:
第一夾緊板；
第二夾緊板；
定位在第一夾緊板和第二夾緊板之間的第一單極端板；
定位在第一單極端板和第二夾緊板之間的第二單極端板；以及多個堆疊的單獨的燃料電池組件，每個燃料電池組件被定位在第一單極端板和第二單極端板之間，各個燃料電池組件中的至少一個包括:
第一氣體擴散介質；
第二氣體擴散介質；
燃料電池膜-子墊圈組件，其設置在第一氣體擴散介質和第二氣體擴散介質之間，燃料電池膜-子墊圈組件包括:
電解質膜；以及
涂覆子墊圈，其疊置在電解質膜的周長上，涂覆子墊圈限定了在電解質膜的周長內部的有效區域，
其中:
涂覆子墊圈包括由子墊圈材料形成的子墊圈本體；
子墊圈本體具有面向電解質膜的第一子墊圈側和與第一子墊圈側相對的第二子墊圈
側；
子墊圈本體的第一子墊圈側和子墊圈本體的第二子墊圈側中的至少一個包括在子墊圈材料上的子墊圈覆層；以及
子墊圈覆層包括選自由下列各項組成的組的子墊圈涂覆材料:金屬、鋼、合金、陶瓷、氧化物、氮化物、碳化物、碳、類金剛石、丙烯酸、聚合物、高分子復合材料、和硬覆層；
設置在電解質膜和第一氣體擴散介質之間的第一電極層；
設置在電解質膜和第二氣體擴散介質之間的第二電極層；以及
雙極板，其具有陰極側和與陰極側相對的陽極側，雙極板與電解質膜流體連通，
其中:
多個堆疊的單獨的燃料電池組件的鄰近的單獨的燃料電池組件可共享在第一單獨的燃料電池組件和第二單獨的燃料電池組件之間的公共雙極板；
公共雙極板的陰極側面對第一單獨的燃料電池組件；以及 公共雙極板的陽極側面對第二單獨的燃料電池組件。
[0029]方案17.如方案16所述的燃料電池堆，其中:
至少一個燃料電池組件的子墊圈材料選自由聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚烯烴、和它們的組合物組成的組；以及
至少一個燃料電池組件的子墊圈涂覆材料選自由金屬、鋼和氮化物組成的組。[0030]方案18.如方案16所述的燃料電池堆，其中，至少一個燃料電池組件的子墊圈材料是聚對苯二甲酸乙二醇酯而至少一個燃料電池組件的子墊圈涂覆材料選自由鉻、不銹鋼、類金剛石和氮化鈦組成的組。
[0031]方案19.如方案16所述的燃料電池堆，其中:
至少一個燃料電池組件的第一電極層是在電解質膜的第一電極表面上的催化劑覆層；
以及
至少一個燃料電池組件的第一電極層被設置在涂覆子墊圈和電解質膜之間。
[0032]方案20.如方案16所述的燃料電池堆，其中:
第一電極層是在第一氣體擴散介質上的催化劑覆層；以及 涂覆子墊圈設置在第一電極層和電解質膜之間。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0033]圖1是根據本文描述的實施例的燃料電池膜-子墊圈組件的平面圖，包括涂覆子墊圈；
圖2A是圖1的燃料電池膜-子墊圈組件的橫截面，示出了根據本文公開的一個實施例的涂覆子墊圈，其中涂覆子墊圈僅在第一面上被涂覆；
圖2B是圖1的燃料電池膜-子墊圈組件的橫截面，示出了根據本文公開的一個實施例的涂覆子墊圈，其中涂覆子墊圈僅在與第一面相對的第二面上被涂覆；
圖2C是圖1的燃料電池膜-子墊圈組件的橫截面，示出了根據本文公開的另一個實施例的涂覆子墊圈，其中涂覆子墊圈在第一面和第二面上都被涂覆；
圖3A是燃料電池膜-子墊圈組件的一個實施例的橫截面，包括了圍繞電解質膜的外周長的根據圖2A的實施例的子墊圈；
圖3B是燃料電池膜-子墊圈組件的一個實施例的橫截面，包括了圍繞涂覆有電極層的電解質膜的外周長的根據圖2A的實施例的子墊圈，該電極層被設置在電解質膜和子墊圈之間；
圖3C是燃料電池膜-子墊圈組件的一個實施例的橫截面，包括圍繞電解質膜的外周長的涂覆子墊圈，其中該涂覆子墊圈和電解質膜被設置在兩個催化劑涂覆的氣體擴散介質之間；
圖4是根據本文描述的實施例的燃料電池組件，其包括了根據本文中的實施例的燃料電池膜-子墊圈組件；以及
圖5是根據本文描述的實施例的燃料電池堆，其包括了包含兩個圖4的燃料電池組件的堆疊構造。
【具體實施方式】
[0034]現在將具體參照在附圖中示出的具有金屬化或硬涂覆的子墊圈的燃料電池膜-子墊圈組件的，包括該燃料電池膜-子墊圈組件的燃料電池組件的，并包括該燃料電池組件的燃料電池堆的非限定示例。在可能時，在所有附圖中相同的附圖標記被用來指示相同或相似的部分。燃料電池膜-子墊圈組件的一個實施例被描述在圖1中，在圖2A和2B中的橫截面說明了在該燃料電池膜-子墊圈組件中存在的涂覆子墊圈，并在圖3中的橫截面說明了該子墊圈與燃料電池膜-子墊圈組件的其它層的關系。燃料電池膜-子墊圈組件的其它實施例可通過圖3、3B和3C的橫截面示出。下面將參照圖4描述包括燃料電池膜-子墊圈組件的燃料電池組件的實施例，并且下面將參照圖5描述包括燃料電池組件的燃料電池堆的實施例。
[0035]參照圖1和3A，根據一些實施例的燃料電池膜-子墊圈組件I可包括電解質膜35和涂覆子墊圈10，涂覆子墊圈10圍繞電解質膜35的周長31疊置在電解質膜35上。如在本文中使用時，術語關于涂覆子墊圈10的“疊置”僅指的是涂覆子墊圈10相對于電解質膜35的定位并且不排除在涂覆子墊圈10和電解質膜35之間還存在額外的特征。而且，應該理解的是，術語“疊置”不是用來暗示燃料電池膜-子墊圈組件I的任何優選取向，使得在操作中，在一些實施例中涂覆子墊圈可在電解質膜35之上，在另一些實施例中可在電解質膜35之下，或者在其它的實施例中在電解質膜35旁邊。涂覆子墊圈10可限定了在電解質膜35的周長31內部的有效區域30。
[0036]圖3A、3B和3C說明了燃料電池膜-子墊圈組件I的三個示例性實施例。應該理解的是，圖3A、3B和3C是部分分解圖，并且在附圖中示出的各個部件可在運行的燃料電池中物理接觸以及可任選地通過中間層(未示出)例如粘結劑保持在一起。在根據圖3A的實施例中，燃料電池膜-子墊圈組件I的涂覆子墊圈10可直接放置在電解質膜35上。在根據圖3B的實施例中，燃料電池膜-子墊圈組件I可還包括第一電極層32和第二電極層34。第一電極層32可以是在電解質膜35的第一側上的催化劑覆層，第二電極層可以是在電解質膜35的與第一側相對的第二側上的催化劑覆層。在根據圖3B的一些實施例中，第一電極層32可以是陽極電極，而第二電極層34可以是陰極電極。在根據圖3B的另一些實施例中，第一電極層32可以是陰極電極，而第二電極層34可以是陽極電極。
[0037]在根據圖3C的實施例中，燃料電池膜-子墊圈組件I可還包括第一氣體擴散介質160、第二氣體擴散介質170、第一電極層32和第二電極層34。第一電極層32是在第一氣體擴散介質160上的催化劑覆層。第二電極層34是在第二氣體擴散介質170上的催化劑覆層。涂覆子墊圈10被設置在第一電極層32和電解質膜35之間。在根據圖3C的一些實施例中，第一電極層32可以是陽極電極，而第二電極層34可以是陰極電極。在根據圖3C的另一些實施例中，第一電極層32可以是陰極電極，而第二電極層34可以是陽極電極。
[0038]參照圖1，在根據圖3A、3B和3C中任一個的實施例中，涂覆子墊圈10可具有限定在其內的多個單獨的通道或集管，用以容納氣體或流體的流動，例如燃料、氧化劑或冷卻齊U。例如，涂覆子墊圈10可具有限定在其內的第一子墊圈燃料通道50、第二子墊圈燃料通道55、第一子墊圈氧化劑通道60、第二子墊圈氧化劑通道65、第一子墊圈冷卻劑通道70、和第二子墊圈冷卻劑通道75。在包括燃料電池膜-子墊圈組件I的燃料電池組件或燃料電池堆中，例如，各個通道或集管中的每一個可與燃料電池組件或燃料電池堆的其它板上的對應通道或集管流體連通。
[0039]參照在圖2A-2C中示出的圖1的橫截面，涂覆子墊圈10包括由子墊圈材料形成的子墊圈本體20。子墊圈本體20具有面對電解質膜35的第一子墊圈側12和與第一子墊圈側12相對的第二子墊圈側14。子墊圈本體20的第一子墊圈側12和子墊圈本體20的第二子墊圈側14中的至少一個包括在子墊圈材料上的子墊圈覆層25。子墊圈本體20的各個側面的涂覆的非限定實施例在圖2A-2C中示出。例如，如在圖2A的實施例中，僅子墊圈本體20的第二子墊圈側14可被涂覆有子墊圈覆層25。替換地，如在圖2B的實施例中，僅子墊圈本體20的第一子墊圈側12可被涂覆有子墊圈覆層25。在圖2C中示出的另一實施例中，子墊圈本體20的第一子墊圈側12和子墊圈本體20的第二子墊圈側14可涂覆有子墊圈覆層25。
[0040]盡管在圖3A和3B中，燃料電池膜-子墊圈組件I包括根據圖2A的實施例的涂覆子墊圈10，但是應該理解的是，根據圖2B或2C的任一實施例的涂覆子墊圈10可被替換地包含在燃料電池膜-子墊圈組件I中。同樣，盡管在圖3C中，燃料電池膜-子墊圈組件I包括根據圖2C的實施例的涂覆子墊圈10，但是應該理解的是，根據圖2A或2B的任一實施例的涂覆子墊圈10可被替換地包含在燃料電池膜-子墊圈組件I中。子墊圈本體20的子墊圈材料和子墊圈覆層25的材料和性能將在下面被更具體討論。
[0041]涂覆子墊圈10的子墊圈本體20可由本領域已知的任何合適的子墊圈材料形成。在非限定性實施例中，子墊圈本體20可由聚合物材料形成，例如聚烯烴(例如，聚乙烯、聚丙烯、它們的混合物、以及它們的衍生物)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、或聚酯薄膜。在優選的實施例中，子墊圈本體20可由聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)制成。不受理論所約束，認為PET通常不適合用作在燃料電池應用中的子墊圈材料，因為隨著時間推移，其往往降級或變脆，尤其是在有水存在下，燃料電池的運行期間產生水。不過，發明人已經令人驚奇地發現了當子墊圈本體20的一側或兩側涂覆有根據本文描述的實施例的子墊圈覆層25時，不僅PET的機械性能被改善，而且PET被保護不受水侵入的影響并且不太可能出現降級問題。而且，PET可以是子墊圈本體20的優選材料，因為其相比最通常使用的子墊圈材料，尤其是PEN，要相對便宜。在說明性實施例中，子墊圈本體可具有從約12Mm到約125Mm的厚度，或者優選地，從約25Mm到約75Mm。
[0042]在一些實施例中，子墊圈覆層25可以是任何涂覆材料，該材料與子墊圈材料化學兼容，并且優選地，還在操作溫度和壓力下與燃料電池反應物，例如氫氣，與氧化劑，例如氧氣，和與副產品或冷卻劑介質，例如水和乙二醇兼容。優選地，子墊圈覆層25的材料、涂覆材料的厚度、或這兩者被選擇成使得子墊圈本體20的物理特征以對限制涂覆子墊圈在包括燃料電池膜-子墊圈組件I的燃料電池組件或燃料電池堆的長久運行期間的降級和/或變形來說有用的方式被大大改變。在說明性實施例中，子墊圈覆層25可包括涂覆材料、主要由涂覆材料構成或者由涂覆材料構成，該涂覆材料例如是金屬；鋼；合金；陶瓷，例如氧化物、氮化物、和碳化物；丙烯酸涂層；聚合物材料；聚合物復合材料；和硬覆層，例如類金剛石。在一些優選實施例中，氮化鈦(TiN)、鉻、不銹鋼可非常適合作為子墊圈覆層25。子墊圈覆層25可通過合適的且實用的涂覆方法被施涂到第一子墊圈側12，第二子墊圈側14或這兩者，涂覆方法例如是真空沉積、等離子體輔助沉積、微波輔助化學氣相沉積、金屬化、電沉積、RF或磁控濺射、化學氣相沉積、物理氣相沉積、或蒸發。
[0043]子墊圈覆層25的厚度可變化,這取決于子墊圈本體20的厚度和被選擇用于子墊圈本體20和子墊圈覆層25的材料。在非限定性說明性實施例中，子墊圈覆層可具有從約
0.0lMm到約20Mm的厚度，優選地，從約0.1Mm到約10Mm。在一些實施例中，子墊圈覆層的厚度與子墊圈本體的厚度的比可從約I '2到約1:500，從約1:10到約1:500，或從約1:50到約1:500，或從約1:100到約1:500，或優選地從約1:250到約1:500。在一些實施例中，子墊圈本體20可具有的厚度是從約0.2Mm到約lOOOMm，或從約1.0Mm到約500Mm，或從約5Mm到約200Mm,或從約IOMm到約200Mm,或從約IOMm到約lOOMm。在說明性的、非限定性實施例中，子墊圈本體20可由具有從約IOMm到約IOOMm的厚度的PET形成，并且子墊圈覆層25可具有從約0.1Mm到約IOMm的厚度并可包括鉻、不銹鋼或氮化鈦。
[0044]優選地，子墊圈覆層25，不論厚度如何，具有基本上一致的厚度，基本上沒有裂縫，或這兩者。在本文中使用時，短語“基本上一致的厚度”意思是子墊圈覆層25從其最厚點到其最薄點變化，但不多于約±25%，優選地不多于約±10%，這是在與子墊圈本體20的表面垂直地測量的。在本文中使用時，短語“基本上沒有裂縫”意思是子墊圈覆層25完全沒有直徑大于50mm的小孔并且還完全沒有具有平行于子墊圈本體20的表面測量的大于50nm的寬度的裂縫。尤其優選的是，子墊圈覆層25可完全沒有能夠建立從子墊圈覆層25的暴露表面到第一子墊圈側12，第二子墊圈側14或這兩者的電氣連接的任何厚度變化或者表面缺陷。不受理論的約束，認為子墊圈覆層25中的裂縫或缺陷的出現或普遍存在可減少或否定一些益處，諸如將子墊圈覆層25添加到子墊圈本體20相關聯的增加的抗彎剛度和/或增加的穿刺阻力。
[0045]不受理論約束，認為子墊圈覆層25可通過增加涂覆子墊圈10的剛性和涂覆子墊圈10的穿刺阻力而對子墊圈本體20有益。在一些實施例中，例如，子墊圈覆層25可使子墊圈本體的抗彎剛度增加至少50%，至少100%，至少200%，至少300%，或甚至至少500%。當涂覆子墊圈被包含在燃料電池組件或燃料電池堆中時，包括下面要描述的那些，這些物理特征是重要的。具體來說，認為具有增加的剛性的涂覆子墊圈10在燃料電池的運行期間在涂覆子墊圈10的相對側上存在壓力差時不太可能彎曲。通常，不易彎曲變形的子墊圈也會不太可能侵入燃料電池堆中的雙極板的燃料或氧化劑導管。這種接觸和/或侵入可降低到有效區域30的可用燃料和/或氧化劑供應。這些有害影響可導致燃料電池堆的功率輸出的減少。關于穿刺阻力，相信涂覆子墊圈10的增加的穿刺阻力是可取的，因為在典型的燃料電池堆中靠近或鄰近涂覆子墊圈10的諸如雙極板的層自然地可具有不平坦的表面或缺陷，這可刺穿子墊圈本體20。一旦子墊圈本體20被以這種方式刺穿，會發生燃料、氧化劑、或水的泄漏，這潛在地減少了有效區域或甚至使燃料電池堆中的特定膜電極組件不工作。
[0046]在包括燃料電池膜-子墊圈組件I的燃料電池的運行期間，燃料，諸如氫氣，可沿垂直于涂覆子墊圈10的平面的一個方向流過第一子墊圈燃料通道50并且沿相反方向流過第二子墊圈燃料通道55。氧化劑，例如氧氣，可沿著垂直于涂覆子墊圈10的平面的一個方向流過第一子墊圈氧化劑通道60，并沿著相反方向流過第二子墊圈氧化劑通道65。同樣，冷卻劑，例如水，可沿著垂直于涂覆子墊圈10的平面的一個方向流過第一子墊圈冷卻劑通道70，并沿著相反方向流過第二子墊圈冷卻劑通道75。取決于這種燃料電池的運行要求，應該理解的是，燃料、氧化劑、和冷卻劑在涂覆子墊圈10的一側上的流動方向(例如，通過第二子墊圈燃料通道55，第一子墊圈氧化劑通道60，和第一子墊圈冷卻劑通道70)可都是相同的，或者燃料、氧化劑、和冷卻劑中的任意兩個可與燃料、氧化劑和冷卻劑中的剩余一個在涂覆子墊圈10的同一側上具有逆流關系。
[0047]現在將參照圖4描述燃料電池組件100的實施例，偶爾參照圖1、2A-2C和3A-3C以描述燃料電池膜-子墊圈組件I的部件。燃料電池組件100包括第一氣體擴散介質160，第二氣體擴散介質170和根據上述實施例中任一個的燃料電池膜-子墊圈組件I。具體來說(見圖1和3A)，燃料電池膜-子墊圈組件I可包括電解質膜35和涂覆子墊圈10，涂覆子墊圈10疊置在電解質膜35的周長31上。涂覆子墊圈10限定了在電解質膜35的周長31內部的有效區域30。涂覆子墊圈10包括由子墊圈材料形成的子墊圈本體20。子墊圈本體20具有第一子墊圈側12和與第一子墊圈側12相對的第二子墊圈側14。子墊圈本體20的第一子墊圈側12和子墊圈本體20的第二子墊圈側14中的至少一個包括在子墊圈材料上的子墊圈覆層25。子墊圈材料和子墊圈覆層25為如上關于燃料電池膜-子墊圈組件I的實施例所描述的。
[0048]在燃料電池組件100中，燃料電池膜-子墊圈組件I可被設置在第一氣體擴散介質160和第二氣體擴散介質170之間。在一些實施例中，第一氣體擴散介質160和第二氣體擴散介質170可任選地包括在其面對電解質膜的表面上的多微孔層(未不出)。
[0049]在一些實施例中，燃料電池組件100的燃料電池膜-子墊圈組件I可根據圖3B或3C的實施例中的任一個構造。燃料電池膜-子墊圈組件I的構造確定了電極層在燃料電池組件100中的位置。在任一種構造中，燃料電池組件100包括設置在燃料電池膜-子墊圈組件I的電解質膜35和第一氣體擴散介質160之間的第一電極層32 (在圖4中未不出)。燃料電池組件100還包括設置在燃料電池膜-子墊圈組件I的電解質膜35和第二氣體擴散介質170之間的第二電極層34 (在圖4中未示出)。
[0050]在一些實施例中，燃料電池組件100的燃料電池膜-子墊圈組件I可根據圖3B構造。在這種實施例中，第一電極層32和第二電極層34是在電解質膜35上的催化劑覆層并且第一氣體擴散介質160和第二氣體擴散介質170在燃料電池膜-子墊圈組件I外部。在其它實施例中，燃料電池組件100的燃料電池膜-子墊圈組件I可根據圖3C構造。在這種實施例中，第一電極層32是在第一氣體擴散介質160上的催化劑覆層,第二電極層34是在第二氣體擴散介質170上的催化劑覆層。不過，不論電極層被定位在何處，燃料電池膜-子墊圈組件I，第一氣體擴散介質160和第二氣體擴散介質170的組合可形成單元化的電極組件150。單元化的電極組件150的部件可在其生產期間被組裝并且通過任何傳統的工藝例如熱處理被彼此附接。粘結劑在必要時可被用在單獨的部件之間。
[0051]燃料電池組件100還包括雙極板110，其具有陰極側120和與陰極側120相對的陽極側130。雙極板被布置成使得第一氣體擴散介質160被設置在雙極板110和燃料電池膜-子墊圈組件I的有效區域30之間。應該理解的是，雙極板110的陰極側120和陽極側130相對于燃料電池膜-子墊圈組件I的如圖4中所示的取向是僅出于說明目的被選擇的，并且取決于燃料電池膜-子墊圈組件I的電極的實際取向(見圖3)，雙極板110的陰極側120和陽極側130可與它們在圖4中的取向相反。這將在下面對燃料電池堆的描述中更加容易理解。
[0052]雙極板110通常由成形薄片金屬的傳統工藝形成，例如，沖壓、機加工、模制或通過光刻罩光刻。在一個實施例中，雙極板110可由單極端板形成，這些單極端板此后被連接。應該理解的是，雙極板110也可由復合材料形成。在一個特定實施例中，雙極板110可由石墨或石墨填充的聚合物形成。
[0053]如在圖4的非限定性實施例中所示，雙極板110還可包括多個單獨的通道或集管，這些通道或集管將雙極板110設置成與燃料電池膜-子墊圈組件I的電解質膜(見圖3)，尤其是有效區域30流體連通。流體連通可被建立，例如，因為雙極板110的各個通道與涂覆子墊圈10的各個通道對準以形成流體導管。例如，雙極板110可包括與第一子墊圈燃料通道50對準的第一板燃料通道122，與第二子墊圈燃料通道55對準的第二板燃料通道132，與第一子墊圈氧化劑通道60對準的第一板氧化劑通道124，與第二子墊圈氧化劑通道65對準的第二板氧化劑通道134，與第一子墊圈冷卻劑通道70對準的第一板冷卻劑通道126，和與第二子墊圈冷卻劑通道75對準的第二板冷卻劑通道136。
[0054]現在參照圖5，將描述燃料電池組件200的實施例。出于簡化目的，此后僅圖示和描述兩個電池的堆(即，僅具有一個雙極板(即，雙極板110)的堆)，應該理解的是，典型的燃料電池堆可包含更多數量的這種電池和雙極板，例如，數十個、數百個、或者甚至數千個。
[0055]根據一些實施例，燃料電池堆200可包括第一夾緊板210、第二夾緊板215、設置在第一夾緊板210和第二夾緊板215之間的第一單極端板250、和設置在第一單極端板250和第二夾緊板215之間的第二單極端板255。任選地，夾緊板210、215可被墊圈(未示出)或介電覆層(未示出)與單極端板250、255電絕緣。
[0056]第一夾緊板210可包括各種連接部220、225、230、235、240、245，其將燃料電池堆200設置為與燃料源、氧化劑源、冷卻劑源、燃料排放裝置、氧化劑排放裝置和冷卻劑排放裝置流體連通。例如，第一夾緊板可包括到燃料源(未示出)的燃料供應連接部230，到燃料排放歧管(未示出)的燃料排放連接部235，到氧化劑源(未示出)的氧化劑供應連接部220，到氧化劑排放歧管(未示出)的氧化劑排放連接部225，冷卻劑進口 240，和冷卻劑出口 245。在一些實施例中，冷卻劑進口 240和冷卻劑出口 245可被連接為冷卻劑回路(未示出)或者可被單獨地連接到相應的冷卻劑源(未示出)和排放裝置(未示出)。各種連接部220、225、230、235,240,245中的每一個都被構造成與由燃料電池堆200的板250、10A、110、10B、255中的通道限定的導管對準。各種連接部可被構造成使得燃料、氧化劑、和冷卻劑全部沿相同方向流過燃料電池堆200或者使得燃料、氧化劑、和冷卻劑中的任意兩個沿與燃料、氧化劑、和冷卻劑中的第三個相反的方向流動。如此，應該理解的是，圖5中的各個連接部220、225、230、235、240、245的名稱選擇僅是出于說明目的。
[0057]燃料電池堆200可還包括多個單獨的燃料電池組件100A、100B,圖5中僅示出了它們中的兩個，但是，典型的燃料電池堆可包含10、50或甚至數百個單獨的燃料電池組件。每個單獨的燃料電池組件100AU00B被定位在第一單極端板250和第二單極端板255之間。單極端板250、255包括相應的有效區域252、257。同樣地，雙極板110的鄰近第一氣體擴散介質160AU60B的部分也限定了有效區域。有效區域中的每一個通常是用于分布氣體反應物于各個燃料電池組件100AU00B中的燃料電池膜-子墊圈組件1A、1B的電極層(見圖3)上的流場，反應物例如是氫氣和空氣。
[0058]各個燃料電池組件100A、100B中的至少一個是根據上面參照圖4描述的實施例中的至少一個的燃料電池組件100。在一些實施例中，燃料電池堆200中的各個燃料電池組件IOOaUOOB全部是根據上面參照圖4描述的實施例中的至少一個的燃料電池組件。燃料電池組件100AU00B中的至少一個包括燃料電池膜-子墊圈組件1A、1B，其包括涂覆子墊圈10A、10B，其中涂覆子墊圈10AU0B在至少一個子墊圈側12A、14A、12B、14B上被涂覆有子墊圈覆層25 (見圖2A-2C以及上面的進一步描述)。每個燃料電池膜-子墊圈組件1A、1B被設置在相應的第一氣體擴散介質160AU60B和相應的第二氣體擴散介質170AU70B之間，借此燃料電池膜-子墊圈組件1A、1B和相應的氣體擴散介質160A、160B、170A、170B的組合形成單元化的電極組件150AU50B。涂覆子墊圈10AU0B可提供在單元化的電極組件150A、150B與雙極板110和端板250、255中之一之間的密封和電絕緣。涂覆子墊圈10AU0B可基本上沿著單元化的電極組件150AU50B的外圍。關于電極層(未在圖5中示出)的定位，燃料電池膜-子墊圈組件1A、1B可被根據上述的實施例中的任一個構造，尤其是參照圖3B和3C描述的那些。
[0059]燃料電池組件100A、100B中的至少一個還包括雙極板110，該雙極板110具有面對第一夾緊板210和第二夾緊板215中的其中一個的陰極側120和面對第一夾緊板210和第二夾緊板215中的另一個的陽極側130。應該理解的是，盡管圖5中的雙極板110被定向為使得陰極側120面對第一夾緊板210而陽極側130面對第二夾緊板215，但是這種定向只是用于說明目的，并且陰極側120和陽極側130可顛倒。盡管如此，還應該理解的是，當多個雙極板存在于包含比圖5中所示的更多的燃料電池組件的燃料電池堆中時，雙極板的全部陰極側將面對相同的方向(即，朝向第一夾緊板210或第二夾緊板215)。每個單獨的燃料電池組件IOOAUOOb的雙極板110與其相應的單獨的燃料電池組件100AU00B的燃料電池膜-子墊圈組件1A、1B流體連通，如上面參照圖4所示。
[0060]在燃料電池堆200中，每個鄰近的第一單獨的燃料電池組件100A和第二單獨的燃料電池組件100B共享公共雙極板110，使得雙極板110的陰極側120面對第一單獨的燃料電池組件100A，而公共雙極板110的陽極側130面對第二單獨的雙極板110B。因此，根據圖5中描述的關于單獨的燃料電池組件100AU00B的命名約定，第一單獨的燃料電池組件100A的第一子墊圈側12A是第一單獨的燃料電池組件100A的陽極側，而第一單獨的燃料電池組件100A的第二子墊圈側12A是第一單獨的燃料電池組件100A的陰極側。對于第二單獨的燃料電池組件100B來說這個關系被顛倒，借此，第二單獨的燃料電池組件100B的第一子墊圈側12B是第二單獨的燃料電池組件100B的陰極側，而第二單獨的燃料電池組件100B的第二子墊圈側14B是第一單獨的燃料電池組件100B的陽極側。應該理解的是，命名約定僅是說明性的并且可在燃料電池堆200中被整體顛倒，使得全部的陰極側變為陽極側而全部的陽極側變為陰極側。
[0061]應該理解的是，意圖是圖5的燃料電池堆200在可被包含的任何額外部件或特征方面是非限定性的。燃料電池堆也可包含未在圖5中示出的額外部件，例如絕緣板或非導電墊圈，這在共同轉讓的美國專利申請公開2010/0159294中被描述，該文獻通過引用并全文并入本文。燃料電池堆200可被用作車輛的惟一的或補充的電源，例如汽車。
[0062]因此，根據各種實施例，燃料電池膜-子墊圈組件1、包括燃料電池膜-子墊圈組件I的燃料電池組件100，和包括至少一個燃料電池組件100的燃料電池堆200已被描述。在燃料電池膜-子墊圈組件I和燃料電池組件100中，以及在包含在燃料電池堆200的燃料電池膜-子墊圈組件I的至少一個中，存在涂覆子墊圈10、10A、10B。在涂覆子墊圈10、10AU0B中，在子墊圈本體20上的子墊圈覆層25已經被示出為增加了涂覆子墊圈10、10A、IOB的降級和變形阻力，由此避免了這種降級和變形對包含涂覆子墊圈的燃料電池的電輸出操作的負面影響，同時不犧牲制造成本或者生產產量。
[0063]示例
僅以說明方式提供了下面示例。本領域技術人員應該認識到，具體的示例不是用于限制上述的實施例和附在本說明書的權利要求的范圍。
[0064]根據上述的實施例的涂覆子墊圈被準備和測試以確定該涂覆子墊圈對于燃料電池應用的適用性。涂覆子墊圈通過如下制造，準備子墊圈材料的子墊圈本體，然后將該子墊圈本體的一側或兩側涂覆有子墊圈涂覆材料。為了評價通過涂覆子墊圈本體所提供的改進，涂覆子墊圈的物理特征與未涂覆子墊圈的那些進行比較。尤其是，涂覆子墊圈和未涂覆子墊圈在關于抗彎剛度和刺穿所需的力方面被評估。作為給定厚度的子墊圈本體的品質因數，在抗彎剛度和刺穿所需的力的一者或兩者中的增加被認為是指示可取的改進。
[0065]抗彎剛度數據被總結在表1中。其條件被標記為“干”的測量結果是在室溫(25±2攝氏度)下進行的，而其條件被標記為“濕”的測量結果是在水浴中在70攝氏度下進行的。抗彎剛度數據是通過根據ASTM D790執行三點彎曲測試獲得的，其中子墊圈薄膜在兩個圓柱形固定裝置上以撓曲模式被施加應力，并且阻力由按照在拉伸測試設備上的測力傳感器記錄。由此獲得的力偏轉數據被用于計算剛度。
[0066]表1
【權利要求】
1.一種燃料電池膜-子墊圈組件，包括: 電解質膜；以及 涂覆子墊圈，其疊置在電解質膜的周長上，涂覆子墊圈限定了在電解質膜的周長內部的電解質膜的有效區域， 其中: 涂覆子墊圈包括由子墊圈材料形成的子墊圈本體； 子墊圈本體具有面向電解質膜的第一子墊圈側和與第一子墊圈側相對的第二子墊圈側； 子墊圈本體的第一子墊圈側和子墊圈本體的第二子墊圈側中的至少一個包括在子墊圈材料上的子墊圈覆層；以及 子墊圈覆層包括選自由下列各項組成的組的子墊圈涂覆材料:金屬、鋼、合金、陶瓷、氧化物、氮化物、碳化物、碳、類金剛石、丙烯酸、聚合物、高分子復合材料、和硬覆層。
2.如權利要求1所述的燃料電池膜-子墊圈組件，其中，子墊圈材料選自由聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚烯烴、和它們的組合物組成的組。
3.如權利要求1所述的燃料電池膜-子墊圈組件，其中，子墊圈涂覆材料選自由金屬、鋼和氮化物組成的組。
4.如權利要求1所述的燃料電池膜-子墊圈組件，其中，子墊圈涂覆材料選自由鉻、不銹鋼、類金剛石和氮化鈦組成的組。
5.如權利要求1所述的燃料電池膜-子墊圈組件，其中: 子墊圈覆層具有的厚度是從約0.01Mm到約20Mm ； 子墊圈本體具有的厚度是從約5Mm到約200Mm ；以及 子墊圈覆層的厚度與子墊圈本體的厚度的比是從約1:2到約1:500。
6.如權利要求5所述的燃料電池膜-子墊圈組件，其中，子墊圈材料是聚對苯二甲酸乙二醇酯而子墊圈涂覆材料選自由鉻、不銹鋼、類金剛石和氮化鈦組成的組。
7.如權利要求1所述的燃料電池膜-子墊圈組件，還包括第一電極層和第二電極層，其中: 電解質膜在電解質膜的第一側上涂覆有第一電極層，在電解質膜的與第一側相對的第二側上涂覆有第二電極層；以及 第一電極層設置在電解質膜和涂覆子墊圈之間。
8.如權利要求1所述的燃料電池膜-子墊圈組件，還包括第一氣體擴散介質、第二氣體擴散介質、第一電極層和第二電極層，其中: 第一電極層是在第一氣體擴散介質上的催化劑覆層； 第二電極層是在第二氣體擴散介質上的催化劑覆層；以及 涂覆子墊圈設置在第一電極層和電解質膜之間。
9.一種燃料電池組件，包括: 第一氣體擴散介質； 第二氣體擴散介質； 燃料電池膜-子墊圈組件，其設置在第一氣體擴散介質和第二氣體擴散介質之間，燃料電池膜-子墊圈組件包括:電解質膜；以及 涂覆子墊圈，其疊置在電解質膜的周長上，涂覆子墊圈限定了在電解質膜的周長內部的有效區域， 其中: 涂覆子墊圈包括由子墊圈材料形成的子墊圈本體； 子墊圈本體具有面向電解質膜的第一子墊圈側和與第一子墊圈側相對的第二子墊圈側； 子墊圈本體的第一子墊圈側和子墊圈本體的第二子墊圈側中的至少一個包括在子墊圈材料上的子墊圈覆層；以及 子墊圈覆層包括選自由下列各項組成的組的子墊圈涂覆材料:金屬、鋼、合金、陶瓷、氧化物、氮化物、碳化物、 碳、類金剛石、丙烯酸、聚合物、高分子復合材料、和硬覆層； 設置在電解質膜和第一氣體擴散介質之間的第一電極層； 設置在電解質膜和第二氣體擴散介質之間的第二電極層；以及 雙極板，其具有陰極側和與陰極側相對的陽極側，雙極板與電解質膜流體連通。
10.一種燃料電池堆，包括: 第一夾緊板； 第二夾緊板； 定位在第一夾緊板和第二夾緊板之間的第一單極端板； 定位在第一單極端板和第二夾緊板之間的第二單極端板；以及多個堆疊的單獨的燃料電池組件，每個燃料電池組件被定位在第一單極端板和第二單極端板之間，各個燃料電池組件中的至少一個包括: 第一氣體擴散介質； 第二氣體擴散介質； 燃料電池膜-子墊圈組件，其設置在第一氣體擴散介質和第二氣體擴散介質之間，燃料電池膜-子墊圈組件包括: 電解質膜；以及 涂覆子墊圈，其疊置在電解質膜的周長上，涂覆子墊圈限定了在電解質膜的周長內部的有效區域， 其中: 涂覆子墊圈包括由子墊圈材料形成的子墊圈本體； 子墊圈本體具有面向電解質膜的第一子墊圈側和與第一子墊圈側相對的第二子墊圈側； 子墊圈本體的第一子墊圈側和子墊圈本體的第二子墊圈側中的至少一個包括在子墊圈材料上的子墊圈覆層；以及 子墊圈覆層包括選自由下列各項組成的組的子墊圈涂覆材料:金屬、鋼、合金、陶瓷、氧化物、氮化物、碳化物、碳、類金剛石、丙烯酸、聚合物、高分子復合材料、和硬覆層； 設置在電解質膜和第一氣體擴散介質之間的第一電極層; 設置在電解質膜和第二氣體擴散介質之間的第二電極層；以及 雙極板，其具有陰極側和與陰極側相對的陽極側，雙極板與電解質膜流體連通，其中: 多個堆疊的單獨的燃料電池組件的鄰近的單獨的燃料電池組件可共享在第一單獨的燃料電池組件和第二單獨的燃料電池組件之間的公共雙極板； 公共雙極板的陰極側面對第一單獨的燃料電池組件；以及 公共雙極板的陽極側面對第`二單獨的燃料電池組件。
【文檔編號】H01M8/02GK103682393SQ201310414676
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年9月12日 優先權日:2012年9月12日
【發明者】G.W.弗利, S.巴加瓦, J.萊斯特拉, G.V.達希奇 申請人:通用汽車環球科技運作有限責任公司
相關技術
網友詢問留言
已有0條留言
- 還沒有人留言評論。精彩留言會獲得點贊！
1