具有一體膜電極組件和氣體擴散層的燃料電池及制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種燃料電池及其制造方法，更特別涉及一種包括與氣體擴散層(GDL)結合成一體的膜電極組件(MEA)的燃料電池及其制造方法。
【背景技術】
[0002]近年來，為了解決通過利用石油資源導致的環境污染問題，并解決石油資源的排放，人們已開始研究和開發作為石油資源的可替代能源的新的、可再生的能源來源。
[0003]如在此使用的，術語“燃料電池”是指一種電化學裝置，其通過在諸如甲醇、乙醇或天然氣等烴基材料中含有的氫與從外界提供的氧之間的電化學反應，將化學能直接轉換成電能。
[0004]根據電解質的種類，將燃料電池分成熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)、固體氧化物燃料電池(SOFC)、磷酸燃料電池(PAFC)、聚合物電解質膜燃料電池(PEMFC)、直接甲醇燃料電池(DMFC)等。
[0005]具體地，對于大多數用途，燃料電池基于相同的一般原理來工作，然而，根據其使用的燃料的種類、操作溫度、實施的催化劑的種類或供應的電解質的種類的不同而彼此有所區別。
[0006]聚合物電解質膜燃料電池具有高功率密度和效率、低操作溫度與快速起動和響應特性，因此它們具有優于其他類型燃料電池的優點。由于具有這些優點，因此聚合物電解質膜燃料電池可用于各種應用，包括作為車輛中的電源、用于住宅應用的分布式電源、用于各種便攜裝置的電源等。
[0007]燃料電池用來將通過燃料氧化產生的化學能直接轉換成電能。在燃料電池的燃料電極(陽極)中，發生氫的氧化反應，并且在空氣電極(陰極)中，發生氧的還原反應。整個燃料電池反應是水電解(其產生電、熱和水)的逆向。
[0008]燃料電池單元通常由電解質膜、電極(陽極和陰極)、氣體擴散層(GDL)和隔板構成。這種燃料電池單元經裝配形成燃料電池堆。
[0009]由安裝有電解質膜的電極組成的結構稱為膜電極組件(MEA)。MEA的電解質膜主要由離子導電聚合物組成。電解質膜的材料必須具有高離子導電性、在100%的濕度下展示高機械強度，并具有低透氣性以及高熱穩定性和化學穩定性。
[0010]此外，⑶L可被用作允許從隔板引入的氫和空氣細微地擴散并提供給MEA的通道，同時支撐催化劑層，允許在催化劑層中生成的電流移動到隔板，并使得所產生的水能夠流出催化劑層。⑶L通常設置在MEA的上、下表面上，并由諸如碳氈、碳紙或碳布等材料制成。
[0011]圖1示出利用傳統層壓技術制造的MEA結構。通過向電解質膜10的兩個表面施加聚合物膜片20、熱壓縮所應用的膜片20、以及在施加于電解質膜10的兩個表面的熱壓縮膜片20的表面上涂覆催化劑層30a，形成圖1所示的MEA結構。
[0012]然而，MEA非常薄(50 μ m或更小)，因此在運輸過程中可能會損壞。特別地，在層壓過程中，MEA和GDL之間的對齊較差時，層疊質量可能會劣化。目前，在大多數情況下，通過熱壓縮法將⑶L與MEA簡單地層壓。
[0013]MEA與GDL之間的較低質量的層壓，會導致低劣的燃料電池性能，并且在嚴重的情況下，燃料電池被分類成缺陷產品，因此其使用和供應受到限制。因此，迫切需要該問題的解決方案。
[0014]在【背景技術】部分中公開的上述信息僅僅用于增強對本發明背景的理解，因此可能包含不構成在本國中本領域普通技術人員公知的現有技術的信息。
【發明內容】
[0015]因此，做出本發明以解決在本領域中發生的上述問題，并且本發明的目的在于提供包含與MEA結合成一體的GDL的燃料電池及其制造方法。
[0016]為了實現上述目的，本發明提供一種燃料電池，包括:膜電極組件(MEA)，其具有電解質膜、陽極和陰極；以及氣體擴散層(GDL)，其與膜電極組件的兩個表面組合或結合成一體。具體地，氣體擴散層包括第一層，其具有與膜電極組件的反應區域相接觸的一個表面；第二層，其形成在第一層的另一表面上；以及第三層，其沿著其中形成有第一層和第二層兩者的第一區域與其中僅形成有第二層的第二區域之間的周邊部分形成。第一層可以包括第一微孔層，第三層可以包括第二微孔層，該第二微孔層由具有比第一微孔層的粘度更低粘度的材料制成，并且第二層不包括第一微孔層和第二微孔層。
[0017]燃料電池還可以包括注塑成型制成的框架，該框架被配置成將MEA與⑶L結合成一體。該框架可以由聚合物材料、金屬材料或陶瓷材料制成。作為一個具體的例子，可以使用可注塑成型且可絕緣的液晶聚合物(LCP)。該框架可以與第一層分離，并且與第三層接觸。該框架還可以通過第三層與第一區域分離。
[0018]該燃料電池還可以包括歧管，所述框架的一側與MEA和⑶L中每一個的側面接觸，并且該框架的另一側與歧管接觸。
[0019]本發明還提供一種用于制造燃料電池的方法，該方法包括:將氣體擴散層(OTL)與具有電解質膜、陽極和陰極的膜電極組件(MEA)的兩個表面相結合，氣體擴散層由第一層、第二層和第三層構成，它們與MEA具有不同的距離，其中第一層包括第一微孔層，第三層包括第二微孔層，該第二微孔層由具有比第一微孔層的粘度更低粘度的材料制成，并且第二層不包括第一微孔層和第二微孔層。
[0020]該方法還可以包括注塑成型出框架，該框架被配置成將MEA與⑶L結合成一體。該框架可以由聚合物材料、金屬材料或陶瓷材料制成。作為一個具體例子，可以使用可注塑成型且可絕緣的液晶聚合物(LCP)。該框架可以與膜電極組件和氣體擴散層中的每一個的側面相結合，以將膜電極組件與氣體擴散層結合成一體。
【附圖說明】
[0021]通過以下的詳細描述，并結合附圖，本發明的上述及其它目的、特征和優點將會更加顯而易見，其中:
[0022]圖1示出使用傳統層壓技術制造的MEA結構；
[0023]圖2A是根據本發明示例性實施例的GDL40的俯視圖；
[0024]圖2B是根據本發明示例性實施例的GDL40的側視圖；
[0025]圖3示出根據本發明示例性實施例的包括結合成一體的GDL40、電解質膜10、催化劑層30a、30b和框架50a的燃料電池；
[0026]圖4示出根據本發明示例性實施例的用來通過注塑成型工藝形成框架50a的上模具50b和下模具50c，以及注塑成型出的框架50a ;以及
[0027]圖5A和5B示出根據本發明示例性實施例的框架50a的形狀和位置。
【具體實施方式】
[0028]可以理解的是，本文中所使用的術語“車輛”或“車輛的”或其它類似的術語包括一般而言的機動車輛，比如包含運動型多用途車輛(SUV)、公共汽車、貨車，各種商用車輛的客車、包含各種輪船和艦船的船只、飛行器等等。
[0029]在此使用的術語僅用于描述特別實施例并且不旨在限制本發明。如在此使用，單數形式“一個”、“一只”和“該”意圖同樣包括復數形式，除上下文以其他方式明確表明之夕卜。進一步理解術語“包括”和/或“正在包括”，在本說明書中使用時，指定已陳述特征、整體、步驟、操作、元素和/或部件的存在，但不排除一個或多個其他特征、整體、步驟、操作、元素、部件和/或其集合的存在或添加。如在此使用，術語“和/或”包括關聯的列出條目中的一個或多個的任何與全部組合。
[0030]圖2A和2B分別示出根據本發明的示例性實施例的GDL40的俯視圖和側視圖；圖3示出根據本發明的示例性實施例的燃料電池，其包括GDL40、電解質膜10、催化劑層30a、30b以及框架50a的組合；圖4示出根據本發明的示例性實施例的上模具50b和下模具50c以及注塑成型的框架50a，該上模具50b和下模具50c用于通過注塑成型工藝形成框架50ao
[0031]參考圖2A和2B，根據本發明的示例性實施例的⑶L40包括靠近MEA100的反應區域的第一層42、