[发明专利]包括涂覆子垫圈的燃料电池膜-子垫圈组件，以及包括燃料电池膜-子垫圈组件的燃料电池组件和燃料电池堆

说明书

技术领域

本发明概括地涉及燃料电池系统，并更具体地，涉及具有金属化的或硬涂覆的子垫圈的燃料电池膜-子垫圈组件，涉及包括燃料电池膜-子垫圈组件的燃料电池组件，并且涉及包括燃料电池组件的燃料电池堆。

背景技术

燃料电池已经被提出作为清洁、高效、且环保的功率源而用于电动车辆和各种其它应用。具体来说，燃料电池已经被认为是用在现代汽车中的传统的内燃发动机的潜在替代者。

一种类型的燃料电池是高分子电解质膜（PEM）燃料电池。PEM燃料电池包括三个基本部件： 电解质膜；和一对电极，包括阴极和阳极。电解质膜被夹在所述电极之间以形成膜-电极-组件（MEA）。MEA通常被定位在多孔扩散介质（DM）之间，例如碳纤维纸，其有利于诸如氢气的反应物传递到阳极，并有利于诸如氧气，通常来自空气，传递到阴极。在电化学燃料电池反应中，氢气在阳极中被催化氧化以产生自由质子和电子。质子穿过电解质到达阴极。来自阳极的电子不能穿过电解质膜，并代替地被作为电流通过电负载引导到阴极，电负载例如是电马达。质子在阴极中与氧和电子反应以生成水。

电解质膜通常由离聚物层形成。典型的离聚物是全副磺酸（PFSA）聚合物，例如Nafion?，其在商业上可从E. I. du Pont de Nemours and Company获得。燃料电池的电极通常由细粒催化剂形成。催化剂可以是催化地支持燃料电池电化学反应的氢气氧化和氧气还原中的至少一个的任何电催化剂。催化剂可以是贵金属，例如铂或另一铂族金属。催化剂通常被设置在碳支撑体上，例如碳黑颗粒，并且被分散在离聚物中。电解质膜、电极和DM被定位在一对燃料电池板之间并且例如用垫圈密封，该垫圈提供了基本上不透流体的密封。

电解质膜还通常具有屏障薄膜或子垫圈，这联接到该电解质膜上以提供内部加强且将供应到燃料电池堆的氢气和空气分隔开。子垫圈通常叠置在电解质膜的边缘并且在二次操作中通过切割一片聚合物薄片材料并且用压缩和粘合剂中的至少一个将该薄片材料结合到电解质膜来形成。子垫圈和用于将子垫圈联接到电解质膜的装置的一些示例在共有的美国专利7,935,453中被描述，该专利的全部内容通过引用并入本文。

沿着燃料电池板有效区域的外围的子垫圈抵接MEA并能与MEA交叠。子垫圈通常用于同时支撑MEA并且将燃料电池的阴极流场与堆叠组件中的邻近的燃料电池的阳极流场电绝缘。子垫圈也电绝缘流场外部的区域。子垫圈的内边缘限定了MEA的有效区域。

在燃料电池的正常运行中会遇到诸如高温和高压或这两者的严酷条件，这使得必须用不会降级或变形的材料来构建燃料电池的各种部件。降级或变形的通常原因包括当厚子垫圈被使用时的具有高压缩的局部区域或者是在薄子垫圈被使用时的由反应物气体流导致的子垫圈偏转区域。子垫圈的这种降级或变形可负面地影响MEA的寿命或者可降低整个燃料电池的性能。

因此，一直存在对改进的子垫圈的需求，其能被包含在MEA中；以及包括该MEA的燃料电池组件；以及包括一个或多个该燃料电池组件的燃料电池堆，借此子垫圈降级和变形的问题可被解决，但不牺牲制造成本或生产产量。

发明内容

在上述背景下，本文描述的一些实施例涉及燃料电池膜-子垫圈组件。燃料电池膜-子垫圈组件可包括电解质膜和涂覆子垫圈，该子垫圈叠置在电解质膜的周长上。涂覆子垫圈可限定了在电解质膜的周长内部的有效区域。涂覆子垫圈可包括由子垫圈材料形成的子垫圈本体。子垫圈本体可具有面向电解质膜的第一子垫圈侧和与第一子垫圈侧相对的第二子垫圈侧。子垫圈本体的第一子垫圈侧和子垫圈本体的第二子垫圈侧中的至少一个可包括在子垫圈材料上的子垫圈涂覆层。子垫圈涂覆层可包含一个或多个涂覆材料或由该一个或多个涂覆材料形成，该材料例如是金属、钢、合金、陶瓷、氧化物、氮化物、碳化物、碳、类金刚石、丙烯酸树脂、聚合物、高分子复合材料、和硬覆层。