聚合物电解质膜燃料电池的重要部件是离子交换膜。离子交换膜通常位于 阳极和阴极之间。在燃料电池运行期间，该膜促进离子从一个电极传递到另一 个电极。理想地，该膜应尽可能地薄，使离子尽可能快地在两个电极之间通过。 但是，当膜变得更薄时，其强度通常会下降。因此，需要对膜进行强化。一种 方案是在膜内结合增强体。在美国专利RE37307(Bahar等)中披露了这种方案的 一个例子，揭示将多孔材料如发泡PTFE用作膜的支撑体。
然而，在某些情况，需要进一步的膜增强体。当膜用于包括气体扩散层的 组合件时，所述气体扩散层通常是由碳纤维纸制成，已知碳纤维有时会刺破该 膜，因而造成该组合件短路，降低或破坏其性能。组合件在其本身的制造过程 中可能发生刺破，或者在密封模塑过程中由于模具夹紧的压力而刺破。在使用 期间随时间推移也会发生刺破，或者在运输或堆叠组合件时也会发生刺破。因 此，要求保护膜免于被气体扩散介质的纤维刺破。
此外，经常需要用于膜的附加支撑体，以提高总体的尺寸稳定性。环境条 件如湿度，或对膜的简单加工会引起膜的损坏。需要另外的增强体和支撑体来 提高尺寸稳定性。
提供这种附加支撑体的典型方式涉及在包围电极的膜的每一侧(顶面和底 面)使用外围层。这种方式的缺点是需要两层附加层，而且这两层必须很严密地 对齐，避免由于未对齐而损失有效面积(电极中实际发生离子转移的部分)。因 此，这种设计相关的材料和处理成本较高。增加两个层还增加了组合件的厚度， 这是不希望发生的。要求较好的组合件具有能提高尺寸稳定性并能防止刺破的 结构支撑体，并且比现有设计能更有效进行生产。
本文中，“组合件”指至少一个膜和结构支撑体的组合，但是，“组合件” 也可以包括其它部件，如电极、气体扩散介质、密封垫圈等。
发明概述
本发明提供一种用于燃料电池的组合件，该组合件包括：
(a)第一膜，该膜具有内部部分和外周部分；
(b)第二膜，该膜具有对应于第一膜的内部部分的内部部分，和对应于第 一膜的外周部分的外周部分；
(c)结构薄膜，位于第一膜的外周部分的至少一部分与第二膜的相应外周 部分之间；
(d)第一膜的内部部分与第二膜的相应内部部分接触，提供在第一膜和第 二膜之间的离子连通。
另一个实施方式中，组合件还包括：第一膜上的阴极和第二膜上的阳极。 在又一个实施方式中，第一气体扩散介质位于阴极上面，第二气体扩散介质位 于阳极上面。该结构薄膜层的厚度优选小于约0.003英寸。还优选使该结构薄 膜层位于所述第一膜的整个外周部分与第二膜的相应外周部分之间。
在另一个实施方式中，本发明提供一种组合件，其中，第一膜的外周部分 和第二膜的相应外周部分各自具有边，每个边基本上共同延伸，结构薄膜层与 所述边齐平，在组合件的至少一端放置密封垫圈，并整体安装于第一膜、第二 膜和结构薄膜层。
另一个实施方式中，第一膜的外周部分和第二膜的相应外周部分各自具有 边，每个边基本上共同延伸，结构薄膜层延伸到所述边之外，并任选具有位于 其至少一侧的密封垫圈。
另一个实施方式中，本发明提供用于燃料电池的一种组合件，该组合件包 括：
(a)膜，具有内部部分和外周部分；
(b)结构薄膜层，覆盖上述膜的外周部分的至少一部分。
在此实施方式中，组合件还任选包括：设置在该膜的第一面上的阳极和设 置在该膜的第二面上的阴极。在所述阳极和阴极中的至少一个上还任选设置气 体扩散介质。
另一个方面，本发明提供制造用于燃料电池的多个不连续的组合件的方 法，该方法包括以下步骤：
(a)提供上面设置了阴极的第一膜；
(b)提供上面设置了阳极的第二膜；
(c)提供限定有多个窗口的结构薄膜层；
(d)按连续的方法将第一膜与结构薄膜层层叠在所述第二膜上，使结构薄 膜层夹在第一膜和第二膜之间，使第一膜与所述第二膜在窗口内进行接触，提 供第一膜和第二膜之间的离子连通，并形成多个连续的组合件；
(e)切割连续膜电极组合件，形成多个不连续的组合件。
附图简述
图1所示是按照本发明一个示例实施方式制造组合件的方法的示意图。
图1a所示是按照本发明的一个示例实施方式的连续结构薄膜层的一部分 的平面图。
图2所示是按照本发明的一个示例实施方式的组合件的分解截面图。
图3所示是图2的组合件的未分解的截面图。
图3A所示是图3组合件的平面图。
图4所示是按照本发明的一个示例实施方式制造组合件的方法的示意图。
图5所示是按照本发明的一个示例实施方式的组合件的分解截面图。
图6所示是图5的组合件的未分解的截面图。
图7所示是按照本发明的一个示例实施方式制造组合件的方法的示意图。
图8所示是按照本发明的一个示例实施方式的组合件的分解截面图。
图9所示是图8组合件未分解的截面图。
图10所示是图9所示组合件的平面图。
图11所示是按照本发明的一个示例实施方式的组合件的分解截面图。
图12所示是图11组合件未分解的截面图。
图13是图12所示的组合件的平面图。
图14所示是按照本发明的一个示例实施方式的组合件的分解截面图。
图14A所示是按照本发明的一个示例实施方式的组合件的分解截面图。
发明详述
图1所示是按照本发明的一个示例实施方式制造组合件10的方法。第一 膜11是从第一膜卷筒21展开。第二膜15是从第二膜卷筒23展开。这两层膜 与它们之间的结构薄膜层20通过辊26夹在一起。本文中，“结构薄膜层”指 硬的非弹性聚合物。这种聚合物包括但不限于：PEN(聚萘二甲酸乙二酯)、非 多孔聚丙烯、聚苯乙烯、刚性聚氯乙烯、聚酰胺、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS) 共聚物、聚酰胺、丙烯酸类、乙缩醛、硬质纤维素、聚碳酸酯、聚酯、酚醛塑 料、脲-密胺树脂、聚酯、环氧树脂、氨基甲酸酯以及填充玻璃的有机硅热固树 脂。本文中所用的非弹性体聚合物是在室温下反复拉伸到其原来长度的至少2 倍后不能回到其原来长度的聚合物。在一个优选实施方式中，结构薄膜层20 是由PEN形成的。结构薄膜层20的厚度优选小于约0.003英寸。还优选结构 薄膜层20在其层中或者在其至少一个表面上有粘合剂，促进与膜的结合。可 以使用任何合适的粘合剂，但优选PVAc(聚乙酸乙烯酯)。
具体地，如图1a所示，连续形式的结构薄膜层20在经过模切后，其中包 含许多形成的开孔29。开孔29是从结构薄膜层20切下的窗口。开孔29可以 是任何形状，但优选为基本上正方形或矩形的切口。开孔29限定了组合件的 有效面积。当第一膜11和第二膜15夹在结构薄膜层20的任一面时，第一膜 11和第二膜15通过开孔29相互接触并结合。因此，它们可以在该有效面积中 相互离子连通。结构薄膜层20的存在促进了组合件10的结构整体性，达到尺 寸稳定性，并保护薄膜免于被刺破和其它损害。结构薄膜层不能有任何明显的 压缩。其功能是不能进行任何密封。
再参见图1，按照示例的方法制造组合件10时，将采用所示方法准备的组 合件的连续长度切割(所用设备图1中未示出)成不连续的单独组合件。具体地， 参见图2，示出按照图1所示的方法生产和切割的单独的组合件。膜11具有内 部部分12和外周部分13。第二膜15具有对应于第一膜11的内部部分12的内 部部分16。第二膜15也具有对应于第一膜11的外周部分13的外周部分17。 结构薄膜20位于第一膜11和第二膜15在所述膜的外周部分13、17处之间。 内部部分12，15通过结构薄膜层20的窗口29离子连通。图2是组合件截面的 分解图；图3是组合件10的完全的图，示出图2中最后形式所示的分解部分。
制造如图3所示具有单一内部结构薄膜层的组合件，该组合件不仅提供了 类似于具有两层结构材料的产品的益处，而且相对于两层方法有明显的改进。 在此所述的这种单层方法达到燃料电池中所需的边缘保护、部件稳定性以及生 产过程所需的短路判断电阻值(short resistance)用电压和连续长寿命性能。此外， 该单层方法消除了将放置第二层与电极相邻或覆盖在电极上时产生的有效面 积对齐的公差要求。还减少处理和材料的成本。沿该部件的中心线放置保护层 还提供了一种平稳的组合件(在两个面上有同样数量的层)，该组合件提供了平 坦的尺寸稳定的结构，不会因为膜材料的吸湿特性而卷曲。
图3a所示是图3的组合件10的平面图。第一膜11是可视的，具有内部 部分12和外部部分13。未示出的第二膜15(因为在第一膜11的下面)是具有相 应的外部部分17和相应的内部部分16。图3a中的虚线用来简单示出在内部部 分12和外周部分13之间的分界线。使用中，外周部分13被存在的结构薄膜 20限定，该结构薄膜位于第一膜11和第二膜15的外周部分之间，内部部分 12由窗口29限定。第一膜11和第二膜15在内部部分12，16处结合在一起， 使离子能在第一膜11和第二膜15之间自由传递。第一膜11和第二膜15因此 是离子连通的。
在示例的实施方式中，第一膜11和第二膜15是由相同材料制成的，但是 所述第一膜和第二膜还可以包含不同的离子交联聚合物，或者包含不同当量重 量的相同离子交联聚合物。优选的是，这种材料包含有孔(在此孔定义为互通通 道和路径)的发泡聚四氟乙烯(ePTFE)支撑体，孔基本上被离子交换树脂堵塞。 第一膜11中存在的离子交换树脂与第二膜15的离子交换树脂接触，因此使第 一膜11与第二膜15在它们的对应的内部部分12、16处结合。
图4示出本发明的另一个实施方式。在该示例的实施方式中，在卷筒34 上提供了一面涂敷了催化剂的膜。(在示出的实施方式中，涂敷在该膜上的催化 剂在卷筒34上的作用是作为阴极电极。)涂敷催化剂的膜可以按照本领域已知 的方法制造，例如在美国专利6,054,230(Kato)。组装涂敷催化剂膜的其它方法 也为本领域已知。将按照本领域已知的方法制备的另一个涂敷催化剂的膜卷在 卷筒35上。(在此催化剂的作用是作为阳极电极。)在此实施方式中，所述阳极 和阴极分别示出在底部和顶部，但可以反转。然后，将两个涂敷催化剂的膜分 别从卷筒34和35上展开，并夹在结构薄膜20周围，具有类似于图1a所示的 结构。这样形成组合件10，这种情况下，该组合件是一种膜电极组合件(与上 述的膜组合件相反)。然后，用本领域已知的任何切割设备(未示出)，将按照图 4方法制成的连续MEA切割成独立的MEA。这种切割设备包括但不限于：模 切机，切刀，水喷切割机，激光器等。
图5所示是按照图4的示例方法制造的组合件10的分解截面图。阴极14 与第一膜11结合，阳极18与第二膜15结合。然后，如上所述，第一膜11和 第二膜15在保护膜20周围夹在一起，结合在一起的相应的内部部分12和16 处于离子连通，相应的外周部分13和17之间有保护膜20。
图6所示是包含图5所示的部分的完成的最终形式的组合件10。
图7示出本发明的另一种示例的实施方式。该实施方式中，卷筒34是涂 敷催化剂的膜，该膜上也有气体扩散介质31(参见图8)。气体扩散介质31是本 领域已知的任何气体扩散介质，能优选粘合在电极上。较好地，气体扩散介质 3 1本身是“大”气体扩散介质如碳纸和“微”气体扩散介质如填充碳的PTFE 薄层的组合物。“微”气体扩散层可以是自立(fee-standing)层；例如CARBELTM MP气体扩散层，可从W.L.Gore&Associates购得。将气体扩散介质31层叠 到阴极14(再次按照本领域已知的方法)，阴极层叠到第一膜11上。然后，将气 体扩散介质31、阴极14和第一膜11卷在一起，形成在一半MEA卷筒34上的 一半MEA。按照类似的方式还将气体扩散介质31层叠到阳极18。将阳极面卷 入在一半MEA卷筒35上的一半MEA。然后，将相应的一半MEA从一半MEA 卷筒34和35上展开，如前面所述，夹在结构薄膜20的任一面。这样形成连 续的组合件10，然后使用设备(未示出)切割成单独的组合件。
采用图7所示方法制成的单独组合件的例子示于图8。在此示例的实施方 式中，组合件还包括密封垫圈32。密封垫圈32优选用可压缩的材料制成，例 如有机硅EPDM或者含氟聚合物材料，但是也可以是用于燃料电池时具有能够 密封组合件内气体的功能的任何材料。在图8的实施方式中，将密封垫圈32 模塑在层叠结构上。具体地，示出气体扩散介质3 1分别位于阴极14和阳极18 的外表面。阴极14与第一膜11结合，阳极18与第二膜15结合。第一膜11 和第二膜15如上所述与它们之间的结构薄膜20夹在一起。然后在该组合件周 围模塑密封垫圈32。较好地，密封垫圈32包围整个组合件，但是可以存在于 部分而不是全部侧面。或者，密封垫圈32可通过填充气体扩散介质的边缘来 形成。
该实施方式的完成后的方案示于图9。示出的密封垫圈32是整体模塑到气 体扩散介质31，电极14、18，膜11、15和结构薄膜层20的侧边(在此实施方 式中，这些层的侧边基本上共同延伸)。在此实施方式中，在模塑过程中，在控 制中，气体扩散介质31持有电极14、18和膜11、15，并提供刚性支撑体和尺 寸稳定的介质，在介质上面模塑密封垫圈32。图10是图9所示组合件的平面 图。(图9是沿图10中A-A部分的截面图)。气体扩散介质31实际上覆盖了第 一膜11的内部部分12和外周部分13(在此实施方式中，有位于它们之间的阴 极14)。结构薄膜层20位于外周部分13的下面。密封垫圈32设置在这些部件 的外边缘周围。在所示的实施方式中，密封垫圈32具有抬高的部分，这些部 分增强了部件的压缩和密封功能。在此实施方式中，密封垫圈32上还有气体 流动的开孔50，当用于燃料电池时允许气体流动。
本发明的另一个实施方式中，按照上面所述，可以制造具有图11所示的 结构的组合件10。在此实施方式中，具体地，结构薄膜20延伸到第一膜11和 第二膜15以及阴极14和阳极18的边缘之外。在该图示中，任选的密封垫圈 33预先模塑在结构薄膜20延伸超出边缘的部分上。如果使用密封垫圈33，该 垫圈能发挥和前面实施方式的密封垫圈32相同的功能。此实施方式完成的方 案示于图12。图13示出图12的组合件的平面图(图12是沿图13的A-A部分 的截面图)。
本发明的另一个实施方式示于图14，该图是一分解图。在此实施方式中， 使用单一膜100，如上所述，该膜上设置阳极18和阴极14。但是，在此实施 方式中，结构薄膜层20位于膜100的一个面上。在示出的该实施方式中，结 构表面层20与阳极18相邻，但与阴极14相隔。在最终的组合件中，将各部 分压制在一起时，阳极18通过结构薄膜层20的窗口29进行安装，使结构薄 膜层20在其外周部分周围与膜100直接相邻。气体扩散介质31夹住该结构， 形成所示实施方式中的最终组合件。
或者，如图14A所示，阳极18(或阴极14)可以位于结构薄膜层20的上面。 此实施方式取消了图14实施方式所需考虑的对齐。在此实施方式的最终组合 件中，阳极18实际上被压入结构薄膜层20的窗口29，与膜100接触。
在所示的实施方式中，结构薄膜20有显著的改进。该实施方式保护了该 膜并提供如上所述的结构支撑体，能制造用于燃料电池的更耐久的延长寿命组 合件。
虽然结合一些优选的实施方式描述了本发明，但是本发明的范围不受其限 制。本发明的范围而是由所附权利要求书限定。