膜電極組件,有這種組件的燃料電池和有這種燃料電池的汽車的制作方法
【專利說明】膜電極組件，有這種組件的燃料電池和有這種燃料電池的 汽車
[0001] 本發(fā)明設及一種燃料電池的膜電極組件，包括膜電極單元和密封件。此外本發(fā)明 還設及一種包括多個按本發(fā)明的膜電極組件的燃料電池，化及一種具有該種燃料電池的汽 車。
[0002] 燃料電池利用燃料與氧化學變化成為水，產(chǎn)生電能。為此，燃料電池作為核屯、組成 部分包含所謂的膜電極單元（MEA-membraneelectro化assembly;膜電極組件），它由離子 傳導隔膜和在隔膜兩側各設置一個的電極（陽極和陰極）組成。此外，可W在膜電極單元 兩側，在電極背對隔膜的那一側，設置氣體擴散層（GDL)。通常燃料電池由多個排列成堆疊 (stack)的MEA構成，它們的電功率累加。在燃料電池工作時，燃料，尤其氨馬或含氨的氣 體混合物輸入陽極，在那里發(fā)生電化學氧化由&成為H+，并將電子輸出。通過將反應腔彼此 氣密隔離并電絕緣的電解質(zhì)或隔膜，實施將質(zhì)子H+(吸水或無水地）從陽極腔輸入陰極腔。 陽極提供的電子通過電導線引入陰極。向陰極輸送氧或含氧的氣體混合物，從而在接收電 子的情況下發(fā)生由〇2成為〇2^勺反應。與此同時，在陰極腔內(nèi)該些氧陰離子與通過隔膜輸 送的質(zhì)子反應生成水。通過將化學能直接轉換為電能，與其它發(fā)電設備相比，基于規(guī)避了卡 諾因子，所W燃料電池能達到更高的效率。
[0003] 目前最先進的燃料電池技術W聚合物電解質(zhì)隔膜（PEM)為基礎，其中隔膜本身由 聚合物電解質(zhì)組成。在該里經(jīng)常使用酸變性聚合物，尤其全氣化聚合物。此類聚合物電解 質(zhì)最廣泛流行的代表是橫化聚四氣己締共聚物（商標名：化fion;由四氣己締和全氣烷基 己締離的一種橫酷氣衍生物組成的共聚物）組成的隔膜。在該里電解傳導通過水合質(zhì)子進 行，因此水的存在是質(zhì)子可傳導的先決條件，W及在PEM燃料電池工作時需要潤濕工作氣 體。基于水的必要性，該種燃料電池在正常壓力下的最高工作溫度限制在l〇〇°CW下。所述 的該種燃料電池類型也稱為低溫聚合物電解質(zhì)隔膜燃料電池（NT-PEM燃料電池）。與之相 區(qū)別的是，高溫聚合物電解質(zhì)隔膜燃料電池（HT-PEM燃料電池）的電解傳導率基于一種通 過靜電絡合鍵鍵合在聚合物電解質(zhì)隔膜的聚合物構架上的電解質(zhì)（例如Phosphorsiiure -dotiertePolybenzimidazol(PBI)隔膜），W及它們在 160°C的溫度下工作。
[0004] 如前言已提及的那樣，燃料電池由多個排列成堆疊的單個電池構成，所W從燃料 電池堆疊出發(fā)討論。在膜電極單元之間通常設置所謂雙極板，它們確保向單個電池供應工 作介質(zhì)，亦即反應物和通常還有冷卻液。此外，雙極板還保證與膜電極單元導電接觸。
[0005] 在膜電極單元與雙極板之間設密封件，它使陽極腔和陰極腔對外密封，防止工作 介質(zhì)從燃料電池堆疊泄出。密封件可W設置在膜電極單元和/或雙極板側面，W及尤其與 該些組成部分連接。
[0006] 為此目的，密封件在一側或兩側硫化膠合在雙極板上。此外，密封帶狀密封件可W 借助機器人涂敷在雙極板上。用機器人涂敷的密封件可能有大的會導致漏泄的誤差。迄今 例如通過優(yōu)化機器人涂敷密封帶的過程來解決該一問題。
[0007] 此外，隔膜可W層合在兩個涂膠粘劑層的薄膜（邊緣加厚薄膜）之間。據(jù)此，密封 件可W噴涂在膜電極單元上或噴涂在膜電極單元周圍。然而在該種情況下最高溫度由膜電 極單元確定W及大約為120°C。該一溫度界限對于密封件彈性材料交聯(lián)的過程時間起一定 的作用，W及由于長的過程時間導致高的成本和大量廢品。由此產(chǎn)生的廢品成本歸因于在 膜電極單元圍圍有缺陷的噴涂，W及還歸因于該種極其敏感的構件在沖壓和注塑過程中的 操作。
[000引 DE102009003947A1 公開了一種肥A(unitizedelectrodeassembly)，包括一個具 有電解質(zhì)隔膜的MEA，電解質(zhì)隔膜沒有明顯超過活性區(qū)向外延伸。在UEA圍繞化學活性 區(qū)的密封件與化學活性區(qū)之間設置攔阻膜片。攔阻膜片可W在活性區(qū)外部與MEA搭接。此 夕F，攔阻膜片可W用作密封件的載體，W及尤其與密封件設計成一體。MEA可W借助化學膠 粘劑與攔阻膜片接合。此外，根據(jù)連接構型，連接膜片可W覆蓋電解質(zhì)隔膜的一端。
[0009] W02010/114139介紹了一種制造燃料電池和制造燃料電池的燃料電池模件的方 法。燃料電池包括電極組件，它們分別包括一個MEA，W及在MEA的陽極側和陰極側各有一 個多孔層。MEA還包括電解質(zhì)隔膜W及催化的陽極層和陰極層。多孔層分別包括一個面朝 MEA的氣體擴散層（由碳紙組成）和一個氣體流路層（由燒結的金屬泡沫組成）。在電極 組件之間設一些分隔器（相當于雙極板），它們分別包括=個鋼層。在分隔器之間并與之接 觸地設置框狀密封件，它們圍繞電極組件。
[0010] 在制造時，首先構成包括分隔器和框狀密封件外框的第一單元，W及包括電極組 件和框架狀密封件內(nèi)框的第二單元。接著，將內(nèi)框連同電極組件置入外部密封件內(nèi)。作為 另一種方案，也可W將電極組件直接置入一個包括分隔器和框狀密封件的單元內(nèi)。
[0011] W02010/114140A1公開了一種燃料電池的電池組件制造方法。該種燃料電池的結 構與W02010/114139的結構基本相似。在制造時，首先制成電極組件、分隔器和框狀的密封 件毛巧。將電極組件、分隔器和密封件毛巧置入包括壓制設備的成形模具內(nèi)。借助壓力和 加熱，使各部分在成形模具中互相連接。
[0012] 現(xiàn)在本發(fā)明的目的是，提供一種能簡單地制造的膜電極組件。
[0013] 此目的通過有權利要求1特征的膜電極組件達到。由其它在從屬權利要求中論及 的特征，提供本發(fā)明其它優(yōu)選的設計。
[0014] 按本發(fā)明用于燃料電池的膜電極組件包括膜電極單元，該膜電極單元有隔膜和兩 個與隔膜兩側面接觸的電極。膜電極組件還包括環(huán)形圍繞隔膜并與之搭接的密封框架。此 夕F，膜電極組件還包括連接層，它與隔膜和與密封框架環(huán)形搭接，其中，在連接層的同一扁 平側，連接層的內(nèi)邊緣區(qū)與膜電極單元W及連接層的外邊緣區(qū)與密封框架材料接合式連 接。此外，膜電極組件還包括在隔膜外部與密封框架連接的密封件。
[0015] 隔膜典型地是一種質(zhì)子傳導的隔膜（聚合物電解質(zhì)隔膜）。電極設計為一個陽極 和一個陰極，W及它們可W鋪覆在隔膜兩側。
[0016] 連接層的內(nèi)邊緣區(qū)典型地與隔膜和/或膜電極單元的電極材料接合式連接。
[0017] 在扁平的元件中將那些側（表面）稱為"扁平側"，亦即與該元件的其它側相比它 們的尺寸大得多。
[0018] 連接層通過材料接合式連接，制成典型地環(huán)形圍繞膜電極單元的化學活性區(qū)相對 于密封框架W及膜電極單元的密封面。由此防止在隔膜兩側之間不希望地泄漏工作介質(zhì)。 此外，通過材料接合式連接還保證膜電極組件有足夠的穩(wěn)定性。所述化學活性區(qū)是膜電極 單元在工作時加入反應物的那個區(qū)域。連接層典型地是薄膜，尤其塑料薄膜。
[0019] 密封件典型地設計為環(huán)形圍繞隔膜。因此膜電極單元的化學活性區(qū)也被密封件環(huán) 形地圍繞。通過密封件圍繞膜電極單元的化學活性區(qū)，防止反應物和反應產(chǎn)物從包括膜電 極組件的燃料電池泄出。由此膜電極單元的電極也設置在被密封件環(huán)形圍繞的化學活性區(qū) 內(nèi)部。
[0020] 優(yōu)選地，密封件與密封框架材料接合式連接。該典型地可W通過將密封件噴涂在 密封框架上例如在所設及的材料部分烙化的情況下實現(xiàn)。
[0021] 通常密封件在連接層外部與密封框架連接。
[0022] 此外，密封件一般在兩側，尤其分成兩個分段沿密封框架延伸。該兩個分段本身在 密封框架兩側延伸，其中，第一分段沿密封框架第一扁平側延伸，而第二分段沿密封框架第 二扁平側延伸。
[0023] 該兩個分段有密封面，其中，第一分段的密封面與第二分段的密封面在密封框架 上投影為優(yōu)選地基本上疊合的正投影區(qū)。"密封面"指的是那些設計用于貼靠在反向面，例 如雙極板上并密封的那些表面。特別優(yōu)選的是，密封面設計為相對于密封框架（確切地說 一個處于密封框架內(nèi)的平面）鏡像對稱。
[0024] 優(yōu)選地，密封件每個分段有兩個密封唇，它們通過相應地成型密封件構成。由此形 成兩條彼此獨立的密封線，亦即實際上是兩個密封區(qū)，它們造成防漏泄的雙重保險。典型 地，該兩個密封唇環(huán)形圍繞被密封的區(qū)域延伸。
[0025] 優(yōu)選地，密封框架是塑料制的密封框架薄膜。尤其是，密封框架薄膜是PEN薄膜 任olyethylennaphthal