專利名稱：燃料電池的膜電極組件(mea)的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種燃料電池的膜電極組件(MEAMembraneElectrode Assembly)，包括平面的聚合物膜，它在切向內置的內部區域上兩面各自采用電極結構涂層并在至少單面凸出電極結構涂層的切向外置的外部區域上與密封體連接。
本發明還涉及一種燃料電池組，包括大量各自設置在隔板(雙極或者單極隔板)之間的膜電極組件(MEA)，其中，每個MEA包括平面的聚合物膜，它在切向內置的內部區域上兩面各自采用電極結構涂層并具有凸出電極結構切向外置的外部區域。
背景技術：
公知不同類型的燃料電池。特別是在所謂的質子交換膜燃料電池(PEMFCs Proton Elektrolyte Fuel Cells)上具有兩面由電極觸點接通的質子導電膜。電極通常包括例如由鉑涂層的炭黑組成與膜直接接觸的催化活性層以及用于向催化活性層輸送反應氣體的多孔電子導電結構。后者所稱的結構通常稱為氣體擴散結構。它們例如可以由多孔的碳紙、碳織物或者碳纖維網構成。
為使燃料電池工作，向作為陽極工作的電極輸送氫氣或者含氫的氣體。氣體的具體成分取決于其他燃料電池的特性。通時向作為陰極工作的第二電極輸送氧氣或者含氧的氣體。上述氣體下面統稱為“反應氣體”。
陽極上氫催化氧化為H2→2H++2e-。
與此同時釋放的電子通過電極輸送到耗電器上和相應的質子通過電解質轉移到陰極側上，在那里它們與氧轉化成水。所需的電子通過電極輸送O2+2H++2e-→H2O。
通過電解質的電荷輸送在PEMFC的情況下例如通過H3O+-離子遷移和/或質子躍動完成。為達到這一點，在大多數所使用的聚合物膜上需要采用摻雜劑對其進行摻雜。常用的摻雜劑例如為磷酸(H3PO4)。其他膜通過吸收水足夠產生離子導電。
但由于摻雜使聚合物膜膨脹并失去穩定性。這一點使其他操作變得非常困難。
例如，在聚合物膜的邊緣區域內安裝對燃料電池組的結構特別有益的密封體變得困難。公開了一種依據分類的MEA的JP 03331873 A1介紹了一種用于回避這一問題的措施。在那里所公開的MEA中，聚合物膜在其外部區域上僅一面沒有電極結構。也就是說，聚合物膜另一面上的電極結構一直延伸到其邊緣并還覆蓋邊緣區域。由此產生MEA足夠的穩定性，從而它可以利用聚合物膜的空余面材料接合地與密封體連接。不穩定的聚合物膜的穩定性因此通過遠遠超過MEA固有的電化學活性內部區域向外延伸的電極結構完成。這種措施缺點諸多。一是電極面的加大與高成本相關，因為例如鉑涂層的炭黑這種電極材料價格昂貴。二是其他情況下值得追求的目標，即使用盡可能薄的電極層由于提高了對電極層穩定性的要求而受到嚴格限制。最后這種情況在電化學方面也不利，因為MEA的活性面不能精確確定。確切地說，它在聚合物膜一面上的延伸面積明顯大于另一面，從而會導致離子遷移和貫穿電流方面的問題。
作為對將密封體安裝在MEA本身上的選擇，公知的還有將密封材料安裝在燃料電池組的隔板上和將聚合物膜在邊緣區域上兩面不涂層的高柔性摻雜的MEA這樣設置在隔板之間，使凸起的膜區域與密封材料相互作用。這種依據分類的燃料電池組由DE 101 21 176有所公開。DE 102 51 439 A1也公開了一種相應的燃料電池組。但在此方面的缺點是，由于需要附加的密封材料和機械上高度敏感的MEA可操作性很難，使電池組的結構變得復雜化。
發明內容
本發明的目的在于對依據分類的MEA這樣進一步構成，使其穩定性得到提高而電極涂層的厚度最小化，從而可以降低制造成本。
該目的在與權利要求1前序部分所述特征的結合下由此得以實現，即聚合物膜以邊緣區域嵌入彈性體材料的密封體內，并且密封體切向向內一直延伸到切向處于外部區域與內部區域之間的過渡區域內，在該區域內密封體在法線外側覆蓋聚合物膜兩面上的電極結構。
依據本發明裝置的另一目的在于對依據分類的燃料電池組這樣進一步構成，使其結構得到簡化。
該目的在與權利要求10前序部分所述特征的結合下由此得以實現，即每個聚合物膜利用邊緣區域材料接合地嵌入彈性體材料的密封體內以及密封體切向向內一直延伸到切向處于外部區域與內部區域之間的過渡區域內，在該區域內密封體法線外側覆蓋聚合物膜兩面上的電極結構。
本發明的作用和優點下面就依據本發明的MEA和依據本發明的燃料電池組共同加以探討。
依據本發明，彈性體材料制成的密封體實現穩定性作用，其中聚合物膜的邊緣區域兩面嵌入該密封體。但密封體盡可能切向向內這樣延伸，使其最好少量與聚合物膜兩面上的電極結構的邊緣區域重疊。按照這種方式，形成MEA的電極穩定化的內部區域與MEA的密封體穩定化的外部區域之間的可靠過渡，其中該內部區域同時對應于其電化學活性區域。
本發明特別有益的實施方式在從屬權利要求中予以說明。
密封體最好框式并完全包圍聚合物膜的內部區域，按照這種方式產生一個密封的MEA組件，它形狀穩定并因此在組裝燃料電池組時可以很容易地裝入隔板之間。此外，按照這種方式可以取消附加的密封材料。
特別優選密封體的彈性體材料注塑在聚合物膜上。但同樣也可以使用其他連接方法，例如像粘接、焊接或者熱壓。
在本發明一種優選的實施方式中，聚合物膜的內部區域和過渡區域采用摻雜劑進行摻雜，其中，摻雜劑的濃度在過渡區域內切向向外遞減。質子導電能力隨著摻雜劑濃度的遞減而向外降低，但聚合物膜的機械穩定性卻有所增加。依據本發明MEA的制造由此得到明顯簡化。也就是說，如果摻雜在安裝密封體之前就已經完成，那么膜所要嵌入密封體的外部區域具有良好的穩定性，從而例如采用彈性體材料包覆注塑的嵌入過程期間的操作不會特別困難。在另一實施方式中，膜的摻雜可以通過電極在安裝密封體之后進行。有益的是聚合物膜由聚苯并咪唑組成。
有益的是摻雜劑含有磷酸(H3PO4)。
在將依據本發明的MEA裝入燃料電池組內時，各部件的不平度可以通過彈性體材料的彈性特性得到補償。此外，為避免擠壓燃料電池組時MEA組件過度壓縮，在本發明一種特別優選的實施方式中，密封體內嵌入與其彈性體材料相比無彈性的間隔墊片結構。這些結構與密封體的過度壓縮產生反作用，但對其補償的彈性特性卻無明顯影響。例如，可以使用與彈性體材料相比更加剛性的金屬、塑料或者碳構成的隔片或者弓形板。相應的間隔墊片結構也可與隔板整體構成。
在本發明一種有益的進一步構成中，聚合物膜和密封體在外部區域上具有用于輸送反應氣體或者冷卻劑的穿孔。這種與隔板內的相應穿孔對應的穿孔可以作為軸向穿過燃料電池組的氣體或者液體通道使用，從而不需要單獨向電池組的每個電池單元供給反應氣體和/或冷卻劑。
有益的是，密封體法線外側具有用于與燃料電池組內相鄰元件密封相互作用的密封結構。在此方面，例如可以是密封唇或者密封槽。它們例如可以框式包圍MEA的電化學活性內部區域，以防止通過電極輸送的反應氣體向外泄漏。在具有用于輸送氣體或液體穿過膜和密封體的穿孔情況下，這種密封結構可以大致環形包圍穿孔，以便這樣防止所輸送的氣體或液體泄漏。
其他作用和優點來自于下面結合附圖的具體說明。其中圖1示出依據本發明MEA組件的示意橫截面圖；圖2示出摻雜濃度在圖1的MEA組件延伸上的示意圖；以及圖3示出在使用依據本發明的MEA組件情況下燃料電池組的示意圖。
具體實施例方式
圖1作為橫截面圖示意示出依據本發明MEA組件10的各部件和區域。該組件的核心部件是本身的MEA，它由聚合物膜11和涂覆在聚合物膜11各一面上的電極結構12和13組成。在外部區域I(亦參見圖2)內，膜11凸出電極結構涂層12、13。它在那里材料接合地嵌入彈性體材料的框架14內。嵌入最好通過包覆注塑或者注塑進行。也相當于MEA電化學活性面的MEA11、12、13的內部區域III無框架14的彈性體材料。在該區域內進行反應氣體向電極結構12、13的輸送、催化反應以及通過膜11的離子遷移。
在過渡區II內，電極結構12、13的邊緣區域材料接合地嵌入彈性體框架14內。
圖2示出摻雜劑例如磷酸在其不同區域I、II和II空間分布上的濃度分布。活性區域III內的濃度特別高。在這里必須確保通過膜11的離子遷移。而在外部區域I內，值得追求的是不存在膜11的摻雜，因為在該區域內膜11至少在嵌入彈性體框架14內之前一端固定，并在該區域內摻雜的情況下明顯失去機械穩定性，從而增加了操作的困難。因此在圖2所示的優選實施方式中，過渡區域II內摻雜劑的濃度切向向外遞減，特別是從活性區域III內的最大濃度降到外部區域I內的零。過渡區域II內實際上不進行電化學反應，因為在該區域內不會通過密封的彈性體框架輸送反應氣體。僅在反應氣體還有可能通過電極結構12、13擴散到過渡區域II內的臨近活性區域III的范圍內，也有可能(以切向向外遞減的強度)進行電化學反應。以與濃度切向向外遞減可比較的程度，膜11的穩定性上升。因為膜11在該區域內既由電極結構12和13也由彈性體框架14的部分進行穩定，所以組件10整體上穩定并易于操作。
在圖1的實施方式中，在彈性體框架14的外部邊緣區域內法線外側設置密封唇15，它們在將彈性體組件10裝入燃料電池組內時與相鄰的結構產生密封相互作用。
圖3示出燃料電池組的示意舉例。MEA組件10在這里設置在雙極板20之間，雙極板在其與MEA的活性區域III相應的內部區域21內具有通道結構，電極12和13(后者在圖3內看不到)通過該通道結構輸送反應氣體。圖3中還示出軸向穿過燃料電池組的氣體或液體通道22。如圖3的實施例中那樣，這些通道最好設置在MEA組件具有相應穿孔的外部區域I內。通過有益地通過(圖3中未示出的)密封結構如密封唇支持的彈性體框架14的密封作用，可以確保反應氣體和/或冷卻劑沿電池組軸線進行輸送。
當然，本發明所示和具體說明的實施方式僅是說明性舉例。特別是在彈性體框架的材料方面可供專業人員的選擇多種多樣。例如，下列材料由于其良好的耐熱性也適用于構成依據本發明的彈性體框架14乙烯-丙烯聚二烯橡膠、硅橡膠、氟硅橡膠、氟橡膠、炭氟橡膠和全氟橡膠。
權利要求
1.燃料電池的膜電極組件(MEA)，包括平面的聚合物膜(11)，它在切向內置的內部區域(III)上兩面各自采用電極結構(12、13)涂層并在至少單面凸出電極結構(12、13)的切向外置的外部區域(I)上與密封體(14)連接，其特征在于，聚合物膜(11)利用邊緣區域嵌入由彈性體材料制成的密封體(14)內，并且密封體切向向內一直延伸到切向處于外部區域(I)與內部區域(III)之間的過渡區域(II)內，在該區域內密封體切線外部覆蓋聚合物膜(11)兩面上的電極結構(12、13)。
2.按權利要求1所述的MEA，其中，密封體(14)切向外側框式地完全包圍聚合物膜(11)的內部區域(III)。
3.按前述權利要求之一所述的MEA，其中，彈性體材料注塑在聚合物膜(11)上。
4.按前述權利要求之一所述的MEA，其中，聚合物膜(11)的內部區域(III)和過渡區域(II)采用摻雜劑摻雜，其中，摻雜劑的濃度在過渡區域內切向向外遞減。
5.按權利要求4所述的MEA，其中，摻雜劑含有磷酸(H3PO4)。
6.按前述權利要求之一所述的MEA，其中，聚合物膜由聚苯并咪唑組成。
7.按前述權利要求之一所述的MEA，其中，密封體(14)內嵌入與其彈性體材料相比無彈性的間隔墊片結構。
8.按前述權利要求之一所述的MEA，其中，聚合物膜(11)和密封體(14)在外部區域(I)內具有用于輸送反應氣體或者冷卻劑的穿孔(23)。
9.按前述權利要求之一所述的MEA，其中，密封體(14)法線外側具有用于與燃料電池組內相鄰元件密封地相互作用的密封結構(15) 。
10.燃料電池組，包括大量各自設置在隔板(20)之間的膜電極組件(MEA)(10)，其中，每個MEA包括平面的聚合物膜(11)，它在切向內置的內部區域(III)上兩面各自采用電極結構(12、13)涂層并具有凸出電極結構(12、13)的切向外置的外部區域(I)，其特征在于，每個聚合物膜(11)利用邊緣區域(I)材料接合地嵌入由彈性體材料制成的密封體(14)內，并且密封體(14)切向向內一直延伸到切向處于外部區域(I)與內部區域(III)之間的過渡區域(II)內，在該區域內密封體法線外側覆蓋聚合物膜(11)兩面上的電極結構(12、13)。
11.按權利要求10所述的燃料電池組，其中，密封體框式地完全包圍聚合物膜的內部區域。
12.按權利要求10或11所述的燃料電池組，其中，彈性體材料注塑在聚合物膜(11)上。
13.按權利要求11-12之一所述的燃料電池組，其中，大量聚合物膜(11)的內部區域(III)和相應的過渡區域(II)采用摻雜劑摻雜，其中，摻雜劑的濃度在過渡區域內(II)切向向外遞減。
14.按權利要求13所述的燃料電池組，其中，摻雜劑含有磷酸(H3PO4)。
15.按權利要求10-14之一所述的燃料電池組，其中，聚合物膜由聚苯并咪唑組成。
16.按權利要求10-15之一所述的燃料電池組，其中，每個密封體(14)內嵌入與其彈性體材料相比無彈性的間隔墊片結構。
17.按權利要求10-16之一所述的燃料電池組，其中，具有用于輸送反應氣體和/或冷卻劑的通道(22)，它們在軸向上穿過與聚合物膜(11)的外部區域(I)相應區域內的燃料電池組，其中，每個密封體(14)具有密封結構，它們包圍每個穿過它的通道(22)并與各自相鄰的隔板(20)產生密封相互作用。
全文摘要
本發明涉及一種燃料電池的膜電極組件(MEA)，包括平面的聚合物膜，它在切向內置的內部區域上兩面各自采用電極結構涂層并在至少單面凸出電極結構涂層的切向外置的外部區域上與密封體連接，其中，聚合物膜利用邊緣區域嵌入彈性體材料的密封體內，并且密封體切向向內一直延伸到切向處于外部區域與內部區域之間的過渡區域內，在該區域內密封體從法線外部覆蓋聚合物膜兩面上的電極結構。
文檔編號H01M8/10GK1965435SQ200580019095
公開日2007年5月16日 申請日期2005年6月4日 優先權日2004年6月10日
發明者斯特凡·豪費, 安妮特·賴歇, 蘇珊娜·基爾, 烏爾里克·馬爾, 迪特爾·梅爾茲納 申請人:賽多利斯股份有限公司