專利名稱:制造電化學電池的方法
制造電化學電池的方法本發明涉及制造電化學電池的新方法,尤其是制造用于電解池、電化學壓縮機的 電化學電池的新方法,和涉及制造用于燃料電池和燃料電池堆的單電池的新方法,以及制 造該目的所需要的部件和半制成零件的新方法。電化學電池,尤其是燃料電池,已經被認知很長時間了,并代表了環境友好的電能 和熱源。盡管燃料電池的開發已經取得良好的進展,而且市場上可買到最初的原型機和小 的系列產品,但燃料電池的制造,尤其是用于燃料電池和燃料電池堆的單電池的制造仍面 臨巨大的挑戰。目前選擇的制造方法適合于工業運作,但需改進才能用于大規模生產,尤其 是實現計劃的成本目的。由于燃料電池是復雜的多參數體系,必須精確地調整需要的部件 和它們的制造。現在,幾乎唯一使用磺酸改性的聚合物作為聚合物電解質膜(PEM)燃料電池中的 質子傳導膜。本發明中,主要使用全氟聚合物。來自DuPont de Nemours, ffillmington, USA的Nafion 是該類型的典型的例子。為實現質子的傳導,在該膜中需要相對高的水含 量,通常每個磺酸基團達到4-20個水分子。所需要的水含量,以及與酸性水和反應氣體氫 和氧連同聚合物的穩定性,將PEM燃料電池堆的工作溫度限制到80-100°C。在不降低燃料 電池性能的情況下,不能實現較高的操作溫度。對于給定的壓力水平,在高于水露點的溫度 下,由于該膜的電阻增加到如此高的值以致于不再有明顯的電流,該膜完全干燥,燃料電池 不再提供電能。如果聚合物電解質膜同時分別包括催化劑或電極,則稱為膜電極組件(MEA)。基于 以上所述技術的MEA例如描述于US 5,464,700中。然而,由于體系特定的原因,希望該燃料電池的操作溫度高于100°C。包含于該膜 電極組件(MEA)中基于貴金屬的催化劑的活性在高操作溫度下有明顯提高。特別是使用來自烴的所謂的重整產品時,該轉化器氣體包含相當大量的一氧化 碳,所述的一氧化碳通常必須通過精細的氣體處理或氣體凈化過程除去。該催化劑對CO雜 質的耐受度在高操作溫度下增強。此外,在燃料電池運行期間產生熱量。然而,將這些體系冷卻到低于80°C是非常復 雜的。取決于功率輸出,可以異常簡單地建造該冷卻裝置。這意味著在操作溫度高于ioo°c 時,燃料電池體系中的廢熱能被顯著更好地利用,從而提高該燃料電池體系的效率。通常,為達到這些溫度,使用具有新的傳導機制的膜。為此目的的一種方法是使 用在沒有水的情況下顯示離子傳導性的膜。在這個方向第一個有希望的開發公開在文件 W096/13872 中。其他的高溫燃料電池公開在JP-A-2001-196082和DE 10235360中,其中專門研究 了電極膜部件的密封系統。通常,聚合物電極的膜或MEA分別具有10-1000 μ m,優選10-500 μ m的厚度。這意 味著膜或MEA是極其松軟的,因此在裝配期間會出現操作問題。為克服這些問題,通常將它 們嵌入框架中,此外給所述的框架提供定位設備。為制造用于燃料電池或堆的單電池,如上 提及的膜電極組件通常與平面雙極板連接,所述的雙極板包括用于氣流的導管,所述的導管被碾壓、模壓或壓花到板中,即流場通道中。用于制造燃料電池或堆的單電池的具有一體化流場通道的雙極板已經被認知很 長時間了。然而,當安裝該雙極板時,提供足夠的氣體/介質密封性很重要。為此目的,借 助于朝向氣體擴散層(GDL)或氣體擴散電極(GDE)(參見,DE102005046461)背面的有時被 稱為專門的框(參見EP-1437780)的襯墊密封該雙極板。密封朝向氣體擴散層或氣體擴散電極的雙極板的另外的方法是在建造過程中已 經將雙極板部件設計為襯墊(參見,EP-A-16U877和EP-A-0774794)或將襯墊設計為氣體 擴散層不可分割的部分。這種解決方案描述于EP-A-U96394中。在該方法中,液體密封材 料穿越氣體擴散層的邊界區域并在隨后的步驟中固化。上述的襯墊或專門的框,分別提供雙極板和MEA之間的密封,并局部地增加⑶L/ GDE周圍的厚度。通常,使用相對硬的材料例如聚四氟乙烯以達到該目的。為改進它們的密 封特性,分別在該襯墊或框上提供另外的彈性襯墊。在隨后的制造用于燃料電池或堆的單 電池時,將陣列用螺絲釘擰在一起,從而密封。已經發現這些制造方法會導致問題,尤其是當壓制雙極板和成品膜電極組件時。 由于材料不同的可壓縮性或不同的容許偏差,注意到甚至不能借助于硬的襯墊(專門的 框)和彈性襯墊的組合來彌補泄漏的問題。另外,如上述原則的制造過程包括處理許多幾 何形狀的層以及它們彼此的定位。為此目的,使用所謂的定位設備或調整工具作為支持手 段,而使得制造過程更加復雜-因此更加昂貴。這樣做的主要理由是,由于在組裝期間的位 置公差,膜和GDL/GDE必須剪裁得比它們實際上起作用所需要的更大。此外,如果使用另外 的如上所述的彈性襯墊,則形成額外的費用。從純粹的功能方面看也不需要促進膜處理的 框。現在發現當不借助于壓制雙極板和成品的膜電極組件實施制造,而是從插入到或 固定在雙極板中的氣體擴散層或電極開始實施制造時,能夠避免以上問題。氣體擴散層或 電極的固定使所謂的層的容許偏差最小化,并容許-至少部分-免除復雜的設備,例如定位 設備或調節設備。既不再需要用于操作的框也不需要用于增加厚度的襯墊。此外,該制造 過程能夠設計得更加簡單,因為若干部件,例如膜或MEA,和GDE或GDL都分別能以軋制產品 形式提供。該目的以及其他的沒有明確提及的目的能通過權利要求1的方法得以實現。因此,本發明的目的是提供一種制造電化學電池,尤其是用于燃料電池和/或燃 料電池堆的單電池的方法,包括(ii)至少一個質子傳導聚合物電解質膜⑴或電解質基板⑴,(iii)在每一情況下設置在質子傳導聚合物電解質膜或電解質基板兩側上的至少 一個催化劑層,(iv)在每一情況下設置在背對電解質的催化劑層的那側上的至少一個導電的氣 體擴散層⑵,(ν)在每一情況下設置在背對催化劑層的氣體擴散層的那些側面上的至少一個具 有一體化流場通道(3)的雙極板,(vi)在朝向雙極板的氣體擴散層的邊界區域中的至少一個環形的構件(4),包括以下步驟
a)提供設有流場通道的雙極板,b)在背對雙極板那側上提供氣體擴散層或具有至少一個催化劑層的氣體擴散層, 在設有流場通道的雙極板那部分上沉積氣體擴散層,從而使用于工藝介質的通道完全被氣 體擴散層覆蓋,c)在雙極板的邊緣或邊界區域上形成環形的構件或連接環形的構件,d)在氣體擴散層表面上或在施加到氣體擴散層的催化劑層上提供并沉積質子傳 導聚合物電解質膜或電解質基板,e)使用具有雙極板、氣體擴散層、任選的催化劑層和在雙極板邊界區域中的環形 構件的另外的部件壓制根據步驟d)獲得的部件,其中另外的部件同樣根據步驟a)、b)和c) 制造,特征在于根據步驟C)制造的或連接的環形構件(4)在它所構造的內部邊界區域 中從內部邊界區域伸出,并與氣體擴散層( 或設有催化劑層的氣體擴散層O)的外部邊 界區域交疊,并將氣體擴散層( 或設有催化劑層的氣體擴散層O)固定在凹口 (5)中,所 述的凹口(5)具有底切的形式,由從內部邊界區域伸出并優選朝向GDL/GDE方向延伸的環 形的連接構件(4)和雙極板( 形成。電化學電池,尤其是用于通過本發明方法制造的燃料電池的單電池更容易制造。 通過使氣體擴散層或設有催化劑層的氣體擴散層固定到雙極板上,在制造過程中更小的容 許偏差是可能的。當制造多層膜電極組件時,可以避免單個部件復雜的定位-一個接一個 并且一個在另一個之上-以及由此產生的偏差/錯位,從而實現均勻的產品分布或容許偏 差。尤其是,能夠提供需要的部件并能夠以軋制產品的形式進行加工。為此目的,修整用于 各自雙極板設計的軋制產品形式的單個部件,即切割,隨后按步驟d)提供。通過使用通用 的軋制產品,使制造過程簡化,使材料用量減少到最小,由于膜電極組件的復雜性減少,因 此該制造過程能夠有更高的成本效益。通過本發明的方法,壓制由雙極板和氣體擴散層組成的預制半制成部件,其中各 個部件彼此對準并固定。然后將膜或膜電極組件作為從軋制產品的預先切割的部件或已經 預先已完全修整的部件提供。根據本發明的方法同樣可以制造并任選儲藏半制成部件或預制的部件。因此,能 夠更好地彌補需要的變化,使得具有更短生產周期的更加靈活的制造成為可能。根據本發明在雙極板的邊緣或邊界區域上使用的環形構件是類框部件,該部件與 氣體擴散層( 或設有催化劑層的氣體擴散層( 至少部分交疊,并使氣體擴散層固定在 凹口(5)中,所述的凹口(5)由雙極板(3)和環形的框狀部件⑷水平和垂直地形成,所述 的凹口具有底切的形式。固定使氣體擴散層位于雙極板上限定的位置,并在隨后的制造步 驟中不再移動。可能的隨后的制造步驟包括提供并沉積膜或膜電極組件。這可以是預先切割于軋 制產品的簡單部件形式。根據本發明使用的框狀部件優選由密封材料,尤其是基于聚合物的密封材料形 成,或由與雙極板材料相容的材料,尤其是與雙極板相同的材料形成。原則上,同樣可以由 另外的金屬板形成框狀部件,這有利于選擇板的厚度。另一方面,通過折疊金屬雙極板的金 屬板以形成框同樣可行,這實現了材料的節約。在本發明范圍內的相容材料是-能加工形成框狀部件-確保在凹口中氣體擴散層水平和/或垂直固定的所有的材料。另外,這種相 容材料必須適合用于電化學電池中。當密封材料用作環形的構件(4)或當該密封材料在雙極板邊緣/邊界區域上形成 時,根據本發明的方法包括如下的步驟a)提供設有流場通道的雙極板,所提供的雙極板優選具有相對于具有流場通道的 雙極板平坦區域凸起的環形邊緣,環形凸起的邊緣表面和具有流場通道雙極板的平坦區域 的表面基本上平行于彼此設置,b)在背對雙極板那側上提供氣體擴散層或具有至少一個催化劑層的氣體擴散層, 在設有流場通道的雙極板那部分上沉積氣體擴散層,從而使用于工藝介質的通道完全被氣 體擴散層覆蓋,c)在雙極板的邊緣或邊界區域上形成環形的襯墊或連接環形的襯墊,d)在氣體擴散層表面上或在施加到氣體擴散層的催化劑層上提供并沉積質子傳 導聚合物電解質膜或電解質基板,e)使用具有雙極板、氣體擴散層、任選的催化劑層和環形的襯墊構件的另外的部 件壓制根據步驟d)獲得的部件,其中另外的部件同樣根據步驟a)、b)和c)制造,特征在于在構造的內部邊界區域中根據步驟C)制造的或連接的環形襯墊(4)從 該區域伸出,并與氣體擴散層( 或設有催化劑層的氣體擴散層( 的外部邊界區域交疊, 并將氣體擴散層( 或設有催化劑層的氣體擴散層( 固定在凹口( 中,所述的凹口(5) 具有底切的形式,由從內部邊界區域伸出的環形的連接襯墊(4)和雙極板C3)形成。取決于選擇的密封材料,當使用的雙極板C3)具有相對于具有流場通道雙極板的 平坦區域凸起的環形邊緣(3a)時是有利的。通過這種手段,一方面,能夠節省密封材料,另 一方面,同樣可以使用相對薄的密封材料,例如印刷的襯墊。當使用具有高永久變形率的密 封材料時,凸起的邊緣同樣是有利的,例如在制造過程期間控制可壓度。當框狀部件用作環形的構件時,本發明的方法包括如下的步驟a)提供設有流場通道的雙極板,所提供的雙極板任選具有相對于具有流場通道的 雙極板平坦區域凸起的環形邊緣,環形凸起的邊緣表面和具有流場通道雙極板的平坦區域 的表面基本上平行于彼此設置,b)在背對雙極板那側上提供氣體擴散層或具有至少一個催化劑層的氣體擴散層, 在設有流場通道的雙極板那部分上沉積氣體擴散層,從而使用于工藝介質的通道完全被氣 體擴散層覆蓋,c)在雙極板的邊緣或邊界區域上連接環形的框狀部件(3a),d)在來自步驟C)的環形的框狀部件(3a)的邊緣或邊界區域上制造或連接環形的 襯墊⑷,e)在氣體擴散層( 表面上或在施加到氣體擴散層的催化劑層( 上提供并沉積 質子傳導聚合物電解質膜(1)或電解質基板(1),f)使用具有雙極板、氣體擴散層、任選的催化劑層和環形的框狀構件的另外的部 件壓制根據步驟e)獲得的部件,其中另外的部件同樣根據步驟a)、b)、c)和d)制造,特征在于根據步驟c)連接的環形框狀部件(3a)在構造的內部邊界區域中從內部 邊界區域中伸出,并與氣體擴散層( 或設有催化劑層的氣體擴散層O)的外部邊界區域交疊,并將氣體擴散層( 或設有催化劑層的氣體擴散層( 固定在凹口( 中,所述的凹 口(5)具有底切的形式,由從內部邊界區域伸出的環形的框狀部件(3a)和雙極板(3)形 成。在本發明的優選實施方式中,根據步驟C)或d)制造或連接的襯墊(4)特征在于 內部邊界區域中的承接質子傳導聚合物電離質膜(1)或電解質基板(1)的空腔Ga)。取決于使用的質子傳導聚合物電解質膜或電解質基板的性質,借助于環形構件或 襯墊的厚度和其相對低的可壓度可以具有所謂的“硬止動”功能。經由這種設置,在壓縮期 間設定質子傳導聚合物電解質膜或電解質基板和氣體擴散層的可壓度,從而避免由太高的 壓力引起的對質子傳導聚合物電解質膜或電解質基板的損傷(參見,附圖
2)。當根據本發明在方法中使用沒有催化劑層的氣體擴散層時,使用已經具有至少一 個催化劑層的質子傳導聚合物電解質膜或電解質基板是有利的。這些是所謂的“催化劑涂 覆的膜”例如基于Nafion 的膜。當雙極板具有凸起的邊緣時,如果環形的凸起邊緣的表面和具有流場通道雙極板 的較低區域的表面基本上平行于彼此設置,這是有利的。通過本發明方法制造的電化學電池尤其是用于燃料電池的單電池是現有技術中 未知的,其中電池中的雙極板具有框或構件,所述的框或構件在內部邊界區域中的構造為 向內伸出并與氣體擴散層外部邊界區域交疊并將它們固定。它們同樣是本發明的目的。因此,本發明的目的是一種電化學電池,尤其是用于燃料電池的單電池,包括(i)至少一個質子傳導聚合物電解質膜⑴或電解質基板⑴,(ii)在每一情況下設置在質子傳導聚合物電解質膜或電解質基板兩側上的至少 一個催化劑層,(iii)在每一情況下設置在背對電解質的催化劑層的那側的至少一個導電的氣體 擴散層O),(iv)在每一情況下設置在背對催化劑層的氣體擴散層的那側的至少一個具有一 體化流場通道(3)的雙極板,(ν)在朝向雙極板的氣體擴散層的邊界區域中的至少一個環形的構件(4),特征在于構件G ;3a)從內部邊界區域中伸出(5)至它所構造的內部邊界區域中, 并覆蓋氣體擴散層( 或設有催化劑層的氣體擴散層的外部邊界區域,并將它固定在凹口 (5)中,所述的凹口(5)具有底切的形式,由環形的構件和雙極板形成。本發明另一個目的是新穎的半制成部件和用于本發明方法的部件。這些半制成部件同樣是本發明的目的,包括I)至少一個具有一體化的流場通道(3)的雙極板,和II)至少一個完全覆蓋雙極板流場通道的導電的氣體擴散層(2),III)在每一情況下雙極板( 設置在背對催化劑層的氣體擴散層( 的那個側面 上,特征在于雙極板(3)在邊界區域中具有環形構件G ;3a),它從內部邊界區域伸出 (5)至它所構造的內部邊界區域中,并與氣體擴散層(2)或設有催化劑層的氣體擴散層的 外部邊界區域交疊,并將它固定在凹口(5)中,所述的凹口(5)具有底切的形式,由環形的 構件G ; 3a)和雙極板形成。
在本發明半制成部件的另外的實施方式中,環形的構件(4)或襯墊(4)特征在于 內部區域中的承接質子傳導聚合物電解質膜(1)或電解質基板(1)的空腔Ga)。取決于 聚合物電解質膜(1)或電解質基板(1)的性質,可以通過空腔尺寸在一定程度上影響聚合 物電解質膜(1)或電解質基板(1)的可壓度。當使用相對軟的聚合物電解質膜(1)或電解 質基質(1)時,以這樣的一種方式設計空腔Ga)使聚合物電解質膜(1)或電解質基板(1) 能夠經歷至少3%的壓縮是有利的。在這種情況下,聚合物電解質膜(1)或電解質基板(1) 從空腔中凸出到它要被壓縮的程度。特別優選,選擇上述空腔以使壓縮比至少為5%。因 此,選擇大于80%的壓縮比,尤其是大于30%的壓縮比,作為上限,同時必須保證聚合物電 解質膜(1)或電解質基板(1)的氣密性。這種實施方式特別適于其中質子傳導聚合物電解 質膜包括與聚合物通過離子相互作用結合的酸的聚合物電解質膜。以下開始本發明目的的詳細說明,相應的優選實施方式能夠自由地彼此結合以避 免不必要的重復。質子傳導聚合物電解質膜及基質適于本發明目的的聚合物電解質膜及電解質基質本身分別是已知的。除已知的聚合物電解質膜之外,電解質基質同樣是適當的。在本發明范圍內,術語 “電解質基質”被理解為是指-除聚合物電解質基質之外-同樣其他的其中離子傳導材料或 混合物固定在基板上或使其在基板上不動的基質。作為一個例子,本發明中提及由SiC和 磷酸制成的基板。通常,使用包括酸的高分子電解質膜,其中該酸可以與聚合物共價結合。此外,平 面材料可以摻雜酸以形成適當的膜。這些摻雜的膜尤其是能夠通過用包括酸性化合物的流體潤脹平面材料,例如聚合 物膜制造,或通過制造聚合物和酸性化合物的混合物,隨后通過形成平面結構并固化而形 成膜。適合于該目的聚合物包括,尤其是,聚烯烴例如聚(氯丁二烯)、聚乙炔、聚亞苯 基、聚(對苯二甲基)、聚芳基亞甲基、聚苯乙烯、聚甲基苯乙烯、聚乙烯醇、聚醋酸乙烯酯、 聚乙烯醚、聚乙烯胺、聚(N-乙烯基乙酰胺)、聚乙烯咪唑、聚乙烯咔唑、聚乙烯基吡咯烷酮、 聚乙烯吡啶、聚氯乙烯、聚偏二氯乙烯、聚四氟乙烯、聚六氟丙烯,聚四氟乙烯與六氟丙烯、 全氟丙基乙烯基醚、三氟亞硝基甲烷、烷氧羰基全氟烷氧基乙烯基醚的共聚物,聚氯三氟乙 烯、聚氟乙烯、聚偏二氟乙烯、聚丙烯醛、聚丙烯酰胺、聚丙烯腈、聚氰基丙烯酸酯、聚甲基丙 烯酰亞胺、環烯共聚物特別是降冰片烯共聚物;在主鏈上具有C-O鍵的聚合物,例如聚縮醛、聚氧化亞甲基、聚醚、聚環氧丙烷、聚 環氧氯丙烷、聚四氫呋喃、聚苯醚、聚醚酮、聚酯,特別是聚羥乙酸、聚對苯二甲酸乙二酯、聚 對苯二甲酸丁二酯、聚羥基苯甲酸酯、聚羥丙酸、聚新戊內酯、聚己內酯、聚丙二酸、聚碳酸在主鏈中有聚合的C-S鍵,例如聚硫化物醚、聚苯硫醚、聚砜、聚醚砜;在主鏈中有聚合的C-N鍵,例如聚亞胺、聚異氰化物、聚醚亞胺、聚醚酰亞胺、聚苯 胺、聚芳酰胺、聚酰胺、聚酰胼、聚氨酯、聚酰亞胺、聚唑、聚唑酮醚、聚吖嗪;液晶聚合物,特別是Vectra及無機聚合物,例如聚硅烷、聚碳硅烷、聚硅氧烷、聚 硅酸、聚硅酸酯、硅氧烷、聚磷腈和聚氮化硫。
在這一點上,優選堿性聚合物,其中這特別適用于用酸摻雜的膜。幾乎所有的質子 能在其中傳輸的已知聚合物膜被考慮為這種用酸摻雜的堿性聚合物膜。這里,例如通過所 謂的“Grotthus機制”在不需要另外的水的情況下能夠傳輸質子的酸是優選的。在本發明的范圍之內,作為堿性聚合物,優選使用在重復單元中具有至少一個氮 的堿性聚合物。根據一個優選實施方式,在該堿性聚合物中的重復單元包含具有至少一個氮原子 的芳香環。所述芳香環優選是具有1-3個氮原子的能稠合到另外的環特別是另外芳香環的 五或六元環。根據本發明一個特別的方面,使用高溫穩定的在一個或不同的重復單元中包含至 少一個氮,氧和/或硫原子的聚合物。在本發明上下文中,在高溫下穩定意思是聚合物能在120°C以上的溫度下,在燃料 電池中作為聚合電解質長期運行。“在長期之內”意思是本發明的膜能在最低80°C、優選 最低120°C、特別優選最低160°C的溫度下,運行至少100小時、優選至少500小時,且根據 W001/18894A2中描述的測量方法,基于初始的性能,其性能降低不高于50%。上述的聚合物可以單獨使用或作為混合物(共混物)使用。本發明中,特別優選 包含聚吡咯和/或聚砜的共混物。關于這一點,如W002/36249中所描述的,優選的共混物 組分是聚醚砜,聚醚酮,和用磺酸基團改性的聚合物。通過使用共混物,改進了機械性能同 時降低了材料成本。聚唑構成了特別優選的堿性聚合物組。基于聚唑的堿性聚合物包含通式(I)和/ 或(II)和/或(III)和/或(IV)和/或(V)和/或(VI)和/或(VII)和/或(VIII)和 / 或(IX)禾口 / 或(X)禾口 / 或(XI)禾口 / 或(XII)禾口 / 或(XIII)禾口 / 或(XIV)禾口 / 或(XV) 和/或(XVI)和/或(XVII)和/或(XVIII)和/或(XIX)和/或(XX)和/或(XXI)和/ 或(XXII)的重復唑單元。
權利要求
1.一種用于制造電化學電池,尤其是用于燃料電池和/或燃料電池堆的單電池的方 法,所述電池包括(i)至少一個質子傳導聚合物電解質膜(1)或電解質基板(1),(ii)在每一情況下設置在質子傳導聚合物電解質膜或電解質基板兩側上的至少一個 催化劑層,(iii)在每一情況下設置在催化劑層背對電解質的那側上的至少一個導電的氣體擴散 層⑵,(iv)在每一情況下設置在氣體擴散層背對催化劑層的那些側面上的至少一個具有流 場(6)的一體化通道的雙極板(3),(ν)在氣體擴散層朝向雙極板的邊界區域中的至少一個環形的構件G),所述方法包括以下步驟a)提供設有流場通道的雙極板,b)提供氣體擴散層或在背對雙極板那側上具有至少一個催化劑層的氣體擴散層,并將 所述氣體擴散層沉積在雙極板設有流場通道的那部分上,使得用于工藝介質的通道完全被 所述氣體擴散層覆蓋,c)在所述雙極板的邊緣或邊界區域上形成環形的構件或連接環形的構件,d)在所述氣體擴散層表面上或在施加到所述氣體擴散層的催化劑層上提供并沉積質 子傳導聚合物電解質膜或電解質基板,e)壓制根據步驟d)獲得的部件與另一部件,所述另一部件具有雙極板、氣體擴散層、 任選的催化劑層和在雙極板邊界區域中的環形構件并且也是根據步驟a)、b)和c)制造的,特征在于根據步驟c)制造或連接的所述環形構件在它所構造的內部邊界區 域中從該內部邊界區域伸出,并與所述氣體擴散層( 或設有催化劑層的所述氣體擴散層 (2)的外部邊界區域交疊,并將后者固定在凹口(5)中,所述的凹口(5)具有底切的形式,并 由從內部邊界區域伸出的環形連接構件G ;3a)和由雙極板C3)形成。
2.根據權利要求1所述的方法,特征在于所述的環形構件是形成為框狀的部件,其在 它所構造的內部區域中從該內部區域伸出并至少部分地與所述氣體擴散層(2)或設有催 化劑層的所述氣體擴散層( 交疊,并將所述氣體擴散層固定在凹口( 中,所述的凹口 (5)由雙極板(3)和環形的框狀部件(3a)形成。
3.權利要求1或2所述的方法,特征在于所述環形的構件由密封材料形成,尤其是基于 聚合物的密封材料,或由與所述雙極板的材料相容的材料形成,尤其是由與所述雙極板相 同的材料形成。
4.權利要求1或2所述的方法,特征在于在(ν)中的所述環形構件由密封材料構成,尤 其是基于聚合物的密封材料,而且所述雙極板具有相對于所述具有通道的雙極板的平坦區 域凸起的環形邊緣(7)。
5.根據權利要求4所述的方法,特征在于所述環形凸起的邊緣(7)的表面和所述具有 流場通道的雙極板的平坦區域的表面基本上平行于彼此設置。
6.根據權利要求3所述的方法,特征在于襯墊的特征在于內部邊界區域中的承接 質子傳導聚合物電離質膜(1)或電解質基板(1)的凹口 Ga)。
7.根據權利要求3所述的方法,特征在于所述環形的框狀部件(3a)由與雙極板材料相容的材料形成,尤其是與雙極板相同的材料,并且施加的環形襯墊覆蓋該環形的框狀部件 (3a) ο
8.根據權利要求7所述的方法,特征在于在所述環形的框狀部件(3a)上存在的襯墊 ⑷的特征在于內部邊界區域中的承接質子傳導聚合物電解質膜⑴或電解質基板⑴的 凹 口 (4a)。
9.根據權利要求1-8中至少一項所述的方法,特征在于所述電解質基板具有至少一種 離子傳導材料和至少一種基質。
10.根據權利要求1-8中的至少一項所述的方法,特征在于所述質子傳導聚合物電解 質膜包括酸,其中所述酸(i)可以與聚合物共價結合,或(ii)可以與聚合物通過離子相互 作用結合。
11.根據權利要求1-10中至少一項所述的方法,特征在于所述雙極板由導電的材料形成。
12.根據權利要求11所述的方法,特征在于所述雙極板由金屬或非金屬的材料形成。
13.根據權利要求12所述的方法,特征在于由非金屬材料形成的雙極板包括復合材料。
14.根據權利要求13所述的方法,特征在于至少一種復合材料由一種或多種聚合材料 構成并包括導電填料。
15.根據權利要求12所述的方法,特征在于所述雙極板由如下金屬材料形成,所述金 屬材料包括(i)耐腐蝕和耐酸的鋼,尤其是基于V2A和V4A鋼以及由鎳基合金制成的材 料,(ii)鍍的或涂覆的金屬,尤其是具有由貴金屬、鎳、釕、鈮、鉭、鉻、碳制成的耐腐蝕表面 的那些,以及(iii)用陶瓷材料涂覆的金屬,尤其是由CrN、TiN, TiAIN、復合氮化物、碳化 物、硅化物和金屬和過渡金屬的氧化物制成的涂層。
16.根據權利要求12所述的方法,特征在于所述由金屬材料形成的雙極板具有一個或 多個另外的涂層,所述涂層一方面降低氣體擴散層/雙極板接合處的表面電阻率,或者使 雙極板對燃料電池中存在或形成的介質的化學和/或物理耐受性增加。
17.根據權利要求12所述的方法,特征在于所述雙極板用一個或多個單獨的板建造, 并且具有用于冷卻劑或用于反應氣體的供應和排出的孔隙。
18.—種電化學電池,尤其是用于燃料電池的單電池,包括(i)至少一個質子傳導聚合物電解質膜(1)或電解質基板(1),(ii)在每一情況下設置在所述質子傳導聚合物電解質膜或電解質基板的兩側上的至 少一個催化劑層,(iii)在每一情況下設置在所述催化劑層背對電解質的那側上的至少一個導電的氣體 擴散層O),(iv)在每一情況下設置在所述氣體擴散層背對催化劑層的那些側面上的至少一個具 有流場(6)的一體化通道的雙極板(3),(ν)在朝向所述雙極板的所述氣體擴散層的邊界區域中的至少一個環形的構件3a),特征在于所述構件G ;3a)在它所構造的內部邊界區域中從該內部邊界區域伸出(5), 并與所述氣體擴散層( 或設有催化劑層的所述氣體擴散層的外部邊界區域交疊,并將它固定在凹口(5)中,所述的凹口(5)具有底切的形式,并且由環形的構件和雙極板 形成。
19.一種燃料電池堆,其含有多于一個根據權利要求18所述的用于燃料電池的單電池。
20.一種燃料電池體系,其含有至少一個根據權利要求18所述的用于燃料電池的單電 池或根據權利要求19所述的燃料電池堆。
21.半制成部件,包括I)至少一個具有流場的一體化通道的雙極板(3),和II)至少一個完全覆蓋所述雙極板C3)流場的通道(6)的導電的氣體擴散層0),III)在每一情況下所述雙極板( 被設置在所述氣體擴散層( 背對催化劑層的那些 側面上,特征在于所述雙極板(3)在邊界區域中具有環形構件G ;3a),所述環形構件在它所構 造的內部邊界區域中從內部邊界區域伸出(5),并與所述氣體擴散層( 或設有催化劑層 的所述氣體擴散層的外部邊界區域交疊,并將它固定在凹口( 中,所述的凹口( 具有底 切的形式,并由環形的構件G ;3a)和雙極板形成。
22.根據權利要求21所述的半制成部件,特征在于在所構造的內部邊界區域(5)中的 所述交疊不是連續的環形,并且特征在于間隙。
23.根據權利要求21或22所述的半制成部件用于制造電化學電池的用途,尤其是用于 制造用于燃料電池的單電池的用途。
全文摘要
本發明涉及制造電化學電池的新方法,尤其是制造用于燃料電池和燃料電池堆的單電池的新方法,以及制造用于該目的需要的部件和半制成部件的新方法。通過構造上的措施將氣體擴散層固定在雙極板上,因此實現了電化學電池,尤其是用于燃料電池單電池的單個部件的定位的改進。本發明的方法使得可以進行靈活的制造。本發明的半制成部件是有價值的可儲存的中間產品,大幅減少了電化學電池,尤其是用于燃料電池單電池的制造中的加工準備時間。
文檔編號H01M8/02GK102067368SQ200980121009
公開日2011年5月18日 申請日期2009年6月5日 優先權日2008年6月5日
發明者托馬斯·施密特, 約阿希姆·謝勒, 雷蒙德·斯特羅貝爾 申請人:巴斯夫歐洲公司