專利名稱：帶有整體密封邊沿的薄膜電極單元及其制造方法
技術領域：
本發明涉及一種薄膜電極單元及其制造方法，該單元用于聚合物電解質薄膜燃料盒，內含一片聚合物電解質薄膜、置于薄膜一側表面的陽極及置于薄膜另一側表面的陰極。
如同通常用來產生電流那樣，聚合物電解質薄膜燃料盒包含一片陽極、一片陰極及位于其間的離子交換薄膜。許多燃料盒構成了一組燃料盒堆棧，每一個燃料盒彼此之間用雙極性板分離開來，雙極性板用來收集電流。一個盒陽極一側的雙極性板同時用作相鄰盒陰極一側的雙極性板。為產生電荷，一種可燃氣體如氫氣被填入陽極區域，一種氧化劑如空氣或氧氣，被填入陰極區域。位于緊鄰聚合物電解薄膜的區域內的陽極和陰極，每一種均含有一觸媒(catalyst)層。在陽極觸媒層中，燃料被氧化，形成陽離子和自由電子，在陰極觸媒層中，氧化劑由于接收電子而減少。作為變通，該兩觸媒層亦可置于薄膜相對的兩側。陽極、薄膜、陰極和相應觸媒層的結構即為所謂的薄膜電極單元。形成于陽極的陽離子通過離子交換薄膜移往陰極，并且與正在減少的氧化劑相反應，因此當使用氫氣作為可燃氣體，使用氧氣作為氧化劑時將產生水。在可燃氣體與氧化劑反應過程中產生的熱將通過冷卻而散失掉。為使反應氣體更好地分布，如有可能，也是為支撐薄膜電極單元，類隔柵網等導氣結構將用在電極與雙極性板之間。
在一個燃料盒中安裝時，薄膜電極單元在陽極一側與可燃氣體相接觸，在陰極一側與氧化劑相接觸。聚合物電解質薄膜將含有可燃氣體和氧化劑的區域彼此分隔開來。為防止可燃氣體與氧化劑彼此之間形成會導致類似爆炸之反應的直接接觸，必須確保氣體空間彼此之間的可靠密封。在這方面，提供密封來防止具有優異擴散性能的可燃氣體——氫氣揮發就成為了一個特別需要注意的問題。
為了防止氣體交換在燃料盒中沿著薄膜的邊緣發生，傳統上要采用如下措施在生產傳統的薄膜電極單元的過程中，采用三明治式的薄膜在兩個電極之間的方式，選擇薄膜和電極的尺寸，使薄膜在每一側均超出電極區域一個適宜的距離。傳統薄膜電極單元因此包含一片其邊緣部分未被電極材料覆蓋的薄膜。延伸型PTFE等平面密封材料在薄膜的兩側沿著薄膜電極單元的周邊附著其上，用以覆蓋薄膜的凸出部分。在正方形薄膜電極單元的情況下，例如方形框架被壓在及/或附在薄膜的兩側，他們至少可以部分地覆蓋薄膜的超出區域。這些傳統的薄膜電極單元具有生產過程非常復雜等缺點，原因在于陽極、陰極和薄膜必須分別切割然后必須以非常精確的方式組裝成一個單獨的薄膜電極單元。以平方米材料的方式進行薄膜電極材料的便宜制作是不可能的。而且，密封材料必須要單獨切割然后再以非常精確的方式附加上去。
傳統薄膜電極單元的進一步缺陷已經顯現于該單元在燃料盒中的安裝過程中。在燃料盒中，至少在陽極一側，必須在薄膜電極單元與用于封閉盒子的雙極性板之間提供一個不漏氣的空間。傳統上在薄膜電極單元與雙極性板之間使用密封環或密封條，幾個盒子順序夾在一起，由一個接頭來供應可燃氣體。不漏氣的空間僅僅是由夾在一起的方式來形成。萬一漏氣，想確定是哪一個單元漏氣是很困難的，移去一個盒子也是不可能的，只有移去漏氣的夾在一起的整個單元。這就造成了工作中可觀的費用支出及燃料盒使用壽命的浪費。
偶爾地，也采用在薄膜電極單元上使用壓封框架的做法。因此在燃料盒中的安裝過程中，在薄膜未被電極材料覆蓋部分和相鄰雙極性板之間的密封環是否夾緊，將影響到密封效果。在兩種情況下，電極材料與密封之間的間隙會使單元敏感于機械損傷，特別是薄膜薄且脆時更是如此。而且，還有一個危險在于，薄膜電極單元若未以平面方式徹底夾緊，則薄膜接觸金屬漏電流導體。因此金屬被酸性薄膜部分地去除。金屬離子進入薄膜，從而降低它的導電率。
本發明可以克服上述缺點。
本發明的目的在于得到一種用于聚合物電解質薄膜燃料盒的薄膜電極單元，該單元至少在一側與一塊雙極性板相連，該連接方式下可在薄膜與雙極性板之間形成一不漏氣的空間。
本發明的另一個目的在于得到一種薄膜電極單元，該單元中的薄膜單元組件與雙極性板組件可分別檢測氣體密閉性。
本發明的進一步目的包括得到一種簡單的、便宜的制造此種薄膜電極單元的方法。
這三項目的可通過權利要求1中的薄膜電極單元和權利要求14中的制造該種薄膜電極單元的方法來實現。
本發明的首要成果由各自的權利要求表述。
至于制造該薄膜電極單元，根據本發明，陽極、陰極和薄膜不是分別切割然后將各個單獨的部分彼此連接在一起，而是例如通過一種用于造紙的滾卷(roll)方法來生產一種包含陽極材料、陰極材料及其陽極材料和陰極材料間的薄膜材料在內的層狀材料。這種方法提供了平方米(squire-meter)方式材料，從中可以按照需要的尺寸在一次操作中切割、沖壓或以其他方式生產出單獨的薄膜電極單元。以此種方式得到的薄膜電極單元，除去末端面，沒有空白薄膜區域，薄膜的兩個表面分別全部被陽極材料和陰極材料所覆蓋。如果需要，同樣在一次操作中可在薄膜電極單元內形成通道。
用于制造本發明所涉及之薄膜電極單元的薄膜、電極和觸媒劑本身可以是傳統的材料，如同它們通常用于相應的目的。至于電極，如陽極和陰極，可能使用碳紙或石墨結構的擴散電極，包含一在平行方向具有任意分布但垂直于電極區域的觸媒劑。除了碳紙和石墨結構，也可以使用碳纖維的非織狀結構。觸媒則可以應用鍍在碳層上的鉑。電極僅包含觸媒層、部分擴散層或全部擴散層。作為一種變通，觸媒亦可做在薄膜的表面。至于薄膜，出于方便的考慮，可使用通常的離子傳導聚合物，如nafion或硫化聚醚醚酮酮(PEEKK，由Hoechst提供)。
平方米材料的薄膜電極單元可以在傳統和單獨薄膜電極單元的工序條件下進行生產。在本發明的情況下，網狀電極材料布置于網狀聚合物電解質薄膜的每一個表面，該薄膜以其H+形式來表現，然后在30bar至500bar之間以適當的壓力及最高至250℃的溫度將材料卷起來。典型壓力在80bar至250bar之間，典型溫度在80℃至120℃之間。當電極材料包含觸媒激活層時，它必須在薄膜上卷起來，以便觸媒激活層能夠與薄膜相接觸。
作為一種變通，亦可首先將第一個電極做上去，然后在第二次操作時將第二個電極做上去。
對于這種薄膜電極層狀材料，可以在一次操作中按照需要的尺寸切割薄膜電極單元，并且至少沿著每一個薄膜電極單元的邊緣形成一道密封邊沿，該密封沿以不漏氣方式連接薄膜與電極或電極與電極，進一步以不漏氣方式連接雙極性板。從本發明的角度講，“薄膜電極單元”是指不帶或帶有密封邊沿的陽極、陰極和薄膜層狀材料片，其中，除了末端面，實質上沒有未被電極材料覆蓋的薄膜區域。密封邊沿由密封劑提供，密封劑為塑料材料或塑料材料的混合物，在薄膜電極單元的邊緣將密封劑注入電極的邊緣區域，電極的小孔基本上被充填，氣體便無法再通過。這些塑料材料，其中較好的是熱塑材料或具有低粘度可固化的塑料材料，通過毛細反應滲透進入電極，然后被固化。或者是液態形式如熔化的塑料材料，不固化或溶解在溶劑中，在合適的設備中以所要求的壓力(最好能達到200bar)和/或以要求的被提高的溫度壓到電極上，以便以這種方式填充電極的小孔。若需要，可先進行一次抽氣，以便從小孔中排出氣體，因此促進密封劑的滲入。較好的塑料材料是聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺以及環氧樹脂、聚硅氧烷和聚酯樹脂。為提供電極邊緣部分的增強濕潤——通過這種濕潤塑料材料滲入，可以在用塑料處理之前，用塑料的溶劑來濕潤或輕微打磨該邊緣部分。電極碳材料的相應區域的部分氧化可能更有利一些。
因此沿著薄膜電極單元邊緣形成的密封沿通過“阻塞”電極邊緣部分的氣體通路來防止反應氣體向外“輻射”，而且為使氣體不泄漏而粘在一起及將電極的邊緣部分附著在相鄰的薄膜部分。
如此說來，可在薄膜電極單元的所有區域來提供密封，邊緣也可位于穿過薄膜電極單元活動區域的通道上，它們通常用于供應氣體、水及夾緊螺釘。
作為一種變通，密封邊緣可在薄膜電極單元的基本齊平的末端由附著于其邊沿的密封框架來提供，或者分別由完全排列通道或部分使用密封框架來提供。可能用于密封框架的材料較好的是塑料材料及塑料材料的混合物，特別是如聚乙烯、聚丙烯和聚酰胺等熱塑材料或環氧樹脂、聚硅氧烷和聚酯樹脂等可固化的塑料材料。密封框架以下列方式附加它不漏氣地牢固地連接并附著在薄膜的末端面或至少一層電極和薄膜的末端面上。
所需的通道也可直接在密封邊沿自身內部提供。
兩種密封邊沿選擇的混合形式，即密封邊沿部分在電極材料內形成，部分在末端面形成，也是可行的。
在邊緣，也可能在通道上密封的薄膜電極單元被連接到雙極性板上。作為一項規則，雙極性板不能直接靠在電極上，一定要在電極和雙極性板之間留有一段自由空間，其中氣體傳導結構如一層網狀結構被提供，用于增強反應氣體擴散到電極的表面。這段自由空間來自于使密封邊緣不結束于電極表面，而是設計成使它超過電極表面。在帶有突出的密封邊緣的情況下，一塊平面雙極性板連接到密封邊沿上，如不漏氣粘附或在永久壓力下被壓在燃料盒堆棧上。當密封邊緣與電極表面齊平結束時，可能會用上一塊雙極性板，該板在應用氣體傳導結構的部分比在以不漏氣方式連接到薄膜電極單元的部分要薄。雙極性板包含集成的氣體傳導結構，如帶有打磨溝槽的石墨板，也不要求突出的密封邊緣。
本發明涉及的薄膜電極單元的密封結構可以通用于各種反應氣體。然而，特別是在有益的方式下，它用于燃料盒的氫氣一側，原因一方面在于氫氣有優異的擴散性，因此在密封中會表現出更多的問題，在另一方面在于氫氣是一種非常容易反應的氣體，因此在萬一泄漏的情況下就會表現出相當的困難。
將密封劑引入電極邊緣區域所形成的密封邊緣與將密封劑引入通道周圍的電極區域而形成通道的密封，對于任何帶有多孔電極的薄膜電極單元，原則上是可行的，無論是否表現為齊平末端面結束。特別地，根據本發明的密封也可用于通道，無論為薄膜電極單元的外部邊緣選擇何種密封類型。
本發明的優選實施例用下列圖示來闡述其中
圖1為本發明所涉及到的還沒有密封邊緣的薄膜電極單元的橫截面示意圖；圖2為本發明所涉及到的薄膜電子單元的平面示意圖；圖3為以前技術所提供的薄膜電極單元的橫截面；圖4為涉及到本發明一個實施例的帶有密封邊緣和通道的薄膜電極單元橫截面示意圖；圖5為涉及到本發明實施例的帶有密封邊緣、通道和雙極性板的薄膜電極單元的橫截面示意圖；圖6為涉及到本發明另一個實施例的、帶有密封邊緣和用于兩側的雙極性板的薄膜電極單元的橫截面示意圖；圖7為涉及到本發明另一個實施例的、在一側帶有雙極性板的薄膜電極單元的橫截面示意圖；圖8為涉及到本發明的突出的密封邊緣連接到雙極性板的薄膜電極單元的橫截面示意圖；圖9為涉及到本發明，具有連接到雙極性板的齊平密封邊緣的薄膜電極單元的橫截面示意圖；圖10為涉及到本發明，在密封邊緣內部具有通道的薄膜電極單元的橫截面示意圖；圖11為涉及到本發明，在密封邊緣內部具有通道的薄膜電極單元的平面示意圖；圖12為安裝在燃料盒堆棧中，且具有涉及到本發明的薄膜電極單元的燃料盒之橫截面示意圖。
薄膜電極單元1包含薄膜2，附在薄膜一個表面上的陽極3和附在薄膜另一個表面上的陰極4。電極面向薄膜的每一側面均含有觸媒劑。至于如圖3所示之傳統薄膜電極單元，陽極3和陰極4具有完全相同的尺寸，薄膜2則很大，所以薄膜邊沿部分25在壓制薄膜的過程中形成，該邊沿部分不被多孔電極材料所覆蓋，并且密封可以應用其上。但是，這樣的結構不能用簡單和快速的方法來實現。
根據本發明，薄膜電極單元可以通過生產大面積的薄膜電極單元材料片或網，然后再按照所需的尺寸分割成相同但彼此獨立的單元而簡單快速地制造出來。如此得到的分立的薄膜電極單元，如圖1所示，除了末端面，沒有薄膜面積，該端面是不被電極材料所覆蓋的。傳統的密封技術由于電極材料的多孔性而不能采用。
根據本發明，薄膜電極單元1中的薄膜2，陽極3和陰極4在末端面以齊平的方式結束，薄膜電極單元由密封劑來密封，如塑料材料，該材料滲入陽極3的邊緣部分6’和陰極4的邊緣部分7’。邊緣部分6’和7’僅僅只是定義了密封劑滲入的區域。密封劑填充多孔電極的小孔，為薄膜提供不漏氣性。因此在“輻射“方向上以分子形式進行的反應氣體交換或沿著電極與薄膜的界面進行的交換便被阻止。
本發明所涉及的薄膜電極單元之密封邊緣5依據它的形狀和尺寸可以有不同的設計。圖4描述了一個薄膜電極單元，，其中密封邊沿5的陽極一側的部分6，即密封邊沿5滲入陽極邊緣6’的那一部分，與背向薄膜之陽極3的表面平齊切斷。與此同時，密封邊沿5的陰極一側的部分7，即密封邊沿5滲入陰極邊緣7’的那一部分，包含了一個超過背向薄膜之陰極4的表面的部分9。而且，該薄膜電極單元還包含一個具有密封邊沿5’的通道28，密封邊沿5’即陽極一側密封邊沿26和陰極一側密封邊沿27。密封邊沿5’的陰極一側部分27超過了背向薄膜之陰極的表面。在圖4所示的實施例中，通道28和密封邊沿5’均沿整個薄膜電極單元1而延展，密封劑也擴散到薄膜2中。但是，通道和/或密封邊沿也可結束在一個電極中，例如，氫可以通過一個通道供應到陽極，該通道在陽極是部分無密封邊沿的，是可以擴散到陽極中的。作為一種變通，通道也可以集成在密封邊沿中，更詳細的細節在下文中闡述。
圖2是圖4中實施例從陰極一側看去的的平面圖。所示薄膜電極單元有一種平方結構。然而還可以有其他結構。如在圖2中看到的那樣，陰極在整個周邊及通道28均密封，包含了密封邊沿的凸出區9中的一塊無陰極區域13。如此一個自由區域允許在不同電極上進行氣體傳導結構的應用。它們需要作為一項規則，當使用帶有中等擴散性質的反應氣體或用惰性氣體有力的地稀釋。當使用氫時，氫具有優異的擴散性能。氣體傳導結構通常省略。因此，當使用氫氣為可燃氣體時，在陽極一側可能附加一塊雙極性板，在陽極3上直接做燃料盒，無需氣體傳導結構的介入，所以密封邊沿5之陽極一側的部分6，如圖4所示，可以與陽極表面齊平切斷。
圖5表示本發明所涉及的薄膜電極單元1，其在陽極一側具有一塊雙極性板14。雙極性板14以不漏氣的方式如粘接到密封邊沿的凸出部分8，所以在薄膜2，陽極一側密封邊沿6和雙極性板14之間形成一段不漏氣的空間。粘接最好由密封劑自身來實現。薄膜電極單元分別包含通道28和24，分別用于供應和排放可燃氣體。在雙極性板14，陽極3和密封邊沿的凸出部分8之間有一個小室用于提供一個氣體傳導結構18，如一張類格柵網。在圖5所示實施例中，密封邊沿5’圍繞通道28形成，超過背向薄膜的陽極表面而與沿薄膜電極單元形成的密封邊沿5達到相同的范圍。雙極性板14因此還可以由密封邊沿5’來支撐。在通道28中流動的氫氣的一部分通過密封邊沿5’中的一個開口23進入燃料盒的氣體傳導結構18，另一部分通過雙極性板14中的通道24傳輸到相鄰盒中。當通道集成在薄膜電極單元周邊的密封邊沿中時，氫氣(或其他氣體)同樣的傳輸方式也是可能的。
同樣的傳輸方式也適用于陰極中氧化劑供應。
為形成密封邊沿5，可以使用任意一種能夠滲入電極邊緣區域中小孔的密封劑，在燃料盒的工作條件下以不改變的方式保持在那里，形成一道屏障來防止反應氣體的排放。特別合適的是可固化的塑料材料和塑料材料，該材料能夠滲入指定區域中電極的小孔中，該過程通過使用增加的溫度和壓力來實現，也可能是在前面的抽氣之后。
為形成密封邊沿，例如一片切割或印成適當尺寸的薄膜電極材料置于一個鑄模之中，帶有不形成密封邊沿的電極部分和從鑄模中消除通道的部分。塑料材料以液體形式充填，例如熱塑材料加熱液化，應用合適的壓力最好到達200bar壓入電極非限制區域的小孔中。根據是希望獲得于電極表面齊平的密封邊沿，還是希望獲得超過電極表面的密封邊沿，鑄模工具的設計要按照相應的方式進行選擇。
在通常尺寸的薄膜電極單元中(大約3cm2到1600cm2)，采用寬度大約0.3cm到1cm，典型值為0.5cm的密封邊沿是比較好的。密封邊沿的可能凸出部分的高度依賴于附著在電極上的氣體傳導結構的厚度。
作為上述介紹或應用壓力將升高溫度所致液化塑料材料注入電極小孔的一種變通，也可以使用低粘度的可固化液體塑料材料滲入電極邊沿區域的小孔，該滲入是通過毛細反應來完成的，此后可固化。
合適的可固化塑料材料主要為環氧樹脂、聚硅氧烷和聚酯樹脂，合適的熱塑材料主要為聚乙烯、聚丙烯和聚酰胺。
下面將描述一個生產本發明所涉及的薄膜電極單元1的例子。
一塊包含一片Gore&Associate公司Gore Select的薄膜，一片依據Magnet Motor GmbH公司專利申請P 19 544 323.3生產的陰極和一片傳統陽極的薄膜電極單元材料，被切割成大約90×50mm的形狀。依據前述專利申請生產的陰極是包含以均勻方式充滿聚四氟乙烯和碳煙(soot)(配方中的質量比為5∶1)的非織狀(nonwoven)碳纖維的氣體擴散電極。此處所用觸媒劑是碳上的鉑。薄膜完全被電極所覆蓋。切割后的薄膜電極單元置于一個鑄模中，其底面在周邊大約5mm的寬度上降低大約0.3mm。因此在邊緣部分，薄膜電極單元并不直接靠在鑄模的底面上。置于薄膜電極單元上的是一塊特殊鋼板，具有與底板相應的配置，然而是與薄膜電極單元有關的安排的鏡像。因此在薄膜電極單元的另一面，在邊緣部分同樣也是不直接與鑄模相接觸，有大約5mm的寬度。除了底板和蓋板，也使用雙極性板，所以在形成密封邊沿的同時，薄膜電極單元也附著在雙極性板上。模具上有用于導引塑料材料的孔，通過這些孔，模具內的自由空間被Kommerling(德國)公司的Korapox 439環氧樹脂或Dr.Weideking公司的DD基雙組分清漆CFM所填充。Rhenatech GmbH公司的環氧樹脂鑄造化合物5100/5620 GA也是一種非常合適的材料。由于是毛細反應，這些塑料材料滲入或吸入電極的孔中，主要是在電極未被覆蓋的部分。因此在加工過程中，需要若干步重填充步驟，所以塑料材料在大約60℃的溫度得以恢復，加工完畢的薄膜電極單元可以從模具中取出。通過這種方式，薄膜電極單元在陽極區域形成了密封邊沿6，在陰極區域形成了密封邊沿7，寬度大約5mm，超過電極表面大約0.3mm。
依據薄膜2的材料，所用的密封劑和生產密封邊沿的條件(壓力，溫度)，密封劑也可能滲入到薄膜中去，因此形成薄膜中的密封劑填充區10，如圖6所示。依據所需的密封邊沿修正，在每一個特例中所需的反應條件可以根據所選擇的材料由專家通過調整前處理來簡單地決定。帶有部分滲入薄膜2的密封邊沿5的薄膜電極單元1對反應氣體的排放和逸出具有相當高的強度。圖6中所示本發明涉及的薄膜電極單元之實施例，在陽極一側安裝有一塊雙極性板14，在陰極一側安裝有一塊雙極性板15，以便形成一個燃料盒，其中分別在薄膜2，陽極一側密封邊沿6和雙極性板14之間及薄膜2，陰極一側密封邊沿7和雙極性板15之間各形成了一個不漏氣的空間。在密封邊沿凸出部分8和9之間，形成了腔室，分別容納氣體傳導結構18和19。
本發明所涉及的薄膜電極單元1的密封邊沿5的另一個實施例如圖7所示。密封邊沿并不滲入或僅僅部分滲入電極材料的孔中，但是附著在薄膜，薄膜和一個電極或一個電極的部分的末端面上，或者如圖7所示，附著在整個薄膜電極單元的周邊。在此實施例中，一定要確保在密封材料與薄膜，密封材料與電極材料之間的附著必須是足夠牢固而緊密的，以防止反應氣體的排放。用于形成密封邊沿5的可能材料是塑料材料，主要的這些塑料材料與密封邊沿的第一個實施例中所適用的材料相同。為確保能附著在非常薄的薄膜2的末端面，在形成密封邊沿5形成之前使用粘合劑，如粘合劑沉淀SiO211，或將薄膜的末端面輕微蝕刻。該實施例特別適用于相對較厚的薄膜(從大約100μm起)，反之，由密封劑滲入電極邊緣區域的小孔而形成的密封邊沿則更適用于任意薄的薄膜(如5μm)。
末端面上密封邊沿的應用以類似的方式發生在電極邊緣部分的密封邊沿形成過程中，即放置一塊合適尺寸的薄膜電極單元材料到鑄模的脫離室中，以便導引密封劑進入密封邊沿將要形成的區域，導引然后固化或恢復密封劑。在密封邊沿中含有通道的情況下，鑄模必須設計成沒有或僅有一點密封劑可以滲入通道區域。這可以由例如使用針來實現，對于密封劑，針不能提供很好的附著，因此隨后可以方便地移走。在通常尺寸薄膜電極單元的情況下，末端面適用的密封邊沿的寬度為0.2cm到1cm，比較好的是0.5cm或更窄。
當在薄膜2和電極3，4的末端面形成密封邊沿時，密封劑可能也會在合適的反應條件下滲入電極的邊緣區域，所以可獲得末端面密封邊沿和電極邊緣區域6’和7’中的密封邊沿的聯合體，如圖7中用虛線所示的輪廓。
圖8和圖9表示形成一個用于容納氣體傳導結構的腔室的其他可能性，圖8表示出如前所述的帶有凸出邊緣設計的可能性。圖9所示實施例中，分別位于陽極和陰極的密封邊沿6和7，與陽極和陰極分別平齊切斷。雙極性板14具有一個薄的中心區域和厚的邊緣區域16和17，邊緣區域的厚度與中心區域的厚度之差定義了可獲得的用于容納氣體傳導結構的空間的高度。邊緣區域16和17的寬度根據密封邊沿5的寬度適當地選擇。
為了在密封邊沿5和雙極性板14，15間得到牢固的附著，密封邊沿的凸出部分8，9帶有凹槽29，用來接收附加的粘結劑，如聚硅氧烷。
為了供應反應氣體，冷卻劑或為了附加安裝器件，通常需要在薄膜電極單元中提供一個或多個開口或通道，該單元必須被密封以防止氣體的排放或逸出。這些通道可以每一個單獨密封，如圖4和圖5所示，其中只提供了一個被區域5’密封的通道，而5’用密封劑充填。若需要若干條通道，這些通道也可以被結合在一起以形成一組或若干組聯合密封的緊密相鄰的通道，即一組中的通道彼此之間以及通道與薄膜電極單元的活動地區之間，由填充密封劑的區域5’分隔開來。
然而在此實施例中，薄膜電極單元的部分區域必須用來當作通道和密封邊沿，這些區域原本可以作為有效區域(action)。當通道集成在薄膜電極單元周邊的密封區域時，這種有效區域中的損失可以避免，如圖10，11所示。
圖10表示一個薄膜電極單元，帶有薄膜2，陽極3，陰極4和處于薄膜電極單元外部周邊的密封邊沿5，密封劑也滲入陽極3和陰極4的邊緣區域，因此分別形成密封區域6和7。密封邊沿5超過陽極表面和陰極表面。在僅包含密封劑的密封邊沿區域，提供一條垂直于薄膜電極單元平面延展的通道30。在密封邊沿5超過陽極表面的區域的高度上，水平多向通道即平行于薄膜電極單元延展的多向通道，如在圖11中所見的那樣向外拓展。圖11是圖10中從陽極一側看去(無雙極性板14)的那個薄膜電極單元的平面視圖。這些多向通道，主要是出于制造簡單的原因，在密封邊沿5靠陽極一側的表面上具有溝槽31的形狀，開口于陽極表面和雙極性板14之間的空間，該空間包含一個氣體傳導結構。溝槽或皺褶(corrugation)31可在密封邊沿5形成的過程中通過使用一個適當設計的鑄模在密封邊沿5的表面中形成，或者在密封邊沿形成之后再通過碾磨等手段形成。位于通道30上面的雙極性板14具有一個通道24，至于其他部分，以不漏氣的方式終止了溝槽31和陽極上用于氣體傳導結構的空間。在通道30中流動的氫氣一方面可以通過陽極3中的溝槽31來供應，另一方面還可以通過雙極性板14中的通道24進入相鄰的燃料盒。為在密封邊沿和雙極性板之間提供特別牢固的粘接，使用了帶有凹槽29的密封邊沿，附加的粘接劑被導入到此凹槽中來。
根據本發明，密封邊沿內部帶有通道的薄膜電極單元可如上文所述不帶通道的密封邊沿那樣產生；隨后的通道的區域和溝槽必須從模具中劃分出來，所以沒有密封劑可以進入。作為一種變通，也可以首先提供一道沒有通道和/或溝槽的密封邊沿，將其應用于已加工完的密封邊沿上，例如通過打孔、沖壓或碾磨。
圖12表示了一組燃料盒堆棧的斷面圖，該堆棧包含了若干具有涉及本發明薄膜電極單元的燃料盒。在所示的燃料盒堆棧中，氧氣并不被導入閉合且密封的氧化劑空間，而是被位于作為燃料盒邊界的雙極性板和相鄰燃料盒的陰極表面之間的風扇所吹動，雙極性板和陰極表面之間帶有類格柵網，用于確保所需的空間。圖12所示單元包含薄膜2，陽極3，陰極4和雙極性板14(帶有用于氫氣的通道)，一旦在燃料盒堆棧的使用壽命內在任意位置發生氫氣泄漏，該單元均可以毫無問題地從堆棧中單獨移去，所以每一個單獨燃料盒的陽極空間可以分別檢查其密閉性。
本發明因此提出了用簡單和便宜的方式來制造薄膜電極單元的可能性，與雙極性板結合在一起，提出了形成不漏氣電極空間的可能性。在每一個燃料盒中，不漏氣電極空間可分別檢查其氣體密閉性。
參考數字清單1.薄膜電極單元2.聚合物電解質薄膜
3.陽極4.陰極5.薄膜電極單元周邊的密封邊沿5’.通道28周圍的密封邊沿6’.陽極周邊的密封邊沿，密封劑滲入其中6.密封邊沿5中陽極一側的區域7’.陰極周邊的邊沿部分，密封劑滲入其中7 密封邊沿5中陰極一側的區域8 密封邊沿5中超過陽極表面的部分9 密封邊沿5中超過陰極表面的部分10 填充密封劑的薄膜邊沿部分11 粘合劑13 無密封邊沿陰極區域14 陽極一側雙極性板7.陰極一側雙極性板16.陽極一側雙極性板的加厚邊沿部分17.陰極一側雙極性板的加厚邊沿部分18.陽極一側的氣體傳導結構19.陰極一側的氣體傳導機構20.雙極性板14中用于氫氣的氣體通道21.氫氣供應22.氫氣排放23.密封邊沿5’的開口24.雙極性板14中的通道25.未被電極材料所覆蓋的薄膜邊沿部分26’.圍繞通道28的陽極一側邊沿部分26.密封邊沿5’的陽極一側的部分
27’.圍繞通道28的陰極一側邊沿部分27.密封邊沿5’的陰極一側的部分28.通過薄膜電極單元的通道29.密封邊沿中用于接收與雙極性板相粘合之粘合劑的凹槽30.通過密封邊沿5的通道31.密封邊沿5中的溝槽
權利要求
1.帶有整體密封邊沿(5)用于聚合物電解質薄膜燃料盒(8)的薄膜電極單元(1)，具有聚合物電解質薄膜(2)，位于該薄膜一側表面的陽極(3)和位于其另一側表面的陰極(4)，其特征在于，薄膜(2)的兩個表面均被電極(3，4)所基本上完全覆蓋，沿著薄膜電極單元周邊有密封邊沿(5)，所述密封邊沿(5)至少滲入電極(3，4)中一個的邊緣部分(6’，7’)，附著在與所述邊緣部分(6’，7’)相連的薄膜(2)的區域，和/或至少附著在所述薄膜(2)的末端面。
2.權利要求1中的薄膜電極單元(1)，其特征在于，它包含至少一個通道(28)，至少在部分區域，通道上有密封邊沿(5’)，該密封邊沿(5’)滲入至少一個電極(3，4)的環通道邊沿區域(26’，27’)并附著在與邊沿區域相連的薄膜(2)的區域，和/或至少附著在所述薄膜(2)的末端面。
3.權利要求1或2中的薄膜電極單元(1)，其特征在于，在環繞薄膜電極單元周邊的密封邊沿(5)中至少有一條通道(30)。
4.權利要求3中的薄膜電極單元(1)，其特征在于密封邊沿(5)至少形成一個機構(31)，該機構(31)與所述通道(30)相接觸，以用于將反應氣體送到至少一個電極或電極空間。
5.權利要求4中的薄膜電極單元(1)，其特征在于所述至少一個機構(31)為密封邊沿(5)一個表面中的溝槽。
6.權利要求1至5中任意一項的薄膜電極單元(1)，其特征在于密封邊沿(5)滲入陽極(3)的邊緣區域(6’)并且附著在與所述邊緣區域(6’)相接觸的薄膜(2)的區域中。
7.權利要求1至6中任意一項的薄膜電極單元(1)，其特征在于密封邊沿(5)至少附著在陽極(3)的末端面上，并且附著在薄膜(2)的末端面上。
8.權利要求1至7中任意一項的薄膜電極單元(1)，其特征在于密封邊沿(5，5’)與背向所述薄膜的至少一個電極(3，4)的表面平齊。
9.權利要求1至7中任意一項的薄膜電極單元(1)，其特征在于密封邊沿(5，5’)可以超過至少背向所述薄膜的一個電極(3，4)的表面。
10.權利要求9中的薄膜電極單元，其特征在于在密封邊沿(5)的凸出區域中有用于接收粘合劑的凹槽(29)。
11.權利要求1至10中任意一項的薄膜電極單元(1)，其特征在于密封邊沿(5，5’)由塑料材料組成或包含塑料材料。
12.權利要求11中的薄膜電極單元，其特征在于該塑料材料為熱塑材料或可固化的塑料材料，在熔化狀態或未固化之前，充分液化且具有足夠低的粘度，以便能夠通過毛細反應滲入電極(3，4)中至少一個的小孔中。
13.權利要求11中的薄膜電極單元，其特征在于塑料材料在環境溫度或升高的溫度下，充分液化且具有足夠低的粘度，以便在壓力下滲入電極(3，4)中至少一個的小孔中。
14.權利要求11至13中的薄膜電極單元(1)，其特征在于該塑料材料為聚乙烯，聚丙烯和聚酰胺。
15.權利要求11至13中的薄膜電極單元(1)，其特征在于該塑料材料為環氧樹脂，聚硅氧烷或聚酯樹脂。
16.權利要求1至15中任意一項的薄膜電極單元(1)，其特征在于至少陽極(3)的密封邊沿(5)以氫氣不漏氣的方式附著于雙極性板(14，15)之上。
17.制造一個用于聚合物電解質薄膜燃料盒的帶有整體密封邊沿(5)的薄膜電極單元(1)，包括如下步驟-提供陽極材料(3)、陰極材料(4)的薄膜電極層狀材料，并且聚合物電解質薄膜材料分布于陽極材料(3)和陰極材料(4)間；-按適合制造所需薄膜電極單元(1)的尺寸切割一片層狀材料，所述材料片中包含薄膜(2)，它的兩個表面被電極(3，4)所完全覆蓋；-沿著所述材料片的周邊形成密封邊沿(5)，該邊沿滲入電極(3，4)中至少一個的邊緣部分(6’，7’)，并附著在薄膜(2)中與邊緣部分(6’，7’)相接觸的區域和/或附著于所述薄膜末端面的密封邊沿上。
18.權利要求17中的方法，進一步包括如下步驟-形成一個通道(28)和-在電極(3，4)中至少一個電極的環通道邊緣區域(26’，27’)內的部分區域上，形成密封邊沿(5’)，密封邊沿滲入到邊緣區域，附著在薄膜(2)中與邊緣部分(6’，7’)相接觸的區域和/或附著于所述薄膜末端面的密封邊沿上。
19.權利要求17或18中的方法，其特征在于在薄膜電極單元(1)周邊的密封邊沿(5)中至少形成一個通道(30)。
20.權利要求19中的方法，其特征在于在密封邊沿(5)中至少形成一種與通道(30)相接觸的機構，以便向至少一個電極或電極空間供應反應氣體。
21.權利要求20中的方法，其特征在于在密封邊沿(5)表面溝槽的形成中，至少提供一個機構(31)。
22.權利要求17至21中任意一項的方法，其特征在于其密封邊沿通過密封劑滲入電極(3，4)中至少一個的邊緣區域(6’，7’，26’，27’)，電極(3，4)中至少一個中的小孔基本上被完全填充。
23.權利要求17至22中任意一項的方法，其特征在于密封邊沿(5，5’)通過將密封劑應用于電極(3，4)中至少一個的末端面和薄膜(2)的末端面而形成。
24.權利要求17至23中任意一項的方法，其特征在于密封邊沿(5，5’)通過使用熱塑或可固化塑料材料來形成。
25.權利要求24中的方法，其特征在于使用的塑料材料為聚乙烯，聚丙烯和聚酰胺。
26.權利要求24中的方法，其特征在于使用的塑料材料為環氧樹脂，聚硅氧烷或聚酯樹脂。
27.權利要求24至26中任意一項的方法，其特征在于密封邊沿(5，5’)通過將塑料材料以液體形式與電極(3，4)中至少一個的邊緣部分(6’，7’，26’，27’)相接觸，然后固化或固化而成。
28.權利要求24至27中任意一項的方法，其特征在于密封邊沿(5)通過將塑料材料以液體形式至少與薄膜(2)的末端面相接觸，然后固化或固化而成。
29.權利要求17至28中任意一項的方法，其特征在于密封邊沿(5，5’)通過使用壓力和/或升高的溫度來形成。
30.權利要求29中的方法，其特征在于在應用壓力之前先進行抽氣。
31.權利要求17至30中任意一項的方法，其特征在于密封邊沿(5，5’)由密封劑通過毛細反應滲入電極(3，4)中至少一個的邊緣區域(6’，7’)而形成。
32.權利要求17至31中任意一項的方法，其特征在于密封邊沿(5，5’)被設計成與背向薄膜的電極(3，4)中至少一個的表面平齊切斷。
33.權利要求17至31中任意一項的方法，其特征在于密封邊沿(5，5’)被設計成超過背向薄膜的電極(3，4)中至少一個的表面。
34.權利要求17至33中任意一項的方法，其特征在于密封邊沿(5，5’)形成于其上的電極(3，4)和/或薄膜(2)的區域，在密封邊沿形成之前要進行預處理。
35.權利要求34中的方法，其特征在于預處理包括用密封劑的溶劑來濕潤電極(3，4)上密封邊沿將形成的區域。
36.權利要求34中的方法，其特征在于預處理包括碾磨電極(3，4)表面密封邊沿將形成的區域。
37.權利要求34中的方法，其特征在于預處理包括在電極(3，4)上密封邊沿將形成的碳材料區域進行部分氧化。
全文摘要
本發明涉及一種用于燃料盒的帶有整體密封邊沿的薄膜電極單元(1),其具有一片聚合物電解質薄膜(2),置于薄膜一個表面的陽極(3)和另一個表面的陰極(4),該單元(1)是由包含陽極材料和陰極材料的多層材料制成,在陽極材料和陰極材料之間插入聚合物電解質薄膜材料,從上切割尺寸合適的一片,在切下的片狀材料中,薄膜被其兩側的電極完全覆蓋。在所述片狀材料的周邊,形成密封邊沿(5),密封邊沿(5)滲入電極(3,4)中至少一個的邊緣區域(6’,7’),并且附著在鄰近邊緣的薄膜區域中,和/或密封邊沿附著在電極中至少一個的末端面和薄膜的末端面。
文檔編號H01M8/24GK1251212SQ98803580
公開日2000年4月19日 申請日期1998年1月29日 優先權日1997年1月29日
發明者阿瑟·科施尼, 托馬斯·施韋西格 申請人:磁電機技術有限公司