专利名称：燃料电池的膜电极组件(mea)的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种燃料电池的膜电极组件(MEAMembraneElectrode Assembly)，包括平面的聚合物膜，它在切向内置的内部区域上两面各自采用电极结构涂层并在至少单面凸出电极结构涂层的切向外置的外部区域上与密封体连接。
本发明还涉及一种燃料电池组，包括大量各自设置在隔板(双极或者单极隔板)之间的膜电极组件(MEA)，其中，每个MEA包括平面的聚合物膜，它在切向内置的内部区域上两面各自采用电极结构涂层并具有凸出电极结构切向外置的外部区域。
背景技术：
公知不同类型的燃料电池。特别是在所谓的质子交换膜燃料电池(PEMFCs Proton Elektrolyte Fuel Cells)上具有两面由电极触点接通的质子导电膜。电极通常包括例如由铂涂层的炭黑组成与膜直接接触的催化活性层以及用于向催化活性层输送反应气体的多孔电子导电结构。后者所称的结构通常称为气体扩散结构。它们例如可以由多孔的碳纸、碳织物或者碳纤维网构成。
为使燃料电池工作，向作为阳极工作的电极输送氢气或者含氢的气体。气体的具体成分取决于其他燃料电池的特性。通时向作为阴极工作的第二电极输送氧气或者含氧的气体。上述气体下面统称为“反应气体”。
阳极上氢催化氧化为H2→2H++2e-。
与此同时释放的电子通过电极输送到耗电器上和相应的质子通过电解质转移到阴极侧上，在那里它们与氧转化成水。所需的电子通过电极输送O2+2H++2e-→H2O。
通过电解质的电荷输送在PEMFC的情况下例如通过H3O+-离子迁移和/或质子跃动完成。为达到这一点，在大多数所使用的聚合物膜上需要采用掺杂剂对其进行掺杂。常用的掺杂剂例如为磷酸(H3PO4)。其他膜通过吸收水足够产生离子导电。
但由于掺杂使聚合物膜膨胀并失去稳定性。这一点使其他操作变得非常困难。
例如，在聚合物膜的边缘区域内安装对燃料电池组的结构特别有益的密封体变得困难。公开了一种依据分类的MEA的JP 03331873 A1介绍了一种用于回避这一问题的措施。在那里所公开的MEA中，聚合物膜在其外部区域上仅一面没有电极结构。也就是说，聚合物膜另一面上的电极结构一直延伸到其边缘并还覆盖边缘区域。由此产生MEA足够的稳定性，从而它可以利用聚合物膜的空余面材料接合地与密封体连接。不稳定的聚合物膜的稳定性因此通过远远超过MEA固有的电化学活性内部区域向外延伸的电极结构完成。这种措施缺点诸多。一是电极面的加大与高成本相关，因为例如铂涂层的炭黑这种电极材料价格昂贵。二是其他情况下值得追求的目标，即使用尽可能薄的电极层由于提高了对电极层稳定性的要求而受到严格限制。最后这种情况在电化学方面也不利，因为MEA的活性面不能精确确定。确切地说，它在聚合物膜一面上的延伸面积明显大于另一面，从而会导致离子迁移和贯穿电流方面的问题。
作为对将密封体安装在MEA本身上的选择，公知的还有将密封材料安装在燃料电池组的隔板上和将聚合物膜在边缘区域上两面不涂层的高柔性掺杂的MEA这样设置在隔板之间，使凸起的膜区域与密封材料相互作用。这种依据分类的燃料电池组由DE 101 21 176有所公开。DE 102 51 439 A1也公开了一种相应的燃料电池组。但在此方面的缺点是，由于需要附加的密封材料和机械上高度敏感的MEA可操作性很难，使电池组的结构变得复杂化。
发明内容
本发明的目的在于对依据分类的MEA这样进一步构成，使其稳定性得到提高而电极涂层的厚度最小化，从而可以降低制造成本。
该目的在与权利要求1前序部分所述特征的结合下由此得以实现，即聚合物膜以边缘区域嵌入弹性体材料的密封体内，并且密封体切向向内一直延伸到切向处于外部区域与内部区域之间的过渡区域内，在该区域内密封体在法线外侧覆盖聚合物膜两面上的电极结构。
依据本发明装置的另一目的在于对依据分类的燃料电池组这样进一步构成，使其结构得到简化。
该目的在与权利要求10前序部分所述特征的结合下由此得以实现，即每个聚合物膜利用边缘区域材料接合地嵌入弹性体材料的密封体内以及密封体切向向内一直延伸到切向处于外部区域与内部区域之间的过渡区域内，在该区域内密封体法线外侧覆盖聚合物膜两面上的电极结构。
本发明的作用和优点下面就依据本发明的MEA和依据本发明的燃料电池组共同加以探讨。
依据本发明，弹性体材料制成的密封体实现稳定性作用，其中聚合物膜的边缘区域两面嵌入该密封体。但密封体尽可能切向向内这样延伸，使其最好少量与聚合物膜两面上的电极结构的边缘区域重叠。按照这种方式，形成MEA的电极稳定化的内部区域与MEA的密封体稳定化的外部区域之间的可靠过渡，其中该内部区域同时对应于其电化学活性区域。
本发明特别有益的实施方式在从属权利要求中予以说明。
密封体最好框式并完全包围聚合物膜的内部区域，按照这种方式产生一个密封的MEA组件，它形状稳定并因此在组装燃料电池组时可以很容易地装入隔板之间。此外，按照这种方式可以取消附加的密封材料。
特别优选密封体的弹性体材料注塑在聚合物膜上。但同样也可以使用其他连接方法，例如像粘接、焊接或者热压。
在本发明一种优选的实施方式中，聚合物膜的内部区域和过渡区域采用掺杂剂进行掺杂，其中，掺杂剂的浓度在过渡区域内切向向外递减。质子导电能力随着掺杂剂浓度的递减而向外降低，但聚合物膜的机械稳定性却有所增加。依据本发明MEA的制造由此得到明显简化。也就是说，如果掺杂在安装密封体之前就已经完成，那么膜所要嵌入密封体的外部区域具有良好的稳定性，从而例如采用弹性体材料包覆注塑的嵌入过程期间的操作不会特别困难。在另一实施方式中，膜的掺杂可以通过电极在安装密封体之后进行。有益的是聚合物膜由聚苯并咪唑组成。
有益的是掺杂剂含有磷酸(H3PO4)。
在将依据本发明的MEA装入燃料电池组内时，各部件的不平度可以通过弹性体材料的弹性特性得到补偿。此外，为避免挤压燃料电池组时MEA组件过度压缩，在本发明一种特别优选的实施方式中，密封体内嵌入与其弹性体材料相比无弹性的间隔垫片结构。这些结构与密封体的过度压缩产生反作用，但对其补偿的弹性特性却无明显影响。例如，可以使用与弹性体材料相比更加刚性的金属、塑料或者碳构成的隔片或者弓形板。相应的间隔垫片结构也可与隔板整体构成。
在本发明一种有益的进一步构成中，聚合物膜和密封体在外部区域上具有用于输送反应气体或者冷却剂的穿孔。这种与隔板内的相应穿孔对应的穿孔可以作为轴向穿过燃料电池组的气体或者液体通道使用，从而不需要单独向电池组的每个电池单元供给反应气体和/或冷却剂。
有益的是，密封体法线外侧具有用于与燃料电池组内相邻元件密封相互作用的密封结构。在此方面，例如可以是密封唇或者密封槽。它们例如可以框式包围MEA的电化学活性内部区域，以防止通过电极输送的反应气体向外泄漏。在具有用于输送气体或液体穿过膜和密封体的穿孔情况下，这种密封结构可以大致环形包围穿孔，以便这样防止所输送的气体或液体泄漏。
其他作用和优点来自于下面结合附图的具体说明。其中图1示出依据本发明MEA组件的示意横截面图；图2示出掺杂浓度在图1的MEA组件延伸上的示意图；以及图3示出在使用依据本发明的MEA组件情况下燃料电池组的示意图。
具体实施例方式
图1作为横截面图示意示出依据本发明MEA组件10的各部件和区域。该组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各一面上的电极结构12和13组成。在外部区域I(亦参见图2)内，膜11凸出电极结构涂层12、13。它在那里材料接合地嵌入弹性体材料的框架14内。嵌入最好通过包覆注塑或者注塑进行。也相当于MEA电化学活性面的MEA11、12、13的内部区域III无框架14的弹性体材料。在该区域内进行反应气体向电极结构12、13的输送、催化反应以及通过膜11的离子迁移。
在过渡区II内，电极结构12、13的边缘区域材料接合地嵌入弹性体框架14内。
图2示出掺杂剂例如磷酸在其不同区域I、II和II空间分布上的浓度分布。活性区域III内的浓度特别高。在这里必须确保通过膜11的离子迁移。而在外部区域I内，值得追求的是不存在膜11的掺杂，因为在该区域内膜11至少在嵌入弹性体框架14内之前一端固定，并在该区域内掺杂的情况下明显失去机械稳定性，从而增加了操作的困难。因此在图2所示的优选实施方式中，过渡区域II内掺杂剂的浓度切向向外递减，特别是从活性区域III内的最大浓度降到外部区域I内的零。过渡区域II内实际上不进行电化学反应，因为在该区域内不会通过密封的弹性体框架输送反应气体。仅在反应气体还有可能通过电极结构12、13扩散到过渡区域II内的临近活性区域III的范围内，也有可能(以切向向外递减的强度)进行电化学反应。以与浓度切向向外递减可比较的程度，膜11的稳定性上升。因为膜11在该区域内既由电极结构12和13也由弹性体框架14的部分进行稳定，所以组件10整体上稳定并易于操作。
在图1的实施方式中，在弹性体框架14的外部边缘区域内法线外侧设置密封唇15，它们在将弹性体组件10装入燃料电池组内时与相邻的结构产生密封相互作用。
图3示出燃料电池组的示意举例。MEA组件10在这里设置在双极板20之间，双极板在其与MEA的活性区域III相应的内部区域21内具有通道结构，电极12和13(后者在图3内看不到)通过该通道结构输送反应气体。图3中还示出轴向穿过燃料电池组的气体或液体通道22。如图3的实施例中那样，这些通道最好设置在MEA组件具有相应穿孔的外部区域I内。通过有益地通过(图3中未示出的)密封结构如密封唇支持的弹性体框架14的密封作用，可以确保反应气体和/或冷却剂沿电池组轴线进行输送。
当然，本发明所示和具体说明的实施方式仅是说明性举例。特别是在弹性体框架的材料方面可供专业人员的选择多种多样。例如，下列材料由于其良好的耐热性也适用于构成依据本发明的弹性体框架14乙烯-丙烯聚二烯橡胶、硅橡胶、氟硅橡胶、氟橡胶、炭氟橡胶和全氟橡胶。
权利要求
1.燃料电池的膜电极组件(MEA)，包括平面的聚合物膜(11)，它在切向内置的内部区域(III)上两面各自采用电极结构(12、13)涂层并在至少单面凸出电极结构(12、13)的切向外置的外部区域(I)上与密封体(14)连接，其特征在于，聚合物膜(11)利用边缘区域嵌入由弹性体材料制成的密封体(14)内，并且密封体切向向内一直延伸到切向处于外部区域(I)与内部区域(III)之间的过渡区域(II)内，在该区域内密封体切线外部覆盖聚合物膜(11)两面上的电极结构(12、13)。
2.按权利要求1所述的MEA，其中，密封体(14)切向外侧框式地完全包围聚合物膜(11)的内部区域(III)。
3.按前述权利要求之一所述的MEA，其中，弹性体材料注塑在聚合物膜(11)上。
4.按前述权利要求之一所述的MEA，其中，聚合物膜(11)的内部区域(III)和过渡区域(II)采用掺杂剂掺杂，其中，掺杂剂的浓度在过渡区域内切向向外递减。
5.按权利要求4所述的MEA，其中，掺杂剂含有磷酸(H3PO4)。
6.按前述权利要求之一所述的MEA，其中，聚合物膜由聚苯并咪唑组成。
7.按前述权利要求之一所述的MEA，其中，密封体(14)内嵌入与其弹性体材料相比无弹性的间隔垫片结构。
8.按前述权利要求之一所述的MEA，其中，聚合物膜(11)和密封体(14)在外部区域(I)内具有用于输送反应气体或者冷却剂的穿孔(23)。
9.按前述权利要求之一所述的MEA，其中，密封体(14)法线外侧具有用于与燃料电池组内相邻元件密封地相互作用的密封结构(15) 。
10.燃料电池组，包括大量各自设置在隔板(20)之间的膜电极组件(MEA)(10)，其中，每个MEA包括平面的聚合物膜(11)，它在切向内置的内部区域(III)上两面各自采用电极结构(12、13)涂层并具有凸出电极结构(12、13)的切向外置的外部区域(I)，其特征在于，每个聚合物膜(11)利用边缘区域(I)材料接合地嵌入由弹性体材料制成的密封体(14)内，并且密封体(14)切向向内一直延伸到切向处于外部区域(I)与内部区域(III)之间的过渡区域(II)内，在该区域内密封体法线外侧覆盖聚合物膜(11)两面上的电极结构(12、13)。
11.按权利要求10所述的燃料电池组，其中，密封体框式地完全包围聚合物膜的内部区域。
12.按权利要求10或11所述的燃料电池组，其中，弹性体材料注塑在聚合物膜(11)上。
13.按权利要求11-12之一所述的燃料电池组，其中，大量聚合物膜(11)的内部区域(III)和相应的过渡区域(II)采用掺杂剂掺杂，其中，掺杂剂的浓度在过渡区域内(II)切向向外递减。
14.按权利要求13所述的燃料电池组，其中，掺杂剂含有磷酸(H3PO4)。
15.按权利要求10-14之一所述的燃料电池组，其中，聚合物膜由聚苯并咪唑组成。
16.按权利要求10-15之一所述的燃料电池组，其中，每个密封体(14)内嵌入与其弹性体材料相比无弹性的间隔垫片结构。
17.按权利要求10-16之一所述的燃料电池组，其中，具有用于输送反应气体和/或冷却剂的通道(22)，它们在轴向上穿过与聚合物膜(11)的外部区域(I)相应区域内的燃料电池组，其中，每个密封体(14)具有密封结构，它们包围每个穿过它的通道(22)并与各自相邻的隔板(20)产生密封相互作用。
全文摘要
本发明涉及一种燃料电池的膜电极组件(MEA)，包括平面的聚合物膜，它在切向内置的内部区域上两面各自采用电极结构涂层并在至少单面凸出电极结构涂层的切向外置的外部区域上与密封体连接，其中，聚合物膜利用边缘区域嵌入弹性体材料的密封体内，并且密封体切向向内一直延伸到切向处于外部区域与内部区域之间的过渡区域内，在该区域内密封体从法线外部覆盖聚合物膜两面上的电极结构。
文档编号H01M8/10GK1965435SQ200580019095
公开日2007年5月16日 申请日期2005年6月4日 优先权日2004年6月10日
发明者斯特凡·豪费, 安妮特·赖歇, 苏珊娜·基尔, 乌尔里克·马尔, 迪特尔·梅尔兹纳 申请人:赛多利斯股份有限公司