膜电极组件,有这种组件的燃料电池和有这种燃料电池的汽车的制作方法
【专利说明】膜电极组件，有这种组件的燃料电池和有这种燃料电池的 汽车
[0001] 本发明设及一种燃料电池的膜电极组件，包括膜电极单元和密封件。此外本发明 还设及一种包括多个按本发明的膜电极组件的燃料电池，化及一种具有该种燃料电池的汽 车。
[0002] 燃料电池利用燃料与氧化学变化成为水，产生电能。为此，燃料电池作为核屯、组成 部分包含所谓的膜电极单元（MEA-membraneelectro化assembly;膜电极组件），它由离子 传导隔膜和在隔膜两侧各设置一个的电极（阳极和阴极）组成。此外，可W在膜电极单元 两侧，在电极背对隔膜的那一侧，设置气体扩散层（GDL)。通常燃料电池由多个排列成堆叠 (stack)的MEA构成，它们的电功率累加。在燃料电池工作时，燃料，尤其氨馬或含氨的气 体混合物输入阳极，在那里发生电化学氧化由&成为H+，并将电子输出。通过将反应腔彼此 气密隔离并电绝缘的电解质或隔膜，实施将质子H+(吸水或无水地）从阳极腔输入阴极腔。 阳极提供的电子通过电导线引入阴极。向阴极输送氧或含氧的气体混合物，从而在接收电 子的情况下发生由〇2成为〇2^勺反应。与此同时，在阴极腔内该些氧阴离子与通过隔膜输 送的质子反应生成水。通过将化学能直接转换为电能，与其它发电设备相比，基于规避了卡 诺因子，所W燃料电池能达到更高的效率。
[0003] 目前最先进的燃料电池技术W聚合物电解质隔膜（PEM)为基础，其中隔膜本身由 聚合物电解质组成。在该里经常使用酸变性聚合物，尤其全氣化聚合物。此类聚合物电解 质最广泛流行的代表是横化聚四氣己締共聚物（商标名：化fion;由四氣己締和全氣烷基 己締離的一种横酷氣衍生物组成的共聚物）组成的隔膜。在该里电解传导通过水合质子进 行，因此水的存在是质子可传导的先决条件，W及在PEM燃料电池工作时需要润湿工作气 体。基于水的必要性，该种燃料电池在正常压力下的最高工作温度限制在l〇〇°CW下。所述 的该种燃料电池类型也称为低温聚合物电解质隔膜燃料电池（NT-PEM燃料电池）。与之相 区别的是，高温聚合物电解质隔膜燃料电池（HT-PEM燃料电池）的电解传导率基于一种通 过静电络合键键合在聚合物电解质隔膜的聚合物构架上的电解质（例如Phosphorsiiure -dotiertePolybenzimidazol(PBI)隔膜），W及它们在 160°C的温度下工作。
[0004] 如前言已提及的那样，燃料电池由多个排列成堆叠的单个电池构成，所W从燃料 电池堆叠出发讨论。在膜电极单元之间通常设置所谓双极板，它们确保向单个电池供应工 作介质，亦即反应物和通常还有冷却液。此外，双极板还保证与膜电极单元导电接触。
[0005] 在膜电极单元与双极板之间设密封件，它使阳极腔和阴极腔对外密封，防止工作 介质从燃料电池堆叠泄出。密封件可W设置在膜电极单元和/或双极板侧面，W及尤其与 该些组成部分连接。
[0006] 为此目的，密封件在一侧或两侧硫化胶合在双极板上。此外，密封带状密封件可W 借助机器人涂敷在双极板上。用机器人涂敷的密封件可能有大的会导致漏泄的误差。迄今 例如通过优化机器人涂敷密封带的过程来解决该一问题。
[0007] 此外，隔膜可W层合在两个涂胶粘剂层的薄膜（边缘加厚薄膜）之间。据此，密封 件可W喷涂在膜电极单元上或喷涂在膜电极单元周围。然而在该种情况下最高温度由膜电 极单元确定W及大约为120°C。该一温度界限对于密封件弹性材料交联的过程时间起一定 的作用，W及由于长的过程时间导致高的成本和大量废品。由此产生的废品成本归因于在 膜电极单元围围有缺陷的喷涂，W及还归因于该种极其敏感的构件在冲压和注塑过程中的 操作。
[000引 DE102009003947A1 公开了一种肥A(unitizedelectrodeassembly)，包括一个具 有电解质隔膜的MEA，电解质隔膜没有明显超过活性区向外延伸。在UEA围绕化学活性 区的密封件与化学活性区之间设置拦阻膜片。拦阻膜片可W在活性区外部与MEA搭接。此 夕F，拦阻膜片可W用作密封件的载体，W及尤其与密封件设计成一体。MEA可W借助化学胶 粘剂与拦阻膜片接合。此外，根据连接构型，连接膜片可W覆盖电解质隔膜的一端。
[0009] W02010/114139介绍了一种制造燃料电池和制造燃料电池的燃料电池模件的方 法。燃料电池包括电极组件，它们分别包括一个MEA，W及在MEA的阳极侧和阴极侧各有一 个多孔层。MEA还包括电解质隔膜W及催化的阳极层和阴极层。多孔层分别包括一个面朝 MEA的气体扩散层（由碳纸组成）和一个气体流路层（由烧结的金属泡沫组成）。在电极 组件之间设一些分隔器（相当于双极板），它们分别包括=个钢层。在分隔器之间并与之接 触地设置框状密封件，它们围绕电极组件。
[0010] 在制造时，首先构成包括分隔器和框状密封件外框的第一单元，W及包括电极组 件和框架状密封件内框的第二单元。接着，将内框连同电极组件置入外部密封件内。作为 另一种方案，也可W将电极组件直接置入一个包括分隔器和框状密封件的单元内。
[0011] W02010/114140A1公开了一种燃料电池的电池组件制造方法。该种燃料电池的结 构与W02010/114139的结构基本相似。在制造时，首先制成电极组件、分隔器和框状的密封 件毛巧。将电极组件、分隔器和密封件毛巧置入包括压制设备的成形模具内。借助压力和 加热，使各部分在成形模具中互相连接。
[0012] 现在本发明的目的是，提供一种能简单地制造的膜电极组件。
[0013] 此目的通过有权利要求1特征的膜电极组件达到。由其它在从属权利要求中论及 的特征，提供本发明其它优选的设计。
[0014] 按本发明用于燃料电池的膜电极组件包括膜电极单元，该膜电极单元有隔膜和两 个与隔膜两侧面接触的电极。膜电极组件还包括环形围绕隔膜并与之搭接的密封框架。此 夕F，膜电极组件还包括连接层，它与隔膜和与密封框架环形搭接，其中，在连接层的同一扁 平侧，连接层的内边缘区与膜电极单元W及连接层的外边缘区与密封框架材料接合式连 接。此外，膜电极组件还包括在隔膜外部与密封框架连接的密封件。
[0015] 隔膜典型地是一种质子传导的隔膜（聚合物电解质隔膜）。电极设计为一个阳极 和一个阴极，W及它们可W铺覆在隔膜两侧。
[0016] 连接层的内边缘区典型地与隔膜和/或膜电极单元的电极材料接合式连接。
[0017] 在扁平的元件中将那些侧（表面）称为"扁平侧"，亦即与该元件的其它侧相比它 们的尺寸大得多。
[0018] 连接层通过材料接合式连接，制成典型地环形围绕膜电极单元的化学活性区相对 于密封框架W及膜电极单元的密封面。由此防止在隔膜两侧之间不希望地泄漏工作介质。 此外，通过材料接合式连接还保证膜电极组件有足够的稳定性。所述化学活性区是膜电极 单元在工作时加入反应物的那个区域。连接层典型地是薄膜，尤其塑料薄膜。
[0019] 密封件典型地设计为环形围绕隔膜。因此膜电极单元的化学活性区也被密封件环 形地围绕。通过密封件围绕膜电极单元的化学活性区，防止反应物和反应产物从包括膜电 极组件的燃料电池泄出。由此膜电极单元的电极也设置在被密封件环形围绕的化学活性区 内部。
[0020] 优选地，密封件与密封框架材料接合式连接。该典型地可W通过将密封件喷涂在 密封框架上例如在所设及的材料部分烙化的情况下实现。
[0021] 通常密封件在连接层外部与密封框架连接。
[0022] 此外，密封件一般在两侧，尤其分成两个分段沿密封框架延伸。该两个分段本身在 密封框架两侧延伸，其中，第一分段沿密封框架第一扁平侧延伸，而第二分段沿密封框架第 二扁平侧延伸。
[0023] 该两个分段有密封面，其中，第一分段的密封面与第二分段的密封面在密封框架 上投影为优选地基本上叠合的正投影区。"密封面"指的是那些设计用于贴靠在反向面，例 如双极板上并密封的那些表面。特别优选的是，密封面设计为相对于密封框架（确切地说 一个处于密封框架内的平面）镜像对称。
[0024] 优选地，密封件每个分段有两个密封唇，它们通过相应地成型密封件构成。由此形 成两条彼此独立的密封线，亦即实际上是两个密封区，它们造成防漏泄的双重保险。典型 地，该两个密封唇环形围绕被密封的区域延伸。
[0025] 优选地，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