用于制造燃料电池和燃料电池系统的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于制造燃料电池和燃料电池系统的方法，其中，包含在燃料电池或燃料电池系统中的气体扩散层和/或可能设置的冷却通道被密封。此外，本发明涉及一种安装在燃料电池的气体扩散层上的阻隔层的应用。
【背景技术】
[0002]在燃料电池系统中，各单个的燃料电池被串联成燃料电池堆，以便实现更高的电压。在燃料电池堆的每个端部上有端板。在端板和燃料电池堆之间有集电器(多数由铜构成)，该集电器汇集所有燃料电池的电流并且将电流从燃料电池堆导出。各燃料电池分别包含一个膜电极装置，该膜电极装置装入到阴极侧的气体扩散层和阳极侧的气体扩散层之间，其中，在各气体扩散层的背离膜电极装置的一侧上分别设置一个双极板。这些气体扩散层相对于各双极板和膜电极装置缩进。这些气体扩散层包含用于将反应气体和/或液体运输到电极的反应流体输入区域以及用于将反应气体和/或液体从电极运走的反应流体输出区域。在燃料电池的双极板的区域中也经常设置用于运输冷却剂的冷却通道。为了密封各燃料电池的各自的引导气体或引导流体的层或通道，必须设置密封装置，这些密封装置被挤压、粘贴或嵌入。为此，例如将密封装置施加到双极板或膜电极装置的两侧上，以便对处于双极板和膜电极装置之间的气体扩散层或者可能也设置的冷却通道进行密封，也就是说，防止气体或其它反应流体或其它液体、例如冷却液的流出。这些密封装置具有预先限定的高度或厚度并且被单独施加到每个双极板或膜电极装置上。这导致的缺点在于，正是在燃料电池部件的公差大或者密封厚度小的情况下，系统的密封性难以得到保证，其中，各密封装置的单独施加是非常昂贵的并且制造过程的成本变贵。因此，为了预防泄漏，使用更高的密封线，它们应最大程度地覆盖所有部件的公差，由此，材料投入增加并且气体和液体(一般性为流体)的通流区域减小。由于后者，介质的压力损失增大，这导致辅机组件(BoP组件)中的大损失并且降低系统效率。
【发明内容】
[0003]因此，由该现有技术出发，本发明的任务在于，给出一种用于制造燃料电池或燃料电池系统的方法，通过该方法以简单的节省成本的方式实现气体扩散层和/或设置的冷却通道的有效的、即气密或液密(以下概括为“流密”)的密封。
[0004]该任务在用于制造燃料电池的第一方法中实现，该方法包括步骤:在膜电极装置的每一侧上分别设置一个气体扩散层和一个双极板，该膜电极装置包括阳极、阴极和设置在阳极和阴极之间的电解膜片，其中，各气体扩散层相对于双极板和膜电极装置缩进，其中，这些气体扩散层分别具有至少一个反应流体输入区域、至少一个反应流体输出区域以及至少一个反应流体密封区域，按照本发明包括另一步骤:将密封材料注入到至少一个气体扩散层的至少一个反应流体密封区域内，使得该气体扩散层(2、3)向外密封。注入的密封材料通过注入使得实现气体扩散层相对于流体的高的密封性，其中，反应流体输入区域以及反应流体输出区域不密封。
[0005]此外，该任务也通过用于制造燃料电池的第二方法实现，该方法包括步骤:在膜电极装置的每一侧上分别设置一个气体扩散层和一个双极板，该膜电极装置包括阳极、阴极以及设置在阳极和阴极之间的电解膜片，其中，各气体扩散层相对于双极板和膜电极装置缩进，其中，这些气体扩散层分别具有至少一个反应流体输入区域和至少一个反应流体输出区域，并且至少一个双极板具有至少一个冷却通道，该冷却通道包括至少一个冷却剂输入区域、至少一个冷却剂输出区域和至少一个冷却通道密封区域，按照本发明包括步骤:将密封材料注入到所述至少一个双极板的至少一个冷却通道密封区域中，使得冷却通道向外密封。
[0006]“气体扩散层”在本发明的意义上包括传统的气体扩散层，但是也包括微孔层或泡沫状材料。所述反应流体输入区域和反应流体输出区域可以从燃料电池外部供给(外部歧管)或者可以集成在燃料电池的区域中、尤其是双极板的区域中(内部歧管)。密封材料的注入是有时间有效的方法，通过该方法密封线能快速地以特定的与要被覆盖的区域一致的高度被精确地施加，在同时考虑和局部补偿燃料电池部件的材料公差和制造公差的情况下。对本发明重要的注入密封材料的步骤可以类似地应用到燃料电池的所有气体扩散层或冷却通道上。因此以简单的经济的并且节省材料的方式提供具有非常高的流密性的燃料电池。
[0007]各从属权利要求包含本发明的有利的扩展方案和实施方案。
[0008]按照本发明的第一方法的一种有利的扩展方案，在至少一个双极板上设置至少一个包括至少一个冷却剂输入区域和至少一个冷却剂输出区域的冷却通道。该冷却通道可以设置在双极板两侧和/或集成在双极板中。该冷却通道用于引导冷却剂并且由此从燃料电池中运走热量。
[0009]按照本发明的第一方法的一种另外的有利的扩展方案规定，在具有带有至少一个冷却剂输入区域和至少一个冷却剂输出区域的冷却通道的双极板上，设置至少一个冷却通道密封区域，并且密封材料如此注入到双极板的至少一个冷却通道密封区域中，使得该冷却通道向外密封。因此，不仅气体扩散层被流密地密封，而且所述冷却通道也被流密地密封，这有效地防止冷却剂不期望的流出并且更可靠地允许燃料电池的运行。
[0010]—种有利的扩展方案规定，将密封材料注入到至少一个气体扩散层的反应流体密封区域上和/或注入到双极板的至少一个冷却通道密封区域上也包括:注入到气体扩散层的侧表面上和/或冷却通道的侧表面上。由此实现气体扩散层和/或冷却通道的尤其良好的密封。
[0011]进一步有利地规定，所述注入借由一个或多个设置在燃料电池的侧面的和/或至少部分装入到反应流体密封区域和/或冷却通道密封区域中的喷嘴进行。通过使用设置在侧面的喷嘴能够以高的精度、厚度和高度实现密封线。只要喷嘴被至少部分地装入到反应流体密封区域和/或冷却通道密封区域中，那么密封线就能更好地更简单地例如直接注射到气体扩散层的侧表面上，使得密封材料更少地到达双极板的易接近的边缘上，而是直接到达要被密封的引导流体的层上。
[0012]为了更均匀更完整地密封引导气体的层，喷嘴可在密封材料的注入期间被运动。尤其有利的是，喷嘴在此偏转或翻转并因此密封材料的注入角度变化。由此，难以接近的角落区域也能完整地均匀地被密封材料覆盖。此外，通过适当地选择注入角度可以使更多的材料注射到双极板的附近，这防止膜的压开和/或防止密封材料流到相邻通道中。
[0013]进一步有利的是，燃料电池在密封材料的注入期间的运动也有助于密封材料的更好更均匀的分布。燃料电池的运动也包括在喷嘴运动时燃料电池偏转或翻转并因此密封材料注入角度变化，由此密封材料到难以接近的角落区域的分布也得到简化。
[0014]按照一种有利的扩展方案，按照本发明的方法包括另外的步骤:干燥(凝固或硬化)密封材料，其中，燃料电池在干燥密封材料期间被压缩。压缩压力或压紧压力将燃料电池的各单层压实。由此产生公差补偿，方式为，密封材料由于作用的压力(在必要的地方)分布在侧面上。由此，以这种方式，密封线可以适配于实际的运行条件并且避免密封材料在高度上的过量。在此，压缩压力能有利地等于在燃料电池堆中存在的压力，但也能比在燃料电池堆中存在的压力更小或更大。
[0015]进一步有利的是，双极板具有至少一个压制部并且密封材料只注入在该压制部区域中。该压制部用作为密封材料的流出阻挡器并且将注入区域限定在预定的位置上。此外，也可因此在密封材料和双极板之间形成形状锁合的连接，这抑制密封件在机械作用时滑落。
[0016]为了减少燃料电池的制造时间，注入可在高压下进行，如在例如注塑中使用高压一样。但是在此为了不减弱气体扩散层的功能性，应该避免密封材料变形、压缩或渗入到气体扩散层中。因此，一种另外的有利的扩展方案规定，在至少一个气体扩散层的至少一个反应流体密封区域的侧表面的至少一部分上和/或在冷却通道的冷却剂密封区域的侧表面的至少一部分上安装阻隔层，该阻隔层在注入时防止密封材料渗入到气体扩散层或冷却通道中。该部分可尤其包括气体扩散层的整个反应流体密封区域或冷却通道的整个冷却剂密封区域。
[0017]尤其有利的