[发明专利]用于制造燃料电池的膜电极组件的方法

说明书

技术领域

本发明涉及膜电极组件(MEAs)的制造方法，其中形成密封部件以 可靠密封膜电极组件。

背景技术

燃料电池是将化学能转换为电能的能量转换器。在燃料电池中，将电 解原理逆转。此时，燃料(例如氢气)和氧化剂(例如氧气)在两个电极 上的分开的位置上转变成电流、水和热量。目前已知多种类型的燃料电池， 它们通常在操作温度上彼此互不相同。然而，在所有类型的燃料电池中， 电池的结构在原理上是相同的。它们通常包括：其上发生反应的两个电极， 即阳极和阴极；以及两个电极之间的电解质。就聚合物电解质膜燃料电池 (PEM燃料电池)而言，传导离子(具体为H⁺离子)的聚合物膜被用作 电解质。该电解质具有三项功能。它形成离子接触，阻止电接触，同时保 持供给电极的气体分开。通常向电极提供发生氧化还原反应的气体。电极 具有以下几项任务：引入气体(例如氢气或甲醇和氧气或空气)，去除诸 如水或二氧化碳这样的反应产物，催化反应原材料和去除或引入电子。化 学能到电能的转换发生于催化活性位置(例如铂)、离子导体(例如离子 交换聚合物)、电子导体(例如石墨)和气体(例如氢气和氧气)的三相 界面。对于催化剂而言，关键在于要有非常大的活性面积。

PEM燃料电池的核心是膜电极组件(MEA)，即一种具有居中设置 的膜的复合材料，其中在膜两侧覆盖可选地含有催化剂的电极，所述电极 又被覆盖气体扩散层(GDLs)，即该组件为一种5层复合材料。在燃料电 池中，MEA被装配在两个双极板之间。在被装入燃料电池之后，膜电极组 件在阳极侧接触燃料气体，在阴极侧接触氧化剂。聚合物电解质膜将燃料 气体和氧化剂各自所在的区域彼此隔开。为了防止燃料气体和氧化剂彼此 直接接触(这会引起爆炸反应)，必须确保在气体空间之间形成可靠密封。 因此必须具有防止沿膜边缘发生气体交换的密封理念。

在现有技术中存在多种密封理念，例如在WO 02/093669 A2或US 5,523,175A中公开的。例如，WO 98/33225 A1描述了一种方法，通过此方 法在膜电极组件的外围周围形成密封边缘，该密封边缘使膜与电极气密结 合、或者使电极彼此气密结合，且能够另外与双极板气密结合。此密封边 缘由密封剂(例如聚合物或聚合物的混合物)形成，其中所述密封剂在膜 电极组件的外围渗入电极的边缘区域以使得电极的孔隙基本被填满并且不 再允许气体通过。聚合物(优选低粘度的热塑性聚合物或者且可固化的液 体聚合物)可通过毛细作用渗入电极且随后发生固化，或者在恰当的情况 下可通过在合适的设备内施加必要压力(优选达到约200bar)和/或提高温 度将液体形式的(即熔化的、未固化的或者溶解于溶剂中的)聚合物和电 极压到一起，并且电极的孔隙通过这种方式被填满。

EP 1 018 177 B1涉及一种具有弹性整体密封部件的膜电极组件 (MEA)的制造方法，其中MEA被放置在具有开放通道的模具的内部。 可流体加工的电绝缘密封材料然后被引入模具。密封材料经通道被传送到 MEA的预期密封区域。这些通道另外用作模具表面，其用于形成一个或多 个凸起的肋条或加厚部分，并且使MEA的电极层的至少一部分在密封区 域受到密封材料的浸渍。此外，这些通道用于传送密封材料以使密封材料 侧向延伸超出膜电极结构并且包围膜电极结构的边缘区域。密封材料发生 固化以形成弹性整体密封部件，其另外包括至少一个或多个凸起的肋条或 加厚部分。接着可将MEA从模具中取出。

WO 2005/008818 A2提供了另一种为MEA形成密封部件的方法。此 处，在电极与膜外围邻接的区域中，电极区域涂有渗入其中的表面活性剂， 并且环绕MEA的边缘区域外围给所述边缘区域涂上可固化的密封剂。密 封剂从所述边缘区域渗入涂有表面活性剂的电极区域。表面活性剂显著提 高了用其处理过的区域中的润湿性，且因此有助于密封剂的施加并且改善 了它的粘性。

然而，现有技术公开的这些方法常常具有以下缺点：即它们不适合用 于简单有效的批量生产。所提出的这些方法通常要间断较长的等待时间， 并且/或者是非常复杂的多阶段方法。

发明内容

因此，本发明的目的是避免现有技术、具体是膜电极组件的制造过程 中的这些缺点，确保形成可靠密封，同时制造简单且有效。多个膜电极组 件的制造过程的连续性将得到改善。