[发明专利]制造电化学电池的方法

说明书

本发明涉及制造电化学电池的新方法，尤其是制造用于电解池、电化学压缩机的电化学电池的新方法，和涉及制造用于燃料电池和燃料电池堆的单电池的新方法，以及制造该目的所需要的部件和半制成零件的新方法。

电化学电池，尤其是燃料电池，已经被认知很长时间了，并代表了环境友好的电能和热源。尽管燃料电池的开发已经取得良好的进展，而且市场上可买到最初的原型机和小的系列产品，但燃料电池的制造，尤其是用于燃料电池和燃料电池堆的单电池的制造仍面临巨大的挑战。目前选择的制造方法适合于工业运作，但需改进才能用于大规模生产，尤其是实现计划的成本目的。由于燃料电池是复杂的多参数体系，必须精确地调整需要的部件和它们的制造。

现在，几乎唯一使用磺酸改性的聚合物作为聚合物电解质膜(PEM)燃料电池中的质子传导膜。本发明中，主要使用全氟聚合物。来自DuPont de Nemours，Willmington，USA的Nafion^TM是该类型的典型的例子。为实现质子的传导，在该膜中需要相对高的水含量，通常每个磺酸基团达到4-20个水分子。所需要的水含量，以及与酸性水和反应气体氢和氧连同聚合物的稳定性，将PEM燃料电池堆的工作温度限制到80-100℃。在不降低燃料电池性能的情况下，不能实现较高的操作温度。对于给定的压力水平，在高于水露点的温度下，由于该膜的电阻增加到如此高的值以致于不再有明显的电流，该膜完全干燥，燃料电池不再提供电能。

如果聚合物电解质膜同时分别包括催化剂或电极，则称为膜电极组件(MEA)。基于以上所述技术的MEA例如描述于US 5,464,700中。

然而，由于体系特定的原因，希望该燃料电池的操作温度高于100℃。包含于该膜电极组件(MEA)中基于贵金属的催化剂的活性在高操作温度下有明显提高。

特别是使用来自烃的所谓的重整产品时，该转化器气体包含相当大量的一氧化碳，所述的一氧化碳通常必须通过精细的气体处理或气体净化过程除去。该催化剂对CO杂质的耐受度在高操作温度下增强。

此外，在燃料电池运行期间产生热量。然而，将这些体系冷却到低于80℃是非常复杂的。取决于功率输出，可以异常简单地建造该冷却装置。这意味着在操作温度高于100℃时，燃料电池体系中的废热能被显著更好地利用，从而提高该燃料电池体系的效率。

通常，为达到这些温度，使用具有新的传导机制的膜。为此目的的一种方法是使用在没有水的情况下显示离子传导性的膜。在这个方向第一个有希望的开发公开在文件WO96/13872中。

其他的高温燃料电池公开在JP-A-2001-196082和DE 10235360中，其中专门研究了电极膜部件的密封系统。

通常，聚合物电极的膜或MEA分别具有10-1000μm，优选10-500μm的厚度。这意味着膜或MEA是极其松软的，因此在装配期间会出现操作问题。为克服这些问题，通常将它们嵌入框架中，此外给所述的框架提供定位设备。为制造用于燃料电池或堆的单电池，如上提及的膜电极组件通常与平面双极板连接，所述的双极板包括用于气流的导管，所述的导管被碾压、模压或压花到板中，即流场通道中。

用于制造燃料电池或堆的单电池的具有一体化流场通道的双极板已经被认知很长时间了。然而，当安装该双极板时，提供足够的气体/介质密封性很重要。为此目的，借助于朝向气体扩散层(GDL)或气体扩散电极(GDE)(参见，DE102005046461)背面的有时被称为专门的框(参见EP-1437780)的衬垫密封该双极板。

密封朝向气体扩散层或气体扩散电极的双极板的另外的方法是在建造过程中已经将双极板部件设计为衬垫(参见，EP-A-1612877和EP-A-0774794)或将衬垫设计为气体扩散层不可分割的部分。这种解决方案描述于EP-A-1296394中。在该方法中，液体密封材料穿越气体扩散层的边界区域并在随后的步骤中固化。

上述的衬垫或专门的框，分别提供双极板和MEA之间的密封，并局部地增加GDL/GDE周围的厚度。通常，使用相对硬的材料例如聚四氟乙烯以达到该目的。为改进它们的密封特性，分别在该衬垫或框上提供另外的弹性衬垫。在随后的制造用于燃料电池或堆的单电池时，将阵列用螺丝钉拧在一起，从而密封。