CN101454933A - 用于制造燃料电池的膜电极组件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种制造用于燃料电池的膜电极组件的方法，其包括以下加工步骤：A)在支撑件上形成至少一个多层区，其中所述至少一个多层区包括至少一个电极层和至少一个膜层，并且以所述至少一个多层区被支撑件上的通道包围的方式将所述至少一个多层区施加在支撑件上，所述通道至少在一侧上受到所述至少一个多层区的边缘的限定，以及B)将可流动并且可固化的密封材料引入所述通道，密封材料在此散布以形成包围所述至少一个多层区的边缘的密封部件。

Description

用于制造燃料电池的膜电极组件的方法
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US5,523,175A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。
根据本发明，此目标通过制造用于燃料电池的膜电极组件的方法来实现，所述方法包括以下加工步骤：
A)在支撑件上形成至少一个多层区，其中所述至少一个多层区包括至少一个电极层和至少一个膜层，并且以所述至少一个多层区被支撑件上的通道包围的方式将所述至少一个多层区施加在支撑件上，所述通道至少在一侧上受到所述至少一个多层区的边缘的限定，以及
B)将可流动并且可固化的密封材料引入通道，密封材料在此散布以形成包围所述至少一个多层区的边缘的密封部件。
所述多层区包括至少两个叠加层，特别优选地包括电极层和膜层。然而，在本发明的方法中，所述多层区还可以包括待密封的膜电极组件的各层中的大多数或者全部，例如阳极层、膜层和阴极层或第一气体扩散层、阳极层、膜层、阴极层和第二气体扩散层。
在本发明中，电极层包括一种或多种电催化剂。它优选包括诸如炭黑或石墨的载体材料和一种或多种电催化剂。在合适的情况下，它可以包括另外的组分，例如离子交联聚合物。膜层包括聚合物电解质材料。通常使用具有酸基、特别是磺酸基的四氟乙烯-氟乙烯基醚共聚物。这种材料在市场上有售，例如由E.l.Dupont以的商标名进行销售的。可用于本发明的膜材料的实例为下列聚合物材料和其混合物：
Figure A200780019428D00071
(DuPont；USA)
-全氟化和/或部分氟化的聚合物，诸如“Dow ExperimentalMembrane”(Dow Chemicals，USA)
Figure A200780019428D00072
(Asahi Chemicals，Japan)
-Raipore R-1010(Pall Rai Manufacturing Co.，USA)
-Flemion(Asahi Glass，Japan)
Figure A200780019428D00073
(Chlorine Engineering Corp.，Japan)
然而，也可以使用其它的、尤其是基本无氟的膜材料，例如磺化酚醛树脂(线性或交联的)、磺化聚苯乙烯(线性或交联的)、磺化聚2，6-二苯基-1，4-亚苯基氧化物、磺化聚芳基醚砜、磺化聚芳撑醚砜、磺化聚芳基醚酮、膦酸化聚2，6-二甲基-1，4-亚苯基氧化物、磺化聚醚酮、磺化聚醚醚酮、芳基酮或者聚苯并咪唑。
另外，可以使用包含以下组分(或其混合物)的聚合物材料：聚苯并咪唑磷酸、磺化聚亚苯基、磺化聚苯硫和聚合物-SO3X(X＝NH4 +、NH3R+、NH2R2 +、NHR3 +、NR4 +)型的聚合磺酸。
在本发明的方法中，多层区优选通过以下步骤形成，即：将膜层区施加到支撑层上，随后将电极层区施加到膜层区上。支撑层优选采用支撑薄膜，尤其是由以下材料组成的薄膜：聚酯、聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚四氟乙烯(PTEF)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)、聚碳酸酯、聚酰胺、聚酰亚胺、聚氨基甲酸酯或类似膜材料。支撑层的厚度优选在10至250μm的范围内，特别优选在90至110μm的范围内。
将膜层区施加到支撑件上是用本领域技术人员公知的方法来实现的，例如使用刮涂、喷涂、浇注、压制或者挤压法。随后要对膜层区进行干燥。将电极层区施加到膜层区上同样可以用本领域技术人员公知的方法来实现。例如，可给膜层区涂覆含催化剂的墨汁。这种墨汁是含有电催化剂并且大部分为液体或者可能为浆状的溶液。其通过例如印刷、喷涂、刮涂或者辊涂的方式被施加到膜层区的所有或者部分面积上。随后要对电极层区进行干燥。
适用于多层区的各层的干燥方法为例如热空气干燥、红外线干燥、微波干燥、等离子体处理或者这些方法的组合。
通过本发明的方法形成的多层区还可包括其它层，例如气体扩散层。
根据本发明的支撑件优选为平面支撑件，其中多层区被施加在平表面上。
根据本发明，在支撑件上，通道沿多层区的外围包围多层区，其中通道至少在一侧上受到多层区边缘的限定。在上下文中，通道为待引入的密封材料的预设流动路径，其沿着多层区延伸并且深度至少与多层区的厚度相当。通道可以例如一侧受第一多层区的边缘(边缘面)限定，而另一侧受第二多层区的边缘(边缘面)限定，同时其底侧由支撑件形成且顶部开口。然而，通道也可以仅在一侧受到多层区的限定，且另外受到支撑件上的至少一个其它定界元件的限定。
根据本发明，可流动并且可固化的密封材料被引入通道中。可流动的密封材料在通道中散布(自组织作用)，且优选地均匀填充这些通道。优选地，密封材料结合在限定通道的多层区边缘上，从而形成包围所述至少一个多层区的边缘的密封部件。密封材料可以例如被倾注到通道内，或者可以通过本领域技术人员公知的任何其它方法引入通道。具体地，在本发明方法的最后时刻形成的弹性密封部件无间隙地包围电极层和膜层，同时通过利用自组织作用而无需对密封材料进行精确和因此复杂的定位。密封材料优选粘附在膜材料上。
用于本发明方法的密封材料优选采用聚合物材料，尤其是聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺、环氧树脂、硅氧烷、Teflon(分散剂)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚砜、聚醚醚酮(PEEK)、可紫外光固化和热固化的丙烯酸酯或聚酯树脂。
密封材料优选能很好地粘附在膜电极组件材料、尤其是膜层材料上的材料。例如，密封材料可采用DE 199 26 027 A1所公开的熔融粘合剂，其包括用于与聚合物电解质膜的离子基团形成表面相互作用且因此形成强粘合作用的离子或者强极性基团。
在将密封材料引入通道之后，例如通过干燥、交联(例如借助UV辐射光)或冷却等方式使其固化。
在本发明的优选实施例中，所述至少一个多层区形成为所述至少一个电极层和所述至少一个膜层在边缘上平齐，或者膜层比电极层大。特别优选的是膜层比电极层大。这样具有以下优点，即：在将电极层区施加到膜层区上时，不需要对电极层区进行非常精确的定位。然而，膜层区应伸出与之结合的电极层区。其中，这具有以下优点，即：膜层可靠地使该电极层与设在膜层另一侧的另一电极层电绝缘。此外，密封材料可在膜层的边缘上与伸出区域粘合。
根据本发明，可以在引入密封材料之前在边缘区域上施加润湿改进剂，所述改进剂改善将施加到边缘区域的密封材料对多层区的润湿性。例如，这种润湿改进剂为所用密封材料的溶剂，通过它使多层区的边缘区域润湿。另一种可能的润湿改进剂例如是WO2005/008818 A2所描述的表面活性剂，具体是氟化的表面活性剂。经表面活性剂处理过的区域的润湿性显著增大。这有助于施加密封材料，并且改善了密封材料的粘性。
在本发明方法的优选实施例中，密封材料在通道内散布，并且额外地被引入通道区域中的气体扩散层的孔隙内。气体扩散层具有透气性并且多孔，其在PEM燃料电池中用于将反应气体传送到聚合物电解质膜附近。
根据本发明，气体扩散层可以例如与支撑薄膜共同形成支撑件，在所述支撑件上设有至少一个多层区，例如包括电极层和膜层的多层区。多层区与沿气体扩散层上的多层区延伸的通道邻接。然而，该气体扩散层也可以以作为多层区的一部分的气体扩散层区的形式存在，其中气体扩散层区的边缘(与多层区的其它层的边缘一样)在一侧受到根据本发明填充有密封材料的通道的限定。因为密封材料能够渗入气体扩散层的孔隙(由于毛细作用)从而使得气体扩散层在此区域中浸有密封材料，因此形成这样的密封部件，其伸出多层区边缘，而且包围气体扩散层并且至少在子区域中基本渗透该气体扩散层。
在本发明的优选实施例中，本发明的方法包括以下步骤：
i)在各种情况下，通过在包括气体扩散层和支撑层的支撑件上形成包括膜层和电极层的多层区、并且将密封材料引入包围多层区的通道来形成至少两个半膜电极组件(半MEA)；以及
ii)通过两个半膜电极组件(半MEA)的膜层的结合将两个半膜电极组件(半MEA)结合在一起，从而得到膜电极组件。
在此方法中，膜电极组件(包括至少5层，即气体扩散层、电极、膜、电极、气体扩散层)由两个半膜电极组件(半MEA)(包括至少3层，即气体扩散层、电极、膜)形成。此时，通过本发明的方法在各个半MEA上形成的密封部件共同形成膜电极组件的密封部件。
两个半MEA的膜层的这种结合可用本领域技术人员熟悉的方法来实现，例如采用热压、层压、借助额外施加溶剂所进行的层压或者超声波焊接。优选，例如利用层压滚筒借助加热和/或加压进行压制实现所述结合。温度优选在60℃至250℃的范围内，压力优选在0.1至100bar的范围内。当两个半MEA被结合在一起时，由两个膜层形成完整的膜层，该完整的膜层一侧具有阳极层和气体扩散层，另一侧具有阴极层和气体扩散层。当这些半MEA相连接时，两个半MEA的密封部件也会结合在一起从而形成完整的密封部件，或者在所得到的膜电极组件中至少以气密的方式紧接。
在本发明的实施例中形成多个多层区，所述多个多层区：
a)每个在包括支撑层和气体扩散层的共同支撑件上包括膜层和电极层；或者
b)每个在包括支撑层的共同支撑件上包括膜层、电极层和气体扩散层，
并且通过通道相互隔开。在情况a)中，气体扩散层为支撑件的一部分，而在情况b)中，它为多层区的一部分。在本发明方法的这个实施例中，相邻的多层区在侧向对这些通道进行限定，并且在情况a)中，气体扩散层的一部分形成通道的底部，而在情况b)中，支撑层的一部分形成通道的底部。
在本发明的实施例中，在支撑件上施加有至少一个附加定界元件，其在一侧上对通道中的至少一个进行限定。例如，定界元件可以是与多层区边缘相隔一定距离并且与之平行地延伸的定界条带。例如，定界元件可以是用与膜层相同的材料并且与之在同一工作步骤中形成的。它们的厚度应至少与多层区的厚度相当。
在本发明中，多层区优选为4边形，特别优选为方形或者矩形。
其中，根据本发明的制造膜电极组件的方法具有以下优点，即：能够实现为相对简单、廉价的连续卷绕式(roll-to-roll)过程。例如，为此目的，支撑层和气体扩散层(在恰当的情况下)在各种情况下均以滚筒上的条带的形式存在。通过这种方式形成的半MEA同样可以被卷绕在滚筒上。本发明方法的所有工作步骤都可以与连续卷绕过程相结合。特别地，密封材料通过自组织作用在多层区之间的通道中的分布使得不再需要现有技术中为插入或定位密封部件或者为了引入或移离模具而常常不可避免的不连续过程。
在优选实施例中，用浇注设备将密封材料倾注到通道中，其中浇注设备连续传送密封材料或者周期性地传送特定数量的密封材料。此实施例同样能够实现连续卷绕过程。此时，例如，具有多层区和包围多层区的通道的支撑条带可在浇注设备下方均匀地运动。此时，可通过沿固定方向连续传送密封材料的浇注设备给条带纵向方向(运输方向)上的通道填充密封材料。可通过沿横向方向旋转的窄浇注设备或者通过周期性传送密封材料的固定的宽浇注设备给垂直于条带运输方向延伸的通道填充密封材料。
在本发明的优选实施例中，在支撑件上形成多个彼此隔开的多层区的连续过程通过以下步骤来实现：将具有四边形形状的多个膜层区施加到条状的第一支撑层上，将电极层区施加到各个膜层区上，将条状的气体扩散层作为闭合层结合在电极层区上，将条状的第二支撑层施加到气体扩散层上并且将条状的第一支撑层从多层区移走。根据本发明，在翻转所得到的层结构以使条状的第二支撑层位于底侧而膜层区位于顶侧之后，从顶部将密封材料引入通道内，密封材料然后在通道内散布(优选形成均匀分布)。
至少通过密封部件相互结合的多个膜电极组件优选以这种方式形成，并且可以通过贯穿切割所述密封部件将它们分开。如果密封部件延伸于两个膜电极组件之间，则例如可以从中间对其进行贯穿切割以便在各种情况下膜电极组件均拥有一半密封部件。
附图说明
下面借助附图举例说明本发明。
图1A和1B示出了根据本发明方法的膜电极组件制造过程中的具有多个膜层区和定界条带的第一支撑层；
图2A和2B示出了根据本发明方法的膜电极组件制造过程中的具有多个包括膜层和电极层的多层区的第一支撑层；
图3A和3B示出了根据本发明方法的膜电极组件制造过程中的以层的形式设置在多层区上的气体扩散层；
图4A和4B示出了根据本发明方法的膜电极组件制造过程中的气体扩散层上的第二支撑层；
图5A和5B示出了根据本发明方法的膜电极组件制造过程中的包括气体扩散层和第二支撑层的支撑件上的包括电极层和膜层的多层区；
图6A和6B示出了根据本发明方法的膜电极组件制造过程中的分布于通道内的密封材料；
图7A和7B示出了根据本发明方法的膜电极组件制造过程中的在相互结合的多个半MEA上面的第三支撑层；
图8A和8B示出了根据本发明方法的膜电极组件制造过程中的无第三支撑层的互相结合的多个半MEA；
图9A和9B示出了根据本发明方法的制造过程中的在半MEA的膜层进行结合之后相互结合的多个膜电极组件；
图10A和10B示出了根据本发明方法的制造过程中的用于分割膜电极组件的切割线；
图11示意性地示出了制造如图1A-4B所示的根据本发明制造的膜电极组件的中间产物的卷绕过程；
图12示意性地示出了制造如图5A-7B所示的半MEA的卷绕过程；
图13示意性地示出了制造如图8A-9B所示的膜电极组件的卷绕过程；以及
图14示出了包括根据本发明的方法制造的膜电极组件的燃料电池结构的实施例。
具体实施方式
图1A示出了根据本发明的膜电极组件的制造过程中的第一中间产物。
为形成此中间产物，将膜层区1和条状的定界元件2施加到第一支撑层3上。为此，在各种情况下膜层材料(例如sPEEK浇铸溶液-磺化聚苯醚酮)均以膜层区1那样的矩形形状被浇注到支撑膜(例如PET)上。
可通过三个彼此平行且隔开的宽浇注设备(未示出)的周期性浇注和停止来实现膜层区1的浇注。
而且向第一支撑层3施加条状的定界元件(例如同样由sPEEK形成)，这些定界元件沿着第一支撑层的纵向方向延伸并且比膜层区1厚。在将膜层区1和定界元件2施加在第一支撑层3上之后，必须对它们进行干燥。
图1B示出了图1A的中间产物的横截面图。
图2A示出了根据本发明的膜电极组件的制造过程中的第二中间产物。
为形成此中间产物，例如通过间断的刮涂或者通过丝网印刷将电极层区4施加到第一支撑层3上的膜层区1上。图2A所示的电极层区4为矩形并且比膜层区1小，以致于膜层区1伸出电极层区4。电极层区4在被施加到膜层区1上之后被干燥。
图2B示出了图2A的中间产物的横截面图。
图3A示出了根据本发明的膜电极组件的制造过程中的第三中间产物。
为形成此中间产物，将气体扩散层5整层地层压在电极层区4上。气体扩散层5覆盖所有的电极层区4和条状的定界元件2。
图3B示出了图3A的中间产物的横截面图。
图4A示出了根据本发明的膜电极组件的制造过程中的第四中间产物。
为形成此中间产物，将第二支撑层6(例如由PET形成)疏松地铺放在气体扩散层5上。第二支撑层6覆盖整个气体扩散层5。
图4B示出了图4A的中间产物的横截面图。
图5A示出了根据本发明的膜电极组件的制造过程中的第五中间产物。
为形成此中间产物，翻转图4A和4B所示的第四中间产物，并且除去第一支撑层3。于是剩下包括第二支撑膜6和气体扩散层5的支撑件7，并且定界元件2和包括电极层4和膜层1的多层区8施加在支撑件7上。定界元件2的朝内的边缘和多层区的边缘9限定出多个通道12，这些通道12位于气体扩散层5上并且沿着纵向方向10和横向方向11延伸。略大些的膜层区1于是设在略小些的电极层区4的顶部。
图5B示出了图5A的中间产物的横截面图。
图6A示出了根据本发明的膜电极组件的制造过程中的第六中间产物(半MEA)。
为形成此中间产物，根据本发明将可流动且可固化的密封材料13引入通道12，密封材料13在通道12中形成均匀分布。在支撑件7沿纵向方向10移动的情况下，可借助单独的浇注设备或者其它馈入技术将流体密封材料13引入纵向方向10上的通道12。为了将密封材料13引入沿横向方向11延伸的通道，可以使用例如来回运动的间歇(周期性)操作的浇注设备或者馈入装置。由于利用了自组织作用，因此不必将密封材料13精确对齐。
密封材料13流入通道，而且浸湿膜层区1的底侧的伸出电极层区4的边缘区域。此外，密封液体13通过被引入气体扩散层5的孔隙而渗入通道区域12中的气体扩散层5。在图6B中，用参考数字14指示气体扩散层5的被渗透区域。密封材料13随后凝固(例如通过干燥、交联或者冷却等方式)。这样形成了弹性密封部件，其无间隙地包围各自的半MEA的电极层区4和膜层区1，而无需精确且因此费力的定位。
图6B示出了图6A的中间产物的横截面图。
图7A示出了覆盖有第三支撑层的图6A的中间产物。
如果要卷绕或者层叠图6A的中间产物(例如为了临时储存)，则通过覆盖第三支撑层15对其进行保护，而且所述第三支撑层15要再次去除以便实施进一步加工(参见图8A和8B-对应图6A和6B的中间产物)。
图7B示出了图7A的中间产物的横截面图。
图9A示出了根据本发明的膜电极组件的制造过程中的第七中间产物。
为形成此中间产物，两个半MEA通过将它们的膜层区16、17结合在一起而彼此结合，从而形成膜电极组件。在各种情况下，膜层区16、17均结合形成完整的膜18。所获得的中间产物为其中包括通过密封材料13保持在一起的5层膜电极组件25(第一气体扩散层19、第一电极层20、膜18、第二电极层21和第二气体扩散层22)且位于两支撑层23、24之间的层结构。
图9B示出了图9A的中间产物的横截面图。
为了将膜电极组件25分开，可沿在图10A和10B中画出的切割线26贯穿切割(优选居中地)密封材料13。这样得到多个单独的膜电极组件，其中膜和电极在外部边缘周围被密封材料13完全包围。如果密封材料13已经额外渗入气体扩散层，则膜电极组件的所有5个层均在边缘处得到密封。当膜电极组件被装在两个双极板之间时，燃料电池的两个气体空间因此以气密的方式相互隔开。
图11示意性地示出了制造图1A-4B的中间产物的连续卷绕过程。
在沿运输方向36进行的这种卷绕过程中，第一滚筒27提供第一支撑层3作为卷绕材料。第一浇注设备28将由膜材料29(例如sPEEK)形成的膜层区浇注在沿运输方向36移动的第一支撑层3上，以便获得图1A和1B的中间产物。第二浇注设备30将由电极材料31形成的电极层区浇注在已沿运输方向36进一步移动的膜层区上，以便获得图2A和2B的中间产物。气体扩散层5从第二滚筒32上展开作为卷绕材料，且被层叠在已沿运输方向36进一步移动的电极层区上，以便获得图3A和3B的中间产物。第二支撑层6从第三滚筒33上展开作为卷绕材料，且被铺放在已沿运输方向36进一步移动的气体扩散层5上，以便获得图4A和4B的中间产物。如图11所示，通过这种方式获得的条状的第一MEA中间产物34被卷绕在第四滚筒35上，或者直接进行进一步处理。
图12示意性地示出了制造图5A-7B的中间产物的连续卷绕过程。
在此卷绕过程中，在图11所示的过程中获得的第一MEA中间产物34沿着运输方向36从已回转的第四滚筒35上展开，因此此时第一支撑层3位于上侧。第一支撑层3通过被卷绕在第五滚筒37上而从第一MEA中间产物34除去，以便获得图5A和5B的中间产物。通过第三浇注设备38将密封材料13引入位于条状支撑件7上的由电极材料31和膜材料29形成的多层区之间的通道内，其中支撑件7包括第二支撑层6和气体扩散层5，并且沿运输方向36运动。通过这种方式获得如图6A和6B所示的中间产物(条状并且有粘性的半MEA40)。第三支撑层15从第六滚筒39上展开作为卷绕材料，并且被铺放在已沿运输方向36进一步移动的半MEA40上，以便获得图7A和7B的中间产物。如图12所示，通过这种方式获得的条状并且有粘性的半MEA40被卷绕在第七滚筒41上，或者直接进行进一步处理。
图13示意性地示出了制造图8A-9B的膜电极组件的连续卷绕过程。
在各种情况下，将第三支撑层15从相对的两个包含半MEA40的滚筒42、43(其类似于图12中的第七滚筒41)上移出，并且卷绕在另外两个滚筒44、45上。剩下的如图8A和8B所示的半MEA40沿着运输方向36从相对的两个滚筒42、43上展开，从而使得这两个半MEA的由膜材料29形成的膜层区彼此面对。这两个半MEA40然后彼此结合以获得如图9A和9B所示的结合而成的条状膜电极组件46。膜电极组件46具有以下层顺序：第一气体扩散层19、第一电极层20、完整的膜48、第二电极层21和第二气体扩散层22。结合的条状膜电极组件46可通过支撑层48、49卷绕在存储滚筒47上，或者借助切割设备(未示出)分割。
图14示出了包括通过本发明的方法制造出的膜电极组件的燃料电池结构的实施例的示意性横截面图。
膜电极组件50包括5个层，即：第一气体扩散层19、第一电极层20、膜18、第二电极层21和第二气体扩散层22。膜18比电极层20、21大，并且伸出电极层20、21。膜电极组件50还包括环绕膜电极组件外围的密封部件51。通过将可流动的密封材料引入通道形成密封部件51，其中这些通道在一侧受到电极层20、21和包含在膜18内的膜层的边缘52限定，且密封材料在通道中通过自组织作用散布。因此，密封部件无间隙地与边缘52结合。此外，密封材料被引入气体扩散层19、22的孔隙内，从而形成浸有密封材料的区域53。因此，密封部件51在膜电极组件50的整个厚度上延伸。膜电极组件50被设置在两个双极板54、55之间以完成燃料电池结构。在燃料电池堆(未示出)中，按照以一个放在另一个的顶端上的电顺序堆叠多个电池，其中这些电池通过标记为双极板54、55的不可渗透的导电双极板彼此隔开。双极板54、55与电池机械和电性相连。由于单个电池的电压在1V的范围内，因此在实际应用中必须串联连接大量的电池。通常要以一个放在另一个的顶端上的方式堆叠多达400个电池，这些电池由双极板54、55隔开。以一个放在另一个的顶端上的方式堆叠这些电池以便一个电池的氧气侧通过双极板54、55与下一个电池的氢气侧相连。双极板54、55因此执行多项功能。它用于电连接电池，供应且分配反应物(反应气体)和冷却剂，以及隔开气体空间。燃料电池的两个气体空间通过装在两个双极板54、55之间的膜电极组件50的密封部件51以气密的方式彼此隔开。
参考数字表
1    膜层区
2    定界元件
3    第一支撑层
4    电极层区
5    气体扩散层
6    第二支撑层
7    支撑件
8    多层区
9    边缘
10   纵向方向
11   横向方向
12   通道
13   密封材料
14   受到浸渍的区域
15   第三支撑层
16   第一膜层区
17   第二膜层区
18   完整的膜
19   第一气体扩散层
20   第一电极层
21   第二电极层
22   第二气体扩散层
23   上支撑层
24   下支撑层
25   膜电极组件
26   切割线
27   第一滚筒
28   第一浇注设备
29   膜材料
30   第二浇注设备
31   电极材料
32   第二滚筒
33   第三滚筒
34   第一MEA中间产物
35   第四滚筒
36   运输方向
37   第五滚筒
38   第三浇注设备
39   第六滚筒
40   半MEA
41   第七滚筒
42   第八滚筒
43   第九滚筒
44   第十滚筒
45   第十一滚筒
46   膜电极组件
47   存储滚筒
48   支撑层
49   支撑层
50   膜电极组件
51   密封部件
52   边缘
53   受到浸渍的区域
54   第一双极板
55   第二双极板

Claims (10)

1.一种制造用于燃料电池的膜电极组件的方法，其包括以下加工步骤：
A)在支撑件上形成至少一个多层区，其中所述至少一个多层区包括至少一个电极层和至少一个膜层，并且以所述至少一个多层区被支撑件上的通道包围的方式将所述至少一个多层区施加在支撑件上，所述通道的至少一侧由所述至少一个多层区的边缘限定，以及
B)将可流动并且可固化的密封材料引入所述通道，所述密封材料在所述通道中散布以形成包围所述至少一个多层区的边缘的密封部件。
2.如权利要求1所述的方法，其中：所述至少一个多层区形成为所述至少一个电极层和所述至少一个膜层在边缘上平齐，或者所述膜层比所述电极层大。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中：在引入密封材料之前在边缘区域上施加润湿改进剂，所述改进剂改善所述密封材料对所述多层区的边缘的润湿性。
4.如权利要求1-3中任一项所述的方法，其中：在所述通道内散布的密封材料还被引入所述通道的区域中的气体扩散层的孔隙内。
5.如权利要求1-4中任一项所述的方法，其中：
i)在各种情况下，通过在包括气体扩散层和支撑层的支撑件上形成包括膜层和电极层的多层区、并且将密封材料引入包围所述多层区的通道内，而形成至少两个半膜电极组件；以及
ii)通过结合两个半膜电极组件的膜层将这两个半膜电极组件结合在一起，从而得到膜电极组件。
6.如权利要求1-5中任一项所述的方法，其中形成多个多层区，所述多个多层区
a)每个在包括支撑层和气体扩散层的共同支撑件上包括膜层和电极层；或者
b)每个在包括支撑层的共同支撑件上包括膜层、电极层和气体扩散层，
并且通过通道相互隔开。
7.如权利要求1-6中任一项所述的方法，其中：在支撑件上施加有至少一个附加定界元件，所述定界元件在一侧上对通道中的至少一个进行限定。
8.如权利要求1-7中任一项所述的方法，其中：用浇注设备将密封材料倾注到通道中，其中所述浇注设备连续传送密封材料或者周期性地传送特定量的密封材料。
9.如权利要求1-8中任一项所述的方法，其中：在将多个相互隔开的多层区形成于支撑件上的连续过程中，具有四边形形状的多个膜层区被施加到条状的第一支撑层上，电极层区被施加到各个膜层区上，条状的气体扩散层作为闭合层被结合在电极层区上，条状的第二支撑层被施加到气体扩散层上，并且从所述多层区除去所述条状的第一支撑层。
10.如权利要求1-9中任一项所述的方法，其中：形成多个膜电极组件，所述多个膜电极组件至少通过密封部件以条状方式相互结合，并且通过贯穿切割所述密封部件将所述多个膜电极组件分开。
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