CN101553946A - 生产膜电极组件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种生产包括阳极催化剂层(13)、聚合物电解质膜(1)和阴极催化剂层(14)的膜电极组件的方法，并涉及一种包含该膜电极组件的燃料电池。本发明方法包括以下步骤：将由可UV固化材料制成的第一边界(17)施加至聚合物电解质膜(1)上，其中聚合物电解质膜(1)的内部区域(16)保持不含可UV固化材料；施加催化剂层(2)，其覆盖聚合物电解质膜(1)的内部区域(16)并且与第一边界(17)交叠；将由可UV固化材料制成的第二边界(18)施加至第一边界(17)上，其中第二边界(18)环绕催化剂层(2)；将由可UV固化材料制成的第三边界(19)施加至第二边界(18)上，其中第三边界(19)与催化剂层(2)交叠；并利用UV辐射照射第一、第二和第三边界(17，18，19)。

Description

生产膜电极组件的方法
本发明涉及一种生产包含阳极催化剂层、聚合物电解质膜和阴极催化剂层的膜电极组件的方法并涉及一种包括该膜电极组件的燃料电池。
燃料电池是将化学能转化为电能的能量转换器。在燃料电池中，电解的原理是相反的。此处，燃料(例如氢)和氧化剂(例如氧)在物理分隔的地方在两个电极上转化为电能、水和热量。如今已知多种通常因操作温度不同而彼此不同的燃料电池。然而所有类型电池的结构原则上是相同的。它们通常包括两个电极(在上面进行反应)即阳极和阴极及两个电极之间的电解质。对于聚合物电解质膜燃料电池(PEM燃料电池)，将传导离子(特别是H+)的聚合物膜用作电解质。电解质具有三种功能。其建立离子接触，防止电子接触以及确保供应到电极的气体彼此分离。通常向电极供应进行氧化还原反应的气体。电极具有供入气体(例如氢气或甲醇和氧气或空气)、排出反应产物如水或CO2、催化原料反应并供应或导走电子的任务。化学能向电能的转化在催化活性位(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H2和O2)的三相界面处进行。重要的是催化剂具有非常大的活性区域。
PEM燃料电池的关键部分是在两侧都涂有催化剂的聚合物电解质膜(CCM＝催化剂涂覆膜)或膜电极组件(MEA)。本文中催化剂涂覆膜(CCM)为三层聚合物电解质膜，其在两侧都涂有催化剂并且包括在膜层一侧的阳极催化剂外层、中央膜层以及在膜层的与阳极催化剂外层相反一侧的阴极催化剂外层。膜层包括质子传导聚合物材料，其在下文称作离子交联聚合物。催化剂层包括催化阳极或阴极处各自的反应(例如氢气的氧化、氧气的还原)的催化活性组分。作为催化活性组分，优选使用元素周期表中的铂族金属。
膜电极组件包括在两侧都涂覆有催化剂的聚合物电解质膜和至少一个气体扩散层(GDL)。气体扩散层用于向催化剂层供应气体并导走电池电流。
膜电极组件在现有技术中是已知的，例如在WO 2005/006473A2中。其中所述膜电极组件包括具有前侧和后侧的离子传导膜，在前侧上具有第一催化剂层和第一气体扩散层，在后侧上具有第二催化剂层和第二气体扩散层，第一气体扩散层具有比离子传导膜小的平面尺寸，第二气体扩散层具有与离子传导膜基本相同的平面尺寸。
WO 00/10216A1涉及一种包括具有中央区域和外围区域的聚合物电解质膜的膜电极组件。电极位于聚合物电解质膜的中央区域和部分外围区域之上。在聚合物电解质膜的外围区域上设置有下部封接使得其还可以延伸到延入聚合物电解质膜外围区域的电极部分，并且至少部分地在下部封接上设置进一步的封接。
WO 2006/041677A1涉及一种具有包括聚合物电解质膜、气体扩散层和位于聚合物电解质膜与气体扩散层之间的催化剂层的结构单元的膜电极组件。在一个或多个结构单元构成部分之上设置有封接元件，气体扩散层的外缘与封接元件交叠。封接元件包括可原位沉积并固化的材料层。
本领域技术人员已知许多生产膜电极组件的方法。例如，US 6,500,217B1描述了向连续的聚合物电解质膜带上施加电极层的方法。此处，使用包含电催化剂的墨水在膜的前侧和后侧按照所需的图案连续印刷电极层，印刷后立即在高温下干燥所印刷的电极层，其中在保持前侧和后侧电极层的图案位置精确设置的情况下进行印刷。
在燃料电池中，膜电极组件通常插入两个气体分布板之间。气体分布板用于导走电流并用作反应流体流(例如氢气、氧气或液体燃料，例如甲酸)的分布器。为了使反应流体流分布到膜电极组件的电化学不活跃区域，面向膜电极组件的气体分布板的表面通常设置有具有开口侧的沟槽或凹槽。
在燃料电池堆中，将多个单燃料电池串联联接以增加总功率输出。在这种堆中，气体分布板的一侧用作燃料电池的阳极，气体分布板的另一侧用作联接燃料电池的阴极。在这种布置中，气体分布板(除了端板)称作双极板。
为了确保供应到膜电极组件上的反应物(燃料和氧化剂)不混合，膜电极组件的被聚合物电解质膜分隔的两侧应当彼此隔离并且燃料电池应当与环境隔离。为此在常规燃料电池中例如在气体分布板和膜之间设置如果合适与弹性封接件结合的封接框。将气体分布板与膜电极组件夹紧在一起，应确保通过封接框(及如果合适弹性封接件)实现流体紧密密封。所产生的压缩应力导致在电化学活性区域外缘(催化剂层边缘)以及在封接框内缘的聚合物电解质膜变形或甚至撕裂的风险。
因此，本发明的目的是避免现有技术的缺点，特别是使膜电极组件的聚合物电解质膜的密封和稳定成为可能，尤其是在电化学活性区域边缘的区域。
根据本发明通过一种生产包括阳极催化剂层、聚合物电解质膜和阴极催化剂层的膜电极组件的方法来实现该目的。本发明方法包括以下步骤：将包含可UV固化材料的第一边界施加至聚合物电解质膜，使聚合物电解质膜的内部区域保持不含可UV固化材料；施加催化剂层，其覆盖聚合物电解质膜的内部区域并与第一边界交叠；将包含可UV固化材料的第二边界施加至第一边界，使第二边界环绕催化剂层；将包含可UV固化材料的第三边界施加至第二边界，使第三边界与催化剂层交叠；并利用UV辐射照射第一、第二和第三边界。第二和第三边界可以分别或在一个步骤中一起施加至第一边界。因此最终膜电极组件具有由三个基本交叠的包含可UV固化材料的边界形成的含可UV固化材料的边界。
聚合物电解质膜优选包括阳离子传导聚合物材料。通常使用具有酸官能团、尤其是磺酸基的四氟乙烯-氟乙烯基醚共聚物。该材料例如由E.I.DuPont以商品名
Figure A20078004446300061
市售。可用于本发明的聚合物电解质材料的实例为下述聚合物材料及其混合物：
-
Figure A20078004446300062
(DuPont；USA)，
-全氟化和/或部分氟化聚合物如“Dow Experimental Membrane”(DoWChemicals，USA)，
-Aciplex-(Asahi Chemicals，日本)，
-Raipore R-1010(Pall Rai Manufacturing Co.，USA)，
-Flemion(Asahi Glas，日本)，
-(Chlorine Engineering Corp.，日本)。
然而，也可以使用其它、特别是基本上不含氟的离子交联聚合物材料，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-苯醚，磺化聚芳基醚砜，磺化聚亚芳基醚砜，磺化聚芳基醚酮，膦酸化聚2，6-二甲基-1，4-苯醚，磺化聚醚酮，磺化聚醚醚酮，芳基酮或聚苯并咪唑。
其它合适的聚合物材料为包含下述成分(或其混合物)的物质：聚苯并咪唑-磷酸，磺化聚亚苯基，磺化聚苯硫和聚合物-SO3X型(X＝NH4 +，NH3R+，NH2R2 +，NHR3 +，NR4 +)的聚合物磺酸。
用于本发明的聚合物电解质膜优选厚度为20-100μm，更优选40-70μm。
膜电极组件的阳极和阴极催化剂层包含至少一种催化组分，其例如催化氢气的氧化反应或氧气的还原反应。催化剂层还可包含具有不同功能的多种催化物质。此外，相应的催化剂层可包含官能化聚合物(离子交联聚合物)或未官能化聚合物。
此外，催化剂层中优选存在电子导体，特别是为了传导在燃料电池反应中流动的电流并用作催化物质的载体材料。
催化剂层优选包含至少一种元素周期表(PTE)第3-14族，特别优选PTE第8-14族中的元素作为催化组分。阴极催化剂层优选包含至少一种选自元素Pt、Co、Fe、Cr、Mn、Cu、V、Ru、Pd、Ni、Mo、Sn、Zn、Au、Ag、Rh、Ir和W中的元素作为催化组分。阳极催化剂层优选包含至少一种选自元素Co、Fe、Cr、Mn、Cu、V、Ru、Pd、Ni、Mo、Sn、Zn、Au、Rh、Ir和W中的元素作为催化组分。
本发明生产膜电极组件的方法包括将包含可UV固化材料的边界施加至聚合物电解质膜，使聚合物电解质膜的内部区域保持不含可UV固化材料。在本文中，可UV固化材料是可通过UV辐射照射而固化的液体或膏状材料，尤其是可利用UV照射聚合的材料。在现有技术中，可UV固化材料用于例如涂覆双极板(US 6,730,363B1、WO 02/17421A2、WO02/17422A2)以产生流体沟槽(WO 03/096455A2)，用作双极板上的封接材料(EP 1 073 138 A2)或作为燃料电池聚合物电解质膜中的隔离层(US2004/0209155A1)。本发明使用可UV固化材料的优点是它可以无需热压聚合物电解质膜而固化。例如热溶性粘合剂法不具备该优点。
在本发明中，例如通过刮刀、喷涂、浇注、加压或挤出法将含可UV固化材料的边界施加至特别是聚合物电解质膜。
可UV固化材料优选溶剂含量低或不含溶剂。这具有避免由于溶剂而导致聚合物电解质膜污染或溶胀的优点。此外，在加工不含溶剂的可UV固化材料的过程中不会产生由溶剂引起的工作场所污染。然而，含有溶剂的可UV固化材料也可用于本发明。可UV固化材料优选在室温下为液体以使加工过程简单化。仅施加一种组分作为可UV固化材料是有利的，使得不必预先混合(例如在两组分粘合剂的情况下需要预先混合)。使用可UV固化材料具有进一步的优点，其确保了进一步加工的时间上的较大灵活性(即关于用UV辐射照射的时间点)。
边界环绕内部区域，其中不向聚合物电解质膜上施加可UV固化材料，并且其在最终膜电极组件中包括电化学活性区域。
根据本发明，利用UV辐射照射聚合物电解质膜上的含可UV固化材料的边界，使得该材料固化并且在聚合物电解质膜上形成含可UV固化材料的边界。在本发明方法中，可以在施加催化剂层之前利用UV辐射照射第一边界。然而，也可在施加第二或第三边界之后进行照射，使得利用UV辐射的照射使多个含可UV固化材料的边界同时固化。
对于本发明，可以使用本领域技术人员已知的可UV固化材料。例如，可以使用在DE 10103428A1、EP 0463525B1、WO 2001/55276A1、WO2003/010231A1、WO 2004/081133A1、WO 2004/083302或WO2004/058834A1中所述的可UV固化材料。
可使用的液体可UV固化压敏粘合剂的实例由以下组成：60-95％的丙烯酸酯单体或丙烯酸酯低聚物，0-30％的胶粘改进剂(例如树脂)和1-10％的光敏引发剂。在UV辐射的照射下，由光敏引发剂形成自由基并且然后通过将自由基转移至单体或低聚物而进行固化。合适的光敏引发剂通常包含苯甲酰基并且可以多种变型获得。
对于本发明，还可以使用例如KIWO AZOCOL Poly-Plus H-WR型(Kissel+Wolf)的表面涂层组合物/粘合剂，其通常用于涂覆丝网印刷网版并在UV交联后保持柔韧。
在本发明方法中，利用UV辐射照射含可UV固化材料的第一边界之后或干燥含可UV固化材料的第一边界之后(不进行UV照射)，施加催化剂层(其代表膜电极组件的阳极催化剂层或阴极催化剂层)以便覆盖聚合物电解质膜的内部区域并与可UV固化材料第一边界交叠。
可通过施加催化剂墨水来施加催化剂层，催化剂墨水为包含至少一种催化组分的溶液。在本发明方法中，催化剂墨水(如果合适可以为膏状)可以通过本领域技术人员熟知的方法如印刷、喷涂、刮刀涂覆或滚压施加。随后可以干燥催化剂层。合适的干燥方法为例如热风干燥、红外线干燥、微波干燥、等离子加工或这些方法的组合。
催化剂层与含可UV固化材料的第一边界的交叠产生以下优点：在催化剂层和外部区域(其中聚合物电解质膜伸出催化剂层外)之间的过渡区域，含可UV固化材料的边界增强并保护了聚合物电解质膜。
根据本发明，首先将含可UV固化材料的第一边界施加至聚合物电解质膜，使得聚合物电解质膜的内部区域保持不含可UV固化材料，随后如果合适利用UV辐射照射第一边界。随后施加催化剂层，该催化剂层覆盖聚合物电解质膜的内部区域并与第一边界交叠。另外的可UV固化材料随后施加第一边界并且如果合适利用UV辐射进行照射。由于施加了多层含可UV固化材料的边界，该边界可依据形状和厚度可变地进行构造。根据本发明，将含可UV固化材料的第二边界施加至第一边界，使第二边界环绕催化剂层，随后将含可UV固化材料的第三边界施加至第二边界，使第三边界与催化剂层交叠。
利用UV辐射照射第一、第二和第三边界进行固化。为此可以使用例如中压汞蒸汽灯。利用UV辐射对第一、第二和第三边界的照射每种情况下可以在每次施加一个边界之后或施加至少两个边界之后结合地进行。
由第一、第二和第三边界组成的含可UV固化材料的边界的形成具有以下优点：与第一边界交叠的催化剂层的边缘被三个边界包围并且所得到的含可UV固化材料的总边界赋予聚合物电解质膜特别的稳定性。在该实施方案中，施加至催化剂层的气体扩散层的外缘优选与第三边界交叠。
该边界防止在电化学活性区域边缘处膜的撕裂。在未设置本发明边界的情况下，当使用封接框时会发生膜破坏的问题，特别是在非氟化膜的情况下。除了该增强功能，该边界还具有封接功能。此外，含可UV固化材料的边界如果与聚合物电解质膜粘结良好，其可以防止膜在封接区域溶胀、变形或变得机械不稳定。
在本发明中，第一边界优选以基本不形成边缘的厚度施加至聚合物电解质膜，使得电化学活性区的边缘区域的机械压缩应力减小。由三层边界形成的边界厚度优选为3-500μm，特别优选为5-20μm。
本发明进一步涉及一种包括至少一个膜电极组件的燃料电池，该膜电极组件包括阳极催化剂层、聚合物电解质膜和阴极催化剂层，其中聚合物电解质膜在每一侧都与含可UV固化材料的边界连接，相应的边界包括：第一边界，其与阳极催化剂层或阴极催化剂层交叠；第二边界，其设置在第一边界上并且环绕阳极催化剂层或阴极催化剂层；及第三边界，其设置在第二边界上并且与阳极催化剂层或阴极催化剂层交叠。本发明燃料电池优选使用氢气或液体燃料操作。
本发明燃料电池的膜电极组件优选通过本发明方法生产。
本发明膜电极组件优选包括一个或两个设置在阳极催化剂层和/或阴极催化剂层上的气体扩散层。在本发明优选的实施方案中，至少一个阳极或阴极催化剂层与气体扩散层连接。气体扩散层可以用作电极的机械支撑并确保相应气体在催化剂层上良好分散并且用于导走电子。特别是对于在一侧使用氢气、在另一侧使用氧气或空气操作的燃料电池需要气体扩散层。
在本发明中，优选阳极催化剂层与第一气体扩散层连接，阴极催化剂层与第二气体扩散层连接，使得第一气体扩散层和阳极催化剂层以及第二气体扩散层和阴极催化剂层每种情况下在边缘处齐平。例如如果阳极催化剂层和阴极催化剂层具有不同的平面尺寸，则该实施方案中的两个气体扩散层同样具有不同的平面尺寸并且其边缘与相应的催化剂层在各个侧面上均齐平。然而，也可以将阳极催化剂层与第一气体扩散层连接，阴极催化剂层与第二气体扩散层连接，使得第一和第二气体扩散层中至少一个的边缘伸出阳极或阴极催化剂层外。优选通过涂抹、滚压、热压或其它本领域技术人员熟知的技术将气体扩散层(例如碳纤维无纺布或碳纤维纸)施加至催化剂层。
在本发明优选的实施方案中，将用于封接膜电极组件的封接框设置在含可UV固化材料的边界上。封接框优选为执行至少一种下述功能的框：
■保护聚合物电解质膜避免机械破坏
■隔离例如与膜电极组件夹在一起的气体分布板，及
■封接聚合物电解质膜
除了封接框，可变形封接元件如由硅氧烷、聚异丁烯、橡胶(合成或天然的)、含氟弹性体或氟硅氧烷组成的封接元件可用于封接。作为可变形封接元件，可以使用例如O形环。封接框可由任何未官能化气密性聚合物或用该聚合物涂覆的金属组成。可使用的聚合物特别是聚醚砜、聚酰胺、聚酰亚胺、聚醚酮、聚砜、聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚乙烯(PE)或聚丙烯(PP)。
相应封接框优选覆盖含可UV固化材料的边界的大部分表面，在这种情况下其伸出催化剂层外。可以将可变形封接元件设置在每个封接框上使其位于燃料电池中封接框和气体分布板之间并夹紧。
然而本发明实施方案中封接框所执行的封接功能也可以由本发明中含可UV固化材料的边界执行，从而无需使用封接框。在这种情况下，可变形封接元件，例如由硅氧烷、聚异丁烯、橡胶(合成或天然的)、含氟弹性体或氟硅氧烷组成的封接元件可直接用在含可UV固化材料的边界上进行封接。作为可变形封接元件，可以使用例如O形环。
在本发明的优选实施方案中，通过丝网印刷如利用旋转或平板丝网印刷法施加可UV固化材料。利用丝网印刷技术施加可UV固化材料具有下述优点：可UV固化材料可以以一个或多个薄层施加并且随后立即固化(例如交联)使聚合物电解质膜稳定。催化剂层也优选利用丝网印刷施加，使得利用丝网印刷施加可UV固化材料具有生产工艺上的优势。此外，使用丝网印刷技术对于所施加层的形状具有高度的构造自由度。然而，可UV固化材料也可以通过其它方法如利用胶版印刷施加。
在本发明优选实施方案中，在聚合物电解质膜的两侧，含可UV固化材料的边界环绕内部区域，其中与第一边界交叠的催化剂层位于本发明燃料电池内。催化剂层被气体扩散层覆盖并且在边界上设置有封接框。气体分布板覆盖气体扩散层和封接框。气体分布板可为例如燃料电池或燃料电池堆的双极板或端板。气体分布板优选在其至少一个表面上包括称为“流场”的气体沟槽，其在气体扩散层上分布气态反应物(例如氢气和氧气)。此外，气体分布板优选包括用于冷却剂、特别是冷却液体的集成沟槽。双极板用于提供燃料电池中的电连接，提供并分配反应物和冷却剂并分隔气体空间。气体分布板可包括例如选自聚苯硫(PPS)、液晶聚酯(LCP)、聚甲醛(POM)、聚芳基醚酮(PAEK)、聚酰胺(PA)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚苯醚(PPO)、聚丙烯(PP)或聚醚砜(PES)或工业中使用的另外聚合物的材料。聚合物中可填充导电性颗粒，特别是石墨或金属颗粒。然而，气体分布板也可由石墨、金属或石墨复合物制成。
在本发明燃料电池的优选实施方案中，可变形封接元件设置在封接框和气体分布板之间。在气体分布板和/或封接框中可设置凹槽以容纳可变形封接元件。
在本发明燃料电池的一种变型中，气体分布板包括沿着气体扩散层传送气体的沟槽，沟槽具有气体入口区域并且含可UV固化材料的边界(由三个边界构成)覆盖气体入口区域旁的聚合物电解质膜。在现有技术已知的燃料电池中的气体入口区域经常观察到聚合物电解质膜的“烧穿”。可UV固化材料覆盖的聚合物电解质膜区域延伸入邻近气体入口区域的活性区域也保护了该临界区域中的膜区域。可通过例如将可UV固化材料丝网印刷至聚合物电解质膜上而没有问题地获得最终不对称形状的边界。
借助于下述附图对本发明加以说明。
附图中：
图1显示了现有技术中已知的在夹紧前的燃料电池，
图2显示了现有技术中已知的在夹紧后的燃料电池，
图3示意性地显示了包括含可UV固化材料的边界的燃料电池，
图4A-4C显示了本发明生产膜电极组件的方法的三个步骤，
图5示意性地显示了本发明燃料电池实施方案的一半，
图6A和6B显示了本发明燃料电池另一个实施方案的两个视图。
图1显示了现有技术夹紧前的燃料电池的剖面示意图。
燃料电池以各层对称地进行构造。在聚合物电解质膜1两侧的每一侧上均设置有被气体扩散层3覆盖的催化剂层2。聚合物电解质膜1的膜边缘4伸出催化剂层2外。封接框5设置在膜边缘4的每一侧。包括聚合物电解质膜1、两个催化剂层2、两个气体扩散层3和两个封接框5的膜电极组件被两个通过夹紧螺钉7彼此连接的气体分布板6包围。为了夹紧燃料电池，紧固夹紧螺丝，导致力以夹紧方向8作用在气体分布板6上。结果两个气体分布板6彼此相对移动，位于其中的层被压缩，直到气体分布板6碰到相应的封接框5，从而密封聚合物电解质膜1。在封接框5与相关的催化剂和气体扩散层2，3之间的临界区域9中，存在使聚合物电解质膜1撕裂的风险，特别是在夹紧期间或由于操作过程中膜1的溶胀。
图2显示了现有技术夹紧后的燃料电池的剖面示意图。
以基本上类似于图1中燃料电池来构造该燃料电池。相同的附图标记表示相同的燃料电池组件。此外，该燃料电池包括可变形封接元件10，其每种情况下在夹紧时在封接框5之一和气体分布板6之间变形并确保密封聚合物电解质膜1。在该实施方案中，临界区域9中的聚合物电解质膜1也存在被破坏的风险。
图3显示了包括含可UV固化材料的边界的燃料电池的剖面示意图。
除了现有技术中已知的层和组件(由与图1和图2中相同的附图标记表示)，该燃料电池还包括含可UV固化材料的边界11。该燃料电池包括含阳极催化剂层13、聚合物电解质膜1和阴极催化剂层14的膜电极组件12。聚合物电解质膜1的两侧均与含可UV固化材料的边界11连接，相应的边界11与阳极催化剂层13或阴极催化剂层14交叠(交叠区域15)。在聚合物电解质膜1的每一侧，含可UV固化材料的边界11环绕内部区域16，在内部区域16中设置与边界11交叠并被气体扩散层3覆盖的催化剂层2，13，14。封接框5(例如由Teflon制得的框)设置在边界11上并且气体分布板6覆盖气体扩散层3和封接框5。可变形封接件10(例如O形环)设置在封接框5和气体分布板6之间。
图4A-4C示意性地显示了本发明生产膜电极组件方法的各步骤的结果，每种情况下均为俯视图(顶部)和剖面图(底部)。
图4A图示了根据本发明方法的一个具体实施方案的聚合物电解质膜1，其用作生产膜电极组件的起始层。
图4B显示了含可UV固化材料的第一边界17，其已经施加至聚合物电解质膜，聚合物电解质膜1的内部区域16不含可UV固化材料。利用UV辐射照射边界17使可UV固化材料固化。
图4C显示了催化剂层2，其已经被施加以覆盖聚合物电解质膜1的内部区域16并在交叠区域15与边界17交叠。
图5显示了本发明燃料电池实施方案的剖面示意图，其仅描绘了一半。在最终的具有对称结构的燃料电池中，在聚合物电解质膜1上面的所描绘各层的顺序，从下面以相反的顺序重复。
图5所示的本发明燃料电池具有聚合物电解质膜1、催化剂层2、气体扩散层3、封接框5、气体分布板6和容纳于气体分布板6内凹槽的可变形封接元件10。第一UV固化边界17与聚合物电解质膜连接。催化剂层2与第一边界17在第一交叠区域21交叠。可UV固化材料的第二边界18施加至第一边界并且环绕催化剂层2。含可UV固化材料的第三边界19施加至第二边界18，第三边界与催化剂层2交叠(第二交叠区域20)。气体扩散层3又在第三交叠区域22与第三边界19交叠。这种层的顺序在临界区域中赋予聚合物电解质膜1特别好的稳定性。
图6A示意性地显示了本发明燃料电池的另一个实施方案。
该图显示的燃料电池具有含可UV固化材料的边界11，其甚至覆盖邻近气体分布板6的气体入口区域23的聚合物电解质膜(未示出)。图中描绘了用于沿着气体扩散层(未示出)传送气体(反应物)的气体分布板6的沟槽24。气体通过气体入口区域23进入这些沟槽24并再经由气体出口区域25离开。对于甚至覆盖气体入口区域23旁的聚合物电解质膜的边界11，其通过稳定该区域的延长部分27延伸入电化学活性内部区域26。
图6B显示了这种本发明燃料电池构造的剖面图(仅一半)。
带有气体入口区域23和沟槽24的气体分布板6覆盖具有气体扩散层3、封接框5、催化剂层2、含可UV固化材料的边界11和聚合物电解质膜1的膜电极组件。延长边界11使其覆盖并保护邻近气体入口区域23的聚合物电解质膜1。边界11包括含可UV固化材料的第一边界17、第二边界18和第三边界19，其沿着其外缘环绕催化剂层2。
附图标记列表：
1聚合物电解质膜
2催化剂层
3气体扩散层
4膜边缘
5封接框
6气体分布板
7夹紧螺钉
8夹紧方向
9临界区域
10可变形封接元件
11边界
12膜电极组件
13阳极催化剂层
14阴极催化剂层
15交叠区域
16内部区域
17第一边界
18第二边界
19第三边界
20第二交叠区域
21第一交叠区域
22第三交叠区域
23气体入口区域
24沟槽
25气体出口区域
26电化学活性区域
27延长部分

Claims (12)

1.一种生产包括阳极催化剂层(13)、聚合物电解质膜(1)和阴极催化剂层(14)的膜电极组件的方法，其包括将含可UV固化材料的第一边界(17)施加至聚合物电解质膜(1)，使聚合物电解质膜(1)的内部区域(16)保持不含可UV固化材料；施加催化剂层(2)其覆盖聚合物电解质膜(1)的内部区域(16)并与第一边界(17)交叠；将含可UV固化材料的第二边界(18)施加至第一边界(17)，使第二边界(18)环绕催化剂层(2)；将含可UV固化材料的第三边界(19)施加至第二边界(18)，使第三边界(19)与催化剂层(2)交叠；并利用UV辐射照射第一、第二和第三边界(17，18，19)。
2.根据权利要求1的方法，其中将含可UV固化材料的第一边界(17)施加至聚合物电解质膜(1)两侧的每一侧并利用UV辐射照射，并且将每种情况下与第一边界(17)交叠的催化剂层(2)施加至两侧。
3.根据权利要求1或2的方法，其中将用于封接膜电极组件(12)的封接框(5)设置在第三边界(19)上。
4.根据权利要求1-3中任意一项的方法，其中可UV固化材料通过丝网印刷施加。
5.根据权利要求1-4中任意一项的方法，其中催化剂层(2)通过丝网印刷施加。
6.一种包括至少一个含阳极催化剂层(13)、聚合物电解质膜(1)和阴极催化剂层(14)的膜电极组件(12)的燃料电池，其中聚合物电解质膜(1)的每一侧均与含UV固化材料的边界(11)连接，使相应的边界(11)包括与阳极催化剂层(13)或阴极催化剂层(14)交叠的第一边界(17)，设置在第一边界(17)上并且环绕阳极催化剂层(13)或阴极催化剂层(14)的第二边界(18)，及设置在第二边界(18)上并且与阳极催化剂层(13)或阴极催化剂层(14)交叠的第三边界(19)。
7.根据权利要求6的燃料电池，其中将封接框(5)设置在第三边界(19)上。
8.根据权利要求6或7的燃料电池，其中气体扩散层(3)每种情况下覆盖阳极催化剂层(13)和阴极催化剂层(14)。
9.根据权利要求8的燃料电池，其中气体扩散层(3)在聚合物电解质膜(1)的每一侧均与第三边界(19)交叠。
10.根据权利要求8或9的燃料电池，其中气体分布板(6)覆盖气体扩散层(3)。
11.根据权利要求8-10任意一项的燃料电池，其中将封接框(5)设置在第三边界(19)上并且气体分布板(6)覆盖气体扩散层(3)和封接框(5)，并且将可变形封接件(10)设置在封接框(5)和气体分布板(6)之间。
12.根据权利要求10或11的燃料电池，其中气体分布板(6)包括用于沿着气体扩散层(3)传送气体的沟槽(24)，沟槽(24)具有气体入口区域(23)，并且含UV固化材料的边界(11)覆盖气体入口区域(23)旁的聚合物电解质膜(1)。
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