CN104756297B - 膜电极组件，有这种组件的燃料电池和有这种燃料电池的汽车 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种燃料电池(50)的膜电极组件(10)，包括膜电极单元(12)，它有隔膜(20)和两个与隔膜(20)两侧面接触的电极(22)。除此之外，膜电极组件(10)包括环形围绕隔膜(20)并与之搭接的密封框架(14)。膜电极组件(10)还包括连接层(24)，它与隔膜(20)和与密封框架(14)环形搭接，其中，在连接层(24)同一个扁平侧，连接层(24)的内边缘区(28)与膜电极单元(12)以及连接层(24)的外边缘区(30)与密封框架(14)材料接合式连接。此外，膜电极组件(10)还包括在隔膜(20)外部与密封框架(14)连接的密封件(16)。此外本发明还涉及一种包括多个按本发明的膜电极组件(10)的燃料电池(50)，一种包括所述燃料电池(50)的汽车(62)，以及一种制造所述膜电极组件(12)的方法。

Description

膜电极组件，有这种组件的燃料电池和有这种燃料电池的 汽车
本发明涉及一种燃料电池的膜电极组件，包括膜电极单元和密封件。此外本发明还涉及一种包括多个按本发明的膜电极组件的燃料电池，以及一种具有这种燃料电池的汽车。
燃料电池利用燃料与氧化学变化成为水，产生电能。为此，燃料电池作为核心组成部分包含所谓的膜电极单元(MEA-membrane electrode assembly：膜电极组件)，它由离子传导隔膜和在隔膜两侧各设置一个的电极(阳极和阴极)组成。此外，可以在膜电极单元两侧，在电极背对隔膜的那一侧，设置气体扩散层(GDL)。通常燃料电池由多个排列成堆叠(stack)的MEA构成，它们的电功率累加。在燃料电池工作时，燃料，尤其氢H2或含氢的气体混合物输入阳极，在那里发生电化学氧化由H2成为H+，并将电子输出。通过将反应腔彼此气密隔离并电绝缘的电解质或隔膜，实施将质子H+(吸水或无水地)从阳极腔输入阴极腔。阳极提供的电子通过电导线引入阴极。向阴极输送氧或含氧的气体混合物，从而在接收电子的情况下发生由O2成为O2-的反应。与此同时，在阴极腔内这些氧阴离子与通过隔膜输送的质子反应生成水。通过将化学能直接转换为电能，与其它发电设备相比，基于规避了卡诺因子，所以燃料电池能达到更高的效率。
目前最先进的燃料电池技术以聚合物电解质隔膜(PEM)为基础，其中隔膜本身由聚合物电解质组成。在这里经常使用酸变性聚合物，尤其全氟化聚合物。此类聚合物电解质最广泛流行的代表是磺化聚四氟乙烯共聚物(商标名：Nafion；由四氟乙烯和全氟烷基乙烯醚的一种磺酰氟衍生物组成的共聚物)组成的隔膜。在这里电解传导通过水合质子进行，因此水的存在是质子可传导的先决条件，以及在PEM燃料电池工作时需要润湿工作气体。基于水的必要性，这种燃料电池在正常压力下的最高工作温度限制在100℃以下。所述的这种燃料电池类型也称为低温聚合物电解质隔膜燃料电池(NT-PEM燃料电池)。与之相区别的是，高温聚合物电解质隔膜燃料电池(HT-PEM燃料电池)的电解传导率基于一种通过静电络合键键合在聚合物电解质隔膜的聚合物构架上的电解质(例如-dotiertePolybenzimidazol(PBI)隔膜)，以及它们在160℃的温度下工作。
如前言已提及的那样，燃料电池由多个排列成堆叠的单个电池构成，所以从燃料电池堆叠出发讨论。在膜电极单元之间通常设置所谓双极板，它们确保向单个电池供应工作介质，亦即反应物和通常还有冷却液。此外，双极板还保证与膜电极单元导电接触。
在膜电极单元与双极板之间设密封件，它使阳极腔和阴极腔对外密封，防止工作介质从燃料电池堆叠泄出。密封件可以设置在膜电极单元和/或双极板侧面，以及尤其与这些组成部分连接。
为此目的，密封件在一侧或两侧硫化胶合在双极板上。此外，密封带状密封件可以借助机器人涂敷在双极板上。用机器人涂敷的密封件可能有大的会导致漏泄的误差。迄今例如通过优化机器人涂敷密封带的过程来解决这一问题。
此外，隔膜可以层合在两个涂胶粘剂层的薄膜(边缘加厚薄膜)之间。据此，密封件可以喷涂在膜电极单元上或喷涂在膜电极单元周围。然而在这种情况下最高温度由膜电极单元确定以及大约为120℃。这一温度界限对于密封件弹性材料交联的过程时间起一定的作用，以及由于长的过程时间导致高的成本和大量废品。由此产生的废品成本归因于在膜电极单元围围有缺陷的喷涂，以及还归因于这种极其敏感的构件在冲压和注塑过程中的操作。
DE102009003947A1公开了一种UEA(unitized electrode assembly)，包括一个具有电解质隔膜的MEA，电解质隔膜没有明显超过MEH活性区向外延伸。在UEA围绕化学活性区的密封件与化学活性区之间设置拦阻膜片。拦阻膜片可以在活性区外部与MEA搭接。此外，拦阻膜片可以用作密封件的载体，以及尤其与密封件设计成一体。MEA可以借助化学胶粘剂与拦阻膜片接合。此外，根据连接构型，连接膜片可以覆盖电解质隔膜的一端。
WO2010/114139介绍了一种制造燃料电池和制造燃料电池的燃料电池模件的方法。燃料电池包括电极组件，它们分别包括一个MEA，以及在MEA的阳极侧和阴极侧各有一个多孔层。MEA还包括电解质隔膜以及催化的阳极层和阴极层。多孔层分别包括一个面朝MEA的气体扩散层(由碳纸组成)和一个气体流路层(由烧结的金属泡沫组成)。在电极组件之间设一些分隔器(相当于双极板)，它们分别包括三个钢层。在分隔器之间并与之接触地设置框状密封件，它们围绕电极组件。
在制造时，首先构成包括分隔器和框状密封件外框的第一单元，以及包括电极组件和框架状密封件内框的第二单元。接着，将内框连同电极组件置入外部密封件内。作为另一种方案，也可以将电极组件直接置入一个包括分隔器和框状密封件的单元内。
WO2010/114140A1公开了一种燃料电池的电池组件制造方法。这种燃料电池的结构与WO2010/114139的结构基本相似。在制造时，首先制成电极组件、分隔器和框状的密封件毛坯。将电极组件、分隔器和密封件毛坯置入包括压制设备的成形模具内。借助压力和加热，使各部分在成形模具中互相连接。
现在本发明的目的是，提供一种能简单地制造的膜电极组件。
此目的通过有权利要求1特征的膜电极组件达到。由其它在从属权利要求中论及的特征，提供本发明其它优选的设计。
按本发明用于燃料电池的膜电极组件包括膜电极单元，该膜电极单元有隔膜和两个与隔膜两侧面接触的电极。膜电极组件还包括环形围绕隔膜并与之搭接的密封框架。此外，膜电极组件还包括连接层，它与隔膜和与密封框架环形搭接，其中，在连接层的同一扁平侧，连接层的内边缘区与膜电极单元以及连接层的外边缘区与密封框架材料接合式连接。此外，膜电极组件还包括在隔膜外部与密封框架连接的密封件。
隔膜典型地是一种质子传导的隔膜(聚合物电解质隔膜)。电极设计为一个阳极和一个阴极，以及它们可以铺覆在隔膜两侧。
连接层的内边缘区典型地与隔膜和/或膜电极单元的电极材料接合式连接。
在扁平的元件中将那些侧(表面)称为“扁平侧”，亦即与该元件的其它侧相比它们的尺寸大得多。
连接层通过材料接合式连接，制成典型地环形围绕膜电极单元的化学活性区相对于密封框架以及膜电极单元的密封面。由此防止在隔膜两侧之间不希望地泄漏工作介质。此外，通过材料接合式连接还保证膜电极组件有足够的稳定性。所述化学活性区是膜电极单元在工作时加入反应物的那个区域。连接层典型地是薄膜，尤其塑料薄膜。
密封件典型地设计为环形围绕隔膜。因此膜电极单元的化学活性区也被密封件环形地围绕。通过密封件围绕膜电极单元的化学活性区，防止反应物和反应产物从包括膜电极组件的燃料电池泄出。由此膜电极单元的电极也设置在被密封件环形围绕的化学活性区内部。
优选地，密封件与密封框架材料接合式连接。这典型地可以通过将密封件喷涂在密封框架上例如在所涉及的材料部分熔化的情况下实现。
通常密封件在连接层外部与密封框架连接。
此外，密封件一般在两侧，尤其分成两个分段沿密封框架延伸。这两个分段本身在密封框架两侧延伸，其中，第一分段沿密封框架第一扁平侧延伸，而第二分段沿密封框架第二扁平侧延伸。
这两个分段有密封面，其中，第一分段的密封面与第二分段的密封面在密封框架上投影为优选地基本上叠合的正投影区。“密封面”指的是那些设计用于贴靠在反向面，例如双极板上并密封的那些表面。特别优选的是，密封面设计为相对于密封框架(确切地说一个处于密封框架内的平面)镜像对称。
优选地，密封件每个分段有两个密封唇，它们通过相应地成型密封件构成。由此形成两条彼此独立的密封线，亦即实际上是两个密封区，它们造成防漏泄的双重保险。典型地，这两个密封唇环形围绕被密封的区域延伸。
优选地，密封框架是塑料制的密封框架薄膜。尤其是，密封框架薄膜是PEN薄膜(Polyethylennaphthalat)，或密封框架薄膜包括PEN。
优选地，密封框架有至少一个孔口，用于通过典型地被密封件环形包围的工作介质。用于通过工作介质的孔口用于向膜电极单元供应工作介质。由此可使燃料电池堆叠结构紧凑和节省空间位置地供给工作介质。工作介质包括反应物，亦即燃料(例如氢)和氧化剂(例如氧或空气)以及冷却剂，尤其冷却液体。此外，反应产物(例如水)可通过孔口排出。
膜电极组件可以包括气体扩散层(GDL)，它设置在被密封件围绕的化学活性区内部。电极可以与气体扩散层连接成所谓气体扩散电极。
优选地，连接层设置在隔膜的一个与密封框架对置的扁平侧上。由此使隔膜(典型地整个膜电极单元)受保护地处于连接层与薄膜框架之间。
优选地，所述材料接合式连接是粘结。粘结能容易和经济地制成。所述粘结不仅可以是压力敏感的粘结(例如借助黏附剂)，而且也可以是能热活化的粘结和/或用热固黏合剂的粘结。
按本发明一种优选的设计，在连接层上涂敷胶粘剂层，连接层尤其是自胶粘膜。采用这种设计，能以特别简单的方式和方法实现膜电极单元并因而隔膜与密封框架的连接。因此连接层，尤其自胶粘膜，能简单地粘结在膜电极单元上和在密封框架上，它们互相搭接。
优选地，连接层的内边缘相对于密封框架的内边缘有一个偏移量地终止。连接层的内边缘尤其(朝化学活性区的方向，亦即典型地朝隔膜中心的方向)超过密封框架的内边缘伸出。采用这种设计，造成膜电极组件一种均匀变化的厚度，以及避免或至少减小在密封框架与连接层之间隔膜上的剪切作用。
优选地，密封框架有穿孔，密封件在密封框架两侧沿穿孔延伸。密封件的第一分段设置在密封框架的第一扁平侧上，以及密封件的第二分段设置在密封框架的第二扁平侧上。这两个分段通过穿孔互相连接成一体。因此密封件与密封框架形状配合式连接。典型地，通过穿孔和和所述通过穿孔延伸的密封件，有许多形状配合式连接点可供使用。优选地，这两个分段在密封框架上的正投影包括一个叠合区，密封框架在此叠合区内部有穿孔。所述穿孔包括任何形状，例如圆形、任意布局，亦即按规则或不规则间距排列、以及任意数量贯穿密封框架的空缺，但至少包括一个空缺。
此外还提供一种燃料电池。燃料电池包括多重交替堆叠的双极板和按本发明的膜电极组件。典型地，密封件，尤其它的分段，密封在膜电极单元与双极板之间的空腔。
此外还提供一种包括按本发明所述燃料电池的汽车。燃料电池优选地用于给汽车供电。尤其是，燃料电池规定用于给汽车的电驱动器供电。
此外还提供一种制造按本发明所述膜电极组件的方法。这种方法包括一个在密封框架的区域内制造密封件的步骤，以及一个接着的、将连接层的内边缘区与膜电极单元、以及将连接层的外边缘区与密封框架材料接合式连接的步骤。
连接层的内边缘区典型地与膜电极单元的隔膜和/或电极材料接合式连接。
典型地，在材料接合式连接前拼合密封框架与隔膜，亦即典型地拼合密封框架与整个膜电极单元。
优选地，借助将密封件喷涂在密封框架上，实现密封件的制造。这借助喷涂密封件的一种(原)材料进行。典型地，接着实施(原)材料交联的步骤。采用这种设计，典型地实现在密封件与密封框架之间的密封连接。
与喷涂在膜电极单元(MEA)周围相比，按本发明，密封件仅喷涂在密封框架上，没有喷涂在膜电极单元上，确切地说将密封件喷涂在密封框架周围。因此可实现的最大工作温度取决于密封框架，尤其密封框架所使用的薄膜，而与膜电极单元无关。废品的成本降为密封框架和密封件的成本。在下一个步骤中，比较敏感的隔膜或典型地整个膜电极单元定位在密封框架的开口区(窗口)内，开口区以后基本上是化学活性区(亦即化学活性面)。膜电极单元的粘结通常通过铺放连接层(典型地是一个框)实现，它被涂敷一种胶粘剂(黏附剂)。气体扩散层按已知的方法，或可以层合(亦即借助无胶粘剂的热压法与隔膜连接)或可以粘合。
下面借助附图用实施例说明本发明。其中：
图1表示按本发明的膜电极组件按本发明一种优选的设计；
图2表示膜电极组件分解图；
图3表示密封框架；
图4表示有密封件的密封框架；
图5表示有密封件和隔膜的密封框架；
图6表示有密封件、隔膜和连接层的密封框架；
图7表示有气体扩散层的膜电极组件；
图8表示包括膜电极组件的燃料电池；以及
图9表示包括燃料电池的汽车。
图1用俯视图、剖视图(A-A)和剖视(A-A)详图，表示按本发明的膜电极组件10按本发明一种优选的设计。
膜电极组件10包括膜电极单元12(MEA)、密封框架14和与密封框架14连接的密封件16。密封框架14可以有开口18，用于通过工作介质。
膜电极单元12(MEA)包括隔膜20和设置在隔膜20两侧的电极22(图中没有表示电极本身，只标示了它们的位置)。膜电极组件10构成化学活性区26，在工作时将反应物加入化学活性区26并在其中发生期望的反应。通常隔膜20的两个扁平侧被电极22完全覆盖。但除此之外电极22也可以限于化学活性区，因而只部分覆盖隔膜20的扁平侧。
如剖视图A-A及相关的详图所示，隔膜2定位在密封框架14的开口区内。隔膜20以及在本例中整个膜电极单元12与密封框架14环形搭接，并借助连接层24与密封框架14连接。这通过密封层24与膜电极单元12，亦即与其隔膜20和/或电极22材料接合式连接，以及除此之外还与密封框架14材料接合式连接实现。为此，密封层24不仅与隔膜20，而且还与密封框架14环形搭接。为了实现材料接合式连接，连接层24设计为自胶粘膜。它有一个通常在单侧的胶粘剂涂层，该涂层(在连接层24同一个扁平侧上)在内边缘区28与膜电极单元12接触，而在外边缘区30与密封框架14接触。因为不仅密封框架14，而且连接层24，都有一种环形闭合的形状，所以它们围绕隔膜20和尤其化学活性区26。通过在连接层24与膜电极单元12之间，以及在连接层24与密封框架14之间同样环形闭合的材料接合式连接，形成环形闭合的密封区，它在工作时防止反应物从隔膜20的一侧向隔膜20的另一侧漏泄。
如从图中可以看出的那样，膜电极单元12设置在密封框架14与连接层24之间，所以隔膜20在其边缘区内稳固在密封框架14与连接层24之间。换句话说，连接层24可以设置在隔膜20与密封框架14对置的那一个扁平侧上。
此外，连接层24的内边缘32相对于密封框架14的内边缘34有一个偏移量地终止，由此减小作用在比较敏感的膜电极单元12上的机械负荷。在图示的情况下，连接层24的内边缘32超过密封框架14的内边缘34伸出。
可以在膜电极单元12两侧连接气体扩散层36。
密封件16可以有第一分段38和第二分段40，它们在密封框架14的两侧延伸。这两个分段38、40可以分别构成两个密封唇42。典型地，分段有密封面44用于在双极板上密封。为了在这种情况下减小作用在密封框架14上的机械负荷，密封面44设计为相对于密封框架14镜像对称。
图2表示由图1已知并在上面已论述的膜电极组件10的分解图。下面的图3至7表示按优选的顺序制造膜电极组件10的具体步骤。
所述制造方法典型地通过图3中表示的密封框架14(边缘增厚或薄膜框)开始。它可以有工作介质孔口18和开口区46。此外，密封框架14有穿孔48，在下一个制造步骤中沿这些穿孔48将密封件16施加在密封框架14上。不仅工作介质孔口18，而且开口区46以及穿孔48的空缺，都是贯穿密封框架14的空缺。这些贯穿的空缺18、46、48以及密封框架14的轮廓形状，通常可以借助冲压由密封框架薄膜(典型地塑料薄膜)制的密封框架14得到。
将密封件16施加在密封框架14上的一种可能性是，在密封框架14上喷涂密封件16。这在注塑模具内部进行，为此将反应混合物，包括要交联的聚合物或单基物和必要时交联剂注入注塑模内。由于这些穿孔48，所以在喷涂过程中可以在两个分段38、40的反应混合物内部进行压力平衡。由此预防基于密封框架14两侧可能的不同压力而使密封框架14变形。在喷涂后，通常实施交联和/或聚合过程，这种过程通过加热反应混合物经过预定的持续时间后完成。多亏这些穿孔48，这两个分段38、40才能通过穿孔48互相连接成一体，由此使密封件16与密封框架14形状配合式连接。
在图4中可以看到已经与密封框架14连接，亦即典型地喷涂在密封框架14上的密封件16。这个组件也可以称为薄膜密封框。
作为下一个步骤，典型地是拼合密封框架14与膜电极单元12(参见图5)。为此，在图示的举例中将膜电极单元12定位在密封框架14上面，此时在图4中还能看到的开口区46被膜电极单元12封闭。在这里，隔膜20在其边缘区与密封框架14搭接。
图6表示在另一个制造步骤后的膜电极组件10。在这里，图示为框状的连接层24(胶粘框)，例如自胶粘膜，与膜电极单元12和密封框架14搭接地粘结在膜电极单元12和密封框架14上。
作为替代方式，密封框架14也可以通过(在密封框架14上和/或膜电极单元12上，例如在其隔膜20上)将胶粘剂施加在与隔膜20搭接的边缘区内，与膜电极单元12直接粘结。但为了实现这种方案需要比较麻烦的、将胶粘剂施加在各自边缘区上的步骤。因此借助连接层24粘结是优选的。
在接着的步骤中，还可以将气体扩散层36粘结或层合在膜电极单元12两侧。图7表示在此步骤后的膜电极组件10。
由此，通过施加连接层24(典型地胶粘框)，完成将隔膜20固定在已设有密封件16的密封框架14(亦即唯一的一个边缘加厚的层)上。
通过本发明，在密封框架14与隔膜20连接前，便已经实现密封件16与密封框架14连接，亦即典型地将密封件16喷涂在密封框架14上(或也将密封件16喷涂在密封框架14周围)。与此同时，以可考虑到的简单方式，借助连接层24实现密封框架14与隔膜20的所述连接。通过这种事后安装膜电极单元12，降低在喷涂密封件16时的废品成本以及缩短其过程时间。
通过单侧粘结获得一种稳固的膜电极组件10，它能经济和过程可靠地制造。
图8示意表示燃料电池50，包括多个按本发明的膜电极组件10。这些膜电极组件10与双极板52交替堆叠成一个包括多个单个电池56的燃料电池堆叠54。
双极板52通过气体扩散层36将反应物供给膜电极组件10的膜电极单元12，为此通常在双极板52内设置适用的通道。此外，双极板52导电连接两个毗邻的膜电极单元12，由此将膜电极单元12串联连接。两块在末端的双极板也称为单侧双极板，因它们只在一侧将反应物供给所连接的膜电极单元12，并为此目的只在其一侧有相应的通道。
膜电极组件10的密封件16对外密封膜电极单元12与双极板52之间的空腔，并因而防止在燃料电池50工作期间从燃料电池堆叠54泄出工作介质。
为确保密封件16的工作能力，以及即使在振动时(例如由于在汽车中使用)也能保证双极板52与膜电极单元12导电接触，典型地压紧燃料电池堆叠54。这一般通过两块安装在燃料电池堆叠54两端的端板58与多个拉紧件60组合实现。拉紧件60将拉紧力传入端板58，从而使端板58压紧燃料电池堆叠54。
图9表示包括燃料电池50的汽车62。在汽车62运行期间，燃料电池50提供电能，典型地供汽车62的电驱动系统使用。
附图标记清单
10 膜电极组件
12 膜电极单元(MEA)
14 密封框架
16 密封件
18 用于通过工作介质的孔口
20 隔膜
22 电极
24 连接层
26 化学活性区
28 连接层内边缘区
30 连接层外边缘区
32 连接层内边缘
34 密封框架内边缘
36 气体扩散层
38 密封件第一分段
40 密封件第二分段
42 密封唇
44 密封面
46 开口区
48 穿孔
50 燃料电池
52 双极板
54 燃料电池堆叠
56 单个电池
58 端板
60 拉紧件
62 汽车

Claims (10)

1.一种燃料电池(50)的膜电极组件(10)，包括
-膜电极单元(12)，它有
-隔膜(20)和
-两个与隔膜(20)两侧面接触的电极(22)，
-环形围绕隔膜(20)并与之搭接的密封框架(14)，
-连接层(24)，它与隔膜(20)和与密封框架(14)环形搭接，其中，在连接层(24)的同一扁平侧，连接层(24)的内边缘区(28)与膜电极单元(12)以及连接层(24)的外边缘区(30)与密封框架(14)材料接合式连接，以及
-在隔膜(20)外部与密封框架(14)连接的密封件(16)，其特征在于，所述材料接合式连接是粘结，在所述连接层(24)上涂敷胶粘剂。
2.按照权利要求1所述的膜电极组件，其中，连接层(24)安置在隔膜(20)与密封框架(14)对置的那一个扁平侧上。
3.按照权利要求1或2所述的膜电极组件，其中，所述连接层(24)是自胶粘膜。
4.按照权利要求1或2所述的膜电极组件，其中，连接层(24)的内边缘(32)相对于密封框架(14)的内边缘(34)有一个偏移量地终止。
5.按照权利要求4所述的膜电极组件，其中，连接层(24)的内边缘(32)超过密封框架(14)内边缘(34)伸出所述偏移量。
6.按照权利要求1或2所述的膜电极组件，其中，密封框架(14)有穿孔(48)，密封件(16)在密封框架(14)两侧沿穿孔(48)延伸，其中，密封件(16)的第一分段(38)设置在密封框架(14)的第一扁平侧上，密封件(16)的第二分段(40)设置在第二扁平侧上，以及，这两个分段(38、40)通过穿孔(48)互相连接成一体。
7.一种燃料电池(50)，包括多重交替堆叠的双极板(52)和按照上述任一项权利要求所述的膜电极组件(10)。
8.一种汽车(62)，包括按照权利要求7所述的燃料电池(50)。
9.一种制造按照权利要求1至6之一所述膜电极组件(10)的方法，包括下列步骤：
-在密封框架(14)的区域内制造密封件(16)，
-接着将连接层(24)的内边缘区(28)与膜电极单元(12)以及连接层(24)的外边缘区(30)与密封框架(14)材料接合式连接。
10.按照权利要求9所述的方法，其中，密封件(16)的制造借助将密封件(16)喷涂在密封框架(14)上实现。
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