CN1251212A - 带有整体密封边沿的薄膜电极单元及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于燃料盒的带有整体密封边沿的薄膜电极单元(1),其具有一片聚合物电解质薄膜(2),置于薄膜一个表面的阳极(3)和另一个表面的阴极(4),该单元(1)是由包含阳极材料和阴极材料的多层材料制成,在阳极材料和阴极材料之间插入聚合物电解质薄膜材料,从上切割尺寸合适的一片,在切下的片状材料中,薄膜被其两侧的电极完全覆盖。在所述片状材料的周边,形成密封边沿(5),密封边沿(5)渗入电极(3,4)中至少一个的边缘区域(6’,7’),并且附着在邻近边缘的薄膜区域中,和/或密封边沿附着在电极中至少一个的末端面和薄膜的末端面。

Description

带有整体密封边沿的薄膜电极单元及其制造方法
本发明涉及一种薄膜电极单元及其制造方法，该单元用于聚合物电解质薄膜燃料盒，内含一片聚合物电解质薄膜、置于薄膜一侧表面的阳极及置于薄膜另一侧表面的阴极。
如同通常用来产生电流那样，聚合物电解质薄膜燃料盒包含一片阳极、一片阴极及位于其间的离子交换薄膜。许多燃料盒构成了一组燃料盒堆栈，每一个燃料盒彼此之间用双极性板分离开来，双极性板用来收集电流。一个盒阳极一侧的双极性板同时用作相邻盒阴极一侧的双极性板。为产生电荷，一种可燃气体如氢气被填入阳极区域，一种氧化剂如空气或氧气，被填入阴极区域。位于紧邻聚合物电解薄膜的区域内的阳极和阴极，每一种均含有一触媒(catalyst)层。在阳极触媒层中，燃料被氧化，形成阳离子和自由电子，在阴极触媒层中，氧化剂由于接收电子而减少。作为变通，该两触媒层亦可置于薄膜相对的两侧。阳极、薄膜、阴极和相应触媒层的结构即为所谓的薄膜电极单元。形成于阳极的阳离子通过离子交换薄膜移往阴极，并且与正在减少的氧化剂相反应，因此当使用氢气作为可燃气体，使用氧气作为氧化剂时将产生水。在可燃气体与氧化剂反应过程中产生的热将通过冷却而散失掉。为使反应气体更好地分布，如有可能，也是为支撑薄膜电极单元，类隔栅网等导气结构将用在电极与双极性板之间。
在一个燃料盒中安装时，薄膜电极单元在阳极一侧与可燃气体相接触，在阴极一侧与氧化剂相接触。聚合物电解质薄膜将含有可燃气体和氧化剂的区域彼此分隔开来。为防止可燃气体与氧化剂彼此之间形成会导致类似爆炸之反应的直接接触，必须确保气体空间彼此之间的可靠密封。在这方面，提供密封来防止具有优异扩散性能的可燃气体——氢气挥发就成为了一个特别需要注意的问题。
为了防止气体交换在燃料盒中沿着薄膜的边缘发生，传统上要采用如下措施：在生产传统的薄膜电极单元的过程中，采用三明治式的薄膜在两个电极之间的方式，选择薄膜和电极的尺寸，使薄膜在每一侧均超出电极区域一个适宜的距离。传统薄膜电极单元因此包含一片其边缘部分未被电极材料覆盖的薄膜。延伸型PTFE等平面密封材料在薄膜的两侧沿着薄膜电极单元的周边附着其上，用以覆盖薄膜的凸出部分。在正方形薄膜电极单元的情况下，例如方形框架被压在及/或附在薄膜的两侧，他们至少可以部分地覆盖薄膜的超出区域。这些传统的薄膜电极单元具有生产过程非常复杂等缺点，原因在于阳极、阴极和薄膜必须分别切割然后必须以非常精确的方式组装成一个单独的薄膜电极单元。以平方米材料的方式进行薄膜电极材料的便宜制作是不可能的。而且，密封材料必须要单独切割然后再以非常精确的方式附加上去。
传统薄膜电极单元的进一步缺陷已经显现于该单元在燃料盒中的安装过程中。在燃料盒中，至少在阳极一侧，必须在薄膜电极单元与用于封闭盒子的双极性板之间提供一个不漏气的空间。传统上在薄膜电极单元与双极性板之间使用密封环或密封条，几个盒子顺序夹在一起，由一个接头来供应可燃气体。不漏气的空间仅仅是由夹在一起的方式来形成。万一漏气，想确定是哪一个单元漏气是很困难的，移去一个盒子也是不可能的，只有移去漏气的夹在一起的整个单元。这就造成了工作中可观的费用支出及燃料盒使用寿命的浪费。
偶尔地，也采用在薄膜电极单元上使用压封框架的做法。因此在燃料盒中的安装过程中，在薄膜未被电极材料覆盖部分和相邻双极性板之间的密封环是否夹紧，将影响到密封效果。在两种情况下，电极材料与密封之间的间隙会使单元敏感于机械损伤，特别是薄膜薄且脆时更是如此。而且，还有一个危险在于，薄膜电极单元若未以平面方式彻底夹紧，则薄膜接触金属漏电流导体。因此金属被酸性薄膜部分地去除。金属离子进入薄膜，从而降低它的导电率。
本发明可以克服上述缺点。
本发明的目的在于得到一种用于聚合物电解质薄膜燃料盒的薄膜电极单元，该单元至少在一侧与一块双极性板相连，该连接方式下可在薄膜与双极性板之间形成一不漏气的空间。
本发明的另一个目的在于得到一种薄膜电极单元，该单元中的薄膜单元组件与双极性板组件可分别检测气体密闭性。
本发明的进一步目的包括得到一种简单的、便宜的制造此种薄膜电极单元的方法。
这三项目的可通过权利要求1中的薄膜电极单元和权利要求14中的制造该种薄膜电极单元的方法来实现。
本发明的首要成果由各自的权利要求表述。
至于制造该薄膜电极单元，根据本发明，阳极、阴极和薄膜不是分别切割然后将各个单独的部分彼此连接在一起，而是例如通过一种用于造纸的滚卷(roll)方法来生产一种包含阳极材料、阴极材料及其阳极材料和阴极材料间的薄膜材料在内的层状材料。这种方法提供了平方米(squire-meter)方式材料，从中可以按照需要的尺寸在一次操作中切割、冲压或以其他方式生产出单独的薄膜电极单元。以此种方式得到的薄膜电极单元，除去末端面，没有空白薄膜区域，薄膜的两个表面分别全部被阳极材料和阴极材料所覆盖。如果需要，同样在一次操作中可在薄膜电极单元内形成通道。
用于制造本发明所涉及之薄膜电极单元的薄膜、电极和触媒剂本身可以是传统的材料，如同它们通常用于相应的目的。至于电极，如阳极和阴极，可能使用碳纸或石墨结构的扩散电极，包含一在平行方向具有任意分布但垂直于电极区域的触媒剂。除了碳纸和石墨结构，也可以使用碳纤维的非织状结构。触媒则可以应用镀在碳层上的铂。电极仅包含触媒层、部分扩散层或全部扩散层。作为一种变通，触媒亦可做在薄膜的表面。至于薄膜，出于方便的考虑，可使用通常的离子传导聚合物，如nafion或硫化聚醚醚酮酮(PEEKK，由Hoechst提供)。
平方米材料的薄膜电极单元可以在传统和单独薄膜电极单元的工序条件下进行生产。在本发明的情况下，网状电极材料布置于网状聚合物电解质薄膜的每一个表面，该薄膜以其H+形式来表现，然后在30bar至500bar之间以适当的压力及最高至250℃的温度将材料卷起来。典型压力在80bar至250bar之间，典型温度在80℃至120℃之间。当电极材料包含触媒激活层时，它必须在薄膜上卷起来，以便触媒激活层能够与薄膜相接触。
作为一种变通，亦可首先将第一个电极做上去，然后在第二次操作时将第二个电极做上去。
对于这种薄膜电极层状材料，可以在一次操作中按照需要的尺寸切割薄膜电极单元，并且至少沿着每一个薄膜电极单元的边缘形成一道密封边沿，该密封沿以不漏气方式连接薄膜与电极或电极与电极，进一步以不漏气方式连接双极性板。从本发明的角度讲，“薄膜电极单元”是指不带或带有密封边沿的阳极、阴极和薄膜层状材料片，其中，除了末端面，实质上没有未被电极材料覆盖的薄膜区域。密封边沿由密封剂提供，密封剂为塑料材料或塑料材料的混合物，在薄膜电极单元的边缘将密封剂注入电极的边缘区域，电极的小孔基本上被充填，气体便无法再通过。这些塑料材料，其中较好的是热塑材料或具有低粘度可固化的塑料材料，通过毛细反应渗透进入电极，然后被固化。或者是液态形式如熔化的塑料材料，不固化或溶解在溶剂中，在合适的设备中以所要求的压力(最好能达到200bar)和/或以要求的被提高的温度压到电极上，以便以这种方式填充电极的小孔。若需要，可先进行一次抽气，以便从小孔中排出气体，因此促进密封剂的渗入。较好的塑料材料是聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺以及环氧树脂、聚硅氧烷和聚酯树脂。为提供电极边缘部分的增强湿润——通过这种湿润塑料材料渗入，可以在用塑料处理之前，用塑料的溶剂来湿润或轻微打磨该边缘部分。电极碳材料的相应区域的部分氧化可能更有利一些。
因此沿着薄膜电极单元边缘形成的密封沿通过“阻塞”电极边缘部分的气体通路来防止反应气体向外“辐射”，而且为使气体不泄漏而粘在一起及将电极的边缘部分附着在相邻的薄膜部分。
如此说来，可在薄膜电极单元的所有区域来提供密封，边缘也可位于穿过薄膜电极单元活动区域的通道上，它们通常用于供应气体、水及夹紧螺钉。
作为一种变通，密封边缘可在薄膜电极单元的基本齐平的末端由附着于其边沿的密封框架来提供，或者分别由完全排列通道或部分使用密封框架来提供。可能用于密封框架的材料较好的是塑料材料及塑料材料的混合物，特别是如聚乙烯、聚丙烯和聚酰胺等热塑材料或环氧树脂、聚硅氧烷和聚酯树脂等可固化的塑料材料。密封框架以下列方式附加：它不漏气地牢固地连接并附着在薄膜的末端面或至少一层电极和薄膜的末端面上。
所需的通道也可直接在密封边沿自身内部提供。
两种密封边沿选择的混合形式，即密封边沿部分在电极材料内形成，部分在末端面形成，也是可行的。
在边缘，也可能在通道上密封的薄膜电极单元被连接到双极性板上。作为一项规则，双极性板不能直接靠在电极上，一定要在电极和双极性板之间留有一段自由空间，其中气体传导结构如一层网状结构被提供，用于增强反应气体扩散到电极的表面。这段自由空间来自于使密封边缘不结束于电极表面，而是设计成使它超过电极表面。在带有突出的密封边缘的情况下，一块平面双极性板连接到密封边沿上，如不漏气粘附或在永久压力下被压在燃料盒堆栈上。当密封边缘与电极表面齐平结束时，可能会用上一块双极性板，该板在应用气体传导结构的部分比在以不漏气方式连接到薄膜电极单元的部分要薄。双极性板包含集成的气体传导结构，如带有打磨沟槽的石墨板，也不要求突出的密封边缘。
本发明涉及的薄膜电极单元的密封结构可以通用于各种反应气体。然而，特别是在有益的方式下，它用于燃料盒的氢气一侧，原因一方面在于氢气有优异的扩散性，因此在密封中会表现出更多的问题，在另一方面在于氢气是一种非常容易反应的气体，因此在万一泄漏的情况下就会表现出相当的困难。
将密封剂引入电极边缘区域所形成的密封边缘与将密封剂引入通道周围的电极区域而形成通道的密封，对于任何带有多孔电极的薄膜电极单元，原则上是可行的，无论是否表现为齐平末端面结束。特别地，根据本发明的密封也可用于通道，无论为薄膜电极单元的外部边缘选择何种密封类型。
本发明的优选实施例用下列图示来阐述：其中：
图1为本发明所涉及到的还没有密封边缘的薄膜电极单元的横截面示意图；
图2为本发明所涉及到的薄膜电子单元的平面示意图；
图3为以前技术所提供的薄膜电极单元的横截面；
图4为涉及到本发明一个实施例的带有密封边缘和通道的薄膜电极单元横截面示意图；
图5为涉及到本发明实施例的带有密封边缘、通道和双极性板的薄膜电极单元的横截面示意图；
图6为涉及到本发明另一个实施例的、带有密封边缘和用于两侧的双极性板的薄膜电极单元的横截面示意图；
图7为涉及到本发明另一个实施例的、在一侧带有双极性板的薄膜电极单元的横截面示意图；
图8为涉及到本发明的突出的密封边缘连接到双极性板的薄膜电极单元的横截面示意图；
图9为涉及到本发明，具有连接到双极性板的齐平密封边缘的薄膜电极单元的横截面示意图；
图10为涉及到本发明，在密封边缘内部具有通道的薄膜电极单元的横截面示意图；
图11为涉及到本发明，在密封边缘内部具有通道的薄膜电极单元的平面示意图；
图12为安装在燃料盒堆栈中，且具有涉及到本发明的薄膜电极单元的燃料盒之横截面示意图。
薄膜电极单元1包含薄膜2，附在薄膜一个表面上的阳极3和附在薄膜另一个表面上的阴极4。电极面向薄膜的每一侧面均含有触媒剂。至于如图3所示之传统薄膜电极单元，阳极3和阴极4具有完全相同的尺寸，薄膜2则很大，所以薄膜边沿部分25在压制薄膜的过程中形成，该边沿部分不被多孔电极材料所覆盖，并且密封可以应用其上。但是，这样的结构不能用简单和快速的方法来实现。
根据本发明，薄膜电极单元可以通过生产大面积的薄膜电极单元材料片或网，然后再按照所需的尺寸分割成相同但彼此独立的单元而简单快速地制造出来。如此得到的分立的薄膜电极单元，如图1所示，除了末端面，没有薄膜面积，该端面是不被电极材料所覆盖的。传统的密封技术由于电极材料的多孔性而不能采用。
根据本发明，薄膜电极单元1中的薄膜2，阳极3和阴极4在末端面以齐平的方式结束，薄膜电极单元由密封剂来密封，如塑料材料，该材料渗入阳极3的边缘部分6’和阴极4的边缘部分7’。边缘部分6’和7’仅仅只是定义了密封剂渗入的区域。密封剂填充多孔电极的小孔，为薄膜提供不漏气性。因此在“辐射“方向上以分子形式进行的反应气体交换或沿着电极与薄膜的界面进行的交换便被阻止。
本发明所涉及的薄膜电极单元之密封边缘5依据它的形状和尺寸可以有不同的设计。图4描述了一个薄膜电极单元，，其中密封边沿5的阳极一侧的部分6，即密封边沿5渗入阳极边缘6’的那一部分，与背向薄膜之阳极3的表面平齐切断。与此同时，密封边沿5的阴极一侧的部分7，即密封边沿5渗入阴极边缘7’的那一部分，包含了一个超过背向薄膜之阴极4的表面的部分9。而且，该薄膜电极单元还包含一个具有密封边沿5’的通道28，密封边沿5’即阳极一侧密封边沿26和阴极一侧密封边沿27。密封边沿5’的阴极一侧部分27超过了背向薄膜之阴极的表面。在图4所示的实施例中，通道28和密封边沿5’均沿整个薄膜电极单元1而延展，密封剂也扩散到薄膜2中。但是，通道和/或密封边沿也可结束在一个电极中，例如，氢可以通过一个通道供应到阳极，该通道在阳极是部分无密封边沿的，是可以扩散到阳极中的。作为一种变通，通道也可以集成在密封边沿中，更详细的细节在下文中阐述。
图2是图4中实施例从阴极一侧看去的的平面图。所示薄膜电极单元有一种平方结构。然而还可以有其他结构。如在图2中看到的那样，阴极在整个周边及通道28均密封，包含了密封边沿的凸出区9中的一块无阴极区域13。如此一个自由区域允许在不同电极上进行气体传导结构的应用。它们需要作为一项规则，当使用带有中等扩散性质的反应气体或用惰性气体有力的地稀释。当使用氢时，氢具有优异的扩散性能。气体传导结构通常省略。因此，当使用氢气为可燃气体时，在阳极一侧可能附加一块双极性板，在阳极3上直接做燃料盒，无需气体传导结构的介入，所以密封边沿5之阳极一侧的部分6，如图4所示，可以与阳极表面齐平切断。
图5表示本发明所涉及的薄膜电极单元1，其在阳极一侧具有一块双极性板14。双极性板14以不漏气的方式如粘接到密封边沿的凸出部分8，所以在薄膜2，阳极一侧密封边沿6和双极性板14之间形成一段不漏气的空间。粘接最好由密封剂自身来实现。薄膜电极单元分别包含通道28和24，分别用于供应和排放可燃气体。在双极性板14，阳极3和密封边沿的凸出部分8之间有一个小室用于提供一个气体传导结构18，如一张类格栅网。在图5所示实施例中，密封边沿5’围绕通道28形成，超过背向薄膜的阳极表面而与沿薄膜电极单元形成的密封边沿5达到相同的范围。双极性板14因此还可以由密封边沿5’来支撑。在通道28中流动的氢气的一部分通过密封边沿5’中的一个开口23进入燃料盒的气体传导结构18，另一部分通过双极性板14中的通道24传输到相邻盒中。当通道集成在薄膜电极单元周边的密封边沿中时，氢气(或其他气体)同样的传输方式也是可能的。
同样的传输方式也适用于阴极中氧化剂供应。
为形成密封边沿5，可以使用任意一种能够渗入电极边缘区域中小孔的密封剂，在燃料盒的工作条件下以不改变的方式保持在那里，形成一道屏障来防止反应气体的排放。特别合适的是可固化的塑料材料和塑料材料，该材料能够渗入指定区域中电极的小孔中，该过程通过使用增加的温度和压力来实现，也可能是在前面的抽气之后。
为形成密封边沿，例如一片切割或印成适当尺寸的薄膜电极材料置于一个铸模之中，带有不形成密封边沿的电极部分和从铸模中消除通道的部分。塑料材料以液体形式充填，例如热塑材料加热液化，应用合适的压力最好到达200bar压入电极非限制区域的小孔中。根据是希望获得于电极表面齐平的密封边沿，还是希望获得超过电极表面的密封边沿，铸模工具的设计要按照相应的方式进行选择。
在通常尺寸的薄膜电极单元中(大约3cm2到1600cm2)，采用宽度大约0.3cm到1cm，典型值为0.5cm的密封边沿是比较好的。密封边沿的可能凸出部分的高度依赖于附着在电极上的气体传导结构的厚度。
作为上述介绍或应用压力将升高温度所致液化塑料材料注入电极小孔的一种变通，也可以使用低粘度的可固化液体塑料材料渗入电极边沿区域的小孔，该渗入是通过毛细反应来完成的，此后可固化。
合适的可固化塑料材料主要为：环氧树脂、聚硅氧烷和聚酯树脂，合适的热塑材料主要为：聚乙烯、聚丙烯和聚酰胺。
下面将描述一个生产本发明所涉及的薄膜电极单元1的例子。
一块包含一片Gore&Associate公司Gore Select的薄膜，一片依据Magnet Motor GmbH公司专利申请P 19 544 323.3生产的阴极和一片传统阳极的薄膜电极单元材料，被切割成大约90×50mm的形状。依据前述专利申请生产的阴极是包含以均匀方式充满聚四氟乙烯和碳烟(soot)(配方中的质量比为5∶1)的非织状(nonwoven)碳纤维的气体扩散电极。此处所用触媒剂是碳上的铂。薄膜完全被电极所覆盖。切割后的薄膜电极单元置于一个铸模中，其底面在周边大约5mm的宽度上降低大约0.3mm。因此在边缘部分，薄膜电极单元并不直接靠在铸模的底面上。置于薄膜电极单元上的是一块特殊钢板，具有与底板相应的配置，然而是与薄膜电极单元有关的安排的镜像。因此在薄膜电极单元的另一面，在边缘部分同样也是不直接与铸模相接触，有大约5mm的宽度。除了底板和盖板，也使用双极性板，所以在形成密封边沿的同时，薄膜电极单元也附着在双极性板上。模具上有用于导引塑料材料的孔，通过这些孔，模具内的自由空间被Kommerling(德国)公司的Korapox 439环氧树脂或Dr.Weideking公司的DD基双组分清漆CFM所填充。Rhenatech GmbH公司的环氧树脂铸造化合物5100/5620 GA也是一种非常合适的材料。由于是毛细反应，这些塑料材料渗入或吸入电极的孔中，主要是在电极未被覆盖的部分。因此在加工过程中，需要若干步重填充步骤，所以塑料材料在大约60℃的温度得以恢复，加工完毕的薄膜电极单元可以从模具中取出。通过这种方式，薄膜电极单元在阳极区域形成了密封边沿6，在阴极区域形成了密封边沿7，宽度大约5mm，超过电极表面大约0.3mm。
依据薄膜2的材料，所用的密封剂和生产密封边沿的条件(压力，温度)，密封剂也可能渗入到薄膜中去，因此形成薄膜中的密封剂填充区10，如图6所示。依据所需的密封边沿修正，在每一个特例中所需的反应条件可以根据所选择的材料由专家通过调整前处理来简单地决定。带有部分渗入薄膜2的密封边沿5的薄膜电极单元1对反应气体的排放和逸出具有相当高的强度。图6中所示本发明涉及的薄膜电极单元之实施例，在阳极一侧安装有一块双极性板14，在阴极一侧安装有一块双极性板15，以便形成一个燃料盒，其中分别在薄膜2，阳极一侧密封边沿6和双极性板14之间及薄膜2，阴极一侧密封边沿7和双极性板15之间各形成了一个不漏气的空间。在密封边沿凸出部分8和9之间，形成了腔室，分别容纳气体传导结构18和19。
本发明所涉及的薄膜电极单元1的密封边沿5的另一个实施例如图7所示。密封边沿并不渗入或仅仅部分渗入电极材料的孔中，但是附着在薄膜，薄膜和一个电极或一个电极的部分的末端面上，或者如图7所示，附着在整个薄膜电极单元的周边。在此实施例中，一定要确保在密封材料与薄膜，密封材料与电极材料之间的附着必须是足够牢固而紧密的，以防止反应气体的排放。用于形成密封边沿5的可能材料是塑料材料，主要的这些塑料材料与密封边沿的第一个实施例中所适用的材料相同。为确保能附着在非常薄的薄膜2的末端面，在形成密封边沿5形成之前使用粘合剂，如粘合剂沉淀SiO211，或将薄膜的末端面轻微蚀刻。该实施例特别适用于相对较厚的薄膜(从大约100μm起)，反之，由密封剂渗入电极边缘区域的小孔而形成的密封边沿则更适用于任意薄的薄膜(如5μm)。
末端面上密封边沿的应用以类似的方式发生在电极边缘部分的密封边沿形成过程中，即放置一块合适尺寸的薄膜电极单元材料到铸模的脱离室中，以便导引密封剂进入密封边沿将要形成的区域，导引然后固化或恢复密封剂。在密封边沿中含有通道的情况下，铸模必须设计成没有或仅有一点密封剂可以渗入通道区域。这可以由例如使用针来实现，对于密封剂，针不能提供很好的附着，因此随后可以方便地移走。在通常尺寸薄膜电极单元的情况下，末端面适用的密封边沿的宽度为0.2cm到1cm，比较好的是0.5cm或更窄。
当在薄膜2和电极3，4的末端面形成密封边沿时，密封剂可能也会在合适的反应条件下渗入电极的边缘区域，所以可获得末端面密封边沿和电极边缘区域6’和7’中的密封边沿的联合体，如图7中用虚线所示的轮廓。
图8和图9表示形成一个用于容纳气体传导结构的腔室的其他可能性，图8表示出如前所述的带有凸出边缘设计的可能性。图9所示实施例中，分别位于阳极和阴极的密封边沿6和7，与阳极和阴极分别平齐切断。双极性板14具有一个薄的中心区域和厚的边缘区域16和17，边缘区域的厚度与中心区域的厚度之差定义了可获得的用于容纳气体传导结构的空间的高度。边缘区域16和17的宽度根据密封边沿5的宽度适当地选择。
为了在密封边沿5和双极性板14，15间得到牢固的附着，密封边沿的凸出部分8，9带有凹槽29，用来接收附加的粘结剂，如聚硅氧烷。
为了供应反应气体，冷却剂或为了附加安装器件，通常需要在薄膜电极单元中提供一个或多个开口或通道，该单元必须被密封以防止气体的排放或逸出。这些通道可以每一个单独密封，如图4和图5所示，其中只提供了一个被区域5’密封的通道，而5’用密封剂充填。若需要若干条通道，这些通道也可以被结合在一起以形成一组或若干组联合密封的紧密相邻的通道，即一组中的通道彼此之间以及通道与薄膜电极单元的活动地区之间，由填充密封剂的区域5’分隔开来。
然而在此实施例中，薄膜电极单元的部分区域必须用来当作通道和密封边沿，这些区域原本可以作为有效区域(action)。当通道集成在薄膜电极单元周边的密封区域时，这种有效区域中的损失可以避免，如图10，11所示。
图10表示一个薄膜电极单元，带有薄膜2，阳极3，阴极4和处于薄膜电极单元外部周边的密封边沿5，密封剂也渗入阳极3和阴极4的边缘区域，因此分别形成密封区域6和7。密封边沿5超过阳极表面和阴极表面。在仅包含密封剂的密封边沿区域，提供一条垂直于薄膜电极单元平面延展的通道30。在密封边沿5超过阳极表面的区域的高度上，水平多向通道即平行于薄膜电极单元延展的多向通道，如在图11中所见的那样向外拓展。图11是图10中从阳极一侧看去(无双极性板14)的那个薄膜电极单元的平面视图。这些多向通道，主要是出于制造简单的原因，在密封边沿5靠阳极一侧的表面上具有沟槽31的形状，开口于阳极表面和双极性板14之间的空间，该空间包含一个气体传导结构。沟槽或皱褶(corrugation)31可在密封边沿5形成的过程中通过使用一个适当设计的铸模在密封边沿5的表面中形成，或者在密封边沿形成之后再通过碾磨等手段形成。位于通道30上面的双极性板14具有一个通道24，至于其他部分，以不漏气的方式终止了沟槽31和阳极上用于气体传导结构的空间。在通道30中流动的氢气一方面可以通过阳极3中的沟槽31来供应，另一方面还可以通过双极性板14中的通道24进入相邻的燃料盒。为在密封边沿和双极性板之间提供特别牢固的粘接，使用了带有凹槽29的密封边沿，附加的粘接剂被导入到此凹槽中来。
根据本发明，密封边沿内部带有通道的薄膜电极单元可如上文所述不带通道的密封边沿那样产生；随后的通道的区域和沟槽必须从模具中划分出来，所以没有密封剂可以进入。作为一种变通，也可以首先提供一道没有通道和/或沟槽的密封边沿，将其应用于已加工完的密封边沿上，例如通过打孔、冲压或碾磨。
图12表示了一组燃料盒堆栈的断面图，该堆栈包含了若干具有涉及本发明薄膜电极单元的燃料盒。在所示的燃料盒堆栈中，氧气并不被导入闭合且密封的氧化剂空间，而是被位于作为燃料盒边界的双极性板和相邻燃料盒的阴极表面之间的风扇所吹动，双极性板和阴极表面之间带有类格栅网，用于确保所需的空间。图12所示单元包含薄膜2，阳极3，阴极4和双极性板14(带有用于氢气的通道)，一旦在燃料盒堆栈的使用寿命内在任意位置发生氢气泄漏，该单元均可以毫无问题地从堆栈中单独移去，所以每一个单独燃料盒的阳极空间可以分别检查其密闭性。
本发明因此提出了用简单和便宜的方式来制造薄膜电极单元的可能性，与双极性板结合在一起，提出了形成不漏气电极空间的可能性。在每一个燃料盒中，不漏气电极空间可分别检查其气体密闭性。
                   参考数字清单：
1.薄膜电极单元
2.聚合物电解质薄膜
3.阳极
4.阴极
5.薄膜电极单元周边的密封边沿
5’.通道28周围的密封边沿
6’.阳极周边的密封边沿，密封剂渗入其中
6.密封边沿5中阳极一侧的区域
7’.阴极周边的边沿部分，密封剂渗入其中
7 密封边沿5中阴极一侧的区域
8 密封边沿5中超过阳极表面的部分
9 密封边沿5中超过阴极表面的部分
10 填充密封剂的薄膜边沿部分
11 粘合剂
13 无密封边沿阴极区域
14 阳极一侧双极性板
7.阴极一侧双极性板
16.阳极一侧双极性板的加厚边沿部分
17.阴极一侧双极性板的加厚边沿部分
18.阳极一侧的气体传导结构
19.阴极一侧的气体传导机构
20.双极性板14中用于氢气的气体通道
21.氢气供应
22.氢气排放
23.密封边沿5’的开口
24.双极性板14中的通道
25.未被电极材料所覆盖的薄膜边沿部分
26’.围绕通道28的阳极一侧边沿部分
26.密封边沿5’的阳极一侧的部分
27’.围绕通道28的阴极一侧边沿部分
27.密封边沿5’的阴极一侧的部分
28.通过薄膜电极单元的通道
29.密封边沿中用于接收与双极性板相粘合之粘合剂的凹槽
30.通过密封边沿5的通道
31.密封边沿5中的沟槽

Claims (37)

1.带有整体密封边沿(5)用于聚合物电解质薄膜燃料盒(8)的薄膜电极单元(1)，具有聚合物电解质薄膜(2)，位于该薄膜一侧表面的阳极(3)和位于其另一侧表面的阴极(4)，其特征在于，薄膜(2)的两个表面均被电极(3，4)所基本上完全覆盖，沿着薄膜电极单元周边有密封边沿(5)，所述密封边沿(5)至少渗入电极(3，4)中一个的边缘部分(6’，7’)，附着在与所述边缘部分(6’，7’)相连的薄膜(2)的区域，和/或至少附着在所述薄膜(2)的末端面。
2.权利要求1中的薄膜电极单元(1)，其特征在于，它包含至少一个通道(28)，至少在部分区域，通道上有密封边沿(5’)，该密封边沿(5’)渗入至少一个电极(3，4)的环通道边沿区域(26’，27’)并附着在与边沿区域相连的薄膜(2)的区域，和/或至少附着在所述薄膜(2)的末端面。
3.权利要求1或2中的薄膜电极单元(1)，其特征在于，在环绕薄膜电极单元周边的密封边沿(5)中至少有一条通道(30)。
4.权利要求3中的薄膜电极单元(1)，其特征在于密封边沿(5)至少形成一个机构(31)，该机构(31)与所述通道(30)相接触，以用于将反应气体送到至少一个电极或电极空间。
5.权利要求4中的薄膜电极单元(1)，其特征在于所述至少一个机构(31)为密封边沿(5)一个表面中的沟槽。
6.权利要求1至5中任意一项的薄膜电极单元(1)，其特征在于密封边沿(5)渗入阳极(3)的边缘区域(6’)并且附着在与所述边缘区域(6’)相接触的薄膜(2)的区域中。
7.权利要求1至6中任意一项的薄膜电极单元(1)，其特征在于密封边沿(5)至少附着在阳极(3)的末端面上，并且附着在薄膜(2)的末端面上。
8.权利要求1至7中任意一项的薄膜电极单元(1)，其特征在于密封边沿(5，5’)与背向所述薄膜的至少一个电极(3，4)的表面平齐。
9.权利要求1至7中任意一项的薄膜电极单元(1)，其特征在于密封边沿(5，5’)可以超过至少背向所述薄膜的一个电极(3，4)的表面。
10.权利要求9中的薄膜电极单元，其特征在于在密封边沿(5)的凸出区域中有用于接收粘合剂的凹槽(29)。
11.权利要求1至10中任意一项的薄膜电极单元(1)，其特征在于密封边沿(5，5’)由塑料材料组成或包含塑料材料。
12.权利要求11中的薄膜电极单元，其特征在于该塑料材料为热塑材料或可固化的塑料材料，在熔化状态或未固化之前，充分液化且具有足够低的粘度，以便能够通过毛细反应渗入电极(3，4)中至少一个的小孔中。
13.权利要求11中的薄膜电极单元，其特征在于塑料材料在环境温度或升高的温度下，充分液化且具有足够低的粘度，以便在压力下渗入电极(3，4)中至少一个的小孔中。
14.权利要求11至13中的薄膜电极单元(1)，其特征在于该塑料材料为聚乙烯，聚丙烯和聚酰胺。
15.权利要求11至13中的薄膜电极单元(1)，其特征在于该塑料材料为环氧树脂，聚硅氧烷或聚酯树脂。
16.权利要求1至15中任意一项的薄膜电极单元(1)，其特征在于至少阳极(3)的密封边沿(5)以氢气不漏气的方式附着于双极性板(14，15)之上。
17.制造一个用于聚合物电解质薄膜燃料盒的带有整体密封边沿(5)的薄膜电极单元(1)，包括如下步骤：
-提供阳极材料(3)、阴极材料(4)的薄膜电极层状材料，并且聚合物电解质薄膜材料分布于阳极材料(3)和阴极材料(4)间；
-按适合制造所需薄膜电极单元(1)的尺寸切割一片层状材料，所述材料片中包含薄膜(2)，它的两个表面被电极(3，4)所完全覆盖；
-沿着所述材料片的周边形成密封边沿(5)，该边沿渗入电极(3，4)中至少一个的边缘部分(6’，7’)，并附着在薄膜(2)中与边缘部分(6’，7’)相接触的区域和/或附着于所述薄膜末端面的密封边沿上。
18.权利要求17中的方法，进一步包括如下步骤：
-形成一个通道(28)和
-在电极(3，4)中至少一个电极的环通道边缘区域(26’，27’)内的部分区域上，形成密封边沿(5’)，密封边沿渗入到边缘区域，附着在薄膜(2)中与边缘部分(6’，7’)相接触的区域和/或附着于所述薄膜末端面的密封边沿上。
19.权利要求17或18中的方法，其特征在于在薄膜电极单元(1)周边的密封边沿(5)中至少形成一个通道(30)。
20.权利要求19中的方法，其特征在于在密封边沿(5)中至少形成一种与通道(30)相接触的机构，以便向至少一个电极或电极空间供应反应气体。
21.权利要求20中的方法，其特征在于在密封边沿(5)表面沟槽的形成中，至少提供一个机构(31)。
22.权利要求17至21中任意一项的方法，其特征在于其密封边沿通过密封剂渗入电极(3，4)中至少一个的边缘区域(6’，7’，26’，27’)，电极(3，4)中至少一个中的小孔基本上被完全填充。
23.权利要求17至22中任意一项的方法，其特征在于密封边沿(5，5’)通过将密封剂应用于电极(3，4)中至少一个的末端面和薄膜(2)的末端面而形成。
24.权利要求17至23中任意一项的方法，其特征在于密封边沿(5，5’)通过使用热塑或可固化塑料材料来形成。
25.权利要求24中的方法，其特征在于使用的塑料材料为聚乙烯，聚丙烯和聚酰胺。
26.权利要求24中的方法，其特征在于使用的塑料材料为环氧树脂，聚硅氧烷或聚酯树脂。
27.权利要求24至26中任意一项的方法，其特征在于密封边沿(5，5’)通过将塑料材料以液体形式与电极(3，4)中至少一个的边缘部分(6’，7’，26’，27’)相接触，然后固化或固化而成。
28.权利要求24至27中任意一项的方法，其特征在于密封边沿(5)通过将塑料材料以液体形式至少与薄膜(2)的末端面相接触，然后固化或固化而成。
29.权利要求17至28中任意一项的方法，其特征在于密封边沿(5，5’)通过使用压力和/或升高的温度来形成。
30.权利要求29中的方法，其特征在于在应用压力之前先进行抽气。
31.权利要求17至30中任意一项的方法，其特征在于密封边沿(5，5’)由密封剂通过毛细反应渗入电极(3，4)中至少一个的边缘区域(6’，7’)而形成。
32.权利要求17至31中任意一项的方法，其特征在于密封边沿(5，5’)被设计成与背向薄膜的电极(3，4)中至少一个的表面平齐切断。
33.权利要求17至31中任意一项的方法，其特征在于密封边沿(5，5’)被设计成超过背向薄膜的电极(3，4)中至少一个的表面。
34.权利要求17至33中任意一项的方法，其特征在于密封边沿(5，5’)形成于其上的电极(3，4)和/或薄膜(2)的区域，在密封边沿形成之前要进行预处理。
35.权利要求34中的方法，其特征在于预处理包括用密封剂的溶剂来湿润电极(3，4)上密封边沿将形成的区域。
36.权利要求34中的方法，其特征在于预处理包括碾磨电极(3，4)表面密封边沿将形成的区域。
37.权利要求34中的方法，其特征在于预处理包括在电极(3，4)上密封边沿将形成的碳材料区域进行部分氧化。
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