用于燃料电池的气体扩散单元，膜电极单元和组件的制作方法

用于燃料电池的气体扩散单元，膜电极单元和组件
发明领域
1.本发明涉及一种用于燃料电池的气体扩散单元，其包括布置在载体衬底上的呈平面状的气体扩散层，其中，在载体衬底的至少一个主侧上布置有密封组件，密封组件的连接区段与气体扩散单元的环绕式边缘对应，连接区段形成密封隆起部。本文开篇所述类型的气体扩散单元不仅可用在燃料电池中，也可以用在相似的应用中，例如用在电解槽或者氧化-还原液流电池中。


背景技术：

2.燃料电池通过燃料的氧化产生电能，并且大多由数个呈叠堆状交叠布置的导电电极构成，这些电极是透气的并且通过传导离子的膜相互分隔开。通过配设有流体通道的双极板供应反应介质，其中，还可通过双极板引导冷却介质，冷却介质将反应热导出。在此情形下，为了针对性地使反应介质和冷却介质转向，需要将分布结构和通道密封。
3.ep 1 320 142 b1例如提出过采用布置在两个双极板之间的密封元件，密封元件将双极板和布置在双极板之间的包含膜的气体扩散层密封，使得反应介质通过膜相互接触，并且使得冷却介质在专设的通道中流动。
4.燃料电池的叠堆元件通常包括两个双极板，在这些双极板之间布置有膜电极组件。膜电极组件又包括两个气体扩散层，在这些气体扩散层之间布置涂布有催化剂的膜，或者包括两个气体扩散电极，在这些气体扩散电极之间布置有膜。其中，一个燃料电池堆可以包括超过200个组件，分别包括两个双极板和一个膜电极组件。在此情形下，为了实现高性能，需要将组件的部件以相对彼此位置正确的方式安装，其中需要避免反应介质的泄漏。反应介质应当仅在气体扩散层的区域内以及涂布有催化剂的膜的区域内相互反应。
5.本发明的目的在于，对组件进行进一步开发，从而简化安装。
6.本发明用以达成上述目的的解决方案为权利要求1、7和9的特征。对上述权利要求进行回溯引用的权利要求涉及优选技术方案。
7.本发明的用于燃料电池的气体扩散单元包括布置在载体衬底上的呈平面状的气体扩散层，其中，在载体衬底的至少一个主侧上布置有密封组件，密封组件的连接区段与气体扩散层的环绕式边缘对应，连接区段形成密封隆起部，连接区段将气体扩散层以材料配合的方式固定在载体衬底上。
8.载体衬底配设有密封组件，该密封组件布置在载体衬底的一个或者优选两个主侧上。在此情形下，密封组件能够实现相对于双极板的密封。通过将密封组件安设在载体衬底上，特别易于将密封组件置于双极板之间。在此情形下，例如无需将单独构建的密封件手工地施覆至双极板上，而迄今为止，前述手工施覆均伴随着特别高的手工制造耗费。通过将密封组件布置在载体衬底上，以形状稳定且极易实现位置正确的方式，使得密封组件与双极板对应。
9.在本发明的技术方案中，气体扩散层是以材料配合的方式固定在载体衬底上。此举通过密封组件的构成连接区段的区域进行。连接区段一方面形成密封隆起部，其能够用
于实现相对于邻接部件的密封，另一方面，通过连接区段将气体扩散层与载体衬底连接。这样一来，气体扩散层与载体衬底以防丢失并且材料配合的方式相连。在此特别优选地，气体扩散层是以位置正确的方式固定在载体衬底上，使得特别易于将膜、例如涂布有催化剂的聚合物电解质膜(ccm)安装在组件内。
10.为了制造气体扩散单元，可以提供载体衬底，将气体扩散层布置在该载体衬底上。随后将密封组件施覆至载体衬底上，其中，密封材料在气体扩散层的边缘区域内形成一个连接区段，通过该连接区段将气体扩散层以材料配合的方式接合至载体衬底上。在此情形下，密封材料优选以形成至少一个密封隆起部的方式成型。
11.载体衬底优选构建为薄膜，其中，在薄膜中设置了通孔。由于构建为薄膜，载体衬底特别薄。借助通孔，能够无阻碍地运送反应介质以及冷却介质穿过载体衬底。特别是在载体衬底的布置有气体扩散层的区域内设置了通孔。这样便能将反应介质无阻碍地朝向膜运送。
12.优选地，在载体衬底的两个主侧上均布置有密封组件。在这个技术方案中，在两个双极板之间仅需要单独一个载体衬底。在载体衬底的两个主侧上均设有密封组件，该密封组件分别贴靠在邻接的双极板上。
13.密封组件可以具有密封隆起部，其将通孔包围和/或与载体衬底的边缘对应。通过第一通孔引导反应介质，并且通过第二通孔引导冷却介质。由于密封隆起部将通孔包围，能够避免泄漏。与载体衬底的边缘对应的密封组件在边缘区域内将包含两个双极板的组件密封。
14.载体衬底可以由热塑性塑料构成。其中，对于载体衬底而言，一个有利的材料是聚萘二甲酸乙二醇酯(pen)。pen是通过缩聚制备的、来自聚酯系列的热塑性塑料。pen具有高气密性、较高的耐热变形能力、较高的耐化学性以及耐水解性。据此，pen特别适于应用在燃料电池中。
15.密封组件优选由可注塑的弹性体材料构成。在这个技术方案中，例如可以在注塑过程中施覆密封组件。其中，特别是可以从由聚烯烃弹性体、氟弹性体和有机硅弹性体构成的组选择密封材料。
16.本发明的用于燃料电池的膜电极单元包括本发明的气体扩散单元、另一气体扩散层和涂布有催化剂的膜，膜布置在气体扩散单元与另一气体扩散层之间，其中，另一气体扩散层沿环绕式边缘配设有另一密封隆起部，涂布有催化剂的膜布置在气体扩散单元与另一气体扩散层之间，且连接区段的密封隆起部和气体扩散层的另一密封隆起部密封地贴靠在膜上。
17.为了制造膜电极单元，首先提供包含载体衬底和气体扩散层的气体扩散单元，其中，气体扩散层是以材料配合的方式接合至载体衬底上。将涂布有催化剂的膜布置在气体扩散层上，使得连接区段密封地贴靠在该涂布有催化剂的膜的边缘上。另一气体扩散层将涂布有催化剂的膜遮盖，其中，另一气体扩散层具有另一密封隆起部，该另一密封隆起部同样贴靠在该涂布有催化剂的膜上，并且在与气体扩散单元相对的一侧、在边缘的区域内将膜密封。由于气体扩散单元的气体扩散层固定在载体衬底上，膜电极单元的制造特别简单。特别是无需将涂布有催化剂的膜固定在膜电极单元中。借助这两个气体扩散层的密封隆起部，膜以被密封且位置正确的方式固定在边缘的区域内。据此，也无需将涂布有催化剂的膜
以材料配合的方式接合至一个或两个气体扩散层。可以仅将涂布有催化剂的膜松散地置于气体扩散层之间。
18.优选地，气体扩散层和另一气体扩散层具有由含纤维的材料构成的基质。含纤维的材料例如是织物、纸张和无纺布。其中优选采用无纺布，因为其制造成本低廉，并且针对反应介质具有较高的可透性。此外，无纺布可以具备导电性。
19.本发明的用于燃料电池的组件包括本发明的膜电极单元，该膜电极单元布置在两个双极板之间，其中，双极板在与气体扩散层对应的区域内具有分布结构，且在双极板中设置了用于运送介质的通道。
20.优选地，在载体衬底的两个主侧上均布置有密封组件，其为了将通道密封而贴靠在双极板上。就此而言，载体衬底借助布置于两个主侧上的密封组件在双极板之间实现密封，并且防止产生反应介质或者冷却介质的泄漏。
附图说明
21.下面结合附图对本发明的气体扩散单元、膜电极单元以及组件的一些技术方案进行详细说明。其中：
22.图1为包含载体衬底的气体扩散单元的示意性俯视图；
23.图2为另一气体扩散层的示意图；
24.图3为膜电极单元的示意性剖视图；
25.图4为包含双极板和膜电极单元的组件的示意性分解图。
具体实施方式
26.图1为用于燃料电池的气体扩散单元1的俯视图。气体扩散单元1包括呈平面状的气体扩散层3，其由导电的无纺布制成。气体扩散层3布置在载体衬底4上。载体衬底4构建为薄膜，并且在本技术方案中由聚萘二甲酸乙二醇酯(pen)制成。在薄膜中设置了通孔10。
27.在载体衬底4的两个主侧5、6上分别安设有密封组件7。在此情形下，密封组件7在一个主侧5上构成连接区段8，其中，连接区段与气体扩散层3的环绕式边缘9对应。据此，连接区段8构成密封隆起部，并且将气体扩散层3以材料配合的方式固定在载体衬底4上。
28.载体衬底4具有通孔10，其与气体扩散层3对应并且用于运送输送介质穿过气体扩散层3。载体衬底4具有其他通孔10，其用于运送冷却介质穿过载体衬底4。密封组件7具有密封隆起部，其将通孔10包围。另一密封隆起部与载体衬底4的边缘对应。密封组件7是由可注塑的弹性体材料制成。在这个技术方案中，密封组件7由聚烯烃弹性体制成。
29.图2示出另一气体扩散层12。另一气体扩散层12由呈平面状的导电的无纺布制成，并且沿环绕式边缘9配设有另一密封隆起部14。
30.图3示出用于燃料电池的膜电极单元11，其包括如图1所示的气体扩散单元1和如图2所示的另一气体扩散层12。在气体扩散单元1与另一气体扩散层12之间布置有涂布有催化剂的膜13。气体扩散单元1的密封组件7的连接区段8的密封隆起部以及另一气体扩散层12的另一密封隆起部14密封地贴靠在涂布有催化剂的膜13上。在此情形下，涂布有催化剂的膜13仅以力配合的方式保持在气体扩散单元1与气体扩散层12之间。
31.图4示出用于燃料电池的组件15。组件15包括如图3所示的膜电极单元11，其布置
在两个双极板16、17之间。双极板16、17呈平面状地由含石墨的材料制成。作为替代方案，双极板16、17也可以由金属材料制成。双极板16、17在与气体扩散层3、12对应的区域内具有用于将反应介质分布的分布结构。此外，在双极板16、17中设置了用于运送反应介质和冷却介质的通道18。
32.设于载体衬底4的两个主侧5、6上的密封组件7为了将通道18密封而贴靠在双极板16、17上。