專利名稱：具有改進的長效性能的聚合物電解質(zhì)膜燃料電池,操作聚合物電解質(zhì)膜燃料電池的方法 ...的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有邊緣區(qū)域新型設(shè)計的聚合物電解質(zhì)膜(聚合物電解質(zhì)膜)燃料電池，涉及一種操作燃料電池的方法并涉及一種燃料電池蓄電池。
從DE-C4442285中已知一種聚合物電解質(zhì)膜燃料電池的邊緣區(qū)域的設(shè)計(見其中圖2)，其中邊緣密封裝置是由一種框架元件制成的，該元件分別將相鄰收集器板壓到膜的頂部及底部，壓的方式是將這三個部件以機械固定、氣密及電絕緣方式相互連結(jié)。膜的兩面涂覆有兩個電極，這二個電極只延展到這個邊緣區(qū)域。由此，在膜的電極涂層及邊緣密封裝置之間的邊界上產(chǎn)生一微小的間隙，在這個間隙上，膜直接暴露于生產(chǎn)氣體，即沒有保護電極層。這就引起膜干燥并在此變脆。而且例如在膜-電極裝置的熱加工過程中可能引起的先前損壞也可能在膜直接暴露于生產(chǎn)氣體的這個地方導致氣體穿透。由于發(fā)生膜直接暴露于生產(chǎn)氣體的這個間隙，膜的使用壽命或長效性能相應(yīng)受到限制。
本發(fā)明的一個目的是提供具有改進的長效性能的聚合物電解質(zhì)膜燃料電池結(jié)構(gòu)。
這個目標是通過如權(quán)利要求1所要求的一種聚合物電解質(zhì)膜燃料電池，通過如權(quán)利要求3所要求的這種電池的制造方法及通過提供如權(quán)利要求4所要求的燃料電池蓄電池來取得的。本發(fā)明的進一步的結(jié)構(gòu)形式通過描述、圖及圖的解釋來給出。
本發(fā)明涉及一種聚合物電解質(zhì)膜燃料電池，它是由至少二個端板構(gòu)成的，二個端板夾緊一個膜，除最外邊緣外，一個電極層覆蓋在膜的二面，至少一個電極層對膜的覆蓋伸展進燃料電池的結(jié)構(gòu)邊緣區(qū)域內(nèi)。至少一個電極層的擴展不只意味著至少在一面上膜不再直接暴露于生產(chǎn)氣體，而且意味著在邊緣區(qū)域中涂覆的電極與未涂覆的膜之間的邊界上還導致產(chǎn)生形成于此的小積水，該積水連續(xù)濕潤該膜。
本發(fā)明也涉及操作一種聚合物電解質(zhì)膜燃料電池的方法，其中生成物水在燃料電池的結(jié)構(gòu)邊緣區(qū)域的形成用來濕潤該膜。
最后，本發(fā)明涉及一種聚合物電解質(zhì)膜燃料電池蓄電池，其構(gòu)成有如權(quán)利要求1至3之一所要求的至少二個聚合物電解質(zhì)膜燃料電池。
在這個上下文中，術(shù)語端板的意思應(yīng)理解為包圍與膜相對的一面上的燃料電池的氣體空間的任何型類的隔離物及冷卻與接觸板。
燃料電池的“結(jié)構(gòu)邊緣區(qū)域”，在意思上應(yīng)理解為在活性電池區(qū)域以外的該電池的區(qū)域，因而沒有規(guī)律的生產(chǎn)氣體與反應(yīng)生成物的輸送與去除。
電極層是一可透氣層并最好由一活性催化劑層和一支撐物如碳紙構(gòu)成。
該膜最好是一種質(zhì)子-傳導電解質(zhì)薄膜，在操作狀態(tài)，它具有大約20％-40％重量比的水含量。
在邊緣區(qū)域，密封裝置最好安置在端板與膜之間。
根據(jù)本發(fā)明的一種結(jié)構(gòu)，框架元件是由金屬構(gòu)成的并在邊緣區(qū)域中附加一電絕緣層，使各個單個電池堆積在一起時在沒有任何短路的危險下串聯(lián)。
本發(fā)明的一種結(jié)構(gòu)參照以下二個圖來解釋，其中

圖1示出一種燃料電池的橫剖面結(jié)構(gòu)，及圖2示出邊緣區(qū)域的詳細放大圖。
圖1示出一種燃料電池1。延伸在該電池整個長度上的膜2被放在中心。電極3與4被涂覆在膜的二面，只到邊緣。密封裝置5與6靠近電極止住的地方膜的二面，在邊緣可以看見它們。給在與膜2相對一面上的燃料電池1的二個反應(yīng)空間11與12定界的端板7與8，在頂部及底部可被看到。
在圖1中選取的燃料電池1的剖面圖是從用于生產(chǎn)氣體的輸送或去除管道9/10截取的。因而在每種場合在端板7與8內(nèi)可看到二個去除或輸送口，通過這些口生產(chǎn)氣體例如以箭頭所示方向流動。在輸送與去除管道之間的電池區(qū)域是活性電池區(qū)域。燃料電池的邊緣區(qū)域在管道的另一端。
在操作中，生產(chǎn)氣體例如燃料沿活性電池區(qū)域通過分布通道13流進二個反應(yīng)空間11/12之一，例如陽極室11，在活性電池區(qū)域發(fā)生氧化劑與燃料的反應(yīng)形成水和電流。生成物水規(guī)律地沿活性電池區(qū)域被去除。到此為止，在燃料電池中只有活性電池區(qū)域一點，在這一點形成生產(chǎn)物水。根據(jù)本發(fā)明，在電池的構(gòu)造邊緣區(qū)現(xiàn)在也發(fā)生輕度反應(yīng)，根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造邊緣區(qū)中電極層沿膜延伸。由于在構(gòu)造邊緣區(qū)內(nèi)的端板不具有任何分布通道13，生產(chǎn)氣體實際上只通過活性催化劑層即例如通過碳紙的支持由擴散到達該區(qū)。
如已說明的那樣，生產(chǎn)氣體在構(gòu)造邊緣區(qū)的流動是很小的或者甚至是不存在的，因而在那里形成的生產(chǎn)物水是不能被去除的。結(jié)果，生成物水14聚集在形成并靠近膜上電極層末端的間隙內(nèi)。結(jié)果，在密封裝置5和6與膜2之間形成小積水(槽)14。這個積水具有下列優(yōu)點1)在活性電極表面之外的膜表面總是被水環(huán)繞。其機械阻力高度依賴水含量的膜因而具有長期穩(wěn)定性而被使用。
2)任何可能出現(xiàn)在膜的邊緣區(qū)域的損壞，例如由熱壓引起的損壞，到現(xiàn)在為止即沒有積水，都導致了氣體穿透，由于現(xiàn)在有了水的緩沖，只有溶在水中的氣體可擴散到膜，這個氣體量是非常小的以致局部過熱及對膜的進一步損壞如氣體穿透是沒有可能的。
3)防止膜在邊緣區(qū)域變脆并干燥。
在圖1被圈起的區(qū)在圖2中詳細示出。在邊緣上被密封裝置5與6包圍的膜2被放置在中心。朝向電池區(qū)的中央，涂有電極3及4，電極的構(gòu)成是催化劑層3a與4a及支撐物3b與4b。也可看見軸向輸送管道10，帶有在反應(yīng)空間11及12內(nèi)的分布通道13的端板7與8。由于形成在那里的生成物水不能被去除，在膜的每個電極涂層的末端形成了積水14。
電極層向燃料電池的構(gòu)造邊緣區(qū)內(nèi)的新穎伸展意味著在膜上的一個位置上的小間隙內(nèi)的區(qū)域里形成了濕潤膜的積水。
權(quán)利要求
1.一種聚合物電解質(zhì)膜燃料電池，包括至少二塊夾著一個膜的極板該膜的二面除去最外邊緣都被電極層所覆蓋，至少一個電極層對膜的覆蓋伸入燃料電池的結(jié)構(gòu)邊緣區(qū)域。
2.如權(quán)利要求1所述的聚合物電解質(zhì)膜燃料電池，其中邊緣區(qū)域中密封裝置被置于膜與框架元件之間。
3.一種操作聚合物電解質(zhì)膜燃料電池的方法，其中在燃料電池的結(jié)構(gòu)邊緣區(qū)域內(nèi)的生成物水的形成被用于濕潤膜。
4.一種燃料電池蓄電池，是由燃料電池電串聯(lián)連接而成的并且包括由權(quán)利要求1至3中之一所述的至少二個燃料電池組成的堆疊，這些燃料電池相互機械連結(jié)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種聚合物電解質(zhì)膜燃料電池,它具有新型的邊緣結(jié)構(gòu),其中在膜(2)與邊緣密封裝置(5、6)之間的小間隙里形成積水(14),這大大改進了聚合物電解質(zhì)膜的使用壽命,特別是帶有干燥生產(chǎn)氣體的聚合物電解質(zhì)膜。
文檔編號H01M8/10GK1346522SQ99809443
公開日2002年4月24日 申請日期1999年7月1日 優(yōu)先權(quán)日1998年8月10日
發(fā)明者尤里奇·杰哈特, 曼弗雷德·韋德哈斯, 格里格·德克斯, 哈拉爾德·伯恩塞爾 申請人:阿克西瓦有限公司