專(zhuān)利名稱(chēng)：氣體擴(kuò)散單元的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于燃料電池的氣體擴(kuò)散單元，該氣體擴(kuò)散單元包括 至少兩個(gè)設(shè)計(jì)成平面的氣體擴(kuò)散層，在所述氣體擴(kuò)散層的邊緣上設(shè)置有密 封結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
燃料電池由單個(gè)的電池相互串聯(lián)而成。這形成所謂的(電池)組或電 池堆，其中通常還集成有用于冷卻的附加部件。在此， 一個(gè)(電池)組可包括500以內(nèi)的單個(gè)電池。電池的突出特點(diǎn)是層狀結(jié)構(gòu)，其中電池具有由 兩個(gè)具有氣體分配結(jié)構(gòu)的雙極板、兩個(gè)氣體擴(kuò)散層和一個(gè)催化膜形式的反 應(yīng)層形成的結(jié)構(gòu)。在此，兩個(gè)氣體擴(kuò)散層分別包圍反應(yīng)層并形成膜電極結(jié) 構(gòu)。為了避免泄漏，裝備有密封結(jié)構(gòu)。泄漏會(huì)導(dǎo)致燃料電池的損壞并降低 燃料電池的效率。由US 2003/0082430 Al中已知一種氣體擴(kuò)散單元，在該 氣體擴(kuò)散單元中密封結(jié)構(gòu)被注塑到設(shè)計(jì)成平面的氣體擴(kuò)散層上。在此，在接觸區(qū)域以及氣體擴(kuò)散層和雙極板的接觸區(qū)域。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于，提供一種可較簡(jiǎn)單和較可靠地密封安裝的氣體擴(kuò) 散單元。上述目的通過(guò)權(quán)利要求1的特征來(lái)實(shí)現(xiàn)。優(yōu)選的實(shí)施形式參見(jiàn)從屬權(quán) 利要求。為了實(shí)現(xiàn)所述司的，使至少兩個(gè)氣體擴(kuò)散層相互鉸接連接。在此，在 即可使用的狀態(tài)中，在所述氣體擴(kuò)散層之間設(shè)置有膜片。通過(guò)鉸接連接得到限定的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線，所述氣體擴(kuò)散層可繞該轉(zhuǎn)動(dòng)軸線相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。為了制造 膜電極單元，首先將膜片設(shè)置在(氣體擴(kuò)散)層之間，然后^f吏氣體擴(kuò)散層 轉(zhuǎn)動(dòng)成彼此疊置。通過(guò)這種確定的轉(zhuǎn)動(dòng)保證了，所述兩個(gè)氣體擴(kuò)散層及其 密封結(jié)構(gòu)上下對(duì)齊地設(shè)置。通過(guò)密封結(jié)構(gòu)的精確對(duì)齊可靠地防止了泄漏。 在另 一種實(shí)施形式中，密封結(jié)構(gòu)能設(shè)置在由聚合物材料制成的支承框架上。氣體擴(kuò)散層的密封結(jié)構(gòu)能相互連接。通過(guò)該連接結(jié)構(gòu)能以簡(jiǎn)單的方式、 在不用附加元件的情況下建立氣體擴(kuò)散層的可動(dòng)連接。密封結(jié)構(gòu)能設(shè)計(jì)成材料相同(材料一致)的和一體的。由此使氣體擴(kuò) 散層的密封結(jié)構(gòu)相互連接。所述密封結(jié)構(gòu)可價(jià)格低廉地制造。密封結(jié)構(gòu)能通過(guò)連接條帶(Verbindungsstreifen )相互連接。在此， 該連接條帶為膜鉸鏈(Filmscharnier )，通過(guò)該膜鉸鏈?zhǔn)箽怏w擴(kuò)散層可轉(zhuǎn) 動(dòng)地相互連接。同時(shí)，所述連接條帶具有在制造時(shí)能使材料溢出的限定區(qū) 域。由此所有密封結(jié)構(gòu)都能在一個(gè)工序中進(jìn)行制造。在另一種實(shí)施形式中，密封結(jié)構(gòu)能通過(guò)連接片相互連接。連接片是氣 體擴(kuò)散層的一種同樣可轉(zhuǎn)動(dòng)的、另外還是節(jié)省材料的連接結(jié)構(gòu)。所述連接條帶或連接片可至少在一側(cè)上具有沿縱向延伸的槽或漸縮 部。通過(guò)所述槽和漸縮部精確確定了運(yùn)動(dòng)軸線，并因此使氣體擴(kuò)散層更好 地對(duì)齊，而這又產(chǎn)生了更好的密封效果。密封結(jié)構(gòu)能由彈性的聚合物材料制成。合成橡膠材料是彈性的、可大 變形的且易于加工的。密封結(jié)構(gòu)例如能由硅樹(shù)脂、FKM(氟橡膠/含氟彈 性體)、EPDM(三元乙丙橡膠，Ethylen-Propylen-Dien-Monomer ) 、 PIB (聚異丁烯)、PU (聚氨酯)、BR (丁二烯橡膠)或這些材料的混合物 制成。通過(guò)該混合物使得能夠特定地組合各材料的有利特征。氟橡膠的優(yōu) 點(diǎn)是耐熱性好以及耐化學(xué)腐蝕性好，所述氟橡膠在燃料電池環(huán)境中證明是 特別有利的。在另 一種實(shí)施形式中也可考慮將熱塑性材料、如熱塑性橡膠/熱塑性彈 性體(TPE)用作密封材料。熱塑性橡膠的特殊優(yōu)點(diǎn)是它如同熱塑性材料 那樣能夠在短周期內(nèi)進(jìn)行加工。所有列出的材料的優(yōu)點(diǎn)是，它們都允許以成形方法進(jìn)行加工。用于將密封結(jié)構(gòu)安裝到氣體擴(kuò)散層上的可考慮的制造方法有注塑、壓 制、膠粘和澆注。在此，壓制是一種特別是由于工具成本和才幾械成本小而 有利的制造方法，該制造方法使得能在尺寸精度高的情況下以燃料電池的 常見(jiàn)的小公差來(lái)制造密封結(jié)構(gòu)。膠粘方法實(shí)現(xiàn)了模塊式的制造，在這種制造中密封結(jié)構(gòu)的不同實(shí)施形 式能與氣體擴(kuò)散層的不同實(shí)施形式相組合，膠粘方法由于其靈活性而特別 適合于構(gòu)件數(shù)少的情況。密封結(jié)構(gòu)可被注塑到氣體擴(kuò)散層上。注塑是一種用于批量生產(chǎn)的制造 方法。通過(guò)注塑在氣體擴(kuò)散層上形成環(huán)繞的密封結(jié)構(gòu)，該密封結(jié)構(gòu)完全包 圍設(shè)置在氣體擴(kuò)散層之間的反應(yīng)層從而避免泄漏。注塑有利的是，在氣體 擴(kuò)散層上注塑而成的密封材料滲入氣體擴(kuò)散層中。這種滲透特別是在由無(wú) 紡布形成的氣體擴(kuò)散層中發(fā)生。由此改進(jìn)了密封效果以及加工性育&/工藝性能(Handhabbarkeit)。密封結(jié)構(gòu)可具有至少一個(gè)至少部分環(huán)繞的密封凸起。該密封凸起可特 別設(shè)計(jì)成V形。密封凸起改進(jìn)了密封效果、簡(jiǎn)化了膜電極單元的安裝。為 了安裝，相互連接的氣體擴(kuò)散層與設(shè)置在它們之間的膜片例如通過(guò)雙極板 之間的螺紋連接結(jié)構(gòu)而相互壓緊。由于密封凸起的接觸面積很小，壓緊力 起初很小，但該壓緊力隨著壓縮的增加而持續(xù)增大。在完全壓縮密封凸起 之后，鄰近的設(shè)計(jì)成平面地密封區(qū)域相接合并且壓緊力超比例地增大，這 (種現(xiàn)象)可作為合適的壓緊力的標(biāo)志，周而作為密封力的標(biāo)志。由此可 避免過(guò)大的壓緊力造成的密封結(jié)構(gòu)的過(guò)壓(tJberpressen)。此外，密封凸 起補(bǔ)償了待密封表面中的公差和不平度。氣體擴(kuò)散單元的厚度可小于2mm。這實(shí)現(xiàn)了特別緊湊的燃料電池的結(jié) 構(gòu)，特別是用于機(jī)動(dòng)車(chē)輛或小型電氣設(shè)備的燃料電池。密封結(jié)構(gòu)可具有至少一個(gè)至少部分環(huán)繞的密封凸起和至少一個(gè)環(huán)繞的 凹部，其中所述凹部設(shè)置成與所述密封凸起相鄰。所述凹部提供了當(dāng)壓緊 力增大時(shí)供密封凸起的材料橋入的空間。由此避免了會(huì)導(dǎo)致密封凸起磨損或破裂的劇烈的延伸。密封效果得以改進(jìn)。密封結(jié)構(gòu)可另外圍繞雙極板中的用于輸送反應(yīng)介質(zhì)或冷卻介質(zhì)的穿 孔。因?yàn)檫@些區(qū)域?qū)γ芊饨Y(jié)構(gòu)在安裝時(shí)的錯(cuò)位特別靈敏地做出反應(yīng)，所以 本發(fā)明提供了附加的優(yōu)點(diǎn)。以這種方式，能夠價(jià)格低廉地僅以一個(gè)密封元 件滿足燃料電池密封的不同需求。氣體擴(kuò)散層可包括無(wú)紡布。無(wú)紡布價(jià)格低廉，并且形成穩(wěn)定的氣體擴(kuò) 散層。此外，因?yàn)槊芊饨Y(jié)構(gòu)的材料由于無(wú)紡布的多孔性而能滲透入無(wú)紡布中，所以無(wú)紡布形成了良好的用于密封材料的附著基體(Haftgrund)。在 此，該無(wú)紡布通常^L碳化。由此氣體擴(kuò)散層可包括多孔的、包括碳纖維物 或含碳物的無(wú)紡布。碳纖維改進(jìn)了氣體擴(kuò)散層的導(dǎo)電性。


下面根據(jù)附圖詳細(xì)說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的氣體擴(kuò)散單元的多個(gè)實(shí)施例，在 附圖中圖1示意性示出具有連接條帶的氣體擴(kuò)散單元； 圖2示意性示出具有連接片的氣體擴(kuò)散單元； 圖3示意性示出注塑過(guò)程之后的氣體擴(kuò)散單元； 圖4示意性示出具有嵌入的反應(yīng)層的氣體擴(kuò)散單元； 圖5示意性示出即可使用的氣體擴(kuò)散單元； 圖6示意性示出具有根據(jù)本發(fā)明的氣體擴(kuò)散單元的燃料電池； 圖7示意性示出氣體擴(kuò)散單元的漸縮的^^接連接； 圖8示意性示出氣體擴(kuò)散單元的有槽的鉸接連接； 圖9示意性示出具有連接條帶和圍繞反應(yīng)介質(zhì)輸送區(qū)域的密封元件的 氣體擴(kuò)散單元。
具體實(shí)施方式
圖1示出一種用于燃料電池2的氣體擴(kuò)散單元1，該氣體擴(kuò)散單元包 括兩個(gè)設(shè)計(jì)成平面的氣體擴(kuò)散層3。氣體擴(kuò)散層3包括碳化的無(wú)紡布，其中在氣體擴(kuò)散層3的邊緣上設(shè)置有密封結(jié)構(gòu)4。密封結(jié)構(gòu)4在此實(shí)施例中 由含硅樹(shù)脂的混合物制成，并通過(guò)注塑固定在氣體擴(kuò)散層3上，其中密封 材料滲入無(wú)紡布的細(xì)孔中。在另一個(gè)實(shí)施例中，密封結(jié)構(gòu)也可由熱塑性合 成橡膠、EPDM (三元乙丙橡膠)和PIB (聚異丁烯)、PU (聚氨酯)、 BR(丁二烯橡膠)制成，或由包括這些材料以及硅樹(shù)脂的混合物制成。兩 個(gè)氣體擴(kuò)散層3的密封結(jié)構(gòu)4都設(shè)計(jì)成材料相同的和一體的，在此實(shí)施例 中所述密封結(jié)構(gòu)通過(guò)連接條帶5相互連接。這兩個(gè)氣體擴(kuò)散層3通過(guò)該連 接條帶5相互鉸接連接。圖2示出按照?qǐng)D1的氣體擴(kuò)散單元1，其中密封結(jié)構(gòu)4在此實(shí)施例中 通過(guò)連接片6相互連接。圖3至5示出氣體擴(kuò)散單元1的制造步驟，其中膜片9設(shè)置在所述氣 體擴(kuò)散層3之間。膜片9由聚合物制成。為了制造(氣體擴(kuò)散單元1)， 將膜片9設(shè)置在一個(gè)氣體擴(kuò)散層3上并使兩個(gè)氣體擴(kuò)散層3轉(zhuǎn)動(dòng)成相互疊 置，從而使膜片9設(shè)置在所述氣體擴(kuò)散層3之間。由氣體擴(kuò)散層3的鉸接 連接來(lái)確定所述擴(kuò)散層轉(zhuǎn)動(dòng)成使這兩個(gè)氣體擴(kuò)散層3獨(dú)立對(duì)中，而密封結(jié) 構(gòu)4進(jìn)入相互貼合的狀態(tài)，由此使膜片9密封至兩側(cè)。密封結(jié)構(gòu)4具有環(huán)繞的密封凸起7，該密封凸起在安裝之后設(shè)置在背 朝膜片9的一側(cè)上并指向雙極板(未示出)的方向。圖5所示的密封結(jié)構(gòu) 4在密封凸起7旁邊附加地具有兩個(gè)環(huán)繞的凹部8，該凹部i殳置成在兩側(cè)鄰 近密封凸起7。圖6示出用于機(jī)動(dòng)車(chē)輛的燃料電池2。設(shè)置在燃料電池2中的氣體擴(kuò) 散單元1具有小于1毫米的厚度。圖7示出氣體擴(kuò)散層3的連接結(jié)構(gòu)，該連接結(jié)構(gòu)在根據(jù)圖1的實(shí)施例 中由連接條帶5形成，而在根據(jù)圖2的實(shí)施例中由連接片6形成。所述連 接結(jié)構(gòu)大約在兩側(cè)的中央處具有槽10。在根據(jù)圖8的實(shí)施例中所述連接結(jié) 構(gòu)大約在兩側(cè)的中央處具有圓弧形的漸縮部11。圖9示出根據(jù)圖1的氣體擴(kuò)散單元1，其中密封結(jié)構(gòu)4另外包圍反應(yīng) 介質(zhì)輸送區(qū)域12。
權(quán)利要求
1.一種用于燃料電池(2)的氣體擴(kuò)散單元(1)，該氣體擴(kuò)散單元包括至少兩個(gè)設(shè)計(jì)成平面的氣體擴(kuò)散層(3)，在所述氣體擴(kuò)散層的邊緣上設(shè)置有密封結(jié)構(gòu)(4)，其特征在于，所述至少兩個(gè)氣體擴(kuò)散層(3)相互鉸接連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的氣體擴(kuò)散單元，其特征在于，所述氣體擴(kuò) 散層(3)的密封結(jié)構(gòu)(4)相互連接。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的氣體擴(kuò)散單元，其特征在于，所述密 封結(jié)構(gòu)(4)設(shè)計(jì)成材料相同的和一體的。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的氣體擴(kuò)散單元，其特征在于，所述密 封結(jié)構(gòu)(4)通過(guò)連接條帶(5)相互連接。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的氣體擴(kuò)散單元，其特征在于，所述密 封結(jié)構(gòu)(4)通過(guò)連接片(6)相互連接。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的氣體擴(kuò)散單元，其特征在于，所述連 接條帶(5)或連接片(6)至少在一側(cè)上具有沿連接條帶(5)的縱向延伸 的槽(10 )或漸縮部(11)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的氣體擴(kuò)散單元，其特征在于， 所述密封結(jié)構(gòu)(4)由彈性的聚合物材料制成。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的氣體擴(kuò)散單元，其特征在于， 所述密封結(jié)構(gòu)(4)由硅樹(shù)脂、FKM、 EPDM、 PIB、 TPE或這些材料的 混合物制成。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的氣體擴(kuò)散單元，其特征在于， 所述密封結(jié)構(gòu)(4)用成形方法制造。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的氣體擴(kuò)散單元，其特征在于, 所述密封結(jié)構(gòu)(4)被注塑到氣體擴(kuò)散層(3)上。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1至10中任一項(xiàng)所述的氣體擴(kuò)散單元，其特征在 于，所述密封結(jié)構(gòu)(4)具有至少一個(gè)至少部分地環(huán)繞的密封凸起(7)。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1至11中任一項(xiàng)所述的氣體擴(kuò)散單元，其特征在 于，所述氣體擴(kuò)散層(3)的厚度小于2mm。
13. 根據(jù)權(quán)利要求1至12中任一項(xiàng)所述的氣體擴(kuò)散單元，其特征在 于，所述密封結(jié)構(gòu)(4)具有至少一個(gè)至少部分地環(huán)繞的密封凸起(7)和 至少一個(gè)至少部分地環(huán)繞的凹部(8),其中所述凹部設(shè)置成與所述密封凸 起(7)相鄰。
14. 根據(jù)權(quán)利要求1至13中任一項(xiàng)所述的氣體擴(kuò)散單元，其特征在 于，所述密封結(jié)構(gòu)(4)另外密封在雙極板中的用于輸送反應(yīng)介質(zhì)的穿孔(12)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于燃料電池(2)的氣體擴(kuò)散單元(1)，其包括至少兩個(gè)設(shè)計(jì)成平面的氣體擴(kuò)散層(3)，在所述氣體擴(kuò)散層的邊緣上設(shè)置有密封結(jié)構(gòu)(4)，其中所述至少兩個(gè)氣體擴(kuò)散層(3)相互鉸接連接。
文檔編號(hào)H01M8/02GK101336493SQ200680052360
公開(kāi)日2008年12月31日 申請(qǐng)日期2006年2月9日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月9日
發(fā)明者L·格丁 申請(qǐng)人:卡爾弗羅伊登柏格兩合公司