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CN107851825A - 制造用于燃料电池的膜电极组的方法 - Google Patents

制造用于燃料电池的膜电极组的方法 Download PDF

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CN107851825A CN201680044953.5A CN201680044953A CN107851825A CN 107851825 A CN107851825 A CN 107851825A CN 201680044953 A CN201680044953 A CN 201680044953A CN 107851825 A CN107851825 A CN 107851825A
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C·策勒
J·多伊彻
V·霍里内克
N·里德
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Abstract

本发明涉及一种为燃料电池的膜电极组的涂布有催化剂的聚合物电解质膜(10)配设至少一个由材料(12)构成的功能层的方法，其中借助非接触式印刷法将所述材料(12)直接印刷至所述涂布有催化剂的聚合物电解质膜(10)。

Description

制造用于燃料电池的膜电极组的方法
技术领域
本发明涉及一种制造用于燃料电池的膜电极组的方法。
背景技术
在现有技术中，所谓聚合物电解质膜燃料电池(简称：PEMFC)的燃料电池已为吾人所熟知。这种PEMFC包括至少一个膜电极组(简称：MEA)，其由阳极、阴极和设于上述之间的聚合物电解质膜(也称作离聚物膜，简称：PEM)构成。MEA自身又布置在两个隔板之间，其中这些隔板中的一个具有用于分配燃料的通道，且另一隔板具有用于分配氧化剂的通道，且其中这些通道朝向MEA。阳极和阴极是通常构建为气体扩散电极(简称：GDE)的电极。这些电极的功能是将在电化学反应(例如2H2+O2→2H2O)中产生的电流导出，并使得反应物、离析物和产物被扩散。其中，GDE可以包括至少一个气体扩散层或气体扩散覆层(简称：GDL)。通常将催化剂层施覆至GDL，以此制造GDE，其中此催化剂层朝向PEM。随后可以例如借助热压将如此制造的GDE与第二GDE以及设于其中间的PEM组合成一个MEA。
此外，DE 11 2005 002 440 B4揭示过一种制造用于聚合电解质膜的模块化电极组的方法，其中设有气体扩散介质。此外还提出一种包括离聚物膜的膜电极组，此离聚物膜在相反的侧面上涂布有催化剂层。将粘结剂印刷至此气体扩散介质上。将此气体扩散介质相对膜电极组布置，并且借助粘结剂将气体扩散介质压到膜电极组的催化剂层中的一个上。
发明内容
本发明的目的在于提供一种方法，借助所述方法能够特别有利地制造用于燃料电池的膜电极组。
本发明用以达成上述目的的解决方案为一种具有权利要求1的特征的方法以及一种具有权利要求6的特征的方法。本发明的包含优选改进的有利设计方案参阅其余权利要求。
本发明的第一方面涉及一种制造用于燃料电池的膜电极组、特别是制造聚合物电解质膜燃料电池的方法。在所述方法中，通过借助非接触式印刷法将材料直接印刷至所述涂布有催化剂的聚合物电解质膜，为所述膜电极组的涂布有催化剂的聚合物电解质膜配设至少一个由所述材料构成的功能层。非接触式印刷法是指用于将材料直接印刷至涂布有催化剂的聚合物电解质膜的印刷元件(例如印刷头)并不接触该涂布有催化剂的聚合物电解质膜，而是例如以与该涂布有催化剂的聚合物电解质膜间隔一定距离的方式布置。
借助所述印刷元件将所述用于制造功能层的材料施覆至所述涂布有催化剂的聚合物电解质膜。例如将该材料喷射至涂布有催化剂的聚合物电解质膜，而印刷元件不与涂布有催化剂的聚合物电解质膜发生接触。通过使用非接触式印刷法能够避免涂布有催化剂的聚合物电解质膜的损坏。此外可以为所述聚合物电解质膜配设至少一个功能层，从而总体而言实现膜电极组以及燃料电池的特别有利的制造。
这样便能实现所述膜电极组(MEA)的设计自由度。特别是能够实现MEA的连续制造，其中无需将功能层印刷至气体扩散层(GDL)，而是能够有利地将功能层印刷至涂布有催化剂的聚合物电解质膜。在MEA的制造中，涂布有催化剂的聚合物电解质膜(CCM)例如位于基本幅面上，其中例如将所述基本幅面和/或CCM作为连续材料或幅面式材料提供，并且在MEA的连续制造中沿一个输送方向进行至少大体连续的运动或输送。在这个输送过程期间，可以将所述至少一个功能层印刷至CCM，从而能够特别快速且廉价地制造MEA。
在所述MEA的连续制造中，例如借助一个施加模块来施加所述GDL。在本发明中，由于将所述至少一个功能层直接印刷至CCM，而非印刷至GDL，能够将施加模块大幅简化。此外，借助本发明的方法能够将功能层施覆至CCM，而不会致使这个CCM、特别是其催化剂层损坏。通过将功能层印刷至CCM能够实现施加模块的节约功能，其中借助整合的丝网印刷装置无法实现这种节约功能。
非接触式印刷法例如是指所谓的无压印刷(NIP)。在此涉及一种不采用诸如压印滚筒或印模的固定式印版的印刷法。特别优选地，按照喷墨印刷法的方式实施所述非接触式印刷法。这种喷墨印刷法也称作喷墨法(Inkjet)，其中将材料非接触式地施覆至、特别是喷射至诸如CCM。在此例如以微滴形式将材料施覆至CCM。换言之，例如通过印刷元件将由所述材料构成的微滴射出，其中将这些微滴播散至或送至CCM，从而为该CCM配设所述材料以及进而配设所述功能层。
此外，特别优选将所述非接触式印刷法作为数码印刷来实施。在此涉及一种印刷法，其中将印影像(根据这个印影像将功能层印刷至CCM)直接从电脑传输至用于将功能层印刷至CCM的印刷机，而在此不使用静态印版。
所述材料例如是在所述方法中被直接印刷至CCM的粘结剂。因此，例如可以借助用所述粘结剂制造的功能层将所述CCM与所述膜电极组(MEA)的至少另一组件、特别是气体扩散层(GDL)连接。
作为替代或附加方案，将一个用于制造CCM的催化剂层的催化剂材料用作所述材料。换言之，所述CCM为涂布有催化剂或催化剂材料的膜片。若例如识别出CCM的催化剂的缺陷部位，则可借助本发明的方法来补印催化剂或催化剂材料，具体方式为，在缺陷部位处将催化剂材料直接印刷至CCM。这样便能为缺陷部位配设印刷的催化剂材料，从而消除这些缺陷部位。藉此能够实现CCM的至少大体连贯的催化剂层，使得这个催化剂层在制造完毕的MEA中具有特别有利的功能。
本发明的第二方面涉及一种制造用于燃料电池的膜电极组的方法，其中提供框架材料，其构成所述可应用在该燃料电池中的膜电极组的框架。其中，所述框架将膜电极组的活跃区域包围。此外，通过将材料直接印刷至所述框架材料，为所述框架材料的至少一个分区配设由该材料构成的功能层。本发明的第一方面的有利设计方案被视作本发明的第二方面的有利设计方案，反之亦然。
借助印刷特别是实现所述膜电极组的连续且进而快速廉价的制造，因为能够将功能层直接印刷至框架材料。所述框架材料例如构成前述的基本幅面，其中无需将所述材料印刷至GDL或CCM，而是可以将该材料直接印刷至框架材料。这样便能使CCM或GDL的施加模块特别简单。此外，能够在不致使框架材料损坏的情况下将功能层施覆至框架材料。此外还能实现膜电极组(MEA)的设计自由度。
所述膜电极组的活跃区域是发生氧化剂与燃料的反应的区域。借助所述框架能够为膜电极组的膜片、特别是CCM提供保持件。此外，借助所述框架特别是能够施覆密封元件，用以将膜电极组与隔板或双极板隔绝。此外，能够提供具备一定特性的框架材料，借助该特性能够特别好地穿过各加工工位。
优选将所述框架材料作为连贯的、穿过数个加工工位的幅面式材料提供。这样便能实现所述MEA的至少大体连续且进而廉价的制造。
最后，就本发明的第二方面而言，所述材料优选为粘结剂，借助该粘结剂将所述框架材料与所述膜电极组的至少一个第二组件、特别是CCM和/或GDL连接。
附图说明
本发明的更多优点、特征和细节参阅下文对优选实施例的描述以及附图；其中：
图1为用于为燃料电池的膜电极组的涂布有催化剂的聚合物电解质膜配设至少一个功能层的装置的示意图；以及
图2a-c分别为膜电极组的组件在该膜电极组的制造中的俯视图。
具体实施方式
图1示出用于为燃料电池的膜电极组(MEA)的涂布有催化剂的聚合物电解质膜10(CCM)配设至少一个由材料12构成的功能层的装置。所述燃料电池在此构建为聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)，并且例如应用在汽车、特别是乘用车的燃料电池系统中，其中该汽车能够借助燃料电池系统驱动。PEMFC包括前述MEA，其由阳极、阴极和设于上述之间的聚合物电解质膜(PEM)构成。所述MEA自身又布置在两个隔板之间，其中所述隔板中的一个具有用于分配燃料的通道，且另一个隔板具有用于分配氧化剂的通道，且其中这些通道朝向MEA。这些通道构成一个通道结构、所谓的流场或Flowfield。
所述阳极和阴极是通常构建为气体扩散电极(GDE)的电极。这些电极的功能是将在电化学反应(例如2H2+O2→2H2O)中产生的电流导出，并使得反应物、离析物和产物被扩散。一个GDE可以包括至少一个气体扩散层或气体扩散覆层(GDL)。在PEM的主表面上分别施覆有催化剂层，故在所述主表面中的第一个上例如施覆有阳极催化剂层，且在主表面中的第二个上施覆有阴极催化剂层。各催化剂层分别由催化剂材料构成，并且也称作催化剂或起催化剂的作用。在此情形下，PEM是对涂布有催化剂的聚合物电解质膜10的补充，因为在此通常涉及的是涂布有催化剂的膜(catalyst coated membrane，简称：CCM)。换言之，涂布有催化剂的聚合物电解质膜10是涂布有至少一个催化剂或催化剂层的膜片。
此外，GDE还可以具有气体分配层，其连接至所述气体扩散层并且在所述PEMFC中朝向一个隔板。气体扩散层与气体分配层的区别主要在于其孔径以及针对反应物的输送机制的类型(扩散或分配)。
这种燃料电池能够在相对较低的工作温度下产生具有高功率的电流。实际的燃料电池通常堆叠成所谓的燃料电池叠堆(简称：叠堆)，以实现较高的功率输出，其中用双极隔板(所谓的双极板)来替代单极隔板，且单极隔板仅构成叠堆的两个位于末端的封闭件。这些单极隔板被部分地称作端板，且其结构可以与双极板有很大的区别。
为了特别有利地制造MEA以及燃料电池，借助非接触式印刷法将材料12直接印刷至涂布有催化剂的聚合物电解质膜10。为此，所述装置构建为印刷设备或者印刷机，并且包括至少一个具有用于材料12的容置腔16的印刷头14。印刷头14还具有进料管线18，其用于为容置腔16馈送特别是处于液态下的材料12。在在涂布有催化剂的聚合物电解质膜10的印刷过程中朝向的底侧20上，印刷头14具有数个排出口22，其用作喷嘴或单喷嘴。通过这些单喷嘴能够将材料12从容置腔16或从印刷头14射出，进而例如将材料施覆至CCM(涂布有催化剂的聚合物电解质膜10)的在印刷过程中朝向底侧20的表面24。例如以可预设的压力将特别是处于液态下的材料12通过所述单喷嘴从印刷头14射出，从而在此将单液滴26从印刷头14射出，并且射至表面24或射向表面24。由材料12构成的单液滴12到达表面24且进而到达所述CCM，并且在表面24上构成至少一个功能层。
例如将所述CCM作为连续材料或幅面式材料提供，并且沿一个输送方向进行输送，与此同时将材料12或所述功能层印刷至CCM。这样便能实现所述功能层的至少大体连续的制造，从而总体上实现所述MEA的特别快速廉价并且至少大体连续的制造。
“非接触式印刷法”是指印刷设备(特别是印刷头14)在印刷期间不接触CCM。如图1所示，印刷头14在印刷期间与表面24或CCM间隔距离A。为了特别精确地制造所述功能层，所述距离优选处于从0.5毫米(含其在内)至2毫米(含其在内)的范围内。换言之，在印刷期间优选在印刷头14、特别是其底侧20与所述CCM、特别是表面24之间保持距离A，其中这个距离处于从0.5毫米(含其在内)至2毫米(含其在内)的范围内。
材料12例如是前述催化剂材料，其构成所述CCM的催化剂层。藉此例如能够通过针对性地补印催化剂材料来改善或修缮预先识别的缺陷部位。换言之，可以在缺陷部位处将催化剂材料直接印刷至CCM，从而将缺陷部位修缮。此外，材料12可以是粘结剂，使得所述功能层构建为粘结剂层。借助该构建为粘结剂层的功能层能够将CCM与MEA的至少另一组件、例如与GDL连接，即粘结。
优选按照喷墨印刷法的方式实施所述非接触式印刷法，且特别优选将所述非接触式印刷法作为数码印刷实施。通过使用所述非接触式印刷法能够避免所述CCM的损坏、特别是所述催化剂层的损坏，因为印刷头14不接触CCM。
下面结合图2a-c对一种制造膜电极组的方法进行说明。在该方法中，提供一个最初为整面的并且在图2a中示出的框架材料28。特别是将框架材料28作为连续材料、即作为连贯的幅面式材料提供，所述连续材料被沿一个输送方向输送并且穿过数个加工工位。其中，框架材料28是所述MEA的不同于CCM以及GDL的另一组件。在制造完毕状态下，框架材料28构成一个可从图2b和图2c识别出的框架30，其将所述膜电极组的活跃区域包围。这个活跃区域例如通过所述CCM、特别是其催化剂层构成。
为了制造框架30，如图2b和图2c所示，在所述工位中的一个中从整面的框架材料28冲压出区域32。这个区域32在成品膜电极组中被所述活跃区域、特别是CCM占据。如图2c所示，通过将材料直接印刷至框架材料28，为框架材料18的至少一个分区配设由该材料构成的功能层34。在此，这个分区是框架30的界定冲压出的区域32的边缘区域。所述材料在此为粘结剂，故功能层34构建为粘结剂层。借助所述粘结剂或粘结剂层将框架30与MEA的另一组件、例如与CCM和/或GDL连接，即粘结。
例如在第二加工工位上将所述粘结剂印刷至框架材料28。在第三加工工位上例如将所述CCM施加至尚且潮湿的粘结剂床。可以借助印刷法、特别是非接触式印刷法将所述用于制造功能层34的材料直接印刷至框架材料28。所述印刷法例如是丝网印刷法或者批量印刷法。例如将所述印刷法作为连续印刷和/或旋转印刷来实施。所述印刷法例如包括揭离层转移法(Abziehlagenübertragungsverfahren)和/或喷墨法和/或柔版印刷法和/或喷涂法。
借助冲压例如构成框架材料28的凹口、特别是通孔，其中所述凹口或通孔由前述边缘区域界定。例如沿所述边缘区域将所述材料或粘结剂印刷至框架材料28。优选以小于100μm(微米)的厚度将所述材料、特别是粘结剂印刷至框架材料28。

Claims (10)

1.一种制造用于燃料电池的膜电极组的方法，其中为所述膜电极组的涂布有催化剂的聚合物电解质膜(10)配设至少一个由材料(12)构成的功能层，具体方式为，借助非接触式印刷法将所述材料(12)直接印刷至所述涂布有催化剂的聚合物电解质膜(10)。
2.根据权利要求1所述的方法，
其特征在于，
将粘结剂或者催化剂材料用作所述材料(12)。
3.根据权利要求1或2所述的方法，
其特征在于，
按照喷墨印刷法的方式实施所述非接触式印刷法。
4.根据上述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，
将所述非接触式印刷法作为数码印刷来实施。
5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，
借助所述功能层将所述涂布有催化剂的聚合物电解质膜(10)与所述膜电极组的至少另一组件、特别是气体扩散层连接。
6.根据权利要求2至5中任一项所述的方法，
其特征在于，
沿所述膜片(10)的边缘区段印刷所述粘结剂(12)。
7.一种制造用于燃料电池的膜电极组的方法，其中提供框架材料，该框架材料构成所述能够应用在燃料电池中的膜电极组的框架，其中所述框架将所述膜电极组的活跃区域包围，且其中通过将材料直接印刷至所述框架材料，为所述框架材料的至少一个分区配设由所述材料构成的功能层。
8.根据权利要求7所述的方法，
其特征在于，
将所述框架材料作为连贯的、穿过数个加工工位的幅面式材料提供。
9.根据权利要求7或8所述的方法，
其特征在于，
所述材料为粘结剂，借助所述粘结剂将所述框架材料与所述膜电极组的至少一个第二组件连接。
10.根据上述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，
以小于100μm的厚度将所述粘结剂印刷至所述膜片和/或所述框架材料。
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