CN110036516B - 用于制造燃料电池的膜-电极组件的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种制造燃料电池的膜‑电极组件的方法，所述方法包括以下步骤：第一步，将催化剂化学元素沉积在离子交换膜的第一面上，所述膜被保持在承载膜上；第二步，所述膜从所述承载膜上剥离；第三步，将膜插入两个加强元件之间；以及第四步，将催化剂化学元素沉积在所述膜的第二面的空置部分上。

Description

用于制造燃料电池的膜-电极组件的方法

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，更具体地，涉及燃料电池的制造和组装领域。

背景技术

燃料电池使得能够通过来自燃料(通常为氢气)与氧化剂(通常为氧气)的电化学反应来产生电能。

具有与固体电解质交换质子的膜的类型的燃料电池(proton exchange membranefuel cell,PEMFC)通常包括板状的单元电池堆，其形成电化学发生器，每个电池通过双极板与相邻电池分开。每个电池包括由离子交换膜(其例如以含硫全氟化聚合物材料制造)形式的固体电解质分开的阳极元件和阴极元件。

包括阴极元件、阳极元件和固体电解质的这个组件形成膜-电极组件，也称为MAE。根据标准变形实施方案，每个双极板在一侧确保对与该侧相邻的电池的氧化剂供应，在另一侧确保对与该另一侧相邻的电池的氧化剂供应，通过双极板并行设置来确保供应。气体扩散层(其例如以碳织物制造)安装在MAE的任一侧，以确保由双极板供应的反应气体的电传导和均匀摄入。

为了提高阳极和阴极处的化学反应的效率，在单元电池堆中使用催化剂(通常是铂)。这种催化剂可以位于膜上或气体扩散层上。

在膜上沉积催化剂的现有技术不令人满意，这是因为，膜对湿度高度敏感，当催化剂沉积在第一面上时，膜趋于收缩，这使得催化剂难以在膜的第二面上沉积。

因此，本发明的目的是提出一种在燃料电池的聚合物膜上沉积催化剂的方法，该方法能够弥补上述缺点。

发明内容

因此，本发明涉及一种用于制造燃料电池的膜-电极组件的方法，所述方法包括以下步骤：

-第一步，将催化剂化学元素沉积在离子交换膜的第一面上，将膜固定在支撑薄膜上；

-第二步，从所述支撑薄膜剥离所述膜；

-第三步，将所述膜插入两个加强元件之间；

-第四步，将催化剂化学元素沉积在所述膜的第二面的空置部分上。

本文指出，为了简化说明的目的，在下文的描述中，将能够由术语“催化剂”代替术语“催化剂化学元素”。优选地，所述催化剂化学元素是包含铂、水和溶剂的墨。

因此，本发明能够通过提出这样的一种方法来弥补上述缺点：其中，在两个催化剂沉积步骤中保持住膜，这能够防止膜收缩。实际上，当催化剂沉积在第一面上时，由支撑薄膜(例如，由塑料材料(例如PET)制成的支撑薄膜)来保持膜。这种支撑薄膜通常用于以辊的形式来传送膜。

当在第二面上沉积催化剂时，膜通过预先安装的加强元件保持在第二面的周边。实际上，加强元件是聚合物膜，其定位成将膜的边缘夹在加强元件整个周边上，并使膜的中心部分保持空置。

因此，催化剂必须不是沉积在加强元件上，而是仅沉积在保持空置的膜的中心部分上。为此，有利地，通过这样一种方法实现第四步，所述方法能够产生图案而不是连续沉积。因此，通过包括在包含以下方法的组中的方法有利地执行该第四步：柔性版印刷、丝网印刷、喷涂。稍后将借助附图详细说明这些各种方法。

例如，通过使用涂布类的方法，催化剂在膜的第一面上的沉积本身可以在膜的整个表面上连续进行。有利地，在这种连续沉积期间，沉积的催化剂的量不是通过测量沉积的厚度来确定，而是通过测量沉积的质量来确定。因此，在约12cm×12cm大小的膜上，沉积的催化剂的质量为毫克数量级。

如前所述，催化剂通常以含有溶剂的墨的形式进行沉积。在操作已进行催化的膜之前，等待溶剂完成蒸发是有用的。为此，在有利的实施方案中，在完成第一步骤的预定时间之后执行第二步骤。在溶剂保持自然蒸发的情况下，对于几微米或几十微米厚的膜，等待时间通常在十秒到一分钟之间。在期望减少该时间的情况下，在优选实施方案中，可以通风以使蒸发效应加速。

已知在燃料电池堆中，必须将密封件定位于每个单元电池的两侧，这样做是为了确保完整密封最终的燃料电池堆。在本发明的一个实施方案中，在插入膜之前，密封件预先安装在加强元件上。这样的实施方案具有两个优点：首先，由于密封件在插入膜之前安装，因此膜不会经受密封件在烘箱中的聚合步骤；此外，在密封件制造中存在缺陷的情况下，仅会损失加强件而不损失膜。然而，已经发现，根据在第二面上沉积催化剂所采用的方法，由于密封件而存在厚度余量(surépaisseur)是潜在的缺点。

为了解决这个问题，本发明还涉及一种用于制造燃料电池的单元电池的方法，所述单元电池包括两个相同的双极板，双极板围绕膜-电极组件和两个气体扩散层，所述方法包括以下步骤：

-将用于形成燃料电池密封件的片材放置在切割砧座上；

-安装两个夹具，以使所述片材定位于冲切机上；

-使用工具进行第一次切割，所述工具的模版取决于所述单元电池的双极板的形状，第一次切割的目的是限定所述密封件的内部形状；

-清除第一次切割产生的废物，同时借助所述夹具将所述密封件保持在原位；

-将依据根据本发明的方法所制造的膜-电极组件安装在所述密封件上；

-使用能够限定密封件的外形的工具进行第二次切割；

-清除第二次切割产生的废物。

附图说明

通过以下对优选但非限制性的实施方案的描述，本发明的其它目的和优点将变得清楚，实施方案由以下附图示出，在附图中：

图1示出燃料电池的膜-电极组件，

图2示出在本发明的实施方案中实现的涂布方法，

图3示出在本发明的实施方案中实现的丝网印刷方法，

图4示出在本发明的实施方案中实现的柔性版印刷方法。

具体实施方式

图1示出燃料电池的膜-电极组件。该组件包括离子交换膜1、加强元件2和2'、密封件3和3'以及气体扩散层4和4'。

如本申请的前序部分所述，在燃料电池中，可以选择将催化剂沉积在膜1上或气体扩散层4和4'上。本发明涉及第一种可能性，即在膜1上沉积催化剂。

因此，根据本发明的方法如下进行：

-最初位于支撑薄膜上的膜1通过使用连续沉积方法在第一面上进行催化，例如涂布沉积(其将在下文中借助于图2进行描述)；

-然后将膜1从其支撑薄膜上剥离，并且将加强件2和加强件2'放置在膜的两侧；

-然后，对承载加强件的膜1在第二面上进行催化；为此，使用一种能够以图案的形式进行沉积的方法，例如，丝网印刷方法(其将借助于图3进行描述)，或者柔性版印刷方法(其将借助于图4进行描述)；

-然后通过使用根据本发明的方法来安装密封件3和3'；

-最后，安装气体扩散层4和4'。

图2示出能够实施涂布方法的系统。所述系统包括支撑辊10，膜11在支撑辊10上运行以接收催化剂。所述系统还包括施加辊12，施加辊12在一侧浸入容纳催化剂的槽(未示出)中，并且在另一侧与安装在支撑辊10上的膜11进行接触。

为了调节沉积的催化剂的量，所述系统进一步包括调节辊13，调节辊13安装在浸泡槽与辊10和辊12之间的接触点之间。可以根据期望沉积的催化剂的量来调整调节辊13与施加辊12之间的距离。

注意到所述方法允许在整个膜上连续施加，但不是特别适用于以图案形式施加的情况。

图3示出了能够实现丝网印刷方法的系统。该系统包括由PET制成的织物(也称为格栅(treillis))21所形成的筛网或框架20，所述格栅的网眼和线材直径可适应不同的用途。

为了产生待制造的图案，织物浸渍有称为乳剂的光敏制品，在该光敏制品上放置对应于待制造的图案的模版。在这种情况下，待制造的图案对应于离子交换膜的中心部分，该中心部分在安装加强件之后保持空置状态。

在经过暴露于UV灯之后，除了模版所掩盖的区域之外，光敏制品硬化。然后清理残余物。因此，格栅则包括形成图案的开放网格22和封闭网格23。

一旦制造出这种框架或筛网，就可以通过丝网印刷进行催化剂沉积。为此，在一个面上进行催化、并且承载加强件的膜24安装在支撑件25上，将没有进行催化的一面安装在最上面。于是，将筛网20定位在支撑件25上、膜24上方。然后，将足量的催化剂26沉积在框架上，并且均匀地铺展在图案上，但不要过于强烈地按压，以避免造成催化剂穿过格栅。这个操作被称为“精磨(le nappage)”。

然后，由其硬度和刚度能够适用的聚氨酯或金属型材所形成的刮刀27沿着型材以接近45°的可变角度通过。在此规定框架20安装在支撑件25的稍上方，以避免在刮刀通过之前两者之间进行接触。

然后，刮刀27将迫使格栅21变形，使格栅21与支撑件25进行接触。然后迫使催化剂在刮刀经过时通过格栅而在膜24上沉积。

刮刀还能够从筛网表面刮掉多余的催化剂，然后多余的催化剂准备进行第二次沉积。

图4能够示出以图案形式实现这种沉积的另一种方法，即柔性版印刷方法，也称为“印台(tampon encreur)”。图4中所示的系统包括支撑辊30，在支撑辊30上安装待进行催化的膜31。所述系统还包括着墨辊32，待沉积的图案通过厚度余量形成在着墨辊32上。该系统还包括小型辊33，用于在浸入含有催化剂化学元素的槽34中之后，清除存在于着墨辊没有形成图案的部分上的墨。

因此，在支撑辊30与着墨辊32之间进行接触时，在着墨辊32上绘制的图案被转移到膜31。

注意到，在例如丝网印刷或柔性版印刷的方法的描述中，膜上存在厚度余量可能会对催化剂的沉积造成问题。因此，在安装膜的每一侧的密封件之前进行催化剂沉积是明智的。

因此，在特定实施方案中，密封件是放置在加强件-已进行催化的膜组件上的扁平密封件。下面将描述可以为此目的实施的密封切割和沉积方法的示例。

Claims (8)

1.一种用于制造燃料电池的膜-电极组件的方法，所述方法包括以下步骤：

-第一步，将催化剂沉积在质子交换膜(1)的第一面上，将所述质子交换膜保持在支撑薄膜上；

-第二步，从所述支撑薄膜剥离所述质子交换膜；

-第三步，将所述质子交换膜插入两个加强元件(2,2')之间，其中，在加强元件上存在密封件(3,3')；

-第四步，将催化剂沉积在所述质子交换膜的第二面的空置部分上。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述催化剂呈现为包含铂、水以及其他溶剂的墨的形式。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述支撑薄膜是由塑料材料制成的膜。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述支撑薄膜是由PET制成的膜。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其中，第一面上的沉积是在所述质子交换膜的整个表面上连续进行的沉积。

6.根据权利要求1或2所述的方法，其中，第二步在完成第一步的预定时间之后开始。

7.根据权利要求1或2所述的方法，其中，通过包括在包含以下方法的组中的方法执行第四步：柔性版印刷、丝网印刷以及喷涂。

8.一种用于制造燃料电池的单元电池的方法，所述单元电池包括两个相同的双极板，所述双极板围绕膜-电极组件和两个气体扩散层，所述方法包括以下步骤：

-将用于形成燃料电池密封件的片材放置在切割砧座上；

-安装两个夹具，以使所述片材定位于冲切机上；

-使用工具进行第一次切割，所述工具的模版取决于所述单元电池的双极板的形状，第一次切割的目的是限定所述密封件的内部形状；

-清除第一次切割产生的废物，同时借助所述夹具将所述密封件保持在原位；

-将根据权利要求1至7中任一项所述的方法制造的膜-电极组件安装在所述密封件上；

-使用能够限定密封件的外形的工具进行第二次切割；

-清除第二次切割产生的废物。

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