[發明專利]生產燃料電池的膜電極組件的方法

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• 申請號: 201980087949.0
• 申請日: 2019-12-09
• 公開（公告）號: CN113366676A
• 公開（公告）日: 2021-09-07
• 發明（設計）人: A·格朗讓;B·德科普曼
• 申請（專利權）人: 森碧歐
• 主分類號: H01M4/88
• 分類號: H01M4/88;H01M8/1004;H01M8/1018;H01M8/0273
• 代理公司: 北京彩和律師事務所 11688
• 代理人: 閆桑田

一種生產燃料電池的膜電極組件(100)的方法，所述膜電極組件包含聚合物質子交換膜(10)、催化層(20、30)，以及第一和第二氣體擴散層(50、40)，所述方法包括以下步驟：a)在所述膜的第一表面(14)上形成催化層(20)，相對表面(15)由墊片(12)支承；b)在所述第一氣體擴散層(50)的第一表面(54)上形成催化層(30)；c)在去除所述墊片(12)之后，使第一氣體擴散層(50)的第一表面(54)與所述膜的第一表面(14)的相對表面(15)接觸，并使所述膜的第一表面(14)與所述第二氣體擴散層(40)的表面接觸。

本發明涉及燃料電池，具體地但不排他地涉及具有聚合物膜形式的電解質的燃料電池類型(即，PEFC或聚合物電解質燃料電池類型)。

本發明更具體地涉及生產燃料電池的膜電極組件的方法。

燃料電池在各種應用(包括電動汽車)中用作電源。在聚合物電解質膜類型(PEFC)的燃料電池中，氫氣被供應到燃料電池的陽極，而氧氣作為氧化劑被供應到陰極。聚合物膜燃料電池(PMFC)包含膜電極組件(MEA)，該膜電極組件包含在一個表面上具有陽極催化劑并在相對表面上具有陰極催化劑的非導電質子交換固體聚合物電解質膜。膜電極組件(MEA)通過氣體擴散層(例如由碳纖維制成)夾在一對稱為雙極板的導電元件之間。雙極板通常是剛性的和導熱的。它們主要用作陽極和陰極的集電器，并包含具有合適開口的通道，用于將燃料電池的氣態反應物分配到相應的陽極和陰極催化劑的表面上并去除在電極處產生的水。因此，燃料電池由包括氣體擴散層和兩個雙極板的MEA形成。

燃料電池可包含單個電池或形成為板堆的多個電池。因此，一個堆由多個串聯的單個電池組成。

燃料電池由供應到陽極的燃料(氫氣)和供應到陰極的氧化劑(氧氣或空氣)供電。

質子交換膜呈非常薄的膜形式，并且由例如磺化的全氟化聚合物材料制成。陽極表面和陰極表面催化劑包含細碎的催化顆粒，該催化顆粒通常由碳顆粒支承并與質子傳導樹脂(如離聚物或離聚物與溶劑的混合物)混合。催化顆粒通常是昂貴的貴金屬(如鉑)顆粒。因此，膜電極組件(MEA)的生產必須予以特別關注，不僅要考慮這些組件的高成本，而且要考慮到MEA的質量直接關系到燃料電池的性能。

在集成到膜電極組件之前，催化劑通常呈液體催化油墨的形式。這種催化油墨例如通過噴涂、絲網印刷或使用刮刀涂覆和鋪展直接沉積在MEA組件的支承物上。或者，催化油墨可以通過從另一個油墨浸漬的載體轉移而間接沉積在MEA的一個或多個組件上。

取決于MEA組件內催化油墨的沉積方法和受體支承物，在現有技術中主要有兩種獲得這種組件的方法。

第一種方法包括在每個氣體擴散層上涂覆催化油墨，稱為CCB(用于催化劑涂覆的背襯)，然后將它們施用在聚合物膜的兩個表面上。通過這種方法獲得MEA的燃料電池的性能通常較低。為了改善燃料電池的性能，對組件進行幾分鐘的熱壓操作(約130℃)。然而，這種熱壓操作往往會使膜變形甚至使膜劣化，這會導致電池中的密封性喪失。

第二種方法在燃料電池性能方面提供了更好的結果，包括用液體催化油墨涂覆聚合物膜的兩個表面，稱為CCM(用于催化劑涂覆的膜)。然而，由于其構造，所述膜對構成催化油墨的有機或水性溶劑具有高度反應性，因此，一旦與油墨接觸，它就有很強的收縮和起皺趨勢。這使得一方面將催化油墨施用到膜上的方法非常困難，另一方面，該方法需要將油墨施用到比平面膜更大的區域，這使得該方法非常昂貴。

為了克服這個問題，文獻US 2011/0097651提供了一種解決方案，它提出在聚合物膜上施用可移除的粘性支承物，在膜的一個表面上施用支承物，然后在相對表面上沉積一層催化油墨，然后移除這些支承物。然而，除了它涉及耗費時間和人力的多個中間步驟這一事實之外，這種方法還有可能在去除與其接觸的粘性支承物時削弱膜，甚至失去部分催化涂層。