生产膜电极单元的方法技术

本发明专利技术涉及一种生产膜电极单元的方法，其中将导电聚合物膜与两个电极压制到一起直到得到给定的压缩比。所述方法允许在使用中增大膜/电极单元的静态电压，减少了制备中的坏损量并得到生产运行中的恒定厚度。

Method of producing a membrane electrode unit

The present invention relates to a method for producing a membrane electrode unit, in which a conductive polymer film is pressed together with two electrodes until a given compression ratio is obtained. The method permits increasing the static voltage of the membrane / electrode unit during use, reducing the amount of bad damage in the preparation, and obtaining a constant thickness in the production operation.

【技术实现步骤摘要】
本申请是申请日为2005年7月14日、申请号为200580030958. 4的中国国家专利申请的分案申请。本专利技术涉及，特别是生产那些具有高性能、能特别用于所 谓的高分子电解质膜燃料电池中的膜电极单元的方法，所述的高分子电解质膜燃料电池其 中将一个或多个质子导电聚合物膜与两个或多个电极压制到一起。燃料电池通常包含电解质和由电解质分开的二个电极，其中二个电极之一提供有 燃料，比如氢气或甲醇和水的混合物，另一个电极提供有氧化剂，比如氧气或空气。在所述 过程中，通过由此导致的燃料氧化产生的化学能直接转变为电能。对所述电解质的一个要求是它可以渗透过氢离子即质子，但是不能渗透过上述的 燃料。通常，燃料电池包括若干个单电池，所谓的MEh (膜电极单元)，每个膜电极单元 包含电解质和和由电解质分开的二个电极。作为燃料电池的电解质，固体比如高分子电解质膜，或液体比如磷酸是适用的。高 分子电解质膜作为燃料电池的电解质最近已经弓I起广泛关注。具有碱性聚合物和强酸复合物的高分子电解质膜例如见W096/13872中。为产生 这些，用强酸比如磷酸处理碱性聚合物例如聚苯并咪唑。而且，同样已知一种燃料电池，其燃料电池膜包括用磷酸饱和的无机载体材料，例 如玻璃纤维织物或者玻璃纤维面网，例如公开于US-A-4，017, 664。在现有技术已知的碱性聚合物膜中，使用无机酸(大多数为浓缩磷酸)_以实现需 要的质子电导率-通常继形成聚吡咯膜之后加入。这样，作为电解质载体的聚合物由高度 浓缩的磷酸组成。在所述方法中，所述聚合物膜进一步满足重要的功能，特别是，它必须显 示出高度的机械稳定性，并作为在开头提到的两种燃料的隔板。这类用磷酸掺杂的膜的重要优点在于如下的事实其中使用这类高分子电解质膜 的燃料电池可以在大于100°c的温度下运行，而无需另外进行燃料的增湿。这应归于磷酸能 够输送质子而不需要经由另外的水通过所谓的Grotthus机理的特征(K. -D. Kreuer, Chem. Mater. 1996，8，610-641)。由可在大于100°C的温度下操作，获得燃料电池体系另外的优点。一方面，Pt催 化剂对气体杂质特别是CO的敏感性被大幅减少。在转化来自含碳化合物比如天然气，甲 醇或汽油的富氢气体过程中，CO作为副产物形成，或在甲醇直接氧化中作为中间产物形 成。通常，所述燃料的CO含量在温度< 100°C时必须低于lOOppm。然而，在150-200°C的 温度下，10, OOOppm 或更多的 CO 也可以耐受(N. J. Bjerrum et. al.，Journal of Applied Electrochemistry，2001，31，773-779)。这导致上游转化过程相当大的简化，并因此减少了 整个燃料电池系统的成本。用这样的膜制造的膜电极单元的输出功率描述于W001/18894和Electrochimica Acta, Volume 41，l"6，I93-I97 中，对于 0. 5mg/cm2 (阳极)和 ang/cm2 (阴极)的钼负载量 和电压为0. 6V下，输出功率量小于0. 2A/cm2。当使用空气代替氧时，该值下降到小于0. IA/2cm 。燃料电池显著的优点是如下的事实，在电化学反应中，燃料的能量直接转变为电 能和热量。在所述过程中，在阴极水作为反应产物形成。在所述电化学反应中热量同样作为 副产物产生。在其中仅使用动力用于电动机操作的应用场合中，比如在机动车的应用场合， 或作为电池体系的多用途置换，在所述反应中产生的一部分热量必须驱散以防止所述体系 过热。那么需要冷却另外的进一步降低燃料电池总电效率的耗能装置。在不动的应用场 合，例如集中或分散的发电和产热，通过现有的技术比如热交换器可以有效利用所述热量。 这样做，高温的目的是增加效率。如果工作温度高于100°c，则环境温度和工作温度温差很 高，与由于所述膜的增湿作用必须在小于100°c操作的燃料电池相比，可以更有效地冷却燃 料电池体系，例如使用更小的冷却表面和可省去另外的设备。根据现有技术，优选在高温下，通过将由两个平面电极和位于二个电极之间的平 面膜制成的夹层状结构压制到预设的压制力而制备这样的燃料电池的膜电极单元。在所述 电极和膜之间可设置相对于环境密封，但同时不妨碍所述电极和膜的接触的环形垫片。然 后将这样的夹层结构状单元放置在两个以相反方向相对活动的压板之间，然后将其压制达 到预设的最高压力，因此形成所述单元的附着复合物。在如此进行的同时，可在所述压板和 膜电极单元之间插入保护层。然而，当使用基于碳纤维组织在控制压制力下制造的电极时，在压制所述膜电极 单元之后，所述电极的组织结构(纤维突起和凹陷)出现在所述膜上。因此，在所述膜电极 单元生产期间，可能发生在所述膜的两面上所述电极的纤维突起发生重叠。因此在该区域 之内的压制力可能在局部明显上升，这再次导致压碎或切断，由此所述膜被破坏。因此，在 所述电极之间会出现短路，且不需要的和有害的气体可通过所述膜发生交换。这再次导致 性能降低和燃料电池的寿命缩短。而且，在所述(电池)堆中安置这样的预先受损的膜期 间，进一步增加了在插入过程中通过进一步压缩引起的压碎和切断的危险。使用织物或纸作为电极材料，MEh厚度的设定或多或少是不受控制的。这意谓着 难于以经济合理的方式制造厚度变化可接受的产品系列。因此本专利技术的任务是提供至少部分不出现这些缺点的方法。根据本专利技术用起初提到的压制方法直到预先调整的压缩比而实现该任务的解决。在根据本专利技术实现这样的方法期间，意想不到地发现所述膜的损害小于在压力控 制方法中的损害，用本专利技术方法制造的电池的空载电压(OCV)高于用压力控制方法制造的 电池中的空载电压，而且在一种产品系列之内可以实现更加一致的膜电极单元厚度。在控 制压缩比下进行的压制时，所述膜，电极和垫圈材料性质的差异不像在可控压力下进行压 制的情况一样突出。因此，利用本专利技术的方法，可制造出比已知方法更一致的产品。特别是 已经表明，根据本专利技术制造的MEh的电功率在操作中更加稳定。另外，已经发现使用含无 机酸的膜，特别是含磷酸的膜，可在所述膜之内提供更好的控制或调节分布或酸。因此，本专利技术涉及一种，其中一个或多个质子导电聚合物 膜与两个或多个电极压制到一起，其特征在于进行所述压制直到达到预先调整的压缩比。可用本领域普通技术人员熟知的常见压制实现该方法，例如，以将一个或多个垫 片放置在压板之间这样的方法进行。因此，所述垫片的高度对应于可预先调整的压缩。 对于压制之前膜电极单元给定的初始厚度D和需要的压缩比X%，垫片的高度H为H =D* (100-X)/100。或者，压制方法可以路径控制方式进行。此处，所述压板借助于彼此之间具有如以 上计算的空间H的电子控制单元和液压传动装置或机械横移装置彼此相对移动。然而这样 的方法是本领域的普通技术人员众所周知的，因此不需要进一步说明。根据本专利技术方法的特定的实施方式公开在下面的说明书和所附的权利要求中。在 前面段落中公开的本专利技术的一个或几个特征可以单独或与独立权利要求特征任意组合为 单独的专利技术，所述特征也可以任意组合使用。在本专利技术方法的第一特定实施方式中，所述压制在高温下进行。在本发本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种制造膜电极单元的方法，其中将一种或多种质子导电聚合物膜（１）与两个或多个电极（２）压制到一起，所述膜电极单元包括：（Ａ）用至少一种无机酸掺杂的至少一种聚合物膜，所述聚合物膜包含至少一种具有至少一种选自Ｏ，Ｓ和／或Ｎ的碱性杂原子的聚合物，所述聚合物包含至少一个具有至少一个氮原子的芳香环，（Ｂ）至少二个电极，（Ｃ）至少一个所述电极具有催化剂，所述催化剂包括至少一种铂族的贵金属，特别是Ｐｔ，Ｐｄ，Ｉｒ，Ｒｈ，Ｏｓ，Ｒｕ和／或至少一种贵金属Ａｕ和／或Ａｇ，其特征在于在另外的压制过程中再次压制一个或多个已经压制的膜电极单元，并且进行该压制直到实现２０％－４０％的可预先调整的总压缩比。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：克利斯托弗·帕德贝格，于尔根·辛斯舍克，托尔斯滕·拉普，乌尔夫·霍夫曼，
申请(专利权)人：巴斯夫燃料电池有限责任公司，
类型：发明
国别省市：DE