CN115152063A - 制造燃料电池的方法、制造用于燃料电池的膜电极组件的装置、燃料电池以及燃料电池堆 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于制造燃料电池(1)的方法，其包括如下步骤：a)制备多个催化剂浆料(16)，所述多个催化剂浆料至少在影响催化活性的参数方面存在区别，b)将多个催化剂浆料(16)中的至少两个催化剂浆料填充到第一施覆器件(17)中，该第一施覆器件具有与待填入的催化剂浆料(16)的数量相对应的数量的腔室(18)，其中，在腔室(18)中的每个腔室中仅填入催化剂浆料(16)中的一个催化剂浆料，c)将多个催化剂浆料(16)中的至少两个催化剂浆料填充到第二施覆器件(17)中，该第二施覆器件具有与待填入的催化剂浆料(16)的数量相对应的数量的腔室(18)，其中，在腔室(18)中的每个腔室中仅填入催化剂浆料(16)中的一个催化剂浆料，d)借助于第一施覆器件(17)对电解质膜(2)的引导经过第一施覆器件(17)和第二施覆器件(17)的薄膜幅面(20)的第一侧进行覆层，e)借助于第二施覆器件(17)对薄膜幅面(20)的第二侧进行覆层，f)从薄膜幅面(20)中裁剪如此包含的被覆层的电解质膜(2)，并且将电解质膜(2)相对于薄膜幅面(20)的输送方向(21)转动90°，g)将电解质膜(2)放置在两个流场板之间，所述两个流场板具有垂直于流场定向的在参数方面的梯度，以及h)挤压流场板。本发明还涉及一种用于制造用于燃料电池(1)的膜电极组件的装置、一种燃料电池(1)以及一种燃料电池堆。

Description

制造燃料电池的方法、制造用于燃料电池的膜电极组件的装 置、燃料电池以及燃料电池堆

技术领域

本发明涉及一种用于制造燃料电池的方法，其包括如下步骤：

a) 制备多个催化剂浆料(Katalysatorpaste)，所述多个催化剂浆料至少在影响催化特性的参数方面存在区别，

b) 将多个催化剂浆料中的至少两个催化剂浆料填充到第一施覆工具中，该第一施覆工具具有与待填入的催化剂浆料的数量相对应的数量的腔室，其中，在腔室中的每个腔室中仅填入催化剂浆料中的一个催化剂浆料，

c) 将多个催化剂浆料中的至少两个催化剂浆料填充到第二施覆工具中，该第二施覆工具具有与待填入的催化剂浆料的数量相对应的数量的腔室，其中，在腔室中的每个腔室中仅填入催化剂浆料中的一个催化剂浆料，

d) 借助于第一施覆工具对电解质膜的引导经过第一施覆工具和第二施覆工具的薄膜幅面(Folienbahn)的第一侧进行覆层，

e) 借助于第二施覆工具对薄膜幅面的第二侧进行覆层，

f) 从薄膜幅面中裁剪电解质膜，并且将电解质膜相对于薄膜幅面的输送方向转动90°，

g) 将电解质膜放置在两个流场板之间，所述两个流场板具有垂直于流场定向的在参数方面的梯度，以及

h) 挤压流场板。

本发明还涉及一种用于制造用于燃料电池的膜电极组件的装置、一种燃料电池以及一种燃料电池堆。术语“催化特性”在此应广义地理解并且还包括时间行为、电极的稳定性和/或其对反应物供应和反应物引走的倾向性、尤其孔隙率。催化剂浆料区别在于组成部分和添加剂，所述组成部分和添加剂在干燥的状态下导致具有相应特性的电极幅面。

背景技术

燃料电池装置用于将燃料与氧气化学转化为水以产生电能。为此，燃料电池包含电解质和相配属的电极作为核心部件。在具有组合成燃料电池堆的多个燃料电池的燃料电池装置的运行中，燃料、尤其氢气(H₂)或含氢气的气体混合物被供应给阳极。在含氢气的气体的情况下，首先将该气体重整，并且如此提供氢气。在阳极处在释放电子的情况下进行从H₂到H⁺的电化学氧化。在阳极处提供的电子经由电气线路被供应给阴极。氧气或含氧气的气体混合物被供应给阴极，从而在接收电子的情况下进行从O₂到O^2-的还原。

在固体氧化物燃料电池中，电解质由固体陶瓷材料组成，该陶瓷材料能够传导氧离子但对电子起绝缘作用。对于这些固体氧化物燃料电池，运行温度介于650°C与1000°C之间。在聚合物电解质膜(PEM)燃料电池中，电解质由固体聚合物膜组成，如这例如以Nafion的名称已知的那样。PEM燃料电池具有明显更低的运行温度，并且优选地在不利用废热的情况下的移动应用中使用。

在EP 2 660 918 A2中描述了一种固体氧化物燃料电池，该固体氧化物燃料电池使用碳氢化合物、如甲烷作为燃料，该碳氢化合物首先被重整以形成氢气。这导致在固体氧化物燃料电池内的较大的温度差，该温度差对固体氧化物燃料电池的机械和化学耐久性产生影响。为了缓解这种情况，提出了使用一种梯度化(gradiert)电极，在所述梯度电极中使用催化剂片材(Katalysatorbogen)，在该催化剂片材中催化剂含量梯度地变化。如此制造催化剂片材，使得形成具有不同催化剂含量的多个区域，从而关于催化剂含量在燃料的流动方向上提供梯度，以便减小温度差。为此，借助于具有多个腔室的长缝式喷嘴(Langschlitzdüse)对转移薄膜进行覆层，所述腔室用于容纳不同的催化剂浆料。固体氧化物燃料电池本身通过由单独制造的片材(即电解质片材、功能层片材、支撑层片材和催化剂片材)形成然后经受烧结过程的覆层来制造。

DE 10 2016 224 398 A1描述了一种用于制造用于PEM燃料电池的膜电极组件的装置，在该装置中通过电解质供应装置将电解质膜展开并且供应给转移路段，其中，在电解质膜的一侧上利用第一催化剂覆层装置施覆均匀的催化剂覆层，并且在电解质膜的另一侧上利用第二催化剂覆层装置施覆均匀的催化剂层。在DE 10 2007 014 046 A1中描述了一种燃料电池，在该燃料电池中，相邻的区域构造有用于离析物和产物的不同的扩散运输。

迄今为止，仅可在工业规模中制造由均匀的电极层构建的用于燃料电池的电极。但对于燃料电池的运行而言可以是有利的是，电极在与膜的取向平行的远离流场的流动方向上在一个特性方面具有梯度，即不存在均匀的电极而是存在梯度化电极。电极的特性例如是所述电极的催化活性、疏水性、表面大小、孔隙率等。上述特性之一的梯度化分布被理解为特性梯度化，所述特性通过以下阐述的针对梯度化电极的参数来确定。

发明内容

本发明的目的是提供一种可在工业规模中使用的用于制造具有梯度化电极的燃料电池的方法。此外，目的是提供一种用于制造具有梯度化电极的膜电极组件的装置、一种改善的燃料电池和一种改善的燃料电池堆。

该目的通过具有权利要求1的特征的方法、具有权利要求7的特征的装置、具有权利要求8的特征的燃料电池和根据权利要求9的燃料电池堆来实现。本发明的具有适宜的改进的有利设计方案在从属权利要求中说明。

开头提出的方法的特征在于，实现了在膜电极组件的电极的特性方面的较大的可变性，尤其存在使用于一个电极的施覆到电解质膜上的催化剂层在其沿着相配属的流场在该流场的流动方向上的特性方面特别地适应的可能性。另一个电极可以是常规的，即没有特性梯度亦或梯度化地实施。裁剪如此制造的膜电极组件，并且转动裁剪部，以便梯度沿着流场板的流场以所期望的定向存在。梯度在此可以升高地或降低地存在。

在此，存在使催化特性在较宽的范畴内改变的可能性，其方式为从如下组中选择催化参数，该组包括催化剂类型、催化剂装载物、催化剂载体类型、离聚物类型、离聚物浓度、孔隙率。应指出的是，根据开头提出的方法可以改变超过一个参数。

在此设置成，在一侧上施加到薄膜幅面上的催化剂浆料在边缘侧相互接触，因为如此也提供如下可能性，即，在边缘区域中混合催化剂浆料，并且如此部分地补偿催化剂浆料之间的差异，即在催化活性方面不存在分级。

为了在利用催化剂层进行覆层时不使电解质膜机械过载，设置成，依次实施步骤d)和e)。

在步骤f)之前，即在裁剪电解质膜之前，可以执行干燥步骤，以便实现和简化膜电极组件的进一步加工。

在此优选地，将缝式喷嘴或覆层刮板(Beschichtungsrakel)用作施覆器件，因为这些器件已证明可用于在连续的幅面或薄膜中的工业覆层方法。

用于根据上文提到的方法制造用于燃料电池的膜电极组件的装置包括电解质膜供应装置以及布置在第一施覆器件和第二施覆器件下游的干燥单元，通过所述电解质膜供应装置可将电解质膜从储备卷筒展开并且可将其供应到幅面路径处，在该幅面路径处，具有多个腔室的第一施覆器件布置在幅面路径的第一侧上，并且具有多个腔室的第二施覆器件布置在幅面路径的第二侧上。

根据上文提到的方法制造的燃料电池在其特性方面得到优化，并且尤其具有更高的有效度和因此更高的效率，因为可以改善燃料利用和水管理。这也导致更长的使用寿命和更低的成本。

在燃料电池堆中存在多个燃料电池，其中，燃料电池中的至少一个燃料电池由于其在燃料电池堆内的位置而设有多个催化剂浆料，其中的至少一个催化剂浆料至少在影响催化活性的参数方面与其他燃料电池的催化剂浆料存在区别。该燃料电池因此得到优化，其中，但燃料电池堆中的多个燃料电池也可以设有特性梯度化。该特性梯度不必对所有燃料电池都是相同的，尤其地，位于端部的燃料电池可以具有不同于中间的燃料电池的特性梯度。

上面在说明书中提到的特征和特征组合以及下面在附图说明中提到的和/或在附图中单独示出的特征和特征组合不仅能够以分别说明的组合使用，而且能够以其他组合使用或单独使用，而不脱离本发明的范畴。因此，在附图中没有明确示出或阐释但是通过所阐释的实施方案中的单独的特征组合得出和可产生的实施方案也应被视为由本发明包括和公开。

附图说明

本发明的另外的优点、特征和细节由权利要求书、下面对优选实施方式的描述以及借助附图得出。其中：

图1示出了燃料电池的结构的示意图，

图2示出了图1中的电极的仅示意性地呈现的细节视图II，

图3以侧视图示出了用于制造膜电极组件的装置的示意图，

图4示出了对借助于缝式喷嘴以多个催化剂浆料覆层的电解质膜的俯视图，其中通过箭头象征性表示在催化活性方面的特性梯度，以及

图5示出了在电解质膜转动90°之后对电解质膜的裁剪部的俯视图，其中通过箭头象征性表示在流场中的流动方向。

具体实施方式

在图1中示出了燃料电池1。在此，半透性的电解质膜2在第一侧3上覆盖有第一电极4(当前是阳极)并且在第二侧5上覆盖有第二电极6(当前是阴极)。第一电极4和第二电极6包括载体微粒14，在所述载体微粒上布置或承载有由贵金属或包含贵金属(如铂、钯、钌等)的混合物构成的催化剂微粒13。这些催化剂微粒13在燃料电池1的电化学反应中用作反应加速剂。载体微粒14可以是含碳的。但也可以考虑由金属氧化物形成或由具有相应的覆层的碳形成的载体微粒14。在这种聚合物电解质膜燃料电池(PEM燃料电池)中，在第一电极5(阳极)处，燃料或燃料分子、尤其氢气分裂成质子和电子。电解质膜2能够使质子(例如H⁺)穿过，但对于电子(e^-)是不可穿透的。在该实施例中，电解质膜2由离聚物、优选地磺化的聚四氟乙烯(PTFE)或全氟磺酸(PFSA)聚合物形成。在此，在阳极处进行以下反应：2H₂→4H⁺+4e^-(氧化/释放电子)。

质子穿过电解质膜2达到第二电极6(阴极)，而电子经由外部的电路传导到阴极处或传导到蓄能器处。在阴极处提供阴极气体、尤其氧气或含氧气的空气，从而在此进行以下反应：O₂+4H⁺+4e^-→2H₂O(还原/接收电子)。

当前，电极4,6分别配属有气体扩散层7,8，其中的一个气体扩散层7配属给阳极，并且另一个气体扩散层8配属给阴极。此外，在阳极侧的气体扩散层7配属有设计为双极板9的流场板用于供应燃料气体，该流场板具有燃料流场11。燃料借助于燃料流场11穿过气体扩散层7供应给电极4。在阴极侧，气体扩散层8配属有包括阴极气体流场12的、同样设计为双极板10的流场板用于将阴极气体供应到电极6处。

应注意的是，电极4,6也可以作为气体扩散层7,8的整体组成部分存在。此外，气体扩散层7,8可以包括微多孔层(MPL)。当前，电极4,6形成有多个催化剂微粒13，所述催化剂微粒可以形成为纳米微粒，例如核-壳纳米微粒。所述催化剂微粒具有表面积大的优点，其中，贵金属或贵金属合金仅布置在表面上，而更低价值的金属(例如镍或铜)形成纳米微粒的核。

催化剂微粒13布置或承载在多个能导电的载体微粒14上。此外，在载体微粒14和/或催化剂微粒13之间存在离聚物粘合剂15，该离聚物粘合剂优选地由与膜2相同的材料形成。该离聚物粘合剂15优选地形成为包含全氟磺酸的聚合物或离聚物。离聚物粘合剂15当前以多孔形式存在，其具有大于百分之30的孔隙率。这确保了尤其在阴极侧上氧气扩散阻力不增加，并且由此使催化剂微粒13能够更少地装载有贵金属或使载体微粒14能够更少地装载有催化剂微粒13(图2)。

下面应阐释电极4,6的制造。首先，将承载在载体微粒14上的催化剂微粒13悬浮(suspergieren)在离聚物粘合剂15的溶液中。优选地，离聚物粘合剂15的溶液包含介于15重量百分比与25重量百分比(重量%)之间、优选地刚好20重量%的由全氟磺酸构成的聚合物。此外，可以掺混异丙醇。同时或随后，同样使无机发泡剂悬浮并且形成催化剂浆料16。在根据本发明的用于制造燃料电池1的方法中，制造多个催化剂浆料16，所述多个催化剂浆料至少在影响催化特性的参数方面存在区别。然后将多个催化剂浆料16中的至少两个催化剂浆料16填充到第一施覆器件17中，该第一施覆器件具有与待填入的催化剂浆料16的数量相对应的数量的腔室18，其中，在腔室18中的每个腔室中仅填入催化剂浆料16中的一个催化剂浆料。示例性地，可以参照设计为缝式喷嘴或覆层刮板的施覆器件17，该施覆器件具有7个腔室，从而可以填充多达7个不同的催化剂浆料16。其他数量的催化剂浆料16和腔室是可能的。

对于电解质膜2的第二侧，以类似的方式处理，其方式为将多个催化剂浆料16中的至少两个催化剂浆料填充到第二施覆器件中，该第二施覆器件具有与待填入的催化剂浆料16的数量相对应的数量的腔室18，其中，在腔室18中的每个腔室中仅填入催化剂浆料16中的一个催化剂浆料。在此，也可以实现超过两个腔室18。也应注意的是，多个催化剂浆料16可以包括多达14个，但必要时也可以在两侧上使用部分相同的催化剂浆料16。

在填充施覆器件17之后，借助于第一施覆器件17对电解质膜2的引导经过第一施覆器件17和第二施覆器件17的薄膜幅面20的第一侧进行覆层，并且借助于第二施覆器件17对薄膜幅面的第二侧进行覆层。这些步骤原则上可以同时进行，其中，但有利的是，依次实施这些步骤，并且随后利用干燥单元19将所施覆的催化剂浆料16干燥成用于电极的催化剂层。

接着从薄膜幅面20中从电解质膜2中形成裁剪部26，并且将电解质膜2相对于薄膜幅面20的输送方向21转动90°，以便如此获得特性梯度在流场的流动方向22上的所期望的定向，如这针对在图3中的应用中的在图2中标明的区域所示。

然后将电解质膜2放置在两个流场板、即双极板9,10之间，所述双极板具有垂直于流场定向的在参数方面的梯度，并且挤压流场板。

催化参数在此从如下组中选择，该组包括催化剂类型、催化剂装载物、催化剂载体类型、离聚物类型、离聚物浓度、孔隙率。

从图4和图5能够看出，在一侧上施加到薄膜幅面20上的催化剂浆料16在其边缘侧相互接触，从而促进了催化活性的梯度的构造而不是催化活性的分级的构造。

图3中所示的用于制造用于燃料电池1的膜电极组件的装置包括电解质膜供应装置22，通过该电解质膜供应装置可将电解质膜2从储备卷筒展开并且可将其供应到幅面路径24处，在该幅面路径处，具有多个腔室18的第一施覆器件17布置在幅面路径24的第一侧上，并且具有多个腔室18的第二施覆器件17布置在幅面路径24的第二侧上。为了改善清楚度，仅示出了一个施覆器件17。此外，存在布置在第一施覆器件17和第二施覆器件17下游的干燥单元19。如此加工并转变成膜电极组件的电解质膜2可以在进一步处理之前被收集在线圈25上。

在具有多个燃料电池1的燃料电池堆中，燃料电池1中的至少一个燃料电池由于其在燃料电池堆内的位置而设有多个催化剂浆料16，其中的至少一个催化剂浆料至少在影响催化活性的参数中的一个参数方面与其他燃料电池1的催化剂浆料16存在区别。优选地，在此尤其位于端部的燃料电池1具有不同于中间的燃料电池1的特性梯度。

附图标记列表

1 燃料电池

2 电解质膜

3 膜的第一侧

4 电极/阳极

5 膜的第二侧

6 电极/阴极

7 在阳极侧的气体扩散层

8 在阴极侧的气体扩散层

9 燃料气体双极板

10 阴极气体双极板

11 燃料流场

12 阴极气体流场

13 催化剂微粒

14 载体微粒

15 离聚物粘合剂

16 催化剂浆料

17 施覆器件

18 腔室

19 干燥单元

20 薄膜幅面

21 输送方向

22 流动方向

23 电解质膜供应装置

24 幅面路径

25 线圈

26 裁剪部

27 边缘。

Claims (10)

1.一种用于制造燃料电池(1)的方法，其包括如下步骤：

a) 制备多个催化剂浆料(16)，所述多个催化剂浆料至少在影响催化活性的参数方面存在区别，

b) 将所述多个催化剂浆料(16)中的至少两个催化剂浆料填充到第一施覆工具(17)中，所述第一施覆工具具有与待填入的催化剂浆料(16)的数量相对应的数量的腔室，其中，在所述腔室中的每个腔室中仅填入所述催化剂浆料(16)中的一个催化剂浆料，

c) 将所述多个催化剂浆料(16)中的至少两个催化剂浆料填充到第二施覆工具(17)中，所述第二施覆工具具有与待填入的催化剂浆料(16)的数量相对应的数量的腔室(18)，其中，在所述腔室(18)中的每个腔室中仅填入所述催化剂浆料(16)中的一个催化剂浆料，

d) 借助于所述第一施覆工具(17)对电解质膜(2)的引导经过所述第一施覆器件(17)和所述第二施覆工具(17)的薄膜幅面(20)的第一侧进行覆层，

e) 借助于所述第二施覆工具(17)对所述薄膜幅面(20)的第二侧进行覆层，

f) 从所述薄膜幅面(20)中裁剪电解质膜(2)，并且将所述电解质膜(2)相对于所述薄膜幅面(20)的输送方向(21)转动90°，

g) 将所述电解质膜(2)放置在两个流场板之间，所述两个流场板梯度具有在所述参数方面垂直于流场定向的梯度，以及

h) 挤压所述流场板。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，催化参数从如下组中选择，所述组包括催化剂类型、催化剂装载物、催化剂载体类型、离聚物类型、离聚物浓度、孔隙率。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在一侧上施加到所述薄膜幅面(20)上的催化剂浆料(16)在边缘侧相互接触。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，依次实施所述步骤d)和e)。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，在所述步骤f)之前执行干燥步骤。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，将缝式喷嘴或覆层刮板用作所述施覆器件(17)。

7.一种用于根据权利要求1至6所述制造用于燃料电池(1)的膜电极组件的装置，所述装置具有电解质膜供应装置(23)以及布置在所述第一施覆器件(17)和所述第二施覆器件(17)下游的干燥单元(19)，通过所述电解质膜供应装置能够将电解质膜(2)从储备卷筒展开并且能够将其供应到幅面路径(24)处，在所述幅面路径处，具有多个腔室(18)的第一施覆器件(17)布置在所述幅面路径(24)的第一侧上，并且具有多个腔室(18)的第二施覆器件(17)布置在所述幅面路径(24)的第二侧上。

8.一种燃料电池，其根据权利要求1至6中任一项所述的方法制造。

9.一种燃料电池堆，其具有多个根据权利要求8所述的燃料电池(1)，其特征在于，所述燃料电池(1)中的至少一个燃料电池由于其在所述燃料电池堆内的位置而设有多个催化剂浆料(16)，其中的至少一个催化剂浆料至少在影响催化活性的参数方面与其他燃料电池(1)的催化剂浆料(16)存在区别。

10.根据权利要求9所述的燃料电池堆，其特征在于，位于端部的燃料电池(1)具有不同于中间的燃料电池(1)的特性梯度。

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