專(zhuān)利名稱(chēng)：用于自濕潤(rùn)式燃料電池的膜片式電極單元及其制造方法和燃料電池組的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于自濕潤(rùn)式燃料電池的膜片式電極單元及其制造方法。此外，本發(fā)明還涉及一種自濕潤(rùn)式燃料電池組。
燃料電池組中的每個(gè)燃料電池單元分別具有一個(gè)膜片式電極單元，該電極單元具有一個(gè)設(shè)置在中央的電解質(zhì)，該電解質(zhì)例如在PEM燃料電池中是一種離子交換膜片，它的主要成分中有一種硫化合物。這種化合物將水結(jié)合在膜片中，以保證有足夠的質(zhì)子傳導(dǎo)能力。但在較高的工作溫度和/或較高的工作壓力下，反應(yīng)(生成的)水卻沒(méi)有被足夠地結(jié)合到膜片中，膜片由此因脫水而變得干燥，這尤其發(fā)生在流出反應(yīng)氣體的區(qū)域內(nèi)。由于膜片中的質(zhì)子傳導(dǎo)能力減弱，這將會(huì)導(dǎo)致功率損耗。
迄今為止，為防止膜片干燥，對(duì)反應(yīng)氣體加濕。但對(duì)反應(yīng)氣體的增濕會(huì)帶來(lái)這樣的困難，即，必須附加采用一個(gè)加濕器。
因此人們一直致力于用不加濕的反應(yīng)氣體來(lái)工作，迄今為止已找到了兩種解決分案一種是由德國(guó)專(zhuān)利文獻(xiàn)DE 19844983.6(尚未公開(kāi))提供的建議，其中，通過(guò)在燃料電池單元內(nèi)在電極和分布?xì)怏w之間設(shè)置液體阻擋層，將反應(yīng)生成的水保持在膜片式電極單元內(nèi)。
另一種是由M.Watanabe在J.Elektrochem.Soc.，Vol.145 No 4，第1137頁(yè)(1998)上提供的建議，其中，在膜片中保證擴(kuò)散的反應(yīng)氣體H2和O2發(fā)生反應(yīng)。按照他所建議的方法，使一種鉑鹽溶液在膜片的一側(cè)擴(kuò)散到膜片中，而在膜片的另一側(cè)則使一種還原劑，例如NaBH4擴(kuò)散到膜片中。這樣在膜片中形成很小的鉑顆粒，它們?cè)贖2和O2化合成水的反應(yīng)中起到催化劑的作用。但這種方法的缺點(diǎn)首先是制造需要較多時(shí)間，這是因?yàn)檫@種制造方法會(huì)涉及一種對(duì)擴(kuò)散加以適當(dāng)控制的反應(yīng)，該反應(yīng)可使鉑顆粒在整個(gè)膜片厚度上有一個(gè)分布斷面。除此之外，在極端情況下，不能排除有因鉑顆粒發(fā)生短路的情形。
本發(fā)明的目的在于，在將鉑顆粒加入膜片中的基礎(chǔ)上，創(chuàng)造一種用于自濕潤(rùn)式燃料電池的膜片式電極單元。它適合于大批量生產(chǎn)并且克服了已公知的帶有加濕器的膜片式電極單元的缺點(diǎn)。
此外，本發(fā)明的目的還在于，提供一種制造自濕潤(rùn)膜片式電極單元的方法，它無(wú)需控制擴(kuò)散地生成鉑顆粒。最后，本發(fā)明的目的在于創(chuàng)造一種自濕潤(rùn)燃料電池組。
本發(fā)明的內(nèi)容是一種用于燃料電池的膜片式電極單元，它通過(guò)獲得反應(yīng)氣體在膜片中化合反應(yīng)所生成的水來(lái)加濕。在此，膜片至少包括一個(gè)催化劑層，以供化合反應(yīng)在其上進(jìn)行。
此外，本發(fā)明的內(nèi)容是一種制造帶有催化劑層的膜片式電極單元的方法，其中，所述膜片由至少兩個(gè)分膜片構(gòu)成，在第一個(gè)工作步驟中，在至少一個(gè)分膜片上涂覆一催化劑層，在隨后的第二個(gè)工作步驟中將另一個(gè)分膜片與第一個(gè)分膜片層疊在一起。
最后，本發(fā)明的內(nèi)容是一種燃料電池組，它能自濕潤(rùn)，其中的每個(gè)燃料電池中包括一個(gè)膜片式電極單元。它在膜片中具有一個(gè)催化劑層。
按照一個(gè)有利的改進(jìn)設(shè)計(jì)，膜片式電極單元在催化劑層之外還包括吸濕顆粒，它們例如由ZrO2，SiO2和/或TiO2等材料制成，用于存儲(chǔ)化合反應(yīng)生成的水。
按照本發(fā)明方法的另一有利設(shè)計(jì)，催化劑層在第一個(gè)分膜片上作為墨汁和/或彌散劑涂刷上。
按照本發(fā)明方法的另一有利設(shè)計(jì)，將催化劑層噴涂上。
作為催化劑層可以采用純鉑或一種鉑碳化合物或其它任意一種可使H2和O2有控制地在膜片內(nèi)化合的催化劑。催化劑層定位在至少兩層結(jié)構(gòu)的膜片內(nèi)部，這樣可以避免鉑顆粒的分布斷面和公知的Watanabe式膜片中一樣。
作為燃料電池可以是PEM(聚合物-電解質(zhì)-膜片)燃料電池，或者其它任意一種其電解質(zhì)需要液態(tài)水來(lái)傳導(dǎo)的燃料電池。
所裝入電解質(zhì)的數(shù)量和類(lèi)型(在碳材上鍍鉑或純鉑等)視電池單元的水需求量而定，并視不同的運(yùn)行系統(tǒng)有所變化。在水的需求量較大時(shí)，膜片厚度可以減小和/或裝入具有更高鉑含量的催化劑和/或更多的吸濕顆粒?？梢宰杂蛇x擇催化劑裝入膜片內(nèi)的位置，尤其是可在存在最大干燥問(wèn)題的位置處裝入催化劑。
在此，與按照Watanabe所述裝入的催化劑不同，此處的“催化劑層”是一種局部化的(lokalisierte)層。它不僅可以是一種連續(xù)貫通層，也可以是一種紋理化層，亦即一種“網(wǎng)孔狀”層，它例如可以通過(guò)印刷方法涂覆上。在極端的情況下，催化劑層僅僅是處在膜片中的一個(gè)或多個(gè)平面上的任意尺寸和濃度的“催化劑孤島”。
下面借助實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的膜片式電極單元及其制造方法進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明為制造一種自潤(rùn)濕膜片，在第一個(gè)分膜片(例如為Nafion膜片1135(87μm))的一側(cè)涂刷、噴涂或壓印一種墨汁和/或彌散液，它們由鉑的質(zhì)量百分比為1％的碳-催化劑(40％Pt)和質(zhì)量百分比為15％的Nafion溶液(5％溶液)組成。當(dāng)墨汁在80℃下干燥后，將第二個(gè)分膜片(例如為Nafion膜片112(50μm))壓緊在第一個(gè)分膜片的涂層側(cè)。之后例如通過(guò)將一個(gè)鉑制陽(yáng)極熱壓在已層疊制好的膜片一側(cè)，將一個(gè)鉑制陰極熱壓在另一側(cè)上，制造出膜片式電極單元。
第一個(gè)涂層分膜片也還可以借助液態(tài)墨汁和/或彌散液和/或純鉑粉與第二個(gè)或更多個(gè)分膜片(例如通過(guò)濕粘接)濕層疊起來(lái)。該層疊和/或粘接有時(shí)候可受到熱壓支持。膜片在已制好的層疊狀態(tài)下干燥。
在將兩個(gè)分膜片結(jié)合成膜片式電極單元之前，在這兩個(gè)分膜片上涂覆催化劑層。
通過(guò)使催化劑層在膜片式電解質(zhì)中分層所制造出的膜片式電極單元，使得摻合鉑顆粒這一方案適用于工業(yè)上大批量生產(chǎn)。所述膜片式電極單元包括一個(gè)膜片式電解質(zhì)，其中至少有一層催化劑，這樣在膜片內(nèi)通過(guò)使反應(yīng)氣體H2和O2化合反應(yīng)可生成水。
權(quán)利要求
1.一種用于燃料電池的膜片式電極單元，它通過(guò)獲取反應(yīng)氣體在膜片中化合反應(yīng)所生成的水來(lái)加濕，其中，該膜片包括至少一個(gè)局部化的層，所述化合反應(yīng)可在其上進(jìn)行。
2.如權(quán)利要求1所述的膜片式電極單元，它添加有吸濕顆粒。
3.一種制造帶有催化劑層的膜片式電極單元的方法，其中，所述膜片由至少兩個(gè)分膜片構(gòu)成，在第一個(gè)工作步驟中，在至少一個(gè)分膜片上涂覆一催化劑層，在隨后的第二個(gè)工作步驟中將另一個(gè)分膜片與第一個(gè)分膜片層疊在一起。
4.一種燃料電池組，它能自濕潤(rùn)，其中的每個(gè)燃料電池包括一個(gè)膜片式電極單元，該電極單元在膜片中具有一個(gè)催化劑層。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于自濕潤(rùn)式燃料電池的膜片式電極單元及其制造方法。此外,本發(fā)明還涉及一種自濕潤(rùn)式燃料電池組。所述膜片式電極單元包括一個(gè)膜片電解質(zhì),其中至少夾有一催化劑層,這樣在膜片內(nèi)通過(guò)反應(yīng)氣體H
文檔編號(hào)H01M4/86GK1390366SQ00808005
公開(kāi)日2003年1月8日 申請(qǐng)日期2000年4月20日 優(yōu)先權(quán)日1999年4月20日
發(fā)明者邁克爾·弗蘭克, 曼弗雷德·韋達(dá)斯, 阿明·達(dá)茨, 曼弗雷德·波平格 申請(qǐng)人:西門(mén)子公司