[发明专利]用于生产用于燃料电池的催化剂层的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于生产燃料电池部件的方法，特别地涉及用于生产用于聚合物电解质膜燃料电池(“PEM燃料电池”)的催化剂层、电极和膜电极单元(“MEU”)的凹版印刷法。

背景技术

燃料电池在两个电极将处于彼此分离的位置中的燃料和氧化剂转变成电、热和水。通常，氢气或富氢气体作为燃料，而氧气或空气作为氧化剂。燃料电池中的能量转化过程以特别高效著称。出于该原因，与电机结合的燃料电池作为对传统的内燃发动机的替代而变得越来越重要。因其紧凑的设计、其功率密度及其高的效率，PEM燃料电池适于用作机动车辆中的能量转换器。

PEM燃料电池包括膜电极单元(“MEU”)的堆叠，这些膜电极单元之间布置有双极板用于气体供给和电流放电。膜电极单元包括固态聚合物电解质膜，该电解质膜在两侧上设有含催化剂的反应层。反应层中的一个呈阳极的形式用于氢气的氧化，而第二反应层呈阴极的形式用于氧气的还原。所谓的气体扩散层(GDL)被施加到这些反应层上，气体扩散层包括碳纤维纸或碳毡，其促进反应气体对电极的良好接近以及电池电流的良好放电。阳极和阴极包括所谓的电催化剂，电催化剂催化地支持相应的反应(氢气在阳极处的氧化或氧气在阴极处的还原)。所使用的催化活性组分通常为贵金属，优选地为元素周期表的铂系金属(PGM)。所使用的所谓的支持型催化剂的大部分是其中催化活性铂系金属以高度分散的形式施加到传导支持材料的表面上的那些。

聚合物电解质膜包括质子传导聚合物材料。这些材料在下面也简称为离聚物(ionomer)。优选地，使用具有酸官能特别是磺基的四氟乙烯-氟乙烯基醚共聚物。这样的材料例如以Nafion(E.I.杜邦)或Flemion(Asahi Glass公司)商标名进行销售。但是，也能够使用其他离聚物材料，特别是无氟离聚物材料，比如磺化聚醚酮或芳酮或聚苯并咪唑。此外，还能够使用陶瓷膜和其他高温材料。

燃料电池的性能数据决定性地取决于施加到聚合物电解质膜上的催化剂层的品质。这些层一般为多孔的并且通常包括离聚物及分散在离聚物中的细碎的电催化剂。与聚合物电解质膜一起，所谓的三相界面形成在这些层中，离聚物与电催化剂直接接触，而气体经由孔系统被引导到催化剂颗粒(氢气在阳极、空气在阴极)。

鉴于燃料电池技术在移动领域的广阔的市场渗透，在用于生产燃料电池特别是电极和膜电极单元的成本方面的显著减小是必要的。

迄今为止，已经使用容许从0.5m/min到0.5m/min(＝0.008m/s到0.03m/s)的范围内的涂布速度(或生产速度)的标准方法用于生产膜电极单元。这些为例如丝网印刷法或刀片涂布法。对于大量生产而言，需要使用显著更高的生产速度。

具有显著更高速度的涂布方法从印刷媒介领域已知。在该背景中，凹版印刷技术是特别令人感兴趣的。凹版印刷用作在印刷具有长的印刷过程的期刊中、以及在印刷包装纸、装饰纸或证券中的批量印刷方法。在标准凹版印刷法中，生产网纹图案或点图案而非附着性的区域。

凹版印刷法因能够获得用于大量生产燃料电池部件的高生产速度而特别令人感兴趣。在凹版印刷中，其容许用于基底涂布的连续过程；此外，基底能够被涂布为分离的图案(印刷图像)或者连续的附着形式。

凹版印刷法的操作模式对于印刷技术领域中的技术人员来说是众所周知的。在该背景中的详细讨论在Helmut Kipphan(编辑)，Handbuch der Printmedien-Technologien und Produktionsverfahren[印刷媒介手册-技术和生产工艺]，Springer-Verlag，Berlin(2000)中找到。凹版印刷的一般原理在图1中示出。

这里，附图标记的含义如下(在该背景下参见DIN 16528-Begriffe für den Tiefdruck[用于凹版印刷的定义])：

1印版滚筒(印刷版)

2印刷图像

3印刷图案(印制的催化剂层)

4基底材料

5压印滚筒

6具有刮刀片的刮刀

7墨槽(给墨系统)

8印刷浆(墨、分散体)

9印版滚筒的旋转方向

10压印滚筒的旋转方向

11基底材料的运动方向(印刷方向)