[发明专利]制造催化涂覆膜片的方法和膜片电极单元和燃料电池堆垛

说明书

本发明涉及一种用于制造用于燃料电池(10)的催化涂覆的膜片(19)的方法，其中，催化涂覆的膜片(19)膜片具有膜片(11)和布置在其平侧中的至少一个上的催化材料的催化剂层(12,13)以及非矩形的作用区域(20)，作用区域(20)在一个方向上通过两个彼此相对的外侧(30)限制。该方法包括，在产生恒定的涂覆宽度(B)的情况下如此连续地将催化材料施加到膜片材料(33)上，即，利用催化材料涂覆的区域(35)至少相应于作用区域(20)。设置成，如此利用催化材料涂覆膜片材料(33)，即，涂覆方向(D)相对于作用区域(20)的彼此相对的外侧(30)具有不等于90°且不等于0°的角度。

技术领域

本发明涉及一种用于制造催化涂覆的膜片的方法，该催化涂覆的膜片具有膜片和布置在其平侧中的至少一个上的催化材料的催化剂层。此外，本发明涉及一种膜片电极单元，其具有这种催化涂覆的膜片，本发明还涉及一种包括多个交替地利用双极板堆垛的这种膜片电极单元的燃料电池。

背景技术

燃料电池使用燃料与氧气化学转化成水产生电能。为此，燃料电池包含所谓的膜片电极单元(MEA作为膜片电极单元的缩写)作为核心组件，其为由引导离子的(大多引导质子的)膜片和分别两侧地布置在膜片处的电极(阳极和阴极)组成的结构。此外，气体扩散层(GDL)可在膜片电极单元两侧布置在电极的背离膜片的侧处。通常，燃料电池通过多个布置成垛(堆叠)的MEA构成，其电功率累加。在各个的膜片电极单元之间通常布置双极板(也称为通量场板)，其保证利用工作介质、即反应物供给单电池并且通常也用于冷却。此外，双极板用于与膜片电极单元的可导电地接触。

在燃料电池的运行中，燃料、尤其地氢气H₂或含氢气的气体混合物通过双极板的阳极侧的敞开的通量场输送给阳极，在该处，在释放电子的情况下进行从H₂到H⁺的电化学的氧化。经由使反应腔气密地并且电绝缘地彼此分离的电解质或膜片，以(有水的方式或无水的方式)将质子H⁺从阳极腔中运送到阴极腔中。在阳极处提供的电子经由电导线被引导至阴极。经由双极板的阴极侧的敞开的通量场将氧气或含氧气的气体混合物(例如空气)输送给阴极，从而在吸收电子的情况下进行从O₂到O^2-的还原。同时，在阴极腔中氧阴离子在形成水的情况下与经由膜片运送的质子反应。

燃料电池的电极通常作为在气体扩散层(其于是被称为气体扩散电极)上的催化的涂层存在，或者作为在膜片上的催化的涂层存在。在后者的情况中，也称为催化涂覆的膜片或CCM(催化涂覆的膜片的缩写)。已知不同的技术用于利用催化材料涂覆膜片材料以制造CCM并且如此产生催化剂层。其中包括印刷方法、喷射方法、分离方法、涂抹方法等。为了批量制造，具有高的生产率的成本适宜的方法是值得期望的。

在燃料电池堆垛中利用两种用于阳极和阴极的反应物气体加载的并且在该处在产生电的情况下进行燃料电池反应的MEA的区域被称为作用区域。然而，作用区域仅仅占据MEA的总面积的一部分。可具有可变的形状的剩余区域用于将工作介质输送并分配至作用区域、用于MEA的密封和机械的稳定。这些区域被称为非主动的或被动的区域。在传统的燃料电池中，作用区域大多具有矩形的形状。在力求获得用于作用区域的高的面积利用中，近来还已研发了带有非矩形的作用区域的组件，例如带有等边的或不等边的六边形轮廓，例如在图2中示出。出于成本原因，基本上值得期望的是，仅仅主动的区域配备催化的层。可行的是，利用印刷方法、例如平版印刷或筛网印刷选择性地仅仅涂覆作用区域。然而，这些方法在筛网印刷的情况中相对缓慢或者需要高成本的机械(平版印刷)。相对地，如下连续的涂覆方法更快速并且耗费更低，即，在其中，连续地利用催化材料涂覆膜片材料并且稍后通过造型步骤切下催化涂覆的膜片。在此不利的是，在非矩形的作用区域的情况中，不可避免地涂覆膜片或膜片边角料的非作用区域。如果无意地利用催化材料涂覆了非作用区域，必须事后例如通过施加扩散阻碍层阻隔这些区域。在每种情况中，过多涂覆意味着催化材料的损失。