用于制造电化学反应器导流构件的方法技术

本发明专利技术涉及一种用于制造用于电化学反应器的导流构件的方法，包括以下步骤：‑提供衬底(20)；‑在衬底(20)的第一面上，通过对导电油墨层施加剪切应力来印刷导电油墨层，当剪切速率为0.1s

A method for manufacturing flow guide components of electrochemical reactor

【技术实现步骤摘要】
用于制造电化学反应器导流构件的方法
本专利技术涉及电化学反应器，包括膜电极组件，例如质子交换膜燃料电池。本专利技术特别涉及优化燃料电池的部件的制造方法和降低这些部件的重量。
技术介绍
例如在未来汽车的大规模生产和许多其他应用中，设想使用燃料电池作为电源。燃料电池堆叠是一种将化学能直接转化为电能的电化学设备。在燃料电池堆叠中使用二氢或甲醇等可燃物作为燃料。在二氢的情况下，二氢在堆叠的一个电极上被氧化和电离，且氧化剂在堆叠的另一个电极上被还原。化学反应在阴极产生水，氧被还原并与质子反应。燃料电池堆叠的很大优点是避免在发电现场排放大气污染物。质子交换膜(PEM)燃料电池堆叠在通常低于250℃的低温下工作，并具有特别优良的致密性。每个电池都包括只允许质子通过、不允许电子通过的电解膜。该膜包括在第一面上的阳极和在第二面上的阴极，以形成膜电极组件(MEA)。在阳极处，二氢被电离以产生通过膜的质子。该反应产生的电子向导电阳极板迁移，然后通过电池外部的电路以形成电流。在阴极处，氧被还原并与质子反应形成水，并用另一所谓的阴极板使电路闭合。对每个电极必须以尽可能均匀的方式连续供应反应物。为此，通常在阳极板和阴极板上都设有流动通道。另外，导电多孔材料经常设置在板上的流动通道和每个电极之间，以产生通常由碳纤维网络形成的气体扩散层(GDL)。为了增加燃料电池堆叠产生的电压，燃料电池堆叠通常包括串联电连接的多个堆叠的电化学电池。燃料电池堆叠则可以包括多个板(例如，可以由金属制成)，这些板配备有流动通道，并且堆叠在彼此的顶上。膜设置在至少一个阳极板和至少一个阴极板之间。导流板可包括流动孔和通道，以引导反应物和产物进出膜，以根据燃料电池堆叠的功率引导冷却剂，以分离各隔层。当消耗反应物时，配备有流动通道的板不断地向点击的反应表面提供反应物。这些板包括确保将反应物分配到反应区的流动通道网络。流动通道网络连接在输入和输出歧管之间，输入和输出歧管通常正对延伸穿过堆叠。每个歧管由密封圈包围，以防止各流体的混合物流过堆叠。这些板也具有导电性，以形成在阳极处产生的电子的收集器。这些板还具有传递堆叠夹持力的机械功能(实现高质量电接触所必需)，以及机械支撑电化学芯的功能。电子传导通过板实现，离子传导通过膜获得。根据第一种类型已知的设计，可以通过加工实心块来制造具有流动通道的板，以限定这些流动通道。加工的块通常由石墨制成。根据第二种类型已知的设计，板组是由两个金属片形成，这两个金属片通过焊接连接，并通常在这两个金属片之间形成用于冷却剂的流动通道。然后通过形成片或使片变形(例如通过冲压金属片)来限定流动通道的形状。这种设计通常是优选的，因为它降低了板的成本和体积，然而同时保持了良好的性能水平。根据通道是冲压的还是机加工的，所用片通常具有的厚度为0.1到4mm。通过冲压通常厚度为0.1mm的片而产生的流动通道通常具有的宽度为0.4到2mm，深度为0.2到0.4mm。金属片的阴极板和阳极板的设计和生产既复杂又相对昂贵。这实质上影响了燃料电池堆叠的成本价格，因为燃料电池堆叠的板总体上是最昂贵的部件之一。此外，冲压操作会导致平面度损失，这使密封沉积复杂化。此外，由此获得的板组相对较重且庞大，这在车载燃料电池堆叠应用中尤其不受欢迎。此外，所使用的薄片仍然足够的柔性，以允许生产整体上为非平面形状的组件。为了避免冲压过程产生的限制，文献CN107394228提出在平面金属片上沉积一层或更多层含碳油墨，以形成肋部，在这些肋部之间界定流动通道。这样的制造方法花费相对较长的时间，而且实现起来很复杂，有必要丝网印刷油墨层，以使油墨层沉积在下面凝固。当肋部的高度和宽度之比大于0.5时，这种方法特别地需要多个通道。没有描述一种令人满意的、在单层中产生厚的沉积物的方法。此外，在干燥期间，对肋部的几何形状的控制相对较差。此外，这种肋部可能具有不足的导电性和不足的机械强度。此外，文献US2018/190998描述了用于制造用于电化学反应器的导流构件的方法，包括以下步骤：-提供衬底；-在衬底的第一面上，通过对导电油墨层施加剪切应力来印刷导电油墨层，印刷所述油墨层以形成包括界定流动通道的肋部的图案。所使用的油墨需要重叠多层以实现大厚度的肋部。文献US2003/198860描述了将以具有非牛顿行为的膏的形式的电极施加到膜或气体扩散层载体。这里的问题是，使用喷嘴施加粘度合适的膏，即使得该喷嘴中的流动不太流畅并且使得膏在载体上实现良好的分布的粘度。
技术实现思路
本专利技术旨在解决这些缺点中的一个或更多个。因此，本专利技术涉及一种用于制造用于电化学反应器的导流构件的方法，包括以下步骤：-提供衬底；在衬底的第一面上，通过导电油墨层施加剪切应力来印刷导电油墨层，当剪切速率(或剪切梯度)为0.1s-1时，印刷油墨的粘度为70至500Pa.s，且当剪切速率为100s-1时，印刷油墨的粘度为2.5至7Pa.s，将油墨层印刷为形成包括界定流动通道的肋部的图案。除非另有说明，否则粘度和剪切速率量将对应于20℃的温度。本专利技术还涉及以下变型。本领域技术人员将理解，以下变型的特征中的每个可以独立地与上述特征组合，而不必形成中间概括。根据一种变型，在衬底的第一面上印刷油墨层的步骤是丝网印刷步骤。根据另一种变型，所述丝网印刷步骤包括：将所述油墨沉积在模板丝网(stencilscreen)上，并将刮板施加到所述丝网，以便对油墨施加剪切以将油墨印刷到衬底的第一面上。根据另一种变型，该方法还包括干燥步骤，以固化所形成图案的油墨层。根据另一种变型，印刷油墨层的步骤包括：以剪切速率为10s-1到80s-1对该层施加剪切应力。根据另一种变型，所印刷的油墨层具有的厚度至少等于150μm。根据一种变型，形成的肋部具有的高度至少等于其宽度的一半。根据另一种变型，所述印刷油墨的固体含量包括比例为90％到99％的石墨颗粒。根据另一种变型，固体含量表示剪切所施加到的油墨重量的50％到75％。根据一种变型，所述油墨的固体石墨混合物含量包括具有D50直径为1至6μm、重量比例为1％至35％的颗粒，所述油墨的固体石墨混合物含量还包括具有D50直径为10至25μm、重量比例至少为25％的颗粒。根据另一种变型，剪切所施加到的所述油墨包括聚合物粘合剂。根据一种变型，剪切所施加到的所述油墨包括聚偏氟乙烯。根据另一种变型，在低于0.1Hz的频率下，当变形幅度为1％时，剪切所施加到的油墨具有的储能模量高于粘性模量。根据另一种变型，在高于2Hz的频率下，当变形幅度为1％时，剪切所施加到的油墨具有的储能模量低于粘性模量。根据另一种变型，所提供的衬底不受具有印刷油墨的凸纹水平的影响。根据一种变型，所提供的衬底是导电板、气体扩散层或电极层。本专利技术还涉及一种用于制造双极板的方法，包括：使用例如如上所述的制造方法制造第一至第本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于制造用于电化学反应器(4)的导流构件(2)的方法，包括以下步骤：/n-提供衬底(20)；/n-在衬底(20)的第一面(201)上，通过对导电油墨层施加剪切应力来印刷导电油墨层，当剪切速率为0.1s

【技术特征摘要】
20180912 FR 18710241.一种用于制造用于电化学反应器(4)的导流构件(2)的方法，包括以下步骤：
-提供衬底(20)；
-在衬底(20)的第一面(201)上，通过对导电油墨层施加剪切应力来印刷导电油墨层，当剪切速率为0.1s-1时，印刷油墨的粘度为70至500Pa.s，且当剪切速率为100s-1时，印刷油墨的粘度为2.5至7Pa.s，将油墨层印刷为形成包括界定流动通道(32)的肋部(31)的图案。


2.根据权利要求1所述的制造方法，其中，在衬底(20)的第一面(201)上印刷油墨层的步骤是丝网印刷步骤。


3.根据权利要求2所述的制造方法，其中，所述丝网印刷步骤包括：将油墨沉积在模板丝网(93)上，并将刮板(94)施加到丝网，以便对油墨施加剪切，以将所述油墨印刷到衬底的第一面(201)上。


4.根据前述权利要求中任一项所述的制造方法，还包括干燥步骤，以固化所形成图案的油墨层。


5.根据前述权利要求中任一项所述的制造方法，其中，印刷油墨层的步骤包括：以剪切速率为10s-1到80s-1对该层施加剪切应力。


6.根据前述权利要求中任一项所述的制造方法，其中，所印刷的油墨层具有的厚度至少等于150μm。


7.根据前述权利要求中任一项所述的制造方法，其中，所形成的肋部(31)具有的高度至少等于其宽度的一半。


8.根据前述权利要求中任一项所述的制造方法，其中，所述印刷油墨的固体含量包括比例为90％到99％的石墨颗粒。


9.根据前述权利要求中任一项所述的制造方法，其中，所述固体含量表示剪切所施加到的油墨重量的50％到75％。


10.根据前述权利要求中任一项所述的制造方法，其中，所述油墨的固体石墨混合物含量包括具有D50直径为1至6μm、重量比例为1％至35％的颗粒，所述油墨的固体石墨混合物含量还包括具有D50直径为10至35μm、重量比例至少为25％的颗粒。


11.根据前述权利要求中任一项所述的制造方法，其中，剪切所施加到的所述油墨包括聚合物粘合剂。


12.根据权利要求11所述的制造方法，其中，剪切所施加到的所述油墨包括聚偏氟乙烯。


13.根据前述权利要求中任一项所述的制造方法，其中，在低于0.1Hz的频率下，当...

【专利技术属性】
技术研发人员：热雷米·萨洛蒙，本杰明·阿梅斯托伊，让弗朗索瓦·布拉肖，丹尼斯·特朗布莱，
申请(专利权)人：原子能和替代能源委员会，
类型：发明
国别省市：法国;FR