用于电化学装置的组件制造方法及图纸

包括薄膜和在薄膜的每一侧具有两个电催化层的组件或ＭＥＡ装置（膜电极组件），其中：两个电催化层的面积均低于薄膜的面积；在离聚物薄膜两侧的每一侧上具有至少一个施加在ＭＥＡ非催化区域上的辅助垫圈；所述离聚物薄膜的边缘被密封在上述辅助垫圈之中。

【技术实现步骤摘要】
用于电化学装置的组件以下述名义描述该工业专利技术：经由Turati 12，米兰总部，意大利国籍的SOLVAY SOLEXIS S.p.A.。                          *   *    *   *  *本专利技术涉及一种用在电化学装置，特别是用在PEM燃料电池中(聚合物电解质燃料电池)中的电极薄膜组件和它们的工艺。我们知道，PEM燃料电池具有一核心，其包括位于电极每一侧上且含有用于燃烧反应的催化剂的离聚物薄膜，在薄膜的每一侧首先布置至少一个气体扩散层，随后布置双极板。其中分别供给助燃物和燃料的两个部分，该两个部分位于离聚物薄膜和两个双极板的每一个之间。该助燃物通常是空气或纯氧；该燃料例如是纯氢、含氢的气体混合物、甲醇或乙醇水溶液。该两部分形成反应单元。燃料电池的关键特征是如上所述置于反应单元的双极板之间的膜电极组件或MEA。最简单的膜电极组件由作为电解质的具有施加在薄膜两侧的电催化层(催化区域)的离聚物薄膜形成。现有技术中的这些组件被称为催化剂涂层薄膜(CCM)或3层MEA。如上所述，具有与每个电催化层接触的至少一个气体扩散层的MEA被用于电化学装置中。在现有技术中具有更多层数的组件或MEA装置的其它类型是已知的。例如5层MEA组件，其中在如上定义的3层MEA的两个电催化层的每层之上施加气体微扩散层。后者具有憎水特性，通常是碳粉和PTFE的混合物。7层MEA是一种组件，其中在5层MEA的两微扩散层的每层之上施加气体大扩散层。后者具有憎水特性，通常由经过PTFE处理的碳纤维或织物形成。将该单个反应单元电串联组装因此获得被称为燃料电池堆叠体的装置。该燃料电池堆叠体供电通常在数十瓦和数百千瓦之间并且产生热量。所以冷却系统是必需的以除去电化学反应产生的热。在堆叠体中惯例是使单个反应单元与供给液体通常是软化水的冷却单元交替。-->在MEA中离聚物薄膜表面中由电催化层涂布的那部分通常是总薄膜表面积的40-90％。该表面部分因为其参与电化学反应而被称为″活性区域″。在薄膜表面剩余的部分，就是说在非活性区域上，施加通常由对于在电化学装置中发生的反应来说为惰性的材料形成的保护膜。该保护膜通常被称为″辅助垫圈″并且具有改善MEA运转的目的，例如便于组装到电化学装置和保护聚合物电解质免于与双极板接触。获得的装置被称为具有辅助垫圈的MEA。在俯视图图1中说明了根据现有技术具有辅助垫圈的3层MEA。(1′)表示代表如上活性区域的中心区(为黑色)，(2′)是被辅助垫圈覆盖的薄膜表面。(6′)表示分别在MEA上部和下部中的三个开口。当以后组装成堆叠体时，该开口形成成对使用的6个配给通道，分别用于传送助燃物和燃料以及用于冷却液。图2表示沿图1中B-B的MEA截面图，(4′)代表离聚物薄膜，相对于薄膜对称设置的两层(3′)表示辅助垫圈，两层(5′)表示催化层，其覆盖与活性区域对应的薄膜。图3表示沿图1 A-A的MEA截面图，其中(4′)表示离聚物薄膜，相对于薄膜对称设置的两层(3′)表示辅助垫圈。图2和3显示了辅助垫圈覆盖薄膜的每一侧的非活性部分。在现有技术中，为了避免杂质源，通过使用具有高纯度的冷却液使得这些电化学装置长时间保持高效率。通常，当可能时，现有技术中使用去离子水作为冷却液。用于聚合物薄膜电化学装置工作所需要品质的去离子水必须通过用于水净化的装置生产。事实上用于燃料电池堆工作所需的冷却液量是相当大的。所以，从产业观点考虑，在电化学装置中使用高纯度冷却液代表着用于该装置及其维护的额外成本。意识到需要具有辅助垫圈的有效MEA组件，其具有下列综合特性：-可以使用纯度低于现有技术所要求的冷却液，例如水，由此从产业的观点考虑这个更便宜；-还可以使用由具有高沸点溶剂和水的混合物形成的冷却液，例如水/乙二醇，用于在高于100℃例如高至160℃的温度下使用，和在低于0℃例如低至-40℃的温度下使用；-辅助垫圈经久地粘合到MEA上。本申请人已经发现了解决上述技术问题的MEA组件。-->本专利技术的客体是包括薄膜和在其每一侧上的两个电催化层的组件或MEA装置(膜电极组件)，其中：-两个电催化层的面积均小于该薄膜的面积；-离聚物薄膜两侧上均具有至少一个辅助垫圈；所述离聚物薄膜的边缘被密封在上述辅助垫圈之中，每个辅助垫圈被设置在MEA的非活性区域上。因此，本专利技术的离聚物薄膜的边缘被密封在辅助垫圈之中并且与外界环境、反应和冷却液隔开。根据本专利技术的离聚物薄膜边缘是指薄膜外部边缘和薄膜中用于助燃物、燃料和冷却液传送的开口边缘。该辅助垫圈被施加在MEA的非催化区域中，也就是没有催化剂涂布的薄膜区域中。然而，如果需要，该辅助垫圈还可以覆盖包括电催化层的区域部分。在薄膜的一侧或者两侧上可以存在两个或更多个辅助垫圈。该具有辅助垫圈的MEA装置可以是3层、5层或7层的形式。图4是根据本专利技术的3层MEA装置的俯视图。该中心区(1)MEA活性区域。(2)代表由辅助垫圈覆盖的薄膜表面。(1)和(2)一起对应于离聚物薄膜的区域。(3)代表相互接触并且不与薄膜表面接触的辅助垫圈的部分。(2)和(3)一起对应于辅助垫圈区域。(11)表示MEA中用于助燃物、燃料和冷却液传送的开口，例如三个上部开口代表上述流体的入口，下部开口表示上述流体的出口。图5是图4的截面D-D。(4)代表离聚物薄膜；(2)表示覆盖薄膜的辅助垫圈区域且对应于图4的(2)；(3)对应于两个辅助垫圈之间的重叠区并且对应于图4的(3)。该两层(5)代表催化层。图6是图4的截面C-C。该薄膜由(4)表示。(2)代表覆盖薄膜的辅助垫圈；(3)表示两个辅助垫圈之间的重叠区。因此根据本专利技术的3层MEA包括：-由设置在薄膜每一侧的两个电催化层形成的活性区域(1)，该电催化层的面积小于薄膜的面积；该离聚物薄膜和该电催化层形成3层MEA；该活性区域(1)没有被辅助垫圈覆盖；-->-区域(2)(参见图5和6)代表被辅助垫圈覆盖的离聚物薄膜表面；(3)(参见图5和6)表密封薄膜边缘的辅助垫圈的重叠部分。5层MEA由3层MEA形成，其中在两个电催化层的每一侧上施加不与薄膜接触的气体微扩散层。后者具有增水特性，通常由碳粉和PTFE混合物形成。7层MEA由5层MEA形成，其中在两个微扩散层的每一侧上施加不与电催化层接触的气体大扩散层。后者具有增水特性，通常由PTFE处理的碳纤维或织物形成。MEA装置的薄膜和电催化层可以通过使用具有呈-SO3H酸或盐形式的磺酸基基团的(全)氟化离聚物而获得，该离聚物具有380g/当量-1,600g/当量，优选是500-1,200g/当量，更优选是750-950g/当量的当量重量。优选的离聚物包括下列单元：(A)由包含至少一个烯属不饱和度的从一个或多个氟化单体衍生得到的单体单元；(B)包含-SO2F磺酰基基团的氟化单体单元，其含量使得该离聚物具有在上述范围内的当量重量。可代替地，可以使用由单体单元(B)形成的均聚物作为离聚物。包含酸形式的-SO3H的磺酸基基团的离聚物能够通过-SO2F基团的水解和-SO3H基团的任选的盐化而获得。该氟化单体(A)选自下列：-偏二氟乙烯(VDF)；-C2-C8全氟烯烃，优选四氟乙烯(TFE)；-C2-C8氯代和/或溴代和/或碘代氟本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种包括薄膜和位于其每侧上有两个电催化层的组件或ＭＥＡ装置（膜电极组件），其中：　　　　－两个电催化层的每一个的面积小于该薄膜的面积；　　　　－在所述离聚物薄膜两侧的每一侧具有至少一个施加在ＭＥＡ非催化区域上的辅助垫圈；　　　　所述离聚物薄膜的边缘被密封在所述辅助垫圈之中。

【技术特征摘要】
IT 2005-12-28 MI2005A0025091、一种包括薄膜和位于其每侧上有两个电催化层的组件或MEA装置(膜电极组件)，其中：-两个电催化层的每一个的面积小于该薄膜的面积；-在所述离聚物薄膜两侧的每一侧具有至少一个施加在MEA非催化区域上的辅助垫圈；所述离聚物薄膜的边缘被密封在所述辅助垫圈之中。2、根据权利要求1的组件，其中在所述薄膜的一侧或两侧可以存在两个或更多个辅助垫圈。3、根据权利要求1-2的组件或MEA装置，其是3层、5层或7层的形式。4、根据权利要求1-3的组件，其中3层MEA包括，参见图4：-由设置在薄膜每一侧的两个电催化层形成的活性区域(1)，该电催化层的面积小于薄膜的面积；该离聚物薄膜和该电催化层形成3层MEA；该活性区域(1)没有被辅助垫圈覆盖；-区域(2)(参见图5和6)表示被辅助垫圈覆盖的离聚物薄膜表面；(3)(参见图5和6)表示密封所述薄膜边缘的辅助垫圈的重叠部分。5、根据权利要求4的组件，其中在3层MEA的两个电催化层中不与薄膜接触的每一侧上施加气体微扩散层以获得5层MEA。6、根据权利要求5的组件，其中在5层MEA的两个微扩散层中不与电催化层接触的每一侧上施加气体大扩散层以获得7层MEA。7、根据权利要求1-6的组件，其中所述薄膜和所述电催化层可以通过使用具有呈-SO3H酸或盐形式的磺酸基基团的(全)氟化离聚物而获得，该(全)氟化离聚物具有380g/当量-1,600g/当量，优选是500-1,200g/当量，更优选是750-950g/当量的当量重量。8、根据权利要求7的组件，其中所述的离聚物包括下列单元：(A)由一个或多个包含至少一个烯属不饱和度的氟化单体衍生的单体单元；-->(B)包含-SO2F磺酰基基团的氟化单体单元，-SO3F磺酰基基团的含量使得该离聚物的当量重量在上述范围内，该-SO2F基团转化为酸-SO3H或盐形式。9、根据权利要求7的组件，其中所述的离聚物是由单体单元(B)形成的均聚物，该包含酸-SO3H或盐形式的磺酸基基团的离聚物可通过-SO2F基团的水解而得到。10、根据权利要求7-8的组件，其中氟化单体(A)从下列中选择：-偏二氟乙烯(VDF)；-C2-C8全氟烯，优选四氟乙烯(TFE)；-C2-C8氯代-和/或溴代-和/或碘代-氟烯烃，例如三氟氯乙烯(CTFE)和三氟溴乙烯；-CF2＝CFORf1(全)氟代烷基乙烯基醚(PAVE)，其中Rf1是C1-C6(全)氟烷基，例如三氟甲基、溴代二氟甲基、五氟丙基；-CF2＝CFOX全氟烷氧基乙烯基醚，其中X是具有一个或更多醚基团的C1-C12全氟烷氧基，例如全氟-2-丙氧基-丙基；-通式CFXAI＝CXAIOCF2ORAI(A-I)的氟乙烯基醚(MOVE)，其中RAI是直链、支链C1-C6(全)氟烷基基团，或当C1-C6(全)氟烷氧基基团可能包含一到三个氧原子时，是C5-C6环状、直链或支链的；当RAI是如上所述的氟代烷基或氟代烷氧基时，其包含从下列选择的1-2...

【专利技术属性】
技术研发人员：L默洛，A格希尔米，V阿策拉，
申请(专利权)人：索尔维索莱克西斯公司，
类型：发明
国别省市：IT[意大利]