制造用于燃料电池的功能化结构化的构造的方法和膜电极装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及制造用于燃料电池(1)的功能化结构化的构造的方法，其包括：

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】制造用于燃料电池的功能化结构化的构造的方法和膜电极装置
[0001]说明书：
[0002]本专利技术涉及制造用于燃料电池的功能化结构化的构造的方法，特别是制造催化剂涂覆的膜(CCM代表催化剂涂覆的膜)或催化剂涂覆的气体扩散电极(GDE)的方法。本专利技术还涉及膜电极装置。
[0003]燃料电池装置用于将燃料与氧气化学转化为水以产生电能。为此，燃料电池包含质子传导(电解质)膜作为核心部件，在其两个相反的表面上分配有电极(阳极和阴极)。在具有组合成燃料电池堆的多个燃料电池层的燃料电池装置的运行中，燃料，特别是氢气(H2)或包含氢气的气体混合物被供应到阳极。在含氢气的混合物的情况下，首先将其重整并由此提供氢气。在阳极，H2发生电化学氧化形成H
+
并释放电子。在阳极提供的电子通过电导线输送到阴极。向阴极供应氧气或含氧气的气体混合物，从而O2还原成O2‑
并吸收电子，所述电子然后与氢质子一起变成产物H2O。
[0004]在燃料电池中的电极涂层必须在将其施加到膜或气体扩散层上之后为了开始其运行准备而通过调理操作进入运行准备的状态，其中向干燥层加入水分子，所述水分子通常流入干燥层的珊瑚状通道结构中。因此，功能化结构化的构造应被理解为是指提供这种“功能化”或提供这种运行准备的层或电极层。然而，水分子只有当最外面的层表面具有足够的孔隙形式的“开口”或合适的结构化时才能进入这些通道结构。即使在燃料电池的正常运行中，也必须确保反应物和产物水能够足够好地传输通过燃料电池的各个层。
[0005]为了调节孔隙率或提供合适的通道，US 2010/0285388 A1提出在催化剂层中形成点状开口，其通过激光处理产生。DE 102018207133A1描述了燃料电池的双极板表面的激光处理，以适当地调节板材料对水的润湿角。DE 102016218868 A1提出了电能存储单元，其导体板配备有使用激光引入表面中的结构。
[0006]因此，本专利技术的目的是提供制造用于燃料电池的结构化的构造的方法以及膜电极装置，其导致在燃料电池的动态运行条件下电极层的可负载性改进并且具有改进的反应物/水管理。
[0007]该目的通过具有权利要求1的特征的方法和通过具有权利要求10的特征的膜电极装置来实现。在从属权利要求中给出具有本专利技术的有利扩展的有利实施方式。
[0008]根据本专利技术的方法特别是包括以下步骤：
[0009]‑
在涂覆步骤中将至少一个包含催化剂颗粒的电极施加到基底层上，和
[0010]‑
通过激光干涉结构化在辐射步骤中在背离基底层的电极表面中引入深层结构。
[0011]在处理电极表面时，利用激光束的干涉进行激光烧蚀，这产生特别均匀的纳米级结构。在此，激光二极管优选用于激光器，也可以使用气体激光器，例如CO2激光器。发射单色辐射的激光器是优选的。激光辐射优选是脉冲的或连续的，其具有波长266nm、355nm、532nm或1064nm中的至少一种。
[0012]这种深层结构导致在电极表面上形成网络并改进运行介质的通道化引入和排出。氢气和氧气通过这些通道结构更均匀和更快速地分布在表面上，并且产物水可以通过这些
结构更快速地且压力更小地输出。取决于运行点的体积流量可以更快速地改变，由此使得配备有这种燃料电池的燃料电池装置对负载点变化需求的反应更快速。可以在运行中以较低的裂纹形成趋势承受住对于电极涂层的结构机械拉伸荷载和压缩荷载，因为作为膨胀槽口(Dehnungskerb)引入的结构更好地分散表面上的荷载峰值，并且不会对材料苛求过高的应力峰值。
[0013]通过激光干涉结构化引入的深层结构也可以增大主动打开的电极表面，由此介质可以在明显更多的位置渗入到更深的电极层中或从中输出。
[0014]为了保持引入材料中的热量尽可能低，被证明有利的是激光干涉结构化通过皮秒范围或飞秒范围内的激光脉冲进行。深层结构的深度例如为100nm至100μm，优选最多10μm，但特别优选小于1μm，其中深层结构的各个通道可以500nm至500μm，优选最多50μm的间距，以使得存在微米结构或亚微米结构形式的深层结构。
[0015]深层结构可以已在膜电极装置中实现或形成，其制造基于贴花工艺，其中被证明有利的是电极结构化仅在热压转移到膜基底层上的步骤和随后去除载体膜之后才发生。
[0016]然而，也可以将这些电极的一个或两个直接施加到膜上，因此存在催化剂涂覆的膜(CCM)。就此而言有利的是，电极在涂覆步骤之前以包含碳负载的催化剂颗粒和至少一种离聚物粘合剂的油墨的形式提供，以及该油墨在涂覆步骤过程中施加到基底层上。由于在依次施加和干燥这两个电极时结构深度可能发生变化，这两个电极的结构化仅应在第二电极的最终干燥后才发生。
[0017]为了能够将深层结构持久且耐受地引入电极表面中，被证明有利的是，在将深层结构引入电极表面中之前，在干燥步骤中将电极干燥。
[0018]然而，在许多情况下，希望减少生产时间，因此力求用于制造大量膜电极装置或气体扩散层的循环时间减少。因此，适宜且有利的是，在引入深层结构之前仅干燥边缘层，即应获得结构化的电极表面，如果干燥从背离基底层的那侧进行的话。在这种情况下，对于干燥过程的优化而言适宜的是，电极在干燥步骤中仅部分干燥，以及在电极完全干燥之前已将深层结构引入已干燥的电极区域中，以使得在干燥过程中要蒸发的油墨溶剂的物质转移变得容易，并且对于干燥介质(优选干燥热空气)而言增大要干燥的层的接触表面。然而，在(部分)干燥过程中可能会出现易燃蒸气，以使得深层结构仅在干燥单元之外才引入，以确保工艺安全。
[0019]为了形成催化剂涂覆的膜，被证明适宜的是，基底层由质子传导膜材料形成。该基底层优选具有基于增强层的多层构造，该增强层例如基于EPTFE或由其组成。在该质子传导增强层的两侧施加例如例如由PTFE或PFSA制成的离聚物层，以使得质子传导膜材料因此表现出经增强的夹层构造。
[0020]替代地，电极的基底层也可以由气体扩散层的材料形成，以使得通过用电极涂覆形成同样配备有深层结构的气体扩散电极。就此而言，方法步骤的顺序可以相反，以使得首先将深层结构引入电极材料中，以然后接着——例如在贴花工艺中——将电极施加到气体扩散层上。因此，深层结构存在于电极的面向气体扩散层的表面上。在这种情况下，电极首先沉积到贴花膜上并干燥。然后进行结构化，并在压延步骤中将该表面转移到气体扩散层上。
[0021]结合根据本专利技术的方法解释的优点、有利的实施方式和效果以相同的程度适用于
根据本专利技术的膜电极装置。其优选使用根据本专利技术的方法制成。该膜电极装置特别地由质子传导膜和布置在膜两侧的电极形成，其中这些电极的至少一个，优选两个在其背离膜的电极表面上具有通过激光干涉结构化制成的深层结构化。
[0022]还公开了由含碳材料组成并用包含催化剂颗粒的电极材料涂覆的气体扩散电极。该电极也在其面向气体扩散层的电极表面上配备有深层结构，该深层结构通过激光干涉结构化在辐射步骤中引入。气本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.制造用于燃料电池(1)的功能化结构化的构造的方法，其包括：
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在涂覆步骤中将至少一个包含催化剂颗粒(13)的电极(4、6)施加到基底层上，和
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通过激光干涉结构化在辐射步骤中在背离基底层的电极表面中引入深层结构(16)。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光干涉结构化通过皮秒范围或飞秒范围内的激光脉冲进行。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在涂覆步骤之前将电极(4、6)提供在载体膜上，以使得将膜负载的电极(4、6)在涂覆步骤的过程中施加到基底层上，之后脱除载体膜。4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述电极(4、6)在涂覆步骤之前以包含碳负载的催化剂颗粒(13)和至少一种离聚物粘合剂(15)的油墨(18)的形式提供，并且将油墨(18)在涂覆步骤的过程中施加到基底层上。5.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：K，
申请(专利权)人：奥迪股份公司，
类型：发明
国别省市：