專利名稱：用于電解水的膜電極組件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明描述了用于PEM水電解槽的膜電極組件(“MEA”)。此外，該膜電極組件還可用作再生燃料電池(RBZ)或用于其他不同的電解應(yīng)用領(lǐng)域中產(chǎn)生氧氣的電極。此外，本發(fā)明還描述了用于制造該膜電極組件的方法。
背景技術(shù)：
在基于可再生能源的未來能源經(jīng)濟中，氫氣將發(fā)展成重要的能源載體。水的電解是利用可再生能源制造氫氣的最實用的方法。用于電解槽的投資成本和生產(chǎn)成本決定了整個系統(tǒng)的經(jīng)濟性，并且由此決定該方法是否能夠用于生產(chǎn)氫氣。電能的消耗對于通過電解水產(chǎn)生氫氣的成本的影響很大，這占生產(chǎn)氫氣總成本的約70％。
根據(jù)目前的現(xiàn)有技術(shù)，經(jīng)常使用兩種不同類型的用于電解水的電池，即堿性電解槽和具有聚合物電解膜(“PEM”)的電解槽。連同PEM和貴金屬催化劑一起使用的水電解槽，能夠在顯著較高的電流密度下工作，并且與常規(guī)的含堿電解槽相比，工作時特定的能源消耗更少，因而其優(yōu)點在于更高的設(shè)備產(chǎn)量和更低的生產(chǎn)成本。因此，本發(fā)明的目的是利用PEM電解槽改進電解水的方法，并且特別是提供用于PEM電解槽的改進的膜電極組件(MEA)。
PEM電解槽通常具有如同PEM燃料電池的結(jié)構(gòu)，但它們以不同的方式工作。在PEM燃料電池工作中，氧氣的還原在陰極進行，而氫氣的氧化在燃料電池的陽極進行。最終結(jié)果是產(chǎn)生水和電流。另一方面，電流和電極在PEM電解槽中顛倒，從而發(fā)生水的分解。
氧氣的釋放在陽極進行(“氧氣排出反應(yīng)”，“OER”)，而通過聚合物電解膜的質(zhì)子(H+)的還原在陰極進行(“氫氣排出反應(yīng)”，“HER”)。結(jié)果，利用電流使水分解成氫氣和氧氣。該反應(yīng)可由下列方程式加以簡單表示(OER)(HER)用于PEM水電解槽(以下也稱作“電解-MEA”)的MEA通常包含聚合物電解膜(如Dupont的Nafion)，將其以夾層的方式設(shè)置在兩個電極和兩個多孔集電器(或氣體擴散層)之間，這些集電器各自堆疊在電極的兩側(cè)。
然而，因為電解-MEA的不同要求以及電解槽及常規(guī)PEM燃料電池的不同工作條件，所以對電解-MEA的要求也存在重要差異(a)因為在OER中在陽極側(cè)產(chǎn)生的氧氣造成的腐蝕，以碳為基礎(chǔ)的材料(如炭黑承載的Pt/C催化劑或基于碳纖維的氣體擴散層“GDL”)不能用于電解-MEA的陽極側(cè)上。
(b)電解過程經(jīng)常在壓力下進行，從而儲存氫氣以進行預(yù)壓縮。目前達到的壓力最高為15巴，在例外的情況下達到30巴。這意味著電解-MEA要承受陽極和陰極之間的壓力差，該壓力比常規(guī)PEM燃料電池工作時高大約5至10倍。這對MEA的穩(wěn)定性和抗壓能力提出更高的要求。因此優(yōu)選使用更厚的膜材料(厚度最高為200μm)。然而，本申請中所記載的新MEA結(jié)構(gòu)設(shè)計也需要提高壓力穩(wěn)定性。
(c)因為在電解過程中除氫氣以外還產(chǎn)生氧氣，所以在漏氣的情況下存在氫/氧氣體爆炸的潛在危險。這些反應(yīng)劑必須相互分隔，從而避免這些影響。因此這對電解-MEA的氣密性提出更高的要求。
(d)此外，必須將其他的催化劑用于電解-MEA。銥在釋放氯氣和氧氣的過程中具有獨特的電催化性能是已知的。因此，銥是在陽極側(cè)用于產(chǎn)生氧氣的反應(yīng)(OER)的優(yōu)選材料，其是以純金屬(Mohr)的形式或作為氧化物，任選與其他氧化物的混合物的形式。適合用于電解-MEA的陽極催化劑如第P 1 0350 563.6號德國專利申請所述。在所有貴金屬中，鉑是用于在陰極產(chǎn)生氫氣的反應(yīng)(HER)的最活躍的催化劑，并且經(jīng)常用作電解-MEA的陰極催化劑。
由于這些原因，用于PEM燃料電池的常規(guī)MEA不能用于PEM電解槽。
專利文獻公開了對于電解-MEA結(jié)構(gòu)的不同建議。US 2003/0057088A1描述了一種包含MEA的PEM水電解槽，該MEA包含離子交聯(lián)聚合物膜、兩層催化劑層和一對多孔集電器，并且以夾層的形式在兩個電極板之間壓制。將該催化劑層在傳遞壓力法(“貼花”法)中施加在膜的正面和背面。這些催化劑層、氣體擴散層和膜具有相同的尺寸(“共延設(shè)計”)，并未描述密封的使用。
WO 02/27845A2公開了一種水電解電池，其包括離子交聯(lián)聚合物膜的“整合的膜載體和框架結(jié)構(gòu)”。將這些催化劑層施加在膜的兩側(cè)，其中未涂覆大部分邊緣范圍內(nèi)的膜。由此導(dǎo)致昂貴的離子交聯(lián)聚合物膜的消耗大幅增加，從而導(dǎo)致PEM電解槽的成本更高。
US 6,613,215B2描述了一種包括超薄復(fù)合膜的PEM電解槽。將陽極和陰極催化劑分別涂覆在膜的正面和背面，其中大部分膜未被涂覆，因此產(chǎn)生了額外的成本。
電解-MEA的制造方法與PEM燃料電池的傳統(tǒng)膜電極組件(MEA)的制造方法基本相似。制得的催化劑墨水通常包括催化劑粉末、溶劑和任選的聚合物電解質(zhì)材料(即溶解的離子交聯(lián)聚合物)，并將其直接施加在離子交聯(lián)聚合物膜上，或者首先施加在氣體擴散層上，然后再與膜相連接(例如參見第5,861,222、6,309,772和6,500,217號美國專利)。特別是在雙面涂覆離子交聯(lián)聚合物膜時，產(chǎn)生精確定位和尺寸穩(wěn)定性的問題。
發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的在于提供電解-MEA，該MEA由于其結(jié)構(gòu)而在高壓力差(最高為30巴)下具有提高的壓力穩(wěn)定性，并且具有提高的氣密性。該電解-MEA可通過膜消耗不高的方法簡單廉價地加以制造。該方法的容差小且裝配精度高，從而適用于大規(guī)模生產(chǎn)。
該目的通過根據(jù)本發(fā)明的MEA加以實現(xiàn)。本發(fā)明還涉及根據(jù)本發(fā)明的產(chǎn)品的制造方法和用途。
根據(jù)本發(fā)明的用于電解水的膜電極組件如
圖1所示，其中所示為裝配之前的單個零件。該MEA包含具有正面和背面的離子傳導(dǎo)性膜(1)、該正面(陰極側(cè))上用于生成氫氣的第一催化劑層(2)、該正面上的第一氣體擴散層(4)、該背面(陽極側(cè))上用于生成陽極氧氣的第二催化劑層(3)以及該背面上的第二氣體擴散層(5)。第一氣體擴散層(4)具有比離子傳導(dǎo)性膜(1)更小的平面尺寸，而第二氣體擴散層(5)具有與離子傳導(dǎo)性膜(1)基本相等的平面尺寸。
圖2所示為裝配狀態(tài)(5層結(jié)構(gòu))的根據(jù)本發(fā)明的電解-MEA。在邊緣區(qū)域(7)內(nèi)的密封材料氣密性地圍繞MEA，并由于自由的膜表面(6)，該密封材料具有提高的粘結(jié)性和氣密性。避免了邊緣區(qū)域內(nèi)出于密封的目的而消耗更多的膜材料。
然而，可在另一個具體實施方案中可省略該氣體擴散層(5)。在此情況下制得的MEA包含具有正面和背面的離子傳導(dǎo)性膜(1)，在該正面上的第一催化劑層(2)、在該正面上的第一氣體擴散層(4)以及在該背面上的第二催化劑層(3)。將該4層MEA由密封材料(7)在邊緣區(qū)域內(nèi)加以圍繞。邊緣區(qū)域內(nèi)未消耗更多的膜材料。
在這兩個具體實施方案中，根據(jù)本發(fā)明的MEA具有不由氣體擴散層支撐的自由的膜邊緣(6)。該邊緣區(qū)域小，即從膜(1)的外邊緣到陰極側(cè)上較小的氣體擴散層(4)的外邊緣的距離小，并且在經(jīng)裝配的膜電極組件中沿周長的寬度至少為0.5mm，優(yōu)選至少為1mm。由于成本的原因，沿周長的邊緣寬度應(yīng)限定為最多5mm。
根據(jù)本發(fā)明的作為5層MEA的電解-MEA具有在兩層氣體擴散層(4)和(5)上的所謂“半共延設(shè)計”。在“共延”設(shè)計(如US 2003/0057088A1所述)中，兩層氣體擴散層完全覆蓋在離子交聯(lián)聚合物膜上，即膜和氣體擴散層具有相同的尺寸，且大小相等。在該共延設(shè)計中，不存在不由氣體擴散層支撐的自由膜邊緣(參見第5,176,966號美國專利)。
驚人地發(fā)現(xiàn)，通過該“半共延設(shè)計”或自由膜表面(6)能顯著改善在高壓力差下的電解-MEA的壓力穩(wěn)定性。此外，在密封膜電極組件的邊緣區(qū)域時，氣密性顯著提高。如上所述，這對于PEM電解槽中的電解-MEA的應(yīng)用具有重要的意義。
根據(jù)本發(fā)明的電解-MEA的另一個優(yōu)點在于，由于所述的結(jié)構(gòu)，該電解-MEA具有容易操作的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。由于根據(jù)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)，膜電極組件的兩層催化劑層或電極于邊緣區(qū)域內(nèi)在空間上相互分離得遠。短路的危險顯著降低。在后續(xù)的加工步驟(例如引入密封材料)中，不發(fā)生例如通過來自氣體擴散層的纖維使電極短路的危險。
因為自由膜表面(6)的寬度小，膜的消耗得以限制。與傳統(tǒng)的MEA產(chǎn)品相比，這使成本大幅降低。
通常用于電化學(xué)設(shè)備，特別是PEM燃料電池的膜電極組件的“半共延設(shè)計”已在并未預(yù)先公開的第P 103 31 836.4號德國專利申請(申請日為2004年7月14日)中加以描述。
根據(jù)本發(fā)明的電解-MEA的制造方法包括膜涂覆法(“CCM法”)與氣體擴散層涂覆法(“CCB法”)組成的方法，其中兩個基材均僅在單側(cè)涂覆催化劑。因而避免了多側(cè)壓力法中的精確定位和尺寸穩(wěn)定性的問題。然而，為涂覆更多的催化劑，可在基材的一側(cè)多次涂覆。
為制造該膜電極組件，利用合適的溶劑并任選添加離子交聯(lián)聚合物材料，將貴金屬催化劑加工成墨水或糊狀物。將該用于陰極的催化劑涂覆到氣體擴散層上，將用于陽極的催化劑直接涂覆到離子交聯(lián)聚合物膜上。陽極的催化劑裝載量通常為0.5至4mg的貴金屬/cm2，這里優(yōu)選使用含有銥或氧化銥的催化劑。將標準的鉑催化劑(如Pt/C或純鉑Pt-Mohr)施加在陰極側(cè)上。陰極裝載量為0.2至1mg的Pt/cm2。然后通常實施干燥處理，以將溶劑從催化劑墨水中除去。
該用于陰極的基于碳的氣體擴散層可包括多孔導(dǎo)電性材料，如石墨化或碳化的碳纖維紙、碳纖維非紡織物、碳纖維織物和/或類似的材料。陽極側(cè)上的非碳基的氣體擴散層可包括金屬織物、金屬網(wǎng)、金屬非紡織物、金屬切段纖維、金屬復(fù)絲和/或其他多孔的金屬結(jié)構(gòu)。例如，可使用鈦燒結(jié)板(SIKA-T10型，GKN公司，Radevormwald)。
該離子傳導(dǎo)性膜通常包括質(zhì)子傳導(dǎo)性聚合物材料。優(yōu)選使用具有磺酸基的四氟乙烯/氟乙烯基醚共聚物。該材料由Dupont以商標名Nafion銷售。然而也可使用其他的，特別是不含氟的離子交聯(lián)聚合物材料，如經(jīng)摻雜的磺化聚醚酮或經(jīng)摻雜的磺化或亞磺化的芳基酮以及經(jīng)摻雜的聚苯并咪唑。同樣可使用復(fù)合膜、增強膜、陶瓷膜和多層膜材料。
為了密封或邊緣密封根據(jù)本發(fā)明的膜電極組件，可使用在電解水的工作條件下呈惰性并且不釋放妨礙性物質(zhì)的有機聚合物。這些聚合物必須氣密性地封裝該氣體擴散層。對這些聚合物的其他重要要求是，對于該離子傳導(dǎo)性膜的自由表面具有良好的粘結(jié)性和良好的潤濕特性。合適的材料一方面是熱塑性聚合物，如聚乙烯、聚丙烯、PTFE、PVDF、聚酰胺、聚酰亞胺、聚氨酯或聚酯；另一方面是熱固性聚合物，如環(huán)氧樹脂或氰基丙烯酸酯。此外彈性體也是合適的，如硅氧橡膠、EPDM、氟彈性體、全氟彈性體、氯丁二烯彈性體、氟聚硅氧烷彈性體。
當(dāng)使用預(yù)切割膜以密封或邊緣密封根據(jù)本發(fā)明的膜電極組件時，可將MEA置于兩個相應(yīng)的由熱塑性材料制成的預(yù)切割框架之間，并放入壓機中。切割這些框架，使它們內(nèi)部的切塊盡可能精確地與各活動表面的形狀相對應(yīng)。然后使該聚合物膜材料在加熱和壓力的作用下熔化。然后以牢固粘結(jié)的方式封裝半共延氣體擴散層的外部區(qū)域和膜的自由表面。
根據(jù)本發(fā)明的電解-MEA的氣體擴散層(4，5)也可用聚合物材料在其邊緣區(qū)域內(nèi)氣密性地注入。為此，可將熱塑性聚合物的框架加以切割，使它們的內(nèi)部切塊盡可能精確地與各活動表面的形狀相對應(yīng)。然而，框架的總高度稍高于壓制模具中的中空空間的高度。然后使該聚合物材料在加熱和壓力的作用下熔化。通過壓制壓力將框架的高度降低到壓制模具的高度，將聚合物注入氣體擴散層的邊緣區(qū)域直至達到膜，并以牢固粘結(jié)的方式封裝該膜的自由表面和氣體擴散層。該密封材料滲透至MEA的邊緣區(qū)域的深度應(yīng)至少為1mm，優(yōu)選至少為2mm。從而獲得非常好的壓力穩(wěn)定性結(jié)果。
通過使用液體形式的聚合物密封材料可得到相同的結(jié)果。在此情況下，可通過密封材料的粘度和潤濕特性控制其滲透區(qū)域。取決于聚合物的類型，可通過與空氣濕氣相接觸和/或在升高的溫度下實施聚合物密封材料的固化。
具體實施例方式
通過下列實施例闡述本發(fā)明，但不局限于這些實施例。
實施例實施例1電解-MEA的制造(4層結(jié)構(gòu))為制造4層的電解-MEA(參見圖1，但沒有氣體擴散層(5))，在第一步驟中制得單側(cè)涂覆的膜。采用根據(jù)第11027385號歐洲專利的絲網(wǎng)印刷法，將相應(yīng)的膜(NafionN 117，DuPont)的整個面積用陽極催化劑加以涂覆。使用氧化銥粉末(BET表面積約為30m2/g，Umicore公司)。該催化劑墨水具有下列組成
44.4g 氧化銥粉末(Umicore公司)46.0g Nafion溶液(在水中，10體積％，DuPont公司)9.6g 丙二醇溶劑100.0g催化劑負載量為2mgIr/cm2。然后將該催化劑涂覆的膜在90℃下加以干燥。然后沖壓出所需的形狀(沖壓尺寸為5×5cm；活動表面為25cm2)，使膜的一側(cè)的整個面積用催化劑涂覆。
在第二步驟中，以氣體擴散層(Sigracet30 BC，疏水化的，具有微層；SGL公司，Meitingen)為基礎(chǔ)制造電極。為此，采用絲網(wǎng)印刷法將該氣體擴散層用具有下列組成的糊狀物加以涂覆18.5g Pt/C催化劑(炭黑上，60重量％的鉑；Umicore公司)55.0g Nafion(在水中，10重量％，DuPont公司)26.5g 丙二醇100.0g催化劑的裝載量為0.57mgPt/cm2。隨后將該氣體擴散層在110℃下加以干燥。由單側(cè)涂覆催化劑的基材沖壓出一種形狀(沖壓尺寸為4.7×4.7cm；活動表面22.1cm2)，使獲得的電極的整個面積用催化劑涂覆。
在第三步驟中，通過層壓經(jīng)涂覆的膜和經(jīng)涂覆的氣體擴散層，使該氣體擴散層的催化劑層與膜的未經(jīng)涂覆側(cè)相連接，從而制造該4層MEA。圍繞該排列的外圍，獲得自由膜的邊緣寬度為1.5mm。在150℃下和150N/cm2的壓力下進行層壓。
在第四步驟中，對所述MEA安裝一個密封材料的框架，可將該密封材料安裝在電解槽中，并且良好地加以密封。使用具有尺寸為120×120×0.5mm3的凹坑的壓制工具。將該4層MEA和由Vestamelt(聚酰胺；Degussa公司，Düsseldorf)制成的兩個框架一起放入該凹坑中。這些框架均具有11×11cm的外部尺寸和0.29mm的高度。一個框架的內(nèi)部尺寸為4.7×4.7cm，另一個框架的內(nèi)部尺寸為5×5cm。將裝料的壓制工具置于熱壓機中，并以170℃的加熱面溫度壓制60秒。在壓制結(jié)束時，壓制壓力至少達到10噸。在壓制模具冷卻之后，將該電解-MEA取出，并沖壓成最終的尺寸。
根據(jù)這些方法制得的兩個MEA均在陽極側(cè)與尺寸為4.9×4.9cm的鈦燒結(jié)板(SIKA-T10，厚度為2mm；GKN公司，Radevormwald)相連接，并安裝在電解電池中。在電池溫度為80℃且無壓力的情況下，記錄電流/電壓曲線。在不同的電流密度下獲得的電解電壓值為
實施例2電解-MEA的制造(5層結(jié)構(gòu)，半共延設(shè)計)5層電解-MEA(參見圖2)的制造基本上如實施例1所述。然而，在第四步驟(即施加密封材料)之前，將非碳基的氣體擴散層(在此情況下，多孔的非紡織物結(jié)構(gòu)，尺寸為5×5cm，厚度為0.09mm，由Bekinit鈦纖維制得，Baekaert公司，Zwevegem，荷蘭)直接定位于陽極側(cè)上的陽極催化劑層上。密封材料的框架的總高度比實施例1增加了鈦非紡織物的厚度。
再次使用壓制工具，將該5層MEA與由Vestamelt(Degussa公司，Düsseldorf)制成的兩個框架一起放入該壓制工具的凹坑中。這些框架的外部尺寸均為11×11cm。一個框架具有4.7×4.7cm的內(nèi)部尺寸和0.29mm的高度。另一個框架具有5×5cm的內(nèi)部尺寸和0.38mm的高度。將裝料的壓制工具置于熱壓機中，并以170℃的加熱面溫度壓制60秒。在壓制結(jié)束時，壓制壓力至少達到10噸。在壓制模具冷卻之后，將工件取出，并沖壓成最終的尺寸。得到在邊緣區(qū)域內(nèi)密封的壓制穩(wěn)定性的電解-MEA，并將其直接安裝到PEM水電解槽中。
權(quán)利要求
1.用于電解水的膜電極組件，其包括-具有正面和背面的離子傳導(dǎo)性膜(1)-該正面上的第一催化劑層(2)-該正面上的第一氣體擴散層(4)-該背面上的第二催化劑層(3)-該背面上的第二氣體擴散層(5)其中，該第一氣體擴散層(4)具有比該離子傳導(dǎo)性膜(1)更小的平面尺寸，而該第二氣體擴散層(5)具有與該離子傳導(dǎo)性膜(1)基本相等的平面尺寸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的膜電極組件，其中所述離子傳導(dǎo)性膜(1)的正面上的催化劑層(2)和所述背面上的催化劑層(3)具有不同的平面尺寸。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的膜電極組件，其中所述離子傳導(dǎo)性膜(1)在所述正面上具有不由所述氣體擴散層支撐的自由表面(6)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3之一所述的膜電極組件，其中所述正面上的催化劑層(2)和所述背面上的催化劑層(3)包括含有貴金屬的催化劑和任選的離子傳導(dǎo)性材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4之一所述的膜電極組件，其中將所述氣體擴散層(4，5)的邊緣和所述離子傳導(dǎo)性膜(1)中不由所述氣體擴散層支撐的自由表面(6)用密封材料(7)加以封裝。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5之一所述的膜電極組件，其中所述正面上的氣體擴散層(4)包括碳基材料，如石墨化或碳化的碳纖維紙、碳纖維非紡織物、碳纖維織物和/或類似的材料，而所述背面上的氣體擴散層(5)包括非碳基材料，如金屬織物、金屬非紡織物、網(wǎng)絡(luò)、金屬切段纖維、金屬復(fù)絲和/或其他多孔的金屬結(jié)構(gòu)。
7.用于電解水的膜電極組件，其包括-具有正面和背面的離子傳導(dǎo)性膜(1)-該正面上的第一催化劑層(2)-該正面上的第一氣體擴散層(4)-該背面上的第二催化劑層(3)其中，該離子傳導(dǎo)性膜(1)在該正面上具有不由該氣體擴散層支撐的自由表面(6)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的膜電極組件，其中所述離子傳導(dǎo)性膜(1)的正面上的催化劑層(2)和所述背面上的催化劑層(3)具有不同的平面尺寸，并且它們包括含有貴金屬的催化劑和任選的離子傳導(dǎo)性材料。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的膜電極組件，其中將所述氣體擴散層(4)的邊緣和所述離子傳導(dǎo)性膜(1)的正面中不由所述氣體擴散層支撐的自由表面(6)用密封材料(7)加以封裝。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9之一所述的膜電極組件，其中所述離子傳導(dǎo)性膜包括有機聚合物，如質(zhì)子傳導(dǎo)性全氟化的聚合磺酸化合物、經(jīng)摻雜的聚苯并咪唑、聚醚酮、聚砜或離子傳導(dǎo)性陶瓷材料，并且該離子傳導(dǎo)性膜的厚度為10至200μm。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至10之一所述的膜電極組件，其中所述背面上的第二催化劑層(3)包括用于生成陽極氧氣的含有貴金屬的催化劑，優(yōu)選為基于銥和/或釕的催化劑。
12.根據(jù)權(quán)利要求1至11之一所述的膜電極組件，其中所述密封材料(7)包括選自以下組中的熱塑性聚合物聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、PVDF、EPDM、聚酯、聚酰胺、聚酰胺彈性體、聚酰亞胺、聚氨酯、聚硅氧烷、聚硅氧烷彈性體等；和/或選自以下組中的熱固性聚合物環(huán)氧化物或氰基丙烯酸酯。
13.用于制造根據(jù)權(quán)利要求1至12之一所述的膜電極組件的方法，其包括以下步驟a)用催化劑單面涂覆離子交聯(lián)聚合物膜(1)，b)用催化劑單面涂覆碳基氣體擴散層(4)，c)將該用催化劑涂覆的碳基氣體擴散層(4)與離子交聯(lián)聚合物膜(1)的未涂覆側(cè)相連接，其中使該催化劑層(2)與該離子交聯(lián)聚合物膜(1)相接觸，d)任選將非碳基氣體擴散層(5)施加到背面上，其中使該離子交聯(lián)聚合物膜(1)上的催化劑層(3)與該氣體擴散層(5)相接觸，e)在該膜電極組件的邊緣區(qū)域內(nèi)施加密封材料(7)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中在提高的溫度和/或提高的壓力下，使由催化劑涂覆的碳基氣體擴散層(4)與離子交聯(lián)聚合物膜(1)的未涂覆側(cè)相連接。
15.根據(jù)權(quán)利要求13或14所述的方法，其中通過熔化法、注模法、熱脈沖焊接法和/或熱壓制法施加所述密封材料(7)。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的膜電極組件在電解槽、再生燃料電池、氧氣生成電極或其他電化學(xué)裝置中的用途。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于電解水的膜電極組件(電解－MEA)，其包括具有正面和背面的離子傳導(dǎo)性膜；該正面上的第一催化劑層；該正面上的第一氣體擴散層；該背面上的第二催化劑層和該背面上的第二氣體擴散層。該第一氣體擴散層具有比該離子傳導(dǎo)性膜更小的平面尺寸，而該第二氣體擴散層具有與該離子傳導(dǎo)性膜基本相等的平面尺寸(“半共延設(shè)計”)。該MEA還包含不被支撐的自由表面，其用于提高密封材料的粘結(jié)特性。本發(fā)明還涉及制造該MEA產(chǎn)品的方法。制得具有壓力穩(wěn)定性、氣密性且成本低的膜電極組件，其用于PEM水電解槽、再生燃料電池或其他的電化學(xué)裝置中。
文檔編號H01M8/10GK1853300SQ200480026452
公開日2006年10月25日 申請日期2004年7月14日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月14日
發(fā)明者拉爾夫·祖貝爾, 克勞斯·沙克, 桑德拉·維特帕爾, 霍爾格·齊亞拉斯, 彼得·塞佩爾, 皮婭·布勞恩, 盧茨·羅蘭 申請人:烏米科雷股份兩合公司