连续制造膜电极组成品的方法

专利名称：连续制造膜电极组成品的方法
燃料电池是能够将化学能量转变成电能的电化学系统。因此，氢／氧燃料电池将这些气体转化成水并释出电能。
燃料电池由多个被偶极板隔开的膜／电极组成品(所谓的层板)所构成，膜／电极组成品(MEA)则是由两个具有催化活性的电极(用以使化学物质以电化学方式转化)和位于电极间的离子传导性电解质(用以转移电荷)所构成。偶极板用以区隔气体空间并以电方式连接独立的电极。于低温下操作的新式的燃料电池设计中不含有液态电解质，但含有传导性聚合型离子交换膜(聚合型固态电解质)。
目前最常用以产制膜／电极组成品的方法是浸泡法和铸造法，每一者都须要对组件进行后续的热压处理。
在浸泡法中，使溶解的固态电解质散布于电极表面上或者借助于加压气体而以乳液形式喷于其上；它可以渗入孔系统中达数微米。然后对所制得的电极进行热压处理，直到电极膜熔化。此制造膜／电极组成品的方法述于，如US-A-5，211，984，所述的方法中，阳离子交换膜覆以有铂催化剂分散于其中的阳离子交换剂溶液。也将此方法称为“轧墨法“(ink method)”。
铸造法中，溶解的固态电解质与催化剂材料及视情况而使用的防水剂(如聚四氟乙烯(PTFE)混合而得到糊状物。此先施用于载体或直接喷在膜上，然后与后者一起热压，以尽量减少在膜和位于糊状物内或位于电极上的固态电解质层之间过渡区域的接触阻力。
由形成核心区域的离子交换材料及与其两面接触的燃料电池电极制造电极／膜复合物的方法述于DE-C-4，241，150。离子交换材料在此处由溶解于溶剂中且至少含有一种能够解离成离子的残基的均聚物或共聚物所形成。
所有制备具有聚合物膜的气体扩散电极的方法都需要数个步骤，其中的大部分都有一些难自动化的人工操作步骤。实验室规模实验所能接受的方法在用于工业生产时变得不切实际，最常见到的状况是成本过高。
即使燃料电池已用于航空工业上，但考虑生成成本，在不久的未来用于在汽车工业的一般市售用途方面尚未可知，在用于膜／电极组成品和由其形成的燃料电池时，因其成本是常用的内燃引擎的数倍，所以情况更是如此。在用于分散能量供应上，与油热和气热或柴油机比较，目前所用的燃料电池价格太高，所以也有相同的情况。
但用于汽车方面时，与电力装置相连的燃料电池是一种新的驱动观念且有一些优点存在。因此，例如，在以氢和氧操作燃料电池时，燃料不会释放污染物，整个能量转化链的排放也比其他的汽车驱动系统来得低。此外，相对于主要能量的总效率也高得多。将燃料电池用于汽车工业上对于降低与交通有关的污染物排放量及降低能源消耗有显著的效果。
因此，本发明的目的是要提出一种生产积层材料(特别是用于燃料电池的膜／电极组成品)的方法，此方法使得能够在满足使用者要求的制造成本及性能的情况下生产积层材料。
本发明通过提出生产积层材料的方法而达到此目的，所生产的积层材料是即，使至少两种构件结合而能得到的复合品(特别是膜／电极组成品)，它至少有一个位于中央的离子传导膜，此膜两个相对的面的至少大部分(＞50％)，与至少一种具有催化活性的物质及至少一种二维、透气、导电接触材料粘合，其中至少两个该构件的粘合是以层叠方式进行。此方法特征在于，使离子传导膜、具有催化活性的物质和导电接触材料连续粘合。
使用运送或给料设备连续地将离子传导膜与至少一种导电接触材料在精确的位置上汇合，其中此膜和／或接触材料覆有催化剂，通过将至少两个这样的构件在轧辊设备(

图1)上受压而使其彼此层叠及粘合。
可利用的导电接触材料的例子是所有具有导电性(优选导电性＞0．01欧姆米)且结构间的孔隙允许充分的气体扩散的二维碳纤维结构。
除了含导电改性形式的碳的复合材料之外，也可以使用金属(特别是不锈钢、镍和钛)，所用者以其粉末、颗粒、纸片、纤维、毡、非织物、织物、烧结板或其组合为佳，特别优选的是导电性佳的金属或金属氧化物的二维网状物。
此处特别优选的构造视所用的金属或金属氧化物而定，其厚度是0．01至1毫米，以0．025至0．25毫米为佳，网宽为0．001至5毫米，以0．003至0．5毫米为佳。在碳结构的例子中，厚度以0．05至5毫米为佳，0．1至2毫米更佳。此处的碳结构每单位面积的重量是5至500克／平方米，特别是20至150克／平方米，孔隙度为10至90％，以50至80％为佳。
本发明的较佳的实施例中，使用石墨化的二维碳纤结构。特别是使用下列接触材料碳纤纸(如SIGRATHERM PE 204、PE 704、PE 715)、碳纤织物(如SIGRATEX SPG 8505和KDL 8023、KDL8048)、碳纤绒(如SIGRATHERM KFA 5和GFA 5)、碳纤非织物(如SIGRATEX SPC 7011和SPC 7010或TGP-H-120(Toray)及复合碳纤结构(如SIGRABOND 1001和1501及3001)。
本发明的其它实施方案中，纤维和纤维的接触点另可覆以碳层，以提高二维碳纤结构的导电性。
生产这样的二维纤维结构的一方案包含使用聚丙烯腈织物和非织物，所用者由特定的直接氧化程序而直接转变成碳化／石墨化物，藉此省去了制造单丝及后续进一步加工而得到二维纤维结构等繁杂的程序(德国专利申请P19517911．0)。
用于离子传导膜的特别感兴趣的材料通常是那些结构中有一部分呈现固态性质且另一部分呈现液态性质者，因此在尺寸上非常稳定且传导质子的情况良好。适用于此目的的聚合物是那些具有能够解离成离子的基团者。以使用阳离子传导膜为佳。对质子的离子传导性通常优选0．5至200mS／cm，特别是5至50mS／cm。膜厚以0．1微米至10毫米为佳，特别是3微米至1毫米。此外，必须要确保聚合物加工得到的膜具气密性。
用于离子传导膜的基础材料可以是均聚物和共聚物或它们的混合物，其可得自与适当液体形成且可加工制成膜的粘稠溶液或分散液。若使用混合物，混合物中至少要有一种组份具有离子传导性，混合物中的其他组份可以是不具离子传导性但可提供此膜例如某些机械性质或疏水性。
特别地，可以使用机械稳定性高、耐温性高、抗化学品性质足够的聚合物来作为电化学电池中的膜材料。
可用于本发明中的聚合物述于，如DE-C-4，241，150、US-A-4，927，909、US-A-5，264，542、DE-A-4-219，077、EP-A-0，574，791、DE-A-4，242，692、DE-A-1950027和DE-A-1950026及DE-A-19527435。兹将这些说明书并于本文中以作参考。
作为膜的离子传导材料的较佳选择的具有可解离基团的聚合物可用于本发明中。此可解离的基团可以是共价键合的官能基(如-SO3M、-PO3MM′、COOM等(M，M′=H、NH4、金属))或在聚合物中作为溶胀剂之用的酸(如H3PO4或H2SO4)。优选具有共价连接的可解离基团的聚亚芳基、具有共价连接的可解离基团的氟化聚合物、具芳族环的碱性、酸溶胀聚合物。特别优选的是其主链是聚芳基醚酮、聚芳基醚砜、聚芳基砜、聚芳硫、聚亚苯基、聚芳基酰胺或聚芳基酯的聚亚芳基。类似地，特别优选的是聚苯并咪唑(PBI)，其中含有可解离的酸基团(如以H3PO4溶胀的PBI)。含有至少一种上述聚合物的混合物也适用。
另一较佳的实施例中，也可以含有完全氟化的聚合物(即，所有的C-H键都被C-F键所替代者)存在。它们在氧化反应和还原反应中很稳定，且与聚四氟乙烯部分类似。特别优选的情况是这样的氟化聚合物中除了含有排斥水(疏水性)的氟基团之外，另外含有对水具有吸引力(亲水性)的磺酸基(SO3H)。这些性质存在于，如目前已知的Nafion(商标)聚合物中。
此类型的聚合物于其溶胀状态(吸水所引起)时，因其疏水性、类似于固体的架构所以尺寸相当稳定，而其亲水性、类似于液体的部分则使其具有极佳的质子传导性。
可以利用本发明的方法用来生产膜／电极组成品的催化剂通常是所有能够催化2H2／4H和O2／2O2-氧化还原反应的电化学催化剂。大部分的这些物质是以周期表第8副族元素为基础，但也可含有以周期表其他族元素为基础的其他物质。也使用催化甲醇和水在低温下转化成二氧化碳和氢的反应的那些金属或其化合物。特别地，金属、氧化物、合金或这些元素的混合的氧化物可作为催化剂之用。
作为电极之用的透气的导电性结构可通过覆以催化剂而转化成活性形式，此确保电接触。
通常，离子传导膜或导电接触材料或这二者可通过本发明的方法而覆以催化剂。
离子传导膜或接触材料上的催化剂浓度通常是0．001至4．0毫克／平方公分，催化剂浓度的上限由催化剂价格来决定，下限则视催化活性而定。催化剂的施用及结合是根据已知的方法进行。
因此，举例而言，可以将含有催化剂和阳离子交换聚合物溶液的催化剂悬浮液涂覆于接触材料上。阳离子交换聚合物通常是前述的所有离子传导性聚合物。
优选的情况是，使用周期表第1、2和8副族的金属或金属合金及Sn、Re、Ti、W和Mo作为催化活性材料，特别是使用Pt、Ir、Cu、Ag、Au、Ru、Ni、Zn、Rh、Sn、Re、Ti、W和Mo。可用于本发明中的其他的催化剂实例有施用于载体材料上的铂、金、铑、铱和钌催化剂，如E-TEK公司制造的XC-72和XC-72R。
催化剂可藉化学反应而淀积于要涂覆的材料上(DE-A-4，437，492．5)。因此，举例而言，可以用六氯铂酸浸泡膜和／或接触材料并使用还原剂(如肼或氢)使铂元素淀积(JP80／38，934)。铂可来自水溶液并以含有(Pt(NH3)Cl2)为佳(US-A-5，284，571)。
使催化剂粘合于欲涂覆的材料上的其他方法的例子有喷镀法、CVD法(化学蒸镀)、冷等离子淀积法、物理蒸汽淀积法(PVD)、电子束蒸发法和电化学淀积法。此外，稀有金属的活化可通过在作过氧化修饰处理的碳黑上进行离子交换及后续的还原反应来实施。
已经证实以已经含有催化剂(如金属铂)的催化剂悬浮液涂覆二维纤维结构特别适用于本发明的方法中。在催化剂组份均匀分布及电极结构与阳离子交换膜粘合方面更能提供显著的优点。
举例而言，与热轧辊并用的刮刀配置(图1)或用于连续预浸制造的已知的施用设备适用于涂覆具有活性的催化剂悬浮液。
然后，可将藉此而浸渍的纤维结构(所谓的气体扩散电极)缠绕或直接以带材形式送至生产膜／电极组成品(MEA)的连续程序中。
离子传导材料的表面性质和催化剂悬浮液的固着都会受到先前浸渍液的影响。二维纤维结构的开口孔隙体积、于相界面上的粘合及催化剂悬浮液粘合时的粘合力可通过选择适当的粘合促进剂和粘合剂及填料(图1和图2)而加以调整。在此步骤中，宜使用后续有可控制的干燥区段的真空带状滤器设置。
之后可以调整所涂覆的催化剂悬浮液的稠度／干燥程度，以便以最适合的方式进行后续的层叠处理。
如果气体扩散电极必须要先经过缠绕再作进一步的加工处理，则可以通过选择适当的隔离纸(与之一起缠绕)来避免电极本身粘结。
然后，使导电接触材料与离子传导膜在准确的位置上连续相汇，然后使离子传导膜于轧辊设置上使至少一面与接触材料层叠并粘合。
在本发明的变化中，如果层叠于离子传导膜的两个面上，不同膜面的接触材料中所带有的催化剂可以不同。除了离子传导膜之外，也可以使用由不同的材料所组成的两种接触材料作为起始材料。
另一实施例中，导电接触材料先在每种情况下以一面与离子传导膜连续涂覆并叠层，然后，两个涂覆的半组件(半膜／电极组成品)，在导离子表面润湿或溶解初期，合在一起并加压使其层叠而得到膜／电极组成品。在此变化中，可以使用由相同的材料(即，相同的导电接触材料)制成的构件及由相同的聚合物构成的离子传导膜构成的半膜／电极组成品，或者，也可以使用构件不相同(即，不同的离子传导膜和／或不同的接触材料和／或不同的催化剂)的半膜／电极组成品。
为了要改善膜和接触材料之间的粘合性，情况适当时，此膜在层叠之前可以至少经过部分增塑处理，所用的方式是溶胀于非溶剂(如水、丙酮、甲醇或其他的脂族醇)中，或者，溶胀于溶剂(以基本上极性非质子溶剂(如N-甲基吡咯烷酮(NMP)、二甲亚砜(DMSO)、二甲基甲酰胺、g-丁内酯)或质子溶剂(如硫酸或磷酸)为佳)或非溶剂的混合物中。
此外，为了要改善粘合性及使组件结合，可以使用溶剂或聚合物溶液溶解、略润湿或略溶胀接触材料或膜的至少一面或此二种构件，然后可以通过加压而使构件(即，离子传导膜的一或两面和至少一种导电接触材料)相互拼合及通过层叠而结合。
构件的涂覆可用纯溶剂或聚合物溶液来实现，此时的聚合物浓度可以是0至100重量％，以5至50重量％为佳，可用以制备涂覆溶液的聚合物是前述的离子传导聚合物。优选的情况是将形成离子传导膜的聚合物溶液用于涂覆程序。涂覆时，涂层厚度以1至200微米为佳，特别是5至100微米。
此处，接触材料或离子传导膜的至少一面可覆以具催化活性的物质。本发明的另一方案中，催化剂可存在于促进粘合的涂覆材料中，即，存在于溶剂中或欲施用的聚合物溶液中。
若要将溶剂或聚合物溶液施用一面上，那么离子传导膜的涂覆或是所谓的处理可通过沟槽式铸模(schlitzduese)实施。根据本发明的适当的沟槽式铸模是宽0．1至5米、缝宽10至1000微米的铸模。
涂覆时，膜由水平方向(铸模上方或下方)或垂直方向(向上或向下)经过沟槽式铸模。对膜的两面进行处理时，溶剂或聚合物溶液的涂敷可以是使此膜通过两个沟槽式铸模或者是以在含有涂覆溶液的浸液中处理的方式进行。
或者，也可以使此膜通过刮刀而达到涂覆的目的。刮刀的宽度以0．1至5米为佳，缝宽度则为5至500微米。此处的带材输送速率介于0．5毫米／秒和10毫米／秒之间，以介于5毫米／秒和1米／秒之间为佳。
层叠时，通过进料和定位装置使各个组件(即，至少一种导电接触材料和至少一种离子传导膜)相汇，在一对轧辊之间或在压力机中彼此层叠。优选的情况是此接触材料和／或离子传导膜以二维结构方式相汇，于5至300℃(特别是25至200℃)和适当的压力(以107至1012Pa为佳，特别是108到1010Pa)层叠。此处应注意到的是使用轧辊时的接触压力常视轧辊的形状和尺寸而定。通过此层叠法，电极结构直接压入离子传导膜最上面的初溶层或初熔层。
由两个半膜／电极组成品制成复合电极膜的实施方式是先以溶剂或聚合物溶液将一或两个半膜／电极组件的离子传导膜予以溶解，将两个组件定位及送至轧辊对中，使其层叠而得到完整的膜／电极组成品。
本发明所用轧辊对的直径以0．1至2米为佳。
在一个特定的实施方案中，离子传导膜可层叠于已经切成后面的使用目的所需的备用单元大小的接触材料(如碳非织物片形式，其形状和尺寸对应于燃料电池所用的碳非织物)上。根据本发明，这样的单元可以这样展开，以使单元之间的距离相当于燃料电池中所需的未经涂覆的膜缘宽度的两倍，以0．1至100毫米为佳，特别是1至50毫米。本发明的变通方法的主要优点在于省却了后续对所得的膜／电极组成品进一步加工处理成燃料电池中的加工步骤。
得自本发明的连续方法的导电接触材料、催化剂和离子传导膜的积层材料在层叠步骤下游及与其连接的步骤中除去仍粘合的多余组份。
可用于实施此调整的方式之一是，如使积层材料以带状形式通过干燥设备，如加热至10至250℃(特别是20至200℃)的循环空气炉。以这样的方式使粘合溶剂残余物或水蒸发。在一个特别的实施例中，干燥设备中可沿着运动方向而呈温度梯度。
另一个可用以移除挥发性组份的方式包含以红外线(特别是与位于下游的循环空气干燥器并用)干燥此积层材料。
在另一变通方法中，多余且仍粘合的组份的移除可以后续清洗步骤方式进行。藉此，如仍粘合的溶剂或非溶剂或聚合物组份可以被不会使成膜聚合物溶解的液体萃出。举例而言，使用水／NMP混合物及NMP与低级脂族醇的混合物。NMP含量以低于25％为佳。特别地，此变通方法中所用的萃取步骤的实施方式是将液体喷在积层材料上，或者是积层带材借助于导向辊而通过适当的浸液。萃出液滴干之后，使积层材料进行后续的干燥处理。积层材料的干燥可以上述方式进行。
为了要使本发明所得的积层材料已经成为适合装入燃料电池中的形式，在调整步骤之后可以有进一步的整理步骤。
此处，可以使用适当的切割机或打孔机将以带材形式存在的积层材料以进一步用途能够接受的适当的规则距离分割。若生产此积层材料所使用的接触材料是碳非织物片，则在未涂覆区域切割此积层带材，使得所得到的积层材料片只有中央部分被涂覆，边缘处未涂覆。
此外，在后续连接的步骤中，也可将自身固化的包封材料涂覆于积层材料的外侧、未经涂覆的区域或经涂覆的边缘区域，使得接触材料不再具有透气性(US-A-5，264，299)。特别地，此处可使用可固化的硅氧烷树脂作为包封材料，其以液体形式施用并自发性地完全固化。在将积层材料或膜／电极组成品装入燃料电极内的后续步骤中，所施用的包封材料用以由侧边封住电池并用以避免流体外流及燃料气体或氧化气体外泄。
交流电阻的测定能够提供与积层材料生产的可重现性有关的资讯。同一批制得的积层材料中，电阻与功率有关，但与积层材料不同无关。由已知的非连续方法制得的积层材料的交流电阻值介于10毫欧姆和10欧姆之间波动。所制得的产物经常有扭曲、含有空气之类的缺陷。
相反地，本发明的连续方法使得电极结构与离子传导膜之间均匀粘合，使得积层材料的变化范围是±10％，特别是±0．5％(在预备操作的状态下测得)。由本发明的方法所得到的膜／电极组成品的电阻通常是0．02至0．6欧姆，特别是0．04至0．45欧姆。
使用本发明的方法，能够以简单、经济且好的重现性的方式制得积层材料，特别是膜／电极组成品和／或复合电极膜。因此，且由于其交流电阻低，它们特别适合用以装入燃料电池和电解槽中。
现将以下面的实施例和附图进一步地解释本发明。
实施例实施例1膜材料(图3，1)式(1)表示的磺化的聚芳基醚酮，依照EP0，574，791制得，离子交换当量1．4毫摩尔／克，厚100微米，滚筒形式，宽400毫米。
X=-SO3H，-H涂覆材料(图3，3)下列物质的混合物15克与膜材料相同的磺化的聚合物，15克铂催化剂(30％ Pt／Vulcan XC-72，美国Natick的E-TEKInc．制造)，70克N-甲基吡咯烷酮。碳织物(图3，4)VP676，德国Wiesbaden的SGL Carbon GmbH制造。
膜(1)以5毫米／秒速率通过两个沟槽式铸模(2)(铸模宽370毫米，缝宽500微米)；此期间内，在膜的两面上涂覆100微米厚的涂层(3)。沟槽式铸模下游处，经由两个轧辊(5)(宽450毫米，直径200毫米)将碳织物(4)注入两面中，藉此形成积层材料。在积层材料于下方移动的同时，位于上方的轧辊将1000牛顿的力量施用在积层材料上。带材形式的积层材料通过两室炉(6)(长3米)，于此炉中将涂覆材料(3)中的NMP移走。第一室(长1米)加热至120℃，第二室(长2米)加热至80℃。炉下游处，使用连续操作的平行切割机(7)将积层材料切成片；片状物的宽度视积层带材的宽度而定，片状物长500毫米。所得的积层材料可作为膜／电极组件而装入膜-燃料电池中，而在氢／氧(各2巴，80℃)操作时输送最大3．1千瓦／平方米的电力。实施例2与实例1不同，碳织物(图3)附于轧辊上之后，经由导向辊(直径1米)将积层材料在标记A处引至图4所示的设备中。水(25毫升／秒)由两个喷嘴(9)喷在膜的两面上，水将涂层中的NMP萃出，位于喷嘴下方0．5米处在积层带材的两侧有一向外流的凹槽(10)用于容纳喷出的水。然后，此积层材料经由导向辊进入炉(6)中(两个室的温度皆为80℃；炉下游处，在积层材料的上方和下方100毫米处另有两个市售的150瓦IR灯)，其他的处理方式与实例1相同。所得到的积层材料可作为膜／电极组件而装入膜燃料电池中，在氢／氧(各2巴，80℃)操作时输送最大3．8千瓦／平方米的电力。实施例3下面的实施例中，使用市售碳非织物(TGP-H-120，日本东京的Toray Fa．制造，其以喷镀方式覆以40克／平方米的铂)和市售的聚乙烯网组成的积层材料。此碳非织物以单个的片状物(11)(80毫米×120毫米)压在网(12)上，其分布如图5所示，其中的各个碳非织物片通过间隙相互隔开。以铂喷镀的一面背向于和聚乙烯网层叠的一面。
在实例2中使用该积层材料以代替碳织物。与实例2不同的是，涂覆溶液中不含有催化剂。此积层材料经由碳非织物侧与膜接触。所得的积层材料由膜(13)所构成，其两面都设置隔离的碳织物片(14)(图6)。此积层材料用连续操作的切剪器(市售的打孔工具)沿线(15)分割。形成积层材料片(图7)，其边缘(16)只由无支撑的膜组成且边缘的内侧覆有含有催化剂的碳织物(17)。这些片状物因为无支撑的、平滑边缘可密封成气密形式(必要时，使用惯用的弹性衬垫)，所以特别适合作为层叠于膜燃料电池内的膜／电极组件。此积层材料以膜／电极组件形式装入膜燃料电池中，在氢／氧(各2巴，80℃)操作时输送最大2．9千瓦／平方米的电力。实施例4依照一般工业上连续进行的照相凹板印刷方法，依照实例1制得的积层材料先以硅氧烷橡胶溶液(SylgardTM，DOW)印刷。此印刷单元直接在炉下游处积层化并在积层材料上形成已涂胶区域(18)的网栅(图8)，其中碳织物经硅氧烷橡胶彻底浸渍。通过合并连续操作的切剪器(市售的打孔工具)，此积层材料沿线(19)切割。藉此得到积层的、侧面不透气(18)的膜／电极组件。实施例5实例1的比较例。膜材料、涂覆材料、碳织物和用量比例与实例1相同。
程序膜材料19(200×200平方毫米)、涂覆材料(180×180平方毫米，用盒式刮刀涂覆)和碳织物(21)(180×180平方毫米)以图10所示的方式加压(压力=109Pa，时间为30分钟，温度是80℃)。积层材料的交流电阻的测定此测量中，积层材料夹在具有柱形内孔(直径为40毫米)的钢锭的两个半片中。此内孔衬有钢垫。钢垫最高处有比内孔高出0．2毫米的凸起物。此垫的网宽为0．5毫米。
电极比钢垫边缘高出5毫米。在这种情况下，模拟测试用的燃料电池的状况，MEA于准备操作的状态下被装入，以与测试用燃料电池的状况相适应。
在积层材料夹在钢锭的两个半片中之后，以具有M12螺纹的螺丝将它们压在一起。为使负载均匀，在钢锭和螺母中插入垫片作为弹簧。
螺母紧合之前，在积层材料上施加1千赫兹的方波电压以测定交流电阻。测定电压(Vss)范围低于12伏特。此测定使用Voltcraft LCR的4090型测定仪器。
然后慢慢地交叉锁紧螺母直到交流电阻不再有明显的变化为止。
经3分钟的平衡时间之后记录最终电阻值。
根据本发明制得的积层材料的交流电阻值偏差＜10％，特别是＜5％。
权利要求
1．一种制造积层材料的方法，此积层材料中含有至少一个位于中央的离子传导膜，其中其两个相对的面的至少大部分以导电方式与至少一种具催化活性的物质和与至少一种二维、透气的导电接触材料粘合，其中至少两个该构件的粘合以层叠方式进行，其特征为，离子传导膜、具有催化活性的物质和导电接触材料的粘合连续地进行。
2．如权利要求第1项的方法，其中，使用运输和进料设备使离子传导膜与至少一种导电接触材料于准确的位置上汇合，以将它们压在一起的方式使得至少两个构件层叠且彼此粘合。
3．如权利要求1和2至少一项的方法，其中，层叠程序是通过加压轧辊来进行。
4．如权利要求1至3至少一项的方法，其中，离子传导膜和／或接触材料以带材形式进料及加工。
5．如权利要求1-4中至少一项的方法，其中，导电接触材料和／或离子传导膜的至少一面覆以具有催化活性的物质。
6．如权利要求1-5中至少一项的方法，其中，使用阳离子传导膜作为离子传导膜。
7．如权利要求1-5中至少一项的方法，其中，所用的离子传导膜中含有聚合物，该聚合物选自聚芳基醚酮类、聚芳硫类、聚芳基醚砜类、聚-(1，4-亚苯基)类和聚苯并咪唑类，或选自磺化的聚芳酰胺类完全氟化的聚合物。
8．如权利要求1-4中至少一项的方法，其中，所用的催化剂是铂、金、铑、铱或钌催化剂。
9．如权利要求1-4中至少一项的方法，其中，所用的导电接触材料是二维碳纤结构，选自碳纸、碳非织物、碳织物、碳毡及复合碳纤结构或金属。
10．如权利要求第9项的方法，其中，所用的接触材料是二维石墨化的碳纤结构。
11．如权利要求9或10至少一项的方法，其中，所用的接触材料是二维碳纤结构，其纤维及纤维的接触点另覆以碳层。
12．如权利要求1～11中至少一项的方法，其中离子传导膜的至少一面与导电接触材料层叠。
13．如权利要求第12项的方法，其中，离子传导膜的每一面与不同的接触材料粘合。
14．如权利要求12或13至少一项的方法，其中，离子传导膜的两面都与带有催化剂的导电接触材料层叠，膜的一面的接触材料所带有的催化剂与另一面的接触材料所带有的催化剂不同。
15．如权利要求12或13至少一项的方法，其中，通过于离子传导表面上层叠而使两个分别由一离子传导膜和一导电接触材料构成的积层材料粘合而制得膜／电极组成品。
16．如权利要求1-15中至少一项的方法，其中，为使组件粘合，导电接触材料或膜的至少一面或者两个组件连续覆以溶剂或聚合物溶液。
17．如权利要求第16项的方法，其中，促进粘合的涂覆材料中含有催化剂。
18．如权利要求16和17至少一项的方法，其中，使用含有成膜、离子传导聚合物的聚合物溶液进行涂覆程序。
19．如权利要求1-18中至少一项的方法，其中，使用送料和定位设备使欲层叠的构件以预定的方式汇合，并使它们于5至300℃的温度范围内层叠。
20．如权利要求1-19中至少一项的方法，其中，使用送料和定位设备使欲层叠的构件以预定的方式汇合，并使它们于107至1012Pa的压力范围内层叠。
21．如权利要求1-20中至少一项的方法，其中，在层叠步骤下游并与其连接的连续步骤中，所得的积层材料被去除仍粘合的多余的组份。
22．如权利要求第21项的方法，其中，积层材料通过温度范围为10至250℃的加热干燥区。
23．如权利要求第21项的方法，其中，在后续清洗步骤中去除多余的组份，继而干燥此积层材料。
24．如权利要求1-23中至少一项的方法，其中，在层叠程序后续的连续的步骤中，在积层材料的外缘区域覆以密封材料，沿该区域在后续使用中需对流体和气体密封。
25．如权利要求1-24中至少一项的方法，其中，在层叠处理之后的一工艺中，将积层材料切割成进一步使用时所需的长度。
26．如权利要求1至25项中至少一项的方法所制得的积层材料。
27．如权利要求第26项的积层材料，其中，其为膜／电极组成品。
28．如权利要求1至25项中至少一项的方法所制得的积层材料，其中，此积层材料的交流电阻偏差范围是±10％。
29．如权利要求1-28中至少一项制得的积层材料在燃料电池或电解槽中的应用。
全文摘要
一种制造积层材料的方法,此积层材料中含有至少一个位于中央的离子传导膜,其中其两个相对的面的至少大部分以导电方式与至少一种具催化活性的物质和与至少一种二维、透气的导电接触材料粘合,其中至少两个该构件的粘合以层叠方式进行。此方法特征在于使离子传导膜、具有催化活性的物质和导电接触材料连续粘合。使用运输和进料设备使离子传导膜与至少一种导电接触材料于准确的位置上汇合,以将它们压在一起的方式使得两个构件相互层叠且彼此粘合。根据本发明的方法而制得的积层材料的交流电阻偏差范围是±10%。此积层材料特别适合用于燃料电池或电解槽中。
文档编号H01M4/92GK1205803SQ96199142
公开日1999年1月20日 申请日期1996年12月20日 优先权日1995年12月22日
发明者H·邦塞尔, J·克劳斯, G·德克斯, G·弗兰克, A·施奈勒, H·威特勒, M·罗姆勒, M·海恩 申请人:德国赫彻斯特研究技术两合公司