制备在两侧涂覆催化剂的膜的方法

专利名称：制备在两侧涂覆催化剂的膜的方法
制备在两侧涂覆催化剂的膜的方法
技术领域：
本发明涉及一种制备用于电化学器件(例如燃料电池、电化学传感器或 电解池)的在两侧用催化剂涂覆的聚合物电解质膜(催化剂涂覆的膜)的方
法。本发明还涉及一种制备膜电极组件和催化剂涂覆的膜的方法。
燃料电池是将化学能转化为电能的换能器。在燃料电池中电解原理是 反向的。此处，将燃料(例如氢气)和氧化剂(例如氧气)转化成电流，在两个 电极的分隔位置产生水和热。各种类型的操作温度各不相同的燃料电池是 目前/〉知的。然而，电池结构原则上在所有类型中都是相同的。它们通常 包含两个电极(即发生反应的阳极和阴极)，和在两个电极之间的电解质。
在聚合物电解质膜燃料电池(PEM燃料电池)中，输送离子(尤其是H+)的聚 合物膜用作电解质。电解质具有三个作用。它建立离子接触，防止电子接 触，此外还用于保持气体供应给分开的电极。电极通常用发生氧化还原反 应的气体供给。电极具有供给气体(例如氢气或甲醇和氧气或空气)的任务，
带走反应产物如水或C02并带走或供给待催化反应的起始材料和电子的任
务。化学能向电能的转化在催化活性中心(例如Pt)，离子导体(例如离子交 换聚合物)，电子导体(例如石墨)和气体(例如H2和02)的三相交界处进行。 非常高的活性面积对于催化剂是重要的。
PEM燃料电池的关键组分是催化剂涂覆的膜(CCM)或膜电极组件 (MEA)。在上下文中，催化剂涂覆的膜(CCM)是两侧用催化剂涂覆的聚合 物电解质膜，因此具有三层结构在膜层一侧的外层阳极催化剂层，中心 膜层和膜层另 一侧与阳极催化剂层相对的外层阴极催化剂层。膜层包含质 子传导的聚合物材料(下文将称作离聚物)。催化剂层包含在阳极和阴极催 化各自反应的催化活性组分(例如氢气的氧化，氧气的还原)。作为催化活 性组分，优选使用元素周期表的铂系金属。
膜电极組件包含催化剂涂覆的膜和至少一个气体扩散层(GDL)。气体 扩散层用于将气体供^限化剂层并运走电池电流。膜电极组件是现有技术公知的，例如由WO2005/006473A2已知。此 处描述的膜电极组件包含具有前侧和后侧的离子传导膜、在前侧的第一催 化剂层和第一气体扩散层，在后侧的第二催化剂层和第二气体扩散层，其 中第一气体扩散层的面积比离子传导膜面积小，而第二气体扩散层的面积 与离子传导膜的面积基本相同。
WO00/12216A1涉及包含具有中心区域和外围区域的聚合物电解质膜 的膜电极组件。 一个电极安装在聚合物电解质膜的中心区域和部分外围区 域中。底垫(sub-gasket)安装在聚合物电解质膜的外围区域以使其可部分延 伸至电极中，该电极延伸到聚合物电解质膜的外围区域中，且另一个衬垫 至少部分安装在底垫上。
许多制备膜电极组件的方法对本领域技术人员是公知的。例如DE199 10 773Al描述了一种将电极层施于带状聚合物电解质膜的方法。此处，膜 的前侧和后侧连续使用包含电催化剂的墨水以希望的图案印刷电极层，已 经印刷的电极层在印刷步骤后立即在升高的温度下干燥，其中以保留在前 侧和后侧上的电极层彼此相对的精确定位的图案而进行印刷。此处的问题 是膜材料在与含溶剂的油墨接触时开始膨胀并变形。
为了避免该问题，WO 02/039525A1提出了一种其中将催化剂溶液施 于载体上且将催化剂溶液在离聚物溶液施于所形成的催化剂层之前干燥的 制备方法。固化离聚物溶液层。以此方式制备的两个催化剂离聚物复合层 连结形成膜电极组件。在WO 02/039525A1中提出的方法的缺点是作为 施加到载体上的结果，催化剂层倾向于在其上形成浓密的离聚物外壳，这 阻碍了气体向催化剂层的传输。这些描述在例如Xie， Garzon， Zawodzinski， Smith: Ionomer Segregation in Composite MEAs and Its Effect on Polymer Electrolyte Fuel Cell Performance, Journal of The Electrochemical Society, 151(7) A1084-A1093(2004)中。而且，多孔催化剂 层在除去载体材料的过程中受损害的风险明显大于均相膜层从载体薄膜上 分离时的风险。此外，油墨必须优化以使得它显示在载体薄膜上良好的应 用和湿润4亍为。
EP 1 492 184A1描述了 一种制备用于电化学器件的催化剂涂覆的膜的方法。在该方法中，使用在后侧与第一载体薄膜连接的聚合物电介质膜。 在涂覆前侧之后，将第二载体薄膜施于前侧，除去第一载体薄膜，随后将 第二催化剂层施于后侧。在该方法中，在所有涂覆步骤中，将膜与至少一个载体薄膜连接。载体薄膜防止了膜在施加催化剂涂层时膨胀。然而，施 加第二载体薄膜和除去第一载体薄膜使得该制备方法非常复杂。
EP1 489 677A2涉及制备膜电极组件的另一种方法，其中第一气体扩 散层与在一侧催化剂涂覆的膜和气体扩散电极连接。
因此本发明的目的是提供一种制备用于电化学器件的催化剂涂覆的膜 或膜电极组件的简单和经济的方法。本发明的目的尤其是使得可以连续制 备(巻式)催化剂涂覆的膜或膜电极组件。本发明的另一个目的尤其是避免 在施加液体催化剂溶液时膜的膨胀。
根据本发明，这些目的通过一种制备用于电化学器件的催化剂涂覆的 膜的方法实现，其包括如下步骤
A) 通过下述步骤制备第一半成品 -将第 一 离聚物层施于第 一载体上，使用第 一催化剂墨水将阳极催化剂层施于第 一 离聚物层上， -干燥阳极催化剂层，和 -从第一离聚物层上除去第一载体，
B) 通过下述步骤制备第二半成品 -将第二离聚物层施于第二载体上，使用第二催化剂墨水将阴极催化剂层施于第二离聚物层上， -干燥阴极催化剂层，和 -从第二离聚物层上除去第二载体，和
C) 通过将第 一 离聚物层与第二离聚物层连结而将第 一半成品与第二半成品 连结。
步骤A)和B)可以任意顺序或者同时进行。从第一或第二离聚物层上除 去第一或第二载体也可在步骤C)中在第一半成品与第二半成品连结之前 进行。
在本发明的上下文中，电化学器件例如是燃料电池、电解池或电化学传感器。
在步骤A)中，制备第一半成品。该半成品是包含第一离聚物层和阳极 催化剂层的复合物。此处，将第一离聚物层首先施于第一载体上。离聚物 层优选包含阳离子传导聚合物材料。通常使用具有酸官能(尤其是磺酸基团) 的四氟乙烯-氟乙烯基醚共聚物。该材料例如由E. I. Dupont以商品名 Nafioi^销售。可用于本发明目的离聚物的实例是下述聚合物材料和其混合 物
-Nafion⑧(D叩ont;美国)，
-全氟和/或部分氟化聚合物如"Dow Experimental Membrane" (Dow Chemical,美国)，
-Aciplex-S (Asahi Chemical, 日本)，
-Raipore R-lOlO(Pall Rai Manufacturing Co.美国)，
-Flemion (Asahi Chemical, 日本)，
-Raymion (Chlorine Engineering Corp., 曰本)
然而，也可以使用其它的，尤其是基本不含氟的离聚物材料，例如磺 化酚醛树脂(线性或交联的)；磺化聚苯乙烯(线性或交联的)；磺化聚(2，6-二 苯基-l，4-亚苯基氧化物)、磺化聚芳基醚砜、磺化聚亚芳基醚砜、磺化聚芳 基醚酮、膦酸化聚(2,6-二甲基-l，4-亚苯基氧化物)、磺化聚醚酮、磺化聚醚 醚酮、芳基酮和聚苯并咪唑。
此外，使用包含下述组分的聚合物材料(或其混合物)聚苯并咪唑磷 酸、磺化聚苯撑、磺化聚苯硫和聚合物-SO;jX(X-NH4+、 NH3R+、 NH2R2+、 NHR3+、 NR/)型聚合磺酸。
第一载体(以及在步骤B中的第二载体)优选是载体薄膜，尤其是由聚 酯、聚乙烯、^t苯二甲酸乙二酯(PET)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚丙烯(PP)、 聚氯乙烯(PVC)、聚碳酸酯、聚酰胺、聚酰亚胺、聚氨酯或类似的薄膜材 料组成的薄膜。载体薄膜优选的厚度为10-250 nm,特别优选90-110 nm。
将第一离聚物层施于第一载体上通过本领域技术人员公知的方法进 行，例如通过刮涂、喷涂、浇铸印刷、印刷或挤出工艺进行。
在本发明的方法中，当使用以与载体连接的形式提供的离聚物膜时，可以省略将离聚物层施于载体上的步骤。
在第 一载体上的第 一 离聚物层使用第 一催化剂墨水用阳极催化剂层涂 覆。该催化剂墨水是包含电催化剂的溶液。它例如包含溶剂、 一种或多种 电催化剂和如果合适的话，其它组分例如聚电解质。如果合适的话，将可 以呈膏状形式的催化剂墨水通过本领域技术人员熟悉的方法(例如通过印 刷、喷涂、刮涂或辊涂)施于第一离聚物层上以制备阳极催化剂层。根据本 发明方法施加的催化剂层可用于所有或部分面积。当将催化剂施于部分面 积时，催化剂可例如以几何图案的形式施用。
随后将阳极催化剂层干燥。合适的千燥方法例如是热气干燥、红外干 燥、微波干燥、等离子方法或这些方法的组合。
当阳极催化剂层已经干燥后，除去第一催化剂层。这在紧邻将第一半 成品与第二半成品连结前进行。因而完成的第一半成品的制备。
在本发明方法的步骤B)中，制备第二半成品。以类似于制备第一半成 品的方式进^f亍。将第二离聚物层和阴极催化剂层施于第二载体上。干燥阴 极催化剂层，随后从第二离聚物层除去载体。
第一离聚物层和第二离聚物层各自可为单个层或由多个离聚物层制 成。它们的厚度可相同或不同。阳极催化剂层和阴极催化剂层各自可为单 个催化剂层或由多个催化剂层制成。阳极催化剂层和阴极催化剂层的性质 可相同或不同。两种催化剂墨水可以相同或不同的比例包含相同或不同的 电催化剂。催化剂层各自可具有与相连的离聚物层相同或不同的面积。
在本发明方法的步骤C)中，在两个载体已经从离聚物层上除去后，通 过将第一离聚物层与第二离聚物层连结而将第一半成品与第二半成品连 结。此处，在连结步骤中，第一离聚物层可直接与第二离聚物层连结或者 通过位于两个离聚物层之间的中间膜间接连结。该中间膜可具有例如比两 个离聚物层较大的面积并在两个半成品已经连结后可突出于两个离聚物层 的边缘。然后以此方式形成的离聚物边缘可被用于加固例如框架加固。如 果合适的话，该突出的中间膜边缘也可足够厚，以使得不再需要的框架和 如果合适的话，直接对该离聚物边缘加固的衬垫。该中间膜可含有如上所 述用于离聚物层的材料。离聚物层的直接或间接的连结优选通过施加热和/或压力，例如使用层 压辊压制。连结也可以通过本领域技术人员熟悉的例如通过热压、层压、 额外施加溶剂层压或超声焊接的方法进行。连结优选通过施加热和/或压
力，例如^f吏用层压辊压制。在此情形下的温度优选为60-250°C，压力优选 为0.1-100巴。连结两个半成品将两个离聚物层转化成一个在一侧具有阳极 催化剂层，另一侧具有阴极催化剂层，即催化剂涂覆的膜的完整的离聚物 层。
本发明制备催化剂涂覆的膜的方法尤其具有的优点是它可以以相对简 单、经济、连续的巻式方法进行。为此目的，其上置有离聚物的载体在两 个半成品彼此连结之前在辊上以带存在。而且，根据本发明，由施加催化 剂墨水而引起的离聚物的变形通过将离聚物与载体连结直至墨水干燥而避 免。在本发明的方法中，仅应在润湿离聚物层方面优化催化剂墨水，以使 得(例如与如WO02/39525中所描述的制备催化剂涂覆的膜相比)获得各催 化剂层对离聚物层的良好的粘附。
通过本发明方法制备的催化剂涂覆的膜优选能够随后通过用酸处理而 活化。酸从膜(已经彼此连结的两个离聚物层)中萃取溶剂并将膜质子化。 用于催化剂涂覆的膜的随后活化的可行的酸例如是H2S04或HN03。
在本发明的优选实施方案中，在本发明的步骤C)进行之前，第一和第 二离聚物层中的至少一层包含0.5-35%的溶剂。离聚物层例如包含残余溶 剂如二甲基乙酰胺(DMAc)或N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)，其中残余溶剂用 作增塑剂，且使得离聚物在步骤C)中，可以例如通过层压工艺进行连结。 离聚物层也可以包含7JC作为溶剂，通过离聚物层可在膜中设定规定的水含 量。
在本发明的优选实施方案中，将框架与半成品的突出的边缘、中间膜 的突出的边缘、离聚物层的突出的边缘或膜的突出的边缘进行连结。
如果两个半成品具有不同的面积，则具有半成品的突出边缘的催化剂 涂覆的膜通过将两个半成品连结而形成。可将该框架固定到该半成品的突 出边缘上。
第一半成品可直接或经由中间膜间接地与第二半成品连结。当使用中间膜时，包含第一和第二离聚物层和中间膜的膜在连结两个半成品时形成。 中间膜可直接与至少一个离聚物层齐平而结束或者形成中间膜的突出的边 缘。 一片或多片框架可固定到该中间膜的边缘上。
第 一 离聚物层和第二离聚物层可分别用各自的催化剂层完全覆盖它们 的全部面积或部分面积。在部分覆盖离聚物层之一且该覆盖的离聚物层比 另 一个离聚物层具有较大的面积的情形下，本发明的催化剂涂覆的膜可具 有离聚物层的突出的边缘。一片或多片框架可固定到该离聚物层的边缘上。
如果如前所述的连结膜的第一和第二离聚物层和任意其它的离聚物层 突出了两个催化剂层，则它们形成了膜的突出的边缘。 一片或多片框架可 固定到该中间膜的边缘上。
在本发明的优选实施方案中，第一半成品和第二半成品具有不同的面 积以〗吏得半成品的突出的边缘在两个半成品已经连结形成催化剂涂覆的膜 后仍然保留。当催化剂涂覆的膜的边缘区域已经安装衬垫或密封时，以此 方式建立的催化剂涂覆的膜可变得更气密。衬垫和/或增强框架可固定在半 成品的突出边缘上。半成品的突出的边缘可沿着催化剂涂覆的膜的两个或 四个边缘运行。为了获得更好的密封并节省贵金属，有利的是在催化剂涂 覆的膜上安装框架，尤其是在衬垫区域安装惰性塑料框架。在通过常规方 法制备的催化剂涂覆的膜的情形下，通过膜或催化剂涂覆的膜与框架的重 叠经常形成增厚的区域，如将增强框架安装在两个半膜之间时。厚度对应 于两个半膜的膜厚度的以及框架厚度总和的增厚区域在带有框架的半膜的 重叠区域形成。这种增厚区域使得与活性区域接触变得更难。根据本发明 的两个不同尺寸的半成品的层压和在较大半成品的突出边缘上的塑料框架 的层压允许所制备的配有框架的催化剂涂覆的膜不具有增厚区域。根据本 发明的优选实施方案，在催化剂涂覆的膜中的半成品的突出边缘与框架连 结。
根据本发明，催化剂涂覆的膜可与包含两个相同尺寸的半框架的框架 相连结。
才艮据本发明，催化剂涂覆的膜可与包含两个不同尺寸的半框架的框架 相连结。例如，在两个彼此连结的不同尺寸的半成品的情形下，较大的半框架可围绕较小的半成品且较小的半框架可围绕较大的半成品，以使得两 个半框架的外部边缘齐平。
根据本发明，催化剂涂覆的膜可与如下框架连接该框架为在阳极和 阴极催化剂层上突出的两个离聚物层边缘之间的中间框架。如果第一离聚 物层和第二离聚物层突出于两个催化剂层(部分面积用催化剂涂覆)，它们 形成离聚物层的突出边缘。当两个半成品连结时，可安装中间框架，使得 它至少部分位于两个离聚物层边缘之间，因而可以连结这两个离聚物层。 此处，由于膜的离聚物层在催化剂层之间沿着中间框架的两侧之一向外运 行，因此两个离聚物层边缘给出S形。
通过本发明方法制备的催化剂涂覆的膜的框架可含有任何未官能化 的、不气密的聚合物，尤其是聚醚砜、聚酰胺、聚酰亚胺、聚醚酮、聚砜、 聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚乙烯(PE)或聚丙烯(PP)。根 据本发明，框架或半框架可在固定于催化剂涂覆的膜之前在辊上以带存在， 以使得巻式方法的高产量成为可能。框架可配有粘合层。
在本发明的优选实施方案中，阳极或阴极催化剂层中的至少一层与气 体扩散层连结。该气体扩散层可用作电极的机械载体并确保各自的气体在 催化剂层上良好地分布并允许输走电子。气体扩散层对于使用氢气作为燃 料、氧气或空气作为氧化剂操作的燃料电池特别需要。
根据本发明，优选阳极催化剂层与第一气体扩散层连结，阴极催化剂 层与第二气体扩散层连结，以使得第一气体扩散层和阳极催化剂层以及第
二气体扩散层和阴极催化剂层在每种情形下彼此在边上齐平。因而，例如 如果阳极催化剂层和阴极催化剂层具有不同的面积，第二气体扩散层同样 具有这些不同的面积且在该实施方案中其在所有侧与各自的催化剂层齐 平。然而对于阳极催化剂层也可以与第一气体扩散层连结，阴极催化剂层 与第二气体扩散层连结，以使得第一和第二气体扩散层中至少一个具有突 出于阳极或阴极催化剂层的边缘。例如如果两个半成品(包括各自的催化剂 层)具有不同的面积，而两个气体扩散层可具有相应于半成品中较大面积的 相同的面积，然后在此情形下，气体扩散层之一具有突出较小半成品边的 边缘。然后气体扩散层的边缘可重叠框架。在本发明的优选实施方案中，催化剂涂覆的膜与框架连结且每一侧与 气体扩散层连结，此外，衬垫安装在催化剂涂覆的膜或框架和气体扩散层 之间的至少一个过渡区上。例如气体扩散层的所有边由合适的衬垫材料构
成。合适的衬垫材料例如是聚硅氧烷、聚异丁烯(PIB)、橡胶(合成和天然 的)、含氟弹性体和含氟聚硅氧烷。
本发明的优选实施方案对至少一个离聚物层提供包含至少一种选自如 下的额外组分共混组分、增强织物、^:孔负栽薄膜和填料。作为共混组 分，可以使用改善离聚物机械性能的未官能化的聚合物，例如聚醚砜、聚 砜、聚苯并咪唑(PBI)或聚酰亚胺。增强织物可以例如为周围注入官能化聚 合物的精细聚合物或玻璃纤维织物。合适的微孔负栽薄膜例如由US 5，635，041已知。作为替代，官能化聚合物注入的微孔膜也是可行的。填料 例如用于储存水和/或改进离聚物层的枳械稳定性。作为填料，可以使用例 如二氧化硅、磷酸锆、膦酸锆或杂多酸。根据本发明的优选实施方案，填 料是催化剂，尤其是可由过氧化物或11202构成的催化剂和/或可防止过氧 化物形成的催化剂和/或可将112和02转化成H20的催化剂和/或可使醇反 应的催化剂。实例是贵金属納米颗粒或固定在炭黑上的贵金属颗粒。
本发明的优选实施方案提供至少一个施加在两个半成品(在步骤C之 前)之间的包含选自下述添加剂的额外层溶剂、聚电解质溶液、聚电解质 *体、填料和催化剂。添加剂在催化剂涂覆的膜的整个离聚物层中形成 中间层。该中间层可具有各种功能(例如可用作粘合剂)。
溶剂(例如二甲基乙酰胺(DMAc)、 N-曱基-2-吡咯烷酮(NMP)或二甲亚 砜(DMSO)可部分溶解膜(取决于所用的膜)。溶剂如水可例如降低玻璃化转 变温度。
聚电解质是可用作添加剂的官能化的膜聚合物(离聚物)。这些可例如 选自上述对两个离聚物层所列的可行的离聚物，例如Dupont的Nafion 、 Asahi Chemical的Flemion⑧或Fumatech的Fumion 。
可用作添加剂的填料例如是无机材料，如用作阻挡层(例如用于甲醇) 的硅酸盐或片状硅酸盐。
可用作添加剂的催化剂例如是允许扩散的氩气和氧气重新结合形成水在本发明的优选实施方案中，在本发明方法的步骤c)中将第一半成品 连结到第二半成品，其中第 一和第二半成品具有不同程度磺化的离聚物层。
磺化程度(官能团的数目)决定膜的各种性能。膜的(不希望的)膨胀随磺 化程度的增加而增加。膜的离子电导率应当尽可能高，其随着磺化的程度
的增加而增加。而且气体的透过性(或者在直接甲醇燃料电池(DMFC)的情
形下，甲醇的透过性)应当尽可能地低，其随着磺化的程度的增加而增加。 具有不同磺化程度的离聚物的连结允许获得积极性能的组合。例如，为了
降低膨胀和透过性，具有磺化程度低的薄的离聚物层可与具有磺化程度高 的厚的离聚物层连结以获得良好导电率以形成膜。由于磺化程度还对膜的 水吸收具有积极影响，膜的水平衡也可以受离聚物层的不同磺化程度而积 极影响。
尤其是，第一离聚物层在阳极侧的较高程度的磺化是有利的，由此将 水传输到阳极。
本发明还提供一种制备用于电化学器件的膜电极组件的方法，其包括 如下步骤
a) 将第一离聚物层施于载体上，使用催化剂墨水将催化剂层施于第一离聚 物层上，干燥催化剂层并除去载体，和
b) 将第 一 离聚物层与气体扩散电极连结形成膜电极组件。
在本发明特别优选的实施方案中，在步骤b)中连结之前，气体扩散电 极具有第二离聚物层。因此，制备用于电化学器件的膜电极組件的本发明
方法包括下述步骤
i) 将第一离聚物层施于载体上，使用催化剂墨水将催化剂层施于第一离聚 物层上，干燥催化剂层并除去载体，
ii) 将第二离聚物层施于气体扩散电极上，和
iii) 将第 一 离聚物层与第二离聚物层连结形成膜电极组件。
在步骤a)或i)中将第一离聚物层施加到载体可通过本领域技术人员已 知的方法，如通过刮涂、喷涂、浇铸、印刷或挤出工艺而进行。
在本发明方法中，使用以与载体连接的形式提供的离聚物膜时，将离聚物层施加到栽体上的步骤可省略。
在第 一载体上的第 一 离聚物层使用第 一催化剂墨水用催化剂层涂覆。 催化剂墨水是包含电催化剂的溶液。它例如包含溶剂、 一种或多种电催化 剂和如果合适的话，其它组分，例如聚电解质。如果合适的话，将可以呈 膏状形式的催化剂墨水通过本领域技术人员熟悉的方法(例如通过印刷、喷 涂、刮涂、或辊涂)施于第一离聚物层上以制备催化剂层。根据本发明方法 施加的催化剂层可用于所有或部分面积。当将催化剂施于部分面积时，催 化剂可例如以几何图案的形式施用。
随后将催化剂层干燥。合适的干燥方法例如是热气干燥、红外干燥、 微波干燥、等离子方法或这些方法的组合。
当催化剂层已经干燥时且在第一半成品与第二半成品连结之前，除去 第一载体。因而完成的第一半成品的制备。
如果合适的话，然后将第二离聚物层施于气体扩散电极上(步骤ii))。 这通过本领域技术人员熟悉的方法进行。
气体扩散电极包含至少 一个气体扩散层和催化剂层。如果合适的话， 气体扩散电极额外地包含在气体扩散层和催化剂层之间的其它层，尤其是
用于控制水平衡的微孔层(如包含炭黑和疏水粘合剂(如PTFE))。
在另一步骤b)或iii)中，将第一离聚物层与气体扩散电极(如果合适的 话，气体扩散电极的第二离聚物层)连结形成膜电极组件。连结也可以通过 本领域^t术人员熟悉的例如通过热压、层压、额外施加溶剂层压或超声焊 接的方法进行。连结优选通过施加热和/或压力，例如使用层压辊压制。在 此情形下的温度优选为60-250。C,压力优选为0.1-100巴。
以此方式制备的膜电极组件通过将另一气体扩散层施于步骤a)或i)制 备的催化剂层而补充。
本发明还提供用于电化学器件的催化剂涂覆的膜，其包括两个彼此连 结的半成品，即包含与阳极催化剂层连结的第 一 离聚物层的第 一半成品和 包含与阴极催化剂层连结的第二离聚物层的第二半成品，其中框架与半成 品的突出边缘、中间膜的突出边缘、离聚物层的突出边缘或膜的突出边缘 连结，或者作为中间框架安装于两个离聚物层的边缘之间。本发明催化剂涂覆的膜可通过本发明制备催化剂涂覆的膜的方法制备。
尤其是，本发明提供一种用于电化学器件的催化剂涂覆的膜，其包括 两个彼此连结的半成品，即包含与阳极催化剂层连结的第一离聚物层的第 一半成品和包含与阴极催化剂层连结的第二离聚物层的第二半成品。其中 两个半成品具有不同的面积。
半成品具有不同的面积的优点已经在上面进行了解释。尤其可获得催 化剂涂覆的膜的更好的密封和无增厚的框架。
如果两个半成品具有不同的面积，具有半成品突出边缘的催化剂涂覆 的膜通过将两个半成品连结而形成。可将框架加固到半成品的该突出边缘 上。
第 一半成品可直接或经由中间膜间接地与第二半成品连结。因此本发 明的催化剂涂覆的膜的一个实施方案包括含有第 一和第二离聚物层和中间 膜的膜。该中间膜可直接与至少一个离聚物层齐平而结束或者形成中间膜 的突出边缘。 一片或多片框架可固定到该中间膜的边缘上。然而，中间膜 也可以制得足够厚而不再需要额外的框架以负载本发明的催化剂涂覆的 膜。因此可将衬垫直接安装在中间膜的突出边缘上。
本发明催化剂涂覆的膜的第 一 离聚物层和第二离聚物层可分别用各自 的催化剂层完全覆盖它们的全部面积或部分面积。在部分覆盖离聚物层之 一且该覆盖的离聚物层比另 一个离聚物层具有较大的面积的情形下，本发 明的催化剂涂覆的膜可具有离聚物层的突出的边缘。
一片或多片框架可固 定到该离聚物层的边缘上。
如果如前所述的连结膜的第 一和第二离聚物层和任意其它的离聚物层 突出了两个催化剂层，则它们形成了膜的突出的边缘。 一片或多片框架可 固定到该中间膜的边缘上。
如果第一和第二离聚物层突出了两个催化剂层(催化剂涂覆部分面 积)，则它们形成离聚物层的突出边缘。当两个半成品连结时，可安装中间 框架，以使其至少部分位于两个离聚物层的边缘之间并因此连结它们。此 处，由于膜的离聚物层在催化剂层之间沿着中间框架的两侧之一向外运行，因此两个离聚物层边缘给出s形。
而且，本发明提供一种包含至少一种根据本发明的催化剂涂覆的膜的 燃料电池。
本发明参照附图进行更详细地描述。
图中


图1示例性地显示一种制备无框架的催化剂涂覆的膜的本发明方法；
图2显示根据本发明具有框架的催化剂涂覆的膜；
图3显示根据本发明具有由两个不同尺寸的半框架制成的框架的另一 种催化剂涂覆的膜；
图4显示才艮据本发明具有框架和与各自的催化剂层齐平而结束的不同 尺寸的气体扩散层的另 一种催化剂涂覆的膜；
图5显示根据本发明具有框架和相同尺寸的气体扩散层的另一种催化 剂涂覆的膜；
图6显示根据本发明具有框架、气体扩散层和衬垫的另一种催化剂涂 覆的膜；
图7显示才艮据本发明具有中间层的另一种催化剂涂覆的膜； 图8显示根据本发明具有中间膜和框架的另一种催化剂涂覆的膜； 图9显示根据本发明具有中间膜、框架和气体扩散层的另一种催化剂 涂覆的膜；
图IO显示才艮据本发明具有中间膜、框架、气体扩散层和衬垫的另一种 催化剂涂覆的膜；
图11显示4艮据本发明具有仅在一侧的部分面积上施加的催化剂层的 另一种催化剂涂覆的膜；
图12显示如图11所示但具有框架的根据本发明的另一种催化剂涂覆 的膜；
图13显示根据本发明包含具有在部分面积施加的催化剂层的两个半 成品的另 一种催化剂涂覆的膜；
图14显示如图13所示但具有框架的根据本发明的另一种催化剂涂覆图15显示如图14所示且具有气体扩散层的根据本发明的另一种催化
剂涂覆的膜；
图16显示如图15所示且具有衬垫的根据本发明的另一种催化剂涂覆
的膜；
图17显示根据本发明包含具有施于部分面积的催化剂层、气体扩散层
和衬垫的另 一种催化剂涂覆的膜；
图18显示根据本发明包含具有施于部分面积的催化剂层和固定在两 个离聚物层之间的框架的另 一种催化剂涂覆的膜；
图19显示如图18所示且具有气体扩散层的根据本发明的另一种催化 剂涂覆的膜；
图20显示如图19所示且具有衬垫的根据本发明的另一种催化剂涂覆 的膜；
图21显示根据本发明第一实施例和第一对比例的电流-电压曲线；和 图22显示根据本发明第二实施例和第二对比例的电流-电压曲线。 图1示例性地显示通过本发明的方法制备具有框架的催化剂涂覆的膜。
描述的方法是可以获得高生产量和经济制备的巻式方法。第一辊1包 含在第一载体3上的第一半成品2。第一半成品2包含第一离聚物层4和 阳极催化剂层5。第一离聚物层4与阳极催化剂层5连结。第二辊6包含 在第二载体8上的第二半成品7。第二半成品7包含第二离聚物层9和阴 极催化剂层IO。第二离聚物层9与阴极催化剂层10连结。阴极催化剂层 10可例如以规则的几何图案施于整个面积或者部分面积。
在制备根据本发明的催化剂涂覆的膜ll中，第一和第二辊1，6在展开 方向12上旋转。将第一和第二载体3，8从第一和第二离聚物层4，9上除去 并分别在巻起方向13上旋转的第一和第二托滚14,15上巻起。然后通过将 第一离聚物层4与第二离聚物层9连结而将第一半成品2与第二半成品7 连结。这在压力和温度的作用下借助于两个在辊方向18上旋转的层压辊 16,17进行。
随后向以此方式制备的催化剂涂覆的膜11提供载体薄膜。这是可在薄膜辊19上获得并与催化剂涂覆的膜11连结的载体薄膜20。将以此方式制 备的负载催化剂涂覆的膜21在储藏辊22上巻起。然后根据需要可从储藏 辊22上取走片并向其提供框架，因此它们可用作电化学器件，尤其是聚合 物电解质膜燃料电池中的带框架的催化剂涂覆的膜。
图2显示根据本发明具有框架的催化剂涂覆的膜。
在图2中描述的催化剂涂覆的膜23优选通过本发明方法制备。它包含 各自具有离聚物层26或27和阳极或阴极催化剂层28或29的两个半成品 24，25。阳极催化剂层28与第一离聚物层26齐平结束而阴极催化剂层29 与第二离聚物层27齐平而结束。第一半成品24和第二半成品25具有不同 的尺寸以使得由两个半成品24，25制备的催化剂涂覆的膜23具有半成品的 突出边缘30。将框架31固定到一个半成品的突出边缘30上。
图3显示才艮据本发明具有由两个不同尺寸的半框架制成的框架的另一 种催化剂涂覆的膜。
在图3中描述的催化剂涂覆的膜在很大程度上对应于图2中描述的膜， 不同之处在于它与包含两个不同尺寸的半框架32， 33的框架31连结。第一 半框架具有较大的尺寸并围绕较小的第一半成品24,而第二半框架33具 有较小的尺寸并围绕较大的第二半成品25。半框架32， 33的外部边34齐 平。
图4显示根据本发明具有框架和不同尺寸的气体扩散层的另一种催化 剂涂覆的膜。
在图4中描述的催化剂涂覆的膜23的结构在很大程度上对应于图3 中描述的膜；尤其是，框架31由两个半框架32,33构成。两个不同尺寸的 气体扩M35，36与催化剂涂覆的膜23连结。此处，各气体扩散层35或 36的面积相应于相应的半成品24或25的面积。因而第一气体扩散层35 与阳极催化剂层28齐平而结束，而第二气体扩散层36与阴极催化剂层29 齐平而结束。
图5显示根据本发明具有框架和相同尺寸的气体扩散层的另一种催化 剂涂覆的膜。
在图5中描述的催化剂涂覆的膜23的结构在很大程度上对应于图3中描述的膜；尤其是，框架31由两个半框架32,33构成。两个相同尺寸的 气体扩散层35， 36与催化剂涂覆的膜23连结。此处，两个气体扩散层35， 36 中每一个的面积相应于第二半成品25的面积。因此第二气体扩散层36与 阴极催化剂层29齐平而结束。第一气体扩散层35具有突出于(较小面积的) 阳极催化剂层28的边缘37。因而气体扩散层的边缘37与第一半框架32 部分重叠。
图6显示根据本发明具有框架、气体扩散层和衬垫的另一种催化剂涂 覆的膜。
图6中描述的根据本发明的具有框架31和气体扩散层35， 36的催化剂 涂覆的膜23的结构很大程度上对应于图5中描述的实施方案的结构。此外， 衬垫38， 39在每种情形下安装在第一半框架32和第一气体扩散层35之间 以及第二半框架33和第二气体扩散层36之间的过渡区。
图7显示根据本发明具有施于离聚物层的整个面积的两个催化剂层和 中间层的另 一种催化剂涂覆的膜。
图7中描述的催化剂涂覆的膜23包含各自具有离聚物层26或27和施 于其上整个面积的阳极或阴极催化剂层28或29的两个半成品24， 25。阳 极催化剂层28与第 一 离聚物层26齐平而结束，而阴极催化剂层29与第二 离聚物层27齐平而结束。第一半成品24和第二半成品25具有相同的面积。 在第一离聚物层26和第二离聚物层27之间，具有比两个半成品24， 25中 的任一个更大面积的中间膜40。结果是，中间膜40突出于催化剂涂覆的 膜23的两个半成品24，25的边并形成中间膜的边缘41。
图8显示根据本发明具有由两个半框架制成的框架的另一种催化剂涂 覆的膜。
图8中描述的催化剂涂覆的膜23很大程度上对应于图7中描述的膜； 不同之处在于它与包含两个相同尺寸的半框架32， 33的框架31相连结。两 个半框架32， 33固定到中间膜的边缘41上。半框架32， 33的外部边34是 齐平的。
图9显示根据本发明具有框架和气体扩散层的另一种催化剂涂覆的膜。图9中描述的催化剂涂覆的膜23的结构在很大程度上对应于图8中的 结构，其中两个气体扩散层35，36与催化剂涂覆的膜23连结。气体扩散层 35， 36的尺寸大于两个半成品24， 25的尺寸，并部分与半框架32， 33重叠。 两个气体扩散层35， 36具有同样的尺寸。
图IO显示根据本发明具有中间膜、框架、气体扩散层和衬垫的另一种 催化剂涂覆的膜。
在图10中描述的具有中间膜40、框架31和气体扩散层35， 36的本发 明催化剂涂覆的膜23的结构很大程度上的对应于图9中描述的实施方案的 结构。此外，衬垫38，39在每种情形下安装在第一半框架32和第一气体扩 散层35之间以及第二半框架33和第二气体扩散层36之间的过渡区。
图11显示根据本发明具有施于整个面积的催化剂层和施于部分面积 的催化剂层的另 一种催化剂涂覆的膜。
图11中描述的催化剂涂覆的膜23包含各自具有离聚物层26或27和 阳极或阴极催化剂层28或29的两个半成品24， 25。阴极催化剂层29施于 第二离聚物层27的整个面积并与其齐平而结束。阳极催化剂层28施于第 一离聚物层26的部分面积，以使得离聚物层的边缘42突出于阳极催化剂 层28。由于两个催化剂层28,29具有相同的面积，因此一个离聚物层的边 缘42也突出于催化剂涂覆的膜23。
图12显示根据本发明具有一部分框架的另一种催化剂涂覆的膜。
图12中描述的催化剂涂覆的膜很大程度上对应于图11中描述的膜， 不同之处在于它与一片框架31相连。框架31固定到一个离聚物层的突出 边缘42上。它与离聚物层的边缘42齐平而结束。
图13显示根据本发明具有施于部分面积的阳极和阴极层的另一种催 化剂涂覆的膜。
图13中描述的催化剂涂覆的膜23包含各自具有离聚物层26或27和 阳极或阴极催化剂层28或29的两个半成品24， 25。两个催化剂层28， 29 仅施于离聚物层26， 27的部分面积，以使得每个离聚物层26， 27的边缘43， 44突出于催化剂层28,29。在催化剂涂覆的膜23中，离聚物层的这两个边 缘43， 44形成突出于两个相同尺寸的催化剂层28， 29的膜边缘45。图14显示根据本发明具有由固定到膜边缘的两个半框架制成的框架 的另一种催化剂涂覆的膜。
图14中描述的催化剂涂覆的膜具有很大程度上对应于图13的结构， 其中框架31固定到额外存在的膜的边缘45上。该框架31包含两个相同尺 寸的与膜的边缘45齐平而结束的半框架32，33。在制^l^艮据本发明的催化 剂涂覆的膜23中，两个半框架32， 33可在两个半成品24， 25已经连结之后 与膜的边缘45连结，或者每一个半框架32， 33可在该离聚物层26， 27已经 施于各自的载体之后并且在各催化剂层28， 29施于离聚物层26， 27之前与 离聚物层26， 27连结。
在根据本发明的巻式方法中，其中将催化剂层在施加框架以制备各半 成品之后，施于离聚物层上，对于离聚物层可以例如首先施于各载体薄膜 上，然后将框架薄膜与离聚物层连结，然后如通过刮涂施加催化剂墨水或 印刷催化剂墨水，将各催化剂层在由框架薄膜形成的窗口中施于离聚物层 上。
图15显示具有框架和气体扩散层的另一种催化剂涂覆的膜。 图15中描述的催化剂涂覆的膜23具有很大程度上对应于图14的结 构，其中两个气体扩散层35，36额外地与催化剂涂覆的膜23连结。气体扩 散层35， 36具有比催化剂层28， 29大的面积且与两个半框架32， 33部分重 叠。
图16显示根据本发明具有框架、气体扩散层和衬垫的另一种催化剂涂 覆的膜。
图16中描述的具有框架31和气体扩散层35， 36催化剂涂覆的膜23 的结构在4艮大程度上对应于图15描述的实施方案的结构。此外，衬垫38， 39 在每种情形下安装在第一半框架32和第一气体扩散层35之间以及第二半 框架33和第二气体扩散层36之间的过渡区。
图17显示根据本发明具有气体扩散层和衬垫的另一种催化剂涂覆的膜。
图17中描述的催化剂涂覆的膜23除了图13描述的结构以外，还具有 各自突出于所连结的催化剂层28， 29并形成气体扩散层的突出边缘46， 47
22的两个气体扩散层35， 36。气体扩散层的这些边缘46， 47与甚至进一步突 出的膜45的边缘一起具有围绕它们的衬垫28， 39。衬垫38, 39与膜边缘45 齐平而结束。
图18显示根据本发明具有施于部分面积的催化剂层和固定在两个离 聚物层之间的框架的另 一种催化剂涂覆的膜。
图18中描述的催化剂涂覆的膜23包含各自具有离聚物层26或27和 阳极或阴极催化剂层28或29的两个半成品24, 25。两个离聚物层26， 27 仅用催化剂层28， 29涂覆部分面积，以使得他们形成边缘突出于催化剂层 28， 29的第一离聚物层的边缘43和第二离聚物层的边缘44。 一部分中间框 架48固定在这两个离聚物层的边缘43， 44之间。中间框架48突出于离聚 物层的两个边缘43，44。本发明催化剂涂覆的膜23的该优选实施方案可以 使得框架无增厚掺入。
图19显示根据本发明具有框架和气体扩散层的另一种催化剂涂覆的膜。
图19中描述的催化剂涂覆的膜23具有很大程度上对应于图18的膜的 结构，但额外具有两个与催化剂涂覆的膜23连结的气体扩散层35，36。气 体扩散层35， 36中的每一个与两个离聚物层的边缘43， 43齐平而结束。
图20显示根据本发明具有中间框架、气体扩散层和衬垫的另一种催化 剂涂覆的膜。
图20中描述的根据本发明具有中间框架48和气体扩散层35， 36的催 化剂涂覆的膜23的结构在^艮大程度上对应于图19描述的实施方案的结构。 此外，衬垫38， 39在每种情形下安装在中间框架48和气体扩散层35，36之 间的过渡区。
图21显示根据本发明第一实施例和第一对比例的电流-电压曲线。 电压U(单位mV)在Y轴上作图，电流密度I/A(单位mA/cm"在X
轴上作图。连续线对应于净艮据本发明的实施例，而虚线对应于对比例。实
施例在下面详细描述。
实施例1
型号为GK1065-049d(包含sPEEK和Ultrason E的共混膜；未水合)具有残余溶剂含量>22%的NMP和干层厚度为22 nm的两个膜，其中每一 个位于100nm厚的作为载体提供的PET薄膜上，用包含含有约50%的负 载在炭黑上的Pt催化剂的催化剂墨水和Nafioii⑧离聚物溶液(EWllOO 5%， Sigma Aldrich)在一侧进行喷涂以制备分别具有约0.15 mg/cm2和 0.4mg/cm2 Pt负载的阳极侧的半成品和阴极侧的半成品。除去载体。将二 半在薄膜层压机(Ibico IL 12 HR)上在两个纸板片之间以辊温为120。C和速 度调整为2进行连结以形成催化剂涂覆的膜。随后将复合物用IN H2S04 在80X:处理2小时，然后用去离子水在室温完全洗涤。以此方式获得的催 化剂涂覆的膜与两个气体扩散层(SGL Carbon， 21 BC)在90'C和20 kN的 压力下在一起压制10分钟以形成活性面积为32.5 cm2的膜电极组件 (MEA)。以此方式获得的MEA在25 cm2的测试池(例如Electro Chem)中 在75。C、 1巴、100%相对湿度下，使用112(> =1.5)和02^=2)进行操作。通 过阻抗镨法测得该体系的高频电阻为2.8 mll。 对比例1
型号为GK1065-049d(包含sPEEK和Ultrason E的共混膜；在1M的 H2S04中、在80'C7jC合2小时)干层厚度为43 nm和残余溶剂含量<0.5%的 NMP的膜，用包含含有约50%的负载在炭黑上的Pt催化剂的催化剂墨水 和Nafion⑧离聚物溶液(EW1100 5%， Sigma Aldrich)在两侧进行喷涂以制 备Pt负载为0.15 mg/cm2的阳极侧和Pt负载为0.4mg/cm2的阴极侧。以此 方式获得的催化剂涂覆的膜与两个气体扩散层(SGL Carbon, 21 BC)在90 。C和20 kN的压力下一起压制IO分钟以形成活性面积为32.5 112的膜电极 组件(MEA)。以此方式获得的MEA在25 cm2的测试池(例如Electro Chem) 中在75。C、 1巴、100%相对湿度下，使用H2(K.5)和02(X-2)进行操作。 电流-电压曲线同样示于图21中，这次以虛线形式。通过阻抗语法测得该 体系的高频电阻为3mft。
图22显示根据本发明第二实施例和第二对比例的电流-电压曲线。 电压U(单位mV)在Y轴上作图，电流密度I/A(单位mA/cm"在X 轴上作图。连续线对应于才艮据本发明的实施例，而虛线对应于对比例。实 施例在下面详细描述。实施例2
型号为GK1130-051(包含sPEEK和Ultrason E的共混膜；未7jC合)具 有残余溶剂含量>22%的NMP和干层厚度为35 nm的膜，用包含含有约 70。/。的负载在炭黑上的Pt催化剂的催化剂墨水和Nafi0nTM离聚物溶液 (EW1100 10%, Sigma Aldrich)在一侧进行喷涂以制备Pt负载约为2 mg/cm2的阴极侧的半成品。
同样型号的膜用包含含有约80%的负载在炭黑上的PtRu的催化剂的 催化剂墨水和sPEEK离聚物溶液在一侧进行喷涂以制备PtRu负载约为3 mg/cm2的阳极侧的半成品。
将半成品在薄膜层压机(Ibico IL 12 HR)上在2个PET薄膜之间以辊温 为约130X:和速度调整为1进行连结以形成CCM。随后将复合物用1N HNO3在60X:处理2小时，然后用去离子水在室温完全洗涤。干燥以此方 式获得的CCM并与2个并列的气体扩散层组合在池面积为25 cm2的测试 池中在70'C和1巴下，使用3.2%的甲醇溶液和干空气(1=3)进行操作。通 过阻抗语法测得该体系的高频电阻为12.2 mll。 对比例2
型号为GK1065-53(包含sPEEK和Ultrason E的共混膜；在1M的 H2S04中、在8(TC水合2小时)干层厚度为61 nm和残余溶剂含量<0.5%的 NMP的膜，用包含含有约70%的负载在炭黑上的Pt催化剂的催化剂墨水 和NafionTM离聚物溶液(EW1100 10%， Sigma Aldrich)进行喷涂以制备Pt 负载为2 mg/cm2的阴极侧，用包含含有约80%的负载在炭黑上的PtRu催 化剂的催化剂墨水和sPEEK离聚物溶液进行喷涂以制备PtRu负载为3 mg/cm2的阳极侧。
干燥以此方式获得的催化剂涂覆的膜并与2个并列的气体扩散层组 合，在池面积为25 cm2的测试池中在70X:和1巴下，使用3.2。/。的曱醇溶 液和干空气0^3)进行操作。电流-电压曲线同样示于图22中(虛线)。通过 阻抗i普法测得该体系的高频电阻为10.6 mll。 参考符号列表 1第一辊2第一半成品
3第一载体
4第一离聚物层
5阳极催化剂层
6第二辊
7第二半成品
8第二载体
9第二离聚物层
10阴极催化剂层
11催化剂涂覆的膜
12展开方向
13巻起方向
14第一托滚
15第二托滚
16第一层压辊
17第二层压辊
18辊方向
19薄膜辊
20负载薄膜
21负栽催化剂涂覆的膜
22储藏辊
23催化剂涂覆的膜
24第一半成品
25第二半成品
26第一离聚物层
27第二离聚物层
28阳极催化剂层
29阴极催化剂层
30半成品的突出边缘31框架
32第一半框架
33第二半框架
34外部边
35第一气体扩散层
36第二气体扩，
37气体扩散层的边缘
38第一衬垫
39第二衬垫
40中间膜
41中间膜的边缘
42离聚物层的边缘
43第一离聚物层的边缘
44第二离聚物层的边缘
45膜的边缘
46第一气体扩散层的边缘 47第二气体扩散层的边缘 48中间框架
权利要求
1. 一种制备用于电化学器件的催化剂涂覆的膜的方法，其包括A)通过下述步骤制备第一半成品-将第一离聚物层施于第一载体上，-使用第一催化剂墨水将阳极催化剂层施于第一离聚物层上，-干燥阳极催化剂层，B)通过下述步骤制备第二半成品-将第二离聚物层施于第二载体上，-使用第二催化剂墨水将阴极催化剂层施于第二离聚物层上，-干燥阴极催化剂层，和C)从第一和第二离聚物层分别除去第一和第二载体，并通过将第一离聚物层与第二离聚物层连结而将第一半成品与第二半成品连结。
2，根据权利要求l的方法，其中第一和第二离聚物层中的至少一层在 进行步骤C)之前包含0.5-35%的溶剂。
3. 根据权利要求1或2的方法，其中将所述第一半成品直接或经由中 间膜间接地与第二半成品连结。
4. 根据权利要求l-3中任一项的方法，其中所述第一半成品和第二半 成品具有不同的面积以使得半成品的突出的边缘在两个半成品连结形成催 化剂涂覆的膜后仍然保留。
5. 根据权利要求1-4中任一项的方法，其中框架与半成品的突出边缘、 中间膜的突出边缘、离聚物层的突出边缘或膜的突出边缘连结。
6. 根据权利要求5的方法，其中所述框架在第一半成品与第二半成品 连结之后或在施加笫一或第二离聚物层之后且在施加阳极或阴极催化剂层 之前进行连结，
7. 根据权利要求l-6中任一项的方法，其中将所述催化剂涂覆的膜与 包含两个不同尺寸的半框架的框架相连结。
8. 根据权利要求l-7中任一项的方法，其中所述中间框安装在突出于 阳极和阴极催化剂层的两个离聚物层的边缘之间。\
9. 根据权利要求l-8中任一项的方法，其中将阳极和阴极催化剂层中 的至少 一层与气体扩散层连结。
10. 根据权利要求9的方法，其中所述阳极催化剂层与第一气体扩散 层连接，阴极催化剂层与第二气体扩散层连接，以使得第一气体扩散层和 阳极催化剂层以及第二气体扩散层和阴极催化剂层各自齐平，或者以使得 第一和第二气体扩散层中的至少一层具有突出于阳极或阴极催化剂层的边缘。
11. 根据权利要求10的方法，其中所述气体扩散层的边缘至少部分与 框架重叠。
12. 根据权利要求l-ll中任一项的方法，其中所述催化剂涂覆的膜与 框架连结且每一侧与气体扩散层连接，衬垫安装在催化剂涂覆的膜或框架 和气体扩散层之间的至少 一个过渡区上。
13. 根据权利要求1-12中任一项的方法，其中将至少一个包含选自下 述添加剂的额外层在步骤C)之前施于两个半成品之间溶剂、聚电解质溶 液、聚电解质M体、填料和催化剂。
14. 根据权利要求1-13中任一项的方法，其中在步骤C)中将所述第一 半成品连接到第二半成品，其中第 一和第二半成品具有不同程度磺化的离 聚物层。
15. 根据权利要求1-14中任一项的方法，其中离聚物层中的至少一层 包含至少一种选自下述的额外组分共混组分、增强织物、孩先孔负载薄膜 和填料。
16. —种制备用于电化学器件的膜电极组件的方法，包括i) 将第一离聚物层施于载体上，使用催化剂墨水将催化剂层施于第一离聚 物层上，干燥催化剂层并除去载体，ii) 将第二离聚物层施于气体扩散电极上，和iii) 将第一离聚物层与气体扩散电极连结形成膜电极组件。
17. 用于电化学器件的催化剂涂覆的膜(11，23),其包括至少两个彼此 连结的半成品(2,7;24，25)，即包含与阳极催化剂层(5，28)连结的第 一 离聚物 层(4，26)的第一半成品(2，24)和包含与阴极催化剂层(10，29)连结的第二离聚物层(9，27)的第二半成品(7，25)，其中框架(31)与半成品的突出边缘(30)、中 间膜的突出边缘(40)、离聚物层的突出边缘(42)或膜的突出边缘(45)连结， 或者作为中间框架(48)安装于两个离聚物层的边缘(43，44)之间。
18. —种包含至少一种根据权利要求17的催化剂涂覆的膜的燃料电池。
全文摘要
本发明涉及一种制备用于电化学器件的在两侧催化剂涂覆的膜的方法，其包括如下步骤A)通过下述步骤制备第一半成品将第一离聚物层施于第一载体上，使用第一催化剂墨水将阳极催化剂层施于第一离聚物层上，干燥阳极催化剂层；B)通过下述步骤制备第二半成品将第二离聚物层施于第二载体上，使用第二催化剂墨水将阴极催化剂层施于第二离聚物层上，干燥阴极催化剂层；C)从第一和第二离聚物层除去第一和第二载体并通过将第一离聚物层与第二离聚物层连结而将第一半成品与第二半成品连结。
文档编号H01M4/88GK101288192SQ200680038346
公开日2008年10月15日 申请日期2006年8月15日 优先权日2005年8月16日
发明者A·赫沃罗斯特, H·默瓦尔德, I·亨尼希, S·塔特 申请人:巴斯夫欧洲公司