DE102007052636A1

DE102007052636A1 - Brennstoffzellensubstrat mit einem Überzug

Info

Publication number: DE102007052636A1
Application number: DE102007052636A
Authority: DE
Inventors: Frank Coms; Jeanette E. O'hara
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2006-11-08
Filing date: 2007-11-05
Publication date: 2008-07-31
Also published as: JP5079457B2; JP2008159573A; CN101188303A; US20080107945A1

Abstract

Ein Brennstoffzellensubstrat mit einem Überzug, der ein Ionomer aufweist, das modifiziert ist, so dass es eine Cer- oder Mangan-Gruppe aufweist, und Verfahren zur Herstellung und Verwendung desselben.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Das Gebiet, zu dem die Offenbarung allgemein gehört, umfasst Brennstoffzellen und Komponenten derselben mit Ionomerüberzügen, Elektroden, Membranen, katalysatorbeschichteten Membranen, katalysatorbeschichteten Diffusionsmedien und Produkten, die diese enthalten, und Verfahren zum Herstellen und Verwenden derselben.
HINTERGRUND
Brennstoffzellen, die Festpolyelektrolytmembranen verwenden, sind bekannt. Fachleute arbeiten kontinuierlich an Membranen, Membrananordnungen und Verfahren zur Herstellung und Verwendung derselben, die die Haltbarkeit der Membranen verbessern, und stellen alternative Ausführungsformen bereit. Die vorliegende Erfindung sieht eine Alternative zu Membranen, Membrananordnungen und Verfahren zum Herstellen und Verwenden derselben nach dem Stand der Technik vor.
ZUSAMMENFASSUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
Eine Ausführungsform der Erfindung umfasst ein Produkt, das ein Brennstoffzellensubstrat mit einem Überzug über dem Substrat umfasst, wobei der Überzug ein Ionomer umfasst, das eine Ce- oder Mn-Gruppe umfasst.
Eine Ausführungsform der Erfindung umfasst ein Verfahren, das umfasst, dass eine Lösung über einem Brennstoffzellensubstrat aufgetragen wird, wobei die Lösung ein Ionomer aufweist, das mit einem Cer- oder einem Hanganion modifiziert ist.
Eine Ausführungsform der Erfindung umfasst, dass eine Protonengruppe eines Ionomers durch ein Ce- oder Mn-Ion ersetzt wird, was umfasst, dass ein Salz von Ce oder Mn mit dem Ionomer in einer Lösung gemischt wird.
Eine andere Ausführungsform der Erfindung umfasst ein Verfahren, das umfasst, dass ein Ionomer modifiziert wird, was umfasst, dass ein Salz von Ce³⁺ oder Mn²⁺ in einer Lösung, die das Ionomer und einen Träger aufweist, gelöst wird.
Andere beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung offensichtlich. Es sei zu verstehen, dass die detaillierte Beschreibung sowie spezifische Beispiele, während sie beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung offenbaren, nur zu Zwecken der Veranschaulichung und nicht dazu bestimmt sind, den Schutzumfang der Erfindung zu beschränken.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden aus der detaillierten Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen besser verständlich, in welchen:
1 eine Ausführungsform der Erfindung zeigt, die einen Überzug aus Cer- oder Hanganionen modifiziertem Io nomer über einer einen Katalysator aufweisenden Elektrode aufweist;
2 eine Ausführungsform der Erfindung zeigt, die ein Heißpressen einer Elektrode mit einem Katalysator und einem ionenmodifizierten Überzug auf eine Membran unter Verwendung eines Abziehlagenübertragungsprozesses aufweist;
3 eine Ausführungsform der Erfindung zeigt, die eine katalysatorbeschichtete Membran aufweist, die einen Überzug aus ionenmodifiziertem Ionomer aufweist, der unter der Katalysatorschicht liegt;
4 eine andere Ausführungsform der Erfindung zeigt, die ein katalysatorbeschichtetes Diffusionsmedium (mit einer mikroporösen Schicht) aufweist, das eine ionenmodifizierte Ionomerschicht aufweist, die über der Katalysatorschicht liegt;
5 eine andere Ausführungsform der Erfindung zeigt, die ein katalysatorbeschichtetes Diffusionsmedium (ohne eine mikroporöse Schicht) aufweist, das eine innenmodifizierte Ionomerschicht aufweist, die über der Katalysatorschicht direkt auf der Diffusionsmediumschicht liegt;
6 eine Ausführungsform der Erfindung zeigt, die eine katalysatorbeschichtete Membran aufweist, die einen Überzug aus ionenmodifiziertem Ionomer über der Ka talysatorschicht aufweist, die zwischen der Membran und dem Ionomerüberzug angeordnet ist;
7 eine andere Ausführungsform der Erfindung zeigt, die ein katalysatorbeschichtetes Diffusionsmedium (mit einer mikroporösen Schicht) aufweist, das eine innenmodifizierte Ionomerschicht aufweist, die zwischen der Katalysatorschicht und der mikroporösen Schicht angeordnet ist;
8 eine Ausführungsform der Erfindung zeigt, die einen Abschnitt einer Brennstoffzelle aufweist, die eine Membranelektrodenanordnung aufweist, die eine Anoden- und Kathodenschicht und eine innenmodifizierte Ionomerschicht aufweist, die zwischen jeder der Anodenschicht und der Kathodenschicht und der Membran angeordnet ist;
9 eine Ausführungsform der Erfindung zeigt, die einen Abschnitt einer Brennstoffzelle aufweist, die eine Membranelektrodenanordnung aufweist, die eine Anoden- und Kathodenschicht und eine innenmodifizierte Ionomerschicht über jeder der Anodenschicht und der Kathodenschicht aufweist;
10 eine Ausführungsform der Erfindung zeigt, die einen Abschnitt einer Brennstoffzelle aufweist, die eine Membranelektrodenanordnung aufweist, die eine Anoden- und Kathodenschicht und eine innenmodifizierte Ionomerschicht, die zwischen jeder der Anodenschicht und der Kathodenschicht und der Membran angeordnet ist, und eine zweite innenmodifizierte Ionomerschicht über jeder der Anodenschicht und der Kathodenschicht aufweist;
11 ein Diagramm der Spannung in Abhängigkeit der Stromdichte für eine Membranelektrodenanordnung ist, die einen ionomer modifizierten Überzug gemäß einer Ausführungsform der Erfindung aufweist;
12 ein Diagramm der Ergebnisse eines Haltbarkeitstests einer Membranelektrodenanordnung ist, die einen ionomer modifizierten Überzug gemäß einer Ausführungsform der Erfindung aufweist; und
13 eine andere Ausführungsform der Erfindung zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Beschreibung der Ausführungsform(en) ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung bzw. ihren Gebrauch zu beschränken.
Eine Ausführungsform der Erfindung umfasst ein Verfahren, das umfasst, dass ein Ionomer modifiziert wird, indem ein Salz von Ce³⁺ oder Mn²⁺ in einer Lösung gelöst wird, die das Ionomer und einen Träger aufweist. Bei einer Ausführungsform ist das Salz das Carbonatsalz von Ce³⁺ oder Mn²⁺. Bei einer Ausführungsform umfasst das Salz Ce₂(CO₃)₃ oder MnCO₃. Bei einer Ausführungsform kann der Träger Wasser oder einen Alkohol, wie Ethanol, Methanol, Propanol, Butanol oder dergleichen oder Mischungen daraus aufweisen.
Das Ionomermaterial ist ein Polyelektrolytmaterial und ist ionenleitend. Beispiele derartiger geeigneter Polyelektrolytmaterialien sind in dem U.S. Patent Nr. 4,272,353 und 3,134,689 und in dem Journal of Power Sources, Band 28 (1990), Seiten 367–387 beschrieben. Derartige Materialien sind auch als Ionentauscherharze bekannt. Die Harze umfassen Ionengruppen in ihrer Polymerstruktur; eine Ionenkomponente derselben ist von der Polymermatrix fixiert oder gehalten, und zumindest eine andere Ionenkomponente stellt ein mobiles austauschbares Ion dar, das der fixierten Komponente elektrostatisch zugeordnet ist. Die Fähigkeit zum Austausch des mobilen Ions unter geeigneten Bedingungen gegen andere Ionen verleiht diesen Materialien Ionentauschercharakteristiken.
Die Ionentauscherharze können durch Polymerisierung eine Mischung aus Bestandteilen hergestellt werden, von denen einer ein Ionenbestandteil ist. Eine breite Klasse von protonenleitenden Kationentauscherharzen ist das sogenannte Sulfonsäurekationentauscherharz. Bei den Sulfonsäureharzen sind die Kationentauschergruppen Sulfonsäuregruppen, die an der Polymerhauptkette angebunden sind.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist das Ionentauscherharz ein Elektrolyt aus perfluoriertem Sulfonsäurepolymer, der Ionentauschercharakteristiken aufweist. Derartige Polymerelektrolyte sind von E. I. DuPont de Nemours & Company mit der Handelsbezeichnung NAFION^® erhältlich. Andere derartige Polyelektrolytmaterialien sind von Asahi Glass und Asahi Kasei Chemical Company erhältlich. Die Verwendung anderer Polyelektrolytmaterialien, wie, jedoch nicht darauf beschränkt, perfluorierten Kationentauscherharzen, kohlenwasserstoffbasierten Kationentauscherharzen wie auch Anionentauscherharzen liegen alle innerhalb des Schutzumfanges der Erfindung.
Eine andere Ausführungsform der Erfindung umfasst ein Verfahren, das umfasst, dass eine Ionomerlösung auf ein Substrat aufgetragen wird. Die Ionomerlösung umfasst ein Ionomer, das modifiziert ist, so dass es eine Cer- und/oder Manganionengruppe aufweist. Das Ionomer kann wie unten beschrieben modifiziert werden. Bei verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung kann die Ionomerlösung durch Sprühen, Tauchen, Siebdrucken, elektrostatisches Drucken, Schleuderbeschichtung, Walzen oder dergleichen aufgetragen werden. Bei verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung kann das Substrat, auf dem die Ionomerlösung aufgetragen wird, eine Abziehlagen-Unterlage, eine Polyelektrolytmembran, eine Gasdiffusionsmediumschicht, eine mikroporöse Schicht, ein katalysatorbeschichtetes Gasdiffusionsmedium, eine katalysatorbeschichtete Membran oder eine einen Katalysator aufweisende Elektrode aufweisen, ist jedoch nicht darauf beschränkt. Es wird ermöglicht, dass der Träger verdunstet, um einen festen Überzug über dem Substrat vorzusehen.
Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung wurden 50 Gramm Asahi-Kasei-Ionomerlösung (5 Gewichtsprozent Ionomer, Äquivalentgewicht = 900) zu 202 Milligramm (0,44 mmol) Ce₂(CO₃)₃·H₂O hinzugefügt. Die resultierende Lösung wurde kurz auf 40°C erwärmt und über Nacht bei Raumtemperatur gerührt. Die resultierende Lösung wurde mit 200 Gramm Methanol verdünnt, um eine ein-gewichtsprozentige Ionomerlösung herzustellen. Die verdünnte Ionomerlösung (70 ml) wurde auf eine Katalysatorabziehlage gesprüht, um einen endgültigen Ionomerübersprühungsdurchschnitt von etwa 0,2 mg/cm² zu erhalten. Die große Katalysatorabziehlage wurde in Abziehlagen mit 50 cm² für eine Membranelektrodenanordnung gestanzt. Unter Verwendung dieser Vorgehensweise beträgt der Cer-Gehalt in einer 50 cm² Katalysatorabziehlage etwa 0,5 mg Ce (3,6 μmol). Die modifizierten Abziehlagen wurden dann an eine NAFION^®-112-Membran über vier Minuten bei 295°F mit einer Kraft von 4.000 Pfund (300 psi) heißgepresst. Der aktive Bereich der Anode und der Kathode lag bei 38 bzw. 44 cm².
Die Membranelektrodenanordnungen wurden zum Brennstoffzellentest in eine 50 cm² Ausstattung eingepasst. Der Beginn der Lebensdauerleistung der Membranelektrodenanordnung wurde über ihre H₂/Luft-Polarisierungskurve von 0 bis 1,5 A/cm² bei 80°C bewertet. Die Gasdrücke betrugen 150 kPa absolut, und die relativen Feuchten der Anode und Kathode betrugen 100 bzw. 50 %. Die Stöchiometrien lagen für sowohl die Anode als auch die Kathode bei 2,0. Die Platinbeladungen für sowohl die Anoden- als auch Kathodenelektroden betrugen 0,4 mg/cm². 11 ist ein Diagramm der Polarisierungskurve der Spannungen in Abhängigkeit der Stromdichte für eine Membranelektrodenanordnung, die einen Überzug aus Cer modifizierten Ionomer aufweist, im Vergleich zu einer herkömmlichen Membranelektrodenanordnung. 11 ist ein Diagramm der Spannung in Abhängigkeit der Stromdichte für eine Membranelektrodenanordnung, die einen ionomer modifizierten Überzug gemäß einer Ausführungsform der Erfindung aufweist. In 11 repräsentiert die Linie 102 eine Ce-Übersprühung (Ionomer, mit Ce modifiziert), und Linie 100 repräsentiert eine Referenzübersprühung (ohne Ionomer, modifiziert durch ein Ion). 11 zeigt, dass mit der Verwendung von Überzügen aus Metallionen modifiziertem Ionomer der vorliegenden Erfindung kein Leistungsnachteil auftritt.
Die Haltbarkeit der Membranelektrodenanordnung wurde durch Überwachen der Spannung und Fluoridfreisetzraten (FRR) während des Betriebs unter Leerlaufbedingungen bei 95°C und einer relativen Feuchte von 50 % für sowohl die Anode als auch die Kathode bewertet. Spannungsabbauraten und die Fluoridfreisetzraten (FRR) der Membranelektrodenanordnungen dieser Erfindung wurden im Vergleich zu einer Referenz-Membranelektrodenanordnung bewertet, die mit einer herkömmlichen Übersprühung einer nicht modifizierten Ionomerlösung hergestellt wurde. 12 ist ein Diagramm der Ergebnisse des Haltbarkeitstests einer Membranelektrodenanordnung, die einen ionomer modifizierten Überzug gemäß einer Ausführungsform der Erfindung aufweist. In 12 repräsentiert die Linie 104 die Ce-OS-Spannung (d. h. Spannung für Ionomer, das mit Ce-Ionen modifiziert ist), die Linie 106 repräsentiert die Referenzspannung (Ionomer, nicht mit Ionen modifiziert), die Linie 110 repräsentiert FRR der Ce-Übersprühung und Linie 108 repräsentiert eine Referenz-FRR). Es wird deutlich, dass die Verwendung einer metallionenmodifizierten Ionomerübersprühung, wie in dieser Erfindung beschrieben ist, zu dramatischen Verringerungen sowohl der Spannungsabbauraten als auch der FRR führt. Bei dem Beispiel von 12 nimmt die Spannungsabbaurate um einen Faktor von 20 ab und die FRR nimmt um einen Faktor von 500 ab. Diese Ergebnisse demonstrieren, dass die vorliegende Erfindung profunde Verbesserungen der Membranhaltbarkeit bereitstellt.
Nun Bezug nehmend auf 1 kann eine Ausführungsform der Erfindung ein Produkt 10 umfassen, das eine Elektrodenschicht 12 mit einem Katalysator umfasst. Über der Elektrodenschicht 12 ist ein Überzug 14 vorgesehen. Der Überzug 14 umfasst ein Cer- oder Mangan-modifiziertes Ionomer. Der Katalysator kann gestützt oder nicht gestützt sein. Die Elektrodenschicht 12 kann eine Gruppe fein geteilter Partikel, die fein geteilte Katalysatorpartikel, wie Platin, tragen, und ein ionenleitendes Material aufweisen, wie ein protonenleitendes Ionomer, das mit den Partikeln vermischt ist. Die protonenleitenden Materialien können ein Ionomer sein, wie ein perfluoriertes Sulfonsäurepolymer oder beliebige der anderen oben beschriebenen Ionomere sein. Die Katalysatormaterialien können Metalle, wie Platin, Palladium und Mischungen aus Metallen, wie Platin und Molybdän, Platin und Kobalt, Platin und Ruthenium, Platin und Nickel, Platin und Zinn, andere Platinübergangsmetalllegierungen, intermetallische Verbindungen und andere Brennstoffzellenkatalysatoren, die in der Technik bekannt sind, aufweisen. Die Stützpartikel sind elektrisch leitend und können Kohlenstoff aufweisen. Die Stützpartikel können elektrisch leitende Makromoleküle von Aktivkohle, Kohlenstoffnanoröhren, Kohlenstofffasern, Mesoporenkohlenstoff und anderen elektrisch leitenden Partikeln mit geeigneter Oberfläche, um den Katalysator zu stützen, aufweisen, sind jedoch nicht darauf beschränkt. Das Substrat 16 kann ein Abziehlagen-Unterlagenmaterial, eine Polyelektrolytmembran oder eine Gasdiffusionsmediumschicht aufweisen.
Nun Bezug nehmend auf 2 umfasst ein Produkt 10 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung eine Elektrodenschicht 12, die einen Katalysator und einen Überzug 14 über der Katalysatorschicht 12 aufweist. Der Überzug 14 umfasst ein Cer- oder Mangan modifiziertes Ionomer. Ein Substrat 16, das bei dieser Ausführungsform eine Abziehlagen-Unterlage ist, stützt die Elektrodenschicht 12 und den Überzug 14. Die Anordnung kann auf einer Polyelektrolytmembran 18 angeordnet werden, wobei der Überzug 14 zu der Polyelektrolytmembran 18 weist, und so heiß gepresst werden, dass der Überzug 14 und die Elektrodenschicht 12 an der Polyelektrolytmembran 18 anhaften, und die Abziehlagen-Unterlage 16 kann abgezogen werden, um so den in 3 gezeigten resultierenden Aufbau zu erzeugen.
4 zeigt ein Produkt 10 gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung, wobei das Substrat 16 eine Gasdiffusionsmediumschicht 20 und eine optionale mikroporöse Schicht 22 aufweist. Die Gasdiffusionsmedi umschicht 20 und/oder die mikroporöse Schicht 22 sind mit einer Elektrodenschicht 12 beschichtet, um ein erstes katalysatorbeschichtetes Diffusionsmedium vorzusehen. Ein Überzug 14 ist auf das erste katalysatorbeschichtete Diffusionsmedium aufgetragen. Das katalysatorbeschichtete Diffusionsmedium mit dem Überzug 14 kann an einer ersten Seite 17 einer Polyelektrolytmembran 18 angeordnet werden. Eine zweite Schicht eines katalysatorbeschichteten Diffusionsmediums mit einem Überzug 14 kann so angeordnet werden, dass der Überzug 14 mit einer zweiten Seite 19 der Polyelektrolytmembran 18 in Eingriff tritt. Das erste katalysatorbeschichtete Diffusionsmedium mit dem Überzug, die Membran und das zweite katalysatorbeschichtete Diffusionsmedium mit dem Überzug können zusammen heißgepresst werden.
5 zeigt ein Produkt 10 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, das eine Überzugsschicht 14 umfasst, die ein Cer- oder Manganmodifiziertes Ionomer über einem Substrat 16 aufweist. Das Substrat 16 kann eine Gasdiffusionsmediumschicht 20 ohne eine mikroporöse Schicht und eine Katalysatorschicht 12 sein, die zwischen der Gasdiffusionsmediumschicht 20 und der Überzugsschicht 14 angeordnet ist.
6 zeigt ein Produkt 10 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, das eine katalysatorbeschichtete Membran aufweist, die einen Überzug 14 aus ionenmodifiziertem Ionomer über der Katalysatorschicht 12 aufweist, der zwischen der Membran 18 und dem Ionomerüberzug 14 angeordnet ist.
7 zeigt eine zu der in 4 gezeigten alternative Ausführungsform, wobei die Ionomerüberzugsschicht 14 zwischen einer Katalysatorschicht 12 und einer mikroporösen Schicht 22 auf einer Gasdiffusionsmediumschicht 20 angeordnet ist.
8 zeigt ein Produkt 10 gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung, das einen Abschnitt eines Brennstoffzellenstapels aufweist, der eine Polyelektrolytmembran 18 aufweist, die eine Anodenschicht 12a aufweist, die einen Katalysator darin aufweist, der über der Polyelektrolytmembran 18 liegt. Zwischen der Anodenschicht 12a und der Polyelektrolytmembran 18 ist eine erste Überzugsschicht 14a angeordnet. Ähnlicherweise ist eine Kathodenschicht 12c mit einem Katalysator darin vorgesehen, die unter der Polyelektrolytmembran 18 liegt. Ein zweiter Ionomer modifizierter Überzug 14c ist zwischen der Katalysatorschicht 12c und der Polyelektrolytmembran 18 angeordnet. Eine Anodengasdiffusionsmediumschicht 20a und eine optionale mikroporöse Schicht 22a liegen über der Anodenschicht 12a. Eine erste Bipolarplatte 24a liegt über der Anodengasdiffusionsmediumschicht 20a. Die erste Bipolarplatte 24a weist eine erste Seite 26a auf, die eine Vielzahl von Stegen 28a und Kanälen 30a aufweist, die darin definiert sind, um ein Reaktandengasströmungsfeld vorzusehen. Die erste Bipolarplatte 24a kann eine zweite Seite 32a aufweisen, die darin geformte Kühlkanäle 14a aufweist. Ähnlicherweise liegt eine Kathodengasdiffusionsmediumschicht 20c und eine optionale mikroporöse Schicht 22c unter der Kathodenschicht 12c. Es ist eine zweite Bipolarplattenschicht 24c vorgesehen, die unter der Kathodengasdiffusionsmediumschicht 20c liegt. Die zweite Bipolarplatte 24c weist eine erste Seite 26c auf, die eine Vielzahl von Stegen 28c und Kanälen 30c aufweist, um ein Reaktandengasströmungsfeld zu definieren. Die zweite Bipolarplatte 24c weist eine zweite Seite 32c auf, die darin geformte Kühlkanäle aufweist.
9 zeigt eine andere Ausführungsform, bei der eine Überzugsschicht 14aa aus ionenmodifiziertem Ionomer zwischen der Anodenkatalysatorschicht 12a und der mikroporösen Schicht 22a der Anode oder der Ano dengasdiffusionsmediumschicht 20a angeordnet ist. Ähnlicherweise ist eine Überzugsschicht 14cc aus ionenmodifiziertem Ionomer zwischen der Kathodenkatalysatorschicht 12c und der mikroporösen Schicht 22c der Kathode oder der Kathodengasdiffusionsmediumschicht 20c angeordnet.
10 zeigt eine andere Ausführungsform, bei der eine erste Anodenüberzugsschicht 14a aus ionenmodifiziertem Ionomer zwischen der Anodenkatalysatorschicht 12a und der Membran 18 angeordnet ist. Eine zweite Überzugsschicht 14aa aus ionenmodifiziertem Ionomer ist zwischen der Anodenkatalysatorschicht 12a und der mikroporösen Schicht 22a der Anode oder der Anodengasdiffusionsmediumschicht 20a angeordnet. Ähnlicherweise ist eine erste Kathodenüberzugsschicht 14c aus ionenmodifiziertem Ionomer zwischen der Kathodenkatalysatorschicht 12c und der Membran 18 angeordnet. Eine zweite Kathodenüberzugsschicht 14cc aus ionenmodifiziertem Ionomer ist zwischen der Kathodenkatalysatorschicht 12c und der mikroporösen Schicht 22c der Kathode oder der Kathodengasdiffusionsmediumschicht 20c vorgesehen.
13 zeigt eine andere Ausführungsform der Erfindung, die ein Produkt 10 aufweist, das eine Polyelektrolytmembran 18 und eine Anodenunterdichtung 200a über einer ersten Seite 210a der Membran 18 umfasst. Die Anodenunterdichtung 200a weist ein Fenster auf, das darin durch einen Innenrand 202a definiert geformt ist und das einen Abschnitt der ersten Seite 210a der Membran 18 freilegt, der einen aktiven Bereich der Anodenseite der Membran 18 definiert. In dem Anodenunterdichtungsfenster 202a ist eine Anodenüberzugsschicht 14a aus ionenmodifiziertem Ionomer vorgesehen. Der Abschnitt 204a der Anodenüberzugsschicht aus ionenmodifiziertem Ionomer, der die Anodenunterdichtung 200a überlappt, verhindert oder reduziert im Wesentlichen Stiftlöcher entlang des Innen randes 202a der Anodenunterdichtung und unter der Unterdichtung 200a.
Ähnlicherweise kann eine Kathodenunterdichtung 200c über einer zweiten Seite 210c der Membran 18 vorgesehen sein. Die Kathodenunterdichtung 200c weist ein Fenster auf, das darin durch einen Innenrand 202c definiert ist und das einen Abschnitt der zweiten Seite 210c der Membran 18 freilegt, der einen aktiven Bereich der Kathodenseite der Membran 18 definiert. In dem Kathodenunterdichtungsfenster 202c ist eine Kathodenüberzugsschicht 14c aus ionenmodifiziertem Ionomer vorgesehen, die einen Abschnitt 204c aufweist, der einen Abschnitt der Kathodenunterdichtung 200c überlappt. Der Abschnitt 204c der Kathodenüberzugsschicht aus ionenmodifiziertem Ionomer, der die Kathodenunterdichtung 200c überlappt, verhindert oder reduziert im Wesentlichen Stiftlöcher entlang des Innenrandes 202c der Kathodenunterdichtung und unter der Unterdichtung 200c. Die Kathodenkatalysatorschicht 12c kann auch einen Abschnitt 206c aufweisen, der die Kathodenunterdichtung 200c überlappt. Bei dieser Ausführungsform ist die Öffnung in dem Anodenunterdichtungsfenster 202a kleiner als die Öffnung in dem Kathodenunterdichtungsfenster 202c. Beispielsweise kann die Öffnung oder der aktive Bereich an der Anodenseite 38 cm² betragen, während die Öffnung oder der aktive Bereich auf der Kathodenseite 44 cm² betragen kann. Ferner können sich die Enden 208c der Kathodenüberzugsschicht 14c aus ionenmodifiziertem Ionomer seitlich über die Enden 208a der Anodenüberzugsschicht 14a aus ionenmodifiziertem Ionomer hinaus erstrecken.
Die obige Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung ist lediglich beispielhafter Natur und somit werden Abwandlungen nicht als Abweichung von dem Erfindungsgedanken und dem Schutzumfang der Erfindung betrachtet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 4272353 [0024]
- US 3134689 [0024]

Claims

Verfahren, umfassend, dass: eine Ionomerlösung auf ein Substrat aufgetragen wird, das eine Abziehlagen-Unterlage, eine Polyelektrolytmembran, eine Gasdiffusionsmediumschicht, eine mikroporöse Schicht, eine katalysatorbeschichtete Membran, ein katalysatorbeschichtetes Gasdiffusionsmedium und/oder eine Elektrode, die einen Katalysator aufweist, umfasst, wobei die Ionomerlösung ein Ionomer aufweist, das modifiziert ist, so dass es eine Cer- und/oder Mangan-Gruppe aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Substrat eine Elektrode ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Substrat ein Abziehlagen-Unterlagenmaterial umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Substrat eine Polyelektrolytmembran umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Substrat eine Gasdiffusionsmediumschicht umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Substrat eine mit einer mikroporösen Schicht beschichtete Gasdiffusionsmediumschicht umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Auftragen umfasst: Sprühen, Tauchen, Siebdrucken, Walzen, Beschichten und/oder Streichen.
Verfahren nach Anspruch 3, ferner umfassend, dass die Überzugsschicht und das Abziehlagen-Unterlagenmaterial an eine Polyelektrolytmembran heißgepresst werden und das Abziehlagen-Unterlagenmaterial entfernt wird, so dass die Überzugsschicht zu der Polyelektrolytmembran weist.
Verfahren nach Anspruch 5, ferner umfassend, dass der Überzug an einer ersten Seite einer Polyelektrolytmembran angeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 6, ferner umfassend, dass die Überzugsschicht an einer Polyelektrolytmembran angeordnet wird.
Verfahren, umfassend, dass: ein Ionomer modifiziert wird, was umfasst, dass ein Salz von Cer und/oder Mangan in einer Lösung, die ein Ionomer und einen Träger aufweist, gelöst wird.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Salz ein Carbonatsalz von Cer oder Mangan umfasst.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Träger Wasser und/oder Alkohol umfasst.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Träger Ethanol, Methanol, Propanol und/oder Butanol umfasst.
Verfahren nach Anspruch 12, ferner umfassend, dass die Lösung auf eine einen Katalysator umfassende Elektrode aufgetragen wird.
Verfahren nach Anspruch 15, ferner mit einem die Elektrode stützenden Substrat.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei das Substrat ein Abziehlagen-Unterlagenmaterial umfasst.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei das Substrat eine Polyelektrolytmembran umfasst.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei das Substrat eine Gasdiffusionsmediumschicht umfasst.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei das Substrat eine mit einer mikroporösen Schicht beschichtete Gasdiffusionsmediumschicht umfasst.
Verfahren, umfassend, dass: ein Ionomer vorgesehen wird, das Protonengruppen umfasst, zumindest eine der Protonengruppen durch ein Ce- oder Mn-Ion ersetzt wird, was umfasst, dass ein Salz von Ce oder Mn mit dem Ionomer in einer Lösung gemischt wird.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei die Protonengruppen eine Sulfonsäuregruppe umfassen.
Verfahren nach Anspruch 21, ferner mit einem Katalysator in der Lösung.
Verfahren nach Anspruch 21, ferner mit einem Beschichten der Lösung und einem Trocknen derselben, um ein Substrat zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei das Salz Ce₂(CO₃)₃ ist.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei das Salz MnCO₃ ist.
Produkt, mit: einer Elektrodenschicht, die einen Katalysator umfasst, und einem Überzug über der Elektrodenschicht, wobei der Überzug ein Ionomer umfasst, das modifiziert ist, so dass es eine Cer- und/oder Mangan-Gruppe umfasst.
Produkt nach Anspruch 27, wobei das Ionomer ein perfluoriertes Sulfonsäurepolymer umfasst.
Produkt nach Anspruch 27, ferner mit einem Substrat, das unter der Elektrodenschicht liegt.
Produkt nach Anspruch 29, wobei das Substrat ein Abziehlagen-Unterlagenmaterial umfasst.
Produkt nach Anspruch 29, wobei das Substrat eine Polyelektrolytmembran umfasst.
Produkt nach Anspruch 29, wobei das Substrat eine Gasdiffusionsmediumschicht umfasst.
Produkt nach Anspruch 29, wobei das Substrat eine Gasdiffusionsmediumschicht mit einer darauf beschichteten mikroporösen Schicht umfasst.
Produkt nach Anspruch 27, ferner mit einer Polyelektrolytmembran benachbart der Überzugsschicht.
Produkt, mit: zumindest einer Brennstoffzelle mit einer Polyelektrolytmembran, die eine erste Seite und eine entgegengesetzte zweite Seite aufweist, einer Anode über der ersten Seite der Membran und einer Kathode über der zweiten Seite der Membran, und wobei die Anode einen Katalysator zum Spalten eines Brennstoffes umfasst, um Protonen bereitzustellen, und die Kathode einen Katalysator zur Katalysierung der Reaktion eines Protons und Sauerstoff umfasst, einer kathodenseitigen Gasdiffusionsmediumschicht über der Kathode und einer anodenseitigen Gasdiffusionsmediumschicht über der Anode; einem ersten anodenseitigen Ionomerüberzug, der zwischen der Anode und der Membran angeordnet ist oder zwischen der Anode und der anodenseitigen Gasdiffusionsmediumschicht angeordnet ist, wobei der erste anodenseitige Ionomerüberzug ein Ionomer umfasst, das modifiziert ist, so dass es eine Cer- und/oder Mangan-Gruppe umfasst; einem ersten kathodenseitigen Ionomerüberzug, der zwischen der Kathode und der Membran angeordnet ist oder zwischen der Kathode und der kathodenseitigen Gasdiffusionsmediumschicht angeordnet ist, wobei der erste kathodenseitige Ionomerüberzug ein Ionomer umfasst, das modifiziert ist, so dass es eine Cer- und/oder Mangan-Gruppe umfasst.
Produkt nach Anspruch 35, wobei der erste anodenseitige Ionomerüberzug die Cer-Gruppe umfasst und der erste kathodenseitige Ionomerüberzug die Mangan-Gruppe umfasst.
Produkt nach Anspruch 35, wobei der erste anodenseitige Ionomerüberzug die Mangan-Gruppe umfasst und der erste kathodenseitige Ionomerüberzug die Cer-Gruppe umfasst.
Produkt nach Anspruch 35, wobei der erste anodenseitige Ionomerüberzug zwischen der Anode und der Membran angeordnet ist, und ferner mit einem zweiten anodenseitigen Ionomerüberzug, der zwischen der Anode und der anodenseitigen Gasdiffusionsmediumschicht angeordnet ist, wobei der zweite anodenseitige Ionomerüberzug ein Ionomer umfasst, das modifiziert ist, so dass es eine Cer- und/oder Mangan-Gruppe umfasst.
Produkt nach Anspruch 35, wobei der erste kathodenseitige Ionomerüberzug zwischen der Kathode und der Membran angeordnet ist, und ferner mit einem zweiten kathodenseitigen Ionomerüberzug, der zwischen der Kathode und der kathodenseitigen Gasdiffusionsmediumschicht angeordnet ist, wobei der zweite kathodenseitige Ionomerüberzug ein Ionomer umfasst, das modifiziert ist, so dass es eine Cer- und/oder Mangan-Gruppe umfasst.
Produkt, mit: einer Brennstoffzellen-Polyelektrolytmembran, die eine erste Seite und eine zweite Seite aufweist, einer ersten Unterdichtung über der ersten Seite, wobei die erste Unterdichtung einen Innenrand aufweist, der ein erstes Fenster definiert, das einen Abschnitt der ersten Seite der Membran freilegt, einer ersten Überzugsschicht aus ionenmodifiziertem Ionomer, die einen Abschnitt aufweist, der in dem ersten Fenster aufgenommen ist, und wobei ein Abschnitt der ersten Überzugsschicht aus ionenmodifiziertem Ionomer einen Abschnitt der ersten Unterdichtung überlappt.
Produkt nach Anspruch 40, ferner mit einer zweiten Unterdichtung über der zweiten Seite, wobei die zweite Unterdichtung einen Innenrand besitzt, der ein zweites Fenster definiert, das einen Abschnitt der zweiten Seite der Membran freilegt, einer zweiten Überzugsschicht aus ionenmodifiziertem Ionomer, die einen Abschnitt aufweist, der in dem zweiten Fenster aufgenommen ist, und wobei ein Abschnitt der zweiten Überzugsschicht aus ionenmodifiziertem Ionomer einen Abschnitt der zweiten Unterdichtung überlappt.
Produkt nach Anspruch 41, wobei der Bereich der ersten Seite der Membran, der von dem ersten Fenster freigelegt ist, kleiner als der Bereich der zweiten Seite der Membran ist, der von dem zweiten Fenster freigelegt ist.
Produkt nach Anspruch 41, ferner mit einer Anodenkatalysatorschicht, die über der ersten Überzugsschicht aus ionenmodifiziertem Ionomer liegt, und einer Kathodenkatalysatorschicht, die über der zweiten Überzugsschicht aus ionenmodifiziertem Ionomer liegt.
Produkt nach Anspruch 43, wobei die erste Überzugsschicht aus ionenmodifiziertem Ionomer zwischen der Anodenkatalysatorschicht und der Membran angeordnet ist.
Produkt nach Anspruch 43, wobei die zweite Überzugsschicht aus ionenmodifiziertem Ionomer zwischen der Kathodenkatalysatorschicht und der Membran angeordnet ist.
Produkt nach Anspruch 40, wobei die erste Überzugsschicht eine Cer- oder Mangan-Gruppe umfasst.
Produkt nach Anspruch 41, wobei die zweite Überzugsschicht eine Cer- oder Mangan-Gruppe umfasst.