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TECHNISCHES GEBIET
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Das
Gebiet, welches die Offenbarung allgemein betrifft, umfasst eine
Membranelektrodenanordnung (MEA) und vor allem eine MEA für eine Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle.
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HINTERGRUND
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Wasserstoff
ist ein sehr attraktiver Brennstoff, weil er sauber ist und eingesetzt
werden kann, um effizient Elektrizität in einer Brennstoffzelle
zu produzieren. Die Automobilindustrie wendet erhebliche Ressourcen
für die
Entwicklung von Wasserstoffbrennstoffzellen als Energiequelle für Fahrzeuge
auf. Solche Fahrzeuge wären
effizienter und würden
weniger Emissionen erzeugen als heutige Fahrzeuge, in denen Verbrennungsmotoren
eingesetzt werden.
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Eine
Wasserstoffbrennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung,
die eine Anode und eine Kathode mit einem Elektrolyt zwischen der
Anode und der Kathode enthält.
Die Anode erhält
wasserstoffreiches Gas oder reinen Wasserstoff und die Kathode erhält Sauerstoff
oder Luft. Das Wasserstoffgas wird in der Anode dissoziiert, sodass
freie Protonen und Elektronen erzeugt werden. Die Protonen treten
durch das Elektrolyt zur Kathode, wo die Protonen mit dem Sauerstoff
und den Elektronen in der Kathode reagieren, sodass Wasser erzeugt
wird. Die Elektronen von der Anode können nicht durch das Elektrolyt
treten. Daher werden die Elektronen durch eine Last geleitet, um
Arbeit auszuführen,
bevor sie zur Kathode geschickt werden. Die Arbeit kann beispielsweise
eingesetzt werden, um ein Fahrzeug zu betreiben.
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Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen
umfassen im Allgemeinen eine Elektronen leitende, feste Polymerelektrolytmembran,
wie z. B. eine Perfluorsulfonsäure-Membran.
Die Anode und die Kathode umfassen typischerweise fein verteilte
katalytische Partikel, die auf Kohlenstoffpartikeln geträgert und
mit einem Ionomer und einem Lösemittel
gemischt sind. Die Kombination aus der Anode, Kathode und Membran
definiert eine Membranelektrodenanordnung (MEA). Die MEA kann auch
ein Gasdiffusionsmedium enthalten, eine poröse Schicht, die für einen
Gas- und Wassertransport durch die MEA notwendig ist. Die Katalysatorschicht
kann auf das Diffusionsmedium aufgetragen sein, beispielsweise kann die
Katalysatorschicht auf das Diffusionsmedium als Aufschlämmung gewalzt
oder gestrichen oder gesprüht
und dann gepresst sein. Es ist auf dem Fachgebiet bekannt, die Membran
zwischen zwei Stücke des
katalysatorbeschichteten Diffusionsmediums einzufügen, wobei
die Katalysatorseiten zur Membran weisen, und dann heiß zu pressen,
um das katalysatorbeschichtete Diffusionsmedium an die Membran zu
binden.
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ZUSAMMENFASSUNG BEISPIELHAFTER
AUSFÜHRUNGSFORMEN
DER ERFINDUNG
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Eine
Ausführungsform
umfasst ein Verfahren, welches das Bereitstellen einer ersten katalysatorbeschichteten
Gasdiffusionsmediumschicht; das Ablagern einer nassen ersten Protonenaustauschmembranschicht über der
ersten katalysatorbeschichteten Gasdiffusionsmediumschicht, um eine erste
Protonenaustauschmembranschicht zu bilden; das Bereitstellen einer
zweiten katalysatorbeschichteten Gasdiffusionsmediumschicht; das
Kontaktieren der zweiten katalysatorbeschichteten Gasdiffusionsmediumschicht
oder der zweiten Protonenaustauschmembranschicht mit der ersten
Protonenaustauschmembranschicht; und das heiße Zusammenpressen bzw. Heißverpressen
der katalysatorbeschichteten Diffusionsschichten und Protonenaustauschmembranschicht(en)
umfasst.
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Andere
beispielhafte Ausführungsformen
der Erfindung werden aus der nachstehend bereitgestellten ausführlichen
Beschreibung offensichtlich werden. Es sollte sich verstehen, dass
die ausführliche Beschreibung
und die spezifischen Beispiele, wenngleich sie beispielhafte Ausführungsformen
der Erfindung zeigen, lediglich zu Zwecken der Erläuterung vorgesehen
sein und den Bereich der Erfindung nicht einschränken sollen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Beispielhafte
Ausführungsformen
der Erfindung werden aus der ausführlichen Beschreibung und den
angefügten
Zeichnungen vollständiger
verstanden werden.
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1 stellt
ein Verfahren gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung dar;
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2 stellt
ein Verfahren gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung dar;
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3 stellt
ein Verfahren gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung dar;
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4A stellt
ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung dar;
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4B stellt
ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung dar;
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4C stellt
ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung dar;
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5 ist
eine Schnittansicht einer Membranelektrodenanordnung gemäß einer
Ausführungsform der
Erfindung;
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6 stellt
ein Verfahren gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung dar;
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7 ist
eine Schnittansicht einer Membranelektrodenanordnung gemäß einer
Ausführungsform der
Erfindung;
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG BEISPIELHAFTER
AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die
folgende Beschreibung der Ausführungsformen
ist lediglich beispielhafter Art und soll die Erfindung, ihre Anwendung
oder Verwendungen in keiner Weise einschränken.
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In
einer Ausführungsform
der Erfindung wird ein Verfahren geschaffen, durch das eine Protonenaustauschmembran
unter Verwendung einer katalysatorbeschichteten Gasdiffusionselektrode
als Substrat hergestellt wird.
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In
einer Ausführungsform
der Erfindung wird eine erste Katalysatorschicht 10 auf
eine erste Gasdiffusionsmediumschicht 12 aufgebracht, um
eine erste katalysatorbeschichtete Gasdiffusionsmediumschicht 16 zu
bilden. Die erste Katalysatorschicht 10 kann geeignete
katalytische Partikel, beispielsweise Metalle, wie z. B. Platin,
Platinlegierungen und andere Katalysatoren enthalten, die Fachleuten
auf dem Gebiet der Brennstoffzellen bekannt sind. Die erste Gasdiffusionsmediumschicht 12 kann
ein herkömmliches
Brennstoffzellen-Gasdiffusionsmaterial sein, wie z. B. ein nicht
gewebtes Kohlefaserpapier, ein gewebtes Kohlenstoffgewebe oder Kohlenstoffschaum. Das
Aufbringen der Katalysatorschicht 10 kann ein beliebiges
geeignetes Aufbringungsverfahren umfassen, beispielsweise Walzen,
Streichen oder Sprühen. In
einer anderen Ausführungsform,
wie in 1 gezeigt ist, wird eine erste mikroporöse Schicht 14 auf die
erste Gasdiffusionsmediumschicht 12 aufgebracht und die
erste Katalysatorschicht 10 wird über der ersten mikroporösen Schicht 14 aufgebracht,
um die erste katalysatorbeschichtete Gasdiffusionsmediumschicht 16 zu
bilden. Das Aufbringen der ersten mikroporösen Schicht 14 kann
ein beliebiges geeignetes Aufbringungsverfahren umfassen, beispielsweise
Walzen oder Streichen. Die mikroporöse Schicht 14 kann
Partikel und ein Bindemittel umfassen. Geeignete Partikel für die mikroporöse Schicht 14 können umfassen,
sind aber nicht eingeschränkt auf
graphitische, graphitisierte oder leitende Kohlenstoffpartikel.
Geeignete Bindemittel für
die mikroporöse
Schicht 14 können
wenigstens eines aus Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyvinylidenfluorid
(PVDF), Fluorethylenpropylen (FEP) oder einem anderen organischen
oder anorganischen hydrophoben Material umfassen.
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Wie
in 2 gezeigt ist, wird in einer Ausführungsform
eine erste nasse Protonenaustauschmembranschicht über der
ersten katalysatorbeschichteten Gasdiffusionsmediumschicht 16 gebildet.
Das Bilden der ersten nassen Protonenaustauschmembranschicht kann
eine beliebige geeignete Technik umfassen, beispielsweise Gießen bzw. Verteilen,
Laminieren, Absorbieren oder Sprühen. Die
erste nasse Protonenaustauschmembranschicht kann einen Träger oder
eine Verstärkungsbahn
enthalten, beispielsweise eine Bahn einer porösen Schicht, beispielsweise
expandiertes Polytetrafluorethylen (ePTFE) oder Teflon. In einer
anderen Ausführungsform
kann die erste nasse Protonenaustauschmembran einen Träger umfassen,
der eines aus einem porösen
Material mit einer Dicke von weniger als 30 μm, einem Papier mit einer Dicke
von weniger als 30 μm,
Polyolefinen, Polyethylen, Polypropylen, Polyester, Polyethylensulfid
oder Polymeren mit einer Kristallschmelztemperatur enthält, die
sich nicht in den Beschichtungslösemitteln
oder -dispergiermitteln lösen,
die verwendet werden, um ein Ionomer in dem Trägermaterial zu absorbieren.
Das poröse
Material oder Papier kann von Crane und Co., Dalton, MA erhalten
werden. Das Polyethylen oder Polypropylen kann von DSM oder Tonen
Chemical Nasu Co., Ltd. Japan erhalten werden. In einer Ausführungsform umfasst
das Bilden Gießen
bzw. Verteilen, wobei eine Verstärkungsbahn
gleichmäßig über der
Katalysatorschicht 10 abgelagert wird und eine Ionomerlösung über der
Verstärkungsbahn
aufgebracht wird. Die Ionomerlösung
kann eine Ionomerdispersion sein, einschließlich Nafion 1000 (20 Gew.-%)
in 40–48
Gew.-% 1-Propanol und 30–38
Gew.-% Wasser, ist aber nicht darauf eingeschränkt. Die Ionomerlösung kann
die Poren der Verstärkungsbahn
infiltrieren oder füllen.
Die Ionomerlösung
kann auch in wenigstens eine der Katalysatorschicht 10 oder
mikroporösen
Schicht 14 eindringen. In einer Ausführungsform kann die Ionomerlösung erwärmt werden,
um die Lösemittel
zu verdunsten und eine getrocknete feste Polymermembran zu schaffen,
die durch das ePTFE verstärkt
ist.
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In
einer anderen Ausführungsform
umfasst das Bilden der ersten nassen Protonenaustauschmembran das
Laminieren, Absorbieren oder Sprühen, wobei
die Verstärkungsbahn
in die Ionomerlösung
getaucht wird, um eine nasse Membran zu bilden, und dann wird diese
nasse verstärkte
Membran gleichmäßig über der
Katalysatorschicht 10 abgelagert.
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Die
erste nasse Protonenaustauschmembranschicht kann getrocknet werden,
beispielsweise unter niedrigem Druck, um eine erste Protonenaustauschmembranschicht 18 zu
bilden.
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In
einer anderen Ausführungsform
kann eine mehrschichtige Beschichtung, welche die Katalysatorschicht 10 und
die erste Protonenaustauschmembranschicht 18 enthält, über der
ersten Gasdiffusionsmediumschicht 12 abgelagert werden.
In einer anderen Ausführungsform
wird die nasse erste mikroporöse
Schicht 14 auf die erste Gasdiffusionsmediumschicht 12 aufgebracht,
getrocknet und gesintert; die nasse erste Katalysatorschicht 10 wird
auf die erste mikroporöse
Schicht 14 aufgebracht; die erste nasse Protonenaustauschmembranschicht kann über der
nassen ersten Katalysatorschicht 10 gebildet werden; und
alle Schichten können
am Ende des Vorgangs gleichzeitig getrocknet werden. Die verschiedenen,
hier beschriebenen Verfahren können
den Bedarf an einem zusätzlichen
Protonenaustauschmembranschichtsubstrat beseitigen, beispielsweise
Filme auf Basis von Polyethylen- und Polypropylenpolymer, die typischerweise
bei der Herstellung und weiteren Verarbeitung einer Protonenaustauschmembranschicht
verwendet werden. Die verschiedenen, hier beschriebenen Verfahren
sind auch eine Alternative, um den Bedarf an einem Katalysator-Abziehsubstrat,
beispielweise einem porösen ePTFE,
oder einem nicht porösen
Substratfilm, beispielsweise Ethylentetrafluorethylen (ETFE) und
einem Heißpress-Übertragungsschritt
zu beseitigen, um die Katalysatorschicht 10 auf die Membran
zu übertragen,
wie es für
die Fertigung von Membranelektrodenanordnungen (MEA) typisch ist.
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Wie
in 3 gezeigt ist, kann in einer Ausführungsform
eine Unterdichtung 20 über
der ersten Protonenaustauschmembranschicht 18 abgelagert werden.
In einer Ausführungsform
kann ein Unterdichtungsmaterial oder -fluid über der ersten Protonenaustauschmembranschicht 18 abgelagert,
gegossen, siebgedruckt oder geformt und verfestigt, gehärtet, oder
getrocknet werden, um eine Unterdichtung 20 zu bilden.
In einer anderen Ausführungsform
kann das Unterdichtungsmaterial oder -fluid als Filmbahn mit Ausschnitten
gegossen, geformt oder aufgebracht werden, um den elektrochemisch
aktiven Bereich der Membranelektrodenanordnung bereitzustellen.
Die Unterdichtung kann gewünschte chemische,
mechanische und elektrische Eigenschaften und Funktionen am Umfang
der fertigen Membranelektrodenanordnung bereitstellen und kann auch
eine integrale, elastomerartige Dichtung enthalten.
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In
einer Ausführungsform
ermöglicht
das Aufbringen der nassen Protonenaustauschmembranschicht über der
katalysatorbeschichteten Gasdiffusionsmediumschicht, dass die Membranelektrodenanordnung
unter Verwendung von kontinuierlichen Verfahren, beispielsweise
Walzverfahren, gefertigt werden kann. In einem derartigen Verfahren können einzelne
Bahnen der Membran über
einer katalysatorbeschichteten Diffusionsmediumschicht von einer
längeren
oder kontinuierlichen Bahn geschnitten werden. Beispielweise kann
die erste katalysatorbeschichtete Gasdiffusionsmediumschicht mit
der ersten Protonenaustauschmembranschicht darauf in mindestens
zwei Teile geschnitten werden. Dieser Vorgang kann den Bedarf beseitigen,
Bahnen von empfindlichen Membranen zu bearbeiten, und reduziert
auch Ausrichtungsschritte. Der Vorgang kann den Bedarf beseitigen,
ein zusätzliches
Substrat bereitzustellen, beispielsweise einen Kunststoff- oder Polymerfilm,
für den
Zweck der Fertigung oder Beförderung
der Protonenaustauschmembran.
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Wie
in 4A gezeigt ist, wird in einer Ausführungsform
eine zweite Katalysatorschicht 22 auf eine zweite Gasdiffusionsmediumschicht 24 aufgebracht,
um eine zweite katalysatorbeschichtete Gasdiffusionsmediumschicht 26 zu
bilden. Wenigstens ein Teil der zweiten Katalysatorschicht 22 kann
in dem Ausschnitt der Unterdichtung 20 aufgenommen werden.
Die zweite Katalysatorschicht 22 kann geeignete katalytische
Partikel enthalten, beispielsweise Metalle, wie z. B. Platin, Platinlegierungen
und andere, Fachleuten auf dem Gebiet der Brennstoffzellen bekannte
Katalysatoren. Die zweite Gasdiffusionsmediumschicht 24 kann
ein herkömmliches Brennstoffzellen-Gasdiffusionsmaterial
sein, wie z. B. nicht gewebtes Kohlefaserpapier, gewebtes Kohlenstoffgewebe,
oder Kohlenstoffschaum. Das Aufbringen der zweiten Katalysatorschicht 22 kann
ein beliebiges geeignetes Aufbringungsverfahren umfassen, beispielsweise
Walzen, Streichen oder Sprühen.
In einer anderen Ausführungsform
wird eine optionale zweite mikroporöse Schicht 28 auf
die zweite Gasdiffusionsmediumschicht 24 aufgebracht und
die zweite Katalysatorschicht 22 wird auf der zweiten mikroporösen Schicht 28 aufgebracht,
um die zweite katalysatorbeschichtete Gasdiffusionsmediumschicht 26 zu
bilden. Die mikroporöse
Schicht 28 kann Partikel und ein Bindemittel enthalten.
Geeignete Partikel für die
mikroporöse
Schicht 28 können
einschließen, sind
aber nicht eingeschränkt
auf graphitische, graphitisierte oder leitende Kohlenstoffpartikel.
Geeignete Bindemittel für
die mikroporöse
Schicht 28 können wenigstens
eines aus Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyvinylidenfluorid (PVDF),
Fluorethylenpropylen (FEP) oder anderem organischen oder anorganischen
hydrophoben Material enthalten.
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Das
Aufbringen der zweiten mikroporösen Schicht 28 kann
ein beliebiges geeignetes Aufbringungsverfahren umfassen, z. B.
Walzen, Streichen oder Sprühen.
Die zweite katalysatorbeschichtete Gasdiffusionsmediumschicht 26 und
die über
der ersten katalysatorbeschichteten Gasdiffusionsmedi umschicht 16 gebildete
erste Protonenaustauschmembranschicht 18 können heiß zusammengepresst
werden. Nach dem Heißpressen
können
die zweite katalysatorbeschichtete Diffusionsmediumschicht 26 und die über der
ersten katalysatorbeschichteten Gasdiffusionsmediumschicht 16 gebildete
erste Protonenaustauschmembranschicht 18 in wenigstens
zwei Teile geschnitten werden. Alternativ können einzelne Bahnen vor dem
Heißpressen
in wenigstens zwei Teile schnitten werden. In einer Ausführungsform werden
vor dem Heißpressen
die Unterdichtungen 20 über
der ersten Protonenaustauschmembranschicht 18 abgelagert.
In einer Ausführungsform kann
ein Unterdichtungsmaterial oder -fluid über der ersten Protonenaustauschmembranschicht 18 abgelagert,
gegossen oder geformt werden und verfestigt, gehärtet oder getrocknet werden,
um eine Unterdichtung 20 zu bilden. In einer anderen Ausführungsform kann
das Unterdichtungsmaterial oder -fluid als Filmbahn mit Ausschnitten
gegossen, geformt oder aufgebracht werden, um den elektrochemisch
aktiven Bereich der Membranelektrodenanordnung bereitzustellen.
Das Heißpressen
ergibt ein in 5 gezeigtes Produkt 30.
Das Verfahren kann den Bedarf beseitigen, Bahnen aus empfindlichen
Membranen zu bearbeiten, und reduziert auch Ausrichtungsschritte. Das
Verfahren kann den Bedarf beseitigen, ein zusätzliches Substrat, beispielsweise
einen Kunststoff- oder Polymerfilm für den Zweck der Fertigung oder Beförderung
der Protonenaustauschmembran bereitzustellen.
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Wie
in 4B gezeigt ist, kann sich die Unterdichtung 20 über den
Rand der ersten Protonenaustauschmembranschicht 18 und
der ersten katalysatorbeschichteten Gasdiffusionsmediumschicht 16 hinaus
erstrecken. In einer anderen, in 4C gezeigten
Ausführungsform
kann eine Elastomerdichtung 19 in Kontakt mit der Unterdichtung 20,
die sich über
den Rand der ersten Protonenaustauschmembranschicht 18 und
der ersten katalysatorbeschichteten Gasdiffusionsmediumschicht 16 erstreckt, bereitgestellt
sein. Bipolarplatten können
vorgesehen sein, um einen Teil der zweiten katalysatorbeschichteten Gasdiffusionsmediumschicht 26 aufzunehmen
und einen Teil der ersten katalysatorbeschichteten Gasdiffusionsmediumschicht 16 und
der ersten Protonenaustauschmembranschicht 18 aufzunehmen,
sodass die Bipolarplatten an der Dichtung 19 angreifen, um
die Reaktantgase zwischen den Bipolarplatten einzufangen. In der
Alternative kann sich die Dichtung 19 über einen Abstand erstrecken,
der ausreicht, um die zweite katalysatorbeschichtete Gasdiffusionsmediumschicht 26 und
die erste katalysatorbeschichtete Gasdiffusionsmediumschicht 16 und die
erste Protonenaustauschmembranschicht 18 zu bedecken.
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In
einer nicht dargestellten Ausführungsform kann
sich die Unterdichtung 20 des in 5 gezeigten
Produkts 30 ebenfalls über
den Rand der ersten Protonenaustauschmembranschicht 18 erstrecken und
die Unterdichtung 20 kann eine Elastomerdichtung 19 enthalten.
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In
einer Ausführungsform
ist die erste katalysatorbeschichtete Gasdiffusionsmediumschicht 16 die
Kathoden-Gasdiffusionsmediumschicht und die zweite katalysatorbeschichtete
Gasdiffusionsmediumschicht 26 ist die Anoden-Gasdiffusionsmediumschicht.
In einer anderen Ausführungsform
ist die erste katalysatorbeschichtete Gasdiffusionsmediumschicht 16 die
Anoden-Gasdiffusionsmediumschicht und die zweite katalysatorbeschichtete
Gasdiffusionsmediumschicht 26 ist die Kathoden-Gasdiffusionsmediumschicht.
Wie in dem Fachgebiet bekannt ist, stellen die Gasdiffusionsmediumschichten 12 und 24 einen
Gastransport zu den Katalysatorschichten 10 bzw. 22 bereit
und die optionalen mikroporösen Schichten 14 und 28 sind
hydrophobe Schichten, die zur Leitung von Wasser von der (den) Protonenaustauschmembran(en)
weg beitragen.
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In
einer anderen, in 6 gezeigten Ausführungsform
wird eine zweite nasse Protonenaustauschmembranschicht über der
zweiten katalysatorbeschichteten Diffusionsmediumschicht 26 abgelagert.
Das Bilden der zweiten nassen Protonenaustauschmembran kann jede
geeignete Technik umfassen, beispielsweise Gießen, Laminieren oder Absorbieren.
Die zweite nasse Protonenaustauschmembran kann einen Träger oder
eine Verstärkungsbahn enthalten,
beispielsweise eine Bahn aus porösem Material,
beispielsweise expandiertem Polytetrafluorethylen (ePTFE) oder Teflon.
In einer anderen Ausführungsform
kann die zweite nasse Protonenaustauschmembran einen Träger aufweisen,
einschließlich
einem aus porösem
Material mit einer Dicke von weniger als 30 μm, einem Papier mit einer Dicke
von weniger als 30 μm,
Polyolefinen, Polyethylen, Polypropylen, Polyestern, Polyethylensulfid
oder Polymeren mit einer Kristallschmelztemperatur, das sich nicht
in den Beschichtungslösemitteln
oder Dispergiermitteln löst,
die verwendet werden, um ein Ionomer in dem Trägermaterial zu absorbieren.
In einer Ausführungsform
umfasst das Bilden Gießen,
wobei eine Verstärkungsbahn
gleichmäßig über der
Katalysatorschicht 22 abgelagert wird und eine Ionomerlösung über der
Verstärkungsbahn
aufgebracht wird. Die Ionomerlösung
kann sein, ist aber nicht eingeschränkt auf eine Ionomerdispersion,
einschließlich Nafion
1000 in 40 Gew.-% 1-Propanol und 60 Gew.-% Wasser. Die Ionomerlösung kann
die Poren der Verstärkungsbahn
infiltrieren oder füllen.
Die Ionomerlösung
kann auch in wenigstens eine der Katalysatorschicht 22 oder
der mikroporösen
Schicht 28 eindringen. In einer Ausführungsform kann die Ionomerlösung erwärmt werden,
um die Lösemittel
zu verdampfen und eine getrocknete, feste Polymermembran bereitzustellen,
die durch das ePTFE verstärkt
ist.
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In
einer anderen Ausführungsform
umfasst das Bilden der zweiten nassen Protonenaustauschmembran Laminieren
oder Absorbieren, wobei die Verstärkungsbahn in die Ionomerlösung getaucht wird,
um eine nasse Membran zu bilden, und dann wird diese nasse verstärkte Membran
gleichmäßig über der
Katalysatorschicht 22 abgelagert.
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Die
zweite nasse Protonenaustauschmembranschicht kann getrocknet werden,
beispielsweise unter Niederdruck, um eine zweite Protonenaustauschmembranschicht 32 zu
bilden.
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Ein
Unterdichtung 20 kann über
der ersten Protonenaustauschmembranschicht 18 abgelagert werden,
wie in 6 gezeigt ist. In einer nicht dargestellten Ausführungsform
kann sich die Unterdichtung 20 aus 6 über den
Rand der ersten Protonenaustauschmembranschicht 18 erstrecken
und die Unterdichtung 20 kann eine Elastomerdichtung 19 aufweisen.
In einer anderen Ausführungsform
wird die Unterdichtung 20 über der zweiten Protonenaustauschmembranschicht 32 abgelagert.
In einer Ausführungsform
werden die Schichten nass zusammengefügt. In einer anderen Ausführungsform
werden die über
der ersten katalysatorbeschichteten Gasdiffusionsmediumschicht 16 gebildete,
erste getrocknete Protonenaustauschmembranschicht 18 und
die über
der zweiten katalysatorbeschichteten Gasdiffusionsmediumschicht 26 gebildete,
zweite getrocknete Protonenaustauschmembranschicht 32 heiß zusammengepresst.
Alternativ können
einzelne Bahnen vor dem Heißpressen
in wenigstens zwei Teile geschnitten werden. Das Heißpressen
ergibt das in 7 gezeigte Produkt 34.
In dieser Ausführungsform
liegt ein Teil der zweiten ionenleitenden Membranschicht 32 über der
Unterdichtung 20 und ein Teil der ersten ionenleitenden
Protonenaustauschmembranschicht 18 liegt unter der Unterdichtung 20.
In einer anderen Ausführungsform
wird die Unterdichtung 20 vor dem Heißpressen nicht über der
ersten Protonenaustauschmembranschicht 18 oder der zweiten
Protonenaustauschmembranschicht 32 abgelagert. In einer
Ausführungsform kann
das Produkt 34 in wenigstens zwei Teile geschnitten werden.
In einer nicht dargestellten Ausführungsform kann sich die Unterdichtung 20 aus 7 auch über den
Rand der ersten Protonenaustauschmembranschicht 18 hinaus
erstrecken und die Unterdichtung 20 kann eine Elastomerdichtung 19 enthalten.
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Die
folgenden Beispiele erläutern
verschiedene Ausführungsformen
der Erfindung.
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Beispiel
1. Von Toray Industries, Inc. erhältliches Kohlefaserpapier wurde
mit einer (Teflonemulsion enthaltenden) mikroporösen Schicht beschichtet, bei
350°C gesintert
und dann mit einer Dispersion aus Platin auf Kohlenstoff (Tanaka)
in einer flüssigen Ionomerlösung beschichtet.
Das mehrfach beschichtete Kohlefasepaper wurde auf einer Platte
mit 80°C erwärmt und
eine Ionomerdispersion (Nafion 1000 in 40 Gew.-% 1-Propanol und 60 Gew.-%
Wasser) wurde unter Verwendung einer Auftragmaschine von Erichsen,
die bei 12,5 mm/s betrieben wurde, mit einem Bird-Applikator mit
einem 12 mil Beschichtungsspalt aufgebracht. Die Ionomerbeschichtung
wurde 1 Stunde bei 80°C
trocknen gelassen. Der Schichtkörper
wurde dann bei 130°C
zwei Stunden erwärmt.
Ein zweites Stück
katalysatorbeschichtete Gasdiffusionsschicht mit einer mikroporösen Schicht
wurde oben auf das getrocknete Ionomer (wobei der Katalysator zur
Ionomerfilmschicht hin gewandt war) mit einer Unterdichtung aus
Kapton-Film dazwischen platziert und der Schichtkörper wurde
bei einem Druck zwischen 20 und 300 Pfund pro Quadratzoll bei zwischen
320 und 250°F
sechs Minuten heißgepresst. Nach
Kühlen
auf Raumtemperatur wurde der resultierende Schichtkörper als
Membranelektrodenanordnung in einer Brennstoffzelle bewertet.
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Beispiel
2. Kohlefaserpapier von Toray wurde mit einer (Teflon-Emulsion enthaltenden)
mikroporösen
Schicht beschichtet, bei 350°C
gesintert und dann mit einer Dispersion von Platin auf Kohlenstoff (Tanaka)
in einer Flüssigionomerlösung beschichtet. Die
Mehrfachschicht wurde dann für
30 Minuten bei 120°C
erwärmt.
Das mehrfach beschichtete Kohlefaserpapier wurde dann auf einer
Platte mit 80°C
erwärmt,
wobei die Katalysatorseite oben war, und eine expandierte Teflonmembran
(Donaldson Tetratex 1316) wurde gleichmäßig oben auf der Katalysatorschicht
des Kohlefaserpapierträgers
verteilt. Ionomerdispersion (Nafion 1000 in 40 Gew.-% 1-Propanol und 60 Gew.-%
Wasser) wurde dann unter Verwendung einer Auftragmaschine von Erichsen,
die bei 12,5 mm/s betrieben wurde, mit einem Bird-Applikator mit
einem 12 mil Beschichtungsspalt aufgebracht. Die Ionomerbeschichtung
trocknete 1 Stunde bei 80°C
und dann 2 Stunden bei 130°C.
Dann wurde eine zweite Bahn katalysatorbeschichtetes Diffusionsmedium
mit einer mikroporösen
Schicht oben auf die getrocknete, ionomerbeschichtete Gasdiffusionsschicht
gelegt, wobei die Katalysatorschichtseite des Kohlenfaserpapiers
zur beschichteten Ionomerschicht hinwies. Der Schichtkörper wurde
dann sechs Minuten bei zwischen 320 und 350°F bei einem Druck von zwischen
20 und 300 Pfund pro Quadratzoll heißgepresst. Nach Kühlen auf
Raumtemperatur wurde der resultierende Schichtkörper als Membranelektrodenanordnung
in einer Brennstoffzelle bewertet.
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Beispiel
3. Eine expandierte Teflonmembran (Donaldson Tetratex 1316) wurde
in Ionomerdispersion (Nafion 1000, DE2020, erhältlich von DuPont de Nemours)
getaucht und dann wurde die nasse Membran gleichmäßig oben
auf der Katalysatorschicht verteilt, die zuvor auf eine gesinterte
mikroporöse Teflonschicht
geschichtet wurde, die sich auf einem Toray Kohlefaserpapierträger (O30)
befand, der wie in Beispiel 1 beschrieben hergestellt worden war.
Der Schichtkörper
wurde dann auf einer Platte mit 80°C einer Auftragmaschine von
Erichsen erwärmt.
Eine zweite Schicht Kohlefaserdiffusionsmedium mit mikroporöser Schicht
und Katalysatorschicht wurde auf die mit Ionomer absorbierte ePTFE-Schicht
aufgebracht, wobei die Katalysatorschicht zur Ionomerschicht hinwies.
Der Schichtkörper
wurde dann bei zwischen 320 und 350°F für sechs Minuten bei einem Druck
von zwischen 20 und 300 Pfund pro Quadratzoll heißgepresst.
Der resultierende Schichtkörper wurde
als Membranelektrodenanordnung in einer Wasserstoff-Luft-Brennstoffzelle
bewertet.
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Beispiel
4. Mehrere Ionomerbeschichtungen können aufeinanderfolgend auf
den wie in den Beispielen 1 und 2 hergestellten Kohlefaserträger aufgebracht
werden, bis die gewünschte
Ionomermembrandicke erzielt ist.
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Beispiel
5. Mehr als eine Schicht von mit Ionomer absorbierter, expandierter
Tetrafluorethylenmembran von Donaldson kann auf die wie in Beispiel 3
hergestellte Ionomerschicht aufgebracht werden. Die Mehrfachschichten
von ePTFE werden so angeordnet, dass die Maschinenrichtung und die
Querrichtung der ePTFE-Schichten diagonal zueinander angeordnet
sind, um die Festigkeit des Schichtkörpers zu verbessern. Alternativ
oder zusätzlich
können
eine oder mehrere Beschichtungen mit Ionomerdispersion auf die Ionomerschicht
in Beispiel 3 aufgebracht werden, bis die gewünschte getrocknete Ionomermembrandicke
erhalten wird.
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Beispiel
6. Eine expandierte Teflon-Membran (Donaldson Tetratex 1316) wurde
in Ionomerdispersion (Nafion 1000, DE2020, erhältlich von DuPont de Nemours)
getaucht und dann wurde die nasse Membran gleichmäßig auf
Glas ausgebreitet. Eine Schicht aus Kohlefaserdiffusionsmedium wurde
auf die nasse, mit Ionomer absorbierte, expandierte Polytetrafluorethylenmembran
aufgebracht. Die Kohlefaser (Toray O30) hatte eine Katalysatorschicht
aus Platin auf Kohlenstoff, die zuvor oben auf eine gesinter te mikroporöse Teflonschicht
geschichtet wurde, die wie in Beispiel 1 beschrieben hergestellt
worden war. Der Schichtkörper
wurde dann auf einer Platte mit 80°C einer Auftragmaschine von
Erichsen erwärmt.
Als er vollständig
trocken war, wurde der Ionomer- und Diffusionsmediumschichtkörper von
dem Glas durch Tauchen in Wasser entfernt, bis der Schichtkörper von
dem Glasträger
gelöst
war. Eine andere Schicht Ionomerdispersion wurde auf die erste Ionomerschicht
auf dem Kohlefaserdiffusionsmedium unter Verwendung eines Bird-Applikators
mit einem 12 mil Spalt aufgebracht und der Schichtkörper wurde
auf der Platte einer Auftragmaschine von Erichsen erwärmt, die
auf 80°C
eingestellt war. Der Schichtkörper
wurde dann schrittweise von 80°C
auf 120°C
erwärmt
und dann vier Stunden bei 120°C
gehalten. Eine zweite Schicht Kohlefaserdiffusionsmedium mit mikroporöser Schicht
und Katalysatorschicht wurde dann auf die Ionomerschicht aufgebracht,
wobei die Katalysatorschicht zur Ionomerschicht hinwies. Der Mehrfachschichtkörper wurde
dann sechs Minuten bei zwischen 320 und 350°F bei einem Druck zwischen 20
und 300 Pfund pro Quadratzoll heißgepresst. Der resultierende
Schichtkörper
wurde dann als Membranelektrodenanordnung in einer Wasserstoff-Luft-Brennstoffzelle
verwendet.
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Werden
die Begriffe „über", „darüberliegend" „liegt darüber" oder dergleichen in Bezug auf die relative
Position von Schichten zueinander verwendet, soll das bedeuten,
dass die Schichten in direktem Kontakt miteinander stehen oder dass
eine zusätzliche
Schicht oder zusätzliche
Schichten zwischen den Schichten eingefügt sein können.
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Die
Beschreibung von Ausführungsformen der
Erfindung ist lediglich beispielhafter Art und somit sollen Varianten
davon nicht als eine Abweichung von dem Geist und Bereich der Erfindung
angesehen werden.