-
TECHNISCHES GEBIET
-
Das
Gebiet, welches die Offenbarung allgemein betrifft, umfasst elektrochemische
Brennstoffzellen und in Brennstoffzellen verwendete Membranelektrodenanordnungen
(MEA).
-
HINTERGRUND
-
Brennstoffzellen
sind effiziente Energiegeräte, die beinahe ohne gefährliche
Emission elektrochemisch Elektrizität von Brennstoffgasen,
wie z. B. Wasserstoff und Methanol, herleiten. Es gibt jedoch Herausforderungen,
welchen die Industrien gegenüberstehen, die versuchen,
solche Vorrichtungen kommerziell einzusetzen. Manche der Herausforderungen
umfassen ein einfaches und wirtschaftliches Verfahren zur Herstellung
von Brennstoffzellen mit hoher Energiedichte und Verlässlichkeit.
Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen sind einer der vielversprechendsten
Brennstoffzellentypen, die potenziell die wirtschaftlichen Herausforderungen
erfüllen können. Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen
sind typischerweise aus einer Baugruppe aus mehreren Membranelektrodenanordnungen
(MEA) hergestellt, die durch Bipolarplatten und Gasströmungskanäle
getrennt sind. Jede der Membranelektrodenanordnungen ist aus einer
Anode, einer Kathode und einer Polymerelektrolytmembran hergestellt, die
zwischen der Anode und der Kathode liegt. Die Anode und die Kathode
einer MEA weisen typischerweise einen Katalysator und einen elektrischen
Leiter auf, die durch ein Bindemittel und/oder ein Ionomerelektrolyt
zusammengehalten sind. Herkömmliche Elektrodenkonstruktionsverfahren
führen schon an sich zu einer überschüssigen
Menge an Ionomer an der Elektrodenoberfläche, welche die
Gasdiffusion zum Katalysator in der Elektrodenschicht für
eine elektrochemische Reaktion behindert. Aufgrund dieser Begrenzung
der Gasdiffusionsgeschwindigkeit verursacht die zusätzliche
Menge an Ionomer an der Elektrodenoberfläche eine signifikante
Reduktion des Spannungsausgangs einer Brennstoffzelle insbesondere
bei hoher Stromdichte. Alternative Verfahren der Elektrodenkonstruktion,
um solche Probleme zu mindern, können zusätzliche
Schritte und zusätzliche Kosten erfordern. Daher besteht
ein Bedarf an einem einfachen und kostengünstigen Verfahren
zur Konstruktion einer Membranelektrodenanordnung und einer Brennstoffzelle
mit niedriger Ionomerkonzentration an der Elektrodenoberfläche.
-
ZUSAMMENFASSUNG BEISPIELHAFTER
AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
-
In
einer Ausführungsform weist eine Membranelektrodenanordnung
(MEA) für Brennstoffzellen eine Polymerelektrolytmembran
mit wenigstens einer Elektrodenschicht auf jeder der zwei gegenüberliegenden
Seiten der Membran auf. Die Elektrodenschicht weist einen Katalysator,
ein elektrisch leitendes Partikelmaterial und ein Ionomer-Bindemittel
auf. Die Konzentration des Ionomer-Bindemittels an der äußeren
Oberfläche der MEA ist niedriger als die Konzentration
des Ionomer-Bindemittels in der Nähe der Elektroden-Membran-Grenzfläche.
Die Elektrodenschicht kann durch Gießen bzw. Verteilen
und Trocknen einer Lösemitteltintenschicht zwischen einer
nicht porösen Ablöseoberfläche und einer
porösen lösbaren Abziehschicht gebildet sein.
-
Eine
andere Ausführungsform der Erfindung umfasst ein Verfahren
zur Herstellung einer Membranelektrodenanordnung, die das Gießen
bzw. Verteilen einer Lösemitteltintenschicht, die ein flüchtiges Lösemittel,
einen Katalysator, ein elektrisch leitendes Partikelmaterial und
ein Ionomer-Bindemittel enthält, auf eine nicht poröse
Ablöseoberfläche; Ablagern einer porösen,
lösbaren Abziehschicht über der Lösemitteltintenschicht;
Trocknen, um das flüchtige Lösemittel von der
Lösemitteltintenschicht zu entfernen, um eine Elektrodenschicht
zu bilden; gemeinsames Abziehen der Elektrodenschicht und der Abziehschicht
von der nicht porösen Ablöseoberfläche;
Bereitstellen einer Polymerelektrolytmembran mit zwei Seiten; Zusammenpressen
der Elektrodenschicht und der Abziehschicht gegen jede der beiden
Seiten der Membran, wobei die Elektrodenschicht in engem Kontakt
mit der Membran steht; Bewirken, dass sich die Elektrodenschicht
sicher an die Membran bindet; und Entfernen der lösbaren
Abziehschicht von der Elektrodenschicht umfasst.
-
Andere
beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung
werden aus der nachstehend bereitgestellten ausführlichen
Beschreibung ersichtlich werden. Es sollte sich verstehen, dass
die ausführliche Beschreibung und die spezifischen Beispiele,
obgleich sie beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung
offenbaren, nur zu Zwecken der Erläuterung vorgesehen sind
und den Bereich der Erfindung nicht einschränken sollen.
-
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
Beispielhafte
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden aus
der ausführlichen Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen
vollständiger verstanden werden, in denen:
-
1 eine
schematische Zeichnung einer Schnittansicht einer MEA gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
-
2 eine
schematische Graphik einer Elektrodenschicht ist, die zwischen einer
nicht porösen Ablöseoberfläche und einer
porösen lösbaren Abziehschicht gebildet ist, mit
dem Konzentrationsprofil des Ionomer-Bindemittels entlang der Dickenausdehnung
der Elektrodenschicht, welches auch in der schematischen Zeichnung
gezeigt ist;
-
3 eine
schematische Zeichnung einer porösen lösbaren
Abziehschicht und einer Elektrodenschicht ist, die zusammen von
einer nicht porösen Ablöseoberfläche
abgezogen werden;
-
4 eine
schematische Zeichnung von zwei Gruppen aus kombinierter poröser
lösbarer Abziehschicht und Elektrodenschicht ist, die auf
beide Seiten einer Polymerelektrolytmembran gepresst werden;
-
5 eine
schematische Zeichnung von zwei porösen lösbaren
Abziehschichten ist, die von den Elektrodenschichten abgezogen werden,
um eine MEA zu bilden.
-
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
-
Die
folgende Beschreibung der Ausführungsform(en) ist lediglich
beispielhafter Art und soll die Erfindung, ihre Anwendung oder Verwendungen in
keiner Weise einschränken.
-
Die
Schnittansicht einer MEA gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist in 1 gezeigt.
Eine Polymerelektrolytmembran 20 liegt zwischen zwei Elektrodenschichten.
Die Elektrodenschicht zur Linken der Polymerelektrolytmembran 20 stellt
eine Anode dar, an der ein Brennstoffgas, Wasserstoff, elektrochemisch
zu Protonen oxidiert wird, indem zwei Elektronen abgegeben werden.
Die Protonen werden durch die Polymerelektrolytmembran 20 zur
Kathode, der Elektrodenschicht an der rechten Seite der Membran,
transportiert. Sauerstoff (oder Luft) diffundiert in die Kathodenschicht,
um sich mit den Protonen durch eine elektrochemische Reaktion zu
verbinden, die Produktwasser erzeugt. Das an der Kathode erzeugte
Wasser wird typischerweise durch den Gasfluss über der
Kathodenoberfläche weggetragen. Elektrizität wird
in den elektrochemischen Prozessen erzeugt, in denen Elektronen
an der Anode produziert und an der Kathode verbraucht werden.
-
Die
Polymerelektrolytmembran 20 ist eine Ionenaustauschharzmembran.
Die Harze enthalten ionische Gruppen in ihrer Polymerstruktur; eine
ionische Komponente davon ist fixiert oder festgehalten durch die
Polymermatrix und wenigstens eine andere ionische Komponente ist
ein mobiles, ersetzbares Ion, das elektrostatisch mit der fixierten
Komponente assoziiert ist. Die Fähigkeit des mobilen Ions,
unter geeigneten Bedingungen durch andere Ionen ersetzt zu werden,
verleiht diesen Materialien Ionenaustauscheigenschaften.
-
Die
Ionenaustauschharze können durch Polymerisieren einer Mischung
von Inhaltsstoffen hergestellt werden, von denen einer einen ionischen
Bestandteil enthält. Eine breite Klasse von Protonen leitenden
Kationenaustauschharzen sind die sogenannten sulfonierten Polymerkationenaustauschharze.
In den sulfonierten Polymermembranen sind die Katio nenaustauschgruppen
hydrierte Sulfonsäureradikale, die kovalent an das Polymerrückgrat
gebunden sind.
-
Die
Ausbildung dieser Ionenaustauschharze zu Membranen oder Bahnen ist
in dem Fachgebiet gut bekannt. Der bevorzugte Typ ist ein sulfoniertes Fluorpolymerelektrolyt,
in dem die gesamte Membranstruktur Ionenaustauscheigenschaften hat
und das Polymer eine fluorierte Rückgratstruktur hat. Diese
Membranen sind handelsüblich erhältlich und ein typisches
Beispiel für eine handelsübliche sulfonierte,
fluorierte, Protonen leitende Membran wird von E. I. DuPont de Nemours & Co unter der
Handelsbezeichnung NAFION vertrieben. Ein anderes derartiges sulfoniertes,
fluoriertes Ionenaustauschharz wird von Dow Chemical vertrieben.
-
Die
Anoden- und die Kathodenelektrodenschicht in der MEA können
in ihren Zusammensetzungen und Dicken unterschiedlich oder gleich
sein. Jede der Elektrodenschichten weist im Allgemeinen einen Katalysator 10,
ein elektrisch leitendes Partikelmaterial 12 und ein Ionomer-Bindemittel 11 auf, wie
schematisch in 1 dargestellt ist. Das Ionomer-Bindemittel
stellt eine Ionenaustauschfunktion bereit, die ähnlich
der Funktion ist, die von der Polymerelektrolytmembran 20 bereitgestellt
wird. Das Ionomer-Bindemittel bindet auch den Katalysator und die
elektrisch leitenden Partikelmaterialien aneinander und schafft
eine starke Bindung zwischen der Elektrodenschicht und der Polymerelektrolytmembran 20.
Der Katalysator für die Anode kann die elektrochemische
Oxidation von Brennstoffgasen, wie z. B. Wasserstoff, Kohlenmonoxid
und Methanol, katalysieren. Der Katalysator für die Kathode
kann die elektrochemische Reduktion von Oxidationsmittelgasen, wie
z. B. Sauerstoff, katalysieren. Das elektrisch leitende Partikelmaterial
stellt elektrische Leitfähigkeit für die Elektrodenschicht
bereit. Es kann auch als Katalysatorträger wirken.
-
Die
in der Anoden- und der Kathodenschicht verwendeten Katalysatoren
können gleich oder unterschiedlich sein. Der Katalysator
ist bevorzugt ein geträgerter Metallkatalysator, der Platin
oder Platinlegierung auf Kohlenstoff umfasst. Der Kohlenstoffträger
hat bevorzugt eine spezifische Oberfläche von 50 bis 2000
m2/g BET-Oberfläche. Innerhalb
dieses Bereichs ist der Metallkatalysator auf dem Kohlenstoffträger
mit guter Dispergierbarkeit und Stabilität geträgert,
wobei er für eine lange Zeit eine ausgezeichnete Aktivität
in den elektrochemischen Reaktionen besitzt. In einer Ausführungsform
wird Platin verwendet, weil es hoch aktiv ist in Bezug auf die Wasserstoffoxidationsreaktion
an der Anode und die Sauerstoffreduktionsreaktion an der Kathode
in einer derartigen MEA-Brennstoffzelle. Eine Platinlegierung kann
auch verwendet werden, um dem Elektrodenkatalysator weitere Stabilität
und Aktivität zu verleihen.
-
Die
zuvor erwähnte Platinlegierung ist bevorzugt eine Legierung,
die Platin und eines oder mehrere Metalle aufweist, die aus der
Gruppe bestehend aus Platingruppenmetallen außer Platin
(Ruthenium, Rhodium, Palladium, Osmium, Iridium), Gold, Silber, Chrom,
Eisen, Titan, Mangan, Kobalt, Nickel, Molybdän, Wolfram,
Aluminium, Silizium, Zink und Zinn ausgewählt sind, und
kann eine Intermetallverbindung von Platin und einem mit Platin
legierten Metall enthalten. Insbesondere in dem Fall, in dem der
Anode ein Kohlenmonoxid enthaltendes Gas zugeführt wird,
ist die Verwendung einer Platin und Ruthenium enthaltenden Legierung
in der Anode bevorzugt, weil die Aktivität des Katalysators
stabilisiert wird.
-
Das
elektrisch leitende Partikelmaterial 12 kann ein beliebiges
inertes leitendendes Material mit relativ hoher Oberfläche
aufweisen. In einer Ausführungsform wird ein partikulärer
Kohlenstoff bzw. Ruß mit einer BET-Oberfläche
von etwa 50 bis etwa 2000 m2/g verwendet.
Der partikuläre Kohlenstoff kann eine Partikelgröße
im Bereich von etwa 0,002–100 Mikron aufweisen. In einer
anderen Ausführungsform werden partikuläre Kohlenstoffmaterialien
mit einer Partikelgröße von 0,02–1 Mikron
und einer BET-Oberfläche von 100–1000 m2/g verwendet. Nicht einschränkende
Beispiele für partikuläre Kohlenstoffe umfassen
Vulcan XC-72R (erhältlich von Cabot Corporation), Ketjenblack
(erhältlich von Noury Chemical Corporation), Kohlenstoff-Nanotube
und Acetylenruß.
-
Das
Ionomer-Bindemittel 11 kann ausgewählt sein aus
beliebigen Ionenaustauschmaterialien, die partikuläre Materialien
binden können und ausreichende Ionenaustauschkapazität
besitzen, um die elektrochemischen Reaktionen auf und in den Elektrodenschichten
aufrecht zu erhalten. In einer erläuternden Ausführungsform
ist das Ionomer-Bindemittel 11 ein Polymerharz mit Ionenaustauschkomponenten,
wie z. B. Carboxylat- oder Sulfonatgruppen in der Molekülstruktur
des Polymers. In einer anderen Ausführungsform ist das
Ionomer-Bindemittel 11 ein Ionenaustauschharz, das ähnlich
dem ist, das in der Polymerelektrolytmembran 20 wie oben
beschrieben verwendet wird. Das Ionomer-Bindemittel 11 kann ein
Gemisch aus einem Ionenaustauschharz und einem Bindemittelharz aufweisen,
um die gewünschten Binde- und Ionenaustauscheigenschaften
bereitzustellen. Das Ionomer-Bindemittel 11 kann in einem flüchtigen
Lösemittel, wie z. B. Wasser und organischen Lösemitteln,
löslich oder dispergierbar sein. Das Ionomer-Bindemittel 11 kann
weich gemacht sein, um eine viskose, haftende Eigenschaft bei erhöhten
Temperaturen zu zeigen, um eine gute Bindung an die Polymerelektrolytmembran 20 in
einem Heißpress-Laminierverfahren zu erleichtern. Nicht einschränkende
Beispiele für Ionomer-Bindemittel umfassen sulfonierte
Fluorpolymere in Lösungen, wie z. B. Nafion-Lösung
(erhältlich von Solution Technologies) und deren Gemisch
mit einer Polytetrafluorethylen-Dispersion.
-
Die
Innenaustausch-Kapazität der Polymerelektrolytmembran 20 und
die des Ionomer-Bindemittelharzes, welche in den Elektrodenschichten
enthalten sind, sind jeweils bevorzugt von 0,5 bis 4,0 Milliäquivalent
(meq)/g trockenes Harz, besonders bevorzugt von 0,7 bis 2,0 meq/g
trockenes Harz.
-
Eine
Lösemitteltinte kann verwendet werden, um die Anoden- und
die Kathodenelektrodenschicht herzustellen. Die Tinte weist ein
flüchtiges Lösemittel, einen Katalysator, ein
elektrisch leitendes Partikelmaterial und ein Ionomer-Bindemittel
auf. Sowohl der Katalysator als auch das elektrisch leitende Partikelmaterial
und das Ionomer-Bindemittel sind oben vollständig beschrieben.
Ein einziges flüchtiges Lösemittel oder ein Lösemittelgemisch
kann verwendet werden, um die Tinte herzustellen, nämlich
eine Lösung oder eine Aufschlämmung, die einen
Katalysator, ein elektrisch leitendes Partikelmaterial und ein Ionomer-Bindemittel
enthält. Andere optionale Komponenten, wie z. B. Feuchthaltemittel,
Wasser abweisende Mittel, oberflächenaktive Stoffe, Polymer-Additive
und andere Stabilisierungsmittel können auch in der Tinte
enthalten sein.
-
Geeignete
flüchtige Lösemittel umfassen, sind aber nicht
eingeschränkt auf Alkohole, Wasser und fluorhaltige Lösemittel.
Alkohole können kurzkettige Alkohole, wie z. B. Methylalkohol,
Ethylalkohol, n-Proplyalkohol, Isopropylalkohol, tert-Butylalkohol und
dergleichen umfassen. Das Mischen eines Alkohols mit Wasser macht
es möglich, die Löslichkeit eines Ionomer-Bindemittelharzes
zu erhöhen. Fluorhaltige Lösmittel können
i) Fluorkohlenwasserstoffe, wie z. B. 2H-Perfluorpropan, 1H,4H-Perfluorbutan, 2H,3H-Perfluorpentan,
3H,4H-Perfluor(2-methylpentan), 2H,5H-Perfluorhexan und 3H-Perfluor(2-methylpentan);
ii) Fluorkohlenstoffe, wie z. B. Perfluor(1,2-dimethylcyclobutan),
Perfluoroctan, Perfluorheptan und Perfluorhexan; iii) Fluorchlorkohlenwasserstoffe,
wie z. B. 1,1-Dichlor-1- fluorethan, 1,1,1-Trifluor-2,2-dichlorethan,
3,3-Dichlor-1,1,1,2,2-pentafluorpropan und 1,3-Dichlor-1,1,2,2,3-pentafluorpropan;
iv) Fluoroether, wie z. B. 1H,4H,4H-Perfluor(3-oxapentan) und 3-Methoxy-1,1,1,2,3,3-hexafluorpropan,
und v) fluorhaltige Alkohole, wie z. B. 2,2,2-Trifluorethanol, 2,2,3,3,3-Pentafluor-1-propanol
und 1,1,1,3,3,3-Hexafluor-2-propanol umfassen.
-
Falls
die Tinte ein fluorfreies Ionenaustauschharz enthält, können
auch N,N-Dimethylformamid (DMF), Dimethylsulfoxid (DMSO), Methylenchlorid,
Chloroform, Tetrachlorkohlenstoff, 1,1,1-Trichlorethan, 1,1,2-Trichlorethan,
Trichlorethylen und Tetrachlorethylen verwendet werden.
-
Die
Lösemitteltinte kann etwa 0,1–10 Gew.-% Ionomer-Bindemittel,
etwa 0,1–60 Gew.-% elektrisch leitendes Partikelmaterial
und 0,001–12 Gew.-% Katalysator enthalten. Der gesamte
Feststoffgehalt der Tinte kann im Bereich von 0,2 bis etwa 60 Gew.-%
liegen. Die Tinte kann durch einfaches mechanisches Mischen, Hochgeschwindigkeits-Schermischen,
Mahlen oder Ultraschallbehandlung der Tintenkomponenten hergestellt
werden. Beliebige andere, einem Fachmann auf diesem Gebiet bekannte
Verfahren zur Herstellung von Tinte können auch eingesetzt
werden.
-
In
einer Ausführungsform wird die Lösemitteltinte
auf einer nicht porösen Ablöseoberfläche
als dünne Tintenschicht verteilt. Eine poröse,
lösbare Abziehschicht wird über der Tintenschicht
angeordnet, bevor die Tinte trocknet. Eine schematische Zeichnung
der Schnittansicht einer derartigen Tintenschicht ist in 2 dargestellt.
Eine Tintenschicht 50 ist auf diese Weise zwischen einer
nicht porösen Ablöseoberfläche 40 und
einer porösen lösbaren Abziehschicht 30 gebildet.
Wie in 2 gezeigt ist, verdampft das flüchtige
Lösemittel in der Tintenschicht im Wesentlichen durch die
Poren der lösbaren Abziehschicht 30. Eine Elektrodenschicht wird
somit gebildet, wenn das Lösemittel im Wesentlichen aus
der Tinte entfernt ist. Als Ergebnis der Trocknungsanordnung besitzt
die Konzentration des Ionomer-Bindemittels ein einzigartiges Muster
in den drei verschiedenen Regionen entlang der Dickenausdehnung
der Elektrodenschicht, wie schematisch in 2 links von
der Elektrodenschicht gezeigt ist. Die Konzentration des Ionomer-Bindemittels
ist in Region 1, der Oberflächenregion nahe der porösen
lösbaren Abziehschicht, am niedrigsten. In Region 2, der
mittleren Region entlang der Dickenausdehnung der Tintenschicht,
ist die Konzentration des Ionomer-Bindemittels relativ konstant,
aber höher als die Konzentration in Region 1. Die Konzentration
des Ionomer-Bindemittels in Region 3 nahe der nicht porösen
Ablöseoberfläche ist am höchsten. Ein
solches Ionomerkonzentrationsmuster ist in einer Brennstoffzellen-MEA besonders
wünschenswert. Die niedrige Ionomerkonzentration in der
Oberflächenregion (d. h. Region 1) erlaubt eine schnelle
Diffusion und Massentransport sowohl von Brennstoffgas als auch
von Oxidationsmittelgas in die Elektrodenschicht für elektrochemische
Reaktionen, während die hohe Ionomer-Bindemittelkonzentration
in Region 3 eine starke Bindung an die Polymerelektrolytmembran 20 bereitstellt,
um eine haltbare MEA zu bilden. Zusätzlich erleichtert
so ein niedriges Konzentrationsprofil des Ionomer-Bindemittels an
der Elektrodenoberfläche eine Feuchtigkeitskontrolle in
den Elektrodenschichten, um einen geeigneten Feuchtigkeitsgehalt
für ausreichende Ionenleitfähigkeit sicherzustellen
und zu viel Wasseraufbau an der Elektrodenschicht zu vermeiden,
die ein "Fluten" verursacht. Dieses Merkmal kann besonders erwünscht
sein, wenn eine Brennstoffzelle bei einer hohen Stromdichte betrieben
wird, wo hohe Geschwindigkeiten des Gastransports und der elektrochemischen
Reaktionen benötigt werden. Wasser wird als Produkt der
elektrochemischen Reaktion ebenfalls mit einer hohen Geschwindigkeit
in der Kathodenschicht erzeugt. Das durch den oben beschriebenen
Aufbau bereitgestellte Konzentrationsprofil des Ionomer-Bindemittels kann
die Wasserentfernung und Feuchtigkeitskontrolle stark verbessern.
Schließlich erzeugt die poröse Beschaffenheit
der lösbaren Abziehschicht eine inhärente Oberflächentextur
im Mikromaßstab an der Oberfläche der Elektrodenschicht,
welche die erwünschten schnellen Massentransporteigenschaften weiter
erleichtert.
-
Es
gibt keine besondere Einschränkung bezüglich des
Verfahrens zum Gießen bzw. Verteilen der dünnen
Tintenschicht. Nicht einschränkende Beispiele für
spezifische Verfahren umfassen Batch-Verfahren, wie z. B. ein Rollrakelstreichverfahren,
Spritzbeschichtungsverfahren, Absenkstab-Beschichtungsverfahren,
Rotationsbeschichtungsverfahren, Siebdruckverfahren, Breitschlitzdüsenbeschichtung und
koninuierliche Rakel- oder Walzenstreichverfahren. Das Trocknen
oder die Lösemittelentfernung aus der Tintenschicht kann
durch Erwärmen, Vakuumtrocknen oder eine Kombination daraus
beschleunigt werden.
-
Die
nicht poröse Ablöseoberfläche besitzt
typischerweise eine glatte bzw. weiche Oberflächentextur
und ist für das in der Tinte verwendete Lösemittel
relativ undurchlässig. Die nicht poröse Ablöseoberfläche
kann umfassen, ist aber nicht eingeschränkt auf polierte
Hartchromoberflächen, Chromkomplexe, Silikon oder andere
Siloxan-beschichtete Oberflächen, mit Wachs beschichtete
Oberflächen, Bornitrid-Oberflächen, graphitische
Oberflächen, mit Fluorpolymer beschichtete Oberflächen,
Olefinoberflächen, mit Zinkstearat beschichtete Oberflächen und
mit Talkum beschichtete Oberflächen. Andere, Fachleuten
auf dem Gebiet bekannte, nicht poröse Ablöseoberflächen
können auch verwendet werden. Ein beliebiges geeignetes
Material kann für die nicht poröse Ablöseoberfläche
verwendet werden, solange sich die interessierende Tintenformulierung
davon ablösen kann, ohne die gegossene Elektrodenschicht
zu beschädigen.
-
Die
poröse lösbare Abziehschicht 30 stellt die
erwünschte Kontrolle über den Trocknungsprozess
der Tintenschicht zusätzlich zu einer Oberflächentextur
im Mikromaßstab zur Verfügung. Die Abziehschicht
ist hoch durchlässig für das (die) in der Tinte
verwendete(n) flüchtige(n) Lösemittel. Sie hat auch
Poren im Mikromaßstab und/oder Kanäle quer durch
die Struktur. Die Abziehschicht kann flexibel aber formstabil und
fest sein. Eine Dünnfilm-Abziehschicht kann verwendet werden.
Ein nicht einschränkendes Beispiel für eine poröse,
lösbare Abziehschicht 30 ist eine expandierte
Polytetrafluorethylenmembran, die von W. L. Gore & Associates, Inc.
handelsüblich erhältlich ist. Die poröse
lösbare Abziehschicht kann eine Durchlässigkeit
haben, die durch einen Luftvolumenstrom von 10 bis 50.000 Milliliter pro
Minute pro mm2 bei einem Druckabfall von
70 Millibar über der Abziehschicht gekennzeichnet ist.
In einer Ausführungsform wird eine expandierte Polytetrafluorethylenmembran
mit einem Luftvolumenstrom von 1.000 bis 20.000 Milliliter pro Minute
pro mm2 verwendet. Andere poröse
Polyolefine oder Polyamide können auch verwendet werden,
solange sie eine gute Lösemitteldampfdurchlässigkeit
haben und von der Elektrode abgelöst werden können.
In verschiedenen Ausführungsformen kann ein beliebiges
poröses Polymer, poröses Metall, anderer poröser
Film oder Diffusionsmedium verwendet werden, solange es eine Elektrodenlösemittelverdampfung
ermöglicht, etwas des überschüssigen
Ionomers absorbiert und ablösbar ist. Es gibt Lösemittelsysteme,
welche die Oberflächenenergie und Viskosität optimieren, sodass
eine Absorption von Ionomer in die poröse Abziehschicht
kontrolliert wird (z. B. Concus-Finn-Bedingung).
-
Sobald
die Tintenschicht 50 zwischen der nicht porösen
Ablöseoberfläche 40 und der porösen lösbaren
Abziehschicht 30 getrocknet ist, werden die resultierende
Elektrodenschicht 50 und die poröse lösbare
Abziehschicht 30 zusammen als ein Stück von der
nicht porösen Ablöseoberfläche 40 abgezogen,
wie in 3 schematisch gezeigt ist. Aufgrund ihrer Flexibilität
und Mikrotextur haftet die poröse lösbare Abziehschicht 30 typischerweise
etwas stärker an der Elektrodenschicht als die nicht poröse
Ablöseoberfläche 40.
-
Um
eine MEA zu bilden, werden die Elektrodenschicht 50 und
die poröse lösbare Abziehschicht 30 zusammen über
einer Polymerelektrolytmembran 20 angeordnet, wobei die
Elektrodenschicht 50 in engem Kontakt mit der Membranoberfläche
steht. Nunmehr unter Bezugnahme auf 4 liegt
die Polymerelektrolytmembran zwischen zwei Gruppen kombinierter
Elektrodenschicht 50 und poröser lösbarer Abziehschicht 30.
Die Sandwich-Struktur wird gepresst, bevorzugt und optional bei
erhöhten Temperaturen (z. B. 50°C–300°C),
um eine ausreichende Bindung zwischen der Elektrodenschicht 50 und
der Polymerelektrolytmembran 20 zu ermöglichen.
Wie zuvor erwähnt, können die Elektrodenschichten
an beiden Seiten der Polymerelektrolytmembran 20 gleich
oder unterschiedlich hinsichtlich ihrer Zusammensetzung und Dicke
sein. Eine der Elektrodenschichten wirkt als Anode und die andere
als Kathode. Die Anoden- und Kathodenschichten können unter
Verwendung der gleichen oder unterschiedlicher Tintenformulierungen
individuell hergestellt und in unterschiedlichen Dicken gegossen
werden.
-
Nachdem
sie zusammen mit der Elektrodenschicht 50 auf die Polymerelektrolytmembran 20 gepresst
wurde, wird die poröse lösbare Abziehschicht 30 dann
vorsichtig von der Elektrodenschicht 50 abgezogen, wie
in 5 schematisch dargestellt ist. Wird das Pressverfahren
bei erhöhten Temperaturen durchgeführt, wird das
gepresste Laminat üblicherweise auf Raumtemperatur abkühlen
gelassen, bevor die lösbaren Abziehschichten abgezogen
werden. Nachdem die lösbaren Abziehschichten abgezogen
wurden, wird eine einheitliche MEA erhalten.
-
Brennstoffzellen
können hergestellt werden, indem mehrere gemäß der
vorliegenden Erfindung angefertigte MEA mit Bipolarplatten, die
Gasströmungskanäle aufweisen, abwechselnd gestapelt werden.
Beliebige Fachleuten auf diesem Gebiet bekannte Konfigurationen
und Verfahren können verwendet werden, um Brennstoffzellen
zu konstruieren, welche die oben beschriebenen MEA verwenden. Ein
erläuterndes Beispiel für das Konstruieren einer Brennstoffzelle
aus einer MEA kann in dem in Gemeinschaftsbesitz befindlichen
US-Patent 5,272,017 gefunden
werden.
-
Aus
der in der vorliegenden Erfindung beschriebenen MEA hergestellte
Brennstoffzellen haben viele verschiedene praktische Anwendungen. Die
Brennstoffzellen sind besonders geeignet als Energiegeräte
für Elektrowerkzeuge, Fahrzeugmotoren, elektrische Kraftwerke,
elektrische Notfallversorgung, tragbare elektronische Geräte
und dergleichen. Aufgereinigter Wasserstoff und Luft können
in der Brennstoffzelle als Brennstoffgas bzw. Oxidationsmittelgas
verwendet werden.
-
Die
obige Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung
ist lediglich beispielhafter Art und somit sollen Abwandlungen davon
nicht als Abweichung vom Geist und Bereich der Erfindung angesehen
werden.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-