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TECHNISCHES GEBIET
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Die Anmeldung bezieht sich auf eine Membranelektrodenanordnung (MEA) mit einer niedrigen Ionomerkonzentration an der Oberfläche und ein entsprechendes Herstellungsverfahren.
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HINTERGRUND
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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.
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Die Druckschrift
DE 10 2007 021 956 A1 beschreibt eine herkömmliche Membranelektrodenanordnung mit einer niedrigen Ionomerkonzentration an der Oberfläche und ein entsprechendes Herstellungsverfahren.
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ZUSAMMENFASSUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
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Eine erfindungsgemäße Membranelektrodenanordnung weist eine Polymerelektrolytmembran und zwei Elektrodenschichten, die auf zwei gegenüberliegenden Seiten der Polymerelektrolytmembran angeordnet sind, auf. Die Elektrodenschichten sind jeweils durch Gießen bzw. Verteilen und Trocknen einer Tintenschicht, die ein flüchtiges Lösemittel, ein Ionomer-Bindemittel, ein elektrisch leitendes Partikelmaterial und einen Katalysator aufweist, zwischen einer nicht porösen Ablöseoberfläche und einer porösen lösbaren Abziehschicht gebildet. Jede der Elektrodenschichten lässt sich entlang ihrer Dickenausdehnung in eine erste Region, eine zweite Region und eine dritte Region unterteilen. Die erste Region befindet sich auf der von der Polymerelektrolytmembran abgewandten Seite der Elektrodenschicht, die zweite Region befindet sich zwischen der ersten und der dritten Region und die dritte Region befindet sich auf der der Polymerelektrolytmembran zugewandten Seite der Elektrodenschicht. Die Konzentration des Ionomer-Bindemittels ist an der äußeren Oberfläche der Membranelektrodenanordnung am niedrigsten und steigt in der ersten Region zur zweiten Region hin an. In der zweiten Region ist die Konzentration des Ionomer-Bindemittels konstant und in der dritten Region steigt die Konzentration des Ionomer-Bindemittels zu der Elektroden-Membran-Grenzfläche hin an.
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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.
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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.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden aus der ausführlichen Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen vollständiger verstanden werden, in denen:
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1 eine schematische Zeichnung einer Schnittansicht einer MEA gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
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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;
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3 eine schematische Zeichnung einer porösen lösbaren Abziehschicht und einer Elektrodenschicht ist, die zusammen von einer nicht porösen Ablöseoberfläche abgezogen werden;
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4 eine schematische Zeichnung von zwei Gruppen aus kombinierter poröser lösbarer Abziehschicht und Elektrodenschicht ist, die auf beide Seiten einer Polymerelektrolytmembran gepresst werden;
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5 eine schematische Zeichnung von zwei porösen lösbaren Abziehschichten ist, die von den Elektrodenschichten abgezogen werden, um eine MEA zu bilden.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die folgende Beschreibung der Ausführungsform(en) ist lediglich beispielhafter Art.
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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.
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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.
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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 Kationenaustauschgruppen hydrierte Sulfonsäureradikale, die kovalent an das Polymerrückgrat gebunden sind.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die Ionenaustausch-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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.
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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 der Druckschrift
US 5 272 017 A gefunden werden.
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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.
