DE102010020166A1 - Nanostrukturierte dünne Katalysatorschichten enthaltende Elektrode und Verfahren zum Herstellen derselben - Google Patents

Nanostrukturierte dünne Katalysatorschichten enthaltende Elektrode und Verfahren zum Herstellen derselben Download PDF

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Abstract

Es wird ein Verfahren des Transferierens einer nanostrukturierten dünnen Katalysatorschicht von ihrem tragenden Substrat zu einem porösen Transfersubstrat und ferner des Verarbeitens und des Restrukturierens der nanostrukturierten dünnen Katalysatorschicht auf dem porösen Transfersubstrat bereitgestellt. Das Verfahren umfasst das Transferieren der nanostrukturierten Katalysatorschicht von ihrem tragenden Substrat auf ein Transfersubstrat. Die nanostrukturierte Katalysatorschicht wird dann verarbeitet und rekonstruiert, einschließlich dem Entfernen der restlichen Materialien und der Zugabe von zusätzlichen Bestandteilen oder Schichten zu der nanostrukturierten Katalysatorschicht auf dem Transfersubstrat. Es werden ebenfalls Verfahren zum Herstellen von mit Katalysator beschichteten Membranen mit der rekonstruierten Elektrode, welche die nanostrukturierte dünne Katalysatorschicht enthält, von rekonstruierten Elektroden-Abziehlagen und von den mit Katalysator beschichteten Protonenaustauschmembranen beschrieben.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegenden Erfindung betrifft allgemein Elektroden für Brennstoffzellen und im Speziellen Elektroden, welche nanostrukturierte dünne Katalysatorschichten enthalten, sowie Verfahren zum Herstellen derselben.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Elektrochemische Umwandlungszellen, welche herkömmlicherweise als Brennstoffzellen bezeichnet werden, erzeugen elektrische Energie durch Verarbeiten von Reaktanden, wie beispielsweise durch die Oxidation und die Reduktion von Wasserstoff und Sauerstoff. Eine typische Polymerelektrolytbrennstoffzelle umfasst eine Polymermembran (beispielsweise eine Protonenaustauschmembran (PEM)) mit Katalysatorschichten auf beiden Seiten davon. Die mit Katalysator beschichtete PEM ist zwischen einem Paar von Gasdiffusionsmedienschichten angeordnet und außerhalb der Gasdiffusionsmedienschichten sind eine Kathodenplatte sowie eine Anodenplatte platziert. Die Komponenten sind komprimiert, um die Brennstoffzelle auszubilden.
  • Die derzeit weithin eingesetzten Brennstoffzellenelektrokatalysatoren sind auf Kohlenstoffträgern getragene Platinnanopartikel. Abhängig von den Katalysatoren und der Beladung weisen die mit auf Kohlenstoff getragenen Platinkatalysatoren hergestellten Elektroden normalerweise eine Dicke von mehreren Mikrometern bis ungefähr 10 oder 20 Mikrometern auf, wobei die Porositäten zwischen 30% und 80% variieren. Einer der Nachteile dieser auf Kohlenstoff getragenen Katalysatoren ist die schlechte Korrosionsbeständigkeit des Kohlenstoffs unter den besonderen Brennstoffzellenbetriebsbedingungen, was zu einer schnellen Abnahme in der Leistungsfähigkeit führt.
  • Die Katalysatorschichten können aus nanostrukturierten dünnen Trägermaterialien hergestellt sein. Die nanostrukturierten dünnen Trägermaterialien weisen Partikel oder dünne Filme aus Katalysator darauf auf. Dünne nanostrukturierte Katalysatorschichten können unter Verwendung von gut bekannten Verfahren hergestellt werden. Ein Beispiel für ein Verfahren zum Herstellen von nanostrukturierten dünnen Katalysatorschichten wird in den US-Patenten mit den Nummern 4,812,352 ; 4,940,854 ; 5,039,561 ; 5,175,030 ; 5,238,729 ; 5,336,558 ; 5,338,430 ; 5,674,592 ; 5,879,827 ; 5,879,828 ; 6,482,763 ; 6,770,337 und 7,419,741 sowie in den US-Patentoffenlegungsschriften mit den Nummern 2007/0059452 , 2007/0059573 , 2007/0082256 , 2007/0082814 , 2008/0020261 , 2008/0020923 , 2008/0143061 und 2008/0145712 , welche hiermit durch Referenz eingeführt werden, beschrieben. Das Grundverfahren umfasst das Abscheiden eines Materials auf einem Substrat, wie beispielsweise auf Polyimid, sowie das Glühen des abgeschiedenen Materials, um eine Schicht aus nanostrukturierten Trägerelementen, welche als Whisker bekannt sind, auszubilden. Ein Beispiel für ein Material, welches eingesetzt werden kann, um die nanostrukturierten Trägerelemente auszubilden ist ”Perylenrot” (N,N'-Di(3,5-xylyl)perylen-3,4,9,10-bis-dicarboximid (kommerziell erhältlich unter dem Handelsnamen "C. I. PIGMENT ROT 149" von der American Hoechst Corp. in Somerset, N. J.)). Dann wird ein Katalysatormaterial auf der Oberfläche der nanostrukturierten Trägerelemente abgeschieden, um eine Katalysatorschicht aus einem nanostrukturierten dünnen Film (NSTF), welcher von 3M erhältlich ist, auszubilden.
  • Die nanostrukturierten dünnen Katalysatorschichten können direkt auf eine Protonenaustauschmembran, wie beispielsweise auf eine Nafion®-Membran, beispielsweise unter Verwendung eines Heißpresslamininierungsverfahrens, überfährt werden. Dann wird das Polyimidsubstrat abgeschält, was die Schicht aus Whiskern auf der Membran haftend zurücklässt.
  • Es ist gezeigt worden, dass diese Arten von dünnen nanostrukturierten Katalysatorschichten hohe katalytische Aktivitäten aufweisen, welche hilfreich dazu sind, die Platinnutzung in Brennstoffzellenstapeln zu verringern. Am wichtigsten ist, dass, weil die Trägerschicht nicht, wie in den herkömmlichen Platinkatalysatoren für Brennstoffzellenanwendungen, aus Kohlenstoff hergestellt ist, die nanostrukturierten dünnen Katalysatorschichten unter den besonderen Brennstoffzellenbetriebsbedingungen gegenüber Korrosion resistenter sind und diese folglich die Lebensdauer der Brennstoffzellen verbessern.
  • Nachdem das Glühverfahren beendet ist, verbleibt allerdings eine dünne Schicht aus restlichem, nicht kristallisierten Perylenrot auf der Oberfläche des Polyimidsubstrats zurück. Wenn die Whisker zu der PEM überführt worden sind und das Polyimidsubstrat abgeschält worden ist, wird daher die Oberfläche der Whisker, welche dem Polyimidsubstrat benachbart war, freigelegt und diese wird die Oberfläche des Membranelektrodenaufbaus (MEA). Folglich wird die Stützschicht aus dem restlichen nicht kristallisierten Perylenrot, welche ursprünglich zu dem Polyimidsubstrat benachbart war, freigelegt. Dies kann für den Brennstoffzellenbetrieb nachteilig sein, weil dies den Wasser- und Gastransfer in die Elektrode hinein und aus der Elektrode heraus blockieren kann.
  • Des Weiteren weist ein aus dieser Art von Whisker-Katalysatorschicht hergestellter MEA einen engen Bereich von Betriebsbedingungen auf (d. h. dieser darf nicht zu trocken oder zu nass sein), um eine gute Leistung zu erreichen. Wenn die Brennstoffzelle unter nassen Bedingungen betrieben wird, kann die dünne Whisker-Schicht, welche weniger als 1 μm dick ist, nicht genug Speicherkapazität für das Produktwasser aufweisen, was zu einem Fluten führt. Unter trockenen Bedingungen wird es erachtet, dass aufgrund der schlechten Protonentransfereigenschaft nicht alle Teile der Whisker genutzt werden, um die Reaktion zu katalysieren.
  • Neben dem zuvor beschriebenen NSTF-Whisker-Katalysator gibt es andere gleichmäßig dispergierte (oder mit einem gewünschten Muster dispergierte) nanostrukturierte Katalysatormaterialien, welche auf einem Substrat präpariert sind. Beispielsweise könnten ausgerichtete Kohlenstoff-Nanoröhrchen, ausgerichtete Kohlenstoff-Nanofasern oder -Nanopartikel und dergleichen auf Silizium oder auf andere Substrate gewachsen werden. Dann werden auf die nanostrukturierten Materialien Katalysatorma terialien abgeschieden. Elektrokatalysator-Abziehlagen, welche solche Materialien enthalten, werden beispielsweise von Hatanaka et al., PEFC Electrodes Based an Vertically Oriented Carbon Nanotubes, 210th ECS Meeting, Abstract #549 (2006), von Sun et al., Ultrafine Platinum Nanoparticles Uniformly Dispersed an Arrayed CNx Nanotubes with High Electrochemical Activity, Chem. Mater. 2005, 17, 3749–3753 und von Warren et al., Ordered Mesoporous Materials from Metal Nanoparticleblock Copolymer Self-Assembly, Science Vol. 320, 1748–1752 (27. Juni 2008) beschrieben.
  • Daher besteht ein Bedarf zum Verarbeiten und Konstruieren einer Elektrode, welche verschiedene Arten von nanostrukturierten dünnen Katalysatorschichten enthält, welche eine gute Leistungsfähigkeit über einen breiten Bereich von Betriebsbedingungen liefern kann.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zum Transferieren von nanostrukturierten dünnen Katalysatorschichten von einem tragenden Substrat auf ein poröses Transfersubstrat, welches mit einem Klebstoff beschichtet ist, bereit. Der Klebstoff wird dann mit geeigneten Lösungsmitteln entfernt und die nanostrukturierte dünne Katalysatorschicht kann auf dem Transfersubstrat, falls gewünscht, weiter verarbeitet werden. Ein solches weiteres Verarbeiten schließt ein, ist aber nicht beschränkt auf ein oder mehrere von Entfernen von jeglichem restlichem Material auf der nanostrukturierten dünnen Katalysatorschicht (beispielsweise von nicht kristallisiertem Perylenrot, welches eingesetzt wird, um eine nanostrukturierte dünne Katalysatorschicht aus Whiskern auszubilden, oder von Katalysatoren, welche eingesetzt werden, um Kohlenstoffnanoröhrchen herzustellen, und dergleichen), Einbau von zusätzlichen Schichten/Materialien, um eine verbesserte Elektrode zu konstruieren, welche die nanostrukturierte dünne Katalysatorschicht enthält (beispielsweise, um die Wasserspeicherkapazität zu erhöhen, oder, um die Leitfähigkeit zu erhöhen). Das poröse Transfersubstrat mit der transferierten nanostrukturierten dünnen Katalysatorschicht kann dann gegen eine PEM gedrückt werden, um die rekonstruierte Elektrode, welche die nanostrukturierte dünne Katalysatorschicht enthält, von dem Transfersubstrat auf die PEM zu überführen, gefolgt von einer Entfernung des Transfersubstrats, um den Membranelektrodenaufbau (MEA) oder die mit Katalysator beschich tete Membran (CCM) zur Verwendung in einem Brennstoffzellenstapel herzustellen.
  • In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Überführen einer nanostrukturierten dünnen Katalysatorschicht von einem tragenden Substrat auf ein poröses Transfersubstrat bereitgestellt. Das Verfahren umfasst das Bereitstellen einer Elektrokatalysator-Abziehlage enthaltend ein tragendes Substrat mit der nanostrukturierten dünnen Katalysatorschicht darauf, wobei die nanostrukturierte dünne Katalysatorschicht eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche aufweist, wobei die erste Oberfläche der nanostrukturierten dünnen Katalysatorschicht benachbart zu dem tragenden Substrat angeordnet ist; Bereitstellen eines porösen Transfersubstrats mit einer benachbarten Klebstoffschicht; Anhaften bzw. Befestigen der zweiten Oberfläche der nanostrukturierten dünnen Katalysatorschicht benachbart zu der Klebstoffschicht, um eine Verbundstruktur auszubilden; Entfernen des tragenden Substrats von der Verbundstruktur sowie Entfernen der Klebstoffschicht von der Verbundstruktur, um eine Elektroden-Abziehlage auszubilden, welche das poröse Transfersubstrat und die nanostrukturierte dünne Katalysatorschicht umfasst, wobei die zweite Oberfläche der nanostrukturierten dünnen Katalysatorschicht benachbart zu dem porösen Transfersubstrat angeordnet ist.
  • Optional kann das poröse Transfersubstrat eine Zwischenschicht, welche zuerst auf die Transferschicht beschichtet worden ist, bevor der Klebstoff darauf beschichtet worden ist, aufweisen. Die Zwischenschicht ist zwischen dem Transfersubstrat und der Klebstoffschicht positioniert, wobei die Zwischenschicht eines oder mehrere von Klebstoff, Ionomer, Kohlenstoffpulver, Kohlenstofffaser, einem Katalysator, Titandioxid, Silica, Nanofasern, Nanoröhrchen oder Mischungen hiervon umfasst, wobei die Zwi schenschicht zwischen dem porösen Transfersubstrat und der nanostrukturierten dünnen Katalysatorschicht angeordnet ist. Wenn die Zwischenschicht einen Klebstoff enthält, umfasst das Verfahren des Weiteren das Entfernen des Klebstoffs in der Zwischenschicht von dem Verbund, um eine verbleibende Zwischenschicht bzw. Zwischenresteschicht auszubilden, nachdem das tragende Substrat entfernt worden ist.
  • Optional kann eine Lösung auf die nanostrukturierte dünne Katalysatorschicht beschichtet werden, nachdem das tragende Substrat und die Klebstoffschicht entfernt worden sind, wobei die Lösung auf der ersten Oberfläche der nanostrukturierten dünnen Katalysatorschicht eine zusätzliche Schicht ausbildet. Die Lösung kann eines oder mehrere von einem Ionomer, Kohlenstoffpulver, Kohlenstofffasern, einem Katalysator, Titandioxid, Silica, Nanofasern, Nanoröhrchen oder Mischungen hiervon enthalten, ist aber nicht darauf beschränkt.
  • In einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen einer mit Katalysator beschichteten Membran bereitstellt. Das Verfahren umfasst das Bereitstellen einer Elektrokatalysator-Abziehlage umfassend ein tragendes Substrat mit einer nanostrukturierten dünnen Katalysatorschicht darauf, wobei die nanostrukturierte dünne Katalysatorschicht eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche aufweist, wobei die erste Oberfläche der nanostrukturierten dünnen Katalysatorschicht benachbart zu dem tragenden Substrat angeordnet ist; Bereitstellen eines porösen Transfersubstrats mit einer benachbarten Klebstoffschicht; Anhaften bzw. Befestigen der zweiten Oberfläche der nanostrukturierten dünnen Katalysatorschicht benachbart zu der Klebstoffschicht, um eine Verbundstruktur auszubilden; Entfernen des tragenden Substrats von der Verbundstruktur und Entfernen der Klebstoffschicht von der Verbundstruktur, um eine Elektroden-Abziehlage auszu bilden, welche das poröse Transfersubstrat und die nanostrukturierte dünne Katalysatorschicht umfasst, wobei die zweite Oberfläche der nanostrukturierten dünnen Katalysatorschicht zu dem porösen Transfersubstrat benachbart ist; Bereitstellen einer Protonenaustauschmembran; Überführen der nanostrukturierten dünnen Katalysatorschicht von der Elektroden-Abziehlage auf eine erste Oberfläche der Protonenaustauschmembran, um eine mit Katalysator beschichtete Membran auszubilden, wobei die erste Oberfläche der nanostrukturierten dünnen Katalysatorschicht benachbart zu der ersten Oberfläche der Protonenaustauschmembran angeordnet ist.
  • In einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Elektroden-Abziehlage bereitgestellt. Die Elektroden-Abziehlage umfasst ein poröses Transfersubstrat sowie eine nanostrukturierte dünne Katalysatorschicht mit einer ersten Oberfläche und mit einer zweiten Oberfläche, wobei die nanostrukturierte dünne Katalysatorschicht von einem tragenden Substrat überführt worden ist, wobei die erste Oberfläche benachbart zu dem tragenden Substrat angeordnet war, und, wobei die zweite Oberfläche der nanostrukturierten dünnen Katalysatorschicht benachbart zu dem porösen Transfersubstrat angeordnet ist.
  • In einer anderen Ausführungsform wird eine mit Katalysator beschichtete Protonenaustauschmembran bereitgestellt. Die mit Katalysator beschichtete Protonenaustauschmembran umfasst eine Protonenaustauschmembran, eine nanostrukturierte dünne Katalysatorschicht mit einer ersten Oberfläche und mit einer zweiten Oberfläche, wobei die nanostrukturierte dünne Katalysatorschicht von einem tragenden Substrat zu einem Transfersubstrat transferiert worden ist, wobei die erste Oberfläche benachbart zu dem tragenden Substrat angeordnet war, wobei die zweite Oberfläche benachbart zu dem Transfersubstrat angeordnet war, und, wobei die erste Oberfläche benachbart zu der Protonenaustauschmembran angeordnet ist.
  • Andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden im Lichte der Beschreibung der vorliegenden Erfindung, welche hier wiedergegeben wird, offensichtlich werden.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die nachfolgende detaillierte Beschreibung spezifischer Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann am besten verstanden werden, wenn diese begleitend zu den nachfolgenden Zeichnungen gelesen wird, in denen gleiche Strukturen mit den gleichen Bezugszeichen wiedergegeben werden, wobei verschiedene Komponenten der Zeichnungen nicht notwendigerweise maßstabsgetreu sind, und in denen:
  • Die 1A–E illustrative Darstellungen eines allgemeinen Verfahrens zum Herstellen einer Elektroden-Abziehlage mit einer nanostrukturierten dünnen Katalysatorschicht gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind,
  • die 2A–D illustrative Darstellungen einer Ausführungsform des Verfahrens zum Herstellen einer Elektroden-Abziehlage mit einer nanostrukturierten dünnen Katalysator-Schicht gemäß der vorliegenden Erfindung sind,
  • die 3A–D SEM-Bilder, von oben nach unten bei verschiedenen Vergrößerungen, einer nanostrukturierten dünnen Katalysatorschicht auf dem porösen Transfersubstrat in dem gemäß dem Verfahren gemäß der 2 hergestellten Zustand 2C zeigen,
  • die 4A–B SEM-Bilder des Querschnitts der nanostrukturierten dünnen Katalysatorschicht auf dem porösen Transfersubstrat der 3 zeigen,
  • die 5A–B von oben nach unten, SEM-Bilder einer nanostrukturierten dünnen Katalysatorschicht auf dem porösen Transfersubstrat in dem gemäß dem Verfahren gemäß der 2 hergestellten Zustand 2D zeigen,
  • die 6A–B SEM-Bilder des Querschnitts der nanostrukturierten dünnen Katalysatorschicht auf dem porösen Transfersubstrat der 5 zeigen,
  • die 7A–D illustrative Darstellungen einer anderen Ausführungsform des Verfahrens zum Herstellen einer Elektroden-Abziehlage, welche eine nanostrukturierte dünne Katalysatorschicht enthält, gemäß der vorliegenden Erfindung sind,
  • die 8A–B SEM-Bilder des Querschnitts einer Ausführungsform einer nanostrukturierten dünnen Katalysatorschicht auf dem porösen Transfersubstrat in dem gemäß dem Verfahren gemäß der 7 hergestellten Zustand 7D zeigen,
  • die 9A–B SEM-Bilder des Querschnitts einer Ausführungsform einer mit Katalysator beschichteten Membran zeigen, welche mit der rekonstruierten nanostrukturierten dünnen Katalysatorschicht-Elektroden-Abziehlage gemäß der 8 hergestellt worden ist,
  • die 10A–D illustrative Darstellungen einer anderen Ausführungsform des Verfahrens zum Herstellen einer Elektroden-Abziehlage, welche eine nanostrukturierte dünne Katalysatorschicht gemäß der vorliegenden Erfindung enthält, sind,
  • die 11A–B SEM-Bilder der Querschnitte von Ausführungsformen der mit Katalysator beschichteten Membran sind, welche mit den rekonstruierten nanostrukturierten dünnen Katalysatorschicht-Elektroden-Abziehlagen, die unter Verwendung des Verfahrens gemäß der 10 hergestellt worden sind, hergestellt worden ist,
  • die 12A–B SEM-Bilder der Querschnitte von Ausführungsformen einer anderen mit Katalysator beschichteten Membran sind, welche mit den rekonstruierten nanostrukturierten dünnen Katalysatorschicht-Elektroden-Abziehlagen unter Verwendung des Verfahrens gemäß der 10 hergestellt worden ist,
  • die 13A–D illustrative Darstellungen einer anderen Ausführungsform des Verfahrens zum Herstellen einer Elektroden-Abziehlage sind, welche eine nanostrukturierte dünne Katalysatorschicht gemäß der vorliegenden Erfindung enthält,
  • die 14A–B SEM-Bilder der Querschnitte von Ausführungsformen der nanostrukturierten dünnen Katalysatorschicht auf dem porösen Transfersubstrat sind, das unter Verwendung des Verfahrens gemäß der 13 hergestellt worden ist,
  • die 15A–B SEM-Bilder der Querschnitte von Ausführungsformen von mit Katalysator beschichteter Membran sind, die mit den porösen nanostrukturierten dünnen Katalysatorschicht-Elektroden-Abziehlagen gemäß der 14 hergestellt worden ist,
  • die 16A–D SEM-Bilder sind, welche Ionomerfilme auf der Oberfläche der Whisker zeigen,
  • die 17A–D TEM-Bilder sind, welche Ionomerfilme auf der Oberfläche der Whisker zeigen,
  • die 18 ein Diagramm ist, welches die Brennstoffzellenleistung eines Membranelektrodenaufbaus gemäß dem Stand der Technik zeigt, welcher durch direktes Überführen der nanostrukturierten dünnen Katalysatorschicht von dem tragenden Substrat auf die PEM hergestellt worden ist,
  • die 19 ein Diagramm ist, welches die Brennstoffzellenleistung eines Membranelektrodenaufbaus zeigt, welcher unter Verwendung der Elektroden-Abziehlage hergestellt worden ist, welche die gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, welche in der 2 gezeigt ist, hergestellte nanostrukturierte dünne Katalysatorschicht enthält, und
  • die 20 ein Diagramm ist, welches die Brennstoffzellenleistung eines Membranelektrodenaufbaus zeigt, welcher unter Verwendung der Elektroden-Abziehlage hergestellt worden ist, welche die gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, welche in der 10 gezeigt ist, hergestellte nanostrukturierte dünne Katalysatorschicht enthält.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zum Transferieren einer nanostrukturierten dünnen Katalysatorschicht von einem tragenden Substrat auf ein poröses Transfersubstrat, welches mit einem Klebstoff beschichtet ist. Die nanostrukturierte dünne Katalysatorschicht kann dann auf dem porösen Transfersubstrat weiterverarbeitet werden. Der Klebstoff kann entfernt werden, und jegliches restliches Material (beispielsweise nicht kristallisiertes Perylenrot, welches zur Herstellung der Whisker eingesetzt worden ist, oder Katalysatoren, welche zur Herstellung von Kohlenstoffnanoröhrchen eingesetzt worden sind, und dergleichen) können ebenfalls entfernt werden. In die Struktur können zusätzliche Schichten eingebaut werden, um, falls erwünscht, die Wasserspeicherkapazität zu erhöhen. Falls erwünscht, können in die nanostrukturierte dünne Katalysatormatrix Ionen leitende Komponenten eingebaut werden. Eine Elektrode, in welcher eine solche nanostrukturierte dünne Katalysatorschicht enthalten ist, zeigt über einen breiten Bereich von Betriebsbedingungen eine gute Leistungsfähigkeit und weist den Vorteil von ihrer hohen Katalysatoraktivität und ihrer hohen Beständigkeit gegenüber Korrosion unter den besonderen Brennstoffzellbetriebsbedingungen auf.
  • Das Verfahren umfasst im Allgemeinen Verfahren zum Transferieren der nanostrukturierten dünnen Katalysatorschicht von dem tragenden Substrat zu einem anderen Substrat. Das tragende Substrat kann das Substrat sein, auf dem die nanostrukturierte dünne Katalysatorschicht gewachsen wurde oder auf der diese getragen wird. Das Transfersubstrat, auf welches die nanostrukturierte dünne Katalysatorschicht überführt werden wird, ist mit einer dünnen Schicht aus temporären Klebstoff und/oder mit einer Schicht, welche Partikel (beispielsweise Kohlenstoffpulver, Kohlenstofffasern, ein Katalysator, Titandioxid, Silica, Nanofasern, Nanoröhrchen oder Mischungen hiervon) und/oder Ionomer und den temporären Klebstoff enthält, vorbeschichtet. Auf diese Weise ist die Katalysatorbeladung (mg/cm2) auf dem Transfersubstrat im Wesentlichen die gleiche wie die für das tragende Substrat, wo die nanostrukturierte dünne Katalysatorschicht ausgebildet wurde.
  • Auf die nanostrukturierte dünne Katalysatorschicht kann eine Ionomerlösung oder eine Tinte, welche Partikel und Ionomer enthält, abgeschieden werden, um, falls erwünscht, weitere Schichten auszubilden. So kann für die spätere MEA- oder CCM-Herstellung eine Elektrode mit einer nanostrukturierten dünnen Katalysatorschicht und mit zusätzlichen Schichten und Komponenten hergestellt werden.
  • Aufgrund des Transfers der nanostrukturierten dünnen Katalysatorschicht von dem tragenden Substrat zu dem Transfersubstrat wird die nanostrukturierte dünne Katalysatorschicht auf dem Transfersubstrat im Vergleich zu dem tragenden Substrat invertiert. Mit anderen Worten ist nach dem Transfer die Oberfläche der nanostrukturierten dünnen Kataly satorschicht, welche auf dem tragenden Substrat freilag, zu dem Transfersubstrat benachbart, wohingegen die Oberfläche, welche zu dem tragenden Substrat benachbart war, freiliegt. Die Oberfläche, welche benachbart zu dem tragenden Substrat war, kann restliche Materialien enthalten, welche eingesetzt worden waren, um die nanostrukturierten Katalysatorträgerelemente auszubilden (beispielsweise restliches nicht kristallisiertes Perylenrot oder Katalysatoren, welche eingesetzt worden waren, um Kohlenstoffnanofasern oder Kohlenstoffnanoröhrchen zu wachsen, und dergleichen), welche durch eine spätere Behandlung gereinigt werden können.
  • Während des MEA- oder CCM-Herstellungsverfahrens wird die nanostrukturierte dünne Katalysatorschicht auf dem Transfersubstrat gegen die PEM heißgepresst und darauf überführt. Wenn das Verfahren durchgeführt ist und das Transfersubstrat entfernt ist, wird die Oberfläche, welche auf dem ursprünglich die nanostrukturierte dünne Katalysatorschicht tragenden Substrat freilag, erneut auf der Oberfläche der CCM freiliegen. Im Allgemeinen ist die auf dem ursprünglichen tragenden Substrat freiliegende Oberfläche im Vergleich zu der gegen das tragende Substrat angeordneten Oberfläche offener. So wäre der durch das zuvor beschriebene Verfahren hergestellte MEA für einen Reaktandengastransport für die Entfernung von Produktwasser vorteilhafter.
  • Mit benachbart meinen wir nächstliegend zu, aber nicht notwendigerweise direkt nächstliegend zu. Wie nachfolgend erörtert, können ein oder mehrere Zwischenschichten vorliegen.
  • Die verbleibende Schicht bzw. Resteschicht ist typischerweise aus übrig gebliebenen Materialien zusammengesetzt, welche eingesetzt worden sind, um die nanostrukturierten Katalysatorträgerelemente auszubilden. Wenn die nanostrukturierte dünne Katalysatorschicht eine Schicht aus aus Perylenrot hergestellten Whiskern ist, ist die Resteschicht beispielsweise aus nicht kristallisiertem Perylenrot zusammengesetzt. Für andere nanostrukturierte dünne Katalysatorschichten wäre die Resteschicht anders. Beispielsweise könnte diese aus Fe- oder Ni-Katalysatoren zusammengesetzt sein, welche eingesetzt worden sind, um Kohlenstoffnanofasern oder Kohlenstoffnanoröhrchen herzustellen.
  • Um die Erörterung in den nachfolgenden Illustrationen zu vereinfachen, wurde eine nanostrukturierte dünne Katalysatorschicht, die aus Perylenrot auf einem tragenden Polyimid-Substrat hergestellt worden ist, als ein spezifisches Beispiel ausgewählt. Aber in dem Fall von anderen Materialsets würde das tragende Substrat von dem Polyimid verschieden sein (beispielsweise Silizium) und könnten die nanostrukturierten Trägerelemente von dem Perylenrot verschieden sein (beispielsweise Kohlenstoffnanoröhrchen).
  • Die 1A bis E illustrieren die allgemeinen Schritte, welche in verschiedenen Ausführungsformen der Verfahren zum Rekonstruieren von nanostrukturierten dünnen Katalysatorschicht-Elektroden-Abziehlagen umfasst sind. Die 1A zeigt ein Transfersubstrat 105, welches mit einer Klebstoffschicht 110 beschichtet ist. Das Transfersubstrat 105 kann jedes steife oder weiche poröse Material sein. Wenn die nanostrukturierte dünne Katalysatorschicht auf einem glatten Substrat hergestellt worden ist, kann ein steiferes Substrat als das Transfersubstrat eingesetzt werden. Steife Substrate können ebenfalls eingesetzt werden, wenn auf das Transfersubstrat eine dicke Schicht des temporären Klebstoffs beschichtet wird, und die Dicke der Klebstoffschicht ist dicker als die Rauhigkeitseigenschaften (beispielsweise Riffelungen) des tragenden Substrats. Beispielsweise, wenn das tragende Substrat ein Oberflächenmerkmal (beispielsweise Riffelun gen) aufweist, welches zwischen dem höchsten und dem niedrigsten Punkt der geriffelten Struktur 6 Mikrometer beträgt, dann sollte die Dicke der Klebstoffschicht größer als 6 Mikrometer sein.
  • Das Transfersubstrat kann porös oder nicht porös sein.
  • Die porösen Transfersubstrate sind bevorzugt, weil die Poren des porösen Transfersubstrats dann als eine Drainage für Abfallprodukte dienen können, welche bei dem Weiterverarbeiten der nanostrukturierten dünnen Katalysatorschicht eingesetzt werden. Dies erlaubt es ebenfalls, dass Vakuum angelegt wird, um dabei zu helfen, die nanostrukturierte dünne Katalysatorschicht an der Stelle zu halten, nachdem der Klebstoff entfernt worden ist. Ein weiches poröses Substrat kann die Oberflächenrauhigkeit auf dem tragenden Substrat in dem Fall, dass die nanostrukturierten dünnen Katalysatorschichten nicht auf glatten Substraten hergestellt worden sind, aufnehmen. Geeignete Arten von porösen Substraten schließen ein, sind aber nicht beschränkt auf poröses Polyethylen (PE), poröses Polypropylen (PPE), poröses Nylon, Polyimid (PI), expandiertes Polytetrafluorethylen (ePTFE) und poröses Siloxan.
  • Ein geeignetes poröses Substrat ist expandiertes Polytetrafluorethlyen (ePTFE). ePTFE ist weich, was es erlaubt, dass dieses die nanostrukturierten dünnen Katalysatorschichten von sowohl der Oberseite als auch von der Unterseite der Riffelungen der Elektroden-Abziehlage, auf der diese gewachsen sind, aufnehmen. ePTFE weist einen anderen Vorteil auf, wenn ein in einer hydrophilen Lösung gelöster Klebstoff eingesetzt wird. Weil ePTFE hydrophob ist, wird lediglich ein dünner Film des Klebstoffs, wie beispielsweise Polyvinylalkohol (PVA), auf der Oberfläche des ePTFE ausgebildet, wenn der Klebstoff aus einer PVA-Wasser-Lösung beschichtet worden ist, und das PVA wird nicht die Poren des ePTFE-Substrats füllen.
  • Die Klebstoffschicht 110 agiert als ein temporärer Klebstoff, wenn die nanostrukturierte dünne Katalysatorschicht und das poröse Substrat zusammenkleben, was die Entfernung der nanostrukturierten dünnen Katalysatorschicht von dem tragenden Substrat erlaubt. Es können alle geeigneten Klebstoffe eingesetzt werden. Vorzugsweise ist der Klebstoff leicht entfernbar und vergiftet nicht den Katalysator. Wasserlösliche Klebstoffe sind bevorzugt, weil diese leicht mit Wasser entfernt werden können. Allerdings können andere Lösungsmittel eingesetzt werden, um, falls erwünscht, den Klebstoff zu entfernen. Geeignete Klebstoffe schließen ein, sind aber nicht beschränkt auf Polyvinylalkohol (PVA), Polyethylenoxid, Polyacrylat, Polyethylenvinylacetat und lösliche Cellulose. Ein geeigneter Klebstoff ist ein wasserlöslicher PVA, beispielsweise ein wasserlöslicher PVA mit einem Molekulargewicht (MW) von ungefähr 10.000. Im Allgemeinen liegt die PVA-Schichtbeladung zwischen ungefähr 3 mg/cm2 und ungefähr 30 mg/cm2 oder zwischen 5 mg/cm2 und ungefähr 10 mg/cm2.
  • Die Klebstoffschicht kann optional, falls erwünscht, ein oder mehrere zusätzliche Materialien enthalten, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Ionomer, Kohlenstoffpulver, Kohlenstofffasern, einen Katalysator, Titandioxid, Silica, Nanofasern oder Nanoröhrchen. Wenn die Klebstoffschicht ein oder mehrere zusätzliche Materialien enthält, sollte in der Schicht genügend Klebstoff vorliegen, so dass die nanostrukturierte dünne Katalysatorschicht daran haften wird. Wenn Ionomer enthalten ist, sollte die Menge von Ionomer ausreichend sein, so dass das Ionomer, vermischt mit dem Klebstoff, die nanostrukturierte dünne Katalysatorschicht halten wird, aber nicht so groß, dass das Ionomer die Poren des porösen Transfersubstrats blockiert. Die Klebstoffschicht enthält vorzugsweise einen Klebstoff, wie beispielsweise PVA, sowie ein Ionomer.
  • Das poröse Transfersubstrat kann entweder hydrophob oder hydrophil sein. Vorzugsweise wird ein in einer wässrigen oder hydrophilen Lösung löslicher Klebstoff aufgebracht, wenn das poröse Transfersubstrat hydrophob ist, oder umgekehrt. Die erlaubt es, dass ein dünner Film des Klebstoffs lediglich auf der Oberfläche des porösen Transfersubstrats ausgebildet wird. Auf diese Weise werden die Poren anfänglich nicht mit dem Klebstoff gefüllt.
  • Wie in der 1B dargestellt, wird eine Elektroden-Abziehlage bereitgestellt. Die Elektroden-Abziehlage umfasst ein tragendes Substrat 115 mit einer nanostrukturierten dünnen Katalysatorschicht 125 darauf. In manchen Fällen kann zwischen dem tragenden Substrat 115 und der nanostrukturierten dünnen Katalysatorschicht 125 eine Resteschicht 120 aus dem Material, welches eingesetzt worden ist, um die nanostrukturierten Katalysatorträgerelemente auszubilden, vorliegen. Die nanostrukturierte dünne Katalysatorschicht weist eine erste Oberfläche 122 benachbart zu dem tragenden Substrat und eine freiliegende zweite Oberfläche 128 auf.
  • Geeignete Elektroden-Abziehlagen, welche aus Perylenrot hergestellte Whisker auf einem Polyimid-Substrat enthalten, sind als NSTF-Katalysatorschichten bekannt und sind von 3M kommerziell erhältlich. Andere Elektroden-Abziehlagen mit nanostrukturierten dünnen Katalysatorschichten könnten ebenfalls eingesetzt werden. Die nanostrukturierten Katalysatormaterialien sind entweder gleichmäßig auf dem Substrat dispergiert oder in einem gewünschten Muster auf dem Substrat dispergiert. Beispielsweise könnten ausgerichtete Kohlenstoffnanoröhrchen, ausgerichtete Kohlenstoffnanofasern oder -nanopartikel und dergleichen mit gleichmäßig dispergiertem Katalysator eingesetzt werden. Elektroden- Abziehlagen, welche solche Materialien enthalten, sind beispielsweise von Hatanaka et al., PEFC Electrodes Based an Vertically Oriented Carbon Nanotubes, 210th ECS Meeting, Abstract #549 (2006), von Sun et al., Ultrafine Platinum Nanoparticles Uniformly Dispersed an Arrayed CNx Nanotubes with High Electrochemical Activity, Chem. Mater. 2005, 17, 3749–3753, und von Warren et al., Ordered Mesoporous Materials from Metal Nanoparticle-block Copolymer Self-Assembly, Science Vol. 320, 1748–1752 (27. Juni 2008) beschrieben worden.
  • Die nanostrukturierte dünne Katalysatorschicht auf dem tragenden Substrat wird invertiert und die zweite Oberfläche 128 der nanostrukturierten dünnen Katalysatorschicht 125 wird in Kontakt mit der Klebstoffschicht 110 platziert, um eine Verbundstruktur auszubilden. Geeignete Verfahren schließen ein, sind aber nicht beschränkt auf statisches Pressen mit Hitze und Druck oder für kontinuierliche Walzenproduktion, Laminieren, Quetschwalzen oder Kalandern. Das tragende Substrat 115 wird dann entfernt (beispielsweise durch Abschälen des tragenden Substrats). Wie in der 1C dargestellt, verbleibt, nachdem das tragende Substrat entfernt worden ist, die Resteschicht 120 (falls vorhanden) auf der nanostrukturierten Katalysatorschicht 125 zurück.
  • Die Klebstoffschicht 110 wird dann durch ein geeignetes Verfahren, wie in der 1D dargestellt, entfernt. Ein Beispiel für ein geeignetes Verfahren umfasst das Spülen der Verbundstruktur mit einem Lösungsmittel, um den Klebstoff zu lösen. Das Lösungsmittel befeuchtet vorzugsweise die Oberfläche des porösen Transfersubstrats 105. Geeignete Lösungsmittel schließen ein, sind aber nicht beschränkt auf Wasser/Alkohol-Mischungen, wie beispielsweise eine Wasser/Isopropanol-(IPA)-Mischung, wenn ein ePTFE-Substrat eingesetzt wird. Der Alkohol in der Wasser/Alkohol-Mischung hilft dabei, das hydrophobe ePTFE-Substrat zu befeuchten und die Poren des porösen Substrats agieren als eine Drainage für das Lösungsmittel.
  • Die nanostrukturierte dünne Katalysatorschicht 125 kann weiter behandelt werden, um die Resteschicht 120 (falls notwendig) zu entfernen, was die erste Oberfläche 122 der nanostrukturierten dünnen Katalysatorschicht 125 freilegt. Die Resteschicht 120 kann durch jedes geeignete Verfahren entfernt werden. Ein Beispiel für ein geeignetes Verfahren ist das Spülen der nanostrukturierten dünnen Katalysatorschicht mit einem Lösungsmittel, um die Resteschicht aufzulösen. Wenn die nanostrukturierte dünne Katalysatorschicht aus Perylenrot hergestellte Whisker umfasst, schließen geeignete Lösungsmittel für Perylenrot ein, sind aber nicht beschränkt auf Mischungen aus Wasser, Aceton, n-Propanol (NPA) oder 1-Methyl-2-pyrolidon (NMP). Wasser/NPA-Mischungen können kleine Mengen von Perylenrot (niedrige Löslichkeit) lösen. NMP scheint sehr wirksam zu sein, um Perylenrot aufzulösen, aber dieses weist einen hohen Siedepunkt auf und folglich ist ein weiteres Spülen mit Lösungsmittel erforderlich, um dieses vollständig zu entfernen.
  • Folglich sind Mischungen der zuvor genannten Lösungsmittel bevorzugt, um den Reinigungsprozess durchzuführen. Wieder agieren die Poren des porösen Substrats als eine Drainage für das Lösungsmittel und für darin gelöste restliche Materialien. Wenn Fe- oder Ni-Katalysatoren eingesetzt werden, um die Kohlenstoffnanoröhrchen oder Kohlenstoffnanofasern zu wachsen, könnten Salpetersäure, Schwefelsäure und andere Säuren eingesetzt werden, um die restlichen Metalle zu lösen. Es könnte Alkohol zu der sauren Lösung zugegeben werden, um, falls erwünscht, beim Befeuchten des ePTFE-Substrats zu helfen.
  • Die Klebstoffschicht 110 und die Resteschicht 120 können durch Aufbringen von Lösungsmitteln für beide Schichten zur gleichen Zeit gleichzeitig entfernt werden. Alternativ dazu kann eine Schicht nach der anderen entfernt werden. Bei dieser Situation würde die Klebstoffschicht 110 vorzugsweise zuerst entfernt werden, um in dem porösen Transfersubstrat den Pfad zu den Poren zu reinigen.
  • Optional kann, wie in der 1E gezeigt, eine zusätzliche Schicht des Materials 135, falls erwünscht, zugegeben werden. Die zusätzliche Schicht 135 kann ein oder mehrere Materialien enthalten, welche eingesetzt werden können, um die Leistungsfähigkeit der rekonstruierten nanostrukturierten dünnen Katalysatorschicht-Elektrode zu verbessern. Beispielsweise kann ein Ionomer zugegeben werden, um die Protonenleitung der Whisker-Katalysatoren unter trockenen Bedingungen zu verbessern. Es kann eine hydrophobe Komponente, wie beispielsweise PTFE-Partikel, enthalten sein, um die Nassleistung zu verbessern. Es können Kohlenstoff (Pulver, Fasern oder beide) oder Katalysator enthalten sein, um die Gesamtelektrodendicke zu erhöhen, und, um folglich die Produktwasserspeicherfähigkeit zu verbessern. Titandioxid und/oder Silica, welche hydrophil sind und verwendet werden könnten, um unter trockenen Bedingungen Produktwasser zurückzuhalten, können ebenfalls enthalten sein. Es können auch Nanofasern und/oder Nanoröhrchen eingesetzt werden, welche als strukturelle Materialien zum Einbau in die Whisker-Matrix eingesetzt werden können.
  • Wenn auf die nanostrukturierte dünne Katalysatorschicht eine Ionomerlösung beschichtet wird, variiert die Konzentration der Ionomerlösung typischerweise zwischen ungefähr 0,1 Gew.-% und ungefähr 5 Gew.-% oder zwischen ungefähr 0,1 Gew.-% und ungefähr 0,5 Gew.-%. Wenn eine andere Partikel enthaltende Tinte auf die nanostrukturierte dünne Kataly satorschicht beschichtet wird, können die Zusammensetzung und das Lösungsmittel nach Wunsch eingestellt werden. Die Poren der porösen Schicht agieren als eine Drainage für die Lösungsmittel und die gelösten Substanzen. In dem Fall, wenn eine Ionomerlösung oder eine Tinte, welche Ionomer enthält, eingesetzt wird, wird das Ionomer den nanostrukturierten Katalysator beschichten, wenn dieses über die nanostrukturierte dünne Katalysatorschicht und durch das poröse Substrat fließt, und folglich wird dieses dünne Ionomerfilme auf den Katalysatoroberflächen zurücklassen. Allerdings würde das Ionomer zwischen den Whiskern 125 und dem porösen tragenden Substrat 105 nicht einen kontinuierlichen Film erzeugen. Die Gegenwart eines kontinuierlichen Films auf der Grenzfläche 128 würde den Reaktandengastransport und die Produktwasserentfernung behindern, wenn die Elektrode zu einer CCM gemacht wird, weil die Oberfläche 128 die freiliegende Oberfläche der Elektrode auf der Protonenaustauschmembran werden würde, was in den späteren Abschnitten erörtert werden wird.
  • Wie in den 1D und 1E dargestellt, kann während der Entfernung der Klebstoffschicht und/oder während der Entfernung der Resteschicht und/oder während der Abscheidung der zusätzlichen Schicht, falls erwünscht, Vakuum 130 angelegt werden.
  • Dieses Verfahren transferiert die nanostrukturierten dünnen Katalysatorschichten von dem tragenden Substrat, auf welchem diese gewachsen sind oder getragen sind, auf ein anderes Transfersubstrat. Dadurch wird die nanostrukturierte dünne Katalysatorschicht invertiert, so dass die Oberfläche, welche zu dem tragenden Substrat benachbart war, freigelegt wird. Dies erlaubt es, dass die Oberfläche gereinigt wird und das restliches Material (falls vorliegend) entfernt wird, was dabei helfen kann, die Elektrodenleistung und die Lebensdauer zu verbessern.
  • Das Transferverfahren erlaubt es, dass nach dem Transfer weitere Schichten auf der gereinigten Oberfläche der nanostrukturierten dünnen Katalysatorschicht abgeschieden werden. Weitere Schichten können ebenfalls auf dem porösen Transfersubstrat vorbeschichtet werden, bevor die Klebstoffschicht darauf beschichtet wird. Die vorbeschichtete Schicht kann Partikel enthalten (beispielsweise Kohlenstoffpulver, Kohlenstofffasern, einen Katalysator, Titandioxid, Silica, Nanofasern, Nanoröhrchen oder Mischungen hiervon) und/oder Ionomer und auch den temporären Klebstoff. Als ein Ergebnis hiervon können die Strukturen der gebildeten Elektroden und die mit Katalysator beschichteten Membranen, welche unter Verwendung derselben hergestellt worden sind, durch Auswahl der Stelle, der Arten, der Zusammensetzung und der Dicke dieser zusätzlichen Schichten eingestellt werden.
  • Die rekonstruierten Elektroden auf dem porösen Transfersubstrat, welche durch das zuvor beschriebene Verfahren ausgebildet worden sind, können dann eingesetzt werden, um eine mit Katalysator beschichtete Membran auszubilden. Die rekonstruierte Elektrode wird auf eine oder mehrere Oberflächen einer PEM angehaftet und das poröse Transfersubstrat wird dann entfernt, um die mit Katalysator beschichtete Membran auszubilden. Typischerweise werden Druck und optional Hitze angelegt, um die rekonstruierten Elektroden, welche die nanostrukturierte dünne Katalysatorschicht enthalten, an die PEM zu haften, was den Transfer der rekonstruierten Elektrode von dem Transfersubstrat zu der PEM erlaubt. Geeignete Prozesse zum Anhaften der rekonstruierten Elektroden, welche die nanostrukturierte dünne Katalysatorschicht enthält, auf die PEM schließen ein, sind aber nicht beschränkt auf statisches Pressen mit Wärme und Druck oder, für kontinuierliche Walzenproduktion, Laminieren, Quetschwalzen oder Kalandern.
  • Im Allgemeinen kann ein Druck zwischen ungefähr 90 und ungefähr 900 MPa eingesetzt werden, um die rekonstruierten Elektroden, welche die nanostrukturierten dünnen Katalysatorschichten enthalten, an die PEM zu haften. Die Presstemperatur sollte hoch genug sein, um die rekonstruierten Elektroden, welche die nanostrukturierten dünnen Katalysatorschichten enthalten, an die PEM anzuhaften, aber unterhalb der Schmelztemperatur der PEM. Beispielsweise beträgt die Drucktemperatur im Allgemeinen zwischen ungefähr 80°C und ungefähr 300°C. Bezüglich der Druckzeit beträgt diese typischerweise mehr als ungefähr 1 Sekunde; beispielsweise ist für viele Situationen eine Druckzeit von ungefähr 1 Minute geeignet.
  • Die mit Katalysator beschichtete Membran kann in einem Membranelektrodenaufbau für eine Brennstoffzelle oder für andere elektrochemische Energieumwandlungsvorrichtungen, wie beispielsweise Elektrolyseure, eingesetzt werden.
  • Beispiel 1
  • Die 2A bis D zeigen eine Ausführungsform eines Verfahrens zum Überführen einer aus Perylenrot hergestellten 3M NSTF-Katalysatorschicht von einem tragenden Substrat aus Polyimid auf ein Transfersubstrat aus ePTFE.
  • Die 2A zeigt ein poröses Substrat 205 aus ePTFE, welches mit einer wasserlöslichen PVA-(Molekulargewicht von ungefähr 10.000)Klebstoffschicht 210 durch eine 5 Gew.-% wässrige Lösung beschichtet ist. Die PVA-Beladung beträgt nach dem Trocknen ungefähr 6 mg/cm2.
  • Auf dem tragenden Substrat wurde eine 3M NSTF-Katalysatorschicht getragen. Diese enthielt ein tragendes Substrat aus Polyimid und eine dünne nanostrukturierte Katalysatorschicht aus aus Perylenrot 225 hergestellten Whiskern. An der Grenzfläche zwischen den Whiskern und dem tragenden Substrat aus Polyimid war eine Resteschicht aus Perylenrot 220 vorgesehen. Unter Verwenden eines Heißpressverfahrens (105°C, 3,5 MPa, 4 Minuten) wurde die zweite Oberfläche 228 der Whisker-Schicht 225 gegen die PVA-Klebstoffschicht 210 auf dem porösen ePTFE-Transfersubstrat 200 gepresst. Dann wurde das tragende Substrat abgeschält, was, wie in der 2B gezeigt, die Whiskerschicht 225 auf dem porösen Transfersubstrat 205 zurückließ und die verbleibende Schicht aus Perylenrot 220 freilegte.
  • Wie in der 2C gezeigt, wurde dann die PVA-Klebstoffschicht 210 durch Beschichten einer Wasser/IPA-(1:1 Gewichtsverhältnis)Mischungslösung für mehrere Male, bis das Lösungsmittel frei durch das ePTFE-Substrat lief, entfernt. Dann wurde mehrmals eine EtOH/NPA (1:1) Mischungslösung auf die Whisker 225 beschichtet, um die Resteschicht aus Perylenrot 220 zu entfernen, wodurch die erste Oberfläche 222 freigelegt wurde.
  • Dann wurde eine verdünnte DuPont DE2020 Ionomerlösung (0,2 Gew.-% in NPA:EtOH:H2O = 1:2:2-Lösung) auf die Whisker beschichtet, um das Ionomer in die Whiskermatrix einzubauen. Die Ionomer-Lösung fließt durch die Whiskerschicht und beschichtet so einen dünnen Ionomerfilm auf die Oberfläche der Whisker. Abhängig von der Ionomerkonzentration und von der Menge der beschichteten Ionomerlösung könnte auf der freiliegenden Oberfläche 222 der Whisker als Schicht 235, wie in der 2D dargestellt, eine Schicht aus Ionomerfilm aufgebaut werden. Überschüssiges Ionomer floss durch die Poren des ePTFE-Substrats und folglich würde sich kein kontinuierlicher Ionomerfilm an der Grenzfläche 228 zwischen den Whiskern 225 und dem porösen tragenden Substrat 205 ausbilden.
  • Während der Entfernung der Klebstoffschicht und/oder während der Entfernung der restlichen Materialien von der Ausbildung der nanostrukturierten Elemente und/oder während der Abscheidung der Ionomerlösung wurde. Vakuum 230 angelegt.
  • Die 3A bis D zeigen SEM-Bilder, von oben nach unten bei sukzessiv höheren Vergrößerungen, von einem Satz von Whiskern, welche in dem Schritt 2C gemäß dem Beispiel 1 in der 2 auf das ePTFE-Substrat überführt worden sind. Diese Figuren zeigen den sauberen und nahezu vollständigen Transfer der Whisker zu dem ePTFE-Substrat, wobei die Whisker-Stützschicht freiliegt. Die 4A bis B zeigen SEM-Bilder des Querschnitts der Whisker auf dem ePTFE-Substrat der 3. Es können das poröse ePTFE-Substrat 205 mit der Schicht aus Whiskern 225 und die freiliegende erste Oberfläche gesehen werden. Die SEM-Bilder der 3 bis 4 wurden aufgenommen, nachdem der PVA-Klebstoff und die Resteschicht aus Perylenrot entfernt worden sind und bevor die Ionomerschicht abgeschieden worden ist. Die Whisker bleiben auf dem ePTFE-Substrat nach der Entfernung des temporären PVA-Klebstoffs intakt.
  • Die 5A bis B zeigen SEM-Bilder, von oben nach unten mit verschiedenen Vergrößerungen, der auf das ePTFE-Substrat transferierten Whisker-Katalysatorschicht. Dann wird in dem Schritt 2D gemäß dem Beispiel 1 der 2 zusätzliches Ionomer zu der Whiskermatrix zugegeben. Diese Bilder zeigen, dass die Whisker auf dem ePTFE-Substrat durch das Ionomerbeschichtungsverfahren intakt bleiben. Die 6A bis B zeigen SEM-Bilder des Querschnitts der Whisker auf dem ePTFE-Substrat der 5 und zeigen das ePTFE-Substrat 205 in der dünnen Schicht aus Ionomer 235 auf der Oberfläche der nanostrukturierten Whisker-Katalysatorschicht 225.
  • In den 5 und 6 wurde eine kontrollierte Menge von Ionomer auf die Oberfläche der Whisker unter Verwendung von Ionomerlösung mit einem Wasser/Alkohol-Lösungsmittel beschichtet.
  • Durch Erhöhen der Ionomerkonzentration oder durch mehrere Beschichtungsdurchläufe kann ebenfalls eine überschüssige Menge von Ionomer eingesetzt werden und es würde auf der Whiskerschicht 225 ein dicker Ionomerfilm ausgebildet werden. Der überschüssige dicke Ionomerfilm wird dabei helfen, die Grenzfläche zwischen den Whiskern und der PEM während dem abschließenden CCM-Herstellungsverfahren zu verbessern, und zwar insbesondere, wenn die nanostrukturierte dünne Katalysatorschicht die geriffelte Struktur von ihrem tragenden Substrat übernimmt. Der dicke Ionomerfilm wird während dem Heißpressverfahren gegen die PEM anliegen, um die CCM herzustellen, und dieser wird ein Teil der Membran werden, sobald diese zu MEA'en hergestellt worden ist, und folglich wird diese die Brennstoffzellenleistung nicht beeinträchtigen.
  • Beispiel 2
  • Eine andere Ausführungsform des Verfahrens zum Transferieren einer aus Perylenrot hergestellten 3M NSTF-Katalysatorschicht auf einem tragenden Substrat aus Polyimid auf ein ePTFE-Transfersubstrat ist in den 7A bis D dargestellt.
  • Die 7A zeigt ein poröses ePTFE-Substrat 705, welches mit einer Zwischenschicht 707 vorbeschichtet ist. Die Zwischenschicht 707 kann Klebstoff oder Ionomer oder beides enthalten. Diese könnte ebenfalls die zuvor mit Bezug zu der zusätzlichen Schicht 135 beschriebenen zusätzlichen Materialien enthalten. Wenn Ionomer ohne Klebstoff eingesetzt wird, dann sind vorzugsweise zusätzliche Materialien enthalten. In diesem Fall sollte die Menge an Ionomer ausreichend hoch sein, so dass dieses die zusätzlichen Materialien zusammenhalten wird, aber nicht so hoch, dass die Poren des porösen Transfersubstrats blockiert werden. Wünschenswerterweise enthält die Schicht einen entfernbaren Klebstoff, mit oder ohne Ionomer, sowie ein oder mehrere zusätzliche Materialien.
  • Auf die Schicht 707 wird eine PVA-Klebstoffschicht 710 beschichtet. Die Zwischenschicht 707 kann unter Verwendung desselben Klebstoffs wie in der Klebstoffschicht 710 oder eines anderen Klebstoffs hergestellt werden. Wenn in der Klebstoffschicht 710 und in der Zwischenschicht 707 derselbe Klebstoff eingesetzt wird (oder wenn ein Lösungsmittel eingesetzt wird, welches beide Klebstoffe entfernen kann), wird der Klebstoff in der Zwischenschicht 707 zur gleichen Zeit wie die Klebstoffschicht 710 entfernt werden, was die Zwischenresteschicht 709 zurücklässt. Wenn ein anderer Klebstoff eingesetzt wird, kann ein anderes Lösungsmittel eingesetzt werden, um den Klebstoff in der Zwischenschicht 707 zu entfernen.
  • Wenn die Klebstoffschicht 710 eine oder mehrere zusätzliche Materialien enthält, können die Materialien dieselben sein, wie diejenigen in der Zwischenschicht 707, oder diese können, falls erwünscht, verschieden sein.
  • In diesem Fall ist die Klebstoffschicht 710 lediglich aus PVA zusammengesetzt.
  • In diesem Beispiel enthielt die Zwischenschicht 707 eine Mischung aus PVA und aus Vulcan XC-72-Kohlenstoff von Cabot Corporation. Das Gewichtsverhältnis zwischen PVA und Vulcan-Kohlenstoff beträgt 1:1. Das in dieser Tinte eingesetzte Lösungsmittel ist NPA:EtOH:H2O = 1:2:2. Falls erwünscht, könnte das Ionomer ebenfalls zu dieser Tinte zugegeben werden, um den endgültigen Ionomergehalt in dieser Schicht für die endgültige Elektrode einzustellen.
  • Es wurde eine nanostrukturierte dünne Katalysatorschicht auf einem tragenden Substrat enthaltend ein Polyimid-Substrat, eine Resteschicht aus Perylenrot 720 und Whisker 725 in Kontakt mit der PVA-Klebstoffschicht 710 platziert, um eine Verbundstruktur auszubilden. Nach dem Heißpressen wurde das Polyimid-Substrat entfernt. Die verbleibende Struktur ist in der 7B gezeigt.
  • Die PVA-Klebstoffschicht 710 und der PVA-Klebstoff in der Zwischenschicht 707 wurde dann mit einer Wasser/IPA-Mischung entfernt, was die Zwischenresteschicht 709 zurückließ. Die Whisker könnten in die Zwischenschicht 709 gemischt werden, nachdem der temporäre PVA-Klebstoff entfernt worden ist.
  • Die Resteschicht aus Perylenrot 720 wurde durch Spülen der Whisker 725 mit einer EtOH/NPA-Mischung entfernt, was die erste Oberfläche 722, wie in der 7C gezeigt, freilegte.
  • Es wurde eine mit DuPont Nafion DE2020 verdünnte Ionomerlösung 735, wie in der 7D dargestellt, durch Beschichten der verdünnten Ionomerlösung (0,5 Gew.-% mit IPA:H2O = 1:1-Lösung) auf die Whisker zugegeben. Die Ionomerlösung wird durch die Zwischenschicht 709 und die Whiskerschicht 725 fließen und wird folglich auf die Partikel in der Zwischenschicht 709 und auf die Oberfläche der Whisker einen dünnen Ionomerschichtfilm beschichten. In diesem Fall wird ein überschüssiges Ionomer eingesetzt, um auf der Whiskerschicht 725 eine dicke Ionomerschicht 735 auszubilden.
  • Während der Entfernung der Klebstoffschicht und/oder während der Entfernung des verbleibenden Materials von der Whiskerausbildung und/oder während der Abscheidung der Ionomerschicht wurde Vakuum 730 angelegt.
  • Die 8A bis B sind SEM-Bilder des Querschnitts der gemäß dem Beispiel 2 hergestellten rekonstruierten Elektrode. Das ePTFE-Substrat 705 weist die Schicht aus Vulcan-Kohlenstoff 709 auf, welche zwischen der Whiskerschicht 725 und dem ePTFE-Substrat 705 angeordnet ist. Das überschüssige Ionomer, welches auf der Whiskerschicht aufgebaut worden war, kann klar als 735 gesehen werden. Die 9A bis B sind SEM-Bilder des Querschnitts einer durch Heißpressen (145°C, 1,4 MPa, 4 Minuten) der in der 8 dargestellten Elektroden-Abziehlage auf eine DuPont Nafion® NRE211-Membran hergestellten CCM. Die Whisker sind an die PEM 740 angehaftet und das poröse ePTFE-Substrat 750 ist entfernt worden. Wie dies gesehen werden kann, ist der überschüssige Ionomerfilm 735, welcher auf der Whiskerschicht ausgebildet worden ist, nicht mehr sichtbar. Dieser ist ein Teil der PEM 740 geworden und die Whisker 725 liegen fest gegen die PEM 740 an. Die Kohlenstoffschicht 709 ist nunmehr freigelegt und wird die Oberfläche der mit Katalysator beschichteten Membran.
  • Beispiel 3
  • Eine andere Ausführungsform eines Verfahrens zum Überführen einer NSTF-Katalysatorschicht von einem tragenden Polyimidsubstrat zu einem ePTFE-Transfersubstrat ist in den 10A bis D gezeigt. Die 10A zeigt ein poröses ePTFE-Substrat 1005, welches mit einer PVA-Klebstoffschicht 1010 beschichtet ist.
  • Die nanostrukturierte dünne Katalysatorschicht, welche ein tragendes Polyimidsubstrat, eine Resteschicht 1020 aus Perylenrot und Whisker 125 enthält, wurde mit der PVA-Klebstoffschicht 1010 unter Verwendung eines Heißpressverfahrens (105°C, 3,5 MPa und 4 Minuten) kontaktiert, um eine Verbundstruktur auszubilden. Nach dem Heißpressen wurde das Polyimidsubstrat abgeschält, was die in der 10B gezeigte Struktur hinterließ.
  • Dann wurde die PVA-Klebstoffschicht 1010 unter Verwendung einer Wasser/IPA-Lösung (1:1-Gewichtsverhältnis) entfernt und die Resteschicht 1020 aus Perylenrot wurde ebenfalls unter Verwendung einer EtOH/NPA-Mischung entfernt.
  • Wie in der 10D gezeigt, wurde durch Beschichten einer Tinte mit einem Gewichtsverhältnis von dem Ionomer zu dem Vulcan-Kohlenstoff von 1,5 in einem Lösungsmittel aus H2O:EtOH:NPa = 2:2:1 auf die Whiskerschicht 1025 eine zusätzliche Schicht 1035 zugefügt, welche das DuPont Nafion® DE2020-Ionomer und Vulcan XC-72-Kohlenstoff von Cabot Corporation oder Pt/Vulcan TEC10V50E-Katalysator von Tanaka Kikinzoku Kogyo K. K. enthielt.
  • Während der Entfernung der Klebstoffschicht und/oder während der Entfernung des restlichen Perylenrots und/oder während der Abscheidung der Ionomerschicht wurde Vakuum 1030 angelegt.
  • Die 11A bis B sind SEM-Bilder des Querschnitts einer mit Katalysator beschichteten Membran, welche unter Verwendung der gemäß dem Bei spiel 3 hergestellten Elektroden-Abziehlage mit verschiedenen Kohlenstoffschichten hergestellt worden ist. Die Elektrode weist eine Schicht aus Vulcan XC-72-Kohlenstoff vermischt mit Nafion® DE2020-Ionomer 1035 zwischen der PEM 1040 und den Whiskern 1025 auf. Die 12A bis B sind SEM-Bilder des Querschnitts einer mit Katalysator beschichteten Membran, welche unter Verwendung der gemäß dem Beispiel 3 hergestellten Elektrode mit verschiedenen Katalysatorschichten hergestellt worden ist. Die Elektrode weist eine Schicht aus Pt/Vulcan-Katalysator vermischt mit Nafion® DE2020-Ionomer 1035 zwischen der PEM 1040 und den Whiskern 1025 auf. In beiden Fällen wird die Dicke des Kohlenstoffs oder der Pt-Katalysatorschicht 1035 durch Abscheiden von verschiedenen Mengen des Kohlenstoffs oder der Katalysatortinte auf die Whiskerschicht 1025 gesteuert.
  • Wenn die Tinte aus Kohlenstoff oder Katalysator vermischt mit Ionomer auf die Whiskerschicht 1025 beschichtet wird, wird die Lösung durch die Whiskerschicht 1025 fließen und wird so ebenfalls einen dünnen Ionomerschichtfilm auf die Oberfläche der Whisker beschichten.
  • Beispiel 4
  • Eine andere Ausführungsform eines Verfahrens zum Überführen einer nanostrukturierten dünnen Katalysatorschicht von einem tragenden Substrat aus Polyimid auf ein ePTFE-Transfersubstrat ist in den 13A bis D gezeigt. Die 13A zeigt ein poröses ePTFE-Substrat 1305, welches zuerst mit einer Schicht 1307 beschichtet worden ist, bevor auf diese Schicht 1307 eine PVA-Klebstoffschicht 1310 beschichtet worden ist. Die Schicht 1307 ist eine Mischung aus PVA-Klebstoff und bevorzugten Partikeln, wie beispielsweise Vulcan XC-72-Kohlenstoff erhältlich von Cabot Corporation oder Pt/Vulcan TEC10V50E-Katalysator erhältlich von Tanaka Kikinzoku Kogyo K. K.
  • Die nanostrukturierte dünne Katalysatorschicht, welche ein Polyimidsubstrat, eine Resteschicht 1320 aus Perylenrot und Whisker 1325 aufweist, wurde mit der PVA-Klebstoffschicht 1310 unter Verwendung eines Heißpressverfahrens (105°C, 3,5 MPa und 4 Minuten) kontaktiert, um eine Verbundstruktur auszubilden. Das Polyimidsubstrat wurde entfernt, wodurch die in der 13B gezeigte Struktur zurückgelassen wurde.
  • Die PVA-Klebstoffschicht 1310 und das PVA in der Zwischenschicht 1307 wurde dann unter Verwendung einer Wasser/IPA-Lösung (H2O:IPA = 1:1-Gewichtsverhältnis) entfernt. Die Resteschicht 1320 aus Perylenrot wurde durch Spülen der Whisker mit einer H2O/NPA-Mischung entfernt.
  • Wie in der 10D gezeigt, wurde eine zusätzliche Schicht 1335 enthaltend DuPont Nafion® DE2020-Ionomerlösung und bevorzugte Partikel, wie beispielsweise Vulcan XC-72-Kohlenstoff von Cabot Corporation, oder Pt/Vulcan TEC10V50E-Katalysator von Tanaka Kikinzoku Kogyo K. K., zugegeben, und zwar durch Beschichten mit einer Tinte mit einem Gewichtsverhältnis von Ionomer zu Vulcan-Kohlenstoff von 1,5 in einem Lösungsmittel aus H2O:EtOH:NPA = 2:2:1 auf die Whiskermatrix 1325.
  • Durch Beschichten einer Ionomerlösung, wie in dem Beispiel 1 beschrieben, könnte ein zusätzliches Ionomer zugefügt werden, um den Ionomergehalt in der fertigen Elektrode weiter einzustellen, und, um eine dicke Ionomerschicht auf der Whiskerschicht aufzubauen, um die Grenzfläche zwischen der rekonstruierten nanostrukturierten dünnen Katalysatorschicht-Elektrode und der PEM zu verbessern, wenn die rekonstruierte Elektrode auf ePTFE-Abziehlage auf die PEM transferiert wird, um so eine mit Katalysator beschichtete Membran auszubilden.
  • Während der Entfernung der Klebstoffschicht und/oder während der Entfernung des restlichen Perylenrots und/oder während der Abscheidung der Ionomerschicht wurde Vakuum 1330 angelegt.
  • Die 14A bis B zeigen SEM-Bilder der rekonstruierten Elektrode, welche die nanostrukturierte dünne Katalysatorschicht auf dem porösen ePTFE-Substrat des Beispiels 4 enthält, wobei die Whisker 1325 zwischen der Kohlenstoffschicht 1309 und der Kohlenstoff/Ionomer-Schicht 1335 angeordnet sind. Die 15A bis B zeigen SEM-Bilder von mit Katalysator beschichteten Membranen, welche unter Verwendung der rekonstruierten Elektroden-Abziehlage enthaltend die nanostrukturierte dünne Katalysatorschicht von Beispiel 4 durch Heißpressen der fertigen Abziehlage gemäß der 14 gegen eine DuPont Nafion® NRE211-PEM hergestellt worden ist. Auf der PEM 1340 befinden sich eine Kohlenstoff/Ionomer-Schicht 1335, die Whisker 1325 sowie die freiliegende Kohlenstoffschicht 1309.
  • Während dem Aufbringen der Ionomerlösung oder der Ionomer enthaltenden Tinte und den anderen Partikeln wird das Ionomer durch die Whiskerschicht und durch die Zwischenschicht zu den Poren des porösen Substrats fließen und wird folglich eine dünne Schicht aus Ionomer auf den Partikeln der Zwischenschicht und den Oberflächen der einzelnen Whisker beschichten, was dabei helfen wird, während des Brennstoffzellenbetriebs die Protonenleitung zu verbessern.
  • Die 16 und 17 zeigen die Ausbildung von dünnen Ionomerfilmen auf den Oberflächen der Whisker-Katalysatoren. Die 16A bis D sind SEM- Bilder, welche die Ionomerschicht auf den Whiskern zeigen. Die 17A bis D zeigen TEM-Bilder der Ionomerschicht auf einem einzelnen Whisker-Katalysator.
  • Die 18 zeigt zu Vergleichszwecken die Leistungsfähigkeit eines MEA, welcher unter Verwendung einer nanostrukturierten Dünnfilmelektrode gemäß dem Stand der Technik hergestellt durch Transferieren des 3M NSTF-Katalysators direkt von dem tragenden Substrat auf die PEM hergestellt worden ist. Die Pt-Beladung der 3M NSTF-Katalysatorschicht beträgt 0,15 mg/cm2. Die 19 zeigt die Leistung eines MEA's, welcher unter Verwendung der rekonstruierten Elektrode hergestellt worden ist, welche die 3M NSTF-Katalysatorschicht auf einer ePTFE-Abziehlage des Beispiels 1 enthält, welche mit einem DuPont Nafion® DE2020-Ionomer und mit einer Nafion® NRE211-Protonenaustauschmembran hergestellt worden ist. Die 20 zeigt die Leistung eines MEA's, welcher unter Verwendung der rekonstruierten Elektrode hergestellt worden ist, welche die 3M NSTF-Katalysatorschicht auf der ePTFE-Abziehlage des Beispiels 3 enthält, welche ebenfalls mit DuPont Nafion® DE2020-Ionomer und mit Nafion® NRE211-Protonenaustauschmembran hergestellt worden ist. Die Schicht zwischen der NSTF-Katalysatorschicht und der Membran, welche 1 Mikrometer dick ist, beträgt 0,04 mg Pt/cm2 TKK TEC10V50E Pt/Vulcan-Katalysator vermischt mit dem DuPont Nafion® DE2020-Ionomer. Wie in den 19 bis 21 dargestellt, wurden diese MEA'en bei verschiedenen Temperaturen mit denselben relativen Feuchtigkeiten beim Zelleinlass bei allen getesteten Temperaturen, und zwar 100% für die Anodenseite und 50% für die Kathodenseite, untersucht.
  • Die untersuchte rekonstruierte 3M NSTF-Elektrode gemäß dem Beispiel 1 zeigte dieselbe HAD-(Wasseradsorption/-desorption)Fläche wie der ge mäß dem Stand der Technik durch Verdichten der 3M NSTF-Katalysatorschicht direkt auf die Protonenaustauschmembran hergestellte MEA, welche nach dem Anlaufprotokoll größer als oder gleich 10 m2/g Pt ist. Alle der rekonstruierten Elektroden, welche die nanostrukturierten dünnen Katalysatorschichten enthielten, zeigten ähnliche HAD-Flächen, wenn die Untersuchung während zyklovoltammetrischen Messungen bei 0,6 V und 1,1 V gegenüber einer SHE-Referenzelektrode durchgeführt wurde. Dies zeigt an, dass in die rekonstruierte Elektrode, welche die nanostrukturierte dünne Katalysatorschicht enthielt, keine Kontaminanten eingeführt worden sind, weil die meisten Kontaminanten, falls vorliegend, bei 1,1 V oxidiert werden würden und zu einer erhöhten HAD-Fläche führen würden.
  • Wie dies am besten in der 19 gesehen werden kann, ist die Leistung der mit dem Verfahren gemäß dem Stand der Technik hergestellten Elektrode bei niedrigen Temperaturen, welche Betriebsbedingungen mit hoher Feuchtigkeit wiedergeben, sehr schlecht.
  • Für die Leistung der rekonstruierten Elektrode gemäß dem Beispiel 1 durch Reinigen der Resteschicht aus Perylenrot, durch Invertieren der Whiskerschicht und durch Zugabe einer geringen Menge von Ionomer in die Whiskermatrix, wie in der 20 gezeigt, können wir eine verbesserte Leistung bei niedrigen Temperaturen und eine vergleichbare Leistung bei hohen Temperaturen sehen, wenn mit der gemäß dem Stand der Technik, welcher in den 19 dargestellt ist, hergestellten Elektrode verglichen.
  • In der 21 ist eine beträchtliche Verbesserung gezeigt, wenn eine 1 Mikrometer dicke Schicht aus mit Ionomer vermischtem Pt/Vulcan-Katalysator zwischen die 3M NSTF-Katalysatorschicht und die Membran mit Ionomer zugefügt wird, wobei auf sowohl die Whiskerschicht als auch auf die PT/Vulcan-Katalysatorschicht Ionomer zugegeben worden ist. Es wurde über den gesamten Temperaturbereich von nassen bis trockenen Betriebsbedingungen eine gute Leistung beobachtet.
  • Die verschiedenen Ausführungsformen der Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung nehmen Vorteil an dem auf dem tragenden Substrat, welches gemäß Verfahren gemäß dem Stand der Technik hergestellt worden ist, gleichmäßig verteilten Katalysator oder in einem gewünschten Muster verteilten Katalysator. Diese Ausführungsformen vermeiden ein Redispergieren der nanostrukturierten Katalysatoren. Diese erlauben des Weiteren das Reinigen der Katalysatorschicht (beispielsweise das Entfernen der restlichen Materialien, welche eingesetzt worden sind, um die Nanostrukturträger herzustellen, wie beispielsweise eine Stützschicht aus nicht kristallisiertem Perylenrot der 3M NSTF-Katalysatorschicht und des restlichen Katalysators oder von Materialien, um die Kohlenstoff-Nanoröhrchen oder -Nanofasern herzustellen). In die nanostrukturierte dünne Katalysatorschicht können durch Beschichten auf die gestrippte nanostrukturierte dünne Katalysatorschicht auf dem porösen Transfersubstrat oder durch Vorbeschichten des porösen Transfersubstrats mit einer Mischung aus Partikeln und Klebstoff zusätzliche Komponenten oder Schichten zugefügt werden. Weil alle der Verfahren auf dem porösen Transfersubstrat durchgeführt werden, ist die vorliegende Erfindung für ein kontinuierliches Verfahren und für die Massenproduktion gut geeignet.
  • Es ist zu beachten, dass Begriffe, wie ”vorzugsweise”, ”herkömmlicherweise” und ”typischerweise” hier nicht benutzt werden, um den Schutzbereich der beanspruchten Erfindung zu beschränken, oder, um anzudeuten, dass bestimmte Merkmale kritisch, wichtig oder gar entscheidend für die Struktur oder die Funktion der beanspruchten Erfindung sind. Vielmehr sind diese Begriffe lediglich dazu gedacht, alternative oder zusätzliche Merkmale wiederzugeben, welche in einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden können oder nicht eingesetzt werden können.
  • Zum Zwecke des Beschreibens und des Definierens der vorliegenden Erfindung ist es zu beachten, dass der Begriff ”Vorrichtung” hier verwendet wird, um eine Kombination aus Bauteilen und einzelnen Bauteilen wiederzugeben, und zwar unabhängig davon, ob die Bauteile mit anderen Bauteilen kombinierte sind. Beispielsweise kann eine ”Vorrichtung” gemäß der vorliegenden Erfindung einen elektrochemischen Umwandlungsaufbau oder eine Brennstoffzelle, ein Kraftfahrzeug, welches einen elektrochemischen Umwandlungsaufbau gemäß der vorliegenden Erfindung enthält, etc. umfassen.
  • Für die Zwecke des Beschreibens und des Definierens der vorliegenden Erfindung ist es anzumerken, dass der Begriff ”im Wesentlichen” hier verwendet wird, um den inhärenten Grad an Unsicherheit wiederzugeben, welcher mit einem quantitativen Vergleich, mit einem Wert, mit einer Messung oder mit einer anderen Wiedergabe verbunden sein kann. Der Begriff ”im Wesentlichen” wird hier auch verwendet, um den Grad wiederzugeben, durch welchen eine quantitative Wiedergabe von einer dargestellten Referenz abweichen kann, ohne zu einer Änderung der Grundfunktion des Gegenstands zu führen.
  • Nachdem die vorliegende Erfindung im Detail und unter Bezugnahme auf spezifische Ausführungsformen hiervon beschrieben worden ist, wird es offensichtlich werden, dass Modifikationen und Abweichungen möglich sind, ohne den Schutzbereich der durch die beigefügten Patentansprüche definierten Erfindung zu verlassen. Spezifischer, obwohl einige Aspekte der vorliegenden Erfindung hier als bevorzugt oder besonders vorteilhaft identifiziert worden sind, wird es in Erwägung gezogen, dass die vorliegende Erfindung nicht notwendigerweise durch diese bevorzugten Aspekte der Erfindung beschränkt ist.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Claims (10)

  1. Verfahren zum Überführen einer nanostrukturierten dünnen Katalysatorschicht von einem tragenden Substrat zu einem Transfersubstrat, umfassend: Bereitstellen einer Elektroden-Abziehlage, welche ein tragendes Substrat mit einer nanostrukturierten dünnen Katalysatorschicht darauf umfasst, wobei die nanostrukturierte dünne Katalysatorschicht eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche aufweist, wobei die erste Oberfläche der nanostrukturierten dünnen Katalysatorschicht benachbart zu dem tragenden Substrat ist, Bereitstellen eines porösen Transfersubstrats mit einer benachbarten Klebstoffschicht, Befestigen der zweiten Oberfläche der nanostrukturierten dünnen Katalysatorschicht benachbart zu der Klebstoffschicht, um eine Verbundstruktur auszubilden, Entfernen des tragenden Substrats von der Verbundstruktur und Entfernen der Klebstoffschicht von der Verbundstruktur, um eine rekonstruierte Elektroden-Abziehlage herzustellen, welche das poröse Transfersubstrat und die nanostrukturierte dünne Katalysatorschicht umfasst, wobei die zweite Oberfläche der nanostrukturierten dünnen Katalysatorschicht benachbart zu dem porösen Transfersubstrat ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, welches des Weiteren das Beschichten einer Lösung auf die nanostrukturierte dünne Katalysatorschicht umfasst, nachdem das tragende Substrat und die Klebstoffschicht entfernt worden sind, wobei die Lösung eine zusätzliche Schicht auf der ersten Oberfläche der nanostrukturierten dünnen Katalysatorschicht ausbildet.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Lösung wenigstens eines von einem Ionomer, Kohlenstoffpulver, Kohlenstofffasern, einem Katalysator, Titandioxid, Silica, Nanofasern oder Nanoröhrchen enthält.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei auf das Transfersubstrat eine Zwischenschicht abgeschieden wird, bevor die Klebstoffschicht abgeschieden wird, wobei die Zwischenschicht eines oder mehrere von Klebstoff, Ionomer, Kohlenstoffpulver, Kohlenstofffaser, einem Katalysator, Titandioxid, Silica, Nanofasern oder Nanoröhrchen umfasst.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Zwischenschicht Klebstoff enthält, wobei das Verfahren des Weiteren das Entfernen des Klebstoffs in der Zwischenschicht von dem Verbund umfasst, um eine Zwischenresteschicht auszubilden, nachdem das tragende Substrat entfernt worden ist, und, wobei die Zwischenresteschicht zwischen dem Transfersubstrat und der nanostrukturierten dünnen Katalysatorschicht angeordnet ist.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die zweite Oberfläche der nanostrukturierten dünnen Katalysatorschicht unter Verwendung eines Heißpressverfahrens benachbart zu der Klebstoffschicht befestigt wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Klebstoffschicht des Weiteren wenigstens eines von Ionomer, Kohlenstoffpulver, Kohlenstofffaser, einem Katalysator, Titandioxid, Silica, Nanofasern, Nanoröhrchen enthält.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, wobei auf der nanostrukturierten dünnen Katalysatorschicht der Elektroden-Abziehlage eine Resteschicht vorliegt, und, wobei das Verfahren des Weiteren das Entfernen der Resteschicht von der Verbundstruktur umfasst, nachdem das tragende Substrat entfernt worden ist.
  9. Verfahren nach Anspruch 1, welches des Weiteren umfasst: Bereitstellen einer Protonenaustauschmembran, Überführen der nanostrukturierten dünnen Katalysatorschicht von der Elektroden-Abziehlage zu einer ersten Oberfläche der Protonenaustauschmembran, wobei die erste Oberfläche der nanostrukturierten dünnen Katalysatorschicht zu der ersten Oberfläche der Protonenaustauschmembran benachbart ist.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die nanostrukturierte dünne Katalysatorschicht auf die Protonenaustauschmembran überführt wird durch Befestigen der ersten Oberfläche der nanostrukturierten dünnen Katalysatorschicht benachbart zu der ersten Oberfläche der Protonenaustauschmembran und durch Anbringen der nanostrukturierten dünnen Katalysatorschicht auf die erste Oberfläche der Protonenaustauschmembran unter Verwendung eines Heißpressverfahrens und Entfernen des Transfersubstrats.
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