DE102012000279A1 - Nasslaminierverfahren zur reduktion von schwundrissbildung in brennstoffzellenkomponenten - Google Patents

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Abstract

Es sind Verfahren zur Herstellung einer im Wesentlichen rissfreien Elektrodenschicht beschrieben. Die Verfahren umfassen, dass eine Elektrodentinte auf einem Substrat abgeschieden wird; eine Schicht aus einer porösen Verstärkungsschicht auf einer Oberfläche der nassen Elektrodentinte angeordnet wird; und die Elektrodentinte getrocknet wird, um die im Wesentlichen rissfreie Elektrodenschicht auf dem Substrat zu bilden. Es sind auch im Wesentlichen rissfreie Elektrodenschichten und Brennstoffzellen, die im Wesentlichen rissfreie Elektrodenschichten umfassen, beschrieben.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Elektrochemische Umwandlungszellen, die üblicherweise als Brennstoffzellen bezeichnet werden, erzeugen elektrische Energie durch Verarbeitung von Reaktanden, beispielsweise durch die Oxidation und Reduktion von Wasserstoff und Sauerstoff. Eine typische Polymerelektrolytbrennstoffzelle umfasst eine Polymermembran (z. B. eine Protonenaustauschmembran (PEM)) mit Elektrodenschichten (die z. B. mindestens einen Katalysatortyp und einen Ionomertyp enthalten) auf beiden Seiten. Die mit dem Katalysator beschichtete PEM ist zwischen einem Paar von Gasdiffusionsmediumschichten positioniert, und eine Kathodenplatte und eine Anodenplatte sind außerhalb der Gasdiffusionsmediumschichten angeordnet. Die Komponenten werden komprimiert, um die Brennstoffzelle zu bilden.
  • Die Katalysatorschichten können an der PEM angebracht sein, um eine Membranelektrodenanordnung (MEA) (auch als eine katalysatorbeschichtete Membran (CCM) bekannt) zu bilden. Ein Verfahren zum Bilden einer MEA beinhaltet das Abscheiden einer Elektrodentinte auf der PEM durch direktes Spritzen oder Beschichten in einem Abstandsrahmen. Alternativ kann die Elektrode auf einem Aufkleber gebildet sein und auf die PEM transferiert werden. Alternativ kann die Katalysator/Ionomer-Tinte auf ein Gasdiffusionsmedium(GDM)-Substrat beschichtet werden, welches als ein katalysatorbeschichtetes Diffusionsmedium (CCDM) bekannt ist.
  • Die Elektrodentinte umfasst typischerweise einen Pulverkatalysator auf einem Träger, wie z. B. einem Kohlenstoffträger, und eine Ionomerlösung, die in einem gemischten Lösungsmittel dispergiert sind. Das gemischte Lösungsmittel enthält üblicherweise ein oder mehrere organische Lösungsmittel wie z. B. Alkohole und Wasser in einem spezifischen Verhältnis, das von der Art des Katalysators abhängig ist. Das Gemisch wird dann bis zu etwa 3 Tage vor dem Beschichten auf der PEM, dem Aufklebersubstrat oder GDM durch Mahlen mit einer Kugelmühle homogenisiert. Für eine Zwischenlagenbeschichtung kann die Katalysatorbeladung durch die Dicke der Zwischenlage gesteuert sein; für die Mayer-Stab-Beschichtung kann die Katalysatorbeladung durch die Gewindezahl gesteuert sein. Falls erforderlich, können mehrere Beschichtungen für eine höhere Katalysatorbeladung aufgebracht werden. Nach dem Aufbringen der nassen Tinte werden die Lösungsmittel in einem Ofen getrocknet, um das Lösungsmittel auszutreiben und die Elektrode zu bilden. Nachdem der mit Katalysator/Ionomer beschichtete Aufkleber getrocknet ist, wird der/das Katalysator/Ionomer daraufhin mittels Heißpressen auf eine PEM transferiert, um eine MEA zu bilden. Die Anode und die Kathode können gleichzeitig auf eine PEM heißgepresst werden. Der Druck und die Zeit für die Heißpresse können für verschiedene Arten von MEAs variieren.
  • Es ist bekannt, dass Elektroden, die aus Katalysatortinte gebildet sind, anfällig dafür sind, ein Netz von Rissen auf der Oberfläche zu bilden, was als „Schwundrissbildung” bezeichnet wird. Es ist gut bekannt, dass sich Spannungen entwickeln, wenn ein nasser Film trocknet und die festen Materialien zu erstarren beginnen. Ohne die Absicht, durch eine Theorie eingeschränkt zu sein, können sich die Risse infolge von Spannungsgradienten bilden, welche die Folgen von lokalen Dickendifferenzen in dem nassen Film sind. Die Risse können sich auch nach dem Trocknen infolge einer inhärenten Schwäche der Elektrode bilden. Die Elektrode ist aus einer porösen Matrix des Kohlenstoffträgers, gebunden durch das Ionomer, das ein relativ schwaches Bindemittel ist, gebildet. Infolgedessen kann die Matrix des Kohlenstoffträgers innerhalb des Ionomers gegebenenfalls nicht kontinuierlich sein. Darüber hinaus versieht der Kohlenstoffträger das Ionomer mit einer minimalen Verstärkung und die resultierende Matrix kann den beträchtlichen Spannungen während des Trocknens der Katalysatortinte gegebenenfalls nicht standhalten, was zu einer höheren Wahrscheinlichkeit führt, dass sich die Risse während eines Betriebes der Brennstoffzelle bilden. Wenn die Zugfestigkeit des Films nicht ausreicht, um die induzierte Trocknungsspannung zu überwinden, können sich Schwundrisse bilden, um den Film von der Spannung zu entlasten.
  • Das Netz von Rissen kann die Leistung der Brennstoffzelle in verschiedener Weise negativ beeinflussen. Die Basis der Risse kann z. B. während des typischen Ausdehnens und Zusammenziehens der Elektrolytmembran während eines Brennstoffzellenbetriebes eine Spannungskonzentration auf der benachbarten Elektrolytmembran bilden, die eine Degradation der Membran, z. B. die Bildung von Poren, zur Folge haben kann. Überdies ist die Elektrolytmembran unmittelbar neben dem Riss einer Umgebung unterschiedlicher Feuchtigkeit ausgesetzt als die Elektrolytmembran unmittelbar neben der Elektrode. Das Ausdehnen der Elektrolytmembran in die Risse hinein kann ebenfalls die Elektrolytmembran beschädigen, insbesondere nach wiederholten Ausdehnungs- und Zusammenzieh-Zyklen. Des Weiteren kann das Netz von Rissen in der Elektrode die effektive Steifigkeit der Elektrode reduzieren, was eine unerwünschte Bewegung der MEA während eines Brennstoffzellenbetriebes zur Folge hat.
  • Es wurde eine Anzahl von Verfahren zur Reduktion der Schwundrissbildung entwickelt. Ein Verfahren umfasst die Verlängerung der Zeit, die der Katalysatortinte zum Trocknen gelassen wird. Allerdings erhöht das Verlängern der Trocknungszeit auch die Herstellungskosten und kann unter Umständen nicht ausreichend sein, um eine Rissbildung zu reduzieren. Das Verlängern der Trocknungszeit kann auch nicht die Beständigkeit gegenüber einer Rissbildung der Elektrode während eines nachfolgenden Betriebes der Brennstoffzelle optimieren.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Ein Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer im Wesentlichen rissfreien Elektrode. In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren, dass eine Elektrodentinte auf einem Substrat abgeschieden wird; eine poröse Verstärkungsschicht auf einer Oberfläche der nassen Elektrodentinte angeordnet wird; und die Elektrodentinte getrocknet wird, um die im Wesentlichen rissfreie Elektrodenschicht auf dem Substrat zu bilden.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist eine im Wesentlichen rissfreie Elektrodenschicht. In einer Ausführungsform umfasst die im Wesentlichen rissfreie Elektrodenschicht ein Substrat; und eine im Wesentlichen rissfreie Elektrodenschicht auf dem Substrat, wobei die Elektrodenschicht einen Katalysator, ein Ionomer und eine poröse Verstärkungsschicht umfasst.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist eine Brennstoffzelle. In einer Ausführungsform umfasst die Brennstoffzelle eine Protonenaustauschmembran; ein Paar von Gasdiffusionsmediumsubstraten auf gegenüberliegenden Seiten der Protonenaustauschmembran; ein Paar von Elektrodenschichten zwischen der Protonenaustauschmembran und jedem des Paares von Gasdiffusionsmediumsubstraten, der Elektrodenschichten auf der Protonenaustauschmembran oder dem Gasdiffusionsmediumsubstrat, wobei zumindest eine der Elektrodenschichten im Wesentlichen rissfrei ist und einen Katalysator, ein Ionomer und eine poröse Verstärkungsschicht umfasst; und ein Paar Platten auf gegenüberliegenden Seiten der Protonenaustauschmembran und außerhalb des Paares von Gasdiffusionsmediumsubstraten.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist ein schematischer Querschnitt einer Ausführungsform einer Brennstoffzelle.
  • 2 ist ein Graph, der eine Polarisierungskurve unter feuchtigkeitsarmen Bedingungen zeigt.
  • 3 ist ein Graph, der eine Polarisierungskurve unter sehr feuchten Bedingungen zeigt.
  • 4 ist ein optisches Bild, das die Elektrodenoberfläche ohne eine ePTFE-Verstärkungsschicht zeigt.
  • 5 ist eine REM-Schnittansicht einer Elektrode mit einer ePTFE-Verstärkungsschicht.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • 1 zeigt eine Ausführungsform einer Brennstoffzelle 10. Die Brennstoffzelle umfasst eine PEM 15 zwischen einem Paar Elektroden 20. Die Elektroden 20 bilden eine Kathode und eine Anode für eine Brennstoffzelle. Die Elektroden 20 können auf der PEM 15 abgeschieden sein, wie in der CCM-Ausführung, um eine MEA 25 zu bilden. Es befindet sich ein GDM 30 neben jeder der Elektroden 20. Die Elektroden 20 können auf dem GDM abgeschieden sein, wie in der CCDM-Ausführung. Neben jedem der GDM befindet sich eine Brennstoffzellenplatte 35. Diese Brennstoffzellenplatte kann eine Unipolar- oder eine Bipolarplatte sein, wie auf dem technischen Gebiet bekannt. Die Elektroden der vorliegenden Erfindung können mit beliebigen geeigneten Brennstoffzellenkomponenten verwendet werden.
  • Die Elektrode umfasst eine Matrix aus einem Ionomer mit einer Vielzahl von elektrisch leitfähigen Trägerpartikeln, die überall im Wesentlichen gleichmäßig verteilt sind. Die Matrix aus Ionomer ist aus einem beliebigen geeigneten protonenleitenden Polymer gebildet, das unter den/der Betriebsbedingungen und -temperatur in Verbindung mit dem Betrieb der Brennstoffzelle im Wesentlichen stabil ist. Ein geeignetes Ionomer umfasst, ist jedoch nicht beschränkt auf, Perfluorsulfonsäure(PFSA-)Polymer (beispielsweise Nafion® von E. I. DuPont de Nemours und Co.), Kohlenwasserstoffionomere wie z. B. sulfonierte Polyetherketone, Arylketone und Polybenzimidazole. Es könnten auch andere protonenleitende Polymere verwendet werden.
  • Die elektrisch leitfähigen Trägerpartikel tragen den Katalysator. In dem typischen Fall ist der Katalysator im Gegensatz zu dem Ionomer auf den leitfähigen Trägerpartikeln angeordnet. Die leitfähigen Trägerpartikel können aus einem beliebigen Material gebildet sein, das eine hinreichend hohe elektrische Leitfähigkeit und große Oberfläche aufweist, um in einer Brennstoffzelle verwendet zu werden. Geeignete leitfähige Trägerpartikel umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf, Ruß, Graphit und aktivierten Kohlenstoff.
  • Der Katalysator ist typischerweise ein fein verteiltes Edelmetall, das eine katalytische Aktivität aufweist. Geeignete Edelmetalle umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf, Platingruppenmetalle wie z. B. Platin, Palladium, Iridium, Rhodium, Ruthenium und deren Legierungen. Das Platingruppenmetall kann auch mit anderen Metallen legiert sein, falls erwünscht. Katalysatorbeschichtete Trägermaterialien sind im Handel erhältlich, wie Fachleuten bekannt ist.
  • Das Verfahren gestattet die Herstellung einer im Wesentlichen schwundrissfreien Elektrodenschicht mit einer gleichmäßigen Dicke. Es hat sich gezeigt, dass das Anordnen eines porösen Filmes auf der Oberfläche einer nassen Elektrode, einer MPL oder einem anderen Nassfilmaufbau, während sie/er getrocknet wird, die Schwundrissbildung durch Verstärken der Oberfläche des Filmes, während die Struktur des Filmes gebildet wird, reduziert oder eliminiert. Der Film bleibt in oder auf der Oberfläche der Elektrode und ist Teil der endgültigen MEA-Anordnung. Es kann jedes beliebige poröse Material verwendet werden, das die obere Fläche der Elektrode verankern wird. Geeignete poröse Materialien umfassen Polymerfilme, Metallgitter, gewebte Stoffe etc., sind jedoch nicht darauf beschränkt. Geeignete poröse Polymerfilme umfassen expandiertes Polytetrafluorethylen und dergleichen. Geeignete Metallgitter umfassen feine Edelstahlgitter und dergleichen.
  • Es wurde gezeigt, dass eine im Wesentlichen schwundrissfreie Kathode die Lebensdauer einer MEA durch Eliminieren eines Schadens an der Membran verlängern kann. Unter „im Wesentlichen rissfrei” ist zu verstehen, dass sehr wenige Risse unter dem Auflichtmikroskop oder dem Rasterelektronenmikroskop (REM) eines CCDM-Querschnitts sichtbar sind. Die Zahl der Schwundrisse liegt wünschenswerterweise so nahe wie möglich bei null.
  • Die Tinten auf Katalysatorbasis enthalten typischerweise Lösungsmittel, Ionomer und Katalysator, z. B. Platin. Geeignete Lösungsmittel umfassen organische Lösungsmittel und Wasser, sind jedoch nicht darauf beschränkt. Geeignete organische Lösungsmittel umfassen Isopropylalkohol, n-Propyl-Alkohol, Ethanol oder Kombinationen daraus, sind jedoch nicht darauf beschränkt. Wasser ist typischerweise in dem Gemisch umfasst, wenngleich es nicht notwendig ist. Falls erwünscht, kann die Elektrodentinte optional ein oder mehrere zusätzliche Materialien umfassen, um die Elektrodeneigenschaften zu verbessern. Weitere Materialien umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf, Fasern oder geschichtete Silikatverstärkungen, wie in der U.S.-Anmeldung mit der Serien-Nr. 12/170 706, eingereicht am 10. Juli 2008, und der U.S.-Anmeldung mit der Serien-Nr. 12/882 653, eingereicht am 15. September 2010 beschrieben ist, welche hierin durch Bezugnahme aufgenommen sind.
  • Die Elektrodentinte kann auf jedem beliebigen geeigneten Substrat einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf, einer Protonenaustauschmembran, einem Gasdiffusionsmedium ohne eine mikroporöse Schicht, einem Gasdiffusionsmedium mit einer mikroporösen Schicht, einer frei stehenden mikroporösen Schicht oder einem Aufklebersubstrat abgeschieden sein.
  • Die Katalysatortinte wird getrocknet. Es kann ein beliebiger Trocknungsprozess verwendet werden, der das Lösungsmittel (einschließlich des Wassers, falls vorhanden) effizient trocknet. Geeignete Trocknungsprozesse umfassen Infrarot-(IR)-Trocknen und konvektives Trocknen, sind jedoch nicht darauf bechränkt.
  • Wenn die auf einem Aufklebersubstrat gebildete Elektrodenschicht verwendet wird, kann sie dann auf eine geeignete Schicht für ihren vorgesehenen Gebrauch übertragen werden, z. B. in einer Brennstoffzelle, wo sie auf eine Protonenaustauschmembran oder ein Gasdiffusionsmedium (mit oder ohne eine mikroporöse Schicht) übertragen werden könnte.
  • Es wurden Tinten auf Katalysatorbasis hergestellt, die Lösungsmittel, Wasser, Ionomer und einen platinhaltigen Katalysator enthielten. Die Tinte wurde mithilfe herkömmlicher Beschichtungstechniken wie z. B. Schlitzdüsenbeschichtung auf das GDM aufgebracht. Ein poröser Festpolymerfilm wie z. B. expandiertes Polytetrafluorethylen (ePTFE) wurde auf der nassen Tinte aufgebracht. Danach wurde die Tinte unter einer IR-Lampe getrocknet, um das/die Lösungsmittel zu entfernen. Die resultierende Kathode wurde mit der Gegenelektrode und der Membran kombiniert, um eine MEA zu bilden.
  • Beispiel 1
  • Tintenherstellung
  • Es wurden 2,89 g eines Pt-Legierung-Katalysators 400 g von 5 mm-Zirkoniumoxidmahlperlen zugesetzt. Dem Katalysator und dem Mahlmedium wurde ein Vorgemisch aus 65,4 g n-Propylalkohol, 20,1 g Wasser und 11,59 g einer Perfluorsulfonsäure-(PFSA)-Ionomerlösung zugesetzt. Das Gemisch wurde 24 Stunden lang in einer Kugelmühle gemahlen.
  • Herstellung der Elektrodenbeschichtung
  • Die katalysatorhaltige Tinte wurde direkt auf ein Gasdiffusionsmedium (GDM) (mit einer mikroporösen Schicht) beschichtet. Unmittelbar nach dem Beschichten der Tinte wurde ein Stück eines Films aus expandiertem Polytetrafluorethylen (ePTFE) auf die Oberflöche des nassen Films laminiert. Der Film aus expandiertem Polytetrafluorethylen (Tetratex®) wird von der Donaldson Company hergestellt. Die Ziel-Pt-Beladung betrug 0,2 mg Pt/cm2. Die Beschichtung wurde 10 Minuten lang unter einer Infrarot(IR-)Lampe bei 400°F getrocknet. Es wurde ein dünner Film aus Ionomer mit einem Ziel-Beschichtungsgewicht von 0,16 mg/cm2 auf die Oberfläche des ePTFE beschichtet. Die Beschichtung wurde 4 Minuten lang unter einer IR-Lampe bei 400°F getrocknet.
  • MEA-Anordnung
  • Es wurden 50 cm2-Stücke des oben hergestellten CCDM für die Kathode verwendet. Es wurden 50 cm2-Stücke eines CCDM mit 0,05 mg Pt/cm2 für die Anode verwendet. Es wurde eine PFSA-Membran zwischen dem Kathoden- und dem Anoden-CCDM angeordnet. Die Anordnung wurde bei 295°F unter einer Kraft von 4000 Pfund 2 Minuten lang heißgepresst.
  • Die MEAs wurden daraufhin in situ mit einer aktiven Fläche von 50 cm2 getestet. 2 zeigt eine Polarisierungskurve unter Bedingungen einer sehr geringen Befeuchtung (95°C, 26% RF, 150 kPa absolut). Die Daten zeigen, dass die Elektroden, welche die ePTFE-Verstärkungsschicht (Verstärkte Schicht Beispiel (Ex.) 1 und 2) umfassen, eine gleich gute oder bessere Leistung im Vergleich zu den Elektroden ohne die Verstärkungsschicht (Nicht verstärkte Schicht Beispiel (Ex.) 1 und 2) ergeben. 3 zeigt eine Polarisierungskurve unter Bedingungen einer sehr starken Befeuchtung (80°C, 100% RF, 170 kPa absolut). Die Daten zeigen, dass die Elektroden, welche die ePTFE-Verstärkungsschicht (Verstärkte Schicht Beispiel (Ex.) 1 und 2) umfassen, eine gleich gute oder bessere Leistung im Vergleich zu den Elektroden ohne die Verstärkungsschicht (Nicht verstärkte Schicht Beispiel (Ex.) 1 und 2) ergeben.
  • 4 ist ein optisches Bild einer Elektrodenoberfläche ohne eine ePTFE-Verstärkungsschicht von oben nach unten. Die Elektrode zeigt eine starke Schwundrissbildung.
  • 5 zeigt einen rasterelektronenmikroskopischen (REM) Querschnitt des gleichen Elektrodenaufbaus wie in 4, aber mit einer ePTFE-Verstärkungsschicht auf der Oberfläche. (Die ePTFE-Schicht verhindert die Verwendung einer Oberflächenbildgebung wie in 4, da optische Techniken von oben nach unten nicht durch die ePTFE-Schicht hindurch sehen können, um die Oberfläche zwischen der ePTFE-Schicht und der Kathodenoberfläche zu beobachten). Auf der mikroporösen Schicht 55 des Diffusionsmediums befindet sich eine Kathodenschicht 50. Die ePTFE-Verstärkungsschicht 60 befindet sich auf der Kathodenschicht 50. 5 zeigt ein schwundrissfreies Ergebnis.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass Ausdrücke wie „bevorzugt”, „üblicherweise” und „typischerweise” hierin nicht verwendet werden, um den Schutzumfang der beanspruchten Erfindung einzuschränken oder zu implizieren, dass gewisse Merkmale kritisch, wesentlich oder sogar wichtig für die Struktur oder Funktion der beanspruchten Erfindung sind. Vielmehr sollen diese Ausdrücke lediglich alternative oder zusätzliche Merkmale hervorheben, die in einer speziellen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden können oder nicht.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass, um die vorliegende Erfindung zu beschreiben und zu definieren, der Ausdruck „Vorrichtung” hierin verwendet wird, um eine Kombination von Komponenten und Einzelkomponenten unabhängig davon zu repräsentieren, ob die Komponenten mit weiteren Komponenten kombiniert sind. Eine „Vorrichtung” gemäß der vorliegenden Erfindung kann z. B. eine elektrochemische Umwandlungsanordnung oder Brennstoffzelle, ein Fahrzeug, in dem eine elektrochemische Umwandlungsanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung eingebaut ist, etc. umfassen.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass, um die vorliegende Erfindung zu beschreiben und zu definieren, der Ausdruck „im Wesentlichen” hierin verwendet wird, um den natürlichen Grad von Unsicherheit darzustellen, der einem/r beliebigen quantitativen Vergleich, Wert, Messung oder anderen Darstellung zugeordnet werden kann. Der Ausdruck „im Wesentlichen” wird hierin auch verwendet, um den Grad darzustellen, um den eine quantitative Darstellung von einer angegebenen Referenz abweichen kann, ohne dass dies zu einer Änderung in der grundlegenden Funktion des betrachteten Gegenstandes führt.
  • Nach der Beschreibung der Erfindung im Detail und durch Bezugnahme auf spezielle Ausführungsformen derselben wird einzusehen sein, dass Abwandlungen und Varianten möglich sind, ohne von dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen, der in den beiliegenden Ansprüchen definiert ist. Im Spezielleren, wenngleich einige Aspekte der vorliegenden Erfindung hierin als bevorzugt oder besonders vorteilhaft bezeichnet sind, wird in Erwägung gezogen, dass die vorliegende Erfindung nicht unbedingt auf diese bevorzugten Aspekte der Erfindung beschränkt ist.

Claims (10)

  1. Verfahren zur Herstellung einer im Wesentlichen rissfreien Elektrode, umfassend, dass: eine Elektrodentinte auf einem Substrat abgeschieden wird; eine poröse Verstärkungsschicht auf einer Oberfläche der nassen Elektrodentinte angeordnet wird; und die Elektrodentinte getrocknet wird, um die im Wesentlichen rissfreie Elektrodenschicht auf dem Substrat zu bilden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die poröse Verstärkungsschicht ein Polymerfilm, ein Metallgitter oder ein gewebtes Material ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die poröse Verstärkungsschicht expandiertes Polytetrafluorethylen ist.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Elektrodentinte ein Lösungsmittel, ein Ionomer und einen Katalysator umfasst.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Lösungsmittel ein organisches Lösungsmittel, Wasser oder Kombinationen daraus umfasst.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei das organische Lösungsmittel Isopropylalkohol, n-Propylalkohol, Ethanol, Butanol, Diacetonalkohol, Pentanol oder Kombinationen daraus ist.
  7. Im Wesentlichen rissfreie Elektrodenschicht, umfassend: ein Substrat; und eine im Wesentlichen rissfreie Elektrodenschicht auf dem Substrat, wobei die Elektrodenschicht einen Katalysator, ein Ionomer und eine poröse Verstärkungsschicht umfasst.
  8. Im Wesentlichen rissfreie Elektrodenschicht nach Anspruch 7, wobei die poröse Verstärkungsschicht ein Polymerfilm, ein Metallgitter oder ein gewebtes Material ist.
  9. Im Wesentlichen rissfreie Elektrodenschicht nach Anspruch 7, wobei die poröse Verstärkungsschicht expandiertes Polytetrafluorethylen umfasst.
  10. Im Wesentlichen rissfreie Elektrodenschicht nach Anspruch 7, wobei das Substrat eine Protonenaustauschmembran, ein Gasdiffusionsmedium ohne eine mikroporöse Schicht, ein Gasdiffusionsmedium mit einer mikroporösen Schicht, eine frei stehende mikroporöse Schicht oder ein Aufklebersubstrat ist.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5435116B2 (ja) 2012-03-15 2014-03-05 株式会社リコー 粉体収納容器、その粉体収納容器から現像剤を補給する粉体補給装置、およびそれが搭載される画像形成装置
DE102014102894A1 (de) * 2013-03-15 2014-09-18 GM Global Technology Operations LLC (n. d. Ges. d. Staates Delaware) Verstärkte Elektrodenanordnung
CN104167299B (zh) * 2014-08-21 2017-11-28 中国科学院大连化学物理研究所 一种金属网加强的高面密度超级电容器电极及其制备方法
US20180366738A1 (en) * 2017-06-16 2018-12-20 GM Global Technology Operations LLC Thermal control of substrates for prevention of ionomer permeation
US11804615B2 (en) 2021-10-18 2023-10-31 Uop Llc Membrane electrode assembly for redox flow battery applications

Family Cites Families (28)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SE392582B (sv) * 1970-05-21 1977-04-04 Gore & Ass Forfarande vid framstellning av ett porost material, genom expandering och streckning av en tetrafluoretenpolymer framstelld i ett pastabildande strengsprutningsforfarande
US4849253A (en) * 1987-05-29 1989-07-18 International Fuel Cell Corporation Method of making an electrochemical cell electrode
US5318863A (en) 1991-12-17 1994-06-07 Bcs Technology, Inc. Near ambient, unhumidified solid polymer fuel cell
CN1067808C (zh) 1994-12-05 2001-06-27 马永林 气体扩散电极的制备方法
US6524736B1 (en) * 2000-10-18 2003-02-25 General Motors Corporation Methods of preparing membrane electrode assemblies
CN1185737C (zh) 2001-10-24 2005-01-19 中国科学院大连化学物理研究所 一种再铸全氟磺酸质子交换膜制备膜电极的方法
WO2003047018A1 (fr) 2001-11-30 2003-06-05 Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha Procede de fabrication d'electrode de pile a combustible
US7217471B2 (en) 2002-05-17 2007-05-15 3M Innovative Properties Company Membrane electrode assembly with compression control gasket
GB0212636D0 (en) * 2002-05-31 2002-07-10 Johnson Matthey Plc Electrode
US7297429B2 (en) 2002-07-05 2007-11-20 Gore Enterprise Holdings, Inc. Ionomer for use in fuel cells and method of making same
US20050072514A1 (en) * 2003-10-06 2005-04-07 Yan Susan G. Method of making membrane electrode assemblies
US7291419B2 (en) 2004-01-22 2007-11-06 General Motors Corporation Durable membrane electrode assembly catalyst coated diffusion media with no lamination to membrane
US20060045985A1 (en) 2004-09-02 2006-03-02 Kozak Paul D Method and apparatus for electrostatically coating an ion-exchange membrane or fluid diffusion layer with a catalyst layer
AU2006272595C1 (en) 2005-07-26 2014-08-28 Knauf Insulation Gmbh Binders and materials made therewith
CN100423338C (zh) 2005-10-10 2008-10-01 新源动力股份有限公司 一种低温燃料电池用气体扩散层及其制备方法
CN1949568B (zh) * 2005-10-13 2010-09-29 比亚迪股份有限公司 燃料电池膜电极的制备方法
US20070087245A1 (en) 2005-10-14 2007-04-19 Fuller Timothy J Multilayer polyelectrolyte membranes for fuel cells
KR100967286B1 (ko) 2005-12-22 2010-07-01 이 아이 듀폰 디 네모아 앤드 캄파니 무기 충전제를 함유하는 화학적으로 안정화된 이오노머의제조 방법
US8372474B2 (en) * 2006-03-13 2013-02-12 GM Global Technology Operations LLC Method of making fuel cell components including a catalyst layer and a plurality of ionomer overcoat layers
JP5298405B2 (ja) 2006-04-14 2013-09-25 トヨタ自動車株式会社 燃料電池用膜電極接合体の製造方法
US7732083B2 (en) 2006-12-15 2010-06-08 3M Innovative Properties Company Gas diffusion layer incorporating a gasket
CN101212054A (zh) 2006-12-31 2008-07-02 比亚迪股份有限公司 燃料电池膜电极及其制备方法
JP4793317B2 (ja) * 2007-04-23 2011-10-12 トヨタ自動車株式会社 膜電極接合体の製造方法、膜電極接合体、膜電極接合体の製造装置、及び燃料電池
CN101425583B (zh) 2007-11-02 2011-06-08 清华大学 燃料电池膜电极及其制备方法
US9647274B2 (en) * 2008-01-11 2017-05-09 GM Global Technology Operations LLC Method of making a proton exchange membrane using a gas diffusion electrode as a substrate
JP5277740B2 (ja) * 2008-06-10 2013-08-28 旭硝子株式会社 触媒層の形成方法および固体高分子形燃料電池用膜電極接合体の製造方法
US7858266B2 (en) 2008-07-10 2010-12-28 Gm Global Technology Operations, Inc. Structural reinforcement of membrane electrodes
US9065140B2 (en) 2010-09-15 2015-06-23 GM Global Technology Operations LLC Process and materials for manufacturing an electrode with reduced mud cracking

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