HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Brennstoffzellen und insbesondere das Verstärken der in Brennstoffzellen verwendeten Polymermembranen und Verfahren zum Herstellen von verstärkten Polymermembranen, sodass die strukturellen Eigenschaften solcher Membranen verbessert sind.The present invention relates generally to fuel cells and, more particularly, to reinforcing the polymer membranes used in fuel cells and to methods of making reinforced polymer membranes so that the structural properties of such membranes are improved.
Brennstoffzellen, auch als elektrochemische Umwandlungszellen bezeichnet, erzeugen elektrische Energie durch Verarbeitung von Reaktanden, beispielsweise durch die Oxidation und Reduktion von Wasserstoff und Sauerstoff. Wasserstoff ist ein sehr attraktiver Brennstoff, da er rein ist und dazu verwendet werden kann, effizient Elektrizität in einer Brennstoffzelle zu erzeugen. Die Kraftfahrzeugindustrie wendet erhebliche Ressourcen bei der Entwicklung von Wasserstoff-Brennstoffzellen als eine Energiequelle für Fahrzeuge auf. Mit Wasserstoff-Brennstoffzellen betriebene Fahrzeuge wären effizienter und würden weniger Emissionen als heutige Fahrzeuge erzeugen, die Verbrennungsmotoren verwenden.Fuel cells, also known as electrochemical conversion cells, generate electrical energy by processing reactants, for example by oxidizing and reducing hydrogen and oxygen. Hydrogen is a very attractive fuel because it is pure and can be used to efficiently generate electricity in a fuel cell. The automotive industry is devoting significant resources to developing hydrogen fuel cells as an energy source for vehicles. Vehicles powered by hydrogen fuel cells would be more efficient and produce fewer emissions than today's vehicles using internal combustion engines.
In einem typischen Brennstoffzellensystem wird Wasserstoff oder ein wasserstoffreiches Gas als ein Reaktand über einen Strömungspfad an die Anodenseite einer Brennstoffzelle geliefert, während Sauerstoff (wie z. B. in der Form von Luftsauerstoff) als ein Reaktand über einen separaten Strömungspfad an die Kathodenseite der Brennstoffzelle geliefert wird. Katalysatoren, typischerweise in der Form eines Edelmetalls wie z. B. Platin sind an der Anode und der Kathode angeordnet, um die elektrochemische Umwandlung der Reaktanden in Elektronen und positiv geladene Ionen (für den Wasserstoff) und negativ geladene Ionen (für den Sauerstoff) zu erleichtern. In einer gut bekannten Brennstoffzellenform können die Anode und die Kathode aus einer Schicht eines elektrisch leitfähigen Gasdiffusionsmedium (GDM)-Materials hergestellt sein, auf dem die Katalysatoren aufgebracht sind, um ein katalysatorbeschichtetes Diffusionsmedium (CCDM, vom engl. catalyst coated diffusion media) zu bilden. Eine Elektrolytschicht (auch als eine protonendurchlässige oder protonenleitende Ionomerschicht bekannt) trennt die Anode von der Kathode, um den selektiven Durchgang von positiv geladenen Ionen zuzulassen, sodass diese von der Anode zu der Kathode gelangen, während gleichzeitig der Durchgang der erzeugten Elektronen verhindert wird, die stattdessen dazu gezwungen werden, durch einen externen elektrisch leitfähigen Kreis (z. B. eine Last) hindurch zu fließen, um Nutzarbeit zu leisten, bevor sie sich mit den geladenen Ionen an der Kathode rekombinieren. Die Kombination aus den positiv und negativ geladenen Ionen an der Kathode hat die Erzeugung von umweltfreundlichem Wasser als Nebenprodukt der Reaktion zur Folge. In einer anderen gut bekannten Brennstoffzellenform können die Anode und die Kathode direkt auf der Elektrolytschicht gebildet sein, um eine Struktur zu bilden, welche als eine kathodenbeschichtete Membran (CCM, vom engl. cathode coated membrane) bekannt ist. Unabhängig davon, ob die Konfiguration CCDM-basiert oder CCM-basiert ist, ist die resultierende Kombination aus einer oder mehreren an einer oder beiden entgegengesetzten Seiten des protonenleitfähigen Mediums befestigten Elektrode als eine Membranelektrodenanordnung (MEA) bekannt.In a typical fuel cell system, hydrogen or a hydrogen-rich gas is supplied as a reactant via a flow path to the anode side of a fuel cell, while oxygen (such as in the form of atmospheric oxygen) is supplied as a reactant via a separate flow path to the cathode side of the fuel cell will. Catalysts, typically in the form of a noble metal such as e.g. B. Platinum are placed on the anode and cathode to facilitate the electrochemical conversion of the reactants into electrons and positively charged ions (for hydrogen) and negatively charged ions (for oxygen). In one well-known form of fuel cell, the anode and cathode can be made from a layer of electrically conductive gas diffusion media (GDM) material on which the catalysts are applied to form a catalyst coated diffusion media (CCDM) . An electrolyte layer (also known as a proton-permeable or proton-conducting ionomer layer) separates the anode from the cathode to allow the selective passage of positively charged ions so that they can travel from the anode to the cathode while preventing the passage of the generated electrons, which instead are forced to flow through an external electrically conductive circuit (e.g. a load) to do useful work before they recombine with the charged ions at the cathode. The combination of the positively and negatively charged ions at the cathode results in the generation of environmentally friendly water as a by-product of the reaction. In another well-known form of fuel cell, the anode and cathode can be formed directly on the electrolyte layer to form what is known as a cathode coated membrane (CCM). Regardless of whether the configuration is CCDM-based or CCM-based, the resulting combination of one or more electrodes attached to one or both opposite sides of the proton conductive medium is known as a membrane electrode assembly (MEA).
Eine Brennstoffzellenausgestaltung, welche als die Protonenaustauschmembran oder Polymerelektrolytmembran (in jedem Fall PEM, vom engl. proton exchange oder polymer electrolyte membrane)-Brennstoffzelle bezeichnet wird, hat sich als besonders vielversprechend für Fahrzeug- und ähnliche mobile Anwendungen erwiesen. Die protonenleitfähige Membran, welche die Elektrolytschicht einer PEM-Brennstoffzelle bildet, ist in der Form einer festen (z. B. einer Perfluorsulfonsäure (PFSA, vom engl. perfluorosulfonic acid)-Ionomerschicht, für die ein im Handel erhältliches Beispiel Nafion® ist) vorhanden. Eine MEA wie z. B. die oben erwähnte bildet, wenn sie ausgestaltet ist, um Reaktanden über einen entsprechenden Strömungspfad (wie z. B einer Bipolarplatte oder einer anderen Fluidversorgungsvorrichtung) zu empfangen, eine einzelne PEM-Brennstoffzelle; es können viele solcher einzelnen Zellen kombiniert werden, um einen Brennstoffzellenstapel zu bilden, um den Leistungsausgang davon zu erhöhen. Es können mehrere Stapel miteinander gekoppelt werden, um den Leistungsausgang weiter zu erhöhen.A fuel cell design referred to as the proton exchange membrane or polymer electrolyte membrane (in any case PEM from proton exchange or polymer electrolyte membrane) fuel cell has shown particular promise for automotive and similar mobile applications. The proton conductive membrane which forms the electrolyte layer of a PEM fuel cell is in the form of a solid (e.g. perfluorosulfonic acid (PFSA) ionomer layer, of which a commercially available example is Nafion®) is present . An MEA such as B. the above, when configured to receive reactants via an appropriate flow path (such as a bipolar plate or other fluid supply device), forms a single PEM fuel cell; many such individual cells can be combined to form a fuel cell stack to increase the power output therefrom. Multiple stacks can be coupled together to further increase power output.
Die Druckschrift US 2005/0019649 A1 offenbart ein Verfahren, bei dem eine Lösung eines Ionenaustauschharzes auf eine nasse Katalysatorschicht auf einem Kohlenstoffpapier aufgebracht wird. Aus den Druckschriften US 2009/0181276 A1 , DE 10 2007 051 812 A1 , US 5,795,668 A , WO 2007/073500 A2 und US 2010/0043954 A1 ist das Imprägnieren von porösen Trägerschichten mit durch Aufbringen auf nasse Schichten bekannt.The pamphlet US 2005/0019649 A1 discloses a method in which a solution of an ion exchange resin is applied to a wet catalyst layer on carbon paper. From the pamphlets US 2009/0181276 A1 , DE 10 2007 051 812 A1 , U.S. 5,795,668 A , WO 2007/073500 A2 and US 2010/0043954 A1 the impregnation of porous carrier layers with by application to wet layers is known.
Trotz der Fortschritte besteht eines der Probleme mit der derzeitigen PEM-Brennstoffzellentechnologie darin, dass das Bilden eine MEA aus einer frei stehenden Elektrolytschicht kostspielig ist.Despite advances, one of the problems with current PEM fuel cell technology is that it is costly to form an MEA from a free-standing electrolyte layer.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGSUMMARY OF THE INVENTION
In Übereinstimmung mit einem Aspekt der Lehren der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen einer MEA offenbart, welches umfasst, dass ein erstes CCDM vorgesehen wird, eine erste Ionomerlösung auf das CCDM beschichtet wird, sodass eine erste nasse Ionomerschicht gebildet wird, eine poröse Verstärkungsschicht auf die nasse Ionomerschicht aufgebracht wird, sodass die nasse Ionomerschicht zumindest einen Abschnitt der Verstärkungsschicht imprägniert, die nasse Ionomerschicht mit der imprägnierten Verstärkungsschicht getrocknet wird, um eine PEM-Schicht zu bilden; eine zweite Ionomerlösung auf einem zweiten CCDM abgeschieden oder anderweitig darauf gebildet wird, um eine zweite nasse Ionomerschicht zu bilden; die zweite Ionomerschicht getrocknet wird; und die zweite Ionomerschicht und das zweite katalysatorbeschichtete Diffusionsmedium an die Verstärkungsschicht gefügt werden. Das Konzept einer MEA, während es traditionell als beide Elektroden (d. h. eine Anode und eine Kathode), die an der Membran befestigt sind, umfassend verstanden wird, wird in der vorliegenden Erfindung erweitert, um die Untereinheit einzuschließen, die eine Anordnung von nur einer der Elektroden und der Membran umfasst; die Art der anstehenden Variante wird aus dem Kontext offensichtlich.In accordance with one aspect of the teachings of the present invention, a method of making an MEA is disclosed which comprises providing a first CCDM, coating a first ionomer solution on the CCDM such that a first wet ionomer layer forming, applying a porous reinforcement layer to the wet ionomer layer so that the wet ionomer layer impregnates at least a portion of the reinforcement layer, drying the wet ionomer layer with the impregnated reinforcement layer to form a PEM layer; depositing or otherwise forming a second ionomer solution on a second CCDM to form a second wet ionomer layer; drying the second ionomer layer; and adhering the second ionomer layer and the second catalyst-coated diffusion media to the reinforcement layer. The concept of an MEA, while traditionally understood to include both electrodes (ie, an anode and a cathode) attached to the membrane, is expanded in the present invention to include the subassembly which is an assembly of only one of the Electrodes and the membrane comprises; the nature of the upcoming variant is obvious from the context.
Wie bei der ersten, oben erläuterten nassen Ionomerschicht kann die zweite nasse Ionomerschicht, entweder im Wesentlichen gleichzeitig oder nacheinander bezüglich der ersten nassen Ionomerschicht, getrocknet werden. Ebenso kann die zweite Ionomerschicht nach dem Trocknen mittels Heißpressen, Laminieren oder einer ähnlichen Vorgangsweise an eines oder beide von der verstärkten PEM-Schicht und dem zweiten CCDM gefügt werden. In einer anderen Form kann eine zweite Ionomerlösung auf der ersten nassen Ionomerschicht abgeschieden werden, die mit der Verstärkungsschicht imprägniert wurde; ein zweites katalysatorbeschichtetes Diffusionsmedium auf zumindest einem von der zweiten Ionomerlösung und der zumindest teilweise imprägnierten Verstärkungsschicht angeordnet werden, nachdem die zweite Ionomerlösung getrocknet ist; und das zweite katalysatorbeschichtete Diffusionsmedium und die getrocknete zweite Ionomerschicht an die Verstärkungsschicht gefügt werden. Eine Elektrode kann mit der ersten oder der zweiten getrockneten Ionomerschicht angebracht und daran befestigt werden. Die Ionomere in der ersten und der zweiten Lösung können die gleichen oder verschiedene sein und entweder eine oder beide kann/können ein Lösungsmittel umfassen. Ebenso können die Ionomere auf sulfonierten Polyetherketonen, Arylketonen, Polybenzimidazolen, PFSAs, Perfluorcyclobutanen (PFCBs) oder dergleichen basieren, während die Ionomerlösungen ferner Mittel gegen chemischen Abbau umfassen können, um die Wahrscheinlichkeit eines chemischen Schadens an der Protonenaustauschmembranschicht zu reduzieren. Wie oben erwähnt, kann die poröse Verstärkungsschicht aus einem Polymerfilm, einem Gewebe oder Kombinationen daraus hergestellt sein.As with the first wet ionomer layer discussed above, the second wet ionomer layer can be dried either substantially simultaneously or sequentially with respect to the first wet ionomer layer. Likewise, after drying, the second ionomer layer can be joined to one or both of the reinforced PEM layer and the second CCDM by means of hot pressing, lamination, or a similar procedure. Alternatively, a second ionomer solution can be deposited on the first wet ionomer layer that has been impregnated with the reinforcement layer; disposing a second catalyst-coated diffusion media on at least one of the second ionomer solution and the at least partially impregnated reinforcement layer after the second ionomer solution has dried; and adhering the second catalyst-coated diffusion media and the dried second ionomer layer to the reinforcement layer. An electrode can be attached and attached to the first or second dried ionomer layer. The ionomers in the first and second solutions can be the same or different, and either or both can include a solvent. Likewise, the ionomers can be based on sulfonated polyether ketones, aryl ketones, polybenzimidazoles, PFSAs, perfluorocyclobutanes (PFCBs) or the like, while the ionomer solutions can further comprise agents against chemical degradation to reduce the likelihood of chemical damage to the proton exchange membrane layer. As mentioned above, the porous reinforcement layer can be made from a polymer film, a fabric, or combinations thereof.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung ist eine integral verstärkte MEA offenbart. Die Elektrodenanordnung umfasst ein CCDM und eine verstärkte PEM-Schicht auf dem CCDM, wobei sich die verstärkte Beziehung zwischen der PEM-Schicht und dem CCDM aus einer integrierten Kopplung des andernfalls strukturell nicht selbsttragenden Ionomers und einer porösen Verstärkungsschicht ergibt.In another aspect of the invention, an integrally reinforced MEA is disclosed. The electrode assembly includes a CCDM and a reinforced PEM layer on top of the CCDM, the enhanced relationship between the PEM layer and the CCDM resulting from an integrated coupling of the otherwise structurally non-self-supporting ionomer and a porous reinforcement layer.
Die integrierte poröse Verstärkungsschicht ist aus einem Polymerfilm, einem Gewebe oder einer Kombination daraus hergestellt, wie oben in Verbindung mit dem vorherigen Aspekt erläutert. Die MEA umfasst außerdem eine zweite Ionomerschicht, die auf einer Oberfläche der verstärkten PEM-Schicht gebildet ist, sodass die zweite Ionomerschicht auf der Seite des Verstärkungsmaterials angeordnet ist, welche der ersten Ionomerschicht entgegengesetzt ist. Das Ionomer in der zweiten Ionomerschicht kann von dem Ionomer in der ersten Ionomerschicht verschieden oder das gleiche sein. In ähnlicher Weise kann/können die eine oder mehreren Ionomerschichten aus den oben in Verbindung mit dem vorherigen Aspekt erwähnten Materialien einschließlich PFSA, PFCB oder ähnlicher Kohlenwasserstoffionomere hergestellt sein. Die MEA kann die Grundlage für eine Brennstoffzelle bilden, die wiederum eine Quelle von Antriebsleistung für ein Auto, einen Lastwagen, ein Motorrad oder ein ähnliches Kraftfahrzeug sein kann.The integrated porous reinforcement layer is made from a polymer film, a fabric, or a combination thereof, as discussed above in connection with the previous aspect. The MEA also includes a second ionomer layer formed on a surface of the reinforced PEM layer such that the second ionomer layer is disposed on the side of the reinforcement material that is opposite the first ionomer layer. The ionomer in the second ionomer layer can be different from or the same as the ionomer in the first ionomer layer. Similarly, the one or more ionomer layers can be made from the materials mentioned above in connection with the previous aspect, including PFSA, PFCB, or similar hydrocarbon ionomers. The MEA can form the basis of a fuel cell, which in turn can be a source of propulsion power for a car, truck, motorcycle, or similar motor vehicle.
FigurenlisteFigure list
Die nachfolgende detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist am besten beim Lesen in Verbindung mit den nachfolgenden Zeichnungen verständlich, in denen gleiche Strukturen mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind und in denen:
- 1A einen schematischen Querschnitt einer Ausführungsform einer Brennstoffzelle gemäß dem Stand der Technik mit einer frei stehenden PEM zeigt, die auf entgegengesetzten Seiten von CCDMs umgeben ist;
- 1B einen schematischen Querschnitt einer anderen Ausführungsform einer Brennstoffzelle gemäß dem Stand der Technik mit einer frei stehenden PEM in der Form einer MEA zeigt;
- 2 ein Querschnitt einer Ausführungsform einer CCM ist;
- 3 ein Querschnitt einer Ausführungsform eines CCDM ist;
- 4 eine Veranschaulichung eines Verfahrens zum Herstellen einer MEA mithilfe einer Elektrodenanordnung mit einer integrierten Verstärkungsschicht ist;
- 5 eine Veranschaulichung eines anderen Verfahrens zum Herstellen einer MEA mithilfe einer Elektrodenanordnung mit einer integrierten Verstärkungsschicht ist;
- 6 eine Veranschaulichung einer Polarisationsgrafik für ein gemäß einem ersten Beispiel hergestelltes Kathoden-CCDM ist;
- 7 eine Veranschaulichung einer Polarisationsgrafik für ein gemäß einem zweiten Beispiel hergestelltes Kathoden-CCDM ist; und
- 8 eine Veranschaulichung eines noch anderen Verfahrens zum Herstellen einer MEA mithilfe einer Elektrodenanordnung mit einer integrierten Verstärkungsschicht ist.
The following detailed description of the preferred embodiments of the present invention is best understood when read in conjunction with the following drawings, in which like structures are designated by like reference numerals and in which: - 1A Figure 12 shows a schematic cross section of an embodiment of a prior art fuel cell having a free standing PEM surrounded on opposite sides by CCDMs;
- 1B Fig. 3 shows a schematic cross section of another embodiment of a fuel cell according to the prior art with a free standing PEM in the form of an MEA;
- 2 Figure 3 is a cross-section of one embodiment of a CCM;
- 3 Figure 3 is a cross-section of one embodiment of a CCDM;
- 4th an illustration of a method of making an MEA using an electrode assembly with an integrated reinforcement layer;
- 5 Figure 3 is an illustration of another method of making an MEA using an electrode assembly with an integrated reinforcement layer;
- 6th Figure 3 is an illustration of a polarization graph for a cathode CCDM made according to a first example;
- 7th Figure 3 is an illustration of a polarization graph for a cathode CCDM made according to a second example; and
- 8th Figure 3 is an illustration of yet another method of making an MEA using an electrode assembly with an integrated reinforcement layer.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMENDETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS
Die Erfindung betrifft integral verstärkte MEAs für Brennstoffzellen. Eine Verstärkungsschicht ist in eine nasse Ionomerschicht integriert, die auf eine CCDM-Elektrode beschichtet wurde. Das Verstärkungsmaterial wird die gesamte Elektrodenanordnung dauerhafter und weniger anfällig für Kurzschlussdefekte machen. Außerdem kann die Verwendung der Verstärkungsschicht auch zulassen, dass die gesamte Protonenaustauschmembranschicht dünner ist als eine frei stehende PEM (hierin auch als einzeln stehend bezeichnet). Durch diesen Aufbau dient die Verstärkung der beschichteten Ionomerschicht dazu, die strukturellen und elektrochemischen Eigenschaften einer herkömmlichen frei stehenden PEM mit einer/m viel kleineren Masse oder Gewicht nachzuahmen. Des Weiteren würde der Ansatz der vorliegenden Erfindung die Menge des verwendeten Ionomers und infolgedessen die Kosten der Struktur weiter reduzieren.The invention relates to integrally reinforced MEAs for fuel cells. A reinforcement layer is integrated into a wet ionomer layer that has been coated onto a CCDM electrode. The reinforcement material will make the entire electrode assembly more durable and less prone to short circuit defects. Additionally, the use of the reinforcement layer can also allow the entire proton exchange membrane layer to be thinner than a free-standing PEM (also referred to herein as single-standing). By this construction, the reinforcement of the coated ionomer layer serves to mimic the structural and electrochemical properties of a conventional free-standing PEM with a much smaller mass or weight. Furthermore, the approach of the present invention would further reduce the amount of ionomer used and, consequently, the cost of the structure.
Zu Beginn Bezug nehmend auf die 1A und 1B zeigen partielle Schnittansichten einer PEM-Brennstoffzelle 10 in Explosionsdarstellungsform eine Ausgestaltung auf CCDM-Basis bzw. eine Ausgestaltung auf CCM-Basis. In jedem Fall umfasst die Brennstoffzelle 10 eine im Wesentlichen ebene, einzeln stehende PEM 15 und ein Paar Katalysatorschichten 20 (die einzeln als Anodenkatalysatorschicht 20A und als Kathodenkatalysatorschicht 20B bezeichnet sind, welche benachbart entsprechenden entgegengesetzten Seiten der PEM 15 zugewandt sind). Es ist auch ein Paar Diffusionsschichten 30 (die einzeln als Anodendiffusionsschicht 30A und als Kathodendiffusionsschicht 30B bezeichnet sind, welche in zugewandtem Kontakt mit der Anodenkatalysatorschicht 20A bzw. der Kathodenkatalysatorschicht angeordnet sind) gezeigt. Wie in den Fig. gezeigt, kann die Kathodendiffusionsschicht 30B dicker sein als die Anodendiffusionsschicht 30A. Für Fachleute wird dennoch einzusehen sein, dass solche Unterschiede in der Dicke für den Betrieb der Brennstoffzelle 10 nicht notwendig sind und diese stattdessen eine im Wesentlichen gleiche Dicke aufweisen können. Es wird für Fachleute gleichermaßen einzusehen sein, dass die Anodendiffusionsschicht 30A und die Kathodendiffusionsschicht 30B aus gleichen oder verschiedenen Materialien hergestellt sein kann, und dass jede Variante innerhalb des Schutzumfanges der vorliegenden Erfindung liegt. Bipolarplatten 40 sind mit vielen Kanäle versehen, um zuzulassen, dass Reaktandengase die entsprechende Seite der Katalysatorschichten 20A und 20B wie auch die PEM 15 erreichen. Die Diffusionsschichten 30 können einen elektrischen Kontakt zwischen den jeweiligen Katalysatorschichten 20 und den Bipolarplatten 40 bereitstellen, die zusätzlich als Stromkollektoren dienen können. Jede der Diffusionsschichten 30 kann hergestellt sein, um einen allgemein porösen Aufbau zu definieren, um den Durchgang von gasförmigen Reaktanden zu den Katalysatorschichten 20 zu erleichtern. Geeignete Materialien für die Diffusionsschichten 30 können Kohlepapier, porösen Graphit, Filze, Stoff, Gewebe oder gewebte oder nicht gewebte Materialien umfassen (sind aber nicht darauf beschränkt), welche einen gewissen Grad an Porosität beinhalten.To begin with, referring to the 1A and 1B show partial sectional views of a PEM fuel cell 10 an exploded view of a configuration based on CCDM or a configuration based on CCM. In any case, the fuel cell includes 10 an essentially flat, individual PEM 15th and a pair of catalyst layers 20th (which are used individually as the anode catalyst layer 20A and as a cathode catalyst layer 20B are denoted which are adjacent corresponding opposite sides of the PEM 15th facing). It's also a pair of diffusion layers 30th (which are used individually as an anode diffusion layer 30A and as a cathode diffusion layer 30B which are in facing contact with the anode catalyst layer 20A or the cathode catalyst layer are arranged) shown. As shown in the figures, the cathode diffusion layer 30B be thicker than the anode diffusion layer 30A . It will be appreciated by those skilled in the art, however, that such differences in thickness are essential for the operation of the fuel cell 10 are not necessary and they can instead have a substantially equal thickness. It will be appreciated by those skilled in the art that the anode diffusion layer 30A and the cathode diffusion layer 30B may be made of the same or different materials, and that any variant is within the scope of the present invention. Bipolar plates 40 are provided with many channels to allow reactant gases to enter the appropriate side of the catalyst layers 20A and 20B as well as the PEM 15th reach. The diffusion layers 30th can establish electrical contact between the respective catalyst layers 20th and the bipolar plates 40 provide that can also serve as current collectors. Each of the diffusion layers 30th can be fabricated to define a generally porous structure for passage of gaseous reactants to the catalyst layers 20th to facilitate. Suitable materials for the diffusion layers 30th may include (but are not limited to) carbon paper, porous graphite, felts, cloth, cloth, or woven or non-woven materials that incorporate some degree of porosity.
In dem Ansatz auf CCDM-Basis von 1A dient jede Diffusionsschicht 30 als die zuvor erwähnte GDM- oder Gasdiffusionsschicht (GDL, vom engl. gas diffusion layer), die als ein Substrat für die Katalysatorschichten 20 verwendet werden kann, das (z. B.) in Tintenform abgeschieden werden kann. In dem Ansatz auf CCM-Basis von 1B definieren die einzeln stehende PEM 15 und die Katalysatorschichten 20A, 20B kollektiv die MEA 50. In jeder von der Ausgestaltung auf CCDM-Basis und der Ausgestaltung auf CCM-Basis können die Katalysatorschichten 20 an den jeweiligen Diffusionsschichten angebracht, darauf abgeschieden, darin eingebettet oder sonst wie daran gefügt sein. Wie Fachleute einsehen werden, bringt eine frei stehende PEM 15 zusätzliche Fertigungsschritte mit sich, unabhängig davon, ob die resultierende MEA 50 eine Ausgestaltung auf CCDM-Basis umfasst, in der Anoden- und Kathodenschichten 20A, 20B an jeweiligen Diffusionsschichten 30A, 30B angebracht sind oder diese gleichen Schichten 20A, 20B als Teil einer Ausgestaltung auf CCM-Basis an der PEM 15 angebracht sind.In the CCDM-based approach of 1A each diffusion layer serves 30th as the previously mentioned GDM or gas diffusion layer (GDL, from English gas diffusion layer), which acts as a substrate for the catalyst layers 20th which can be deposited (e.g.) in ink form. In the CCM-based approach of 1B define the single PEM 15th and the catalyst layers 20A , 20B collectively the MEA 50 . In each of the CCDM-based configuration and the CCM-based configuration, the catalyst layers may 20th attached to the respective diffusion layers, deposited thereon, embedded therein or otherwise attached to it. As professionals will appreciate, a free-standing PEM brings 15th additional manufacturing steps, regardless of whether the resulting MEA 50 comprises a CCDM-based configuration in which anode and cathode layers 20A , 20B on respective diffusion layers 30A , 30B are attached or these same layers 20A , 20B as part of a CCM-based design at the PEM 15th are attached.
Als Nächstes Bezug nehmend auf 2 ist ein einzelnes CCDM 100 gezeigt, das als Träger für eine Ionomerschicht (nachfolgend in größerem Detail erläutert) verwendet werden kann. Wie oben erläutert, wird ein CCDM hergestellt, indem eine Katalysatorschicht 103 (auch als eine Elektrodenschicht bekannt) auf einem GDM angebracht oder sonst wie damit verbunden wird, welches ein Diffusionsmediumsubstrat 101 mit einer mikroporösen Schicht 102 umfasst, wobei die mikroporöse Schicht 102 mit einer Gasdiffusion zu und einer Wasserentfernung von der Elektrodenschicht 103 hilft. Wie nachfolgend erläutert und in den beigefügten Zeichnungen gezeigt wird, kann das CCDM 100 einzeln gekennzeichnet sein (z. B. mit 100A, 100B oder dergleichen) um Ausgestaltungen zu berücksichtigen, bei denen mehrere (und gegebenenfalls unterschiedliche) CCDMs zum Einsatz kommen. Die Katalysatorschicht 103 kann geeignete katalytische Partikel, z. B. Metalle wie Platin, Platinlegierungen und andere Katalysatoren umfassen, die Fachleuten auf dem technischen Gebiet der Brennstoffzellen bekannt sind, und können mithilfe eines beliebigen geeigneten Verfahrens wie. z. B. Walzen, Lackieren, Sprühen, eines Meyer-Stabes, einer Breitschlitzdüse, eines Kommarakels oder dergleichen aufgebracht werden. Das Diffusionsmediumsubstrat 101 kann ein herkömmliches Brennstoffzellengasdiffusionsmedium-Material sein, z. B. ein vliesartiges Kohlefaserpapier, ein Fasergewebe oder ein Kohlenstoffschaum. Ebenso kann die mikroporöse Schicht 102, welche Partikel und ein Bindemittel umfassen kann, mithilfe eines beliebigen geeigneten Verfahrens wie z. B. die zuvor erwähnten aufgebracht werden. Geeignete Partikel können graphitische, graphitisierte oder andere leitfähige Kohlenstoffpartikel umfassen, sind aber nicht darauf beschränkt, während geeignete Bindemittel für die mikroporöse Schicht 102 zumindest eines von PTFE, Polyvinylidenfluorid (PVDF), Fluorethylenpropylen (FEP) oder andere organische oder anorganische hydrophobe Materialien enthalten können.Referring next to 2 is a single CCDM 100 shown, which can be used as a carrier for an ionomer layer (explained in greater detail below). As explained above, a CCDM is made by adding a catalyst layer 103 (also known as an electrode layer) attached to or otherwise bonded to a GDM, which is a diffusion media substrate 101 with a microporous layer 102 comprises, wherein the microporous layer 102 with gas diffusion to and water removal from the electrode layer 103 helps. As explained below and shown in the accompanying drawings, the CCDM 100 individually marked (e.g. B. with 100A, 100B or the like) to take into account configurations in which several (and possibly different) CCDMs are used. The catalyst layer 103 suitable catalytic particles, e.g. Metals such as platinum, platinum alloys, and other catalysts known to those skilled in the fuel cell art and can be made using any suitable method such as. z. B. rolling, painting, spraying, a Meyer rod, a slot nozzle, a comma or the like can be applied. The diffusion media substrate 101 may be conventional fuel cell gas diffusion media material, e.g. B. a fleece-like carbon fiber paper, a fiber fabric or a carbon foam. The microporous layer can also 102 which may comprise particles and a binder, by any suitable method such as e.g. B. the aforementioned can be applied. Suitable particles can include, but are not limited to, graphitic, graphitized or other conductive carbon particles, while suitable binders for the microporous layer 102 may contain at least one of PTFE, polyvinylidene fluoride (PVDF), fluoroethylene propylene (FEP), or other organic or inorganic hydrophobic materials.
Als Nächstes Bezug nehmend auf die 3 bis 5 sind verschiedene Verfahren zum Herstellen einer integral verstärkten MEA 170 mithilfe des Ansatzes der vorliegenden Erfindung gezeigt. Speziell Bezug nehmend auf 3 wird eine Ionomerlösung 110A auf ein erstes CCDM 100A beschichtet, um eine PEM-Vorstufenschicht 115 zu bilden. Die Ionomerlösung 110 umfasst typischerweise ein oder mehrere Lösungsmittel und kann zusätzliche Materialien wie Verbindungen zum Verbessern des Leistungsvermögens und der Haltbarkeit der sich ergebenden Membran umfassen. Das in der Lösung 110A verwendete Ionomer kann aus einer beliebigen handelsüblichen Variante wie z. B den zuvor erwähnten PFSA-, PFCB- oder Kohlenwasserstoffionomeren wie z. B. sulfonierten Polyetherketonen, Arylketonen und Polybenzimidazolen bestehen. Es könnten auch andere Protonen leitende Polymere verwendet werden.Referring next to the 3 until 5 are various methods of making an integrally reinforced MEA 170 shown using the approach of the present invention. Referring specifically to 3 becomes an ionomer solution 110A on a first CCDM 100A coated to a PEM precursor layer 115 to build. The ionomer solution 110 typically includes one or more solvents and may include additional materials such as compounds to improve the performance and durability of the resulting membrane. That in the solution 110A Ionomer used can be made from any commercially available variant such. B the aforementioned PFSA, PFCB or hydrocarbon ionomers such as. B. sulfonated polyether ketones, aryl ketones and polybenzimidazoles exist. Other proton conducting polymers could also be used.
Die Ionomerlösung 110A kann mithilfe eines beliebigen geeigneten Verfahrens, umfassend, aber nicht beschränkt auf, Gießen, Laminieren, Aufsaugen, Spritzen, eine Breitschlitzdüse, Extrusion, Stabbeschichten oder andere herkömmliche flüssige Beschichtungsverfahren auf dem ersten CCDM 100A abgeschieden werden. Während die durch die Kombination aus der Ionomerlösung 110A und dem ersten CCDM 100A gebildete PEM-Vorstufenschicht 115 noch immer nass ist, wird eine Schicht von Verstärkungsmaterial 120 aufgebracht. In einer Form kann das Verstärkungsmaterial 120 in der Form eines Gitters oder eines ähnlichen Geflechts vorhanden sein, während es in einer anderen aus einem porösen Material wie z. B. PTFE oder geschäumtes PTFE (ePTFE) hergestellt sein kann. In dieser letzteren Ausgestaltung imprägniert die nasse PEM-Vorstufenschicht 115 schnell die Poren des Verstärkungsmaterials 120 in einer Weise, die analog der ist, wenn ein Papiertaschentuch verwendet wird, um eine verschüttete Flüssigkeit aufzusaugen, wenn es darüber gelegt wird. Die Gesamtheit dieser Integration gestattet, dass eine erste Elektroden- und Ionomeranordnung 130 die jeweiligen Abschnitte einer separat gebildeten MEA 50 (wie z. B. in den 1A und 1B gezeigt) nachahmt, welche auf einer frei stehenden protonenleitfähigen Membran 15 nach dem Stand der Technik basiert, aber ohne die Masse und Kosten. Danach wird die erste Elektroden- und Ionomeranordnung 130 einer Trocknung 150 unterzogen.The ionomer solution 110A can be applied to the first CCDM using any suitable method including, but not limited to, pouring, lamination, wicking, spraying, a slot die, extrusion, rod coating, or other conventional liquid coating methods 100A to be deposited. While the through the combination of the ionomer solution 110A and the first CCDM 100A formed PEM precursor layer 115 is still wet, becomes a layer of reinforcement material 120 upset. In one form, the reinforcement material 120 be in the form of a grid or similar mesh, while in another of a porous material such as. B. PTFE or foamed PTFE (ePTFE) can be made. In this latter embodiment, the PEM wet precursor layer impregnates 115 quickly the pores of the reinforcement material 120 in a manner analogous to using a tissue to soak up a spilled liquid as it is placed over it. The entirety of this integration allows for a first electrode and ionomer assembly 130 the respective sections of a separately formed MEA 50 (such as in the 1A and 1B shown) mimics which on a free-standing proton-conductive membrane 15th based on the state of the art, but without the bulk and cost. Then the first electrode and ionomer assembly 130 a drying 150 subjected.
Wie unten links in 3 gezeigt, wird ein zweites CCDM mit einer zweiten Ionomerschicht 110B beschichtet, um eine zweite Elektroden- und Ionomeranordnung 140 zu bilden, welche der ersten Elektroden- und Ionomeranordnung 130 außer dem Vorhandensein des Verstärkungsmaterials 120 ähnlich sein kann. Wie bei der ersten Elektroden- und Ionomeranordnung 130 kann die zweite Elektroden- und Ionomeranordnung 140 einem Trocknungsschritt 150 unterzogen werden, um Lösungsmittel zu entfernen und sie auszuhärten, zu härten oder sonst wie für den nächsten Verarbeitungsschritt vorzubereiten. In einem bevorzugten Ansatz wird das Trocknen 150 der zwei unterschiedlichen Anordnungen 130 und 140 getrennt voneinander ausgeführt werden; dies wäre besonders zweckdienlich, wenn unterschiedliche Vorstufenmaterialien verwendet werden, wenngleich es für Fachleute einzusehen sein wird, dass die erste und die zweite Ionomerlösung 110A und 110B die gleichen oder verschiedene Materialien verwenden können. Die zweite Elektroden- und Ionomeranordnung 140 kann mithilfe eines beliebigen geeigneten Verfahrens wie z. B. Heißpressen oder Laminieren 160 mit der verstärkten ersten Elektroden- und Ionomeranordnung 130 kombiniert werden, um die MEA 170 zu bilden. Wie oben erwähnt, sind die erste und die zweite Elektroden- und Ionomeranordnung 130, 140 Untereinheiten der MEA 170, sodass sich jegliche oder alle als eine zusammengebaute Membran und Elektrode qualifizieren. Das erste und das zweite CCDM 100A und 100B können die gleiche oder verschiedene Strukturen aufweisen. In einem Beispiel für einen Unterschied, wie oben erwähnt, könnte das zweite CCDM 100B (wenn es ausgestaltet ist, um die Kathodenseite der MEA 170 zu besetzen) entweder im Zusammensetzungsmaterial oder der Abmessung dicker sein als das erste CCDM 100A, das auf der Anodenseite der MEA 170 verwendet wird. Es ist wichtig im vorliegenden Kontext darauf hinzuweisen, dass jede der 3 bis 5 voraussetzen, dass eine zweite Ionomerschicht 100B entweder auf der Oberseite der ersten Elektroden- und Ionomeranordnung 130 (wie in den 4 und 5 abgebildet) oder auf dem zweiten CCDM 100B (wie in 3 gezeigt) aufgebracht wird. Trotzdem ist ein anderer gültiger Aufbau in 8 gezeigt, bei dem eine erste Ionomerlösung 110A auf das erste CCDM 100A beschichtet wird, wonach die Verstärkungsschicht 120 aufgebracht wird, während die Beschichtung nass ist, um eine erste Elektroden- und Ionomeranordnung 130 zu erzeugen, welche der in den 3 bis 5 abgebildeten ähnlich ist. Danach erfolgt das Heißpressen oder Laminieren 160 an die zweite Elektrode 100B mit einer optional beschichteten dünnen Ionomerschicht 105, die auf die zweite Elektrode 100B beschichtet wird und dann ihrem eigenen Trocknungsschritt unterzogen wird, um eine modifizierte Form 145 der zweiten Elektroden- und Ionomeranordnung zu erzeugen. Nach dem Laminieren der zwei Elektroden-Ionomeranordnungen 130 und 145 aneinander wird eine modifizierte MEA 175 erzeugt, welche den in den 3 bis 5 abgebildeten MEAs 170 mit Ausnahme der zweiten Ionomerschicht 110B allgemein ähnlich ist. Als solcher ist der Unterschied zu der Ausführungsform von 8 der, dass die gesamte erste Ionomerlösung 110A zu Beginn beschichtet wird, sodass die zweite Ionomerlösung 110B nicht notwendig ist.As in the lower left in 3 shown is a second CCDM with a second ionomer layer 110B coated to a second electrode and ionomer assembly 140 to form which of the first electrode and ionomer assembly 130 except for the presence of the reinforcement material 120 can be similar. As with the first electrode and ionomer arrangement 130 can the second electrode and ionomer assembly 140 a drying step 150 to remove solvents and to cure, harden or otherwise prepare them for the next processing step. In a preferred approach, drying is used 150 of the two different arrangements 130 and 140 run separately from each other; this would be particularly useful when different precursor materials are used, although it will be appreciated by those skilled in the art that the first and second ionomer solutions 110A and 110B can use the same or different materials. The second electrode and ionomer assembly 140 can be performed using any suitable method, e.g. B. hot pressing or lamination 160 with the reinforced first electrode and ionomer assembly 130 can be combined to form the MEA 170 to build. As mentioned above, the first and second are electrode and ionomer assemblies 130 , 140 Subunits of the MEA 170 so that any or all qualify as an assembled membrane and electrode. The first and second CCDM 100A and 100B can have the same or different structures. In an example of a difference, as mentioned above, the second CCDM could 100B (if it is designed to be the cathode side of the MEA 170 to occupy) be thicker than the first CCDM in either the compositional material or the dimension 100A that is on the anode side of the MEA 170 is used. It is important to note in the present context that each of the 3 until 5 require a second ionomer layer 100B either on top of the first electrode and ionomer assembly 130 (as in the 4th and 5 shown) or on the second CCDM 100B (as in 3 shown) is applied. Nevertheless, there is another valid structure in 8th shown in which a first ionomer solution 110A on the first CCDM 100A is coated, after which the reinforcing layer 120 is applied while the coating is wet to a first electrode and ionomer assembly 130 to generate which of the in the 3 until 5 pictured is similar. This is followed by hot pressing or lamination 160 to the second electrode 100B with an optionally coated thin ionomer layer 105 that is on the second electrode 100B is coated and then subjected to its own drying step to a modified shape 145 of the second electrode and ionomer assembly. After laminating the two electrode-ionomer assemblies 130 and 145 to each other is a modified MEA 175 which generates the 3 until 5 pictured MEAs 170 with the exception of the second ionomer layer 110B is generally similar. As such, it differs from the embodiment of FIG 8th of that all of the first ionomer solution 110A at the beginning is coated so that the second ionomer solution 110B is not necessary.
Das Verstärkungsmaterial 120 kann ein beliebiges poröses Material sein, das dabei helfen wird, eine Stütz- oder Verstärkungsschicht für die resultierende MEA 170 bereitzustellen. Geeignete poröse Materialien umfassen, sind aber nicht beschränkt auf, Polymerfilme, Gewebe und dergleichen, wobei eine besonders zweckdienliche Form der porösen Polymerfilme das zuvor erwähnte ePTFE oder dergleichen umfasst. Wegen der bequemen Aufnahme der Ionomerlösung 110A durch die Schicht aus Verstärkungsmaterial 120 haben die vorliegenden Erfinder festgestellt, dass das Aufbringen des Verstärkungsmaterials 120 sobald wie möglich auf die nasse PEM-Beschichtung 115 die Menge des in das CCDM 100A eingedrungenen Ionomers reduziert; dieses Eindringen ist auch von der Porosität und Hydrophobie oder Hydrophilie des CCDM 100A abhängig. Das Eindringen ist auch von der Ionomerflüssigkeitsformulierung (z. B. Lösungsmittel/Wasser-Verhältnisse, Viskosität, Lösungsmitteltyp und Ionomereigenschaften wie z. B. dem Äquivalentgewicht) abhängig. Fachleute werden auch einsehen, dass vorbehaltlich dieser Eigenschaften jedes handelsübliche CCDM zur Verwendung als das erste und das zweite CCDM 100A und 100B geeignet ist.The reinforcement material 120 can be any porous material that will help provide a support or reinforcement layer for the resulting MEA 170 provide. Suitable porous materials include, but are not limited to, polymer films, fabrics, and the like, with a particularly useful form of the porous polymer films including the aforementioned ePTFE or the like. Because of the convenience of picking up the ionomer solution 110A through the layer of reinforcement material 120 the present inventors have found that the application of the reinforcement material 120 as soon as possible on the wet PEM coating 115 the amount of in the CCDM 100A penetrated ionomer reduced; this penetration is also dependent on the porosity and hydrophobicity or hydrophilicity of the CCDM 100A dependent. Penetration is also dependent on the ionomer liquid formulation (e.g., solvent / water ratios, viscosity, solvent type, and ionomer properties such as equivalent weight). Those skilled in the art will also appreciate that subject to these characteristics, any commercially available CCDM can be used as the first and second CCDM 100A and 100B suitable is.
Speziell Bezug nehmend auf 4 kann in einem alternativen Ansatz die zweite Ionomerschicht 110B auf die erste Elektroden- und Ionomeranordnung 130 im Allgemeinen und auf den Verstärkungsmaterial 120-Abschnitt im Besonderen beschichtet werden. Wie noch spezieller gezeigt, wird die zweite Ionomerschicht 110B auf die entgegengesetzte ebene Hauptoberfläche des Verstärkungsmaterials 120 von der ersten Ionomerschicht 110A beschichtet. In dieser Ausführungsform wird bevorzugt, die zweite Ionomerschicht 110B direkt auf die ebene Oberfläche des Verstärkungsmaterials 120 zu beschichten. Wie bei dem Ansatz von 3 kann diese verstärkte erste Elektroden- und Ionomeranordnung 130 einer Trocknung 150 im Allgemeinen wie auch separaten sequenziellen Trocknungsschritten 150, sowohl vor als auch nach dem Hinzufügen der zweiten Ionomerschicht 110B, unterzogen werden, wie gezeigt. In einer Form wird die zweite Ionomerschicht 110B direkt auf die Oberfläche des Verstärkungsmaterials 120 aufgebracht, nachdem die erste Ionomerschicht 110A getrocknet ist, während in einer anderen Form (wie in 5 gezeigt) die zweite Ionomerschicht 110B aufgebracht werden kann, während die erste Elektroden- und Ionomeranordnung 130 nass ist, falls erwünscht. In jedem Fall wird bevorzugt, dass die erste und die zweite Ionomerschicht 110A und 110B getrocknet sind, bevor das zweite CCDM 100B aufgebracht wird. Wie zuvor kann ein zweites CCDM 100B kombiniert werden, um eine MEA 170 zu erzeugen, dieses Mal als eine separate Schicht nach dem Trocknen 150, aber vor jeglichem Laminieren 160. Optional kann eine dünne Ionomerschicht 105 vor dem Laminieren 160 auf das CCDM 100B beschichtet und getrocknet werden. Solch eine Schicht kann in bestimmten Heißpress- oder ähnlichen Fügeansätzen zweckdienlich sein, bei denen die Oberfläche des zweiten CCDM 100B als eine blanke Elektrode ohne viel Bindematerial dient. Durch Inkludieren einer dünnen optionalen Ionomerschicht 105 auf der blanken Elektrodenoberfläche ist dies bei der Haftfähigkeit während des nachfolgenden Heißpressens oder anderer Fügeverfahren hilfreich.Referring specifically to 4th In an alternative approach, the second ionomer layer can be used 110B on the first electrode and ionomer assembly 130 in general, and onto the reinforcement material 120 section in particular. As shown more specifically, is the second ionomer layer 110B on the opposite major planar surface of the reinforcement material 120 from the first ionomer layer 110A coated. In this embodiment, the second ionomer layer is preferred 110B directly onto the flat surface of the reinforcement material 120 to coat. As with the 3 can use this reinforced first electrode and ionomer assembly 130 a drying 150 generally as well as separate sequential drying steps 150 , both before and after adding the second ionomer layer 110B , as shown. In one form the second ionomer layer becomes 110B directly onto the surface of the reinforcement material 120 applied after the first ionomer layer 110A is dried, while in another form (as in 5 shown) the second ionomer layer 110B can be applied while the first electrode and ionomer assembly 130 is wet if desired. In any case, it is preferred that the first and second ionomer layers 110A and 110B have dried before the second CCDM 100B is applied. As before, a second CCDM 100B can be combined to form an MEA 170 to produce, this time as a separate layer after drying 150 , but before any lamination 160 . Optionally, a thin ionomer layer 105 before lamination 160 on the CCDM 100B coated and dried. Such a layer may be useful in certain hot press or similar joining approaches where the surface of the second CCDM 100B serves as a bare electrode without much binding material. By including a thin optional ionomer layer 105 On the bare electrode surface, this is helpful for the adhesion during the subsequent hot pressing or other joining processes.
Wie oben erwähnt, kann die Ionomerlösung 110A (wie auch 110B) Wasser, Alkohole und ähnliche Lösungsmittel zusätzlich zu dem protonenleitfähigen Ionomer umfassen. Geeignete organische Lösungsmittel für PFSA umfassen, sind aber nicht beschränkt auf, Alkohole wie z. B. Diacetonalkohol (DAA), Isopropylalkohol (IPA), Methanol, Ethanol, n-Propanol oder Kombinationen daraus. Die vorliegenden Erfinder haben entdeckt, dass, abhängig von der Ionomerquelle (oder dem Lieferanten), eine alkoholreiche (anstelle einer wasserreichen) Lösung das schnelle Füllen des porösen Verstärkungsmaterials 120 erleichtert, während bei anderen keine größere Menge Alkohol (oder organisches Lösungsmittel) als Wasser notwendig ist. In dem vorliegenden Kontext ist ein alkoholreiches Lösungsmittel eines, das entweder Alkohol als Hauptbestandteil aufweist, oder in Fällen, in denen der Alkohol nicht den Großteil bildet, zumindest vorherrschend bezogen auf Gewichts- oder Volumenprozent ist. Außer Alkoholen können andere geeignete Lösungsmittel Dimethylacetamid, Dimethylsulfoxid, N-Methyl-2-Pyrrolidin, Dimethylformamid oder Kombinationen daraus umfassen. Wenn man es daher mit Ionomeren zu tun hat, bei denen es wünschenswert ist, dass sie alkoholreich sind, kann auch etwas Wasser vorhanden sein, wenngleich, wie oben erwähnt, gegebenenfalls in Konzentrationen, die niedriger sind als die des Alkohols oder anderer Lösungsmittel. Hingegen können in Fällen, in denen Ionomere (wie z. B. Nafion®) verwendet werden, die weniger empfindlich gegenüber diesen Verhältnissen sind, gleiche Mengen (oder sogar wasserreiche Verhältnisse) bevorzugt sein.As mentioned above, the ionomer solution 110A (as well as 110B) include water, alcohols, and similar solvents in addition to the proton conductive ionomer. Suitable organic solvents for PFSA include, but are not limited to, alcohols such as. B. diacetone alcohol (DAA), isopropyl alcohol (IPA), methanol, ethanol, n-propanol, or combinations thereof. The present inventors have discovered that, depending on the ionomer source (or supplier), an alcohol-rich (rather than a water-rich) solution will rapidly fill the porous reinforcement material 120 while others do not require a greater amount of alcohol (or organic solvent) than water. In the present context, an alcohol-rich solvent is one that either has alcohol as a major component or, in cases where the alcohol does not make up the majority, is at least predominantly on a weight or volume basis. In addition to alcohols, other suitable solvents dimethylacetamide, dimethyl sulfoxide, N-methyl-2- Pyrrolidine, dimethylformamide, or combinations thereof. Thus, when dealing with ionomers which it is desirable to be high in alcohol, some water may also be present, although, as mentioned above, possibly in concentrations lower than those of the alcohol or other solvents. In contrast, in cases where ionomers (such as Nafion®) are used which are less sensitive to these ratios, equal amounts (or even water-rich ratios) may be preferred.
Die vorliegenden Erfinder haben ferner entdeckt, dass das Steuern der Viskosität auch eine wertvolle Möglichkeit ist, eine richtige Sättigung der Verstärkungsschicht 120 mit der Ionomerlösung 110A sicherzustellen. Eine Möglichkeit, die Viskosität zu ändern, besteht z. B. darin, den prozentuellen Anteil von Feststoffen in der Lösung abzustimmen; dies kann durch Verdünnung oder Konzentration erfolgen. Alternativ kann auch das Verhältnis von organischen Stoffen zu Wasser die Viskosität regeln. Auch ist das Ionomer aus bekannten protonenleitfähigen Materialien hergestellt, welche Perfluorsulfonsäure, Perfluorcyclobutan oder Kohlenwasserstoffionomere umfassen. Geeignete Lösungsmittel für PFCB umfassen, sind aber nicht beschränkt auf, Dimethylacetamid (DMAC), Dimethylsulfoxid (DMSO), N-Methyl-2-Pyrrolidin (NMP), Dimethylformamid (DMF) und Alkohole wie z. B. die oben angeführten. Die vorliegenden Erfinder haben herausgefunden, dass das Verstärkungsmaterial 120 bei einer richtigen Kombination aus Lösungsmitteln und Viskosität überraschenderweise mit der Ionomerlösung 110A einfach zu füllen war.The present inventors have further discovered that controlling viscosity is also a valuable way of properly saturating the backing layer 120 with the ionomer solution 110A to ensure. One way to change the viscosity is, for. B. in adjusting the percentage of solids in the solution; this can be done by dilution or concentration. Alternatively, the ratio of organic substances to water can regulate the viscosity. Also, the ionomer is made from known proton conductive materials including perfluorosulfonic acid, perfluorocyclobutane, or hydrocarbon ionomers. Suitable solvents for PFCB include, but are not limited to, dimethylacetamide (DMAC), dimethyl sulfoxide (DMSO), N-methyl-2-pyrrolidine (NMP), dimethylformamide (DMF) and alcohols such as. B. the above. The present inventors found that the reinforcing material 120 with a correct combination of solvents and viscosity surprisingly with the ionomer solution 110A was easy to fill.
Die vorliegenden Erfinder als solche haben festgestellt, dass eine Anzahl der obigen Faktoren beeinflusst, wie schnell und vollständig das Verstärkungsmaterial 120 gefüllt wird. Daher müssen gegebenenfalls die Art von verwendetem Ionomer 110A, die Art von verwendetem Alkohol, das Lösungsmittelverhältnis, die Viskosität, der Zeitrahmen vom Beschichten des flüssigen Ionomers 110A bis zum Aufbringen des Verstärkungsmaterials 120 und die Art und Eigenschaften des Verstärkungsmaterials 120 alle berücksichtigt werden, wenngleich die vorliegenden Erfinder der Auffassung sind, dass die wichtigsten Faktoren für ein/en spezielles/n Ionomer und Ionomerlieferanten die Viskosität, die Auswahl des Lösungsmittels und das Lösungsmittelverhältnis sind. Allgemein (wie oben festgestellt) sollten die Ionomerlösungen 110A, 110B zum schnellen Füllen alkoholreich im Gegensatz zu wasserreich sein, wenngleich es nicht unbedingt notwendig ist, dass sie alkoholreich sind, um das Verstärkungsmaterial 120 entsprechend zu füllen. Überdies neigen je nach Beschaffenheit des Verstärkungsmaterials 120 niedrigere Alkohole (wie z. B. Methanol) dazu, nicht so gut zu füllen wie höhere Alkohole (wie z. B. Propanole). Daher neigen für ein hydrophobes Verstärkungsmaterial wie z. B. ePTFE höhere Alkohole (die auch dazu neigen, hydrophober zu sein) dazu, mit dem Verstärkungsmaterial 120 besser kompatibel (und daher besser zum Füllen in der Lage) zu sein, während Ionomerlösungen auf der Basis niedrigerer Alkohole, die mit ePTFE-Verstärkungen verwendet werden, nicht so gut füllen. Fachleute werden einsehen, dass bestimmte Lösungsmittel mit bestimmten Ionomeren besser funktionieren und dass das Maßschneidern der Menge und der Art von Lösungsmittel auf ein spezielles Ionomer innerhalb des Schutzumfanges der vorliegenden Erfindung liegt. Es kann zum Beispiel ein Verdünnen oder anderweitiges Verändern der Ionomerlösung (wie z. B. durch den Zusatz von n-Propylalkohol) verwendet werden, um das Füllen der Poren schneller und gründlicher zu machen, während andere Ionomerlösungen solchen Verdünnungsmitteln gegenüber gegebenenfalls nicht tolerant sind und stattdessen andere (wie z. B. ein Lösungsmittel auf Ethanolbasis) erfordern. Gleichermaßen kann die Verwendung von Wasser oder einer höheren Viskosität dabei helfen, die abgeschiedene Ionomerlösung eher an oder nahe bei der Oberseite der jeweiligen porösen Elektroden von CCDMs 100A und 100B zu halten, anstatt dass diese eindringt; dies ist besonders zweckdienlich in Fällen, in denen ein hydrophobes Material (wie z. B. PTFE) vorhanden ist. Da zu erwarten ist, dass die Verwendung eines oder beider von Wasser und einer höheren Viskosität das Füllen des Verstärkungsmaterials 120 beeinflusst, sind die vorliegenden Erfinder der Auffassung, dass es gegebenenfalls notwendig sein kann, für diese zwei Parameter optimale Formulierungsfenster für jedes Ionomermaterial zu erstellen.As such, the present inventors have found that a number of the above factors affect how quickly and completely the reinforcing material is formed 120 is filled. Therefore, the type of ionomer used may need to be determined 110A , the type of alcohol used, the solvent ratio, the viscosity, the time frame from coating the liquid ionomer 110A until the reinforcement material is applied 120 and the type and properties of the reinforcement material 120 all are considered, although the present inventors believe that the most important factors for a particular ionomer and ionomer supplier are viscosity, solvent selection, and solvent ratio. Generally (as stated above) the ionomer solutions should 110A , 110B for quick fill alcohol-rich as opposed to water-rich, although it is not absolutely necessary that they be alcohol-rich in order to use the reinforcement material 120 to fill accordingly. Moreover, depending on the nature of the reinforcement material 120 lower alcohols (such as methanol) tend not to fill as well as higher alcohols (such as propanols). Therefore, a hydrophobic reinforcing material such as e.g. B. ePTFE higher alcohols (which also tend to be more hydrophobic) tend to interact with the reinforcing material 120 being more compatible (and therefore better able to fill), while lower alcohol based ionomer solutions used with ePTFE reinforcements do not fill as well. Those skilled in the art will appreciate that certain solvents will work better with certain ionomers and that tailoring the amount and type of solvent to a particular ionomer is within the scope of the present invention. For example, diluting or otherwise altering the ionomer solution (such as by adding n-propyl alcohol) can be used to make the pore filling faster and more thorough, while other ionomer solutions may not be tolerant of such diluents and require others (such as an ethanol-based solvent) instead. Likewise, the use of water or a higher viscosity can help keep the deposited ionomer solution closer to or near the top of the respective porous electrodes of CCDMs 100A and 100B to hold instead of penetrating; this is particularly useful in cases where a hydrophobic material (such as PTFE) is present. As the use of either or both of water and a higher viscosity is expected to fill the reinforcement material 120 influenced, the present inventors are of the opinion that it may be necessary to create optimal formulation windows for each ionomer material for these two parameters.
Als Nächstes Bezug nehmend auf 5 ist ein anderer alternativer Ansatz gezeigt. In diesem wird das Trocknen 150 verzögert, bis nachdem die erste Elektroden- und Ionomeranordnung 130 anschließend mit einer zweiten nassen Ionomerschicht 110B beschichtet wurde. Er ist als solcher dem Ansatz von 4 mit der Ausnahme ähnlich, dass nur ein einziger Trocknungsschritt 150 verwendet wird. Dieses Aufbringungsverfahren stellt sicher, dass das Verstärkungsmaterial 120 vollständig gefüllt wird, da beide seiner Seiten das Ionomer aufnehmen, die erste in der Form der ersten nassen Ionomerschicht 110A und die zweite in der Form einer zweiten nassen Ionomerschicht 110B. Das Anordnen der zweiten nassen Ionomerschicht 110B unmittelbar nach dem Aufbringen der Verstärkungsmaterialschicht 120 kann die Notwendigkeit eines separaten zweiten Beschichtungsdurchlaufes eliminieren und dadurch den Prozess vereinfachen. Während es möglich wäre, den zusätzlichen Beschichtungsdurchlauf durch Anordnen von zwei Beschichtungsstationen und der diesbezüglichen Trocknungseinrichtung in Reihe zu eliminieren, würde solch ein Ansatz zusätzlichen Investitionsaufwand für diese Einrichtung erfordern. Der in 5 abgebildete Ansatz mit seiner Beschichtung der zweiten nassen Ionomerschicht 110B auf der noch immer nassen Ionomeranordnung 130 eliminiert die Notwendigkeit solch einer doppelten Ausrüstung. Wie bei der in 4 abgebildeten Ausführungsform kann die Ausführungsform von 5 optional eine dünne Ionomerschicht 105 umfassen, um das Haftvermögen oder die Bindung zu erleichtern.Referring next to 5 another alternative approach is shown. This is where drying takes place 150 delayed until after the first electrode and ionomer assembly 130 then with a second wet ionomer layer 110B was coated. As such, it is the approach of 4th similar except that only a single drying step 150 is used. This application process ensures that the reinforcement material 120 is completely filled as both of its sides take up the ionomer, the first in the form of the first wet ionomer layer 110A and the second in the form of a second wet ionomer layer 110B . Placing the second wet ionomer layer 110B immediately after the reinforcement material layer has been applied 120 can eliminate the need for a separate second coating run, thereby simplifying the process. While it would be possible to eliminate the additional coating run by arranging two coating stations and related drying equipment in series, one would be Approach may require additional capital expenditure for this facility. The in 5 pictured approach with its coating of the second wet ionomer layer 110B on the still wet ionomer assembly 130 eliminates the need for such duplicate equipment. As with the in 4th illustrated embodiment may be the embodiment of 5 optionally a thin ionomer layer 105 to facilitate adhesion or bonding.
Erneut Bezug nehmend auf 3 wurde ein hausintern hergestelltes CCDM 100A mit einer Ionomerlösung 110A beschichtet, die 14,4 Gewichts-% Ionomer (im Speziellen eine handelsübliche Form von Nafion®, die als D2020 bekannt ist) in 54,3 % n-Propanol- und 45,7 % WasserLösungsmittel enthielt. In einer Form enthält das gelieferte Nafion® D2020-Ionomer ungefähr 20-22 % Feststoffe und ein Verhältnis zwischen flüchtiger organischer Verbindung (VOC, vom engl. volatile organic compound) und Wasser von 57,5/42,5. Fachleute werden einsehen, das VOCs ein Gemisch aus verschiedenen Verbindungen wie z. B. n-Propanol, Ethanol und einige Ether umfassen kann (wobei in einer speziellen Form über 95 % der VOCs in der Form von n-Propanol vorhanden sind). Die vorliegenden Erfinder haben herausgefunden, dass dieses mit Lösungsmitteln als eine Möglichkeit verdünnt werden kann, die Viskosität herabzusetzen, um dabei zu helfen, dass es das ePTFE-Verstärkungsmaterial 120 (wie z. B. Donaldson D 1326) füllt, welches auf die Oberfläche aufgebracht wurde. Während die Ionomerlösung 110A noch immer nass war, nachdem das Verstärkungsmaterial 120 aufgebracht ist, wurde die kombinierte Verbundschicht (d. h. die nasse Vorstufenschicht 115) einer Trocknung 150 unterzogen, um eine verstärkte MEA (wie z. B. die erste verstärkte Elektroden- und Ionomeranordnung 130 oder die zweite Elektroden- und Ionomeranordnung 140) zu bilden. Das CCDM 100A mit der ersten Elektroden- und Ionomeranordnung 130 bildete eine verstärkte PEM-Schicht, die dann auf ein zweites CCDM 100B heißgepresst wurde, welches nur eine Ionomerschicht 110B (d. h. kein Verstärkungsmaterial) aufwies, die darauf beschichtet war und einer separaten Trocknung 150 unterzogen wurde. Abhängig von den Ionomeren werden die Ionomeranordnungen 130 und 140 bei erhöhten Temperaturen für verschiedene Zeitperioden getempert; dieser Prozess verbessert die Haltbarkeit der resultierenden MEA 170. In dem Fall der beiden Beispiele, die den 6 und 7 entsprechen, haben die Erfinder die Anordnungen bei 140 °C eine Stunde lang in einer inerten Stickstoffatmosphäre getempert; dieser Schritt wird vor dem Heißpressen ausgeführt. In einer Form sind die Heißpressbedingungen, die bei der Bildung einer MEA 170 mit einem ersten CCDM 100A und einem zweiten CCDM 100B verwendet werden, etwa 146°C (295 °F) und etwa 1814 kg (4000 Pfund) für etwa 2 Minuten. Das erste Beispiel in Verbindung mit der nachfolgenden 6 entspricht einer im Wesentlichen kompletten (d. h. Anode, Elektrolyt und Kathode) MEA 170 wie z. B. der mithilfe des in 3 gezeigten Prozesses hergestellten, wobei beide Ionomeranordnungen 130 und 140 vorhanden sind. Das zweite Beispiel in Verbindung mit 7 zeigt die Ergebnisse der Ionomeranordnung 130 allein (umfassend die Ionomerlösung 110B), die in eine neue zwischenzeitliche Komponente 135 (die man sich z. B. als eine partielle MEA vorstellen kann) hinein gebildet wird, wie durch den in 4 abgebildeten Prozess gezeigt. In einer Form ist es nicht notwendig, das zweite CCDM 100B einem Tempern zu unterziehen, obwohl es eine dünne Schicht von Ionomer 105 darauf aufweist.Referring again to 3 became an in-house manufactured CCDM 100A with an ionomer solution 110A coated containing 14.4% by weight ionomer (specifically, a commercial form of Nafion® known as D2020) in 54.3% n-propanol and 45.7% water solvents. In one form, the supplied Nafion® D2020 ionomer contains approximately 20-22% solids and a volatile organic compound (VOC) to water ratio of 57.5 / 42.5. Those skilled in the art will appreciate that VOCs are a mixture of various compounds such as B. may include n-propanol, ethanol and some ethers (in one particular form over 95% of VOCs are in the form of n-propanol). The present inventors have found that this can be diluted with solvents as a way to reduce viscosity to help fill the ePTFE reinforcing material 120 (such as Donaldson D 1326) that is applied to the surface would. While the ionomer solution 110A was still wet after the reinforcement material 120 is applied, the composite composite layer (ie, the wet precursor layer 115 ) drying 150 subjected to a reinforced MEA (such as the first reinforced electrode and ionomer assembly 130 or the second electrode and ionomer assembly 140 ) to build. The CCDM 100A with the first electrode and ionomer assembly 130 formed a reinforced PEM layer, which was then placed on a second CCDM 100B was hot pressed, which has only one ionomer layer 110B (ie no reinforcement material) coated on it and a separate drying 150 was subjected. Depending on the ionomers, the ionomer arrangements become 130 and 140 annealed at elevated temperatures for various periods of time; this process improves the durability of the resulting MEA 170 . In the case of the two examples showing the 6th and 7th correspond, the inventors have annealed the arrangements at 140 ° C for one hour in an inert nitrogen atmosphere; this step is done prior to hot pressing. In one form are the hot press conditions that are used in forming an MEA 170 with a first CCDM 100A and a second CCDM 100B used, about 146 ° C (295 ° F) and about 1814 kg (4000 pounds) for about 2 minutes. The first example in conjunction with the following 6th corresponds to an essentially complete (ie anode, electrolyte and cathode) MEA 170 such as B. using the in 3 process shown, with both ionomer assemblies 130 and 140 available. The second example in connection with 7th shows the results of the ionomer assembly 130 alone (including the ionomer solution 110B ), which in a new interim component 135 (which can e.g. be thought of as a partial MEA) is formed into it, as by the in 4th shown process. In one form it is not necessary to have the second CCDM 100B anneal, although there is a thin layer of ionomer 105 has on it.
Ferner wurden Zyklusbetriebstests bei unterschiedlicher relativer Feuchtigkeit (RF) ohne Last durchgeführt, um die mechanische Haltbarkeit von MEAs 170 zu beurteilen, die Membranen mit verstärkten Schichten enthalten. In einer bevorzugten Form beträgt eine erste Ionomerbeschichtungsdicke etwa 80 Mikrometer nass (was etwa 6 Mikrometer trocken entspricht), während eine zweite Ionomerbeschichtungsdicke zusätzlich etwa 60 bis 80 Mikrometer nass (d. h. 4 bis 6 Mikrometer trocken) beträgt. Somit trocknet eine flüssige Schicht, die bis zu einer Dicke von 80 Mikrometer aufgetragen wird, auf eine Dicke von 6 Mikrometer verbleibendes Ionomer. Für jeden Test wurden Graphitplatten mit einer aktiven Fläche von 38 cm2 mit 2 mm breiten geraden Kanälen und Stegen für den Zellenaufbau verwendet. Die RF-Zyklusbetriebstests wurden bei 80 °C mit einem Umgebungsauslassgasdruck durchgeführt, während eine konstante Luftstömungsrate von 20 Standardliter pro Minute (SLPM) in sowohl die Anodenseite als auch die Kathodenseite der Zelle in einem Gegenstromformat eingeleitet wurde. Diese Luftversorgungen wurden periodisch durch Befeuchter, die bei 90 °C gesteuert wurden, um eine RF von entweder 150 % oder 0 % bei einer Dauer von 2 Minuten für jeden Zustand, geleitet oder daran vorbei geleitet. Die MEA-Fehlerkriterien wurden willkürlich als 10 Standardkubikzentimeter pro Minute (SCCM) Durchtrittsgasgleckage von der Anode zu der Kathode oder umgekehrt definiert. Die RF-Zyklusbetrieb-Haltbarkeitstests (in unbelastetem Zustand) wurden durchgeführt und das Teil zeigte über mehr als 20000 Zyklen keine Anzeichen eines Defekts. Die Größe der mit der vorliegenden Erfindung hergestellten MEA 170 zur Verwendung bei den Tests wurde mit einer aktiven Fläche von etwa 38 cm2 festgelegt. Wie nachfolgend in größerem Detail erläutert wird, ergaben die Tests zur Simulation von Betriebsbedingungen die in den Polarisationskurven der 6 und 7 gezeigten Ergebnisse.In addition, no-load cycling tests were performed at various relative humidity (RH) to determine the mechanical durability of MEAs 170 to assess which membranes contain reinforced layers. In a preferred form, a first ionomer coating thickness is about 80 micrometers wet (which corresponds to about 6 micrometers dry), while a second ionomer coating thickness is additionally about 60 to 80 micrometers wet (ie, 4 to 6 micrometers dry). Thus, a liquid layer applied to a thickness of 80 microns will dry any ionomer remaining to a thickness of 6 microns. For each test graphite plates with an active area of 38 cm 2 with 2 mm wide straight channels and bars for the cell structure were used. The RF cycling tests were performed at 80 ° C with ambient exhaust gas pressure while a constant air flow rate of 20 standard liters per minute (SLPM) was introduced into both the anode and cathode sides of the cell in a countercurrent format. These air supplies were periodically passed through humidifiers controlled at 90 ° C to or past RH of either 150% or 0% for a duration of 2 minutes for each condition. The MEA failure criteria were arbitrarily defined as 10 standard cubic centimeters per minute (SCCM) leakage gas leakage from the anode to the cathode or vice versa. The RF cycling durability tests (in no-load condition) were run and the part showed no signs of failure for more than 20,000 cycles. The size of the MEA made with the present invention 170 for use in the tests was determined to have an active area of about 38 cm 2 . As will be explained in more detail below, the tests for simulating operating conditions resulted in those in the polarization curves of 6th and 7th results shown.
Auch die Daten zum Erstinbetriebnahme (BOL, vom engl. beginning of life)-Leistungsvermögen zeigen ähnliche verbesserte Ergebnisse. Als Nächstes Bezug nehmend auf die 6 und 7 sind die Polarisationskurven für zwei exemplarische Bedingungen gezeigt. Der in diesen Kurven abgebildete Vorteil besteht darin, dass die mit den Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestellten MEAs 170 ein herkömmlichen MEAs (wie z. B. der MEA 50 von 1B, die eine einzeln stehende PEM 15 verwendet) entsprechendes Leistungsvermögen erreichen; somit trägt der vereinfachte Prozess verglichen mit dem, der verwendet wird, um einzeln stehende Membranen herzustellen, während leistungsbezogene Parameter (wie z. B. die Last, die Stromdichte und die HFR-Werte, die in der Kurve abgebildet sind) im Wesentlichen unbeeinflusst bleiben, wesentlich dazu bei, herstellungsbezogene Kosteneinsparungen zu erzielen. Die Polarisationskurven werden verwendet, um die Last (Spannung) und HFR als eine Funktion der angelegten Stromdichte zu vergleichen. In jeder Fig. sind die oberen Abschnittskurven 180 den Ergebnissen bezüglich der Last (linke Seite der Y-Achse) zugehörig, während die unteren Abschnittskurven 190 den HFR-Ergebnissen (rechte Seite der Y-Achse) entsprechen. Bei beiden Kurven 180 und 190 in beiden Beispielen besteht eine wesentliche Ähnlichkeit bezüglich der Messergebnisse des Leistungsvermögens (d. h. sowohl Spannung als auch HFR) über einen großen Bereich angelegter Ströme.The beginning of life (BOL) performance data also show similarly improved results. When Next referring to the 6th and 7th the polarization curves for two exemplary conditions are shown. The advantage depicted in these curves is that MEAs made by the methods of the present invention 170 a conventional MEA (such as the MEA 50 from 1B who have favourited a single standing PEM 15th used) achieve appropriate performance; thus the simplified process bears compared to that used to make stand-alone membranes, while performance-related parameters (such as load, current density and HFR values depicted in the curve) are essentially unaffected , contributes significantly to achieving manufacturing-related cost savings. The polarization curves are used to compare the load (voltage) and HFR as a function of the applied current density. In each figure are the upper section curves 180 associated with the results relating to the load (left side of the Y-axis), while the lower section curves 190 correspond to the HFR results (right side of the Y-axis). On both curves 180 and 190 in both examples there is substantial similarity in the performance measurements (ie, both voltage and HFR) over a wide range of applied currents.
Speziell Bezug nehmend auf 6 wurde in einem ersten Beispiel die MEA 170 mithilfe des in 3 angegebenen Prozesses hergestellt. Im Speziellen wurde eine Kathodenversion einer Ionomeranordnung 130, die einen Abschnitt der MEA 170 mit einer Pt-Beladung von 0,4 mg/cm2 ausmacht, aus 80 Mikrometer von 14,4 % Feststoffen Nafion® D2020-Ionomer hergestellt, welches auf das CCDM 100A beschichtet wurde, und dann wird ein ePTFE-Verstärkungsmaterial 120 auf die Oberseite der Beschichtung in einer der oben erwähnten Papiertaschentuch-Analogie ähnlichen Weise gelegt. Das Lösungsmittelverhältnis des nassen Ionomers lautete 54,3 % n-Propanol zu 45,7 % Wasser. Wie oben erwähnt, entsprechen die 80 Mikrometer nass etwa 6 Mikrometer trocken. Infrarot (IR)-Öfen, die auf 204 °C (400 °F) 6 Minuten lang ungefähr 30 cm (12 Zoll) über der Beschichtungsoberfläche aufgestellt waren, wurden verwendet, um das nass gelegte Ionomer zu trocknen. Gleichermaßen umfasst eine Anodenversion einer Ionomeranordnung 140 ein CCDM 100B mit einer Pt-Beladung von 0,05 mg/cm2 und wurde mit 60 Mikrometer nass (d. h. 4 bis 5 Mikrometer trocken) von 10 % Feststoffen Nafion® D2020-Ionomer mit einem Lösungsmittelverhältnis von 25,3 % n-Propanol und 74,7 % Wasser beschichtet. Das CCDM 100B wurde den gleichen Trocknungsbedingungen unterworfen wie oben für das CCDM 100A, während die Heißpressbedingungen wie oben erläutert waren.Referring specifically to 6th in a first example the MEA 170 using the in 3 specified process. Specifically, a cathode version of an ionomer assembly was used 130 that is a section of the MEA 170 with a Pt loading of 0.4 mg / cm 2 , made from 80 micrometers of 14.4% solids Nafion® D2020 ionomer, which is applied to the CCDM 100A and then an ePTFE reinforcement material 120 is placed on top of the coating in a manner similar to the tissue analogy mentioned above. The solvent ratio of the wet ionomer was 54.3% n-propanol to 45.7% water. As mentioned above, the 80 microns wet is about 6 microns dry. Infrared (IR) ovens set at 204 ° C (400 ° F) for 6 minutes approximately 30 cm (12 inches) above the coating surface were used to dry the wet-laid ionomer. Likewise, an anode version includes an ionomer assembly 140 a CCDM 100B with a Pt loading of 0.05 mg / cm 2 and was wet with 60 microns (i.e. 4 to 5 microns dry) of 10% solids Nafion® D2020 ionomer with a solvent ratio of 25.3% n-propanol and 74, 7% water coated. The CCDM 100B was subjected to the same drying conditions as above for the CCDM 100A while the hot press conditions were as explained above.
Speziell Bezug nehmend auf 7 weist in einem zweiten Beispiel ein Kathoden-CCDM 100A eine Pt-Beladung von 0,4 mg/cm2 auf, wie in dem ersten Beispiel, hergestellt aus 80 Mikrometer von 14,4 % Feststoffen Nafion® D2020-Ionomer mit einem ePTFE-Verstärkungsmaterial 120, wie in dem vorhergehenden Absatz erläutert. Das Lösungsmittelverhältnis lautet 54,3 % n-Propanol zu 45,7 % Wasser. Wie oben erwähnt, entsprechen die 80 Mikrometer nass etwa 6 Mikrometer trocken. Das Trocknen erfolgte ähnlich dem oben Erläuterten mithilfe von IR-Öfen. In diesem Fall wird ein CCDM 100A mit einer Schicht aus Ionomerlösung 110A auf einem ePTFE-Verstärkungsmaterial 120 danach wieder mit 60 Mikrometer der gleichen 14,4 %-igen D2020-Lösung mit dem Lösungsmittelverhältnis von 54,3/45,7 beschichtet; diese Schritte sind im Speziellen in 4 abgebildet. Wie zuvor wird es unter IR bei 204 °C (400 °F) 6 Minuten lang getrocknet. Das CCDM 100B (welches der Anode entspricht) weist, wie oben erwähnt, eine Pt-Beladung von 0,05 mg/cm2 auf. Im Gegensatz zu der CCDM 100A-Kathode wurde die CCDM 100B-Anode mit einem dünnen Ionomerüberzug (d. h. der Ionomerlösung 110B) beschichtet, sodass weniger als ungefähr 1 Mikrometer des Ionomers auf der Oberfläche gebildet wird.Referring specifically to 7th has a cathode CCDM in a second example 100A a Pt loading of 0.4 mg / cm 2 , as in the first example, made from 80 microns of 14.4% solids Nafion® D2020 ionomer with an ePTFE reinforcing material 120 as discussed in the previous paragraph. The solvent ratio is 54.3% n-propanol to 45.7% water. As mentioned above, the 80 microns wet is about 6 microns dry. The drying was carried out in a manner similar to that explained above with the aid of IR ovens. In this case it becomes a CCDM 100A with a layer of ionomer solution 110A on an ePTFE reinforcement material 120 then coated again with 60 micrometers of the same 14.4% D2020 solution at the solvent ratio of 54.3 / 45.7; these steps are specifically in 4th pictured. As before, it is dried under IR at 204 ° C (400 ° F) for 6 minutes. The CCDM 100B (which corresponds to the anode) has, as mentioned above, a Pt loading of 0.05 mg / cm 2 . In contrast to the CCDM 100A cathode, the CCDM 100B anode was provided with a thin ionomer coating (ie, the ionomer solution 110B ) so that less than about 1 micrometer of ionomer is formed on the surface.
Somit werden in dem Beispiel, welches 6 entspricht, relativ Dicke Schichten von Ionomerlösung 110A, 110B auf die jeweiligen CCDMs 100A und 100B beschichtet. Diese werden beim Heißpressen zusammengeführt (wie als Schritt 160 in den 3 und 4) (wie auch 5) gezeigt, und da Ionomer auf beiden CCMDs vorhanden ist, besteht ein gutes Haftvermögen. In dem Beispiel, welches 7 entspricht, wird die gesamte Ionomerlösung auf dem CCDM 100A abgeschieden. Das Aufbringen einer sehr dünnen Ionomerschicht 105 auf das CCDM 100B (wie in den 4 und 5 gezeigt) hilft beim anschließenden Heißpressen 160, um den Kontakt von Ionomer zu Ionomer für das Haftvermögen zu unterstützen. Wenn die dünne Ionomerschicht 105 dem CCDM 100B nicht hinzugefügt wäre, würde das Heißpressen 160 gegen das Ionomer von einer CCDM 100A-Seite zu einer Elektrodenoberfläche (d. h. den Kohlenstoffkatalysator) erfolgen, die nicht so gut haften würde. Somit kann die dünne Ionomerschicht 105, wenngleich sie nicht erforderlich ist, vorteilhaft sein, und wurde für das zweite Beispiel von 7 oben verwendet. Das Trocknen wurde mit einer IR-Heizung bei 204 °C (400 °F) für 4 Minuten bei einem Abstand von ungefähr 30 cm (12 Zoll) von der Beschichtung für das dünne Ionomer 105 durchgeführt. Während die oben erwähnten Pt-Beladungen für die jeweiligen Kathoden- und Anodenvarianten 100A und 100B, welche in den obigen Beispielen erwähnt wurden, relativ typisch sind, haben die vorliegenden Erfinder geringere Kathodenbeladungen untersucht und haben eine ähnliche Leistungsbeibehaltung beobachtet.Thus, in the example which 6th corresponds to relatively thick layers of ionomer solution 110A , 110B on the respective CCDMs 100A and 100B coated. These are brought together during hot pressing (like as a step 160 in the 3 and 4th ) (as well as 5), and since ionomer is present on both CCMDs, there is good adhesion. In the example which 7th all ionomer solution will be on the CCDM 100A deposited. The application of a very thin ionomer layer 105 on the CCDM 100B (as in the 4th and 5 shown) helps with the subsequent hot pressing 160 to aid ionomer-to-ionomer contact for adhesion. When the thin ionomer layer 105 the CCDM 100B was not added, the hot pressing would be 160 against the ionomer from a CCDM 100A side to an electrode surface (i.e. the carbon catalyst) that would not adhere as well. Thus, the thin ionomer layer 105 , although not required, will be beneficial, and was used for the second example of 7th used above. Drying was accomplished with an IR heater at 204 ° C (400 ° F) for 4 minutes at a distance of approximately 30 cm (12 inches) from the coating for the thin ionomer 105 accomplished. While the above-mentioned Pt loads for the respective cathode and anode variants 100A and 100B mentioned in the above examples are relatively typical, the present inventors have studied lower cathode loadings and have observed similar performance retention.
Wenngleich nicht gezeigt, wird bevorzugt eine Nebendichtung zwischen der Anode und der Kathode verwendet und verhindert eine elektrische Kurzschlussbildung um deren Kanten, wo Anoden- und Kathodenteile, die mit einem herkömmlichen CCDM auf Größe geschnitten sind, andernfalls verstreute Papierfasern und frei liegende, ungeschützte Kanten an der Schnittstelle zurücklassen würden, welche zu unbeabsichtigten Kurzschlüssen zwischen entgegengesetzten Elektrodenkanten führen könnten. Eine Nebendichtung als solche wird verwendet, um einen kleinen Abschnitt der Kanten abzudecken. In Beispielen, welche gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurden, verwendeten die Erfinder eine Kapton-Nebendichtung mit einer Dicke von 0,0254 mm (1 mil) und einer Öffnung von 38 cm2.Although not shown, a secondary seal is preferably used between the anode and the cathode and prevents electrical shorting around their edges, where anode and cathode parts that are cut to size with a conventional CCDM, otherwise scattered paper fibers and exposed, unprotected edges of the interface, which could lead to inadvertent short circuits between opposing electrode edges. As such, a secondary gasket is used to cover a small portion of the edges. In examples made in accordance with the present invention, the inventors used a secondary Kapton gasket 0.0254 mm (1 mil) thick and 38 cm 2 opening.
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 ebenso 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 wie auch eine größere Struktur (z. B. ein Fahrzeug) umfassen, in der eine elektrochemische Umwandlungsanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung eingebaut ist. Außerdem wird der Ausdruck „im Wesentlichen“ hierin verwendet, um den natürlichen Grad von Unsicherheit darzustellen, der einem/r beliebigen quantitativen Vergleich, Wert, Messung oder anderen Darstellung zugeordnet werden kann. Als solcher kann er den Grad darstellen, 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.It should be noted that expressions such as "preferred", "usually" and "typically" are not used herein to limit the scope of the claimed invention or to imply that certain features are critical, essential or even important to the structure or function of the claimed invention. Rather, these terms are merely intended to highlight alternative or additional features that may or may not be used in a particular embodiment of the present invention. It is also pointed out that, in order to describe and define the present invention, the term “device” is used herein to represent a combination of components and individual components regardless of whether the components are combined with further components. A "device" according to the present invention can e.g. An electrochemical conversion assembly or fuel cell as well as a larger structure (e.g. a vehicle) incorporating an electrochemical conversion assembly according to the present invention. Additionally, the term “substantially” is used herein to represent the natural degree of uncertainty that can be assigned to any quantitative comparison, value, measurement, or other representation. As such, it can represent the degree to which a quantitative representation can deviate from a specified reference without this leading to a change in the basic function of the object under consideration.
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.Having described the invention in detail and by reference to specific embodiments thereof, it will be understood that modifications and variations are possible without departing from the scope of the invention, which is defined in the appended claims. More specifically, while some aspects of the present invention are referred to herein as preferred or particularly advantageous, it is contemplated that the present invention is not necessarily limited to these preferred aspects of the invention.
