DE102015014433A1

DE102015014433A1 - Katalysatorschicht mit Durchtrittsöffnung für Brennstoffzellen

Info

Publication number: DE102015014433A1
Application number: DE102015014433.2A
Authority: DE
Inventors: Jingwei Hu; Madhu Saha; Tatyana Soboleva; Jürgen Stumper
Original assignee: Daimler AG; Ford Motor Co
Current assignee: Mercedes Benz Group AG; Ford Motor Co
Priority date: 2014-11-07
Filing date: 2015-11-05
Publication date: 2016-05-12
Also published as: US20160133944A1

Abstract

Die Leistungsfähigkeit von Feststoff-Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellenstapeln kann verbessert werden, indem eine geeignete Gruppe von Durchtrittsöffnungen in die Katalysatorschichten eingebracht wird, und insbesondere in die kathodischen Katalysatorschichten. Tiefdruckverfahren, welche zum Herstellen von Katalysatorschichten mit Durchtrittsöffnungen geeignet sind, werden offenbart.

Description

Hintergrund
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft Feststoff-Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellenstapel, welche Elektroden mit Durchtrittsöffnungen in den Katalysatorschichten umfassen. Zusätzlich betrifft die Erfindung Tiefdruckverfahren zum Herstellen von Katalysatorschichten mit Durchtrittsöffnungen.
Beschreibung des verwandten Stands der Technik
Eine anhaltende, auf Brennstoffzellen gerichtete Forschungs- und Entwicklungsanstrengung dauert wegen der Energieeffizienz und der Umweltvorteile an, welche diese möglicherweise bieten können. Feststoff-Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellen zeigen ein besonderes Potenzial für eine Berücksichtigung als Stromversorgungen in Traktionsanwendungen, zum Beispiel in automobilen Anwendungen. Jedoch verbleiben verschiedene Herausforderungen im Hinblick auf das Verbessern der Leistungsfähigkeit und Kosten, bevor Brennstoffzellen weitreichend angenommen werden, insbesondere für automobile Anwendungen. Eine solche Herausforderung ist es, die Belastungsfähigkeit der Kathode zu verbessern, welche derzeit die Leistungsfähigkeit dieser Brennstoffzellen begrenzt.
Feststoff-Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellen konvertieren elektrochemisch einen Brennstoff (typischerweise Wasserstoff) und ein Oxidationsmittel (zum Beispiel Sauerstoff oder Luft), um elektrische Leistung zu erzeugen. Sie verwenden im Allgemeinen einen protonenleitfähigen Polymer-Membran-Elektrolyten zwischen zwei porösen Elektroden, nämlich einer Kathode und einer Anode. Im Betrieb wird Wasserstoff an der Anode oxidiert, um ein Wasserstoffion (Proton) und ein Elektron zu schaffen. Das erstere wird durch den protonenleitfähigen Polymerelektrolyten hindurch zu der Kathode transportiert, während das letztere über einen externen Stromkreis zu der Kathode transportiert wird, wobei nutzbare elektrische Leistung bereitgestellt wird. An der Kathode wird Sauerstoff reduziert und verbindet sich mit dem Proton und Elektron, um Wasser zu bilden. Diese Reaktion an der Kathode wird als die Sauerstoff-Reduktionsreaktion bezeichnet. Geeignete Katalysatorzusammensetzungen (typischerweise geträgerte Platinzusammensetzungen oder Platinlegierungs-Zusammensetzungen) werden an jeder Elektrode verwendet, um die Reaktionsgeschwindigkeit zu erhöhen. Die Fähigkeit der Brennstoffzelle, elektrische Leistung zu erzeugen, hängt nicht nur davon ab, wie rasch die Sauerstoff-Reduktionsreaktion an der Katalysator-Grenzfläche stattfinden kann, sondern auch davon, wie rasch die Reaktanden zu der Grenzfläche gefördert werden können und wie rasch das Nebenprodukt Wasser von dort entfernt werden kann. Die Massentransporteigenschaften der Kathode sind diejenigen Eigenschaften, welche mit dem Bewegen der Masse der Reaktanden zu und der Masse von Nebenprodukten von der Kathode zusammenhängen. Ein Verbessern dieser Massentransporteigenschaften kann zu Verbesserungen der Leistungsfähigkeit der Kathode führen.
In der Herstellung von Feststoff-Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellen können die kathodischen und anodischen Elektroden direkt auf den Polymer-Membran-Elektrolyten aufgetragen werden, um eine Struktur zu schaffen, welche als mit einem Katalysator beschichtete Membran (CCM) bezeichnet wird. Poröse Gasdiffusionslagen (GDLs) werden üblicherweise an die beiden Elektroden angrenzend verwendet, um ein gleichmäßiges Diffundieren der Reaktandengase zu den Elektroden zu unterstützen. Des Weiteren sind eine anodische Strömungsfeldplatte und eine kathodische Strömungsfeldplatte, welche jeweils zahlreiche Fluidverteilungskanäle für die Reaktanden aufweisen, an die anodische beziehungsweise kathodische GDL angrenzend vorgesehen, um die Reaktanden auf die jeweiligen Elektroden zu verteilen und um Nebenprodukte der elektrochemischen Reaktionen zu entfernen, welche innerhalb der Brennstoffzelle stattfinden. Wasser ist das hauptsächliche Nebenprodukt in einer Zelle, welche mit Wasserstoff und Luft als Reaktanden betrieben wird. Weil die Ausgangsspannung einer einzelnen Zelle in der Größenordnung von 1 V liegt, wird für kommerzielle Anwendungen üblicherweise eine Mehrzahl von Zellen in Reihe zusammengestapelt. In solch einem Stapel grenzt somit die anodische Strömungsfeldplatte einer Zelle an die kathodische Strömungsfeldplatte der benachbarten Zelle an. Für Zwecke der Fertigung wird oft ein Satz von anodischen Strömungsfeldplatten mit einem korrespondierenden Satz von kathodischen Strömungsfeldplatten vor der Montage des Stapels verbunden. Ein verbundenes Paar einer anodischen und kathodischen Strömungsfeldplatte wird als eine Bipolarplattenanordnung bezeichnet. Brennstoffzellenstapel können des Weiteren für die Nutzung in automobilen Anwendungen und dergleichen in Gruppen von miteinander in Reihe und/oder parallel verbundenen Stapeln verbunden sein.
Zahlreiche verschiedene Ansätze wurden im Stand der Technik ausprobiert, um die Leistungsfähigkeit der Elektroden der Brennstoffzellen zu verbessern und insbesondere die der Kathode, um die Leistungsfähigkeit eines Brennstoffzellenstapels zu verbessern. Bei einigen dieser Ansätze wurden bestimmte spezielle Durchgänge und/oder andere offene Einrichtungen in die Elektroden eingebracht. Zum Beispiel offenbart die US20110165496 eine Brennstoffzellen-Elektroden-Anordnung, welche ein Substrat und eine Mehrzahl von Katalysatorbereichen umfasst, welche auf dem Substrat geträgert sind, um einen Durchgang bereitzustellen, welcher zwischen den Katalysatorbereichen ausgebildet ist, um die Brennstoffzellen-Reaktanden hindurchzuführen, wobei zumindest ein Teil der Mehrzahl der Katalysatorbereiche eine Anzahl atomarer Schichten von Katalysatormetallen beinhaltet. In machen Fällen ist die Anzahl der atomaren Schichten der Katalysatormetalle größer als Null und geringer als 300. Des Weiteren offenbart die JP2006024556 eine Brennstoffzelle, bei welcher auf beiden Seiten einer ionenleitfähigen Elektrolytmembran Katalysatorschichten ausgebildet sind und eine Mehrzahl von Durchtrittsöffnungen wenigstens eine der Katalysatorschichten durchdringen. Jedoch war die maximale Ausgangs-Leistungsdichte der untersuchten einzelnen Brennstoffzellen geringer als 350 mW/cm².
Ungeachtet der Anstrengungen, welche im Stand der Technik bislang unternommen wurden, verbleibt immer noch ein Bedarf einer Verbesserung der Brennstoffzellen-Leistungsfähigkeit, welche die Belastungsfähigkeit der Brennstoffzellenelektroden beinhaltet. Die vorliegende Erfindung erfüllt dieses und andere Bedürfnisse.
Zusammenfassung
Überraschenderweise kann die Leistungsfähigkeit eines Feststoff-Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellenstapels erheblich verbessert werden, indem eine Mehrzahl von Durchtrittsöffnungen auf eine geeignete Art und Weise in die kathodischen Katalysatorschichten der Zellen in dem Stapel eingebracht werden. Es wird davon ausgegangen, dass die Anwesenheit von Durchtrittsöffnungen, welche geeignete Eigenschaften aufweisen und in einem geeigneten Muster angeordnet sind, zu einem verbesserten Massentransport in den Katalysatorschichten führt, was insbesondere in der kathodischen Katalysatorschicht wichtig ist. Und es wurden bestimmte Tiefdruckverfahren entwickelt, welche zweckmäßige Mittel zum Herstellen von CCMs bereitstellen, deren Elektroden solche Durchtrittsöffnungen beinhalten. Die Erfindung ist für Brennstoffzellenstapel vorgesehen und ist insbesondere für automobile Anwendungen geeignet, in welchen das Brennstoffzellensystem die Stromversorgung für den Antrieb des Fahrzeugs ist.
Die erfindungsgemäßen Tiefdruckverfahren umfassen daher das Herstellen einer mit einem Katalysator beschichteten Membran, welche eine Feststoff-Polymer-Elektrolyt-Membran umfasst, welche mit einer Katalysatorschicht beschichtet ist, welche eine Mehrzahl von Durchtrittsöffnungen aufweist. Speziell umfassen die Verfahren: Bereitstellen einer Druckoberfläche, welche eine Vertiefung umfasst und eine Mehrzahl von Säulen, welche in einem Muster innerhalb der Vertiefung angeordnet sind, Füllen der Vertiefung mit einer Tinte, welche den Katalysator umfasst, Trocknen der Tinte in der Vertiefung der Druckoberfläche, In-Kontakt-Bringen eines Bogens des Feststoff-Polymer-Elektrolyten mit der Druckoberfläche und Aufbringen von Druck und Wärme auf den in Kontakt gebrachten Feststoff-Polymer-Elektrolyten und die Druckoberfläche. Dies führt zu einer mit einem Katalysator beschichteten Membran, in welcher die Mehrzahl von Durchtrittsöffnungen gemäß den Stellen der Mehrzahl der Säulen angeordnet sind.
Die Säulen können einfach geformt und gestaltet sein, so dass sie den bevorzugten gewünschten Eigenschaften für die Durchtrittsöffnungen in den hergestellten Katalysatorschichten entsprechen. Beispielsweise kann die Mehrzahl der Säulen als gerade Kreiszylinder ausgebildet sein, und sie können einen äquivalenten Durchmesser in dem Bereich von etwa 1 bis 500 Mikrometern haben. Des Weiteren ist es möglich, eine Mehrzahl von Säulen in einem Muster bereitzustellen, wobei die Säulen mit einem durchschnittlichen Abstand von etwa 4 bis 1000 Mikrometern voneinander beabstandet sind. Des Weiteren kann die Fläche, welche von der Mehrzahl der Säulen eingenommen ist, etwa 1 bis 20% der Fläche der hergestellten Katalysatorschicht äquivalent sein, und das Verhältnis des äquivalenten Durchmessers der Säulen zu dem durchschnittlichen Abstand der Säulen kann etwa 0,1 bis etwa 0,5 betragen.
Bei den Tiefdruckverfahren kann die verwendete Druckoberfläche eine Platte oder eine Trommel sein. Der eingesetzte Schritt des Füllens kann Tintenstrahldrucken umfassen. Des Weiteren kann der Schritt des Füllens ein Überfüllen der Vertiefung mit der Tinte umfassen und das Entfernen überschüssiger Tinte von den Oberflächen der Mehrzahl der Säulen und der Druckoberfläche, welche die Vertiefung umgibt, mit einem Rakel. Des Weiteren kann Druck in einem Bereich von etwa 5 bis 16 bar und Wärme im Bereich von etwa 100 bis 150°C auf den in Kontakt gebrachten Feststoff-Polymer-Elektrolyten und die Druckoberfläche aufgebracht werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist geeignet für die Herstellung von aufgebrachten Katalysatorschichten von etwa 1,5 bis 15 Mikrometern dick und welche von etwa 0,01 bis 0,5 mg/cm² Platinkatalysator umfassen.
Die Erfindung umfasst auch Feststoff-Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellenstapel mit verbesserter Leistungsfähigkeit im Hinblick auf die Fähigkeit der Leistungsabgabe. Solche Stapel umfassen einen Reihenstapel von Feststoff-Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellen, in welchen jede Feststoff-Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle eine mit einem Katalysator beschichtete Membran umfasst, eine anodische Gasdiffusionslage, welche an die Anodenschicht der mit dem Katalysator beschichteten Membran angrenzt und eine kathodische Diffusionslage, welche an die Kathodenschicht der mit dem Katalysator beschichteten Membran angrenzt. Die mit dem Katalysator beschichtete Membran umfasst einen Feststoff-Polymer-Elektrolyten, eine Anodenschicht, welche einen anodischen Katalysator umfasst, welcher auf eine Seite des Feststoff-Polymer-Elektrolyten aufgetragen ist, und eine Kathodenschicht, welche einen anodischen Katalysator umfasst, welcher auf die andere Seite des Feststoff-Polymer-Elektrolyten aufgebracht ist, und sie ist des Weiteren dadurch gekennzeichnet, dass die Kathodenschicht eine Mehrzahl von Durchtrittsöffnungen umfasst, welche in einem Muster angeordnet sind.
In bestimmten Ausführungsformen von solchen Stapeln sind die Mehrzahl der Durchtrittsöffnungen als gerade Kreiszylinder ausgebildet. Der äquivalente Durchmesser der Durchtrittsöffnungen kann in dem Bereich von etwa 1 bis 500 Mikrometern liegen. Des Weiteren kann die Mehrzahl der Durchtrittsöffnungen in dem Muster mit einem durchschnittlichen Abstand von etwa 4 bis 1000 Mikrometern voneinander beabstandet sein. Des Weiteren kann die Mehrzahl der Durchtrittsöffnungen etwa 1 bis 20% der Fläche der kathodischen Katalysatorschicht einnehmen. Und des Weiteren kann das Verhältnis des äquivalenten Durchmessers der Durchtrittsöffnungen zu dem durchschnittlichen Abstand der Durchtrittsöffnungen etwa 0,1 bis etwa 0,5 betragen.
Auch können in bestimmten Ausführungsformen die aufgebrachten Katalysatorschichten von etwa 1,5 bis 15 Mikrometern dick sein, und sie können von etwa 0,01 bis 0,5 mg/cm² Platinkatalysator umfassen.
Vorteile der Erfindung können erhalten werden, indem solche Stapel betrieben werden, indem Brennstoff den Anodenschichten in den Brennstoffzellen bei mehr als dem Umgebungsdruck zugeführt wird und ein Oxidationsmittel den Kathodenschichten in den Brennstoffzellen bei mehr als dem Umgebungsdruck zugeführt wird, wobei eine Leistung von mehr als 1 W/cm² von den Brennstoffzellen bezogen wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine idealisierte isometrische Ansicht einer Katalysatorschicht gemäß der Erfindung und gibt die Abmessungen an, auf welche beim Modellieren der Beispiele Bezug genommen wird.
2a und 2b vergleichen die Eigenschaften der Leistungsfähigkeit (auf der Basis der Modellierung) von Brennstoffzellen, welche eine erfindungsgemäße kathodische Katalysatorschicht umfassen, mit solchen einer herkömmlichen Brennstoffzelle. 2a stellt die erwarteten Stromdichten bei 0,5 V als eine Funktion der Abmessungen d₁ und d₂ für eine Anordnung von Durchtrittsöffnungen in der Katalysatorschicht graphisch dar. 2b stellt die erwarteten Brennstoffzellenspannungen als eine Funktion der Stromdichte für eine bevorzugte erfindungsgemäße Ausführungsform und eine herkömmliche Brennstoffzelle graphisch dar.
3a und 3b zeigen SEM-Fotografien von Draufsichten auf eine Katalysatorschicht in den Beispielen, in welchen ein Tiefdruckverfahren angewendet wurde und Tintenstrahldrucken für den Schritt des Füllens eingesetzt wurde. 3b zeigt eine vergrößerte Ansicht eines Ausschnitts in 3a.
3c zeigt eine SEM-Fotografie einer Draufsicht auf eine Katalysatorschicht in den Beispielen, in welchen die Katalysatorschicht direkt auf den Membranelektrolyten aufgebracht wurde.
4 vergleicht graphische Darstellungen der Polarisation für repräsentative erfindungsgemäße Zellen und für vergleichende Zellen in den Beispielen.
Ausführliche Beschreibung
Vorliegend soll in einem quantitativen Kontext der Ausdruck „etwa” als im Bereich von bis zu plus 10% und bis zu minus 10% liegend aufgefasst werden.
Eine Durchtrittsöffnung, sei sie kreisförmig oder nicht-kreisförmig, wird als einen „äquivalenten Durchmesser” aufweisend angesehen, welcher als der Durchmesser eines kreisförmigen Lochs definiert wird, welches die gleiche offene Fläche hat, wie die der Durchtrittsöffnung.
Im Hinblick auf Abmessungen wie Abstände oder durchschnittliche Abstände zwischen möglicherweise unregelmäßig geformten Objekten (zum Beispiel Durchtrittsöffnungen, Säulen), sollen diese Abmessungen im Hinblick auf die Schwerpunkte der Objekte bestimmt werden.
Tiefdruck bezieht sich auf eine Mehrzahl von Drucktechniken, in welchen das zu druckende Bild in eine Oberfläche eingeschnitten wird, wobei Vertiefungen in der Oberfläche geschaffen werden. Die eingeschnittenen Bereiche oder Vertiefungen werden mit der Drucktinte gefüllt, und die Tinte wird dann auf einen zu bedruckenden Gegenstand übertragen, indem der Gegenstand mit der eingeschnittenen Oberfläche in Kontakt gebracht wird und ein geeigneter Druck aufgebracht wird.
Die Erfindung betrifft Feststoff-Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellenstapel, welche Elektroden mit Durchtrittsöffnungen in den Katalysatorschichten umfassen und insbesondere Stapel, in welchen die Brennstoffzellen mit einem Katalysator beschichtete Membranen umfassen. Mit der Ausnahme dieser Komponenten kann die Bauart der Brennstoffzellen und der Stapel davon jede der herkömmlichen Bauarten sein, welche dem Fachmann bekannt sind. In einer bevorzugten Ausführungsform umfassen die Einheits-Feststoff-Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellen, welche den Stapel aufbauen, alle eine mit einem Katalysator beschichtete Membran, in welcher die Kathodenschicht eine Mehrzahl von Durchtrittsöffnungen umfasst, welche erfindungsgemäß ausgebildet sind. An die Kathodenschicht grenzt eine kathodische Gasdiffusionslage (GDL) an, und an die Anodenschicht grenzt eine anodische GDL an. Und an eine der kathodischen und anodischen GDLs grenzt eine geeignet ausgerichtete Bipolarplattenanordnung an (welche ein miteinander verbundenes Paar von anodischen und kathodischen Strömungsfeldplatten umfasst). Brennstoffzellenstapel können dann einfach hergestellt werden, indem eine gewünschte Anzahl dieser Einheits-Brennstoffzellen gestapelt werden.
Obwohl bestimmte Aspekte der vorliegenden Erfindung sich entweder auf Anodenschichten oder Kathodenschichten beziehen können, kann das Einbringen einer geeigneten Gruppe von Durchtrittsöffnungen in der kathodischen Katalysatorschicht von Zellen in einen Brennstoffzellenstapel für eine erheblich verbesserte Leistungsfähigkeit sorgen.
Obwohl herkömmliche Katalysatorschichten eine erhebliche Porosität aufweisen können, sind die Poren darin generell im Submikron-Größenbereich, und sie haben eine etwas gewundene Struktur. Dies kann den Massentransport in den Schichten begrenzen und dadurch zu einem erhöhten Zellwiderstand bei höheren Stromdichten führen. Gemäß der vorliegenden Erfindung ermöglicht jedoch das Vorsehen einer Anzahl von geeignet beabstandeten, größeren Durchtrittsöffnungen oder „Poren” einen verbesserten Massentransport innerhalb der Schichten, zum Beispiel einen verbesserten Zutritt von Reaktandengas zu und eine verbesserte Entfernung von Wasser von den Schichten, und insbesondere in dem Fall der Kathodenschicht, wo reichliches Wasser als das Nebenprodukt der elektrochemischen Reaktionen gebildet wird, welche innerhalb der Zellen stattfinden. Richtig bereitgestellt kann die Gegenwart der Durchtrittsöffnungen den Massentransport erheblich verbessern, ohne eine übermäßige Menge an Elektrodenfläche zu opfern, welche andererseits vom Katalysator eingenommen wird und zwar in wünschenswerter Weise an den Feststoff-Polymer-Membran-Elektrolyten angrenzend. Folglich kann ein insgesamter Vorteil im Hinblick auf die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle erhalten werden.
Ein Beispiel eines geeigneten Musters von Durchtrittsöffnungen für eine Katalysatorschicht ist in der schematischen Darstellung von 1 gezeigt. Hier ist eine isometrische Ansicht eines Teilausschnitts einer ebenen, porösen kathodischen Katalysatorschicht 1 gezeigt, und sie ist eine idealisierte Darstellung einer Katalysatorschicht gemäß der Erfindung. Wie in 1 gezeigt, umfasst die kathodische Katalysatorschicht 1 eine quadratische Anordnung von Durchtrittsöffnungen 2, welche als gerade Kreiszylinder ausgebildet sind. Die Dicke der Schicht 1 wird durch die Abmessung L veranschaulicht. Der äquivalente Durchmesser (tatsächliche Durchmesser) jeder Durchtrittsöffnung 2 ist durch d₁ veranschaulicht. Der kürzeste Abstand zwischen am nächsten benachbarten Durchtrittsöffnungen 2 in der Anordnung wird durch d₂ veranschaulicht. (Diese beiden letzteren Abmessungen sind wichtige Abmessungen, welche bei der Modellierung verwendet werden, welche in den Beispielen unten vorgenommen wird.) Der Abstand zwischen den Schwerpunkten (oder Zentren in diesem Fall für kreisförmige Löcher) von am nächsten benachbarten Durchtrittsöffnungen 2 ergibt sich demnach durch d₁ + d₂ (und er ist derselbe wie der durchschnittliche Abstand für Durchtrittsöffnungen in einer quadratischen Anordnung wie der von 1).
Wie in den Beispielen unten gezeigt, kann eine verbesserte Leistungsfähigkeit erreicht werden, wenn bestimmte Muster der Durchtrittsöffnungen in den kathodischen Katalysatorschichten von ansonsten herkömmlichen Feststoff-Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellenstapeln verwendet werden. Des Weiteren weist die Modellierung nach, dass erwartet werden kann, dass eine verbesserte Leistungsfähigkeit erreicht werden kann, wenn die Abmessungen, welche die Muster der Durchtrittsöffnungen kennzeichnen, innerhalb bestimmter Bereiche liegen. Zum Beispiel kann eine Verbesserung in Ausführungsformen erwartet werden, in welchen der äquivalente Durchmesser der Durchtrittsöffnungen in dem Bereich von etwa 1 bis 500 Mikrometern liegt. Des Weiteren kann der durchschnittliche Abstand der Durchtrittsöffnungen in dem Muster in dem Bereich von etwa 4 bis 1000 Mikrometern liegen. Des Weiteren kann das Verhältnis des äquivalenten Durchmessers der Durchtrittsöffnungen zu dem durchschnittlichen Abstand derselben (das heißt d₁/(d₁ + d₂)) von etwa 0,1 bis 0,5 betragen. Es kann erwartet werden, dass Vorteile für Katalysatorschichten erhalten werden, deren Dicke zwischen etwa 1,5 und 15 Mikrometern dick ist, und für solche, welche Beladungen mit einem Platinkatalysator in einem Bereich von etwa 0,1 bis 0,5 mg/cm² umfassen. Und solche Vorteile können von Ausführungsformen erhalten werden, in welchen die zahlreichen Durchtrittsöffnungen lediglich von etwa 1 bis 20% der Fläche der Katalysatorschicht einnehmen.
Die Auswahl geeigneter Eigenschaften der Durchtrittsöffnungen und Muster für Zwecke des Erreichens einer gewünschten Verbesserung der Leistungsfähigkeit in einem gegebenen Brennstoffzellenstapel ist in einem gewissen Außmaß spezifisch für die anderen Eigenschaften des Stapels. Jedoch kann eine Orientierung für diese Auswahl aus den tatsächlichen Ausführungsformen und der Diskussion der Modellierung sowie der Ergebnisse ausfindig gemacht werden, welche in den Beispielen unten bereitgestellt werden. Damit und mit anderem Wissen, welches dem Fachmann geläufig ist, wird erwartet, dass geeignete Eigenschaften der Durchtrittsöffnungen und Muster einfach bestimmt werden können.
Obwohl sie einfacher modelliert und möglicherweise einfacher hergestellt werden können, sind Ausführungsformen der Erfindung nicht auf die Anordnung der Durchtrittsöffnungen beschränkt, welche in 1 dargestellt ist. Wie für den Fachmann des Weiteren ersichtlich sein wird, können geeignete Ausführungsformen solche beinhalten, in welchen die Durchtrittsöffnungen keine geraden Kreiszylinder sind und/oder nicht in einer quadratischen Anordnung sind. Stattdessen können Ausführungsformen verschiedene alternative Formen von Durchtrittsöffnungen und/oder Gestaltungen von Anordnungen umfassen (zum Beispiel hexagonal). Des Weiteren ist es wohlbekannt, dass die Eigenschaften über die Elektrodenoberflächen typischerweise während des Betriebs des Stapels nicht gleichförmig sind, und daher kann es vorteilhaft sein, eine Verwendung von Mustern der Durchtrittsöffnungen in Betracht zu ziehen, welche nicht über die Oberfläche der gesamten Katalysatorschicht gleichförmig sind.
Die vorliegende Erfindung beinhaltet auch Tiefdruckverfahren zum Herstellen von mit einem Katalysator beschichteten Membranen, in welchen eine oder beide Katalysatorschichten im Allgemeinen Durchtrittsöffnungen umfassen. Obwohl die schematische Darstellung, welche in 1 gezeigt ist, strukturell vergleichsweise einfach aussehen mag und daher unkompliziert auf einem Membranelektrolyten herzustellen, ist es tatsächlich ziemlich herausfordernd, eine solche Beschichtung mit einigermaßen gut definierten, diskreten Einrichtungen bereitzustellen. Die umfassten Abmessungen sind klein (Mikrometerbereich) und die Beschichtungen umfassen die Verwendung von Aufschlämmungen, welche winzige Partikel umfassen (im Gegensatz dazu, gleichförmige Tinten zu sein). Des Weiteren ist der Membranelektrolyt, auf welchen die Beschichtung aufgebracht wird, keine formstabile Oberfläche (zum Beispiel schwillt er oder verwindet sich, wenn er bestimmten Flüssigkeiten ausgesetzt ist).
Die vorliegenden Tiefdruckverfahren teilen einige Gemeinsamkeiten mit denjenigen, welche zum Herstellen von qualitativ hochwertigen Papierdrucken verwendet werden. Zum Beispiel können geeignete Druckoberflächen Platten oder Trommeln umfassen. Und im Allgemeinen umfassen die Verfahren das Herstellen einer Druckoberfläche mit einer geeignet gestalteten Vertiefung, welche darin ausgebildet ist, das Füllen der Vertiefung mit einer geeigneten Füllung, das In-Kontakt-Bringen eines Bogens mit der Druckoberfläche, das Aufbringen eines Drucks und dadurch das Übertragen der Füllung auf den in Kontakt gebrachten Bogen.
Hier können dennoch bestimmte Polymermaterialien besser für die Verwendung als Druckoberflächen geeignet sein, da diese ein einfaches Übertragen der getrockneten Katalysatortinte in der Vertiefung darin auf den Feststoff-Polymer-Bogen ermöglichen. Zum Beispiel wurde ein Polydimethylsiloxan-Polymer in den Beispielen unten verwendet. Um ein gewünschtes Muster der Durchtrittsöffnungen in dem Produkt auszubilden, umfasst die Vertiefung in der Druckoberfläche ein komplementäres Muster von Säulen. Polymerische Druckoberflächen, welche solche Vertiefungen umfassen, können durch Gießen hergestellt werden oder durch maschinelles Bearbeiten eines Polymerblocks.
In den vorliegenden Verfahren wird die Vertiefung der Druckoberfläche dann mit Katalysatortinte gefüllt. Dies kann beispielsweise bewerkstelligt werden, indem Tintenstrahldrucken verwendet wird, in einem oder mehrfachen Schritten, und es braucht kein Überfüllen der Vertiefung zu umfassen. Alternativ kann die Vertiefung mit der Katalysatortinte (auf eine Vielzahl von Arten) überfüllt werden, und die überschüssige Tinte kann dann mit einem Rakel von den Oberflächen der Säulen und der Druckoberfläche, welche die Vertiefung umgibt, entfernt werden. Anschließend wird in den vorliegenden Verfahren die Tinte in der Vertiefung dann getrocknet.
Nachdem die Katalysatortinte in der Vertiefung der Druckoberfläche getrocknet wurde, wird ein Bogen eines Feststoff-Polymer-Elektrolyten mit der Druckoberfläche in Kontakt gebracht. Wärme (zum Beispiel in dem Bereich von etwa 100 bis 150°C) und Druck (zum Beispiel in dem Bereich von etwa 5 bis 16 bar) werden auf den in Anlage gebrachten Feststoff-Polymer-Elektrolyten und die Druckoberfläche aufgebracht. Dies bewirkt, dass die getrocknete Tinte in der Vertiefung übertragen wird und sich mit dem Elektrolyten verbindet, wobei dadurch eine mit einem Katalysator beschichtete Membran hergestellt wird, welche die gewünschte Mehrzahl an Durchtrittsöffnungen umfasst, welche entsprechend den Stellen der Mehrzahl der Säulen in der Vertiefung angeordnet sind.
Durch Verwendung dieser Tiefdruckverfahren können Katalysatorschichten auf Feststoff-Polymer-Elektrolyt-Membranen mit einem gewünschten Muster der Durchtrittsöffnungen ausgebildet werden. Einrichtungen können mit einigermaßen gut definierten, diskreten Formen mit den gewünschten Abmessungen ausgebildet werden.
Die nachfolgenden Beispiele wurden aufgenommen, um bestimmte Aspekte der Erfindung zu veranschaulichen, aber sie sollten nicht als in irgendeiner Weise einschränkend aufgefasst werden.
Beispiele
Modellierung
Ein 3D-Modell wurde erstellt, um die Auswirkungen der Durchmesser und Abstände der Durchtrittsöffnungen auf die Brennstoffzellen-Leistungsfähigkeit in Brennstoffzellen mit Durchtrittsöffnungen in den kathodischen Katalysatorschichten zu verstehen. Das Modell nahm ein Muster der Durchtrittsöffnungen an, wie es in 1 veranschaulicht ist, und benutzte die Designparameter d₁ und d₂ (welche in 1 definiert sind), um den Durchmesser und die Abstände der Durchtrittsöffnungen zu charakterisieren.
Das Modell berücksichtigte die wesentlichen Transportphänomene, das heißt den Gastransport, Elektronentransport und Protonentransport. Das Modell wurde erstellt und gelöst, indem handelsübliche Software, nämlich COMSOL Multiphysics 4.2 verwendet wurde. Die wichtigsten Transportparameter in dem Modell waren: das effektive Diffusionsvermögen für Gas in der Festphase der Katalysatorschicht (das Verhältnis zwischen dem effektiven Diffusionsvermögen von O₂ in der Katalysatorschicht und dem Gesamt-Diffusionsvermögen von O₂, das heißt D/D0), die effektive Protonenleitfähigkeit in der Festphase der Katalysatorschicht (σ_p, eff) und die effektive Elektronenleitfähigkeit in der Festphase der Katalysatorschicht (σ_e, eff). In dem Modell wurden Werte für diese wichtigen Transportparameter basierend auf typischen gemessenen Werten für herkömmliche Feststoff-Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellen festgesetzt. Die festgesetzten verwendeten Werte waren: D/D0 = 0,1, σ_p, eff = 0,2 S/m beziehungsweise σ_e, eff = 20 S/m.
Basierend auf solch einem Modell vergleichen 2a und 2b die Eigenschaften hinsichtlich der Leistungsfähigkeit von Brennstoffzellen, welche eine erfindungsgemäße kathodische Katalysatorschicht umfassen, mit solchen einer herkömmlichen Brennstoffzelle. 2a stellt die erwarteten Stromdichten bei 0,5 V als eine Funktion der Abmessungen d₁ und d₂ für eine Anordnung der Durchtrittsöffnungen in der Katalysatorschicht graphisch dar. (Die Stromdichte der herkömmlichen Brennstoffzelle ist als konstante, ebene Oberfläche zum Vergleich gezeigt.) 2b stellt die erwarteten Brennstoffzellenspannungen als eine Funktion der Stromdichte für eine bevorzugte erfindungsgemäße Ausführungsform und eine herkömmliche Brennstoffzelle graphisch dar.
Wie aus 2a ersichtlich ist, tritt ein relatives Maximum in der Stromdichte für Werte von d₁ und d₂ von etwa 1 beziehungsweise 3 μm auf (das heißt Durchmesser der Durchtrittsöffnung von etwa 1 μm und durchschnittlicher Abstand von etwa 3 μm). Und diese Stromdichte ist erheblich größer als die für die herkömmliche Brennstoffzelle. In 2b wird die vollständige Polarisationskurve (Spannung gegenüber Stromdichte), welche für diese erfindungsgemäße Ausführungsform erwartet wird, mit der Polarisationskurve für die herkömmliche Brennstoffzelle verglichen.
Tiefdruckverfahren
Indem Tiefdruckverfahren verwendet wurden, wurden Proben einer mit einem Katalysator beschichteten Membran (CCM) mit einer Mehrzahl von Durchtrittsöffnungen in den Katalysatorschichten hergestellt. Das Ziel war es, Katalysatorschichten herzustellen, welche eine Anordnung von Durchtrittsöffnungen aufweisen, wie sie in 1 dargestellt sind, und in welchen d₁ = d₂ = 50 Mikrometer.
Im Folgenden wurden Membranelektrolytproben aus einem Perfluorsulfonsäure-Ionomer hergestellt, welches etwa 15 bis 25 Mikrometer dick war. Die verwendete Druckoberfläche wurde aus einem Polydimethylsiloxan-Polymer gegossen. Die Druckoberfläche hatte eine Fläche von 5 cm² und umfasste ein Säulenmuster, welches zu dem in 1 gezeigten komplementär ist, und in welchem der Durchmesser der Säulen 50 μm betrug, der Abstand zwischen den Säulen (welcher zu der Abmessung d₂ äquivalent ist) ebenfalls 50 μm betrug und die Vertiefung in der Druckoberfläche 10 μm tief war.
Die Katalysatortinte wurde hergestellt, indem etwa 50 Gewichtsprozent von auf Kohlenstoff geträgertem Platinpulver mit etwa 20 Gewichtsprozent einer Nafion-Ionomerlösung, 1-Propanol, destilliertem Wasser und Ethylenglykol (EG) gemischt wurde. EG wurde nach einer anfänglichen Sondenbeschallung und anschließendem Rühren hinzugefügt. Nach dem Hinzufügen von EG wurde die Tinte für mehr als > 24 Stunden vor der Verwendung gerührt.
In einem ersten Tiefdruckbeispiel wurde ein Tintenstrahldrucker verwendet, um die Vertiefung in der Druckoberfläche zu füllen. Ein handelsüblicher Tintenstrahldrucker (Dimatix Materials Printer, DPM-2800 Reihe) wurde verwendet, wobei der Druckkopf 16 Düsen umfasste, welche 254 μm voneinander beabstandet waren. Der Durchmesser der Öffnungen der Düsen betrug 20 μm. Es wurden Tintenstrahlpatronen verwendet, welche Tropfen von 10 Pikolitern erzeugen. Eine Katalysatorschicht wurde dann auf die Membran in mehrfachen Schritten aufgebracht. In jedem Schritt füllte der Tintenstrahldrucker die Vertiefung teilweise mit Katalysatortinte. Jede Teilschicht ließ man bei 50°C für wenige Minuten trocknen, bevor die nächste Teilschicht gedruckt wurde. Die Tinte wurde dann in einem Vakuumofen bei etwa 60 bis 80°C für einige Stunden getrocknet. Anschließend wurde die getrocknete Katalysatortinte in der Vertiefung der Druckoberfläche auf die Membran übertragen, indem diese damit in Kontakt gebracht wurde und zwar unter Druck in einer beheizten Presse bei etwa 100 bis 150°C und 5 bis 16 bar. Die endgültige Dicke oder Beladung wurde kontrolliert, indem die aufgebrachte Katalysatorbeladung abgeschätzt wurde, wobei XRF verwendet wurde, nachdem jede sequentielle Schicht aufgebracht wurde.
3a und 3b zeigen SEM-Fotografien von Draufsichten auf die Katalysatorschicht in diesem ersten Tiefdruckbeispiel. 3b zeigt eine vergrößerte Ansicht eines Ausschnitts in 3a. Wie aus diesen Figuren ersichtlich ist, hatte die aufgebrachte Katalysatorschicht gut definierte, diskrete Durchtrittsöffnungen, welche frei von losem Katalysator waren. Der Durchmesser der Durchtrittsöffnungen betrug durchweg etwa 51 μm. Eine Querschnittsfotografie wurde aufgenommen (nicht gezeigt) und zeigte, dass eine gleichförmige Katalysatorschicht von etwa 1,6 μm Dicke (etwa 45 μg/cm²) aufgebracht worden war. Lediglich ein paar dünne Sprünge können in der Katalysatorschicht bemerkt werden.
In einem zweiten Tiefdruckbeispiel wurde die Katalysatorschicht auf einen Membranelektrolyten in einem einzigen Schritt aufgetragen. Hier wurde die Vertiefung in der Druckoberfläche mit der Katalysatortinte überfüllt, und die überschüssige Tinte wurde dann mit einem Rakel entfernt. Die Katalysatortinte in der Vertiefung wurde wie vorher getrocknet und anschließend wie vorher in der geheizten Presse unter Druck auf die Membran übertragen.
Wie vorher wurden SEM-Draufsicht-Fotografien und Querschnitts-Fotografien von der Katalysatorschicht in diesem zweiten Tiefdruckbeispiel aufgenommen. Wiederum hatte die aufgebrachte Katalysatorschicht gut definierte, diskrete Durchtrittsöffnungen, welche frei von Katalysator waren. Der Durchmesser der Durchtrittsöffnungen betrug durchweg etwa 50 μm, und der Abstand d₂ betrug etwa 51 μm. Wiederum erschien die Katalysatorschicht gleichförmig und hatte eine Dicke von etwa 1,4 μm (etwa 26 μg/cm²) waren aufgebracht worden.
Für Vergleichszwecke zeigt 3c eine SEM-Fotografie einer Draufsicht auf eine Katalysatorschicht, welche später in den Beispielen hergestellt wurde, in welchen die Katalysatorschicht direkt auf den Membranelektrolyten durch Tintenstrahldrucken aufgebracht wurde. Die Durchtrittsöffnungen in 3c sind etwa eine Größenordnung größer als diejenigen in 3a und b. Und obwohl ein definiertes Muster geschaffen wurde und die Durchtrittsöffnungen meist ausgeprägt und meist frei von Katalysator sind, ist die Qualität der aufgebrachten Schicht in dieser Hinsicht wesentlich geringer als die, welche über die Tiefdruckverfahren erhalten wurde. Erhebliche und erheblich größere Sprünge sind in dem Zwischenraum zwischen Durchtrittsöffnungen sichtbar.
Brennstoffzellenuntersuchung
Vier experimentelle Brennstoffzellen wurden hergestellt und untersucht, um die Leistungsfähigkeit der Zelle, welche von CCMs mit kontinuierlichen Kathodenschichten erhalten wurden, mit denen der Erfindung zu vergleichen, welche Durchtrittsöffnungen in den Kathodenschichten aufweisen. Dies umfasste zwei vergleichende Brennstoffzellen sowie zwei Brennstoffzellen, welche unterschiedliche Varianten der Erfindung umfassten.
Die CCMs hatten Membranelektrolyten, welche aus einem Perfluorsulfonsäure-Ionomer hergestellt waren, welches etwa 25 Mikrometer dick war. In jedem Fall wurde eine Anodenschicht in herkömmlicher Weise auf eine Seite der Membran aufgebracht. Der Anodenkatalysator war ein herkömmliches, handelsübliches, auf Kohlenstoff geträgertes Platinprodukt (Pt/C), welches etwa 46 Gewichtsprozent Pt umfasste, und die Anodenschicht umfasste etwa 0,05 bis 0,1 mg/cm² Pt.
Der Kathodenkatalysator war ebenfalls ein herkömmliches, handelsübliches auf Kohlenstoff geträgertes Platinprodukt (Pt/C), welches etwa 46 Gewichtsprozent Pt umfasste. In einer auf herkömmliche Weise hergestellten, vergleichenden CCM wurde die Kathodenschicht auf die Membran in einer herkömmlichen Weise aufgetragen und mit einer Pt-Beladung von 0,25 mg/cm². In den anderen hergestellten CCMs wurden die Kathodenschichten auf die Membranen über direktes Tintenstrahldrucken aufgebracht und alle mit Pt-Beladungen von 0,1 mg/cm². Eine vergleichende CCM mit einer durchgängigen kathodischen Katalysatorschicht wurde mit dieser Beladung hergestellt. Und zwei erfindungsgemäße CCMs mit Mustern von Durchtrittsöffnungen wie dem in 2a dargestellten, wurden mit dieser Beladung hergestellt. Beide erfindungsgemäße CCMs hatten eine Zielabmessung d₂ von 200 μm, aber unterschiedliche Zielabmessungen d₁ von 800 beziehungsweise 400 μm. (3c zeigt eine SEM-Fotografie einer Draufsicht auf die Katalysatorschicht mit einer Zielabmessung d₁ von 800 μm. Wie oben erwähnt, sind die Durchtrittsöffnungen näherungsweise von der beabsichtigten Größe und sind meist ausgeprägt und meist frei von Katalysator, aber die Qualität war geringer als die, welche erhalten wird, wenn Tiefdruckverfahren verwendet werden. Eine erhöhte Dicke der Schicht wurde nahe den Durchtrittsöffnungen bemerkt. Als ein Ergebnis variierte die Katalysatorschicht von etwa 1,7 bis 2,5 μm in der Dicke.)
Um einzelne Test-Brennstoffzellen herzustellen, wurden die vorstehenden CCMs zwischen anodischen und kathodischen Gasdiffusionslagen (GDLs) angeordnet, welche handelsübliches Kohlefaserpapier von Freudenberg umfassten. Anordnungen, welche die entsprechenden CCMs und anodischen und kathodischen GDLs umfassten, wurden dann unter erhöhter Temperatur und Druck miteinander verbunden und zwischen entsprechenden kathodischen und anodischen Strömungsfeldplatten angeordnet, welche gerade Strömungsfeldkanäle hatten, um die experimentellen Bauformen der Brennstoffzellen fertig zu stellen.
Diese Brennstoffzellen wurden zunächst konditioniert, indem sie bei Stromdichten von 1,0 A/cm² betrieben wurden, mit Wasserstoff und Luft als den zugeführten Reaktanden bei hohen Stöchiometrien und bei 100% relativer Feuchte (RH), und bei einer Temperatur von etwa 70°C über Nacht. Dann wurden die Eigenschaften hinsichtlich der Leistungsfähigkeit der Brennstoffzellen erhalten, indem die Ausgangsspannung als eine Funktion der Stromdichte unter einer Vielzahl von Betriebsbedingungen gemessen wurde, welche typischerweise in automobilen Anwendungen durchgemacht würden.
Die Bauart der Brennstoffzellen und die beteiligten Betriebsbedingungen in diesem Beispiel sind unten zusammengefasst.
Die Brennstoffzellen umfassen:

– Vergleichende Zelle C1: durchgängige Kathodenschicht, herkömmlich beschichtet, 0,25 mg/cm² Pt-Beladung
– Vergleichende Zelle C2: durchgängige Kathodenschicht, tintenstrahlbeschichtet, 0,1 mg/cm² Pt-Beladung
– Erfindungsgemäße Zelle I1: Kathodenschicht mit Durchtrittsöffnungen, (d₁, d₂) = (800 μm, 200 μm), tintenstrahlbeschichtet, 0,1 mg/cm² Pt-Beladung
– Erfindungsgemäße Zelle I2, Kathodenschicht mit Durchtrittsöffnungen, (d₁, d₂) = (400 μm, 200 μm), tintenstrahlbeschichtet, 0,1 mg/cm² Pt-Beladung

Die Betriebsbedingungen umfassen:

– normal: 68°C, variable RH an jedem Betriebspunkt
– kalt & nass: 60°C, 100% RH
– heiß & nass: 90°C, 100% RH
– kalt & trocken: 60°C, 30% RH
– heiß & trocken: 90°C, 30% RH

4 vergleicht die graphischen Darstellungen der Polarisation (Spannung gegenüber der Stromdichte von 0 bis über 2 A/cm²) für alle Brennstoffzellen unter normalen Betriebsbedingungen. Der Unterschied in der Pt-Beladung zwischen den vergleichenden Zellen C1 und C2 führt zu einem erheblichen Unterschied in der Leistungsfähigkeit zwischen den vergleichenden Zellen C1 und C2. Jedoch zeigen beide erfindungsgemäßen Zellen I1 und I2 eine mit der vergleichenden Zelle C1 vergleichbare Leistungsfähigkeit, obwohl die ersteren viel niedrigere Pt-Beladungen haben.

Tabelle 1 liefert repräsentative Werte der Stromdichte unter den anderen untersuchten Betriebsbedingungen für die verschiedenen Zellen mit 0,1 mg/cm² Pt-Beladung. (Die repräsentativen Werte waren von einer Stromdichte, welche bei 0,6 V erhalten wurde.)

Brennstoffzelle	A/cm² @ 0,6 V kalt & nass	A/cm² @ 0,6 V heiß & nass	A/cm² @ 0,6 V kalt & trocken	A/cm² @ 0,6 V heiß & trocken
C2	1,02	0,64	0,15	0,12
I1	1,36	1,14	0,25	0,15
I2	1,42	1,05	0,29	0,17

Die beiden erfindungsgemäßen Zellen I1 und I2 übertrafen die vergleichende Zelle C2, und dies deutlich in einigen Fällen, unter all den untersuchten Betriebsbedingungen.
Die vorstehenden Beispiele zeigen, dass die Tiefdruckverfahren gemäß der Erfindung verwendet werden können, um CCMs mit Mustern von Durchtrittsöffnungen in den Kathodenschichten herzustellen, welche einigermaßen gut definierte und diskrete Einrichtungen aufweisen. Die vorstehenden Beispiele zeigen auch, dass eine verbesserte Leistungsfähigkeit der Zelle erhalten werden kann, wenn bestimmte Gestaltungen der Durchtrittsöffnungen verwendet werden. Insbesondere können diese Zellen eine Ausgangsleistung bereitstellen, welche weit oberhalb von 1 W/cm² der Kathodenschicht unter einer Vielzahl von Betriebsbedingungen ist, welche auf automobile Anwendungen anwendbar sind.
Alle vorgenannten US-Patente, Veröffentlichungen von US-Patentanmeldungen, US-Patentanmeldungen, ausländischen Patente, ausländischen Patentanmeldungen und nicht der Patentliteratur zugehörigen Publikationen, auf welche in dieser Beschreibung Bezug genommen wurde, sind hiermit in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme einbezogen.
Obwohl bestimmte Elemente, Ausführungsformen und Anwendungen der vorliegenden Erfindung gezeigt und beschrieben wurden, ist es natürlich verständlich, dass die Erfindung nicht hierauf beschränkt ist, da Abänderungen vom Fachmann vorgenommen werden können, ohne vom Wesen und Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen, insbesondere im Lichte der vorstehenden Lehren. Beispielsweise ist die Erfindung nicht nur auf Brennstoffzellen beschränkt, welche mit reinem Wasserstoff als Brennstoff betrieben werden, sondern auch auf Brennstoffzellen, welche mit einem beliebigen Wasserstoff enthaltenden Brennstoff oder Brennstoffen betrieben werden, welche Wasserstoff und unterschiedliche Verunreinigungen enthalten, wie etwa ein Reformat, welches CO und Methanol enthält. Solche Abwandlungen sind innerhalb des Bereichs und Umfangs der nachstehenden Ansprüche zu berücksichtigen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 20110165496 [0005]
JP 2006024556 [0005]

Claims

Tiefdruckverfahren zum Herstellen einer mit einem Katalysator beschichteten Membran, wobei die mit dem Katalysator beschichtete Membran eine Feststoff-Polymer-Elektrolyt-Membran umfasst, welche mit einer Katalysatorschicht beschichtet ist, wobei die Katalysatorschicht eine Mehrzahl von Durchtrittsöffnungen aufweist, wobei das Verfahren umfasst: Bereitstellen einer Druckoberfläche, welche eine Vertiefung und eine Mehrzahl von Säulen umfasst, welche in einem Muster innerhalb der Vertiefung angeordnet sind; Füllen der Vertiefung mit einer Tinte, welche den Katalysator umfasst; Trocknen der Tinte in der Vertiefung der Druckoberfläche; In-Kontakt-Bringen eines Bogens des Feststoff-Polymer-Elektrolyten mit der Druckoberfläche; und Aufbringen von Druck und Wärme auf den in Kontakt gebrachten Feststoff-Polymer-Elektrolyten und die Druckoberfläche, dadurch Herstellen der mit dem Katalysator beschichteten Membran, wobei die Mehrzahl der Durchtrittsöffnungen entsprechend den Stellen der Mehrzahl der Säulen in der Druckoberfläche angeordnet wird.
Tiefdruckverfahren nach Anspruch 1, wobei die Druckoberfläche eine Platte oder eine Trommel ist.
Tiefdruckverfahren nach Anspruch 1, wobei die Mehrzahl der Säulen als gerade Kreiszylinder ausgebildet sind.
Tiefdruckverfahren nach Anspruch 1, wobei der äquivalente Durchmesser der Säulen in dem Bereich von etwa 1 bis 500 Mikrometern liegt.
Tiefdruckverfahren nach Anspruch 1, wobei die Mehrzahl der Säulen in dem Muster mit einem durchschnittlichen Abstand von etwa 4 bis 1000 Mikrometern voneinander beabstandet sind.
Tiefdruckverfahren nach Anspruch 1, wobei das Füllen Tintenstrahldrucken umfasst.
Tiefdruckverfahren nach Anspruch 1, wobei das Füllen ein Überfüllen der Vertiefung mit der Tinte umfasst und ein Entfernen von überschüssiger Tinte mit einem Rakel von den Oberflächen der Mehrzahl der Säulen und der Druckoberfläche, welche die Vertiefung umgibt.
Tiefdruckverfahren nach Anspruch 1, umfassend das Aufbringen von Druck auf den in Kontakt gebrachten Feststoff-Polymer-Elektrolyten und die Druckoberfläche in dem Bereich von etwa 5 bis 16 bar.
Tiefdruckverfahren nach Anspruch 1, umfassend das Beaufschlagen des in Kontakt gebrachten Feststoff-Polymer-Elektrolyten und der Druckoberfläche mit Wärme in dem Bereich von etwa 100 bis 150°C.
Tiefdruckverfahren nach Anspruch 1, wobei die aufgetragene Katalysatorschicht von etwa 1,5 bis 15 Mikrometer dick ist.
Tiefdruckverfahren nach Anspruch 1, wobei die aufgetragene Katalysatorschicht von etwa 0,01 bis 0,5 mg/cm² Platinkatalysator umfasst.
Feststoff-Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellenstapel, welcher einen Reihenstapel von Feststoff-Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellen umfasst, wobei jede Feststoff-Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle umfasst: eine mit einem Katalysator beschichtete Membran, welche umfasst: einen Feststoff-Polymer-Elektrolyten; eine Anodenschicht, welche einen Anodenkatalysator umfasst, welcher auf eine Seite des Feststoff-Polymer-Elektrolyten aufgetragen ist; und eine Kathodenschicht, welche einen Anodenkatalysator umfasst, welcher auf die andere Seite des Feststoff-Polymer-Elektrolyten aufgetragen ist; eine anodische Gasdiffusionslage, welche an die Anodenschicht der mit dem Katalysator beschichteten Membran angrenzt; eine kathodische Gasdiffusionslage, welche an die Kathodenschicht der mit dem Katalysator beschichteten Membran angrenzt; und dadurch gekennzeichnet, dass die Kathodenschicht eine Mehrzahl von Durchtrittsöffnungen aufweist, welche in einem Muster angeordnet sind.
Feststoff-Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 12, wobei die Mehrzahl der Durchtrittsöffnungen als gerade Kreiszylinder ausgebildet sind.
Feststoff-Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 12, wobei der äquivalente Durchmesser der Durchtrittsöffnungen in dem Bereich von etwa 1 bis 500 Mikrometern liegt.
Feststoff-Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 12, wobei die Mehrzahl der Durchtrittsöffnungen in dem Muster mit einem durchschnittlichen Abstand von etwa 4 bis 1000 Mikrometern voneinander beabstandet ist. 16 Feststoff-Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 12, wobei die aufgetragene Katalysatorschicht von etwa 1,5 bis 15 Mikrometer dick ist.
Feststoff-Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 12, wobei die aufgetragene Katalysatorschicht von etwa 0,01 bis 0,5 mg/cm² Platinkatalysator umfasst.
Feststoff-Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 12, wobei die Mehrzahl der Durchtrittsöffnungen etwa 1 bis 20% der Fläche der Kathodenschicht einnimmt.
Feststoff-Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 12, wobei das Verhältnis des äquivalenten Durchmessers der Durchtrittsöffnungen zu dem durchschnittlichen Abstand der Durchtrittsöffnungen von etwa 0,1 bis 0,5 beträgt.
Verfahren zum Betreiben des Feststoff-Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellenstapels nach Anspruch 12, umfassend: Zuführen von Brennstoff zu den Anodenschichten in den Brennstoffzellen bei mehr als dem Umgebungsdruck; Zuführen eines Oxidationsmittels zu den Kathodenschichten in den Brennstoffzellen bei mehr als dem Umgebungsdruck; und Beziehen einer Leistung von mehr als 1 W/cm² von den Brennstoffzellen.