DE102018114334A1

DE102018114334A1 - Thermische steuerung von substraten zur verhinderung der permeation von ionomeren

Info

Publication number: DE102018114334A1
Application number: DE102018114334.6A
Authority: DE
Inventors: Nagappan Ramaswamy; Ellazar V. Niangar; Balasubramanian Lakshmanan
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2017-06-16
Filing date: 2018-06-14
Publication date: 2018-12-20
Also published as: CN109148897A; US20180366738A1

Abstract

Systeme und Verfahren der vorliegenden Offenbarung beinhalten das Zuführen eines porösen Substrats, das Erwärmen des porösen Substrats zum Herstellen eines vorgewärmten Substrats, das Aufbringen einer Elektrodentinte auf das vorgewärmte Substrat zum Herstellen eines beschichteten Substrats und das Trocknen der Elektrodentinte des beschichteten Substrats zum Herstellen einer Elektrode auf dem porösen Substrat. Das vorgewärmte Substrat weist eine Temperatur von mehr als 23 °C auf. Das Auftragen erfolgt über einen Beschichtungsmechanismus. Die Elektrodentinte beinhaltet einen Katalysator und ein in einem Lösungsmittel dispergiertes Ionomer. Die Trocknung erfolgt über einen Trocknungsmechanismus.

Description

EINLEITUNG
Die Offenbarung betrifft das Gebiet von Brennstoffzellen und insbesondere Systeme und Verfahren zur Hemmung der Permeation von Ionomeren in poröse Substrate.
Brennstoffzellensysteme können als Energiequelle in einer Vielzahl von Anwendungen zum Bereitstellen von elektrischer Energie eingesetzt werden. Die erzeugte elektrische Energie kann sofort zur Versorgung einer Vorrichtung, beispielsweise eines Elektromotors, verwendet werden. Zusätzlich oder alternativ kann die erzeugte elektrische Energie durch den Einsatz von zum Beispiel Batterien gespeichert werden.
In einigen Anwendungen werden Brennstoffzellen in stationäre Strukturen eingebaut, um Gebäude, Wohnungen und dergleichen mit elektrischer Energie zu versorgen. In einigen Anwendungen werden Brennstoffzellen in Vorrichtungen wie Smartphones, Videokameras, Computer und dergleichen eingebaut. In einigen Anwendungen werden Brennstoffzellen zum Bereitstellen oder Ergänzen von Antriebskraft in Fahrzeuge eingebaut.
Katalysatortinten werden bei der Herstellung von Elektroden für Brennstoffzellen eingesetzt. Die Katalysatortinten beinhalten Katalysatorpulver und Ionomere, die in einem oder mehreren Lösungsmitteln, wie beispielsweise einer Mischung aus Alkohol und Wasser, in einem bestimmten Verhältnis suspendiert sind. Die Katalysatortinte wird dann auf poröse Materialien, wie beispielsweise Gasdiffusionsschichten (GDL), aufgetragen. Nachdem die Katalysatortinte auf die GDL aufgetragen wurde, wird die Tinte in einem Ofen getrocknet, um das Lösungsmittel von der Elektrode abzutreiben. Jedoch führt das Einbringen der nassen Katalysatortinte zu einem Verlust von nahezu ~50 % des Ionomers innerhalb der Elektrodentinte in das poröse GDL-Material. Um die Permeation von Ionomeren zu verringern, werden alkoholreiche Elektrodentinten, wie beispielsweise 75 Vol.-% Alkohol bis 25 Vol.-% Wasser, verwendet.
KURZDARSTELLUNG
Es ist wünschenswert, den Ionomergehalt in der Elektrode zu optimieren und eine übermäßige Permeation des Ionomers in poröse Schichten zu verhindern. In einigen Aspekten werden poröse Substrate, wie beispielsweise Gasdiffusionsmedien, vor dem Auftragen einer Katalysatortinte vorgewärmt, um eine übermäßige Permeation von Ionomeren in die porösen Substrate zu verhindern.
Gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung beinhaltet ein Verfahren das Zuführen eines porösen Substrats, das Erwärmen des porösen Substrats zum Herstellen eines vorgewärmten Substrats, das Aufbringen einer Elektrodentinte auf das vorgewärmte Substrat zum Herstellen eines beschichteten Substrats und das Trocknen der Elektrodentinte des beschichteten Substrats zum Herstellen einer Elektrode auf dem porösen Substrat. Das vorgewärmte Substrat weist eine Temperatur von mehr als 23 °C auf. Das Auftragen erfolgt über einen Beschichtungsmechanismus. Die Elektrodentinte beinhaltet einen Katalysator und ein in einem Lösungsmittel dispergiertes Ionomer. Die Trocknung erfolgt über einen Trocknungsmechanismus.
Gemäß weiteren Aspekten der vorliegenden Offenbarung, worin ein erstes Verhältnis von Ionomer zu Katalysator durch das Volumen in der Elektrode innerhalb von 15 % eines zweiten Verhältnisses von Ionomer zu Katalysator durch das Volumen in der Elektrodentinte liegt.
Gemäß weiteren Aspekten der vorliegenden Offenbarung, worin der Trocknungsmechanismus ein zweiter Heizmechanismus ist.
Gemäß weiteren Aspekten der vorliegenden Offenbarung, worin die Elektrodentinte eine erste Menge Ionomer beinhaltet. Die Elektrodentinte beinhaltet eine zweite Menge an Ionomer, und die zweite Menge beträgt nicht weniger als 70 % der ersten Menge.
Gemäß weiteren Aspekten der vorliegenden Offenbarung, worin die Elektrodentinte eine erste Menge an Ionomer und die Elektrodentinte eine zweite Menge an Ionomer beinhaltet, und die zweite Menge nicht weniger als 90 % der ersten Menge beträgt.
Gemäß weiteren Aspekten der vorliegenden Offenbarung, worin die Temperatur höher als etwa 50 °C ist.
Gemäß weiteren Aspekten der vorliegenden Offenbarung, worin die Temperatur höher als etwa 80 °C ist.
Gemäß weiteren Aspekten der vorliegenden Offenbarung, worin das Ionomer der Elektrodentinte nicht mehr als etwa 20 µm in das poröse Substrat aus der Elektrode abwandert.
Gemäß weiteren Aspekten der vorliegenden Offenbarung, worin das Ionomer der Elektrodentinte nicht mehr als etwa 10 µm in das poröse Substrat aus der Elektrode abwandert.
Gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung umfasst ein System einen Heizmechanismus, der stromabwärts des Heizmechanismus angeordnet ist, und einen Trocknungsmechanismus, der stromabwärts des Beschichtungsmechanismus angeordnet ist. Der Heizmechanismus ist konfiguriert, um ein poröses Substrat zum Erzeugen eines vorgewärmten Substrats zu erwärmen. Das vorgewärmte Substrat weist eine Temperatur von mehr als 23 °C auf. Der Beschichtungsmechanismus beinhaltet einen Applikator, der konfiguriert ist, um eine Elektrodentinte auf das vorgewärmte Substrat aufzutragen. Die Elektrodentinte beinhaltet einen Katalysator und ein Ionomer, das in einem Lösungsmittel dispergiert ist, um dadurch ein beschichtetes Substrat herzustellen. Der Trocknungsmechanismus ist konfiguriert, um die Elektrodentinte des beschichteten Substrats zu trocknen und eine Elektrode auf dem porösen Substrat zu erzeugen.
Gemäß weiteren Aspekten der vorliegenden Offenbarung, worin ein erstes Verhältnis von Ionomer zu Katalysator durch das Volumen in der Elektrode innerhalb von 15 % eines zweiten Verhältnisses von Ionomer zu Katalysator durch das Volumen in der Elektrodentinte liegt.
Gemäß weiteren Aspekten der vorliegenden Offenbarung, worin der Trocknungsmechanismus ein zweiter Heizmechanismus ist.
Gemäß weiteren Aspekten der vorliegenden Offenbarung, worin die Elektrodentinte eine erste Menge an Ionomer und die Elektrodentinte eine zweite Menge an Ionomer beinhaltet, und die zweite Menge nicht weniger als 70 % der ersten Menge beträgt.
Gemäß weiteren Aspekten der vorliegenden Offenbarung, worin die Elektrodentinte eine erste Menge an Ionomer und die Elektrodentinte eine zweite Menge an Ionomer beinhaltet, und die zweite Menge nicht weniger als 90 % der ersten Menge beträgt.
Gemäß weiteren Aspekten der vorliegenden Offenbarung, worin die Temperatur höher als etwa 50 °C ist.
Gemäß weiteren Aspekten der vorliegenden Offenbarung, worin die Temperatur höher als etwa 80 °C ist.
Gemäß weiteren Aspekten der vorliegenden Offenbarung, worin das Ionomer der Elektrodentinte nicht mehr als etwa 20 µm in das poröse Substrat aus der Elektrode abwandert.
Gemäß weiteren Aspekten der vorliegenden Offenbarung, worin das Ionomer der Elektrodentinte nicht mehr als etwa 10 µm in das poröse Substrat aus der Elektrode abwandert.
Die vorstehend genannten Funktionen und Vorteile sowie andere Funktionen und Vorteile der vorliegenden Offenbarung gehen aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der bestmöglichen praktischen Umsetzung der dargestellten Offenbarung in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen hervor.
Figurenliste
Die Zeichnungen sind illustrativ und nicht dazu bestimmt, den durch die Ansprüche definierten Gegenstand einzuschränken. Exemplarische Aspekte werden in der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung und in den beigefügten Zeichnungen, in denen sie dargestellt sind, erläutert, in denen:

1 ist ein schematisches Diagramm eines Brennstoffzellensystems, das gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung einen Brennstoffzellenstapel beinhaltet;
2 ist eine schematische Explosionsansicht des Brennstoffzellenstapels von 1;
3 ist eine schematische seitliche Querschnittsansicht eines Abschnitts des Brennstoffzellenstapels von 2;
4 ist ein schematisches System zum Herstellen einer Elektrode auf einem porösen Substrat gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung;
Die 5A-5D sind schematische Darstellungen eines Verfahrens zum Montieren einer Elektrode auf einem porösen Substrat gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
1 ist eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems zum Erzeugen von Antriebskraft. Das Brennstoffzellensystem beinhaltet eine Oxidationsmittelquelle 1, eine Brennstoffquelle 2, ein Reaktanden-Verarbeitungssystem 3, einen Brennstoffzellenstapel 4, mindestens einen Energiespeicher 5 und einen Motor 6.
Die Oxidationsmittelquelle 1 und die Brennstoffquelle 2 dienen dem Brennstoffzellensystem zum Erzeugen von elektrischer Energie durch chemische Reaktionen. Wie hierin verwendet, können sich „Reaktanden“ auf Brennstoff, Oxidationsmittel oder beides beziehen, wenn der Kontext dies vorgibt. Die Reaktanden beinhalten eine geeignete Brennstoff- und Oxidationsmittelkombination. So ist beispielsweise der Brennstoff Wasserstoff und das Oxidationsmittel Sauerstoff. Weitere Brennstoffe, wie beispielsweise Erdgas, Methanol, Benzin und aus Kohle gewonnene synthetische Brennstoffe, können verwendet werden.
Das Reaktanden-Verarbeitungssystem 3 nimmt das Oxidationsmittel von der Oxidationsquelle 1 und/oder den Brennstoff von der Brennstoffquelle 2 auf. In einigen Aspekten wandelt das Reaktanden-Verarbeitungssystem 3 den Rohbrennstoff in eine geeignete Form für den Brennstoffzellenstapel 4 um. So kann beispielsweise das Reaktanden-Verarbeitungssystem 3 Methanol zu Wasserstoffgas für die Versorgung des Brennstoffzellenstapels 3 reagieren. In einigen Aspekten konditioniert das Reaktanden-Verarbeitungssystem 3 zusätzlich oder alternativ einen oder mehrere der Reaktanden durch Einstellen von Faktoren, wie beispielsweise Temperatur, Druck, Feuchtigkeit und dergleichen. In einigen Aspekten kann das Reaktanden-Verarbeitungssystem 3 entfallen.
Der Brennstoffzellenstapel 4 ist konfiguriert, um die Reaktanden aus dem Reaktanden-Verarbeitungssystem 3 aufzunehmen und durch Förderung von Redoxreaktionen elektrische Energie zu erzeugen. So kann beispielsweise ein Wasserstoffbrennstoff mit Sauerstoff zum Erzeugen von Elektrizität mit Wärme und Wasser als Nebenprodukten reagiert werden.
Die Energiespeichervorrichtung 5 ist konfiguriert, um die vom Brennstoffzellenstapel 4 erzeugte Energie aufzunehmen und an die Nebenaggregate abzugeben. Die Energiespeichervorrichtung 5 kann die Energie für den späteren Gebrauch speichern oder sie im Wesentlichen sofort nutzen, um dadurch einen Puffer gegen Stromschwankungen bereitzustellen, die Nebenaggregate wie den Motor 6 beschädigen können.
Der Motor 6 ist konfiguriert, um die im Energiespeicher gespeicherte elektrische Energie in Arbeitsleistung umzuwandeln. Mit dem Motor 6 kann zum Beispiel eine Antriebsvorrichtung wie ein Rad 7 angetrieben werden.
2 ist eine Explosionsansicht des Brennstoffzellenstapels 4. er Brennstoffzellenstapel 4 beinhaltet eine Vielzahl von Platten 12, mindestens eine Brennstoffzelle 14 und ein Druckelement 16. Die Vielzahl der Platten 12 kann eine geeignete Kombination von Platten 12, wie beispielsweise Endplatten 18, monopolare Platten 20, bipolare Platten 22, Kombinationen derselben und dergleichen beinhalten. Jede der monopolaren Platten 20 ist angrenzend an eine jeweilige Brennstoffzelle 14 angeordnet, und jede der bipolaren Platten 22 ist zwischen einem Paar Brennstoffzellen 14 angeordnet.
Das Druckelement 16 ist konfiguriert, um eine Druckkraft auf den Brennstoffzellenstapel 4 entlang der Stapelrichtung auszuüben. Die Druckkraft sichert die Platten 12 und die Brennstoffzelle 14 durch einen Anpressdruck zwischen angrenzenden Komponenten in Position. In einigen Aspekten beinhaltet das Druckelement 16 eine Vielzahl von Gewindestangen, die in die Strukturen der Endplatten 18 eingreifen. Durch Anziehen der Gewindestangen wird eine Druckkraft entlang der Stapelrichtung auf ein gewünschtes Maß erhöht, wodurch sich ein Anpressdruck auf Dichtungen zwischen angrenzenden Komponenten verteilt. In einigen Aspekten greifen die Druckelemente 16 weniger ein als der gesamte Brennstoffzellenstapel 4. So können beispielsweise die Druckelemente 16 in zwei angrenzende Platten 12 eingreifen, um eine Druckkraft auf die beiden Platten 12 auszuüben, oder eine Reihe angrenzender Platten 12, um eine Druckkraft auf die Anzahl angrenzender Platten 12 auszuüben.
Die Endplatten 18 sind an der Ober- und Unterseite des Brennstoffzellenstapels 4 angeordnet. Die Endplatten 18 beinhalten Brennstoffeinlässe 24a, Brennstoffauslässe 24c, Oxidationsmitteleinlässe 26a, Oxidationsmittelauslässe 26c, Kühlmitteleinlässe 28a und darauf angeordnete Kühlmittelauslässe 28c. Wie hierin verwendet, können sich „Flüssigkeiten“ auf Brennstoffe, Oxidationsmittel, Kühlmittel oder eine beliebige Kombination derselben beziehen, wie der Kontext dies vorgibt. So können sich beispielsweise „Flüssigkeitszuläufe 24a, 26a, 28a“ auf einen oder alle Brennstoffeinlässe 24a, Oxidationsmitteleinlässe 26a oder Kühlmitteleinlässe 28a beziehen, wie der Kontext dies vorgibt, und „Reaktionsmittelkanäle 24b, 26b“ können sich auf einen oder beide der Brennstoffkanäle 24b und Oxidationsmittelkanäle 26b beziehen, wie es der Kontext vorgibt. Es ist vorgesehen, dass einige der Flüssigkeitseinlässe 24a, 26a, 28a und Flüssigkeitsauslässe 24c, 26c, 28c auf einer Endplatte 18 angeordnet werden können, während die übrigen Flüssigkeitseinlässe 24a, 26a, 28a und Flüssigkeitsauslässe 24c, 26c, 28c auf der gegenüberliegenden Endplatte 18 angeordnet sind.
3 veranschaulicht eine seitliche Querschnittsansicht einer Brennstoffzelle 14 des Brennstoffzellenstapels 4. Die Brennstoffzelle 14 beinhaltet eine Membran-Elektrodenanordnung 30 und Gasdiffusionsmedien 32 mit einer optionalen Dichtung 34 (2). Die Gasdiffusionsmedien 32 ist eine poröse Schicht, welche die Zuführung der Reaktanden aus den Reaktandenkanälen 24b, 26b der bipolaren Platten 22 zur Membran-Elektrodenanordnung 30 erleichtert. Die Gasdiffusionsmedien 32 beinhaltet eine poröse Schicht 36 und eine mikroporöse Schicht 38. In einigen Aspekten ist das Gasdiffusionsmedium 32 eine einheitliche Struktur, welche die poröse Schicht 36 an einer ersten Oberfläche und die mikroporöse Schicht 38 an einer zweiten Oberfläche gegenüber der ersten Oberfläche definiert. Es ist vorgesehen, dass die Gasdiffusionsmedien 32 beispielsweise nur die poröse Schicht 36 oder nur die mikroporöse Schicht 38 beinhalten können.
In einigen Aspekten sind die Gasdiffusionsmedien 32 konfiguriert, um eine konstante lokale Konzentration von Reaktanden über die Fläche der Membran-Elektrodenanordnung 30 bereitzustellen, sodass Teile der Membran-Elektrodenanordnung 30, die mit Stegen der angrenzenden Platte 12 ausgerichtet sind, im Wesentlichen die gleiche Exposition gegenüber Reaktanden erhalten wie Teile der Membran-Elektrodenanordnung 30, die mit den Reaktandenkanälen 24b, 26b der angrenzenden Platte 12 ausgerichtet sind.
Die Gasdiffusionsmedien 32 bieten zudem elektrische Leitfähigkeit, Wärmeleitung und mechanische Unterstützung. Die Gasdiffusionsmedien 32 sind aus geeigneten Materialien, wie beispielsweise Polymeren oder beschichteten Materialien, gebildet, um die gewünschten Leistungsparameter zu optimieren. In einigen Aspekten werden die Gasdiffusionsmedien 32 oder Teile derselben aus Kohlepapier, Kohlefasergewebe oder Fluorpolymeren, wie beispielsweise Polytetrafluorethylen („PTFE“), gebildet. In einigen Aspekten beinhalten die Gasdiffusionsmedien 32 Fluorpolymere aus Kohlepapier, welche die Litzen beschichten.
Die Membran-Elektrodenanordnung 30 ist konfiguriert, um eine elektrische Ladung durch die Erleichterung der Reduktion und Oxidation der Reaktanden zu erzeugen. Die Membran-Elektrodenanordnung 30 beinhaltet eine Membran 40, die zwischen einem Elektrodenpaar 42 angeordnet ist, das eine Anodenseite 44 und eine Kathodenseite 46 definiert. Die Elektrode 42 auf der Anodenseite 44 ist konfiguriert, um die Ionisation des Brennstoffs zu erleichtern. Wasserstoffgas wird beispielsweise an der Elektrode in zwei Protonen und zwei Elektronen getrennt. Die Elektrode 42 auf der Kathodenseite 46 ist zur Erleichterung der Kombination des ionisierten Brennstoffs mit dem Oxidationsmittel konfiguriert. So wird beispielsweise Sauerstoff mit den zwei Protonen und zwei Elektronen zu einem Wassermolekül kombiniert.
Die Elektroden 42 beinhalten beispielsweise einen fein zerteilten Katalysator, der auf Trägerpartikeln angeordnet und mit einem Ionomer vermischt ist. Der Katalysator ist konfiguriert, um die Halbzellenreaktion der jeweiligen Reaktanden zu katalysieren. Der Katalysator der Anodenseite 44 kann sich vom Katalysator der Kathodenseite 46 unterscheiden. In einigen Aspekten besteht der anodenseitige Katalysator aus Platin und der kathodenseitige Katalysator aus Nickel. In einigen Aspekten besteht der anodenseitige Katalysator aus Platin und der kathodenseitige Katalysator aus Platin oder auf Platinbasis. Die Trägerpartikel sind so konfiguriert, dass sie die katalytische Fähigkeit einer bestimmten Katalysatormenge erhöhen. Die katalytische Fähigkeit wird beispielsweise dadurch erhöht, dass der Katalysator auf exponierten Oberflächen der Trägerpartikel eine Vielzahl von Stegen bildet, wodurch eine vorgegebene Anzahl von Reaktionsstellen bereitgestellt wird, während die Menge des Katalysators im Vergleich zum nicht unterstützten Katalysator reduziert wird. In einigen Aspekten sind die Trägerpartikel Kohlenstoff. Das Ionomer ist für den Ionentransport zu den Katalysatorpartikeln konfiguriert. In einigen Aspekten ist das Ionomer Polystyrolsulfonat, Perfluorsulfonsäurepolymer, ein Tetrafluorethylen- und Perfluorsulfonsäure-Copolymer oder ein sulfoniertes Blockcopolymer.
Die Membran 30 ist konfiguriert, um Ionen von der Elektrode 42 auf der Anodenseite 44 zur Elektrode 42 auf der Kathodenseite 46 zu transportieren und dabei die Übertragung von Elektronen zu verhindern. In einigen Aspekten ist die Membran 40 eine Protonenaustauschmembran, die konfiguriert ist, um Protonen durch sie hindurch zu übertragen.
Obwohl die veranschaulichte Struktur und Zusammensetzung der Anodenseite 44 und der Kathodenseite 46 im Wesentlichen symmetrisch zur Membran 40 ist, wird davon ausgegangen, dass Komponenten der Anodenseite 44 Eigenschaften aufweisen können, die sich von denen der Kathodenseite 46 unterscheiden.
In einigen Aspekten sind die Gasdiffusionsmedien 32 der Kathodenseite 46 ebenfalls darauf konfiguriert, Produkte wie Wasser von der Membran-Elektrodenanordnung 30 weg zu transportieren, um eine Überflutung zu verhindern. So sind beispielsweise die Gasdiffusionsmedien 32 der Kathodenseite 46 teilweise dicker als die der Anodenseite, um den Massenfluss von Wasser zur und von der Membran 40 zu steuern. Zusätzlich oder alternativ ist zumindest ein Teil der Gasdiffusionsmedien 32 der Kathodenseite 46 hydrophob, um den Massendurchfluss von Wasser durch diese hindurch zu steuern. Die poröse Schicht 34, die mikroporöse Schicht 36 oder beide können hydrophob sein.
Die bipolaren Platten 22 können unter Verwendung einer Vielzahl von Verfahren, wie beispielsweise der additiven Fertigung einschließlich 3D-Druck oder anderer Standardumformungstechniken, gebildet werden. So können beispielsweise die Rückseiten 38 von zwei monopolaren Platten 20 zusammengesetzt und die monopolaren Platten 20 verklebt werden, um die bipolare Platte 22 zu bilden. Die Bindung kann beispielsweise durch Schweißen oder Kleben hergestellt werden. In einigen Aspekten wird die bipolare Platte 22 durch Prägen der Reaktandenkanäle 24b, 26b auf gegenüberliegende Flächen eines einzelnen Blechs ohne das Vorhandensein von Kühlkanälen 28b dazwischen gebildet.
Bei der Montage der Brennstoffzelle 14 können Suspensionen auf poröse Substrate aufgetragen werden, um daraus resultierende Schichten der Brennstoffzelle 14 zu bilden. So kann beispielsweise eine Elektrodentinte auf die Gasdiffusionsmedien 32 aufgetragen werden, um die Elektrode 42 zu bilden. Die Elektrodentinte kann eine Mischung sein, welche die geladenen Katalysator-Trägerpartikel und das Ionomer in einem Lösungsmittel enthält. Die Elektrodentinte kann eine Lösung, eine Suspension, ein Kolloid oder eine Kombination derselben sein.
Das Lösungsmittel kann eine Mischung aus verschiedenen Flüssigkeiten sein. In einigen Aspekten beinhaltet die Elektrodentinte die geladenen Katalysator-Trägerpartikel und das Ionomer, dispergiert in einer Mischung aus einem organischen Lösungsmittel, wie beispielsweise Alkohol, und einem anorganischen Lösungsmittel, wie beispielsweise Wasser. In einer Mischung aus Wasser und Alkohol steigt mit zunehmender Wasserkonzentration der Protonentransportwiderstand der resultierenden Schicht, während der lokale Sauerstofftransportwiderstand der resultierenden Schicht abnimmt. Wie hierin verwendet, wird der lokale Sauerstofftransportwiderstand in ${\frac{\frac{s}{c m}}{\frac{c m_{P t}^{2}}{c m_{g e o}^{2}}}}_{,}$
nachfolgend als „Einheiten“ bezeichnet, wobei $c m_{P t}^{2}$
die Oberfläche von Platin-Nanopartikel-Katalysatoren und $c m_{g e o}^{2}$
die geometrische Oberfläche der Elektrode ist.
So beträgt beispielsweise der lokale Sauerstofftransportwiderstand von 5 cm2 einer katalysatorbeschichteten Membran in einer Membran-Elektrodenanordnung, gemessen bei 80 °C, einer relativen Feuchtigkeit von 100%, einem Druck von 150 kPaa und einer Stromdichte von 2 A/cm2, 10,1 s/cm für eine Elektrodentinte mit einer Mischung aus 80 Vol.-% Alkohol und 20 Vol.-% Wasser, 8,2 s/cm für eine Elektrodentinte mit einer Mischung aus 40 Vol.-% Alkohol und 60 Vol.-% Wasser, und 6,5 s/cm für eine Elektrodentinte mit einer Mischung aus 20 Vol.-% Alkohol und 80 Vol.-% Wasser. Zusätzlich beträgt der Protonentransportwiderstand von 5 cm2 einer katalysatorbeschichteten Membran in einer Membran-Elektrodenanordnung, gemessen bei einer Temperatur von 80 °C, einer relativen Feuchtigkeit von 95 %, und ein Druck von 150 kPaa ist 68,2 mΩ-cm2 für eine Elektrodentinte mit einer Mischung aus 80 Vol.-% Alkohol und 20 Vol.-% Wasser, 78,5 mΩcm2 für eine Elektrodentinte mit einer Mischung aus 40 Vol.-% Alkohol und 60 Vol.-% Wasser, und 83,0 mΩ-cm2 für eine Elektrodentinte mit einer Mischung aus 20 Vol.-% Alkohol und 80 Vol.-% Wasser.
Die Beschichtung von Flüssigkeiten auf porösen Substraten ermöglicht die Migration von Material aus der Flüssigkeit in das poröse Substrat. So kann beispielsweise ein Ionomer in der Elektrodentinte die Gasdiffusionsmedien 32 durchdringen. Zudem dürfen andere Materialien aus der Flüssigkeit nicht in das poröse Substrat eindringen oder das poröse Substrat mit einer anderen Geschwindigkeit als das erste Material durchdringen, was die Zusammensetzung und das Verhältnis des Materials innerhalb der resultierenden Schicht negativ beeinflusst. Obwohl das Ionomer beispielsweise die Gasdiffusionsmedien 32 durchdringen kann, bleiben die Katalysator-Trägerpartikel und der Katalysator im Wesentlichen innerhalb der resultierenden Elektrode 42.
Die Migration von Material aus der Flüssigkeit in das poröse Substrat erhöht die Komponentenkosten, da die anfängliche Materialmenge, die zur Herstellung einer resultierenden Schicht mit einer gewünschten Materialmenge erforderlich ist, erhöht wird. Zudem wird auch das Verhältnis von Material zu anderen Komponenten der resultierenden Schicht beeinflusst, da die resultierende Schicht, wenn andere Materialien mit unterschiedlicher Geschwindigkeit oder gar nicht migrieren, ein nicht optimales Verhältnis von Material aufweisen würde. Das Ionomer der Elektrodentinte laugt beispielsweise in das Gasdiffusionsmedium 32 aus, während die geladenen Katalysator-Trägerpartikel im Wesentlichen in der Elektrodentinte verbleiben, um eine Elektrode 42 mit einem Katalysator-Ionomer-Verhältnis zu erzeugen, das höher ist als das Katalysator-Ionomer-Verhältnis der Elektrodentinte.
Vorteilhaft ist, dass Systeme und Verfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung zu optimierten Elektrodendesigns führen. Systeme und Verfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung erhöhen die Temperatur des porösen Substrats, um die Migration von Material aus der Flüssigkeit auf das poröse Substrat zu reduzieren oder zu verhindern. Dadurch wird die Gesamtmenge an Material, die zur Herstellung der gewünschten Schichten erforderlich ist, reduziert. Bei der Bildung der Elektroden 42 beispielsweise reduzieren Systeme und Verfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung die Menge des eingesetzten Ionomers und optimieren das Verhältnis von Katalysator zu Ionomer in der resultierenden Elektrode 42 durch das Minimieren der Differenz zwischen Katalysator-zu-Ionomer-Verhältnissen der Elektrodentinte und der Elektrode 42.
Zudem sehen die Systeme und Verfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung mittlere Mischungen von Elektrodentinten, wie beispielsweise 40 Vol.-% Alkohol und 60 Vol.-% Wasser vor, ohne dass ein wesentlicher Verlust an Ionomer aus der resultierenden Elektrode 42 entsteht. In einigen Aspekten absorbiert ein nicht vorgewärmtes poröses Substrat mehr als etwa 45% des Ionomers im mittleren Bereich der Elektrodentinte, während ein vorgewärmtes poröses Substrat weniger als 10% des Ionomers absorbiert, was das Gleichgewicht zwischen Protonentransportwiderstand und lokalem Sauerstofftransportwiderstand verbessert.
Die hierin beschriebenen Systeme und Verfahren hemmen ebenfalls die Materialansammlung an der Grenzfläche zwischen dem porösen Substrat und der resultierenden Schicht. Systeme und Verfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung sind sowohl für Kathoden als auch für Anoden von Brennstoffzellen vorteilhaft. Darüber hinaus bietet die Beibehaltung eines ausreichenden Ionomergehalts in der Anodenelektrode weitere Vorteile, da der Anoden-Deckbeschichtungsprozess entfällt.
4 veranschaulicht ein System 400 zur Herstellung einer Elektrode 42 auf einem porösen Substrat 402, wie beispielsweise der porösen Schicht 36 oder der mikroporösen Schicht 38. Das poröse Substrat 402 wird dem System 400 zugeführt und über den Heizmechanismus 404 erwärmt, um ein vorgewärmtes Substrat 406 zu erzeugen. Der Heizmechanismus 404 kann eine Strahlungsheizung, konvektive Heizung, konduktive Heizung oder Kombinationen derselben einsetzen. In einigen Aspekten ist der Heizmechanismus ein Ofen. Die Temperatur des vorgewärmten Substrats 406 liegt über der Umgebungstemperatur. In einigen Aspekten ist die Temperatur des vorgewärmten Substrats 406 zur Verminderung der Permeation höher als etwa 23 °C. In einigen Aspekten ist die Temperatur des vorgewärmten Substrats 406 zur Verminderung der Permeation höher als etwa 35 °C. In einigen Aspekten ist die Temperatur des vorgewärmten Substrats 406 zur Verminderung der Permeation höher als etwa 50 °C. In einigen Aspekten ist die Temperatur des vorgewärmten Substrats 406 zur Verminderung der Permeation höher als etwa 83 °C.
Auf das vorgewärmte Substrat 406 wird eine Elektrode 42 in flüssiger Form, wie beispielsweise eine Elektrodentinte 408, aufgebracht, um ein beschichtetes Substrat 420 herzustellen. Die Elektrodentinte 408 wird durch einen Beschichtungsmechanismus 410 aufgebracht, der beispielsweise eine Pumpe 412 und einen Applikator 414 beinhaltet. Die Pumpe 412 ist konfiguriert, um die Elektrodentinte von einer Quelle aufzunehmen und den Druck auf eine vorbestimmte Menge zu erhöhen. Die Elektrodentinte wird dann durch den Applikator 414, wie beispielsweise Tintenstrahldrucker, Siebdrucker, Flexodrucker, Schlitzdüse oder dergleichen, geleitet und auf das vorgewärmte Substrat 406 aufgebracht. Ein Fördermechanismus 418 befördert das beschichtete Substrat 420 zu optionalen nachgelagerten Prozessen wie Trocknungsmechanismen, Trennmechanismen, Kombinationen daraus und dergleichen. So kann beispielsweise ein zweiter Heizmechanismus 404 stromabwärts des Beschichtungsmechanismus 410 angeordnet werden, um mindestens das poröse Substrat 402 zu erwärmen.
Die 5A-5D veranschaulichen ein Verfahren zum Aufbau einer Elektrode 42 auf einem porösen Substrat, dargestellt als mikroporöse Schicht 38. Es versteht sich, dass das poröse Substrat eine mikroporöse Schicht 38, eine poröse Schicht 36 oder eine mikroporöse Schicht 38 und eine poröse Schicht 36 sein kann. 5A veranschaulicht das Erwärmen der mikroporösen Schicht 38. Die mikroporöse Schicht 38 kann mit oder ohne Aufkleberrohling 502 geliefert werden. In einigen Aspekten kann der Aufkleberrohling 502 aus Polytetrafluorethylen (PTFE), expandiertem PTFE, Polyimidfolien wie Poly(4,4'-oxydiphenylen-pyromellitimid), Kombinationen daraus und dergleichen bestehen.
Dem porösen Substrat wird eine Wärme Q zugeführt, um das vorgewärmte Substrat 406 herzustellen und die Temperatur des vorgewärmten Substrats 406 über die Umgebungstemperatur zu erhöhen. In einigen Aspekten ist die Temperatur des vorgewärmten Substrats 406 höher als etwa 23 °C. In einigen Aspekten ist die Temperatur des vorgewärmten Substrats 406 höher als etwa 50 °C. In einigen Aspekten ist die Temperatur des vorgewärmten Substrats 406 höher als etwa 80 °C.
Wie in 5B dargestellt, wird die Elektrodentinte auf das vorgewärmte Substrat 406 aufgebracht, um ein beschichtetes Substrat herzustellen, nachdem die Temperatur des vorgewärmten Substrats 406 über einen vorgegebenen Schwellenwert angehoben wurde. Das beschichtete Substrat wird anschließend getrocknet, um die Elektrode 42 auf der mikroporösen Schicht 38 herzustellen. Die Membran 40 wird dann, wie in 5C dargestellt, über die Elektrode 42 gelegt. In einigen Aspekten werden der Aufkleberrohling 502, die mikroporöse Schicht 38 und die Elektrode 42 heiß auf die Membran 40 gepresst. Es können die in der Technik bekannten Temperatur-, Druck- und Zeitbedingungen für das Heißpressen verwendet werden. Die Heißpressbedingungen können beispielsweise eine Presszeit von 4 Minuten bei 295° F und 250 psi beinhalten. Wie in 5D dargestellt, kann der Aufkleberrohling 502 bei Bedarf abgezogen werden, um die mikroporöse Schicht 38 an der Elektrode 42, die an der Membran 40 befestigt ist, zu belassen. Der Vorgang kann dann mit einem zweiten Aufkleberrohling wiederholt werden, um die Struktur auf der gegenüberliegenden Seite der Membran 40 herzustellen.
BEISPIELE
Beispiel 1

Die Proben werden mit vorgewärmten Substraten bei verschiedenen Temperaturen hergestellt. Die porösen Substrate sind mikroporöse Schichten mit einer Dicke von 35 µm. Die mikroporösen Schichten werden auf die jeweils vorgewärmten Temperaturen erwärmt. Nachdem jede mikroporöse Schicht die jeweilige Vorwärmtemperatur erreicht hat, wird die Elektrodentinte auf die vorgewärmte mikroporöse Schicht aufgetragen. Nach dem Trocknen der Elektrodentinte wird die Ionomer-Retention der resultierenden Elektrodenschicht mittels Elektronenmikrosondenanalyse bestimmt. Die Ergebnisse werden nachstehend in Tabelle 1 angegeben.

Temperatur des Substrats	Ionomer-Retention durch resultierende Elektrode	Ionomerverlust in die mikroporöse Schicht
23 °C	~55 %	~45 %
40 °C	~62 %	~38 %
45 °C	~65 %	~35 %
50 °C	~73 %	~27 %
60 °C	~78 %	~22 %
70 °C	~88 %	~12 %
83 °C	~90 %	~10 %
102 °C	~92 %	~8 %
Tabelle 1 - Ionomer-Retention und -Verlust

Aus den vorstehenden Angaben wird berechnet, ob die Katalysatortinte für ein Substrat bei 23 °C ein Ionomer-Katalysator-Verhältnis von etwa 1,6 erfordert, um zu einer Elektrode mit einem Ionomer-Katalysator-Verhältnis von 0,9 zu gelangen, während die Katalysatortinte für ein Substrat bei 83 °C nur ein Ionomer-Katalysator-Verhältnis von etwa 1,0 benötigt, um zu einer Elektrode mit einem Ionomer-Katalysator-Verhältnis von 0,9 zu gelangen.
Beispiel 2

Die Proben von Beispiel 1 werden ausgewählt, um die Permeation von Elektrodentintenmaterialien in die mikroporöse Schicht zu analysieren. Die Permeation des Ionomers wird unter Verwendung eines Schwefel-Intensitätsprofils und die Permeation des Katalysators und der Katalysatorträgerpartikel unter Verwendung eines Platin-Intensitätsprofils bestimmt. Die Ergebnisse werden nachstehend in Tabelle 2 angegeben.

Temperatur des Substrats	Ionomer - Permeation Abstand	Katalysator-Permeationsabstand
23 °C	~35 µm	~0 µm
50 °C	~22 µm	~0 µm
83 °C	~10 µm	~0 µm
Tabelle 2 - Materialpermeationsabstände

Während die besten Arten der Ausführung der Offenbarung ausführlich beschrieben wurden, werden die mit der hier beschriebenen Technik vertrauten Fachleute diverse alternative Ausgestaltungen und Ausführungen erkennen, mit denen die Offenbarung im Rahmen der nachfolgend aufgeführten Patentansprüche ausgeführt werden kann.

Claims

Verfahren, umfassend: Zufuhr eines porösen Substrats; Erwärmen des porösen Substrats über einen Heizmechanismus, um ein vorgewärmtes Substrat zu erzeugen, wobei das vorgewärmte Substrat eine Temperatur von mehr als 23 °C aufweist; Aufbringen einer Elektrodentinte über einen Beschichtungsmechanismus auf das vorgewärmte Substrat, wobei die Elektrodentinte einen Katalysator und ein in einem Lösungsmittel dispergiertes Ionomer beinhaltet, um dadurch ein beschichtetes Substrat herzustellen; und Trocknen der Elektrodentinte des beschichteten Substrats über einen Trocknungsmechanismus, um eine Elektrode auf dem porösen Substrat zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 1, worin ein erstes Verhältnis von Ionomer zu Katalysator bezogen auf das Volumen in der Elektrode innerhalb von 15 % eines zweiten Verhältnisses von Ionomer zu Katalysator bezogen auf das Volumen in der Elektrodenfarbe liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, worin die Elektrodentinte eine erste Menge an Ionomer und die Elektrodentinte eine zweite Menge an Ionomer beinhaltet, und die zweite Menge nicht weniger als 70 % der ersten Menge beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, worin die Elektrodentinte eine erste Menge an Ionomer und die Elektrodentinte eine zweite Menge an Ionomer beinhaltet, und die zweite Menge nicht weniger als 90 % der ersten Menge beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, worin die Temperatur höher als etwa 50 °C ist.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das Ionomer der Elektrodentinte nicht mehr als etwa 20 µm in das poröse Substrat aus der Elektrode abwandert.
System, umfassend: einen Heizmechanismus, der konfiguriert ist, um ein poröses Substrat zu erwärmen, um ein vorgewärmtes Substrat zu erzeugen, wobei das vorgewärmte Substrat eine Temperatur von mehr als 23 °C aufweist; einen Beschichtungsmechanismus, der stromabwärts des Heizmechanismus angeordnet ist, wobei der Beschichtungsmechanismus einen Applikator beinhaltet, der konfiguriert ist, um eine Elektrodentinte auf das vorgewärmte Substrat aufzutragen, wobei die Elektrodentinte einen Katalysator und ein Ionomer beinhaltet, die in einem Lösungsmittel dispergiert sind, um dadurch ein beschichtetes Substrat herzustellen; und einen Trocknungsmechanismus, der stromabwärts des Beschichtungsmechanismus angeordnet ist, wobei der Trocknungsmechanismus konfiguriert ist, um die Elektrodentinte des beschichteten Substrats zu trocknen, um eine Elektrode auf dem porösen Substrat zu erzeugen.
System nach Anspruch 7, worin ein erstes Verhältnis von Ionomer zu Katalysator bezogen auf das Volumen in der Elektrode innerhalb von 15 % eines zweiten Verhältnisses von Ionomer zu Katalysator bezogen auf das Volumen in der Elektrodenfarbe liegt.
System nach Anspruch 7, worin die Elektrodentinte eine erste Menge an Ionomer und die Elektrodentinte eine zweite Menge an Ionomer beinhaltet, und die zweite Menge nicht weniger als 70 % der ersten Menge beträgt.
System nach Anspruch 7, worin das Ionomer der Elektrodentinte nicht mehr als etwa 10 µm in das poröse Substrat aus der Elektrode abwandert.